帶自動總線檢測的多協議現場設備接口的制作方法

專利名稱：帶自動總線檢測的多協議現場設備接口的制作方法
帶自動總線檢測的多協議現場設備接口
背景技術：
工業中使用現場設備控制比如煉油等的過程操作。現場設備，如 變送器，通常是過程通信回路的一部分，并位于現場中，以測量并且 向控制室裝置發送過程變量，比如壓力、流量或溫度。譬如閥控制器 之類的現場設備，也是過程控制回路的一部分，并且根據經過程控制 回路接收到的或者內部產生的控制信號控制閥的位置。其他類型的控 制器比如控制電機或螺線管。控制室裝置也是過程通信回路的一部分， 使得控制室中的操作員或計算機能夠根據從現場中的變送器接收到的 過程變量監測過程，并通過向適宜的控制設備發送控制信號，從而控 制過程。過程通信回路有時包括便攜式通信機，它能夠監測并在過程 通信回路上發送信號。通常，這種便攜式通信機用于對形成過程通信 回路的現場設備進行配置。有如這里所用的那樣，術語"過程通信回 路"是指攜帶過程信號的任何物理連接和介質，而不考慮這樣的連接
是否形成實際的回路。因此，過程通信回路可以是HAin^或
F0UNDATI0NTM現場總線段，盡管這樣的段不是嚴格意義上的回路。
隨著低功率微處理器的出現，現場設備經歷了明顯的變化。多年 前，現場設備僅測量特定的過程變量，比如溫度，并產生模擬指示， 這種模擬指示的形式是在4和20 (mA)之間變化的電流，用以指示所測量 的溫度。當前，許多現場設備采用數字通信技術以及更為復雜的控制 和通信技術。現場設備通常采用低功率電子設備，這是因為在許多安 裝中，它們仍需要以小到4mA的電流而運行。這樣的設計就要求禁止使 用多種商業上可用的微處理器電路。然而，甚至是低功率微處理器， 也是能夠針對這種現場設備的多種功能的。
以這種微處理器為基礎的現場設備的適用性有很大的增加。這種
現場設備有時被稱作"智能的"。用于配置、測試和診斷這些智能現場 設備的軟件應用程序的適用性也有很大的增加。通常，使用通用計算 設備(如個人計算機(PC)或便攜式膝上計算機)和智能現場設備之間的 調制解調器來實現與所述計算設備的連接。存在大量的過程通信協議，
支持各種過程控制任務，如HAIT^、 F0UNDATI0NTM現場總線、Modbus 和Profibus協議。此外，相同的過程裝置中使用多個通信協議也是常 見的。
在美國專利6，839，790中，可以找到一種用于把通用計算設備耦 合至具有各種過程通信協議的過程通信網絡技術。該專利提出一種包 括可重新配置的電路的接口設備，所述可重新配置的電路提供對于若 干可選現場總線網絡中的所選現場總線網絡的訪問。然而，該專利所 教導的技術通常需要用戶具有對其所連接的現場總線的具體類型的先 驗知識。因此，如果用戶希望連接至Profibus網絡，則用戶必須知曉 該選擇，而且該接口會對其自身進行重新配置。然而，如果用戶不知 曉所使用的過程通信協議的類型，或者用戶的選擇是錯誤的，則該接 口將會開始使用與實際使用的協議不兼容的協議去進行通信。這可能 引起危險的信令電平，其可能損壞或者以其他方式對過程控制回路上 的通信造成惡化；損壞或者以其他方式對接口模塊自身造成惡化，或 者可能干擾過程控制回路的正常工作。

發明內容
本發明公開一種用于把現場設備耦合至通用計算機的多協議接 口。所述接口包括回路測量電路，該電路執行所連接過程通信回路上 的多種測量，以確定過程通信回路的類型。然后，如果所述接口包括 與所檢測到的回路類型匹配的協議接口模塊，則可以啟用該協議接口 模塊。本發明還提供一種用于把現場設備耦合至通用計算機的方法。 按照一種方案，若所述接口確定過程通信回路未被供電，則用來自通 用計算機的電能對該回路供電。


圖l是本發明一種實施例用于把現場設備耦合至通用計算設備的
多協議接口的概略示意圖2是本發明實施例的調制解調器模塊18的框圖； 圖3是本發明實施例使用多協議過程通信模塊把通用計算機耦合
至過程通信回路的方法流程圖4是本發明實施例把通用計算機耦合至過程通信回路的方法流程圖。
具體實施例方式
圖l是本發明一種實施例用于把現場設備耦合至通用計算設備的 多協議接口的概略示意圖。多協議接口 10把現場設備12耦接至以膝上 計算機為例示出的通用計算設備14。多協議接口10與現場設備12之間
的耦接可以通過直接連接來實現，例如通過現場設備內的配線端子， 或者通過過程通信回路16來實現。多協議接口10包括被配置成為耦接 至過程通信回路的網絡連接電路18，以及被配置為耦接至通用計算設 備14的連接器模塊20。連接器模塊20可以包括用于連接至計算機14的 任何適宜形式的連接器。所述適宜的例子包括但不限于，通用串行總 線(USB)連接、標準串行連接(如采用DB9或DB25連接器的連接)、并行 連接、PCMCIA連接、PCI連接，以及火線連接。在連接器模塊20包含與 通用計算設備14的有線連接情況下的本發明實施例中，優選的做法是 通過有線通信接口對多協議接口10供電。還可以將本發明的實施例實 踐為，多協議接口模塊10與通用計算設備14之間的數據通信是無線連 接的。適宜的無線連接示例包括紅外通信、藍牙通信，以及WIFI通 信(如IEEE 802. llb或IEEE 802. llg)。此外，隨著通用計算設備技術 的發展，可以使用適于通用計算機的任意適宜的數據通信來實踐本發 明的實施例一不論是當前已知的還是之后開發的。
圖2是本發明實施例的網絡連接電路18的框圖。正如所表示的那 樣，網絡連接電路18包括微處理器38，它被配置為通過線路46耦接至 連接模塊20(圖1所示)。所述電路18還包括耦接至微處理器38的模數轉 換器36。轉換器36通過控制邏輯34耦接至測量電路32。微處理器38還
耦接至外部數據總線40，它通過該總線40與只讀存儲器42和隨機存取 存儲器44實現交互。通過數據總線40,微處理器38還能與第一協議接 口模塊26和協議接口模塊28實現交互。每一個模塊26和28都被設計為 根據標準過程通信協議而進行通信。例如，第一協議接口模塊26可以 被配置為根據HART⑧協議而通信，而第二協議接口模塊28被配置為根據 FOUNDATIONTM現場總線協議而通信。另外，雖然圖2示出一對模塊，但 本發明的實施例可以通過采用三個或更多個該協議接口模塊而得到實 踐。每一個協議接口模塊允許根據其各自的過程通信協議而迸行通信。
如上所述，如果過程控制回路上的協議接口模塊的類型錯誤，則 不兼容的信號電平、數據干擾或者其他所不希望有的影響都會減弱過 程通信網絡的通信能力，或者甚至會損壞有關設備。按照本發明的實 施例，所述網絡連接電路18包括回路測量電路32。如圖2所示，模塊18 包括一對端子50、 52,其中的每一個被耦接至協議接口模塊26和28中 的每一個，并耦接至回路測量電路32。使用回路測量電路32，就使得 在啟用協議接口模塊26或28之一之前，能夠使網絡連接電路18對所連 接的過程通信回路進行各種測量。
優選的是，多協議接口10的電路便于符合固有安全要求。符合固 有安全要求意味著符合比如下述標準中的一個或更多部分的固有安全 規范1998年由Factory Mutual Research分頁布的，題為APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III， DIVISION 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610。
當以HART②過程操作控制回路時，接口10必須不吸入(sink)或者 放出(source)直流電流(DC)。為了滿足針對F0UNDATI0NT"現場總線的 固有安全要求，接口10必須不會向過程控制回路注入任何能量。由于 這兩個協議具有兩種基本不同的(且發生沖突的)通信方式，所以，接 口10的電路必須不吸入HAIH^過程控制回路中的電流，也不能向 FOU冊A T10,現場總線段注入能量(施加電壓)。
如圖2所示，網絡連接電路18包括回路測量電路32，它包括一個 或多個單獨的測量信號調整電路。優選的是，電路32包括能夠從網絡
吸入(sink)小幅度短時間電流的電路。按照另一實施例，電路32可以 包括三個或更多個單獨的測量調整電路，其對FOUNDATIONTM現場總線 網絡連接器上的電壓信號進行縮放，以測量DC電壓、通信信號幅度以 及網絡或回路的噪聲。測量電路32還可以包括測量網絡上的DC電壓的 測量電路。這些各種信號調整電路全部對控制邏輯塊34進行饋給。控 制邏輯塊34包括連接至模數轉換器36的復用器。微處理器38通過總線 40來訪問控制邏輯塊34。盡管圖2示出微處理器38與轉換器36之間的連 接與數據總線40是分離的，但本發明的實施例能夠以轉換器36通過任 意適合的外部總線(包括串行外設總線(SPI))耦合至微處理器38而得 以實踐。當接口10被首次開啟或供電時，微處理器38命令模數轉換器 36監測網絡連接端子50和52上的DC電壓。在這樣的狀態期間，接口IO 不會以任何方式(即吸入/放出電流或施加電壓)而干擾網絡(也被稱作 過程控制回路)。如果不存在網絡連接，則在回路連接上測得的電壓將 會接近于零。當過程控制回路耦合至端子50和52時，將會測量DC電壓。 HAIH^過程控制回路將導致對約為12和50伏特之間的直流電壓進行測 量，而F0UNDATI0NTM現場總線回路連接將導致對9和32伏特之間的直流 電壓進行測量。 一旦識別出直流電壓，則測量極性，以確定回路連接 引線是否為正確的連接。具體地說，如果公共引線50和引線52之間測 量到的直流電壓的極性為負，則意味著回路連接引線被顛倒。這時， 微處理器38優選地發送消息告知用戶必須顛倒回路連接引線。按照一 種實施例，當接口10確定極性顛倒時，接口10確保當稍后啟用協議接 口模塊時該模塊將以如下方式被啟用使用接口電路自動地修正顛倒 的極性。僅使用在接入每一個協議接口單元前對端子進行顛倒的開關 來實現這個修正。然而，可以使用其他形式的電路和/或方法來自動地 修正極性。
如上所述，HAIH^和FOUNDATIONT"現場總線過程通信回路上所使用 的工作直流電壓之間存在交迭。因此，單獨的直流電壓不能用于可靠 地指示設備10所連接的回路的類型。為了確定回路的類型，接口10使 用測量電路32對過程控制回路的直流阻抗進行實際測量(優選的是具 有合理的直流電壓和正確的引線極性)。接口10通過在很短時間內(比
如5毫秒)吸入小量電流(比如lmA)來測量網絡DC阻抗，然后測量過程通 信回路上所產生的電壓脈沖的形狀和幅度。這種干擾產生了沿著過程 控制回路的電壓脈沖，它與過程控制回路自身的直流阻抗成比例。 HAI^^和F0UNDATI0NTM現場總線過程控制回路之間存在有區別的阻抗 范圍。接口10響應其產生的干擾而觀察到的信號還包含可以出現在過 程控制回路上的任何HAIT^或FOUNDATIOir現場總線通信信號。使用適 宜的低通濾波器對通信信號自身進行濾波，從而設備10僅觀察到短持 續時間脈沖的影響。模數轉換器36測量有關的干擾的幅度，以便根據 該電壓測量而確定網絡的類型。FOUNDATIONTM現場總線網絡具有所計 算的約為50歐姆的阻抗。HAIH^網絡具有所計算的大于約125歐姆的阻 抗。如果所檢測到的網絡或過程控制回路的類型符合協議接口模塊26 或28之一，則可以通過啟用相應的協議接口模塊而進行通信。
圖3是本發明實施例使用多協議過程通信模塊把通用計算機耦合 至過程通信回路的方法流程圖。當多協議接口首次加電時，方法IOO 從塊102處開始。可以在接口被首次耦合至通用計算機并從計算機接收 電操作能量時執行這一步驟；或者在用戶啟用接口模塊上的開關或其 他適合的對象開啟該設備時執行這一步驟。方法100繼續進行到方框 104，在此處多協議接口監測其過程通信端子兩端上的電壓。持續進行 這一步驟，直到在過程通信或回路端子兩端上觀察到非零電壓。 一旦 發生這樣的情況，則控制進行到方框106，這時，多協議接口使用上文 所述的回路測量電路來執行一個或多個與回路有關的測量。執行所述 與回路有關的測量，直到能夠辨別出過程通信回路的類型，或者直到 進行了所有可用的測量。圖3示出可供選擇的方圖108，這是可以根據 本發明的實施例而加以采用的。具體地說， 一旦執行與回路有關的測 量，則能夠自動地把關于過程通信回路的類型的意見提供給用戶。然 后，用戶可以確認過程通信選擇，而且將會啟用相關的介質訪問單元。 假設提供給用戶的自動意見不允許用戶簡單地選擇介質訪問。例如， 如果用戶錯誤地相信其正在與HAIH^過程通信回路實行交互，但多協議 接口通過其與通用計算設備14的連接報告與回路有關的測量實際上指 示的是FOUNDATION 現場總線回路，則用戶的選擇將默許為
F0UNDATI0NTM現場總線意見，或者默許為不啟用回路上的接口 10。由 此，防止用戶錯誤地相信過程通信回路是HAIH^對通信和/或設備造成 損壞或惡化。在方圖110處，與和回路有關的測量并可選地與方圖108 所示的用戶對自動意見的應答相對應的有關的協議接口模塊被啟用。
本發明的實施例通常包括檢測電路，其自動檢測過程通信回路的 通信協議。另外，本發明的實施例還優選地自動檢測通信協議的參數， 以啟用適合的通信。本發明的實施例通常建議不兼容協議的用戶，并 保護用戶免于使用錯誤的通信協議用于所連接的設備。例如，當連接 至加電的HAIT^回路時，該設備自動啟用通用計算設備與回路上的 HAIT^現場設備之間的HART②通信。當連接至供電的FOUNDATIONTM現場總 線一段時，該設備自動地檢測FOUNDATIONTM現場總線協議參數，并自 動地啟用通用計算設備與該段上的F0UNDATI0NTM現場總線現場設備之 間的FOUND AT 10N，現場總線通信。
圖4是本發明實施例把通用計算機耦合至過程通信回路的方法流 程圖。當接口首次被供電時，方法200從方框202處開始。可以在接口 首次耦合至通用計算機、或用戶啟用接口上的開關時執行方框202。在 方框204處，所述接口進行與過程通信端子有關的至少一個測量。適宜 的測量包括試圖檢測電壓；試圖檢測過程通信端子之間的連續性； 或者任何其他適宜的測量。在方框206處，所述接口使用與回路有關的 測量的結果，確定過程通信回路是否已經被連接至該接口。如果沒有， 則控制返回方框204，并且方法繼續等待回路連接。然而，如果方框206 確定過程通信回路己經耦合至接口的端子，則控制進行到方框208，這 時，所述接口確定回路是否已經供電。這個步驟可以通過使用例如電 路32的測量電路測量新連接的回路的電壓和/或阻抗來完成。如果新連 接的回路沒有加電，則控制進行到方框210，這時，所述接口使用從其 與通用計算機的連接(比如通過USB連接)所接收到的能量來向過程控 制回路供電。 一旦在方框210處該接口對過程通信回路供電，則控制進 行到方框212。如果方框208確定過程通信回路已經供電，則控制從方 框208進行到方框212。在方框212處，再次采用該接口的測量電路進行 多個測量，以確定該接口所連接的過程控制回路的類型。 一旦進行了足夠的測量，或者如果已經進行了全部的測量，則控制進行到方框214， 這時，啟用與所檢測到的回路類型相匹配的協議接口模塊。如果所檢 測到的回路類型不與任何可用的協議接口模塊相匹配，則該接口將僅 會登記錯誤，而不會啟用錯誤的協議接口模塊。
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
1.一種用于把現場設備耦合至通用計算機的多協議接口，所述接口包括連接器模塊，被配置為耦合至所述通用計算機；多個過程通信端子，可耦合至過程通信回路；第一協議接口模塊，耦合至所述多個過程通信端子，并被配置為按第一協議進行通信；第二協議接口模塊，耦合至所述多個過程通信端子，并被配置為按與第一協議不同的第二協議進行通信；回路測量電路，可耦合至所述過程通信端子；以及微處理器，耦合至第一和第二協議接口模塊以及所述測量電路，所述微處理器被配置為當過程通信回路被耦合至所述過程通信端子時，至少部分地根據所述測量電路做出的與回路有關的測量而確定過程通信回路的類型，其中，啟用具有與所檢測到的過程通信回路類型相匹配的協議的協議接口模塊進行通信。
2. 根據權利要求1所述的接口，其中，所述連接器模塊包括USB連接 器。
3. 根據權利要求1所述的接口，其中，所述連接器模塊包括標準串行 連接器。
4. 根據權利要求1所述的接口，其中，所述連接器模塊包括并行連接 器。
5. 根據權利要求1所述的接口，其中，所述連接器模塊包括火線連接 器。
6. 根據權利要求1所述的接口，其中，所述連接器模塊包括PCMCIA 連接器。
7. 根據權利要求1所述的接口，其中，所述連接器模塊包括PCI連接益。
8. 根據權利要求l所述的接口 ，其中，所述連接器模塊包括無線連接。
9. 根據權利要求1所述的接口，其中，至少一個所述與回路有關的測量包括所述過程通信端子兩端上的電壓。
10. 根據權利要求9所述的接口，其中，至少一個所述與回路有關的 測量包括回路阻抗的測量。
11. 根據權利要求l所述的接口，其中，所述接口是固有安全的。
12. 根據權利要求1所述的接口，其中，所述微處理器至少部分地根 據用戶對于提供給用戶的回路類型建議的響應而確定過程通信回路的 類型。
13. —種使用多協議接口把現場設備耦合至通用計算機的方法，所述方法包括檢測耦合至所述接口的過程通信回路；執行所述過程通信回路上與回路有關的多個測量，以確定所述過 程通信回路的類型；以及自動啟用具有與所檢測到的過程通信回路類型相匹配的接口的 協議接口模塊。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中，至少一個所述與回路有關的 測量包括所述過程通信回路兩端上的電壓。
15. 根據權利要求14所述的接口，其中，至少一個所述與回路有關的 測量包括回路阻抗的測量。
16. 根據權利要求13所述的方法，其中，還包括確定所述過程通信回 路是否被供電，如果所述過程通信回路未被供電，則有選擇地由所述 通用計算設備向所述過程通信回路供電。
17. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述與回路有關的測量中的 至少一個包括檢測所述過程通信回路連接的極性，并在自動啟用所述 過程接口模塊前自動地顛倒不正確的極性。
18. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述與回路有關的測量中至 少一個包括檢測所述過程通信回路連接的極性，如果所檢測到的極性 不正確，則向用戶報告錯誤。
19. 一種用于把現場設備耦合至通用計算機的多協議接口，所述接口 包括連接器模塊，被配置為耦合至所述通用計算機；多個過程通信端子，可耦合至過程通信回路；第一協議接口模塊，耦合至所述多個過程通信端子，并被配置為按第一協議迸行通信；第二協議接口模塊，耦合至所述多個過程通信端子，并被配置為 按與第一協議不同的第二協議進行通信；以及用于自動地確定過程通信回路的類型并有選擇地啟用與所述過 程通信回路的類型相匹配的過程接口模塊的裝置。
全文摘要
一種用于使現場設備(12)耦合至通用計算機(14)的多協議接口(10)。所述接口(10)包括測量電路(32)，用以執行所連接的過程通信回路(16)上的多個測量，以確定過程通信回路的類型。然后，若所述接口(10)包括與所測得的回路類型匹配的協議接口模塊(26，28)，則可以啟用該協議接口模塊(26，28)。還提供一種用于把現場設備(12)耦合至通用計算機(14)的方法(100)。按照一種方案，若所述接口(10)確定過程通信回路(16)未被供電，則用來自通用計算機(14)的電能對該回路(16)供電。
文檔編號G06F13/38GK101171578SQ200680014971
公開日2008年4月30日 申請日期2006年6月7日 優先權日2005年6月8日
發明者奧爾登·C·羅素二世, 師圖爾·A·哈里斯, 戴爾·W·博格松, 馬科斯·佩盧素 申請人:費希爾-羅斯蒙德系統公司