ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПИТАНИЯ ПОЛЕВОГО ПРИБОРА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ Российский патент 2009 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электрической схеме питания полевого прибора систем автоматизации.

В системах автоматизации широко применяются полевые приборы, предназначенные для регистрации переменных величин процесса и/или воздействия на них. Примерами таких полевых приборов являются измерители уровня, весового расхода, давления, температуры и т.д., которые в качестве датчиков регистрируют соответствующие переменные величины процесса: уровень, расход, давление или температуру.

Для воздействия на переменные величины процесса служат исполнительные элементы, например вентили расхода жидкости в отсеке трубопровода или насосы уровня жидкости в емкости.

Большое количество таких полевых устройств производит и реализует фирма «Эндресс + Хаузер».

Как правило, в современном производственном оборудовании полевые приборы соединены с устройствами верхнего уровня (например, системами управления или контроллерами) с помощью коммуникационных систем (HART, Profibus, Foundation Fieldbus и т.д.). Эти устройства верхнего уровня предназначены в том числе для управления процессом, визуализации процесса, надзора за протеканием процесса, а также для приведения в действие полевых приборов. Полевыми приборами называют, в общем и целом, такие модули, которые напрямую подключены к полевой шине и служат для коммуникации с устройствами верхнего уровня (например, удаленными устройствами ввода/вывода, шлюзами, связующими устройствами).

Многие полевые приборы выполняют в двухпроводных вариантах. При этом питание полевого прибора осуществляется от той же пары проводников, по которой происходит коммуникация. В отличие от двухпроводных устройств для четырехпроводных устройств необходима дополнительная пара проводников для питания, вследствие чего, соответственно, возрастают затраты на разводку.

В двухпроводных устройствах располагаемая мощность обычно имеет некоторые ограничения. Входное напряжение обычно варьирует от 10 до 36 В. В «токовой петле» 4-20 мА при входном напряжении около 12 В доступно, к примеру, обычно минимум 4 мА. Для согласования по мощности полевого прибора необходимо прежде всего определить располагаемую входную мощность. Для этого измеряется напряжение на клеммах и значение установившегося тока петли.

Избыточный ток петли должен отводиться с помощью параллельного стабилизатора напряжения. Кроме того, необходим импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока для поддержания постоянного входного напряжения на нерегулируемом преобразователе постоянного напряжения (DC/DC преобразователе). Преобразователь постоянного напряжения предназначен для питания модуля нагрузки, который обычно состоит из ЦПУ, измерительного усилителя и датчика. Преобразователь постоянного напряжения также обеспечивает гальваническую развязку нагрузки и двухпроводного напряжения питания. Тактируемые преобразователи делают возможным преобразование постоянного напряжения с относительно высоким кпд. Вследствие этого они находят широкое применение в полевых приборах.

Известные электрические схемы подключения полевых приборов, позволяющие также согласование по мощности, имеют несколько стабилизаторов, на каждом из которых происходит нежелательная потеря мощности. Кроме того, отдельные стабилизаторы относительно дорогостоящи. Для согласования по мощности сначала необходимо затратить усилия по определению входной мощности. Затем эти данные должны быть переданы на контур нагрузки. И лишь затем можно управлять потреблением энергии.

Задача изобретения заключается в представлении электрической схемы подключения полевых приборов, не имеющей вышеописанных недостатков, являющейся в частности простой в изготовлении, обеспечивающей простое согласование по мощности и обладающей малыми потерями мощности.

Указанная задача решается с помощью следующих указанных в п.1 формулы изобретения отличительных признаков.

Электрическая схема питания полевого прибора систем автоматизации, состоящая из входного двухпроводного контура, подключаемого за ним преобразователя постоянного напряжения и контура нагрузки, отличается тем, что входной контур имеет модуляторное устройство, соединенное с электрической схемой стабилизатора тока и преобразователем постоянного напряжения, и управляет регулируемым суммарным током I_s двухпроводного подключения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в последующих зависимых пунктах формулы изобретения. Сущность изобретения состоит в применении регулируемого преобразователя постоянного напряжения в электрической схеме питания, обеспечивающего гальваническую развязку и посредством которого может регулироваться двухпроводной снимаемый ток. На контуре нагрузки избыточный ток замеряется. Это непосредственно величина располагаемой мощности. Для оптимальной настройки потребления на контуре нагрузки избыточный ток минимизируется.

Схема подключения позволяет оптимально использовать располагаемую мощность входного контура.

Для передачи сигнала (например, сигнала 4-20 мА) необходимо передать лишь измеренное значение с контура нагрузки на входной контур преобразователя постоянного напряжения. Определять располагаемую мощность на входном контуре не требуется. При этом также отпадает необходимость в передаче данной информации с первичного контура на контур нагрузки.

Принципиальная электрическая схема состоит лишь из одного стабилизатора и обеспечивает значительно меньшие потери мощности, чем известные электрические схемы.

Изобретение описывается ниже с помощью представленного на чертежах примера осуществления.

На фиг.1 изображена блок-схема полевого прибора систем автоматизации и приемного устройства;

на фиг.2А - электрическая схема подключения согласно изобретению;

на фиг.2B - электрическая схема подключения существующему уровню техники;

на фиг.3 проиллюстрировано прохождение по электрической схеме выходного сигнала компаратора согласно п.2 формулы изобретения.

На фиг.1 более подробно изображена блок-схема полевого прибора F1 систем автоматизации и приемного устройства ЕЕ. В данном случае полевой прибор F1 соединен с приемным устройством ЕЕ с помощью двухпроводной «токовой петли» LS. Через нее измеренное на полевом приборе F1 значение может быть передано на приемное устройство ЕЕ как сигнал I_s 4-20 мА.

Полевой прибор F1 состоит в основном из входного контура ES, преобразователя G постоянного напряжение и контура VS нагрузки.

Преобразователь G постоянного напряжения обеспечивает гальваническую развязку цепи входного контура и цепи нагрузки вторичного контура.

На фиг.2А представлена электрическая схема S в соответствии с изобретением полевого прибора F1. Она имеет двухпроводное подключение А для связи с двухпроводной «токовой петлей» LS. Подключение А состоит из двух входных клемм EK1 и EK2. Питающий проводник ZL1 от входной клеммы EK1 подсоединен к преобразователю G постоянного напряжения. К питающему проводнику ZL1 также присоединен конденсатор С1. От входной клеммы EK2 отходит питающий проводник ZL2 также к преобразователю G постоянного напряжения через измерительный резистор R_Mess. Измерительный резистор R_Mess является частью схемы стабилизатора RS тока, состоящей дополнительно из сопротивления R1 и последовательно подключенного операционного усилителя ОР.

К питающему проводу ZL1, кроме того, подключен блок вычислительного устройства RE, который может представлять собой, например, заказную интегральную микросхему или микропроцессор с модулями памяти и соответствующей периферией.

Существенный компонент электрической схемы S подключения - модуляторное устройство М, состоящее из компаратора К, осциллятора О и двух конъюнкторов UG1 и UG2. Выход компаратора К и два импульсных выхода РА1 и РА2 осциллятора О соединены с соответствующими входами конъюнкторов UG1 или UG2. Конъюнкторы UG1 и UG2 управляют соответственно силовыми транзисторами Т1 или Т2. Оба силовых транзистора Т1, Т2 предусмотрены в питающем проводнике ZL2.

Преобразователь G постоянного напряжения тока является двухтактным измерительным преобразователем и состоит, как правило, из трех катушек SP1, SP2, SP3, двух выпрямительных диодов D1, D2, дроссельной катушки L и накопительного конденсатора С2. Выход преобразователя G постоянного напряжения соединен с контуром VS нагрузки. Контур VS нагрузки состоит главным образом из приемного устройства VE (датчика, измерительного усилителя и микропроцессора). Параллельно приемному устройству VE подключены диод Зенера Z и шунтовое сопротивление R_Shunt.

На фиг.2B детально изображена традиционная электрическая схема S подключения полевого прибора F1. Она также состоит из двухпроводного подключения А' для связи с двухпроводной «токовой петлей» LS. Подключение А' состоит из двух входных клемм EK1' и EK2'. Питающий проводник ZL1' отходит от входной клеммы EK1' и через DC/DC преобразователь RG3 подходит к преобразователю G' постоянного напряжения. Таким же образом с проводником ZL1' соединен конденсатор С1'. Перед конденсатором С1' расположен силовой транзистор Т3, выполняющий функции стабилизатора RG1 силы тока и управляемый с помощью схемы RS' стабилизатора тока. От входной клеммы EK2' отходит питающий проводник ZL2', через измерительный резистор R'_Mess подключающийся также к преобразователю G' постоянного напряжения. Измерительный резистор R'_Mess является частью схемы стабилизатора RS' тока, которая дополнительно состоит из сопротивления R1' и последовательно подключенного операционного усилителя ОР'.

К питающему проводнику ZL1' также подключено вычислительное устройство RE'. Напряжение на клеммах U_in двухпроводного подключения А через делитель напряжения UT подводится к вычислительному устройству.

В питающем проводнике ZL2 предусмотрена коммутаторная пара SP, которая управляется осциллятором О' с жестко заданной частотой колебаний. Последовательно к коммутаторной паре SP подключен преобразователь G' постоянного напряжения, обеспечивающий гальваническую развязку первичного контура электрической схемы и вторичного контура приемного устройства VE'.

К питающему проводнику ZL1' также подключен стабилизатор RG2 напряжения. Стабилизатор RG2 напряжения является стабилизатором параллельного типа и отводит избыточный ток. Последовательно стабилизатору RG2 напряжения подключен DC/DC преобразователь RG3. Преобразователь RG3 поддерживает на выходе постоянное выходное напряжение, которое преобразуется на вторичном контуре в располагаемое напряжение питания 5,5 В с помощью нерегулируемого преобразователя G' постоянного напряжения.

Тактируемый преобразователь G' постоянного напряжения в типовой конфигурации состоит из трех катушек SP1, SP2, SP3 с последовательно подключенными выпрямительным диодом D1 и накопительным конденсатором С2.

Как показано на фиг.2B, для питания контура нагрузки VS' необходимы два дополнительных преобразователя RG2, RG3. Электрическая схема S' более затратна в изготовлении по сравнению с электрической схемой SE согласно изобретению. В этом случае необходимы большие затраты по управлению энергопотреблением. Кроме того, в этом случае необходимо определять располагаемую мощность на входном контуре, измеряя напряжение на клеммах. Для настройки эти данные должны быть затем переданы на приемное устройство VE. Из-за дополнительного стабилизатора происходят потери мощности, которые особенно нежелательны в двухпроводниковых устройствах.

Данные недостатки устранены в изобретении.

Функциональность изобретения подробно описана ниже. Текущий в проводниках ZL1 и ZL2 суммарный ток I_s регулируется с помощью модуляторного устройства М. Для управления модуляторным устройством М реализована схема стабилизатора RS тока, которая определяется как действительная величина суммарного тока I_s через падение напряжения ΔU₁ на измерительном резисторе R_Mess. Выходной сигнал S1 вычислительного устройства RE задает номинальное значение суммарного тока I_s. Операционный усилитель ОР усиливает разницу между фактическим и заданным значением и подает ее на вход Е1 компаратора К. На второй вход компаратора К подается эталонное напряжение. На фиг.3 изображен выходной сигнал компаратора К для двух различных величин суммарного тока I_s. Ширина импульса выходного сигнала S2 компаратора К при малых значениях суммарного тока I_s относительно мала, а при больших значениях - велика. В зависимости от ширины импульса выходного сигнала S2 компаратора К импульсы на выходе осциллятора О пропускаются на соответствующие транзисторы Т1 или Т2.

Принимаемый полевым прибором F1 по двухпроводному подключению А суммарный ток I_s можно легко регулировать с помощью схемы стабилизатора RS тока и модуляторного устройства М. Дополнительные схемные элементы не требуются. Располагаемая энергия на двухпроводном подключении А почти без потерь передается на контур VS нагрузки, не считая утечки на измерительном резисторе R_Mess.

Если на контуре VS нагрузки доступно больше энергии, чем расходуется, то избыточный ток I_Shunt необходимо отводить через шунтирующее сопротивление R_Shunt. При этом падение напряжения ΔU₂ на шунтирующем сопротивлении R_Shunt прямо пропорционально располагаемой мощности на контуре VS нагрузки. Значение падения напряжения может оцениваться, если необходимо подключить дополнительные модули или расширения функциональности приемного устройства VE, которые значительно увеличивают потребление энергии. За счет этого можно наиболее оптимальным способом использовать располагаемую мощность. Избыточный ток отводится на контур нагрузки и при необходимости минимизируется.

Измеренная датчиком величина передается с гальванической развязкой на вычислительное устройство RE, которое определяет на основании этого заданное значение S1 суммарного тока I_s.

Изобретение предлагает простой способ регулировки силы тока и согласования по мощности полевого прибора с двухпроводным питанием «токовая петля».

Снимаемый с двухпроводной токовой петли суммарный ток I_s регулируется с помощью единственного регулирующего устройства - преобразователя G постоянного напряжения.

Отпадает необходимость в дополнительных стабилизаторах напряжения. Не требуется дорогостоящего управления энергопотреблением. Располагаемая мощность может определяться и при необходимости согласовываться непосредственно на контуре VS нагрузки.

Изобретение также относится к полевым приборам, подключаемым к системе полевой шины (например, Profibus, Foundation Fieldbus) или имеющим интерфейс HART. Модуляторное устройство М позволяет и в этом случае регулировать снимаемый суммарный ток I_s. Для цифровой коммуникации необходимы известные специалистам и легко интегрируемые дополнительные компоненты электрической схемы S.

Несмотря на то, что в полевых устройствах, используемых в системах полевых шин, суммарный ток I_s обычно является постоянным, возможность его регулировки является предпочтительной. Электрическая схема в соответствии с изобретением позволяет оптимально использовать входное напряжение также для таких полевых приборов.

Таблица 1 двухпроводное подключение А, А' двухпроводная «токовая петля» LS Выходной сигнал S1, S2 DC/DC импульсный стабилизатор RG3 DC/DC импульсный стабилизатор RG3 Дроссельная катушка L Входные клеммы EK1/EK2, EK1'/EK2' Входной контур ES Приемное устройство ЕЕ Полевой прибор F1 Выпрямительные диоды D1, D2 Преобразователь постоянного напряжения тока G, G' Компаратор K Конденсатор С1, С1' Силовой транзистор Т1, Т2, Т3 Проводники L1, L2 Измерительный резистор R_MESS Измерительный резистор R_MESS, R_MESS' Модуляторное устройство М Операционный усилитель ОР, ОР' Осциллятор O Импульсный выход РА1, РА2 Вычислительное устройство RE, RE' Коммутирующая пара SP Электрическая схема S Шунтирующее сопротивление R_Shunt Стабилизатор напряжения RG2 Делитель напряжения UT Накопительный конденсатор C2 Катушки SP1, SP2, SP3 Схема стабилизатора тока RS, RS' Стабилизатор тока RG1 Электрический сигнал I_s Конъюнктор UG1, UG2 Приемное устройство VE, VE' Контур нагрузки VS Сопротивление R1, R1' Диод Зенера Z Питающий проводник ZL1, ZL2, ZL1', ZL2'

Использование: в системах автоматизации для питания полевых приборов. Технический результат заключается в упрощении устройства и уменьшении потери мощности. Электрическая схема (S) питания полевого прибора (F1) систем автоматизации состоит из контура (VS) нагрузки, преобразователя (G) постоянного напряжения и входного контура (ES) с двухпроводным подключением (А). Входной контур (ES) состоит из модуляторного устройства (М), соединенного со схемой стабилизатора (RS) тока и преобразователем (G) постоянного напряжения. Модуляторное устройство (М) управляет преобразователем (G) постоянного напряжения тока таким образом, что регулируемый суммарный ток (Is) принимается двухпроводным подключением (А). Оптимальная передача мощности на контур нагрузки (VS) возможна с помощью управляемого преобразователя (G) постоянного напряжения. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Электрическая схема питания полевого прибора систем автоматизации, состоящая из входного контура с 2-проводным подключением для связи с 2-проводной «токовой петлей» LS, в которой может регулироваться суммарный ток I_s, последовательно подключенного преобразователя постоянного напряжения и контура нагрузки, отличающаяся тем, что контур нагрузки служит для передачи определенного сенсором измеренного значения приемного устройства на блок вычислительного устройства входного контура, причем блок вычислительного устройства из измеренного значения определяет заданное значение суммарного тока I_s, и входной контур ES имеет модуляторное устройство М, которое соединено со схемой стабилизатора RS тока и с преобразователем G постоянного напряжения, с возможностью управлять им таким образом, что заданное значение суммарного тока I_s поглощается 2-проводным подключением А.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь G постоянного напряжения является двухтактным.

3. Схема по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что модуляторное устройство М имеет осциллятор О с двумя импульсными выходами РА1 и РА2, импульсы которых фильтруются в зависимости от выходного сигнала компаратора К и тем самым влияют на регулировку суммарного тока I_s.

4. Схема по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что суммарный ток I_s представляет собой сигнальный ток 4-20 мА.

5. Схема по п.3, отличающаяся тем, что суммарный ток I_s представляет собой сигнальный ток 4-20 мА.

6. Схема по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что указанная схема применяется в полевых приборах, работающих по стандартам Профибус (Profibus), Фоундатьон Филдбус (Foundation Fieldbus) или ХАРТ (HART).

7. Схема по п.3, отличающаяся тем, что указанная схема применяется в полевых приборах, работающих по стандартам Профибус (Profibus), Фоундатьон Филдбус (Foundation Fieldbus) или ХАРТ (HART).