CN101669153B - 用于手持式现场维护工具的无线过程通信适配器 - Google Patents

用于手持式现场维护工具的无线过程通信适配器 Download PDF

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Abstract

提供了一种无线过程通信适配器(116)。该适配器(116)包括耦合至手持式现场维护工具(102)的多个插头(120、122)。回路通信模块(154)可操作的耦合至所述多个插头(120、122)。回路通信模块(154)被配置为根据过程回路通信标准协议进行数字通信。控制器(150)耦合至该回路通信模块(154)，并且被配置为将从该回路通信模块(154)接收到至少一个消息转换为至少一个相应的无线协议分组。无线通信模块(152)耦合至该控制器(150)，并且被配置为接收该至少一个相应的无线通信协议分组，并且基于该至少一个无线协议分组产生无线信号。

Description

用于手持式现场维护工具的无线过程通信适配器
背景技术
手持式现场维护工具为人们所熟知，这种工具在过程控制和测量业中非常有用，用于在指定过程安装中允许操作者方便地与现场设备进行通信和/或询问。这种过程安装的例子包括石油、制药、化工、制浆和其他流体处理安装。在这种安装中，过程控制和测量网络可包括几十甚至几百种不同的现场设备，其周期性的需要维护以确保这些设备运转正常和/或已校准。此外，当检测到过程控制和测量安装中一个或多个错误时，手持式现场维护工具的使用允许技术人员快速诊断出现场中的该错误。
由于至少一些过程安装可能涉及易挥发的、或者甚至爆炸性的环境，因此使现场设备和用于该现场设备的手持式现场维护工具符合本质安全要求通常是有利的、甚至是必需的。这些要求有助于保证兼容电子设备甚至在故障条件下也不会产生点火源。本质安全要求的一个例子在以下文献中提出：APPROVALSTANDARDINTRINSICALLYSAFEAPPARATUSANDASSOCIATEDAPPARATUSFORUSEINCLASSI，IIandIII，DIVISIONNUMBER1HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASSNUMBER3610，1998年10月由FactoryMutualResearch颁布。符合本质安全要求的手持式现场维护工具的一个例子包括以商品名称型号375FieldCommunicator销售的手持式现场维护工具，可以从位于EdenPrairie，Minnesota的Fisher-RosemountSystems公司获得。
假定考虑现场设备独特的环境，通信信号在传统上已被精心控制。工业过程通信协议的例子包括高速可寻址远程换能器协议和FoundationTM现场总线协议。
通信协议具有由叠加在标准的4-20mA模拟信号上的数字通信信号组成的混合物理层，数据传输率为1.2Kbits/sec，协议是工业过程中事实上的标准。
另一主要工业过程通信协议被称作FOUNDATIONTM现场总线通信协议，该协议基于ISA标准(ISA-S50.01-1992，1992年由美国仪表学会颁布)。实际实现由FieldbusFoundation(FF)规定。FoundationTM现场总线是具有传输率约为31.25Kbits/sec的全数字通信协议。
近来，一些现场设备被设计为进行无线通信，因此，这些现场设备不需要任何通信或电源配线，从而简化了现场配线以及与设备的交互。然而，具有被设计为与现场设备的配线端物理上耦合的端子的手持式现场维护工具不能简单的与这些新的无线现场设备进行通信。
发明内容
提供了一种无线过程通信适配器，所述适配器包括可耦合至手持式现场维护工具的多个插头。回路通信模块可操作的耦合至所述多个插头。所述回路通信模块被配置为根据过程回路通信标准协议进行数字通信。控制器耦合至所述回路通信模块，并且被配置为将从所述回路通信模块接收到的至少一个消息转换为至少一个相应的无线协议分组。无线通信模块耦合至该控制器并且被配置为接收至少一个相应的无线协议分组，以及基于所述至少一个无线协议分组产生无线信号。
附图说明
图1A和1B是根据现有技术的耦合至现场设备的手持式现场维护工具的示图。
图2是根据本发明实施例的与无线现场设备进行通信的手持式现场维护工具的示图。
图3是根据本发明实施例的无线过程通信适配器的示图。
图4是根据本发明实施例的无线过程通信适配器的电子电路的示图。
图5是根据本发明另一实施例的无线过程通信适配器的电子电路的示图。
图6是根据本发明实施例的使用无线过程通信适配器的方法的流程图。
具体实施方式
图1A和1B是根据现有技术的耦合至现场设备的手持式现场维护工具22的示图。如图1A所示，手持式现场维护工具22包括一对端子25、27，该端子分别耦合至测试引线30、32，该引线接着耦合至现场设备20的端子24。端子24可以是专用端子以允许该手持式现场维护工具耦合至设备20并且与设备20进行交互。
附图1B示出了另一可选设置，其中手持式现场维护工具22直接耦合至与现场设备23相耦合的过程控制回路34。任一情况下，手持式现场维护工具与现场设备之间的有线连接允许该手持式现场维护工具与期望的现场设备20、23进行交互。
在根据通信协议的现场设备通信应用中，手持式现场维护工具在通信设置中将作为主控器。例如设备22的手持式主控器如今广泛的用于工厂中。主控器具有一对通信端子，当该通信端子经过有线引线连接至回路或者直接连接至设备时，使得能够与所连接的设备进行有线通信。然而，由于硬件的限制，例如手持式现场维护设备22的主控器不能与无线现场设备(例如压力变送器、阀门定位器，等等)进行无线通信。
附图2是根据本发明实施例的与无线现场设备进行交互的手持式现场维护工具的示图。系统100包括与无线现场设备104进行通信的手持式现场维护工具102。无线现场设备104被描述为工业过程流体压力变送器，该变送器具有与其耦合的压力集流管106的和电子外壳108。该电子外壳108进一步耦合至能量源(太阳能电池110)并且包括通过天线112进行无线通信的无线通信模块。提供无线现场设备104只是用于解释的目的。实际上，无线现场设备104可以是任何工业设备，例如过程流体压力变送器、过程流体温度变送器、过程流体液位变送器、过程流体流量变送器、阀门控制器、或用于工业过程测量和/或控制的任何其他设备。
无线现场设备104根据无线过程通信协议进行通信。该协议的一个例子是新的无线HART标准。该标准使用2.4GHz频率的无线通信，但是在其他方面采用与在有线通信中所使用的相同的命令结构。虽然无线协议是无线过程通信协议的一个例子，根据本发明的实施例也可以采用其他标准。
手持式现场维护工具102是被设计为通过有线连接与现场设备进行交互的设备。手持式现场维护工具102包括一对端子112、114，该端子经测试引线将工具102耦合至有线现场设备。然而，如上所述，这种与例如设备104的无线现场设备的有线连接是不可能的。
根据本发明的实施例，手持式现场维护工具102的端子112和114耦合至无线过程通信适配器116。因此，通过其有线连接端子112、114，手持式现场维护工具102借助于采用无线过程通信适配器116能够与无线现场设备104进行信号发送和接收。根据有线过程通信协议的命令，例如通信协议，由设备102发出，经过端子112、114，并由无线过程通信适配器116接收。如有必要，无线过程通信适配器116将该通信转换为适合的无线通信信号，并且发送该信号至无线现场设备104。相反，当无线现场设备104发出数据、或者一些其他形式的响应作为无线传输时，由无线过程通信适配器116内的射频电路接收该传输。如有必要，然后转换该传输成为根据有线过程通信协议的适当的有线信号，并且通过端子112、114发送至手持式现场维护工具102。如上所述，认为无线协议使用了与有线协议相同的命令结构。因此，在一些实施例中，无线过程通信适配器116不需要在产生相应的无线/有线信号前对数据或命令进行转换。
附图3是根据本发明实施例的无线过程通信适配器116的示图。适配器116包括一对插头120、122，其尺寸和间距与手持式现场维护工具的引线端相匹配。如附图3所示，插头120、122的优选形式为香蕉状插头。另外，优选地，设备116的操作所需的电子设备124全部包含在模制(molded)部分126之中，该模制部分大体上适合于端子120和122之间的距离宽度。然而，这只是优选实施例，本发明的其他实施例可以使用明显更大的壳体或模制部分126和/或将无线过程通信适配器116耦合至相关的手持式现场维护工具的单独引线来实现。
电子设备124耦合至天线128以允许电子设备124进行无线交互。另外，在一实施例中，提供一对测试引线端子130、132并且耦合至插头120、122，从而当适配器116配置在手持式现场维护工具上时，有线测试引线仍然能够插入端子130、132之中。
图4是壳体126内的电子设备124的示意图。电子设备124包括耦合至无线收发机152和回路通信模块154的控制器150。控制器150能耦合至可选的用户接口156，其设置或定位在临近的无线过程通信适配器116上。进一步地，电子设备124优选地包括如电池158所示的内部电源，该内部电源耦合至无线收发机152、控制器150、回路通信模块154、和可选的用户接口156(如需要的话)。
无线收发机152耦合至天线128并且被配置为与无线现场设备和/或其他手持式现场维护工具通过射频通信进行交互。该射频通信优选地根据无线过程通信协议，例如由Hart通信基金会公布的无线规范。无线规范的有关部分包括：HCF_Spec13，7.0版本；HART规范65-无线物理层规范；HART规范75-TDMA数据链路层规范(TDMA指的是时分多址)；HART规范85-网络管理规范；HART规范155-无线命令规范；以及HART规范290-无线设备规范。
控制器150可包括能够执行程序指令以实现预期结果的任何设备。优选地，控制器150简单地是微处理器。控制器150将通过回路通信模块154从主控器(手持式现场维护工具)接收的输入消息转换为无线协议分组，并且将从例如现场设备104的无线现场设备接收的输入无线分组转换为传输至手持式现场维护工具的有线消息。无线电收发机154发送和接收无线协议分组。回路通信模块154通过插头120、122发送和接收有线消息。
回路通信模块154耦合至插头120、122和控制器150。回路通信模块154适用于根据有线过程通信协议进行通信。例如，如果无线过程通信适配器116是主控器无线过程通信适配器，那么回路通信模块154简单地是MODAC。MODAC是将调制解调器的功能和数模转换器的功能结合在一起的现有设备。在一实施例中，回路通信模块154中的MODAC可包括由位于Chanhassen，Minnesota的Rosemount公司研发的专用集成电路(ASIC)，其包括兼容调制解调器(调制器和解调器)和数模(D/A)转换器。该MODAC可被任意适当的调制解调器和数模转换器以及适合的控制逻辑一起来代替。MODAC中的调制解调器解调通过插头120、122从手持式现场维护工具接收的数字消息，并且提供该数字消息至控制器150。数字通信电路154也接收来自控制器150的数字消息和过程变量测量，将过程变量测量和/或数字消息转换为适当的4-20mA模拟信号，并且将数字消息调制到模拟信号上，从而建立与手持式现场维护工具的双向通信。此处的术语“过程变量”指的是现场设备使用的变量，例如压力、温度、流量、液位、比重，等等。
在根据不同的过程通信协议执行有线过程通信的实施例中，例如在FOUNDATIONTM现场总线的实施例中，回路通信模块154在该实施例中适用于这样的过程通信。这些实施例中，根据FOUNDATIONTM现场总线过程通信协议的有线通信的现有技术可用于回路通信模块154。另外，可通过设计无线过程通信适配器116使其具有适合的回路通信模块154，来适应任意适当的有线过程通信协议。
无线过程通信适配器116优选地包括其自有电源。特别地，附图4示出了优选地为可再充电的电池158。电池158可包括已知的化学电池，例如镍镉电池、镍氢电池、或锂离子电池。进一步地，任何适当的后来研制的化学电池也可以使用。电池158耦合至无线收发机152、控制器150、回路通信模块154和用户接口156(如果存在这样的接口156)，并向这些组件供电。
可选的用户接口156包括能够接收用户或技术人员的本地输入、或者向技术人员提供有用信息的任何设备。用户输入的适当例子包括按钮、键盘、麦克风、或指向设备。另外，用户输出的适当例子包括指示灯，例如多个LED，或者甚至字符显示器，例如液晶显示器。提供给适配器116的特定用户输入的例子包括：技术人员按压按钮以开启适配器；技术人员按压按钮以进行无线通信；技术人员按压按钮以开始或结束与特定无线现场设备的通信会话；技术人员按压按钮或使用键盘以选择用于通信的无线过程通信设备；和/或者用户按压按钮以关闭适配器。呈现给技术人员的输出或显示的例子包括：指示适配器开启的指示(无论通过指示灯还是字符显示器来提供)；适配器正在可接受的电池电量水平上操作的指示；与存储在适配器内部的电池电量有关的指示；无线通信模块工作的指示；无线通信模块识别出一个或多个现场设备的指示；列举单独现场设备的特殊指示；与技术人员通过按钮或键盘输入有关的反馈；更正耦合至手持式现场维护工具的有线端子的指示；或者任何其他适当的指示。
附图5是根据本发明的另一实施例的无线过程通信适配器的电子设备的示图。电子设备224类似于电子设备124(如图4所示)并且相同元件的标号也相同。附图5中所示的实施例与附图4中所示的实施例的不同之处在于电路224包括可选的检测电路226。虽然电路224没有被示出为包括可选的用户接口156(如图4所示)，然而本发明的实施例的确包括使用可选的用户接口156和可选的检测电路226。
检测电路226耦合至电池158和控制器150以及插头120、122。检测电路226包括适当的测量电路以监测端子120、122两端上的电压或流过端子120、122的电流。检测电路226与能根据两个或更多个有线过程通信协议进行通信的手持式现场维护工具的组合特别有用。这些工具包括以商品名称型号375FieldCommunicator销售的工具，可以从位于EdenPrairie，Minnesota的Fisher-RosemountSystems公司获得。该特定工具包括根据有线协议进行通信的一对端子，和根据FOUNDATIONTM现场总线协议进行通信的一对端子。两对端子共享公共地，因此该工具上提供有三个端子。假设该过程通信适配器116包括单独一对插头120、122，那么该适配器116可能错误的布置在手持式现场维护工具的错误端子上，或者以不正确的极性而布置。
用于确定设备耦合到哪种类型的有线过程通信协议的方法是已知的。具体的，美国专利7,027,952公开了一种用于多协议手持式现场维护工具的数据传输方法。因此，检测电路226可包括能吸收过程通信端子上的小幅度、短持续时间的电流的电路。该检测电路可进一步包括测量直流电压、通信信号幅度的电路，也包括适合的信号调整电路。如果控制器150借助其通过检测电路226的连接来测量插头120、122两端上的非零电压，那么控制器150首先确定该电压的幅度。过程控制回路产生约12-50V之间的直流电压用于测量，而FOUNDATIONTM现场总线回路连接将产生约9-32V之间的直流电压用于测量。一旦识别出直流电压，则测量极性来确定插头120、122是否以正确的极性耦合至手持式现场维护工具。如果极性不正确，则通过用户接口156产生适当的指示。然而，对于连接，极性无关紧要。
如上所述，和现场总线过程通信回路上使用的直流工作电压之间存在重叠。因此，单独的直流电压不能用于可靠地指示无线过程通信适配器116所连接的过程通信端子的类型。为了确定端子的回路类型，检测电路226测量该连接的直流阻抗。电路226通过吸收一短持续时间(例如5毫秒)的一毫安电流来测量直流阻抗。这种扰动产生与有线连接自身的直流阻抗成比例的电压脉冲。和FOUNDATIONTM现场总线过程连接之间的阻抗范围存在明显区别。额外地或可选择地，在采用不同有线过程通信协议的实施例中，用于测量和明确回路协议类型的各种技术是可以想到的。如果所检测的通信协议类型符合回路通信模块154所设计的有线过程通信的类型，那么操作正常开始。然而如果不符合，则通过适配器116上的指示器或者通过工具102自身，在本地产生适当的指示。
附图6是根据本发明实施例的具有无线过程通信适配器的手持式现场维护工具的操作方法的流程图。方法300开始于块302，其中无线过程通信适配器开始RF扫描。步骤302可以在适配器实际耦合至手持式现场维护工具之前、或者两者已经耦合在一起之后开始执行。步骤302产生无线信号，用于识别适配器116的无线通信范围之内的任何和/或所有无线现场设备。接着，在块304中，显示无线过程通信适配器的范围内的已识别的无线现场设备。无线现场设备能通过可选的用户接口156或者通过手持式现场维护工具102上的用户接口显示。如果显示多个这样的现场设备，则该方法在块306中能接收来自用户或者技术人员关于技术人员想要与之通信的无线现场设备的选择。一旦接收到该选择(优选地，通过可选的用户接口156接收)，控制传递到块308，在这里无线过程通信适配器产生从有线端口经端子120、122至所选无线现场设备的链路。在这方面，无线过程通信适配器能够通过其与手持式现场维护工具的有线连接来模拟所选无线现场设备在通过有线连接而连接的情况下所产生的准确的有线信号。这种情况下，在至少一些本发明的实施例中，手持式现场维护工具102甚至并不知晓它不是通过与现场设备的直接的有线连接而通信。然而，可以明确想到并且优选地，手持式现场维护工组102可具有、或接收软件更新，以对用于与有线过程通信相对的无线过程通信的不同的数据链路层计时器进行寻址。例如，关于协议，与有线通信相比，无线通信需要不同的数据链路层计时器。
本发明的实施例通常允许以前仅能通过其有线过程通信端口进行通信的手持式现场维护工具与新一代无线现场设备进行现在的无线通信。另外，这样的手持式现场维护工具仍然能够进行以前能进行的所有有线连接和交互。
尽管本发明参考优选实施例进行描述，但是本领域技术人员会意识到，形式和细节上所做的改变并不背离本发明的精神和保护范围。

Claims (20)

1.一种无线过程通信适配器，包括：
多个插头，所述多个插头的尺寸和间距与手持式现场维护工具的有线连接端子相匹配；
与所述多个插头耦合的多个测试引线端子；
回路通信模块，可操作地耦合至所述多个插头，所述回路通信模块被配置为根据过程回路通信标准协议进行数字通信；
控制器，耦合至所述回路通信模块，所述控制器被配置为将从所述回路通信模块接收的至少一个消息转换为至少一个相应的无线协议分组；
无线通信模块，耦合至所述控制器，并且被配置为接收所述至少一个相应的无线协议分组并基于所述至少一个无线协议分组产生无线信号；
用户接口，耦合至所述控制器；以及
其中，所述回路通信模块、所述控制器以及所述无线通信模块被置于所述无线过程通信适配器的一部分内，所述部分大体上适合于所述多个插头之间的距离宽度。
2.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，其中，所述无线通信模块被配置为接收射频信号并向所述控制器提供指示所述信号的数据，并且其中所述控制器被配置为产生有线过程通信消息并将该消息传输到所述回路通信模块，并且其中所述回路通信模块被配置为基于所述消息、根据有线过程通信标准协议产生通过所述多个插头的数字信号。
3.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，还包括配置在所述适配器内部的电源，所述电源耦合至所述无线通信模块、所述控制器和所述回路通信模块。
4.如权利要求3所述的无线过程通信适配器，其中，所述电源是电池。
5.如权利要求4所述的无线过程通信适配器，其中，所述电池可再充电。
6.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，还包括耦合至所述控制器和所述多个插头的检测电路，所述检测电路被配置为检测耦合至所述多个插头的设备的回路类型。
7.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，还包括耦合至所述控制器和所述多个插头的检测电路，所述检测电路被配置为检测耦合至所述多个插头的设备的回路类型。
8.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，还包括耦合至所述控制器和所述多个插头的检测电路，所述检测电路被配置为检测所述多个插头的连接的极性。
9.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，其中，所述回路通信模块被配置为通过在模拟电流上叠加数字信号而进行通信，并且以大约1.2千比特/秒的速率进行通信。
10.如权利要求9所述的无线过程通信适配器，其中，所述回路通信模块被配置为根据HART协议进行通信。
11.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，其中，所述回路通信模块被配置为以大约31.25千比特/秒的速率进行通信。
12.如权利要求11所述的无线过程通信适配器，其中，所述回路通信模块被配置为根据FOUNDATION现场总线协议进行通信。
13.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，其中，所述适配器符合至少一种本质安全规范。
14.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，其中，所述适配器是本质安全的。
15.如权利要求1所述的无线过程通信适配器，其中，所述无线通信模块以大约2.4千兆赫兹(GHz)的频率进行通信。
16.一种手持式现场维护系统，包括：
手持式现场维护工具，具有键盘、显示器和多个有线连接端子；以及
无线过程通信适配器，具有：
多个插头，耦合至所述手持式现场维护工具的各个有线连接端子；
与所述多个插头耦合的多个测试引线端子；
回路通信模块，可操作地耦合至所述多个插头，所述回路通信模块被配置为根据过程回路通信标准协议进行数字通信；
控制器，耦合至所述回路通信模块，所述控制器被配置为将从所述回路通信模块接收的至少一个消息转换为至少一个相应的无线协议分组；以及
无线通信模块，耦合至所述控制器，并且配置为接收所述至少一个相应的无线协议分组并基于所述至少一个无线协议分组产生无线信号，
其中，所述无线过程通信适配器还包括用户接口，所述用户接口耦合至所述无线过程通信适配器的所述控制器，以及
其中，所述无线过程通信适配器被配置为执行RF扫描，以识别所述无线过程通信适配器的范围内的无线现场设备，以及选择的无线现场设备是所识别的无线现场设备中的无线现场设备。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述手持式现场维护工具和所述无线过程通信适配器是本质安全的。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述手持式现场维护工具和所述无线过程通信适配器根据有线过程通信标准协议进行通信。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述协议是HART协议。
20.如权利要求18所述的系统，其中，所述协议是FOUNDATION现场总线协议。
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