CN101772893A - 具有接地外壳的现场设备上的偶联天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业过程控制系统中的具有电气接地外壳(102)的现场设备(100)，其中该外壳内具有电子电路(106)。电子电路(106)包括无线通信电路(118)，并且与外壳(102)电隔离。现场设备(100)还包括连接到外壳(102)的天线(120)和位于无线通信电路(118)和天线(120)之间的具有屏蔽(134)的电缆(124)。电缆(124)提供电子电路(118)和天线(120)之间的电通信。电子电路(118)与外壳(102)电隔离，并且电缆(124)的屏蔽(134)电接地至外壳(102)。

Description

具有接地外壳的现场设备上的偶联天线系统

技术领域

本发明涉及工业过程控制监视系统。本发明尤其涉及在包括无线通信能力的过程控制系统中的现场设备。

背景技术

在工业化背景下，控制系统被用来监视和控制工业和化学过程等等。典型地，该控制系统使用分布在工业过程中的关键位置并且通过过程控制回路耦合到控制室中的控制电路的现场设备来执行这些功能。术语“现场设备”是指在分布式控制或过程监视系统中执行功能的任何设备，包括用于工业过程中的测量、控制和监视的设备。

某些现场设备包括换能器。为了本发明的目的，换能器可以理解为基于物理输入而产生输出信号的装置，或者是基于输入信号产生物理输出的装置。典型地，换能器将输入转换为具有不同形式的输出。一些换能器的例子包括压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变仪、流变送器、定位装置、致动器、螺线管和指示灯。

通常，现场设备是用其在环境中运行的能力来描述的，在该环境中现场设备暴露于环境压力下，例如温度、湿度和压力。另外，现场设备必须经常经得起暴露在腐蚀的、危险的和/或甚至易爆炸的环境下。还，这样的设备也可能被要求在存在震动和/或电磁干扰的现场中运行。在这种潜在的杂乱环境中，出于保护的目的，现场设备通常包括坚固的外壳，其通常用金属制成。现场设备不仅需要在潜在的杂乱环境中运行，他们通常还要进行灵敏的测量。因此，特定现场设备中的电路通常需要灵敏组件来进行精确测量。

现场设备也可包括通过过程控制回路与其他监视或控制设备或过程控制室中可以远程定位的设备进行通信的电路，所述其他监视或控制设备例如包括其他现场安装的设备或手持工具。过程控制回路上传输的数据可通过模拟或数字格式进行传输。模拟现场设备通常经由双线过程控制电流回路连接到其他设备。例如，多个现场设备可以经由单个双线控制回路被连接到过程控制室。另外或者可选地，过程控制回路可以携带用于设备之间进行通信的数字信号。以数字方式通信的现场设备响应并有选择地与被选择的设备进行通信。此外，这种设备可以提供额外的信令，例如诊断和/或报警。

一些现场设备与无线技术融合，便于附加到或者代替以上提到的双线通信回路而与其他监视和控制设备进行通信。无线通信技术提供了简化现场设备的实现的优点，因为不需要向不依赖有线通信的现场设备提供配线。某些现场设备附带有天线，其与置于现场设备中的无线通信电路进行通信，以推送(boost)被发送的信号。

发明内容

本发明涉及一种采用与天线电隔离的无线通信电路的无线通信设备。

在一个示例性的实施例中，讨论了一种工业过程控制系统中的具有无线通信电路的现场设备。该现场设备包括电接地的外壳和位于外壳中的电子电路。该电子电路包括无线通信电路。该电子电路与所述现场设备的外壳电隔离。该现场设备还包括天线，该天线经由具有屏蔽的电导体与无线通信电路进行通信。该电导体的屏蔽接地至现场设备的外壳。

在另一个示例性的实施例中，讨论了工业过程控制系统中的另一个现场设备。该现场设备包括电接地的外壳，其中设有电子电路。该电子电路被配置为产生表示感测的过程参数或变量的信号。无线通信设备电耦合到电子电路，并且天线被连接至外壳。现场设备还包括具有耦合到无线通信设备的第一绕组和耦合到天线的第二绕组的变压器。

本发明还讨论了一种现场设备通信方法，包括提供位于外壳内并与外壳电隔离的无线通信设备的步骤。该无线通信设备用于向远程设备发送信息和从远程设备接收信息。该方法还包括将天线连接至外壳。另外，该方法包括将变压器设置在无线通信设备和天线之间。然后，信号经由变压器在无线通信设备和天线之间传输。

附图说明

图1为示出了具有多个现场设备的过程环境的方框图，其中根据本发明的无线功率和通信单元在该过程环境中尤其有用。

图2为详细示出图1所示的现场设备的方框图。

图3为根据一个示意性实施例的具有图2所示类型的代表性现场设备的方框图，该现场设备具有包括用于与和所述现场设备的外壳隔离的远程设备进行通信的无线通信电路的电子电路。

图4为根据另一个示意性实施例的具有图2所示类型的现场设备的方框图，该现场设备具有包括用于与和所述现场设备的外壳隔离的远程设备进行通信的无线通信电路的电子电路。

图5为详细描述根据一个示例性实施例从现场设备到远程设备的通信方法的流程图。

具体实施方式

图1为示出了采用现场设备12a-e的过程环境10的方框图。过程环境10可以是任何工业环境，包括，例如制造业、精炼业或许多其他应用，在这些应用中监视一个或多个过程参数或控制特定的过程是有利的。每一个现场设备12a-e暴露于该过程，能够分别感测与过程有关的过程变量或参数14a-e，并且能够提供表示与特定现场设备的暴露有关的特定过程参数14a-e的状态的信号。与特定现场设备的暴露有关的过程参数或变量的类型的例子包括温度、压力、液体流量、pH水平等。某些现场设备也可以被暴露和配置为测量多个过程参数。可选地或额外地，任何现场设备12a-e可以控制特定过程的一个或更多个方面。

如图1所示的现场设备12a-e中的每一个都能与远程设备16进行无线通信。为此，图1所示的12a-e中的每一个现场设备都有与外壳20耦合的天线18。例如，远程设备16可以是位于控制室的设备、手持设备或另一个现场设备。远程设备16可以包括任何类型的控制或监视装置，该装置接收来自任意或所有用来监视和/或控制过程环境10的方面的现场设备12a-e的信号。

图2是更加详细地示出根据一个示例性实施例的现场设备12的功能框图，该现场设备12是图1中所示的现场设备12a-e的代表。现场设备12包括电源模块22，用于向该现场设备12中的其他组件供电。电源模块22能利用任何可接受的技术为现场设备12中的各个器件提供合适的电信号电平。例如，电源模块22可以使用已知的温差电堆器件，利用珀耳帖(Peltier)效应从不同的温度中生电，包括但不限为：热电二极管、固态热偶池(thermogenerator)和半导体热电发生器。可选地，电源模块22可以包括太阳能电池。可以使用其他类型的电源模块。例如，代替车载电源模块22，外部电源(未示出)可以给现场设备12提供电源信号。

现场设备12也示例性地包括位于外壳20内的控制器24、换能器26以及无线通信设备28。电源模块22示例性地向控制器24、换能器26和无线通信设备28中的每一个供电。在一个实施例中，换能器26被配置为测量所暴露环境的参数。可选地，换能器26可以产生输出信号来控制外部组件(未示出)。控制器24与换能器26通信以发送和/或接收去往或来自换能器26的信号。控制器24还向无线通信设备28提供信号，该无线通信设备28能够与远程设备传送信息。

无线通信设备28可以向远程设备传送与过程相关的信息和与设备相关的信息。取决于应用，无线通信设备28可以被适配为根据任何合适的无线通信协议进行通信。合适的无线通信协议的一些例子包括无线组网技术，例如由Linksys of Irvine，California制造的IEEE 802.11b或IEEE802.19.4无线接入点和无线组网设备，以及蜂窝或数字组网技术，例如Aeris Communications Inc.of San Jose，California的

其他例子包括超宽带、自由空间光学、全球移动通信系统(GSM)、通用无线分组业务(GPRS)、码分多址(CDMA)、扩频技术、红外通信技术、SMS(短消息服务/文本消息)、或任何其他合适的无线技术。此外，可以采用已知的数据冲突技术，以便多个单元能够在彼此的无线操作范围内共存。这样的冲突预防技术可包括使用多个不同的射频信道和/或扩频技术。

无线通信设备28还可以包括用于多个无线通信方法的换能器。例如，主要的无线通信可以使用诸如GSM或GPRS的相对长距离的通信方法来执行，并且可以通过例如使用IEEE 802.11b或蓝牙向该单元附近的技术人员或操作者提供次要的或者附加的通信方法。

一些无线通信模块可包括能够与全球定位系统(GPS)进行交互的电路。针对移动设备，可以有利地将GPS配置在现场设备12中，以允许查找远程位置处的单独的现场设备12。然而，也可以使用基于其他技术的位置感测。

图2所示的现场设备12示例性地包括排除有线通信的无线通信能力。可选地，现场设备12也可以包括经由有线通信协议与诸如其他现场设备、显示器和其他监视或控制设备的其他远程设备进行通信的能力。例如，现场设备12可以被配置为经由双线过程回路(未示出)与设备进行通信。可以被结合的过程控制回路的例子包括模拟4-20mA通信、诸如高速可寻址远程换能器(

)标准的包括模拟和数字通信的混合协议、以及诸如FOUNDATION^TM现场总线标准的全数字协议。在某些情况下，与那些不包括无线技术的遗留的设备进行通信是有益的，因而可以将该有线通信能力集成到现场设备12中。另外，在某些情况下，该有线通信协议可以向现场设备12提供电源，从而向位于现场设备12中的一些或所有电子组件供电。

参考图3，示出了根据本发明一个实施例的现场设备100的方框图。现场设备100包括用符号104表示的电接地的外壳102。电路板106位于外壳102内。电子电路105位于电路板106上。电子电路105包括电源108，其具有高参考(在附图1中用“+”标记)和低参考(用“-”标记)，该低参考与外壳102隔离(如符号107所示)。电源108可以是任何可接受的电源，例如以上讨论的电源之一。电源108示例性地显示为向控制器110、换能器114、存储器116和无线通信设备118供电。换能器114、存储器116和无线通信设备118中的每一个都与控制器110进行通信，并且都与外壳102隔离，如接地符号107所示。

在一个示例性实施例中，换能器114和无线通信设备118是与上文描述的换能器26和无线通信设备28相同或类似的设备。控制器110访问存储器116以访问或存储数据、接收指令以运行和执行其他类似的活动。在图3中示出的存储器116与控制器110在物理上分离。然而，存储器116可以与控制器110物理地集成。存储器116可以是任何合适类型的存储器，包括易失性存储器(例如随机存取存储器)、非易失性存储器(例如闪存、EEPROM存储器等)或它们的任意组合。

如上所述，存储器116可以包含用于控制器110的程序指令以及用于现场设备100的任何合适的管理开销数据。例如，存储器116可以包含现场设备100的唯一标识符，从而现场设备100可以把经由无线通信发送的针对该现场设备的消息与经由无线通信发送的其他消息进行区分。典型的标识符包括媒体接入控制(MAC)地址、电子序列号、全球电话号码和因特网协议(IP)地址。此外，存储器116可以包括关于其他现场设备的信息，例如它们的唯一标识符、配置和能力。

控制器110与无线通信设备118进行通信，该无线通信设备118示例性地与上文描述的与远程设备通信的无线通信设备28相同或类似。无线通信设备118示例性地可操作地耦合到天线120，天线120便于将无线通信信号发送到其他设备和从其他设备接收无线通信信号。该可操作耦合的性质将在下面进行更详细的讨论。天线120通过连接器122连接到外壳102。在一个示例性实施例中，当天线120连接到连接器122时，连接器122具有与天线120进行通信的第一导线(未示出)，以及电接地至(electrically grounded to)现场设备100的外壳102的第二导线。在一个实施例中，连接器122是一个安装在外壳102上的面板安装连接器，并且能够与外壳任一边上的BNC型连接器紧密配合。可选地，可以使用其他的连接器。

电路板106优选地还包括隔离变压器126。隔离变压器126具有第一绕组128和第二绕组130。变压器126的第一绕组128具有示例性地耦合到电子电路105的无线通信设备118的第一端子140和耦合到电源108的低电势侧的第二端子142。如图3所示，第二端子142可以通过图3所示的无线通信设备118耦合到电源的低电势侧，或者备选地在无线通信设备118之外耦合到电源的低电势侧。无论是哪一种方式，第一绕组128与外壳102隔离。

第二绕组130优选地耦合到电导线124。在一个实施例中，电导线124为同轴电缆，然而也可以使用其他类型的电导线。第二绕组130的第一端子144耦合到电导线124的主导线132。第二绕组130的第二端子146示例性地耦合到电导线124的屏蔽134。然后，电导线124连接到连接器122，从而隔离变压器126的第二绕组130经由电导线124的主导线132耦合到天线120。屏蔽134通过连接器122的第二导线耦合到外壳102。因此，第二绕组130的第二端子146接地至外壳102，如符号104所示。

因此，信号示例性地经由隔离变压器126在无线通信设备118和天线120之间传输，即使无线通信设备118和天线120电隔离。在一个示例性实施例中，第一绕组128和第二绕组130之间的匝数比大约为1∶1。可选地，第一绕组128和第二绕组130之间的比例可以是允许使用具有各种阻抗的天线的任意比率。

可以理解的是，尽管图3中示出了第二绕组130的第二端子146直接耦合到屏蔽134，这种显示仅仅是出于示意性的目的。电路板106能够包括诸如小型螺纹系列A(SMA)连接器(未示出)的连接器，第二绕组130的第一端子144和第二端子146可以连接其一边，而电导线124可以连接其另一边。此外，应当理解的是，尽管天线120示例性地直接连接到连接器122，天线120可以远离现场设备100。例如，可能希望使用比容易地安装到现场设备100上的天线更重的天线。另外，远程地安装定向天线以方便地定位该天线是有益的。当远程安装天线变得有益时，诸如同轴电缆的电连接器(未示出)可以连接到天线，并且连接器122将远程安装的天线电耦合至第二绕组130。

图4是示出根据另一实施例的现场设备200的示意图。现场设备200包括外壳202，电路板206位于外壳202中。电子电路205位于电路板206上。电子电路205包括控制器210。电子电路205还优选地包括具有高参考和低参考(分别标记为“+”和“-”)的电源208，该电源208向控制器210供电，并与外壳202隔离，如符号207所示。电子电路205还包括换能器214、存储器216和无线通信设备218，它们都从电源208接收电力并与控制器210通信，而且与外壳202电隔离。这些组件的操作类似于上文结合现场设备100所描述的操作。无线通信设备218耦合到同轴电缆224或具有适用于传输电子信号的电导线的其他类似器件，该同轴电缆224或其他类似器件又耦合到隔离变压器226。

隔离变压器226示例性地没有位于电路板206上。隔离变压器226包括第一绕组228，其通过电缆224耦合到无线设备218。第一绕组228的第一端子240示例性地连接到电缆224的第一导线234。第一绕组228的第二端子242示例性地连接到电缆224的第二导线232。电缆224的第一导线234耦合到无线设备218。第二导线232通过图4所示的无线通信设备218耦合到电源208的低参考，或者备选地在无线通信设备218之外耦合到电源的低参考。在任一情况下，第一绕组228与外壳202隔离。如上文关于电导线124所描述，电缆224可以是同轴电缆，从而第一导线234是电缆224的主导线并且第二导线232为屏蔽。

隔离变压器226还包括第二绕组230，其耦合到连接器222并且与外壳202电相连。天线220经由连接器222与第二绕组230进行通信。出于示意性目的，第二绕组230被示出为直接与地204相连。第一端子244和第二端子246中的每一个都可以连接到连接器222，并且连接器222的一个导线与外壳202电相连。

现场设备200还包括避雷器(lightning arrestor)252，其定位并连接在连接器222和天线250之间。在一个示例性实施例中，避雷器四Maxrad制造的型号LP24RPC的避雷器，其使用参考至(reference to)外壳202的地的气体放电管。可选地，可以使用任何可接受的避雷器。图3中所示的现场设备100不包括避雷器。该避雷器可以被添加到现场设备100或从现场设备200中移除，这都不会脱离这些实施例的精神和范围。

虽然上文讨论的实施例包括整体上安装在位于现场设备内的电路板上的无线通信设备，其他的实施例是可以设想到的。例如，具有双线协议的现场设备可以连接无线通信设备，其接收来自现场设备的输入并向其他的远程设备提供无线通信。这种附加式的设备(未示出)可包括无线通信设备以及位于无线通信设备和天线之间的隔离变压器，该隔离变压器接地至附加设备的外壳。

图5为使用无线通信从一个现场设备向另一个现场设备传输信息的方法300。在方框302中，安装诸如现场设备100的现场设备，其中无线通信电路与现场设备的外壳隔离。天线与现场设备相连。该天线接地至外壳。这在方框304中表示。将天线连接到现场设备的步骤可包括提供避雷器，该避雷器设置在位于现场设备上的连接器与天线之间。

一旦现场设备被安装好并且能够与其他远程设备通信，现场设备示例性地测量参数。这在方框306中表示。然后，现场设备经由天线发送表示该参数的信号，这在方框308中表示。经由天线提供的信号可以是射频信号。可选地，可以采用具有上文所述类型的任意数量的信号。

以上公开的实施例提供了几个重要的优点。例如，希望进行灵敏测量的现场设备具有与现场设备的外壳隔离的特定测量电路。因此，这种灵敏测量不会受到与现场设备的外壳公共的地中可能存在的接地回路的影响。此外，在位于天线和浮动电路之间的电缆屏蔽或其他类似器件上感生的任何杂散射频(RF)场可以被旁路(shunted)，从而不会影响测量电路。另外，用于与现场设备进行信息传送的标准天线可以连接到连接器，该连接器接地至外壳，而不是与外壳隔离。此外，可以使用上文描述的类型的避雷器，并且可以将其接地至外壳，从而提高其效果。

尽管上文的讨论关注于示例性实施例，本领域技术人员能够意识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上做出改变。

Claims (20)

1.一种工业过程控制系统中的现场设备，包括：

电接地的外壳；

具有多个电子组件的电子电路，包括位于外壳内的无线通信电路；

连接到外壳的天线；

位于所述无线通信电路和所述天线之间的具有屏蔽的电导线；以及

其中所述电导线被配置为在所述电子电路和所述天线之间传输电子信号，其中所述电子电路与所述外壳电隔离，并且其中所述屏蔽电接地至所述外壳。

2.如权利要求1所述的现场设备，还包括：

具有第一绕组和第二绕组的变压器，所述第一绕组耦合至所述电子电路，而所述第二绕组的第一端子与所述天线电通信。

3.如权利要求2所述的现场设备，还包括：

位于所述外壳内的印刷电路板，其中所述电子电路的多个组件以及所述变压器中的至少一个位于所述印刷电路板上。

4.如权利要求2所述的现场设备，其中所述外壳包括电接地至所述外壳的连接器，并且其中所述第二绕组的第二端子通过所述连接器接地至所述外壳。

5.如权利要求4所述的现场设备，其中所述电导线的第一端连接到所述第二绕组，所述电导线的第二端连接到所述连接器，并且其中所述屏蔽接地至所述外壳。

6.如权利要求4所述的现场设备，其中所述变压器临近所述连接器并且连接到所述连接器。

7.如权利要求2所述的现场设备，其中所述变压器的第一绕组和第二绕组之间的匝数比不等于大约1∶1。

8.如权利要求1所述的现场设备，还包括：

位于所述天线和所述电子电路之间的避雷器。

9.如权利要求8所述的现场设备，其中所述避雷器电接地至所述外壳。

10.如权利要求1所述的现场设备，其中所述现场设备是过程变量变送器。

11.一种工业过程控制系统中的现场设备，包括：

电接地的外壳；

设置在所述外壳内的电子电路，所述电子电路被配置为产生表示被感测的过程参数或变量的信号；

与所述电子电路电耦合的无线通信设备；

连接到所述外壳的天线；以及

具有第一绕组和第二绕组的变压器，所述第一绕组耦合至所述无线通信设备，而所述第二绕组耦合至所述天线。

12.如权利要求11所述的现场设备，其中所述电子电路与所述外壳电隔离。

13.如权利要求12所述的现场设备，还包括：

位于所述天线和所述无线通信设备之间的避雷器。

14.如权利要求11所述的现场设备，还包括：

位于所述外壳内的印刷电路板，其中所述无线通信设备和所述变压器连接至所述印刷电路板。

15.如权利要求11所述的现场设备，还包括：

具有屏蔽的电导线，其中所述屏蔽的第一端连接到所述第二绕组，并且其中所述屏蔽接地至所述外壳。

16.如权利要求11所述的现场设备，其中所述无线通信设备包括射频发射机。

17.一种用于工业过程控制系统中的现场设备的通信方法，包括：

提供位于外壳内并与外壳电隔离的无线通信设备，以用于向远程设备发送信息并从远程设备接收信息；

将天线连接到所述外壳；

将变压器设置在所述无线通信设备和所述天线之间；以及

经由所述变压器在所述无线通信设备和所述天线之间传输信号。

18.如权利要求17所述的方法，其中传输信号的步骤包括传输射频信号。

19.如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤：将具有屏蔽的电导线连接在所述变压器和所述天线之间，使所述屏蔽接地至所述外壳。

20.如权利要求17所述的方法，还包括：

将避雷器连接在所述天线和所述无线通信设备之间，其中所述避雷器电接地至所述外壳。

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