CN101223486A - 利用以太网供电的现场设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种根据以太网信令进行通信的现场设备(214、314)。借助于现场设备的以太网连接而对该现场设备(214、314)供电。该现场设备(214、314)优选地包括特征板(222)，该特征板包括以太网网络连接(400)和现场设备连接(412)。该特征板(222)被配置为利用通过以太网网络连接而接收到的电力对现场设备进行供电。该特征板使用过程工业标准通信协议与现场设备(214、314)进行交互。还提供了一种现场设备的操作方法。

Description

利用以太网供电的现场设备
背景技术
诸如用于化学过程、石油、或其他类型的工业过程中的过程监测和控制***典型地包括集中式监测和控制***，该***通过模拟或数字通信路径可通信地耦合至操作员或用户的工作站以及一个或更多个现场设备。现场设备可以是适于监测过程参数(例如温度、压力、流速等)的传感器、和/或适于对工业过程执行操作(例如开启和闭合阀等)的换能器。
通常，集中式监测和控制***通过输入/输出(I/O)设备或模块，接收指示由现场设备完成的过程测量的信号、和/或属于现场设备的其他信息，该信号和/或信息可以是模拟或数字的。监测***接收指示过程测量的信号，并基于所接收的信号来监测过程的各个方面。监测***可以适于将所测量的过程数据与预先确定的界限进行比较，以便在超过该界限时发起操作(例如产生警报信号)。
监测和控制***的过程控制器可以使用该测量以及其他信息来监测过程，并执行控制例程。过程控制器可以产生控制信号，该控制信号可以通过模拟或数字I/O设备经总线或其他通信路径或信道而发送至现场设备，以控制特定过程的操作。
传统上，开发出各种通信协议以使来自不同制造商的控制器和现场设备能够交换数据。例如，各种通信协议包括HART、PROFIBUS、致动器传感器接口(“AS-Interface”)、WORLDFIP、Device-Net、CAN、以及FOUNDATIONTMFIELDBUS(下文称作“现场总线”)协议。多个这样的协议能够提供所附加的现场设备的全部所需的操作功率。
近来，新的通信协议已经出现(IEEE 802.3af)，其涉及向分布式***传送电能。具体地，该标准涉及在现有的以太网电缆上使用电缆中未使用的配线对(或信令对)来传送电能。这个以太网电缆上的电能传送被称作“以太网供电”(PoE)。IEEE标准允许在与以太网通信相同的以太网电缆(典型地为CAT5E电缆)上传送48伏和350mA的电能。
因此，存在对如下现场设备的持续需求：能够利用新兴电能传送技术和已有电缆，以把新的现场设备耦合至过程监测和控制***。
发明内容
提供了一种根据以太网信令而进行通信的现场设备。该现场设备借助于其以太网连接而得以供电。该现场设备优选地包括特征板，该特征板包括以太网网络连接和现场设备连接。该特征板被配置为利用通过以太网网络连接而接收到的电能对现场设备进行供电。该特征板使用过程工业标准通信协议与现场设备进行交互。还提供了一种现场设备的操作方法。
附图说明
图1是过程控制或监测***的框图，本发明的实施例在该***中尤其有用。
图2是根据本发明实施例的压力变送器的简化剪切局部分解图。
图3是根据本发明另一实施例的压力变送器的简化剪切局部分解图。
图4是根据本发明实施例的用于现场设备的特征板的框图。
具体实施方式
图1示出了具有多个现场设备108A-110N的过程控制或监测***100的简化框图，其中可以使用任意数目的现场设备。
过程网络106包括具有操作员接口120的控制或监测***118(例如用户工作站或计算机)，其可以通过以太网供电注入器(POE注入器)122经以太网电缆124耦合至一个或更多个现场设备1082A-110N。POE注入器122从电源123接收电能，并在以太网电缆124内的一个或更多个未使用配线对上提供电压电位。备选地，POE注入器122可以在与携带以太网信号的配线对相同的配线对上提供电压电位。此外，注入器122可以在一个或更多个未使用的对上以及一个或更多个数据对上提供电压电位。
每一个现场设备108A-110N优选地适于从以太网电缆124上的电压电位中导出操作电能。可以在与以太网通信相同的电缆124上传送电能。例如，以太网电缆124可以是CAT5E电缆。
在一个实施例中，24伏电源可以用于对多个现场设备进行供电。以太网供电标准(IEEE 802.3af)允许以太网电缆124携带高达48伏和高达350mA的电能。取决于供电体系结构、电缆长度、现场设备供电要求、固有安全要求等，PoE标准使得能够操作多个现场设备。以太网电缆124通常为所连接的现场设备提供48伏和350mA电流的电能。利用更低功率的现场设备，可以进一步增大现场设备的数目。因此，大量的过程变量可以和供电沿着相同的电缆装配而传送。
通过借助以太网电缆124来传送电能，可以消除一个电缆对(例如供电电缆)，而且安装变得更加简单。在多数安装中，以太网端口和电缆可能已经存在，从而允许简单的安装。另外，在不远的将来，新的PoE标准可能允许更高的电压和/或更大的电流传送，从而允许将电能传送到更多的部分或网络以及更多的现场设备。
通常，通过使用以太网类型的通信协议，可以通过使用例如标准因特网浏览器、经超文本标记语言(网页)界面来访问控制和/或监测功能。在这种情况下，现场设备可以通过任意的寻址手段来访问，例如包括传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)寻址、介质访问控制(MAC)寻址、网络层寻址、或因特网浏览器所支持的任意其他的电子寻址手段。现场设备可以由网络服务器软件来编程，而且可以被赋予唯一的网络地址。每一个现场设备的配置可以通过使用例如任意的个人计算机中可用的网络浏览器软件(例如操作员接口120)在以太网电缆124上实现。
例如，MAC地址传统上具有48位数的形式(或64位数)，其对于每一个局域网(LAN)网络接口卡(NIC)来说是唯一的。MAC地址包括两个独特的标识符(ID)。第一标识符是唯一的24位制造商ID，而第二标识符是24位(或40位)扩展ID(或板ID)，其由制造商来分配。板ID标识了设备特有的特定的NIC。在网络上传输的LAN分组中，目的地和来源MAC名称包含在报头中，并且由网络设备用以过滤和转发分组。
以太网分组具有可变的长度单位，在该长度单位中可以在以太网网络上传输信息。每一个以太网分组包括前同步码、目的地址(TCP/IP、MAC、网络层等)、源地址、包含类型代码指示符的字段、在46至1500字节之间变化的数据字段、以及提供用于确认数据准确性的值的循环冗余校验。在一个实施例中，目的地址是设备特有的地址，该地址与特定的接口模块102相对应。在备选实施例中，数据字段包含特定的现场设备所特有的地址。
与所使用的寻址协议无关，各个现场设备108A-110N适于通过与对其供电的以太网电缆相同的以太网电缆124，以分组的形式发送和接收信息。控制信号、测量信号等可以被分组为例如以太网帧的数据字段，用于通过网络而传输。
图2是压力变送器214的简化剪切局部分解图，这是现场设备的一个示例。现场设备的其他示例包括阀、致动器、控制器、警报模块、诊断设备，等等。多数现场设备包括或耦合至与过程进行交互的换能器。换能器可以是用于感测过程特性的传感器，或用于实现过程中的某些改变的阀控制器或螺线管。
压力变送器214耦合至两线过程控制回路216，并且包括变送器外壳62。外壳262包括可以被拧入外壳262的端帽270和272。当附着时，端帽270和272为变送器260内的电路提供了固有安全包围。
过程控制回路216耦合至端子板258上承载的端子256。作为换能器的一个示例的压力传感器264被配置为耦合至适于测量过程流体中出现的差压的过程。传感器264的输出被提供给耦合至现场设备电路268的测量电路266。现场设备电路268被配置为与测量电路266进行通信，以确定传感器264所感测的过程变量值，并通过过程通信回路216来传递该值。
特征板222耦合至现场设备电路268，而且在一些实施例中可以耦合至过程控制回路216。特征板是任意电路、模块或组件组，其被配置为耦合至接口，并提供特征。用于现场设备的特征板已知被用于提供无线通信以及本地操作员接口。根据本发明的实施例，特征板222被配置为根据PoE协议而操作，并允许通过PoE通信链路与现场设备214进行交互。本发明的实施例还可以通过集成PoE电路来实践，但是使用特征板的重要性在于，其允许已经安装的遗留的现场设备被配置有这种新的通信能力。
图3是压力变送器314的简化剪切局部分解图，这是现场设备的另一个示例。变送器314与变送器214类似，而且相似的标记表示相似的组件。与变送器214不同，变送器314没有直接耦合至过程通信回路。取而代之的是，特征板222可操作地把变送器314耦合至PoE网络连接124。取决于特征板222的配置，变送器314可以整个由通过PoE网络连接124而从特征板222接收到的电能来供电。此外，特征板222和现场设备电路268之间的通信可以根据任意适合的过程通信协议而进行，包括但不限于HART、PROFIBUS、致动器传感器接口(“AS-Interface”)、WORLDFIP、Device-Net、FOUNDATIONTMFIELDBUS以及控制器区域网络(CAN)。因此，不适于根据PoE协议进行通信的现场设备可以以其各自的协议而与特征板222进行通信，而特征板222可以对该通信进行转换或以其他方式进行调整，以便通过PoE网络124而传输。
图4是根据本发明实施例的用于现场设备的特征板的框图。特征板222包括被配置为根据PoE标准耦合至以太网网络的以太网连接器400。优选地，连接器400是已知的RJ-45形式的连接器，但是也可以采取其他适合的形式，以便于在工业环境中使用。连接器400的调整示例包括材料选择、连接器尺寸、保持机制或锁存、或其他适合的标准。连接器400耦合至以太网物理层模块402、以及PoE供电模块404。以太网物理层或内核是已知的，并提供了以太网介质上的低电平信号交互。供电模块404耦合至连接器400，允许特征板222根据PoE标准从以太网连接接收电能。由此，如果需要，供电模块可以汲取高达48伏的350mA的电能。供电模块404被耦合至以太网物理层模块402、控制器406、以及现场设备I/O接口模块408，以便向这些组件提供所需要的全部操作能量。
控制器406优选地是微处理器，并且可以包括存储器，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)。另外，特征板222可以包括耦合至控制器406的附加存储器(在410处虚拟地示出)。附加存储器可以用于允许控制器406执行更为复杂的功能。例如，控制器406可以执行存储在附加存储器中的指令，或执行存储器410内的指令，以执行如下功能中的任意功能：网络服务器；ftp服务器；安全防护(ssh)服务器。此外，控制器406和存储器410甚至可以包括能够运行操作***的嵌入式信息服务器。该***的示例以商品名称Etherstix而销售，可以从Gumstix Inc，of Portola Valley，California获得。更多信息可以在网络www.gumstix.com上找到。另外，存储器410可以用于存储与多个商业上可用的现场设备有关的信息，从而当最终把特征板222耦合至特定现场设备时，可以简单地向特征板告知所耦合的特定现场设备，然后访问存储器410中与该特定设备有关的进一步的信息，以便确定如何与该现场设备进行交互。向特征板222告知现场设备的方式可以采取任意适合的形式，包括：在特征板222上设置跳线，通过以太网网络向特征板222发送命令；和/或访问特征板222上的基本操作员接口(未示出)。
控制器406耦合至现场设备I/O接口模块408，而现场设备I/O接口模块408耦合至现场设备连接器412。连接器412优选地被配置为在物理上与现场设备耦合，使得当前已知的特征板与现场设备耦合。然而，本发明的实施例还可以在连接器412是任意适合的连接的情况下实践，该连接包括使用配线等简单地把特征板222耦合至现场设备的过程通信回路端子。
现场设备I/O接口模块408被配置为：使用任意适合的过程通信协议，与通过连接器412附着到特征板222的现场设备进行交互。因此，如果现场设备仅能够通过把电流设置在4和20mA之间来提供过程变量值指示，则模块408可以产生用于现场设备的适合的电流。优选地，模块408通过连接器412向所附着的现场设备提供激励电流。例如，4-20mA压力变送器可以通过连接器412从特征板222接收其操作电流。任意适合的过程通信协议可以用于模块408，包括虚拟地在414示出的4-20mA、虚拟地在块416示出的高速可寻址远程换能器(HART)、虚拟地在块418示出的现场总线、虚拟地在块420示出的控制器区域网络、或任意其他适合的协议。此外，多个特定协议模块414、416、418和420可以用于向特征板222提供与多个过程工业通信协议的兼容性。因此，可以批量生产用于多种现场设备的单一类型的特征板。此外，特征板222可以由技术人员操作以接合特殊的特定协议模块。
特征板222可以包括附加通信模块，例如虚拟地示出的模块422。模块422可以允许附加的通信方法，例如与特征板222的无线通信，由此而与现场设备412进行通信。通信模块422还通过PoE供电模块404获得其全部的操作电能，并允许或便于根据不同的通信协议进行通信，例如已知的蓝牙通信协议、IEEE 802.11b无线接入点以及Linksys ofIrvine，California制造的无线组网设备、蜂窝或数字组网技术(例如Mocroburstby Aeris Communications Inc.of SanJose，California)、超宽带、自由空间光学、全球移动通信***(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)、码分多址(CDMA)、扩频技术、红外通信技术、SMS(短消息服务/文本收发)、或任意其他适合的无线技术。这个附加通信可以便于特征板增强的现场设备与设备旁的维护人员之间的本地交互，其中维护人员能够使用无线协议与现场设备进行交互。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，然而本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (17)

1.一种现场设备，包括：
换能器，用于耦合至过程；
现场设备电路，可操作地耦合至所述换能器；
以太网物理层模块，耦合至以太网连接器，并且可操作地耦合至控制器；以及
以太网供电模块，耦合至所述以太网连接器，并且被配置为利用通过所述以太网连接器接收到的能量对所述现场设备供电。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述换能器是用于感测过程变量的传感器。
3.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述换能器是致动器。
4.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述以太网物理层模块和所述以太网供电模块体现在与所述现场设备耦合的特征板上。
5.根据权利要求4所述的现场设备，其中，所述特征板包括所述以太网连接器。
6.根据权利要求5所述的现场设备，其中，所述以太网连接器是适用于工业使用的RJ-45连接器。
7.根据权利要求4所述的现场设备，其中，所述特征板包括现场设备输入/输出(I/O)模块，所述现场设备输入/输出(I/O)模块可操作地耦合至所述控制器并耦合至现场设备连接器。
8.根据权利要求7所述的现场设备，其中，所述现场设备连接器被配置为接合所述现场设备的端子板。
9.根据权利要求7所述的现场设备，其中，所述现场设备输入/输出模块包括至少一个过程工业通信协议模块。
10.根据权利要求9所述的现场设备，其中，所述过程工业通信协议模块包括4-20mA模块。
11.根据权利要求9所述的现场设备，其中，所述过程工业通信协议模块包括高速可寻址远程换能器HART模块。
12.根据权利要求9所述的现场设备，其中，所述过程工业通信协议模块包括FOUNDATIONTM现场总线模块。
13.根据权利要求9所述的现场设备，其中，所述过程工业通信协议模块包括控制器区域网络(CAN)。
14.根据权利要求9所述的现场设备，其中，所述现场设备输入/输出模块包括多个过程工业通信协议模块。
15.根据权利要求4所述的现场设备，其中，所述特征板包括无线通信模块。
16.一种用于配置现场设备以进行以太网通信的方法，所述方法包括：
提供具有以太网网络连接的特征板；
把所述特征板耦合至所述现场设备；以及
利用通过所述以太网网络连接而经所述特征板接收到的能量对所述现场设备供电。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括通过所述特征板上的无线通信模块与所述现场设备进行交互。
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