CN1091286C - 现场总线系统和虚拟现场设备 - Google Patents

Abstract

一种通过现场总线在现场装置与连接在一条传输线上的上级设备之间进行信号传送的系统，其中的现场装置为模拟信号类型，在模拟类现场装置与现场总线之间提供了一种替代装置，替代装置作为现场装置的替代物在现场总线上进行通信。由于替代装置的作用，现场装置可以根据需要逐渐地改换成适合现场总线的装置，于是，现有系统即可逐步地改换成现场总线系统。

Description

现场总线系统和虚拟现场设备

本发明涉及一种通过双线传输线进行信号传送的现场设备，尤其涉及一种可使系统很容易地转换和扩展的现场总线系统。

所谓现场设备的一般应用是在各种工厂用现场装置测量诸如压力、温度、流速等一类物理量，将这类物理量的所测值转换为电信号，并将该电信号传送到上级设备。而且，现场装置还可以反过来使用，即现场装置接收从上级设备传来的控制信号，由此控制工厂里的阀门或类似部件。

在电信号为模拟信号的情况下，这些电信号的传送是标准化的，即在现场装置与上级设备之间传送的是4-20mA的模拟电流信号。通常，现场装置与上级设备之间的通信为单向模拟信号通信。

然而，近几年来，随着半导体集成技术(IC技术)的进展，带内藏式微处理机的现场装置已被开发并已进入实用。按照改进的现场装置，不仅能在传输线上进行单向模拟信号通信，而且能在传输线上实现双向数字信号通信，由此可远距离指令现场装置的量程设定、自诊断等等。上述这类设备已在昭和-58-48198和昭和59-201535号待审日本专利公布中作了公开。

下面将参见图4介绍这类装置的典型实例。图4表示需要一个外部电源的模拟电流输出类现场装置的构造实例。现场装置1a、1b和1c由外部电源4供电操作，相应输出模拟电流信号，如此的现场装置1a、1b和1c相当于恒流源，将对应于被测物理量的电流送至传输线。上级接收器设备3检测串联接入传输线中的每一电阻器两端的电位差，由此接收电阻器中流动的模拟电流信号(以下简称“模拟信号”)。所接收的模拟信号作为相应现场装置1a、1b和1c的指令值。上级通信设备2连接在一组现场装置1a、1b、1c与上级设备3和外部电源4之间，以便在现场装置1a、1b、1c与上级设备3之间实现双向数字信号通信。

看作为用于在这样传输线上进行信号传送的系统包括，以数字信号进行通信为目的，将数字信号叠加在模拟信号上但不影响模拟信号的一种信号传输系统；模拟信号和数字信号能互相转换的一种信号传输系统以及仅采用数字信号的一种信号传输系统。

近来，有一种现场总线系统作为一个系统而被推荐，在该系统中，一组数量较多的现场装置被连接在一条传输线上，仅用数字信号进行双向通信。以下将参照图5介绍这种现场总线系统的一个典型实例。图5表示一个系统的构造实例，在该系统中，一组数量较多的现场装置以“树”的形式，通过传输线连接到上级设备。现场装置1a、1b和1c由外部电源4’供电操作，现场装置与上级设备之间的双向通信由此可用数字信号在传输线5’上实现，达到了既传送被测物理量又接收控制量的双重目的。上级通信设备2’连接在一组现场装置1a’、1b’和1c’与一组上级设备3’和外部电源4’之间，实现现场装置1a’、1b’和1c’与上级设备3’之间的双向数字信号通信。终端连接器7各由串联连接的一个电阻器和一个电容器组成，跨接在传输线5’的两端。

在如图4所示的系统变换为如图5所示的系统的情况下，还必须以新的能适合现场总线的上级设备和现场装置替换原有的设备和装置。然而，据说由于传输线5无需改换即可使用，故系统的变换很容易实现。而且，由于连接在传输线上的现场装置数量可以增加，因此，系统的扩展也很方便。

采用上述传统技术，当一个现有系统更换为现场总线系统时，除了传输线以外，其它所有装置和设备都必须一次更换。

因此，在要使用上述现场总线系统的情况下，问题在于，一开始设备费用就非常昂贵。尤其不可能逐渐将现有系统更换为现场总线系统，而现场装置暂时又连接在现有系统上来使用，故一开始时设备的高成本是不可避免的。因而，从成本性能的观点来看，传统技术很难适应于目前的系统。

本发明的第一个目的是为此而提供一种现场总线系统，在该系统中，尚不适应现场总线的现场装置系统能够逐步地转换为现场总线系统。

本发明的另一个目的是提供一种虚拟现场设备，现场总线系统经该虚拟现场设备予以使用，而尚不适应现场总线的现有系统能够继续使用。

为了实现上述目的，根据本发明，在现场总线与众多尚不适应现场总线的现场装置之间提供了一种替换装置，替换装置可作为现场装置的代用品完成现场总线的通信。通过代用装置，现场装置可根据需要逐步更换为适合现场总线的装置，这样，从现有系统转换为现场总线系统即可逐步实现。

此外，本发明新提供了一种虚拟现场设备。该虚拟现场设备为现场总线配备了一个连接终端，并为现有现场装置配备了多个模拟信号连接终端，而且，虚拟现场设备具有代替现场总线上的现有现场装置完成连接终端与模拟信号连接终端之间信号处理的功能。相应地，通过将虚拟现场设备连接到现有系统，即可很容易地实现系统转换，使之适应现场总线。

符合本发明的现场总线系统直接连接到传输线，而尚不适应现场总线的现有现场装置，则通过新提供的作为现有现场装置代用品的现场装置，间接地连接到传输线。因此，包括操作尚不适应现场总线的现有现场装置的电源在内的信息，经由根据本发明新提供的现场装置，从传输线送到现有现场装置。例如，当现有现场装置为模拟信号电流输出类型时，作为其输出信号的4-20mA的模拟电流信号，在根据本发明的新提供的现场装置中转换为数字信号并实际发送出去。反之，当现有现场装置为模拟电流输入类型时，作为其输入信号的4-20mA的模拟电流信号实际上由根据本发明的新提供的现场装置接收，于是，数字信号被转换成模拟信号，由新提供的现场装置输出。

通过利用新提供的现场设备，现有系统可以转换为现场总线系统，而现有模拟信号类型的现场装置仍可继续使用。简而言之，只要简单地将上级设备和外部电源改换为新的、能适应现场总线的设备，即可实现现场总线系统。

另外，现有现场装置也可以更换为新的适合现场总线的装置，只要简单地将其连接改变为直接与传输线连接即可。相应地，系统也可以根据需要很容易地逐步由现有系统转换为现场总线系统。

图1是表示根据本发明的现场总线系统的一个实施例的结构示意图；

图2是表示根据本发明的虚拟现场设备的一个实施例的方块图；

图3是表示根据本发明的虚拟现场设备另一个实施例的方块图；

图4是表示一个传统现场装置系统结构实例的示意图；

图5是表示一个最近推荐的现场总线系统实例的示意图。

以下参照附图描述本发明的实施例。

图1是表示根据本发明一个现场总线系统的结构示意图。

参见图1，在现场装置1a、1b和1c中，其输出信号(或输入信号)为4-20mA的模拟电流信号或其上叠加有数字信号的4-20mA模拟电流信号，这样，双向通信即可实现。现场装置1a、1b和1c用来传送在各种工厂过程中通过测量诸如压力、温度、流速等物理量而获得的检测值，或用来接收用于控制工厂中阀门等部件的控制量。虚拟现场设备6由外部电源4通过传输线5供电操作，并设置在传输线5与现场装置1a、1b和1c之间。尽管本实施例表示的是虚拟现场设备6设置在现场一方接线盒中的情况，但本发明也适用于虚拟现场设备设置在上级设备一方的情况。

虚拟现场设备6相应通过传输线5a、5b和5c将电力提供给现场装置1a、1b和1c，同时，虚拟现场设备相应通过传输线5a、5b和5c接收来自现场装置1a、1b和1c的模拟输出信号。虚拟现场设备6将模拟输出信号转换为数字信号，并实际上用数字信号作为来自相应现场装置的输出信号，以实现现场总线系统的通信。例如，当现场装置1a、1b和1c为利用一个叠加在另一个之上的模拟电流信号和数字信号的双向通信类型时，虚拟现场装置6具有在现场总线和现场装置1a、1b和1c之间转换通信方案的功能，这样，不仅可以利用模拟信号，而且可以利用数字信号分别通过传输线5a、5b和5c来完成虚拟现场设备6与每个现场装置1a、1b和1c之间的通信。又如，当现场装置1a、1b和1c为仅利用模拟电流信号进行通信的类型时，虚拟现场装置6相对于现场总线，实际上起到现场装置1a、1b和1c的代用品作用。再如，通过将现场装置改为适合现场总线的装置，或新提供一种适合现场总线的现场装置来实现系统的改变/扩展时，一个适合现场总线的现场装置1d可连接到现场总线传输线5上。这样，启动现场装置1d的电源即可通过传输线5，由外部电源4向现场装置1d直接提供。于是，现场装置1d即可与连接在现场总线上的设备(上级设备3、上级通信设备2等等)进行通信。这里，虚拟现场设备6所消耗的电能，包括虚拟现场设备6的内部电路所消耗的电能和现场装置1a、1b和1c所消耗的电能。因此，如果在例如现场装置1c等与系统分离的情况下能够控制虚拟现场设备6所消耗的电能的话，那么，由外部电源4通过传输线5所提供的电功率值因外加适合现场总线的现场装置1d而受到的影响是极小的。

上级设备3通过传输线5以数字信号与适合现场总线的各设备(虚拟现场设备6、现场装置1d、上级通信设备2等)进行通信，以便于上级设备3接收由现场装置所测量的各种物理量(例如压力、温度、流速等等)，或将控制信号作为工厂控制信息，发送到现场装置如阀门等部件上。

上级通信设备2可按理想的位置连接在传输线上。上级通信设备2通过传输线5进行通信时，可以操作显示器或键盘对来自虚拟现场设备6和现场装置1d的输出值进行监视、调节等。

以下将参照图2和图3更为详细地描述现场设备6的工作。图2表示所要连接的现有现场装置8a至8n为模拟信号输出类型和利用数字信号的双向通信类型的实例。图3表示所要连接的现有现场装置9a至9n为模拟信号输入类型和利用数字信号的双向通信类型的实例。

尽管本实施例表示的是所要连接的现有现场装置是模拟信号类型和利用数字信号的双向通信类型的情况，但由于现场设备6仅起到在现有现场装置为模拟电流信号类型的情况下的现有现场装置的代用品的作用，故从现场总线一方的观点来看，虚拟现场设备6的操作可认为是相同的。

参见图2，直流/直流转换器609由外部电源通过传输线提供电压，以此产生操作现场设备6的电压V_DD和操作模拟信号接收器612a、612b、…、612n的电压Ea、Eb、…、En。于是，模拟信号接收器612a、612b、…、612n将向尚不适应现场总线的现场装置8a至8n供电。这里，直流/直流转换器609通过现场总线5控制供电，以保持其数值恒定，以便使电力值根据模拟信号类现场装置8a至8n的连接数量而改变。

模拟信号接收器612a、612b、…，包括了向尚不适合现场总线的相应的现场装置8a至8n供电的电源以及用来检测作为相应现场装置8a至8n输出信号的4-20mA模拟电流信号的接收器。模拟信号接收器的输出信号作为1-5V的模拟信号输入多路调制器610。多路调制器610将这些信号连续地送入模/数转换器604，同时根据输入/输出接口605提供给它的指令连续地切换这些信号。模/数转换器604将这些信号转换为数字信号，随机存取存储器602将这些数字信号存贮起来。微处理机601根据只读存贮器603中编程的数据，控制上述一连串步骤。

调制解调器613a、613b、…、613n是以数字信号叠加在所连接的现有现场装置的模拟信号之上，或把模拟信号转换为数字信号的方式，通过利用数字信号进行双向通信的接口电路。这些数字信号是以解调的信号输出的。进行解调时，为了把发射器/接收器电路607的输出送到相应的解调器613a、613b、…，613n，多路调制器611根据输入/输出接口605的输出指令选择调制解调器613a、613b、…、613n。作为调制解调器613a、613b、…，613n的输出信号，例如，可类似频率调制使用两种频率信号，相应于数字信号“1”和“0”；也可类似相位调制使用两种相位信号，相应于两个相位“1”和“0”；或者使用其他信号。反之，由现有现场装置8a至8n输出的数字信号由相应的调制解调器613a、613b、…、613n解调，并通过发射器/接收器电路607接收。

如果用于现有模拟信号类现场装置8a至8n与现场设备6之间通信的调制信号是一种具有正反向相同幅度的方波信号，或者是具有小幅度的正弦波信号时，那么对模拟信号接收器612a、612b、…，612n的影响，可以通过在将输出数字信号叠加在模拟信号上时进行通信来加以避免。

现有模拟信号类现场装置8a至8n与现场设备6之间的通信，根据与现场总线5的通信，仅当有必要与模拟信号类现场装置8a至8n进行通信时才进行。现有模拟信号类现场装置8a至8n与现场设备6之间的通信不常使用。当这种通信进行时，现场设备6即履行现场总线5与现有模拟信号类现场装置8a至8n之间的方案转换任务。

同样，在与现场总线5通信的情况下，调制解调器608起到一个接口电路的作用，以便用数字信号实现双向通信。调制解调器608将作为发射器/接收器电路606输出的发射信号编码处理成曼彻斯特代码或其它类似的代码后，将其送到现场总线上。从现场总线接收的信号由调制解调器608解码，然后解码后的信号被输入到发射器/接收器电路606。

在上述结构中，虚拟现场设备6在现场总线上无确定地址，但所连接的模拟信号类现场装置8a至8n的地址都存贮在随机存取存储器602中。当这些地址与来自现场总线5的通信数据中的地址相符时，虚拟现场设备6实际上对模拟信号类现场装置8a至8n进行处理。由于不仅模拟信号类现场装置8a至8n的输出值通过模/数转换器604的模/数转换后周期性地存贮在随机存取存储器602中，而且模拟信号类现场装置8a至8n的设定值也通过与现场总线5的通信预先存贮在随机存取存储器602中，因此，当请求现场总线5发送输出值时，现场设备6无需与模拟信号类现场装置8a至8n通信即可完成替换。当来自现场总线5的请求需要与模拟信号类现场装置8a至8n通信时，虚拟现场设备6即如上所述，在现场总线5与现有模拟信号类现场装置8a至8n之间履行方案转换任务。

以下将参照图3描述另一个实施例。在该实施例中，与现场总线不相适应并连接在虚拟现场设备6的现场装置9a至9n，为模拟信号输入类型，与图2所示的实施例中的方式相同，直流/直流转换器609由外部电源通过传输线提供电压，以此产生操作现场设备6的电压VDD和操作模拟信号接收器615a、615b、…、615n的电压Ea’、Eb’、…、En’。于是，模拟信号接收器615a、615b、…、615n向不适合现场总线的现场装置9a至9n供电。模拟信号发射器615a、615b、…、615n包括向不适合现场总线的现场装置9a至9n供电的电源部分以及将4-20mA的模拟电路信号作为输入信号送至现场装置9a至9n的发射器部分。输入信号作为1-5V的模拟信号，通过多路调制器610由数/模转换器604输入。多路调制器610的切换信号，根据微处理机601发出的指令由输入/输出接口605输入。模拟信号发射器615a、615b、…、615n分别包括了采样保持电路和衰减电路，这样，当现场总线发来修正请求时，来自数/模转换器614的输入值即可适时修正。

本实施例中，与模拟信号输入类现场装置9a至9n的通信，以及与现场总线5的通信，同图2所示的实施例中所描述的情况是完全相同的。

尽管图2和图3分别表示所连接的现有现场装置为模拟信号输出类型的情况和现场装置为模拟信号输入类型的情况，但显然本发明也可应用于上述两例结构相互混合的情况。

根据这一实施例，效果在于，现有模拟信号类现场装置和适合现场总线的现场装置可以共存于一个控制系统。另一效果是，现场总线系统只要按最小的要求改变即可获得。

从以上所述显而可见，提供一种装置实行对现场总线上的现有现场装置的取代，就能实现在现有系统所用的而且与现场总线不相适应的现场装置继续使用的条件下，把系统转换成现场总线系统这样一种效果。

此外，不仅与现场总线不相适应的装置通过改变其连接，即可方便地转换为新的适合于现场总线的装置，而且无需在现场总线上改变其它装置的设置，也可更换成适合现场总线的装置。于是，产生了控制系统可以逐步更换的效果。

Claims (10)

1.一种通过现场总线在至少一台现场装置与连接于传输线上的至少一台上级设备之间实现信号传送的现场总线系统，其特征在于：所述现场装置为模拟信号类型；所述系统包括了连接在所述模拟信号类现场装置与所述现场总线之间的用来对所述模拟信号类现场装置的模拟信号进行处理的一种替代装置，由此能起到代替所述现场总线上的所述模拟信号类现场装置的作用。

2.如权利要求1所述的现场总线系统，其特征在于：所述模拟信号类现场装置具有利用叠加在模拟信号上的数字信号进行通信的功能，所述替代装置包括用来调制/解调所述数字信号以此实现通信的装置和用来发射/接收所述模拟信号的装置。

3.如权利要求1所述的现场总线系统，其特征在于：所述模拟信号类现场装置具有分时处理模拟信号和数字信号的功能，所述替代装置包括用来调制/解调所述数字信号以此实现通信的装置和用来发射/接收所述模拟信号的装置。

4.如权利要求1所述的现场总线系统，其特征在于：所述系统包括多个所述模拟信号类现场装置，所述替代装置包括：能逐次切换与所述多个模拟信号类现场装置通信的装置，在每个所述模拟信号类现场装置一边的模拟信号与数字信号之间进行信号转换的装置，存贮经过信号转换的数字信号的装置，以及通过所述现场总线控制所述存贮装置的装置。

5.如权利要求4所述的现场总线系统，其特征在于：所述存贮装置作为所述替代装置的一个组成部分，存贮与所述相应模拟信号类现场装置相关的设定值和该所述相应模拟信号类现场装置的地址，所述上级设备起到改变所述设定值和分别按所述地址指定所述模拟信号类现场装置的作用。

6.如权利要求1所述的现场总线系统，其特征在于：所述替代装置包括电源转换装置，以用来接收来自所述上级设备一方的电源，并将所述电源转换为自用电源以及供所述相应的模拟信号类现场装置所用的电源。

7.如权利要求6所述的现场总线系统，其特征在于：所述电源转换装置包括按照由所述替代装置替代的所述模拟信号类现场装置的数量，改变所要转换电源的装置。

8.一种虚拟现场设备，其特征在于包括：一个连接到现场总线的数字信号连接终端；分别连接到模拟信号类现场装置的多个模拟信号连接终端；用来逐次选择所述模拟信号连接终端，由此在所选择的一个所述模拟信号连接终端的模拟信号与数字信号之间进行信号转换的装置；用来存贮与每个所述模拟信号类连接终端相应的数字信号的存贮装置；以及一个用来控制所述存贮装置与所述数字信号连接终端之间的信号的控制装置。

9.如权利要求8所述的虚拟现场设备，其特征在于，进一步包括一个连接到所述数字信号连接终端，用来将来自所述数字信号连接终端一方的电源转换成供连接到所述模拟信号连接终端的相应负载所用的电源以及其自用电源的电源转换装置。

10.如权利要求8所述的虚拟现场设备，其特征在于：所述存贮装置能够起到存贮用来指明连接到所述模拟信号连接终端上的设备的地址的作用，所述控制装置按照由所述数字信号连接终端所指定的地址，控制存贮在所述存贮装置中的相应设备的数字信号的读/写。

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