WO1996004735A1 - Busteilnehmer - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a bus subscriber according to the preamble of claim 1.
  • the IEC standard 1158-2 specifies the most important properties of fieldbus connections of bus users. In particular, it is prescribed to transmit data in the form of alternating current and energy in the form of direct current (direct voltage). It is provided that the DC supply voltage is a maximum of 32 V and the input DC voltage at the subscriber is at least 9 V. It is also required that the bus connection in the signal frequency range is high-resistance (. 3 k ⁇ ) and that the current consumption of the connection changes by at most 1 mA / ms. This IEC standard does not provide information on how to achieve these properties.
  • the bus subscribers can be designed as so-called "constant current sinks".
  • suitable means e.g. B. a storage capacitor with a Zener diode, a voltage for supplying the electronics of the bus subscriber.
  • the constant current property is achieved in that the absorbed base current z. B. measures as a voltage drop across a resistor and over a Actuator, e.g. B. a transistor, a setpoint in the form of a constant reference current.
  • a so-called modulation current is superimposed on this reference value during the transmission process. With appropriate dimensioning of the bus connection at the line interface, this connection has the required impedance.
  • the lines of a fieldbus usually have a length of between a few hundred meters and a few kilometers, as a result of which different DC voltages are present at the bus subscriber connection points of the fieldbus due to the voltage drops on the lines.
  • a much lower DC voltage is present, e.g. B. the prescribed minimum voltage of 9 V, as on the bus device arranged closest to the feeder.
  • the invention is based on the idea that the bus subscriber is not designed as a known constant current sink, but rather as a "constant power sink". Because the devices of the bus interface set the power consumption to an almost constant value regardless of their DC input voltage, it is possible to increase the number of bus users on the fieldbus.
  • Interfaces designed as constant power sinks can be connected, with a cable length of 500 m, twenty-seven transmitters. If, on the other hand, the connections are designed as constant current sinks, operation with only ten transmitters connected to the bus is possible regardless of the cable length.
  • FIG. 1 designates a supply device which comprises a field bus consisting of a conductor A, B with a supply voltage Us of 32 V and a supply current Ig of max. 150 mA supplied.
  • a bus subscriber 2 essentially consists of a user circuit 3 and a bus connection 4.
  • the circuit 3 can, for. B. be a temperature transmitter to which a resistance thermometer, not shown here, can be connected.
  • the interface 4 is connected via connection points AS to the bus lines A, B of the field bus, to which several participants can of course be connected.
  • the supply voltage Ug is not present at the connection points AS ; but instead a reduced DC input voltage Ugi.
  • a direct current Ig flows in the connection 4, causing a voltage Ug at a measuring resistor 5, a voltage Uy at a storage capacitor 6 and a voltage U st at a current actuator 7. falls.
  • the measuring resistor 5, the storage capacitor 6, the current control element 7 in the form of a transistor, a voltage / current converter 8 and a comparison device 9 form a first control loop of a control device, which - as will be shown below - with a second Control loop of the control device is in operative connection.
  • the voltage drop Ug at the measuring resistor 5 generates a current I a at the output of the voltage / current converter 8, which current is detected by the comparison device 9.
  • the comparison device 9 also detects a reference current IR e f generated by the second control circuit and a modulation current I * v * o d (from the circuit 3) required for data transmission and controls the current control element 7 with the direct current difference I a .
  • the voltage U st at the current actuator is set such that the direct current Ig remains constant with a constant input direct voltage Ugi.
  • ⁇ is the efficiency of the DC / DC converter 10.
  • the input direct current Ig changes and thereby the voltage Uy at the storage capacitor 6, the voltage U g at the measuring resistor 5 and the voltage U s ⁇ - at the current actuator 7.
  • the control device has a second control loop.
  • Suitable means 11 of this control circuit detect a change in the voltage drop U st at the current control element 7 and feed this via a low-pass filter 12 and an amplifier 13 to a comparison device 14 which is supplied with a presettable constant reference voltage U e f.
  • the reference voltage U Re f is a known variable that can be derived from the data sheet of the current actuator 7, in which the power loss of the connection 4 has a minimum.
  • a chip-voltage / current converter 15 generates from the control deviation at the output of the comparator 14 a corresponding ⁇ nde ⁇ tion of the reference current l e f ⁇ whereby the voltage drop U st of the power actuator 7, and thus the input current I g is adjusted so that the Power consumption Ug • Ig of the subscriber remains constant and cannot be influenced by the change in the input voltage Ugi.

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Abstract

In Feldbussen, welche insbesondere in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden, ist es üblich, die Busteilnehmer mit Energie über zwei auch für die Datenübertragung vorgesehene Busleitungen zu versorgen. Dabei sind die Busteilnehmer als sogenannte "Konstantstromsenken" ausgebildet, was bedeutet, dass die Busanschaltung eines Teilnehmers einen konstanten, nicht veränderbaren Grundstrom aus den Busleitungen entnimmt, um diesen zur Datenübertragung zu modulieren. Um die Verlustleistung von Busteilnehmern während des Betriebs in einem Feldbus zu verringern und damit die Anzahl der an den Bus angeschlossenen Messumformer zu erhöhen, wird vorgeschlagen, diese Busteilnehmer als sogenannte "Konstantleistungssenken" auszubilden, in welchen die Leistungsaufnahme auf einem konstanten Wert unabhängig von einer Eingangsspannung bleibt. Die Erfindung wird angewandt in Feldbussystemen.

Description

Beschreibung
Busteilnehmer
Die Erfindung betrifft einen Busteilnehmer gemäß dem Ober¬ begriff des Anspruchs 1.
In Feldbussen, welche insbesondere in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden, ist es üblich, die Busteilnehmer mit Ener- gie über zwei auch für die Datenübertragung vorgesehene Bus- leitungen zu versorgen. Dabei ist es erforderlich, daß die Energieübertragung die eigentliche Signalübertragung nicht beeinträchtigt und daß die Verlustleistung die verwendeten Bauelemente nicht zu stark thermisch belastet. Die IEC-Norm 1158-2 legt die wichtigsten Eigenschaften von Feldbusanschaltungen von Busteilnehmern fest. Insbesondere ist vorgeschrieben, Daten in Form von Wechselstrom und Ener¬ gie in Form von Gleichstrom (Gleichspannung) zu übertragen. Dabei ist vorgesehen, daß die Speisegleichspannung maximal 32 V und die Eingangsgleichspannung am Teilnehmer mindestens 9 V beträgt. Weiterhin ist gefordert, daß im Signalfrequenz¬ bereich die Busanschaltung hochohmig ( . 3 kΩ) ist und daß die Stromaufnahme der Anschaltung sich um höchstens 1 mA/ms ändert. Hinweise, wie diese Eigenschaften zu verwirklichen sind, werden in dieser IEC-Norm nicht angegeben.
Um die vorgegebenen Eigenschaften in Feldbusanschaltungen zu verwirklichen, können die Busteilnehmer als sogenannte "Kon¬ stantstromsenken" ausgebildet sein. Dies bedeutet, daß die Busanschaltung eines Teilnehmers einen konstanten, nicht ver¬ änderbaren Grundstrom aus den Busleitungen entnimmt, um die¬ sen zur Datenübertragung zu modulieren. Aus diesem Grundstrom erzeugen geeignete Mittel, z. B. ein Speicherkondensator mit einer Zenerdiode, eine Spannung zur Versorgung der Elektronik des Busteilnehmers. Dabei wird die Konstantstromeigenschaft dadurch erreicht, daß man den aufgenommenen Grundstrom z. B. als Spannungsabfall über einen Widerstand mißt und über ein Stellglied, z. B. einen Transistor, einem Sollwert in Form eines konstanten ReferenzStromes nachführt. Beim Sendevorgang wird diesem Referenzwert ein sogenannter Modulationsstrom überlagert. Bei entsprechender Dimensionierung der Bus- anschaltung an der Leitungsschnittstelle weist diese Anschal¬ tung die erforderliche Impedanz auf.
Die Leitungen eines Feldbusses haben gewöhnlich eine Länge zwischen einigen hundert Metern und einigen Kilometern, wo- durch aufgrund der Spannungsabfälle an den Leitungen an den Busteilnehmeranschlußstellen des Feldbusses unterschiedliche Gleichspannungen anliegen. An einem von einem Speisegerät des Feldbusses am weitesten entfernten Busteilnehmer liegt eine wesentlich geringere Gleichspannung an, z. B. die vorge- schriebene Mindes Spannung von 9 V, als an dem dem Speise¬ gerät am nächsten angeordneten Busteilnehmer. Sind diese bei¬ den Teilnehmer als Konstantstromsenken für eine Versorgungs¬ spannung von z. B. 3 V und einen Energieverbrauch von 30 mW ausgelegt, so bedeutet dies, daß die Verlustleistung in dem Busteilnehmer am höchsten ist, welcher dem Speisegerät am nächsten angeschlossen ist. Diese Verlustleistung kann ein Vielfaches der vom Teilnehmer benötigten Leistung betragen und kann zu thermischen Problemen im Teilnehmer führen. Große Verlustleistungen können insbesondere in den Busteilnehmern auftreten, welche zum Anschluß an einen eigensicheren Feldbus mit einer Speisespannung von ca. 15 V ausgelegt sind und die bei Bedarf an einen nichteigensicheren Bus mit einer maxima¬ len Speisespannung von 32 V anzuschließen sind. Im übrigen ist die aufgenommene Leistung proportional zur anliegenden Spannung und führt dazu, daß die Anzahl der fernspeisbaren
Teilnehmer nicht durch Erhöhung der Speisespannung oder durch Verringerung des Leitungswiderstandes erhöht werden kann. Aus der internationalen Patentanmeldung WO 93/08652 ist ein Kommunikationssystem mit einem Feldbus bekannt, an welchem mehrere Busteilnehmer anschließbar sind. Diese Teilnehmer sind als Konstantstromsenken ausgebildet. Es sind keine Maß- 3 nahmen vorgesehen, um die Verlustleistung der Busteilnehmer zu verringern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Busteilnehmer der eingangs genannten Art mit einer von der EingangsSpannung nahezu unabhängigen Verlustleistung während des Betriebs in einem Feldbus anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Busteilnehmer mit den im An- spruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung geht von der Idee aus, daß der Busteilnehmer nicht als bekannte Konstantstromsenke, sondern als "Konstant- leistungssenke" ausgeführt ist. Dadurch, daß die Einrich- tungen der Busanschaltung unabhängig von deren Eingangs- gleichspannung die Leistungsaufnahme auf einen nahezu konstanten Wert einstellen, ist es möglich, die Anzahl der Busteilnehmer am Feldbus zu erhöhen. In einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind an einen Feldbus (Widerstandsbelag der Busleitung = 25 mΩ/m, Leistungs¬ bedarf = 33 mW, Speisespannung = 14 V, Betriebsspannung = 3,3 V) bei einer Leitungslänge von 2 km sechzehn Me߬ umformer mit als Konstantleistungssenken ausgebildeten An- schaltungen anschließbar, bei einer Leitungslänge von 500 m siebenundzwanzig Meßumformer. Sind dagegen die Anschaltungen als Konstantstromsenken ausgebildet, so ist unabhängig von der Leitungslänge ein Betrieb mit lediglich zehn an den Bus angeschlossenen Meßumformern möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Anhand der Zeichnungen, in denen in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein erster und ein zweiter an einen Feldbus an- geschlossener Busteilnehmer veranschaulicht ist, werden die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und Vorteile näher er¬ läutert. In Figur 1 ist mit 1 ein Speisegerät bezeichnet, das einen aus einem Leiter A, B bestehenden Feldbus mit einer Speise¬ spannung Us von 32 V und einem Speisestrom Ig von max. 150 mA versorgt. Ein Busteilnehmer 2 besteht im wesentlichen aus ei- ner Anwenderschaltung 3 und aus einer Busanschaltung 4. Die Schaltung 3 kann z. B. ein Temperaturmeßumformer sein, an welchen ein hier nicht dargestelltes Widerstandsthermometer anschließbar ist. Die Anschaltung 4 ist über Anschlußstellen AS an die Busleitungen A, B des Feldbusses angeschlossen, an die selbstverständlich mehrere Teilnehmer angeschlossen sein können. Zur besseren Übersicht ist allerdings nur ein Bus¬ teilnehmer dargestellt. Wegen des Spannungsabfalls an den Busleitungen A, B liegt an den Anschlußstellen AS nicht die Speisespannung Ug; sondern eine verminderte Eingangsgleich- Spannung Ugi an. Aufgrund dieser Eingangsgleichspannung Ugi und der Dimensionierung der Anschaltung 4 fließt ein Gleich¬ strom Ig in der Anschaltung 4, wodurch an einem Meßwiderstand 5 eine Spannung Ug, an einem Speicherkondensator 6 eine Span¬ nung Uy und an einem Stromstellglied 7 eine Spannung Ust ab- fällt. Der Meßwiderstand 5, der Speicherkondensator 6, das Stromstellglied 7 in Form eines Transistors, ein Span- nungs/Strom-Konverter 8 sowie eine Vergleichseinrichtung 9 bilden einen ersten Regelkreis einer Regeleinrichtung, wel¬ cher - wie im folgenden noch gezeigt wird - mit einem zweiten Regelkreis der Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht. Der Spannungsabfall Ug am Meßwiderstand 5 erzeugt am Ausgang des Spannungs/Strom-Konverters 8 einen Strom Ia, welchen die Ver¬ gleichseinrichtung 9 erfaßt. Die Vergleichseinrichtung 9 er¬ faßt ebenfalls einen von dem zweiten Regelkreis erzeugten Re- ferenzstrom lRef sowie einen zur Datenübertragung erforderli¬ chen Modulationsstrom I*v*od (von der Schaltung 3) und steuert mit der Gleichstromdifferenz la das Stromstellglied 7 an. In Abhängigkeit dieses Steuerstroms Ia stellt sich die Spannung Ust am Stromstellglied derart ein, daß der Gleichstrom Ig bei konstanter Eingangsgleichspannung Ugi konstant bleibt.
Ein geregelter DC/DC-Wandler 10 wandelt die Spannung Uy am Speicherkondensator 6 in eine für den Betrieb der elektroni- sehen Schaltung 3 erforderliche konstante Betriebsspannung Ug um. Entsprechend der Leistungsaufnahme der elektronischen Schaltung 3 und dieser Betriebsspannung Ug fließt in der Schaltung 3 ein konstanter Grundstrom Ig, aus welchem die Schaltung 3 unter anderem den Modulationsstrom I*v*oc zur Da¬ tenübertragung erzeugt. Der DC/DC-Wandler 10 überträgt die Leistung von der Anschaltung 4 zur Schaltung 3 gemäß der Gleichung:
UV * Ig * η •** UB • IB,
wobei η den Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers 10 bedeutet. Ändert sich die Gleichspannung Ugi an den Eingängen der An¬ schaltung 4, z. B. weil der Busteilnehmer 2 an einer anderen Stelle des Busses angeordnet wird, so ändert sich der Ein¬ gangsgleichstrom Ig und dadurch die Spannung Uy am Speicher¬ kondensator 6, die Spannung Ug am Meßwiderstand 5 und die Spannung Us^- am Stromstellglied 7. Um die Leistungsaufnahme des Teilnehmers 2 konstantzuhalten und somit einen Anstieg der Verlustleistung des Teilnehmers 2 bei ansteigender Ein¬ gangsspannung U i zu verhindern, ist es deshalb erforderlich, den Referenzstrom lRef zu ändern. Dazu weist die Regelein¬ richtung einen zweiten Regelkreis auf. Geeignete Mittel 11 dieses Regelkreises erfassen eine Änderung des Spannungs- abfalls Ust am Stromstellglied 7 und führen diese über ein Tiefpaßfilter 12 und einen Verstärker 13 einer Vergleichs- einrichtung 14 zu, welche mit einer voreinstellbaren konstan¬ ten Referenzspannung U ef beaufschlagt ist. Die Referenzspan¬ nung URef ist eine bekannte, aus dem Datenblatt des Strom- Stellgliedes 7 ableitbare Größe, bei welcher die Verlustlei¬ stung der Anschaltung 4 ein Minimum aufweist. Ein Span- nungs/Strom-Konverter 15 erzeugt aus der Regeldifferenz am Ausgang der Vergleichseinrichtung 14 eine entsprechende Ände¬ rung des Referenzstromes l ef< wodurch der Spannungsabfall Ust des Stromstellgliedes 7 und somit der Eingangsstrom Ig eingeregelt wird, derart, daß die Leistungsaufnahme Ug • Ig des Teilnehmers konstant bleibt und durch die Änderung der EingangsSpannung Ugi nicht beeinflußbar ist.
Das Tiefpaßfilter 12 verhindert, daß SpannungsSchwankungen im Signalfrequenzbereich nachgeregelt werden. In diesem Fre- quenzbereich ist die Charakteristik des Strom-Regelkreises (Sicherstellung der Eingangsimpedanz) wirksam.
Figur 2 zeigt einen weiteren an einen Feldbus angeschlossenen Busteilnehmer, dessen Anschaltung Mittel für eine Strombe- grenzung und für einen sogenannten Soft-Start umfaßt. Die in den Figuren 1 und 2 vorkommenden gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine StrombegrenzungsSchal¬ tung 16 bewirkt, daß die Busanschaltung 4 einen zu hohen Strom, z. B. durch einen Kurzschluß hinter dem Stromstell- glied 7, aus den Busleitungen A, B zieht. Dadurch ist eine sichere Versorgung der übrigen Teilnehmer und eine störungs¬ freie Kommunikation der Busteilnehmer gewährleistet. Eine Soft-Starteinrichtung 17 sorgt dafür, daß beim Anlegen der Speisespannung Ug an den Bus oder beim Anschalten eines Teil- nehmers die Stromaufnahme nur langsam steigt, um das System in einen stabilen Zustand zu führen bzw. die Kommunikation der Busteilnehmer nicht zu stören.

Claims

Patentansprüche
1. Busteilnehmer (2), welcher an einen als Übertragungsmedium zwei Leitungen (A, B) nutzenden Feldbus anschließbar ist, über welchen Informationen als WechselSpannung übertragen werden und dem eine Speisegleichspannung (Ug) zuführbar ist, mit einer Busanschaltung (4) , welcher diese um die auf den Busleitungen abfallende Spannung reduzierte Gleichspannung (Ugi) als EingangsSpannung zuführbar ist, aus der die An- schaltung (4) eine für den Betrieb der Elektronik (3) des Teilnehmers erforderliche Versorgungsspannung (Ug) erzeugt, dadurch gekennzeichnet , daß die Anschaltung (4) Einrichtungen aufweist, welche unabhängig von der der Bus¬ anschaltung (4) zugeführten Eingangsgleichspannung die Lei- stungsaufnähme auf einen konstanten Wert einstellen, wobei die Anschaltung (4) dem bei der Informationsübertragung an¬ liegenden Wechselspannungssignal keine Energie entnimmt.
2. Busteilnehmer (2) nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet , daß die Einrichtungen einen ersten und einen zweiten Regelkreis aufweisen, welche in Wirkverbindung stehen und von denen der erste Regelkreis den Eingangsgleichstrom (Ig) bei einer konstanten EingangsSpannung (Ugi) mittels ei¬ nes Referenzstromes (lRef) auf einem konstanten Wert hält und der zweite Regelkreis aufgrund einer voreinstellbaren Refe¬ renzspannung (U ef) bei einer Änderung der Eingangsgleich¬ spannung (Ugi) auf den Referenzstrom (l ef) einwirkt.
3. Busteilnehmer (2) nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet , daß der zweite Regelkreis die AusgangsSpannung
(Us ) eines Stromstellgliedes (7) auf die Referenzspannung (U ef) einregelt, wobei die Regeldifferenz auf den Referenz- ström (l ef) einwirkt, welche den Eingangsstrom (Ig) einre¬ gelt, wobei diese Regeldifferenz auf den Eingang des Strom- Stellgliedes (7) wirkt.
4. Busteilnehmer (2) nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet , daß das Stromstellglied (7) ein Transistor ist .
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