專利名稱：利用以太網供電的現場設備的制作方法
利用以太網供電的現場設備背景技術諸如用于化學過程、石油、或其他類型的工業過程中的過程監測 和控制系統典型地包括集中式監測和控制系統，該系統通過模擬或數 字通信路徑可通信地耦合至操作員或用戶的工作站以及一個或更多個 現場設備。現場設備可以是適于監測過程參數(例如溫度、壓力、流 速等)的傳感器、和/或適于對工業過程執行操作(例如開啟和閉合閥 等)的換能器。通常，集中式監測和控制系統通過輸入/輸出(1/0)設備或模塊，接收指示由現場設備完成的過程測量的信號、和/或屬于現場設備的其 他信息，該信號和/或信息可以是模擬或數字的。監測系統接收指示過 程測量的信號，并基于所接收的信號來監測過程的各個方面。監測系 統可以適于將所測量的過程數據與預先確定的界限進行比較，以便在 超過該界限時發起操作(例如產生警報信號)。監測和控制系統的過程控制器可以使用該測量以及其他信息來 監測過程，并執行控制例程。過程控制器可以產生控制信號，該控制信號可以通過模擬或數字i/o設備經總線或其他通信路徑或信道而發送至現場設備，以控制特定過程的操作。傳統上，開發出各種通信協議以使來自不同制造商的控制器和現場設備能夠交換數據。例如，各種通信協議包括HAIH^、 PROFIBUS⑧、 致動器傳感器接口 ("AS-Interface")、 WORLDFIP頃、Device-Net 、 CAN、 以及foundationtm fieldbus (下文稱作"現場總線")協議。多個這 樣的協議能夠提供所附加的現場設備的全部所需的操作功率。近來，新的通信協議已經出現(IEEE 802.3af)，其涉及向分布 式系統傳送電能。具體地，該標準涉及在現有的以太網電纜上使用電 纜中未使用的配線對(或信令對)來傳送電能。這個以太網電纜上的 電能傳送被稱作"以太網供電"(PoE)。 IEEE標準允許在與以太網通信 相同的以太網電纜(典型地為CAT5E電纜)上傳送48伏和350mA的電能。因此，存在對如下現場設備的持續需求能夠利用新興電能傳送 技術和己有電纜，以把新的現場設備耦合至過程監測和控制系統。發明內容提供了一種根據以太網信令而進行通信的現場設備。該現場設備 借助于其以太網連接而得以供電。該現場設備優選地包括特征板，該 特征板包括以太網網絡連接和現場設備連接。該特征板被配置為利用 通過以太網網絡連接而接收到的電能對現場設備進行供電。該特征板 使用過程工業標準通信協議與現場設備進行交互。還提供了一種現場 設備的操作方法。
圖l是過程控制或監測系統的框圖，本發明的實施例在該系統中 尤其有用。圖2是根據本發明實施例的壓力變送器的簡化剪切局部分解圖。 圖3是根據本發明另一實施例的壓力變送器的簡化剪切局部分解圖。圖4是根據本發明實施例的用于現場設備的特征板的框圖。
具體實施方式
圖1示出了具有多個現場設備108A-110N的過程控制或監測系統IOO的簡化框圖，其中可以使用任意數目的現場設備。過程網絡106包括具有操作員接口120的控制或監測系統118(例如用戶工作站或計算機)，其可以通過以太網供電注入器(POE注入器) 122經以太網電纜124耦合至一個或更多個現場設備1082A-IION。 POE 注入器122從電源123接收電能，并在以太網電纜124內的一個或更多個 未使用配線對上提供電壓電位。備選地，POE注入器122可以在與攜帶 以太網信號的配線對相同的配線對上提供電壓電位。此外，注入器122 可以在一個或更多個未使用的對上以及一個或更多個數據對上提供電 壓電位。每一個現場設備108A-110N優選地適于從以太網電纜124上的電壓 電位中導出操作電能。可以在與以太網通信相同的電纜124上傳送電 能。例如，以太網電纜124可以是CAT5E電纜。在一個實施例中，24伏電源可以用于對多個現場設備進行供電。 以太網供電標準(IEEE 802. 3af)允許以太網電纜124攜帶高達48伏和 高達350mA的電能。取決于供電體系結構、電纜長度、現場設備供電要 求、固有安全要求等，PoE標準使得能夠操作多個現場設備。以太網電 纜124通常為所連接的現場設備提供48伏和350mA電流的電能。利用更 低功率的現場設備，可以進一步增大現場設備的數目。因此，大量的 過程變量可以和供電沿著相同的電纜裝配而傳送。通過借助以太網電纜124來傳送電能，可以消除一個電纜對(例如 供電電纜)，而且安裝變得更加簡單。在多數安裝中，以太網端口和電 纜可能己經存在，從而允許簡單的安裝。另外，在不遠的將來，新的 PoE標準可能允許更高的電壓和/或更大的電流傳送，從而允許將電能 傳送到更多的部分或網絡以及更多的現場設備。通常，通過使用以太網類型的通信協議，可以通過使用例如標準 因特網瀏覽器、經超文本標記語言(網頁)界面來訪問控制和/或監測 功能。在這種情況下，現場設備可以通過任意的尋址手段來訪問，例 如包括傳輸控制協議/因特網協議(TCP/IP)尋址、介質訪問控制(MAC)尋址、網絡層尋址、或因特網瀏覽器所支持的任意其他的電子尋址手 段。現場設備可以由網絡服務器軟件來編程，而且可以被賦予唯一的 網絡地址。每一個現場設備的配置可以通過使用例如任意的個人計算 機中可用的網絡瀏覽器軟件(例如操作員接口120)在以太網電纜124 上實現。例如，MAC地址傳統上具有48位數的形式(或64位數)，其對于每 一個局域網(LAN)網絡接口卡(NIC)來說是唯一的。MAC地址包括兩 個獨特的標識符(ID)。第一標識符是唯一的24位制造商ID，而第二標 識符是24位(或40位)擴展ID (或板ID)，其由制造商來分配。板ID 標識了設備特有的特定的NIC。在網絡上傳輸的IJW分組中，目的地和 來源MAC名稱包含在報頭中，并且由網絡設備用以過濾和轉發分組。以太網分組具有可變的長度單位，在該長度單位中可以在以太網網絡上傳輸信息。每一個以太網分組包括前同步碼、目的地址(TCP/IP、 MAC、網絡層等)、源地址、包含類型代碼指示符的字段、在46至1500 字節之間變化的數據字段、以及提供用于確認數據準確性的值的循環 冗余校驗。在一個實施例中，目的地址是設備特有的地址，該地址與 特定的接口模塊102相對應。在備選實施例中，數據字段包含特定的現 場設備所特有的地址。與所使用的尋址協議無關，各個現場設備108A-110N適于通過與對 其供電的以太網電纜相同的以太網電纜124,以分組的形式發送和接收 信息。控制信號、測量信號等可以被分組為例如以太網幀的數據字段， 用于通過網絡而傳輸。圖2是壓力變送器214的簡化剪切局部分解圖，這是現場設備的一 個示例。現場設備的其他示例包括閥、致動器、控制器、警報模塊、 診斷設備，等等。多數現場設備包括或耦合至與過程進行交互的換能 器。換能器可以是用于感測過程特性的傳感器，或用于實現過程中的 某些改變的閥控制器或螺線管。壓力變送器214耦合至兩線過程控制回路216，并且包括變送器外 殼62。外殼262包括可以被擰入外殼262的端帽270和272。當附著時， 端帽270和272為變送器260內的電路提供了固有安全包圍。過程控制回路216耦合至端子板258上承載的端子256。作為換能器 的一個示例的壓力傳感器264被配置為耦合至適于測量過程流體中出 現的差壓的過程。傳感器264的輸出被提供給耦合至現場設備電路268 的測量電路266。現場設備電路268被配置為與測量電路266進行通信， 以確定傳感器264所感測的過程變量值，并通過過程通信回路216來傳 遞該值。特征板222耦合至現場設備電路268，而且在一些實施例中可以耦 合至過程控制回路216。特征板是任意電路、模塊或組件組，其被配置 為耦合至接口，并提供特征。用于現場設備的特征板己知被用于提供 無線通信以及本地操作員接口。根據本發明的實施例，特征板222被配 置為根據PoE協議而操作，并允許通過PoE通信鏈路與現場設備214進行交互。本發明的實施例還可以通過集成PoE電路來實踐，但是使用特征板的重要性在于，其允許已經安裝的遺留的現場設備被配置有這種新 的通信能力。圖3是壓力變送器314的簡化剪切局部分解圖，這是現場設備的另 一個示例。變送器314與變送器214類似，而且相似的標記表示相似的 組件。與變送器214不同，變送器314沒有直接耦合至過程通信回路。 取而代之的是，特征板222可操作地把變送器314耦合至PoE網絡連接 124。取決于特征板222的配置，變送器314可以整個由通過PoE網絡連 接124而從特征板222接收到的電能來供電。此外，特征板222和現場設 備電路268之間的通信可以根據任意適合的過程通信協議而進行，包括 但不限于HAIH^、 PR0FIBUS②、致動器傳感器接口 ("AS-Interface")、 W0RLDFIP 、 Device-Net 、 F0UNDATI0NTM FIELDBUS以及控制器區域網 絡(CAN)。因此，不適于根據PoE協議進行通信的現場設備可以以其各 自的協議而與特征板222進行通信，而特征板222可以對該通信進行轉 換或以其他方式進行調整，以便通過PoE網絡124而傳輸。圖4是根據本發明實施例的用于現場設備的特征板的框圖。特征板 222包括被配置為根據PoE標準耦合至以太網網絡的以太網連接器400。 優選地，連接器400是己知的RJ-45形式的連接器，但是也可以采取其 他適合的形式，以便于在工業環境中使用。連接器400的調整示例包括 材料選擇、連接器尺寸、保持機制或鎖存、或其他適合的標準。連接 器400耦合至以太網物理層模塊402、以及PoE供電模塊404。以太網物理層或內核是己知的，并提供了以太網介質上的低電平信號交互。供 電模塊404耦合至連接器400，允許特征板222根據PoE標準從以太網連 接接收電能。由此，如果需要，供電模塊可以汲取高達48伏的350mA 的電能。供電模塊404被耦合至以太網物理層模塊402、控制器406、以 及現場設備I/0接口模塊408，以便向這些組件提供所需要的全部操作 能量。控制器406優選地是微處理器，并且可以包括存儲器，例如只讀存 儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)。另外，特征板222可以包括耦合 至控制器406的附加存儲器(在410處虛擬地示出)。附加存儲器可以用于允許控制器406執行更為復雜的功能。例如，控制器406可以執行存 儲在附加存儲器中的指令，或執行存儲器410內的指令，以執行如下功 能中的任意功能網絡服務器；ftp服務器；安全防護(ssh)服務器。 此外，控制器406和存儲器410甚至可以包括能夠運行操作系統的嵌入 式信息服務器。該系統的示例以商品名稱Etherstix而銷售，可以從 G腦stix Inc， of Portola Valley, California獲得。更多信息可以 在網絡w麗.gumstix. com上找到。另外，存儲器410可以用于存儲與多 個商業上可用的現場設備有關的信息，從而當最終把特征板222耦合至 特定現場設備時，可以簡單地向特征板告知所耦合的特定現場設備， 然后訪問存儲器410中與該特定設備有關的進一步的信息，以便確定如 何與該現場設備進行交互。向特征板222告知現場設備的方式可以采取 任意適合的形式，包括在特征板222上設置跳線，通過以太網網絡向 特征板222發送命令；和/或訪問特征板222上的基本操作員接口 (未示 出)。控制器406耦合至現場設備I/0接口模塊408，而現場設備I/0接口 模塊408耦合至現場設備連接器412。連接器412優選地被配置為在物理上與現場設備耦合，使得當前己知的特征板與現場設備耦合。然而， 本發明的實施例還可以在連接器412是任意適合的連接的情況下實踐， 該連接包括使用配線等簡單地把特征板222耦合至現場設備的過程通 信回路端子。現場設備I/0接口模塊408被配置為使用任意適合的過程通信協 議，與通過連接器412附著到特征板222的現場設備進行交互。因此， 如果現場設備僅能夠通過把電流設置在4和20mA之間來提供過程變量 值指示，則模塊408可以產生用于現場設備的適合的電流。優選地，模 塊408通過連接器412向所附著的現場設備提供激勵電流。例如，4-20mA 壓力變送器可以通過連接器412從特征板222接收其操作電流。任意適 合的過程通信協議可以用于模塊408，包括虛擬地在414示出的4-20mA、 虛擬地在塊416示出的高速可尋址遠程換能器(HAR，)、虛擬地在塊418 示出的現場總線、虛擬地在塊420示出的控制器區域網絡、或任意其他 適合的協議。此外，多個特定協議模塊414、 416、 418和420可以用于向特征板222提供與多個過程工業通信協議的兼容性。因此，可以批量 生產用于多種現場設備的單一類型的特征板。此外，特征板222可以由 技術人員操作以接合特殊的特定協議模塊。特征板222可以包括附加通信模塊，例如虛擬地示出的模塊422。 模塊422可以允許附加的通信方法，例如與特征板222的無線通信，由 此而與現場設備412進行通信。通信模塊422還通過PoE供電模塊404獲 得其全部的操作電能，并允許或便于根據不同的通信協議進行通信， 例如已知的藍牙通信協議、IEEE 802. llb無線接入點以及Linksys of Irvine, California制造的無線組網設備、蜂窩或數字組網技術(例 如 Mocroburst by Aeris Communications Inc.of San Jose， California)、超寬帶、自由空間光學、全球移動通信系統(GSM)、 通用分組無線業務(GPRS)、碼分多址(C匿A)、擴頻技術、紅外通信 技術、SMS (短消息服務/文本收發)、或任意其他適合的無線技術。這 個附加通信可以便于特征板增強的現場設備與設備旁的維護人員之間 的本地交互，其中維護人員能夠使用無線協議與現場設備進行交互。盡管已經參考優選實施例描述了本發明，然而本領域的技術人員 可以理解，在不背離本發明的精神和范圍的前提下，可以在形式和細 節上進行改變。
權利要求
1、一種現場設備，包括換能器，用于耦合至過程；現場設備電路，可操作地耦合至所述換能器；以太網物理層模塊，耦合至以太網連接器，并且可操作地耦合至控制器；以及以太網供電模塊，耦合至所述以太網連接器，并且被配置為利用通過所述以太網連接器接收到的能量對所述現場設備供電。
2、 根據權利要求l所述的現場設備，其中，所述換能器是用于感 測過程變量的傳感器。
3、 根據權利要求l所述的現場設備，其中，所述換能器是致動器。
4、 根據權利要求l所述的現場設備，其中，所述以太網物理層模 塊和所述以太網供電模塊體現在與所述現場設備耦合的特征板上。
5、 根據權利要求4所述的現場設備，其中，所述特征板包括所述以太網連接器。
6、 根據權利要求5所述的現場設備，其中，所述以太網連接器是 適用于工業使用的RJ-45連接器。
7、 根據權利要求4所述的現場設備，其中，所述特征板包括現場 設備輸入/輸出(I/O)模塊，所述現場設備輸入/輸出(I/O)模塊可 操作地耦合至所述控制器并耦合至現場設備連接器。
8、 根據權利要求7所述的現場設備，其中，所述現場設備連接器被配置為接合所述現場設備的端子板。
9、 根據權利要求7所述的現場設備，其中，所述現場設備輸入/輸出模塊包括至少一個過程工業通信協議模塊。
10、 根據權利要求9所述的現場設備，其中，所述過程工業通信 協議模塊包括4-20mA模塊。
11、 根據權利要求9所述的現場設備，其中，所述過程工業通信 協議模塊包括高速可尋址遠程換能器HAIH^模塊。
12、 根據權利要求9所述的現場設備，其中，所述過程工業通信 協議模塊包括F01MDATI0NTM現場總線模塊。
13、 根據權利要求9所述的現場設備，其中，所述過程工業通信 協議模塊包括控制器區域網絡(C認)。
14、 根據權利要求9所述的現場設備，其中，所述現場設備輸入/ 輸出模塊包括多個過程工業通信協議模塊。
15、 根據權利要求4所述的現場設備，其中，所述特征板包括無 線通信模塊。
16、 一種用于配置現場設備以進行以太網通信的方法，所述方法包括提供具有以太網網絡連接的特征板； 把所述特征板耦合至所述現場設備；以及利用通過所述以太網網絡連接而經所述特征板接收到的能量對 所述現場設備供電。
17、 根據權利要求16所述的方法，還包括通過所述特征板上的無線通信模塊與所述現場設備進行交互。
全文摘要
提供了一種根據以太網信令進行通信的現場設備(214、314)。借助于現場設備的以太網連接而對該現場設備(214、314)供電。該現場設備(214、314)優選地包括特征板(222)，該特征板包括以太網網絡連接(400)和現場設備連接(412)。該特征板(222)被配置為利用通過以太網網絡連接而接收到的電力對現場設備進行供電。該特征板使用過程工業標準通信協議與現場設備(214、314)進行交互。還提供了一種現場設備的操作方法。
文檔編號G05B19/042GK101223486SQ200680026376
公開日2008年7月16日 申請日期2006年7月20日 優先權日2005年7月20日
發明者特洛伊·M·雷勒 申請人:羅斯蒙德公司