БЛОК (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ СОПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ МЕЖДУ КОМПЬЮТЕРОМ И ПОЛЕВЫМ ПРИБОРОМ
INTERFACING UNIT (VERSIONS) AND METHOD, FOR COMMUNICATION BETWEEN COMPUTER AND FIELD DEVICE

Настоящее изобретение относится в целом к области контроля и измерений процессов. Более конкретно настоящее изобретение относится к устройствам и способам обмена информацией с интеллектуальными полевыми приборами, используемыми в системах измерений и контроля процессов.
Полевые приборы - это хорошо известные устройства, используемые в области контроля и измерений процессов. Полевые приборы снабжают пользователя или системы контроля и управления информацией, относящейся к отдельным параметрам процесса, таким как давление, расход или температура. Такие приборы находят широкое применение в нефтяной, фармацевтической и химической промышленности.

Использование интеллектуальных полевых приборов в системах контроля и измерений процессов обеспечивает двухстороннюю передачу информации между полевым прибором и коммуникационным устройством, например носимым устройством или компьютером. Двухсторонняя передача информации осуществляется с использованием одного из коммуникационных протоколов. Для интеллектуальных полевых приборов существует ряд различных протоколов, причем для каждого протокола коммуникационное устройство должно иметь отдельную конфигурацию. Например, протокол взаимодействия с удаленным датчиком с шинной адресацией (HART) предусматривает наложение цифрового сигнала на стандартный аналоговый сигнал 4-20 мА. В протоколе HART используется принцип кодирования со сдвигом частоты при передаче (FSK), при котором цифровые сигналы представляются модуляцией тока 4-20 мА сигналом ±0,5 мА либо на частоте 1200 Гц (логический уровень "1"), либо 2200 Гц (логический уровень "0"). Наложение цифровых сигналов позволяет интеллектуальному полевому прибору передавать и принимать цифровые данные и широко используется для передачи по запросу диагностической информации с изменяющимися параметрами на диспетчерский пульт или в носимое устройство. Другими популярными протоколами обмена цифровой информацией являются коммуникационные протоколы Fieldbus™ и Profibus.

Поскольку коммуникационные протоколы отличаются друг от друга, то коммуникационное устройство должно быть сконфигурировано в соответствии с конкретным коммуникационным протоколом, используемым полевым прибором. Для предотвращения ситуации, в которой пользователи должны носить повсюду с собой отдельные устройства для каждого известного коммуникационного протокола, были разработаны специальные приборы, такие как, например, носимое устройство 375 Field Communicator компании Emerson Process Management, которое обеспечивает обмен информацией с устройствами, работающими по протоколам HART и Fieldbus™. 375 Field Communicator является устройством с повышенным уровнем безопасности, предназначенным для работы в промышленной среде. Однако не во всех применениях требуется повышенный уровень защищенности и безопасности коммуникационного устройства. Например, при приемочных проверках полевого прибора на стенде (то есть, перед установкой на объекте) обычно нет необходимости в коммуникационном устройстве с повышенным уровнем безопасности. В таких случаях пользователи часто используют ноутбук или другой вычислительный аппарат в качестве коммуникационного устройства. Хотя такое решение привлекательно с экономической точки зрения, однако при этом для обеспечения обмена информацией с полевым прибором пользователю необходимо приобрести и правильно подключить несколько разных устройств, в том числе модем или устройство сопряжения, источник питания и измерительный резистор. Кроме того, пользователь также должен приобрести и установить на носимое устройство программное обеспечение для коммуникационного протокола, используемого в интеллектуальном полевом приборе.
Поэтому имеется потребность в системе, которая упростит процесс подключения компьютера или другого портативного устройства к интеллектуальному полевому прибору для целей двухсторонней передачи информации.
Краткое описание изобретения
В настоящем изобретении предлагается блок сопряжения, предназначенный для соединения полевого прибора с компьютером для обеспечения двухсторонней передачи цифровой информации между ними. Блок сопряжения содержит запоминающее устройство (память) для хранения прикладных программ, обеспечивающих обмен информацией по разным коммуникационным протоколам. В зависимости от коммуникационного протокола, используемого в полевом приборе, осуществляется автоматический выбор блоком сопряжения или пользователем (с использованием компьютера) соответствующей прикладной программы, записанной в запоминающем устройстве, для ее загрузки в компьютер. Кроме того, блок сопряжения содержит аппаратные компоненты, необходимые для обмена информацией с полевым прибором в различных вариантах осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 - схематический вид системы обмена информацией с полевым прибором в соответствии с известным техническим решением.
Фигура 2 - схема блока сопряжения, обеспечивающего сопряжение между интеллектуальным полевым прибором и компьютером для двухсторонней передачи информации между ними.
Подробное описание изобретения
Объектом настоящего изобретения является блок сопряжения, предназначенный для обеспечения обмена информацией между компьютером (ноутбук, карманный или настольный персональный компьютер) и интеллектуальным полевым прибором (далее "полевой прибор"). Предлагаемый в настоящем изобретении блок сопряжения обеспечивает простое интегрированное решение для обмена информацией между компьютером и интеллектуальным полевым прибором.

На фигуре 1 приведен схематический вид типичной системы 10 обмена информацией с полевым прибором 12 в соответствии с известным техническим решением. Система 10 содержит компьютерное устройство 14 (напр., ноутбук), устройство 16 сопряжения, использующее шину USB (универсальная последовательная шина), источник 18 питания, нагрузку или измерительный резистор 20 и программное обеспечение 22. Полевой прибор 12 осуществляет обмен информацией по коммуникационному протоколу HART, хотя такая же схема может быть использована для полевого прибора, в котором обмен информацией осуществляется по протоколу Fieldbus™ или Profibus.

Провода 24а и 24b, формирующие так называемую "токовую петлю", соединяют полевой прибор 12 с источником питания 18, который обеспечивает постоянный ток для токовой петли. В соответствии с протоколом HART полевой прибор 12 формирует цифровой сигнал путем наложения тока ±0,5 мА на постоянный ток источника 18 питания на первой частоте (уровень "1") или на второй частоте (уровень "0"). Цифровой сигнал принимается устройством 16 сопряжения, использующим шину USB, которое измеряет суммарный сигнал малого уровня или напряжение переменного тока на токовой петле. Это напряжение измеряется либо на полевом приборе 12 (провода 26а и 26b в первом положении) или на измерительном резисторе 20 (провода 26а и 26b во втором положении). Устройство 16 сопряжения, использующее шину USB, формирует измеренный цифровой сигнал и передает его в компьютер 14. Программное обеспечение, установленное на компьютере 14 специально для коммуникационного протокола HART, позволяет компьютеру 14 правильно расшифровывать данные, получаемые из полевого прибора 12. Кроме того, пользователь может передавать команды в полевой прибор 12 через порт USB и блок 16 сопряжения, который преобразует команды в соответствии с коммуникационным протоколом HART для передачи в полевой прибор 12.
Недостатком известного технического решения, представленного на фигуре 1, является то, что пользователь должен приобрести и правильно подсоединить несколько отдельных компонентов для обеспечения обмена информацией с полевым прибором 12, в том числе компьютер 14, блок 16 сопряжения, использующий шину USB, источник 18 питания, измерительный резистор 20 и программное обеспечение 22. Неправильная установка или ошибочное подключение любого компонента не позволит обеспечивать обмен информацией с полевым прибором 12.
На фигуре 2 приведена блок-схема предлагаемого в настоящем изобретении блока 30 сопряжения по шине USB, который позволяет упростить известные технические решения и обеспечивает простое и удобное сопряжение с полевыми приборами независимо от типа используемого коммуникационного протокола. Блок 30 сопряжения по шине USB содержит провода 32а и 32b, предназначенные для подсоединения к клеммам полевого прибора 12, схему 34 автоматической идентификации коммуникационного протокола, измерительный или нагрузочный резистор 36, источник 38 питания токовой петли, схему 40 порта USB, запоминающее устройство 42, переключатели 44 и 46 и USB-кабель 48. Блок 30 сопряжения по шине USB подсоединяется к компьютеру 14 с использованием USB-кабеля 48, и подключается к полевому прибору 12 с помощью проводов 32а и 32b.
Блок 30 сопряжения может использоваться для стендовых проверок и приемки полевого прибора 12 или же для проверок и обмена информацией с полевым прибором 12, когда он установлен в системе контроля и измерений процесса (то есть "на объекте"). Блок 30 сопряжения обеспечивает совместимость с различными коммуникационными протоколами путем хранения записанного программного обеспечения, необходимого для работы компьютера 14 в качестве коммуникационного устройства, независимо от типа коммуникационного протокола, используемого в полевом приборе 12. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения в запоминающем устройстве 42 хранятся программы, соответствующие каждому из возможных коммуникационных протоколов.

При подключении блока 30 сопряжения к полевому прибору 12 схема 34 автоматически идентифицирует коммуникационный протокол, используемый полевым прибором 12. Каждый коммуникационный протокол содержит характеристики, обеспечивающие его идентификацию. Например, в соответствии с протоколом Fieldbus™ используется прямоугольный сигнал, в то время как в соответствии с протоколом HART используется синусоидальный сигнал. Схема 34 автоматической идентификации коммуникационного протокола передает результаты идентификации в схему 40 порта USB. В соответствии с типом идентифицированного коммуникационного протокола схема 40 порта USB загружает в компьютер 14 из запоминающего устройства 42 соответствующую прикладную программу. Например, если схема 34 определяет, что в полевом приборе 12 используется коммуникационный протокол HART, то схема 40 порта USB загружает в компьютер 14 прикладную программу, необходимую для работы компьютера 14 в соответствии с коммуникационным протоколом HART. В одном из вариантов осуществления изобретения загрузка в компьютер 14 соответствующей прикладной программы осуществляется автоматически. В другом варианте осуществления изобретения схема 40 порта USB передает в компьютер 14 информацию об идентифицированном коммуникационном протоколе. После этого пользователь выбирает в запоминающем устройстве 42 соответствующую прикладную программу, которая должна быть загружена в компьютер 14. Хранение прикладных программ, соответствующих разным коммуникационным протоколам в блоке 30 сопряжения, а именно, в запоминающем устройстве 42, исключает необходимость для пользователя приобретать и устанавливать программное обеспечение с компакт-диска или с другого носителя информации в соответствии с коммуникационным протоколом конкретного полевого прибора.

После установки на компьютере 14 соответствующей прикладной программы он может обмениваться информацией с полевым прибором 12. Хотя компьютер 14 обменивается с блоком 30 сопряжения с использованием коммуникационного стандарта USB, команды, выдаваемые в блок 30 сопряжения, формируются в соответствии с коммуникационным протоколом, используемым полевым прибором 12. То есть, если в полевом приборе 12 используется коммуникационный протокол HART, то команды или данные, формируемые компьютером 14, передаются им в блок 30 сопряжения с использованием стандарта USB, однако сформированные команды соответствуют коммуникационному протоколу HART, используемому в полевом приборе 12. Если же в полевом приборе 12 используется коммуникационный протокол Fieldbus™, то команды или данные, формируемые компьютером 14, передаются им в блок 30 сопряжения с использованием стандарта USB, однако сформированные команды соответствуют коммуникационному протоколу Fieldbus™, используемому в полевом приборе 12.

При проведении стендовых приемочных проверок полевого прибора 12, то есть, когда он не подключен к измерительной системе, провода 32а и 32b подсоединяются к клеммам полевого прибора 12. Обычно при проведении приемочных проверок внешний источник питания к полевому прибору 12 не подключается. Как показано на фигуре 1, при использовании известного технического решения пользователю необходимо приобрести и правильно подсоединить к полевому прибору 12 соответствующий источник питания. Блок 30 сопряжения в соответствии с настоящим изобретением уже содержит встроенный источник 38 питания. В случае стендовой приемки или в любом случае, когда к полевому прибору не подключается внешний источник питания, переключатель 46 устанавливается в положение подключения источника 38 питания к полевому прибору 12 с использованием проводов 32а и 32b. Источник 38 питания получает энергию, передаваемую в полевой прибор 12, из компьютера 14 через USB-кабель 48, то есть исключается необходимость обеспечения пользователем независимого источника питания, как этого требует известное техническое решение, представленное на фигуре 1. Энергия, обеспечиваемая источником 38 питания, достаточна, для того чтобы полевой прибор передавал и принимал цифровую информацию. Например, если полевой прибор 12 использует коммуникационный протокол HART, то в приборе осуществляется модуляция постоянного тока, обеспечиваемого источником 38 питания, путем наложения сигнала переменного тока на первой или на второй частоте для обеспечения обмена цифровой информацией. При проверках на объекте, когда полевой прибор 12 уже подсоединен к источнику питания, переключатель 46 устанавливают в положение отключения источника 38 питания от полевого прибора 12.
Аналогично, измерительный резистор 36 может быть выборочно подсоединен к токовой петле, созданной проводами 32а и 32b, с помощью переключателя 44. Для всех коммуникационных протоколов требуется, чтобы токовая петля имела минимальное сопротивление. Как уже указывалось, при стендовой приемке полевой прибор 12 не подключен к измерительной системе, имеющей требуемую величину сопротивления. В этом случае, а также и в других аналогичных случаях, путем установки переключателя 44 в верхнее положение в токовую петлю включается измерительный резистор 36. Если полевой прибор 12 подсоединен к измерительной системе, то в этом случае токовая петля уже содержит необходимое сопротивление, и измерительный резистор не требуется, и он может быть отключен установкой переключателя 44 в нижнее положение.
После надлежащего подсоединения блока 30 сопряжения и загрузки и запуска прикладной программы в компьютере 14, блок сопряжения обеспечивает двухстороннюю передачу информации между компьютером 14 и полевым прибором 12. Команды, формируемые компьютером 14 с использованием установленного программного обеспечения, передаются в схему 40 порта USB блока 30 сопряжения. Команды или данные, формируемые компьютером 14, кодируются в соответствии с коммуникационным протоколом, используемым полевым прибором 12. Если полевой прибор 12 использует коммуникационный протокол HART, то команды, передаваемые из компьютера 14 в схему 40 порта USB, формируются в соответствии с протоколом HART. Аналогично, если полевой прибор 12 использует коммуникационный протокол Fieldbus™ или Profibus, то команды, передаваемые из компьютера 14 в схему 40 порта USB, формируются в соответствии с протоколом Fieldbus™ или Profibus, соответственно. Затем схема 40 порта USB передает принятые команды в полевой прибор 12 с использованием соответствующего коммуникационного протокола, например, в случае протокола HART схема 40 порта USB модулирует ток в токовой петле сигналом ±0,5 мА на частоте 1200 Гц или 2200 Гц для передачи принятых команд в полевой прибор 12. Если полевой прибор использует другой коммуникационный протокол, то схема 40 порта USB будет передавать принятые команды с использованием соответствующего протокола (Fieldbus™ или Profibus). Аналогично, цифровая информация, передаваемая полевым прибором 12 в токовую петлю, считывается схемой 40 порта USB и передается в портативное устройство 14 по USB-кабелю 48. Информация отображается с помощью пользовательского интерфейса, например, на дисплее, с помощью прикладной программы для ее использования оператором.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты его осуществления, однако для специалистов в данной области техники будет ясно, что в описанные варианты и в их элементы могут быть внесены различные изменения без отклонения от объема и сущности изобретения. В частности, настоящее изобретение описано в отношении блока сопряжения, в котором для обмена между блоком и компьютером используется стандарт универсальной последовательной шины (USB), хотя могут использоваться и другие типы обмена информацией, такие как Firewire или другие. Если используется другой стандарт обмена информацией, то схема порта и кабель должны быть изменены соответствующим образом. Хотя подсоединение к порту USB или Firewire (или к порту другого типа) обычно осуществляется через кабель, однако могут использоваться и другие типы соединения, которые обеспечивают обмен информацией компьютера с блоком сопряжения. Аналогично, запоминающее устройство, используемое внутри блока 30 сопряжения, может быть реализовано на любом типе энергонезависимой памяти, например флэш-памяти.
Компьютер 14 - это родовое наименование, охватывающее любое устройство, способное выполнять прикладные программы и обеспечивающее пользовательский интерфейс для пользователя, например, ноутбук, карманный или настольный персональный компьютер.