自动化现场装置
阅读说明：本技术 自动化现场装置 (Automated field device ) 是由 哈拉尔德·朔伊布勒 西蒙·格尔维希 克里斯蒂安·施特里马特 沃尔夫冈·布鲁钦 于 2019-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种现场装置,包括：连接端子(2)；现场装置电子器件(4)；内部接口(5),用于连接电子模块(6)；所述电子模块(6)具有用于实现额外功能性的至少一个电子部件(7)；电容器(8),其被设计成如果电子模块(6)的部件(7)具有超过主要电力(Phaupt)的能量需求,那么将额外第一辅助能量的量(Ehilf1)提供到所述部件(7)；电池(9),其被设计成如果电子模块(6)的至少一个部件(7)具有超过主要电力(Phaupt)和第一辅助能量的量(Ehilf1)的能量需求,那么将第二辅助能量的量(Ehilf2)提供到所述至少一个部件,其中仅在所述主要电力(Phaupt)和第一辅助能量的量(Ehilf1)不足以用于所述部件(7)的能量供应,则所述电池(9)才将第二辅助能量的量(Ehilf2)提供到所述部件(7)。(The invention relates to a field device comprising: a connection terminal (2); field device electronics (4); an internal interface (5) for connecting an electronic module (6); the electronic module (6) has at least one electronic component (7) for implementing additional functionality; a capacitor (8) designed to provide an additional first auxiliary energy amount (Ehilf1) to a component (7) of the electronic module (6) if said component (7) has an energy requirement exceeding the main power (Phaupt); a battery (9) designed to provide a second amount of auxiliary energy (Ehilf2) to at least one component (7) of the electronic module (6) if said at least one component has an energy requirement that exceeds the amount of primary power (Phaupt) and first auxiliary energy (Ehilf1), wherein said battery (9) provides the second amount of auxiliary energy (Ehilf2) to said component (7) only if said amount of primary power (Phaupt) and first auxiliary energy (Ehilf1) is not sufficient for the energy supply of said component (7).)
技术领域
本发明涉及一种现场装置，特别是一种Namur自动化现场装置。
背景技术
用于获取和/或修改过程变量的现场装置常用在过程自动化技术中。传感器(诸如，填充料位测量装置、流量计、压力和温度测量装置、pH值氧化还原电位计、电导率仪等)用于记录相应的过程变量(诸如，填充料位、流量、压力、温度、pH值和电导率)。一般来说，现场装置是指面向过程的并供应或处理过程相关信息的所有装置。各种这样的现场装置是由恩德莱斯+豪瑟尔公司制造和销售的。
然而，除了上述现场装置之外，所谓的Namur现场装置或开关设备(例如，可以被设计为点料位开关)也包含在现场装置的列表中。被设计为点料位开关的这些现场装置可以例如具有振动传感器(它们具有可以机械振动的至少一个单元)或者电容和/或导电传感器。在多个出版物中公开了基本原理和不同实施例。许多种对应现场装置是由本申请人生产的，并例如在振动点料位开关的情况下以名称LIQUIPHANT和/或SOLIPHANT销售，并且在电容和/或导电点料位开关的情况下以名称LIQUIPHANT销售。
在用于液体的振动点料位开关的情况下，要区分可振动单元是被液体覆盖还是自由振动。这两种状态(自由状态和覆盖状态)根据不同停留频率(即，频率偏移)而区分。密度和/或粘度继而可以用这种测量装置来确定，只要被介质至少部分覆盖。
然而，在导电点料位开关的情况下，可以识别在探针电极与导电容器的壁或第二电极之间是否存在经由导电介质的电接触。在电容测量方法中，从由探针电极和容器壁或第二电极所形成的电容器的电容来对比地确定填充料位。取决于介质的电导率，介质自身或探针绝缘体形成电容器的电介质。
所谓的Namur现场装置或开关设备最初是在NAMUR(化学工业测量和控制工程标准化协会)工作表NA 001中定义的，所述工作表延续到标准DIN EN 60947-5-6(发布日期：2000年12月)。在这种情况下，现场装置或开关设备仅传输呈特定电流信号的形式的二元信息。例如，Namur现场装置指示是否达到特定极限料位。
根据标准DIN EN 60947-5-6，规定了现场装置以独立于负载的电流操作，使得它直接从电流回路被供应能量。这是可能的，因为现场装置在操作期间具有小于特定电流信号的值的最大电力要求。这然后也被称为所谓的二线制现场装置，因为连接这些装置只需要一条二线制线路(即，具有两根芯线的线路)。二元信息(例如，达到或未达到极限料位)始终经由对应的特定电流值从现场装置通信到(模拟)评估单元，例如，PLC(可编程逻辑控制器)。根据上述标准，小于1.2mA的电流值和大于2.1mA的电流值被提供作为特定电流值。在点料位开关的情况下，这意味着小于1.2mA的特定电流值表示达到了对应的极限料位，并且大于2.1mA的特定电流值表示还没有达到极限料位。
由于仅有限量的电力可用于现场装置这一事实，现场装置的设计和构造有最严格的要求。这尤其在以下情形下适用：除了例如用于确定极限料位的纯内部评估单元之外，现场装置还希望具有由对应的电子部件实现的其他功能。
在这种情况下，现场装置的无线电功能性可以构成这种功能，通过所述功能，例如，极限料位可以另外经由对应的无线电信号来通信。在这种情况下，无线电系统偶尔需要比现场装置可以经由二线制线路提供的能量多得多的能量，例如在通信测量或极限值的对应无线电间隔中。然而，不仅在传输测量或极限值的情况下，而且例如在“空中下载技术(over the air)”执行软件更新的情况下，短期内需要比现场装置可以经由二线制线路提供的能量多得多的能量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种自动化现场装置，特别是一种具有额外功能性--特别是无线电功能性的Namur现场装置。
根据本发明，所述目的通过根据权利要求1所述的现场装置、特别是Namur自动化现场装置来实现。
根据本发明的自动化现场装置、特别是Namur现场装置，包括：
-连接端子，用于连接二线制线路；
-现场装置电子器件，通过所述二线制线路经由所述连接端子而被提供最大操作电力，其中所述现场装置电子器件被配置成执行所述现场装置的主要功能性、特别是测量或极限值检测；以及
-内部接口，由所述现场装置电子器件提供以用于连接电子器件模块；
-所述电子器件模块，具有用于实现额外功能性的至少一个电子部件，其中所述电子器件模块的至少一个电子部件经由所述内部接口而连接到所述现场装置电子器件以用于数据传输，并且所述至少一个电子部件的内部接口还提供主要电力，
-电容器，与所述电子器件模块相关联，并被配置成使得所述电容器经由所述内部接口而被充电，并且在所述电子器件模块的至少一个部件具有超过所述主要电力的能量需求的情形下，所述至少一个部件提供额外第一辅助能量；
-电池，与所述电子器件模块相关联，被设计成使得所述电池在所述电子器件模块的至少一个部件具有超过所述主要电力和所述第一辅助能量的能量需求的情形下，将第二辅助能量提供到所述至少一个部件，其中所述电容器和所述电池被协调，以使得仅在如果所述主要电力和所述第一辅助能量不足以用于所述至少一个部件的能量供应，则所述电池才向所述至少一个部件提供所述第二辅助能量。
在这种情况下，Namur现场装置应被理解为根据标准DIN EN 60947-5-6(发布日期：2000年12月)而设计的现场装置，并且因此二元信息基于两个不同的特定电流值经由二线制线路而通信，其中二元信息的第一信息、特别是达到了极限料位的信息经由小于1.2mA的第一特定电流值而通信，并且二元信息的第二信息、特别是还没有达到极限料位的信息经由大于2.1mA的第二特定电流值而通信。
所述现场装置的有利实施例提出，所述至少一个部件包括无线电模块，所述无线电模块被设置成无线地通信数据，并且其中所述至少第二辅助能量优选地仅在传输或接收过程的情形下向所述无线电模块供应能量。
所述现场装置的又一有利实施例还提出限流电路，所述限流电路在输入端处连接到所述内部接口，并且在输出端处连接到所述电子器件模块的至少一个部件，所述限流电路被设计成将流经所述内部接口的电流限制到特定电流值。具体地，所述实施例可以提出，所述电容器和所述电池布置在所述限流电路的输出端与所述至少一个部件之间，并且彼此协调，以使得所述至少一个部件的电池仅在所述限流电路的输出端处的输出电压下降到低于特定值时提供第二辅助能量，所述特定值优选小于3V、特别优选小于2.75V、特别优选小于2.5V。附加地或替代地，所述实施例可以提出，在所述电池与所述限流电路的输出端之间的连接中设置了调节器，所述调节器将电池电压调节到小于在所述限流电路的输出端处的特定值的值，和/或还在所述电池与所述限流电路的输出端之间的连接中设置了阻断元件、特别是呈二极管的形式或作为所述调节器的一体部件，其中所述阻断元件被设计成防止从所述限流电路的输出端到所述电池的电流流动。
所述现场装置的又一有利实施例提出，所述电容器具有多个陶瓷电容器，并且所述电容器优选具有处于在500μF到2mF的范围中的大小。
所述现场装置的又一有利实施例提出，所述电池和所述电容器在所述限流电路的输出端处彼此并联连接。
所述现场装置的又一有利实施例提出，所述电池是根据发布日期为2014年9月3日的标准IEC 60086-4和/或发布日期为2011年6月30日的标准IEC 60079-11来设计的，以使得所述电池被设计成用于爆炸区域中。所述现场装置的又一有利实施例提出，用于数据传输的所述内部接口被设计为UART接口。
所述现场装置的又一有利实施例提出，所述无线电模块被设置成根据以下标准或协议或其修改变型中的一个来进行无线数据传输：
- 蓝牙或低功耗蓝牙；
- 6LoWPAN；
- 6TiSCH；或者
- 无线HART。
所述现场装置的又一有利实施例还提出现场装置外壳，所述现场装置电子器件和所述电子器件模块布置在所述现场装置外壳中。
所述现场装置的替代实施例还提出现场装置外壳，所述现场装置电子器件布置在所述外壳中，其中所述电子器件模块布置在所述现场装置外壳的外部。
附图说明
基于以下附图来更详细地解释本发明。如下所示：
图1示出了根据本发明的自动化现场装置的实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的自动化现场装置1的实施例。图1所示的现场装置1是Namur现场装置，其例如是被设计为根据标准DIN en60947-5-6(发布日期：2000年12月)的极限料位开关。这种类型的Namur现场装置1经由二线制线路3借助于独立于负载的回路电流I而被供应能量，以使得除了传输测量值之外，二线制线路3还将电力供应到现场装置1，即，没有设置分开的或额外的电力供应单元来供应能量。
为了执行主要功能性，例如，对特定极限料位的检测以及对呈测量值的形式的极限料位的传输，现场装置具有位于现场装置外壳13内部的现场装置电子器件4。出于此目的，现场装置电子器件4可以具有传感器单元14，所述传感器单元用于检测过程变量、特别是用于检测极限料位。
传感器单元14可以以测量速率fM检测过程变量，并提供取决于此的过程变量信号，所述信号由现场装置电子器件转换成可以输出的输出信号。
所产生的过程变量信号只知道由二线制线路3传输的两种状态；一方面，达到了极限料位的状态，以及另一方面，(仍然)没有达到极限料位的状态。对应地，现场装置电子器件4被设置成：如果由传感器单元检测的测量值指示还没有达到极限料位，则经由二线制线路3而输出大于2.1mA的电流值作为输出信号；并且如果所检测的测量值指示达到了极限料位，则经由二线制线路而输出小于1.2mA的电流值作为输出信号。
为了使现场装置电子器件4能够经由二线制线路3而通信输出信号，连接端子2可用于连接二线制线路3。此外，现场装置电子器件4经由连接到连接端子2的二线制线路3而被提供最大操作电力Pmax，所述最大操作电力用于将能量供应到所有部件、特别是传感器单元14，这些部件是执行主要功能性(特别是，检测极限料位和通信对应的电流值)所需要的。
此外，现场装置电子器件4具有内部接口5，所述内部接口被设计成使得电子器件模块7可以被连接以实现或执行额外功能性。在这种情况下，关于在电子器件模块7与现场装置电子器件4之间的数据传输，内部接口5可以被配置为UART接口(通用异步收发器)。除了数据传输之外，内部接口5还被设计成向电子器件模块7提供主要电力Phaupt。在这种情况下，现场装置电子器件4被设计成在内部接口处提供用于对电子器件模块7进行供应的内部电压Uintern和内部电流Imax。现场装置电子器件4优选地被设计成使得在内部接口5处，约3V的最大内部电压Uintern可用。
为了将无线电功能性作为额外功能性实现，现场装置1具有电子器件模块6，所述电子器件模块具有布置在现场装置外壳13内的无线电单元7。在这种情况下，无线电单元7可以被设置成根据以下标准或协议或其修改变型中的一个来进行无线数据传输：
- 蓝牙或低功耗蓝牙；
- 6LoWPAN；
- 6TiSCH；或者
- 无线HART。
为了能够将足够能量提供到无线电单元的传输或接收过程，电子器件模块6还具有电容器8，所述电容器向无线电单元7提供第一辅助能量Ehilf1。电容器8可以例如具有处于在800μF到1.6mF的范围中的值。此外，电容器8优选呈电容器的形式。电容器以这样的方式连接：使得它由现场装置电子器件4经由内部接口5充电，并且在无线电单元7在传输或接收过程期间具有超过主要电力Phaupt的能量需求的情形下，另外向无线电单元7提供第一辅助能量Philf1。例如，电容器可以通过第一电极8a而连接到无线电单元7，并通过第二电极8b而连接到接地。不用说，电容器8也可以由相应地连接的多个电容器形成。为了最小化电子器件模块6上的电容器8所需的空间，电容器8优选由多个陶瓷电容器形成，每个陶瓷电容器具有100μF的单个电容，并且以这样的方式连接：使得产生了处于在500μF到2mF的范围中、优选地在800μF至1.6mF的范围中的电容值。
电子器件模块6还具有限流电路10，所述限流电路被设置成将经由内部接口5的电流流动限制到最大电流值Imax，例如，约0.8mA。通过限制所述电流，现场装置电子器件经由内部接口提供的最大主要电力被限制到最大值，例如，约2.4mW(＝Uintern*Imax＝3V*0.8mA)。限流电路10也以这样的方式电连接：使得输入端10a连接到内部接口5，并且限流电路10b的输出端连接到第一电极8a和无线电单元7，以使得具有预定值(例如，小于3V的值，优选地来自从2.5V到小于3V的范围的值)的电压U存在于限流电路10b的输出端处。
根据本发明还设置了电池9，所述电池与电子器件模块6相关联，并且优选是电子器件模块6的一部分。在这种情况下，电池9被设计成使得，在无线电模块7(例如在传输或接收过程期间)短暂地具有超过主要电力Phaupt和第一辅助能量Ehilf1的能量需求的情形下，它向无线电模块7提供第二辅助能量Ehilf2。在这种情况下，电子器件模块6被设计成使得，电池9仅在主要电力Phaupt和第一辅助能量Ehilf1不足以用于将能量供应到至少一个部件7时，向无线电模块7提供第二辅助能量Philf2。这可以例如通过由调节器11将电池9连续连接到限流电路10b的输出端来实现，所述调节器将电池电压Ubatterie调节到小于限流电路10b的输出端处的电压的值，以使得仅在限流电路10b的输出端处的电压U由于无线电模块的增大的能量需求而下降时，电池9才提供第二辅助能量Ehilf2。由于无线电模块的电压被设置为高于在调节器下游的电池电压Ubatterie的值这一事实，当输出电压U下降时，所述电池自动支持无线电模块的能量供应。
为了防止在电池9的方向上的不希望的电流流动，还可以提出在调节器11与限流电路10b的输出端之间插入阻断元件12，例如，二极管。替代地，阻断元件12也可以被设计为调节器11的一体部件。
根据本发明的无线电模块的布线使得可以从瞬间或暂时增大的能量需求拦截能量峰值。在这种情况下，仅在内部需要的能量大于二线制线路所提供的能量、或大于可用的或可提供给电容器的能量时，才使用电池的辅助能量Ehilf 2，以使得不会对电池造成永久性消耗。
附图标记列表
1 自动化现场装置
2 端子
3 二线制线路
4 现场装置电子器件
5 内部接口
6 电子器件模块
7 电子部件、特别是无线电单元
8 电容器
8a 第一电极
8b 第二电极
9 电池
10 限流电路
10a 限流电路的输入端
10b 限流电路的输出端
11 调节器
12 阻断元件
13 现场装置外壳
14 传感器单元
Ehilf1 由电容器提供的第一辅助能量
Ehilf2 由电池提供的第二辅助能量
I 通过二线制线路而供应到现场装置的电流
Imax 可用于对电子器件模块进行供应的最大内部电流
U 限流电路处的输出电压
U内部 内部接口处的电压
U电池 在电池处或可选地在调节器与阻断元件之间的电压
Pmax 由二线制线路提供到现场装置的最大操作电力
Phaupt 经由内部接口而提供的主要电力