CN100360902C - 用于过程自动化的可变现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过程自动化的现场设备，其中使用可重复编程逻辑器件以得到关于硬件部件的高灵活性。

Description

用于过程自动化的可变现场设备

技术领域

本发明涉及一种用于过程自动化的可变现场设备。

背景技术

在自动化和过程控制技术中，在工业过程的流程中的许多场合中使用现场设备，用于测量过程变量(传感器)或控制被控变量(传动器)。

通常知道用于确定流量、料位状态、压差、温度等的现场设备。为了检测质量或体积、流速、料位、压力、温度等相应的过程变量，经常将现场设备放置在相关过程部件的附近。

现场设备传递对应于被检测的过程变量的值的测量信号。这个测量信号被转发给控制单元(例如，可编程逻辑控制器PLC，控制室或过程控制系统PLS)。通常，由控制单元实现过程控制，不同现场设备的测量信号在该控制单元被计算并基于计算生成用于传动器的控制信号，传动器控制过程的行进。

对于传动器的一个例子，可以提到可控阀，其调节在一段管道中液体或气体的流速。

现场设备和控制单元之间的信号传输可以以模拟或数字形式发生(例如，电流回路或数字数据总线)。已知的用于信号传输的国际标准包括：4-20毫安电流回路、HART^、Profibus^、Foundation Fieldbus或CAN-bus。

现场设备中的信号处理以及现场设备与控制单元或其它现场设备的通信通常变得更为复杂。为了解决这一点，在现场设备中实现了具有相应软件的多种硬件部件。作为顺序程序在微处理器中运行的软件通常非常灵活并且能够容易地替换。使用软件的缺点在于，数据处理顺序进行并且因而相对较慢。

相反，硬件部件具有固化在特殊芯片(IC)中的确定功能。这样的例子有ASIC(专用集成电路)或SMD(表面安装器件)。这些设备是高度应用特定的，并且能够例如很快地执行计算量很大的FFT(快速傅立叶变换)。这些硬件部件的缺点在于，它们的灵活度小，并且为了获得功能的改变通常必须将其替换。

类似的，现场设备与上级的计算单元的通信是部分仍然以模拟方式通过合适的硬件部件发生的，或者通过数字数据总线发生的。

每一现场设备通常由多种硬件部件组成，这些硬件部件确定现场设备的功能。不同的现场设备，例如科里奥利质量流量计或电磁流量计(MID)，具有完全不同的硬件部件。即使对于同一现场设备，例如科里奥利质量流量计，例如用于通信的硬件部件也可能不同。为了连接至Profibus，需要Profibus模块，用于连接至Foundation Fieldbus、FF模块等。根据现场设备是否要传递频率、脉冲或电流信号，必须提供相应的硬件部件。

这种部件的多样性意味着制造费用相当高，因为必须有很多硬件部件是可用的。

在现场设备情况中的一个趋势是，现场设备总应当是紧凑的。因此，器件，特别是硬件部件，通常在各个电路板上更为靠近在一起。这几乎达到了极限。

为了保证现场设备的安全性以及对于功能的可用性，必须在电路板的组装之后测试硬件部件。为了及时的测试策略，在电路板的下侧提供多个测试垫。可以使用所谓的“探针接头(Nadeladaptor)”接触这些垫。在这种情况中，仅有某些电路部分可以被隔离测试。

如果现场中，科里奥利质量流量计要由电磁流量计替换，则必然需要替换整个现场设备。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于过程自动化的可变现场设备。它不应当显示上述缺点，应当是可变的，具有紧凑的结构形式，由很少的部分组成，展示高度的安全性和可靠性，并且同时廉价且易于制造。

这个目的通过一种用于过程自动化的可变现场设备得到，其包括用于测量值检测的传感器模块、其后连接的信号处理模块和与用于将现场设备与上级控制计算单元连接的通信模块相连的处理器模块，其特征在于，以可重复编程逻辑器件的形式提供信号处理模块和处理器模块。

本发明的一个基本思想在于，现场设备的多种模块为可重复编程芯片的形式。可重复编程逻辑器件是非常灵活的，并且能够被构造的很简单，使得它们可以用于多种硬件部件中。

附图说明

现在根据附图中展示的实施例的例子详细解释本发明，附图中：

图1示意性显示了数据总线系统；

图2示意性显示了具有多种硬件部件的现有现场设备；

图3示意性显示了本发明的现场设备；

图4示意性显示了具有快速存储器的可重复编程逻辑器件；

图5示意性显示了与存储器和负载控制器的逻辑器件。

具体实施方式

图1显示了数据总线系统DBS，其包括多个现场设备和过程控制系统PLS。现场设备包括多种传感器S1、S2、S3和传动器A1、A2。数据总线用户(现场设备和过程控制系统)经由数据总线DB相互连接。

过程控制系统PLS通常位于控制室内，从该控制室发生整个过程控制。传感器S1、S2、S3和传动器A1、A2在现场中，即，位于各个过程部件处(水池、填料装置、管道等)。传感器S1、S2、S3例如检测它们所处的特定过程部件的过程变量温度、压力或流速。传动器A1和A2作为阀门控制管道的一部分中液体或气体的流速。

过程控制系统PLS、传感器S1、S2、S3和传动器A1、A2之间的数据通信根据国际标准化传输技术(RS435、IEC1158)，利用特殊的协议(例如，Profibus、Foundation Fieldbus、CAN-Bus)而以已知的方式发生。

图2显示了以典型的传感器S1形式的现场设备。传感器S1包括与传感器单元SE相连的测量变换器MA。传感器单元SE之后是数字信号处理器DSP。数字信号处理器与系统处理器MP相连。系统处理器MP经由通信单元CE与数据总线DBL相连。进一步，系统处理器MP与具有多个输入输出I/O的模拟单元AE相连。显示及操作单元AB用于显示测量值以及手动输入，其类似的与系统处理器MP相连。由电源单元SV对传感器1供电，电源单元SV连接至传感器S1的多个硬件部件，如虚线所示。供电可以外部发生或者通过数据总线DBL发生。

数字信号处理器DSP和系统处理器MP各自与监视器W1、W2和EEPROM存储器E1、E2相连。

测量变换器MA用于检测所关心的过程变量，并且基于例如温度敏感电阻或压敏压电元件或检测科里奥利质量流量计的管振荡的两个线圈。测量变换器MA的模拟信号在传感器单元SE中被改变为数字信号，并进一步在数字信号处理器DSP中被处理并且作为测量值送入系统处理器MP。系统处理器MP控制整个传感器S1。经由通信单元CE连接至数据总线DBL。通信单元CE读取数据总线DBL上的电报，并且其自己将数据写到数据总线DBL上。它支持对于应用选择的特定传输技术的所有发送和接受功能。

原理上，每一现场设备都具有：传感器模块SM，其包括测量变换器MA和传感器单元SE；信号处理模块VM，其可以是例如数字信号处理器DSP；处理器模块PM，其基本为系统处理器MP；和通信模块CM，其是通信单元CE和/或模拟单元AE。

图3显示了本发明的传感器S1的一个实施例的第一例子。图3基本上对应于图2，不同之处在于，数字信号处理器DSP和系统处理器MP以及监视器W1、W2和EEPROM E1、E2由逻辑器件LB代替。逻辑器件LB还与永久性存储器SP(快速存储器)和负载控制器LC相连。

图4显示了实施例的另一例子。这里，逻辑器件LB不仅包括数字信号处理器DSP和系统处理器MP，还包括显示及操作单元AB的零件，以及通信单元CE和模拟单元AE以及传感器单元SE的零件。

在实施例的这个例子的情况中，逻辑器件LB包括传感器S的所有数字操作器件。逻辑器件LB的输出仅用于启动传感器S1的模拟器件。

逻辑器件LB是可重复编程逻辑器件，例如可以从Altera^公司获得的商标为Excalibur^的逻辑器件。

图5更具体地显示了逻辑器件LB的结构。存储器SP被分为两个存储器范围A和B。存储器范围A包含逻辑器件LB的硬件的说明，存储器范围B包含了用于嵌入式控制器的顺序程序。系统开始时，逻辑器件LB的硬件被借助于负载控制器LC而配置。因而配置至少一个嵌入的处理器EP、一个存储器M和一个逻辑L。一旦配置了逻辑器件LB的硬件，用于嵌入式控制器的顺序程序被载入存储器M。

这个过程得到了本发明的传感器的一个基本优点，即，在系统开始时，硬件和软件都可以以任何期望的方式配置并且从而匹配应用的特定要求。

在工业中，这种逻辑器件也被称为SOPC系统或可编程芯片。通过使用可重复配置的逻辑器件LB，科里奥利质量流量计可以容易地被电磁流量计MID或任何其他现场设备替换。这需要做的仅仅是在系统启动时通过存储器范围A和B中新的存储器信息合适的配置逻辑器件LB。

如图4所示，通信模块的零件也可以集成在逻辑器件LB中。以这样的方式，对于HART^协议设计的传感器可以容易地转换为适于Profibus^或FF的传感器。为此，仅需要在系统启动时配置逻辑器件LB的适当区域。

通过使用可重复配置的逻辑器件LB，为现场设备的制造带来负担的零件多样性被显著减小。本发明的现场设备提供的进一步的优点是，可能有新的测试策略。原理上，逻辑器件LB的任何区域，即功能，都可以被隔离及监控。为了做到这一点，逻辑器件仅需要被相应的配置，并且在适当的测试点存取或送入信号。

在可重复配置的逻辑器件的帮助下，有可能配置硬件部件，并且因而有可能容易地改变功能及性能。以这样的方式，硬件部件可以根据不同的任务和功能而修改。可以容易地定义输入和输出I/O。特别地，有可能在硬件和软件上容易地定义并修改功能块，例如FlexibleFunction Blocks(Foundation Fieldbus^ Organization)或Profibus^_function块(Profibus^_Organization)。功能块(FlexibleFunction Block或Profibus^)被载入可重复配置的逻辑器件并且自己生成其I/O。以这样的方式，逻辑器件LB在载入相应的功能块之后可以用于多种功能。

本发明的一个基本思想是，使用可重复配置的逻辑器件使得有可能在较宽的应用范围中灵活实施现场设备。当然，本发明不仅仅限于现场设备的领域，而是还可以用于适于例如汽车制造领域中的传感器和传动器。

Claims (11)

1.用于过程自动化的可变现场设备，包括用于测量值检测的传感器模块SM、其后连接的信号处理模块VM和与用于将现场设备与上级控制计算单元连接的通信模块CE相连的处理器模块PM，其特征在于，以可重复编程逻辑器件LB的形式提供信号处理模块VM和处理器模块PM。

2.如权利要求1所述的可变现场设备，其中可重复编程逻辑器件LB包括通信模块CE的零件。

3.如权利要求1所述的可变现场设备，其中可重复编程逻辑器件包括传感器模块SM的零件。

4.如权利要求1所述的可变现场设备，其中可重复编程逻辑器件LB包括传感器模块SM的所有数字工作器件。

5.如权利要求1所述的可变现场设备，其中可重复编程逻辑器件LB至少包括一个嵌入式处理器EP、一个存储器M和一个逻辑L。

6.如权利要求1所述的可变现场设备，其中可重复编程逻辑器件LB在操作中用作SOPC系统。

7.如权利要求1所述的可变现场设备，其中通信模块CE具有数据总线接口或者一个或多个模拟输入/输出I/O。

8.如权利要求7所述的可变现场设备，其中数据总线接口是Profibus^、Foundation Fieldbus^或CAN^-Bus。

9.如权利要求7所述的可变现场设备，其中模拟输入/输出I/O是频率输出或脉冲输出。

10.如权利要求1所述的可变现场设备，其中在可重复编程的逻辑器件LB中载入功能块。

11.如权利要求10所述的可变现场设备，其中功能块是FoundationFieldbus^的Flexible Function Block或Profibus^功能块。

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