CN106462147A - 具有通用输入/输出（uio）的远程终端单元（rtu）以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括至少一个工业控制和自动化现场设备（106）以及远程终端单元（RTU）（102）。该RTU包括输入/输出（I/O）终端（410），其被配置成耦合到现场设备。该RTU还包括一个或多个I/O模块（204a‑204n、210a‑210n），其具有被配置成耦合到I/O终端的一个或多个可再配置I/O通道（606a‑606n）。每个可再配置I/O通道可配置为模拟输入、支持数字通信的模拟输入、模拟输出、支持数字通信的模拟输出、数字输入、数字输出以及脉冲累加器输入。该RTU还包括至少一个处理设备（502），其被配置成控制一个或多个可再配置I/O通道中的每一个的配置。

Description

具有通用输入/输出（UIO）的远程终端单元（RTU）以及相关 方法
技术领域
本公开一般涉及工业过程控制和自动化系统。更具体地，本公开涉及具有通用输入/输出（UIO）的远程终端单元（RTU）以及相关方法。
背景技术
远程终端单元（RTU）表示在远离监督控制和数据采集（SCADA）系统或其他自动化系统的站点处提供局部化控制和数据访问的设备或系统。例如，可以在不同站点处以及为了不同目的在油气田中使用多个RTU。RTU可以收集数据、执行本地控制、使用不同站点（诸如油井、管道和压缩站）处的传感器和致动器记录历史值、以及向SCADA系统提供实况和历史数据。SCADA系统可以执行控制逻辑并经由RTU改变在不同站点处的致动器的操作。RTU自身也可以合并用于数据分析的算法。
通常，RTU已经在使用和复杂性方面从它们在20世纪70年代的早期设计有所增加。现在，RTU常常需要支持较大专用网络能力和协议集合，以及支持许多控制执行模型且提供智能设备集成。
发明内容
本公开提供一种具有通用输入/输出（UIO）的远程终端单元（RTU）以及相关联的方法。
在第一实施例中，一种装置包括远程终端单元（RTU）。该RTU包括输入/输出（I/O）终端，其被配置成耦合到至少一个工业控制和自动化现场设备。该RTU还包括一个或多个I/O模块，其具有被配置成耦合到I/O终端的一个或多个可再配置I/O通道。每个可再配置I/O通道可被配置为模拟输入、支持数字通信的模拟输入、模拟输出、支持数字通信的模拟输出、数字输入、数字输出以及脉冲累加器输入。RTU还包括至少一个处理设备，其被配置成控制一个或多个可再配置I/O通道中的每一个的配置。
在第二实施例中，一种系统包括至少一个工业控制和自动化现场设备以及远程终端单元（RTU）。该RTU包括输入/输出（I/O）终端，其被配置成耦合到至少一个现场设备。该RTU还包括一个或多个I/O模块，其具有被配置成耦合到I/O终端的一个或多个可再配置I/O通道。每个可再配置I/O通道可配置为模拟输入、支持数字通信的模拟输入、模拟输出、支持数字通信的模拟输出、数字输入、数字输出以及脉冲累加器输入。RTU还包括至少一个处理设备，其被配置成控制一个或多个可再配置I/O通道中的每一个的配置。
在第三实施例中，一种方法包括将至少一个工业控制和自动化现场设备耦合到远程终端单元（RTU）的输入/输出（I/O）终端。该方法还包括：使用至少一个处理设备来配置耦合到RTU的一个或多个I/O模块中的I/O终端的一个或多个可再配置I/O通道。每个可再配置I/O通道可配置为模拟输入、支持数字通信的模拟输入、模拟输出、支持数字通信的模拟输出、数字输入、数字输出以及脉冲累加器输入。
根据下面的附图、描述和权利要求，其他技术特征可以对本领域技术人员容易地显而易见。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在结合附图对下面的描述进行参考，在附图中：
图1图示根据本公开的具有远程终端单元（RTU）的示例工业控制和自动化系统；
图2一直到图9图示根据本公开的示例RTU的细节；以及
图10图示根据本公开的用于与RTU一起使用通用输入/输出的示例方法。
具体实施方式
下面讨论的图1一直到图9以及用于描述该专利文档中的本发明原理的各种实施例仅作为说明并且不应该以任何方式解释为限制本发明范围。本领域技术人员将理解可以以任何类型的适当布置的设备或系统来实施本发明的原理。
如上文指出的，远程终端单元（RTU）在复杂性方面已经从早期设计增加，并且当前RTU常常需要支持许多更先进的特征。RTU中常常需要的一个特征是支持输入/输出（I/O）通道类型的灵活混合的能力。通道类型可以包括模拟输入（AI）、模拟输出（AO）、数字输入（DI）、数字输出（DO）以及脉冲累加器输入（PI）。AI和AO可能支持或可能不支持数字通信，诸如依从可寻址远程传感器高速通道（HART）协议的通过4-20mA连接的数字通信。传统的RTU常常通过使用具有固定数目的输入和输出的I/O卡来实现I/O通道类型的期望混合，在这里每个输入或输出都被固定到特定类型。
本公开描述一种具有通用I/O通道的RTU，该通用I/O通道具有灵活的用户定义的I/O类型。也就是说，每个I/O通道可以经由RTU的编程被配置为AI（具有或不具有数字通信）、AO（具有或不具有数字通信）、DI、DO或PI类型。这允许RTU在不必首先确保适当I/O通道被物理插入到RTU中的情况下被安装在现场。一旦被安装在现场，就可以为RTU定义可配置的后期绑定终端装置。除了别的之外，这尤其可以帮助减小RTU的尺寸、功耗和成本。
图1图示根据本公开的具有RTU 102的示例工业控制和自动化系统100。注意，在本领域中RTU 101还可被称为远程遥测单元。还要注意，尽管在这里示出单个RTU 102，但是系统100可以包括分布在一个或多个地理区域中的任何数目的RTU 102。
RTU 102表示一种在远离监督控制和数据采集（SCADA）系统或其他控制系统104的站点处提供局部化控制和数据访问的设备或系统。例如，RTU 102可以位于油、气或水井或者变电站处或附近。在这些或其他情形下，RTU 102可以被用来从本地传感器收集数据并且处理该数据以便生成用于本地致动器的控制信号。RTU 102还可以按照需要与控制系统104交互。以这种方式，可以在远离控制系统104的位置处提供过程控制和自动化功能。控制系统104被示出为通过有线网络105以及使用无线连接（诸如经由微波、蜂窝或其他射频（RF）通信）与RTU 102进行通信。然而，RTU 102可以通过（一个或多个）任何合适的有线或无线连接与控制系统104通信。在一些实施例中，部件102-104通常可以使用有线连接、利用被用作备用的无线通信进行通信。
RTU 102还与一个或多个工业现场设备106进行通信和交互。该现场设备106可以包括测量过程的一个或多个特性的传感器、改变过程的一个或多个特性的致动器或其他工业现场设备。在该示例中，RTU 102使用有线连接108与现场设备106进行通信。有线连接108可以包括串行连接（诸如RS 232或RS485连接）、以太网连接、工业协议连接或其他有线连接。然而，要注意，RTU 102还可以与一个或多个现场设备106无线通信。
在该示例中RTU 102还与至少一个本地用户设备110通信和交互。用户设备110可以被工作人员用来与RTU 102或者现场设备106或控制系统104进行交互，所述现场设备106或控制系统104与RTU 102进行通信。用户设备110包括支持与RTU进行的用户交互的任何合适结构。
各种其他部件可选地与RTU 102一起使用。例如，RTU 102可以与一个或多个人机接口（HMI）112（诸如显示屏或操作员控制台）交互。HMI 112可以被用来从RTU 102接收数据或将数据提供给RTU 102。一个或多个安全摄像机114（诸如互联网协议摄像机）可以被用来捕获静止或视频图像并经由RTU 102将该图像提供给远程位置（诸如安全中心）。无线无线电设备116可以被用来支持RTU 102与远程接入点118之间的无线通信，该远程接入点118经由网络105与控制系统104或其他远程系统通信。其他远程系统可以包括现场设备管理器（FDM）120或其他资产管理器和/或RTU构建器122。FDM 120可以被用来配置和管理诸如现场设备（包括现场设备106）之类的资产，并且RTU 构建器122可以被用来配置和管理RTU（包括RTU 102）。
如下面更详细描述的那样，RTU 102合并一个或多个通用输入/输出（UIO）通道，其中每个I/O通道可以被配置为AI（具有或不具有数字通信）、AO（具有或不具有数字通信）、DI、DO或PI类型的通道。以这种方式，不需要在RTU 102中使用具有I/O通道的不同组合的不同I/O卡。而是，每个I/O通道可以按照需要被配置为具有适当的I/O类型。此外，RTU 102可以是可扩充的以使得一个或多个I/O模块（每个都具有一个或多个通用I/O通道）可以与RTU102一起使用。然而，要注意，还有可能在RTU 102中使用一个或多个可再配置的I/O通道连同一个或多个固定（非可再配置）类型的I/O通道。例如，RTU 102可以包括一个或多个固定I/O通道，并且RTU 102可以被扩充成包括一个或多个可再配置I/O通道。
在一些实施例中，RTU 102的通用I/O功能可以具有以下特征中的一个、一些或所有：
• 支持在RTU 102中的低功率操作（诸如从1.8W到4W）以支持“具有电池备用的太阳能供电”操作；
• 支持扩展的温度范围，诸如从-40℃到+75℃；
• 支持扩充以使得可配置数目的I/O通道可以与RTU 102一起使用；
• 支持RTU 102中的各种各样的控制执行方法，诸如功能块、梯形逻辑、用户结构化文本和编程、以及序列操作；
• 支持用于现场和设备供电的发射器和智能阀定位器二者的两线、三线或四线模拟输入和输出；
• 支持在包括AI、具有数字通信的AI、AO、具有数字通信的AO、DI（包括事件的数字输入序列或“DI-SOE”输入）、DO和PI的混合方面没有限制的其他I/O类型；
• 支持RTU控制模块冗余；以及
• 支持RTU定价（pricing），其比传统分布式控制系统（DCS）设备更低。
尽管图1图示具有RTU 102的工业控制和自动化系统100的一个示例，但是可对图1作出各种改变。例如，系统100可以包括任何数目的每一个部件。而且，图1中示出的功能划分仅用于说明。图1中的各种部件可以被组合、细分、或省略，并且可以根据特定需要添加附加的部件。此外，尽管被示为与有线现场设备一起使用，但是RTU 102可以与仅无线现场设备或与无线和有线现场设备二者一起使用。此外，图1图示一个示例操作环境，其中可以使用具有一个或多个通用I/O 通道的RTU 102。可以在任何其他合适系统中使用一个或多个RTU。
图2一直到图9图示根据本公开的示例RTU 102的细节。为了便于解释，RTU 102被描述为在图1的系统100中使用。然而，RTU 102可以在任何其他合适系统中使用。
如图2中所示，RTU 102包括控制器模块202、第一I/O模块集合204a-204n、以及扩充板206。该控制器模块202表示执行RTU 102的控制逻辑和其他功能的模块。例如，控制器模块202可以执行分析传感器数据以及生成用于致动器的控制信号的控制逻辑。控制器模块202还可以执行控制RTU 102的整体操作的功能，诸如支持与外部设备或系统的通信的功能。控制器模块202包括用于控制RTU的一个或多个操作的任何合适结构。在一些实施例中，控制器模块202包括执行LINUX或其他操作系统的至少一个处理设备。
I/O模块204a-204n中的至少一个可以支持至少一个可配置I/O通道。数据可以经由I/O模块204a-204n的I/O通道在控制器模块202与外部设备或系统（诸如现场设备106）之间传输。每个I/O模块204a-204n包括支持一个或多个I/O通道的使用的电路。如果I/O模块支持一个或多个可再配置I/O通道的使用，则I/O模块204a-204n还包括将至少一个I/O通道配置为AI（具有或不具有数字通信）、AO（具有或不具有数字通信）、DI、DO或PI通道的电路。该电路可以被用来按照期望配置和再配置每个I/O通道。例如，可再配置I/O通道的示例类型被示出在美国专利号8,072,098、美国专利号8,392,626、和美国专利号8,656,065中（通过参考将它们所有以其整体合并在此）。RTU 102可以包括任何数目的I/O模块204a-204n。在一些实施例中，指定数目的I/O模块204a-204n（诸如八个模块）可以被构建到RTU 102中。
扩充板206允许RTU 102被耦合到扩充板208，扩充板208被耦合到第二I/O模块集合210a-210n。I/O模块210a-210n可以具有与I/O模块204a-204n相同或相似的结构，并且可以在第二集合中使用任何数目的I/O模块210a-210n（诸如八个模块）。扩充板212可以被用来耦合到第三I/O模块集合。可以以类似的方式来添加附加的I/O模块。
要注意，如上文所述，RTU 102可以包括固定I/O通道和可再配置I/O通道的组合。固定I/O通道可以被RTU 102中的I/O模块204a-204n、210a-210n中的任一个支持，并且可再配置I/O通道可以被RTU 102中的I/O模块204a-204n、210a-210n中的任一个支持。作为特定示例，I/O模块204a-204n可以支持（一个或多个）固定类型的I/O通道，而I/O模块210a-210n可以支持可再配置I/O通道。然而，可以在RTU 102中使用固定和可再配置I/O通道的任何其他合适的组合。
每个扩充板206、208、212包括促进一个或多个I/O模块到RTU的添加的任何合适结构。在该示例中，通过RTU 102形成两个电气路径214a-214b，并且电气路径214a-214b在环路216处相遇。可以以任何合适方式来形成电气路径214a-214b，诸如通过使用以太网连接和通过I/O模块和扩充板的电气路径。环路216可以被用来指示目前没有附加的I/O模块连接到RTU 102。然而，要注意，环路216还可以被放置在扩充板206上以指示当前没有附加的I/O模块集合连接到RTU 102。
功率供应（PS）218向RTU 102的部件提供操作功率。功率供应218包括被配置成向RTU提供操作功率的（一个或多个）任何合适结构。例如，功率供应218可以包括一个或多个电池、太阳能板、燃料电池或（一个或多个）其他功率源。
在一些实施例中，控制器模块202经由一个或多个I/O模块（诸如I/O模块204a-204n、210a-210n）从一个或多个现场设备106接收运行时和诊断数据。控制器模块202可以向控制系统104提供运行时数据和历史数据（其可以被存储在控制器模块202或其他位置中）。控制器模块202还可以向FDM 120提供诊断数据。
在特定实施例中，控制器模块202执行LINUX操作系统，使用MODBUS或DNP3协议支持与控制系统104的通信，以及使用HART OVER IP（HART-IP）协议与FDM 120进行通信。而且，国际电工委员会（IEC）61131标准可以由控制器模块202支持以用于对RTU 102进行编程。
图3图示可以与RTU 102一起使用的示例功率供应218。如图3中所示，功率供应218包括至少一个太阳能板302、调节的充电器304和至少一个电池306。每个太阳能板302包括用于将太阳能转换成电能的任何合适结构。在一些实施例中，一个或多个太阳能板302生成在10-30VDC之间的直流（DC）电压。
调节的充电器304将电能转换成适合于供RTU 102的部件使用的形式。例如，调节的充电器304可以将10-30VDC信号从（一个或多个）太阳能板302转换成用于控制器模块202和I/O模块204a-204n（以及任何附加I/O模块，诸如I/O模块210a-210n）的24VDC信号。调节的充电器304还将来自（一个或多个）太阳能板302的电能提供给一个或多个电池306以便为电池306进行充电。调节的充电器304还可以将来自一个或多个电池306的电能提供给RTU102的部件，以便补充或更换来自（一个或多个）太阳能板302的电能。例如这可以在当（一个或多个）太阳能板302不能生成足够的功率的时间期间（诸如在晚上或在差天气期间）发生。
图4A一直到4C图示关于示例RTU 102的附加细节。外壳402被用来包装和保护RTU102的其他部件。外壳402还提供对RTU 102的各种其他部件（诸如一个或多个端口或终端）的访问。外壳402可以具有任何合适的大小、形状和维度，并且由（一种或多种）任何合适的材料（诸如金属或加固塑料）形成。
RTU 102还包括两个上行链路/下行链路端口404、两个RS232端口406、和两个RS485端口408。端口404可以被用来经由网络105将RTU 102耦合到更高级或更低级设备，诸如控制系统104、FDM 102或RTU构建器122。端口404可以表示用于耦合到一个或多个通信链路的任何合适结构（诸如以太网端口）。RS232端口406和RS485端口408可以被用来将RTU102耦合到一个或多个现场设备或使用RS232或RS485串行协议的其他设备。
各种I/O终端410还被用来将RTU 102耦合到一个或多个现场设备。I/O终端410在这里可以被耦合到I/O模块204a-204n并且由此提供I/O模块204a-204n与耦合到I/O终端410的（一个或多个）现场设备之间的通信路径。I/O终端410可以被耦合到各种类型的现场设备，并且I/O模块204a-204n可以被适当地配置为AI（具有或不具有数字通信）、AO（具有或不具有数字通信）、DI、DO和/或PI通道。I/O终端410包括用于耦合到不同通信路径的任何合适结构（诸如螺栓终端）。
功率终端412可以被用来将RTU 102耦合到功率供应（诸如功率供应218）。插槽414提供对附加连接器（诸如用于耦合到I/O模块210a-210n的扩充板206）的访问。
要注意，图4A一直到4C中示出的端口和终端的数目和类型仅用于说明。RTU 102可以根据需要或期望包括（一个或多个）任何合适类型和（一个或多个）任何合适数目的接口。
如图4C中所示，RTU 102还包括三个印刷电路板（PCB）。第一电路板416表示端口404-408、I/O终端410和其他输入/输出部件可以位于其上的衬底。电路板416表示任何合适的衬底，诸如输入输出终端组件（IOTA）板。因为该原因，电路板416在下文中可以被称为IOTA板416。
第二电路板418和第三电路板420被耦合到IOTA电路板416。第二电路板418表示具有至少一个处理设备的板，所述至少一个处理设备执行用于RTU 102的操作系统。因为该原因，电路板418在下文中可被称为内核板418。电路板418还可以包括至少一个存储器、功率供应或功率转换器、以及一个或多个通信接口。作为特定示例，电路板418可以包括现场可编程门阵列（FPGA）。
第三电路板420表示包含I/O模块（诸如I/O模块204a-204n）的应用板。电路板420上的电路可以被用来将I/O通道再配置成AI（具有或不具有数字通信）、AO（具有或不具有数字通信）、DI、DO或PI通道。作为特定示例，电路板420可以包括专用集成电路（ASIC），它包括开关和被用来提供可再配置I/O通道的其他部件。因为该原因，电路板420在下文中可被称为应用板420。
图5图示RTU 102中的内核板418的示例。如图5中所示，内核板418包括至少一个处理设备502。（一个或多个）处理设备502可以运行操作系统并且以其他方式执行各种操作来支持控制器模块202的功能。每个处理设备502包括任何合适的处理或计算设备，诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器、FPGA、ASIC或分立逻辑设备。在特定实施例中，处理设备502表示XILINX ZYNQ-7000可扩展处理平台（EPP）。
（一个或多个）处理设备502可以包括或以其他方式支持一个或多个存储器接口/控制器504，其可以被用来支持去到和来自一个或多个存储器设备506的数据传输。可以在RTU 102中使用任何合适的存储器接口/控制器504，诸如一个或多个串行外设接口（SPI）、双数据率（DDR）接口、安全数字输入输出（SDIO）接口或集成电路间（I2C）控制器。类似地，可以在RTU 102中使用任何合适的存储器设备506，诸如一个或多个闪速存储器；DDR3、磁阻或其他随机存取存储器；安全数字（SD）卡；或电可擦除可编程只读存储器或其他只读存储器。存储器设备506中的至少一个可以用来存储RTU 102的功率损失期间的数据，以使得当功率被恢复到RTU 102时该数据可以被取回。
（一个或多个）处理设备502还可以包括或以其他方式支持一个或多个通信接口508，其可以被用来支持去到和来自一个或多个通信收发器/变换器510的数据传输。可以在RTU 102中使用任何合适的通信接口508，诸如一个或多个SPI、通用异步接收器/发射器（UART）接口或精简媒体独立接口（RMII）。而且，可以在RTU 102中使用任何合适的通信收发器/变换器510，诸如一个或多个以太网交换机、以太网收发器、RS232收发器或RS485收发器。连接器512将内核板418耦合到IOTA板416。除了别的之外，通信收发器/变换器510尤其可以经由连接器512与IOTA板416通信。连接器512包括被配置成在各电路板之间输送信号的任何合适结构。
电路514经由连接器512从IOTA板416接收输入功率。电路514提供各种功能，诸如热交换、功率调节和监督功能。作为特定示例，电路514可以接收24VDC信号作为输入功率并且将输入功率转换成一个或多个其他形式。例如，电路514可以将24VDC输入功率转换成1.8VDC、3.3VDC和5VDC信号。电路514还可以与处理设备502交换功率监视和管理信息。这允许例如处理设备502在过电压或欠电压条件期间执行或触发功能。
（一个或多个）处理设备502还可以包括或以其他方式支持用于控制通用I/O通道（诸如I/O模块204a-204n、210a-210n中的通道）的配置的控制逻辑516。例如，控制逻辑516可以提供控制信号，所述控制信号配置I/O模块204a-204n、210a-210n中的不同电路以便适当地配置I/O通道。连接器518将内核板418耦合到应用板420，这允许控制逻辑516将配置信号提供给应用板420。连接器518还允许电路514将DC功率提供给应用板420。连接器518包括被配置成在电路板之间输送信号的任何合适结构。
时钟源520被用来向（一个或多个）处理设备502提供一个或多个时钟信号。该时钟源520包括一个或多个时钟信号的任何合适源，诸如本地振荡器。
图6A和6B图示RTU 102中的应用板420的示例。该应用板420通常包括用于RTU 102的数据采集和输出控制电路。如图6A中所示，该应用板420包括将应用板420耦合到内核板418的连接器602。该应用板420还包括将应用板420耦合到IOTA板416的连接器604。每个连接器602-604包括被配置成在电路板之间输送信号的任何合适结构。
应用板420还包括多个可再配置I/O通道606a-606n。I/O通道606a-606n在这里可以表示或形成RTU 102中的一个或多个I/O模块204a-204n的至少一部分。每个I/O通道606a-606n可以被配置成操作为AI（具有或不具有数字通信）、AO（具有或不具有数字通信）、DI、DO或PI通道。下面描述的图6B中示出可再配置I/O通道606a-606n的一个示例实施方式。然而，还可以使用可再配置I/O通道606a-606n的其他实施方式。
在该示例中，应用板420中不存在功率调节器，并且经由连接器602从内核板418接收功率（尽管不需要是这种情况）。功率转换器608可以被用来转换从内核板418接收的功率。例如，功率转换器608可以包括升压转换器，其提升从内核板418接收的电压，诸如从5VDC到6VDC。
如图6B中所示，用于I/O通道606a-606n的信号模式可以是可经由控制信号（诸如来自内核板418中的控制逻辑516的控制信号）电气配置的。I/O通道606a-606n被耦合到两个终端螺栓S1和S2，其可以形成I/O终端的部分。
I/O通道606a-606n包括具有多个终端的数字逻辑块610，所述多个终端包括被配置成接收控制信号的终端616a-616g。该数字逻辑块610还包括用于向模拟公共资源块620中提供的电流输出数模转换器（DAC 621）提供多个逻辑信号611a-612a的终端611-612。电流输出DAC 621表示可变电流源。模拟公共资源块620还包括模数转换器（ADC）622。模拟公共资源块620的电流输出DAC 621和ADC 622中的任一个或二者可以可选地被I/O通道606a-606n中的多个通道共享。
模拟公共资源块620还包括被示出为HART解调器623的解调器。其被示为被配置成利用HART通信协议。还可使用其他通信协议。数字逻辑块610的终端616a-616d与通信总线相关联，该通信总线在该示例中表示SPI总线。然而，可使用其他总线接口，包括并行接口总线。
数字逻辑块610还包括用于从ADC 622接收经处理的信号数据613a的至少第一经处理数据终端613。如图6B中所示，HART解调器623从数字逻辑块610的终端614接收数据（RxD）并且向数字逻辑块610的终端615提供经解调的数据（CD）。
模拟公共资源块620被耦合到模拟MUX块630。该MUX块630包括用于从电流输出DAC621接收电流的输入633和用于向ADC 622的输入提供电压信号的输出634。如图6B中所示，MUX块630包括MUX 631和MUX 632，它们使它们的输出耦合到运算放大器(op amp)635的相应输入。op amp 635的输出被耦合到ADC 622的输入。
输出电路块640被耦合到I/O终端410。该I/O终端410包括终端螺栓S1和S2，并且每个I/O通道606a-606n可以被耦合到I/O终端410中的其自己的终端螺栓集合。输出电路板640包括感测电阻器649。在图6B中，电阻器649具有高电位侧R+和低电位侧R-。电流输出DAC621所提供的可变电流源被耦合到S1，电阻器649的R+被耦合到S2，并且电阻器649的R-被耦合到MUX 632的输入#2。电阻器649可以是精密电阻器，诸如低电阻温度系数（TCR）电阻器。输出电路块640还包括感测电阻器（SR）646，其在该示例中被示为0.5Ω电阻器，并且与提供给MUX块630和输出电路块640的DC功率供应（V+）串行耦合。
如图6B中所示，输出电路块640的功率晶体管全部被示为功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。功率晶体管包括耦合在SR 646和S1之间的FET 641、耦合在S2和模拟接地之间的FET 642、耦合在R-和模拟接地之间的FET 643、以及耦合在S1和R-之间的FET644。然而，还可使用基于双极的功率晶体管。
在操作的一个方面中，FET 643基于来自数字逻辑块610的逻辑信号而处于开（ON）或关（OFF）状态，其确定模拟接地是否将被I/O通道606a-606n使用。FET 643的开或关状态因此确定现场设备106是否将被连接到模拟接地（如果FET 643处于开则为是，如果FET 643处于关则为否）。即使FET 643处于关，模拟接地通常也对I/O通道606a-606n的功能起一定作用。例如，I/O通道606a-606n所提供的所有信号模式利用电流输出DAC 621用于用信号通知现场设备106并且利用第一和第二MUX 631-632、op amp 635和ADC 622用于从现场设备106接收到的信号。
在该实施例中，I/O通道606a-606n对电压作出响应。如果现场设备具有电压类型，则不需要电阻器649。如果现场设备具有电流类型，则通过引导电流跨电阻器649（其可以表示100Ω到300Ω电阻器）来产生电压。当现场设备具有其自己的功率时，DAC 621总是处于关。
在一些实施例中，一个或多个I/O通道606a-606n在很大程度上被实现为混合信号ASIC，其中ASIC为（一个或多个）I/O通道606a-606n提供数字逻辑块610、模拟公共资源块620和MUX块630。可以使用印刷电路板（PCB）技术通过在其上安装分立设备来实现用于（一个或多个）I/O通道606a-606n的输出电路块640。
以下表示可以如何再配置图6B的I/O通道606a-606n的若干示例。这些示例不限制本公开的范围或内容。在下面的示例中，“A”一直到“E”指代用于I/O通道606a-606n中的各种设备的操作状态，它们被来自数字逻辑块610的逻辑信号控制。“A”指代MUX 631，并且“B”指代MUX 632。值“C”、“D”和“E”（分别用于FET 643、641和644）以及DAC 621应该保持在适合于意图使用情况的值。
功能/情况1：来自于需要来自I/O通道606a-606n的功率的现场设备106的AI（通常经由0-20mA电流环路）
在该情况下，DAC 621被设置成其最大输出，有效地充当具有25mA电流限制的24V源（对于24V的V+电平）。连接在螺栓S1和S2之间的现场设备106使通过其的电流变化以指示现场设备106正测量的参数（诸如温度、压力或电平）的值。经由S2，经调制的电流通过电阻器649，从而产生响应于由ADC 622经由路径#2上的MUX 631、632测量的经调制的电流的电压。用户可以将线路监视（LM）配置为选项。当被配置时，如果ADC 622转换反映不存在去到/通过现场设备106的电流，则识别出断开的导线（虚线）。
功能/情况2：来自于提供其自己的电流并引用（reference）到I/O通道606a-606n的现场设备106的AI（通常经由0-20mA电流环路）
在该情况下，现场设备106产生0-20mA之间的电流。该电流在引脚S1上进入I/O通道606a-606n并且被路由通过FET 644且然后到电阻器649。电流经由S2返回到现场设备106。MUX 631和632使用多路复用器路径#3（其对校正反电压有影响）将电阻器649两端的电压传递给ADC 622。用户可以将LM配置为选项。在该情况下，现场设备106的模拟电路被引用到与I/O通道606a-606n相同的接地（FET 643处于开）。HART的使用也可以被支持。
功能/情况3：来自于提供其自己的电流并可以被引用到与I/O通道606a-606n的电压/接地不同的电压/接地的现场设备106的AI（通常经由0-20mA电流环路）
在该情况下，现场设备106产生0-20mA之间的电流。该电流在引脚S1上进入I/O通道606a-606n且通过FET 644路由到电阻器649，并且电流经由S2返回到现场设备106。MUX631、632使用MUX路径#3（其对校正反电压有影响）将电阻器649两端的电压传递给ADC 622。用户可以将LM配置为选项。在这里，现场设备106被引用到与I/O通道606a-606n的接地不同的接地。一个目的可以是螺栓信号S1和S2中的任一个或二者可以是关于I/O通道606a-606n的模拟接地的12V（最大值）到-7V（最小值）。也可以支持HART的使用。
功能/情况4：来自于给出电压（比如电池）并被引用到I/O通道606a-606n的现场设备106的AI（通常0-5VDC）：
在该情况下，现场设备106产生0-10V之间的电压。该电压跨过引脚S1和S2给予I/O通道606a-606n。MUX 631、632使用MUX路径#1将现场设备的电压传递给ADC 622。用户可以将LM配置为选项。例如，如果用户正使用具有未扩展到0V的正常输入电压范围的现场设备（诸如具有1-5V输出的现场设备）则LM是有意义的。在这里，模拟值被引用到与I/O通道606a-606n相同的模拟接地（FET 643处于开）。DAC 621可以对电压的测量结果没有贡献。
功能/情况5：来自于给出电压（比如电池）并可引用到与I/O通道606a-606n的电压/接地不同的电压/接地的现场设备106的AI（通常0-5VDC）：
该情况与功能/情况4几乎相同，除了在该情况下现场设备106可以引用到与I/O通道606a-606n的接地不同的接地。因此，FET 643处于关。再次地，DAC 621可以对电压的测量结果没有贡献。
功能/情况6：需要来自于I/O通道606a-606n的功率的DI（干接触）
该情况与功能/情况1几乎相同。在该情况下，DAC 621产生7mA，并且该电流在引脚S1处离开I/O通道606a-606n。电流被用于感测（现场设备106的）继电器接触的闭合。返回电流从螺栓S2进入并且通过电阻器649。MUX 631、632使用MUX路径#2将电阻器649两端的电压传递给ADC 622。用户可以将LM配置为选项，尽管当现场设备106的继电器接触断开时分立外部电阻器可以被用来防止“假阳性（false positive）”。在这里，干接触被引用到与电阻器649相同的接地（FET 643处于开）。闭合被检测为正常ADC转换，并且RTU 102可以具有将从ADC622提供的结果减少到单个布尔值的算法。当确定现场设备106的继电器已经从关转变到开时，可以命令DAC 621降低电流以节省功率。当确定继电器已经从开转变到关时，可以命令DAC 621生成7mA以提供用于继电器接触的足够的“湿电流”。要注意，类似的方法可以被用于PI，在其中处理设备502或其他部件对数字输入信号中的脉冲或转变的数目计数。
功能/情况7：经由其自己的功率提供信号并可以被引用到与I/O通道606a-606n的电压/接地不同的电压/接地的DI（电压输入类似于电池）
该情况与功能/情况3相同，除了没有提供LM之外。再次地，DAC 621可以对电压的测量结果没有贡献。要注意，类似的方法可以被用于PI，在其中处理设备502或其他部件对数字输入信号中的脉冲或转变的数目计数。
功能/情况8：AO(0-20 mA)
在该情况下，DAC 621产生0-20mA，并且该电流在引脚S1处离开I/O通道606a-606n。电流被用于调制致动器（诸如阀定位器）。返回电流从螺栓S2进入并且通过电阻器649。MUX631、632使用MUX路径#2将电阻器649两端的电压传递给ADC 622。用户可以将LM配置为选项，诸如当现场设备106具有含有大于0mA的最小值的正常电流范围时。例如具有4-20mA的正常电流致动范围的现场设备106可以适用于LM。要注意，在该情况下，LM的使用可以与I/O通道606a-606n的设计有关。具体来说，I/O通道606a-606n能够在执行ADC转换的同时维持AO值。在DAC 621馈送比较点的情况下将ADC 622实施为逐次逼近寄存器（SAR）方法可以节省成本。这是可接受的，但是去到现场设备106的AO电流可以被维持而没有中断。在该情况下，模拟环路被引用到与I/O通道606a-606n相同的接地（FET 643处于开）。HART的使用也可以被支持。对I/O通道606a-606n的命令可以命令FET处于开（以激励）或处于关（以去激励（de-energize））。
功能/情况9：DO
在该情况下，数字逻辑块610将FET 641和642开启以便激励负载（诸如继电器）。用户可以将LM配置为选项。通过使小电流（诸如1mA）通过负载达短的时间（足以进行一个ADC转换）来使DO关的情况运行。MUX 631、632使用MUX路径#2将电阻器649两端的电压传递给ADC622。在该情况下，现场设备106被引用到与I/O通道606a-606n相同的接地，但是当DO处于关且LM被配置（FET处于开）时现场设备（负载）电流仅进入I/O通道606a-606n。
功能/实例10：不能损害或激励被错误地连接的现场设备106的安全状态
在这里，当初始上电重置时或者当外部信号（诸如来自看门狗计时器）指示缺少周围电路的健康或不存在控制器块（诸如控制器模块202）时可以进入“安全状态”。在该情况下，不使用I/O通道606a-606n，并且预期没有现场设备被连接。与功能/情况1类似地配置I/O通道606a-606n，但是仅具有来自DAC 621的1mA。这支持可以检测现场设备106的非意图存在的诊断模式。
诊断功能/情况：3V3（数字Vcc）
在该情况下，ADC 622测量3V3。这是为了I/O通道健康/安全，并且不涉及用户使用情况。MUX 631、632使用MUX路径#4将电压传递给ADC 622。
要注意，这些仅仅是I/O通道606a-606n可以如何被配置用于在RTU 102中使用的一些示例。其他使用情况可以由RTU 102中的I/O通道606a-606n支持。而且，要注意RTU 102可以包括任何数目的可再配置I/O通道606a-606n。
图7图示RTU 102中的示例IOTA板416。如图7中所示，IOTA板416包括如上所述的上行链路/下行链路端口404、RS232和RS485端口406-408、I/O终端410、以及功率终端412。IOTA板416还包括如上所述的I/O扩充板206。
功率输入保护电路702从功率终端412接收功率并且经由连接器704将输入功率提供给内核板418。例如，保护电路702可以为RTU 102提供过电压保护。保护电路702包括提供功率保护的（一个或多个）任何合适的结构。连接器706允许应用板420被耦合到I/O终端410。每个连接器704-706包括被配置成在电路板之间输送信号的任何合适结构。
变换器708被用来经由连接器704将I/O扩充板206耦合到内核板418。这允许内核板418中的控制逻辑516适当地配置和控制耦合到RTU 102的附加I/O模块（诸如I/O模块210a-210n）。变换器708包括用于帮助将附加I/O模块从RTU 102的其他部件隔离的任何合适结构。在以太网电缆被用来形成电气路径214a-214b的一些实施例中，变换器708可以表示以太网变换器。
图8图示具有冗余控制器模块802a-802b的RTU 102的示例。可以使用单独的内核板418来实施每个控制器模块802a-802b，并且每个内核板418中的连接器512可以将该内核板418连接到IOTA板416以及其他内核板418（诸如通过使用额外的以太网连接）。控制器模块802a-802b之间的通信可以经由各种通信接口508来发生。当存在多个冗余控制器模块802a-802b时，IOTA板416可以被用来自动地管理哪个冗余控制器模块具有对每个I/O模块的控制并且在控制器模块故障时提供无缝切换（switchover）。
图9图示以更分布式的方式的RTU 102的示例实施方式。如图9中所示，RTU 102包括一个或多个控制器模块902，其可以表示单个控制器模块或控制器模块的冗余集合。RTU102还包括一个或多个I/O模块904，诸如支持如上文所述的可再配置I/O通道的使用的一个或多个I/O模块。然而，要注意，I/O模块904还可以支持一个或多个固定类型的I/O通道。
然而，在图9中，在这里（一个或多个）I/O模块904与（一个或多个）控制器模块902分离（并且可能非常远）。网络906将（一个或多个）I/O模块904耦合到（一个或多个）控制器模块902并且可以被用来在RTU 102的部件之间输送信号。网络906表示用于在RTU的部件之间输送信息的（一个或多个）任何合适通信路径。网络906可以例如表示故障容忍的电气或光纤以太网环或（一个或多个）其他通信路径。
在一些实施例中，RTU 102的部件902-904可以被单独地供电。例如，功率供应908可以被用来为（一个或多个）控制器模块902供电，并且功率供应901可以被用来为（一个或多个）I/O模块904供电。每个功率供应908-910包括操作功率的任何合适源，诸如“具有电池备用的太阳能功率”功率供应。
此外，在一些实施例中，（一个或多个）控制器模块902可以被耦合到一个或多个本地I/O模块912。（一个或多个）本地I/O模块912提供用于（一个或多个）控制器模块902到现场设备或其他设备的本地连接。（一个或多个）本地I/O模块912可以具有一个或多个固定类型的I/O通道和/或一个或多个可再配置I/O通道。
尽管图2一直到图9图示了示例RTU 102的细节，但是可对图2一直到图9作出各种改变。例如，图2一直到图9中示出的端口和接口的（一个或多个）数目和（一个或多个）类型仅用于说明。而且，图2一直到图9中示出的RTU 102的功能划分仅用于说明。图2一直到图4中的各种部件可以被省略、组合或进一步细分，并且根据特定需要可以添加附加的部件。
图10图示根据本公开的用于与RTU一起使用通用输入/输出的示例方法1000。为了便于解释，关于在图1的系统100中进行操作的图2一直到图9中示出的RTU 102来描述该方法1000。该方法1000可以由任何合适的RTU并且在任何合适的系统中使用。
如图10中所示，在步骤1002处将RTU安装在期望位置处。这可以包括例如工作人员将RTU 102安装在机柜或现场中的其他结构中。在步骤1004处一个或多个现场设备被耦合到RTU 的一个或多个I/O终端。这可以包括例如工作人员将电线从现场设备106耦合到RTU102的I/O终端410。然而，要注意，现场设备可以直接或间接（诸如经由故障容忍的以太网环或（一个或多个）其他连接）耦合到RTU 102。在步骤1006处按照需要配置RTU 的一个或多个I/O终端。这可以包括例如工作人员将数据提供给控制逻辑516并且控制逻辑516将控制信号提供给I/O模块204a-204n中的一个或多个I/O通道606a-606n。控制信号可以将每个I/O通道606a-606n配置为AI（具有或不具有数字通信）、AO（具有或不具有数字通信）、DI、DO或PI通道。
在步骤1008处作出是否需要更多I/O通道的确定。这可以包括例如工作人员确定RTU 102是否包含足够的内置I/O通道（在I/O模块204a-204n中）。如果没有，则在步骤1010处安装一个或多个附加I/O模块。这可以包括例如工作人员将RTU 102的扩充板206耦合到扩充板208，所述扩充板208耦合到附加I/O模块210a-210n。在步骤1012处，一个或多个附加现场设备被耦合到（一个或多个）附加I/O模块，并且在步骤1014处按照需要配置RTU的附加I/O通道。这可以包括例如工作人员将数据提供给控制逻辑516并且控制逻辑516将控制信号提供给（一个或多个）附加I/O模块210a-210n中的一个或多个I/O通道606a-606n。
在步骤1016处，将RTU置于操作中。这可以包括例如RTU 102经由I/O模块204a-204n、210a-210n中的可配置I/O通道传送或接收数据。以这种方式，可以按照需要在现场中配置RTU 102的I/O通道。不需要在安装RTU 102之前将固定类型的I/O通道安装在RTU 102中。
尽管图10图示用于与RTU一起使用通用输入/输出的方法1000的一个示例，但是可对图10作出各种改变。例如，尽管被示为一系列步骤，但是图10中的各种步骤可以重叠、并行发生、按照不同次序发生或发生多次。而且，如上文所指出的，RTU 102可以包括一个或多个固定I/O通道，并且RTU 102的可再配置I/O通道可以存在于I/O模块204a-204n内或者在附加的模块210a-210n内。如果I/O模块204a-204n仅包含固定的I/O通道，则步骤1006可以被省略。类似地，如果I/O模块210a-210n仅包含固定的I/O通道，则步骤1014可以被省略。
在一些实施例中，通过由计算机程序来实施或支持上述各种功能，所述计算机程序由计算机可读程序代码形成且体现在计算机可读介质中。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够被计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、硬盘驱动器、压缩盘（CD）、数字视频盘（DVD）、或任何其他类型的存储器。“非瞬时”计算机可读介质排除有线、无线、光学或输送瞬时电信号或其他信号的其他通信链路。非瞬时计算机可读介质包括其中可以永久地存储数据的介质和其中可以存储且稍后重写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储器设备。
阐述遍及本专利文档所使用的某些词和短语的定义可以是有利的。术语“耦合”及其派生词指代两个或更多元件之间的任何直接或间接通信，无论这些元件是否彼此物理接触。术语“应用”和“程序”指代一个或多个计算机程序、软件部件、指令集、程序、函数、对象、类、实例、相关数据或适合于以合适的计算机代码（包括源代码、目标代码或可执行代码）实施的其一部分。术语“接收”和“通信”以及其派生词包括直接和间接通信二者。术语“包括”和“包含”以及其派生词意指包括但不限制。术语“或”是包括性的，意指和/或。短语“与…相关联”以及其派生词可意指包括、被包括在内、与…互连、包含、被包含在内、连接到…或与…连接、耦合到…或与…耦合、可与…通信、与…协作、交错、并置、接近于、绑定到…或与…绑定、具有、具有…特性、具有与……的关系或与…具有关系等等。当与项目的列表一起使用时短语“…中的至少一个”意指可使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可需要列表中的仅一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
尽管本公开已描述了某些实施例以及通常相关联的方法，但是这些实施例和方法的变化和排列对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，示例实施例的上述描述不会限定或约束本公开。在不偏离如由下面的权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替代和变化也是可能的。

Claims (14)

1.一种装置，其包括：
远程终端单元（RTU）（102），其包括：
输入/输出（I/O）终端（410），其被配置成耦合到至少一个工业控制和自动化现场设备（106）；
一个或多个I/O模块（204a-204n，210a-210n），其包括被配置成耦合到I/O终端的一个或多个可再配置I/O通道（606a-606n），每个可再配置I/O通道可配置为模拟输入、支持数字通信的模拟输入、模拟输出、支持数字通信的模拟输出、数字输入、数字输出以及脉冲累加器输入；以及
至少一个处理设备（502），其被配置成控制一个或多个可再配置I/O通道中的每一个的配置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述RTU还包括：
扩充板（206、208、212），其被配置成耦合到一个或多个I/O模块。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述RTU还包括：
第一控制器模块（202、802a），其包括至少一个处理设备。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述一个或多个可再配置I/O通道包括以下中的至少一个：
直接耦合到第一控制器模块的一个或多个I/O模块（204a-204n）中的一个或多个可再配置I/O通道；以及
经由扩充板间接耦合到第一控制器模块的一个或多个I/O模块（210a-210n）中的一个或多个可再配置I/O通道。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述RTU还包括：
从第一控制器模块通过一个或多个I/O模块的第一和第二电气路径（214a-214b）；以及
其中第一和第二电气路径接合以指示缺少任何附加I/O模块。
6.根据权利要求3所述的装置，其中：
所述RTU还包括第二控制器模块（802b）；以及
一个控制器模块被配置成操作为主模块并且另一个控制器模块被配置成操作为辅模块。
7.根据权利要求2所述的装置，其中所述RTU还包括：
耦合到I/O终端和扩充板的第一电路板（416）；
耦合到至少一个处理设备的第二电路板（418）；以及
耦合到一个或多个I/O模块的第三电路板（420）；
其中第一电路板被耦合到第二和第三电路板。
8.根据权利要求7所述的装置，其中：
第一电路板还被耦合到一个或多个串行接口（406、408）、一个或多个上行链路/下行链路端口（404）、以及耦合到扩充板的一个或多个变换器（708）；
第二电路板还被耦合到一个或多个收发器（510），所述一个或多个收发器（510）被配置成与第一电路板通信；以及
第三电路板还被耦合到功率转换器（608），所述功率转换器被配置成转换从第二电路板接收到的功率。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述RTU还包括：
一个或多个固定I/O通道，每个固定I/O通道包括以下中的一个：非可再配置输入通道和非可再配置输出通道。
10.一种系统，其包括：
至少一个工业控制和自动化现场设备；以及
远程终端单元（RTU），其包括权利要求1一直到权利要求9中的任一个的装置。
11.一种方法，其包括：
将至少一个工业控制和自动化现场设备（106）耦合（1004、1012）到远程终端单元（RTU）（102）的输入/输出（I/O）终端（410）；以及
使用至少一个处理设备（502）来配置（1006、1014）耦合到RTU的一个或多个I/O模块（204a-204n、210a-210n）中的I/O终端的一个或多个可再配置I/O通道（606a-606n）；
其中每个可再配置I/O通道可被配置为模拟输入、支持数字通信的模拟输入、模拟输出、支持数字通信的模拟输出、数字输入、数字输出以及脉冲累加器输入。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将一个或多个I/O模块耦合（1010）到RTU的扩充板（206、208、212）。
13.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述RTU还包括耦合到一个或多个I/O模块的第一和第二控制器模块（802a-802b）；以及
所述方法还包括将第一和第二控制器模块操作为控制器模块的冗余对。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在配置所述一个或多个可再配置I/O通道之后，将所述可再配置I/O通道中的至少一个再配置成不同类型的I/O通道。
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