用於在現場總線和串行網絡連接之間耦合功率和數據的隔離系統的製作方法

2023-09-13 18:33:45

專利名稱：用於在現場總線和串行網絡連接之間耦合功率和數據的隔離系統的製作方法
用於在現場總線和串行網絡連接之間耦合功率和數據的隔離系統
背景技術：
現場總線網絡為例如壓力、溫度和流量傳送儀以及閥門致動器的 工廠設備提供通訊。現場總線網絡典型地遍布在工廠環境的廣闊區域 中。控制網絡執行更高等級的過程控制功能並典型地位於一個或更多 個遠離工廠環境的控制室中。
現場總線網絡攜帶來自傳送儀和致動器的實時過程數據。希望把 來自現場總線網絡的實時過程數據轉移或"橋接"至控制網絡，從而 控制網絡能夠快速訪問與工廠中的情形有關的信息。
然而，如果現場總線網絡和控制網絡被"橋接"或通過傳統的連 接方式而連接，則結果不能令人滿意。現場總線網絡典型地被接地到 工廠環境中的某個點(過程地)，而且控制網絡被接地到控制室環境中 的某個點(控制網絡地)。當現場總線網絡和控制網絡被橋接時，形成 了不希望的接地環路。過程地和控制網絡地之間的電勢差導致噪聲電
流橫流(flow over)到網絡地導線。該噪聲能夠導致現場總線網絡和 控制網絡的低性能。
另外，現場總線網絡中的數據根據現場總線數據格式或協議而被 格式化，其典型地不與控制網絡中的數據格式化相兼容。需要進行數 據格式轉換，以把數據從現場總線網絡轉移至控制網絡。然而，數據 格式轉換需要功率，而且提供所需功率以轉換數據會導致從現場總線 網絡中吸取過多的功率，或導致另外的不希望的接地環路。
需要這樣一種系統，即該系統沿著經過該系統的數據格式轉換路 徑、或經過該系統的供電路徑，把數據從現場總線網絡轉移到控制網 絡而不會引入不希望的接地環路。

發明內容
公開了一種用於把從現場總線接口接收到的具有現場總線格式
的數據耦合至網絡連接的系統。該系統包括耦合在現場總線接口和橋
接器USB接口之間的數據格式轉換器。該轉換器將數據轉換成USB格 式的數據。耦合器與轉換器級聯耦合。該耦合器包括第一絕緣屏障。
該系統包括接收USB格式的數據的主機，其包括提供數據至網絡 連接的數據伺服器接口。該系統還包括在橋接器USB接口和現場總線 接口之間耦合功率的調節器。該調節器包括第二絕緣屏障。通過使用 第一和第二絕緣屏障，數據和功率在現場總線接口和橋接器USB接口
之間被隔離耦合。
在閱讀下面的詳細說明以及參考相關的附圖時，其它特徵和優點 將更明顯。


圖1示出了耦合在過程控制總線和網絡之間的橋接器和主機數據 伺服器。
圖2-3示出了橋接器的第一實施例的詳細示意圖。 圖4示出了功率限制器電路的控制流程圖。
圖5示出了可與主機相連的橋接器的第二實施例，該主機不能提 供為橋接器供電的USB功率。
圖6示出了可與主機相連的橋接器600的第三實施例，該主機能 提供為橋接器和現場總線線路供電的USB功率。
具體實施例方式
圖1示出了一種用於把從現場總線線路104接收的數據102耦合 至網絡線路106的系統，其中網絡線路106把該數據耦合至控制網絡 120。數據102典型地包括實時過程變量，例如壓力、溫度、流量、閥 門設置和類似的由現場設備，例如與現場總線線路104連接的過程傳 送儀(未示出)或控制閥門(未示出)所產生的變量。另一方面，控 制網絡120典型地包括與現場總線網絡相比在更高的系統控制等級上 操作的網絡。
需要在現場總線線路104和網絡線路106之間傳遞數據，從而網
絡120能夠訪問來自現場設備的實時數據。如果現場總線線路104被 直接連接至網絡線路106 (或與其共享公共導線)，則會形成同時向網 絡線路106和現場總線線路104引入噪聲的電接地環路。該噪聲的電 勢會導致網絡120或與現場總線線路相連的現場設備發生故障。
如下文所述，圖1中所示的系統IOO通過為數據通信提供第一電 化隔離屏障而避免了該直接連接(或共享公共導線)。圖1所示的電路 需要用於其自身操作的電功率。如下文所述，圖1中的系統100還把 功率耦合經過第二電化隔離屏障，以避免順著數據格式轉換路徑和供 電路徑的接地環路。
系統100為了網絡兼容性而重新格式化現場總線數據102。系統 100把根據現場總線協議而格式化的數據102轉換為網絡線路106上 通信的數據，該數據根據標準的網絡協議而被格式化，例如HSE (FF 高速乙太網)、OPC (用於過程控制的OLE)、 Modbus TCP、 HTTP、 FTP、 Web service或其它標準協議。系統100提供現場總線線路104 和網絡線路106之間的電化隔離。系統100還提供了電化隔離柔性 (flexible)功率調節裝置，用於使用來自多個交替的現場總線或USB 電源的功率為數據轉換供電。
系統IOO優選地包括數據處理級的級聯，該數據處理級包括HI 現場總線接口 136、 Hl-現場總線-至-SCI轉換器137、 SCI-至-USB轉 換器108和USB接口 130。 SCI-至-USB轉換器108和Hl-現場總線-至-SCI轉換器137執行連續的轉換步驟，將根據現場總線協議的數據 102轉換為根據通用串行總線(USB)協議的USB數據113。
耦合器110包括第一絕緣屏障112，第一絕緣屏障112提供了與 USB接口 130電連接的電路108和與其相對的(vis-a-vis)與現場總線 線路104電連接的電路137、 136、 144之間的電化隔離。耦合器110 中的絕緣屏障112耦合數據，但阻止電流流過屏障112。絕緣屏障112 阻止了沿著數據處理路徑的接地迴路。耦合器iio優選地包括雙向磁 阻耦合器或雙向光耦合器。數據以光或磁的形式而不是電流或電壓的 形式流過絕緣屏障112。
主機數據伺服器114，優選地為個人計算機，接收USB數據113。主機114包括數據伺服器接口 116和網絡連接118。數據伺服器接口 116把源自現場總線104的重新格式化並隔離的數據提供給網絡連接 118。主機114優選地包括耦合至數據伺服器接口 116的現場總線數據 表126。現場總線數據表126中的數據欄位被USB數據113更新。網 絡連接118連接至網絡線路106。網絡線路106耦合至網絡120。網絡 120可通過在網絡線路106和網絡連接118上與數據伺服器接口 116 通信而訪問數據102。
系統100還包括調節器122。該調節器122對主機114和現場總 線線路104之間的功率進行耦合。調節器122包括第二絕緣屏障124。 第二絕緣屏障124優選地包括把隔離的電源變壓器的主線圈和次線圈 相分離的絕緣材料。第二絕緣屏障124耦合功率，但阻止電流流過該 屏障124。功率以磁場的形式而不是電流或電壓的形式通過絕緣屏障 124。調節器122中的絕緣屏障124耦合功率，但阻止電流流過該屏障 124。絕緣屏障124防止沿著調節器路徑的接地迴路。在一個優選設置 中，轉換器108、耦合器110和調節器122被裝配到橋接器128中。 橋接器128關於數據和功率傳輸是電化隔離的。
在這個實施例中，第一 USB接口 130把來自轉換器108的數據耦 合至主機114，並把來自主機114的功率耦合至調節器122。主機包括 把數據和功率耦合至橋接器128的第二 USB接口 132。系統100包括 耦合在第一USB接口 130和第二USB接口 132之間的USB電纜134， 用於攜帶數據和功率。數據能夠在從現場總線線路至網絡120的單方 向上流動，或者能夠在現場總線線路104和網絡120之間雙向流動。
橋接器128把USB接口 130與現場總線線路104電化隔離。橋接 器128是現場總線線路104和USB接口 130之間流動的電流的屏障。 然而，橋接器128允許數據和功率(激勵)在現場總線連接136和USB 接口 130之間流動。下面通過圖2-3所示的例子更加詳細地描述橋接 器128。
圖2-3示出了橋接器200。當把圖2-3放置在一起以形成橋接器 200的完整示意圖時，圖2-3會得到最佳的理解。
橋接器200包括數據格式轉換器208 (圖2)，與電化隔離耦合器210、 HI現場總線至SCI數據格式轉換器237和HI現場總線接口 236 (其部分同時顯示在圖2， 3中)級聯地耦合。數據格式轉換器237把 從HI現場總線接口 236接收的(TX/RX)格式化的數據轉換至SCI 格式的數據。SCI格式的數據經過電話隔離耦合器210耦合至轉換器 208。數據格式轉換器208在作為USB接口 230 —部分的USB觸點 USB-2、 USB-3上提供USB數據213。電化隔離耦合器210包括提供 現場總線線路202和轉換器208之間的電化隔離的第一絕緣屏障212。 耦合器210包括雙向磁阻耦合器。在優選的設置中，耦合器210包括 可以從Analog Device, One Technology Way, Norwood, MA02062-9106 USA獲得的ADUM 1301 。
橋接器200還包括調節器222，其包括圖2-3中被由交替的點和破 折號組成的虛線所環繞的電路。調節器222把作為USB接口 230 —部 分的引腳USB-1、 USB-4之間的功率耦合至作為HI總線接口連接器 236 —部分的現場總線線路J236-16、 J236-15 (圖3)。調節器222包 括第二絕緣屏障224。
調節器222包括功率限制器240，其設置從引腳USB-1 、 USB-4 流向ANY現場總線線路的功率的功率界限。該橋接器包括外部現場總 線功率輸入242。調節器222中的功率限制器240檢測外部現場總線 功率輸入242上可用的功率，並在把功率施加到外部現場總線功率輸 入242時自動減少從引腳USB-1 、 USB-4吸取的功率。
在這個實施例中，調節器222包括從USB-1 、 USB-4或外部現場 總線功率輸入242向現場總線線路J236-15和J236-16供電的二極體 "OR"電路244。當由外部現場總線功率輸入242供電時，二極體"OR" 電路244阻止功率從現場總線線路J236-16流回調節器222。
調節器222包括切斷電路246，當由外部現場總線功率輸入242 供電時，切斷電路246切斷從USB-1獲取的功率。
調節器222包括隔離的DC-到-DC轉換器248，其包括第二絕緣 屏障224。 DC-至U-DC轉換器248優選地包括可以從Burr-Brown, 6730 S. Tucson Blvd., Tucson, AZ 85706 USA獲得的零件DCP010515。轉 換器208提供耦合至隔離的DC-到-DC轉換器248的掛起(suspend)
輸出250，用於在USB接口 230空閒時掛起DC-到-DC轉換器248的 操作。在優選的設置中，轉換器208自動檢測協議特徵，例如H1現 場總線接口連接器線路TX、 RX、 RTS上的時鐘速率，並調整操作以 適應檢測到的協議特徵。
圖4示出了控制方法的一個實施例的流程圖，該控制方法用於功 率限制器電路，+起於開始402並沿著線404、 408繼續至判決塊410。 在判決塊410，電路檢測現場總線功率是否有效，這指示現場總線線 路是否與橋接器相連。如果現場總線功率有效，則程序沿著線412繼 續至動作塊414。在動作塊414，關閉內部低電壓源，然後程序沿著線 416、 408返回至判決塊410。如果在判決塊410處現場總線功率無效， 則程序沿著線418繼續至動作塊420。
在動作塊420，開啟內部低電壓源，然後程序沿著線422繼續至 判決塊424。如果在判決塊424處沒有檢測到電流，則程序流沿著線 426繼續至動作塊428。在動作塊428，關閉內部現場總線功率，然後 程序流沿著線430、 408返回至判決塊410。如果在判決塊424處檢測 到電流，則程序流沿著線432繼續至動作塊434。
在動作塊434，關閉內部低電壓源，並且程序流沿著線436繼續 至動作塊438。在動作塊438，開啟內部現場總線功率，然後程序流沿 著線440返回至判決塊424。
圖4所示的過程可由模擬電路、數字電路或模擬和數字電路的組 合而執行。當橋接器在現場總線線路和主機之間轉移數據時，圖4所 示的處理過程優選地在後臺執行。圖4所示的過程可基於連續的檢査 以查明是否連接有電纜、而且該電纜是否提供了能用於為橋接器電路 的一部分供電的供電電壓，以調整橋接器內的供電管理。
圖5示出了與橋接器200 (圖2-3)相似的橋接器500的一個實施 例，然而，橋接器500被設計用來連接至不能提供用於為橋接器500 供電的USB功率的主機，例如電池供電的個人數字助理(PDA)。在 圖5中，與圖2-3中相同的附圖標記代表相同或相似的特徵。在橋接 器500中，調節器222包括具有電化屏障224的DC/DC轉換器248。 DC/DC轉換器248的輸出被耦合至轉換器208和耦合器210，從而向
轉換器208和耦合器210供電。DC/DC轉換器248的輸入在觸點 J236-15和J236-16處耦合至現場總線線路。DC/DC轉換器248把來自 現場總線接口的功率耦合至轉換器208。
圖6示出了與橋接器200 (圖2-3)相似的橋接器600的實施例， 然而，橋接器600被設計用來連接至能提供用於向橋接器600和現場 總線線路供電的USB功率的主機。在圖6中，與圖2-3相同的附圖標 記代表相同或相似的特徵。在橋接器600中，調節器222包括具有電 化屏障224的DC/DC轉換器248。 DC/DC轉換器248的輸出耦合至 J236-15和J236-16，從而向現場總線線路供電。DC/DC轉換器248的 輸入被耦接至USB連接器的引腳USB-1和USB-4。DC/DC轉換器248 把來自橋接器USB接口的功率耦合至現場總線接口 。
在一個實施例中描述的特徵能夠適當地應用在另一個實施例中。 雖然參考優選實施例對本發明進行描述，本領域的技術人員可以 理解，在不背離本發明的範圍的前提下，可以在形式和細節上做出改 變。
權利要求
1.一種用於把從現場總線接口以現場總線格式接收的數據耦合至網絡連接的系統，包括數據格式轉換器，耦合在所述現場總線接口和橋接器USB接口之間，所述轉換器將所述數據轉換成USB格式的數據；與所述轉換器級聯耦合的耦合器，包括第一絕緣屏障；接收所述USB格式的數據的主機，包括向所述網絡連接提供所述數據的數據伺服器接口；以及調節器，對所述橋接器USB接口和所述現場總線接口之間的功率進行耦合，所述調節器包括第二絕緣屏障，使得對所述現場總線接口和所述橋接器USB接口之間的數據和功率隔離地進行耦合。
2. 如權利要求1所述的系統，其中，所述耦合器包括雙向磁阻親合器o
3. 如權利要求1所述的系統，其中，所述耦合器包括雙向光耦合器o
4. 如權利要求1所述的系統，其中，所述主機包括耦合至所述 數據伺服器接口的現場總線數據表。
5. 如權利要求1所述的系統，其中，所述數據格式轉換器、耦 合器和調節器被包括在橋接器中。
6. 如權利要求5所述的系統，其中，所述橋接器USB接口耦合 至所述數據格式轉換器和所述調節器，所述主機包括主機USB接口， 而且所述系統還包括耦合在所述橋接器和所述主機USB接口之間的 USB電纜。
7. 如權利要求6所述的系統，其中，所述調節器包括為所述橋 接器USB接口至所述現場總線接口之間的功率流設置功率界限的功 率限制器。
8. 如權利要求7所述的系統，其中，所述調節器包括切斷電路， 所述切斷電路檢測所述現場總線接口處可用的功率，並在現場總線線 路向所述現場總線接口供電時自動減少從所述橋接器USB接口吸取 的功率。
9. 如權利要求8所述的系統，其中，所述調節器包括從所述橋 接器USB接口或所述現場總線線路吸取功率的二極體"OR"電路， 所述二極體"OR"電路在所述現場總線線路供電時阻止功率從所述現 場總線線路流回所述調節器。
10. 如權利要求8所述的系統，其中，所述切斷電路耦合至所述 功率限制器，用於在所述現場總線線路供電時切斷從所述橋接器USB 接口獲取的功率。
11. 如權利要求l所述的系統，其中，所述調節器包括具有第二 絕緣屏障的隔離的DC-到-DC轉換器。
12. 如權利要求11所述的系統，其中，所述轉換器提供耦合至 所述隔離的DC-到-DC轉換器的掛起輸出，用於在第一 USB接口空閒 時掛起所述DC-到-DC轉換器的操作。
13. 如權利要求l所述的系統，其中，所述轉換器自動檢測所述 現場總線接口處的協議特徵，並根據檢測到的協議特徵調整其操作。
14. 如權利要求l所述的系統，其中，所述調節器包括把來自所 述橋接器USB接口的功率耦合至所述現場總線接口的DC/DC轉換器。
15. 如權利要求l所述的系統，其中，所述調節器包括把來自所 述現場總線接口的功率耦合至所述轉換器的DC/DC轉換器。
16. —種用於把來自現場總線線路的現場總線數據耦合至網絡線 路的方法，包括把所述現場總線數據轉換為USB數據； 把第一絕緣屏障與所述轉換級聯地進行耦合； 在主機處接收所述USB數據；為所述主機提供數據伺服器接口和網絡連接，所述數據伺服器接 口把所述USB數據提供給所述網絡連接；以及通過第二絕緣對所述主機和所述現場總線線路之間的功率進行 耦合，使得對所述現場總線接口和所述網絡連接之間的數據和功率隔 離地進行耦合。
17. 如權利要求16所述的方法，並且 提供包括第一絕緣屏障的雙向磁阻耦合器。
18. 如權利要求16所述的方法，並且 提供包括第一絕緣屏障的雙向光耦合器。
19. 如權利要求16所述的方法，並且在所述主機中把來自所述現場總線數據表的數據耦合至數據服 務器接口。
20. 如權利要求16所述的方法，並且提供橋接器，以執行所述轉換、所述第一絕緣屏障的耦合以及所 述功率耦合。
21. 如權利要求20所述的方法，並且通過USB電纜，對所述橋接器內的橋接器USB接口至所述主機 內的主機USB接口之間的數據進行耦合。
22. 如權利要求21所述的方法，並且為從所述橋接器USB接口至所述現場總線接口的功率流設置功 率界限。
23. 如權利要求21所述的方法，並且檢測所述現場總線接口處可用的功率，並在現場總線線路供電時 自動減少從所述橋接器USB接口吸取的功率。
24. 如權利要求23所述的方法，並且通過二極體"OR"電路，從第一USB接口或所述現場總線線路 向所述現場總線線路供電，所述二極體"OR"電路在所述現場總線線 路供電時阻止功率從所述現場總線線路流回所述調節器。
25. 如權利要求23所述的方法，並且當所述外部現場總線功率輸入供電時，切斷從第一 USB接口獲 取的功率。
26. 如權利要求16所述的方法，並且在所述調節器中，提供包括第二絕緣屏障的隔離的DC-到-DC轉換器。
27. 如權利要求26所述的方法，並且 向所述隔離的DC-到-DC轉換器提供掛起輸出，用於在第一 USB 接口空閒時掛起所述DC-到-DC轉換器的操作。
28. 如權利要求16所述的方法，並且自動檢測所述現場總線線路上的協議特徵，並根據檢測到的協議 特徵調整操作。
29. 如權利要求16所述的方法，其中，所述功率耦合包括把來 自所述橋接器USB接口的功率耦合至所述現場總線接口的DC/DC轉 換。
30. 如權利要求16所述的方法，其中，所述功率耦合包括把來 自所述現場總線接口的功率耦合至所述轉換器的DC/DC轉換。
31. —種用於把從現場總線接口以現場總線格式接收的數據耦合 至主機的系統，包括數據格式轉換器，耦合在所述現場總線接口和橋接器USB接口之 間，所述轉換器把數據轉換成能與所述主機進行耦合的USB格式的數 據；與所述轉換器級聯耦合的耦合器，包括第一絕緣屏障；以及 調節器，對所述橋接器USB接口和所述現場總線接口之間的功率進行耦合，所述調節器包括第二絕緣屏障，使得對所述現場總線接 口和所述橋接器USB接口之間的數據和功率隔離地進行耦合。
全文摘要
一種把來自現場總線線路(104)的現場總線數據(102)耦合至網絡線路(106)的系統(100)。該系統包括把數據轉換成USB數據(113)的數據格式轉換器(108)。包括第一絕緣屏障(112)的耦合器(110)與轉換器級聯地耦合。主機(114)接收USB數據。該主機具有數據伺服器接口(116)和網絡連接(118)。該數據伺服器接口向網絡線路(106)提供數據。包括第二絕緣屏障(124)的調節器(122)對主機和現場總線線路之間的功率進行耦合。數據和功率在現場總線線路和網絡線路之間被隔離地耦合。
文檔編號G05B19/042GK101099333SQ200580046350
公開日2008年1月2日 申請日期2005年12月19日 優先權日2005年1月12日
發明者克拉倫斯·埃德沃德·霍姆斯塔德, 埃裡克·達雷·羅特伏德, 約翰·P·布萊韋 申請人:羅斯蒙德公司