CN103563263B - 用于在工业设施中调度台和至少一个现场装置之间进行信号传输的连接装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在工业设施中应用的连接装置可联接到供能线路并且具有至少一个第一工业总线接口以用于借助于第一工业总线协议来接收第一工业总线输入数据和/或发送第一工业总线输出数据。为减少布线花费,通过供能线路发送工业总线数据。为此，连接装置此外具有用于通过依据工业以太网协议(IEP)调制第一工业总线输入数据(IE1)来产生第一能量总线输出数据(EA1)的调制设备(Mod)、具有用于在供能线路(6)上借助于载波频率方法(T)发送第一能量总线输出数据(EA1)和/或用于接收和提取借助于载波频率方法(T)通过供能线路(6)传输的第一能量总线输入数据(EE1)的能量通信设备(En)、和/或用于从第一能量总线输入数据(EE1)中提取依据工业以太网协议(IEP)调制的第一工业总线输出数据(IA1)的解调设备(Dem)。同样描述了所属的系统和方法。

Description

用于在工业设施中调度台和至少一个现场装置之间进行信号传输的连接装置、系统和方法
技术领域
本发明涉及在工业设施中应用的连接装置，其可联接到供能线路并且具有至少一个第一工业总线接口以用于接收和/或发送借助于第一工业总线协议传输的第一工业总线输入数据和/或输出数据。此外，本发明涉及用于在工业设施中调度台和至少一个现场装置之间进行信号传输的系统和方法，其中系统包括用于对至少一个现场装置供应电能的供能线路。
背景技术
在当今的工业设施(如例如电站，泵站或平均电压电平在3.6kV和36kV之间的能量分配网)中现有至少一个调度台，所述调度台与各种所谓的现场装置(例如传感器、就地操作装置、远程操作装置或致动器、尤其是电动机，驱动装置和阀门)通信并且在此发送以例如控制指令的形式的数据并且接收状态和测量信息。此外调度台和现场装置之间的通信通过一个或多个所谓的工业总线进行，也就是说通过数据线缆进行，在所述工业总线中信息借助于工业总线协议传输。工业总线和所属的工业总线协议特别适合于与家庭或办公应用相比恶劣的工业设施的环境条件。在工业总线协议的情况下，在下列之间按照总线协议的复杂性是不同的，即，高度复杂的控制总线协议(如例如高速以太网和ControlNet)，接下来是所谓的现场总线协议(如例如基础现场总线，Profinet和Profibus)，再接下来是装置总线协议(如例如DeviceNet，ProfibusDP，SDS和Interbus-S)，以及最后是简单的传感器总线(如例如CAN，ASI和LonWorks)。
除了连接到一个或多个对于总线通信必需的数据线缆以外，每个现场装置此外还与供能线路相连接。此时在工业设施中出现如下问题：通常在调度台和现场装置之间出现从数十米到数百米的距离并且在这样的设施中现有的现场装置的数量是很多的。与此相应，现场装置的布线不但需要材料方面的巨大花费，还需要规划和安装工作方面的巨大花费。
不仅将供能线路用于传输能量而且同时还将其用于数据传输这一基本思想并不是新的并尤其是在家庭电子、楼宇自动化和家庭或办公计算机的因特网连接的领域是已知的。此外最广为人知的是所谓的电力线通信标准(PLC)。在这些应用中借助于载波频率方法将数据调制到供能线路的电流信号上并且接着将数据与电流信号一起传输。与此相比，至今在工业应用的领域仅知道对组合数据传输和供能线路的少量尝试。因此在H.Beikirch和M.Voss的文章，"CAN-transceiverforfieldbuspowerlinecommunications，"IEEEInternationalSymposiumonPowerLineCommunicationsanditsApplications，2000，pp.257-264中应对如下可能性：将传感器总线CAN用于通过供能线路的通信。在JeroAhola的，，Applicabilityofpower-linecommunicationstodatatransferofon-lineconditionmonitoringofelectricaldrives"，ISBN951-764-783-2中，其中通过供能线路发送用于在线监控电驱动装置的传感器数据的应用是已知的。此外在市场上还存在可买到的专用工业总线解决方案，其中通过同一类型线路不但实现了对数据的传输而且实现了为现场总线装置供应能量，其中所述线路不是商业上常见的供应线路，一般来说而是具有附加屏蔽或没有附加屏蔽的双线线路。已知这样的专用工业总线解决方案例如为Profibus-PA或Interbus-Loop。
发明内容
本发明的任务现在在于，给出开始提及类型的连接装置、系统和方法，用其可以通过将商业上常见的供能线路用于同时传输数据的方式来减少工业设施中现场装置的布线花费。
用本发明的连接装置、本发明的系统和本发明的方法来解决该任务。
根据本发明，作为用于将数据耦合到供能线路中的装置布设并因此具有用于接收借助于第一工业总线协议传输的第一工业总线输入数据的至少一个第一工业总线接口的连接装置此外还具有下列元件：用于通过依据工业以太网协议调制第一工业总线输入数据来产生第一能量总线输出数据的调制设备，以及用于在供能线路上借助于载波频率方法发送第一能量总线输出数据的能量通信设备。根据本发明，作为用于将供能线路中的数据去耦的装置布设并且具有用于发送借助于第一工业总线协议传输的第一工业总线输出数据的至少一个第一工业总线接口的连接装置此外还包括用于接收依据工业以太网协议调制并借助于载波频率方法通过供能线路传输的第一能量总线输入数据的能量通信设备和用于提取基于工业以太网协议的第一能量总线输入数据以及用于产生第一工业总线输出数据的解调设备。本发明此外还设置不但可以耦合数据而且可以去耦数据的连接装置并且因此包括全部上述调制设备、解调设备和能量通信设备。
用于在调度台和至少一个现场装置之间进行信号传输的根据本发明的系统包括用于为至少一个现场装置供应电能的供能线路、为了耦合数据或耦合且去耦数据而布设的第一连接装置(其联接到供能线路并且通过至少一个第一调度台工业总线与调度台连接)以及为了去耦数据或耦合且去耦数据而布设的第二连接装置，其联接到供能线路并且通过至少一个第一现场装置工业总线与至少一个现场装置连接。
在用于将数据耦合到供能线路上的根据本发明的方法中，接收用第一工业总线协议传输的第一工业总线输入数据、通过依据工业以太网协议调制第一工业总线输入数据来产生第一能量总线输出数据、以及借助于载波频率方法在供能线路上发送该第一能量总线输出数据。为了将数据耦合到供能线路上，因此不是如目前已知的直接按照载波频率方法将工业总线输入数据调制到供能线路的电流信号上，而是还在其间插入工业以太网传输层。
用于从供能线路去耦数据的根据本发明的方法包括如下步骤：接收依据工业以太网协议调制并借助于载波频率方法通过供能线路传输的第一能量总线输入数据，以及基于工业以太网协议提取第一能量总线输入数据并且将其转换成要用第一工业总线协议发送的第一工业总线输出数据并且紧接着通过工业总线发送。在不但可以耦合还可以去耦数据的连接装置中，相互并行并且因此同时地进行所属的方法步骤。
根据本发明的有利的扩展方案，连接装置不但配备有第一工业总线接口，而且此外还具有第二工业总线接口，通过该第二工业总线接口可以发送或者接收第二工业总线输入数据或者第二工业总线输出数据。在此，第二工业总线输入数据或者第二工业总线输出数据使用与第一工业总线输入数据或者第一工业总线输出数据相同的第一工业总线协议传输，或使用与其不同的第二工业总线协议传输。此外以最大可能数据吞吐量为目的，现有工业总线接口的数目和尤其是可同时传输的工业总线协议的数目是可任意扩展的。同样，根据现有工业总线接口的类型和数量，联接到相应连接装置的现场装置的数目是可任意扩展的。对于通过所谓的调度台工业总线的、来自和到调度台的通信，规定：第一工业总线协议、第二工业总线协议和每个另外的工业总线协议属于上述复杂协议类型之一，也就是说其为控制总线协议或现场总线协议。对于通过所谓的现场装置工业总线的、来自和到现场装置的通信，此外根据现场装置的类型还可以使用装置总线协议和/或传感器总线协议以及专有操作装置协议。现场装置尤其可以是致动器单元、传感器单元、就地操作装置或远程操作装置。
通过在优选的扩展方案中规定的每一连接装置多个工业总线接口的使用，除能量和数据传输线路的已经非常有利的组合以外，还可能保持要安装的连接装置的数量尽可能少，尤其是在连接装置能够处理不同的工业总线协议的时候。通过同一个供能线路传输不同的工业总线协议的可能性允许：即使当应存在多总线体系结构时，在工业设施内全部现有的数据通信转为通过供应线路传输，而无需转变工业总线协议并且由此可能甚至无需替换现场总线装置。从而可以总是应用相同类型的连接装置，这大大减少了用于规划、安装和维护的花费。
其中应用根据本发明的连接装置的工业设施优选为电站、泵站或能量分配系统。调度台和至少一个现场装置之间的空间距离在这种类型的设施中计为50米和2千米之间。优选使用根据电力线标准的方法作为载波频率方法。
为了确保没有联接到供能线路的外来装置可以非法读出转换成能量总线输入数据和能量总线输出数据的信息，在发送能量总线数据之前，在连接装置之间交换安全标识。准备好用于接收能量总线输入数据的连接装置发送安全标识，并且打算发送对应能量总线输出数据的连接装置因此等待，直到从其接收到安全标识为止。
附图说明
结合对所附附图的描述，本发明的可能扩展方案在下面变得清楚，其中示出：
图1是用于发送能量总线输出数据的连接装置，
图2是用于接收能量总线输入数据的连接装置，
图3是用于发送和接收用于彼此不同的工业总线协议的能量总线输入数据或者能量总线输出数据的连接装置，
图4是来自图3的连接装置，然而其包含两个相同工业总线接口，
图5是通过供能线路的数据传输的根据本发明的层结构的示意图，
图6是工业设施的示例。
具体实施方式
在图1中示出连接装置K1，其具有五个工业总线接口I1、I2、I3、I4、I5以用于接收所属的第一到第五工业总线输入数据(IE1到IE5)。第一到第五工业总线输入数据(IE1到IE5)各自用五个不同的工业总线协议中的一个通过所属的工业总线1到5中的一个传输。这些工业总线协议的不同类型在附图中通过五个不同输入箭头的线类型来表明。工业总线接口I1到I5将各自接收的工业总线输入数据IE1到IE5转发到调制设备Mod，在此它们全部依据工业以太网协议(IEP)来调制。由此产生第一到第五能量总线输出数据EA1到EA5。该调制还可以简化写作EA1＝Mod(IEP，IE1)，EA2＝Mod(IEP，IE2)等等。所有能量总线输出数据一起得出能量总线输出信号EA＝{EA1，EA2，EA3，EA4，EA5}。该能量总线输出信号EA由调制设备Mod转发到能量通信设备En。能量通信设备En将能量总线输出信号EA调制到电流信号上以便在所联接的供能线路6上借助于载波频率方法T发送。
在图2中示出的连接装置K2具有能量通信设备En，能量通信设备En布设用于接收和提取借助于载波频率方法T在供能线路6上传输的能量总线输入信号EE。能量总线输入信号EE总共包含五个不同类型的能量总线输入数据，EE＝{EE1，EE2，EE3，EE4，EE5}。解调设备Dem从能量总线输入信号EE或者从各个能量总线输入数据EE1到EE5中提取各自所属的依据工业以太网协议调制的工业总线输出数据IA1到IA5并且将这些工业总线输出数据转交给相应的工业总线接口I1到I5以便在各自所属的工业总线1到5上输出。
在连接装置K1仅仅设置用于将来自工业总线1到5的数据耦合到供能线路6上并且连接装置K2仅仅设置用于在相反方向上去耦数据的同时，图3中的连接装置K3有能力进行两者并且因此不仅具有调制设备Mod而且具有解调设备Dem。这里工业总线接口I1到I5和能量通信设备En分别布设用于双向通信。换句话说，连接装置K3集合了连接装置K1和K2的功能性。
根据图4的连接装置K4与连接装置K3的不同之处仅在于：工业总线接口I1出现两次，同时不存在工业总线接口I2。与此相应，工业总线输入数据IE1和IE2以及工业总线输出数据IA1和IA2用同一个工业总线协议传输，然而在连接装置K4内将剩余输入数据和输出数据如同分别两个彼此分离的输入数据序列和输出数据序列一样对待。
图5说明了通过供能线路6实现的数据传输的层结构。在载波频率系统上安放工业以太网协议，并且在其上调制不同的工业总线协议。对于每一层，在括号中添加要传输数据的类型。
在根据图6的工业设施中现有两个调度台L1和L2，这些调度台分别与一定数量的现场装置(这里为远程操作装置I/O、由电动机M和所属的阀门组成的致动器单元以及传感器单元S)通信。所述通信通过两个不同的工业总线(其中用现场总线协议传输数据的第一工业总线1，例如基础现场总线、Profinet或Profibus以及其上运行专有操作装置协议的第二工业总线2)实现。在调度台L1中，第一计算器单元C1通过第一工业总线1与类型K1的连接装置连接，并且第二计算器单元C2通过第二工业总线2与类型K1的另外的连接装置连接。类型K1的两个连接装置根据用工业以太网协议和载波频率方法的上面描述的两次调制将从计算器单元C1或者C2发送的、工业总线输入数据形式的控制指令耦合到400V交流供能线路上。
在现场装置侧，现有类型K2的两个对应连接装置，所述连接装置又将从类型K1的连接装置耦合的数据通过两次解调从400V交流供能线路去耦并且供给到所属的现场装置。在此，将第一工业总线1的工业总线输出数据发送到致动器单元的电动机M和远程操作装置I/O，并且将第二工业总线2的工业总线输出数据发送到属于致动器单元的电动机M的未特别示出的就地操作装置以及远程操作装置I/O。在调度台L1和类型K1的连接装置之间仅需要通过工业总线1和2越过几米的短距离。这同样适用于在类型K2的连接装置和现场装置之间的距离。相反，比较来说，K1装置和K2装置之间的距离具有数百米远。现场装置通过400V交流供应线路不仅供应数据还供应能量，这通过变换到联接到电动机M的24V直流供应线路上来表明。
在第二调度台L2和所属的现场装置的侧上，将类型K3的双向连接装置用于将数据耦合到400V供能线路上并且将类型K4的双向连接装置用于去耦。与此相应，不仅可以将来自调度台的控制指令发送到现场装置，而且相反方向上的数据流也是可能的，例如用于从现场装置到调度台传输状态信息和测量信息。与此相应，在现场装置下还设置传感器S，这些传感器将其数据通过现场总线协议输出和因此通过第一工业总线1输出。
除了图中示出的实施例以外可设想本发明的另外扩展方案。例如这些连接装置可以将工业总线输出数据转换为与它最初在其中接收工业总线输出数据的工业总线协议不同的工业总线协议。还可设想，类型K1和类型K2的连接装置直接并排运行并且联接到同一个工业总线，便于由此使双向通信成为可能。图6中连接装置的数目是可根据调度台中联接到供能线路的计算器单元的数量或者根据现场装置的数量和所联接的工业总线的种类来任意扩展的。

Claims (15)

1.一种在工业设施中应用的连接装置，所述连接装置可联接到供能线路并且具有用于接收借助于第一工业总线协议传输的第一工业总线输入数据的至少一个第一工业总线接口，其特征在于
-第二工业总线接口(I2)，其用于借助于第二工业总线协议接收第二工业总线输入数据(IE2)，
-调制设备(Mod)，其用于通过依据工业以太网协议(IEP)调制第一工业总线输入数据(IE1)来产生第一能量总线输出数据(EA1)并且用于通过依据工业以太网协议(IEP)调制第二工业总线输入数据(IE2)来产生第二能量总线输出数据(EA2)，其中所有能量总线输出数据一起得出能量总线输出信号(EA)，
-能量通信设备(En)，其用于借助于载波频率方法(T)将所述能量总线输出信号(EA)调制到电流信号上以便在供能线路(6)上发送所述能量总线输出信号(EA)。
2.根据权利要求1的连接装置(K1，K3，K4)，其中布设能量通信设备(En)以用于仅当存在联接到供能线路(6)的接收装置的安全标识时才发送第一能量总线输出数据和/或第二能量总线输出数据(EA1，EA2)。
3.一种在工业设施中应用的连接装置，所述连接装置可联接到供能线路并且具有至少一个第一工业总线接口以用于借助于第一工业总线协议来发送要借助于第一工业总线协议传输的第一工业总线输出数据，
其特征在于
-第二工业总线接口(I2)，其用于借助于第二工业总线协议发送第二工业总线输出数据(IA2)，
-能量通信设备(En)，其用于接收和提取借助于载波频率方法(T)通过供能线路(6)传输的能量总线输入信号(EE)，所述能量总线输入信号(EE)包含第一能量总线输入数据和第二能量总线输入数据(EE1，EE2)，
-解调设备(Dem)，其用于从第一能量总线输入数据和第二能量总线输入数据(EE1，EE2)中提取依据工业以太网协议(IEP)调制的第一工业总线输出数据(IA1)和第二工业总线输出数据(IA2)并且用于将工业总线输出数据(IA1，IA2)转交给各自的工业总线接口(I1，I2)以便在各自所属的工业总线(1，2)上输出。
4.根据权利要求3所述的连接装置(K2，K3，K4)，其中布设能量通信设备(En)以用于在所述供能线路(6)上发送安全标识。
5.一种在工业设施中应用的连接装置，所述连接装置可联接到供能线路并且具有至少一个第一工业总线接口以用于借助于第一工业总线协议接收第一工业总线输入数据并且用于发送第一工业总线输出数据，
其特征在于
-第二工业总线接口(I2)，其用于借助于第二工业总线协议来接收第二工业总线输入数据(IE2)并且用于发送第二工业总线输出数据(IA2)，
-调制设备(Mod)，其用于通过依据工业以太网协议(IEP)调制第一工业总线输入数据(IE1)来产生第一能量总线输出数据(EA1)并且用于通过依据工业以太网协议(IEP)调制第二工业总线输入数据(IE2)来产生第二能量总线输出数据(EA2)，其中所有能量总线输出数据一起得出能量总线输出信号(EA)，
-能量通信设备(En)，其用于借助于载波频率方法(T)将所述能量总线输出信号(EA)调制到电流信号上以便在供能线路(6)上发送所述能量总线输出信号(EA)，并且用于接收和提取借助于载波频率方法(T)通过供能线路(6)传输的能量总线输入信号(EE)，所述能量总线输入信号包含第一能量总线-输入数据和第二能量总线-输入数据(EE1，EE2)，
-解调设备(Dem)，其用于从第一能量总线-输入数据和第二能量总线-输入数据(EE1，EE2)中提取依据工业以太网协议(IEP)调制的第一工业总线输出数据(IA1)和第二工业总线输出数据(IA2)并且用于将工业总线输出数据(IA1，IA2)转交到各自的工业总线接口(I1，I2)以便在各自所属的工业总线(1，2)上输出。
6.根据权利要求5所述的连接装置，其中布设能量通信设备(En)以用于在供能线路(6)上发送自有的安全标识并且用于仅当存在联接到供能线路(6)的接收装置的安全标识时才发送第一能量总线输出数据和/或第二能量总线输出数据(EA1，EA2)。
7.一种用于在工业设施中调度台和至少一个现场装置之间进行信号传输的系统，所述系统包括供能线路以用于为至少一个现场装置供应电能，
其特征在于，
所述系统还包括：根据权利要求1或5的第一连接装置(K1，K3)，所述第一连接装置联接到供能线路(6)并且所述第一连接装置通过至少一个第一调度台工业总线(1)与所述调度台连接；以及根据权利要求3或5的第二连接装置(K2，K4)，所述第二连接装置联接到供能线路(6)并且所述第二连接装置通过至少一个第一现场装置工业总线(1)与至少一个现场装置(I/O)连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其具有另外的现场装置(M)，通过供能线路(6)为所述另外的现场装置供应电能，其中第二连接装置(K2，K4)通过至少第一现场装置工业总线(1)和/或通过至少一个另外的现场装置工业总线(2)与另外的现场装置(M)连接。
9.根据权利要求8所述的系统，其具有另外的连接装置(K2)，所述另外的连接装置联接到供能线路(6)并且所述另外的连接装置通过至少第一现场装置工业总线(1)和/或通过至少一个另外的现场装置工业总线(2)与另外的现场装置(M)连接。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的系统，其中在至少第一调度台工业总线(1)和至少第一现场装置工业总线(1)上用同一工业总线协议进行通信。
11.根据权利要求7到9中任一项所述的系统，其中在至少第一调度台工业总线(1)和/或至少第一现场装置工业总线(1)和/或至少一个另外的现场装置工业总线(2)上用控制总线协议或现场总线协议进行通信。
12.根据权利要求7到9中任一项所述的系统，其中在至少第一现场装置工业总线(1)和/或至少一个另外的现场装置工业总线(2)上用装置总线协议或用传感器总线协议或用操作装置协议进行通信。
13.一种用于在工业设施中调度台和至少一个现场装置之间进行前向信号传输的方法，其中所述工业设施包括供能线路以用于为至少一个现场装置供应电能，其特征在于，
-接收用第一工业总线协议通过所属的工业总线(1)传输的第一工业总线输入数据(IE1)，
-接收用第二工业总线协议通过所属的工业总线(1)传输的第二工业总线输入数据(IE2)，
-通过依据工业以太网协议(IEP)调制第一工业总线输入数据(IE1)来产生第一能量总线输出数据(EA1)，
-通过依据工业以太网协议(IEP)调制第二工业总线输入数据(IE2)来产生第二能量总线输出数据(EA2)，其中所有能量总线输出数据一起得出能量总线输出信号(EA)，
-借助于载波频率方法(T)将所述能量总线输出信号(EA)调制到电流信号上以便在供能线路(6)上发送所述能量总线输出信号(EA)。
14.一种用于在工业设施中调度台和至少一个现场装置之间进行反向信号传输的方法，其中所述工业设施包括供能线路以用于为至少一个现场装置供应电能，其特征在于，
-接收和提取借助于载波频率方法(T)通过供能线路(6)传输的能量总线输入信号(EE)，其中所述能量总线输入信号(EE)包含第一能量总线输入数据和第二能量总线输入数据(EE1，EE2)，
-通过基于工业以太网协议(IEP)的提取来从第一能量总线输入数据(EE1)中获得要用第一工业总线协议发送的第一工业总线输出数据(IA1)，
-通过基于工业以太网协议(IEP)的提取来从第二能量总线输入数据(EE2)中获得要用第二工业总线协议发送的第二工业总线输出数据(IA2)，以及
-将工业总线输出数据(IA1，IA2)转交到各自的工业总线接口(I1，I2)以便在各自所属的工业总线(1，2)上输出。
15.一种用于在工业设施中调度台和至少一个现场装置之间进行信号传输的方法，其中所述工业设施包括用于为至少一个现场装置供应电能的供能线路，其特征在于，根据权利要求13和14所述的方法彼此并行地执行。
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