WO2023180059A1 - Eigensicheres feldgerät der automatisierungstechnik - Google Patents

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WO2023180059A1
WO2023180059A1 PCT/EP2023/055691 EP2023055691W WO2023180059A1 WO 2023180059 A1 WO2023180059 A1 WO 2023180059A1 EP 2023055691 W EP2023055691 W EP 2023055691W WO 2023180059 A1 WO2023180059 A1 WO 2023180059A1
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field device
module
current
input
intrinsically safe
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PCT/EP2023/055691
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Christian Strittmatter
Simon Gerwig
Pascal Mutter
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Endress+Hauser Se+Co.Kg
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Publication date
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0428—Safety, monitoring
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/31—From computer integrated manufacturing till monitoring
    • G05B2219/31121—Fielddevice, field controller, interface connected to fieldbus
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/34—Director, elements to supervisory
    • G05B2219/34313—Power supply for communication delivered by, derived from 4-20-mA current loop

Definitions

  • the invention relates to an intrinsically safe field device in automation technology for use in an explosive area.
  • field devices are often used that are used to record and/or influence process variables.
  • Sensors such as level measuring devices, flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc. are used to record process variables, which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH value or conductivity.
  • Actuators such as valves or pumps, are used to influence process variables and can be used to change the flow of a liquid in a pipe section or the fill level in a container.
  • field devices are also understood to mean, in particular, remote I/Os, radio adapters or, in general, devices that are arranged at the field level.
  • the “intrinsic safety” type of protection is based on the principle of current and voltage limitation in a circuit. The energy of the circuit, which could be able to ignite an explosive atmosphere, is limited in such a way that neither sparks nor excessive heating of the electrical components can ignite the surrounding explosive atmosphere.
  • the “intrinsic safety” type of protection defines three protection levels: Ex-ia, Ex-ib and Ex-ic. Level a defines the highest level at which two countable errors in combination cannot lead to a malfunction and thus cause an ignition (2-error safety). Level b defines that a countable error must not lead to a malfunction and thus cause an ignition (1-error safety). At level c, no error safety is defined, so that an ignition can be caused in the event of a malfunction (O-fault safety).
  • field devices are made from modular field device electronics, which are electrically connected to one another via a plug connection and which are arranged in a corresponding housing. Thanks to the modular structure, the individual electronic modules can be prefabricated according to the intended functionality and then assembled to form the field device electronics.
  • Common modules that are connected via the plug connection are: a main electronics module, which has, for example, a microprocessor for further data processing, a sensor and/or actuator module, which has a sensor and/or actuator element for detecting and/or setting the physical Size includes and an input/output module, which includes, for example, a display for displaying information. Since the input/output module is arranged behind a viewing window installed in a housing wall in order to make the display readable and thus interference with the radio transmission through the housing wall can be reduced, the input/output module also usually comprises a radio unit.
  • Many field devices are designed as so-called 2-wire field devices.
  • the field device is supplied with energy via the same pair of cables (two-wire wire) over which communication takes place.
  • the 4-20 mA standard is usually used for this, in which the measurement or control values are communicated, i.e. transmitted, as the main process variable via the two-wire line or the two-wire cable in the form of a 4-20 mA loop current or current signal.
  • An electrical loop current between 4 mA and 20 mA flowing in a current loop represents the value of the physical or technical quantity. Due to drifts and inaccuracies as well as the detection of range overflows, a slightly larger current range is permitted for representing the variables: 3.8...20.5 mA.
  • the evaluation units should no longer interpret currents that are smaller than 3.6 mA or larger than 21 mA as a representation of the physical or technical quantity, but rather as error information from the sensor.
  • an energy storage device is usually provided on the input/output module of the field device, in which energy is continuously stored so that it is available for sending and/or receiving communication packets by the radio unit.
  • Such energy storage devices have to be able to store a relatively large amount of energy, they are encapsulated with a casting compound in order to be able to use the field device in hazardous areas.
  • the encapsulation is done using a potting frame that surrounds the energy storage and is filled with the potting compound.
  • the disadvantage of this is that during the production of the input/output module, an additional process step is necessary for applying the casting frame and filling the casting compound. This additional process step leads to additional costs.
  • the energy storage represents a short circuit for the main electronics module when the device is switched on or the input/output module is plugged in (hot plug) into a corresponding interface of the main electronics module and thus draws a lot of energy from the main electronics module.
  • an additional (active) current limiter is integrated on the input/output module in front of the energy storage, which limits or regulates the current at the starting moment. This additional circuit part also results in additional material and production costs.
  • the invention is therefore based on the object of providing a remedy here.
  • An intrinsically safe field device in automation technology designed according to the invention offers the advantage that there is no need for additional potting of the energy storage on the input/output module using a potting frame. This in turn means that space on the input/output module can be saved, so that the manufacturing costs for the module decrease.
  • the energy storage has at least one capacitor which has a capacity of at least 10 pF, preferably of at least 250 pF, particularly preferably of at least 1 mF.
  • a further advantageous embodiment of the field device of automation technology according to the invention provides that the energy storage is arranged in front of the voltage regulator on the main electronics module.
  • a further advantageous embodiment of the field device according to the invention in automation technology provides that the input/output module also has a current limitation or regulation, which sets a current from the main electronics module to a value in the range of 0.1-100 mA, in particular in the range of 0 ,1-25 mA, particularly limited in the range of 1-5 mA 10-100 mA.
  • a further advantageous embodiment of the field device according to the invention for automation technology provides that the input/output module does not have a capacitor with a capacity of greater than 100 pF, in particular approximately 500 pF.
  • a further advantageous embodiment of the field device of automation technology provides that the input/output module and the main electronics module are connected to one another via an electrical interface, which is preferably designed to be pluggable.
  • a further advantageous embodiment of the field device according to the invention in automation technology provides that the input/output module is arranged in a cover of the field device, preferably behind a viewing window.
  • a further advantageous embodiment of the field device of automation technology according to the invention provides that the input/output module further has a display for displaying information and/or for operating the field device.
  • a further advantageous embodiment of the automation technology field device according to the invention provides that the display is a color display.
  • Fig. 1 a schematic representation of a field device, which is connected to a higher-level unit via a two-wire line for signal and energy transmission.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a field device 10 with modular field device electronics.
  • the field device electronics includes a main electronics module 30, a sensor module 40 and an input/output module 20.
  • the input/output module 20 and the sensor module 40 are each via an interface 22a, 22b and 23a, 23b, which can be designed, for example, as a pluggable connection can, electrically connected to the main electronics module 30.
  • the field device 10 is connected via a first and second connection terminal 30a and 30b to a two-wire line 14 for signal and energy transmission.
  • the two-wire line 14 is in turn connected to a higher-level unit 12 at the other end.
  • the field device 10 is a measuring point in which a measured value or process variable (for example temperature, pressure, humidity, fill level, flow) is recorded with the aid of a sensor module 40.
  • a measured value or process variable for example temperature, pressure, humidity, fill level, flow
  • the field device could just as easily be an actuator point in which a process variable is set using an actuator module instead of the sensor module.
  • the field device 10 does not contain its own energy source, but rather draws the supply current required for its operation via the two-wire line 14. This can, for example, be provided by a voltage source 18 contained in the higher-level unit 12. A measured value signal representing the currently measured value is transmitted from the field device 10 to the higher-level unit 12 via the same two-wire line 14. For this purpose, the field device electronics are set up to transmit a measured value via the two-wire line 14 in accordance with the 4 to 20 mA standard.
  • the voltage source 18 supplies a direct voltage Uv, and the measuring current Is is a direct current.
  • the higher-level unit 12 contains an evaluation circuit 26, which obtains the measured value information from the signal current Is that can be transmitted via the two-wire line 14.
  • a measuring resistor 28 is inserted into the two-wire line, at which a voltage UM is created which is proportional to the signal current Is transmitted via the two-wire line and which is fed to the evaluation circuit 26.
  • the signal current Is is in the field device 10 by a Current path 31 formed on the main electronics module is guided from the first to the second connection terminal 30a, 30b.
  • the input/output module 20 includes the radio unit 21 for wirelessly sending and receiving data.
  • the radio unit 21 can be a Bluetooth radio unit for wirelessly transmitting data using the Bluetooth standard or a variant modified therefrom, e.g. Bluetooth Low Energy.
  • the radio module can also be a WLAN, ZigBee, NFC, lloT, 5G or WirelessHART radio module.
  • the data can be, for example, configuration and/or parameterization data for the field device.
  • the input/output module can have a display 27 for displaying information and/or for operating the field device.
  • the display 27 can be, for example, a color display.
  • a charge pump can also be provided on the input/output module 20, which is used to control the monochrome display.
  • the input/output module 20 does not have a charge pump.
  • the field device electronics includes the already mentioned sensor module 40, which is connected to the main electronics module 30 via the electrical interface 23a, 23b.
  • the electrical interface 23a, 23b can be designed as a pluggable interface. Both measured values of the sensor module are transmitted to the main electronics module 30 and energy is transmitted to the sensor module 40 from the main electronics module 30 via the electrical interface 23a, 23b.
  • the electrical interface 23a, 23b can be designed as a pluggable electrical interface.
  • the main electronics module in turn comprises a measuring transformer circuit 37, which regulates or controls a current control or current source 32, which is also arranged on the main electronics module, via a control line 24 in such a way that the measuring current Is is set to a value (signal current) that represents the recorded measured value.
  • the current source 32 can, for example, comprise a transistor which is regulated via the control signal from the measuring transducer circuit 37.
  • the field device is designed as an actuator, i.e. has an actuator module instead of a sensor module, current control is not necessary.
  • the transducer circuit 37 can include, for example, a microprocessor.
  • the main electronics module further comprises a low-resistance shunt resistor 33, via which the set signal current Is is read back by the measuring transducer circuit 37 using a read-back line 25.
  • a voltage U_Shunt R_Shunt • Is drops across the shunt resistor 33.
  • the voltage U_Shunt is therefore proportional to the current Is flowing through the field device.
  • the voltage dropping across the shunt resistor 33 is fed to the measuring transformer circuit.
  • Such shunt Resistors 33 typically have a resistance value in the range of 5-40 ohms, preferably 7-30 ohms, particularly preferably in the range of 10-25 ohms.
  • the main electronics module further comprises a voltage regulator 36, for example in the form of a switching or linear regulator, which is designed to provide the most constant possible operating voltage for the individual modules.
  • the input voltage for the voltage regulator 36 can be stabilized or supported, for example, by an energy storage device 34, in particular in the form of a capacitance.
  • the energy storage 34 can, for example, have a capacity of at least 10 pF, preferably at least 250 pF, particularly preferably at least 1 mF.
  • the voltage source arranged on the main electronics module 30 is not shown in FIG. 1.
  • the main electronics module has circuit parts for explosion protection and/or EMC measures.
  • these circuit parts are indicated as an example by the block with the reference number 38.
  • the circuit parts are designed differently.
  • the main electronics module further has an energy storage device which is set up to continuously store energy that is transmitted via the two-wire line 14 and, if necessary, to a radio unit arranged on another module of the field device electronics for wireless data transmission during a transmission or receiving process.
  • the radio unit 21 is located on the input/output module.
  • the energy storage 34 can be, for example, a capacitor which preferably has a capacity that is greater than 100 pF, preferably approximately 500 pF.
  • the energy storage 34 is arranged on the main electronics module 30 in such a way that it is arranged in front of the voltage regulator 36, so that the energy storage 34 is subjected to a higher voltage than would be the case if it were arranged after the voltage regulator 36.
  • E % * C* U 2
  • At least the energy storage 34 on the main electronics module 30 is cast with a casting compound.
  • at least the voltage regulator, the current regulator and the Energy storage or all electronic components on the main electronic module are cast with the casting compound.
  • a current limitation or regulation 26 can be provided on the module and such be designed so that a current required for the sending and / or receiving process, which is, for example, in the range of approximately 10-100 mA, can flow.
  • Higher-level unit e.g. control programmable controller (PLC)

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Abstract

Eigensicheres Feldgert der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich umfassend: - eine erste und eine zweite Anschlussklemme (30a, 30b) zum Anschließen einer Zweidrahtleitung (14) über die eine Strom zuführbar ist; - ein Sensor- und/oder Aktormodul (40) zum Erfassen und/oder Stellen einer Prozessgröße; - ein Ein/Ausgabemodul (20) mit einer Funkeinheit (21) zum drahtlosen Übertragen von Daten; - eine von dem Ein/Ausgabemodul separat ausgebildetes Hauptelektronikmodul (30), das einen Energiespeicher (34) aufweist, der derartig ausgelegt ist, eine für die Funkeinheit (21) zum drahtlosen Übertragen von Daten benötigte Energie bereitzustellen, wobei zumindest der Energiespeicher (34) auf dem Hauptelektronikmodul (30) mit einer Vergussmasse vergossen ist.

Description

Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik
Die Erfindung bezieht sich auf ein eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozess re levan ten Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Insbesondere in der Prozessindustrie aber auch der Automatisierungstechnik müssen physikalische oder technische Größen durch die Feldgeräte oftmals in Bereichen gemessen bzw. ermittelt werden, in denen potentiell Explosionsgefahr besteht, sogenannte explosionsgefährdete Bereiche. Durch geeignete Maßnahmen in den Feldgeräten und Auswertesystemen (wie z. B. Spannungs- und Strombegrenzung) kann die elektrische Energie in dem zu übermittelnden Signal so begrenzt werden, dass dieses Signal unter keinen Umständen (Kurzschluss, Unterbrechungen, thermische Effekte, ...) eine Explosion auslösen kann. Hierfür sind in der IEC EN DIN 60079-ff entsprechende Schutzprinzipien festgelegt worden.
Gemäß dieser Norm sind basierend auf den anzuwendenden Zündschutzarten konstruktive und schaltungstechnische Maßnahmen für die Feldgeräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen definiert. Einer dieser Zündschutzarten stellt die Zündschutzart
„Eigensicherheit“ (Kennzeichnung Ex-i, IEC EN DIN 60079-11 , veröffentlich Juni 2012) dar.
Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ basiert auf dem Prinzip der Strom- und Spannungsbegrenzung in einem Stromkreis. Die Energie des Stromkreises, die in der Lage sein könnte, eine explosionsfähige Atmosphäre zum Zünden zu bringen, wird dabei so begrenzt, dass weder durch Funken noch durch unzulässige Erwärmung der elektrischen Bauteile die Zündung der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre stattfinden kann. Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ definiert dabei drei Schutzniveaus: Ex-ia, Ex-ib und Ex-ic. Dabei ist mit Niveau a das höchste Niveau definiert, bei welchem zwei zählbare Fehler in ihrer Kombination nicht zu einer Fehlfunktion führen und somit eine Zündung hervorrufen dürfen (2-Fehler-Sicherheit). Das Niveau b definiert, dass ein zählbarer Fehler nicht zu einer Fehlfunktion führen und somit eine Zündung hervorrufen dürfen (1 -Fehler-Sicherheit). Bei dem Niveau c ist entsprechend keine Fehlersicherheit definiert, sodass bei einer Fehlfunktion bereits eine Zündung hervorgerufen werden kann (O-Fehler-Sicherheit).
Heutzutage werden Feldgeräte aus einer modular ausgebildeten Feldgeräteelektronik ausgebildet, die über eine Steckverbindung elektrisch miteinander verbunden sind und die in einem entsprechenden Gehäuse angeordnet sind. Durch den modularen Aufbau lassen sich die einzelnen Elektronikmodule entsprechend der angedachten Funktionalität vorfertigen und anschließend zu der Feldgerätelektronik zusammenfügen. Übliche Module, die über die Steckverbindung zusammengeschlossen werden, sind: ein Hauptelektronikmodul, welches bspw. einen Mikroprozessor zur weiteren Datenverarbeitung aufweist, ein Sensor- und/oder Aktormodul, welches ein Sensor- und/oder Aktorelement zur Erfassung und/oder zum Stellen der physikalischen Größe umfasst und ein Ein/Ausgabemodul, welches bspw. ein Display zur Anzeige von Informationen umfasst. Da das Ein/Ausgabemodul zur Ablesbarkeit des Displays hinter einer in einer Gehäusewand eingebrachten Sichtscheibe angeordnet ist und somit eine Störung der Funkübertragung durch die Gehäusewand reduziert werden kann, umfasst das Ein/Ausgabemodul ferner üblicherweise eine Funkeinheit.
Viele Feldgeräte sind als sogenannte 2-Leiter Feldgeräte ausgebildet. Hierbei erfolgt die Energieversorgung des Feldgeräts über das gleiche Leitungspaar (Zweileiterdraht) über das auch die Kommunikation erfolgt. Üblicherweise wird hierfür der 4-20 mA Standard verwendet, bei dem die die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable über die Zweidrahtleitung bzw. das Zweileiterkabel analog in Form eines 4-20 mA Schleifenstroms bzw. Stromsignals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Hierbei repräsentiert ein in einer Stromschleife fließender elektrischer Schleifenstrom zwischen 4 mA und 20 mA den Wert der physikalischen oder technischen Größe. Aufgrund von Driften und Ungenauigkeiten sowie der Erkennung von Bereichsüberläufen wird für die Repräsentation der Größen ein etwas größerer Strombereich zugelassen: 3,8...20,5 mA. Ströme die kleiner als 3,6 mA bzw. größer als 21 mA sind sollten die Auswerteeinheiten nicht mehr als Repräsentation der physikalischen oder technischen Größe, sondern als Fehlerinformation des Sensors interpretieren.
Dies hat zur Folge, dass die Energiezufuhr stark begrenzt ist. Geht man von dem „worst case“ Szenario aus, bei dem das Feldgerät einen Fehlerzustand signalisiert und diesem somit lediglich ein Strom kleiner 3,6 mA zugeführt wird, steht dem Feldgerät bei einer Versorgungsspannung von 10,6 V eine Energie kleiner 38,16 mW (=10,6 V * 3,6 mA) zur Verfügung. Um durch die Feldgeräte eine Funkkommunikation zu ermöglichen, bspw. durch eine Bluetooth- Funkeinheit, wird zumindest zeitweise eine höhere Energie benötigt, wie die aktuell zur Verfügung stehende Energie. Hierfür ist üblicherweise ein Energiespeicher auf dem Ein/Ausgabemodul des Feldgerätes vorgesehen, in dem kontinuierlich Energie gespeichert wird, so dass diese zum Senden und/oder Empfangen von Kommunikationspaketen durch die Funkeinheit zur Verfügung steht.
Da derartige Energiespeicher relativ viel Energie speichern können müssen, sind diese, um das Feldgerät im Ex-Bereich einsetzen zu können, mit einer Vergussmasse gekapselt. Das Verkapseln geschieht mithilfe eines Vergussrahmens, welcher die Energiespeicher umgibt und mit der Vergussmasse befüllt wird. Nachteilig hieran ist, dass bei der Fertigung des Ein/Ausgabemoduls ein zusätzlicher Prozessschritt für das Aufbringen des Vergussrahmens und das Einfüllen der Vergussmasse notwendig ist. Dieser zusätzliche Prozessschritt führt zu zusätzlichen Kosten.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Energiespeicher im Einschaltmoment des Gerätes bzw. dem Einstecken (Hot-Plug) des Ein/Ausgabemoduls in eine entsprechende Schnittstelle des Hauptelektronikmoduls einen Kurzschluss für das Hauptelektronikmodul darstellt und somit sehr viel Energie von dem Hauptelektronikmodul zieht . Dies hätte zur Folge, dass das Hauptelektronikmodul kurzfristig seine Funktion nicht ausführen könnte. Um dies zu vermeiden, wird daher vor den Energiespeicher eine zusätzliche (aktive) Strombegrenzung auf dem Ein/Ausgabemodul integriert, welche den Strom im Startmoment limitiert bzw. regelt. Auch dieser zusätzliche Schaltungsteil sorgt für weitere Material- und Produktionskosten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das eigensichere Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße eigensichere Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich umfasst: eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschließen einer Zweidrahtleitung über die eine Strom zuführbar ist; ein Sensor- und/oder Aktormodul zum Erfassen und/oder Stellen einer Prozessgröße; ein Ein/Ausgabemodul mit einer Funkeinheit zum drahtlosen Übertragen von Daten; eine mit der ersten und zweiten Anschlussklemme verbundenes und zumindest von dem Ein/Ausgabemodul separat ausgebildetes Hauptelektronikmodul, das den über die Zweidrahtleitung zuführbare Strom über einen Strompfad von der ersten zu der zweiten Anschlussklemme führt, wobei das Hauptelektronikmodul einen in den Strompfad eingebrachten Spannungsregler aufweist, der dazu eingerichtet ist, anhand des zugeführten Stromes eine Energieversorgung zumindest für das Ein/Ausgabemodul bereitzustellen, wobei das Hauptelektronikmodul ferner dazu eingerichtet ist, die über das Sensorelement erfasste Prozessgröße durch Stellen des Stromes auf einen entsprechenden Wert zu übertragen und/oder eine durch das Aktorelement zu stellende Prozessgröße durch Auslesen des Stromes zu empfangen und das Aktorelement entsprechend zu stellen, wobei das Hauptelektronikmodul ferner einen Energiespeicher aufweist, der derartig ausgelegt ist, eine für die Funkeinheit zum drahtlosen Übertragen von Daten benötigte Energie bereitzustellen, wobei zumindest der Energiespeicher auf dem Hauptelektronikmodul mit einer Vergussmasse vergossen ist.
Ein erfindungsgemäß ausgebildetes eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik bietet den Vorteil, dass ein zusätzliches Vergießen des Energiespeichers auf dem Ein/Ausgabemodul mit Hilfe eines Vergussrahmens entfällt. Dies wiederum bedeutet, dass Platz auf dem Ein/Ausgabemodul eingespart werden kann, so dass die Herstellungskosten für das Modul sinken.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass der Energiespeicher zumindest einen Kondensator aufweist, der eine Kapazität von mindestens 10 pF, vorzugsweise von mindestens 250 pF, besonders bevorzugt von mindestens 1 mF hat.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass der Energiespeicher vor dem Spannungsregler auf dem Hauptelektronikmodul angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass das Ein/Ausgabemodul ferner eine Strombegrenzung bzw. - regelung aufweist, die einen Strom von dem Hauptelektronikmodul auf einen Wert im Bereich von 0,1-100 mA, insbesondere im Bereich von 0,1-25 mA, ganz besonders im Bereich von 1-5 mA 10- 100 mA begrenzt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass das Ein/Ausgabemodul keinen Kondensator mit einer Kapazität von größer 100 pF, insbesondere von ca. 500 pF aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass das Ein/Ausgabemodul und das Hauptelektronikmodul über eine elektrische Schnittstelle, die vorzugsweise steckbar ausgebildet ist, miteinander verbunden sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass das Ein/Ausgabemodul in einem Deckel des Feldgerätes, vorzugsweise hinter einer Sichtscheibe, angeordnet ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass das Ein/Ausgabemodul ferner ein Display zum Anzeigen von Informationen und/oder zum Bedienen des Feldgerätes aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts der Automatisierungstechnik sieht vor, dass das Display ein Farbdisplay ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Feldgerätes, welches über eine Zweidrahtleitung zur Signal- und Energieübertragung an eine übergeordnete Einheit angeschlossen ist.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldgerätes 10 mit einer modular ausgebildeten Feldgeräteelektronik. Die Feldgeräteelektronik umfasst im vorliegenden Beispiel ein Hauptelektronikmodul 30, ein Sensormodul 40 und ein Ein/Ausgabemodul 20. Das Ein/Ausgabemodul 20 und das Sensormodul 40 sind jeweils über eine Schnittstelle 22a, 22b und 23a, 23b, welches bspw. als steckbare Verbindung ausgeführt sein kann, elektrisch mit dem Hauptelektronikmodul 30 verbunden. Das Feldgerät 10 ist über eine erste und zweite Anschlussklemme 30a und 30b an eine Zweidrahtleitung 14 zur Signal- und Energieübertragung angeschlossen. Die Zweidrahtleitung 14 ist wiederum an dem anderen Ende an eine übergeordnete Einheit 12 angeschlossen. Das Feldgerät 10 ist bei dem dargestellten Beispiel eine Messstelle, in der mit Hilfe eines Sensormoduls 40 ein Messwert bzw. Prozessgröße (beispielsweise Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Füllstand, Durchfluss) erfasst wird. Genauso gut könnte das Feldgerät aber auch eine Aktorstelle sein, in der mit Hilfe eines Aktormoduls statt des Sensormoduls eine Prozessgröße gestellt wird.
Das Feldgerät 10 enthält keine eigene Energiequelle, sondern bezieht den für ihren Betrieb erforderlichen Versorgungsstrom über die Zweidrahtleitung 14. Dieser kann beispielsweise von einer in der übergeordneten Einheit 12 enthaltenen Spannungsquelle 18 bereitgestellt werden. Über die gleiche Zweidrahtleitung 14 wird ein jeweils den gerade gemessenen Messwert darstellendes Messwertsignal von dem Feldgerät 10 zur übergeordneten Einheit 12 übertragen. Hierfür ist die Feldgeräteelektronik dazu eingerichtet, ein Messwert über die Zweidrahtleitung 14 gemäß dem 4 bis 20 mA Standard zu übertragen. Die Spannungsquelle 18 liefert eine Gleichspannung Uv, und der Messstrom Is ist ein Gleichstrom.
Die übergeordnete Einheit 12 enthält eine Auswertungsschaltung 26, die aus dem über die Zweidrahtleitung 14 übertragbaren Signalstrom Is die Messwertinformation gewinnt. Zu diesem Zweck ist in die Zweidrahtleitung ein Messwiderstand 28 eingefügt, an dem eine Spannung UM entsteht, die dem über die Zweidrahtleitung übertragenen Signalstrom Is proportional ist und die der Auswertungsschaltung 26 zu geführt wird. Der Signalstrom Is wird in dem Feldgerät 10 durch einen auf dem Hauptelektronikmodul ausgebildeten Strompfad 31 von der ersten zu der zweiten Anschlussklemme 30a, 30b geführt.
Das Ein/Ausgabemodul 20 umfasst, wie bereits erwähnt, die Funkeinheit 21 zum drahtlosen Senden und Empfangen von Daten. Beispielsweise kann es sich bei der Funkeinheit 21 um eine Bluetooth- Funkeinheit zum drahtlosen Übertragen von Daten mittels dem Bluetooth-Standard oder einer davon abgewandelten Variante, z.B. Bluetooth Low Energie handeln. Alternativ kann es sich bei dem Funkmodul aber auch um ein WLAN-, ZigBee, NFC-, lloT, 5G oder WirelessHART Funkmodul handeln. Bei den Daten kann es sich bspw. um Konfigurations- und/oder Parametrierungsdaten für das Feldgerät handeln. Ferner kann das Ein/Ausgabemodul ein Display 27 zum Anzeigen von Informationen und/oder zum Bedienen des Feldgerätes aufweisen. Bei dem Display 27 kann es sich bspw. um ein Farbdisplay handeln. In dem Fall, dass das Display 27 ein monochromes Display ist, kann ferner eine Ladungspumpe auf dem Ein/Ausgabemodul 20 vorgesehen sein, die zur Ansteuerung des monochromen Displays dient. In dem Fall, dass das Display 27 ein Farbdisplay ist, weist das Ein/Ausgabemodul 20 keine Ladungspumpe auf.
Zur Messwerterfassung umfasst die Feldgeräteelektronik das bereits erwähnte Sensormodul 40, welches über die elektrische Schnittstelle 23a, 23b mit dem Hauptelektronikmodul 30 verbunden ist. Die elektrische Schnittstelle 23a, 23b kann dabei als steckbare Schnittstelle ausgeführt sein. Über die elektrische Schnittstelle 23a, 23b werden sowohl Messwerte des Sensormoduls zu dem Hauptelektronikmodul 30 als auch Energie zu dem Sensormodul 40 von dem Hauptelektronikmodul 30 übertragen. Die elektrische Schnittstelle 23a, 23b kann dabei als steckbare elektrische Schnittstelle ausgebildet sein.
Das Hauptelektronikmodul wiederum umfasst eine Messwandlerschaltung 37, die über ein Steuerleitung 24 eine ebenfalls auf dem Hauptelektronikmodul angeordnete Stromregelung bzw. Stromquelle 32 derartig regelt bzw. ansteuert, dass der Messstrom Is auf einen den erfassten Messwert repräsentierenden Wert (Signalstrom) gestellt wird. Die Stromquelle 32 kann beispielsweise einen Transistor umfassen, der über das Steuersignal von der Messwandlerschaltung 37 geregelt wird. In dem Fall, dass das Feldgerät als Aktor ausgebildet ist, d.h. statt einem Sensormodul ein Aktormodul aufweist, entfällt die Stromregelung. Die Messwandlerschaltung 37 kann bspw. einen Mikroprozessor umfassen.
Das Hauptelektronikmodul umfasst ferner einen niederohmigen Shuntwiderstand 33, über den der gestellte Signalstrom Is mittels einer Rückleseleitung 25 durch die Messwandlerschaltung 37 zurückgelesen wird. Entsprechend dem Ohmschen Gesetz fällt an dem Shuntwiderstand 33 eine Spannung U_Shunt = R_Shunt • Is ab. Die Spannung U_Shunt ist somit proportional zu dem durch das Feldgerät fließenden Strom Is. Zur Regelung des zu stellenden Signalstroms Is ist die über dem Shuntwiderstand 33 abfallende Spannung der Messwandlerschaltung zugeführt. Derartige Shunt- Widerstände 33 weisen typischerweise einen Widerstandswert im Bereich von 5-40 Ohm, vorzugsweise 7-30 Ohm, besonders bevorzugt im Bereich von 10-25 Ohm auf.
Das Hauptelektronikmodul umfasst ferner einen Spannungsregler 36, bspw. in Form eines Schaltoder Linearreglers, der dazu ausgebildet ist, eine möglichst konstante Betriebsspannung für die einzelnen Module bereitzustellen. Die Eingangsspannung für den Spannungsregler 36 kann beispielsweise von einem Energiespeicher 34, insbesondere in Form einer Kapazität, stabilisiert bzw. gestützt werden. Der Energiespeicher 34 kann bspw. eine Kapazität von mindestens 10 pF, vorzugsweise von mindestens 250 pF, besonders bevorzugt von mindestens 1 mF aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die auf dem Hauptelektronikmodul 30 angeordnete Spannungsquelle in Fig. 1 nicht dargestellt.
Ferner weist das Hauptelektronikmodul Schaltungsteile für Ex-Schutz- und/oder EMV-Maßnahmen auf. In Fig. 1 sind diese Schaltungsteile exemplarisch durch den Block mit dem Bezugszeichen 38 angedeutet. Je nach gewünschten Schutzniveau und nach Vorgabe der entsprechenden Norm, bspw. IEC EN DIN 60079-11 , veröffentlich Juni 2012, hinsichtlich der Ex-Schutzmaßnahmen und/oder bspw. der Norm DIN EN 61000-1-2, veröffentlicht Juli 2017, hinsichtlich der EMV- Maßnahmen sind die Schaltungsteile unterschiedliche ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist das Hauptelektronikmodul ferner einen Energiespeicher auf, der dazu eingerichtet ist, kontinuierlich Energie, die über die Zweidrahtleitung 14 übertragen wird, zu speichern, und diese bei Bedarf an eine auf einem anderen Modul der Feldgeräteelektronik angeordnete Funkeinheit zur drahtlosen Datenübertragen während eines Sende- oder Empfangsvorgangs abzugeben. Im vorliegenden Fall sitzt die Funkeinheit 21 auf dem Ein/Ausgabemodul. Bei dem Energiespeicher 34 kann es sich bspw. um einen Kondensator handeln, der vorzugsweise eine Kapazität aufweist, die größer 100 pF, bevorzugt ca. 500 pF groß ist.
Vorteilhafterweise ist der Energiespeicher 34 derartig auf dem Hauptelektronikmodul 30 angeordnet, dass dieser vor dem Spannungsregler 36 angeordnet ist, so dass der Energiespeicher 34 mit einer höheren Spannung beaufschlagt wird, als dies bei einer Anordnung nach dem Spannungsregler 36 der Fall wäre. Dies bietet den Vorteil, dass deutlich mehr Energie in dem Energiespeicher gespeichert werden kann, da die Spannung quadratisch in die zu speichernde Energiemenge eingeht (E = % * C* U2). Somit kann bei einer Anordnung vor dem Spannungsregler 36 die Kapazität reduziert werden, da die benötigte Energiemenge, welche für den Sende- und/oder Empfangsvorgang benötigt wird, sich nicht verändert.
Um den Anforderungen der Zündschutzart Eigensicherheit zu genügen, ist zumindest der Energiespeicher 34 auf dem Hauptelektronikmodul 30 mit einer Vergussmasse vergossen. Üblicherweise sind jedoch zumindest der Spannungsregler, der Stromregler und der Energiespeicher oder sämtliche elektronischen Bauteile auf dem Hauptelektronikmodul mit der Vergussmasse vergossen.
Um bei einem Sende- und/oder Empfangsvorgang durch die Funkeinheit 21 den benötigten Strom von dem Hauptelektronikmodul 30 zu dem Modul, auf dem die Funkeinheit 21 angeordnet ist, übertragen zu können, kann eine Strombegrenzung bzw. -regelung 26 auf dem Modul vorgesehen und derartig ausgebildet sein, dass ein für den Sende- und/oder Empfangsvorgang benötigter Strom, welcher bspw. im Bereich von ca. 10-100 mA liegt, fließen kann.
Bezugszeichenliste
10 Feldgerät
11 Deckel des Feldgerätes
11 a Sichtscheibe
12 Übergeordnete Einheit, z.B. Steuerprogrammierbare Steuerung (SPS)
14 Zweidrahtleitung
18 Spannungsquelle
20 Ein/Ausgabemodul
21 Funkeinheit
22a, 22b Elektrische Schnittstelle
23a, 23b Elektrische Schnittstelle
24 Steuerleitung
25 Rückleseleitung
26 Strombegrenzung bzw. -regelung
27 Display
28 Messwiderstand
30 Hauptelektronikmodul
30a, 30b Anschlussklemmen
31 Strompfad
32 Stromregelung
33 Shuntwiderstand
34 Energiespeicher, bspw. Kondensator
36 Spannungsregler, bspw. Schaltregler oder Linearregler
37 Messwandlerschaltung
38 Schaltungsteil für Ex-Schutz- und/oder EMV-Maßnahmen
40 Sensor- und/oder Aktormodul
Is Messstrom
Uk Klemmenspannung
Uv Spannung der Spannungsquelle
Ue Eingangsspannung am Spannungsregler
UM Spannung am Messwiderstand

Claims

Patentansprüche
1 . Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich umfassend: eine erste und eine zweite Anschlussklemme (30a, 30b) zum Anschließen einer Zweidrahtleitung (14) über die eine Strom zuführbar ist; ein Sensor- und/oder Aktormodul (40) zum Erfassen und/oder Stellen einer Prozessgröße; ein Ein/Ausgabemodul (20) mit einer Funkeinheit (21) zum drahtlosen Übertragen von Daten; eine mit der ersten und zweiten Anschlussklemme (30a, 30b) verbundenes und zumindest von dem Ein/Ausgabemodul separat ausgebildetes Hauptelektronikmodul (30), das den über die Zweidrahtleitung zuführbare Strom (Is) über einen Strompfad (31) von der ersten zu der zweiten Anschlussklemme (30a, 30b) führt, wobei das Hauptelektronikmodul (30) einen in den Strompfad (31) eingebrachten Spannungsregler (36) aufweist, der dazu eingerichtet ist, anhand des zugeführten Stromes (Is) eine Energieversorgung zumindest für das Ein/Ausgabemodul (20) bereitzustellen, wobei das Hauptelektronikmodul (30) ferner dazu eingerichtet ist, die über das Sensorelement (40) erfasste Prozessgröße durch Stellen des Stromes (Is) auf einen entsprechenden Wert zu übertragen und/oder eine durch das Aktorelement (40) zu stellende Prozessgröße durch Auslesen des Stromes (Is) zu empfangen und das Aktorelement (40) entsprechend zu stellen, wobei das Hauptelektronikmodul (30) ferner einen Energiespeicher (34) aufweist, der derartig ausgelegt ist, eine für die Funkeinheit (21) zum drahtlosen Übertragen von Daten benötigte Energie bereitzustellen, wobei zumindest der Energiespeicher (34) auf dem Hauptelektronikmodul (30) mit einer Vergussmasse vergossen ist.
2. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach Anspruch 1 , wobei der Energiespeicher (34) zumindest einen Kondensator aufweist, der eine Kapazität von mindestens 10 pF, vorzugsweise von mindestens 250 pF, besonders bevorzugt von mindestens 1 mF hat.
3. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (34) vor dem Spannungsregler (36) auf dem Hauptelektronikmodul (30) angeordnet ist.
4. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ein/Ausgabemodul (20) ferner eine Strombegrenzung bzw. - regelung (26) aufweist, die einen Strom von dem Hauptelektronikmodul (30) auf einen Wert im Bereich von 0,1-100 mA, insbesondere im Bereich von 0,1-25 mA, ganz besonders im Bereich von 1-5 mA 10-100 mA begrenzt.
5. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ein/Ausgabemodul (20) keinen Kondensator mit einer Kapazität von größer 100 pF, insbesondere von ca. 500 pF aufweist.
6. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ein/Ausgabemodul (20) und das Hauptelektronikmodul (30) über eine elektrische Schnittstelle (22a, 22b), die vorzugsweise steckbar ausgebildet ist, miteinander verbunden sind.
7. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ein/Ausgabemodul (20) in einem Deckel des Feldgerätes (11), vorzugsweise hinter einer Sichtscheibe, angeordnet ist.
8. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ein/Ausgabemodul (20) ferner ein Display (27) zum Anzeigen von Informationen und/oder zum Bedienen des Feldgerätes aufweist.
9. Eigensicheres Feldgerät der Automatisierungstechnik nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Display ein Farbdisplay ist.
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