WO2004084393A1 - Vorrichtung und verfahren zur stromversorgung von feldgeräten - Google Patents

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WO2004084393A1
WO2004084393A1 PCT/EP2003/004014 EP0304014W WO2004084393A1 WO 2004084393 A1 WO2004084393 A1 WO 2004084393A1 EP 0304014 W EP0304014 W EP 0304014W WO 2004084393 A1 WO2004084393 A1 WO 2004084393A1
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current transformer
current
voltage
module
field device
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WO2004084393A8 (de
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Guntram Scheible
Jochen Mast
Thomas Keul
Dietmar Overhoff
Heinrich Deckmann
Ralf Huck
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Abb Research Ltd.
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Publication date
Application filed by Abb Research Ltd. filed Critical Abb Research Ltd.
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Priority to PCT/EP2003/004014 priority patent/WO2004084393A1/de
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/10—Arrangements incorporating converting means for enabling loads to be operated at will from different kinds of power supplies, e.g. from ac or dc

Definitions

  • the invention relates to a device for the power supply of a field device in a process engineering system according to the preamble of claim 1, a field device for use in a process engineering system and a method for power supply to a field device according to the preamble of claim 11.
  • Field devices are used in process engineering systems to measure process variables such as pressure, temperature, level, flow, composition and to transmit the measured values to a central control center, if necessary after preprocessing the recorded data in the field device itself, such as filtering or limit value monitoring.
  • Other types of field devices are used as actuators, which usually include at least one electric drive for this purpose.
  • field devices generally have at least one measuring or actuating module for the actual measurement and conversion of the physical or chemical process variable to be measured into electrical signals or for executing the actuating action, furthermore at least one control, data acquisition and processing unit for controlling the internal processes in the Field device and for recording and, if necessary, preprocessing the electrical signals, as well as a communication device for transmitting the recorded and possibly preprocessed signals to a central control center, but also for receiving signals from the control center, for example configuration data, calibration data or setpoints.
  • the transmission of the Signals from the communication device to the central control center and back can be implemented in a wired or wireless manner. In the latter case, one speaks of a wireless communication device, for example a Bluetooth or a radio frequency connection.
  • Field devices in process engineering processes are almost exclusively active today, so they require electrical auxiliary energy.
  • the electronic assemblies and components integrated in the interior of the field device generally require a low DC voltage, for example 5V DC or 9V DC, in order to work as intended. In particular, this applies to field devices that have a low overall power consumption, for example a few mW.
  • the electrical energy is supplied to the field device in process engineering systems today according to the state of the art from the outside by branching off from the partial voltage system or systems used to supply power to the process engineering system, or, as in the case of 2-wire technology, via a common signal line with looped in.
  • the most common partial voltage systems in process engineering systems include 10KVAC, 220 / 400V AC / DC, 690V AC, 110V AC / DC, or 24/12 / 6V DC.
  • the object is achieved with respect to the device by the characterizing features of claim 1, with regard to the field device by the features of claim 11, and with respect to the method by the characterizing features of claim 12.
  • the current transformer thus comprises at least two networked partial area current transformer assemblies formed from at least one current transformer means and a switching means, and a control unit for controlling the switching means in the partial area current transformer modules, so that the current path between the input and output interface can be switched in such a way that the Adaptation of the respective partial voltage system to the conversion range suitable for the device voltage arises.
  • the universal current transformer contains a number of networked partial current transformers in, wherein different paths between the input and output interface can be set in the network by cascading the partial current transformers in series.
  • the switching means means that the voltage or the current is switched through or passed through between their partial current transformer inputs and outputs, which in effect corresponds to bridging the corresponding partial current transformer.
  • the control unit controls the activation of the respective switching means and thus the establishment of the network path.
  • the current transformer comprises a series connection of at least two sub-region current transformer assemblies comprising at least one current transformer means and at least one switching means.
  • a series scarf tion is a very simple and clear way of networking, and it considerably simplifies the internal structure of the universal current transformer.
  • the current transformer means and the switching means are separate assemblies.
  • the switching means could, for example, be electronic or electromechanical switches, and the current transformer means could be current transformer assemblies known from electronics.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the current transformer means and switching means are integrated in a current transformer / switching module. This further reduces the number of modules to be installed in the universal current transformer and ensures a compact, cost-effective construction.
  • the control unit comprises a partial voltage detection module.
  • This partial voltage detection module automatically detects which partial voltage system the current transformer is connected to. The partial voltage detection module can then initiate the appropriate switching of the switching means within the control unit.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the current transformer on the output side comprises a storage module for storing electrical energy. If the power supply to the current transformer is interrupted, the field device can thus be supplied with power by the memory module and in this way a continuous operation of the field device can be ensured even with a discontinuous external power supply.
  • the current transformer comprises a charge state monitoring module, which is connected to the control data acquisition and. Processing module of the field device and / or the communication device is connected.
  • the state of charge of the memory module can be monitored at least for falling below a minimum value and / or reaching a normal value, and information about the state of charge can be transmitted via the communication device to a control center located outside the field device. If the storage module in the control center falls below a minimum charge level an alarm signal and / or a measure for recharging the energy store can then be triggered by the control center.
  • connection means is a terminal or an inductive coupling element or a capacitive coupling element. This ensures that the device can be connected to different power supply lines of different partial voltage systems present in the process plant.
  • the communication interface can be a wireless communication interface, for example a Bluetooth interface or a radio frequency interface.
  • a field device according to the invention for use in a process plant in which at least one electrical power supply line is present is characterized in that the field device comprises a current transformer as described above.
  • the invention consists in that a universal current transformer is used as described above, the current path between the input and output interface being switched in such a way that it is suitable for adapting the respective partial voltage system to the device voltage Conversion area arises.
  • the partial voltage system present at the input-side connection point is recognized in the control unit of the current transformer, and the switching means are respectively controlled by the control unit in such a way that suitable current transformer means are switched between the input and output interfaces by switching through or bypassing and connecting series connections that are not required a conversion region suitable for adapting the detected partial voltage system to the device voltage is formed.
  • Electrical energy can be temporarily stored in the storage module and thus when the power supply is interrupted to the input-side connection point of the university.
  • the field device can be supplied with power by the storage module.
  • a particularly advantageous variant of the method is characterized in that the state of charge of the memory module is monitored with a state of charge of the charge state at least for falling below a minimum value and / or reaching a normal value and information about the state of charge via the communication device of a control center located outside the field device is transmitted.
  • an alarm signal and / or a measure for recharging the energy store can be triggered if the storage module in the control center falls below a minimum charge level.
  • the current transformer is connected via the connecting line and the connecting means to the power supply line of an electrical device operated discontinuously in the process engineering system, and the power supply from the control center is closed when the storage module falls below a minimum charge level the discontinuously operated electrical device is switched on until the state of charge of the memory module has returned to its normal value.
  • the power supply cable of a lamp that is currently switched off can be used to supply the field device. If it is detected that the minimum charge level of the memory module has been undershot, the control center can then switch on the lamp until the memory module is charged again.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first variant of a first Embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a second embodiment of the invention, in which the current transformer is integrated in the field device,
  • Fig. 4 is a schematic representation of a current converter circuit for use in the current converter
  • Fig. 5 is a schematic representation of a further current converter circuit for
  • FIG. 1 schematically shows a field device 10 for use in a process engineering process, which is connected to a power supply device 20 via a field device connection point 11 and a low-voltage cable 50.
  • the field device comprises a measuring or adjusting module 12, a control, data acquisition and processing unit 14 and a communication device 15 which. arranged within a housing and connected together.
  • the communication device 15 is designed as a wireless communication device and is connected, for example via a radio frequency transmitter, to a central control center, not shown here, located outside the field device.
  • the wireless data transmission between the field device 10 and the control center is symbolized by the double arrow 15a.
  • the field device 10 requires an electrical supply voltage of 3.3 VDC for its intended function.
  • the power supply device 20 comprises a current converter 20a with an output-side connection point 38, via which the connection to the low-voltage cable 50 is established, an input-side connection point 21, to which a connection conductor arrangement designed as a connection cable 4 is connected at one end, the other End of the connecting cable 4 is connected via a connecting means 3 to a current conductor arrangement of the process engineering process, which is designed as a power cable 1.
  • the power cable 1 is here, for example, a cable that to the in belongs to the process engineering process used partial voltage system 220 / 400V AC.
  • a network control module 22 is arranged in the current converter 20a in direct connection with the connection point 21 on the input side. This includes a partial voltage detection module 22a, which detects the type of current present at the connection point 21 on the input side.
  • a network consisting of four sub-area current transformers 26 ', 28', 30 ', 32' is arranged in the current transformer 20a in the network nodes.
  • the sub-area current transformers each comprise a current transformer means and a switching means, here, for example, a current transformer means and a switching means according to FIG. 4 or FIG. 5 are each integrated in a current transformer / switching module.
  • the current transformer 20a comprises a total of 12 switching elements in the network mesh, of which only the switching elements 27 ', 29', 31 ', 33' are provided with reference numerals for the sake of clarity. are.
  • the switching elements are controllable switches with which the network mesh can be interrupted or switched through.
  • the network control module 22 which is indicated in FIG. 1 by the dashed lines of action between the switching elements or partial current transformers and the network control module 22.
  • the meshes of the network all originate in a network start node K2 immediately downstream of the input-side connection point 21 and end in a network end node K1 upstream of the output-side connection point 38.
  • the partial range current transformer 26 ' is designed for the current conversion of a partial range current transformer input voltage Ue (see FIG. 4, FIG. 5) from 10KV AC to a partial range current transformer output voltage Ua (see FIG. 4, FIG. 5) of 690 V AC / DC. placed, the partial current transformer 28 'for the current conversion from 690V AC / DC to 220 / 400V AC or DC, the partial current transformer 30' for the conversion from 220/400 VAC / DC to 24/12/6 VDC, the partial current transformer 32 'for the Current conversion from 24/12 / 6V DC to 3.3 VDC.
  • the partial voltage detection module 22a within the network control unit 22 detects that the power line 1 carries a voltage of 220 VAC.
  • a program contained in the network control unit 22 determines the partial area current transformers 30 ' and 32 'as suitable for switching the line voltage from 220VAC in series to the device voltage of 3.3VDC.
  • conversion is first carried out from 220/400 VAC / DC to 24/12/6 VDC and in the subsequent partial-range current transformer 32' from 24/12 / 6V DC to 3.3 VDC.
  • the network control unit 22 also determines which of the switching elements must be switched on and which must be switched off in order to switch the suitable path from the input-side connection point 21 to the output-side connection point 38 in such a way that the sub-area current transformers 30 ′ and 32 ′ are in the correct order be run through in succession. It also determines that the switching means in the sub-area current transformers 26 'and 28' must be switched through. The path drawn in bold in FIG. 1 is established from the input-side connection point 21 via the switched-on switching element 27 ', the sub-area current transformer 30', the switched-on switching element 30 ', the sub-area current converter 32' and the switched-on switching element 31 'to the output-side connection point 38. The other switching elements are switched off.
  • the partial voltage detection module 22a detects within the Network control unit 22 that 10 kV AC is now present, and accordingly causes the path in the current transformer 20 a from the input-side connection point 21 to the output-side connection point 38 via the sub-range current transformers 26 '(10KV AC to 690V AC / DC), 28' ( 690V AC / DC to 220 / 400V AC / DC), 30 '(220/400 VAC / DC to 24/12/6 VDC) and 32' (24/12 / 6V DC to 3.3 VDC) switched in this order becomes.
  • the function is corresponding when connecting to other partial voltage systems.
  • a memory module 36 is arranged between the output-side node K1 of the output-side connection point 38. This is charged with electrical energy by the current converted at the end of the network in the network node K1.
  • the memory module 36 can be an accumulator, a double-layer capacitor or else a regenerative fuel cell.
  • the memory module 36 takes over the power supply of the field device 10 in cases in which the power supply to the current transformer 20a is interrupted or has been suspended.
  • a current sensor 41 is provided, which measures the current converted at the end of the network in the network node K1 and forwards this information to a memory control unit 42 which, if necessary, causes the power supply to the field device 10 by the memory module 36.
  • the memory module 36 is connected to a state of charge monitoring module 40, in which the respective state of charge of the memory module 36 is determined and information about the communication device 15 connected to the state of charge monitoring device is communicated to the control center.
  • the power cable 1 can be the power supply cable of an electrical device operated discontinuously in the process engineering system, for example a lighting device, a valve, an actuator, etc. If the state of charge monitoring module 40 detects in this case that the storage module 36 has fallen below a minimum state of charge, then this information is communicated to the control center via the communication interface 15. This will then cause the power supply to the discontinuously operated electrical device to be switched on until the state of charge of the memory module has returned to its normal value. It is not necessary that the discontinuously operated device is actually switched on; only the power supply to this device is activated.
  • an electrical device operated discontinuously in the process engineering system for example a lighting device, a valve, an actuator, etc.
  • Figure 2 shows a variant of the first embodiment of the subject matter of the invention.
  • the network of the current transformer 20a consisting of the partial current transformer assemblies and switching elements is designed such that four partial current transformer assemblies 26, 28, 30, 32 are connected in series.
  • Each sub-area current transformer assembly 26, 28, 30, 32 comprises a current converter means 26a, 28a, 30a, 32a and a switching means 27, 29, 31, 33.
  • Current converter means and switching means are designed as separate modules.
  • the conversion ranges of the individual sub-area current transformer modules 26 (10KV AC to 690V AC / DC), 28 (690V AC / DC to 220 / 400V AC / DC), 30 (220/400 VAC / DC to 24/12/6 VDC) and 32 (24/12 / 6V DC to 3.3 VDC) are the same as described in Fig. 1 above. All other construction elements and functional groups correspond to those of FIG. 1 and are provided with identical reference numerals in FIGS. 1 and 2.
  • the power cable 1 is here again a cable, the partial voltage system used to that in the technical process' 220 / 400VAC belongs and the field device 10 requires 3 VDC as a power supply voltage. Then the control unit 22 switches on the switching means 27 and 29, so that the partial current transformers 26 and 28 are bridged and only the two partial current transformers 30 and 32 are connected in series, the voltage of the power cable from 220 VAC to 24/12 / 6V DC to 3.3 VDC convert.
  • control unit 22 switches all four
  • Switching means 27, 29, 31, 33 so that the current path in the current transformer 20a from the input-side connection point 21 to the output-side connection point 38 via the sub-region current transformer assemblies 26 (10KV AC to 690V AC / DC), 28 (690V AC / DC to 220 / 400V AC or DC), 30 (220/400 VAC / DC to 24/12/6 VDC) and 32 (24/12 / 6V DC to 3.3 VDC).
  • the current converter means 26a, 28a, 30a, 32a and the switching means 27, 29, 31, 33 can be built together on a circuit board.
  • the subassembly can be a circuit board or an integrated circuit.
  • the switching function of a switching device can also be carried out by operating a current transformer device in a 1: 1 mode, so it does not necessarily have to be a separate functional module. 4 shows an example of this.
  • FIG. 4 shows a step-down converter known per se, which is used here as a sub-area current transformer assembly, for example as assembly 26, 28, 30 or 32 in FIG. 2.
  • Ue is the partial current transformer input voltage
  • Ua is the partial range current transformer output voltage.
  • Ce, Ca, D, S and L denote the components usually used in electronics with step-down converters of this type, namely Ce and Ca capacitors, L an inductor, D a diode, S a switch, preferably an electronic switch.
  • the ratio of Ua to Ue is determined by the duty cycle of the electronic switch S.
  • the pulse duty factor of the electronic switch S ie the ratio of the switch-on time to the switch-off time of the switch S in a periodic switching operation in which the period is equal to the sum of the switch-on and switch-off time, is 1, Ue becomes 1: 1 on Ua switched through, so there is then no voltage conversion. If the switching ratio is less than 1, Ue is converted down to Ua in a ratio corresponding to the switching ratio.
  • the switching means is thus an integral part of the current transformer function of the sub-region current transformer module.
  • FIG. 5 32 in Fig. 1 A further example in which the switching means is an integral part of the current transformer function of the partial current transformer module is shown in FIG. 5 32 in Fig. 1 is used.
  • Ue is again the partial current transformer input voltage
  • Ua is the partial current transformer output voltage.
  • the ratio of Ua to Ue is again determined by the pulse duty factor of the electronic switch S, whereby in the case of the isolating buck converter, in contrast to the coupled buck converter according to FIG. 4, Ua can in principle also become larger than Ue.
  • FIG. It shows a field device 10a for use in a process engineering process, which comprises a measuring or adjusting module 12, a control, data acquisition and processing module 14 and a communication device 15.
  • the field device 10a likewise comprises a current transformer 20a, which is therefore an integral part of the field device 10a here.
  • a NEN as a connection cable 4
  • the field device 10a with an integrated current transformer is connected to the current conductor 1, which is designed as a current cable, of the process engineering process.
  • the same components and components, in particular the current transformer 20a, with their reference numerals and the function of the power supply via the integrated current transformer 20a correspond to those described in FIG. 2 and have the same reference numerals.
  • the current sensor 41 in the embodiments according to FIGS. 1, 2, 3 may also already be an integral part of each current transformer means 26a, 28a, 30a, 32a or each partial area current transformer assembly 26, 28, 30, 32; in this case, i.e. If at least one of the sub-area current transformer modules already comprises a current sensor, this should be used for monitoring for an interruption in the external power supply, whereupon the separate current sensor 41 at the end of the network node K1 could then be omitted.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (20) zur Stromversorgung eines wenigstens einen Messmodul (12), einen Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodul (14) und eine Kommunikationsseinrichtung (15) umfassenden Feldgerätes (10) in einer verfahrenstechnischen Anlage mit der für den Gerätebetrieb benötigten Gerätespannung be schrieben. In der Anlage ist wenigstens ein elektrisches Stromkabel (1) vorhanden, das die zu einem der in verfahrenstechnischen Anlagen üblichen Teilspannungssysteme gehörende Anlagenspannung führt. Die Vorrichtung (20) weist einen wenigstens eine eingangsseitige Anschlussstelle (21) und eine ausgangsseitige Anschlussstelle (38) aufweisenden Stromwandler mit dem zur Anpassung des jeweiligen Teilspannungssystems an die Gerätespannung passenden Wandlungsbereich auf, ferner ein Anschlusskabel (4) und ein Anschlussmittel (3) zur Verbindung mit dem wenigstens einen Stromkabel (1). Der Stromwandler umfasst (20a) ein Netzwerk bestehend aus Teilbereichstromwandlern (26, 28, 30, 32, 26', 28', 30', 32') in den Netzwerksknoten und wenigstens einem Schaltelement (27, 29, 31, 33, 27', 29', 31', 33') in wenigstens einer Netzwerksmasche. Weiterhin umfasst der Stromwandler eine Steuereinheit (22) zur Ansteuerung der Schaltelemente (27, 29, 31, 33, 27', 29', 31', M), wobei der Strompfad zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle (21, 38) durch Hintereinanderschalten einer entsprechenden Anzahl von geeigneten Teilbereichstromwandlern (26, 28, 30, 32, 26', 28', 30', 32') so zusammengesetzt werden kann, dass der zur Anpassung des jeweiligen Teilspannungssystems an die Gerätespannung passende Wandlungsbereich entsteht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Stromversorgung von Fβldαeräten
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromversorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , ein Feldgerät zur Verwendung in einer verfahrenstechnischen Anlage sowie ein Verfahren zur Strom- Versorgung eines Feldgerätes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.
Feldgeräte werden in verfahrenstechnischen Anlagen zur Messung von Prozessgrößen wie Druck, Temperatur, Füllstand, Durchfluss, Zusammensetzung und zur Übermittlung der Messwerte an eine zentrale Leitstelle, gegebenenfalls nach einer Vorverarbeitung der erfassten Daten im Feldgerät selbst, wie beispielsweise einer Filterung oder einer Grenzwertüberwachung, eingesetzt. Andere Arten von Feldgeräten werden als Stellglieder eingesetzt, sie umfassen dazu in der Regel meistens wenigstens einen elektrischen Antrieb.
Insgesamt weisen Feldgeräte im Allgemeinen wenigstens einen Mess- oder Stellmodul für die eigentliche Messung und Wandlung der zu messenden physikalischen oder chemischen Prozessgrößeή in elektrische Signale oder zur Ausführung der Stellaktion auf, weiterhin wenigstens eine Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit zur Steuerung der inneren Abläufe im Feldgerät und zur Erfassung und gegebenenfalls Vorverarbeitung der elektrischen Signale, sowie eine Kommunikationseinrichtung zur Übermittlung der erfassten und gegebenenfalls vorverarbeiteten Signale an eine zentrale Leitstelle, aber auch zum Empfang von Signalen von der Leitstelle, beispielsweise Konfigurierungsdaten, Kalibrierdaten oder Sollwerte. Die Übermittlung der Signale von der Kommunikationseinrichtung an die zentrale Leitstelle und zurück kann dabei drahtgebunden oder drahtlos realisiert sein. Im letzteren Fall spricht man von einer drahtlosen Kommunikationseinrichtung, beispielsweise einer Bluetooth- oder einer Radiofrequenz-Verbindung.
Feldgeräte in verfahrenstechnischen Prozessen sind heute nahezu ausschließlich aktiv, benötigen also elektrische Hilfsenergie. Dabei benötigen die im Inneren des Feldgerätes integrierten elektronischen Baugruppen und Komponenten in der Regel eine niedrige Gleichspannung, beispielsweise 5V DC oder 9V DC, um bestimmungsgemäß zu arbeiten. Insbesondere trifft dies zu bei Feldgeräten, die insgesamt einen geringen Leistungsverbrauch aufweisen, beispielsweise wenige mW. Die elektrische Energie wird dem Feldgerät in verfahrenstechnischen Anlagen heute nach dem Stand der Technik von außen durch Abzweig von dem oder den zur Stromversorgung der verfahrenstechnischen Anlage eingesetzten Teil-Spannungssystemen zugeführt, oder auch, wie bei der 2-Draht-Technik, über eine gemeinsame Signalleitung mit eingeschleift. Zu den am meisten verbreiteten Teil-Spannungssysteme in verfahrenstechnischen Anlagen gehören 10KVAC, 220/400V AC/DC, 690V AC, 110V AC/DC, oder 24/12/6V DC.
Somit ist in einer verfahrenstechnischen Anlage nicht immer die richtige Stromversorgung für ein Feldgerät mit drahtloser Kommunikationsschnittstelle vorhanden; daher benötigen solche Feldgeräte heute spezielle Stromwandler, um die elektrischen Strom- Versorgungserfordernisse des Feldgerätes an das oder die vorhandenen Teilspannungssysteme anzupassen. Für jede Stromart und jedes Teilspannungssystem wird dabei ein eigener Stromwandler benötigt, was bezüglich Lagerhaltung und logistischem Aufwand bei Wartung und Instandhaltung in der Anlage aufwändig ist. Bei Stationswechsel des Feldgerätes innerhalb der verfahrenstechnischen Anlage an einen neuen bestimmungsgemäßen Einsatzort mit dadurch bedingtem Wechsel des Teilspannungssystems ist die Stromversorgungsvorrichtung daher sehr unflexibel. Auch sind häufige Defekte durch Anklemmen der Stromversorgungseinheit des Feldgerätes an immer neue geeignete Stromversorgungsleitungen die Folge.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfah- ren zur Stromversorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage zu schaffen, wodurch unabhängig von der zur Verfügung stehenden Stromart und des zur Verfügung stehenden Teilspannungssystems der Betrieb des Feldgerätes ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 , hinsichtlich des Feldgerätes durch die Merkmale des Anspruchs 11 , und hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 12.
Erfindungsgemäß also umfasst der Stromwandler wenigstens zwei vernetzte, aus wenigstens einem Stromwandlermittel und einem Durchschaltmittel gebildete Teilbe- reichsstromwandlerbaugruppen, sowie eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Durch- schaltmittel in den Teilbereichsstromwandlerbaugruppen, so dass der Strompfad zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle so schaltbar wird, dass der zur Anpassung des jeweiligen Teilspannungssystems an die Gerätespannung passende Wandlungsbereich entsteht.
Auf diese Weise entsteht ein Universalstromwandler, der es erlaubt, mit einer einheitli- chen Stromwandler-Hardware einen weiten Stromwandlungsbereich abzudecken. Erreicht wird dies dadurch, dass der Universalstromwandler eine Reihe von vernetzten Teilstromwandlern in enthält, wobei in dem Netzwerk verschiedene Pfade zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle eingestellt werden können, indem die Teilstromwandler kaskadierend hintereinandergeschaltet werden. Dabei werden aber aus der Gesamtheit der in dem Universalstromwandler verfügbaren Teilstromwandler auf flexible Art und Weise nur so viele Teilstromwandler kaskadiert, wie für die Erzeugung des gerade benötigten Wandlerbereichs nötig sind. Bei den nicht benötigten Teilstromwandlern wird mittels der Durchschaltmittel zwischen deren Teilstromwandlerein- und Ausgängen die Spannung bzw. der Strom ungewandelt durchgeschaltet oder durchgelassen, was in Wirkung einer Überbrückung des entsprechenden Teilstromwandlers entspricht. Die Ansteuerung der jeweiligen Durchschaltmittel und damit die Festlegung des Netzwerkpfades wird von der Steuereinheit gesteuert.
Sehr vorteilhaft ist es dabei, wenn der Stromwandler eine Reihenschaltung von wenigstens zwei, jeweils wenigstens ein Stromwandlermittel und wenigstens ein Durchschalt- mittel umfassende Teilbereichsstromwandlerbaugruppen umfasst. Eine Reihenschal- tung ist eine sehr einfache und übersichtliche Art der Vernetzung, und sie vereinfacht den inneren Aufbau des Universalstromwandlers erheblich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass die Stromwandlermittel und die Durchschaltmittel getrennte Baugruppen sind. Die Durchschaltmittel könnten beispielsweise elektronische oder elektro mechanische Schalter, und die Stromwandlermittei aus der Elektronik bekannte Stromwandlerbaugruppen sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromwandlermittel und Durchschaltmittel in einer Stromwandler/Schalt- Baugruppe integriert sind. Dies reduziert die Anzahl der in dem Universalstromwandler einzubau- enden Baugruppen weiter und sorgt für einen kompakten, kostengünstigen Aufbau.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinheit eine Teilspannungserkennungsbaugruppe. Diese Teilspannungserkennungs- baugruppe erkennt automatisch, mit welchem Teilspannungssystem der Stromwandler verbunden ist. Die Teilspannungserkennungsbaugruppe kann dann innerhalb der Steu- ereinheit die entsprechende geeignete Schaltung der Durchschaltmittel veranlassen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Stromwandler ausgangsseitig eine Speicherbaugruppe zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst. Bei Unterbrechung der Stromzufuhr zu dem Stromwandler kann das Feldgerät somit von der Seicherbaugruppe mit Strom versorgt und auf diese Weise ein kontinu- ierlicher Betrieb des Feldgerätes auch bei diskontinuierlicher äußerer Stromversorgung gewährleistet werden.
Sehr vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltungsform, bei der der Stromwandler eine Lade- zustandsüberwachungsbaugruppe umfasst, die mit dem Steuerungs- Datenerfassungs- u. Verarbeitungsmodul des Feldgerätes und /oder der Kommunikationseinrichtung ver- bunden ist. Dadurch kann der Ladezustand der Speicherbaugruppe wenigstens auf Unterschreitung eines Mindestwertes und/oder Erreichen eines Normalwertes überwacht und eine Information über den Ladezustand über die Kommunikationseinrichtung einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Leitstelle übermittelt werden. Bei Unterschreiten eines Mindest-Ladezustandes der Speicherbaugruppe in der Leitstelle kann dann durch die Leitstelle ein Alarmsignal und/oder eine Maßnahme zum Wiederaufladen des Energiespeichers ausgelöst werden.
In besonders vorteilhafter Weise ist das Anschlussmittel eine Klemme oder ein induktives Koppelglied oder ein kapazitives Koppelglied. Dadurch ist gewährleistet, dass die Vorrichtung mit verschiedenen in der verfahrenstechnischen Anlage vorhandenen Stromversorgungsleitungen unterschiedlicher Teilspannungssysteme verbunden werden kann.
Erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtungen zeichnen sich insbesondere auch dadurch aus, dass die Kommunikationsschnittstelle eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle sein kann, beispielsweise eine Bluetooth-Schnittstelle oder eine Radiofrequenz- Schnittstelle.
Ein erfindungsgemäßes Feldgerät zur Verwendung in einer verfahrenstechnischen Anlage, in der wenigstens eine elektrische Stromversorgungsleitung vorhanden ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Feldgerät einen Stromwandler, wie er oben beschrie- ben wurde, umfasst.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Stromversorgung eines Feldgerätes in einer verfahrenstechnischen Anlage besteht die Erfindung darin, dass ein Universalstromwandler wie oben beschrieben eingesetzt wird, wobei der Strompfad zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle so geschaltet wird, dass der zur Anpassung des jeweiligen Teilspan- nungssystems an die Gerätespannung passende Wandlungsbereich entsteht. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Steuereinheit des Stromwandlers das an der eingangsseitigen Anschlussstelle anliegende Teilspannungssystem erkannt, und von der Steuereinheit werden die Durchschaltmittel jeweils so gesteuert, dass zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle durch Durchschalten oder Überbrücken nicht benötigter und Hintereinanderschalten geeigneter Stromwandlermittel ein zur Anpassung des erkannten Teilspannungssystems an die Geräfespannung passender Wandlungsbereich gebildet wird.
In der Speicherbaugruppe kann elektrische Energie zwischengespeichert und somit bei Unterbrechung der Stromzufuhr zu der eingangsseitigen Anschlussstelle des Univer- salstromwandlers das Feldgerät von der Speicherbaugruppe mit Strom versorgt werden.
Eine besonders vorteilhafte Variante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Ladezustand der Speicherbaugruppe mit einer Lade∑ustandsüberwachungsbau- gruppe wenigstens auf Unterschreitung eines Mindestwertes und/oder erreichen eines Normalwertes überwacht und eine Information über den Ladezustand über die Kommunikationseinrichtung einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Leitstelle übermittelt wird.
Dabei kann bei Unterschreiten eines Mindest-Ladezustandes der Speicherbaugruppe in der Leitstelle ein Alarmsignal und/oder eine Maßnahme zum Wiederaufladen des Energiespeichers ausgelöst werden.
Eine ebenfalls vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Stromwandler über die Anschlussleitung und das Anschlussmittel mit der Stromversorgungsleitung eines in der verfahrenstechnischen Anlage diskontinuierlich betrie- benen elektrischen Gerätes verbunden ist und bei Unterschreiten eines Mindest-Ladezustandes der Speicherbaugruppe von der Leitstelle die Stromzufuhr zu dem diskontinuierlich betriebenen elektrischen Gerät eingeschaltet wird, so lange, bis der Ladezustand der Speicherbaugruppe wieder seinen Normalwert erreicht hat. Beispielsweise • kann das Stromversorgungskabel einer Lampe, die gerade ausgeschaltet ist, zur Ver- sorgung des Feldgerätes benutzt werde. Bei erkannter Unterschreitung des Mindestladezustandes der Speicherbaugruppe kann dann von der Leitstelle das Einschalten der Lampe veranlasst werden, so lange, bis die Speicherbaugruppe wieder aufgeladen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie. weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfin- düng, bei der der Stromwandler in dem Feldgerät integriert ist,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Stromwandlerschaltung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Stromwandler und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Stromwandlerschaltung zur
Verwendung in dem erfindungsgemäßen Stromwandler
Figur 1 zeigt schematisch ein Feldgerät 10 zur Verwendung in einem verfahrenstechnischen Prozess, das über eine Feldgeräte-Anschlussstelle 11 und ein Schwachstromkabel 50 mit einer Stromversorgungsvorrichtung 20 verbunden ist. Das Feldgerät umfasst einen Mess- oder Stellmodul 12, eine Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit 14 und eine Kommunikatiohseinrichtung 15, die. innerhalb eines Gehäuses angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Kommunikationseinrichtung 15 ist als drahtlose Kommunikationseinrichtung ausgeführt und steht beispielsweise über einen Radiofrequenz-Sender mit einer außerhalb des Feldgerätes gelegenen, hier nicht dargestellten, zentralen Leitstelle in Verbindung. Die drahtlose Datenübertragung zwischen dem Feldgerät 10 und der Leitstelle ist durch den Doppelpfeil 15a symbolisiert. Das Feldgerät 10 benötigt zu seiner bestimmungsgemäßen Funktion eine elektrische Versorgungsspannung von 3,3 VDC.
Die Stromversorgungsvorrichtung 20 umfasst einen Stromwandler 20a mit einer aus- gangsseitigen Anschlussstelle 38, über die die Verbindung zu dem Schwachstromkabel 50 hergestellt ist, einer eingangsseitigen Anschlussstelle 21 , an die eine als Anschluss- kabel 4 ausgebildete Anschlussleiteranordnung mit einem Ende angeschlossen ist, wobei das andere Ende des Anschlusskabels 4 über ein Anschlussmittel 3 mit einer als Stromkabel 1 ausgebildete Stromleiteranordnung des verfahrenstechnischen Prozesses verbunden ist. Das Stromkabel 1 ist beispielsweise hier ein Kabel, das zu dem in dem verfahrenstechnischen Prozess verwendeten Teilspannungssystem 220/400V AC gehört.
In direkter Verbindung mit der eingangsseitigen Anschlussstelle 21 ist in dem Stromwandler 20a eine Netzwerk-Steuerbaugruppe 22 angeordnet. Diese umfasst eine Teil- spannungserkennungsbaugruppe 22a, welche die an der eingangsseitigen Anschlussstelle 21 anliegende Stromart erkennt.
In dem Stromwandler 20a ist ein Netzwerk bestehend aus vier Teilbereichsstromwandlern 26', 28', 30', 32' in den Netzwerkknoten angeordnet. Die Teilbereichsstromwandler umfassen jeweils ein Stromwandlermittel und ein Durchschaltmittel, wobei hier bei- spielsweise je ein Stromwandlermittel und ein Durchschaltmittel nach Fig. 4 oder Fig. 5 in je einer Stromwandler/Schalt- Baugruppe integriert sind. Zusätzlich umfasst der Stromwandler 20a noch insgesamt 12 Schaltelemente in den Netzwerksmaschen, von denen hier nur die Schaltelemente 27', 29', 31', 33' der Übersichtlichkeit halber mit Bezugszeichen versehen. sind. Die Schaltelemente sind steuerbare Schalter, mit denen die Netzwerkmaschen unterbrochen oder durchgeschaltet werden können. Sie werden, wie die Teilbereichsstromwandler auch, von der Netzwerk-Steuerbaugruppe 22 gesteuert, was in der Fig. 1 durch die strichlierten Wirkungslinien zwischen den Schaltelementen bzw. den Teilbereichsstromwandlern und der Netzwerk-Steuerbaugruppe 22 angedeutet ist. Die Maschen des Netzwerks entspringen alle in einem der eingangsseitigen Anschlussstelle 21 unrήittelbar nachgeordneten Netzanfangsknoten K2 und enden in einem der ausgangsseitigen Anschlussstelle 38 vorgeschalteten Netzendknoten K1.
Der Teilbereichsstromwandler 26' ist für die Stromwandlung einer Teilbereichsstrom- wandlereingangsspannung Ue (siehe Fig. 4, Fig. 5) von 10KV AC auf eine Teilbe- reichsstromwandlerausgangspannung Ua (siehe Fig. 4, Fig. 5) von 690 V AC/DC aus- gelegt, der Teilbereichsstromwandler 28' für die Stromwandlung von 690V AC/DC auf 220/400V AC oder DC, der Teilbereichsstromwandler 30' für die Wandlung von 220/400 VAC/DC auf 24/12/6 VDC, der Teilbereichsstromwandler 32' für die Stromwandlung von 24/12/6V DC auf 3,3 VDC.
Die Teilspannungserkennungsbaugruppe 22a innerhalb der Netzwerk-Steuereinheit 22 erkennt, dass die Stromleitung 1 eine Spannung von 220 VAC führt. Ein in der Netzwerk-Steuereinheit 22 enthaltenes Programm ermittelt die Teilbereichsstromwandler 30' und 32' als geeignet, um hintereinandergeschaltet die Leitungsspannung von 220VAC auf die Gerätespannung von 3.3VDC zu wandeln. Im Teilbereichsstromwandler 30' wird zunächst von 220/400 VAC/DC auf 24/12/6 VDC gewandelt und im anschließenden Teilbereichsstromwandler 32' von 24/12/6V DC auf 3,3 VDC. Die Netzwerk-Steuerein- heit 22 ermittelt auch, welche der Schaltelemente ein- und welche ausgeschaltet sein müssen, um den geeigneten Pfad von der eingangsseitigen Anschlussstelle 21 zu der ausgangsseitigen Anschlussstelle 38 so schalten, dass die Teilbereichsstromwandler 30' und 32' in der richtigen Reihenfolge hintereinander durchlaufen werden. Sie ermittelt auch, dass die Durchschaltmittel in den Teilbereichsstromwandlern 26' und 28' durchgeschaltet werden müssen. Es stellt sich der in Fig. 1 fett eingezeichnete Pfad von der eingangsseitigen Anschlussstelle 21 über das eingeschaltete Schaltelement 27' den Teilbereichsstromwandler 30', das eingeschaltete Schaltelement 30', den Teilbereichsstromwandler 32' und das eingeschaltete Schaltelement 31' zur ausgangsseitigen Anschlussstelle 38 ein. Die anderen Schaltelemente sind ausgeschaltet.
Wenn nun das Feldgerät von der 220/400V AC führenden Stromleitung abgeklemmt und an einen anderen Einsatzort verbracht wird, an dem beispielsweise eine 10kV AC führende Stromleitung zur Verfügung steht, und an die das Anschlussmittel 3 dann angeklemmt wird, so erkennt die Teilspannungserkennungsbaugruppe 22a innerhalb der Netzwerk-Steuereinheit 22, dass nun 10kV AC anliegen, und veranlasst entsprechend, dass der Pfad in dem Stromwandler 20a von der eingangsseitigen Anschlussstelle 21 zu der ausgangsseitigen Anschlussstelle 38 über die Teilbereichsstromwandler 26' (10KV AC auf 690V AC/DC), 28' ( 690V AC/DC auf 220/400V AC/DC), 30' (220/400 VAC/DC auf 24/12/6 VDC) und 32' (24/12/6V DC auf 3,3 VDC) in dieser Reihenfolge geschaltet wird. Beim Anschluss an andere Teil-Spannungssysteme ist die Funktion entsprechend.
Zwischen dem ausgangsseitigen Knoten K1 der ausgangsseitigen Anschlussstelle 38 ist eine Speicherbaugruppe 36 angeordnet. Diese wird durch den am Ende des Netzwerks im Netzendknoten K1 gewandelten Strom mit elektrischer Energie aufgeladen. Die Speicherbaugruppe 36 kann ein Akkumulator, ein Doppelschichtkondensator oder auch eine regenerative Brennstoffzelle sein. Die Speicherbaugruppe 36 übernimmt die Stromversorgung des Feldgerätes 10 in den Fällen, in denen die Stromzufuhr zu dem Stromwandler 20a unterbrochen ist oder ausgesetzt wurde. Um ein Aussetzen oder Unterbrechen der Stromzufuhr automatisch erkennen zu können, ist ein Stromsensor 41 vorgesehen, der den am Ende des Netzwerks im Netzendknoten K1 gewandelten Strom misst und diese Information an eine Speicher-Steuereinheit 42 weitergibt, welche gegebenenfalls die Stromversorgung des Feldgerätes 10 durch die Speicherbaugruppe 36 veranlasst.
Die Speicherbaugruppe 36 ist mit einer Ladezustandsüberwachungsbaugruppe 40 verbunden, in der der jeweilige Ladezustand der Speicherbaugruppe 36 festgestellt und eine Information darüber über die mit der Ladezustandsüberwachungseinrichtung verbundenen Kommunikationseinrichtung 15 der Leitstelle mitgeteilt wird.
Es kann beispielsweise das Stromkabel 1 das Stromversorgungskabel eines in der verfahrenstechnischen Anlage diskontinuierlich betriebenen elektrischen Gerätes sein, beispielsweise einer Beleuchtungseinrichtung, eines Ventils, eines Stellantriebs etc. Stellt in diesem Falle die Ladezustandsüberwachungsbaugruppe 40 ein Unterschreiten eines Mindest-Ladezustandes der Speicherbaugruppe 36 fest, so wird diese Informa- tion über die Kommunikationsschnittstelle 15 der Leitstelle mitgeteilt. Diese wird dann veranlassen, dass die Stromzufuhr zu dem diskontinuierlich betriebenen elektrischen Gerät eingeschaltet wird, so lange, bis der Ladezustand der Speicherbaugruppe wieder seinen Normalwert erreicht hat. Es ist dabei nicht notwendig, dass das diskontinuierlich betriebene Gerät tatsächlich eingeschaltet wird; nur die Stromversorgung zu diesem Gerät wird aktiviert.
Figur 2 zeigt eine Variante der ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Hier ist das aus den Teilbereichsstromwandlerbaugruppen und Schaltelementen bestehende Netzwerk des Stromwandlers 20a so ausgeführt, dass vier Teilbereichs- stromwandlerbaugruppen 26, 28, 30, 32 in Reihe geschaltet sind. Jede Teilbereichs- stromwandlerbaugruppe 26, 28, 30, 32 umfasst ein Stromwandlermittel 26a, 28a, 30a, 32a und ein Durchschaltmittel 27, 29, 31 , 33. Stromwandlermittel und Durchschaltmittel sind als betrennte Baugruppen ausgeführt. Die Wandlungsbereiche der einzelnen Teil- bereichsstromwandlerbaugruppen 26 (10KV AC auf 690V AC/DC), 28 ( 690V AC/DC auf 220/400V AC/DC), 30 (220/400 VAC/DC auf 24/12/6 VDC) und 32 (24/12/6V DC auf 3,3 VDC) sind dieselben wie oben bei Fig. 1 beschrieben. Auch alle anderen Bau- elemente und Funktionsgruppen entsprechen denjenigen der Fig. 1 und sind in Fig. 1 und Fig. 2 mit identischen Bezugsziffern versehen.
Das Stromkabel 1 ist hier wieder ein Kabel, das zu dem in dem verfahrenstechnischen Prozess verwendeten Teilspannungssystem' 220/400VAC gehört, und das Feldgerät 10 benötigt 3 VDC als Versorgungsspannung. Dann schaltet die Steuereinheit 22 die Durchschaltmittel 27 und 29 ein, so dass die Teilbereϊchsstromwandler 26 und 28 überbrückt sind und nur die beiden Teilbereichsstromwandler 30 und 32 hintereinander geschaltet die Spannung des Stromkabels von 220 VAC über 24/12/6V DC auf 3,3 VDC wandeln.
Wenn das Stromkabel 1 10 KVAC führt, so schaltet die Steuereinheit 22 alle vier
Durchschaltmittel 27, 29, 31 , 33 aus, so dass der Strompfad in dem Stromwandler 20a von der eingangsseitigen Anschlussstelle 21 zu der ausgangsseitigen Anschlussstelle 38 über die Teilbereichsstromwandlerbaugruppen 26 (10KV AC auf 690V AC/DC), 28 (690V AC/DC auf 220/400V AC oder DC), 30 (220/400 VAC/DC auf 24/12/6 VDC) und 32 (24/12/6V DC auf 3,3 VDC) verläuft.
In einer praktischen Ausführung können die Stromwandlermittel 26a, 28a, 30a, 32a und die Durchschaltmittel 27, 29, 31 , 33 zusammen auf einer Platine aufgebaut sein. Es könnte auch jeweils ein Stromwandlermittel mit einem Durchschaltmittel, das ihn überbrücken kann, also ein Stromwandlermittel 26a mit einem Durchschaltmittel 27, ein weiteres Stromwandlermittel 28a mit einem weiteren Durchschaltmittel 29, ein weiteres Stromwandlermittel 30a mit einem weiteren Durchschaltmittel 31 , ein weiteres Stromwandlermittel 32a mit einem weiteren Durchschaltmittel 33, in einer gemeinsamen Teilbaugruppe aufgebaut sein. Die Teilbaugruppe kann dabei eine Platine oder auch eine integrierte Schaltung sein.
Die Durchschaltfunktion eines Durchschaltmittels kann auch durch den Betrieb eines Stromwandlermittels in einem 1 :1- Modus erfolgen, muss also nicht notwendigerweise eine separate Funktionsbaugruppe sein. Fig. 4 zeigt hierfür ein Beispiel.
Fig. 4 zeigt einen an sich bekannten Tiefstellsetzer, der hier als Teilbereichsstrom- wandlerbaugruppe, also beispielsweise als Baugruppe 26, 28, 30 oder 32 in Fig. 2, verwendet wird. Ue ist die Teilbereichsstromwandlereingangsspannung, Ua ist die Teil- bereichsstromwandlerausgangsspannung. Ce, Ca, D, S und L bezeichnen die in der elektronik üblicherweise bei Tiefsetzstellem dieser Art eingesetzten Bauelemente, nämlich Ce und Ca Kondensatoren, L eine Induktivität, D eine Diode, S einen Schalter, vorzugsweise einen elektronischen Schalter. Das Verhältnis von Ua zu Ue wird durch das Tastverhältnis des elektronischen Schalters S bestimmt. Ist das Tastverhältnis des elektronischen Schalters S, d.h., das Verhältnis der Einschaltzeit zu der Ausschaltzeit des Schalters S bei einem periodischen Schaltbetrieb, in dem die Periodendauer gleich der Summe aus Einschalt- und Ausschaltzeit ist, gleich 1 , so wird Ue 1 :1 auf Ua durchgeschaltet, es findet also dann keine Spannungsumsetzung statt. Ist das Schalt- Verhältnis kleiner als 1 , so wird Ue in einem dem Schaltverhältnis entsprechenden Verhältnis auf Ua heruntergewandelt. Das Durchschaltmittel ist hier also integrierter Bestandteil der Stromwandlerfunktion der Teilbereichsstromwandlerbaugruppe.
Ein weiteres Beispiel, in dem das Durchschaltmittel integrierter Bestandteil der Stromwandlerfunktion der Teilbereichsstromwandlerbaugruppe ist, zeigt Fig. 5. In Fig. 5 ist ein an sich bekannter isolierender Tiefsetzsteller, der hier als Teilbereichsstromwand- lerbaugruppe, also beispielsweise als Baugruppe 26, 28, 30 oder 32 in Fig. 1 , verwendet wird. Ue ist wieder die Teilbereichsstromwandlereingangsspannung, Ua ist die Teil- bereichsstromwandlerausgangsspannung. Bei einem isolierenden Tiefsetzsteller nach Fig. 5 sind Eingangsseite Ue und Ausgangsseite Ua galvanisch mittels des Transfor- mators T getrennt. Das Übersetzungsverhältnis Ü des Transformators T ist hier beispielsweise Ü = Ute : Uta = 2:1. Das Verhältnis von Ua zu Ue wird wieder durch das Tastverhältnis des elektronischen Schalters S bestimmt, wobei beim isolierenden Tiefsetzsteller, im Gegensatz zum gekoppelte Tiefsetzsteller nach Fig. 4, prinzipiell auch Ua größer als Ue werden kann. Bei einem Transformator mit Übersetzungsverhältnis Ü = 2:2 gilt: Ist das Tastverhältnis des elektronischen Schalters gleich 50%, so wird Ue 1 :1 auf Ua durchgeschaltet, es findet dann keine Spannungsumsetzung statt.
In der Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes schematisch gezeigt. Sie zeigt ein Feldgerät 10a zur Verwendung in einem verfahrenstechnischen Prozess, das einen Mess- oder Stellmodul 12, einen Steuerungs-, Datenerfas- sungs- und Verarbeitungsmodul 14 und eine Kommunikationseinrichtung 15 umfasst. Das Feldgerät 10a umfasst ebenfalls einen Stromwandler 20a, der hier also integrierter Bestandteil des Feldgerätes 10a ist. Über eine eingangsseitige Anschlussstelle 21 , ei- nen als Anschlusskabel 4 ausgebildeter Stromleiter und ein Anschlussmittel 3 wird das Feldgerät 10a mit integriertem Stromwandler an den als ein Stromkabel ausgebildeten Stromleiter 1 des verfahrenstechnischen Prozesses angeschlossen. Gleiche Bauelemente und Komponenten, insbesondere des Stromwandlers 20a, mit ihren Bezugszif- fern sowie die Funktion der Stromversorgung über den integrierten Stromwandler 20a entsprechen denen in der Figur 2 beschriebenen und besitzen die gleichen Bezugsziffern.
Es können selbstverständlich alle anderen bekannten und geeigneten Schaltungen für die Teilbereichsstromwandlerbaugruppen, Stromwandlermittel oder Durchschaltmittel, separat oder integriert aufgebaut, hier auch Verwendung finden. Die Erfindung umfasst deren Anwendung mit und ist nicht auf die Anwendung der hier näher beschriebenen Beispiele beschränkt.
Der Stromsensor 41 bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 , 2, 3 auch bereits integrierter Bestandteil jedes Stromwandlermittels 26a, 28a, 30a, 32a oder jeder Teilbe- reichsstromwandlerbaugruppe 26, 28, 30, 32 sein; in diesem Fall, d.h. wenn wenigstens eine der Teilbereichsstromwandlerbaugruppen bereits einen Stromsensor umfasst, sollte dieser zur Überwachung auf Unterbrechung der externen Stromversorgung herangezogen werden, woraufhin dann der separate Stromsensor 41 am Ende des Netzwerkknotens K1 wegfallen könnte.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Stromversorgung eines wenigstens einen Messmodul (12), einen Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodul (14) und eine Kommunikationsseinrichtung (15) umfassenden Feldgerätes (10) in einer verfahrenstechnischen Anlage mit der für den Gerätebetrieb benötigten Gerätespannung, wobei in der Anlage wenigstens ein die zu einem der in verfahrenstechnischen Anlagen üblichen Teilspannungssysteme gehörende Anlagenspannung führender elektrischer Stromleiter (1) vorhanden ist, und wobei die Vorrichtung (20) einen wenigstens eine eingangsseiti- ge Anschlussstelle (21) und eine ausgangsseitige Anschlussstelle (38) aufweisenden Stromwandler (20 a) mit dem zur Anpassung des jeweiligen Teilspannungssystems an die Gerätespannung passenden Wandlungsbereich, einen Anschlussleiter (4) und ein Anschlussmittel (3) zur Verbindung mit dem wenigstens einen Stromleiter (1 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet. dass der Stromwandler (20a) wenigstens zwei vernetzte, aus wenigstens einem Stromwandlermittel und einem Durchschaltmittel gebildete Teilbereichsstromwandler- baugruppen (26, 28, 30, 32, 26', 28', 30', 32'), sowie wenigstens eine Steuereinheit (22) zur Ansteuerung der Durchschaltmittel in den Teilbereichsstromwandlerbaugruppen (26, 28, 30, 32, 26', 28', 30', 32') umfasst, so dass der Strompfad zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle (21 , 38) so schaltbar wird, dass der zur Anpassung des jeweiligen Teilspannungssystems an die Gerätespannung passende Wandlungsbereich entsteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (20a) eine Reihenschaltung von wenigstens zwei, jeweils wenigstens ein Stromwandlermittel und wenigstens ein Durchschaltmittel umfassenden Teilbereichsstromwandler- baugruppen (26, 28, 30, 32, 26', 28', 30', 32') umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromwandlermittel und die Durchschaltmittel getrennte Baugruppen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Stromwandlermittel und Durchschaltmittel in einer Stromwandler/Schalt- Baugruppe integriert sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) eine Teilspannungserkennungsbaugruppe (22a) umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (20a) ausgangsseitig eine Speicherbaugruppe (36) zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (20a) eine Ladezustandsüberwachungsbaugruppe (40) umfasst, die mit dem Steue- rungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodul (14) des Feldgerätes (10) und /oder der Kommunikationseinrichtung (15) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussmittel (3) eine Klemme oder ein induktives Koppelglied oder ein kapazitives Koppelglied ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsschnittstelle (15) eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (20a) über das Anschlusskabel (4) und das Anschlussmittel (3) mit verschiedenen in der verfahrenstechnischen Anlage vorhandenen Stromkabeln (1 ) unterschiedlicher Teilspannungssysteme verbindbar ist.
11. Feldgerät zur Verwendung in einer verfahrenstechnischen Anlage, in der wenigstens ein elektrischer Stromleiter (1) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät einen Stromwandler (20a) entsprechend wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
12. Verfahren zur Stromversorgung eines wenigstens einen Messmodul (12), einen Steuerungs-, Datenerfassungs- und Verarbeitungsmodul (14) und eine Kommunikationsseinrichtung (15) umfassenden Feldgerätes (10) in einer verfahrens- technischen Anlage mit der für den Gerätebetrieb benötigten Gerätespannung, wobei in der Anlage wenigstens ein die zu einem der in verfahrenstechnischen Anlagen üblichen Teilspannungssysteme gehörende Anlagenspannung führender elektrischer Stromleiter (1) vorhanden ist, und wobei die Vorrichtung (20) einen wenigstens eine eingangsseiti- ge Anschlussstelle (21) und eine ausgangsseitige Anschlussstelle (38) aufweisenden , Stromwandler mit dem zur Anpassung des jeweiligen Teilspannungssystems an die Gerätespannung passenden Wandlungsbereich, einen Anschlussleiter (4) und ein Anschlussmittel (3) zur Verbindung mit dem wenigstens einen Stromleiter (1) umfasst, wobei als Stromwandler eine Vorrichtung entsprechend wenigstens einem der Ansprü- ehe 1 bis 10 verwendet wird, und wobei der Strompfad zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle (21 , 38) so geschaltet wird, dass der zur Anpassung des jeweiligen Teilspannungssystems an die Gerätespannung passende Wandlungsbereich entsteht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (22) des Stromwandlers (20a) das an der eingangsseitigen Anschlussstelle (21 ) anlie- gende Teilspannungssystem erkannt und dass von der Steuereinheit (22) die Durchschaltmittel jeweils so gesteuert werden, dass zwischen Ein- und Ausgangsschnittstelle (21 , 38) durch Überbrücken nicht benötigter und Hintereinanderschalten geeigneter Stromwandlermittel ein zur Anpassung des erkannten Teil-Spannungssystems ah die Gerätespannung passender Wandlungsbereich gebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speicherbau- - gruppe (36) elektrische Energie zwischengespeichert wird und bei Unterbrechung der Stromzufuhr zu der eingangsseitigen Anschlussstelle (21) des Universalstromwandlers (20a) das Feldgerät (10) von der Speicherbaugruppe (36) mit Strom versorgt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand der Speicherbaugruppe (36) mit einer Ladezustandsüberwachungsbaugruppe (40) wenigstens auf Unterschreitung eines Mindestwertes und/oder Erreichen eines Normalwertes überwacht und eine Ladezustandsinformation über die Kommunikationseinrichtung (15) einer außerhalb des Feldgerätes liegenden Leitstelle übermittelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten ei- nes Mindest-Ladezustandes der Speicherbaugruppe (36) in der Leitstelle ein Alarmsignal und/oder eine Maßnahme zum Wiederaufladen der Speicherbaugruppe (36) ausgelöst werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (20a) über das Anschlusskabel (4) und das Anschlussmittel (3) mit dem Stromkabel (1) eines in der verfahrenstechnischen Anlage diskontinuierlich betriebenen elektrischen Gerätes verbunden ist und bei Unterschreiten eines Mindest-Ladezustandes der Speicherbaugruppe (36) von der Leitstelle die Stromzufuhr zu dem diskontinuierlich betriebenen elektrischen Gerät eingeschaltet wird, so lange, bis der Ladezustand der Speicherbaugruppe (36) wieder seinen Normalwert erreicht hat.
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