用于无线数据传送的现场设备适配器的制作方法

本发明涉及一种用于与现场设备进行hart通信的现场设备适配器以及涉及一种自动化技术的系统。

背景技术：

在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，经常应用现场设备，这些现场设备用于确定、优化和/或影响过程变量。用于记录过程变量的是记录相对应的过程变量、料位、流量、压力、温度和电导率的传感器，例如料位测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、电导率测量设备等。用于影响过程变量的是致动器，诸如例如阀或泵，经由这些致动器可以改变管道区段中的液体的流量或容器中的料位。在本发明的意义上，被称为现场设备的是应用于过程附近并且记录过程相关信息，尤其是一个或多个过程变量(压力、流量、温度等)，或者在致动器的情况下设置一个或多个过程变量的所有设备。

大量这样的现场设备由endress+hauser公司制造和销售。

目前，在大量现有的自动化工厂中，仍在使用双导体现场设备，它们通过双导体线路连接到上级单元，例如，呈plc的形式的控制单元。双导体现场设备以下述方式实现：测量值或致动值作为主过程变量通过双导体线路——例如双导体线缆——以模拟4-20ma信号的形式进行通信传送，即，被传输或传送。为了发送所有其他数据，尤其是hart协议已经证明了自己，在这种情况下，4-20ma的模拟电流信号与与频率信号叠加，作为用于数据传输的数字双导体信号。hart协议在1200hz和2200hz之间切换以便进行数据传输，其中较低的频率代表逻辑“1”，并且较高的频率代表逻辑“0”。以这样的方式，仅缓慢变化的模拟电流信号保持不受频率叠加的影响，使得通过hart统一模拟和数字通信。

为了在双导体线路上实现符合hart标准的通信，需要hart通信电阻器。hart通信电阻器可以集成在通信参与者(现场设备、上级单元、服务单元)中，也可以作为独立单元被引入到双导体线路中。

然而，要注意的是，当hart通信电阻器已经在双导体线路中时，例如为了使现场设备和上级单元，尤其是plc(可编程逻辑控制单元)之间能够通信，不再连接另外的hart通信电阻器。尤其是当现场设备和服务单元之间需要hart通信时，出现这种情况。

技术实现要素：

本发明的目的是实现尤其是从服务单元到现场设备的尽可能无缺陷的hart通信。

根据本发明，该目的通过权利要求1中限定的现场设备适配器和权利要求8中限定的系统来实现。

一种用于与现场设备进行hart通信的本发明的现场设备适配器至少包括：

-具有第一端和第二端的适配器壳体，其中第一端具有至少用于第一双导体线路的电连接的第一连接元件和第二连接元件，并且第二端具有至少用于第二双导体线路的电连接的第三连接元件和第四连接元件，其中适配器壳体还具有在第一和第二端之间的适配器腔室；

-被布置在适配器腔室中的适配器电子器件，该适配器电子器件通过第一电连接线路将第一连接元件与第三连接元件连接，并且通过第二电连接线路将第二连接元件与第四连接元件连接，其中适配器电子器件还包括设置在第一连接线路中的通信电阻器和用于从在第一连接线路中流动的回路电流提供电源电压的优选地未调节的电源电路，其中适配器电子器件还具有作为次级主机安装的、经由分接点与第一连接线路连接的hart调制解调器和用于分路通信电阻器的电路，其中适配器电子器件适于无线地接收第二无线电信号，并且借助于第二无线电信号以下述方式控制用于分路通信电阻器的电路：至少通信电阻器可选择性地根据无线电切换入和切换出，使得在分路状况下，由适配器电子器件接收的第一无线电信号可以被转换成优选地基于hart的双导体信号，并且经由分接点被调制到回路电流上。

根据本发明，现场设备适配器的内部(hart)通信电阻器可根据无线电切换入和切换出，使得在给定的情况下，可以使用外部hart通信电阻器。为了进行切换入和切换出，内部(hart)通信电阻器被分路。该控制可以经由无线电接口——诸如例如蓝牙接口或根据其修改的变形，即，蓝牙低能量——来进行。一方面，这可以经由分离的无线电接口(分离的配置接口)来进行，或者经由现场设备适配器的用于无线传送基于hart的、在上级单元和现场设备之间交换的双电线信号的已经存在的接口来进行。

本发明的现场设备适配器的有利实施例可以规定：用于分路通信电阻器的电路包括至少第一开关元件，该第一开关元件优选地具有晶体管或模拟开关，并且与通信电阻器并联连接，并且在通信电阻器的分路状况下是导通的。特别地，实施例可以规定：用于分路通信电阻器的电路还具有第二和第三开关元件，其中第二开关元件被布置在将hart调制解调器与第一连接线路连接的第三连接线路中，并且第三开关元件被布置在将第三连接线路与第二连接线路连接的第四连接线路中，并且其中适配器电子器件在分路状况下适于将第二开关元件切换为阻断和根据外部hart通信电阻器(36)的安装位置来切换第三和第四开关元件。作为补充，实施例可以规定，适配器电子器件还具有可从适配器壳体的外部接触的第五连接元件，该第五连接元件经由第四开关元件与第三连接线路连接，并且其中适配器电子器件适于在分路状况下在每种情况下将第二和第三开关元件切换为阻断以及将第四开关元件切换为导通，使得分路导体经由第五连接元件可连接到第一双导体线路。替代性地，该实施例还可以规定，适配器电子器件还具有可从适配器壳体的外部接触的第五连接元件，该第五连接元件经由第四开关元件与第三连接线路连接，并且其中适配器电子器件在分路状况下适于将第二开关元件切换为阻断和根据外部hart通信电阻器的安装位置来切换第三开关元件以及优选地还切换第四开关元件。

本发明的现场设备适配器的另一有利实施例可以规定：适配器电子器件还适于在断开状况——其中由现场设备适配器发起的hart通信是不可能的或应该是不可能的——下将第一开关元件切换为导通和将第二开关元件并且优选地还将第三开关元件切换为阻断。

本发明的现场设备适配器的另一有利实施例可以规定：适配器电子器件包括具有用于接收第二无线电信号的天线的第二无线电模块(作为分离的配置接口)，其中电源电路经由电源电压向第二无线电模块供应能量，并且第二无线电模块适于通过第二无线电信号控制用于分路通信电阻器的电路，并且其中第二无线电模块适于使用基于无线电的点对点连接，优选地使用蓝牙连接、蓝牙低能量连接、nfc连接或rfid连接，来接收第二无线电信号。

本发明的现场设备适配器的另一有利实施例可以规定，适配器电子器件包括具有用于传输和/或接收第一无线电信号的天线的第一无线电模块，其中电源电路经由电源电压向第一无线电模块供应能量，并且第一无线电模块适于将双导体信号转换成第一无线电信号，并且反之亦然，其中第一无线电模块还适于根据以下无线电协议或无线电技术中的一个来传输和接收第一无线电信号：

-蓝牙协议或其修改的变形，

-6lowpan协议，

-无线hart协议，

-6tisch协议，和/或

-移动无线电技术协议，优选地是2g、3g、lte或5g，尤其优选地是nb-iot。

本发明还涉及一种自动化技术的系统，包括：

-根据以上段落中的一个或多个限定的至少一个现场设备适配器；

-至少一个上级单元；

-自动化技术的至少一个现场设备，该至少一个现场设备具有被布置在现场设备壳体中的现场设备电子器件；

-第一双导体线路，该第一双导体线路经由第一和第二连接元件将适配器电子器件电连接到现场设备电子器件；

-第二双导体线路，该第二双导体线路经由第三和第四连接元件将适配器电子器件电连接到上级单元；

-移动服务单元，该移动服务单元适于借助于第二无线电信号来以下述方式控制用于分路通信电阻器的电路：至少通信电阻器可选择性地根据无线电切换入和切换出。

本发明的系统的有利实施例可以规定，该系统还包括被布置在第二双导体线路的正导体中的hart通信电阻器和分路导体，其中分路导体在电源电路和上级单元之间的区域中将第五连接元件与第二双导体线路连接的正导体。

本发明的系统的替代性实施例可以规定，该系统还包括被布置在第二双导体线路的负导体中的hart通信电阻器。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图中的图示出如下：

图1双导体现场设备的示意图，诸如其目前可以在大量现有的自动化工厂中找到的，并且可以完全通过经由双导体线路的电线与该设备通信传送数据，

图2用于无线数据传送的本发明的现场设备适配器的示意图，图3a本发明的系统的第一示意性示出的配置，以及

图3b本发明的系统的第二示意性示出的配置。

具体实施方式

图1示意性地示出了双导体现场设备1，其包括金属壳体2，现场设备电子器件4被布置在该金属壳体中。现场设备电子器件4以下述方式实现：其具有连接端子13，具有正导体12aa和负导体12ab的第一双导体线路12a经由该连接端子电连接。经由第一双导体线路，现场设备电子器件4以及现场设备1连接到上级单元(图1中未示出)，以便数据通过电线与上级单元通信传送。在这种情况下，主过程变量的测量值或致动值经由第一双导体线路12a以模拟形式作为4-20ma的电流信号通信传送，并且全部其他数据根据hart标准以数字双导体信号的形式传送。

为了能够使来自壳体2的外部的第一双导体线路12a与被布置在壳体2中的现场设备电子器件4电接触，金属壳体2包括壳体开口3。线缆密封套5安装在壳体开口3中，使得第一双导体线路12a可通过线缆密封套5引入到壳体2中。根据2014年5月出版的标准dinen62444，线缆密封套5优选地以pg线缆密封套，即，具有钢导管螺纹的线缆密封套的形式实现。线缆密封套5可以被实现为例如m20pg线缆密封套，即，外径为20mm的线缆密封套。

图2示出了用于无线数据传送的本发明的现场设备适配器6的示意图。现场设备适配器6包括具有适配器腔室10的适配器壳体7，并且可以例如具有基本上圆柱形的形状。为了连接第一双导体线路12a和第二双导体线路12b，在适配器壳体的端面8、9上设置接触装置。因此，在第一端，即第一端面8上，设置第一连接元件16a和第二连接元件16b以及接地连接元件24a，用于连接第一双导体线路12a。并且，在第二端，即第二端面9上，设置第三连接元件11a和第四连接元件11b以及接地连接件24b用于连接第二双导体线路12b。作为补充，第五连接元件33可以例如设置在适配器壳体7的第一或第二端面8、9上，被引出用于连接分路导体。

另外，在优选实施例中，适配器壳体7在端面8、9上包括线缆密封套5a和5b，双电线线路12a、12b通过其被引入。第五连接元件33同样地可以通过两个线缆密封套中的一个而可接入。根据2014年5月的标准dinen62444，线缆密封套5各自优选地以pg线缆密封套，即，具有钢导管螺纹的线缆密封套的形式实现。线缆密封套5a、5b可以例如被实现为m20pg线缆密封套，即具有20mm的外径。

另外，现场设备适配器6包括被布置在适配器腔室10内的适配器电子器件14，该适配器电子器件14经由第一电连接线路25将第一连接元件16a与第三连接元件11a连接，并且经由第二电连接线路26将第二连接元件16b与第四连接元件11b连接。经由第一电连接线路25，回路电流i从第二双导体线路12b被引导至第一双导体线路12a。

为了提供针对适配器电子器件14的能量供应的电源电压，现场设备适配器6包括优选地未调节的电源电路15，即,独立于回路电流和/或在没有反馈电路的情况下提供限定的电源电压的电源电路。如图2所示，电源电路15可以被实现为适配器电子器件14的一部分，或者与适配器电子器件14分离地实现。电源电路15包括至少一个二极管，其被引入到第一电连接线路25中并且经由该至少一个二极管由电压分接提供电源电压。例如，可以在第一电连接线路25中以下述方式布置z二极管或齐纳二极管：阳极a位于第一连接元件16a的方向上，并且阴极k位于第三连接元件11a的方向上，使得z二极管在用于流过第一电连接线路25的回路电流i的阻断方向上被布置，并且电压分接出现在阳极a和阴极k之间。

替代性地，电源电路15还可以包括多个单独的二极管，其全部在流过第一电连接线路25的回路电流i的流动方向上被布置，其中电压分接出现在第一二极管的阳极和最后一个二极管的阴极之间。

适配器电子器件14在第一端8上利用两个连接元件16a和16b与第一双导体线路12a连接，并且在第二侧9上利用两个连接元件11a和11b与第二双导体线路12b连接。而且，适配器电子器件可以经由第一接地连接件24a和第二接地连接件24b与第一和第二双导体线路的接地线路连接。另外，适配器电子器件14适于在两个方向上转发双导体信号，该双导体信号被调制在回路电流上并且根据hart标准实现并在经由第一双导体线路连接的现场设备和经由第二双导体线路连接的上级单元之间通信传送。另外，适配器电子器件14适于经由设置在第一电连接线路25中的第一连接元件16a和电源电路15之间的分接点23来分接所施加的双导体信号，以将其转换成无线电信号，并根据无线电传输无线电信号。为此，适配器电子器件14包括带有天线的第一无线电模块19a。第一无线电模块19a既用于传输先前调制到回路电流上的双导体信号，也相反地用于无线接收表示双导体信号的无线电信号，并且将其转换成相对应的双导体信号，使得可以将其调制到回路电流上。以这样的方式，现场设备可以经由现场设备适配器借助于hart通信进行通信。

第一无线电模块19a同样地由电源电路15供应能量。第一无线电模块19a尤其以下述方式实现：无线电信号可根据蓝牙协议或从其修改的变形、6lowpan协议、无线hart协议和/或6tisch协议来传输。

另外，适配器电子器件14包括用于将叠加的双导体信号转换成适合于借助于第一无线电模块19a进行的传输的信号(反之亦然)的hart调制解调器17，该调制解调器17例如借助于例如uart的串行接口21连接用于与无线电单元19进行通信。hart调制解调器17类似地由电源电路15供应能量。

另外，为了适配器电子器件14经由分接点23供应叠加的双导体信号，或者它们可以被调制到回路电流i上，在第一电连接线路25中设置通信电阻器18。经由通信电阻器18，实施对应于要传输的双导体信号的电压调制。在这种情况下，通信电阻器18被布置在第一电连接线路25中的电源电路15和分接点23之间。

为了适配器电子器件14能够向现场设备1通信传送数字双导体信号，hart调制解调器17被适配为次级主机。以这样的方式，例如，可以经由现场设备适配器根据无线电对现场设备1进行无线参数化，其中由第一无线电模块19a无线接收的无线电信号借助于hart调制解调器17进行转换，并经由分接点23被调制到回路电流上。

根据本发明，对于其中外部hart通信电阻器已经存在于双导体线路中的情况，适配器电子器件还包括用于分路通信电阻器的电路。用于分路通信电阻器18的电路包括第一开关元件27，例如晶体管或模拟开关，该第一开关元件27与现场设备适配器6的通信电阻器并联连接，使得通信电阻器18可以经由第一开关元件27被分路出，即，被旁路。同样地，第一开关元件27可以被切换到阻断、非分路状况，使得通信电阻器18不被分路，并且因此可以用于hart通信。

作为补充，用于分路通信电阻器的电路还可以具有第二和第三开关元件28a、28b。经由第二和第三开关元件28a、28b，在其中外部hart通信电阻器36已经存在于双导体线路中并且通信电阻器18处于分路状况的情况下，可以适当地改变或调整hart通信所需的分接点。为此，第二开关元件28a被布置在将hart调制解调器17与第一连接线路25连接的第三连接线路34中，并且第三开关元件28b被布置在将第三连接线路34与第二连接线路26连接的第四连接线路35中。以这样的方式，当外部hart通信电阻器已经存在于第一或第二双导体线路12a、12b的负导体12ab、12ba中时，分接点23可以被切换到第二连接线路26。图3b通过示例示出了这样的配置。先前引入的外部hart通信电阻器36用于实施现场设备1和上级单元32之间的hart通信。

图3a示出了另一配置，根据该配置，hart通信电阻器被布置在第一双导体线路12a的正导体12aa中。为了将hart通信所需的分接点放置在已经存在的hart通信电阻器36和现场设备电子器件4之间的线路区域中，在适配器电子器件中设置可从适配器壳体的外部接触的第五连接元件33。第五连接元件33可以例如被布置在两个端面中的一个中，并且经由第四开关元件28c与第三连接线路34连接。经由第五连接元件33，借助于外部分路导体37，分接点23可以与已经存在的hart通信电阻器36和现场设备电子器件4之间的线路区域接触。图3a示出了分接点与线路区域的接触，作为示例利用参考字符23`示出。当由于例如现场设备适配器的连接是根据图3b中示出的配置实现的而不需要第五连接元件时，第四开关元件28c用于去激活第五连接元件。

作为补充或替代性地，可以由现场设备适配器经由第一开关元件27和第二开关元件28a去激活hart通信，使得在分接点处没有双导体信号可以被调制。为此，第一开关元件27被切换为导通，并且第二开关元件28a被切换为阻断。现场设备和上级单元之间进行的hart通信不受此影响。

为了控制各个开关元件，设置了电控制线路39，其将开关元件与第二无线电模块19b连接。第二无线电模块19b适于无线接收被设置用于控制电路的第二无线电信号，并借助于第二无线电信号相应地切换开关元件。第二无线电信号19b的无线传输优选地经由基于无线电的点对点连接——例如蓝牙连接、蓝牙低能量连接、nfc连接或rfid连接——进行。诸如图2所示，第二无线电模块19b可以被实现为分离的无线电模块。替代性地，第一无线电模块19a和第二无线电模块19b可以实现为单个模块。

参考标记列表

1自动化技术的现场设备

2现场设备壳体

3壳体开口

4现场设备电子器件

5，5a，5b线缆密封套，尤其是pg线缆密封套

6现场设备适配器

7适配器壳体

8适配器壳体的第一端

9适配器壳体的第二端

10适配器腔室

11a第三连接元件

11b第四连接元件

12a第一双导体线路

12aa第一双导体线路的正导体

12ab第一双导体线路的负导体

12b第二双导体线路

12ba第二双导体线路的正导体

12bb第二双导体线路的负导体

13现场设备的连接端子

14适配器电子器件

15电源电路

16a第一连接元件

16b第二连接元件

17hart调制解调器

18通信电阻器

19a第一无线电模块

19b第二无线电模块

21串行接口

22供应线路

23分接点

23`移动的分接点

24a，24b接地连接件

25第一电连接线路

26第二电连接线路

27用于分路通信电阻器的第一开关元件

28a第二开关元件

28b第三开关元件

28c第四开关元件

31自动化工厂

32上级单元

33第五连接元件

34第三连接线路

35第四连接线路

36外部hart通信电阻器

37分路导体

38移动服务单元

39电控制线路