用於自動化技術現場設備的無線電模塊的製作方法

2023-10-08 01:19:59 1

專利名稱：用於自動化技術現場設備的無線電模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於自動化技術現場設備的無線電模塊，如權利要求1的前序部分所述。
背景技術：
自動化技術中廣泛使用現場設備，用於檢測測量值，例如過程元件處的壓力、溫度或流量。通常，測量值被轉發至上位單元，例如控制單元或系統，在那裡它們可以被進一步處理或顯示。
除了從現場設備到接收器的數據傳輸，還需要到現場設備的數據傳輸，例如用於設置或配置或參數化數據。通過相應選擇的參數(測量單位、極限值等)，現場設備可以適應特定測量任務。
在現場設備和上位單元之間的數據傳輸往往經由具有相應電纜連接的現場總線系統(Hart，Profibus或Foundation Fieldbus)發生。如果經由現場總線進行供電，那麼這就是總線供電設備，即，2線設備。如果除了現場設備，還需要附加的連接線用於供電，那麼這是4線設備。
沒有電纜的網絡，即所謂的無線電網絡已經對於傳感器是已知的。這種無線電網絡在US-6208247中有詳細說明。
然而，在這種無線電網絡的傳感器的情況中，只有可能在一個方向上的數據傳輸，並且它實際上是從傳感器到上位單元的。即，只有純測量值可以被傳輸至上位單元。這排除了從控制系統配置或參數化現場設備的可能性。無線電網絡特別適用於不期望敷設電纜或者敷設電纜必須有很大花費的那些工業應用。
用於傳感器的無線電網絡在IEEE 802.15.4標準中已經較為詳細地作了說明。ZigBee Alliance工業聯盟正在開發使用這種新技術的用於多種應用領域的應用規範、網絡及安全標準。
正在開發的用於無線電網絡的傳感器(現場設備)非常複雜且昂貴。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於現場設備的無線電模塊，該無線電模塊簡單且成本低廉，並且允許在無線電網絡中使得現有的現場設備。
這個目的通過權利要求1限定的特徵得以實現。
從屬權利要求中給出了本發明的進一步發展的優點。
本發明的一個基本思想在於通過無線電模塊擴展現有的現場設備，該無線電模塊一方面用於與上位單元的數據通信，另一方面還負責現場設備的供電。為此，無線電模塊除了無線電單元之外，還包括微控制器，其可經由現場設備接口和數據連接線與現場設備相連。為了現場設備的供電，無線電模塊包括供電單元，其經由相應的連接向現場設備提供電壓。
原理上，使用這種無線電模塊，可以簡單的擴展任何現有的現場設備，以將其安裝在無線電網絡中。除了將測量值傳輸至接收單元，還可以藉助於無線電模塊完成參數值到現場設備的傳輸。由於僅僅通過無線電模塊向現場設備供電，所以原理上可以將裝備有無線電模塊的現場設備安裝在任何位置。對於供電，可以有多種變型，諸如蓄電池、太陽能電池或燃料電池等。然而，其它選擇包括安裝有線連接的電源。
特別是由於電池的容量有限，期望現場設備和無線電模塊一起消耗儘可能少的能量。
於是，在無線電模塊中提供能量控制單元。
另外，在無線電模塊中提供系統時鐘(實時時鐘RTC)。
關於無線電傳輸方法，特別適合的是FHSS或DSSS方法。UWB方法提供了特殊的優點。
這些無線電傳輸方法都致力於小的能耗。
各個現場設備彼此之間的數據傳輸優選地使用已知的網格技術進行。


現在根據附圖中顯示的實施例詳細解釋本發明，附圖中圖1是具有多個現場設備的第一無線電網絡；圖2是具有多個現場設備的第二無線電網絡；和圖3給出了具有無線電網絡的現場設備的框圖。
具體實施例方式
圖1顯示了具有多個現場設備F1、F2、F3、F4……的第一無線電網絡。虛線顯示了現場設備彼此之間或者與網關G的各個無線電連接RC。網關G可以是遠程傳輸單元(例如Endress+Hauser公司的產品「Fieldgate」)，其通過無線電與各個現場設備通信。藉助於遠程傳輸單元G，原理上可以例如經由網際網路、GSM或固定網絡實現到上位單元的世界範圍的通信。以這種方式，各個現場設備的測量值可以在世界範圍內被傳輸至任何位置並在那裡被分析。
所示的現場設備可以是例如流量測量儀表，其安裝在原油或穀物的存儲容器中。於是，可以遠程監控並控制這種存儲容器的料位。
正如可以在圖1中看到的，現場設備經由多個無線電連接路徑彼此連接。這意味著，在確定的無線電連接FV故障的情況中，可以經由另一條無線電連接路徑維持數據通信。當障礙物(例如金屬罐)阻止到最近的現場設備的直接連接時，可以經由另一無線電連接進行數據通信。
圖2顯示了具有多個現場設備F1、F2、F3和網關G的第二無線電網絡。通過用作中間站的各個現場設備F2、F3，增加無線電網絡的達到範圍。每一現場設備經由兩條或一條無線電連接路徑FV連接至其最近的鄰居。這裡，現場設備F2或F3具有重複器的功能。以這種方式，即使在各個發送器(現場設備)的發送功率很小的情況，也可以增加無線電網絡的到達範圍。
在現場設備的情況中，適合用作無線電連接的無線電傳輸技術是寬帶技術，例如跳頻擴頻(FHSS)或直接序列擴頻(DSSS)方法。另一種方法是超寬帶(UWB)技術。這種無線電傳輸方法僅需要非常小的發送功率，這對於現場設備的情況是有很大優點的，因為可用功率通常是有限的。
由於這種系統已經用於其它技術領域中，所以相應的接收器以及發送器硬體可以成本低廉且簡單地安裝。因此不需要複雜的新的開發。
在UWB方法的情況中，發送器發送非常短的發送脈衝，其覆蓋幾GHz的非常大的頻譜範圍。在這些非常短的極其寬帶的脈衝中傳輸信息。各個頻率範圍的失真或吸收對於傳輸質量沒有決定性的影響，因為即使在較小的擾動的情況中，仍然有足夠大的頻率範圍沒有擾動地抵達接收器。正如已經提到的，這種技術允許使用價格非常低廉的發送器和接收器單元，因為不需要硬體用於將接收及發送範圍限制到固定的窄的頻率範圍。
由於較低的發送功率，相應網絡的操作可以沒有無線電許可。在其它傳輸方法的情況中，通常對於所使用的頻帶需要相應的無線電許可。
這種無線電傳輸類型提供的進一步的優點是可以根據行程時間測量原理對各個現場設備進行精確到釐米的定位，正如在雷達測量中部分使用的。
於是，現場設備可以被非常精確地在工廠中定位。這例如當工廠計劃並不精確並且需要找到特定現場設備時很重要。
圖3以框圖顯示了具有無線電模塊的現場設備，例如圖1的現場設備F1。無線電模塊FM也可以可鬆開地與現場設備F1相連。無線電模塊FM包括微控制器μC、由RF晶片組構成的無線電單元RF、供電單元EVS和天線A。無線電模塊FM經由現場設備接口FIF與實際現場設備F1的傳感器電子器件E1相連。在所示的情況中，提供兩條連接線用於與現場設備F1的傳感器電子器件E1相連。在這兩條線上進行數據通信以及現場設備的供電。為了能夠觀察，對於實際現場設備F1僅顯示了傳感器電子器件E1、測量變送器MP和模數轉換器A/D。
另外，無線電模塊FM包括能量控制單元ESE。
供電單元EVS可以是蓄電池或燃料電池。從圖中可以清楚地看出，在供電單元EVS和實際無線電模塊2之間提供Ex間隔。這種Ex間隔使得即使在有爆炸危險的區域中，供電單元EVS也能夠被簡單地更換。
在現場設備F1和無線電模塊FM之間也提供這種Ex間隔。以這種方式，當實施為分離單元時，無線電模塊FM可以在有爆炸危險的區域中與現場設備相連。
無線電模塊FM還可以作為一個單元固定地集成在現場設備F1的外殼中。然而，正如上面所述，它也可以實施為分離的單元，可以拆卸地與現場設備F1相連。
這種模塊化結構的主要優點是，現存的現場設備也可以容易地適用於這種無線電技術。特別是對於具有典型現場設備接口(例如，4-20mA、HART、Profibus或Foundation Fieldbus)的現場設備，尤其是這樣。然而也可以想到利用無線電模塊操作具有數字開關輸出(例如，限位開關)的現場設備。
特別地，由於較低的傳輸速率，根據HART標準工作的現場設備特別好地適用於無線電網絡。在當前實施例中，現場設備接口FIF與HART協議適配。然後，測量值信息和狀態信息可以作為HART協議簡單地從傳感器電子器件E1傳輸至無線電模塊FM。配置數據也可以根據無線電經由無線電模塊而從上位單元傳輸至現場設備F1中的傳感器電子器件E1。然而，這裡必須遵循確定的時序需求。
經由無線電模塊FM，協議被透明地轉發。
沒有現場設備功能的無線電模塊FM可以用作簡單的重複器。這種無線電模塊僅用於在各個現場設備之間的數據傳輸。
由於常用的供電單元(蓄電池、燃料電池)具有有限的壽命並且現場設備在操作期間連續消耗能量，所以需要有效的能量管理。
這種能量管理由能量控制單元ESE執行。
只有當需要現場設備F1或無線電模塊FM的功能時，才將相應的單元完全操作準備就緒。
無線電模塊FM可以以三種不同模式操作，這些模式的不同在於它們的能耗。各個模式可以同時起作用或者彼此結合。
輪詢模式現場設備F1通常在靜止狀態。如果無線電模塊FM接收到對於現場設備F1的數據，則相應的信號被傳輸至現場設備F1，後者結束靜止狀態並使得能夠實現在無線電模塊和現場設備F1之間的數據通信。在確定的時間間隔中，每一無線電模塊FM收聽對於所連接的現場設備F1的數據。
預定傳輸模式現存設備F1和無線電模塊FM僅僅在特定時間有效。在這個有效時間期間，可以檢測測量值並且傳輸數據。在其餘時間，它們都處於靜止狀態並因而僅消耗非常少的能量。為此，無線電模塊FM中需要實時時鐘RTC，其提供了對於時間控制的基準時間。在有效時間中，可以傳輸有關現場設備、無線電模塊或供電單元的測量值以及狀態信息。
在有效時間期間也可以傳輸指示無線電單元正確工作的周期性信號。為此，在無線電模塊中實施心跳功能。
事件模式在這種模式中，來自現場設備F1的數據被暫時存儲在無線電模塊FM中並以一定的時間間隔發送至上位單元。
如果出現特定的狀態報告，則無線電模塊被啟動，並且數據被傳輸。
超越極限值或測量值改變的處理是類似的。
日誌模式無線電模式FM還可以具有記錄在期望的時間周期中的測量數據並且在下一次請求時將它們一起傳輸的能力。由此可以傳輸測量值曲線，而無需分離地發送每個單個的測量值。
正如已經提到的，在經由不同傳輸網絡的數據傳輸的情況中，必須考慮數據傳輸的時間特性。
在透明傳輸協議中，會出現時序問題。許多總線協議，諸如HART協議，需要遵循特定的時序條件。在經由無線電網絡以較低的數據傳輸速率進行的數據傳輸的情況中，往往不能滿足這些條件。於是，一個通知的兩個分組之間的時間間隔不得超過一個確定值。
在現場總線系統的情況中，數據在被傳輸之前被打包在特殊的幀中。這些幀的結構和長度依賴於特定的現場總線系統。為了無線電傳輸，幀必須被拆分，然後在接收器被相應地重組。只有當構成無線電網絡的所有無線電模塊理解合適的協議時，才可以在上位單元和現場設備之間簡單且無誤差地傳輸數據。
也可以對於不同的協議設計無線電模塊FM和遠程傳輸單元G。可以基於它們的獨特特性而自動識別協議。
無線電網絡中的每一無線電模塊擁有唯一的無線電地址，經由該地址可以向該無線電模塊通話。在現場總線系統的情況中，同樣通過唯一的總線地址Unique Identifiers識別參與者。遠程傳輸單元G必須向各個總線地址分配所屬的無線電地址。只有以這種方式，數據才可以從遠程傳輸單元G轉發至正確的現場設備。
有特別為點對點連接提供的協議。在這種應用的情況中，使用多路復用器，例如Hart多路復用器，以能夠有線連接地訪問多個現場設備。
類似地，在點對點連接上建立的系統的情況中，可以使用無線電多路復用器，其擔負通用的多路復用器的任務並將數據轉發至相應的現場設備。
權利要求
1.用於自動化技術現場設備的無線電模塊，其特徵在於，無線電模塊FM可經由現場設備接口與現場設備，例如F1相連，並且無線電模塊包括用於功能控制的微控制器μC、用於與上位單元數據通信的無線電單元RF以及供電單元EVS。
2.根據權利要求1所述的無線電模塊，其中到現場設備F1的供電以及與現場設備F1的數據傳輸經由公共的連接進行。
3.根據權利要求1所述的無線電模塊，其中到現場設備F1的供電以及與現場設備F1的數據傳輸經由分離的連接進行。
4.根據權利要求1所述的無線電模塊，其中在無線電模塊中提供能量控制單元ESE，其調節無線電模塊FM以及現場設備F1的各個元件的供電。
5.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中無線電模塊FM包括實時時鐘單元RTC。
6.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中無線電單元RF作為傳輸技術採用跳頻擴頻FHSS或直接序列擴頻DSSS方法。
7.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中採用超寬帶UWB方法作為傳輸技術。
8.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中無線電單元FE根據標準IEEE 802.15.4工作。
9.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中無線電模塊FM和現場設備F1之間的接口固有安全。
10.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中無線電單元RF和電源單元EVS之間的接口固有安全。
11.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中現場設備F1的狀態及可配置極限值被通過其標準接口監控並獨立地通知。
12.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中在一定的時間周期中記錄測量值，並且根據需要或者獨立地將它們作為測量序列一起傳輸。
13.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中可以通過所用的無線電協議實現總線協議的基本透明的傳輸，並且在這樣傳輸時特別地還考慮傳輸的總線協議的特定時序需求。
14.根據權利要求13所述的無線電模塊，其自動識別現場總線協議並相應地對於滿足所識別的現場總線協議的特定需求的通信而調整自身。
15.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中除了基於簡單現場總線協議的無線通信，無線電模塊還包括網際網路協議接口(例如，TCP/IP)並且從而支持網際網路應用，例如web伺服器、文件傳送或電子郵件傳輸。
16.根據前述任一權利要求所述的無線電模塊，其中它用作用於增加無線電網絡範圍的重複器。
17.用於多個現場設備的數據傳輸的方法，其特徵在於，多個現場設備包含如前述任一權利要求所述的無線電模塊，並且各個現場設備之間的數據傳輸根據網格技術進行。
全文摘要
用於自動化技術現場設備的無線電模塊FM可經由現場設備接口與現場設備，例如F1相連。無線電模塊FM包括用於功能控制的微控制器μC、用於與上位單元數據通信的無線電單元RF以及供電單元EVS。藉助於無線電模塊FM，現有的現場設備可以簡單地改造為可無線電的現場設備，以使它們也能夠用於無線電網絡中。
文檔編號H04L12/56GK1954276SQ200580012810
公開日2007年4月25日 申請日期2005年3月23日 優先權日2004年4月23日
發明者克裡斯蒂安·塞勒, 賴因哈德·格裡楚, 託爾斯滕·施普林曼 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾過程解決方案股份公司