具有HART多路复用器的数据收录设备的制作方法

具有hart多路复用器的数据收录设备
技术领域
1.本发明涉及一种数据收录设备，其具有与多个hart现场设备电容式耦联的hart多路复用器。


背景技术：

2.在过程工业中的设施中，例如在化学、石化、制药、食品和其他产品制造行业中，在设备自动化的范畴中，在现场层级，地点分散的非集中的现场设备执行预定的功能并且在此与上级的控制和管理系统的组件以及必要时彼此间交换过程、设施和/或设备相关的信息。现场设备包括：用于例如液位、流量、压力和温度的传感器(测量变送器)，其传输过程参数的测量值形式的信息；以及执行器，其例如是接收调节值形式的信息的阀门调节驱动器或位置调节器，以便影响过程。
3.一种广泛使用的用于信息传输的通信协议是hart(highway addressable remote transducer(可寻址远程传感器高速通道))，其中主过程值、即实际测量值或调节值通过电流回路(两线式线路)作为模拟的4-20ma电流信号传输，其他数据(hart信息)可以通过频移键控(frequency shift keying，fsk)在1200hz与2200hz之间的hart频率调制并数字传输。数字hart信息可以是命令、响应、参数和变量，例如是现场设备的温度测量值，该现场设备根据hart标准工作并且也被称为hart设备。
4.hart协议区分主设备和从设备，其中hart现场设备通常是响应主设备的命令的从设备。典型的主设备是自动化系统的分散输入/输出模块、手持操作设备或带有hart调制解调器的参数化pc(个人电脑)，为了调试和诊断现场设备，它们可以通过点对点连接临时连接至两线式线路。
5.自动化系统的具有hart功能的输入/输出模块可实现持久的点对点连接，但许多自动化系统无法直接访问hart信息。由于使用hart兼容的i/o卡改造传统的输入/输出模块可能非常昂贵，因此取而代之的是可以使用hart多路复用器，其将来自多个hart现场设备的hart信息集中起来，并通过标准化的现场总线接口将其提供给自动化系统(ep 0964 325a1)。为了不影响4-20ma 电流信号，hart多路复用器的通道优选地电容式耦联到不同的两线式线路。如果(通常是这种情况)为了降低设备技术的复杂性和与之相关的成本而将多个hart通道仅分配给一个hart调制解调器，则由于多路复用运行的原因而使已经很小的传输容量进一步减小。
6.在调试和启动期间，用户开始扫描连接至hart多路复用器的现场设备，其中，周期性地读取所有hart信息并识别各个现场设备(hart命令0：读取变送器唯一标识符)。由于上述原因，这可能需要几分钟时间，具体取决于连接的现场设备的数量。如果随后移除、更换现场设备或连接了新的现场设备，则必须手动重复扫描，否则自动化系统没有关于所更改的信息。如果没有手动触发扫描，自动检测新连接或更换的设备可能需要几分钟、几小时或几天的时间，因此在此期间传送的数据与真实的新配置不符。由于与两线式线路电容式耦联，无法记录回路电流以检测现场设备连接配置的变化。
7.可能出现以下情况：
8.现场设备被移除。如果在预设时间过去后没有收到对hart命令0的响应，则自动化系统仅在几分钟、几小时甚至几天后才通过新扫描识别配置更改。实际上，建议将扫描周期设置为例如一天，以减少通信负载并加速重要的hart信息的读取，例如读取主hart变量(primary variables，pv)，以用于次级过程监控(状态监测)的目的。
9.将现有的现场设备更换为新的现场设备。在此，自动化系统也仅在收到新现场设备的长地址以响应hart命令0时才较晚地识别更改。
10.新的现场设备连接至多路复用器的到此时未被占用的通道。建议停用未占用的通道以加快整体通信速度。因此，对于停用的通道，甚至无法检测到新连接的现场设备。如果未被占用的通道没有被停用，则更改的识别将会如上述情况那样被延迟识别。
11.尽管在每次更改配置后用户都可以自己开始扫描，但随后仍需人工干预。


技术实现要素：

12.因此，本发明的基本目的是，快速且自动地识别与hart多路复用器电容式耦联的现场设备的连接配置的变化。
13.根据本发明，该目的通过本发明的数据收录设备实现。
14.因此本发明的目的是一种数据收录设备，其具有：
15.多通道hart多路复用器，其通道配备有耦联元件，耦联元件用于与多个通过电流回路馈电的hart现场设备电容式耦联；
16.在hart多路复用器的下游布置的hart调制解调器；和
17.处理器，其布置在hart调制解调器的下游并且位于hart调制解调器与现场总线接口之间，该处理器控制数据收录设备的hart通信，
18.其中，
19.在每个通道处连接有脉冲鉴别器，脉冲鉴别器检测通过中断和/或接通通道上的回路电流引起的并且与hart信号不同的信号脉冲，并且脉冲鉴别器在检测到时产生用于处理器的中断信号，并且
20.处理器设计成，根据中断信号终止在相关的通道上运行的hart通信，并且产生用于请求对通道处的hart现场设备进行识别的hart命令。
21.当移除或添加现场设备时，电流回路被断开或接通。在这两种情况下，电流中断或回路电流的接通会在电容式耦联之后的hart多路复用器的相关通道上产生电压尖峰。在具有大约1ma的峰峰值的幅度的hart信号被调制到回路电流上时，回路电流的中断或接通会导致4与20ma之间的突然电流变化。此外，hart调制发生在明确定义的频率上。因此，在脉冲鉴别器的帮助下，可以检测由中断和/或接通回路电流引起的多路复用器通道上的信号脉冲。当检测到此类事件时，会提示处理器(计算单元)终止可能在相关通道上发生的任何hart通信，并通过该通道输出hart命令、尤其是hart命令0。如果现场设备已被移除，处理器将在预设时间过去后不收到响应。数据收录设备然后知道相关通道未被占用，然后可以例如停用该通道和/或通过现场总线接口将回路配置的变化报告给上级单位。如果第一次添加现场设备或作为对先前现场设备的交换，则处理器接收新现场设备的标识符(例如长地址)作为对用于识别的hart命令的响应，并可以报告配置更改到上级单位。
22.为了能够可靠地检测回路电流的中断和/或接通，通道上的信号脉冲通过一个可调节的并且还能针对每个通道或者脉冲鉴别器单独预设的检测阈值来鉴别。如前所述，由中断和/或接通回路电流引起的电流突然变化在幅度和频率方面与hart信号不同。由于尤其在工业环境中必须考虑到在电流回路上的例如emc(电磁兼容)干扰或不良电接触的干扰，因此在脉冲鉴别器中进行频率过滤是有利的。为此，每个脉冲鉴别器可以各自具有频率过滤器，频率过滤器针对hart频率范围之外的频率是可穿透的，例如是带通滤波器，频率过滤器具有在下游布置的(阈值)比较器，当从频率过滤器通过的已过滤的信号超过检测阈值(阈值)时，比较器产生用于处理器的中断信号。
23.附加地或可替代地，可以在数据收录设备的处理器中实施软件过滤器，该软件过滤器分析接收到的中断信号的发生频率，以便将通过中断和/或接通回路电流引起的中断信号与由在电流回路上的干扰引起的中断信号区分开。通过中断和/或接通回路电流引起的中断信号只是偶发且很少发生的，而由emc干扰或接触不良(虚接)引起的中断信号更频繁且持续更长时间。通过根据可能的原因区分中断信号，可以防止处理器在出现与故障相关的中断信号的情况下不断生成hart命令以请求识别hart现场设备，从而阻止了实际的hart通信。根据中断信号的发生频率，过滤可以针对多路复用器的所有通道共同实现或根据也许通过用户预设的不同标准针对不同通道实现。此外，可以有利地自适应地改变检测阈值，直到取决于干扰的中断信号的发生频率最小为止。
附图说明
24.下面借助实施例并参考附图阐述本发明。附图详细示出：
25.图1示出了具有hart多路复用器的数据收录设备的实例，该多路复用器将来自现场设备的hart信息集中并通过标准化接口提供给自动化系统，以及
26.图2示出了根据本发明的数据收录设备的更详细的实例。
具体实施方式
27.在不同附图中相同的参考标号具有相同的含义。附图纯粹是示意性的，不代表任何比例。
28.图1示出了hart现场设备1的简化示意图，其在此例如是测量变送器，其通过电流回路(两线式线路)2连接至在此未示出的自动化系统的输入/输出模块3。输入/输出模块3包含电压源4，该电压源为测量变送器1提供辅助能量，其中，测量变送器1调节其电流消耗，使得回路电流i对应于4到20ma之间的范围内的电流测量值。因此，布置在电流回路2中的负载5降低与电流i并因此与测量值成比例的电压，该电压被评估以用于指示或进一步处理的目的。电压源4也可以布置在输入/输出模块3之外的单独的供电装置中。如果现场设备1是执行器，则回路电流i在输入/输出模块3中被调节。
29.除了模拟的4-20ma信号之外，hart现场设备1还能够发送和接收数字信息(hart信息)。为了发送hart信息，将具有大约1ma的峰峰值和hart频率(用于二进制的一的1200hz和用于二进制的零的2200hz的频率)的数字hart信号叠加在回路电流i上。假设输入/输出模块3不具有hart功能，为此设有数据收录设备6，其从电流回路2提取hart信息、例如现场设备1的诊断数据并将其传输到上级单位、例如自动化系统，或者如这里所示，通过网关7传输
到云系统8中的应用程序。相反，hart信息、例如命令从网关7经由数据收录设备6传输到hart现场设备1。
30.为了能够与多个、在此例如多达八个hart现场设备1进行数字通信，数据收录设备6包含具有八个通道10的多路复用器9，其中，每个通道10都配备有耦联元件11，以用于电容式耦联到hart现场设备1。耦联元件11的作用是仅使hart信号到达通道10，而变化相对较慢的回路电流i远离多路复用器9。在所示的实施例中，为了清楚起见，仅针对通道10之一示出了连接至hart现场设备1的电流回路2的耦联元件11。由于负载5已经存在于输入/输出模块3中，耦联元件11与现场设备1并联。否则，可以将负载5集成在耦联元件11中，然后将其串联连接至电流回路2中。
31.在hart多路复用器9的下游布置有hart调制解调器12，其解调从现场设备1以时分复用方式接收的hart信号并调制要传输到现场设备1的hart信号。
32.在hart调制解调器12的下游布置有处理器13，其协调数据收录设备6的hart通信并通过标准化现场总线接口、例如rs-485建立与网关7的连接，并且在此作为用于将hart的协议转换为例如modbus或以太网协议的协议并且相反的协议转换器工作。
33.图2示出了数据收录设备6的更详细的实例。在每个通道10处连接有脉冲鉴别器15，该脉冲鉴别器设计用于检测相关通道10上通过中断和/或接通回路电流i引起的并且与hart信号不同的信号脉冲。在所示的实施例中，每个脉冲鉴别器15各自包含频率过滤器16，频率过滤器针对位于1200hz和2200hz的hart频率之外的确定频率是可穿透的。频率过滤器16可以例如是带通滤波器。在每个频率过滤器16的下游布置有比较器17，当从频率过滤器16通过的已过滤的信号超过阈值形式的检测阈值19时，比较器在输出侧产生用于处理器13的中断信号18。可以为每个通10单独设置阈值19，或者也可以为所有通道10设置相同的阈值。处理器13分别具有用于每个中断信号18的中断引脚。在所示的实施例中，处理器13为每个比较器17产生各自的阈值19。然而，处理器13也可以为所有比较器17产生共同的阈值19。
34.处理器13还包含软件过滤器20，其针对每个通道10根据接收到的中断信号18的发生频率将可能由中断和/或接通回路电流i引起的中断信号与可能由在电流回路2上的干扰引起的中断信号区分开。在此，很少会将随后单独发生的中断信号识别为由中断和/或接通回路电流i引起的中断信号。频繁出现且持续时间较长的中断信号被识别为由相应电流回路2上的干扰引起的中断信号。取决于所确定的发生频率，处理器13可以自动地或在用户引导下自适应地调整检测阈值19，直到取决于干扰的中断信号18的发生频率最小为止。如果例如在运行期间，取决于干扰的中断信号的发生频率超过阈值，则这可以例如通过led 21或以某种其他方式向用户指示，或者作为诊断信息发送到网关7以用于转发。
35.在已识别出由中断和/或接通回路电流i引起的中断信号的情况下，如果当前正在相关通道10上发生hart通信，则处理器13首先终止hart通信。然后，处理器13为该通道10生成hart命令0，以便由可能连接至通道10的现场设备1请求识别。如果在预定时间内没有响应，则处理器13将相应的通道10识别为未被占用。如果通道10之前未被占用并且现在接收到来自现场设备1的响应，则处理器13识别出已经添加了新的现场设备。处理器13识别的通道上的配置变化能够以传输信息中的“变化位”的形式传送到网关7，网关7因此能够以最高优先级从数据收录设备6读取关于配置变化、例如新增的现场设备的地址的信息。

技术特征：
1.一种数据收录设备(6)，具有：多通道hart多路复用器(9)，所述多通道hart多路复用器的通道(10)配备有耦联元件(11)，所述耦联元件用于与多个通过电流回路(2)馈电的hart现场设备(1)电容式耦联；在所述hart多路复用器(9)的下游布置的hart调制解调器(12)；和处理器(13)，所述处理器布置在所述hart调制解调器(12)的下游并且位于所述hart调制解调器与现场总线接口(14)之间，所述处理器控制所述数据收录设备(6)的hart通信，其中，在每个所述通道(10)处连接有脉冲鉴别器(15)，所述脉冲鉴别器检测通过中断和/或接通所述通道(10)上的回路电流(i)引起的并且与hart信号不同的信号脉冲，并且所述脉冲鉴别器在检测时产生用于所述处理器(13)的中断信号(18)，并且所述处理器(13)设计成，根据所述中断信号(18)终止在相关的所述通道(10)上运行的hart通信，并且产生用于请求对所述通道(10)处的hart现场设备进行识别的hart命令。2.根据权利要求1所述的数据收录设备(6)，其特征在于，每个所述脉冲鉴别器(15)都设计成利用能设置的检测阈值(19)鉴别信号脉冲。3.根据权利要求2所述的数据收录设备(6)，其特征在于，所述处理器(13)设计成，为每个所述脉冲鉴别器(15)单独地预设所述检测阈值(19)。4.根据权利要求2或3所述的数据收录设备(6)，其特征在于，每个所述脉冲鉴别器(15)各自具有能由在hart频率范围之外的频率穿过的频率过滤器(16)，所述频率过滤器具有布置在下游的比较器(17)，当穿过所述频率过滤器(16)的信号超过所述检测阈值(19)时，所述比较器产生所述中断信号(18)。5.根据权利要求4所述的数据收录设备(6)，其特征在于，所述频率过滤器(16)包括带通滤波器。6.根据前述权利要求中任一项所述的数据收录设备(1)，其特征在于，所述处理器(13)包含软件过滤器(20)，所述软件过滤器根据所述中断信号(18)的发生频率在通过中断和/或接通所述回路电流(i)引起的中断信号与由干扰引起的中断信号之间进行区分。7.根据权利要求6结合权利要求2所述的数据收录设备(1)，其特征在于，所述处理器(13)设计成，为了将取决于干扰的中断信号(18)的发生频率最小化而自适应地调整检测阈值(19)。

技术总结
本发明涉及数据收录设备(6)，其包含多通道HART多路复用器(9)，其通道(10)配有与多个以电流回路馈电的HART现场设备电容式耦联的耦联元件(11)。复用器下游设有HART调制解调器(12)，其下游设有带现场总线接口(14)并控制数据收录设备的HART通信的处理器(13)。为快速并自动识别与复用器电容式耦联的现场设备的连接配置变化，每个通道连有脉冲鉴别器(15)，其检测通过中断和/或接通通道上的回路电流引起的并与HART信号不同的信号脉冲，并在检测时产生用于处理器的中断信号(18)，处理器设计成根据响应中断信号终止在相关通道上运行的HART通信并产生用于请求识别通道上的HART现场设备的HART命令。备的HART命令。备的HART命令。


技术研发人员：埃里克
受保护的技术使用者：西门子股份公司
技术研发日：2021.09.03
技术公布日：2022/3/8