ОСНОВАННЫЙ НА ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГИЯ ЧЕРЕЗ ETHERNET ПОЛЕВОЙ ПРИБОР ТЕХНИКИ АВТОМАТИЗАЦИИ
AUTOMATION TECHNOLOGY FIELD DEVICE BASED ON ENERGY TECHNOLOGY VIA ETHERNET

Изобретение относится к основанному на технологии Power over Ethernet полевому прибору техники автоматизации.
В технике автоматизации, в частности в технике автоматизации процессов, широко используются полевые приборы, которые служат для регистрации переменных процесса и/или для воздействия на них. Для регистрации переменных процесса служат датчики, например уровнемеры, расходомеры, приборы для измерения давления и температуры, приборы для измерения окислительно-восстановительного потенциала, приборы для измерения проводимости и т.д., которые регистрируют соответствующие переменные процесса – уровень, расход, давление, температуру, значение рН и проводимость. Для воздействия на переменные процесса служат исполнительные органы, например клапаны или насосы, с помощью которых можно изменять расход жидкости на участке трубопровода или уровень в резервуаре. Полевыми приборами называются, в принципе, любые приборы, которые используются близко к процессу и предоставляют или обрабатывают релевантную для процесса информацию. В связи с изобретением под полевыми приборами следует понимать, следовательно, в частности, также Remote I/Os, радиоадаптеры или, вообще, приборы, расположенные в полевой плоскости.
Большое число таких полевых приборов изготавливаются и распространяются фирмой Endress + Hauser.
Технология Power over Ethernet (далее также РоЕ) обозначает возможность питания током сетевых приборов через Ethernet-кабель. Для этого в феврале 2015 г. был опубликован стандарт IEEE 802.3-2015, в который был полностью включен опубликованный в июле 2003 г. стандарт IEEE 802.3af.
Технология РоЕ все шире находит также применение в технике автоматизации, в частности в описанных выше полевых приборах. Применение технологии РоЕ дает то преимущество, что отпадают питающие кабели к приборам, в частности полевым приборам, и, тем самым, можно также уменьшить монтажные расходы.
Кроме того, упомянутые выше полевые приборы зачастую эксплуатируются также в очень холодных местностях, где температуры минус несколько десятков градусов не редкость. Для этого имеющиеся в полевых приборах электрические схемы должны быть выполнены также соответственно, поскольку иначе электрические схемы при таких температурах больше не функционируют или функционируют некорректно.
Задачей изобретения является создание полевого прибора на основе технологии РоЕ, который можно было бы надежно эксплуатировать даже при низких температурах, в частности при температурах минус несколько десятков градусов.
Эта задача решается, согласно изобретению, посредством основанного на технологии PoE полевого прибора техники автоматизации, включающего в себя:
- корпус полевого прибора,
- расположенный на корпусе полевого прибора Ethernet-вывод для подключения полевого прибора к сети Ethernet, так что полевой прибор может питаться энергией через Ethernet-вывод и обмениваться данными с сетью,
- электронику преобразования приложенного к Ethernet-выводу напряжения в рабочее напряжение,
- электронику полевого прибора, к которой подается рабочее напряжение и которая служит для регистрации параметра процесса и связи зарегистрированного параметра процесса в виде данных процесса через Ethernet-вывод,
- причем электроника преобразования напряжения содержит, по меньшей мере, одно первое средство, которое выполнено таким образом, что, по меньшей мере, в первом эксплуатационном состоянии оно нагревает внутреннее пространство корпуса полевого прибора до первой пороговой температуры, а во втором эксплуатационном состоянии способствует преобразованию приложенного к Ethernet-выводу напряжения в рабочее напряжение, так что во втором эксплуатационном состоянии электроника полевого прибора может регистрировать параметр процесса и передавать зарегистрированный параметр процесса в виде данных процесса через Ethernet-вывод.
РоЕ-приборы классифицируются по их потребной мощности, причем даже низший класс с мощностью до 3,84 Вт дает полевому прибору для предусмотренной эксплуатации достаточно мощности, чтобы можно было эффективно обогревать также корпус полевого прибора. Поэтому, согласно изобретению, предложено, что предоставленная на Ethernet-выводе мощность используется для нагрева внутреннего пространства корпуса полевого прибора. Согласно изобретению, это достигается за счет того, что для нагрева используется, по меньшей мере, один компонент или, по меньшей мере, одно средство электроники преобразования напряжения, который/которое, кроме того, предусмотрено для электропитания полевого прибора. Чтобы можно было получать мощность, между так называемым Power Source Equipment (PSE), т.е. источником энергии, и Powered Device (PD), т.е. потребителем, в данном случае полевым прибором, должны пройти фаза обнаружения и фаза классификации. Стандарт IEEE 802.3-2015, п. 33 определяет для этого соблюдаемые на обеих фазах рамочные условия. Чтобы можно было обогревать полевой РоЕ-прибор, его специфические электронные элементы, необходимые для обогрева и/или управления нагревом, должны быть рассчитаны на заданную низкую первую пороговую температуру, т.е., по меньшей мере, эти элементы должны функционировать при низкой пороговой температуре.
Таким образом, полевой РоЕ-прибор может преобразовывать предоставленную PSE мощность в тепло и нагревать внутреннее пространство корпуса полевого прибора, по меньшей мере, до первой пороговой температуры.
В одном предпочтительном варианте предусмотрено, что, по меньшей мере, первое средство содержит трансформатор, выполненный таким образом, что в первом эксплуатационном состоянии он, по меньшей мере, частично, преимущественно, в основном, полностью, служит для обогрева внутреннего пространства корпуса полевого прибора до первой пороговой температуры, а во втором эксплуатационном состоянии – для преобразования напряжения, так что во втором эксплуатационном состоянии электроника полевого прибора может регистрировать параметр процесса и передавать зарегистрированный параметр процесса в виде данных процесса через Ethernet-вывод. Следовательно, в этом варианте предусмотрено, что в первом и втором эксплуатационных состояниях трансформатор эксплуатируется по-разному. В первом эксплуатационном состоянии трансформатор намеренно эксплуатируется с плохим или низким к.п.д., так что он отдает повышенное количество тепла. Во втором эксплуатационном состоянии трансформатор эксплуатируется с своей оптимальной рабочей точке или с высоким к.п.д. и служит для преобразования приложенного к Ethernet-выводу напряжения в рабочее напряжение для электроники полевого прибора. Изменение к.п.д. трансформатора может достигаться, например, за счет того, что изменяется коэффициент заполнения и/или приложенная к трансформатору частота.
В одном альтернативном варианте предусмотрено, что, по меньшей мере, одно первое средство содержит, по меньшей мере, один резистивный элемент, выполненный таким образом, что в первом эксплуатационном состоянии он, по меньшей мере, частично, преимущественно, в основном, полностью, служит для обогрева внутреннего пространства корпуса полевого прибора до первой пороговой температуры, а во втором эксплуатационном состоянии – для преобразования напряжения, так что во втором эксплуатационном состоянии электроника полевого прибора может регистрировать параметр процесса и передавать зарегистрированный параметр процесса в виде данных процесса через Ethernet-вывод.
В другом предпочтительном варианте предусмотрено, что электроника преобразования напряжения выполнена таким образом, что она не питает энергией электронику полевого прибора в первом эксплуатационном состоянии.
В другом предпочтительном варианте предусмотрено, что электроника преобразования напряжения выполнена таким образом, что она питает энергией электронику полевого прибора во втором эксплуатационном состоянии. В частности, в этом варианте может быть предусмотрено, что электроника полевого прибора и/или электроника преобразования напряжения выполнена/выполнены таким образом, что электронике полевого прибора во втором эксплуатационном состоянии предоставляется, в основном, постоянная мощность и/или что, по меньшей мере, одно первое средство для нагрева регулируется таким образом, что общая мощность, потребляемая через Ethernet-вывод, в основном, постоянная или остается постоянной, и электронике полевого прибора предоставляется необходимая для работы мощность, так что электроника полевого прибора может регистрировать параметр процесса и передавать зарегистрированный параметр процесса в виде данных процесса через Ethernet-вывод.
В другом предпочтительном варианте предусмотрено, что первая пороговая температура выбрана в диапазоне от -30°С до -70°С, предпочтительно в диапазоне от -35°С до -45°С, особенно предпочтительно в диапазоне от -55°С до -65°С.
В другом предпочтительном варианте предусмотрено, что, по меньшей мере, первое средство выполнено таким образом, что оно нагревает внутреннее пространство корпуса полевого прибора до второй пороговой температуры. В частности, в этом варианте может быть предусмотрено, что электроника полевого прибора и/или электроника преобразования напряжения выполнена/выполнены таким образом, что в температурном диапазоне между первой и второй пороговыми температурами потребляемая через Ethernet-вывод общая мощность частично служит для работы электроники полевого прибора, так что электроника полевого прибора может регистрировать параметр процесса и передавать зарегистрированный параметр процесса в виде данных процесса через Ethernet-вывод, а остальная мощность служит для нагрева внутреннего пространства корпуса полевого прибора с помощью, по меньшей мере, первого средства и/или что вторая пороговая температура выбрана в диапазоне от 5°С до -25°С, предпочтительно в диапазоне от 5°С до -5°С, особенно предпочтительно в диапазоне от -15°С до -25°С.
Задача изобретения решается далее за счет применения основанного на технологии РоЕ полевого прибора в одном из описанных выше вариантов в окружении с окружающей снаружи корпус полевого прибора температурой, лежащей ниже первой и/или второй пороговой температуры.
Изобретение более подробно поясняется ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
фиг. 1а - блок-схему первого примера выполнения полевого РоЕ-прибора;
фиг. 1b - блок-схему второго примера выполнения полевого РоЕ-прибора.
На фиг. 1а изображена блок-схема первого примера выполнения полевого РоЕ-прибора 1. Он содержит корпус 2, в котором расположены электроника 5 преобразования напряжения и электроника 6 полевого прибора. Корпус 2 содержит снаружи Ethernet-вывод 3, через который полевой прибор 1 с помощью РоЕ-способного Ethernet-кабеля 11 может соединяться с сетью Ethernet 4. Через РоЕ-способный Ethernet-кабель 11 полевой прибор 1 в подключенном состоянии питается энергией. Для этого на фиг. 1а предусмотрен блок питания энергией (PSE) (не показан), который также соединен с сетью Ethernet 4.
Электроника 5 преобразования напряжения выполнена, в принципе, таким образом, что в первом эксплуатационном состоянии она нагревает внутреннее пространство корпуса 2 полевого прибора или во втором эксплуатационном состоянии преобразует приложенное к Ethernet-выводу 3 напряжение в рабочее напряжение. Для этого электроника 5 преобразования напряжения содержит трансформатор 7, который служит как для преобразования напряжения, так и для нагрева внутреннего пространства корпуса 2 полевого прибора. Чтобы управлять трансформатором 7 или регулировать его в соответствии с его предусмотренной функцией, т.е. нагревать или преобразовывать, электроника 5 преобразования напряжения содержит далее управляющую схему 10. Она управляет трансформатором 7 или регулирует его во втором эксплуатационном состоянии таким образом, что он имеет низкий к.п.д., чтобы он мог нагреть внутреннее пространство выше первой пороговой температуры. Далее электроника 5 преобразования напряжения управляет трансформатором 7 или регулирует его во втором эксплуатационном состоянии таким образом, что он имеет, в основном, оптимальную рабочую точку и эксплуатируется, тем самым, также с максимально высоким к.п.д., чтобы преобразовать приложенное к Ethernet-выводу 3 напряжение в рабочее напряжение. Для этого может быть предусмотрен блок управления 9, который берет на себя управление трансформатором 7 или его регулирование. Управляющая схема 10 может влиять на блок управления 9 так, что трансформатор 7 в соответствии с эксплуатационным режимом имеет высокий или низкий к.п.д.
В случае, если для нагрева вместо трансформатора 7 используется резистор 8, управляющая схема 10 управляет тогда резистором 8 или регулирует его, причем резистор 8 служит нагревателем. В качестве резистора для нагрева может использоваться либо резистивный элемент электроники 5 преобразования напряжения или электроники 6 полевого прибора. В качестве примера резистивный элемент для нагрева расположен между трансформатором 7 и управляющей схемой 10, т.е. после трансформатора. Однако он может быть расположен также между Ethernet-выводом 3 и трансформатором 7, т.е. перед трансформатором.
Управляющая схема 10 выполнена также таким образом, что она регистрирует внутреннюю температуру, господствующую в корпусе 2 полевого прибора, и с помощью внутренней температуры переключает между первым и вторым эксплуатационными состояниями. Для этого управляющая схема 10 или электроника 6 полевого прибора может содержать датчик 12 температуры, например платиновый. Датчик 12 температуры может быть выполнен в виде отдельного элемента в электронике 5 преобразования напряжения или электронике 6 полевого прибора или может быть образован элементом, который обязательно должен присутствовать в электронике 5 преобразования напряжения или электронике 6 полевого прибора.
Первое эксплуатационное состояние характеризуется тем, что в нем внутренняя температура лежит ниже первой пороговой температуры. В этом эксплуатационном состоянии управляющая схема управляет трансформатором или регулирует его таким образом, что он, в основном, полностью служит для нагрева. Это значит, что в первом эксплуатационном состоянии электроника полевого прибора, в основном, не питается энергией через электронику преобразования напряжения. Нагрев гарантирует, что элементы, рассчитанные на первую пороговую температуру, не будут эксплуатироваться ниже этой пороговой температуры.
Второе эксплуатационное состояние характеризуется тем, что в нем внутренняя температура лежит сначала выше первой пороговой температуры. В этом эксплуатационном состоянии управляющая схема 10 управляет трансформатором 7 или регулирует его таким образом, что он служит для преобразования напряжения в рабочее напряжение. Кроме того, управляющая схема 10 во втором эксплуатационном состоянии может управлять трансформатором 7 также частично для нагрева. Так, например, может быть предусмотрено, что имеющаяся через Ethernet-вывод 3 общая мощность, например, 3,84 Вт, если полевой прибор 1 относится к низшему классу, разделяется управляющей схемой 10 таким образом, что электроника 6 полевого прибора предоставляет необходимую для функциональности, в основном, постоянную мощность, а остальная доля мощности используется для нагрева внутреннего пространства полевого прибора трансформатором 7. Это значит, что управление трансформатором 7 происходит динамически. Таким образом, электроника 6 полевого прибора во втором эксплуатационном состоянии может работать надлежащим образом, регистрировать параметр процесса и передавать его в виде данных процесса через Ethernet-вывод 3.
В случае, если полевой РоЕ-прибор 1 представляет собой прибор типа 2PD со встроенным канальным уровнем по стандарту IEEE802.3-2015, то управляющая схема 10 может быть выполнена таким образом, что она осуществляет динамическое изменение классификации при текущей эксплуатации полевого прибора 1, в результате чего имеющаяся на Ethernet-выводе 3 мощность повышается. Это может осуществляться, например, тогда, когда внутренняя температура лежит заметно ниже первой пороговой температуры, и, тем самым, нагрев внутреннего пространства полевого прибора продолжалось бы неприемлемо долго. Управляющая схема 10 может быть тогда выполнена таким образом, что она включает полевой прибор с более высоким классом мощности, например около 13 Вт вместо 3,84 Вт, а затем после достижения первой пороговой температуры – в более низком классе мощности.
Кроме того, управляющая схема 10 может быть выполнена таким образом, что при достижении второй пороговой температуры трансформатор 7 служит исключительно для преобразования приложенного к Ethernet-выводу 3 напряжения в рабочее напряжение.
Блок управления 10 может быть выполнен далее таким образом, что в первом эксплуатационном состоянии он не питает током электронику 6 полевого прибора, которая во втором эксплуатационном состоянии питается необходимой мощностью. Например, это может быть реализовано выключателем в виде транзистора, которым блок управления 10 в первом эксплуатационном состоянии управляет таким образом, что электроника 6 полевого прибора отделена от электроники 5 преобразования напряжения, а во втором эксплуатационном состоянии электроника 6 полевого прибора электрически соединена с электроникой 5 преобразования напряжения, в результате чего электроника 6 полевого прибора предоставляет соответствующую мощность.
В качестве альтернативы включение и выключение электроники полевого прибора может осуществляться также за счет сообщения блока управления 10 блоку управления 9, который в этом случае в первом эксплуатационном состоянии отделяет или отключает электронику 6 полевого прибора от электроники 5 преобразования напряжения, а во втором эксплуатационном состоянии электрически соединяет электронику 6 полевого прибора с электроникой 5 преобразования напряжения или включает ее.
Следовательно, полевой прибор 1 может эксплуатироваться в окружении, имеющем окружающую температуру, т.е. окружающую корпус 2 полевого прибора снаружи температуру, которая ниже первой пороговой температуры. Например, полевой прибор 1 может эксплуатироваться при окружающей температуре ниже -40°С, причем полевой прибор 1 выполнен таким образом, что первая пороговая температура составляет около -40°С, а вторая пороговая температура – около -20°С. При этом эксплуатационные температуры, т.е. первая и, при случае, вторая пороговые температуры могут согласовываться с соответствующим местом применения. В принципе, пороговые температуры могут выбираться произвольно, если полевой прибор 1 соответственно рассчитан. Особенно подходящим оказался для первой пороговой температуры выбор ее значения в диапазоне от -30°С до -70°С, в частности значение -60°С. Для второй пороговой температуры особенно подходящим оказался выбор ее значения в диапазоне от 5°С до -25°С, в частности значение -20°С.
Перечень ссылочных позиций
1 – полевой РоЕ-прибор техники автоматизации
2 – корпус полевого прибора
3 – Ethernet-вывод
4 – сеть
5 – электроника преобразования напряжения
6 – электроника полевого прибора
7 – трансформатор
8 – резистивный элемент для нагрева
9 – блок управления
10 – управляющая схема
11 – Ethernet-кабель
12 – датчик температуры