устройство для передачи электрической энергии и информации

Формула изобретения

1. Устройство для передачи электрической энергии и данных между первичной стороной (1) и вторичной стороной (2), отличающееся тем, что между первичной стороной (1) и вторичной стороной (2) предусмотрен, по меньшей мере, один передающий блок (3), на вторичной стороне (2) предусмотрен, по меньшей мере, один первый канал (6) передачи данных, имеющий, по меньшей мере, один адрес, на первичной стороне (1) предусмотрен, по меньшей мере, один блок (4) управления частотой, выполненный с возможностью настройки рабочей частоты передающего блока (3) в соответствии с передаваемыми данными и в соответствии с адресом, по меньшей мере, первого канала (6) передачи данных, при этом на вторичной стороне (2) предусмотрен, по меньшей мере, один блок (5) регулирования нагрузки, выполненный с возможностью регулирования электрической нагрузки, приложенной на вторичной стороне (2) к передающему блоку (3), в соответствии с передаваемыми данными и/или в соответствии с адресом, по меньшей мере, первого канала (6) передачи данных, при этом на вторичной стороне (2) предусмотрены, по меньшей мере, один первый канал (6) передачи данных и, по меньшей мере, один второй канал (7) передачи данных, имеющие соответственно, по меньшей мере, один собственный адрес.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый канал (6) передачи данных и второй канал (7) передачи данных выполнены таким образом, что они гальванически отделены друг от друга.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что блок (4) управления частотой выполнен с возможностью настройки рабочей частоты передающего блока (3) в соответствии с передаваемыми данными и/или в соответствии с адресом канала (6, 7) передачи данных или адресами каналов (6, 7) передачи данных, для которого или которых предназначены данные, при этом блок (5) регулирования нагрузки выполнен с возможностью регулирования электрической нагрузки, приложенной на вторичной стороне (2) к передающему блоку (3), в соответствии с передаваемыми данными и/или в соответствии с адресом канала (6, 7) передачи данных или адресами каналов (6, 7) передачи данных, от которого или которых происходят данные.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, первый канал (6) передачи данных выполнен с возможностью передачи данных с первичной стороны (1) через передающий блок (3) только после предварительной адресации.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передающий блок (3) выполнен с возможностью создания гальванической развязки между первичной стороной (1) и вторичной стороной (2).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок (5) регулирования нагрузкой выполнен для передачи данных и/или адресов с возможностью резкого и/или кратковременного изменения нагрузки.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передающий блок (3) содержит, по меньшей мере, один трансформатор.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передаваемые данные представляют собой, по меньшей мере, измеренные значения и/или измеренные параметры.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, первый канал (6) передачи данных и/или второй канал (7) передачи данных содержит, по меньшей мере, один аккумулятор (16) энергии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для передачи электрической энергии и данных между первичной и вторичной сторонами.

В современной технике автоматизации процессов используется ряд измерительных приборов и приборов для записи данных с целью контроля за процессами, управления ими или их регистрации. Если среда находится или контролируемый процесс протекает во взрывоопасной зоне, то в большинстве случаев требуется гальваническая развязка, посредством которой тем не менее энергия и информация, или данные должны передаваться к находящимся во взрывоопасной зоне полевым приборам.

В уровне техники для этого уже известен ряд возможностей (DE 2321900, EP 0977406 A1 или EP 0927982 B1. Однако эти возможности являются очень сложными и дорогостоящими. Другая возможность состоит в том, чтобы требуемую энергию передавать через трансформатор в качестве передатчика, а данные - через оптроны, причем на каждой стороне гальванической развязки используется соответствующий блок для обеспечения двунаправленной передачи данных. Такая «надежная развязка» занимает очень много места и из-за повышенных требований к деталям является также дорогой.

Часто бывает так, что во время собственно взрывоопасного процесса используется большое число измерительных или полевых приборов, которые должны соответственно питаться энергией или с которыми должна устанавливаться связь. Каждый из этих полевых проборов требует собственного блока питания и связи, так что это также связано с издержками и нехваткой места.

Задачей изобретения является создание гальванической развязки между взрывоопасной и невзрывоопасной зонами, посредством которой могут передаваться информация и энергия и которая, кроме того, обеспечивает подключение нескольких полевых приборов на вторичной стороне.

Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что между первичной и вторичной сторонами предусмотрен, по меньшей мере, один передающий блок, на вторичной стороне предусмотрен, по меньшей мере, один первый канал передачи данных, имеющий, по меньшей мере, один адрес, на первичной стороне предусмотрен, по меньшей мере, один блок управления частотой, выполненный таким образом, что он настраивает рабочую частоту передающего блока в соответствии с передаваемыми данными и/или в соответствии с адресом, по меньшей мере, первого канала передачи данных, и на вторичной стороне предусмотрен, по меньшей мере, один блок регулирования нагрузки, выполненный таким образом, что он регулирует электрическую нагрузку, приложенную на вторичной стороне к передающему блоку, в соответствии с передаваемыми данными и/или в соответствии с адресом, по меньшей мере, первого канала передачи данных.

Сущность изобретения состоит, следовательно, в том, что информация передается с первичной стороны на вторичную сторону за счет модуляции рабочей частоты, и что изменение нагрузки служит для передачи данных с вторичной стороны на первичную сторону. Для подключения нескольких каналов, т.е. нескольких полевых приборов или их компонентов, предусмотрена адресация. За счет нее можно целенаправленно обращаться к отдельным каналам или получать на первичной стороне информацию о том, от какого канала происходит информация. Это значит, что адресация или адрес является однозначной взаимосвязью между данными/информацией и источником или приемником.

В одном варианте на вторичной стороне предусмотрены, по меньшей мере, один первый и один второй каналы передачи данных, каждый из которых имеет, по меньшей мере, один собственный адрес. Посредством нескольких каналов передачи данных несколько полевых приборов можно, следовательно, подключить к интерфейсу, причем за счет соответственно собственных адресов возможна также более надежная взаимосвязь данных.

В одном варианте первый и второй каналы передачи данных выполнены таким образом, что оба гальванически отделены друг от друга. Преимущественно сам передающий блок создает гальваническую развязку между первичной и вторичной сторонами. В этом варианте также, по меньшей мере, два канала передачи данных гальванически отделены друг от друга на вторичной стороне. То же относится к другим каналам передачи данных.

В одном варианте блок управления частотой выполнен таким образом, что он настраивает рабочую частоту передающего блока в соответствии с передаваемыми данными и/или в соответствии с адресом канала передачи данных, или адресами каналов передачи данных, для которого или которых предназначены данные, а блок регулирования нагрузки выполнен таким образом, что он регулирует электрическую нагрузку, приложенную на вторичной стороне к передающему блоку, в соответствии с передаваемыми данными и/или в соответствии с адресом канала передачи данных, или адресами каналов передачи данных, от которого или которых происходят данные. Следовательно, в этом варианте на вторичной стороне предусмотрены несколько каналов передачи данных, которые служат, например, для электропитания или для связи с соответствующим числом полевых приборов. При передаче данных определяется преимущественно адрес канала, для которого предназначены данные или от которого они происходят. В одном варианте может быть предусмотрено, что определения адреса не происходит, если речь идет, например, о действующей информации. В этом варианте реализовано, в частности, то, что на первичной стороне имеется только один вывод, который обеспечивает тем не менее электропитание, по меньшей мере, двух блоков или связь, по меньшей мере, с двумя блоками на вторичной стороне.

В одном варианте, по меньшей мере, первый канал передачи данных выполнен таким образом, что он только после предварительной адресации передает данные с первичной стороны через передающий блок. В частности, в отношении изменения нагрузки требуется во избежание неоднозначностей, чтобы не все каналы одновременно передавали или одновременно изменяли нагрузку. Это предотвращается здесь за счет того, что посылает, т.е. передает, данные только тот канал, который был предварительно запрошен первичной стороной. Другими словами, только тот канал, которому был направлен запрос, отзывается и дает ответ.

В одном варианте передающий блок выполнен таким образом, что он вызывает гальваническую развязку между первичной и вторичной сторонами.

В одном варианте блок управления нагрузкой выполнен таким образом, что для передачи данных и/или адресов он осуществляет резкое и/или кратковременное изменение нагрузки.

В одном варианте передающий блок содержит, по меньшей мере, один трансформатор.

В одном варианте передаваемые данные представляют собой, по меньшей мере, измеренные значения и/или измеренные параметры.

В одном варианте, по меньшей мере, первый и/или второй канал передачи данных содержит, по меньшей мере, один аккумулятор энергии. Он служит при этом преимущественно для аккумулирования электрической энергии и в простейшем случае представляет собой, по меньшей мере, частично конденсатор. Поскольку связь между вторичной и первичной сторонами осуществляется за счет модуляции нагрузки, в этом варианте учтено то, что также за счет соединенного с соответствующим каналом полевого прибора может произойти изменение нагрузки. Оно вытекает, однако, из эксплуатации полевого прибора и не должно интерпретироваться как передаваемая с первичной стороны информация. Таким образом, аккумулятор энергии воспринимает возможные измерения нагрузки полевых приборов.

Изобретение более подробно поясняется с помощью прилагаемых чертежей, на которых изображают:

фиг.1 - схематично предложенное устройство;

фиг.2 - подробное выполнение предложенного устройства.

На фиг.1 схематично изображено предложенное устройство, посредством которого цифровой двунаправленный поток данных (например, для параметрирования и/или считывания измерительных каналов) возможен через единственный, гальванически отделенный интерфейс. Передающий блок 3 находится между первичной 1 и вторичной 2 сторонами. При этом пусть обе стороны различаются в том, являются ли они, например, взрывоопасными. Пусть первичная сторона 1 является здесь, например, невзрывоопасной стороной. На этой стороне находится тем самым, например, источник энергии и/или диспетчерская и/или аналогичная система управления, или система ввода параметров. Следовательно, в целом сторона, которая собственно процесс или зона, в которой находится контролируемый или измеряемый процесс. При этом процесс находится на вторичной стороне 2.

Пусть на вторичной стороне 2 размещены, например, два разных датчика (например, уровнемер по принципу радара и температурный датчик) в качестве примеров полевых приборов 8, которые должны питаться энергией. Это питание осуществляется при этом через передающий блок 3. Кроме того, должен происходить также информационный обмен или обмен данными. Это требуется, например, чтобы отдельные измерительные приборы на вторичной стороне 2 передавали свои измеренные значения или производные от них величины на первичную сторону 1, т.е., например, в диспетчерскую. Наоборот, требуется, чтобы, при необходимости, с первичной стороны 1 на вторичную сторону 2 передавались измеренные параметры или прочие значения для управления измерениями. При этом, в частности, требуется, чтобы существовала гальваническая развязка между первичной 1 и вторичной 2 сторонами. Эта гальваническая развязка осуществляется здесь трансформатором 3.

Передача данных с первичной стороны 1 на вторичную сторону 2 происходит за счет того, что посредством предусмотренного на первичной стороне 1 блока 4 управления частотой в соответствии с передаваемой информацией изменяется рабочая частота трансформатора 3 (FSK, Frequency Shift Keying - частотная модуляция). Так, например, два разных частотных диапазона могут ассоциироваться соответственно с логической 1 и логическим 0. Однако в зависимости от комплексности установки может передаваться и другая информация.

Передача данных с вторичной стороны 2 на первичную сторону 1 происходит за счет того, что кратковременно изменяется нагрузка на вторичной стороне 2. Это значит, что на первичной стороне 1 констатируется наличие повышенной потребности в энергии. Это изменение нагрузки детектируется на первичной стороне 1 и также передается в виде логических сигналов.

На вторичной стороне 2 находятся два разных канала 6, 7 передачи данных, которые предназначены, например, для связи с двумя разными измерительными системами. В альтернативных вариантах предусмотрено больше или меньше двух каналов. Чтобы данные можно было соотнести с отдельными каналами, например, перед каждой передачей данных передается адрес соответствующего или запрошенного, или передающего канала. Таким образом, с первичной стороны 1 на вторичную сторону 2 передается адрес канала, для которого предназначены данные/информация. Наоборот, при передаче с вторичной стороны 2 на первичную сторону 1 всегда передается адрес канала, передающего информацию. В другом варианте, при необходимости, адрес не передается, если речь идет об информации, которая может происходить от нескольких каналов или которая, так сказать, дает общие сведения о системе, или в том случае, если с первичной стороны 1 на вторичную сторону 2 информация должна передаваться одновременно на несколько каналов. Помимо гальванической развязки между первичной 1 и вторичной 2 сторонами существует преимущественно также гальваническая развязка между обоими каналами 6, 7.

Чтобы несколько каналов 6, 7 не осуществляли изменение нагрузки одновременно, в одном варианте предусмотрено, что передавать может только тот канал, который предварительно получил от первичной стороны 1 соответствующий запрашивающий сигнал или вообще был адресован от первичной стороны 1. Следовательно, существует архитектура Master-Slave, которая выбирает для передачи соответственно один канал.

На фиг.2 изображены некоторые подробности предложенного устройства. Для передачи данных с первичной стороны 1 на вторичную сторону 2 предусмотрены FSK-модулятор 10 и Push-Pull-возбудитель 17. Оба обеспечивают модуляцию рабочей частоты передающего блока 3 для подачи к нему соответствующей информации или данных. Эти переданные данные снова отфильтровываются на вторичной стороне 2 посредством FSK-демодулятора 11 и предоставляются соответствующему прибору соответствующего канала 6, 7 в виде последовательного потока данных.

Передача данных с вторичной стороны 2 на первичную сторону 1 происходит здесь за счет того, что посредством выключателя в соответствующем канале включается дополнительная нагрузка 14, которая вызывает кратковременное повышение нагрузки на вторичной стороне трансформатора 3. На первичной стороне 1, наоборот, отводится ток и измеряется датчиком 18 тока и посредством дифференциатора 19 и формирователя 20 сигналов, который по коротким импульсам дифференциатора 19 формирует последовательный поток данных, подается, например, к блоку обработки, который из этого изменения нагрузки отфильтровывает передаваемую информацию или данные, или адрес канала, от которого происходят данные. Во избежание того, чтобы изменение нагрузки связанного с соответствующим каналом 6, 7 полевого прибора 8 не понималось на первичной стороне 1 как передаваемая информация или как адрес, здесь изображена буферизация требуемой полевым прибором 8 энергии. В данном случае речь идет о конденсаторе, являющемся здесь частью фильтрующего блока 15.

При передаче данных в одном варианте сначала передается информация о соответствующем адресе канала 6, 7, от которого происходят данные или для которого они предназначены, и только вслед за этим передаются собственно данные. Таким образом, для передачи используется также соответствующий протокол, который в одном варианте предусматривает передачу адреса, т.е. данные и адрес передаются в одном варианте всегда в пакете. При этом последовательность адреса и информации при передаче устанавливается произвольно.

Предложенное устройство реализовано, например, внутри, прибора. В одном варианте оно находится на печатной плате или представляет собой особый прибор, который в качестве интерфейса обеспечивает связь между двумя зонами или между обеими сторонами.

Перевод ссылочных позиций

1 - первичная сторона

2 - вторичная сторона

3 - передающий блок

4 - блок управления частотой

5 - блок регулирования нагрузки

6 - первый канал передачи данных

7 - второй канал передачи данных

8 - полевой прибор

10 - модулятор

11 - демодулятор

12 - выпрямитель

13 - барьер

14 - дополнительная нагрузка

15 - фильтр

16 - аккумулятор энергии

17 - Push-Pull-возбудитель

18 - датчик тока

19 - дифференциатор

20 - формирователь сигналов