CN109923831A - 用于在自动化现场设备与通信盒之间传送数据的方法 - Google Patents

用于在自动化现场设备与通信盒之间传送数据的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在自动化现场设备(2)与通信盒(4)之间传送数据的方法，其中，该方法包括以下步骤：通信盒(4)对现场设备(2)的供电电压(UV)进行电压调制，使得产生第一通信信号(5)并且供电电压(UV)具有第一通信信号(5)；从经由双线线路(3)施加到现场设备(2)的供电电压(UV)解调第一通信信号(5)，使得第一通信信号(5)与供电电压(UV)分离；现场设备(2)对现场设备的输出电流(IA)进行电流调制，使得产生第二通信信号(6)并且输出电流(IA)具有第二通信信号(6)；通信盒(4)从输出电流(IA)解调第二通信信号(6)，使得第二通信信号(6)与输出电流(IA)分离。

Description

用于在自动化现场设备与通信盒之间传送数据的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在自动化现场设备与通信盒之间传送数据的方法、自动化现场设备以及通信盒。
背景技术
用于记录和/或修改过程变量的现场设备通常用于过程自动化以及制造自动化。测量设备或传感器，诸如液位测量设备、流量计、压力和温度测量设备、pH-氧化还原电位计、电导率计等，用于记录对应的过程变量，诸如料位、流量、压力、温度、pH水平和电导率。致动器，诸如阀门或泵，用于影响过程变量。因而，管道部分中的流体的流速或容器中的料位能够通过致动器来改变。
Endress+Hauser集团公司生产和销售各种各样的这样的现场设备。
在自动化中通常以所谓的双导体技术来构建现场设备并将它们彼此连接，使得现场设备之间的过程变量的馈电和通信能够经由一对线(双线线路)来发生。
为此目的，这样的现场设备具有模拟电流或电压输出，例如4至20mA电流输出或0至10V电压输出。经由该电流或电压输出，只可能传输过程变量或测量值。如果期望在连接到双线线路的参与者之间进行进一步的数据传输，则例如依靠HART协议。通过HART通信，现场设备能够非常灵活地进行参数化并投入使用，或者能够读取额外计算和存储的测量值或数据。即使在潜在爆炸性环境中，HART协议也能够通过至少两个参与者的点对点传输来实现双向通信。在这种情况下，使用FSK(频移键控)方法，其采用不同频率的正弦信号(例如，Bell 202标准：“0”2200Hz，“1”1200Hz)来在二进制状态之间进行区分。除了其他方法，离散化和数字化数据尤其通过FSK方法以HART协议来通过特殊调制解调器发送和接收，该特殊调制解调器必须存在于每个参与者中。
然而，用于实现HART通信的组件，特别是FSK调制解调器，需要相对大的空间并且还相对昂贵，这在以低成本生产现场设备的情况下是不希望看到的。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种成本有效并尽可能地节省空间的通信方法。
根据本发明，该目的通过一种用于自动化现场设备与通信盒之间的数据传输的方法来实现，其中，通信盒经由双线线路连接到现场设备，并且经由双线线路来将供电电压施加到现场设备从而为现场设备供电，其中该方法提供以下步骤：
-通信盒对现场设备的供电电压进行电压调制，使得产生第一通信信号并且供电电压具有第一通信信号；
-从经由双线线路施加到现场设备的供电电压解调第一通信信号，使得第一通信信号与供电电压分离；
-现场设备对现场设备的输出电流进行电流调制，使得产生第二通信信号并且输出电流具有第二通信信号；
-通信盒从输出电流解调第二通信信号，使得第二通信信号与输出电流分离。
根据本发明，提出了一种方法，其中可以就与现场设备的电流消耗及其供电电压有关的数据进行通信。为此目的，将通信盒引入现场设备与供电单元之间的双线线路中。根据本发明，第一通信信号形式的查询经由通信盒被调制到供电电压上，并且在现场设备中解调查询。第二通信信号形式的响应被调制到现场设备的输出电流上，并且在通信盒处再次对其解调。待通信的数据被一对一地调制(即，没有变化)到供电电压上，并且为数据传输的目的而不改变，而不是如在其中发生频移键控的例如为HART的其他通信方法中典型地进行改变。
所提出的通信方法能够用于例如制造以对现场设备进行编程以及最终调谐和所谓的最后检查。此外，还可能经由通信方法将通信盒链接到现场设备，以便传导数据并为通信盒配备进一步的功能，例如无线电通信，从而也用这些功能来扩展现场设备。
本发明的有利的实施例规定，对于供电电压的电压调制，变化供电电压的电压值，使得供电电压具有第一通信信号。
本发明的另一有利的实施例规定，对于现场设备的输出电流的电流调制，变化输出电流的电流值，使得输出电流具有第二通信信号。
本发明的有利的实施例规定，供电电压的DC分量被现场设备滤除，以便从供电电压解调第一通信信号。
本发明的有利的实施例规定，根据UART协议、SPI或IIC协议来产生第一和/或第二通信信号。
该目的还通过一种自动化现场设备来实现，该自动化现场设备能够被连接到用于供电电压的双线线路，包括：
-具有电容的解调单元，其中该电容将调制到现场设备的供电电压上的第一通信信号与供电电压分离，使得第一通信信号可用于现场设备；
-调制单元，被配置为将第二通信信号调制到现场设备的输出电流上，使得第二通信信号经由现场设备的输出电流可发送。
根据本发明的现场设备的有利的实施例规定，解调单元和/或调制单元不具有调制解调器，特别是不具有FSK调制解调器，以将第一通信信号与供电电压分离和/或以调制第二通信信号。
根据本发明的现场设备的另一有利的实施例规定，解调单元由电容器组成。因为解调单元由电容器组成，所以解调单元能够在现场设备中以特别简单和节省空间的方式被集成或实现。
根据本发明的现场设备的另一有利的实施例规定，现场设备被设计为发送与回路电流有关的过程变量，特别是4至20mA的回路电流，其中用于电流调节的装置特别地为电流调节器并且根据过程变量来调整回路电流，并且用于电流调节的装置是调制单元的一部分并且进一步被设置为将第二通信信号调制到回路电流上，使得回路电流具有第二通信信号。
根据本发明的现场设备的替代实施例规定，现场设备被配置为向电压信号发送过程变量，特别是0到10V的电压信号，其中调制单元被设计为使得第一端子经由用于电流调节的装置连接到用于双线线路的第二端子，该装置特别地具有可控电阻，以及该装置将第二通信信号调制到现场设备的感应电流上作为输出电流。
该目的通过用于利用自动化现场设备发送数据的通信盒来进一步实现，其中通信盒经由双线线路与现场设备可连接，并且包括：
-调制单元，被配置为执行双线线路的电压信号的电压调制，使得双线线路的电压信号具有用于数据传输的第一通信信号；
-解调单元，被配置为解调双线线路的电流信号，使得第二通信信号可用于通信盒。
该目的通过一种自动化系统来进一步实现，该自动化系统包括根据前述任一实施例的现场设备，根据前述实施例的通信盒，以及，将现场设备连接到通信盒并且能够经由其来给现场设备提供电力的双线线路。
根据本发明的系统的有利的实施例规定，通信盒具有至少一个进一步的功能，以便同样地为现场设备配备该功能，其中通信盒根据之前描述的方法来与现场设备交换关于该至少一个进一步的功能的数据。特别地，该实施例能够规定，经由该至少一个进一步的功能来设计通信盒以使得能够经由无线电协议或电缆绑定(cable-bound)协议来连接通信盒，并且通信盒同与无线电协议或电缆绑定协议相关的现场设备交换数据。
附图说明
基于以下附图更详细地解释本发明。这些附图示出了：
图1：根据本发明的包括现场设备、通信盒以及双线线路的系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的系统1的示意图，该系统1包括自动化现场设备2，用于数据传输的通信盒4以及双线线路3。
通信盒4和现场设备2经由双线线路3彼此连接以便传导数据。经由双线线路3，现场设备2被供应供电电压UV，例如经由馈电适配器(图1中未示出)。除了供电电源之外，现场设备2检测到的过程变量到更高级单元(例如为PLC，图1中也未示出)的传输也经由双线线路3发生。不言而喻，在现场设备2用作致动器的情况下，经由双线线路3将控制值从更高级单元发送到现场设备2。
为了在通信盒4与现场设备2之间发送任何附加的数据，例如用于参数化的数据，通信盒4具有以下：
-用于双线线路3的输入侧连接的第一端子对13，使得通信盒4经由双线线路3连接到供电单元，例如测量换能器存储装置(图1中未示出)。
-用于双线线路3的输出侧连接的第二端子对14，使得通信盒4经由双线线路3连接到现场设备2。
-调制单元11，被布置在第一与第二端子对13、14之间的通信盒4中。调制单元11被设置为使得双线线路3的电压信号的电压调制或幅度调制根据用于数据传输的第一通信信号5来发生。例如，这能够通过能够经由开关短路的一个或多个二极管来实现，特别地为可控场效应晶体管。第一通信信号经由可控开关和一个或多个二极管被调制到双线线路的电压信号上。因而，电压信号可用于现场设备2，作为通信盒4的第二端子对14处的供电电压，使得经由双线线路3将第一通信信号5发送到现场设备2。经由电压调制发送的第一通信信号5在图1中通过现场设备2的输入处的“01010”信号示例性地表示。
-解调单元12，被布置在通信盒4中的第一与第二端子对13、14之间。布置解调单元12以使得源自连接到第二端子对14的双线线路3的电流信号被解调。为此目的，解调单元12优选地包括电阻器，该电阻器布置在第一与第二端子对之间，使得电流信号通过电阻器，以及运算放大器，其从电阻器产生的电压降中产生第二通信信号。通过电流调制发送的第二通信信号6在图1中通过“1010”信号示例性地表示。
原则上，除了参数化功能之外，通信盒4还能够配备其他的功能。例如，其能够具有无线电模块，使得数据能够经由通信盒4的无线电模块与另一个设备无线地交换，并且对应于根据本发明的方法，数据能够在通信盒与现场设备之间无线地交换。
为了发送附加数据，对应的现场设备2具有以下：
-用于连接双线线路3的端子对15。现场设备2经由连接的双线线路3来供电。在图1中作为示例示出的示例中，现场设备2被供应有24V的电压。
-具有电容8的解调单元7，其通过通信盒4解调或分离调制到供电电压VS上的第一通信信号5。电容8能够是例如单个电容器或串联和/或并联连接的多个电容器。因而，在没有调制解调器的情况下，特别地，在没有FSK调制解调器的情况下，第一通信信号5在电容8之后可获得，并且能够例如通过微控制器来进一步被处理。图1以示例的方式示出了最简单的情况，其中解调单元7仅需要单个电容8，例如以电容器的形式。与现有技术中已知的通信方法相反，特别是与HART相反，因而有可能实现节省空间和成本有效的数据传输。
-调制单元9，其被设置为将第二通信信号6调制到现场设备的输出电流IA上，使得例如用作对第一通信信号5的响应信号的第二通信信号6能够经由现场设备2的输出电流IA来被发送到通信盒4。为此目的，调制单元9执行输出电流IA的电流调制或输出电流的幅度调制。在图1中作为示例示出的示例中，现场设备2被设计为对应于4至20mA标准的双线或双导体现场设备，并且现场设备2检测到的过程变量经由能够由电流调节器10调节的回路电流来发送。为此目的，电流调节器10接收(例如从微处理器接收)表示正常测量操作期间的过程变量的电流设定值，并将回路电流调节为对应于电流设定值的值。根据本发明，电流调节器10同样是调制单元的一部分，并且还被配置为将第二通信信号6调制到对应于过程变量的待调节的回路电流上。电流调节器实质上将第二通信信号添加到要设置的回路电流。
然而，还可以构思出现场设备2的替代实施例，使得过程变量不是经由回路电流而是经由电压信号来发送。例如，过程变量可以经由0到10V电压信号来发送。在按照该实施例的现场设备的情况下，没有提供用于调节电流的电流调节器。出于此，调制单元具有用于电流调节的装置，其中该装置将端子对的第一端子连接到端子对的第二端子。能够经由该装置将第二通信信号6调制到现场设备的感应电流上。该装置可以包括，例如，电阻器和场效应晶体管，其中场效应晶体管与电阻器串联布置，使得流过电阻器的电流能够由场效应晶体管调制。
因而，对应设计的通信盒4和现场设备2使得能够以简单的方式实现用于数据传输的方法。用于数据传输的方法规定，在第一方法步骤中，现场设备2的供电电压VS由通信盒4进行幅度调制，使得产生第一通信信号5。能够按照UART、SPI或IIC协议来产生第一通信信号5。在第二方法步骤中，解调经由双线线路3施加到现场设备2的供电电压VS，使得从施加到现场设备的供电电压VS中获得第一通信信号5。然后能够进一步处理第一通信信号5。例如，微控制器或微处理器能够根据通过第一通信信号5发送的参数信息来对现场设备2进行参数化。在第三方法步骤中，现场设备执行现场设备的输出电流IA的电流调制或幅度调制，使得输出电流具有第二通信信号。因而，经由输出电流IA来将第二通信信号6发送到通信盒4。在第四方法步骤中，通信盒4解调输出电流IA，使得第二通信信号6与输出电流IA分离，并且通信盒4可用于进一步的处理。
附图标记列表
1 自动化系统
2 现场设备
3 双线线路
4 通信盒
5 第一通信信号
6 第二通信信号
7 现场设备的解调单元
8 电容
9 现场设备调制单元
10 用于电流调节的装置，例如电流调节器
11 通信盒调制单元
12 通信盒解调单元
13 第一通信盒端子对
14 第二通信盒端子对
15 现场设备端子对
UV 供电电压
IA 输出电流

Claims (14)

1.一种用于在自动化现场设备(2)与通信盒(4)之间传送数据的方法，其中，所述通信盒(4)经由双线线路(3)连接到所述现场设备(2)，并且供电电压(VV)经由所述双线线路(3)施加到所述现场设备(2)从而为所述现场设备(2)供电，其中所述方法提供以下步骤：
-所述通信盒(4)对所述现场设备(2)的供电电压(UV)进行电压调制，使得产生第一通信信号(5)并且所述供电电压(UV)具有所述第一通信信号(5)；
-从经由所述双线线路(3)施加到所述现场设备(2)的供电电压(UV)解调所述第一通信信号(5)，使得所述第一通信信号(5)与所述供电电压(UV)分离；
-所述现场设备(2)对所述现场设备的输出电流(IA)进行电流调制，使得产生第二通信信号(6)并且所述输出电流(IA)具有所述第二通信信号(6)；
-所述通信盒(4)从所述输出电流(IA)解调所述第二通信信号(6)，使得所述第二通信信号(6)与所述输出电流(IA)分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于所述供电电压(UV)的电压调制，变化所述供电电压(UV)的电压值，使得所述供电电压(UV)具有第一通信信号(5)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对于所述现场设备(2)的输出电流(IA)的电流调制，变化所述输出电流(IA)的电流值，使得所述输出电流(IA)具有所述第二通信信号(6)。
4.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其中，为了从所述供电电压(VS)解调所述第一通信信号(5)，由所述现场设备(2)滤除所述供电电压的直流电压分量。
5.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其中，根据UART协议、SPI协议或IIC协议来产生所述第一第二通信信号(5)和/或所述第二通信信号(6)。
6.一种自动化现场设备，所述现场设备能够被连接到用于供电电压的双线线路(3)，所述自动化现场设备包括：
-具有电容(8)的解调单元(7)，其中所述电容(8)将调制到所述现场设备(2)的供电电压(VS)上的第一通信信号(5)与所述供电电压(VS)分离，使得所述第一通信信号(5)可用于所述现场设备(2)；
-调制单元(9)，所述调制单元(9)被设置为，以所述第二通信信号(6)能够经由所述现场设备(2)的输出电流(IA)被发送的方式，将第二通信信号(6)调制到所述现场设备(2)的输出电流(IA)上。
7.根据权利要求6所述的现场设备，其中，所述解调单元(7)和/或所述调制单元(9)不具有调制解调器，特别是不具有FSK调制解调器，以将所述第一通信信号与所述供电电压分离和/或以调制所述第二通信信号。
8.根据权利要求6-8中任一项所述的现场设备，其中，所述解调单元(7)由所述电容(8)组成。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的现场设备，其中，所述现场设备(2)被设置为经由回路电流来发送过程变量，所述回路电流特别是4至20mA的回路电流，其中用于电流调节的装置(10)，特别地电流调节器，根据所述过程变量来调整所述回路电流，并且所述用于电流调节的装置(10)是所述调制单元(9)的一部分并且进一步被设置为以所述回路电流具有所述第二通信信号(6)的方式将所述第二通信信号(6)调制到所述回路电流上。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的现场设备，其中，所述现场设备(2)被设置为经由电压信号来发送过程变量，所述电压信号特别是0到10V的电压信号，其中所述调制单元(9)被设计为使得第一端子经由用于电流调节的装置被连接到用于所述双线线路的第二端子，所述装置特别地具有可控电阻，以及所述装置将所述第二通信信号调制到所述现场设备的感应电流上作为输出电流。
11.一种用于利用自动化现场设备(2)发送数据的通信盒，其中所述通信盒(4)经由双线线路(3)与所述现场设备(2)可连接，所述通信盒包括：
-调制单元(11)，被配置为执行所述双线线路(3)的电压信号的电压调制，使得所述双线线路(3)的电压信号具有用于数据传输的第一通信信号(5)；
-解调单元(12)，被设置为以第二通信信号(6)可用于所述通信盒(4)的方式解调所述双线线路(3)的电流信号。
12.一种自动化系统，所述自动化系统具有根据权利要求6-10中任一项所述的现场设备(2)，根据权利要求11所述的通信盒(4)，以及将所述现场设备(2)连接到所述通信盒(4)并且能够经由其来给所述现场设备(2)提供电力的双线线路(3)。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述通信盒(4)具有至少一个进一步的功能，以便同样地为所述现场设备(2)配备所述功能，其中所述通信盒根据权利要求1所述的方法来与所述现场设备交换关于所述至少一个进一步的功能的数据。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述通信盒经由所述至少一个进一步的功能来配置，以使得能够经由无线电协议或电缆绑定协议来连接所述通信盒，并且所述通信盒与所述现场设备交换关于无线电协议或电缆绑定协议的数据。
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