CN102112932A - 用于无线适配器的通用接口 - Google Patents

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CN102112932A CN2009801307368A CN200980130736A CN102112932A CN 102112932 A CN102112932 A CN 102112932A CN 2009801307368 A CN2009801307368 A CN 2009801307368A CN 200980130736 A CN200980130736 A CN 200980130736A CN 102112932 A CN102112932 A CN 102112932A
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Abstract

本发明涉及一种用于无线适配器的通用接口(S)，该无线适配器支持在自动化技术中常用的通信协议(HART)，其中，为无线适配器分配用于向无线适配器供电的第一供电单元(EE)和用于与上位控制单元通过无线网络(FN)通信的无线电模块(FM)，其中，在接口(S)上设置有至少五个接线端子(A、B、C、D、E)，所述至少五个接线端子以如下方式构造，即，取决于各自所要连接的现场设备(F1、F2、EEext、BE)，部分数量的接线端子(A、B、C、D、E)能够要么与不同的现场装置(F1、F2)构造方式连接，要么与操作装置(BE)连接。

Description

用于无线适配器的通用接口
技术领域
本发明涉及一种用于无线适配器的通用接口，该无线适配器支持在自动化技术中常用的通信协议，其中，为无线适配器分配用于向无线适配器供电的第一供电单元和用于与上位控制单元通过无线网络通信的无线电模块。
背景技术
在过程自动化技术领域中经常使用现场装置，这些现场装置用于检测和/或者影响过程量。用于检测过程量的是传感器，例如像料位测量装置、流量测量装置、压力和温度测量装置、pH氧化还原电位测量装置、电导率测量装置等，这些传感器检测相应的过程变量：料位、流量、压力、温度、pH值或电导率。用于影响过程量的是执行器，例如像阀门或者泵，通过这些执行器可以改变管道段内液体的流量或容器内的料位。原则上，过程附近使用的和提供或者处理过程相关信息的所有装置都称为现场装置。除了先前所提及的传感器和执行器外，如下这种单元一般也称为现场装置，这些单元直接与现场总线连接并且用于与上位单元通信，例如像Remote I/O(远程I/O)、Gateway(网关)、Linking Device(链接设备)和Wireless Adapter(无线适配器)。大量这种现场装置由Endress+Hauser集团制造和销售。
在现代化的工业设备上，现场装置一般通过总线系统
Figure BPA00001309442000011
Fieldbus、
Figure BPA00001309442000013
等)与上位单元连接。正常情况下，上位单元是引导系统或控制单元，例如像SPS(存储器可编程控制系统)或者PLC(可编程逻辑控制器)。上位单元此外用于过程控制、过程可视化、过程监控以及用于调试运行现场装置。由现场装置，特别是由传感器检测的测量值通过所连接的总线系统传送到一个上位单元或者需要时也传送到多个上位单元。此外，也需要从上位单元通过总线系统向现场装置进行数据传输；这种数据传输特别是用于对现场装置进行配置和参数设定或者用于诊断目的。总体来说，现场装置通过总线系统由上位单元来操作。
除了现场装置与上位单元之间的有线的连接数据传输之外，也存在无线的(wireless)数据传输的可能性。特别是在总线系统
Figure BPA00001309442000021
Figure BPA00001309442000022
Fieldbus和
Figure BPA00001309442000023
中，详细说明了通过无线电的无线数据传输。此外，用于传感器的无线网络在标准IEEE 802.15.4中作了详细说明。为了实现无线数据传输，更新型的现场装置，特别是传感器和执行器，部分构成为无线电现场装置。这些无线电现场装置一般具有作为集成组成部分的无线电单元和电源。在此，无线电单元和电源可以设置在现场装置自身内或者设置在与现场装置持久连接的无线电模块内。通过电源可以实现现场装置的自给供电。
此外，存在的如下可能性，即，不带有无线电单元的现场装置(也就是已安装的基础)通过与各一个具有无线电单元的无线适配器连接扩充成无线电现场装置。相应的无线适配器例如在文献WO2005/103851A1中有所介绍。无线适配器一般与现场装置的现场总线通信接口以可松开的方式连接。现场装置可以通过现场总线通信接口将有待通过总线系统传送的数据发送到无线适配器上，该无线适配器然后将这些数据通过无线电传送到目的地。反过来，无线适配器可以通过无线电接收数据并通过现场总线通信接口继续传递到现场装置。对现场装置的电功率的供应可以通过无线适配器的供电单元进行。
在自给供电的无线电现场装置和无线适配器中，例如与上位单元的通信一般通过无线电现场装置的或者无线适配器的无线接口来展开。附加地，这种无线电现场装置或无线适配器一般具有有线连接的通信接口。例如在
Figure BPA00001309442000024
标准中，无线电现场装置除了无线接口之外，还必须具有有线连接的通信接口。通过这种有线连接的通信接口，可以通过服务和/或者操作单元，例如像与有线连接的通信接口连接的手持通信器，例如立即对无线电现场装置或无线适配器进行配置。此外，有线连接的通信接口可以构成为现场总线通信接口，从而展开关于这方面的符合总线系统，例如像符合标准化的总线系统
Figure BPA00001309442000031
Fieldbus或者
Figure BPA00001309442000033
之一的通信。通过这种现场总线通信接口，无线电现场装置或无线适配器也可以与相应的有线连接的现场总线连接。
无线适配器或者无线电现场装置的供电单元或电源例如是设置在无线适配器或无线电现场装置内的电池、燃料电池、太阳能供电装置和/或者蓄电池。
处于已安装的基础内的是各种不同类型的现场设备：大量的现场装置构造为4-20mA现场装置。模拟的4-20mA的电流值在这里代表测量值。附加地，数字通信可以与电流信号叠加，所述数字通信通常(但并不是限制)基于HART协议。概念“现场设备”除了两线制现场装置之外，当然也可以将四线制现场装置纳入；此外，例如用于设定无线适配器的参数的操作装置或者还有在调制解调器运行中使用无线适配器都在概念“操作装置”的范围内。
至少针对在自动化技术中常用的、用于数字通信的协议而设计的无线适配器通常根据专用的现场设备来确定尺寸。在公知的解决方案中，缺少在不同现场设备上使用无线适配器的必要的灵活性。显而易见的是，传统的解决方案因此实现起来开支非常大。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于无线适配器的通用接口，该通用接口可以使不同的现场设备与无线适配器灵活地连接。
该目的通过如下方式得以实现，即，在接口上设置有至少五个接线端子，所述至少五个接线端子以如下方式构造，即，取决于各自所要连接的现场设备，可以分别使部分数量的接线端子要么与不同的现场装置构造方式连接，要么与操作装置连接。概念“现场设备”是指不同设计类型的现场装置，即两线制现场装置或者四线制现场装置；但依据本发明还包括例如用于设定无线适配器的参数的操作装置。另一个重要应用是在调制解调器运行中利用无线适配器。在不同现场设备中，通过接线端子的多重利用(Mehrfachnutzung)，可以大大降低接线端子的数量或将接线端子的数量减少至最低。尤其通过接线端子的内部布线实现的是，不同的接线端子根据应用而具有不同的功能并且以不同的组合与现场设备连接。因此在这里介绍一种用于无线适配器的灵活的接线方案，该接线方案可以使不同的传感器/测量变换器简单地连接，或者使无线适配器简单地参与现有的应用，或者实现客户所期望的专用配线(Verschaltung)。
依据本发明的接口的具有优点的构造方式提出，第一接线端子是与供电单元连接的供电端子。
此外，第二接线端子是第一通信端子，该第一通信端子支持符合通信协议的数字通信和/或者支持对模拟电流信号的测定。通信协议优选支持HART标准，因为HART现场装置在自动化技术中应用最为广泛。不言而喻，也可以支持在自动化技术中常用的其他通信协议。于是，需要时可以设置其他接线端子。例如，除了HART协议之外，还有Profibus协议或者Foundation Fieldbus协议。
如果常规地借助模拟电流信号来确定测量值，那么优选使用4-20mA信号，因为在过程自动化技术中实施的是该标准。
根据依据本发明的接口的第一构造方式，由无线适配器的供电单元馈电的两线制现场装置可以与第一接线端子和第二接线端子连接，在该两线制现场装置中，通过同一两线制线路来供电和提供测量值。对现场装置的供电在这种情况下通过集成在接口中的供电单元来实现。供电单元例如是电池、太阳能板、蓄电池或者燃料电池。
依据本发明的接口的具有优点的构造方式设置有第三接线端子，在该构造方式中，根据所要连接的现场设备，该第三接线端子要么是用于外部供电单元的接地端子，要么是与第五接线端子建立连接的电桥，下面还会对该第五接线端子作详细介绍。
根据依据本发明的接口的具有优点的构造方式，通过第一两线制线路和外部供电单元来供电的四线制现场装置通过第二接线端子和第三接线端子与无线适配器连接。因此，取决于相应的现场设备，数字通信信号和/或者代表测量值的电流信号通过连接在无线适配器的第二接线端子和第三接线端子上的第二两线制线路来传输。
此外，第四接线端子是第二通信端子，该第二通信端子支持符合现场设备的相应通信协议的数字通信。
此外，被认为具有优点的是，第四接线端子双重地实施，或者，两个接线端子功能上相同地工作，因为这两个接线端子通过电桥相互连接。
根据依据本发明的接口的具有优点的改进方式提出，针对两线制现场装置和外部供电单元可单独地与无线适配器连接的情况，两线制现场装置与第二接线端子和第四接线端子连接，以及，外部供电单元与第三接线端子和第四接线端子连接。
此外，根据所连接的现场设备，第五接线端子要么是高阻的接地端子要么是到第三接线端子的电桥。
结合本发明，被认为具有优点的是，针对在两线制现场装置时无线适配器用于调制解调器运行的情况，第四接线端子和第五接线端子通过两个通信线路连接到两线制线路上，该两线制线路将两线制现场装置与外部供电单元连接，并且通过该两线制线路能够实现数字通信。
针对在通过外部供电单元来馈电的现场装置的情况中无线适配器在调制解调器运行下工作的情况，外部供电单元与第三接线端子和第四接线端子连接，其中，第三接线端子和第五接线端子通过电桥相互连接，以及其中，现场装置通过第四接线端子和第五接线端子与无线适配器连接。
正如已经提到的那样，无线适配器通过接口出于参数设定或者诊断的目的也可以与操作装置连接。在这种情况下，操作装置与第四接线端子和第五接线端子连接。
为了可以使依据本发明的无线适配器不受限制并因此也可以用在存在爆炸危险的区域内，而提出：为接线端子中的每个接线端子要么分配限压器要么分配限流器，该限压器和该限流器以如下方式来设计，即，使得在相应的现场设备与无线适配器连接时以如下方式来设定可供使用的功率，即，使无线适配器连同现场设备可以用在存在爆炸危险的区域内。特别是，在所有应用可能性中均保证防爆。特别是，即使在现场设备与无线适配器错误连接的情况下，也不会超过对存在爆炸危险的区域来说最大允许的功率传递。
附图说明
借助后面的附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示出在连接有通过无线适配器供电的现场装置的情况下依据本发明的无线适配器的接线端子的布局；
图2示出针对将四线制现场装置与无线适配器连接的情况依据本发明的无线适配器的接线端子的布局；
图3示出针对将两线制现场装置和外部电源与无线适配器连接的情况依据本发明的无线适配器的接线端子的布局；
图4示出针对在两线制现场装置时无线适配器在调制解调器运行下工作的情况，依据本发明的无线适配器的接线端子的布局的第一构造方式；
图5示出针对在四线制现场装置时无线适配器在调制解调器运行下工作的情况，依据本发明的无线适配器的接线端子的布局的第二构造方式；以及
图6示出针对操作装置与无线适配器连接的情况依据本发明的无线适配器的接线端子的布局。
具体实施方式
在图1至图6中，无线适配器或无线电适配器的接口S的电路部件各自相同。接线端子A、B、C、Da、Db、E的布局根据现场设备而不同。依据本发明的接口S以如下方式来实施，即，使各个接线端子A、B、C、Da、Db、E能够以不同的组合来使用。为了使无线适配器也可以在防爆的区域内使用，在所示的构造方式中采取预防措施，这些预防措施(根据现场设备)将电流或者电压限制在允许的极限值上。
接口S的根据所连接的现场设备而激活的部件在图1至图6中通过加粗线加以突出。不言而喻，对从第一接线端子A直至第五接线端子E的接线端子A、B、C、Da、Db、E的逐一编号在无线适配器上的接线端子A、B、C、Da、Db、E的布置或者顺序方面并无限制。
附图中未详细示出的无线适配器此外具有无线电模块FM，该无线电模块可以通过无线网络FN与上位控制单元ST进行无线通信。
图1示出在连接有由无线适配器通过供电单元EE供电的现场装置F1的情况下依据本发明的无线适配器的接线端子A、B、C、Da、Db、E的布局。供电单元EE也馈电给无线适配器。
因此，现场装置F1是两线制现场装置。两线制现场装置的突出之处在于，供电和传送测量值，例如4-20mA测量值，和/或者通过同一两线制线路VL进行数字通信。
充当正极的第一接线端子A是供电端子，与其连接的是无线适配器的供电单元EE。第二接线端子B是第一通信端子，该第一通信端子要么支持符合相应的通信协议(例如HART协议)的数字通信，和/要么支持测定模拟电流信号，特别是4-20mA电流信号。
为了确保防爆，与供电单元EE并联有限压器UB。通过与电压源U并联的二极管D来提供直流电压，该直流电压最大可以达到二极管D的Z电压(阻断方向)。二极管D的工作电压在导通方向上相应。呈现为负极的第二接线端子B出于防爆的原因具有限流器IB1。在这里，通过电阻R1来限制电流。通过限流器和限压器得以确保的是，在接线端子A、B上仅提供符合防爆规程的功率。
模拟电流信号和/或者HART信号通过功能单元FE传输至图1中未单独示出的微处理器。功能单元FE要么支持数字通信，例如HART通信，要么支持电流值的测量。
图2示出针对将四线制现场装置F2与无线适配器的接口S连接的情况依据本发明的无线适配器的接线端子A、B、C、Da、Db、E的布局。通过两个连接线路VL1，现场装置F2由外部供电单元EEext来供电。通过两个连接线路VL2，现场装置F2与第二接线端子B和第三接线端子C连接。接线端子B的和后面连接的部件的功能已经结合图1做过介绍。在该构造方式中，接线端子C具有用于外部供电单元Eeext的接地端子的功能。最大的流动电流通过限流器IB1来限制。附加的反极性保护装置(Verpolschutz)由三个串联的二极管D1、D2、D3组成。根据三倍的冗余确保的是，即使在三个二极管中的两个二极管发生故障的情况下，保护仍有效工作。此外，二极管D1、D2、D3使得内部的电容或者电感不向外在现场装置F2的方向上作用。防爆类别ex-ia的高安全要求因此得到满足。
图3示出针对将两线制现场装置F3和外部电源或外部供电单元EEext与无线适配器连接的情况依据本发明的无线适配器的接线端子A、B、C、Da、Db、E的布局。第四接线端子D双重地实施。特别是，两个接线端子Da、Db功能上相同地工作，这是因为它们通过电桥Br2a、Br2b相互连接。在这种情况下，两线制现场装置F3与第二接线端子B连接并且与第四接线端子Db连接。外部供电单元EEext与第三接线端子C连接并且与第四接线端子Da连接。通过外部供电单元EEext来给无线适配器和现场装置F3馈电。
图4示出针对在两线制现场装置F1时无线适配器在调制解调器运行下工作的情况，依据本发明的无线适配器的接线端子A、B、C、Da、Db、E的布局的第一构造方式。在这种构造方式中，布设有第四接线端子Da和第五接线端子E。第五接线端子E根据所连接的现场设备F1、F2、EEext、BE可以是高阻的接地端子(这是图4的现场设备的情况)或者可以是到第三接线端子C的电桥Br1b、Br1a。
针对在两线制现场装置F1时无线适配器用于调制解调器运行的情况，第四接线端子Da和第五接线端子E通过两个通信线路KL夹到两线制线路VL上。所述两线制线路VL将两线制现场装置F1与外部供电单元EEext连接起来并且能够实现数字通信。
图5示出针对在四线制现场装置F2时无线适配器在调制解调器运行下工作的情况，依据本发明的无线适配器的接线端子A、B、C、Da、Db、E的布局的第二构造方式。馈电给现场装置F2的供电单元EEext与无线适配器单独地连接。供电单元EEext与第三接线端子C连接并且与第四接线端子Da连接，其中，在这里，第三接线端子C和第五接线端子E通过电桥Br1b、Br1a相互连接。现场装置F2通过第四接线端子Db和第五接线端子E与无线适配器连接。
图6示出针对操作装置BE与无线适配器连接的情况依据本发明的无线适配器的接线端子A、B、C、Da、Db、E的布局。操作装置BE例如用于设定无线适配器的参数。该操作装置也可以用于调试运行或者诊断目的。操作装置BE通过第四接线端子Da(即第二通信端子)和充当接地端子的第五接线端子E与无线适配器或者与无线适配器的接口连接。

Claims (15)

1.用于无线适配器的通用接口(S)，所述无线适配器支持在自动化技术中常用的通信协议(HART)，其中，为所述无线适配器分配用于向所述无线适配器供电的第一供电单元(2)和用于与上位控制单元(ST)通过无线网络(FN)通信的无线电模块(FM)，其中，在所述接口(S)上设置有至少五个接线端子(A、B、C、D、E)，所述至少五个接线端子以如下方式构造，即，取决于各自所要连接的现场设备(F1、F2、EEext、BE)，部分数量的所述接线端子(A、B、C、D、E)能够分别要么与不同的现场装置(F1、F2)构造方式连接，要么与操作装置(BE)连接。
2.按权利要求1所述的接口，其中，第一接线端子(A)是与供电单元(EE)连接的供电端子。
3.按权利要求1所述的接口，其中，第二接线端子(B)是第一通信端子，所述第一通信端子支持符合所述通信协议(HART)的数字通信和/或者支持对模拟电流信号(4-20mA)的测定。
4.按权利要求2或3所述的接口，其中，由所述无线适配器的所述供电单元(EE)馈电的两线制现场装置(F1)能够与所述第一接线端子(A)和所述第二接线端子(B)连接，在所述两线制现场装置中，通过同一两线制线路(VL)来供电和提供测量值。
5.按权利要求1所述的接口，其中，根据所要连接的现场设备(F1、F2、EEext、BE)，第三接线端子(C)是用于外部供电单元(EEext)的接地端子或者是与第五接线端子(E)建立连接的电桥(Br1a、Br1b)。
6.按权利要求3和5所述的接口，其中，通过第一两线制线路(VL2)和外部供电单元(EEext)来供电的四线制现场装置(F2)能够通过所述第二接线端子(B)和所述第三接线端子(C)与所述无线适配器连接，从而数字通信信号和/或者代表测量值的电流信号能够通过连接在所述无线适配器的所述第二接线端子(B)和所述第三接线端子(C)上的第二两线制线路(VL2)来传输。
7.按权利要求1所述的接口，其中，第四接线端子(D)是第二通信端子，所述第二通信端子支持符合所述通信协议(HART)的数字通信。
8.按权利要求7所述的接口，其中，所述第四接线端子(D)双重地实施，或者两个接线端子(Da、Db)在功能上相同地工作，因为所述两个接线端子通过电桥(Br2a、Br2b)相互连接。
9.按权利要求3、5或7所述的接口，其中，对于两线制现场装置(F1)和外部供电单元(EEext)能单独地与所述无线适配器连接的情况，所述两线制现场装置(F1)与所述第二接线端子(B)和所述第四接线端子(Db)连接，以及，所述外部供电单元(EEext)与所述第三接线端子(C)和所述第四接线端子(Da)连接。
10.按权利要求1所述的接口，其中，根据所连接的现场设备(F1、F2、EEext、BE)，第五接线端子(E)是高阻的接地端子或者是到第三接线端子(C)的电桥(Br1b、Br1a)。
11.按权利要求7或8和10之一或多项所述的接口，其中，在两线制现场装置(F1)时，对于所述无线适配器用于调制解调器运行的情况，所述第四接线端子(Da)和所述第五接线端子(E)通过两个通信线路(KL)连接到两线制线路(VL)上，所述两线制线路将所述两线制现场装置(F1)与外部供电单元(EEext)连接，并且通过所述两线制线路能够实现所述数字通信。
12.按权利要求5、7和10所述的接口，其中，在现场装置(F2)通过所述外部供电单元(EEext)得到馈电时，对于所述无线适配器在调制解调器运行下工作的情况，所述外部供电单元(EEext)与所述第三接线端子(C)和所述第四接线端子(Da)连接，其中，所述第三接线端子(C)和所述第五接线端子(E)通过电桥(Br1a、Br1b)相互连接，以及其中，所述现场装置(F2)通过所述第四接线端子(Db)和所述第五接线端子(E)与所述无线适配器连接。
13.按权利要求7和10所述的接口，其中，对于借助于操作装置(BE)来操作所述无线适配器的情况，所述操作装置(BE)能够与所述第四接线端子(Da)和所述第五接线端子(E)连接。
14.按前述权利要求之一或多项所述的接口，其中，为所述接线端子(A、B、C、D、E)中的每个接线端子要么分配限压器(UB)要么分配限流器(IB)，所述限压器和所述限流器以如下方式来设计，即，在将相应的现场设备(F1、F2、EEext、BE)与所述无线适配器连接时设定可供使用的功率，使得能够在存在爆炸危险的区域内使用所述无线适配器连同所述现场设备(F1、F2、EEext、BE)。
15.按权利要求1所述的接口，其中，所述通信协议是HART协议、Profibus协议或者Foundation Fieldbus协议。
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