專利名稱：用于現(xiàn)場設(shè)備的工作電壓供給的電子設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對近場驅(qū)動裝置供給工作電壓的電子設(shè)備，這些驅(qū)動裝置通
過在現(xiàn)場設(shè)備與同樣連接在其上的電壓供給單元之間的電流回路來供電。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛涉及過程技術(shù)的工業(yè)自動化設(shè)備、汽車工業(yè)、食品工業(yè)等 等。在此感興趣的工業(yè)設(shè)備包括可電子控制的設(shè)備，如閥、馬達、傳感器設(shè)備，這些設(shè)備通過 網(wǎng)絡(luò)彼此通信，并且與至少一個上級的控制裝置以模擬方式和/或以數(shù)字方式通信。
HART (高速可尋址遠程傳感器)是一個用于構(gòu)建工業(yè)現(xiàn)場總線的標準化地廣泛應(yīng) 用的通信系統(tǒng)的例子。其能夠通過共同的數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)集成于此的稱作HART現(xiàn)場設(shè)備的 設(shè)備進行數(shù)字通信。在此，HART特別建立在用于傳輸模擬傳感器信號的同樣廣泛應(yīng)用的 0/4. . 20mA標準之上。在4mA到20mA之間的可變的范圍表示現(xiàn)場設(shè)備的測量值或者期望 值，而4mA的固定基本電流用于供電。 最近，HART標準化組織確定了新的HART標準，該標準致力于無線信號傳輸。在此 所使用的無線電傳輸基于作為傳輸方法的無線通信標準IEEE802. 15. 4和所使用的TDMA。 利用這些新的無線HART標準，現(xiàn)在可以以簡單的方式將無線通信的HART現(xiàn)場總線集成到 現(xiàn)有系統(tǒng)中。如果無線通信的HART現(xiàn)場設(shè)備一同集成到系統(tǒng)中，則這些現(xiàn)場設(shè)備也必須通 過HART總線來供給所需的電功率，并且在內(nèi)部有線地和無線地與其他無線通信的HART現(xiàn) 場設(shè)備或者控制單元通信。 由DE 10 2006 009 979A1得知了一種用于HART現(xiàn)場設(shè)備的工作電壓供給的這類
電子設(shè)備。該電子設(shè)備包括用于將有線通信轉(zhuǎn)換成無線通信的無線電模塊。為了使能耗最
小化并且由此為了延長集成的能量存儲器的使用壽命，設(shè)有能量管理單元，通過該能量管
理單元在可預(yù)先給定的工作時間可以為HART現(xiàn)場設(shè)備供給所需的工作能量。 該技術(shù)解決方案的缺點是，由于通過電流回路的工作電壓供給與HART現(xiàn)場設(shè)備
的功耗有關(guān)，例如與傳感器所產(chǎn)生的測量值有關(guān)，所以不同強度的電流流經(jīng)0/4..20滅線
路。由于在大型系統(tǒng)內(nèi)有超過100m的大線路長度，所以總線線路的電壓降差別較大。該電
壓降根據(jù)歐姆定律來計算，其中總線線路的歐姆電阻與當前的回路電流相乘。電壓供給單 元提供的工作電壓被分壓到HART現(xiàn)場設(shè)備上、總線線路中的電壓降上以及附加設(shè)置的以 無線方式通信的HART現(xiàn)場設(shè)備的電壓上。通常，供電電壓僅僅是剛好足夠用于在有限的線 路長度情況下的幾個附加的現(xiàn)場設(shè)備。 僅在預(yù)先給定的工作時間為HART現(xiàn)場設(shè)備輸送工作能量的措施意味著顯著的額 外技術(shù)開銷。這樣，例如在維護間隔內(nèi)檢查能量存儲器的使用壽命。其他通過能量管理單 元在可預(yù)定的不進行通信的閑置時間內(nèi)關(guān)斷無線通信的HART現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動能量的建議 導(dǎo)致整個系統(tǒng)的可用性相應(yīng)受限。此外，并不能預(yù)測具有低的功率吸收的工作時間對能量 存儲器的充電是否足夠。與信號裝置的功率吸收無關(guān)的連續(xù)工作因此是不可能的。
此外，要在影響回路電流的高功耗(依據(jù)電流消耗典型為> 40. . 200mW)的信號生
3成器與低功耗(典型為< 10mW)的純無源適配器之間進行區(qū)分，其中后者作為近場的驅(qū)動 裝置由電流回路供電。此外，由此得出，已安裝的由饋電設(shè)備、線路和信號生成器構(gòu)成的電 流回路總是具有足夠大的儲備，使得事后還會磨損適配器。儲備由于線路上的電壓降在高 電流的情況下為最小。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提出一種用于為適配器供給工作電壓的電子設(shè)備，該電子 設(shè)備在高回路電流的情況下具有盡可能小的電壓降。 該任務(wù)基于根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的電子設(shè)備與其特征部分相結(jié)合來 解決?；匾膹膶贆?quán)利要求表明了本發(fā)明的有利改進方案。
本發(fā)明包含如下技術(shù)教導(dǎo)回路饋電的驅(qū)動裝置包括用于自適應(yīng)地使工作電壓與
當前功率需求相匹配的電子調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置利用尚可自由獲得的回路能量。 根據(jù)本發(fā)明的方案的優(yōu)點尤其在于，其可以設(shè)置在現(xiàn)有的總線上，并且在此可以
一如既往地由其除了已存在的現(xiàn)場設(shè)備之外提供必要的功率。尤其是，通常較高的功率吸
收也可以由近場的驅(qū)動裝置的無線通信來操作。在此，電壓是有限的量，使得電壓降盡可能
小地降低。因此，本發(fā)明構(gòu)建了動態(tài)地使設(shè)備的工作電壓與當前在總線上流動的回路電流
相匹配。 根據(jù)本發(fā)明的用于自適應(yīng)地實現(xiàn)工作電壓匹配的調(diào)節(jié)裝置優(yōu)選在具有恒定功耗 的近場驅(qū)動裝置中實現(xiàn)。由于與電壓有關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備的效率，可能也可以存在非線性的關(guān) 系。 然而也可能的是，實現(xiàn)自適應(yīng)地使工作電壓與波動的工作電壓相匹配。工作電壓 的波動例如可能由于磨損引起的饋電線電阻的改變而產(chǎn)生。另一方面，其例如在通信頻率 在總線上波動時而產(chǎn)生。根據(jù)工業(yè)流程的速度設(shè)置這種通信頻率。對于快速流程，在現(xiàn)場 設(shè)備之間進行比緩慢的流程更為頻繁的通信，這導(dǎo)致無線通信的功耗更高。根據(jù)本發(fā)明的 解決方案的調(diào)節(jié)裝置可以調(diào)節(jié)到這種波動的條件上。 根據(jù)本發(fā)明的另一特征，近場的驅(qū)動裝置包括其他用于確定電流回路的電參數(shù)的 測量裝置。在此，尤其是對于信號生成器至少所需的電壓降被確定，并且借助調(diào)節(jié)裝置可靠 地防止低于該電壓降。通過這樣的方式始終為適配器提供盡可能大的能量，而在此不必中 斷通信和/或模擬信號傳輸。在信號生成器上的實際電壓降在此通過適配器以適當?shù)姆绞?優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的用于自適應(yīng)地實現(xiàn)工作電壓匹配的調(diào)節(jié)裝置包括用于測量 總線上的當前回路電流的電流傳感器單元。在0/4. . . 20mA的信號線路上的電流大小在此 為當前測量值的量度。電流的時間變化可以包含其他信息，例如數(shù)字總線信號，該信號被濾 出以提供給連接在之后的分析單元用于進一步處理。借助測量裝置所檢測到的當前測量值 被用于確定尚可自由獲得的能量。 此外還建議在客戶方能夠預(yù)先給定其他參數(shù)/邊界值用以計算還可自由獲得的 能量。 此外還建議在根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)裝置的范圍內(nèi)的電流傳感器單元之后連接有濾 波器單元，用于將在低頻范圍內(nèi)的用于工作電壓匹配的有效信號與在高率范圍內(nèi)的通信信號分離。通過該可選的濾波不會使通信變差，因為在和通信相關(guān)的頻率范圍內(nèi)未進行電壓 適配。如果通信可靠到使得由于電壓適配引起的干擾可接受時，可能可以省去這種濾波器 單元。 根據(jù)另一改進本發(fā)明的措施，在電流傳感器單元或者(如果有的話)連接在其后 的濾波器單元之后連接有電壓預(yù)給定單元，該電壓預(yù)給定單元基于當前的回路電流確定工 作電壓"的值。由此，優(yōu)選基于對應(yīng)于經(jīng)過濾波的電流的事先被濾波的信號根據(jù)預(yù)先給定 的工作曲線的指示確定電壓。工作曲線由邊界條件、如最大功率消耗和最小工作電壓而得 到，被相應(yīng)地確定并且存儲在電壓預(yù)給定單元中。基于其他量，如環(huán)境溫度、電子部件的部 件容差、用于提高系統(tǒng)的工作安全性的安全附加措施以及當前功耗，必要時可以進行工作 曲線的適配。 最后，調(diào)節(jié)裝置可以包括連接在電壓預(yù)給定單元之后的電壓調(diào)節(jié)單元作為用于調(diào) 節(jié)現(xiàn)場設(shè)備的工作電壓UB的調(diào)整級。 電壓預(yù)給定單元根據(jù)預(yù)先給定的差的指示調(diào)節(jié)位于正的和負的范圍之間的電壓 降。 有利地，由此在缺少儲備的電網(wǎng)中現(xiàn)場設(shè)備的功能與可選的近場驅(qū)動裝置的存在 無關(guān)地保持不受干擾。對此，借助近場驅(qū)動裝置提供的可選的服務(wù)僅僅暫時受到限制。
此外，有利的是，在近場驅(qū)動裝置不干擾現(xiàn)場設(shè)備的情況下能夠事后在功能上對 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)予以擴展。


以下參照附圖連同對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明一起更為詳細地示出了其他對 本發(fā)明改進的措施。其中 圖1示出了具有現(xiàn)場設(shè)備和近場的驅(qū)動裝置的總線系統(tǒng)的示意圖， 圖2示出了根據(jù)圖1的用于近場的驅(qū)動裝置的工作電壓供給的電子設(shè)備的方框圖。
具體實施例方式
根據(jù)圖1，現(xiàn)場設(shè)備1和近場的驅(qū)動裝置2示例性地通過總線3根據(jù)電流回路的類 型連接到電壓供給單元4。只有現(xiàn)場設(shè)備l能夠影響該回路的電流?，F(xiàn)場設(shè)備l和近場的 驅(qū)動裝置2在此構(gòu)造為通過該電流回路與該總線進行通信。電流回路被實現(xiàn)為0/4. . 20mA 的電流回路，在該電流回路中預(yù)留4mA的電流強度用于對現(xiàn)場設(shè)備1饋電，并將0. 16mA的 電流強度用于模擬信號傳輸。 為了表示線路電阻，將等效電阻5添加到電流回路中。而在這個實施例中現(xiàn)場設(shè) 備1是工藝技術(shù)設(shè)備的流量測量設(shè)備，近場的驅(qū)動裝置2代表適配器，該適配器的數(shù)據(jù)以無 線方式通過集成的無線電單元6被雙向傳輸。 在一個可替代的實施方式中，近場的驅(qū)動裝置2可以構(gòu)建為顯示設(shè)備，該顯示設(shè) 備適用于可視地表示出借助現(xiàn)場設(shè)備1所確定的測量值。 在另一實施方式中，近場的驅(qū)動裝置2可以實現(xiàn)為診斷設(shè)備，該診斷設(shè)備監(jiān)控現(xiàn) 場設(shè)備1的工作性能。
對滿足現(xiàn)場設(shè)備1和近場的驅(qū)動設(shè)備2的功能所需的電能通過總線3來傳輸。在 此，在現(xiàn)場設(shè)備1和近場的驅(qū)動裝置2以及電壓供給單元4上出現(xiàn)電壓降。此外，總線3的 線路長度(通過等效電路5表示)減小了工作電壓。 由此，由電壓供給單元4提供的工作電壓被分配給上述用電設(shè)備。按照用于以模 擬方式傳輸信號的現(xiàn)場設(shè)備1的通常波動的功率需求，在總線3上流過不同強度的回路電 流。 為了自適應(yīng)地使工作電壓與當前功率需求相匹配，在這個實施例中以無線方式通 信的近場的驅(qū)動裝置2可以包括調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置在總線3上有高回路電流的情況下 將近場的驅(qū)動裝置2的工作電壓Uw按比例降低。 根據(jù)圖2，調(diào)節(jié)裝置包括電流傳感器單元7，用于測量總線3上當前的回路電流。該 電流傳感器單元連接在濾波器單元8之后。濾波器單元8用于將低頻范圍內(nèi)的用于工作電 壓匹配的有效信號與高頻范圍內(nèi)的通信信號分離。通信信號通過另一濾波器單元9輸送給 控制單元10用于進一步的信號處理。在濾波器單元8之后連接有電壓調(diào)節(jié)單元12，用于調(diào) 節(jié)近場的驅(qū)動裝置2的工作電壓UW，該電壓調(diào)節(jié)單元給予當前的回路電流確定工作電壓UW 的值。 在調(diào)節(jié)裝置的范圍內(nèi)還設(shè)置有直流電流轉(zhuǎn)換器13以及集成在總線3中的調(diào)制單 元14，該調(diào)制單元在輸入側(cè)由控制單元10供給有用數(shù)據(jù)并將其調(diào)制到總線3上。
在另一實施方式中，近場的驅(qū)動裝置2具有自己的測量單元，借助該測量單元可 以檢測其他測量量。除了回路電流之外，尤其是還檢測在現(xiàn)場設(shè)備1上以及與現(xiàn)場設(shè)備1 本身無關(guān)的、由現(xiàn)場設(shè)備1記錄的過程量，如流量、溫度或者壓力。 隨著回路電流增大，回路的可自由獲得的能量下降。在20mA的最大回路電流的情 況下，回路的可自由獲得的能量在可用的儲備范圍內(nèi)為最小。 在恒定的功率前提條件下，基于所測得的回路電流和對所使用的部件的要求以及 規(guī)范，調(diào)節(jié)所連接的近場驅(qū)動裝置2的工作電壓Uw，使得其在任何時刻都盡可能小。如果現(xiàn) 場設(shè)備以無線方式通信，則工作電壓由交流電轉(zhuǎn)換器的最小輸入電壓、針對用于產(chǎn)生有效 信號的電子器件的功率需求、效率以及調(diào)制信號的幅值共同構(gòu)成。根據(jù)上述條件，所保存的 功能能夠?qū)崿F(xiàn)工作電壓Uw自動降低，以實現(xiàn)最小的輸入電壓。 在功率前提條件劇烈波動的情況下，可能希望利用還可供使用的最大電壓降。在
此，工作電壓被調(diào)節(jié)為使得不低于對于現(xiàn)場設(shè)備1至少所需的工作電壓。在回路中有高儲
備的情況下，可以提供較高的能量。然而可供使用的儲備與回路電流和線路電阻有關(guān)。 特別有利的是，在恒定的和波動的功率前提條件的情況下的方法的組合，因為在
此情況下在同時使各自需求最小化時可以利用還可供使用的能量的最大值。 對于所有實施方式，可以將近場的驅(qū)動裝置2安裝在現(xiàn)場設(shè)備1的內(nèi)部。作為替
代，也可以使近場的驅(qū)動裝置2在空間上獨立于現(xiàn)場設(shè)備1連接到電流回路中。 附圖標記列表 1現(xiàn)場設(shè)備 2近場的驅(qū)動裝置 3總線 4電壓供給單元
6
5等效電阻 7電流傳感器單元 8濾波器單元 9濾波器單元 IO控制單元 12電壓調(diào)節(jié)單元 13交流電流轉(zhuǎn)換器 14調(diào)制器單元
權(quán)利要求
一種用于對近場的驅(qū)動裝置(2)供給工作電壓的電子設(shè)備，該電子設(shè)備通過在現(xiàn)場設(shè)備(1)與同樣連接在其上的電壓供給單元(4)之間的電流回路對總線(3)供電，其特征在于，近場的驅(qū)動裝置(2)包括用于自適應(yīng)地使工作電壓與當前的功率需求相匹配的調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置利用該回路的尚可自由獲得的能量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電子設(shè)備，其特征在于，近場的驅(qū)動裝置(2)包括其他測量裝置，用于確定總線(3)上的電流回路的電參數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子設(shè)備，其特征在于，借助測量裝置檢測到的當前測量值被用來確定尚可自由獲得的能量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電子設(shè)備，其特征在于，能夠在客戶方預(yù)先給定其他參數(shù)/邊界值，用于計算尚可自由獲得的能量。
全文摘要
一種用于對近場的驅(qū)動裝置(2)供給工作電壓的電子設(shè)備，該電子設(shè)備通過在現(xiàn)場設(shè)備(1)與同樣連接其上的電壓供給單元(4)之間的電流回路對總線(3)供電，其中近場的驅(qū)動裝置(2)包括用于自適應(yīng)地使工作電壓與當前的功率需求相匹配的調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置利用該回路的尚可自由獲得的能量。
文檔編號G08C19/00GK101727736SQ20091021165
公開日2010年6月9日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日
發(fā)明者R·胡克 申請人:Abb技術(shù)股份公司