专利名称：具有网络保护机制的改进现场设备接口的制作方法
具有网络保护机制的改进现场设备接口
背景技术：
在工业中现场设备用于控制过程操作，例如，炼油厂的过程操作。典型地，诸如过 程变量变送器之类的现场设备是过程通信回路的一部分，并且位于现场中来测量且向控制 室设备发送过程变量，例如压力、流量或温度。诸如阀门定位器之类的现场设备也可以是过 程通信回路的一部分，并且基于在过程控制回路上接收到的或者在内部产生的控制信号来 控制阀门的位置。其他类型的控制器控制例如电动机或螺线管。控制室设备也是过程通信 回路的一部分，使得控制室中的操作员或计算机能够基于从现场的变送器接收到的过程变 量来监控过程，并且通过向适当的控制设备发送控制信号来响应控制过程。便携式通信器 通常用来配置与过程通信回路耦接的现场设备。如这里所使用的，术语“过程通信回路”是 指承载过程信号的任何物理连接和介质(包括无线过程通信回路)，而不管连接是否形成 实际回路。因此，过程通信回路可以是HART 或FOUNDATION 现场总线部分，尽管严格意 义上这样的部分不能视为回路。随着低功率微处理器的出现，现场设备经历显著变化。当前，许多现场设备采用数 字通信技术以及更复杂的控制和通信技术。然而，现场设备通常仍采用低功率电子装置，这 是由于在许多装置中，现场设备仅需要4mA来操作。该设计要求禁止使用大量商业可用微 处理器电路。然而，低功率微处理器甚至允许针对这种现场设备的大量功能。这种基于微处理器的现场设备的可用性显著增加。这样的现场设备有时被称为 “智能”。用于配置、测试和诊断这些智能现场设备的软件应用的可用性同样显著增加。典 型地，通用计算设备(例如，PC或便携式膝上型计算机)的连接使用在计算设备与智能现 场设备之间通信耦接的调制解调器来实现。存在大量诸如HART 、FOUNDATION 现场总 线的过程通信协议和支持各种过程控制任务的ftx)fibUS协议。此外，通常发现在同一过程 装置中使用多个通信协议。
发明内容
一种现场设备接口模块包括连接器、多个端子、协议接口模块、控制器以及电源模 块。连接器被配置为操作耦接至计算机。端子操作可耦接至现场设备。协议接口模块耦接 至多个端子，并且被配置为根据过程通信协议产生信号。电源模块耦接至多个端子。控制 器耦接至协议接口模块和电源模块，并且被配置为测量多个端子上的电压，并且选择性地 使电源模块向现场设备提供电力。
图1是将现场设备耦接至通用计算设备的现场设备接口的示意图。图2是根据本发明实施例的调制解调器的框图。图3是根据本发明实施例的使用接口模块将通用计算机耦接至现场设备的方法 的流程图。图4A和4B是根据本发明实施例的操作耦接至现场设备的现场设备接口的示意图。
具体实施例方式图1是将现场设备12以通信方式耦接至通用计算设备14 (示为膝上型计算机) 的现场设备接口 10的示意图。可以经由直接连接(例如，经由现场设备内的有线端子(图 4A所示))或者通过过程通信回路16 (图4B所示)，来实现接口 10与现场设备12之间的 耦接。接口 10包括网络连接电路18，被配置为耦接至过程通信回路16 ；以及连接器模块 20，被配置为耦接至通用计算设备14。连接器模块20可以包括用于连接计算机14的任何适 合形式的连接器。适合的示例包括但不限于，通用串行总线(USB)连接、标准串行连接(例 如，采用DB9或DB25的那些连接)、并行连接、PCMCIA连接、PCI连接以及火线(firewire) 连接。在连接器模块20包括至通用计算设备14的有线连接的本发明实施例中，优选地，可 以通过有线通信接口对接口 10进行供电。本发明的实施例还可以被实现为，接口模块10 与通用计算设备14之间的数据通信是无线连接。适合的无线连接示例包括红外通信、蓝牙 通信以及WIFI通信(例如，IEEE 802. Ilb或IEEE 802. Ilg)。此外，随着通用计算设备领 域的进步，本发明的实施例还可以使用通用计算机适合的任何适当数据通信技术来实现， 无论是已知的还是后续开发的。图2是根据本发明实施例的现场设备接口 10的示意图。现场设备接口 10包括与 连接器模块20耦接的微处理器38，微处理器38可耦接至通用计算机14 (图1所示)。现场 设备接口 10优选地包括与微处理器38耦接的模数转换器36。转换器36经由控制逻辑电 路34耦接至测量电路32。微处理器38还耦接至外部数据总线40，通过外部数据总线40， 微处理器38与只读存储器42和随机存取存储器44交互。通过数据总线40，微处理器38 还能够与协议接口模块26和可选第二协议接口模块38交互，以通过相应过程通信回路进 行通信。在包括多个协议接口模块的实施例中，每个模块被设计为根据不同的标准过程通 信协议进行通信。例如，协议接口模块26可以被配置为根据HART 协议进行通信，而可 选第二协议接口模块观可以被配置为根据FOUNDATION 现场总线协议进行通信。此外，尽 管图2示意了一对模块，但是本发明的实施例可以通过采用任何适合数目(包括一个)的 这种模块来实现。此外，尽管所示接口模块26、观均耦接至端子50、52，但是无线协议接口 模块不需要耦接至端子50、52，而是耦接至适合的天线。根据本发明的实施例，微处理器38通过硬件、软件或这二者的组合被配置为采用 测量电路32和/或模数转换器36来测试端子50、52上的电压，从而确定是否对所附的过 程通信回路进行供电和/或是否实现回路上的通信。如图2所示，接口模块10包括操作耦接至接口模块10的所有组件的电源模块30。 在接口模块10通过有线连接(例如USB连接)耦接至计算机14的实施例中，电源模块30 被配置为将来自计算机14的功率变量调节和/或转换到用于接口模块10内的电路的适合 的电平。此外，在接口模块10在物理上没有连接至计算机14的实施例中，电源模块30可以 包括电力存储设备(例如电池或超级电容器)以保持供电，而无需耦接至电源。此外，电源 模块30被配置为选择性地向过程通信回路或耦接至端子50、52的现场设备提供电力。此 外，电源模块30优选地还被配置为修改阻抗以支持现场设备通信。例如，在采用HART 通信的实施例中，电源模块30优选地包括250欧姆电阻器。然而，其他网络和过程通信协议需要其他电路。许多智能仪器(现场设备)是双线设备，其中，为设备提供两种电力，并且在相同 的两条线上发生数字通信。这些设备对极性不敏感，或者具有反极性保护。本发明的实施例通常允许在现场中的已供电设备上或在技术人员的工作台上执 行技术人员任务。现场设备接口 10可以简单实现通信(例如，例如现场中已供电设备)或 者可以实际对设备供电并同时实现通信(例如，在工作台上的设备初始化步骤期间)。对于 现场设备接口设计的一个重要考虑在于，能够实现通信且对现场设备供电，但是仍防止技 术人员对车间中已供电现场设备施加电力，和/或仍自动确定现场设备极性。根据本发明的实施例，现场设备接口 10包括内置电源模块30，内置电源模块30 允许技术人员对现场设备供电且与其进行通信，而不必承载和连接分立电源。然而，对有源 控制回路上已供电现场设备施加额外电力会干扰提供给控制系统的现场设备信号和信息， 并具有潜在的严重分歧(ramification)。相应地，本发明的实施例还优选地包括安全检测 电力和/或向现场设备提供电力的方法。具体地，这里所公开的实施例优选地检测电力并 且防止在所连接的设备已经被供电的情况下实现供电。当现场设备接口正对现场设备进行 供电，并且导线有意或者甚至无意地与现场设备断开时，来自现场设备接口模块的可用电 力断开。也可以使用测量电路32来确定现场设备的极性，使得技术人员不必关注连接的极 性。如上所述，现场设备接口模块可以用来自动检测现场设备处的电力，并且潜在地向现场 设备提供电力。在一些实施例中，现场设备接口模块10本质上是安全的。与固有安全性符合要 求于固有安全性规范符合，例如，Factory Mutual Research于1998年10月公布的题为 APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I， II AND III， DIVISION 1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610的标准中的一个或多个部分。图3是根据本发明实施例的使用现场设备接口模块将通用计算机耦接至现场设 备的方法的流程图。方法100开始于方框102，在方框102，技术人员请求现场设备接口模 块(调制解调器)对所附着的现场设备供电。在现场设备接口模块与现场设备初始连接时， 缺省操作是现场设备接口模块不向所附着的现场设备供电。现场设备接口模块具有请求激 活对所附着的现场设备供电的内置电源30的方法。例如，这可以是软件请求或物理按钮或 开关。在方框102中，技术人员实际上请求了经由软件或物理开关对端子50、52施加电力。 然后将控制传递至方框104，在方框104中，现场设备接口模块(例如，模块10)优选地使用 测量电路32来测量端子50、52上的DC电压。如果所测量的电压大于用于已供电网络的最 小电平，则不实现供电。如方框106所示，现场设备接口模块然后向技术人员提供指示，所 附着的现场设备已经被供电，并且不施加电力。然而，如果所测量的DC电压在用于已供电 现场设备的最小电平之下，则将控制传递至方框108，在方框108中，对端子50、52施加限流 电压。适当地为网络类型设置电流限制和电压。不断监控电流，并且期望现场设备在预定 期望启动时间内汲取最小量的电流。相应地，方法100在方框110处等待，直到最大现场设 备启动时间过去，并且将控制传递至方框112。在方框112处，方法100确定所附着的现场 设备是否汲取大于最小值的电流。如果现场设备正在汲取大于最小值的电流电平，则经由 线116将控制传递至方框114，在方框114中，连续监控现场设备电流，以确定该电流是否大于指定的最小值。在所附着的现场设备汲取大于最小值的电流时，方框114必要地进行循 环，从而连续监控现场设备的汲取。当现场设备停止汲取大于最小值的电流时，将控制传递 至方框118，在方框118处，断开限流电压，并且通知技术人员断电。返回方框112，如果设备没有汲取大于最小值的电流，则将控制传递至方框120， 在方框120处，切换限流电压的极性。接着，将控制传递至方框122，在方框122中，方法等 待，直到最大现场设备启动时间过去，并且然后将控制传递至方框114。图4A是根据本发明实施例的具有耦接至双线现场设备的内部电源和保护/极性 机制的现场设备接口模块的示意图。模块10在现场设备端子处检测小于阈值的DC电压， 然后对现场设备供电并且实现至/自现场设备的通信(假定，技术人员已经请求对现场设 备供电)。典型地，当最初建立现场设备或者技术人员在工作台上操作现场设备时，发生这 种情况。图4B是具有耦接至位于控制系统、回路指示器或其他电源与双线设备之间的过 程通信回路的内部电源和保护/极性机制的现场设备接口模块的示意图。如图4B所示，现 场设备接口模块10在检测过程通信回路上大于最小阈值的DC电压，并且如果适合仅实现 至/自设备的通信。典型地，当现场设备接口模块与连接至操作控制系统或过程指示系统 的现场设备进行通信时，发生图4B所示的情况。尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不背 离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行修改。例如，尽管关于HART 调制解调器提供了这里描述的实施例，但是本发明的实施例可以利用任何适合的双线工业 协议来实现，其中在相同的两条线上发生设备供电和通信。此外，可以在单个调制解调器中 使用多个协议来实现本发明的实施例，具有通信协议的自动检测，或者不具有通信协议的 自动检测。
权利要求
1.一种现场设备接口模块，包括连接器，被配置为操作耦接至计算机； 多个端子，操作耦接至现场设备；协议接口模块，耦接至多个端子，并且被配置为根据过程通信协议产生信号；控制器，耦接至协议接口模块；电源模块，耦接至多个端子并且耦接至控制器；以及其中，所述控制器被配置为测量多个端子上的电压，并且选择性地使电源模块向现场 设备提供电力。
2.根据权利要求1所述的现场设备接口模块，还包括测量电路，所述测量电路耦接至 多个端子，并且耦接至控制器，所述测量电路被配置为测量多个端子上的电压并且向控制 器提供其指示。
3.根据权利要求1所述的现场设备接口模块，其中，电源模块操作耦接至连接器，并且 现场设备接口模块通过连接器被供电。
4.根据权利要求1所述的现场设备接口模块，其中，连接器被配置为与计算机进行无 线通信。
5.根据权利要求4所述的现场设备接口模块，其中，电源模块包括电力存储设备。
6.根据权利要求1所述的现场设备接口模块，其中，控制器被配置为确定在多个端子 上测量的DC电压是否超过阈值，并且如果所测量的DC电压小于阈值，则使电源向现场设备 提供电力。
7.根据权利要求6所述的现场设备接口模块，其中，控制器被配置为使电源模块在端 子上施加限流电压。
8.根据权利要求7所述的现场设备接口模块，其中，控制器还被配置为等待，直到最大 现场设备启动时间过去为止，然后确定现场设备是否汲取大于最小电流的电流。
9.根据权利要求8所述的现场设备接口模块，其中，控制器还被配置为，如果现场设备 没有汲取大于最小电流的电流，使电源模块将通过端子提供的电力的极性反转。
10.根据权利要求1所述的现场设备接口模块，其中，现场设备接口模块本质上是安全的。
11.一种将现场设备耦接至计算机的方法，所述方法包括 接收对现场设备供电的请求；确定操作耦接至现场设备的端子对上的DC电压是否大于阈值；以及； 基于所述确定，提供网络已供电的指示并且不向现场设备提供电力。
12.—种将现场设备耦接至计算机的方法，所述方法包括 接收对现场设备供电的请求；确定操作耦接至现场设备的端子对上的DC电压是否大于阈值；在端子上施加限流电压；以及确定现场设备是否汲取大于指定最小值的电流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，一旦施加限流电压，在最大现场设备启动时间 过去之后，确定现场设备是否汲取大于指定最小值的电流。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括如果现场设备没有汲取大于指定阈值的电流，则使极性反转。
全文摘要
一种现场设备接口模块(10)包括连接器(20)、多个端子(50、52)、协议接口模块(26)、控制器(38)以及电源模块(30)。连接器(20)被配置为操作耦接至计算机(14)。端子(50、52)可操作耦接至现场设备(12)。协议接口模块(26)耦接至多个端子(50、52)，并且被配置为根据过程通信协议产生信号。电源模块(30)耦接至多个端子(50、52)。控制器(38)耦接至协议接口模块(26)和电源模块(30)，并且被配置为测量多个端子(50、52)上的电压，并且选择性地使电源模块(30)向现场设备(12)提供电力。
文档编号G05B19/042GK102099757SQ200980127956
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月15日 优先权日2008年7月15日
发明者丹尼尔·E·范德武斯, 奥尔登·C·罗素, 道格拉斯·W·阿恩岑 申请人:费希尔-罗斯蒙德系统公司