CN101057191A - 具有射频通信能力的双协议手持现场维护工具 - Google Patents

具有射频通信能力的双协议手持现场维护工具 Download PDF

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Abstract

一种具有射频通信能力的双协议手持现场维护工具(22、200)。可以依靠插入手持现场维护工具(22、200)的SDIO槽(202)内的SDIO卡(204)来提供射频通信。还提供了一种使用双协议手持现场维护工具(22、200)与过程(10)进行交互的方法(300)。

Description

具有射频通信能力的双协议手持现场维护工具
技术领域
本发明涉及一种具有射频通信能力的双协议手持现场维护工具。
背景技术
手持现场维护工具是已知的。这种工具在过程控制和测量行业中非常有用，它允许操作员方便地与给定的过程装置中的询问现场设备进行通信。这种过程装置的示例包括：石油、制药、化学、纸浆和其它的过程装置。在这种装置中，过程控制和测量网络可能包括几十甚至几百个不同的现场设备，这些现场设备需要周期性地进行维护以确保正常的运行和/或校准。此外，当检测到过程控制和测量装置中的一个或多个错误时，手持现场维护工具的使用允许技术员快速地诊断现场中的这些错误。
手持现场维护工具可以遵照固有安全要求来制造。这些要求将会保证：如果把仪器正确安装在包含爆炸性气体的环境中时，仪器操作或故障不会产生点火。这一点是通过限制发射机在最坏情况故障的情形下所存储的最大能量而实现的。过度的能量释放可能导致点火或过热，这将会点燃爆炸性环境一所述工具可能在爆炸性环境中操作。
固有安全标准的示例包括欧洲CENELEC标准EN50014和50020、工厂共同标准(Factory Mutual Standard)FM3610、加拿大标准协会、英国针对易燃环境中的电子设备所批准的服务、日本工业标准以及澳大利亚标准协会。
一种固有的安全现场维护工具以商标模型275HART通信机而出售，可以从位于Eden Prairie，Minnesota的Fisher-Rosemount系统公司获得。HART是HART通信机构的注册商标。模型275提供了具有重要功能和能力的主机，而且通常允许进行高效的现场维护。然而，模型275当前不支持与非HART(高速可定址远程换能器)的设备进行通信。
HART协议具有混合的物理层，该物理层包括添加在标准的4-20mA模拟信号上的数字通信信号。数据传输速率大约为1.2Kbits/SEC。HART通信是过程工业中一种主要的通信协议。
另一种主要的过程工业通信协议是所谓的FOUNDATIONTM现场总线通信协议。这个协议基于ISA标准(ISA-S50.01-1992，由美国仪表协会于1992年颁布)。实际的实施方式由现场总线机构(FF)指定。FOUNDATIONTM现场总线是传输速率大约为31.25Kbits/SEC的全数字通信协议。
发明内容
一种具有射频通信能力的双协议手持现场维护工具。可以依靠插入到手持现场维护工具的SDIO槽内的SDIO卡来提供射频通信。还提供了一种使用双协议手持现场维护工具与过程进行交互的方法。
附图说明
图1示出了多点配线结构；
图2A和2B示出了更有安全现场维护工具与现场设备的连接方式；
图3是根据本发明实施例的现场维护工具的概图；
图4是根据本发明另一个实施例的现场维护工具的概图；
图5是根据本发明另一个实施例的现场维护工具的概图；
图6是根据本发明实施例与过程通信和控制系统进行交互的手持现场维护工具的概图；
图7是使用根据本发明实施例的双协议手持现场维护工具与过程通信和控制网络进行交互的方法的框图；
图8是根据本发明实施例与过程传感器进行交互的手持现场维护工具的概图。
具体实施方式
根据本发明实施例的一种改进的手持现场维护工具可以和至少两个工业标准设备描述一同操作，并且能够可操作地与射频通信模块相连。在一个具体实施例中，手持现场维护工具执行根据HART和FOUNDATIONTM现场总线而配线的通信，并包括射频通信模块。
改进的手持现场维护工具便于和单独的现场设备和/或传感器进行交互，同时提供了高级的诊断和/或配置特征。在阅读下文的描述后，将会理解根据本发明实施例的改进的手持现场维护工具的其它细节和益处。
图1示出了一种典型系统，本发明的实施例在该系统中特别有用。系统10包括控制器12、I/O和控制子系统14、固有安全(IS)屏障16、过程通信回路18和现场设备20。控制器12通过链路21与I/O和控制子系统14相连，其中链路21可以是任意适合的链路，例如根据以太网信令协议而操作的局域网(LAN)或任意其它适合的协议。I/O和控制子系统14与固有安全屏障16相连，而固有安全屏障16又与过程通信回路18相连，以允许在回路18与I/O和控制子系统14之间以限制其中通过的能量的方式进行数据通信。
在这个示例中，过程通信或过程控制回路18是FOUNDATIONTM现场总线过程通信回路并与现场设备20相连，所示出的现场设备以多点结构的方式连接。一种备选的过程通信回路(未示出)是HART过程通信回路。图1示出了多点配线结构，与其它拓扑—例如星形拓扑—相比，图1中的结构极大地简化了系统配线。多点HART结构支持最多为15个设备，而多点FOUNDATIONTM现场总线结构支持最多32个设备。
如图1所示，手持现场维护工具22与回路18相连。当与所示的过程控制回路相连时，工具22能够执行多种通信和诊断功能。工具22可以按照和当前可用的模式275HART通信机大体相同的方式与HART过程通信回路相连并进行交互。
图2A示出了工具22通过端子24与HART兼容设备20相连。可选择地，工具22可以和过程仪器通信回路上的HART兼容设备进行通信，例如图2B所示那样通过回路自身与设备23通信。
图3是根据本发明实施例的手持现场维护工具22的概图。工具22包括3个通信端子26、28和30，这些端子便于把工具22连接到根据至少两个过程工业标准协议的过程通信回路和/或设备。例如，当工具22与第一过程工业标准协议的回路相连时，该连接使用端子26和公共端子28而实现。相应地，该连接将会经过媒体访问单元32，其中单元32被配置为在根据第一工业标准协议的过程通信回路上进行交互。相应地，当工具22与根据第二工业标准协议而操作的过程通信和控制回路相连时，通过公共端子28和端子30而进行该连接。因此，所述连接通过第二媒体访问单元34而实现，其中单元34被配置为在根据第二工业标准协议的过程通信回路上进行交互。两个媒体访问单元32和34与处理器36相连，其中处理器36从一个媒体访问单元接收数据，并相应地对接收到的数据进行解译。
处理器36还与小键盘模块38和显示模块40相连。小键盘模块38与工具22外壳上的小键盘相连，以便接收来自用户的各种小键盘输入。显示模块40与用于提供数据和/或用户界面的显示器相连。
工具22可以包括红外数据访问端口42，该端口与处理器36相连以允许工具22利用红外无线通信向/从分离的设备传递/接收信息。使用端口42的一个优点是：用于传递和/或更新存储在工具22的一个或多个存储器中的设备描述。设备描述(DD)是一种用于以计算机可读格式来描述现场设备中的参数的软件技术。设备描述包含在处理器36上执行的、用于检索和使用参量数据的软件应用程序所需的所有信息。例如计算机12的分离设备可以从软盘、CD-ROM或因特网获得新的设备描述，并把新的设备描述以无线的方式传递到工具22。
工具22可以包括通过连接器50与处理器36相连的扩展存储器模块48，连接器50可以被放置在工具22的主板上。扩展存储器模块48可以包含第一和第二工业标准协议的设备描述。模块48还可以包含许可代码，该代码将会确定工具22关于多个协议的功能。例如，驻留在模块48内的数据可以指示工具22仅被授权在单一的处理工业标准模式—例如HART协议—下操作。最后，模块48内数据的不同设置可以指示工具22被授权根据两个或多个工业标准协议而操作。优选地把模块48插入主板上的连接器50，而且实际上可能需要对工具22进行部分拆卸，例如去除电池盖以访问端口50。
工具22可以包括可去除的存储器模块44，模块44通过端口/接口46可去除地与处理器36相连。可去除的存储器模块44适于存储可以在处理器36上执行以替代原始应用程序的软件应用程序。例如，模块44可以包含使用HART或FOUNDATIONTM现场总线通信端口的应用程序，以提供针对给定现场设备的全面诊断。
模块44可以存储有助于校准或配置特定设备的软件应用程序。模块44还可以存储新的或更新后的初始设备应用程序的软件映像，随后可以把这个软件映像传递到设备22中的非易失存储器中以便能够执行更新后的应用程序。此外，模块44为具有多个设备的结构提供了可去除的存储器，允许现场维护操作员获得相对真实的设备数据量，并通过简单地去除模块44而方便地对这些数据进行存储或传递。
优选地，通过可去除的存储器模块44能够安装的软件可以通过允许现场维护技术员购买该软件的许可密钥而分别得到许可，该许可密钥基于可去除的存储器模块44的序列号。优选地，通过硬件、软件或两者对工具22进行配置，以检测可去除的存储器模块44何时与工具22相连，并自动地识别可去除存储器模块44中附加的软件功能的存在。一旦这种附加的功能得以识别，则把模块44内的软件或其它数据复制/安装到工具22的随机存取存储器(RAM)。之后，可以把可去除的存储器模块44从工具22中移去，而附加的软件功能的益处将会继续存在。可去除的存储器模块44的一种形式是商业上可用的快闪存储器，或存储和输入/输出能力的结合。本质上，可去除的存储器模块44包括任意适合的存储媒体，这些存储媒体中包含有数据且物理封装能够根据下文列出的约束而修改。通过使用可去除的存储模块44，可以把多个软件应用程序和/或数据集加载到工具22中，而不会占用工具22的内部快闪存储器上的额外空间。
优选地，模块44适于能够在过程工厂的危险区域中更换。因此，模块44优选地遵照如下所提出的固有安全要求：APPROVAL STANDARDINTRINSICALLY SAFE APPRATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE INCLASS I，II AND III，DIVISION 1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS NUMBER 3610，由工厂共同研究所于1988年10月颁布。还可以设想遵照额外的工业标准—例如加拿大标准协会(CSA)和欧洲CENELEC标准—所进行的修改。为了便于兼容而对存储器模块44和/或接口46在结构上的特殊修改的示例包括能量限制电路，从而存储器模块44的操作电压电平足够低，这使得模块44内存储的能量不会产生点火源。
模块44可以包括限流电路，以确保在模块44上的特定端子发生短路的情况下释放的能量足够低，从而禁止点火。最后，接口46可以包括如下物理特性：专门设计用于防止把存储器模块44上的电子触点暴露到外部环境，同时允许适合的接口触点与模块44发生电气接触。例如，模块44可以包括通过把模块44连接到接口46而贯穿或移位的过成型。可以构造接口46以接受并与根据已知的安全数字输入/输出(SDIO)规范而制造的卡进行操作：安全数字输入/输出卡规范版本1.00，2001年10月，由SD协会维护。可以访问www.sandisk.com来获得更多信息。优选地，接口46是固有安全SDIO卡槽。
手持现场维护工具22包括RF通信模块、与RF通信模块相连或可以与RF通信模块相连。在图3所示的实施例中，手持现场维护工具22包括与微处理器36相连的RF通信模块100。无线通信模块100从微处理器36接收数据，并产生基于已接收数据的适合的无线通信信号。另外，无线通信模块100能够接收无线信息，并将与所述无线信息有关的数据提供给微处理器36。无线通信模块100的示例包括：能够通过射频信号提供或发送信息的任意已知技术或以后开发的技术。无线通信模块100可以传送过程相关信息和设备相关信息。
取决于应用，无线通信模块100可以适于根据任意适合的无线通信协议而进行通信，所述无线通信协议包括但不限于：无线网络技术(例如由Linksys of Irvine，California制造的IEEE 802.11(b)无线接入点和无线网络设备)、蜂窝或数字网络技术(例如AerisCommunication Inc.of San Jose，California的Microburst)、超宽带、全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)、码分多址(CDMA)、扩频技术、短消息服务/文本消息收发(SMS)或任意其它适合的射频无线技术。此外，可以采用已知的数据碰撞技术，从而使用射频通信模块100的多个手持现场维护工具可以共存，并且在彼此的无线操作范围内操作。这种碰撞防止可以包括多个不同的射频信道和/或扩频技术。另外，RF通信模块100可以是商业上可用的蓝牙通信模块。在图3所示的实施例中，RF通信模块100是手持现场维护工具22内的组件，它与可以是内部或外部天线的天线(未示出)相连。
图4是根据本发明另一个实施例的手持现场维护工具的概图。手持现场维护工具200与手持现场维护工具22具有多处相似，而且以相似的标号对相似的组件进行标记。手持现场维护工具200包括标准化的接口端口202。优选地，遵照上文提出的固有安全要求来构造标准化的接口端口202。更为优选地，构造标准化的接口202以接收根据SDIO规范而制造的卡。当前市场上存在多种这样的卡。所述卡的示例包括根据IEEE802.11(b)而进行通信的卡，还包括根据Bluetooth-由BluetoothSIG，Inc.，Delaware corporation所维护的标准—而进行通信的卡。另外可以预料的是，随着无线通信情形的进步，改进的SDIO射频卡能够具有延伸的范围和/或带宽。相应地，在手持现场维护工具200中提供的SDIO槽不仅允许工具200和商业上可用的无线SD卡一同使用，还允许工具200和将来可用的更新、更高级的模型一同使用。此外，SDIO物理规范为SD卡提供了—或可以适于提供—固有安全连接。
图5是手持现场维护工具200的概图，其中工具200具有放置在其SDIO槽202中的射频SD卡204。虽然图4和5在图的底部示出了SDIO连接，可以清楚地想到，手持现场维护工具上的SDIO槽的实际位置可以处于任意适合的位置，包括顶部、侧部或底部。
图6是与根据本发明实施例的系统10进行交互的手持现场维护工具200的概图。具体地，如果控制器12被设置具有商业上可用的无线通信技术—由附图标记210粗略表示，则双协议手持现场维护工具200可以和控制器12进行无线通信。这个无线通信可以采取多种形式，包括消息收发和/或请求授权。具体地，使用手持现场维护工具200的维护技术员或过程工程师可以处于现场，而且只要维护技术员或过程工程师位于控制器12的无线范围内，就会在手持现场维护工具上发起密钥序列，该序列通知控制器12处的操作员维护技术员或过程工程师将会采取行动。然后，在控制器12的操作员的允许和/或帮助下，维护技术员或过程工程师可以对现场设备执行特定的操作—例如进行配置—而不需要与现场设备进行实际的物理连接。此外，使用无线通信协议向控制器发送一个或多个信号以使有线过程通信网络中产生一些期望的动作，这允许维护技术员观察各个现场设备的一个或多个反应，而不必与现场设备或过程控制网络自身实际相连。
图7是使用根据本发明实施例的双协议手持现场维护工具与过程通信和控制网络进行交互的方法的框图。方法300在方框302处开始，技术员或过程工程师向手持现场维护工具—例如手持现场维护工具200-输入一个或多个键击。然后在方框304处，手持现场维护工具向至少一个有线过程设备发出无线信息。有线过程设备的示例包括控制器12、控制子系统14和/或现场设备20，只要这些设备12、14和/或20包括无线通信能力。响应从双协议手持现场维护工具接收到无线信息，有线过程设备产生或经历变化，如方块306处所示。有线过程设备发生变化的示例包括：有线过程设备在过程通信和控制回路上发出一个或多个命令，从而使与所述回路相连的另一个设备改变状态，例如一个或多个配置或校准参数的设置。有线过程现场设备经历变化的示例包括：有线过程现场设备改变自身的状态，无论该状态是包含在有线过程现场设备中的一个还是多个变量，或物理状态的改变，例如设置警报、指示符或移动例如阀门的传动器。在方块308处，检测到所述变化。优选地，这个检测由技术员凭借以下方式来完成：在视觉上检查与现场设备有关的变化，或把双协议手持现场维护工具的端子与过程通信回路相连或与受影响的现场设备相连。
方法300允许维护技术员使用无线射频通信对与过程回路相连的现场设备进行一个或多个改变。这些变化可以由维护技术员或过程工程师观察到，从而便利于过程通信回路诊断、现场设备诊断、现场设备配置和/或现场设备校准。
图8是另一种情况的概图，在这种情况下，具有无线射频通信能力的双协议手持现场维护工具特别有用。在一些过程装置中，传感器自身向中间设备—例如过程变量变送器—发送未加工的无线数据，中间设备根据未加工的传感器数据来计算过程变量，并发送基于这些数据的过程信息。图8示出了与无线传感器402和404进行交互的过程变量变送器400，其中无线传感器402和404与以盒子示出的机器406相连。为了进行说明，传感器402是与机器406相连的振动传感器，它发送指示机器406发生振动的未加工传感器数据408。传感器402包括无线收发机和内部电源(未示出)以及例如压电传感器的传感器，它响应振动而产生信号。传感器404放置在机器406中，而且包括内部电源和无线收发机。为了进行说明，传感器404是温度传感器，它检测机器406内的温度并产生或发送未加工的传感器无线信息410，这个信息410指示了机器406内的内部温度。未加工的无线信息408和410被发送到变送器400，变送器400接收这些信息，并使用内部处理电路—例如微处理器—来计算过程变量或基于无线未加工传感器信息的其它变量。变送器400所计算的或所辨别的信息可以沿着有线过程控制回路(未示出)而发送，或由变送器400以无线的方式发送。在一些情况下，以无线的方式与无线传感器直接进行交互是有用的。在这些应用中，手持现场维护工具200可以用于：使用自身的无线通信与一个或多个无线传感器直接进行交互。如这里所限定，无线传感器是完成以下工作的任意设备：对指示了传感器中感兴趣的主要变量的信息进行检测。从图8中可以看出，与过程(机器406)直接连接的传感器402和404对一个或多个物理参数进行测量。手持现场维护工具200可以用于建立、验证并跟踪传感器402和404中的一个或两个，且不需要做出对这两个传感器的任何物理连接。如果不具有手持现场维护工具200的无线通信能力，那么工具200将不能够与传感器直接进行通信。取而代之的是仅能够由现场设备400执行通信。因此，如果设备400中存在错误或问题，则会危及面向传感器402和404的通信。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员可以理解，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改变。

Claims (17)

1.一种双协议手持现场维护工具，包括：
与过程通信回路有选择地相连的端子，所述过程通信回路具有过程工业标准通信协议；
与所述端子相连的第一和第二媒体访问单元，其中第一媒体访问单元适于根据第一过程工业标准协议进行通信，而第二媒体访问单元适于根据第二过程工业标准协议进行通信；
与第一和第二媒体访问单元相连的处理器；以及
与所述处理器相连的无线射频收发机。
2.根据权利要求1所述的双协议手持现场维护工具，其中所述工具具有固有的安全性。
3.根据权利要求1所述的双协议手持现场维护工具，其中所述无线射频收发机被配置为：根据无线通信标准而进行通信。
4.根据权利要求3所述的双协议手持现场维护工具，其中所述无线通信标准是IEEE 802.11b。
5.根据权利要求3所述的双协议手持现场维护工具，其中所述无线通信标准是蓝牙。
6.一种双协议手持现场维护工具，包括：
与过程通信回路有选择地相连的端子，所述过程通信回路具有过程工业标准通信协议；
与所述端子相连的第一和第二媒体访问单元，其中第一媒体访问单元适于根据第一过程工业标准协议进行通信，而第二媒体访问单元适于根据第二过程工业标准协议进行通信；
与第一和第二媒体访问单元相连的处理器；以及
与所述处理器相连的SDIO卡接口。
7.根据权利要求6所述的手持现场维护工具，还包括安装在所述工具的所述SDIO卡接口中的射频通信模块。
8.根据权利要求6所述的双协议手持现场维护工具，其中所述工具具有固有的安全性。
9.根据权利要求6所述的双协议手持现场维护工具，其中所述无线射频通信模块被配置为：根据无线通信标准而进行通信。
10.根据权利要求9所述的双协议手持现场维护工具，其中所述无线通信标准是IEEE 802.11b。
11.根据权利要求9所述的双协议手持现场维护工具，其中所述无线通信标准是蓝牙。
12.一种使用双协议手持现场维护工具与过程通信回路进行交互的方法，所述方法包括：
向所述双协议手持现场维护工具输入至少一个键击；
响应对至少一个有线过程设备的至少一个键击而发送射频通信信号；
使所述有线过程设备响应所述射频通信信号而发生变化；以及
检测所述变化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使用所述双协议手持现场维护工具来检测所述变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过把所述双协议手持现场维护工具与过程通信回路进行物理连接而检测所述变化。
15.根据权利要求13所述的方法，其中通过把所述双协议手持现场维护工具与现场设备进行物理连接而检测所述变化。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述有线过程设备是控制器。
17.一种和与过程相连的无线过程传感器进行交互、并以无线的方式发送未加工的传感器信息的方法，所述方法包括：
向所述双协议手持现场维护工具输入至少一个键击；
使所述双协议手持现场维护工具接收所述未加工的传感器信息中至少一部分信息；以及
基于未加工的传感器信息将信息显示在所述双协议手持现场维护工具的用户界面上。
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