CN111989627A - 用于自动化工程的***式无线电模块 - Google Patents

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哈拉尔德·朔伊布勒
帕特里斯·格罗斯佩林
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Abstract

用于无线数据传输的自动化工程的***式无线电模块，至少具有用于连接到现场设备(1)的对应有线现场设备接口(5)的有线接口(7)和具有无线电天线(9)的无线电模块电子器件(8)，其中，无线电模块电子器件(8)被配置为使用有线接口(5、7)查询现场设备(1)的至少一个电流值(I)并使用电流值(I)为无线数据传输适当地适配寻呼间隔(3a)和/或无线电数据宽度(3b)，以使得无线电模块电子器件(8)执行其中无线数据传输与当前可用于现场设备(1)的功率(P)相匹配的适配功率操作模式。

Description

用于自动化工程的***式无线电模块
技术领域
本发明涉及自动化技术的***、自动化技术的***式无线电模块以及用于在移动操作单元与***现场设备中的无线电模块之间进行无线数据传输的方法。
背景技术
在自动化技术中，特别是在过程自动化中，广泛使用用于确定、优化和/或影响过程变量的现场设备。传感器，诸如料位测量设备、流量计、压力和温度测量设备、压力和温度测量设备、电导率测量设备等，用于捕获相应的过程变量，诸如料位、流量、压力、温度和电导率。致动器——诸如，例如阀或泵——用于影响过程变量。因此，可以借助于致动器来改变管道部分中的流体的流速或容器中的填充水平。通常，现场设备是指所有面向过程且供应或处理过程相关信息的设备。在本发明的上下文中，现场设备还指远程I/O(电接口)、无线电适配器和/或通常指布置在现场水平上的设备。
Endress+Hauser公司制造并销售各种此类现场设备。
目前，在许多现有的自动化***中，通过两线制线路连接到上级单元——例如控制单元PLC——的两线制现场设备仍然很常见。两线制现场设备被设计使得作为主过程变量的测量或控制值以模拟形式经由两线制线路或两线制电缆作为4-20mA信号进行通信，即，发送。除了其主要功能——即，生成测量值——之外，现代现场设备还具有许多其他功能，这些功能支持要观察的过程的有效而可靠的指导。这些功能尤其包括诸如现场设备的自我监控、测量值的存储、用于致动器的控制信号的生成等的功能。
借助于现场设备观察到的过程在***的结构设计以及在各个过程步骤的时间顺序方面两者都不断进行修改。以对应的方式，现场设备还必须适应不断变化的过程条件并进一步发展。这一方面扩展到测量换能器，但另一方面首先扩展到已实现的功能，例如控制测量换能器、评估测量信号或呈现测量结果并与上级单位进行通信。
由于采用两线制线路，现场设备特别是在危险区域通常在电压和电源方面受到限制。
由于功率消耗受到严格限制，因此此类设备也称为低功率现场设备。由于现场设备可用的功率有限，还严重限制了现场设备的各个组件或附接到或***到现场设备以进行短期操作的组件的功率。***现场设备中的此类组件的示例是用于无线数据传输的无线电模块或无线电适配器。
为了能够保证这种无线电模块的持久运行，无线电模块以从不超过最大分配功率需求的方式适配于现场设备，其中，功率需求因此与供应给现场设备的最小功率匹配。这样做的好处是，无线电模块可以随时安全地无线发送数据。但是，不利的是，以相对较低的传输速度无线地发送数据，以对应地节省功率。
发明内容
因此，本发明的目的是将无线电模块适配于现场设备，使得该无线电模块可以永久安全地操作并且还可以以尽可能高的传输速度无线地发送数据。
根据本发明，该目的通过根据权利要求1的自动化技术***、通过根据权利要求3的***式无线电模块以及通过根据权利要求11的方法来实现。
根据本发明的自动化技术***包括：
-具有现场设备电子器件单元的现场设备，该现场设备电子器件具有用于连接两线制线路的端子和有线现场设备接口，其中，经由可连接到端子的该两线制线路为该现场设备提供至少最小的操作功率；
-用于无线数据传输的自动化技术的***式无线电模块，至少包括：用于连接到现场设备的现场设备接口的有线接口；以及，具有无线电天线的无线电模块电子器件，其中，无线电模块电子器件被配置为经由有线接口请求现场设备的至少一个电流值，并且基于电流值来对应地调整用于无线数据传输的无线电间隔和/或无线电数据宽度，从而无线电模块电子器件实施功率匹配操作模式，其中，无线数据传输适配于当前被提供给现场设备的功率。
根据本发明的***的有利实施例还包括移动操作单元，其被配置用于与无线电模块进行无线数据传输。
根据本发明的用于无线数据传输设备的自动化技术的***式无线电模块包括：至少一个有线接口，用于连接至现场设备的对应有线现场设备接口；以及，具有无线电天线的无线电模块电子器件，其中，无线电模块电子器件被配置为经由有线接口请求现场设备的至少一个电流值，并且基于电流值来对应地调整用于无线数据传输的无线电间隔和/或无线电数据宽度，从而使无线电模块电子器件实施功率匹配操作模式，其中，无线数据传输适配于当前被提供给现场设备的功率。
无线电模块或***的一种有利的发展规定，无线电模块电子器件还被设计为实施标准操作模式，其中，用于无线数据传输的无线电间隔和/或无线电数据宽度被调整到至少可用于现场设备的最小操作功率。
无线电模块或***的一种有利的发展规定，无线电模块电子器件还被配置为在标准操作模式和功率匹配操作模式之间来回切换，其中，从标准操作模式到功率匹配模式的切换特别是由操作员的外部动作来触发的。特别地，该发展可以规定，外部动作包括对无线电模块针对现场设备的包络的无线数据传输的请求。
无线电模块或***的一种有利的发展规定，为了调整无线电间隔和/或无线电数据宽度，无线电模块电子器件访问将对于无线电模块可能的功率针对不同电流值的进行映射的表格或数学函数，其中，无线电模块电子器件进一步被配置为将无线电间隔和/或无线电数据宽度调整为针对所请求的电流值从表格或经由数学函数获得的功率。
无线电模块或***的一种有利的发展规定，无线电模块电子器件还被配置为经由有线接口询问被施加到现场设备的端子的端子电压，并基于所询问的电流值和端子电压来调整用于无线数据传输的无线电间隔和/或无线电数据宽度。
无线电模块或***的一种有利的发展规定，表格或数学函数根据不同电流值和与其相对应的端子电压来映射可能的功率。
无线电模块或***的一种有利的发展规定，无线电模块电子器件还被配置为根据以下标准或协议中的一项或其修改的变体来执行无线数据传输：
-蓝牙或低功耗蓝牙；
-6LoWPAN；
-6TiSCH；或
-无线HART。
本发明还涉及一种用于在移动操作单元和根据前述发展之一的***到现场设备中的无线电模块之间进行无线数据传输，特别是现场设备的包络的数据的无线传输的方法，包括至少以下步骤：
-由无线电模块电子器件经由现场设备的现场设备电子器件单元处的有线接口请求电流值；
-将无线电模块的无线电间隔和/或无线电数据宽度调整到至少现场设备的所请求的电流值；
-在无线电模块和移动操作单元之间进行数据的无线传输，特别是现场设备的包络的数据的无线传输，以所调整的无线电间隔和/或无线电数据宽度进行无线传输。
在此，所有具有用于无线数据传输的无线电接口的便携式计算单元都被视为操作单元。操作单元的示例是手机或智能手机、笔记本或甚至平板电脑。
根据本发明的方法的一种有利的实施例规定，无线电模块电子器件进一步询问被施加到现场设备的端子的端子电压，并且其中，无线电模块电子器件基于所询问的电流值和端子电压来调整用于无线数据传输的无线电间隔和/或无线电数据宽度。
根据本发明的方法的一种有利的实施例规定，无线电模块电子器件还在标准操作模式和功率匹配操作模式之间来回切换，其中，从标准操作模式到功率匹配模式的切换由操作员在移动操作单元处执行的外部动作触发，特别是由用于发送包络的请求触发。
附图说明
根据以下附图更详细地说明本发明。显示如下：
图1：根据本发明的自动化技术的***的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的自动化技术的***的示意图。该***具有两线制现场设备1，其包括优选为金属的外壳2，现场设备电子器件单元4布置在该外壳中。现场设备电子器件单元4被设计使得其具有连接端子13，两线制线路12通过该连接端子13被电连接或可以被电连接。现场设备电子器件单元4以及因此现场设备1经由两线制线路12连接到上级单元——其在图1中未单独示出，以便与上级单元无线地通信数据。从而，作为主要过程变量的测量值以4-20mA电流信号的形式通过两线制线路12模拟地进行通信，因为现场设备电子器件单元设定了4-20mA电流信号的对应电流值。例如可以根据HART标准，以数字两线制信号的形式发送可以包括例如现场设备的参数的其他数据。此外，还经由两线制线路或4-20mA电流信号向现场设备电子器件单元4供应能量。为此，根据施加在端子上的端子电压Uk和4-20mA电流信号，使操作功率可用于现场设备电子器件单元。端子电压Uk通常具有大约10V的最小电压值，因此得出的现场设备电子器件单元的最小操作功率为Lmin＝10V*4mA＝40mW。但是，端子电压原则上也可以具有与其偏离的值，例如10-30V范围内的值。
为了确保现场设备1的安全运行，现场设备电子器件单元4被设计成使得现场设备电子器件单元可以执行所有功能，特别是测量值的获取或设定、其处理以及借助于最小操作功率Pmin传输或设定4-20mA电流信号的对应电流值。此外，现场设备电子器件单元4被配置为使得最小操作功率的一部分永久可用于外部可连接的无线电模块6，或者说该部分被“保留”用于无线电模块。所提供的最小操作功率的该部分用于以最小无线电模块操作功率永久地操作无线电模块。
该***还包括用于无线数据传输的无线电模块6，该无线电模块6具有无线电模块电子器件8和有线接口7。经由有线接口7，无线电模块6用于有线通信，该有线通信以数据传导的方式可释放地连接到现场设备1的现场设备接口5。
无线电模块6具有无线电天线9，其中，无线电模块电子器件8被配置为将经由有线接口5来自现场设备电子器件单元4的数据转换为与无线传输相对应的数据，然后可以经由无线电天线9发送数据，并且反之亦然。
根据本发明，无线电模块电子器件8被设计为实施功率匹配操作模式，其中，无线电间隔3a和/或无线电数据宽度3b适配于当前通过两线制线路12可用于现场设备1的功率P，从而可以至少短暂地以高于必要的最小无线电模块操作功率的功率来操作无线电模块。为此，无线电模块电子器件8被配置为经由有线接口5、7询问至少当前在现场设备电子器件单元4中设定的电流值I，并且基于至少电流值I来确定无线电模块当前可用的最大功率，从而可以相应地调整无线电间隔3a和/或无线电数据宽度3b。功率匹配操作模式可以被设计使得通过无线电模块电子器件8以规则的间隔执行用于调整无线电间隔3a和/或无线电数据宽度3b的过程，从而无线电间隔3a和/或无线电数据宽度3b调整对于当前可用于现场设备1的功率P是动态发生的。不言而喻，在无线电间隔和/或无线电数据宽度由于可用的附加功率而增加的情况下，将经由有线接口7对应地调整有线通信以用于将要无线发送的数据的通信。
在当前情况下，无线电间隔3a应理解为无线电模块6的两个有效的发送或接收动作之间的间隔，并且无线电数据宽度3b应理解为每个发送或接收动作所发送的无线电分组的数量。取决于所使用的无线电技术的类型，无线电间隔或无线电数据宽度被不同地指定。例如，在低功耗蓝牙的情况下，无线电间隔称为“连接间隔”，无线电数据宽度称为“每个连接事件的分组”。
为了确定可用于无线电模块6的功率，无线电模块电子器件的存储器15可具有表格，其中针对特定电流值存储了特定功率值。附加地或可替代地，可以存储描述电流值I和功率之间的关系的数学函数。除了询问电流值I之外，无线电模块电子器件6还可以被配置为经由有线接口5、7询问现场设备电子器件单元中的端子电压UK的值，以便使得能够更精确地确定可用于无线电模块的功率。不用说，在这种情况下，所存储的表格或数学函数通过对应的端子电压值Uk扩展。
除了功率匹配操作模式之外，无线电模块电子器件8还可以被配置为实施标准操作模式，在该标准操作模式中，无线电间隔3a和/或无线电数据宽度3b与使得可用于现场设备1的最小操作功率Pmin匹配。此外，无线电模块电子器件8可以被配置为在标准操作模式和功率匹配操作模式之间切换。在此可以通过触发例如发送大量数据的请求的特定动作来发起切换。这样的动作可以包括例如由操作员11对将包络14从现场设备1发送到移动操作单元10的请求。然而，替代地或附加地，外部动作也可以包括对通用功能的请求，通用功能诸如是加载或存储现场设备的配置(参数化)、加载事件日志或类似功能。
在这种情况下，发送数据的请求可以由操作员11在移动操作单元10处例如通过输入对应命令来执行。
参考符号列表
1 现场设备
2 现场设备的外壳
3a 无线电间隔
3b 无线电数据宽度
4 现场设备电子器件
5 现场设备接口
6 无线电模块
7 无线电模块的有线接口
8 无线电模块电子器件
9 无线电天线
10 移动操作单元
11 操作员
12 两线制线路
13 端子
14 包络
15 存储器
I 现场设备的电流值
Pmin 最小操作功率
Uk 端子电压

Claims (13)

1.一种自动化技术***，包括：
-具有现场设备电子器件单元(4)的现场设备(1)，所述现场设备电子器件单元(4)具有用于连接两线制线路(12)和有线现场设备接口(5)的端子(13)，其中，经由能够连接到所述端子(13)的所述两线制线路(12)使至少最小操作功率(Pmin)可用于所述现场设备(1)；
-用于无线数据传输的自动化技术的***式无线电模块(6)，所述***式无线电模块(6)至少包括：用于连接到所述现场设备(1)的所述现场设备接口(5)的有线接口(7)；以及，具有无线电天线(9)的无线电模块电子器件(8)，其中，所述无线电模块电子器件(8)被配置为经由所述有线接口(5、7)请求所述现场设备(1)的至少一个电流值(I)，并且基于所述电流值(I)来对应地调整用于无线数据传输的无线电间隔(3a)和/或无线电数据宽度(3b)，从而所述无线电模块电子器件(8)实施功率匹配操作模式，在所述功率匹配操作模式中，所述无线数据传输适配于当前被提供给所述现场设备(1)的功率(P)。
2.根据权利要求1所述的***，还包括移动操作单元(10)，所述移动操作单元(10)被配置用于与所述无线电模块(6)进行无线数据传输。
3.一种用于无线数据传输的自动化技术的***式无线电模块，所述***式无线电模块具有：至少一个有线接口(7)，用于连接至现场设备(1)的对应有线现场设备接口(5)；以及，具有无线电天线(9)的无线电模块电子器件(8)，其中，所述无线电模块电子器件(8)被配置为经由所述有线接口(5、7)请求所述现场设备(1)的至少一个电流值(I)，并且基于所述电流值(I)来对应地调整用于所述无线数据传输的无线电间隔(3a)和/或无线电数据宽度(3b)，从而使所述无线电模块电子器件(8)实施功率匹配操作模式，在所述功率匹配操作模式中，所述无线数据传输适配于当前被提供给所述现场设备(1)的功率(P)。
4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的无线电模块或***，其中，所述无线电模块电子器件(8)还被配置为实施标准操作模式，在所述标准操作模式中，用于无线数据传输的所述无线电间隔(3a)和/或所述无线电数据宽度(3b)被调整到至少可用于所述现场设备(1)的最小操作功率(Pmin)。
5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的无线电模块或***，其中，所述无线电模块电子器件(8)还被配置为在所述标准操作模式和所述功率匹配操作模式之间来回切换，其中，从所述标准操作模式到所述功率匹配模式的所述切换特别是由操作员(11)的外部动作来触发。
6.根据前一权利要求所述的无线电模块或***，其中，所述外部动作包括对所述无线电模块针对所述现场设备(1)的包络(14)的无线数据传输的请求。
7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的无线电模块或***，其中，为了调整所述无线电间隔(3a)和/或所述无线电数据宽度(3b)，所述无线电模块电子器件(8)访问将对于所述无线电模块(6)可能的功率针对不同电流值的进行映射的表格或数学函数，其中，所述无线电模块电子器件(8)进一步被配置为将所述无线电间隔和/或所述无线电数据宽度调整为针对所请求的电流值从所述表格或经由所述数学函数获得的功率。
8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的无线电模块或***，其中，所述无线电模块电子器件(8)还被配置为经由所述有线接口(5、7)询问被施加到所述现场设备(1)的端子(13)的端子电压(Uk)，并基于所询问的电流值(I)和所述端子电压(Uk)来调整用于无线数据传输的所述无线电间隔(3a)和/或所述无线电数据宽度(3b)。
9.根据权利要求7或8所述的无线电模块，其中，所述表格或数学函数根据所述不同电流值和与所述不同电流值相对应的端子电压来映射所述可能的功率。
10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的无线电模块或***，其中，所述无线电模块电子器件(8)还被配置为根据以下标准或协议中的一项或其修改的变体来执行无线数据传输：
-蓝牙或低功耗蓝牙；
-6LoWPAN；
-6TiSCH；或
-无线HART。
11.一种用于在移动操作单元和根据权利要求3至10中的任一项所述的***到现场设备中的无线电模块之间进行无线数据传输，特别是所述现场设备的包络的数据的无线传输的方法，包括至少以下步骤：
-由所述无线电模块电子器件经由所述现场设备的现场设备电子器件单元处的所述有线接口请求所述电流值；
-将所述无线电模块的所述无线电间隔和/或所述无线电数据宽度调整到至少所述现场设备的所请求的电流值；
-在所述无线电模块和所述移动操作单元之间进行数据的无线传输，特别是所述现场设备的所述包络的所述数据的无线传输，以所调整的无线电间隔和/或无线电数据宽度进行所述无线传输。
12.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述无线电模块电子器件进一步询问被施加到所述现场设备的所述端子的所述端子电压，并且其中，所述无线电模块电子器件基于所询问的电流值和所述端子电压来调整用于所述无线数据传输的所述无线电间隔和/或所述无线电数据宽度。
13.根据权利要求12至13中的任一项所述的方法，其中，所述无线电模块电子器件还在所述标准操作模式和所述功率匹配操作模式之间来回切换，其中，从所述标准操作模式到所述功率匹配模式的所述切换由操作员在所述移动操作单元处执行的外部动作触发，特别是由用于发送包络的请求触发。
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