用于自动化现场设备的适配器

技术领域

本发明涉及一种用于自动化现场设备的适配器。

背景技术

在工业设施中使用的现场设备已经从现有技术中已知。现场设备通常用于过程自动化工程以及制造自动化工程。原则上，面向过程并且供应或处理过程相关信息的所有设备被称为现场设备。因此，现场设备用于检测和/或影响过程变量。测量设备或传感器用于检测过程变量。这些用于例如压力和温度测量、电导率测量、流量测量、pH测量、填充水平测量等，并且检测压力、温度、电导率、pH值、填充水平、流量等的对应过程变量。这些是例如泵或阀，其可以影响管中的流体的流动或罐中的填充水平。除了上述测量设备和致动器之外，现场设备还被理解为包括远程I/O、无线电适配器或通常布置在现场水平的设备。

多个这样的现场设备由Endress+Hauser集团生产和销售。

在现代工业设施中，现场设备通常经由诸如现场总线（Profibus

为了操作现场设备，对应的操作程序（操作工具）是必要的，其或者独立地在上级单元（Endress+Hauser FieldCare，Pactware，AMS Fisher-Rosemount，PDM Siemens）上运行，或者集成到控制站的应用（Siemens PCS7，ABB Symphony，Emerson Delta V）中。

然而，在许多较旧的设施中，现场设备经常仍然借助于4-20mA技术与上级单元通信。为此目的，现场设备被设计为双线现场设备，并且借助于通信回路连接到上级单元。由现场设备确定的过程值的大小经由与过程值的电流大小对应的在4至20mA范围内的变化电流值被传输到上级单元。不存在到基金会现场总线和Profibus PA现场总线类型的链路。

即使当今，现场设备通信的标准仍然是4-20mA或HART。另外的通信接口的开发、注册和批准，特别是用于基金会现场总线和Profibus PA标准，对于现场设备制造商来说是非常复杂且昂贵的。这就是为什么并非所有现场设备制造商都提供了总是购买具有链接到所有现场设备系列的基金会现场总线和Profibus PA现场总线类型的现场设备的选项。

发明内容

从这个问题出发，本发明的目的是呈现用于与基金会现场总线或Profibus PA现场总线通信的现场设备的改进选项。

该目的通过用于自动化现场设备的适配器来实现，其中适配器包括以下部件：

-第一通信接口，其被设计用于链接到与现场设备连接的HART或4-20mA通信回路；

-第二通信接口，其被设计用于链接到基于曼彻斯特总线供电传输技术的基金会现场总线或Profibus PA现场总线；

-至少一个电子单元，其具有由电子单元执行的操作软件，其中操作软件指示电子单元将由现场设备发送并在第一通信接口处传入的HART或4-20mA电报转换成基金会现场总线或Profibus PA兼容电报并将其经由第二通信接口输出，和/或将在第二通信接口处传入的基金会现场总线或Profibus PA电报转换成HART或4-20mA兼容电报并将其经由第一通信接口输出到现场设备；以及

-电力供应单元，其被设计成经由第二通信接口从基金会现场总线或Profibus现场总线分接电能，并且向适配器供应其操作所需的电能。

本发明的本质是提供了一种将现场设备连接到基金会现场总线或Profibus PA现场总线的适配器。现场设备本身仅具有用于链接到HART或4-20mA通信回路的一个接口。适配器用作HART或4-20mA通信回路与基金会现场总线或Profibus PA现场总线之间的直接接口，使得HART或4-20mA通信回路位于适配器的一侧或连接到适配器的第一通信接口，并且基金会现场总线或Profibus PA现场总线位于适配器的另一侧或连接到适配器的第二通信接口。适配器执行基金会现场总线或Profibus PA现场总线与HART或4-20mA通信回路之间的协议转换，并且由基金会现场总线或Profibus PA现场总线供应电能。为此目的，基金会现场总线或Profibus PA现场总线必须是基于MBP（曼彻斯特总线动力）的。不基于MBP的其他传输技术是不合适的。在MBP传输技术中，用于馈送适配器的数据和能量经由同一电缆传输。可以限制功率，使得即使在暴露于爆炸危险的环境中也可以使用。

如果通信回路是HART操作的，则通信可以以两种方式设计，即，作为纯HART通信或作为4-20mA和HART的组合。如果适配器只能从现场总线汲取少量电能，则现场设备被设置为高于1的地址，并且仅经由HART在当前环路上通信。在这种情况下，现场设备仅需要4mA。如果适配器可以汲取足够的能量，则现场设备被设置为地址0并且以4-20mA+HART组合操作。在这种情况下，现场设备需要高达22mA。

适配器可以与现今可用的具有HART或4-20mA通信接口的所有类型的现场设备一起使用。已经在说明书的介绍部分中描述了结合根据本发明的适配器提及的这种现场设备的示例。

根据本发明的适配器的有利实施例，为适配器提供第三通信接口，其被设计为根据蓝牙协议无线地接收和发送电报。例如，外部操作单元，特别是移动终端，诸如智能手机或平板电脑、膝上型电脑或PC，或由申请人生产和销售的现场Xpert意义上的操作设备因此可以经由第三通信接口连接。

在根据本发明的适配器的有利实施例中，提供了电报转换器以指示电子单元将由现场设备发送并在第一通信接口处传入的HART或4-20mA电报转换成蓝牙兼容电报并将其经由第三通信接口无线地输出，和/或将在第三通信接口处传入的蓝牙电报转换成HART或4-20mA兼容电报并将其经由第一通信接口向现场设备输出。因此，现场设备例如可通过外部操作单元经由适配器操作。可以提供由操作单元读取的数据，其中操作命令经由蓝牙发送到第三通信接口。适配器提供到发送到现场设备的HART命令的转换。现场设备的响应然后由适配器经由HART通信回路接收并且经由第三通信接口发送到外部操作单元。以这种方式，例如参数值的数据也可以被写入现场设备。还可以为适配器提供用于保护存储器中的适配器中的现场设备数据（例如，主变量和次变量的数据），该现场设备数据由适配器经由基金会现场总线或Profibus PA现场总线传输，其中外部操作单元可以读取所述存储器，而不必为此目的再次查询现场设备。

根据本发明的适配器的有利实施例提供操作软件以指示电子单元用作HART或4-20mA通信回路的主设备。控制单元或操作单元通常用作通信回路的主设备。这样的主设备可以向现场设备发送命令，现场设备对其进行响应。例如，现场设备的过程变量的当前值可以由主设备查询。

现场设备通常经由通信回路被供应电力。还可以为适配器提供向现场设备供应其操作所需的电能。因此，适配器分支掉从现场总线分接的一些电能，以便经由第一通信接口根据在4-20mA或HART标准中指定的最小值和极限值将电能提供给通信回路，并且因此向现场设备供应电能。

根据本发明的适配器的有利实施例，提供操作软件以指示电子单元借助于HART命令“3”经由HART通信回路读取现场设备的多达四个过程变量的值和/或HART或4-20mA通信回路的当前值。

根据本发明的适配器的有利实施例，提供了操作软件以指示电子单元借助于HART命令“9”经由HART通信回路读取现场设备的多达八个过程变量的值以及相关联的状态信息。

根据本发明的适配器的有利实施例，提供操作软件以指示电子单元借助于HART命令“0”经由HART通信回路从现场设备读取识别信息。该命令可以用于例如在适配器被投入操作时识别现场设备。

由于这些命令是几乎每个现场设备理解的标准命令，因此适配器不需要知道连接到适配器的现场设备的类型。然而，可以对适配器中的特殊现场设备模型进行充电，这允许适配器向现场设备传输针对特定请求的命令。

根据本发明的适配器的有利实施例提供操作软件以具有多个基金会现场总线或Profibus PA功能块，多个基金会现场总线或Profibus PA功能块被设计以控制经由基金会现场总线或Profibus PA现场总线的通信且执行电报的转换。在这种情况下也不需要关于现场设备的特殊知识。具体地，提供了用于功能块的通用现场设备模型。然而，这里也可以使用特殊的现场设备模型。

功能块是例如资源块（包含适配器相关信息和诊断选项）、换能器块（其向适配器供应配置第一通信接口的可能性，例如，以便将通信回路电流限制为4mA、配置HART地址和/或根据现场设备的HART版本选择HART命令）和/或一个或多个AI（模拟输入）块（每个都表示现场设备的过程变量）。

根据本发明的适配器的有利实施例，提供了具有一个或多个附加通信接口的适配器，附加通信接口被设计用于链接到附加基金会现场总线或Profibus PA现场总线，其中操作软件指示电子单元将由现场设备发送并在第一通信接口处传入的HART或4-20mA电报转换为基金会现场总线或Profibus PA兼容电报并将其经由附加通信接口输出，和/或将在附加通信接口处传入的基金会现场总线或Profibus PA电报转换为HART或4-20mA兼容电报并将其经由第一通信接口输出到现场设备。因此，可以将现场设备的电报发送到若干现场总线（选择性地或同时地），或者从每个单独的现场总线接收命令并将其发送到现场设备。如上所述，对于每个现场总线存在对应的功能块。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。所示为：

图1是根据本发明的适配器的示例性实施例。

具体实施方式

图1示出了安装在过程工程设施的测量点中的现场设备2。在本例中，现场设备2是被设计成测量容器中的填充水平的填充水平测量设备。现场设备2将被连接到现代现场总线4，但是仅具有用于链接到4-20mA或HART通信回路3的一个接口。

这就是根据本发明的现场设备2被连接到适配器3的原因。在该示例性实施例中，通信回路3（其在本例中是HART通信回路）被连接到适配器1的第一通信接口110。可以为适配器提供以被设计为以便物理地连接到现场设备2。例如，适配器1通过螺纹拧入现场设备2的PG端子。

现场总线-在本示例中为基金会现场总线4（即，根据基金会现场总线规范设计的现场总线）-被连接到适配器的第二通信接口120。基金会现场总线4基于曼彻斯特总线供电（MBP）传输技术。这意味着OSI层1上的现场总线由两条线路组成，数据/电报和电能经由这两条线路以相等的方式传输。

适配器具有电力供应单元150，电力供应单元150被设计成检测经由基金会现场总线4传输的电能并且向适配器1供应其操作所需的电能。此外，适配器1被设计成向HART通信回路3和现场设备2传输电能，以便能够执行现场设备2的测量操作。

使用短功能示例来描述适配器1的操作模式和其他部件：一个或多个控制单元（例如，SPS）被连接到基金会现场总线4。它们以规则的间隔检测现场设备2的主要变量。为此目的，在循环通信的场境中，控制单元向现场设备2发送操作电报。然而，在该过程中，不向控制单元通知现场设备2，而是通知适配器1，这意味着操作电报被传输到适配器1的现场总线地址。操作电报由第二通信接口120接收。

适配器包括其上执行有操作软件，特别是控制适配器或执行其操作功能的固件，的电子单元140。电子单元处理操作电报的请求并且基于操作电报的内容将请求转换成HART电报。在本例中，适配器创建包含HART操作命令“3”的控制电报，并经由HART通信回路3传输该控制电报。所述HART操作命令指示现场设备检测其主要变量中的一个或多个的当前测量值。在检测之后，现场设备经由HART通信回路3将一个或多个测量值作为新的HART电报的内容传输到适配器1。

适配器1接收现场设备发送的HART电报，对其进行分析，并将其转换为基金会现场总线兼容电报。为此目的，过程变量的测量值从HART电报中提取并存储在适配器中的AI功能块141中。使用该功能块，电子单元140创建基金会现场总线兼容电报，其经由基金会现场总线4被传输到控制单元。

在操作软件中实现的通用现场设备模型用于将基金会现场总线兼容电报转换成HART兼容的电报，且反之亦然。现场设备2的标准功能因此被覆盖，例如，对主要变量的测量值的所描述的检索。通用现场设备模型允许将基金会现场总线命令简单地映射到HART命令，且反之亦然。结果，适配器1实际上可以与任何类型的现场设备一起操作，而不必特别配置适配器1。然而，还可以将特殊的现场设备模型加载到适配器1上，这允许特殊或复杂命令的映射。

适配器1除了AI功能块141之外还具有其他功能块，例如换能器块142和资源块143。换能器块142允许适配器配置第一通信接口，例如以便将通信回路电流限制为4mA、配置HART地址和/或根据现场设备的HART版本选择HART命令。资源块143包括适配器相关信息和诊断选项。

适配器1还具有第三通信接口130，第三通信接口130被设计用于无线通信并且允许经由蓝牙借助于外部操作单元5的现场设备2的无线操作。外部操作单元5，特别是移动终端，诸如智能手机或平板电脑、笔记本电脑或PC、或由申请人生产和销售的现场Xpert意义上的操作设备。

由外部操作单元5发送的操作命令由电子单元140转换为HART电报，特别是使用通用现场设备模型。然后，适配器以与上述方式类似的方式查询现场设备3，并传输其响应。现场设备3的HART电报然后由电子单元140转换成蓝牙格式，并且被传输到外部操作单元5。

现场设备3的多个不同操作可以借助于控制单元（经由基金会现场总线4）和/或借助于外部操作单元5来执行。除了所描述的主要变量的测量值查询之外，术语“操作”还包括将参数值写入现场设备3、检索现场设备3的诊断信息、检索现场设备3的识别信息等。

应当理解，根据本发明的方法和根据本发明的系统可以应用于任何类型和数量的现场设备2，并且不限于图1所示的示例性实施例。此外，代替使用基金会现场总线，还可以使用Profibus PA现场总线，其属性非常相似。

参考符号的列表

1适配器

110第一通信接口

120第二通信接口

130第三通信接口

140电子单元

141、142、143功能块

150电力供应单元

2现场设备

3HART或4-20mA通信回路

4基金会现场总线或Profibus PA现场总线

5外部操作单元