具有二线环路的现场总线网络制造技术

一种用于通过利用不同于第一现场总线协议的第二现场总线协议的互连有线或无线网络传输线将利用该第一现场总线协议的本地现场总线网络耦合至外部现场设备或外部现场总线网络的现场总线耦合器，该现场总线耦合器包括：第一电路，该第一电路被配置成使用该第一现场总线协议在该本地现场总线网络上进行通信；第二电路，该第二电路被配置成将该现场总线耦合器与该互连网络传输线相连接并使用该第二现场总线协议在该互连网络传输线上进行通信；以及第三电路，该第三电路被配置成与该第一和第二电路进行通信并能够向和从该第一和第二电路传输数据以便使得能够经由该互连网络传输线在该本地现场总线网络之间进行通信。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】披露领域本披露涉及用于控制工业过程的现场总线技术，并且更具体地涉及在其中通过二线环路将数据和电力传输到现场设备的现场总线技术。披露背景现场总线是用在过程自动化中的网络，在过程自动化中，现场设备形成网络上的一些节点并且总站或主机形成网络上的节点之一。该网络可包括连接至电源的干路或主线路以及从干路延伸的支路，其中现场设备形成支路上的节点。现场总线网络的功能是以可靠的且及时的方式向并且从节点对数据进行传输。现场总线网络典型地将其通信协议基于由国际标准化组织(ISO)维护为ISO/IEC 7498-1的开放系统互连模型(OSI)。OSI模型定义了层次、分层的通信栈，在其中将数据转换成数据帧且从数据帧对数据进行转换以用于进行网络上的传输。每一层向其正上方及正下方的层提供服务。OSI模型的最低层是物理层。物理层处置将数据转换成在网络上传输的电信号且从在网络上传输的电信号对数据帧进行转换。物理层定义了网络的物理规范和电气规范(网络拓扑、布线规范、电压、线路阻抗等)以及数据帧如何在网络上表示(例如曼彻斯特编码、归零编码、不归零反向编码等)。许多现场总线网络利用由物理层规范定义的二线环路。二线环路将电力传输至节点并且用于在节点与主机之间的数据通信。通常由携带在环路上的DC电压对电力进行传输，并且通过将AC数据信号叠加在DC电压上来传送数据。利用二线环路的现场总线网络包括基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1、PROFIBUS PA以及包括以太网供电(POE)网络的基于以太网的网络(注意，除了在二线环路中所使用的那些之外，有线现场总线网络可包括其他接线)。图1示意性地展示了一种具有连接至二线环路(由单线14表示)的物理层12以便在环路14上传输和接收数据帧16的现场总线通信栈10。由叠加在DC电压18上的AC数据信号对每一个数据帧16进行定义。数据帧16由帧之间的“安静时间”20间隔开，该“安静时间”避免数据帧之间的碰撞与干扰。物理层规范定义了AC数据信号的编码以及如何避免数据帧的碰撞。图2示意性地展示了数据帧16的用于基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)H1现场总线网络的编码(省略DC分量)。如时钟信号22所指示的，以31.25kHz的频率对数据位进行传输，即位时是一秒的31250分之一。使用同步曼彻斯特编码技术对每一个数据帧16的数据部分进行编码，在此技术中，在位时中间的正电压变化表示逻辑“0”且在位时中间的负电压变化表示逻辑“1”。为前导24以及数据帧16的开始定界符26和结束定界符28定义特殊代码。在现场总线网络上的节点使用前导24来将其内部时钟与进入数据帧16进行同步，并使用开始定界符26来寻找数据帧16的数据部分的开始。在找到开始定界符26后，直到接收了结束定界符28节点才接受数据。开始定界符26和结束定界符28包括N+和N-信号，这些信号在位时的中间不改变电压以便辅助节点识别开始定界符和结束定界符。图2展示了如包括逻辑字节10011010序列的数据30，这些逻辑字节作为数据信号32在数据帧16中被编码。现场总线通信协议定义了包括在数据帧16内的最大和最小数据位数。数据信号32表示应该在二线环路14上进行传输的理想AC电压信号。由于二线环路14的物理特点和周围的物理环境，实际AC电压信号将不同于理想的电压信号32。图3展示了与理想的电压信号32相比的实际AC电压信号34。与理想的部分信号偏差包括信号噪声、抖动和过冲。图4展示了具有最大振幅36的信号噪声。图5展示了抖动38，该抖动是过零电压线的AC信号跃迁与位周期的中点之间的时间差。现场总线协议典型地定义了可接受的抖动限值40。图6展示了具有幅度42的瞬时过冲以及具有带有幅度44的DC偏移的AC信号。与理想的其他信号偏离包括畸变波形、过高或过低的DC功率水平、电压尖峰等。由于与理想的这些信号偏差和波形变化在现场总线领域是公知的，因此将不对它们进行进一步详细讨论。标准化的现场总线通信协议的要求使得现场总线网络难以与其他具有不同通信协议的现场总线网络进行通信。此外，现场总线通信协议的要求需要现场总线网络的物理层被维护以用于网络的可靠操作。如在现场总线物理层诊断领域是已知的，物理层诊断设备是已知的，其连接至二线环路14并监测现场总线网络的物理层，测量并评估总线电压、信号噪声、重传计数、遮蔽缺陷、信号水平、以及其他电气和物理参数与事件。已知的现场总线物理层诊断设备的示例是由德国博伦博格菲尼克斯电气股份有限公司(Phoenix Contact GmbH)售卖的现场诊断模块。该诊断模块提供来自与AC和DC电气相关的测量的数据，该与AC和DC电气相关的测量对于评估现场总线网络的物理层的健康是有用的。一些物理层诊断设备被设计为附接在电源附近的支路上。然而，尤其是在隔离的或可调电压的支路的情况下，支路上的电气参数与干路上的电气参数不相同。单独的现场设备的附加信息(诸如电流汲取)可能对附接至干路的诊断设备是不可用的。其他诊断设备被设计为附接至支路并且诊断设备包括通信电路以便在现场总线网络上进行通信。但是，将此类诊断设备添加至支路是昂贵的。有些现场总线物理层诊断设备将示波器并入诊断设备内。示波器可以是由设备提供的单独的诊断工具或者可以是由设备提供的一组诊断工具中的一部分。示波器使得用户连续地监测现场总线通信并观看信号波形。示波器提供波形的诊断信息以用于进行分析。由于示波器以相对高的频率(高于波形的位频率)对波形进行采样，因此通过二线环路来传递由示波器生成的数据流是不切实际的。相反，使用专用的、更高的带宽通信信道且不通过现场总线网络自身将示波器数据流转移出现场设备。现场总线网络与示波器通信信道之间的电连接也必须相互隔离。这妨碍了将示波器用作现场总线网络的有效诊断工具。披露简要概述披露了一种现场总线网络，该现场总线网络包括为每一个支路具有专用的支路诊断电路的模块化设备耦合器、用于将本地现场总线网络耦合至一个或多个远程现场总线网络的模块化远程现场耦合器以及包括一体式示波器的诊断设备，该诊断设备由现场总线网络供电且在现场总线网络上进行通信。在本披露的一个方面中披露了一种用于将支路连接至干路的模块化设备耦合器，该模块化设备耦合器包括网关模块以及在本地总线上传送电力和数据的一个或多个支路模块。网关模块充当现场总线网络上的现场节点从现场总线环路上汲取电力以便为网关模块和本地总线供电，并处置现场总线网络与本地总线之间的通信。每一个支路模块具有用于附接支路的端子，并且一些实施例包括专用于附接的支路的物理层诊断的诊断电路。支路模块从本地总线汲取电力并将本地总线用于支路模块与网关模块之间的数据通信(包括诊断通信)。本披露的另一方面披露了一种将非传统的输入/输出(IO)点(诸如其他类型的有线或无线过程网络或现场设备)连接至本地现场总线网络的远程现场总线耦合器。实施例中的远程现场总线耦合器被形成为包括网关模块和一个或多个耦合器模块的模块化现场总线耦合器，每一个耦合器模块用于连接至外部现场总线网络或外部现场设备。网关模块充当本地现场总线网络上的现场节点从现场总线环路上汲取电力以便为网关模块和本地总线供电，并处置现场总线网络与本地总线之间的通信。每一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于通过利用不同于第一现场总线协议的第二现场总线协议的互连网络传输线将利用该第一现场总线协议的本地现场总线网络耦合至外部现场设备或外部现场总线网络的现场总线耦合器，该现场总线耦合器包括：第一电路，该第一电路被配置成使用该第一现场总线协议在该本地现场总线网络上进行通信；第二电路，该第二电路被配置成将该现场总线耦合器与该互连网络传输线相连接并使用该第二现场总线协议在该互连网络传输线上进行通信；以及第三电路，该第三电路被配置成与该第一和第二电路进行通信并能够向和从该第一和第二电路传输数据以便使得能够经由该互连网络传输线在该本地现场总线网络与该外部现场总线网络或该外部现场总线设备之间进行通信。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.03 US 61/923,4021.一种用于通过利用不同于第一现场总线协议的第二现场总线协议的互连网络传输线将利用该第一现场总线协议的本地现场总线网络耦合至外部现场设备或外部现场总线网络的现场总线耦合器，该现场总线耦合器包括：第一电路，该第一电路被配置成使用该第一现场总线协议在该本地现场总线网络上进行通信；第二电路，该第二电路被配置成将该现场总线耦合器与该互连网络传输线相连接并使用该第二现场总线协议在该互连网络传输线上进行通信；以及第三电路，该第三电路被配置成与该第一和第二电路进行通信并能够向和从该第一和第二电路传输数据以便使得能够经由该互连网络传输线在该本地现场总线网络与该外部现场总线网络或该外部现场总线设备之间进行通信。2.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路被配置成使用有线现场总线协议与该互连网络传输线进行通信。3.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路被配置成使用无线现场总线协议与该互连网络传输线进行通信。4.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该现场总线耦合器包括被配置成完全从该本地现场总线网络为该互连网络传输线供电的第四电路。5.如权利要求4所述的现场总线耦合器，其中，该第四电路与该第一电路电隔离。6.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该第三电路通过与该本地现场总线网络分离的本地总线与该第一电路进行通信。7.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该第一电路被配置成使用基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)有线协议、PROFIBUS有线协议、HART有线协议、MODBUS有线协议以及基于以太网的有线协议中的一种协议与该本地现场总线网络进行通信，并且该第二电路被配置成使用基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)有线协议、PROFIBUS有线协议、HART有线协议、MODBUS有线协议、基于以太网的有线协议、WIRELESSHART无线协议、ZIGBEE无线协议、PROFIBUS无线协议以及基金会现场总线(FOUNDATION FIELDBUS)无线协议中的一种不同的协议与该互连网络传输线进行通信。8.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该第一电路能够与该本地现场总线网络和该第三电路两者进行双向通信。9.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路使用该第二现场总线协议附接至网络传输线的一端，并且该传输线包括附接至也使用该第二现场总线协议的外部现场总线设备或外部现场总线网络的第二端。10.如权利要求1所述的现场总线耦合器，其中，该第二电路使用该第二现场总线协议附接至网络传输线的一端，并且该传输线包括附接至使用不同于该第二协议的现场总线协议的外部现场总线设备或外部现场总线网络的第二端。...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·沃格特，M·C·谢鲁卡，B·赫尔夫里克，A·克雷德，D·马修斯，
申请(专利权)人：凤凰通讯发展及制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US