CN107562021A - 预配置或配置工业自动化环境中操作的设备的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
设备被配置为在工业自动化环境中操作。该设备包括处理单元、存储器、用于通过工业通信协议与外部设备通信的工业通信接口以及用于在设备操作期间与外设板进行通信的串行外设接口。该设备被配置为当串行外设接口耦合到外部存储设备时,通过串行外设接口接收与该设备的工业自动化功能相关的配置数据,并将所接收的配置数据储存在存储器中。当串行外设接口耦合到外设板时,该设备被配置为根据所接收的配置数据来操作以执行工业自动化功能。
Description
技术领域
概括地,本公开内容涉及预配置或配置执行工业自动化功能并且使用工业通信协议与外部设备进行通信的设备,并且更具体而言,涉及通过通用总线接口将配置数据传送到这些设备。
背景技术
可以包括诸如化学工业中使用的过程控制系统和工厂中使用的机器人系统的工业自动化系统通常包括在工厂或现场操作的专用设备。这些设备的示例包括阀、传感器、定位器、控制器等。一般而言,这些设备执行相应的工业自动化功能,诸如感测过程参数(例如温度、压力、流动速率、流体水平)、计算过程参数、控制过程参数(例如,打开和关闭阀、增加或减少流动)、生成报警等。
在工业自动化系统中运行的设备可以以有线或无线方式互连并使用工业通信协议(例如基金会TM现场总线、或Profibus)进行通信。这些协议规定了用于输送测量值、警报和状态报告、影响过程变量或自动化参数的命令、激活或去激活设备的命令等的格式。根据协议语法,典型的工业通信协议还通过预定义的命令或由专用设备的制造商所定义的命令来支持设备配置。
由于这些协议支持相对较低的数据速率,所以通过工业通信协议来预配置设备可能需要大量的时间。例如,以1200bps的速率通过HART通信链路下载15KB数据包大约需要10分钟。另一方面,允许通过联合测试动作组(JTAG)或类似协议复制固件的工具会施加各种限制,诸如将数据编译到固件、用于激活的物理控制(例如按钮)、支持特殊接口和通信协议等。
发明内容
根据下面讨论的预配置(provisioning)技术,被配置为执行工业自动化功能并被配置为使用工业通信协议(例如基金会TM现场总线或)进行通信的设备通过诸如串行外设接口(SPI)总线的通用总线以明显高于工业通信协议所支持的数据速率的速率接收配置数据。配置数据与所述设备的工业自动化功能相关,并且可以包括例如由设备操作期间将被显示的一种或多种语言的一组消息组成的语言包、诸如密度表的传感器配置数据等等。所述设备可以包括耦合到诸如传感器板的外设板的主电子板,并且配置数据最终可以驻留在主电子板或外设板上。
根据一个示例场景,为了发起配置数据的传送,主电子板通过通用总线连接到外部存储器,并且遵守工业通信协议的命令被发送到所述主电子板。所述主电子板响应于该命令通过通用总线获取配置数据。然后,外部存储器从主电子板断开连接,并且外设板通过通用总线耦合到主电子板。然后,所述设备根据配置数据进行操作。
更具体地,这些技术的一个示例实施例是被配置为在工业自动化环境中操作的设备。该设备包括处理单元、存储器、用于通过工业通信协议与外部设备进行通信的工业通信接口以及用于在设备操作期间与外设板进行通信的串行外设接口。当串行外设接口耦合到外部存储设备时,该设备被配置为通过串行外设接口接收与该设备的工业自动化功能相关的配置数据,并将所接收的配置数据储存在存储器中。当串行外设接口耦合到外设板时,该设备被配置为根据所接收的配置数据进行操作,以执行工业自动化功能。
这些技术的另一示例实施例是一种预配置设备的方法,所述设备被配置为使用工业通信协议进行通信并配备有用于互连设备组件的通用总线。该方法包括通过通用总线将设备的主电子板通信地耦合到外部存储器,通过通用总线将与设备的工业自动化功能相关联的配置数据从外部存储器传送到主电子板,并且在传送配置数据之后断开外部存储器并将主电子板与外设板通信地耦合。该设备根据所接收的配置数据来执行工业自动化功能。
这些技术的又一示例实施例是一种用于预配置在工业自动化环境中操作的设备的系统。该系统包括具有处理单元、存储器、用于通过工业通信协议与外部设备进行通信的工业通信接口以及通用总线的主电子板。该系统还包括:外部存储设备和外设板,该外部存储设备被配置为在通过通用总线连接到主电子板时与主电子板进行通信,并且外设板可通过通用总线连接到主电子板并且被配置为执行工业自动化环境中的感测或控制功能。该系统被配置为当主电子板通过通用总线耦合到外部存储器时,将与感测或控制功能相关的配置数据从外部存储设备传送到主电子板,其中,在操作期间主电子板或外设板中的至少一个利用配置数据。
附图说明
图1是用于预配置被配置为使用工业通信协议进行通信的设备的已知系统的框图;
图2是用于根据本公开内容的技术来预配置设备的主电子板和/或外设板的示例系统的框图,该设备被配置为使用工业通信协议进行通信并且配备有通用总线;
图3是用于预配置设备的示例方法的流程图,该设备被配置为使用可以在图2的系统中实现的工业通信协议进行通信,以及
图4是用于预配置外设板的示例方法的流程图,该外设板被配置为利用使用可以在图2的系统中实现的工业通信协议进行通信的设备进行操作。
具体实施方式
一般而言,本公开内容的方法和系统允许在工厂或现场执行工业自动化功能的设备在初始组装和建立期间或者在设备已经被部署之后作为更新的一部分快速地接收配置数据。如下面所讨论的,本公开内容的技术包括使用SPI总线或另一种适当类型的通用总线来将设备的主电子板临时耦合到外部存储器,以及以显著超过工业通信协议所支持的数据速率的数据速率将配置数据加载到主电子板中。
为了清楚起见,参考图1简要讨论了用于预配置这些设备的已知方法,并且更具体地,使用HART通信协议来下载图1中例示的系统中的语言包。
系统10包括设备12和工作站14或支持HART通信的另一适当的设备。例如,设备12包括主电子板20和传感器板22,例如传感器板22可以包括压力传感器。主电子板20配备有存储器30,在存储器30中储存有配置数据(包括语言包)。在该示例中的板20和22通过SPI总线24互连。
为了将语言包32从工作站14的存储器加载到存储器30中,操作员致动工作站14上的硬件或软件控制。工作站14使用HART调制解调器(未示出以避免视觉杂乱)和支持HART协议的软件模块建立HART通信链路26并通过该链路将语言包32发送到设备12。
HART通信链路26仅支持相对较低的数据速率。更具体而言,15KB的语言包通过HART接口26以1200bps的速度下载大约需要10分钟。一般而言,语言包包括一种或多种语言的一组消息,设备12可以在操作期间为操作员输出该组消息。因为语言包通常可以预期增大,语言包的大小可以达到64kB,在这种情况下下载大约需要40分钟。在制造期间,当大量设备12被预配置以便部署时,这个时间支出会显著地增加生产成本、延迟交付、限制生产能力等。此外,当操作员更新现场的设备时,图1的方法可能要求自动化系统或过程工厂长时间脱机。
相比之下,在图2例示的系统100中,可以分别在大约10和40秒内将15kB或64kB的语言包下载到设备中。接下来将讨论该系统的组件,随后概述可以在图1的系统中实施或与图1的系统一起使用的几个示例性方法。
系统100包括设备101,其中,主电子板102被配置为在正常操作期间与传感器板104通信。设备101实现工业自动化功能,例如测量过程变量,并通过工业自动化协议向远程设置的控制器报告测量值。然而,在初始预配置或更新期间,主电子板102被连接到外部存储器108。主电子板102可通过通用总线106连接到传感器板104或其它适当的外设板以及连接到外部存储器108。主电子板102不需要能够同时连接到传感器板104和外部存储器108;实际上,为了节省成本,在示例实施例中的通用总线106仅支持主电子板102与另一模块之间的一个连接。类似于参考图1讨论的设备10,设备101还支持根据一个或多个工业自动化协议的通信。
主电子板102包括处理单元110、存储器112、通用接口模块114和工业通信接口模块116。在其它实施例中,主电子板102还可以包括附加模块、组件或接口。
处理单元110可以包括一个或多个通用处理器(例如CPU)。作为一种替代方案,处理单元110可以包括专用集成电路(ASIC)。作为另一替代方案,处理单元110可以使用现场可编程门阵列(FPGA)模块来实现。主电子板110的处理功能也可以分布在诸如处理单元110和工业通信接口模块116等的几个组件中。更一般地,处理单元110可以包括用于实现下面讨论的功能的任何适当的组件。
存储器112可以是由处理单元110可读的任何适当的非暂时性存储器,并且可以包括持久的(例如,硬盘、闪存、FRAM、EEPROM)和/或非持久的(RAM、DRAM等等)组件。存储器112可以储存构成设备101的固件120、语言包122和与主电子板102的操作有关的其它配置数据、与传感器板104的操作相关的附加配置数据、诸如在设备101的操作期间收集的传感器读数的过程变量数据、警报和诊断数据等的指令。固件120包括可由处理单元110执行的指令集。固件120的指令通常不容易修改,但是在一些实现方式中,可以将新版本的固件120下载到存储器112中(这样的固件更新通常对应于数据到存储器112的大量传输,并且通常要求设备101脱机)。类似于图1的语言包,语言122包括一种或几种语言的字符串集,设备101可以在操作期间为操作员输出该字符串集。这些消息可以包括警告、警报、显示诸如“流体温度为120摄氏度”的信息的测量值的单位(例如,输入请求)等。注意,语言包122在本文中仅被认为作为示例,并且如果需要,用于下载系统100实现的配置数据的技术可以适用于诸如传感器特定表的其它类型的数据、乃至固件。
通用接口模块114和工业通信接口模块116可以以它们相应的数据速率来支持根据相应协议或协议集的通信。通用总线106可以是例如SPI总线。在示例实现方式中,通用接口模块114操作1.84MHz时钟,从而使得通用总线106可以支持高于1Mbps的数据速率。工业通信接口模块116可以支持基金会TM现场总线、Profibus等。在一些实现方式中,工业通信接口模块116可以被设置在主电子板102外部并通过适当的总线耦合到主电子板102。此外,在一些实现方式中,接口模块114和116可以支持相应协议栈的物理层和逻辑层。在其它实现方式中,固件120提供一些协议支持。例如,根据较低级别的HART协议栈,工业通信接口模块116可以包括调制4-20mA信号上的电压的电路,而固件120可以支持在较高级别的HART协议栈上的数字消息的编码和解码。作为另一示例,工业通信接口模块116是根据无线HART通信协议来发送和接收无线电通信帧的无线电电路,而固件120可以类似于上述示例支持较高级别的无线HART通信协议。
继续参考图2,传感器板104可以包括感测过程变量或自动化参数(诸如温度、压力或流动速率)的传感器130。尽管在该示例中传感器板104包括单个传感器模块,但是传感器板104通常可以包括任何适当数量的相同或不同类型的传感器。甚至更一般地,传感器板104可以是具有实现或辅助设备101的工业自动化功能的组件的任何适当的外设板。存储器132储存传感器配置数据134。传感器130或设置在与传感器130分离的传感器板104上的处理单元可以在操作中访问传感器配置数据134。
在一个示例场景中,设备101是数字水平控制器,其中,传感器130测量液体比重,也称为“密度”。设备101在诸如炼油厂的过程控制环境中操作。在该示例中的传感器130包括电子以及机械或机电组件(例如在操作期间过程流体施加浮力的置换器、扭矩管轴、A/D转换器等)。在该示例中的传感器配置数据134可以储存密度表。
取决于实现方式,外壳140可以单独地包围主电子板102或包围主电子板102和传感器板104两者。因此,当板102和104作为整体模块设置在壳体140内时,通用接口模块114不需要具有外部端口。在这样的实现方式中,操作员可能需要部分地或完全地移除外壳140以将主电子板102耦合到存储模块108。另一方面,当外壳140仅包围主电子板102时,通用接口模块114包括外部端口,传感器板104或外部存储器108可以使用标准电缆耦合到该外部端口。
仍然参考图2,设备101还可以包括诸如屏幕的用户界面(UI)。用户界面还可以包括供操作员提供命令和其它输入的硬件或软件按钮。图2中省略了输入和输出UI组件,以避免杂乱。
如图2中进一步例示的那样,存储器储存下载器模块150,其可以取决于实施例被实现为构成固件120的指令集,或者实现为单独的软件模块。下载器模块150可以使用各种适当的技术启动从外部存储器108下载语言包122。在一个示例实现方式中,下载器模块150在检测到外部存储器108通过通用总线106耦合到主电子板102时便自动启动语言包122的下载。在另一示例实现方式中,下载器模块150响应于通过工业通信接口116接收到的并且遵守相应的工业通信协议的命令而启动语言包122的下载。
更具体而言,设备101适用的工业通信协议可以指定用于下载诸如语言包122之类的配置数据的命令。替代地,工业通信协议可以留下一定范围的命令,用于由特定制造商来定义和使用。这些命令遵守工业通信协议(例如,HART)的语法,并且因此可以被认为是工业通信协议的部分或扩展。在任何情况下,如果需要,工业通信协议可以定义用于启动和执行诸如语言包122的配置数据下载到主电子板102中的过程,使得设备101可以通过工业通信协议接口116使用该过程来下载配置数据。
如果需要,也可以使用工业通信协议的命令来下载下载器模块150本身。以这种方式,制造商或操作员可以为任何期望的目的来创建下载器模块150(例如下载特定的代码修正(code fix)、新的配置数据、传感器配置数据等)。
在一些实现方式中,下载器模块150附加地实现认证例程,以确保在没有适当授权的情况下设备不被升级,或者例如在设备被部署在现场的情况下被篡改。为此,下载器模块150可以要求提供登录、密码或任何其它认证信息作为下载启动例程的一部分。当所提供的认证信息验证失败时,下载器模块150可以阻止语言包122或其它配置数据被下载到主电子板102。下载器模块150可以实现任何适当的验证机制(包括本领域已知的验证机制)。此外,下载器模块150可以例如实现诸如循环冗余校验(CRC)之类的验证或错误检查机制,以确保数据被无错误地传送到设备101。
如上所述,下载器模块150不通过工业通信协议接口116下载配置数据,而是取而代之地通过通用接口模块114下载语言包122。然而,在某些情况下,下载模块150响应于通过工业通信协议接口116接收的命令而通过通用接口模块114来下载配置数据。尽管图2中未例示,但是可以通过工业通信协议接口116从其发起这样的命令的设备可以包括工作站、手持设备或支持相应的工业通信协议的另一适当的设备。
在示例场景中,操作员希望将新的语言包以对设备操作的过程的中断最小化的方式快速地下载到在现场部署的无线HART设备。该语言被储存在配有SPI端口的外部存储模块上。操作员移除外壳、将传感器板从主电子板断开、并且通过SPI端口将外部存储模块连接到主电子板。然后,操作员使用手持HART通信器通过无线HART接口向HART设备发送适当的命令。作为响应,该设备通过SPI总线快速地从外部存储器获取语言包。然后,操作员断开外部存储模块、将传感器板重新连接到主电子板、并恢复外壳。然后,操作员将设备重新联机。
因此,设备快速且有效率地接收新的语言包。应当注意的是这种方法允许语言包通过通用总线与固件分开地下载。换而言之,在该示例场景中的升级不要求复制设备101的所有固件来仅升级可能构成固件映像的一小部分的语言包。此外,该方法不需要具有专门的接口或硬件组件以及固定装置(诸如硬件按钮)来激活下载。此外,这种方法不需要专门的硬件或专用协议(例如JTAG、通过导线监视(SBW)或引导加载程序(BSL))的支持。
上面描述的技术减少了制造在工业自动化环境中操作的设备的时间并因此减少了成本。这些技术既适用于制造/初始预配置,也适用于现场设备的后续使用期间,即使需要多次下载。因此,定制和升级(如下载较大的语言包)几乎不需要时间。
为了进一步清楚起见,图3例示了预配置设备的示例性方法300的流程图,该设备被配置为使用工业通信协议进行通信。方法300可以在图1的系统或类似的环境中实现。
方法300开始于框302处,在此检测到设备的主电子板通过通用总线与外部存储器的连接。如上所述,主电子板可以自动检测该连接或者例如可以使用工业通信协议向主电子板提供适当的命令。
接下来,在框304处,配置数据可以通过通用总线从外部存储器下载到主电子板中。根据这些技术,配置数据有利地与固件分开下载,从而减少在某些情况下将被传送的数据量。例如,配置数据可以是传感器板使用的语言包或密度表。
在框306处,主板与外部存储器断开连接,并且在框308处,检测主板与传感器板通过通用总线的连接。与框302类似,在一些实施方式中,自动检测与传感器板的断开和连接。在主板被连接到传感器板之后,对应的设备可以在对应的工业自动化环境中使用。如果执行方法300来升级设备,则可以在执行框308之后将该设备重新联机。
此外,在一些情况下,上面描述的技术可以用于有效率地预配置几个随后耦合到主板的传感器板。例如,参考图2,系统100可以用于有效率地预配置诸如传感器板104的外设板,而不是预配置诸如主电子板102的主板。在这些示例情况下,主板102可被用作通过其来预配置传感器板104的多个实例的“主”板。
参考图4,用于以这种方式预配置外设板的示例方法350从框352处开始,在此检测设备的主电子板通过通用总线与外部存储器的连接。在框354处,配置数据可以通过通用总线从外部存储器下载到主电子板中。在框356处,主板从外部存储器断开连接。这些步骤通常类似于上面参照图3讨论的步骤302-306。
在框358处,检测主电子板通过通用总线与外设板的连接。作为响应,在框360处,将配置数据从主电子板下载到外设板。在一些实现方式中,诸如图2的下载器模块150的下载器模块可以响应于工业通信协议的第一命令通过通用总线从外部存储器接收配置数据,并且响应于工业通信协议的第二命令通过通用总线将配置数据发送到外设板。这些命令可以通过工业通信协议接口接收。
框358和360可以被多次执行以预配置多个外设板,随后该多个外设板可以在相应的设备中操作。
方法300和350中的至少一些步骤可以使用软件和/或固件指令来实现。更具体地,方法300可以在下载器模块150中实现。
附加注释
除非另有明确说明,本文中使用诸如“处理”、“计算”、“核算”、“确定”、“识别”、“呈现”、“显示”等的词语的讨论可以指机器(例如计算机)的动作或过程,该机器操纵或变换表示为一个或多个存储器(例如,易失性存储器、非易失性存储器或它们的组合)、寄存器或其它接收、储存、发送或显示信息的机器组件内的物理(例如电子、磁或光)量的数据。
当以软件实现时,本文描述的任何应用、服务、引擎、例程和模块可以储存在任何有形的、非暂时的计算机可读存储器中(例如在磁盘、激光盘、固态存储器设备、分子存储器储存设备、光盘或其它储存介质上),在计算机或处理器的RAM或ROM中,等等。尽管本文公开的示例性系统被公开为包括在其它组件、在硬件上执行的软件和/或固件之中,但是应当注意,这样的系统仅仅是说明性的并且不应当被认为是限制性的。例如,可以想到,这些硬件、软件和固件组件中的任何一个或全部可以专门以硬件、专门以软件或以硬件和软件的任何组合来体现。因此,本领域普通技术人员将容易地理解,所提供的示例不是实现这些系统的唯一方式。
因此,虽然已经参考具体示例描述了本公开内容的技术,这些具体示例仅仅是说明性的而不是对本发明的限制,但是对于本领域普通技术人员将显而易见的是,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对所公开的实施例进行变更、添加或删除。
Claims (20)
1.一种被配置为在工业自动化环境中操作的设备,所述设备包括:
处理单元;
存储器;
工业通信接口,所述工业通信接口用于通过工业通信协议与外部设备进行通信;以及
串行外设接口,所述串行外设接口用于在所述设备操作期间与外设板进行通信;
其中,所述设备被配置为:
当所述串行外设接口耦合到外部存储设备时,通过所述串行外设接口接收与所述设备的工业自动化功能有关的配置数据,并将所接收的配置数据储存在所述存储器中,以及
当所述串行外设接口耦合到所述外设板时,根据所接收的配置数据进行操作以执行所述工业自动化功能。
2.根据权利要求1所述的设备,其中,所述工业通信协议指定用于传送所述配置数据的专用的命令,并且其中,所述设备被配置为响应于所述命令通过所述串行外设接口接收所述配置数据。
3.根据权利要求1所述的设备,其中,所述设备被配置为响应于检测到所述外部存储设备被连接到所述串行外设接口而自动接收所述配置数据。
4.根据权利要求1所述的设备,所述设备被配置为与所述设备的固件分开地接收所述配置数据。
5.根据权利要求1所述的设备,其中,所述处理单元、所述存储器和所述串行外设接口被设置在主电子板上,所述主电子板通过限定串行外设总线的一组导线耦合到所述外部存储设备或所述外设板。
6.根据权利要求1所述的设备,还包括用户界面,其中,所述配置数据包括由一种或多种语言的多个消息组成的语言包,并且其中,所述设备被配置为在所述设备的操作期间对从所述语言包中的所述多个消息中选择的消息进行显示。
7.根据权利要求1所述的设备,被配置为将(i)认证功能或(ii)错误检测功能中的至少一个应用于所接收的配置数据。
8.一种用于预配置设备的方法,所述设备被配置为使用工业通信协议进行通信并配备有用于互连设备组件的通用总线,所述方法包括:
通过通用总线将设备的主电子板通信地耦合到外部存储器;
通过所述通用总线传送与所述设备的工业自动化功能相关联的配置数据;
在传送所述配置数据之后,断开所述外部存储器并将所述主电子板通信地耦合到外设板;
其中,所述设备根据所接收的配置数据来执行所述工业自动化功能。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述工业通信协议指定用于传送所述配置数据的专用的命令,所述方法还包括:
在所述主电子板处接收所述专用的命令,其中,传送所述配置数据响应于所述专用的命令而发生。
10.根据权利要求8所述的方法,其中,传送所述配置数据响应于检测到所述外部存储器耦合到所述主电子板而自动地发生。
11.根据权利要求8所述的方法,还包括:
独立于所述配置数据将用于操作设备的固件传送到所述主电子板。
12.根据权利要求8所述的方法,其中,通过所述通用总线传送所述配置数据包括:通过串行外设接口(SPI)传送所述配置数据。
13.根据权利要求8所述的方法,其中,传送所述配置数据包括:传送具有一种或多种语言的一组消息的语言包,其中,所述设备在操作期间通过用户界面对所述消息中的至少某些消息进行显示。
14.根据权利要求8所述的方法,其中,通过所述通用总线传送所述配置包括:
向所述设备提供验证数据,以及
当所提供的验证数据在所述设备处验证失败时,阻止所述配置数据的传送。
15.一种用于预配置在工业自动化环境中操作的设备的系统,所述系统包括:
主电子板,所述主电子板包括:
处理单元,
存储器,
工业通信接口,所述工业通信接口用于通过工业通信协议与外部设备进行通信,以及
通用总线;所述系统还包括:
外部存储设备,所述外部存储设备被配置为在通过所述通用总线连接到所述主电子板时与所述主电子板进行通信;以及
外设板,所述外设板可通过所述通用总线连接到所述主电子板并且被配置为在所述工业自动化环境中执行感测或控制功能;
其中,所述系统被配置为:
当所述主电子板通过所述通用总线耦合到所述外部存储器时,将与所述感测或控制功能相关的配置数据从所述外部存储设备传送到所述主电子板,其中,在操作期间所述主电子板或所述外设板中的至少一个利用所述配置数据。
16.根据权利要求15所述的系统,其中,所述系统被配置为:
在所述主电子板从所述外部存储器断开并连接到所述外设板之后,使得所述主电子板通过所述通用总线将所述配置数据传送到所述外设板。
17.根据权利要求15所述的系统,其中,为了将所述配置数据从所述外部存储设备传送到所述主电子板,所述系统被配置为向所述主电子板提供命令,其中,所述命令遵守所述工业通信协议。
18.根据权利要求17所述的系统,所述系统被配置为通过所述工业通信接口向所述主电子板提供所述命令。
19.根据权利要求15所述的系统,所述系统还被配置为响应于检测到所述外设板通过所述通用接口耦合到所述主电子板而将所述配置数据传送到所述主电子板。
20.根据权利要求15所述的系统,所述系统还被配置为将所述配置数据与所述主电子板的固件分开地传送到所述主电子板。
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