CN107407948B

CN107407948B - 支持提升的操作温度和减少的功耗的远程终端单元（rtu）

Info

Publication number: CN107407948B
Application number: CN201580076782.XA
Authority: CN
Inventors: 吕杰; 邹磊; 杨志
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2035-02-23
Also published as: US9872411B2; EP3262484A4; WO2016134497A1; EP3262484B1; CN107407948A; US20160249483A1; EP3262484A1

Abstract

提供了一种装置，其包括具有外罩（402）的远程终端单元（RTU）（102）。外罩的至少部分包括热传导材料的壳体（804）。RTU还包括具有至少一个处理设备（502）的至少一个电路板组装件（416‑420），所述至少一个处理设备（502）配置为经由一个或多个输入/输出（I/O）信道（606a‑606n）与一个或多个工业控制和自动化现场设备（106）通信。所述至少一个电路板组装件（416‑420）定位在所述壳体（804）内。RTU还包括热沉（812），其配置为从所述至少一个处理设备（502）移除热能。此外，RTU还包括热垫（814），其配置为从所述热沉（812）接收所述热能并且向所述壳体（804）提供所述热能。

Description

支持提升的操作温度和减少的功耗的远程终端单元（RTU）

技术领域

本公开大体针对工业过程控制和自动化***。更具体地，本公开针对支持提升的操作温度和减少的功耗的远程终端单元（RTU）。

背景技术

远程终端单元（RTU）表示一种设备或***，所述设备或***在远离监控与数据采集（SCADA）***或其他自动化***的场所处提供局部化控制和数据访问。例如，在不同的场所处可以使用多个RTU并且其在油田和气田中用于不同目的。RTU可以收集数据，使用传感器和致动器在不同场所（诸如井、管道和压缩站）处执行本地控制，记录历史值，并且向SCADA***提供实况和历史数据。SCADA***可以执行控制逻辑并且经由RTU在不同场所处更改致动器的操作。RTU它们自身还可以并入用于数据分析的算法。

发明内容

本公开提供了一种支持提升的操作温度和减少的功耗的远程终端单元（RTU）。

在第一实施例中，装置包括具有外罩的远程终端单元（RTU），其中外罩的至少部分包括热传导材料的壳体。RTU还包括具有至少一个处理设备的至少一个电路板组装件，所述至少一个处理设备配置为经由一个或多个输入/输出（I/O）信道与一个或多个工业控制和自动化现场设备通信。所述至少一个电路板组装件定位在壳体内。RTU还包括热沉和热垫，所述热沉配置为从所述至少一个处理设备移除热能，所述热垫配置为从热沉接收热能以便将热能提供给壳体。

在第二实施例中，***包括一个或多个工业控制和自动化现场设备以及RTU。RTU包括外罩，其中外罩的至少部分包括热传导材料的壳体。RTU还包括具有至少一个处理设备的至少一个电路板组装件，所述至少一个处理设备配置为经由一个或多个I/O信道与所述一个或多个现场设备通信。所述至少一个电路板组装件定位在壳体内。RTU还包括热沉和热垫，所述热沉配置为从所述至少一个处理设备移除热能，所述热垫配置为从热沉接收热能并且将热能提供给壳体。

在第三实施例中，方法包括操作RTU的至少一个电路板组装件上的至少一个处理设备。所述至少一个电路板组装件定位在RTU的外罩内。外罩的至少部分包括热传导材料的壳体。方法还包括使用所述至少一个处理设备经由一个或多个I/O信道与一个或多个工业控制和自动化现场设备通信。方法包括使用热沉从所述至少一个处理设备移除热能，在热垫处从热沉接收热能，以及从热垫向壳体提供热能。

根据以下附图、描述和权利要求，其他技术特征对本领域技术人员可以是显而易见的。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其特征，现在参照结合附图考虑的以下描述，其中：

图1图示了根据本公开的具有远程终端单元（RTU）的示例工业过程控制和自动化***；

图2图示了根据本公开的用于RTU的示例功能架构；

图3图示了根据本公开的用于RTU的示例电源；

图4A到8B图示了根据本公开的用于RTU的示例机械设计；

图9和10图示了根据本公开的用于控制RTU的操作特性的示例电气设计以及相关细节；并且

图11图示了根据本公开的用于支持RTU的提升的操作温度和减少的功耗的示例方法。

具体实施方式

以下讨论的图1到11以及用于在本专利文档中描述本发明的原理的各种示例仅作为说明并且不应当以任何方式解释为限制本发明的范围。本领域技术人员将理解到，本发明的原理可以以任何适合的方式以及以任何类型适当布置的设备或***而实现。

图1图示了根据本公开的具有RTU 102的示例工业过程控制和自动化***100。要指出，RTU 102还可以在本领域中称为远程遥测单元。还要指出，尽管此处示出单个RTU102，但是***100可以包括分布在一个或多个地理区域中的任何数目的RTU 102。

RTU 102表示一种设备或***，所述设备或***在远离监控与数据采集（SCADA）***或其他控制***104的场所处提供局部化控制和数据访问。例如，RTU 102可以定位在油井、气井或水井、或者变电所处或附近。在这些或其他情况下，RTU 102可以用于从本地传感器收集数据并且处理该数据以便生成用于本地致动器的控制信号。RTU 102还可以根据需要与控制***104交互。以该方式，可以在远离控制***104的位置处提供过程控制和自动化功能。将控制***104示为通过有线网络105以及使用无线连接与RTU 102通信，所述无线连接诸如经由微波、蜂窝或者其他射频（RF）通信。然而，RTU 102可以通过任何适合的（一个或多个）有线或无线连接与控制***104通信。在一些实施例中，组件102-104通常可以使用有线连接进行通信，其中无线通信用作备用。在其他实施例中，可以在通过有线网络105的通信是困难或不可能的并且仅可以无线地发生与RTU 102的通信的位置中使用RTU 102。

RTU 102还与一个或多个工业现场设备106通信和交互。现场设备106可以包括测量过程的一个或多个特性的传感器、更改过程的一个或多个特性的致动器、或者其他工业现场设备。在该示例中，RTU 102使用有线连接108与现场设备106通信。有线连接108表示RTU 102和现场设备106之间的任何适合的物理连接。

RTU 102在该示例中还与至少一个本地用户设备110通信和交互。用户设备110可以由员工使用以便与RTU 102或者与RTU 102通信的现场设备106或控制***104进行交互。用户设备110包括支持与RTU的用户交互的任何适合的结构。

各种其他组件可以可选地与RTU 102一起使用。例如，RTU 102可以与一个或多个人机接口（HMI）112交互，所述HMI 112诸如显示屏或操作者操纵台。HMI 112可以用于从RTU102接收数据或者向RTU 102提供数据。一个或多个安全相机114（诸如互联网协议相机）可以用于捕获静止或视频图像并且经由RTU 102向远程位置（诸如安全中心）提供图像。无线电116可以用于支持RTU 102与远程接入点118之间的无线通信，所述远程接入点118经由网络105与控制***104或其他远程***通信。所述其他远程***可以包括现场设备管理器（FDM）120或者其他资产管理器和/或RTU建立器122。FDM 120可以用于配置和管理资产，诸如现场设备（包括现场设备106），并且RTU建立器122可以用于配置和管理RTU（包括RTU102）。

可以在各种各样的工业中以及以各种各样的方式使用RTU 102。例如，在石油和天然气工业中，RTU 102可以与油井和气井以及管道一起使用。RTU 102可以与模拟输入/输出（AI/AU）电路和数字输入/输出（DI/DO）电路集成以便采集和控制现场信号，诸如温度、压强或体积信号。RTU 102还可以经由一个或多个通信端口（诸如以太网、RS232或RS485端口）向外部控制或自动化***104传送诸如此的数据。然而，要使用RTU 102监测或控制的某种装备可以位于极其遥远或宽阔的区域中，诸如在沙漠中。

这些类型的使用可以引起与常规RTU有关的各种问题。例如，极端环境（比如沙漠）中的温度可能特别严酷。作为示例，在最热的沙漠地点中的热浪期间，气候可以高涨到多于50℃（122℉），并且具***置处的表面温度可以多于70℃（158℉）。常规RTU的最大操作温度通常低于70℃，这意味着那些RTU不能使用在某些不利环境中。

此外，在远程区域中经常不存在完整的基础设施，所以交流（AC）电力通常不可用。考虑在沙漠中的太阳光充裕的情况下，太阳能可以用于在沙漠环境中为RTU供电。RTU的功耗典型地限定的太阳能***的所需要的能力，包括太阳能面板的大小、可再充电电池的容量、所需要的电压调节器、以及用于太阳能装备的支撑框架的钢铁架大小。RTU的较高功耗典型地导致太阳能***的较高成本。此外，RTU的较高功耗典型地增加RTU内的热耗散要求，这在RTU在具有提升的温度的环境中使用时可能成问题。

在本专利文档中描述的RTU 102可以在具有提升的温度的环境中操作而同时消耗减少量的电力。许多因素可能影响产品的热耗散和操作温度。在RTU 102中，可以使用各种机械设计和硬件放置以实现改进的热耗散。此外，软件/固件控制算法可以用于帮助减少RTU 102的功耗。例如，在一些实例中，并非使用或需要RTU 102的所有功能，并且软件/固件指令可以用于禁用未使用的电路以便减少功耗。RTU 102的不同工作模式可以根据不同应用进行设置以便实现改进的效率以及减少的功耗。此外，电路可以用于测量温度（诸如，RTU102的内部温度或者外部周围环境的温度）并且计算RTU 102的功耗。如果操作温度或功耗超出一个或多个阈值，软件/固件控制算法可以触发减少RTU 102的功耗的改变，诸如通过减少RTU 102中的处理设备（比如，CPU）或存储器设备（比如，SDRAM）的时钟率。

取决于实现，可以获得以下特征中的任一个或者以下特征的任何组合：

● RTU 102的最大操作温度可以达到提升的温度，诸如大约75℃、85℃或者甚至更多；

● RTU 102可以自动地选择最佳工作模式（可能地基于预限定的用户设置）以便优化RTU 102的功耗；以及

● RTU 102的功耗可以相比于常规RTU而言极其低，这帮助改进RTU 102的操作温度（因为较少功耗引起较少热）并且减少***成本（因为可以使用较少或者较不昂贵的太阳能***）。

下面提供RTU 102的附加细节。这些细节包括用于RTU 102的示例机械设计的描述，所述示例机械设计可以用于增加RTU 102的最大操作温度。这些细节还包括示例软件/固件控制算法的描述，所述示例软件/固件控制算法可以用于减少功耗并且增加RTU 102的最大操作温度。

尽管图1图示了具有RTU 102的工业过程控制和自动化***100的一个示例，但是可以对图1做出各种改变。例如，***100可以包括任何数目的每一个组件。而且，在图1中示出的功能划分仅用于说明。图1中的各种组件可以组合、细分或者省略，并且可以根据特定需要而添加附加组件。另外，尽管示出为与有线现场设备一起使用，但是RTU 102可以仅与无线现场设备或者与有线和无线现场设备二者一起使用。此外，图1图示了可以使用RTU102的一个示例操作环境。一个或多个RTU可以使用在任何其他适合的***中。

图2图示了根据本公开的用于RTU 102的示例功能架构。为了便于解释，将RTU 102描述为使用在图1的***100中。然而，RTU 102可以使用在任何其他适合的***中。

如图2中所示，RTU 102包括控制器模块202、I/O模块204a-204n的第一集合以及扩充板206。控制器模块202表示执行控制逻辑以及RTU 102的其他功能的模块。例如，控制器模块202可以执行控制逻辑，所述控制逻辑分析传感器数据并且生成用于致动器的控制信号。控制器模块202还可以执行控制RTU 102的总体操作的功能，诸如支持与外部设备或***的通信的功能。控制器模块202包括用于控制RTU的一个或多个操作的任何适合的结构。在一些实施例中，控制器模块202包括执行LINUX或其他操作***的至少一个处理设备。要指出，尽管此处示出一个控制器模块202，但是RTU 102可以包括多个控制器模块（诸如，控制器模块的冗余对）。

I/O模块204a-204n支持各种I/O信道。可以经由I/O模块204a-204n的I/O信道在控制器模块202和外部设备或***（诸如现场设备106）之间输运数据。示例类型的I/O信道包括模拟输入（AI）（具有或者没有数字通信）、模拟输出（AO）（具有或者没有数字通信）、数字输入（DI）、数字输出（DO）和脉冲累积输入（PI）信道。在一些实施例中，I/O模块204a-204n中的一个或多个支持使用可再配置的I/O信道，其允许根据需要配置I/O信道以用于特定设施。然而，可再配置的I/O信道的使用在RTU 102中是可选的。RTU 102可以包括任何数目的I/O模块204a-204n。在一些实施例中，指定数目的I/O模块204a-204n（诸如八个模块）可以建立到RTU 102中。

扩充板206允许将RTU 102耦合到扩充板208，所述扩充板208耦合到I/O模块210a-210n的第二集合。I/O模块210a-210n可以具有与I/O模块204a-204n相同或类似的结构，并且任何数目的I/O模块210a-210n可以使用在第二集合（诸如八个模块）中。扩充板212可以用于耦合到I/O模块的第三集合。附加的I/O模块可以以类似的方式添加。一般地，固定和/或可再配置的I/O信道的任何组合可以使用在RTU 102中。

每一个扩充板206,208,212包括促进一个或多个I/O模块向RTU的添加的任何适合的结构。在该示例中，通过RTU 102形成两个电气路径214a-214b，并且电气路径214a-214b在回路216处相遇。电气路径214a-214b可以以任何适合的方式形成，诸如通过使用以太网连接以及通过I/O模块和扩充板的电气路径。回路216可以用于指示当前没有附加的I/O模块连接到RTU 102。然而要指出，回路216还可以放置在扩充板206上以便指示当前没有附加的I/O模块的集合连接到RTU 102。

电源（PS）218向RTU 102的组件提供操作电力。电源218包括配置为向RTU提供操作电力的任何适合的（一个或多个）结构。例如，电源218可以包括一个或多个电池、太阳能面板、染料电池或者（一个或多个）其他电力源。

在一些实施例中，控制器模块202经由一个或多个I/O模块从一个或多个现场设备106接收运行时间和诊断数据，所述I/O模块诸如I/O模块204a-204n、210a-210n。控制器模块202可以向控制***104提供运行时间数据和历史数据（其可以存储在控制器模块202或其他位置中）。控制器模块202还可以向FDM 120提供诊断数据。

在特定实施例中，控制器模块202执行LINUX操作***，使用MODBUS或DNP3协议支持与控制***104的通信，以及使用HART OVER IP（HART-IP）协议与FDM 120通信。而且，国际电工委员会（IEC）61131标准可以由控制器模块202支持以用于对RTU 102进行编程。

尽管图2图示了用于RTU 102的功能架构的一个示例，但是可以对图2做出各种改变。例如，RTU 102可以包括任何数目的控制器模块和I/O模块。而且，RTU 102不需要支持使用可扩充数目的I/O模块。

图3图示了根据本公开的用于RTU 102的示例电源218。如在图3中所示，电源218包括至少一个太阳能面板302、经调节的充电器304和至少一个电池306。每一个太阳能面板302包括用于将太阳能转换为电能的任何适当的结构。在一些实施例中，一个或多个太阳能面板302生成在10-30VDC之间的直流（DC）电压。

经调节的充电器304将电能转换为适用于由RTU 102的组件使用的形式。例如，经调节的充电器304可以将来自（一个或多个）太阳能面板302的10-30VDC信号转换为24VDC信号以用于控制器模块202和I/O模块204a-204n（以及任何附加的I/O模块，诸如I/O模块210a-210n）。经调节的充电器304还将来自（一个或多个）太阳能面板302的电能提供给所述一个或多个电池306以用于电池306的充电。经调节的充电器304还可以将来自所述一个或多个电池306的电能提供给RTU 102的组件以便补充或者替换来自（一个或多个）太阳能面板302的电能。这可以例如发生在（一个或多个）太阳能面板302不能生成充足电力的时间期间（诸如在夜晚或者糟糕天气期间）。

尽管图3图示了用于RTU 102的电源218的一个示例，但是可以对图3做出各种改变。例如，电源218可以包括任何数目的太阳能面板、经调节的充电器和电池。而且，可以使用任何其他或者附加的组件来向RTU 102供应电力。

图4A到8B图示了根据本公开的用于RTU 102的示例机械设计。如在图4A到4C中所示，外罩402用于包住并且保护RTU 102的其他组件。外罩402还提供对RTU 102的各种其他组件（诸如一个或多个端口或终端）的访问。外罩402可以具有任何适合的大小、形状和尺寸，并且由（一种或多种）任何适当的材料形成。例如，如下文所述，外罩402的至少部分可以使用具有高热传导率的一种或多种材料（诸如铝）而形成。

RTU 102还包括两个上行链路/下行链路端口404、两个RS232端口406和两个RS485端口408。端口404可以用于经由网络105或无线电116而将RTU 102耦合到更高水平或者更低水平的设备，诸如控制***104、FDM 120或RTU建立器122。端口404可以表示用于耦合到一个或多个通信链路的任何适合的结构，诸如以太网端口。RS232端口406和RS485端口408可以用于将RTU 102耦合到使用RS232或RS485串行协议的一个或多个现场设备或者其他设备。

各种I/O终端410还用于将RTU 102耦合到一个或多个现场设备。I/O终端410此处可以耦合到I/O模块204a-204n，并且由此提供耦合到I/O终端410的（一个或多个）现场设备与I/O模块204a-204n之间的通信路径。I/O终端410可以耦合到各种类型的现场设备，并且I/O模块204a-204n可以支持用于与现场设备通信的合适I/O信道。I/O终端410包括用于耦合到不同通信路径的任何合适的结构，诸如螺旋式终端。

电力终端412可以用于将RTU 102耦合到电源，诸如电源218。狭槽414提供对附加连接器的访问，所述附加连接器诸如用于耦合到I/O模块210a-210n的扩充板206。

要指出，在图4A到4C中示出的端口和终端的数目和类型仅用于说明。在需要或者期望的情况下，RTU 102可以包括（一个或多个）任何适当类型和数目的接口。

如在图4C中所示，RTU 102还包括三个印刷电路板组装件（PCBA）。第一电路板416包括衬底，端口404-408、I/O终端410和其他输入/输出组件可以位于该衬底上。电路板416表示任何适合的衬底，诸如输入输出终端组装件（IOTA）板。出于这种原因，电路板416可以在下文称为IOTA板416。

第二电路板418和第三电路板420耦合到IOTA电路板416。第二电路板418表示具有至少一个处理设备的板，所述至少一个处理设备执行用于RTU 102的操作***。出于这种原因，电路板418可以在下文称为内核板418。电路板418还可以包括至少一个存储器、电源或者电力转换器、以及一个或多个通信接口。作为特定示例，电路板418可以包括现场可编程门阵列（FPGA）。

第三电路板420表示包含I/O模块的应用板，所述I/O模块诸如I/O模块204a-204n。出于这种原因，电路板420可以在下文称为应用板420。如果使用可再配置的I/O信道实现，电路板420上的电路可以用于将I/O信道再配置为AI（具有或者没有数字通信）、AO（具有或者没有数字通信）、DI、DO或PI信道。作为特定示例，电路板420可以包括专用集成电路（ASIC），所述专用集成电路（ASIC）包括用于提供可再配置的I/O信道的开关和其他组件。

图5图示了RTU 102中的内核板418的示例。如在图5中所示，内核板418包括至少一个处理设备502。（一个或多个）处理设备502可以执行操作***并且以其他方式执行各种操作以便支持控制器模块202的功能。每一个处理设备502包括任何适合的处理或计算设备，诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器、FPGA、ASIC或者离散逻辑器件。在特定实施例中，处理设备502表示XILINX ZYNQ-7000可扩展处理平台（EPP）。

（一个或多个）处理设备502可以包括或者以其他方式支持一个或多个存储器接口/控制器504，所述一个或多个存储器接口/控制器504可以用于支持去往以及来自一个或多个存储器设备506的数据转移。可以在RTU 102中使用任何适合的存储器接口/控制器504，诸如一个或多个串行外设接口（SPI）、双倍数据速率（DDR）接口、安全数字输入输出（SDIO）接口或者内集成电路（I²C）控制器。类似地，可以在RTU 102中使用任何适当的存储器设备506，诸如一个或多个闪速存储器；DDR3、磁阻式或其他随机存取存储器；安全数字（SD）卡；或者电气可擦除可编程只读存储器或其他只读存储器。存储器设备506中的至少一个可以用于在RTU 102的电力丢失期间存储数据，使得在电力恢复到RTU 102时可以检索数据。

（一个或多个）处理设备502还可以包括或者以其他方式支持一个或多个通信接口508，所述通信接口508可以用于支持去往以及来自一个或多个通信收发器/变换器510的数据转移。可以在RTU 102中使用任何适合的通信接口508，诸如一个或多个SPI、通用异步接收发送器（UART）接口或者简化媒体独立接口（RMII）。而且，可以在RTU 102中使用任何适合的通信收发器/变换器510，诸如一个或多个以太网开关、以太网收发器、RS232收发器或者RS485收发器。连接器512将内核板418耦合到IOTA板416。除其他之外，通信收发器/变换器510可以经由连接器512与IOTA板416通信。连接器512包括配置为在电路板之间输运信号的任何适合的结构。

电路514经由连接器512从IOTA板416接收输入电力。电路514提供各种功能，诸如热交换、电力调节和监管功能。作为特定示例，电路514可以接收作为输入电力的24VDC信号并且将输入电力转换为一个或多个其他形式。例如，电路514可以将24VDC输入电力转换为1.8VDC、3.3VDC和5VDC信号。电路514还可以与处理设备502交换电力监测和管理信息。这例如允许处理设备502在过电压或欠电压条件期间执行或者触发功能。

（一个或多个）处理设备502可以可选地包括或者以其他方式支持控制逻辑516以用于控制可再配置I/O信道的配置，可再配置I/O信道诸如I/O模块204a-204n、210a-210n中的信道。例如，控制逻辑516可以提供控制信号，所述控制信号配置I/O模块204a-204n、210a-210n中的不同电路以便适当地配置I/O信道。连接器518将内核板418耦合到应用板420，这允许控制逻辑516向应用板420提供配置信号。连接器518还允许电路514向应用板420提供DC电力。连接器518包括配置为在电路板之间输运信号的任何适合的结构。

时钟源520用于向（一个或多个）处理设备502提供一个或多个时钟信号。时钟源520包括一个或多个时钟信号的任何适当的源，诸如本地振荡器。

图6图示了RTU 102中的应用板420的示例。应用板420一般包括用于RTU 102的数据采集和输出控制电路。如在图6中所示，应用板420包括连接器602，所述连接器602将应用板420耦合到内核板418。应用板420还包括连接器604，所述连接器604将应用板420耦合到IOTA板416。每一个连接器602-604包括配置为在电路板之间输运信号的任何适合的结构。

应用板420还包括多个I/O信道606a-606n。I/O信道606a-606n此处可以表示或者形成RTU 102中的一个或多个I/O模块204a-204n的至少部分。在一些实施例中，每一个I/O信道606a-606n可以作为AI（具有或者没有数字通信）、AO（具有或者没有数字通信）、DI、DO或PI信道进行操作。在特定实施例中，一个或多个I/O信道606a-606n是固定的，并且每一个可以仅作为单个类型的信道进行操作。在其他特定实施例中，一个或多个I/O信道606a-606n是可再配置的，并且每一个可以根据期望被配置成作为所选类型的信道进行操作。示例类型的可再配置I/O信道在美国专利号8,072,098；美国专利号8,392,626；以及美国专利号8,656,065中示出（它们全部以其整体通过引用并入本文）。

在该示例中，不存在应用板420中的电力调节器，并且经由连接器602从内核板418接收电力（尽管情况不需要如此）。电力转换器608可以用于转换从内核板418接收的电力。例如，电力转换器608可以包括升压转换器，所述升压转换器对从内核板418接收的电压进行升压，诸如从5VDC升压到6VDC。

图7图示了RTU 102中的示例IOTA板416。如在图7中所示，IOTA板416包括以上描述的上行链路/下行链路端口404、RS232和RS485端口406-408、I/O终端410和电力终端412。IOTA板416还包括以上描述的I/O扩充板206。

电力输入保护电路702从电力终端412接收电力并且经由连接器704向内核板418提供输入电力。例如，保护电路702可以提供用于RTU 102的过电压保护。保护电路702包括提供电力保护的（一个或多个）任何适当的结构。连接器706允许将应用板420耦合到I/O终端410。每一个连接器704-706包括配置为在电路板之间输运信号的任何适合的结构。

变换器708用于经由连接器704将I/O扩充板206耦合到内核板418。这例如可以允许内核板418中的控制逻辑516恰当地配置和控制耦合到RTU 102的附加I/O模块，诸如I/O模块210a-210n。变换器708包括用于帮助隔离所述附加I/O模块与RTU 102的其他组件的任何适当的结构。在其中以太网线缆用于形成电气路径214a-214b的一些实施例中，变换器708可以表示以太网变换器。

图8A和8B图示了RTU 102容纳内核板418和应用板420的部分。如在图8A中所示，内核板418包括（一个或多个）处理设备502和（一个或多个）存储器设备506。板418-420经由连接器802连接在一起，所述连接器802可以总地表示以上描述的连接器518,602或者耦合连接器518,602的线缆或其他结构。

壳体804形成用于RTU 102的外罩402的部分。壳体804包住、包含或者以其他方式保持至少RTU 102的板418-420。壳体804由一种或多种热传导材料形成。这允许在RTU 102内生成的热能从RTU 102通过壳体804耗尽，所述热能诸如由（一个或多个）处理设备502生成。壳体804可以具有任何适合的大小、形状和尺寸。壳体804还可以由（一种或多种）任何合适的材料（诸如铝）形成。

在该示例中，板418-420使用螺丝806固设在RTU 102内，所述螺丝806可通过板418-420***并且附连到螺架（screw stand）808。螺架808附连到壳体804或者形成壳体804的部分。螺丝806可以旋转到螺架808中以便将板418-420锁定就位在RTU 102内。螺丝806还可以旋转离开螺架808以便从RTU 102移除板418-420。然而要指出，可以使用其他机制来在RTU 102中固设板418-420。当在RTU 102内固设板418-420时，两个间隔物810帮助维持板418-420的分离。每一个间隔物810包括用于分离电路板或其他结构的任何适当的结构，诸如尼龙间隔物。

RTU 102还包括热沉812和热垫814。热沉812从（一个或多个）处理设备502接收热能并且向热垫814提供该热能。热垫814向壳体804提供热能，其中热能可以从RTU 102辐射开或者以其他方式离开RTU 102。热沉812包括用于从至少一个处理设备或其他组件接收热能的任何适当的结构。热沉812可以具有任何适合的大小、形状和尺寸，并且由（一种或多种）任何适当的材料（诸如金属）形成。热垫814包括用于从热沉向另一结构转移能量的（一种或多种）任何适当的材料。热垫814可以由至少一种可变形材料形成，使得当内核板418***壳体804中并且使用螺丝806附连时，热沉812推至热垫814中并且与壳体804形成良好热接触。这允许（一个或多个）处理设备502在RTU 102内快速冷却。

如在图8A中所示，壳体804可以具有两个侧面以及底表面，其中板418-420固设到壳体804的底表面。如在图8B中所示，壳体804的至少一个侧面可以包括允许空气流过壳体804的通风孔816或其他结构。三个盖体818-822（连同壳体804）可以用于完全地包住或包围板418-420。盖体818此处提供访问，所以板418-420的连接器512,604可以耦合到IOTA板416。盖体818-822可以使用（一个或多个）任何适当的机制（诸如螺丝或螺栓）附连到壳体804或彼此附连。

连接器824此处可以用于将在图8B中示出的组装件固设到RTU 102的其余部分。例如，连接器824可以表示螺丝或螺栓，所述螺丝或螺栓附连到外罩402的另一部分中的对应容器。在耦合到外罩402的另一部分之前，O圈或其他密封件可以放置在连接器824周围。

典型地，RTU中的最热组件是其CPU，因为CPU在高频率下操作并且消耗大量电力。在比如沙漠之类的极端条件下，如果用于CPU的冷却***不适当，由CPU释放的热能不能足够快地耗散并且替代地在RTU外罩中聚集。这可以加热RTU中的邻近组件并且增加RTU外罩内的内部温度。此时，CPU的内部温度继续升得越来越高。在某一点处，CPU或者RTU内的另一组件可能由于过高的温度而损坏。

在RTU 102中，壳体804可以使用铝或者（一种或多种）其他热导材料形成。热沉812胶合到（一个或多个）处理设备502上或者以其他方式固设到（一个或多个）处理设备502，但是没有直接接触壳体804（因为二者可能是金属并且因此难以直接接触）。热垫814可以变形并且具有高热传导率。在热沉812接触热垫814之后，来自（一个或多个）处理设备502的热耗散区域扩展到壳体804，帮助（一个或多个）处理设备502快速冷却。

尽管图4A到8B图示了用于RTU 102的机械设计的一个示例，但是可以对图4A到8B做出各种改变。例如，板416-420之间的功能划分仅用于说明。而且，外罩402和壳体804的形状因子仅是示例。

图9和10图示了根据本公开的用于控制RTU 102的操作特性的示例电气设计以及相关细节。如上文所述，RTU 102的机械设计可以帮助从RTU 102内部移除热并且增加RTU102的操作温度范围。此外，软件/固件控制算法可以用于修改RTU 102的操作以便减少其功耗，这还有助于RTU 102的热管理。

存在可以用于检测与RTU 102的操作相关联的功耗或温度的各种技术。例如，如在图9中所示，（一个或多个）处理设备502可以从电源902接收操作电力，所述电源902可以表示电路514的部分。小电阻器904可以放置在RTU 102的主电力回路内。当向RTU 102提供电力时，电流流过电阻器904，创建跨电阻器904的电压。调理电路906（其也可以形成电路514的部分）将电压转换为模拟向数字转换器（ADC）908可以识别的合适值。因为调理电路906的阻抗输入可以非常高，所以没有电流或者很少有电流流到阻抗输入中，并且电流i基本上表示由RTU 102消耗的电流。ADC 908可以是单独的芯片或者集成到如在图9中所示的（一个或多个）处理设备502中。（一个或多个）处理设备502可以读取由ADC 908生成的值并且计算输入电流i以及因此计算RTU 102的功耗。

一个或多个温度传感器910-912还可以与RTU 102一起使用。温度传感器910可以测量RTU外壳内的温度，诸如在RTU 102的壳体804内，并且向（一个或多个）处理设备502提供温度测量结果。温度传感器912表示片上传感器，所述片上传感器可以测量（一个或多个）处理设备502的管芯温度。这允许（一个或多个）处理设备502监测其自身的操作温度。

一旦（一个或多个）处理设备502获取电流、功耗、温度或其他测量结果，由（一个或多个）处理设备502执行的一个或多个控制算法（诸如软件或固件）就可以用于控制RTU 102的功耗和温度。例如，可以针对外壳和片上温度测量结果而设置一个或多个阈值。作为示例，工业组件的最高操作温度可以是大约85℃，所以外壳温度阈值可以设置为小于85℃的某一值，诸如在82℃附近（以便预留某一裕度）。如果实际外壳温度超出该阈值，（一个或多个）处理设备502和/或一个或多个***设备（诸如SDRAM）可以使其主要频率降额以便减少功耗和热耗散。作为另一个示例，片上温度阈值可以设置为某一值，诸如基于所使用的处理器类型的一个值。如果实际片上温度超出阈值，（一个或多个）处理设备502和/或一个或多个***设备（诸如SDRAM）可以再次使其主要频率降额以便减少功耗和热耗散。

用于输入电流i的阈值可以以任何合适的方式设置。例如，RTU 102可以放置在腔室中，并且腔室中的周围温度可以设置在最高操作温度处或附近（诸如大约75摄氏度）。除两个温度传感器之外，所有RTU功能可以启用并且以全负载以及在最大频率下运行。在该时间期间使用的电流（标记为i _max）表示最大功耗并且可以被记录。用于输入电流i的阈值然后可以设置在某一值下，诸如i _max或者1.1xi _max。该阈值可以很少（如果曾经有的话）被违反，因为更有可能的是，在违反输入电流阈值之前将违反一个或两个温度阈值。然而，可以存在违反输入电流阈值的时候（诸如，当两个温度传感器910-912已经故障时），在该点处，（一个或多个）处理设备502和/或一个或多个***设备（诸如SDRAM）可以使其主要频率降额以便减少功耗和热耗散。

用于减少RTU 102的功耗的另一个机制是在不要求或者当前没有使用RTU 102内的各种未使用电路时禁用那些电路。例如，在一些情况下，RTU 102本身可以处在空闲状态中。在该时间期间，RTU 102不要求任何输入信号或者生成控制信号。RTU 102可以保持在该状态下，直至控制***104指令RTU 102开始执行某个（某些）任务。作为结果，除通信功能和基本处理功能之外，RTU 102中的所有功能可以被禁用，这显著地减少RTU 102的功耗。在该模式中，（一个或多个）处理设备502可以“休眠”并且偶尔唤醒以便检查传入数据，并且***设备，比如存储器和模拟电路，可以被禁用。此外，某些通信端口可以被禁用，诸如当以太网和RS232端口404-406被禁用而同时RS485端口408保持有效时（因为与以太网和RS232通信相比，RS485可以消耗较少电力）。在该超低电力模式中，RTU 102的功耗可以极其低，并且RTU 102可以保持在该状态下直至被控制***104唤醒。

作为另一个示例，在一些设施中，并非利用RTU 102的所有功能。例如，在具体设施中，可以不存在模拟输入/输出以及没有RS232通信。为了节省电力，RTU 102可以禁用所有AI和AO电路以及RS232电路，诸如通过关断其外部电源。在该模式中，RTU 102可以自动地禁用未使用的功能块，诸如基于用户的配置和需要。当然，如果某种特殊情况的操作要求一些或所有去激活的电路，该电路可以在需要的情况下再启用以便支持期望的功能。

用于减少功耗的第三示例技术在图10中示出，这适用于模拟输入信道。此处，如果可获得并且需要AI功能，可以标识用于各种AI信道的样本速率，并且可以在非常短的“采样”时间内采样来自多个AI信道的数据。在这些采样时间之间，可以存在长“空闲”时间，在该长“空闲”时间期间，不使用ADC电路或者与AI信道相关联的其他电路。如果采样时段之间的间隔足够长，（一个或多个）处理设备502可以选择为使AI电路在空闲时掉电，诸如ADC芯片及其相关联的操作放大器，以便减少功耗和热辐射。当下一采样时段出现时，（一个或多个）处理设备502可以再供电并且在非常短的时间中配置这些组件，并且然后再次采样AI信道。在一些实施例中，该过程可以将与AI信道相关联的功耗减少至少50%。

尽管图9和10图示了用于控制RTU 102的操作特性的电气设计的一个示例以及相关细节，但是可以对图9和10做出各种改变。例如，RTU 102可以使用单个温度传感器或者多于两个温度传感器进行操作。而且，任何其他机制可以用于测量RTU 102的功耗。此外，任何其他控制算法可以用于基于与RTU 102相关联的电流、电压、温度或其他测量结果而减少RTU 102的功耗，并且任何合适的固定或动态阈值可以与控制算法一起使用。例如，控制算法可以基于温度、输入电流或其他测量结果而使内核板418的组件的频率线性地或者非线性地变化。

图11图示了根据本公开的用于支持RTU的提升的操作温度和减少的功耗的示例方法1100。如在图11中所示，RTU的组件在步骤1102处操作。这可以例如包括操作RTU 102中的板416-420以便接收输入信号，分析数据，生成输出信号，以及与外部设备或***通信。在该时间期间，在步骤1104处从这些组件中的一个或多个移除热能，并且在步骤1106处将热能提供给RTU的壳体。这可以例如包括热沉812从（一个或多个）处理设备502拉取热量并且经由热垫814向壳体804提供热量。作为结果，来自RTU 102的热能可以通过RTU 102的壳体804而耗散。

此外，在RTU的操作期间，在步骤1108处测量RTU的一个或多个特性。这可以例如包括测量RTU 102的输入电流、外壳温度或片上处理器温度。在步骤1110处使用测量结果来调整RTU的操作，这帮助在步骤1112处减少RTU 102的功耗。作为结果，可以减少来自RTU 102的热能，因为RTU 102消耗较少电力。

以该方式，RTU 102可以使用在更多不利环境中，特别是具有提升的温度的那些环境。RTU 102的机械设计可以帮助从RTU 102内的（一个或多个）处理设备502更有效地拉走热量，而同时软件/固件控制算法可以用于减少RTU 102的功耗（这还有助于RTU 102中的热管理）。

尽管图11图示了用于支持RTU 102的提升的操作温度和减少的功耗的方法1100的一个示例，但是可以对图11做出各种改变。例如，尽管示出为一系列步骤，但是每一个图中的各种步骤可以重叠，并行发生，以不同次序发生，或者发生任何次。

在一些实施例中，以上描述的各种功能由计算机程序实现或支持，所述计算机程序由计算机可读程序代码形成并且体现在计算机可读介质中。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，其包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够由计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、硬盘驱动、压缩盘（CD）、数字视频盘（DVD）或者任何其他类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质排除了输运暂时性电气或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质包括其中可以永久性存储数据的介质以及其中可以存储数据并且随后覆写数据的介质，诸如可再写光盘或者可擦除存储器设备。

可以有利的是阐述遍及此专利文档使用的某些词语和短语的定义。术语“耦合”及其派生词是指两个或更多元件之间的任何直接或间接通信，而不管那些元件是否相互物理接触。术语“应用”和“程序”是指适配用于在适当的计算机代码（包括源代码、目标代码或可执行代码）中实现的一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、功能、对象、类、实例、相关数据或其部分。术语“接收”和“通信”以及其派生词涵盖了直接和间接通信二者。术语“包括”和“包含”以及其派生词意味着包括而非限制。术语“或”是包括性的，意味着和/或。短语“与…相关联”以及其派生词可以意味着包括、被包括在内、与之互连、包含、包含在内、连接到或与之连接、耦合到或与之耦合、与之可通信、与之协作、交织、并置、接近于、束缚于或与之束缚、具有、具有其属性、具有到其或与其的关系等等。在与项目列表一起使用时，短语“…中的至少一个”意味着可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可以需要列表中的仅一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任一个：A、B、C，A和B，A和C，B和C，以及A和B和C。

尽管本公开已经描述了某些实施例以及一般地相关联的方法，但是这些实施例和方法的更改和置换对于本领域技术人员将显而易见。相应地，示例实施例的以上描述不限定或约束本公开。在没有偏离如由以下权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替换和更改也是可能的。

Claims

1.一种支持提升的操作温度和减少的功耗的装置，包括：

远程终端单元RTU（102），包括：

外罩（402），外罩的至少部分包括热传导材料的壳体（804）；

包括至少一个处理设备（502）的至少一个电路板组装件（416-420），所述至少一个处理设备（502）配置为经由一个或多个输入/输出I/O信道（606a-606n）与一个或多个工业控制和自动化现场设备（106）通信，所述至少一个电路板组装件定位在所述壳体内；

热沉（812），配置为从所述至少一个处理设备移除热能；

热垫（814），配置为从所述热沉接收所述热能并且向所述壳体提供所述热能；以及

一个或多个控制算法，由所述RTU执行并配置为在采样时段之间的空闲时段期间禁用模拟输入I/O信道内的一个或多个组件，在所述采样时段期间对模拟输入I/O信道上的数据进行采样，

其中所述至少一个电路板组装件包括：

第一电路板组装件（420），包括所述一个或多个I/O信道；

第二电路板组装件（418），包括所述至少一个处理设备；以及

第三电路板组装件（416），配置为耦合到所述第一和第二电路板组装件。

2.权利要求1所述的装置，其中：

所述第一和第二电路板组装件位于所述壳体内并且安装到所述壳体；并且

所述壳体的盖体（818）具有开口，所述第一和第二电路板组装件通过所述开口物理连接到所述第三电路板组装件。

3.权利要求2所述的装置，其中：

当所述第二电路板组装件安装在所述壳体内时，所述至少一个处理设备接触所述热垫；并且

所述热垫是可变形的。

4.一种支持提升的操作温度和减少的功耗的***，包括：

一个或多个工业控制和自动化现场设备（106）；以及

远程终端单元RTU（102），包括：

外罩（402），所述外罩的至少部分包括热传导材料的壳体（804）；

包括至少一个处理设备（502）的至少一个电路板组装件（416-420），所述至少一个处理设备（502）配置为经由一个或多个输入/输出I/O信道（606a-606n）与所述一个或多个现场设备通信，所述至少一个电路板组装件定位在所述壳体内；

热沉（812），配置为从所述至少一个处理设备移除热能；

其中所述至少一个电路板组装件包括：

第一电路板组装件（420），包括所述一个或多个I/O信道；

5.权利要求4所述的***，其中所述一个或多个控制算法配置为监测所述RTU的一个或多个特性并且响应于所述一个或多个特性中的至少一个超出相关联的阈值而减少所述RTU的功耗。

6.权利要求4所述的***，其中所述一个或多个控制算法配置为禁用所述RTU内的一个或多个电路。

7.权利要求4所述的***，其中所述一个或多个工业控制和自动化现场设备包括：

至少一个传感器；以及

至少一个致动器。

8.一种通过权利要求1所述的装置来支持提升的操作温度和减少的功耗的方法，包括：

操作（1102）远程终端单元RTU（102）的至少一个电路板组装件（416-420）上的至少一个处理设备（502），所述至少一个电路板组装件定位在所述RTU的外罩（402）内，所述外罩的至少部分包括热传导材料的壳体（804）；

使用所述至少一个处理设备，经由一个或多个输入/输出I/O信道（606a-606n）与一个或多个工业控制和自动化现场设备（106）通信；

使用热沉（812）从所述至少一个处理设备移除（1104）热能；以及

在热垫（814）处从所述热沉接收（1106）所述热能并且从所述热垫向所述壳体提供所述热能。