CN102970335B - 通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在自动化设备中进行数据交换从而在中心装置与外部装置之间进行通信的通信系统，所述通信系统包括：变换器、中心装置和多个控制器；其中，所述变换器接入在自动化设备中的外部装置和中心装置之间的第一路径中并且具有可预定数目的相配的外部装置，所述变换器被实现为与中心装置进行导线连接的通信，以及无线通信；其中在自动化设备中的多个第二路径的每一个包括多的至少一个，所述控制器控制至少两个外部装置，所述多个控制器被通信系统的第一路径绕过，其中第一路径用于自动化设备的设备管理，其中每一个第二路径用于控制至少一部分外部装置。

Description

通信系统

本分案申请是基于申请号为200780002991.5，申请日为2007年1月23日，发明名称为“无线现场总线管理”的中国专利申请提出的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于在自动化设备中进行数据交换从而在中心装置和外围设备装置之间进行通信的通信系统。

背景技术

已知的是，为了在自动化设备的现场层面上通信，采用所谓的现场总线系统。在现场总线系统中，在现场设备中或在分散的输入/输出组件中对测量值进行数字化，并且接着通过一个现场总线网络将测量值送至一个上级的控制器。为此需要至少一个通信连接和组件的馈电。

存在这样的总线系统，其中馈电和通信可以通过同一个导线对进行(例如PROFIBSPA，基础现场总线)。

与网络结构有关，所有的现场设备与现场总线网络电流连接。这样，一个仅涉及一个用户的故障会影响到整个网络，从而使所有其它用户的数据传输同样变得不再可能，至少明显地被干扰。在极端情况下干扰可能非常强烈，导致不可修复的损伤。在工艺流程设备中属于这类典型干扰的主要有短路、导线断开、EMV干扰和雷击。

此外操作者对自动化部件进行的有意介入也被视为干扰。这种介入例如为了维护的目的是必需的，它常常对于生产过程所需要的设备连续运行构成风险。除此之外特别是还有自动化设备的功能扩展，这例如对于设备管理系统的集成是必需的。

这种设备管理系统用于收集和处理关于外围设备状态的信息。自动化设备的中央控制器原本是为处理过程值而设计的，不适合于处理和提供通过一个0/4..20毫安的接口模拟连接的外围设备的这种信息。这个问题同样存在于具有模拟信息传输和上级的HART通信的过程控制，这时用于连接外围设备的输入/输出组件不能用于HART通信，并且现场总线系统不提供非周期性的服务。在这种过程控制中用于设备管理所需的信息在中央控制器中不可用，并且从而不能访问上级的设备管理系统。

Fa.Pepperl+Fuchs的出版物“H.I.S.HARTINTERFACESOLUTIONS”分册号475215公开了有HART能力的设备采用所谓的多路复用方案来提供资产管理信息。它们被设置在通信路径中，以把所希望的信息传送到中央控制器。然而附加的结构是一种显著的介入，这几乎总是导致设备接通。通常这种对通信路径结构的介入是不希望有的，因为它与高的存档和测试开销相联系，或者由于用于沿着通信路径所需附加部件的安放空间不可用或其提供费用极高。

多路复用方案的另一缺点是设备拓扑和设备管理拓扑之间经常出现的不希望的关联。从而用一个多路复用器使得只有个别信号用于提供设备管理信息通常是行不通的，因为多路复用器的布线服从输入/输出组件通常的8或16通道的变换。此缺点也存在用于连接外围设备的输入/输出组件，这些外围设备能进行HART通信，并且现场总线系统支持非周期性服务。

发表在Computer&AUTOMATION的传感器指南2005第14至18页的文件“DasdrahtloseSensornetzwerk”公开了无线的且必要时通过多个传感器节点传输传感器信号。其缺点在于过程值不再以模拟值或者说作为总线信号提供。但是这里为了供应能量仍然需要电缆导线。至于替代的用电池或太阳能供应能量，其维护很麻烦或者依赖于气候，并因此不能被自动化设备的运营商所接受。

还已知有其它的总线系统，其中光波导体线路或无线线路被用来在两个装置间以一对一连接方式进行信号传输。在现场中分布式放置的组件仍然以传统方式通过电流连接的总线网络连接。

发明内容

因此本发明的目的在于给出一种通信系统，其中一个中心站用多个现场总线与用户建立连接，并且与它们没有直接的、电流耦合的连接。

按照本发明，上述任务由一种用于在自动化设备中进行数据交换从而在中心装置与外部装置之间进行通信的通信系统实现，所述通信系统包括：

变换器，

中心装置，

多个过程控制器；

其中，所述变换器接入在自动化设备中的外部装置和中心装置之间的第一路径中，并且具有可预定数目的相配的外部装置，所述变换器被实现为与中心装置进行导线连接的通信，并且与外部装置进行无线通信；

第二路径为外部装置经由一个电流回路与配置给各过程控制器的相应的输入/输出组件相连接，各过程控制器分别通过各自的导线连接与输入/输出组件相连接；

各过程控制器与中心装置连接在一个共用的系统总线上；

其中在自动化设备中的多个第二路径的每一个与第一路径去耦；

所述多个第二路径的至少一个包括所述多个过程控制器的至少一个，所述过程控制器控制至少两个外部装置，所述多个过程控制器被通信系统的第一路径绕过；

其中第一路径用于自动化设备的设备管理；

其中每一个第二路径用于控制至少一部分外部装置；

用于设备管理的不同过程控制器的外部装置的状态数据被收集和分析在中心装置中，用于设备管理的通信系统与用于控制工艺流程的通信系统无关地被迭加在所述中心装置上；

用于设备管理的通信系统和用于控制工艺流程的通信系统相互连接。

本发明的出发点是一个自动化设备具有多个外部装置，它们与一个中心控制装置形成通信连接。这里测量值和诊断数据从外部装置传输到中心控制装置，并且调节值和参数从中心控制装置传送到外部装置。

本发明的实质在于连接在通信路径之间的变换器，可预定数目的外部装置被唯一地配置给它。此变换器被设计成用于与配置给它的外部设备进行无线通信。在变换器和中心装置之间的通信连接则是导线连接。

根据本发明的通信系统被构造在用于过程控制的已有的导线连接的通信网络之外，是对现有通信网络的补充，这避免了前面所述的缺点。

本发明具有优点地使本说明书开始处所述的一个外部装置的故障的影响被限制在这个单元，并从而避免了其它外部装置受这个故障的牵连而损伤。

此外，通过对外部装置的限制，使得用于过程控制的导线连接的通信网络与本发明所述的通信系统在逻辑上不同且可相互隔离，从而使这两个通信系统在规划和运行中可有相互不同的特性。设备管理信息的访问可局限于可预定数目或可预定种类的外围设备。

具有优点的是，本发明所述通信系统允许以逻辑上不同的总线系统对外围设备进行中央访问，这些总线系统可被配置给不同的控制器。

此外本发明无需附加的连接空间位置，因为实施本发明的指导所需的部件分散安装在外围设备附近。

通过本发明所述的通信系统，具有优点地避免了对中心控制器的影响，因为其上被传输的信息在中心控制器旁边通过。以这种方式，无需设备停机就可以完成自动化设备复杂的扩展。

无线通信路径上的装置的能量供给通过用于过程控制的导线连接的通信网络进行。具有优点的是，可以不需要附加的电缆和太阳能电池用于外围设备的能量供应。

并行的设备管理系统也对过程值进行访问，这在用于过程控制的导线连接的通信网络发生故障时是冗余实现的。

此外，昂贵的电流隔离的数量被限制到为传输过程值所需的最小值上。

附图说明

下面借助实施例说明本发明。唯一的附图示出一个通信系统的原理结构。

具体实施方式

变换器20恰好被唯一地配置给n个外部装置31至3n。外部装置31至3n和变换器20具有一个发送和接收装置，用它可以以无线方式交换它们的数据。在本发明的优选实施例中数据交换通过无线电来完成。

在本发明的第一个实施例中，外部装置31至3n被实现为现场设备。这里在一个优选的实施方式中所选择的外部装置31和32作为现场设备被配置给第一个过程控制器71，其它的外部装置3n被配置给独立于第一个过程控制器的第二个过程控制器72。在示意图中装置31至3n为模拟的现场设备，它们通过常规的设备连线60经由一个电流回路与配置给过程控制器71和72的相应输入/输出组件81和82相连接。过程控制器71和72分别通过各自的导线连接的通信连接41和42与输入/输出组件81和82相连接。

变换器20通过一个导线连接的通信连接40与中心控制器10相连接。在本发明的优选实施例中，导线连接的通信连接40被实现为常规的导线连接。在本发明的一个替代实施例中，导线连接的通信连接40也可以是光波导体连接。

在中心装置10中用于设备管理的不同过程控制器71和72的外部装置31至3n的状态数据被收集和分析。用于设备管理的通信系统与用于控制工艺流程的通信系统无关地被迭加在其上。

在本发明的另一实施例中，用于设备管理的通信系统和用于控制工艺流程的通信系统可以相互连接。为此，过程控制器71和72与中心装置90连接在一个共用的系统总线90上。

变换器20把从现场接收的输入值转发给中心装置10，或者将由中心装置10接收到的输出值发送到外部装置31至3n。

此外，这个双向通信还被用于外部装置31至3n的配置和参数化。为此目的，变换器20将中心装置10所提供的数据发送到与这些数据相对应的外部装置31至3n。然后在外部装置31至3n中以已知的方式进行数据的处理。

在结构上，每个外部装置31至3n配置有一个无线通信部件。在本发明的一个实施方式中，无线通信部件作为单独的装置被嵌入到引向通信外部装置31至3n的电流回路中。这里无线通信部件由此电流回路馈电。

为了在单独的无线通信部件与外部装置31至3n之间进行通信，一个交流电流被调制到供电的直流电流上。为此，特别是一个符合HART规范的协议是适用的。具有优点的是，这个实施方式对于现有的具有设备管理装置的自动化设备增补设备特别适合。这里对外部装置31至3n的影响保持局限于局部。

在本发明的一个替代实施方式中，无线通信部件被实现为补充模块。外部装置31至3n被装配有一个用于可选的补充模块的接纳装置。无线通信部件被放入此接纳装置中，并且由外部装置31至3n供电。例如一个局部的指示模块可以由一个通信模块所代替。这里具有优点的是，常规设备连接线60的导线连接的通信网络不受到影响。

在一个替代实施方式中，输入/输出组件81，82被实现为外部装置31至3n。这里过程值通过模拟电流回路在现场设备与输入/输出组件81，82之间传输，一个交流信号被调制到电流回路上，用来传输设备管理信息。对此特别是一个符合HART规范的协议是适用的。在输入/输出组件81，82中设备管理信息在导线连接的交流电流传输和无线传输之间转换，并且通过无线通信连接50和变换器20与中心装置10交换设备管理信息。

通过这种实施方式成功地克服了传输设备管理信息时在输入/输出组件81，82和过程控制器71和72之间通信时的对制造过程特定的不兼容性。

此外，当现场设备接在一个现场总线上并且能够在现场总线上进行数字通信时应用此实施方式也是具有优点的。

附图标记列表

10中心装置

20变换器

31至3n外部装置

40，41，42导线连接的通信连接

50无线通信连接

60常规的设备连线

71，72过程控制器

81，82输入/输出组件

90系统总线

Claims (6)

1.一种用于在自动化设备中进行数据交换从而在中心装置与外部装置之间进行通信的通信系统，所述通信系统包括：

变换器，

中心装置，

多个过程控制器；

其中，所述变换器接入在自动化设备中的外部装置和中心装置之间的第一路径中，并且具有可预定数目的相配的外部装置，所述变换器被实现为与中心装置进行导线连接的通信，并且与外部装置进行无线通信；

第二路径为外部装置经由一个电流回路与配置给各过程控制器的相应的输入/输出组件相连接，各过程控制器分别通过各自的导线连接与输入/输出组件相连接，

各过程控制器与中心装置连接在一个共用的系统总线上，

其中在自动化设备中的多个第二路径的每一个与第一路径去耦，

所述多个第二路径的至少一个包括所述多个过程控制器的至少一个，所述过程控制器控制至少两个外部装置，所述多个过程控制器被通信系统的第一路径绕过，

其中第一路径用于自动化设备的设备管理，

其中每一个第二路径用于控制至少一部分外部装置，

用于设备管理的不同过程控制器(71、72)的外部装置(31至3n)的状态数据被收集和分析在中心装置(10)中，用于设备管理的通信系统与用于控制工艺流程的通信系统无关地被迭加在所述中心装置上；

用于设备管理的通信系统和用于控制工艺流程的通信系统相互连接。

2.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，外部装置是现场设备。

3.如权利要求2所述的通信系统，其特征在于，现场设备能通过通信连接进行配置。

4.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，外部装置为输入/输出组件。

5.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述变换器把从相配的外部装置接收的输入值转发给中心装置，并且将从中心装置接收到的输出值发送到相配的外部装置。

6.如权利要求1所述的通信系统，其特征在于，被通信系统的第一路径绕过的过程控制器与一个或多个外部装置进行用于设备管理的信息的通信。