CN1954276A - 用于自动化技术现场设备的无线电模块 - Google Patents

Abstract

用于自动化技术现场设备的无线电模块FM可经由现场设备接口与现场设备，例如F1相连。无线电模块FM包括用于功能控制的微控制器μC、用于与上位单元数据通信的无线电单元RF以及供电单元EVS。借助于无线电模块FM，现有的现场设备可以简单地改造为可无线电的现场设备，以使它们也能够用于无线电网络中。

Description

用于自动化技术现场设备的无线电模块

技术领域

本发明涉及一种用于自动化技术现场设备的无线电模块，如权利要求1的前序部分所述。

背景技术

自动化技术中广泛使用现场设备，用于检测测量值，例如过程元件处的压力、温度或流量。通常，测量值被转发至上位单元，例如控制单元或系统，在那里它们可以被进一步处理或显示。

除了从现场设备到接收器的数据传输，还需要到现场设备的数据传输，例如用于设置或配置或参数化数据。通过相应选择的参数(测量单位、极限值等)，现场设备可以适应特定测量任务。

在现场设备和上位单元之间的数据传输往往经由具有相应电缆连接的现场总线系统(Hart，Profibus或Foundation Fieldbus)发生。如果经由现场总线进行供电，那么这就是总线供电设备，即，2线设备。如果除了现场设备，还需要附加的连接线用于供电，那么这是4线设备。

没有电缆的网络，即所谓的无线电网络已经对于传感器是已知的。这种无线电网络在US-6208247中有详细说明。

然而，在这种无线电网络的传感器的情况中，只有可能在一个方向上的数据传输，并且它实际上是从传感器到上位单元的。即，只有纯测量值可以被传输至上位单元。这排除了从控制系统配置或参数化现场设备的可能性。无线电网络特别适用于不期望敷设电缆或者敷设电缆必须有很大花费的那些工业应用。

用于传感器的无线电网络在IEEE 802.15.4标准中已经较为详细地作了说明。ZigBee Alliance工业联盟正在开发使用这种新技术的用于多种应用领域的应用规范、网络及安全标准。

正在开发的用于无线电网络的传感器(现场设备)非常复杂且昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于现场设备的无线电模块，该无线电模块简单且成本低廉，并且允许在无线电网络中使得现有的现场设备。

这个目的通过权利要求1限定的特征得以实现。

从属权利要求中给出了本发明的进一步发展的优点。

本发明的一个基本思想在于通过无线电模块扩展现有的现场设备，该无线电模块一方面用于与上位单元的数据通信，另一方面还负责现场设备的供电。为此，无线电模块除了无线电单元之外，还包括微控制器，其可经由现场设备接口和数据连接线与现场设备相连。为了现场设备的供电，无线电模块包括供电单元，其经由相应的连接向现场设备提供电压。

原理上，使用这种无线电模块，可以简单的扩展任何现有的现场设备，以将其安装在无线电网络中。除了将测量值传输至接收单元，还可以借助于无线电模块完成参数值到现场设备的传输。由于仅仅通过无线电模块向现场设备供电，所以原理上可以将装备有无线电模块的现场设备安装在任何位置。对于供电，可以有多种变型，诸如蓄电池、太阳能电池或燃料电池等。然而，其它选择包括安装有线连接的电源。

特别是由于电池的容量有限，期望现场设备和无线电模块一起消耗尽可能少的能量。

于是，在无线电模块中提供能量控制单元。

另外，在无线电模块中提供系统时钟(实时时钟RTC)。

关于无线电传输方法，特别适合的是FHSS或DSSS方法。UWB方法提供了特殊的优点。

这些无线电传输方法都致力于小的能耗。

各个现场设备彼此之间的数据传输优选地使用已知的网格技术进行。

附图说明

现在根据附图中显示的实施例详细解释本发明，附图中：

图1是具有多个现场设备的第一无线电网络；

图2是具有多个现场设备的第二无线电网络；和

图3给出了具有无线电网络的现场设备的框图。

具体实施方式

图1显示了具有多个现场设备F1、F2、F3、F4……的第一无线电网络。虚线显示了现场设备彼此之间或者与网关G的各个无线电连接RC。网关G可以是远程传输单元(例如Endress+Hauser公司的产品“Fieldgate”)，其通过无线电与各个现场设备通信。借助于远程传输单元G，原理上可以例如经由互联网、GSM或固定网络实现到上位单元的世界范围的通信。以这种方式，各个现场设备的测量值可以在世界范围内被传输至任何位置并在那里被分析。

所示的现场设备可以是例如流量测量仪表，其安装在原油或谷物的存储容器中。于是，可以远程监控并控制这种存储容器的料位。

正如可以在图1中看到的，现场设备经由多个无线电连接路径彼此连接。这意味着，在确定的无线电连接FV故障的情况中，可以经由另一条无线电连接路径维持数据通信。当障碍物(例如金属罐)阻止到最近的现场设备的直接连接时，可以经由另一无线电连接进行数据通信。

图2显示了具有多个现场设备F1、F2、F3和网关G的第二无线电网络。通过用作中间站的各个现场设备F2、F3，增加无线电网络的达到范围。每一现场设备经由两条或一条无线电连接路径FV连接至其最近的邻居。这里，现场设备F2或F3具有重复器的功能。以这种方式，即使在各个发送器(现场设备)的发送功率很小的情况，也可以增加无线电网络的到达范围。

在现场设备的情况中，适合用作无线电连接的无线电传输技术是宽带技术，例如跳频扩频(FHSS)或直接序列扩频(DSSS)方法。另一种方法是超宽带(UWB)技术。这种无线电传输方法仅需要非常小的发送功率，这对于现场设备的情况是有很大优点的，因为可用功率通常是有限的。

由于这种系统已经用于其它技术领域中，所以相应的接收器以及发送器硬件可以成本低廉且简单地安装。因此不需要复杂的新的开发。

在UWB方法的情况中，发送器发送非常短的发送脉冲，其覆盖几GHz的非常大的频谱范围。在这些非常短的极其宽带的脉冲中传输信息。各个频率范围的失真或吸收对于传输质量没有决定性的影响，因为即使在较小的扰动的情况中，仍然有足够大的频率范围没有扰动地抵达接收器。正如已经提到的，这种技术允许使用价格非常低廉的发送器和接收器单元，因为不需要硬件用于将接收及发送范围限制到固定的窄的频率范围。

由于较低的发送功率，相应网络的操作可以没有无线电许可。在其它传输方法的情况中，通常对于所使用的频带需要相应的无线电许可。

这种无线电传输类型提供的进一步的优点是可以根据行程时间测量原理对各个现场设备进行精确到厘米的定位，正如在雷达测量中部分使用的。

于是，现场设备可以被非常精确地在工厂中定位。这例如当工厂计划并不精确并且需要找到特定现场设备时很重要。

图3以框图显示了具有无线电模块的现场设备，例如图1的现场设备F1。无线电模块FM也可以可松开地与现场设备F1相连。无线电模块FM包括微控制器μC、由RF芯片组构成的无线电单元RF、供电单元EVS和天线A。无线电模块FM经由现场设备接口FIF与实际现场设备F1的传感器电子器件E1相连。在所示的情况中，提供两条连接线用于与现场设备F1的传感器电子器件E1相连。在这两条线上进行数据通信以及现场设备的供电。为了能够观察，对于实际现场设备F1仅显示了传感器电子器件E1、测量变送器MP和模数转换器A/D。

另外，无线电模块FM包括能量控制单元ESE。

供电单元EVS可以是蓄电池或燃料电池。从图中可以清楚地看出，在供电单元EVS和实际无线电模块2之间提供Ex间隔。这种Ex间隔使得即使在有爆炸危险的区域中，供电单元EVS也能够被简单地更换。

在现场设备F1和无线电模块FM之间也提供这种Ex间隔。以这种方式，当实施为分离单元时，无线电模块FM可以在有爆炸危险的区域中与现场设备相连。

无线电模块FM还可以作为一个单元固定地集成在现场设备F1的外壳中。然而，正如上面所述，它也可以实施为分离的单元，可以拆卸地与现场设备F1相连。

这种模块化结构的主要优点是，现存的现场设备也可以容易地适用于这种无线电技术。特别是对于具有典型现场设备接口(例如，4-20mA、HART、Profibus或Foundation Fieldbus)的现场设备，尤其是这样。然而也可以想到利用无线电模块操作具有数字开关输出(例如，限位开关)的现场设备。

特别地，由于较低的传输速率，根据HART标准工作的现场设备特别好地适用于无线电网络。在当前实施例中，现场设备接口FIF与HART协议适配。然后，测量值信息和状态信息可以作为HART协议简单地从传感器电子器件E1传输至无线电模块FM。配置数据也可以根据无线电经由无线电模块而从上位单元传输至现场设备F1中的传感器电子器件E1。然而，这里必须遵循确定的时序需求。

经由无线电模块FM，协议被透明地转发。

没有现场设备功能的无线电模块FM可以用作简单的重复器。这种无线电模块仅用于在各个现场设备之间的数据传输。

由于常用的供电单元(蓄电池、燃料电池)具有有限的寿命并且现场设备在操作期间连续消耗能量，所以需要有效的能量管理。

这种能量管理由能量控制单元ESE执行。

只有当需要现场设备F1或无线电模块FM的功能时，才将相应的单元完全操作准备就绪。

无线电模块FM可以以三种不同模式操作，这些模式的不同在于它们的能耗。各个模式可以同时起作用或者彼此结合。

轮询模式：

现场设备F1通常在静止状态。如果无线电模块FM接收到对于现场设备F1的数据，则相应的信号被传输至现场设备F1，后者结束静止状态并使得能够实现在无线电模块和现场设备F1之间的数据通信。在确定的时间间隔中，每一无线电模块FM收听对于所连接的现场设备F1的数据。

预定传输模式：

现存设备F1和无线电模块FM仅仅在特定时间有效。在这个有效时间期间，可以检测测量值并且传输数据。在其余时间，它们都处于静止状态并因而仅消耗非常少的能量。为此，无线电模块FM中需要实时时钟RTC，其提供了对于时间控制的基准时间。在有效时间中，可以传输有关现场设备、无线电模块或供电单元的测量值以及状态信息。

在有效时间期间也可以传输指示无线电单元正确工作的周期性信号。为此，在无线电模块中实施心跳功能。

事件模式：

在这种模式中，来自现场设备F1的数据被暂时存储在无线电模块FM中并以一定的时间间隔发送至上位单元。

如果出现特定的状态报告，则无线电模块被启动，并且数据被传输。

超越极限值或测量值改变的处理是类似的。

日志模式：

无线电模式FM还可以具有记录在期望的时间周期中的测量数据并且在下一次请求时将它们一起传输的能力。由此可以传输测量值曲线，而无需分离地发送每个单个的测量值。

正如已经提到的，在经由不同传输网络的数据传输的情况中，必须考虑数据传输的时间特性。

在透明传输协议中，会出现时序问题。许多总线协议，诸如HART协议，需要遵循特定的时序条件。在经由无线电网络以较低的数据传输速率进行的数据传输的情况中，往往不能满足这些条件。于是，一个通知的两个分组之间的时间间隔不得超过一个确定值。

在现场总线系统的情况中，数据在被传输之前被打包在特殊的帧中。这些帧的结构和长度依赖于特定的现场总线系统。为了无线电传输，帧必须被拆分，然后在接收器被相应地重组。只有当构成无线电网络的所有无线电模块理解合适的协议时，才可以在上位单元和现场设备之间简单且无误差地传输数据。

也可以对于不同的协议设计无线电模块FM和远程传输单元G。可以基于它们的独特特性而自动识别协议。

无线电网络中的每一无线电模块拥有唯一的无线电地址，经由该地址可以向该无线电模块通话。在现场总线系统的情况中，同样通过唯一的总线地址Unique Identifiers识别参与者。远程传输单元G必须向各个总线地址分配所属的无线电地址。只有以这种方式，数据才可以从远程传输单元G转发至正确的现场设备。

有特别为点对点连接提供的协议。在这种应用的情况中，使用多路复用器，例如Hart多路复用器，以能够有线连接地访问多个现场设备。

类似地，在点对点连接上建立的系统的情况中，可以使用无线电多路复用器，其担负通用的多路复用器的任务并将数据转发至相应的现场设备。

Claims (17)

1.用于自动化技术现场设备的无线电模块，其特征在于，无线电模块FM可经由现场设备接口与现场设备，例如F1相连，并且无线电模块包括用于功能控制的微控制器μC、用于与上位单元数据通信的无线电单元RF以及供电单元EVS。

2.根据权利要求1所述的无线电模块，其中到现场设备F1的供电以及与现场设备F1的数据传输经由公共的连接进行。

3.根据权利要求1所述的无线电模块，其中到现场设备F1的供电以及与现场设备F1的数据传输经由分离的连接进行。

4.根据权利要求1所述的无线电模块，其中在无线电模块中提供能量控制单元ESE，其调节无线电模块FM以及现场设备F1的各个元件的供电。

5.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中无线电模块FM包括实时时钟单元RTC。

6.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中无线电单元RF作为传输技术采用跳频扩频FHSS或直接序列扩频DSSS方法。

7.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中采用超宽带UWB方法作为传输技术。

8.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中无线电单元FE根据标准IEEE 802.15.4工作。

9.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中无线电模块FM和现场设备F1之间的接口固有安全。

10.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中无线电单元RF和电源单元EVS之间的接口固有安全。

11.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中现场设备F1的状态及可配置极限值被通过其标准接口监控并独立地通知。

12.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中在一定的时间周期中记录测量值，并且根据需要或者独立地将它们作为测量序列一起传输。

13.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中可以通过所用的无线电协议实现总线协议的基本透明的传输，并且在这样传输时特别地还考虑传输的总线协议的特定时序需求。

14.根据权利要求13所述的无线电模块，其自动识别现场总线协议并相应地对于满足所识别的现场总线协议的特定需求的通信而调整自身。

15.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中除了基于简单现场总线协议的无线通信，无线电模块还包括互联网协议接口(例如，TCP/IP)并且从而支持互联网应用，例如web服务器、文件传送或电子邮件传输。

16.根据前述任一权利要求所述的无线电模块，其中它用作用于增加无线电网络范围的重复器。

17.用于多个现场设备的数据传输的方法，其特征在于，多个现场设备包含如前述任一权利要求所述的无线电模块，并且各个现场设备之间的数据传输根据网格技术进行。