СИСТЕМА ПОЛЕВОЙ ШИНЫ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2010 года по МПК H04L12/40 

ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе передачи данных. В частности, настоящее изобретение относится к системе передачи данных для беспроводной связи, устройству управления для беспроводной связи с полевым устройством и приемопередающему устройству и способу беспроводной связи в системе передачи данных.

Система полевой шины совместно использует общую среду, чтобы связывать друг с другом множество устройств. Так как все устройства связаны с одной шиной, обеспечивается возможность того, что в системе шины становится возможной связь каждого оконечного устройства с каждым другим таким устройством, при этом не требуется каждое устройство по отдельности связывать с каждым другим устройством. Для того чтобы, например, обеспечить связь каждого из N оконечных устройств с каждым другим из этих устройств, при кабельном соединении по схеме звезды потребуется (N-1)× N × ¹/₂ соединений, в частности кабелей.

С возрастанием числа соединяемых устройств также возрастает количество соединений, например кабелей, по экспоненциальному закону. Система шины может заменить это большое количество соединений одной единственной шиной, к которой подключены все устройства.

В области техники измерений и регулирования, как и в системах обработки технологических процессов, где датчики или исполнительные элементы связаны с системой управления или с системой анализа, в настоящее время в возрастающем объеме используются устройства цифровой связи. Для связи между этими устройствами часто используются полевые (магистральные) шины, такие как HART®, Profibus или Fieldbus Foundation.

Монтаж принимающих участие в связи устройств часто вызывает проблемы, если, например, необходимо преодолевать препятствия, такие как течения рек и т.п. К тому же имеющийся монтаж поддается изменению лишь с трудом, и требующееся расширение может быть связано с проблемами. Монтаж в случае сложных географических структур или далеко разнесенных друг от друга измерительных устройств становится затратным и дорогостоящим. Кроме того, монтаж является недостаточно гибким в случае изменений.

Система Ethernet (широко распространенный протокол для локальной сети LAN) является системой шины, к которой могут подсоединяться множество пользователей. То есть устройства обслуживаются общей средой передачи. Специальные протоколы семейства IEEE 802.X регулируют доступ к шине. С помощью протоколов семейства IEEE 802.11 в качестве совместно используемой среды передачи так называемой системы WLAN (беспроводная локальная сеть) вместо шины был введен радиоканал. Все устройства, которые находятся на дальности действия радиосвязи передатчика, одновременно ведут прием сигналов передатчика, как если бы они были подключены все к одной и той же шине. Тем самым становится возможной беспроводная связь в так называемом инфраструктурном режиме или в специальном (adhoc) режиме.

Для проводной связи посредством этих протоколов устройства управления или устройства оценки измерений и удаленные сенсоры или полевые устройства могут осуществлять связь друг с другом. При этом сенсоры или полевые устройства предоставляют измеренные значения, которые оцениваются устройствами управления. Коммутация, требуемая для проводной связи, влечет за собой затраты и является дорогостоящей и, кроме того, является негибкой.

В международной публикации WO03/023536 A1 описан радиомодуль для полевого устройства, с помощью которого полевые устройства, которые не имеют встроенного устройства радиосвязи, могут простым и экономичным способом обслуживаться посредством радиосвязи.

Технологии радиопередач, такие как WLAN или Bluetooth, используют так называемый диапазон ISM (различные диапазоны радиочастотного спектра, выделяемые на основе международных соглашений для некоммерческого использования в промышленных, научных и медицинских областях) для передачи данных. Диапазон ISM может использоваться нелицензированным образом для промышленных, научных и медицинских приложений. При этом диапазон на частоте 2,4 ГГц глобальным образом предоставлен для промышленных, научных или медицинских приложений. Этот диапазон могут также применять, например, бесшнуровые телефоны или системы телефонной связи при снятой трубке. Хотя должны соблюдаться нормативные требования относительно мощности передачи и помех смежных частотных диапазонов, однако в пределах свободного диапазона ISM могут иметь место помехи передачи, обусловленные множеством работающих в этом диапазоне приборов. Эти помехи могут, при определенных обстоятельствах, привести к необходимости повторять переданную информацию. Поэтому могут иметь место задержки в передаче.

Задачей настоящего изобретения является создание простой системы передачи данных для осуществления беспроводной связи.

Эта задача решается системой беспроводной передачи для осуществления беспроводной связи, устройством управления для беспроводной связи с полевым прибором, приемопередающим устройством и способом для беспроводной связи в системе передачи данных.

В соответствии с примером выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных для беспроводной связи, включающая в себя устройство управления, полевой прибор и радиопередающее устройство. Устройство управления выполнено с возможностью радиопередачи по протоколу полевой шины, причем полевой прибор выполнен с возможностью связи с радиопередающим устройством по протоколу полевой шины. Радиопередающее устройство выполнено с возможностью передачи протокола полевой шины посредством протокола радиосвязи.

Согласно другому варианту осуществления заявленного изобретения предложено устройство управления для беспроводной связи с полевым прибором, включающее в себя устройство преобразования полевой шины и устройство согласования тайм-аута. Устройство преобразования полевой шины выполнено с возможностью преобразования управляющего сигнала в сигнал полевой шины, причем устройство согласования тайм-аута выполнено с возможностью установки временного режима устройства преобразования полевой шины.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложено приемопередающее устройство, которое включает в себя передающее устройство и приемное устройство. Передающее устройство выполнено с возможностью преобразования протокола полевой шины в протокол радиосвязи и передачи, а приемное устройство выполнено с возможностью преобразования протокола радиосвязи в протокол полевой шины и приема.

Согласно еще одному примеру выполнения заявленного изобретения предложен способ беспроводной связи в системе передачи данных. Система передачи данных включает в себя устройство управления, полевой прибор и устройство радиопередачи. При этом способ содержит следующие этапы: осуществление связи устройства управления с устройством радиопередачи посредством протокола полевой шины, передачу протокола полевой шины посредством протокола радиосвязи и осуществление связи устройства радиопередачи с полевым прибором посредством протокола полевой шины.

В настоящее время в технике измерений, управления и регулирования используется протокол полевой шины для передачи данных измерений, управления и регулирования. Посредством протокола полевой шины устройство управления и полевой прибор могут осуществлять связь друг с другом по шине. При этом устройство управления, которое может служить для регистрации данных измерений и оценки данных измерений, может, например, запросить от полевого прибора предоставить измеренное значение. Полевой прибор содержит, чаще всего, сенсор, который, например, определяет измеренные значения и может передавать их на устройство управления по протоколу полевой шины. Однако в случае полевого прибора речь может идти также об исполнительном устройстве, устройстве управления или регулирования, которое может управляться в соответствии с сигналами задатчика от устройства управления.

Протокол полевой шины включает в себя множество команд, которые стандартизованы. Посредством вызова команды сигнальная последовательность, соответствующая протоколу, может выдаваться в подключенную шину, в частности полевую шину. Эта сигнальная последовательность полевой шины может приниматься сработавшим прибором и оцениваться им. Этот сработавший прибор может сам выполнять заданные действия и, например, может выдавать измеренные значения назад на блок управления по шине.

Шина, в частности система шины, может представлять собой физическое соединение или кабель. Например, шина может представлять собой экранированный кабель на скрученной паре. К шине может быть подключено любое множество приборов, чтобы осуществлять взаимный обмен данными. Посредством адресации может осуществляться адресация индивидуального прибора.

За счет применения устройства радиопередачи становится возможным то, что устройство управления осуществляет связь с устройством радиопередачи посредством общего протокола полевой шины. Устройство управления может представляться прозрачным для устройства радиопередачи. Иными словами, это означает, что для устройства управления полевое устройство или другое согласованное с шиной устройство представляется как подключенное к стандартной шине, в частности стандартному кабелю.

В соответствии с изобретением обеспечивается система передачи данных для беспроводной связи в среде измерительной техники и техники регулирования. Соответствующее изобретению использование беспроводной связи упрощает соединение измерительных приборов друг с другом.

Устройство радиопередачи может принимать сигналы устройства управления, которые соответствуют протоколу полевой шины. Эти сигналы устройство радиопередачи может преобразовывать в соответствующие сигналы протокола радиосвязи. Это преобразование может производиться на любом уровне, например, протокола OSI-коммуникации. Например, физические сигналы полевой шины могут преобразовываться в сигналы радиопередачи. Устройство радиопередачи соответствует поэтому шлюзу в коммуникационной сети.

Полевое устройство также связано с устройством радиопередачи через полевую шину. Через эту полевую шину полевой прибор сообщается с устройством радиопередачи посредством протокола полевой шины. Устройство радиопередачи выполнено с возможностью преобразования сигналов протокола радиосвязи в сигналы протокола полевой шины. Иными словами, соединение между прибором управления и полевым прибором может физически прерываться устройством радиопередачи и тем самым продолжаться на дальности действия. Предпочтительным образом, так можно перекрыть большое расстояние, не требуя изменения кабельной проводки или шины.

Устройство радиопередачи сообщается как с устройством управления, так и с полевым прибором по протоколу полевой шины. Устройство радиопередачи связано как с полевым прибором, так и с устройством управления по полевой шине. При коммуникации между устройством управления и полевым прибором устройство радиопередачи представляется прозрачным. Коммуникация может также осуществляться от устройства управления через устройство радиопередачи к полевому прибору. Точно так же коммуникация может осуществляться от полевого прибора через устройство радиопередачи к устройству управления.

Двунаправленная коммуникация в двух направлениях возможна посредством устройства радиопередачи. Например, устройство управления может передавать сигнал запроса соответственно протоколу полевой шины к полевому прибору. На этот сигнал запроса полевой прибор предоставляет в распоряжение ответный сигнал с определенным или полученным измеренным значением на прибор управления по протоколу полевой шины. Так, например, полевой прибор, представляющий собой любой измерительный сенсор, может запрашиваться о том, чтобы провести измерение и предоставить измеренное значение прибору управления.

Ввиду прозрачности устройства радиопередачи, по отношению к протоколу полевой шины, можно использовать стандартные приборы. Это означает, что приборы, которые применяют для коммуникации стандартизованный протокол полевой шины, могут осуществлять связь друг с другом через устройство радиопередачи.

Например, дальность действия системы полевой шины может увеличиваться за счет использования повторителей (ретрансляторов). Это означает, что, например, устройства радиопередачи могут иметь усилительные элементы, которые могут служить в качестве ретрансляционных станций и, тем самым, увеличивать дальность действия шины. Предпочтительным образом, за счет использования технологии радиосвязи могут преодолеваться препятствия, такие как, например, русла рек. Тем самым полевые приборы могут также использоваться в географически неблагоприятных местоположениях.

Посредством технологии радиосвязи также возможно использовать полевые приборы в мобильных сценариях использования. Связанность с местоположением полевого прибора, например измерительного сенсора, устраняется за счет использования устройства радиопередачи. Поэтому могут проводиться, например, измерения и на подвижных объектах, таких как транспортные средства.

Согласно другому варианту выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных, в которой протокол полевой шины может выбираться из группы протоколов полевой шины HART®, Profibus или Fieldbus Foundation. Применение специфических протоколов полевой шины HART®, Profibus или Fieldbus Foundation позволяет применять систему передачи данных во взаимосвязи с общепринятыми в настоящее время устройствами управления и полевыми приборами. Если один из стандартов реализуется в устройстве радиопередачи, то устройство радиопередачи может быть прозрачным для соответствующего протокола полевой шины HART®, Profibus или Fieldbus Foundation.

Если преобразование протокола для соответствующего протокола полевой шины в соответствующий протокол радиосвязи реализовано в устройстве радиопередачи, то можно простым способом соединить измерительные приборы или устройства управления соответствующего стандарта посредством устройства радиопередачи. Физическая замкнутая шина может, таким образом, отсутствовать. Замкнутая шина означает в этой связи то, что имеется сквозное физическое соединение между отдельными приборами на шине посредством соответствующего кабеля шины.

Согласно другому варианту осуществления заявленного изобретения предложена система передачи данных, в которой режим тайм-аута протокола HART® в устройстве управления согласован с передачей радиосигнала. Согласно спецификации HART®, ведущее устройство или устройство управления может опрашивать полевой прибор или ведомое устройство о предоставлении измеренных значений. На запрос ведущего устройства, согласно спецификации HART®, ответ ведомого устройства должен предоставляться в течение 256 мс.

Действия по преобразованию протоколов в устройстве радиопередачи могут, однако, привести к увеличению времени распространения сигнала. Иными словами, это означает, что в устройстве радиопередачи протокол HART® должен преобразовываться в протокол радиосвязи. Например, может иметь место, что служебная информация, такая как контрольные суммы или информация кадров, должна добавляться для того, чтобы сформировать пакет протокола радиосвязи. Тем самым может формироваться служебная информация, которая может привести к дополнительной задержке во времени распространения сигнала.

Соответствующие задержки могут возникать при распаковывании сигналов. Распаковывание может быть необходимым, чтобы преобразовать обратно радиосигналы в сигналы полевой шины. Как при передаче запроса, так и при передаче ответного сигнала ведомого устройства ведущему устройству может быть необходимым как процесс упаковки, так и процесс распаковки. Тем самым ответный сигнал ведомого устройства ведущему устройству может длиться более чем 256 мс. Дополнительное время ожидания может учитываться посредством согласования режима тайм-аута в устройстве управления или устройстве оценки со стандартом HART®.

Предпочтительным образом, за счет увеличения режима тайм-аута по отношению к стандарту HART® может быть реализована увеличенная дальность действия. Тем самым могло бы учитываться, что для радиопередачи может использоваться несколько ретрансляторов. Например, ретрансляционные станции могут принимать радиосигнал, усиливать и повторно выдавать в радиоканал. Тем самым за счет дополнительной упаковки и распаковки может дополнительно увеличиваться время задержки. Кроме того, может увеличиться соответствующий режим ответа полевого прибора на запрос ведущего устройства. Посредством таймера, время установки которого равно 256 мс или больше 256 мс, этот дополнительный временной режим может учитываться.

Согласно другому варианту выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных, в которой протокол радиосвязи выбран из группы протоколов радиосвязи, включающей в себя WLAN, Bluetooth и Zigbee. Предпочтительным образом в случае протоколов WLAN, Bluetooth и Zigbee речь идет о стандартизованных протоколах радиосвязи. Поэтому реализация этого стандарта для преобразования протокола полевой шины в соответствующий протокол радиосвязи облегчается, так как не требуется никакой новой разработки протокола радиосвязи.

Предпочтительным образом может также применяться специализированный протокол радиосвязи. Специализированный протокол радиосвязи является протоколом радиосвязи, который, по меньшей мере, частично отличается от стандартизованного протокола радиосвязи. Посредством специализированного протокола радиосвязи может быть достигнуто то, что дальность действия систем радиопередачи при использовании всенаправленного излучателя может составлять согласно европейскому стандарту 500 м или согласно американскому стандарту 1600 м. Кроме того, могут учитываться особые требования к передаче пакетов радиосвязи HART®.

Дальность действия системы радиопередачи может также быть увеличена за счет использования особым образом выполненных антенн, таких как направленные антенны. Предпочтительным образом за счет использования специализированного протокола радиосвязи могут учитываться особенности при упаковке сигналов полевой шины в радиосигналах. Причиной использования специализированного протокола радиосвязи может быть большая дальность действия, чем это обеспечивается при использовании протоколов WLAN, Bluetooth или Zigbee.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных, в которой устройство радиопередачи выполнено с возможность передачи аналогового сигнала на устройство управления. Предпочтительным образом аналоговые сигналы, например сигнал уровня 4...20 мА, можно передавать посредством устройства радиопередачи. Для этого аналоговый сигнал оцифровывается и преобразуется в сигнал, соответствующий протоколу HART®. Так как устройство радиопередачи выполнено с возможностью передачи протокола HART® по протоколу радиосвязи, можно, таким образом, передавать аналоговые сигналы через радиоинтерфейс. Аналоговый сигнал может также преобразовываться в соответствии с другим предписанием преобразования в протокол радиосвязи.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных, в которой устройство радиопередачи выполнено таким образом, чтобы сигнал переключения передать на устройство управления. Предпочтительным образом можно, таким образом, сенсоры, например переключатели, которые вырабатывают сигнал переключения, непосредственно подключать к устройству радиопередачи. Аналогичным образом, как при использовании аналоговых сигналов, не требуется никакой полевой прибор, чтобы считывать сигнал переключения. За счет непосредственного подключения аналогового сигнала или сигнала переключения к устройству радиопередачи тем самым может быть обеспечена экономия затрат.

Аналоговый сигнал может быть, например, сигналом измерения уровня заполнения. Это означает, что уровень заполнения может быть поставлен в соответствие диапазону тока от 4 до 20 мА, например, линейным образом. Например, нулевой уровень заполнения (состояние пустоты) может соответствовать сигналу 4 мА, а максимальный уровень заполнения (полное заполнение) может соответствовать сигналу 20 мА. Между этими двумя значениями могут быть предусмотрены любые аналоговые значения тока, которые соответствуют конкретным уровням заполнения.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения, устройство радиопередачи также включает в себя запоминающее устройство, причем запоминающее устройство выполнено таким образом, чтобы сохранять информацию, предоставляемую полевым прибором. Запоминающее устройство выполнено с возможностью, при необходимости, предоставления сохраненной информации в устройство управления. Таким образом, в условиях эксплуатации между устройством радиопередачи и полевым прибором может осуществляться связь, не требуя измерения устройством управления.

То есть в запоминающем устройстве устройства радиопередачи могут сохраняться измеренные значения, которые непрерывно подаются от полевого прибора или регулярно опрашиваются устройством радиопередачи. Если следует запрос от устройства управления к полевому прибору, то запрос не требуется далее передавать на полевой прибор, а вместо этого на запрос устройства управления устройство радиопередачи может непосредственно отвечать значениями из запоминающего устройства.

Устройство радиопередачи может иметь две стороны: сторону прибора управления и сторону полевого прибора. Сторона прибора управления обозначает при этом зону подключения полевой шины устройства радиопередачи, в которой устройство управления соединено с шиной. Сторона полевого прибора обозначает сторону подключения полевого прибора к полевой шине устройства радиопередачи. Между стороной прибора управления и стороной полевого прибора устройства радиопередачи, после соответствующего преобразования, выполняется радиопередача. Запоминающее устройство может располагаться как на стороне прибора управления устройства радиопередачи, так и на стороне полевого прибора устройства радиопередачи. Иными словами, информация измерений при сохранении на стороне прибора управления может предоставляться без передачи сигнала запроса посредством радиосвязи. При сохранении на стороне полевого прибора сначала необходимо сигнал запроса передать посредством радиосвязи.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, устройство управления выполнено как ведущее устройство протокола HART®, а полевой прибор - как ведомое устройство протокола HART®. Предпочтительным образом ведущее устройство протокола HART® и ведомое устройство протокола HART® осуществляют информационный обмен друг с другом.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных, причем полевой прибор выполнен в качестве датчика, выбранного из группы, включающей в себя датчик уровня, датчик давления или датчик граничного уровня. Предпочтительным образом, при этом может использоваться беспроводная связь для измерения уровней, давлений и/или граничных уровней.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных, в которой устройство управления выполнено таким образом, чтобы после ответа на собственный запрос, самое ранее спустя 75 мс, сформировать новый запрос. Предпочтительным образом за счет ожидания устройства управления в течение, по меньшей мере, 75 мс может реализовываться управление доступом к полевому прибору.

Спецификация HART® позволяет осуществлять попеременный доступ двух ведущих устройств по шине HART® к одному или нескольким ведомым устройствам путем операций регулирования, которые устанавливают временной доступ ведущих устройств к шине. После ответа на собственный запрос ведущее устройство может, самое ранее спустя 75 мс, снова сформировать запрос. После ответа на чужой запрос ведущее устройство, уже спустя интервал времени от 20 до 75 мс, может сформировать новый запрос. Тем самым может гарантироваться, что два ведущих устройства всегда вступают в действие попеременно.

Это означает, что за счет использования технологии радиосвязи физическая шина, смоделированная по технологии радиосвязи, зависит от дальности действия радиосигналов. К одной шине может быть подсоединено несколько приборов. В пределах диапазона приема устройства радиопередачи можно использовать несколько устройств управления или ведущих устройств или несколько полевых приборов или ведомых устройств. Может иметь место, что дальность радиосвязи устройства радиопередачи определяется кругом вокруг, например, стороны полевого прибора устройства радиопередачи, в частности вокруг антенны части устройства радиопередачи со стороны полевого прибора. Радиус этого круга задается посредством дальности действия радиосигнала. Если части устройства радиопередачи со стороны полевого прибора располагаются в пределах этой дальности, то может осуществляться связь между соответствующими ведущим и ведомым устройствами. Иными словами, это означает, что соответствующие ведущее и ведомое устройства наблюдают друг друга.

Дополнительное ведущее устройство может также располагаться в пределах зоны вокруг стороны устройства радиопередачи со стороны полевого прибора. Если второе ведущее устройство или вторая сторона устройства радиопередачи со стороны полевого прибора приходится на круг напротив стороны устройства управления устройства радиопередачи первого прибора управления, то радиосигнал ведущего устройства хотя и достигает стороны устройства радиопередачи со стороны ведомого прибора, но не соответствующей стороны второго ведущего устройства.

Запросы, которые посылаются от ведущих устройств к ведомому устройству, не могут наблюдать оба ведущих устройства друг напротив друга. В любом случае они наблюдают ответные сигналы ведомого устройства для соответствующего ведущего устройства, так как они оба находятся на дальности действия последнего. Ведущее устройство, которое получает ответ ведомого устройства, может путем анализа ответного сигнала распознать, идет ли речь об ответе на посланный им запрос. Если же речь идет о запросе, который соответствующее ведущее устройство само послало, то оно должно, в случае, если ему необходимо послать новый запрос, ожидать, по меньшей мере, 75 мс. В случае запроса речь идет о собственном запросе.

В течение этого времени ожидания или вынужденной паузы другому ведущему устройству предоставляется возможность направить запрос ведомому устройству и получить доступ к шине, в частности каналу радиопередачи. Для учета всех возможных времен ожидания, которые могут возникать вследствие упаковки и распаковки сигналов шины для преобразования в радиосигналы и наоборот, может потребоваться ожидание на собственный запрос в течение 500 мс или дольше, прежде чем новый запрос ведущего устройства сможет быть передан к ведомому устройству. Тем самым может гарантироваться, что другое ведущее устройство может направить запрос к ведомому устройству.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложена система передачи данных, в которой устройство управления выполнено с возможностью формирования нового запроса после чужого запроса в пределах интервала от 20 мс до 75 мс. Если после приема ответа на запрос другого ведущего устройства в пределах временного интервала от 20 мс до 75 мс посылается запрос от ведущего устройства к ведомому устройству, то на основе временного режима согласно протоколу HART® может гарантироваться, что в это время никакое другое ведущее устройство не сможет направить запрос ведомому устройству. При выборе этого временного окна необходимо учитывать, по отношению стандарту HART®, времена, которые обусловлены дополнительными операциями упаковки и распаковки сигналов для преобразования в радиосигналы и наоборот.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложено устройство управления для беспроводной связи с полевым прибором. Устройство управления включает в себя устройство преобразования полевой шины, устройство согласования тайм-аута, причем устройство преобразования полевой шины выполнено с возможностью преобразования сигнала управления в сигнал полевой шины. При этом устройство согласования тайм-аута выполнено с возможностью установления временного режима устройства преобразования полевой шины.

Устройство преобразования полевой шины обеспечивает возможность преобразования специфических для протокола команд в сигналы полевой шины. Это преобразование осуществляется согласно протоколу полевой шины. Протокол полевой шины или устройство преобразования полевой шины может иметь таймер, который может служить для контроля истечения определенного времени ожидания. При этом речь может идти, например, о регистре, который осуществляет обратный отсчет соответствующего интервала времени. Посредством устройства согласования тайм-аута этот тайм-аут или временной режим может быть настроен с учетом изменяющихся условий. Например, может приниматься во внимание временной режим, который по отношению к стандарту изменяется за счет введения передачи радиосигнала. Например, могут учитываться более длительные времена распространения сигнала.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения признаки, указанные для системы передачи данных, соответственно относятся к устройству управления. Протокол шины HART® по своему временному режиму может настраиваться на измененные краевые условия.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложено приемопередающее устройство или приемопередатчик (трансивер), включающий в себя передающее устройство и приемное устройство. При этом приемопередающее устройство выполнено с возможностью преобразования протокола полевой шины в протокол радиосвязи и передачи пакетов протокола радиосвязи, а приемное устройство выполнено с возможностью преобразования протокола радиосвязи в протокол полевой шины и приема пакетов протокола радиосвязи.

За счет передачи и приема сигналов полевой шины или радиосигналов может обеспечиваться двунаправленная связь посредством приемопередающего устройства.

Предпочтительным образом, несколько приемопередающих устройств могут осуществлять связь друг с другом. Тем самым может имитироваться полевая шина. Предпочтительным образом к приемопередающему устройству могут подключаться стандартные приборы полевой шины. Для стандартных приборов полевой шины, например приборов управления или полевых приборов, шина, моделируемая посредством приемопередающего устройства, представляется как прозрачная совместимая полевая шина.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложено приемопередающее устройство, причем приемопередающее устройство выполнено с возможностью передачи аналогового сигнала. Предпочтительным образом, тем самым обеспечивается возможность того, что, например, датчик сигнала измерения или сенсор, который формирует аналоговый сигнал, подключается непосредственно к приемопередающему устройству для передачи сформированного сигнала. При этом сигнал перед передачей может преобразовываться в сигнал, соответствующий протоколу полевой шины. Предпочтительным образом, тем самым сигнал от стандартного ведущего устройства полевой шины или стандартного прибора управления полевой шины может приниматься и оцениваться.

Аналоговый сигнал может, например, иметь величину 4...20 мА.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложено приемопередающее устройство, причем приемопередающее устройство выполнено с возможностью передачи сигнала переключения. Тем самым появляется возможность непосредственно подключать к приемопередающему устройству сенсор или, например, контактный переключатель, такой как датчик системы тревожной сигнализации. Сигнал переключения может преобразовываться в сигнал, совместимый с полевой шиной, и передаваться по каналу передачи радиосигнала.

Согласно другому примеру выполнения заявленного изобретения предложено приемопередающее устройство, причем приемопередающее устройство содержит запоминающее устройство (ЗУ). ЗУ выполнено с возможностью хранения информации протокола полевой шины, и при этом ЗУ выполнено с возможностью выдачи, при необходимости, сохраненной информации. Формат сохраненных данных может соответствовать пакету полевой шины, но также могут сохраняться чистые полезные данные, которые распакованы из пакета полевой шины. Предпочтительным образом так можно выполнять сбор информации от одного или нескольких полевых приборов, которые подключены к приемопередающему устройству, и сохранять в ЗУ.

При приеме запроса информация, сохраненная в ЗУ приемопередающего устройства, например сохраненный сигнал измерения, может предоставляться в распоряжение. Это предоставление может выполняться, например, через радиоинтерфейс приемопередающего устройства посредством радиосвязи. Например, также могут сохраняться сигналы, принятые через радиоинтерфейс.

Многие дальнейшие варианты развития изобретения описаны со ссылкой на систему передачи данных для беспроводной связи. Эти варианты осуществления также относятся к устройству управления, приемопередающему устройству и к способу беспроводной связи в системе передачи данных.

Далее представлены предпочтительные примеры выполнения заявленного изобретения со ссылками на чертежи.

Фиг.1 - блок-схема устройства управления согласно примеру выполнения заявленного изобретения.

Фиг.2 - блок-схема приемопередающего устройства согласно примеру выполнения заявленного изобретения.

Фиг.3 - схематичное представление проводного выполнения шины между устройством управления и полевым прибором.

Фиг.4 - блок-схема устройства беспроводной связи между устройством управления и полевым прибором посредством устройства радиопередачи согласно заявленному изобретению.

Фиг.5 - блок-схема беспроводной связи между устройством управления и двумя полевыми приборами согласно заявленному изобретению.

Фиг.6 - другая блок-схема беспроводной связи между устройством управления и двумя полевыми приборами согласно примеру выполнения заявленного изобретения.

Фиг.7 - блок-схема беспроводной связи между устройством управления и полевым прибором и подключением приборов, не относящихся к стандарту HART®, согласно заявленному изобретению.

Фиг.8 - временная диаграмма запроса-ответа согласно примеру выполнения заявленного изобретения.

Фиг.9 - блок-схема конфигурации для доступа двух ведущих устройств в пределах дальности радиосвязи к полевому прибору согласно примеру выполнения заявленного изобретения.

Фиг.10 - временной режим согласно примеру выполнения заявленного изобретения.

Представления на чертежах являются схематичными и представлены не в масштабе. В последующем описании фиг.1 - фиг.9 одинаковые ссылочные позиции применяются для обозначения одинаковых или соответствующих элементов.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства управления согласно примеру выполнения заявленного изобретения. Показанное на фиг.1 устройство 2 управления содержит устройство 8 преобразования полевой шины и устройство 4 согласования тайм-аута. Устройство 2 управления содержит также блок 10 сигналов управления и полевую шину 6 или интерфейс 6 полевой шины. Блок 10 сигналов управления может быть связан, например, с устройством ввода, через которое устройство 2 управления получает команды для определения измеренных значений.

В блоке 10 сигналов управления входные сигналы или команды, предоставленные, например, через человеко-машинный интерфейс, преобразуются в команды, специфические для полевой шины. Эти команды соответствуют протоколу HART®.

Блок 10 сигналов управления через соединение 12 связан с устройством 8 преобразования полевой шины. Команды, сформированные блоком 10 сигналов управления, в устройстве 8 преобразования полевой шины преобразуются в соответствующие сигналы полевой шины, которые относятся к полевой шине или протоколу HART®. При этом посредством устройства 4 согласования тайм-аута осуществляется настройка режима тайм-аута протокола HART®. Для этого устройство 4 согласования тайм-аута связано с устройством 8 преобразования полевой шины. Устройство 4 согласования тайм-аута может, например, получать информацию о корректном режиме тайм-аута через человеко-машинный интерфейс.

Устройство 4 согласования тайм-аута имеет доступ к регистру, в котором сохранены специфические для протокола данные протокола HART® в устройстве 8 преобразования полевой шины. В устройстве 8 преобразования полевой шины исполняется протокол HART®, который также обращается к измененным значениям таймера или регистра. Поэтому и в устройстве 8 преобразования полевой шины соответствующий сигнал полевой шины или сигнал HART® для выдачи запроса выдается в полевую шину 6. Ведущее устройство 2 или устройство 2 управления может тем самым адресоваться к некоторому полевому устройству, которое находится на полевой шине 6. Ответный сигнал, ожидаемый ведущим устройством 2, распознается устройством 8 преобразования полевой шины. Если он не предоставляется в течение временного интервала, установленного таймером, то отсутствие ответа сообщается более высокой инстанции по протоколу, например блоку 10 сигналов управления.

Устройство 2 управления или ведущее устройство 2 принимают через полевую шину 6 ответные сигналы, которые поступают от полевых приборов. Устройство 8 преобразования полевой шины принимает посредством полевой шины 6 сигналы, соответствующие протоколу HART®, и преобразует их в команды HART®. Команды HART® по соединению 12 передаются в блок 10 сигналов управления для оценки. Например, блок 10 сигналов управления может представлять собой микропроцессор, который управляет устройством 2 управления.

На фиг.2 показана блок-схема приемопередающего устройства согласно примеру выполнения заявленного изобретения. Фиг.2 схематично показывает структуру приемопередающего устройства 14 или радиомодуля 14. Радиомодуль 14 имеет четыре внешних вывода. Внешние выводы представляют собой вывод 40 аналогового сигнала, вывод 38 сигнала управления, вывод 48 сигналов шины HART® или полевой шины и вывод 50 антенны. Посредством двух радиомодулей 14 можно выполнить размыкание и последующее образование шины HART®. К выводу 48 сигналов шины HART® подключена стандартная среда 6 передачи шины HART®, к которой могут подсоединяться как ведущее устройство HART®, устройство оценки или устройство управления, так и любое число ведомых устройств HART®, полевых приборов или сенсоров.

Для упрощения описания принимается, что отдельное ведущее устройство HART® находится подключенным к шине 6 HART®. Ввиду двунаправленной передачи по шине 6 HART®, ведущее устройство HART® может как передавать сигналы протокола HART® или телеграммы HART®, так и принимать их. При передаче ведущее устройство HART® выдает телеграмму HART®, соответствующую протоколу HART®, в шину 6 HART®. Пакет телеграммы поступает на устройство 24 мультиплексирования. Устройство 24 мультиплексирования направляет подлежащую передаче телеграмму HART® по линии 44 передачи на передающее устройство 22.

В передающем устройстве 22 телеграмма HART® упаковывается в радиотелеграмму. При этом, например, добавляются служебные байты для контрольных сумм и выполняются другие релевантные для радиопередачи действия. Также телеграмма HART® согласуется физически с радиопередачей. Передающее устройство 22 направляет подготовленную таким образом радиотелеграмму на устройство 36 светвления-ответвления. Там сигнал подается на антенну 16 через антенный вывод 50. От антенны радиоканал, который содержит радиотелеграмму, распространяется дальше через радиоинтерфейс. В радиотелеграмме содержится упакованная телеграмма HART®.

При приеме антенна 16, которая может эксплуатироваться как внутренним образом, так и внешним образом, принимает радиотелеграмму. Радиотелеграмма передается от антенны 16 через антенный вывод 50 к устройству 36 светвления-ответвления. В устройстве 36 светвления-ответвления она распознается как принятый радиосигнал и поэтому далее направляется на приемное устройство 20. В приемном устройстве 20 радиотелеграмма преобразуется обратно в телеграмму HART®. Для обратного преобразования имеющиеся в необходимом случае служебные байты для соответствующих контрольных сумм, которые использовались для радиопередачи, удаляются.

Приемное устройство 20 распаковывает содержащуюся в радиопакете телеграмму HART® и выдает ее через линию 42 приема на устройство 24 мультиплексирования. Устройство 24 мультиплексирования передает принятую телеграмму HART®в в шину 6 HART® через вывод 48 шины HART®. По шине 6 HART® пакет HART®, соответствующий протоколу HART®, поступает на ведущее устройство HART®. Таким образом, ведущее устройство HART® может, например, принять запрашиваемый ответ от ведомого устройства HART® или полевого прибора.

Также можно, поскольку речь идет о шине 6 стандарта HART®, к выводу 48 шины HART® или к шине 6 HART® подключить ведомое устройство HART® или полевой прибор. Когда антенна 16 принимает радиотелеграмму, радиотелеграмма направляется через вывод 50 антенны на устройство 36 светвления-разветвления. Там принятая радиотелеграмма распознается как принятая радиотелеграмма и направляется на приемное устройство 20.

Приемное устройство 20 распаковывает содержащуюся в радиотелеграмме телеграмму HART® и направляет телеграмму HART® по линии 42 приема на устройство 24 мультиплексирования. Этот процесс происходит прозрачным образом. То есть содержание телеграммы HART® не интерпретируется. Осуществляется только интерпретация уровней протокола, которые требуются для преобразования протокола HART® в протокол радиосвязи или из протокола радиосвязи в протокол HART®.

Данные измерений или другая информация, содержащаяся в телеграмме, которая предназначена для ведущего или ведомого устройства, в передающем или приемном устройстве 22, 20 и, следовательно, в приемопередающем устройстве 14 не оцениваются. Принятая телеграмма HART® направляется далее через устройство 24 мультиплексирования в шину HART®, через шину HART® или вывод 48 полевой шины.

Шина 6 HART® соответствует стандартной шине HART®. То есть радиомодуль или приемопередающее устройство 14 является прозрачным для ведущего устройства HART® или ведомого устройства HART®. Например, в случае принимаемой телеграммы HART® речь может идти о запросе ведущего устройства, направленного к ведомому устройству HART®. Ведомое устройство HART®, полевой прибор или сенсор могут оценивать запрос HART® в соответствии с протоколом HART® и выдавать в шину HART® ответ, например сигнал измерения, в виде телеграммы HART®. Этот ответ поступает через шину 6 стандарта HART® и вывод 48 шины HART® на радиомодуль 14 и от него поступает в устройство 24 мультиплексирования.

Устройство 24 мультиплексирования выдает телеграмму HART® в линию 44 передачи, по которой она поступает в передающее устройство 22. В передающем устройстве 22 ответный сигнал, соответствующий протоколу HART®, преобразуется в радиотелеграмму и через устройство 36 светвления-ответвления и антенну 16 передается по эфиру к удаленному радиомодулю.

Антенна 16 может представлять собой либо стационарно установленную антенну, либо съемную антенну. Она может находиться снаружи или внутри радиомодуля 14. Применение съемной или сменной антенны 16 позволяет использовать особые антенны с особыми характеристиками излучения, которые повышают дальность действия радиосигналов.

Как правило, применяются круговые излучатели или так называемые всенаправленные антенны, которые обеспечивают сферическое распространение радиосигнала. Тем самым, при использовании общепринятых в Европе мощностей передачи в частотном диапазоне 2,4 ГГц достигается дальность действия радиосигналов порядка 500 м. При применении другого частотного диапазона, например 900 МГц, как это допустимо, например, в США, с помощью сферического излучателя можно достичь дальности действия примерно 1600 м. Оба значения относятся к прямой линии визирования, то есть в отсутствие мешающих препятствий. Применение особых секторных или направленных антенн позволяет достичь больших дальностей действия.

На фиг.2 также показан вывод 38 сигнала переключения. Он предусмотрен для того, чтобы иметь возможность подключить простой переключатель непосредственно к радиомодулю, без дополнительного использования ведомого устройства. Переключатель может представлять сбой, например, датчик тревожной сигнализации. Переключатель 32 или сформированный им сигнал переключения через вывод переключения ведет далее к формирователю 28 сигнала переключения. Там сигнал переключения преобразуется в соответствующую телеграмму HART® и может через мультиплексор 24 по вышеописанному радиоканалу предоставляться ведущему устройству HART® для оценки.

Подобным образом используется аналоговый сигнал или датчик 34 аналогового сигнала. Аналоговый сигнал может представлять собой сигнал 34 с уровнем от 4 до 20 мА. Он подается на вывод 40 аналогового сигнала радиомодуля 14. Через этот вывод 40 аналоговый сигнал поступает в преобразователь 26 аналогового сигнала, который оцифровывает аналоговый сигнал и преобразует его в пакет протокола HART®. Как описано выше и аналогично цифровому сигналу переключения, аналоговый сигнал может через радиоканал предоставляться ведущему устройству или устройству управления для оценки.

Радиомодуль 14 может иметь несколько выводов 40 аналогового сигнала или выводов 38 сигнала переключения и соответствующие устройства 28 и 26 преобразования. В радиомодуле 14 также предусмотрено ЗУ 18. ЗУ 18 соединено с устройством 24 мультиплексирования. Посредством ЗУ 18 радиомодуль получает возможность постоянно собирать значения измерений в фоновом режиме. Значения измерений передаются от полевого прибора, подключенного к полевой шине 6, или через вывод 38 сигнала переключения или вывод 40 аналогового сигнала.

Если к шине 6 HART® должны быть подключены несколько полевых приборов, то становится возможным также сбор данных, соответственно, от отдельных датчиков или полевых приборов. Преимущество независимого сбора сигналов измерений в радиомодуле 14 с ЗУ 18 заключается в том, что при запросе другого радиомодуля о предоставлении значения измерения радиомодуль 14 непосредственно отвечает на запрос. То есть радиомодулю 14 не требуется направлять телеграмму HART® через вывод 48 HART® в шину 6 HART® на сенсор или полевой прибор, а вместо этого он может через устройство 24 мультиплексирования обратиться к ЗУ 18, в котором сохранены релевантные значения сенсоров.

Тем самым, радиомодуль может непосредственно отвечать на запрос, при этом нет необходимости выдавать этот запрос в шину HART® в направлении сенсора. Тем самым, характеристики ответа в отношении запроса значений измерений улучшаются. Запрос может выполняться ускоренно и асинхронно, то есть в любые моменты времени.

Микропроцессор 30 управляет преобразованием сигналов переключения и аналоговых сигналов в устройствах 26 и 28 преобразования, а также доступом или распределением информации в ЗУ 18. Микропроцессор 30 управляет процессами передачи и приема, то есть он управляет передающим устройством 22 и приемным устройством 20. Микропроцессор 30 управляет также распределением информации в устройстве 24 мультиплексирования. Для этого микропроцессор 30 соединен с устройствами 26, 28, 24, 18, 20 и 22. Это соединение указано на фиг.2 стрелкой 46.

Запрос сенсора или полевого прибора или запрос в фоновом режиме также управляется микропроцессором 30. Посредством микропроцессора 30 можно также устанавливать частоту запроса или интервал опроса.

На фиг.3 показана проводная связь между известным прибором 54 оценки, ведущим устройством 54 HART® или устройством 54 управления и сенсором 52 или полевым прибором 52 или ведомым устройством 52 HART®. Ведущее устройство 54 HART® связано с ведомым устройством 52 HART® через полевую шину 56. Например, полевая шина 56 может представлять собой экранированный кабель на скрученной паре согласно #18 AWG. AWG - это используемая в США система стандартов маркировки толщины провода. #18 AWG представляет собой кабель с диаметром 1,02 мм. В зависимости от емкости кабеля или числа подключенных приборов, с использованием кабеля #18 AWG для шины 6 HART® может быть реализована длина шины от 700 м до 3000 м.

На фиг.4 показана блок-схема устройства для беспроводной связи между устройством управления и полевым прибором посредством устройства радиопередачи согласно примеру выполнения заявленного изобретения. На фиг.4 показано, каким образом посредством устройства радиопередачи 56 шина 6 HART® между ведущим устройством 54 HART® и ведомым устройством 52 HART® может быть разомкнута и заменена радиосоединением. Устройство 56 радиопередачи включает в себя идентичные радиомодули 14а и 14b. Радиомодуль 14а связан с ведущим устройством 54 HART® посредством шины 6 стандарта HART®. Он находится на стороне устройства управления устройства 56 радиопередачи. Радиомодуль 14b посредством шины 6 стандарта HART® на стороне полевого прибора устройства 56 радиопередачи постоянно соединен с ведомым устройством 52 HART®, например с сенсором 52.

Между обоими радиомодулями 14а и 14b происходит радиопередача по радиоканалу 58. В случае протокола радиосвязи радиоканала 58 речь идет о протоколе HART®, упакованном в телеграмме HART®. Для него применяется наименование HART® over Air (радио-HART®). Протокол радиосвязи HART® over Air обеспечивает возможность двусторонней связи между обоими радиомодулями 14а и 14b. Сенсор 52 вместе с радиомодулем 14b может так же, как ведущее устройство 54 HART® и радиомодуль 14а, быть подвижным. Если радиомодули 14а и 14b находятся на дальности действия радиосвязи, между ними может осуществляться связь. Дальность действия радиосвязи определяется достаточным уровнем сигнала, при котором переданный сигнал все еще может приниматься и оцениваться.

На фиг.5 показана блок-схема беспроводной связи между ведущим устройством 54 HART® и двумя сенсорами 52а и 52b. Связь осуществляется подобно тому, как описано со ссылкой на фиг.4, при этом радиосигнал, принимаемый радиомодулем 14b, выдается в шину 6 HART®. К шине 6 HART® подключены два сенсора 52а и 52b. Оба принимают телеграмму HART®, выделенную радиомодулем 14b из радиотелеграммы.

Согласно стандарту HART® можно эксплуатировать несколько ведомых устройств на одной шине 6 HART®. Соответственно спецификациям HART® возможна адресация сенсоров. Так как радиопередача посредством радиомодулей 14а и 14b и радиоканала 58 является прозрачной для ведущего устройства 54 HART® и сенсоров 52а и 52b, адресация и связь могут осуществляться точно так же, как по шине HART®. Поэтому ведущее устройство 54 может опрашивать соответствующий сенсор.

Фиг.6 иллюстрирует другую возможность соединения двух сенсоров 52с и 52d с ведущим устройством 54 HART® посредством беспроводной связи. Эфир заменяет функцию физической шины, то есть совместно используемой среды передачи. Поэтому все радиомодули, которые располагаются в пределах дальности действия радиосигнала между двумя радиомодулями, могут рассматриваться как относящиеся к одной шине.

На фиг.6 радиомодули 14а, 14b и 14с находятся на дальности действия радиосвязи. То есть они все воспринимают радиосигнал 58, переданный одним радиомодулем. Например, радиомодуль 14а передает запрос ведущего устройства 54 по радиоканалу 58. Радиотелеграмма принимается как радиомодулем 14а, так и радиомодулем 14с. Оба радиомодуля выдают выделенную радиотелеграмму HART® на соответственно подключенную к ним шину 6 HART®, к которой подключены, соответственно, сенсоры 52с и 52d. Этот вариант подключения сопоставим с подключением нескольких сенсоров к одной физической шине HART®. Посредством адресации, соответствующей стандарту HART®, может выбираться желательный полевой прибор 52с, 52d. Только соответственно адресованный полевой прибор выдает ответный сигнал ведущему устройству 54.

На фиг.7 показана блок-схема беспроводной связи между устройством управления и полевым прибором и выводом приборов, не относящихся к стандарту HART®, согласно заявленному изобретению. Фиг.7 иллюстрирует беспроводную связь между ведущим устройством 54 HART® и ведомым устройством 52 HART®. Для этого шина 6 HART® разомкнута и заменена на радиомодули 14а и 14d и радиоканал 58. Радиомодуль 14d имеет дополнительные выводы 60. Эти дополнительные выводы 60 могут служить для непосредственной подачи аналоговых сигналов, в частности сигналов 4...20 мА, или цифровых сигналов, или сигналов переключения. Таким образом, еще имеется возможность наряду с выводом 6 HART® подключить другие сенсоры к выводам 60, которые работают не в соответствии со стандартом HART®. Эти выводы предоставляются, например, для сигналов 4...20 мА или для простого переключателя. Вследствие передачи сигналов через радиоинтерфейс аналоговые сигналы еще должны, в случае необходимости, оцифровываться и приводиться в соответствие со стандартом HART®.

На фиг.8 показана временная диаграмма запроса-ответа согласно примеру выполнения заявленного изобретения. Фиг.8 показывает, каким образом на основе структуры радиомодулей получаются дополнительные задержки во временных характеристиках для запроса 62а или ответа 70а в соответствии с протоколом HART®. Временная диаграмма 64 показывает временные характеристики пакета 62 запроса HART® в месте радиомодуля 14, который связан с ведущим устройством. Пакет 62а запроса выдается ведущим устройством в шину HART® и поступает в радиомодуль 14, связанный с ведущим устройством HART®. Пакет 62а запроса упаковывается радиомодулем 14 в соответствующую телеграмму протокола радиосвязи. Например, запрос 62а большего объема может быть разделен в радиоканале на меньшие радиотелеграммы 62b. За счет разложения или упаковки возникают дополнительные времена задержки. Из-за этого возникает замедление.

Временной луч 66 показывает пакет запроса HART®, упакованный в протокол радиосвязи в радиоканале 58. Пакеты 62b радиосвязи распространяются через радиоинтерфейс к радиомодулю приемника, которым они снова преобразуются в пакеты HART®.

Временной луч 68 показывает пакет 62с запроса HART®, который радиомодулем приемника преобразуется обратно из радиопакетов 62b. Принятый пакет 62с HART® соответствует пакету 62а запроса, посланному устройством оценки или ведущим устройством HART®. За счет обратного преобразования радиопакетов 62b в пакет 62с запроса возникает дополнительная задержка.

По сравнению с сигналом запроса, распространяющимся по шине стандарта HART®, возникает увеличенное время распространения из-за разложения, упаковки и, соответственно, распаковки и компоновки. Пакет 62с запроса поступает в сенсор. Пакет 62с запроса оценивается сенсором, и сенсор отвечает пакетом 70а ответа в соответствии со спецификацией HART®. Пакет 70а ответа HART® также представлен на временном луче 68. Он поступает в радиомодуль, подключенный к полевому прибору, и также преобразуется в радиотелеграмму 70b, совместимую с радиопередачей, и передается через радиоинтерфейс.

При преобразовании вновь происходит увеличение времени задержки. После передачи через радиоинтерфейс радиотелеграмма 70b поступает в радиомодуль на стороне ведущего устройства и преобразуется им вновь в соответствующий пакет 70с HART®. Пакеты 70а и 70с ответа HART® идентичны. Между ними имеется только временное различие, которое возникает ввиду времен задержки и времен распространения сигнала.

Ввиду дополнительных времен распространения из-за упаковки и распаковки пакета 62а запроса и пакета 70а ответа на временном луче 64 с точки зрения ведущего устройства возникает временной интервал между сигналом 62а и 70с запроса. Согласно спецификации HART® сигнал ответа ведомого устройства на запрос ведущего устройства должен возникать в течение 256 мс. Так как из-за удвоенного расстояния радиосвязи возникает дополнительное время задержки, устройство оценки не может рассчитывать на ответ в течение времени, требуемого спецификацией. Поэтому устройство оценки или ведущее устройство HART® должно иметь характеристики тайм-аута, согласованные с технологией радиосвязи. Например, время установки таймера, в течение которого должен появляться сигнал ответа, должно быть увеличено до значения более чем 256 мс.

Посредством временной стрелки 72 на фиг.8 показано текущее время. Три временных луча 64, 66 и 68 обозначают при этом различные географические местоположения.

Фиг.9 иллюстрирует работу двух ведущих устройств 54а и 54b и ведомого устройства 52е в соединении с соответствующими изобретению радиомодулями 14а, 14е и 14f при беспроводной связи. Для упрощения в связи с описанием дальности действия радиосвязи ведущие устройства 54а и 54b и ведомое устройство 52е упоминаются в том же смысле, что и упоминавшиеся ранее соответственно подключенные радиомодули 14а, 14b и 14f.

Спецификация HART® обеспечивает возможность попеременного доступа двух ведущих устройств к шине 6 HART® посредством правил, которые устанавливают временной доступ ведущих устройств 54а и 54b к шине 6. После ответа на собственный запрос ведущее устройство 54а может самое раннее спустя 75 мс сформировать новый запрос. После ответа на чужой запрос это возможно, однако, уже спустя интервал времени от 20 мс до 75 мс. Тем самым гарантируется, что два ведущих устройства 54а и 54b всегда приводятся в действие попеременно. То есть за счет временного режима регулируется доступ к шине.

При замене или разъединении шины стандарта HART® с использованием радиопередающих модулей 14а, 14b и 14f может иметь место то, что два ведущих устройства 54а и 54b и, соответственно, радиомодули 14а и 14f не находятся в пределах дальности действия радиосвязи. Эта ситуация представлена на фиг.9. Дальность действия радиосвязи, наряду с другими параметрами, определяется характеристиками затухания среды, частотой или мощностью передачи или чувствительностью радиомодулей 14а, 14b и 14f и добротностью или усилением антенн. На фиг.9 дальности действия радиосвязи между двумя радиомодулями определены как радиус круга 76. То есть радиосигнал, после того как он пройдет расстояние 76, больше не может быть принят.

Согласно фиг.9, ведомое устройство 52е находится вместе с радиомодулем 14е в средней точке круга с окружностью 75. На окружности 74 находятся радиомодуль 14а с ведущим устройством 54а и радиомодуль 14f с ведущим устройством 54b. Ведомое устройство 52е с радиомодулем 14е находится точно посредине между обоими ведущими устройствами и, соответственно, их радиомодулями 14а, 54а и 14f, 54b. Расстояние между обоими задающими устройствами и, соответственно, их радиомодулями составляет, таким образом, удвоенную дальность действия радиосвязи. В этом случае каждое задающее устройство или его радиомодуль 14а, 14f имеет контакт с ведомым устройством 52е или его радиомодулем 14е.

Однако два ведущих устройства сами находятся вне их дальности действия радиосвязи. Это означает, что сигнал, посланный радиомодулем 14а, не имеет достаточно энергии, чтобы достичь радиомодуля 14f. Оба ведущих устройства или радиомодуля 14а и 14f не видят друг друга. В общем случае, они воспринимают сигналы, посланные ведомым устройством 52е или радиомодулем 14е.

На фиг.10 представлены соответствующие временные характеристики. На фиг.10 имеются шесть временных лучей 78, 80, 82, 84, 86 и 88. Временная стрелка 104 указывает направление текущего времени.

Временные лучи 78, 80, 82, 84, 86 и 88 соответствуют местоположениям компонентов, показанных на фиг.9. Временной луч 78 соответствует временным характеристикам для ведущего устройства 54а. Временной луч 80 соответствует временным характеристикам для радиомодуля 14а. Временной луч 82 соответствует временным характеристикам для радиомодуля 14е. Временной луч 84 соответствует временным характеристикам для ведомого устройства 52е. Временной луч 86 соответствует временным характеристикам для радиомодуля 14f. Временной луч 88 соответствует временным характеристикам для ведущего устройства 54b.

В совокупности компонентов, иллюстрируемой на фиг.10, посылает, например, ведущее устройство 54а запрос или соответствующую телеграмму 90а запроса согласно стандарту HART® в шину 6. Этот пакет 90а запроса поступает по шине 6 к радиомодулю 14а. Там он преобразуется в радиотелеграмму 90b и передается по радиоканалу 58а. Радиомодуль 14е принимает посланную таким образом радиотелеграмму 90b в виде радиотелеграммы 90с, преобразует ее в телеграмму 90d запроса HART® и выдает в ведомое устройство 52е.

Ведомое устройство 52е оценивает принятый сигнал 90d запроса согласно протоколу HART® и выдает соответствующий сигнал ответа или телеграмму 92а ответа. Эта телеграмма HART® передается далее на радиомодуль 14е. Радиомодуль 14е преобразует сигнал 92а ответа в радиотелеграмму 92b. Радиомодуль 14е передает радиотелеграмму 92b. Ввиду применяемой характеристики всенаправленности антенны, радиотелеграмма 92b распространяется на дальность действия, определяемую радиусом 76, во все направления в форме круга вокруг радиомодуля 14е.

Радиотелеграмма 92b достигает радиомодуля 14а как радиотелеграмма 92с и преобразуется радиомодулем 14а с учетом времени упаковки и распаковки в телеграмму 92d ответа HART®, которая предоставляется ведущему устройству 54а. Ввиду всенаправленного характера распространения радиосигнала 92b, сигнал 92b поступает в виде сигнальной телеграммы 92е в радиомодуль 14f. Последний преобразует радиотелеграмму 92е в телеграмму 92f ответа HART® и направляет ее по подключенной шине 6 HART® к ведущему устройству 54b.

Ведущее устройство 54b распознает, что речь идет об ответном сигнале, предназначенном для ведущего устройства 54а. Речь также идет о чужом сигнале ответа с точки зрения ведущего устройства 54b. Ведущее устройство 54b получает ответ или телеграмму 92f ответа, хотя запрос 90а или сигнал 90b запроса для него самого был не воспринимаемым. Радиомодуль 14f находится вне дальности действия радиосвязи радиомодуля 14а. После приема чужого ответа 92f ведущее устройство 54b может в соответствии с протоколом HART® во временном интервале от 20 мс до 75 мс инициировать собственный запрос.

Пакет 92d ответа или сигнал 92d ответа является для ведущего устройства 54а ответом на его собственный запрос, в данном случае на пакет 90а запроса. После приема пакета 92d ответа ведущее устройство 54а должно ожидать в течение некоторого времени ожидания, прежде чем оно сможет сформировать новый запрос. За счет этой вынужденной паузы обеспечивается то, что совместно используемая среда передачи, то есть шина или среда радиопередачи может использоваться равноправным образом ведущими устройствами 54а и 54b.

Время ожидания после приема собственного ответа выбирается таким образом, что оно больше, чем время, которое потребовалось бы для ответа на запрос от ведущего устройства 54b вплоть до выдачи этого запроса в ведущее устройство 54а. При этом учитываются все времена упаковки, распаковки и иные времена задержки или времена распространения сигнала. Это время задержки составляет более 75 мс. Например, время задержки между приемом ответа на собственный запрос и повторной передачей запроса 94а составляет более 500 мс. При достаточно быстродействующей системе радиосвязи такое время ожидания может быть менее 500 мс. После времени ожидания 500 мс ведущим устройством 54а может формироваться новый запрос. Пакет 94а запроса отсылается вышеописанным образом и обуславливает получение сигнала 96d или 96f ответа.

Если ведущее устройство 54b должно направить запрос на ведомое устройство 52е, оно может в течение временного интервала от 20 мс до 75 мс после приема чужого сигнала ответа сформировать запрос. Согласно фиг.10, ведущее устройство 54b принимает чужой сигнал 98f ответа. Это сигнал ответа ведомого устройства 52е на запрос ведущего устройства 54а. В течение временного интервала от 20 до 75 мс ведущее устройство 54b может направить свой сигнал 100а запроса, соответствующий протоколу HART®, на ведомое устройство 52b.

Пакет 100а HART® предоставляется по шине 6 HART® радиомодулю 14f для передачи. Радиомодуль 14f упаковывает телеграмму 100а запроса и посылает радиопакет 100b. В качестве радиопакета 100d он принимается радиомодулем 14е, распаковыватся и предоставляется ведомому устройству 52е как пакет 100с запроса HART®.

Ведомое устройство 52е оценивает запрос 100с и формирует пакет 102а ответа. Посредством радиомодуля 14е пакет 102а ответа упаковывается в радиопакет 102d и благодаря всенаправленной характеристике антенны радиомодуля 14е посылается во всех направлениях. Он поступает в виде радиопакета 102b в радиомодуль 14f, который из радиопакета 102b формирует пакет 102с ответа HART®.

Посредством шины 6 HART® радиомодуль 14f предоставляет пакет 102с ответа ведущему устройству 54b. Пакет 102с ответа является ответом на собственный запрос 100а ведущего устройства 54b. В качестве пакета 102f ответа этот ответ для ведущего устройства 54b также поступает в ведущее устройство 54а. Однако последний распознает пакет 102f ответа как ответ на чужой запрос.

За счет специального хронирования в устройстве 54 оценивания или ведущем устройстве 54 HART® обеспечивается возможность беспроводной связи с приборами HART® или полевыми приборами или ведомыми устройствами 52 HART®, которые работают согласно имеющейся спецификации HART®.

Дополнительно следует указать, что использование термина «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов и что указание их в единственном числе не исключает множественного числа. Кроме того, следует указать, что признаки или этапы, которые описаны со ссылками на одни из вышеприведенных примеров выполнения, также могут применяться в комбинации с другими признаками или этапами других вышеописанных примеров выполнения. Ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не следует рассматривать в ограничительном смысле.

Заявленное изобретение относится к системе передачи данных для беспроводной связи устройства управления с полевым прибором и устройством радиопередачи. Связь между устройством управления и устройством радиопередачи осуществляется по протоколу полевой шины. Также связь полевого прибора с устройством радиопередачи осуществляется по протоколу полевой шины. Устройство радиопередачи выполнено с возможностью передачи протокола полевой шины посредством протокола радиосвязи. Техническим решением является создание простой системы передачи данных для осуществления беспроводной связи. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система передачи данных для беспроводной связи, содержащая
устройство (2) управления;
полевой прибор (52),
устройство (56) радиопередачи;
при этом устройство (2) управления выполнено с возможностью связи с устройством (56) радиопередачи по протоколу полевой шины;
полевой прибор (52) выполнен с возможностью связи с устройством (56) радиопередачи по протоколу полевой шины;
устройство (56) радиопередачи выполнено с возможностью передачи протокола полевой шины посредством протокола радиосвязи;
при этом устройство (2) управления выполнено с возможностью согласования временного режима протокола полевой шины с передачей радиосигнала.

2. Система передачи данных по п.1, в которой протокол полевой шины представляет собой протокол, выбранный из группы протоколов полевой шины HART®, Profibus или Fieldbus Foundation.

3. Система передачи данных по п.2, в которой режим таймаута протокола HART® в устройстве (2) управления согласован с передачей радиосигнала.

4. Система передачи данных по любому из пп.1-3, в которой протокол радиосвязи выбран из группы протоколов радиосвязи WLAN, Bluetooth и Zigbee.

5. Система передачи данных по п.1, в которой устройство (56) радиопередачи выполнено с возможностью передачи аналогового сигнала на устройство (2) управления.

6. Система передачи данных по п.5, в которой аналоговый сигнал представляет собой сигнал уровня 4…20 мА.

7. Система передачи данных по п.1, в которой устройство (56) радиопередачи выполнено с возможностью передачи сигнала переключения на устройство (2) управления.

8. Система передачи данных по п.1, в которой устройство радиопередачи дополнительно содержит
запоминающее устройство (18),
причем запоминающее устройство (18) выполнено с возможностью сохранения информации, предоставляемой полевым прибором (52); и
запоминающее устройство (18) выполнено с возможностью, при необходимости, предоставления сохраненной информации в устройство (2) управления.

9. Система передачи данных по п.1, в которой устройство (2) управления выполнено как ведущее устройство протокола HART®.

10. Система передачи данных по п.1, в которой полевой прибор (52) выполнен как ведомое устройство протокола HART®.

11. Система передачи данных по п.1, в которой полевой прибор (52) выполнен как датчик, выбранный из группы датчика уровня, датчика давления или датчика граничного уровня.

12. Система передачи данных по п.1, в которой устройство (2) управления выполнено с возможностью формирования нового запроса после ответа на собственный запрос, по меньшей мере, спустя 75 мс.

13. Система передачи данных по п.1, в которой устройство (2) управления выполнено с возможностью формирования нового запроса после ответа на чужой запрос на интервале времени от 20 до 75 мс.

14. Устройство управления для беспроводной связи с полевым прибором, содержащее
устройство (8) преобразования полевой шины;
устройство (4) согласования таймаута;
при этом устройство (8) преобразования полевой шины выполнено с возможностью преобразования согласно протоколу полевой шины сигнала управления в сигнал полевой шины; и
устройство (4) согласования таймаута выполнено с возможностью согласования временного режима протокола полевой шины с передачей радиосигнала.

15. Устройство управления по п.14, в котором устройство (8) преобразования полевой шины выполнено с возможностью предоставления сигнала полевой шины согласно спецификации, выбранной из группы спецификаций HART®, Profibus или Fieldbus Foundation.

16. Устройство управления по п.14, причем устройство (2) управления выполнено в виде ведущего устройства HART®.

17. Устройство управления по п.14, причем устройство (2) управления выполнено с возможностью формирования нового запроса после ответа на собственный запрос, по меньшей мере, спустя 75 мс.

18. Устройство управления по п.14, причем устройство (2) управления выполнено с возможностью формирования нового запроса после ответа на чужой запрос на интервале времени от 20 до 75 мс.

19. Приемопередающее устройство, содержащее
передающее устройство (22);
приемное устройство (20);
запоминающее устройство (18);
при этом передающее устройство (22) выполнено с возможностью преобразования протокола полевой шины в протокол радиосвязи и передачи; и
приемное устройство (20) выполнено с возможностью преобразования протокола радиосвязи в протокол полевой шины и приема;
причем запоминающее устройство (18) выполнено с возможностью сохранения информации протокола полевой шины; и
запоминающее устройство (18) выполнено с возможностью, при необходимости, предоставления сохраненной информации.

20. Приемопередающее устройство по п.19, в котором протокол полевой шины представляет собой протокол, выбранный из группы протоколов полевой шины HART®, Profibus или Fieldbus Foundation.

21. Приемопередающее устройство по п.19, в котором протокол радиосвязи представляет собой протокол, выбранный из группы протоколов радиосвязи WLAN, Bluetooth и Zigbee.

22. Приемопередающее устройство по п.19, причем приемопередающее устройство (14) выполнено с возможностью передачи аналогового сигнала.

23. Приемопередающее устройство по п.22, в котором аналоговый сигнал представляет собой сигнал уровня 4…20 мА.

24. Приемопередающее устройство по п.19, причем приемопередающее устройство (14) выполнено с возможностью передачи сигнала переключения.

25. Способ беспроводной связи в системе передачи данных, причем система передачи данных содержит
устройство (2) управления;
полевой прибор (52);
устройство (56) радиопередачи;
при этом способ содержит следующие этапы:
согласования режима таймаута устройства (2) управления с передачей радиосигнала;
осуществление связи устройства (2) управления с устройством (56) радиопередачи посредством протокола полевой шины;
передача протокола полевой шины посредством протокола радиосвязи;
осуществление связи устройства радиопередачи с полевым прибором (52) посредством протокола полевой шины.

26. Способ по п.25, дополнительно содержащий этап ожидания устройством (2) управления для отсылки нового запроса после приема ответа на собственный запрос, по меньшей мере, 75 мс.

27. Способ по п.25 или 26, дополнительно содержащий этап отсылки нового запроса устройства (2) управления после приема ответа на чужой запрос во временном интервале от 20 до 75 мс.