ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО С ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ ЧЕРЕЗ ETHERNET Российский патент 2011 года по МПК G05B19/42 

Область техники

Настоящее изобретение относится к эксплуатационным устройствам с электропитанием через Ethernet.

Предшествующий уровень техники

Системы мониторинга и системы управления процессами, например химическими процессами, процессами нефтепереработки или другими типами промышленных процессов, обычно включают в себя централизованную систему мониторинга и управления, подключенную с возможностью передачи данных к рабочей станции оператора или пользователя и к одному или нескольким эксплуатационным устройствам по аналоговым или цифровым каналам связи. Эксплуатационные устройства могут быть датчиками, предназначенными для мониторинга параметров процесса (например, температуры, давления, расхода и пр.) и/или преобразователями, предназначенными для осуществления операций над промышленными процессами (например, открытия и закрытия клапанов и т.д.).

В общем случае централизованная система мониторинга и управления принимает сигналы, выражающие результаты технологических измерений, выполненных эксплуатационными устройствами и/или другую информацию, относящуюся к эксплуатационным устройствам, через устройство или модуль ввода/вывода (I/O), которое может быть аналоговым или цифровым. Системы мониторинга принимают сигналы результатов технологических измерений и отслеживают различные аспекты процесса на основании принятых сигналов. Системы мониторинга могут сравнивать измеренные данные процесса с заранее определенными предельными значениями и инициировать действие (например, генерацию сигнала тревоги) в случае превышения предела.

Контроллер процесса, входящий в систему мониторинга и управления, может использовать измерения и другую информацию для мониторинга процесса и для реализации процедуры управления. Контроллер процесса может генерировать сигналы управления, которые могут передаваться по шинам, или другим линиям, или каналам связи через аналоговое или цифровое устройство I/O на эксплуатационные устройства для управления работой конкретного процесса.

Разработаны различные традиционные протоколы связи, позволяющие контроллерам и эксплуатационным устройствам от разных производителей обмениваться данными. Различные протоколы связи включают в себя, например, протоколы HART®, PROFIBUS®, интерфейс «исполнительное устройство/датчик» ("AS-Интерфейс"), WORLDFIP®, Device-Net®, CAN и FIELDBUS от FOUNDATION™ (далее "fieldbus"). Некоторые из этих протоколов способны обеспечивать все необходимое для работы питания присоединенным эксплуатационным устройствам.

Недавно появился новый протокол связи (IEEE 802.3af), относящийся к доставке мощности к распределенным системам. В частности, стандарт предусматривает доставку мощности по существующим кабелям Ethernet с помощью неиспользуемых пар (или пар сигнализации) проводов в кабеле. Эта доставка электрической мощности по кабелям Ethernet называется "Power over Ethernet" (PoE). Стандарт IEEE позволяет подавать питание 48 В и 350 мА по тем же кабелям Ethernet (обычно это кабели CAT5E), по которым осуществляется связь по сетям Ethernet.

Отсюда вытекает насущная необходимость в эксплуатационных устройствах, которые могут добавить преимущества появившимся способам доставки мощности и существующим кабелям для подключения новых эксплуатационных устройств к системам мониторинга и управления процессом.

Сущность изобретения

Согласно изобретению предложено эксплуатационное устройство, которое осуществляет связь согласно каналам связи Ethernet. Эксплуатационное устройство получает питание путем соединения с Ethernet. Эксплуатационное устройство, предпочтительно, содержит функциональную плату, которая включает в себя сетевое соединение Ethernet и соединение с эксплуатационным устройством. Функциональная плата способна обеспечивать питание эксплуатационного устройства посредством мощности, поступающей через сетевое соединение Ethernet. Функциональная плата взаимодействует с эксплуатационным устройством с использованием стандартного промышленного протокола технологической связи. Предложен также способ эксплуатации эксплуатационного устройства.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает блок-схему системы управления или мониторинга процесса, которую наиболее предпочтительно использовать с вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 - упрощенную схему передатчика давления частично в разобранном виде согласно изобретению;

Фиг.3 - упрощенную схему передатчика давления частично в разобранном виде согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 - блок-схему функциональной платы, используемой в эксплуатационном устройстве, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 показана упрощенная блок-схема системы 100 управления или мониторинга процесса, содержащей совокупность эксплуатационных (полевых) устройств 108A-110N, причем можно использовать любое количество эксплуатационных устройств.

Технологическая сеть 106 содержит систему 118 управления или мониторинга с интерфейсом 120 оператора (например, рабочей станцией (пультом управления) или компьютером пользователя), который может быть подключен через инжектор «Power over Ethernet» (инжектор POE) 122 посредством кабелей Ethernet 124 к одному или нескольким эксплуатационным устройствам 108A-110N. Инжектор POE 122 получает мощность от источника питания 123 и подает напряжение на одну или несколько неиспользуемых пар проводов в кабелях Ethernet 124. Альтернативно инжектор POE 122 может подавать напряжение на те же пары проводов, по которым передается сигнал Ethernet. Кроме того, инжектор 122 может подавать напряжение на одну или несколько неиспользуемых пар, а также на одну или несколько пар передачи данных.

Каждое эксплуатационное устройство 108A-110N, предпочтительно, может получать питание от напряжения в кабелях Ethernet 124. Мощность можно доставлять по тому же кабелю 124, по которому осуществляется связь по сети Ethernet. Кабели Ethernet 124 могут представлять собой, например, кабель CAT5E.

В одном варианте осуществления для обеспечения питания нескольких эксплуатационных устройств можно использовать 24-вольтовый источник питания. Стандарт Power over Ethernet (IEEE 802.3af) допускает осуществление питания по кабелям Ethernet 124 до 48 В и 350 мА. В зависимости от архитектуры питания, длин кабелей, требований к питанию эксплуатационного устройства, внутренних требований безопасности и пр. стандарт PoE позволяет работать с несколькими эксплуатационными устройствами. Кабели Ethernet 124 обычно обеспечивают подачу напряжения 48 В и тока 350 мА на присоединенные эксплуатационные устройства. С уменьшением мощности эксплуатационных устройств количество эксплуатационных устройств можно дополнительно увеличить. Таким образом, по одному и тому же кабелю можно передавать большое количество технологических переменных и доставлять электропитание.

Благодаря подаче мощности по кабелю Ethernet 124, одну пару проводов (например, силовую проводку) можно упразднить, что позволяет упростить монтаж. Во многих вариантах монтажа уже предусмотрены порты и кабели Ethernet, что позволяет легко устанавливать оборудование. Дополнительно новейшие стандарты PoE, в недалеком будущем, возможно, позволят доставлять более высокое напряжение и/или более сильный ток, что позволит обеспечивать питание для большего количества сегментов или сетей и большего количества эксплуатационных устройств.

В общем случае использование протоколов связи типа Ethernet позволяет осуществлять доступ к функциям управления и/или мониторинга, например, через интерфейс, написанный на языке гипертекстовой разметки (веб-страницу), с использованием стандартного интернет-браузера. В этом примере доступ к эксплуатационным устройствам можно осуществлять с помощью любых средств адресации, в том числе адресации по протоколу управления передачей/интернет-протоколу (TCP/IP), адресации управления доступом к среде (MAC), адресации сетевого уровня или любых других средств электронной адресации, поддерживаемых, например, интернет-браузером. Эксплуатационные устройства могут действовать под управлением программного обеспечения веб-сервера и иметь уникальный сетевой адрес. Каждое эксплуатационное устройство можно настраивать по кабелям Ethernet 124 с использованием, например, программного обеспечения веб-браузера, установленного на любом персональном компьютере, например компьютере интерфейса 120 оператора.

MAC-адрес, например, традиционно имеет вид 48-разрядного двоичного числа (или 64-разрядного двоичного числа), уникального для каждой карты сетевого интерфейса (NIC), используемой в локальной сети (LAN). MAC-адрес содержит два разных идентификатора (ID). Первый идентификатор представляет собой уникальный 24-разрядный ID производителя, а второй идентификатор представляет собой 24-разрядный (или 40-разрядный) ID расширения (или ID платы), назначенный производителем. ID платы идентифицирует конкретную NIC, предназначенную для данного устройства. В пакете LAN, передаваемом по сети, MAC-имена пункта назначения и источника содержатся в заголовке и используются сетевыми устройствами для фильтрации и пересылки пакетов.

Пакеты Ethernet представляют собой блоки данных переменной длины, в которых можно передавать информацию по сети Ethernet. Каждый пакет Ethernet включает в себя преамбулу синхронизации, адрес пункта назначения (TCP/IP, MAC, сетевого уровня и пр.), адрес источника, поле, содержащее индикатор кода типа, поле данных, которое варьируется от 46 до 1500 байтов, и поле циклического избыточного контроля, которое обеспечивает значение для подтверждения точности данных. В одном варианте осуществления адрес пункта назначения представляет собой адрес конкретного устройства, соответствующий конкретному модулю 102 интерфейса. В альтернативном варианте осуществления поле данных содержит адрес конкретного эксплуатационного устройства.

Независимо от используемого протокола адресации различные эксплуатационные устройства 108A-110N способны передавать и принимать информацию в виде пакетов по тем же кабелям Ethernet 124, через которые они получают питание. Сигналы управления, сигналы измерения и пр. можно упаковывать в поле данных кадра Ethernet, например, для передачи по сети.

На фиг.2 показан упрощенный вид передатчика 214 давления, который является одним примером эксплуатационного устройства. Другие примеры эксплуатационных устройств включают в себя клапаны, исполнительные механизмы, контроллеры, модули аварийной сигнализации, диагностические устройства и т.д. Многие эксплуатационные устройства включают в себя, или подключены к, преобразователю, который взаимодействует с процессом. Преобразователь может представлять собой датчик, воспринимающий параметр процесса, или контроллер, или электромагнитный привод клапана для осуществления некоторого изменения в протекании процесса.

Передатчик 214 давления подключен к двухпроводной линии 216 контроля процесса и включает в себя корпус 262 передатчика. Корпус 262 имеет торцевые крышки 270 и 272, которые можно ввинчивать в корпус 262. После присоединения торцевые крышки 270 и 272 обеспечивают, по существу, безопасную изоляцию электронных схем внутри передатчика 260.

Линия 216 контроля процесса подключена к контактам 256, смонтированным на контактной колодке 258. Датчик 264 давления, который является примером преобразователя, может подключаться к технологическим трубопроводам для измерения перепада давления, имеющего место в технологической жидкости. Выходной сигнал датчика 264 поступает на измерительную схему 266, подключенную к схеме 268 эксплуатационного устройства. Схема 268 эксплуатационного устройства предназначена для осуществления связи с измерительной схемой 266 для определения значения технологической переменной, воспринимаемой датчиком 264, и для передачи значения по технологической линии 216 связи.

Функциональная плата 222 подключена к схеме 268 эксплуатационного устройства и может быть, в ряде вариантов осуществления, подключена к линии 216 контроля процесса. Функциональная плата представляет собой любую схему, модуль или группу компонентов, способную подключаться к интерфейсу и обеспечивать функциональную особенность. Функциональные платы для эксплуатационных устройств, как известно, обеспечивают беспроводную связь, а также локальные интерфейсы оператора. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения функциональная плата 222 способна работать согласно протоколу PoE и обеспечивать взаимодействие с эксплуатационным устройством 214 по линии связи PoE. Варианты осуществления настоящего изобретения также можно осуществлять на практике с использованием интегральной схемы PoE, но применение функциональной платы имеет то преимущество, что позволяет обеспечивать уже установленные известные эксплуатационные устройства новыми возможностями связи.

На фиг.3 показан упрощенный вид передатчика 314 давления, который является другим примером эксплуатационного устройства. Передатчик 314 аналогичен передатчику 214. В отличие от передатчика 214, передатчик 314 не подключен напрямую к технологической линии связи. Вместо этого функциональная плата 222 оперативно подключает передатчик 314 к сетевому соединению PoE 124. В зависимости от конфигурации функциональной платы 222 питание передатчика 314 может полностью обеспечиваться за счет энергии, поступающей от функциональной платы 222 по сетевому соединению PoE 124. Кроме того, связь между функциональной платой 222 и схемой 268 эксплуатационного устройства может осуществляться согласно любому пригодному протоколу технологической связи, в том числе, без ограничения, HART®, PROFIBUS®, интерфейс «исполнительное устройство/датчик» ("AS-Интерфейс"), WORLDFIP®, Device-Net®, FIELDBUS от FOUNDATION™ и «локальная сеть контроллеров» (CAN). Таким образом, эксплуатационные устройства, которые, сами по себе, не приспособлены для связи согласно протоколу PoE, могут осуществлять связь по своему «родному» протоколу с функциональной платой 222, которая может транслировать, или иначе адаптировать, такую связь к передаче по сети PoE 124.

На фиг.4 показана блок-схема функциональной платы, которую можно использовать в эксплуатационном устройстве согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Функциональная плата 222 включает в себя соединитель Ethernet 400, который способен подключаться к сети Ethernet согласно стандарту PoE. Предпочтительно, соединитель 400 имеет вид известного соединителя RJ-45, но может принимать другие подходящие формы для облегчения использования в промышленных условиях. Примеры адаптаций соединителя 400 включают в себя выбор материала, размер соединителя, механизмы фиксации или защелки, или другие подходящие критерии. Соединитель 400 подключен к модулю 402 физического уровня Ethernet, модулю 404 питания PoE. Физические уровни или ядра Ethernet известны и обеспечивают взаимодействие посредством сигналов низкого уровня в средах Ethernet. Модуль 404 питания подключен к соединителю 400, что позволяет функциональной плате 222 принимать электрическую мощность из соединения Ethernet согласно стандарту PoE. При этом модуль питания, в случае необходимости, может потреблять до 350 мА при напряжении 48 В. Модуль 404 питания подключен к модулю 402 физического уровня Ethernet, контроллеру 406 и модулю 408 интерфейса ввода/вывода эксплуатационного устройства для обеспечения необходимого питания этим компонентам.

Контроллер 406, предпочтительно, является микропроцессором и может включать в себя память, например постоянную память (ПЗУ), оперативную память (ОЗУ). Дополнительно функциональная плата 222 может включать в себя дополнительную память (показанную пунктиром в позиции 410), подключенную к контроллеру 406. Дополнительная память может помогать контроллеру 406 осуществлять более сложные функции. Например, контроллер 406 может выполнять команды, хранящиеся в ней или в памяти 410, для осуществления любой из следующих функций: веб-сервера; ftp-сервера; сервера secure shell (ssh). Кроме того, контроллер 406 и память 410 могут даже содержать встроенный информационный сервер, на котором может работать операционная система. Это может быть система, продаваемая, например, под торговой маркой Etherstix фирмы Gumstix Inc, Портола Вэли, Калифорния. Дополнительную информацию можно найти на сайте www.gumstix.com. Дополнительно память 410 можно использовать для хранения информации о ряде коммерчески доступных эксплуатационных устройств, в результате чего, когда функциональная плата 222, в конце концов, подключена к конкретному эксплуатационному устройству, функциональной плате можно просто сообщать, к какому конкретному эксплуатационному устройству она подключена, после чего она обращается к дополнительной информации, относящейся к этому конкретному устройству, которая хранится в памяти 410, чтобы определить, как взаимодействовать с эксплуатационным устройством. Режим, согласно которому функциональную плату 222 информируют об эксплуатационном устройстве, может принимать любую подходящую форму, включая установку перемычек на функциональной плате 222, подачу команд функциональной плате 222 через сеть Ethernet; и/или доступ к рудиментарному интерфейсу оператора (не показан) на функциональной плате 222.

Контроллер 406 подключен к модулю интерфейса ввода/вывода эксплуатационного устройства 408, который подключен к соединителю 412 эксплуатационного устройства. Соединитель 412 выполнен таким образом, что может физически подключаться к эксплуатационному устройству наподобие известных функциональных плат, подключаемых в настоящее время к эксплуатационным устройствам. Однако на практике можно также реализовать варианты осуществления настоящего изобретения, где соединитель 412 является любым пригодным соединением, включая простое подключение функциональной платы 222 к контактам эксплуатационного устройства для подключения к технологической линии связи с помощью проводов и т.п.

Модуль 408 интерфейса ввода/вывода эксплуатационного устройства может взаимодействовать с эксплуатационным устройством, присоединенным к функциональной плате 222 через соединитель 412, с использованием любого пригодного протокола технологической связи. Так, если эксплуатационное устройство способно выдавать только индикацию значения технологической переменной, устанавливая ток от 4 до 20 мА, модуль 408 может генерировать ток, пригодный для эксплуатационного устройства. Предпочтительно, модуль 408 выдает ток питания на присоединенное эксплуатационное устройство через соединитель 412. Например, передатчик давления, подключенный к линии 4-20 мА, может принимать свой рабочий ток из функциональной платы 222 через соединитель 412. Для модуля 408 можно использовать любой подходящий протокол технологической связи, включая стандарт линии 4-20 мА, показанный пунктиром в позиции 414, Highway Addressable Remote Transducer (HART®), показанный пунктиром в позиции 416, Fieldbus, показанный пунктиром в позиции 418, локальную сеть контроллеров, показанную пунктиром в позиции 420, или любой другой пригодный протокол. Кроме того, совокупность модулей 414, 416, 418 и 420, ориентированных на протокол, можно использовать для обеспечения совместимости функциональной платы 222 с различными промышленными протоколами технологической связи. Таким образом, можно запустить в массовое производство один тип функциональной платы для использования с самыми разнообразными эксплуатационными устройствами. Кроме того, технический специалист может программировать функциональную плату 222 для взаимодействия с конкретным модулем, ориентированным на протокол.

Функциональная плата 222 может включать в себя дополнительные модули связи, например, модуль 422, показанный пунктиром. Модуль 422 может обеспечивать дополнительные методы связи, например беспроводную связь с функциональной платой 222, и, таким образом, эксплуатационным устройством 412. Модуль 422 связи также получает все свое питание через модуль 404 питания PoE и обеспечивает или облегчает связь согласно другому протоколу связи, например известному протоколу связи Bluetooth, с помощью беспроводных точек доступа и беспроводных сетевых устройств стандарта IEEE 802.11b (производства Linksys, Ирвайн, Калифорния), посредством технологий построения сотовых или цифровых сетей (например, Microburst® от Aeris Communications Inc., Сан-Хосе, Калифорния), сверхширокополосной связи, атмосферной оптической связи, Глобальной системы мобильной связи (GSM), Общей радиослужбы пакетной передачи (GPRS), множественного доступа с кодовым разделением (CDMA), технологии расширения по спектру, методов инфракрасной связи, SMS (службы обмена короткими (текстовыми) сообщениями), или любой другой подходящей беспроводной технологии. Эта дополнительная связь может облегчать локальное взаимодействие между эксплуатационным устройством с дополнительной функциональной платой и обслуживающим персоналом вблизи устройства, который способен взаимодействовать с эксплуатационным устройством с использованием беспроводного протокола.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники могут вносить в него изменения, касающиеся формы и деталей, но не выход за рамки сущности и объема изобретения.

Изобретение относится к эксплуатационным устройствам, которые осуществляют связь по линии связи Ethernet. Эксплуатационное устройство (214, 314) получает питание посредством своего соединения с Ethernet. Эксплуатационное устройство (214, 314), предпочтительно, включает в себя функциональную плату (222), которая включает в себя сетевое соединение Ethernet (400) и соединение с эксплуатационным устройством (412). Функциональная плата (222) обеспечивает питание эксплуатационного устройства посредством мощности, поступающей через сетевое соединение Ethernet. Функциональная плата взаимодействует с эксплуатационным устройством (214, 314) с использованием стандартного промышленного протокола технологической связи. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полевое устройство, содержащее
преобразователь для подключения к процессу,
схему полевого устройства, подключенную к преобразователю,
модуль физического уровня Ethernet, подключенный к соединителю Ethernet и оперативно связанный со схемой полевого устройства, и
модуль питания Ethernet, подключенный к соединителю Ethernet и способный обеспечивать питание полевого устройства энергией, подаваемой через соединитель Ethernet,
при этом модуль физического уровня Ethernet и модуль питания Ethernet реализованы на функциональной плате, подключенной к полевому устройству, причем функциональная плата выполнена с возможностью соединения с интерфейсом полевого устройства и содержит модуль ввода/вывода (I/O) полевого устройства, содержащий, по меньшей мере, один модуль промышленного протокола технологической связи, оперативно связанный со схемой полевого устройства и связанный с соединителем полевого устройства.

2. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь представляет собой датчик, определяющий технологический параметр.

3. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь представляет собой исполнительное устройство.

4. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что функциональная плата включает в себя соединитель Ethernet.

5. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что соединитель полевого устройства взаимодействует с контактной колодкой полевого устройства.

6. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль промышленного протокола технологической связи включает в себя модуль 4-20 мА.

7. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль промышленного протокола технологической связи связан со схемой полевого устройства путем использования протокола связи собственно полевого устройства.

8. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что схема полевого устройства запитывается энергией, получаемой от функциональной платы.

9. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль промышленного протокола технологической связи включает в себя локальную сеть контроллеров (CAN).

10. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль ввода/вывода полевого устройства включает в себя совокупность модулей промышленного протокола технологической связи.

11. Полевое устройство по п.1, отличающееся тем, что функциональная плата включает в себя модуль беспроводной связи.