一種面向hart設(shè)備的wia-pa無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，涉及一種可以與有線現(xiàn)場總線設(shè)備之間交互信息的裝置，并且通過本裝置可以將現(xiàn)場總線設(shè)備接入智能無線網(wǎng)絡(luò)WIA。無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的正端子用于連接電源，負(fù)端子用于連接有線儀表的正端子，無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置包括：濾波放大電路、供電電路、WIA無線通訊模塊、微處理器、調(diào)制解調(diào)模塊和旁路保護(hù)電路。本發(fā)明與有線儀表一同串聯(lián)在電流回路中，使得有線儀表可以通過無線適配裝置接入WIA無線網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】—種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可以與有線現(xiàn)場總線設(shè)備之間交互信息的裝置，并且通過本裝置可以將現(xiàn)場總線設(shè)備接入智能無線網(wǎng)絡(luò)WIA (Wireless Networks forlndustrialAutomation)。
【背景技術(shù)】
[0002]智能無線網(wǎng)絡(luò)WIA基于短程無線通信IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用自由頻帶，解決在大型器械、金屬管道等對無線信號反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及電機(jī)、器械運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁噪聲對無線通信干擾，提供高可靠、實時無線通訊服務(wù)。智能無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)特別適用于工業(yè)控制與工廠自動化過程控制，并廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、礦山等領(lǐng)域。
[0003]大部分石油、化工企業(yè)都有成百上千的智能儀表。這些儀表一般都采用有線的方式與控制室相連接。這種有線連接通過構(gòu)成電流環(huán)路傳遞過程控制中的測量信號和控制信號，同時電流環(huán)路也為部分儀表提供消耗的電能。另外，帶有WIA技術(shù)的無線儀表通過無線構(gòu)成自組織、自修復(fù)的智能網(wǎng)絡(luò)相連接。無線儀表采用低功耗設(shè)計使用電池供電，大幅降低了油罐、礦井等邊遠(yuǎn)和難到達(dá)地區(qū)的布線成本。
[0004]一方面，這些傳統(tǒng)有線HART儀表可以檢測到豐富的過程控制信息和設(shè)備狀態(tài)信息。然而由于現(xiàn)場改造困難、布線成本高等原因，通常控制中心只讀取了儀表的PV (主變量)等簡單的信息，大部分信息被閑置。另一方面，有線儀表和無線WIA儀表在同一個工廠中工作，迫切要求通過最小的改動將有線儀表的數(shù)據(jù)傳入WIA網(wǎng)絡(luò)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，用于將有線儀表連接到WIA網(wǎng)絡(luò)時使用。
[0006]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的正端子用于連接電源，負(fù)端子用于連接有線儀表的正端子，所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置包括:
[0007]濾波放大電路，連接所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的兩個端子和供電電路，用于對輸入信號進(jìn)行濾波并放大；
[0008]供電電路，連接WIA無線通訊模塊和所述濾波放大電路，用于為WIA無線通訊模塊提供電能；
[0009]WIA無線通訊模塊，連接微處理器和供電電路，用于在微控制器的控制下發(fā)送無線
信號;
[0010]微處理器，連接WIA無線通訊模塊和調(diào)制解調(diào)模塊，用于與WIA無線通訊模塊的交互，還用于控制調(diào)制解調(diào)模塊對HART模擬信號的調(diào)制和解調(diào)；
[0011]調(diào)制解調(diào)模塊，連接所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的負(fù)端子和所述微控制器；
[0012]旁路保護(hù)電路，兩端連接所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的兩個端子。[0013]所述供電電路包括
[0014]壓降控制模塊，輸入端連接HART總線，輸出端連接系統(tǒng)供電模塊，用于為系統(tǒng)供電模塊提供穩(wěn)定電壓；
[0015]系統(tǒng)供電模塊，連接微處理器、壓降控制模塊和充電控制模塊，用于將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為，為微處理器供電和為儲能元件充電；
[0016]充電控制模塊，連接系統(tǒng)供電模塊、微處理器和儲能元件，用于在微處理器的控制下，實現(xiàn)儲能元件的充電使能；
[0017]儲能元件，連接充電控制模塊和WIA供電模塊，用于存儲電能；
[0018]微處理器，控制充電控制模塊為儲能元件充電，控制WIA供電模塊為WIA無線通訊模塊供電；
[0019]WIA供電模塊，連接儲能元件和微處理器，用于根據(jù)WIA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在微處理器的控制下，為所述WIA無線通訊模塊提供電能。
[0020]所述系統(tǒng)供電模塊采用TPS61070芯片，將輸入的2V直流電轉(zhuǎn)成3.3V直流電源。
[0021]所述微處理器采用TI公司的M430F149低功耗單片機(jī)。
[0022]所述充電控制模塊為MOS管或模擬開關(guān)芯片。
[0023]所述儲能元件選用超級電容，電容值不小于0.25F。
[0024]所述微處理器還連接復(fù)位電路。
[0025]所述調(diào)制解調(diào)模塊包括調(diào)制電路、解調(diào)電路、模擬開關(guān)、隔直流電容和負(fù)載電阻；
[0026]所述供電電路由兩條并聯(lián)的支路構(gòu)成，兩端連接微處理器和所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的負(fù)端子:一條支路由調(diào)制電路和1?擬開關(guān)串聯(lián)構(gòu)成；另一條支路由解調(diào)電路、隔直流電容和負(fù)載電阻串聯(lián)構(gòu)成。
[0027]所述調(diào)制電路由模擬濾波器組成。
[0028]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0029]1.本發(fā)明提供一種無線適配裝置裝置，與有線儀表一同串聯(lián)在電流回路中，使得有線儀表可以通過無線適配裝置接入WIA無線網(wǎng)絡(luò)。
[0030]2.WIA網(wǎng)絡(luò)可以通過無線適配裝置對有線儀表完成變量讀取，狀態(tài)檢測，命令發(fā)送等操作。
[0031]3.裝置將串聯(lián)在有線儀表的電流環(huán)路中，并使用電流環(huán)路為裝置供電。裝置內(nèi)部的模擬電路和微型控制器可以讀取儀表的過程信息和狀態(tài)信息和向儀表寫入控制命令，內(nèi)置無線模塊與WIA網(wǎng)絡(luò)經(jīng)行通訊，從而使將有線儀表的信息接入WIA網(wǎng)絡(luò)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是有無線適配裝置的工業(yè)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D；
[0033]圖2是無線適配裝置與有線儀表電流環(huán)路的連接圖；
[0034]圖3是無線適配裝置電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0035]圖4是無線適配裝置工作過程 圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。[0037]圖1展示了有WIA無線適配器的工業(yè)控制系統(tǒng)10拓?fù)鋱D，包括:后臺WIA服務(wù)器
11;工業(yè)以太網(wǎng)12 ;控制室19和有線HART儀表22組成的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。WIA無線網(wǎng)關(guān)14、無線HART儀表23、通過接口 17連接WIA無線適配器裝置16的傳統(tǒng)有線HART儀表18和作為中繼使用的WIA無線適配器15組成的具有自組織自適應(yīng)功能的WIA網(wǎng)絡(luò)；后臺WIA服務(wù)器11包括工業(yè)計算機(jī)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。其功能是完成對設(shè)備的組態(tài)、對網(wǎng)絡(luò)下設(shè)備的控制、檢測信息采集分析、數(shù)據(jù)的儲存等功能。普通的有線HART儀表22通過2線制4-20mA接口 21與控制室相連接。4_20mA接口 20可以通過接口 17連接WIA無線適配器16，這樣無線適配器16無線信號24與WIA網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備通信15、23、14等，有線儀表的信息通過無線適配裝置將接入WIA網(wǎng)絡(luò)。接口 17不會影響有線HART儀表18通過4_20mA接口 20與控制室19之間的工作。在WIA網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)接口 13接入工業(yè)以太網(wǎng)12，一臺網(wǎng)關(guān)可以通過無線信號24鏈接多臺無線WIA設(shè)備，作為中繼的WIA無線適配器15，WIA無線適配器16可以與無線HART儀表23 —起組網(wǎng)，并且作為中繼的WIA無線適配15在不連接有線儀表的情況下可以配置成網(wǎng)絡(luò)中繼。
[0038]圖2WIA無線適配裝置與有線儀表電流環(huán)路的連接圖，包括WIA無線適配器16、有線HART儀表18、接口 17、控制室19和WIA網(wǎng)絡(luò)25。控制室的電流環(huán)路正端26與無線適配器的正端子31相連接，電流環(huán)路負(fù)端27與有線儀表HART接口端子負(fù)端30相連接。有線儀表HART接口端子正端29通過連接線28與無線適配器的負(fù)端子32相連接。WIA無線適配器16通過無線信號24與WIA網(wǎng)絡(luò)25進(jìn)行通訊。接口 17保證能保證WIA無線適配器置16與有線HART儀表18之間安全穩(wěn)固的連接到一起。控制室19可以是HART總線上的一級主站，等效于電源36與負(fù)載電阻37構(gòu)成，電源36為儀表提供電流，并在電流環(huán)路正端26上通過標(biāo)準(zhǔn)HART信號與有線HART儀表18通訊。負(fù)載電阻37作用是控制環(huán)路壓降，大小由有線HART儀表18決定，如溫度表常采用500歐姆2W的電阻。WIA無線適配器16串聯(lián)到電流環(huán)路中，從而可以發(fā)送和接收電流環(huán)路上疊加的標(biāo)準(zhǔn)HART數(shù)字信號。WIA無線適配器16內(nèi)部電路等效與一個隨電流變化阻值可變的電阻模型33，不會對電路中電流量的改變，所以不會影響環(huán)路中有線HART儀表18和接口 17的控制量和信息量的傳送。WIA無線適配器16可以在HART電流環(huán)路上做二級主設(shè)備，若環(huán)路上無一級主設(shè)備，無線適配裝置也可以配置成一級主設(shè)備。
[0039]圖3WIA無線適配裝置電路結(jié)構(gòu)框圖，由旁路保護(hù)41、濾波電路42、電壓控制電路45、系統(tǒng)模塊46、WIA無線通訊模塊51、微處理器52、HART調(diào)制電路53和HART調(diào)制電路54等電路組成。無線適配器的正端子31和無線適配器的負(fù)端子32串聯(lián)到HART電流環(huán)路中，電流經(jīng)無線適配器的正端子31從內(nèi)部環(huán)路正58流入，最終從無線適配器的負(fù)端子32流出。旁路保護(hù)41并聯(lián)在內(nèi)部環(huán)路正58和內(nèi)部環(huán)路負(fù)59之間，其作用是防止電流和電壓過大損壞內(nèi)部電路，其當(dāng)環(huán)路故障時會鉗制在一個安全電壓下，如果遇到大電流大電壓會短路從而不影響其他設(shè)備的暢通。因此，該部分電路可以采用穩(wěn)壓管、和齊納管進(jìn)行保護(hù)，根據(jù)不同現(xiàn)場的防護(hù)要求也可以采用多級保護(hù)的方法設(shè)計。為了測量環(huán)路上的電流量，在內(nèi)部環(huán)路負(fù)59上串聯(lián)一個電壓降控制43，為了不影響環(huán)路壓降電阻值盡量小，例如選用10歐姆2W，電壓降控制43兩端接差分信號放大器44。系統(tǒng)模塊46兩端接在內(nèi)部環(huán)路正負(fù)58,59,電壓降控制43兩端經(jīng)放大器放大的環(huán)路電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后與電壓降電路相連接。其作用是根據(jù)內(nèi)部環(huán)路正58，內(nèi)部環(huán)路負(fù)59中電流的變化來改變無線適配器的正端子31和無線適配器的負(fù)端子32之間的電壓降，這樣做一方面為電源模塊產(chǎn)生壓降，另一方面可以控制壓降與充電控制電路47相配合限制超級電容49的充電功率在環(huán)路電流變化的情況下保持功率恒定。電壓控制部分可設(shè)計為可控電阻器等方法實現(xiàn)，也可以采用通電壓基準(zhǔn)芯片與差分信號放大器44輸出做比較通過可調(diào)穩(wěn)壓芯片將電流環(huán)路間限制在安全的范圍內(nèi)。系統(tǒng)模塊46并聯(lián)在電壓控制電路45上,為其他電路一方面為微處理器、運算放大器等芯片供電，另一方面為充電控制電路47提供電能。系統(tǒng)模塊46可以選擇線性穩(wěn)壓芯片或是DC-DC模塊。充電控制電路47可以由模擬開關(guān)電路和穩(wěn)壓電路組成，其功能是為超級電容49充電并控制充電電壓在2.2V以下。WIA供電模塊48可以由DC-DC模塊和線性穩(wěn)壓芯片和電容電量監(jiān)控電路組成構(gòu)成。其功能是將超級電容49正端的電壓轉(zhuǎn)換成無線模塊的工作電壓。超級電容49為電能儲能裝置，通過充電控制電路47充電為WIA無線通訊模塊51提供電能，其容量的選型由WIA無線通訊模塊51的發(fā)射功率和WIA供電模塊48的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)系。微控制處理器52可以為具有串口和定時器等外部設(shè)備的低功耗單片機(jī)。其功能一方面通過串口與WIA無線通訊模塊51之間傳遞信息，另一方面對環(huán)路上的HART模擬信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。HART接收過程:首先將內(nèi)部環(huán)路負(fù)59上的模擬HART信號經(jīng)過5.11負(fù)載電阻56和隔直流電容57后通過HART解調(diào)電路54以數(shù)字波形的形式傳送給微處理器52，解調(diào)電路部分可以由比較器和電壓基準(zhǔn)電路組成；微處理器52將信號進(jìn)行分析轉(zhuǎn)換，經(jīng)WIA無線通訊模塊51以無線信號24的形式發(fā)送出去。HART發(fā)送過程:WIA無線通訊模塊51通過無線信號24接收到WIA網(wǎng)絡(luò)信息后通過串口傳給微處理器52 ;經(jīng)過微處理器52分析處理后的信號以數(shù)字波形的形式發(fā)送給HART調(diào)制電路53，HART調(diào)制電路54可由模擬濾波器組成，將數(shù)字波形信號平滑成模擬正弦信號；最后模擬信號經(jīng)過模擬開關(guān)器55發(fā)送到內(nèi)部環(huán)路負(fù)59上。
[0040]壓降控制模塊45由穩(wěn)壓芯片及其外圍電路組成。系統(tǒng)供電模塊46采用TPS61070芯片，將輸入的2V直流電轉(zhuǎn)成3.3V直流電源。微處理器52采用TI公司的M430F149低功耗單片機(jī)。充電控制模塊47為MOS管或模擬開關(guān)芯片。充電控制模塊47并聯(lián)一個穩(wěn)壓芯片。所述穩(wěn)壓芯片采用TLV3491。儲能元件49選用超級電容，電容值不小于0.25F。WIA供電模塊48由DC-DC芯片及其外圍電路組成。
[0041]圖4WIA無線適配器工作過程圖66，框圖從啟動4開始。首先，在為了配置無線適配裝置正常工作需要進(jìn)行初始化61，其包括載入程序、載入歷史數(shù)據(jù)、初始化模擬開關(guān)、檢測電容電壓等操作。接下來，無線適配裝置將將進(jìn)入連接從設(shè)備狀態(tài)62，其通過電流環(huán)路向HART總線上發(fā)送設(shè)備輪詢信息，尋找作為從設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)HART儀表，讀取從設(shè)備的基本信息并保持通訊。然后，無線適配裝置將連接WIA網(wǎng)絡(luò)63，將儀表的基本信息傳到后臺服務(wù)器進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，根據(jù)控制功耗的和實際需要可以配置與WIA網(wǎng)絡(luò)的更新頻率。進(jìn)入處理并傳遞信息64后，無線適配裝置將處理并傳遞來自儀表和WIA網(wǎng)絡(luò)的信息。若無線適配裝置與儀表此時斷開連接時，無線適配裝置依然以網(wǎng)絡(luò)中繼的狀態(tài)存在于WIA網(wǎng)絡(luò)中。最后，進(jìn)入結(jié)束65，無線適配裝置將進(jìn)入休眠狀態(tài)等待下一次啟動。
【權(quán)利要求】
1.一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，其特征在于，所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的正端子用于連接電源，負(fù)端子用于連接有線儀表的正端子，所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置包括: 濾波放大電路，連接所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的兩個端子和供電電路，用于對輸入信號進(jìn)行濾波并放大； 供電電路，連接WIA無線通訊模塊和所述濾波放大電路，用于為WIA無線通訊模塊提供電能； WIA無線通訊模塊，連接微處理器和供電電路，用于在微控制器的控制下發(fā)送無線信號; 微處理器，連接WIA無線通訊模塊和調(diào)制解調(diào)模塊，用于與WIA無線通訊模塊的交互，還用于控制調(diào)制解調(diào)模塊對HART模擬信號的調(diào)制和解調(diào)； 調(diào)制解調(diào)模塊，連接所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的負(fù)端子和所述微控制器； 旁路保護(hù)電路，兩端連接所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的兩個端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，其特征在于，所述供電電路包括 壓降控制模塊，輸入端連接HART總線，輸出端連接系統(tǒng)供電模塊，用于為系統(tǒng)供電模塊提供穩(wěn)定電壓； 系統(tǒng)供電模塊，連接微處理器、壓降控制模塊和充電控制模塊，用于將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為，為微處理器供電和為儲能 元件充電； 充電控制模塊，連接系統(tǒng)供電模塊、微處理器和儲能元件，用于在微處理器的控制下，實現(xiàn)儲能元件的充電使能； 儲能元件，連接充電控制模塊和WIA供電模塊，用于存儲電能； 微處理器，控制充電控制模塊為儲能元件充電，控制WIA供電模塊為WIA無線通訊模塊供電； WIA供電模塊，連接儲能元件和微處理器，用于根據(jù)WIA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在微處理器的控制下，為所述WIA無線通訊模塊提供電能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的供電電路，其特征在于，所述系統(tǒng)供電模塊采用TPS61070芯片，將輸入的2V直流電轉(zhuǎn)成3.3V直流電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的供電電路，其特征在于，所述微處理器采用TI公司的M430F149低功耗單片機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的供電電路，其特征在于，所述充電控制模塊為MOS管或模擬開關(guān)芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的供電電路，其特征在于，所述儲能元件選用超級電容，電容值不小于0.25F。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，其特征在于，所述微處理器還連接復(fù)位電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，其特征在于，所述調(diào)制解調(diào)模塊包括調(diào)制電路、解調(diào)電路、模擬開關(guān)、隔直流電容和負(fù)載電阻； 所述供電電路由兩條并聯(lián)的支路 構(gòu)成，兩端連接微處理器和所述無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置的負(fù)端子:一條支路由調(diào)制電路和1?擬開關(guān)串聯(lián)構(gòu)成；另一條支路由解調(diào)電路、隔直流電容和負(fù)載電阻串聯(lián)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種面向HART設(shè)備的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)適配裝置，其特征在于，所述調(diào)制電路由模擬濾波 器組成。
【文檔編號】H04W88/08GK103889074SQ201210554512
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月19日
【發(fā)明者】趙雪峰, 曾鵬, 徐洪垚, 李金英, 牛澤田, 鄭軍 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所