CN101228734A - 具有以太网供电功能的接口模块 - Google Patents

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CN101228734A CNA2006800265078A CN200680026507A CN101228734A CN 101228734 A CN101228734 A CN 101228734A CN A2006800265078 A CNA2006800265078 A CN A2006800265078A CN 200680026507 A CN200680026507 A CN 200680026507A CN 101228734 A CN101228734 A CN 101228734A
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约翰·P·布鲁尔
埃里克·D·罗特沃
凯莉·M·奥斯
罗伯特·J·卡斯奇亚
菲利普·G·奥斯比
唐纳德·R·拉蒂摩尔
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Abstract

本发明涉及应用于过程监控和控制系统中的接口模块(302)，包括一个以太网端口、一个控制器(320)以及至少一个段输入/输出模块(328)。这个以太网端口被用于按照一种以太网协议通过包含有一组线的线揽(314)发送和接收信号，并且接收通过至少两组线传导的电势。控制器(320)被连接到这个以太网端口，并且从这个端口接收电压供电。至少有一个段输入/输出模块(328)被连接到这个控制器(320)，并且这个模块还被用来连接一个相关的现场设备段(308)。这个设备段至少带有一个被接入的现场设备。在这个相关的现场设备段(308)上，至少有一个段输入/输出模块(328)与至少一个被接入的现场设备发生相互作用。

Description

具有以太网供电功能的接口模块
技术领域
本发明涉及过程监控和/或控制系统，尤其涉及基于以太网配电的过程控制系统和过程监控系统。
背景技术
过程监控和控制系统，如用于化工过程、石油或其他方面的工业过程的过程监控和控制系统，一般包括一个集中监控和控制系统。这个集中监控和控制系统通过模拟或数字的通信路径，与操作者或用户的工作站，以及一个或多个现场设备相连。现场设备可以是用于监控过程参数(如温度、压力、流速等)的传感器和/或对工业过程进行操作(如，打开和关闭阀门等)的送变器。
该集中监控和控制系统一般接收现场设备发来的过程测量值信号和/或现场设备通过输入/输出设备或模块(可以是模拟的或数字的)传过来的其他信息。监控系统接收过程测量值的信号，并根据收到的信号对过程的各个方面进行监控。它还可以用于将测量到的过程数据与预定的极限值进行比较，并且如果极限值被超过则发起一个操作(如发出一个告警信号)。
监控和控制系统的过程控制器可以通过使用测量到的数据以及其他信息来监控一个过程和执行控制例行程序。控制器可以产生控制信号，将控制信号发送。控制信号通过总线或其他的通信路径或通道、通过模拟或数字输入输出设备，被传到现场设备来控制指定的过程操作。
传统上，各种各样的通信协议都已经被开发出来，可以通过使用这些协议实现不同厂家生产的控制器和现场设备之间的数据交换。例如，MODBUS就是这样的协议的之一，MODBUS协议定义了一种信息结构，控制器不管在哪种类型的网络上都可以识别和使用这种信息结构。MODBUS协议在本技术领域被人所熟知。大量的文章、手册和规范都对其进行了详细的描述，这些资料可以通过各种渠道获取，包括使用MODBUS协议的设备的生产商。还有其他的通信协议，例如，HART、PROFIBUS、执行器传感器接口(“AS-Interface”)、WORLDFIP、Device-Net、CAN以及FOUNDATIONTM FIELDBUS(以下简称“fieldbus”)协议。
不管使用什么通信协议，对过程监控和控制网络中的现场各设备、接口模块和界面结的供电都需要付出代价。特别是通过电缆供电，则电缆安装的成本必然使这样的系统的整个成本上升。并且如果在网络中添加新设备，另外增加电缆来供电和传送信号给新的设备，则会增加成本、复杂性和安装时间。
最近出现了一种向分布式系统供电的新标准(IEEE 802.3af)。具体地说，这个标准包括了在布线范围内利用现有的以太网布线的未使用的线对(信号线对)来供电。这种通过以太网线的供电被称做“以太网供电”(PoE)。这种IEEE标准允许在作为以太网通信的以太网布线(一般是CAT5E布线)上传输48伏350毫安的电力。
因此，对于能够利用新出现的供电技术和能够利用现有布线来把新的现场设备连接到过程监控和控制系统的工业过程设备的需求正在形成和增长。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于过程控制或监控系统中的接口模块，包括一个以太网端口、一个控制器以及至少一个段输入/输出模块。
该以太网端口可以按照一种以太网协议通过包含有一组线的线揽发送和接收信号，并且接收通过至少两组线传导的电压。控制器被连接到这个以太网端口，并且从这个端口接收电压供电。至少有一个段输入/输出模块被连接到这个控制器，并且这个模块还被用来连接一个相关的现场设备段。这个现场设备段至少带有一个被接入的现场设备。在这个相关的现场设备段上，至少有一个输入/输出模块与至少一个被接入的现场设备产生相互作用。
附图说明
图1是本发明通过以太网供电的接口模块实施例的简化框图。
图2是按照本发明用于以太网供电和各个网络协议间通信的接口模块实施例的扩展框图。
图3是本发明用于以太网供电的工业过程控制和监控系统实施例的扩展框图。
图4是本发明用于通过以太网布线向HART网供电的接口模块实施例的简化框图。
具体实施方式
图1是过程控制或监控系统100的一个简单框图。该系统100有一个接口模块102A，这个接口模块102A将一个或多个网络104和106连接到大量的现场设备108A至110N，连接的现场设备数量可以是多个。
网络104包括有一个带有操作界面114(如，一个工作站或计算机)的系统112，这个系统112可以通过布线116被连接到一个或者多个接口模块102A至102N。系统112和接口模块102A至102N之间的通信可以使用任何的通信协议，包括如MODBUS，PROFIBUS，AS-Interface，WORLDFIP，Device-Net，CAN以及FIELDB US协议。
过程网络106包括有一个带有操作界面120(如一个用户工作站或一台计算机)的控制或监控系统118，这个系统可以通过以太网布线124和以太网供电集线器122与一个或多个接口模块102A至102N相连。这个以太网供电集线器122从电源123接收电能，并且要在以太网布线124中的至少一对未使用的线上形成电势。或者，该以太网供电集线器122也可以在传送以太网信号的线对上形成电势。
这些接口模块102A至102N可以被用来与一个或多个网络(如，网络104和106)相互通信。另外，每一种接口模块102A至102N更适用于通过以太网布线124上的电势获取操作动力。供电可以通过用于以太网通信的布线124来完成。以太网布线124可以是，例如，一段CAT5E网络线。另外，每个接口模块更适用于向一个或多个现场设备段126A至126D传送动力来驱动每一个现场设备，如现场设备108A至108N和110A至110N。
例如，在一实施例中，24伏的电源可以被用来驱动接口模块102A以及多达四个的现场总线段126A至126D。在这个实施例中，接口模块102A被用来通过以太网布线124与控制或监控中心118进行通信，被用来通过以太网布线124上的电压差获取动力，并且对现场总线段126A至126D的每一个段提供现场总线功率调节。接口模块102A的功能顾及到了对现场设备每一种安装和连接。
以太网供电标准(IEEE 802.3af)要求以太网布线124上所载的电压不能高过48伏和电流不能高过350毫安。根据电源架构、电缆长度、现场设备的功率要求、内在的安全要求等，以太网供电标准可使得接口模块102A、电源调节器和一些现场设备或现场设备段的使用成为了可能。例如，型号为848的温度模块(848T)(由美国明尼苏达州伊登佩雷利的罗斯芒特公司(Rosemount Inc.)制造)可以在现场设备段126A上作为现场设备108A至108N使用。四个848T温度模块需要大约100毫安的电流(组合的电流)，它们一起提供32个温度监控点。假设以太网布线124载有48伏350毫安的电流，它分给了接口模块250毫安。如果现场设备功率低，则现场设备的数量可以增加并且保证对接口模块的充足供电。因此，沿着电缆组件根据供电能够传送大量的过程变量。
通过以太网布线124供电，可以去掉一个电缆对(例如，电源电缆)并使得安装更加简洁。在许多的安装中，为了便于安装，以太网的端口和布线可能已经被布置好。如果现场设备的功率低，则接口模块的容量甚至可以增大，并能向更多的现场设备和更长的段供电。另外，在不久的将来会出来更新的以太网供电标准。新标准可能会允许提供更高的电压和/或更大的电流，因此更大的供电会支持更多的段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，可以使用控制和/或监控功能。例如，通过使用超文本标记语言(网页)，使用标准因特网浏览器。在这种情况下，可以通过任何寻址方式访问接口模块102，包括TCP/IP寻址方式、媒体存取控制寻址方式、网络层寻址方式，或者因特网浏览器支持的任何其他电子寻址方式。例如，可以使用网络服务器软件对接口模块102A进行编程，并且对它提供唯一的网址。可以通过以太网布线124，使用在任何PC中都有的网络浏览器，如操作界面120，对接口模块102A的配置进行设置。
例如，一个MAC地址传统上是一个48位数(或者64位数)的地址。它对于局域网中的网络接口卡来说是唯一的编码。MAC地址包含有两个不同的标识符(IDs)。第一个标识符是一个24位的生产厂商的唯一ID。第二个标识符是一个24位(或40位)的扩展ID(板卡ID)，这个ID由生产厂家制定。板卡的ID确定具体的网络接口卡的身份，它是此设备特有的。在局域网中通过网络发送包时，目的和源的MAC名称都被包括在报头中。网络设备使用它们来过滤和转发包。
以太网的包的长度单位可变。信息可以通过包在以太网中传送。每个以太网包包括一个同步前导码，一个目的地址(TCP/IP，MAC，网络层等)，一个源地址，一个包含类型代码指示器的字段，一个其大小可在46到1500字节内变化的数据字段，一个为确定数据的精确性提供统计引申值的CRC。在一实施例中，目的地址是与特定的接口模块102相对应的设备专用的地址。在另一实施例中，数据字段包括有特定接口模块102专用的地址。
不管使用什么寻址协议，接口模块102通过以太网布线124以包的形式来传送和接收信息，并且通过这个以太网布线124获取电能。例如，可以将控制信号、测量信号等分包(组)置入以太网帧的数据字段，然后在网络中进行传送。
图2是按照本发明的一个实施例画的在过程监控和控制系统200中的一个接口模块的扩展的框图。此监控和控制系统200包括一个在两个监控和控制网络204和206之间的将它们通连接口模块202和通过网络、总线或段(例如一个基金会现场总线段207A，一个现场设备总线或网络207B，一个无线网络207C(带有无线通信的现场设备)及一个HART设备网络207D)连接的许多过程监控和控制设备。监控和控制网络204包含有一个监控和控制系统208，这个监控和控制系统208通过以太网连接线210与接口模块202相连。监控和控制系统208还可以被作为服务器运行，运行数据收集软件。过程监控和控制系统可以对数据进行存取。
与电源214相连的以太网供电集线器212被安置在接口模块202和监控和控制系统208之间，并在以太网布线210的线上形成电势。例如，由于接口模块202的电力要求和下游的现场设备的电力要求均为已知，以太网供电集线器212便可以根据以太网供电标准IEEE 802.3af规定的参数在布线210上形成一个适当的电势。
一般情况下，接口模块202被用来在许多的现场设备总线207A至207D和一个或多个控制网络204和206之间双向传送数据。此接口模块202一般包括有一个以太网输入/输出模块(或以太网接口)220和可选择地包括一个或多个用于与控制网络204和206通信的网络输入/输出模块(或其他的网络接口)222。控制器224可以包括一个处理器226，一块内存228和一个或多个电源调节器230。控制器224与许多的输入/输出模块232A至232D相连，向它们传送功率并且与很多的现场设备之间进行通信。例如，输入/输出模块232A可以是用于与一个现场设备段207A进行通信的一个段输入/输出模块。模块232B可以是一个总线或者与现场设备总线或网络207B进行通信的网络输入/输出模块。模块232C可以是通过无线网络207C与一个或多个无线通信的现场设备进行通信的无线收发器。模块232D可以是与一个HART网络207D相连的一个4至20毫安HART输入/输出模块，现场设备就与此HART网络207D相连。
控制器224一般被用来通过各种现场设备执行工业过程的基本功能。控制器224可以通过处理器226处理储存的属于一个或多个现场设备的数据(调整信息供控制系统208使用)和/或对照内存228中储存的参考数据比较测量值。控制器224可以通过以太网线缆210与控制系统208通信和/或与其他的数字格式或数字至模拟组合格式的接口模块通信(如图1中的接口模块102A至102N)。另外，每个现场设备和/或接口模块202可以被用来执行第二级的功能，如校准、辨别、诊断等。
控制器224被用来处理从输入/输出模块220及222处接收到的信息和控制信号，被用来通过选择的段输入/输出模块232和一个或多个现场设备段207A至207D来向适当的现场设备提供信号和调整的功率。
控制器224可以包括一个或多个电源调节器230，而电源调节器230为现场设备段207A至207D调整功率。在一实施例中，为每一个现场设备段提供一个单独的电源调节器230。在另一实施例中，一单个电源调节器230被用来向所有的相关的现场设备段207A至207D提供功率。每一个电源调节器230都可以被用来钳定或限制现场设备段207A至207D的电压和电流的等级，防止发火花或者电容性电压放电，尤其是为了保证基本的安全。
图3示出了过程控制系统300的另一实施例。此过程控制系统300包括一个在控制网络304和306之间的并连接它们的接口模块302和多个现场设备模块段308。控制网络304包括一个带有操作界面(如图1中所示的操作界面120)的控制系统310。控制系统310包括一个以太网供电集线器312，这个供电集线器312是被集成到控制系统310中的。控制系统310，通过以太网布线314和以太网供电集线器312与接口模块302连接。以太网供电集线器312在以太网布线314内的线路上形成电势。控制网络306可以包括MODBUS或者任何其他控制网络。以太网控制网络304，通过带有以太网供电功能的以太网输入/输出模块316与接口模块302相连。其他的网络306都通过其他网络输入输出模块318与接口模块302相连。
接口模块302包括带有以太网供电功能的以太网输入/输出模块316和其他网络输入/输出模块318，这两个输入/输出模块都与控制器320相连。控制器320包括一个处理器322，一块内存324以及电源调节器326。控制器320与段输入/输出模块328相连，从现场设备段308上的现场设备接收信息并且向现场设备段308上的现场设备发送信息。
图4是本发明的一个实施例的监控和控制系统400的一个的简化框图。这个监控和控制系统400包括有一个HART接口模块(402)，这个HART接口模块被用来将监控和控制网络404与一个HART设备网络406相连。这个监控和控制网络404包括有一个运行数据收集软件的服务器408，一个与服务器408相连的过程监控和控制系统410，以及一个可选用的带有电源414的以太网供电集线器412。带有电源414的以太网供电集线器412是用来在以太网线缆416上形成电势的。
带有以太网供电功能的以太网输入/输出模块418将HART接口模块402与以太网线缆416相连。在HART接口模块402内，带有以太网供电功能的以太网输入/输出模块418与控制器420相连。控制器420可由一个处理器422和一块内存424组成，控制器420的功能指令被保存在内存424之中。通过一个4至20毫安的HART网络输入/输出模块428，一个或多个电源调节器426被用来在一个或多个HART设备网络406上设置适当的电压。这个4至20毫安的HART网络输入/输出模块428，被用来向HART设备网络406传送功率和信号，并且还被用来从附着在HART设备网络406的HART设备发来的信号。一般情况下，HART接口模块402被用来在以太网监控和控制网络404和HART设备网络406之间双向转发信号。
以太网供电标准IEEE 802.3af的功率值350毫安和48伏足以能够支持提供以太网通信输出的HART复用式应用(用于4至20毫安的设备)。考虑到以太网供电不仅需要驱动环路或分支式段，还要驱动以太网接口，因此HART一般在4至20毫安的环路或分支式段内使用。例如，在一HART实施例中，4至20毫安/HART设备网络406可以是分支式HART协议段。接口模块402可以被用来从以太网布线416获取电力并且将电力传送给分支式4至20毫安HART设备。如果设备的功率低或者以太网供电的电压高和/或电流大，则接口模块402可以向更多的4至20毫安HART设备和/或HART设备网络提供功率。
本领域的技术人员应该懂得，具有以上功能的以太网供电如果不包含与其他网络连接的输入/输出模块，也可以执行，例如在以太网上执行整个过程控制系统。另外，他还应该懂得，现场设备段可以使用所有用于工业过程的数据通信格式。在一实施例中，现场设备段使用一种通信协议，如HART，Fieldbus等。在另一实施例中，现场设备段使用具有专门连接装置的以太网通信协议，以使以太网布线适应工业过程环境的恶劣条件。这种连接装置和以太网线缆屏蔽，也可以用于为了保证基本的安全性而防止产生火花。
虽然已经按照优选实施例介绍了本发明，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员可以在形式上和细节上做修改。

Claims (21)

1.一种用于过程监控或控制系统的接口模块，其特征在于，该接口模块包括：
一以太网端口，该以太网端口按照一种以太网协议、通过包含有一组线的线缆发送和接收信号，并接收通过至少两个线组传导的电压；
一控制器，被连接到所述以太网端口并通过该端口接收的电压得到供电；
至少一个与控制器相连的段输入/输出模块，该段输入/输出模块还与一个相关的现场设备段相连，该现场设备段至少带有一个附属于它的现场设备。
2.根据权利要求1所述的接口模块，其特征在于，所述接口模块通过以太网端口从一个监控或控制中心接收信息并且向这个监控或控制中心发送信息。
3.根据权利要求1所述的接口模块，其特征在于，该接口模块还包括：
通过至少一个段输入/输出模块与现场设备段相连的一个电源调节器，这个电源调节器通过电势产生电源信号，这个电源调节器被用来给相关现场设备段送电源信号。
4.根据权利要求3所述的接口模块，其特征在于，所述电势向至少一个附属于相关现场设备段的现场设备供电。
5.根据权利要求1所述的接口模块，其特征在于，所述段输入/输出模块包括多个段输入/输出模块。
6.根据权利要求1所述的接口模块，其特征在于，该接口模块还包括：
一个或多个网络输入/输出端口，用于从使用不同通信协议的网络接收数据并且给这种网络发送数据，每一个网络输入/输出接口都被连接到控制器并且通过控制器与一个或多个现场设备通信。
7.根据权利要求6所述的接口模块，其特征在于，所述控制器根据适用于一种或多种网络的一种信号协议，通过一种或多种网络将一个或多个现场设备的信息发送给控制中心。
8.根据权利要求7中所述的接口模块，其特征在于，所述接口模块与以太网端口和一个或多个网络输入/输出端口通信连接，为了在过程控制系统的控制中心和一个或多个网络之间交换信息。
9.一种监控和控制工业过程的系统，其特征在于，该系统包括：
多个连接到工业过程的现场设备；
一个用于监控和控制工业过程的控制中心；
一个通过以太网布线与控制中心通信连接的接口模块，该模块通过以太网布线内的线对的电势接收电能，与多个现场设备通信连接，并且基于设置的电势通过一个现场设备段向多个现场设备供电。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述接口模块包括：
一个用于处理来自控制中心和多个现场设备的信号的控制器，该控制器有选择性地将来自多个现场设备的信息转发给控制中心，并且将控制中心的信息有选择性地转发给选定的现场设备。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述接口模块还包括：
用于将接口模块与不同通信协议的过程控制网络相连接的多个输入/输出模块，并且
所述控制器被用来在不同的通信协议之间翻译数据。
12.根据权利要求11所述系统，其特征在于，所述输入/输出模块包括：
一包括一个以太网输入/输出模块的第一输入/输出模块，该第一输入/输出模块通过以太网协议与过程控制系统进行通信；
一包括有一个MODBUS输入/输出模块的第二输入/输出模块，该第二输入/输出模块通过MODBUS协议与过程控制网络进行通信。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，该系统还包括
被连接在控制中心和接口模块之间的以太网供电集线器，用于在以太网布线内的线对上提供电势。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述接口模块包括：
一个以太网端口，这个端口通过线缆发送和接收以太网包，并且接收通过线缆的一或多根线传来的电势。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，每一个通过线缆收到的所述以太网包，包括有与接口模块地址相对应的一个唯一地址。
16.一种在过程控制系统中将过程控制网络与现场设备相连接的接口模块，其特征在于，该接口模块包括：
一个以太网模块，通过以太网布线从控制中心接收信号并向控制中心发送信号，并通过以太网布线接收供电；
一个被连接到所述以太网模块的控制器，该控制器向现场设备供电；
与控制器和信号总线相连的输入/输出模块，该模块被用来向信号总线提供现场设备用电。
17.根据权利要求16所述的接口模块，其特征在于，所述控制器包括：
一个处理器，这个处理器用来进行诊断、处理从控制中心传来的数据和处理从与信号总线相连的一个或多个现场设备传来的数据；
一块内存，这块内存被用来储存控制中心的现场设备数据和信息。
18.根据权利要求16所述的接口模块，其特征在于，该接口模块还包括：
一个与所述控制器连接的MODBUS接口模块，该接口模块通过MODBUS协议与控制网络进行通信，而所述控制器则在MODBUS接口模块和以太网接口模块之间翻译信息。
19.根据权利要求16所述的接口模块，其特征在于，所述控制器包括：
一个被连接到所述输入/输出模块的电源调节器，该电源调节器根据预定电压和电流限制值产生现场设备供电。
20.根据权利要求16所述的接口模块，其特征在于，所述输入/输出模块包括一4至20毫安的HART网络输入/输出模块，所述接口模块中的信号总线包含有一HART设备网络。
21.根据权利要求16中所述的接口模块，其特征在于，所述输入/输出模块包括一FoundationTM现场总线段输入/输出模块，所述接口模块中的信号总线包含有一现场总线段。
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