用于过程控制网络的可转换I/O信号处理器的制作方法

用于过程控制网络的可转换i/o信号处理器


背景技术：

1.过程控制网络在通过控制器调节和控制工业过程的控制系统的控制下将i/o信号传输到现场设备和从现场设备传输i/o信号。现场设备包括传感器和致动器。传感器将表示过程变量的状态的输入信号传输到控制器，并且致动器从控制器接收输出信号并采取行动以影响过程变量。
2.i/o信号可以是模拟信号或数字信号。模拟i/o信号是可变的，其中电压或电流表示过程参数(诸如，流速或阀的期望位置)的幅度。数字i/o信号表示以下两种状态之一：“开/关”、“打开/闭合”等。
3.过程控制中使用的数字输出信号的其他类型被用于驱动继电器或对脉冲进行计数。
4.来自现场设备的i/o现场布线通常被带到中央位置以便于管理。现场布线可以延伸到布线柜中所包含的接线盒的端子集合。电路(在本文中被称为i/o通道)从每个端子集合延伸并且包括最终被连接到控制系统的转换电路。转换电路在与现场设备兼容的i/o信号与在转换电路和控制系统之间使用的数字数据格式之间进行转换。
5.固定模式转换电路在一种类型的i/o信号与数字数据格式之间进行转换。
6.可选模式转换电路在不同类型的i/o信号与数字数据格式之间选择性地进行转换。可选模式转换电路允许将不同类型的现场设备连接到接线盒的每个端子集合。
7.包括用于与多个现场设备通信的多个转换电路的设备在本文被称为i/o信号处理器。i/o信号处理器可以是控制器的一部分，可以是通过过程控制网络与控制系统通信的总站(head station)的一部分，或者可以是过程控制网络上的使控制系统能够直接与每个现场设备通信(即，每个现场设备都有其自己的网络地址)的网络节点。
8.布罗贝克(brodbeck)等人的转让给申请人并通过引用并入本文的美国专利9,971,727“universal i/o signal interposer system(通用i/o信号插入器系统)”公开了被称为插入器的可移除i/o模块，该插入器可以被插入i/o通道中在端子集合与转换电路之间，以处理i/o信号、对现场设备进行供电、在信号路径中插入熔断器或其他辅助设备(ancillary)、以及其他功能。
9.'727专利公开了其中i/o模块附接到底座上承载的连接器的实施例。i/o通道从连接器延伸到线缆连接器半部(half)，使线缆能够将i/o通道承载到控制器上的相匹配的线缆连接器半部。i/o通道从线缆连接器半部延伸到相应的转换电路。
10.图20示出了底座b，底座b被设计用于将多至四个现场设备d连接到四个底座i/o通道部分i。底座i/o通道部分包括用于将i/o模块(未示出)可移除地插入到底座i/o通道部分中的i/o模块电连接器m，并且延伸到附接至底座的d-子插座(d-sub socket)c。插座与四个底座i/o通道部分并联连接。
11.线缆a将i/o通道从d-子插座c延伸到i/o信号处理器p的d-子插座。i/o信号处理器将i/o通道延伸到相应的转换电路(未示出)，所述相应的转换电路在i/o信号和由i/o信号处理器使用的数字数据格式之间进行转换。图19中所示的i/o信号处理器形成过程控制器
的一部分。
12.底座b可以被设计成容纳不同类型和数量的电连接器，以用于在底座和现场设备之间形成电连接，并用于将i/o通道路径延伸离开现场设备。
13.然而，在过程控制行业中，i/o需要接受标准化电气连接。如果被实现，则标准化电气连接将允许在设备的i/o通道路径内将该设备连接和交换到来自不同制造商的过程控制网络。
14.然而，标准化电气连接将带来缺点：i/o设计受限于标准化连接的大小和密度限制。附加地，标准化可以将i/o信号转换功能限定为位于与现场电线终端和i/o模块功能分开的模块中。这再次限制了整个解决方案的大小和密度。另一方面，专有的电连接器设计允许制造商为相比于标准化更重视设计、性能和密度这些特性的过程控制网络的那些操作者优化设计、性能和密度。因此，标准化电气连接和专有电气连接这两种选择都将在未来的行业中具有相关性和价值。
15.将期望使过程控制网络的操作者能够使用专有电气连接来安装现场设备(这可能比标准化电气连接具有优势)，同时允许操作者稍后更改为使用行业标准化电气连接而无需对过程控制网络进行重大更改，或者如果他们希望在未来更改电气连接，则不会产生大量成本。
16.替代地，将期望使过程控制网络的操作者能够使用行业标准化电气连接来安装现场设备，但在未来能够更改到专有电气连接(以节省空间、增加现场设备的数量、或利用专有电气连接的其他优势)。
17.因此，将期望提供一种可转换i/o信号处理器，该可转换i/o信号处理器使网络操作者能够在使用专有电气连接将现场设备连接到过程控制网络与随后使用工业标准化电气连接来连接现场设备之间进行转换(或反之亦然)。


技术实现要素：

18.公开了一种用于过程控制网络的可转换i/o信号处理器，该可转换i/o信号处理器为网络操作者提供了通过可选类型的电连接器(诸如，线缆、接线盒等)在将多个现场设备连接到i/o信号处理之间进行转换的选项。在实施例中，可移除i/o模块可以被插入i/o通道中。
19.利用所公开的可转换i/o信号处理器使得过程控制网络的操作者能够使用专有电气连接来安装现场设备，同时使得能够未来转换到标准化电气连接(并且反之亦然)，而无需对过程控制网络进行重大更改，并且不会产生大量成本。
20.根据本公开的可转换i/o信号处理器的实施例包括接口模块和信号处理模块。接口模块包括第一底座，以及在第一底座上的一个或多个第一电连接器集合、第二电连接器、和第一i/o通道部分集合。每个第一i/o通道部分包括并被电连接到相应的第一电连接器集合和第二电连接器。
21.信号处理模块包括第二底座、信号处理器、在第二底座上的第三电连接器、以及与信号处理器相关联的第二i/o通道部分集合。第二i/o通道部分集合电连接信号处理器和第三电连接器。信号处理器包括在每个第二i/o通道部分中的相应转换电路，该相应转换电路在i/o信号和由过程控制网络使用的数字数据格式之间进行转换。
22.第二电连接器和第三电连接器可移除地附接到彼此。第二电连接器和第三电连接器在附接到彼此时将第一i/o通道部分集合中的每个第一i/o通道部分与第二i/o通道部分集合中的相应第二i/o通道部分电连接。
23.接口模块可选择性地与信号处理模块附接和拆卸，以使得i/o信号处理器能够在不同的操作配置之间进行转换。
24.在i/o信号处理器的实施例中，第一底座包括上表面和相对的下表面。设置的一个或多个第一电连接器集合位于上表面上，并且第二电连接器位于下表面上。
25.第二底座包括上表面，第三电连接器设置于第二底座的上表面上。当第二电连接器和第三电连接器附接到彼此时，第一底座的下表面被配置成用于覆盖第二底座的上表面。
26.可以提供具有不同配置或类型的第一电连接器集合的接口模块，或者将不同数量或类型的现场设备连接到接口模块的接口模块。
27.例如，实施例中的接口模块可以被配置成用于连接到四个现场设备、少于四个现场设备或多于四个现场设备。在实施例中，第一电连接器集合可以被配置为线缆插头或线缆插座以接收线缆(诸如图20中的线缆a)的端部，或者被配置为具有端子集合的接线盒，每个端子集合被配置成用于直接连接(land)和端接现场设备的现场电线。
28.实施例中的接口模块的i/o通道路径包括附加连接器，该附加连接器可移除地附接i/o模块，诸如在'727专利中公开的用于信号处理、辅助插入、简单信号直通(pass-through)等的i/o模块类型。
29.接口模块的底座可以被形成为印刷电路板。信号处理模块的底座可以包括安装第三电连接器的印刷电路板。信号处理器可以被安装在相同的印刷电路板上或不同的印刷电路板或底座部分上。
30.随着描述的进行，本公开的其他目的和特征将变得显而易见，尤其是在结合示出一个或多个非限制性实施例的附图进行描述时。
附图说明
31.图1是根据本公开的处于通过具有可移除i/o模块的分开的底座附接到现场设备的第一操作配置的i/o信号处理器的示意图。
32.图2是图1所示的处于第二操作配置的i/o信号处理器的示意图，在第二操作配置中，现场设备的现场电线与可移除i/o模块一起被直接附接到i/o信号处理器。
33.图3和图4分别是图1所示的i/o信号处理器的信号处理模块的俯视图和侧视图。
34.图5和图6分别是图3所示的被容纳在i/o信号处理器的底座壳体中的信号处理模块的俯视图和侧视图。
35.图7和图8分别是第一实施例接口模块的俯视图和侧视图。
36.图9和图10分别是图7所示的附接到图5所示的信号处理模块以形成图1所示的i/o信号处理器的第一操作配置的接口模块的俯视图和侧视图。
37.图11和图12分别是第二实施例接口模块的俯视图和侧视图。
38.图13和图14分别是图11所示的附接到图5所示的信号处理模块的接口模块的俯视图和侧视图。
39.图15和图16分别类似于图13和图14，但其中i/o模块插入接口模块中以形成如图2所示的i/o信号处理器的第二操作配置。
40.图17和图18分别是部分地被框架包围的接口模块的印刷电路板的俯视图和侧视图。
41.图19是附接到第二实施例信号处理模块的第一实施例接口模块的示意图。
42.图20示出了i/o信号处理器通过线缆被连接到与现场设备相连接的底座，可移除i/o模块被插入底座中。
具体实施方式
43.图1示出了根据本公开的可转换i/o信号处理器10。i/o信号处理器可在至少两个操作配置之间转换，如将在下面更详细地描述的。i/o信号处理器可被配置用于一般环境或危险环境。
44.图1示出了处于第一操作配置的i/o信号处理器10。在该配置中，多至四个现场设备d可以使用具有d-子插头(d-sub plug)的线缆a被连接到i/o信号处理器。现场设备的现场电线被连接到类似于图20中所示的底座b的底座b的底座端子。底座b限定了具有类似底座i/o通道部分的集合i，所述具有类似底座i/o通道部分的集合i从底座端子延伸到d-子插座c。每个底座i/o通道部分包括i/o模块电连接器m(插入i/o模块连接器的i/o模块未在图1中示出)。线缆a被附接到底座线缆连接器c并延伸到i/o信号处理器10。
45.处于该第一操作配置的可转换i/o信号处理器10包括暴露的电连接器，该暴露的电连接器形成为可操作地连接到信号处理器14的d-子插座12。d-子插座12连接到线缆a的端部。在所示的实施例中，d-子插座12可与多至四个现场设备连接。d-子插座12形成延伸到信号处理器14的处理器i/o通道部分集合16的一部分。
46.如图1所示，底座i/o通道部分i、线缆a、和处理器i/o通道部分集合16协作以限定i/o通道，该i/o通道连接设备d的现场电线和信号处理器14。每个i/o通道被连接到信号处理器的相应转换电路48(图3中所示)，相应转换电路48在与附接到i/o通道的现场设备兼容的i/o信号与过程控制系统的操作所需的数字数据格式之间进行转换。
47.信号处理器14经由网络端口、通信总线、线缆或其他形式的数据传输来传输根据从现场设备接收的i/o信号转换的数字数据，并接收要被转换成用于现场设备或用于信号处理器的操作(例如，以设置可选模式转换电路的操作模式)的i/o信号的数字数据。
48.转换电路可以是固定转换电路、可选模式转换电路、或固定转换电路和可选模式转换电路的混合。可用于i/o信号处理器的转换电路的示例包括但不限于由市售的模拟设备(analog devices)ad74412r或ad74413r信号处理集成电路所提供的那些(模拟设备公司(analog devices,inc.)，一种技术方式(one technology way)，美国马萨诸塞州诺伍德02062-9106(norwood massachusetts 02062-9106usa))。
49.图2示出了处于第二操作配置的i/o信号处理器10，该第二操作配置使得能够将多达四个现场设备d的现场电线直接连接到i/o信号处理器10。为了简化附图，仅一个现场设备d被示出连接到i/o信号处理器。
50.处于该第二操作配置的i/o信号处理器10包括暴露的接线盒18，该暴露的接线盒18具有四个相应的电连接器集合，该电连接器集合被形成为用于连接现场设备的现场电线
的端子20。每个端子集合20形成相应处理器i/o通道部分22的一部分，该处理器i/o通道部分22延伸到并包括暴露的i/o模块电连接器24并且从该i/o模块电连接器延伸到信号处理器14。i/o模块电连接器可移除地保持i/o模块26。
51.信号处理器14不会随着i/o信号处理器10的操作配置的改变而改变。
52.i/o模块26与处理器i/o通道部分22协作以限定连接设备d的现场电线和信号处理器14的i/o通道。
53.如下文更详细描述的，i/o信号处理器10包括底座壳体、设置在底座壳体中的包括信号处理器14的信号处理模块、以及一个或多个可移除接口模块，所述一个或多个可移除接口模块附接到信号处理模块以建立i/o信号处理器的操作配置。接口模块使网络操作者能够选择与i/o信号处理器的现场连接的类型。
54.图3和图4示出了信号处理模块28。信号处理模块包括通常为矩形的印刷电路板30，印刷电路板30具有上表面32和相对的下表面34，上表面32和相对的下表面34分开板的厚度。设置在印刷电路板的第一上表面端部部分36上的是信号处理器14。印刷电路板的相对的上表面第二端部部分38的大小被设计成允许将接口模块放置在其上，如以下稍后所述。设置在第二端部部分上的是紧密间隔的薄型(low profile)btb(板对板)连接器对(pair)40和表面安装的螺纹支架(standoff)集合42。
55.信号处理器14与由印刷电路板30限定的从信号处理器延伸到btb连接器的i/o通道部分集合44相关联。i/o通道部分集合包括四个分开的i/o通道部分。在信号处理器中，每个i/o通道部分46包括转换电路48。转换电路中的一个被示为可选模式转换电路，该可选模式转换电路的操作模式通过操作模式控制电路49被设置。在可能的实施例中，一些、全部或没有转换电路可以是可选模式转换电路。
56.每个转换电路48将数字数据格式的数据输出到相应的数字输出电路部分50。数字输出电路部分延伸到通信电路52，通信电路52传输根据从现场设备接收的i/o信号转换的数字数据，并接收要被转换成用于现场设备或用于信号处理器的操作(例如，以设置可选模式转换电路的模式)的i/o信号的数字数据。通信电路可以经由网络端口、通信总线、线缆或其他形式的数据传输来发送和接收数字格式的数据。
57.图5和图6示出了固定安装在底座壳体54中的信号处理模块28。底座壳体包括从封围主体的下端的下壁58延伸的大致矩形的主体56和部分封围主体的上端的上壁60。所示实施例中的主体包括将底座壳体安装到din导轨r的安装结构。
58.底座壳体54被配置成使得数个信号处理模块28能够在din导轨上并排紧密地间隔开。
59.信号处理模块28被设置在壳体主体56内靠近主体的上端。上壁60包括平壁部分62和倾斜壁部分64。平壁部分覆盖信号处理器14。倾斜壁部分从平壁部分延伸朝向信号处理模块，但在阻碍进入信号处理模块的第二上表面部分38的上侧的入口之前停止。倾斜壁部分限定通口(through-opening)68，通口68有助于在壳体主体的内部进行通风。壳体主体包括附加的通风开口(未示出)，该附加的通风开口使空气能够穿过底座壳体的内部。
60.图7和图8示出了第一接口模块70，第一接口模块70将i/o信号处理器10置于图1所示的第一操作配置中。接口模块包括通常为矩形的印刷电路板72，印刷电路板72具有上表面74和相对的下表面76，上表面74和相对的下表面76分开印刷电路板的厚度。上表面上承
载的是表面安装的d-子插座78。下表面上承载的是两个具有多个接触垫的集合80(接触垫集合的厚度在图中被夸大了)。印刷电路板将d-子插座与接触垫集合电连接，以限定从d-子插座延伸到接触垫的模块i/o通道部分(未示出)。
61.通孔(through-hole)集合82延伸穿过印刷电路板的厚度。
62.图9和图10示出了i/o信号处理器10，其中第一接口模块70被附接到信号处理模块28。接口模块的印刷电路板72的大小被设计成被容纳在信号处理模块的第二上表面端部部分38的突出外周边内。接口模块的下表面76面对信号处理模块的上表面32。通孔82与支架42对齐，以将接口模块相对于信号处理模块固定定位，延伸穿过孔并进入支架的螺钉(未示出)将接口模块与信号处理模块可移除地紧固，并用于在使用期间相对于信号处理模块基本固定接口模块。接口模块的接触垫集合80接触信号处理模块的btb连接器对40，从而将接口模块与信号处理模块电连接。接口模块和信号处理模块由此协作形成图1所示的处理器i/o通道部分集合16。
63.图11和图12示出了第二接口模块84，第二接口模块84将i/o信号处理器10置于图2所示的第二操作配置中。第二接口模块包括大致矩形的印刷电路板86，该大致矩形的印刷电路板86的大小与第一接口模块70的印刷电路板相似。印刷电路板包括以印刷电路板的厚度分开的上表面88和下表面90。下表面上承载的是两个具有多个接触垫的集合92，该接触垫与第一接口模块的接触垫类似。通孔(与第一接口模块的通孔类似)集合94延伸穿过印刷电路板的厚度。
64.第二接口模块84使现场设备的现场电线能够在第二接口模块处终止。代替线缆连接器，第二接口模块包括接线盒96，该接线盒96包括形成为四个端子集合98的电连接器集合。每个端子集合被配置用于连接现场设备的现场电线。接线盒被表面安装在印刷电路板86的上表面88上。
65.电连接器集合98的数量、每个集合的电连接器的数量以及电连接器的类型在各实施例中可以不同，这取决于可连接到第二接口模块84的现场设备的数量、从现场设备延伸的现场电线的数量、使用环境等等。
66.第二接口模块84进一步包括i/o模块连接器集合100，i/o模块连接器集合100可操作地连接到端子集合98，每个i/o模块连接器可移除地安装i/o模块。i/o模块可以是'727专利中公开的类型，用于信号处理或i/o信号的直通，向连接的现场设备供电，在信号路径中插入熔断器、继电器或其他辅助设备(ancillary)，提供测试点等等。还可以提供i/o模块，该i/o模块在操作期间提供i/o通道的诊断，实现在过程控制网络的正常操作之前对所附接的现场设备进行预调试(pre-commissioning)评估，或其他功能。印刷电路板将端子集合与i/o模块连接器电连接并且将i/o模块连接器与接触垫集合92电连接，以限定从端子集合延伸到i/o模块连接器并从i/o模块连接器延伸到接触垫的模块i/o通道部分。
67.图13和图14示出了附接到信号处理模块28的第二接口模块84，第二接口模块的下表面90面对信号处理模块的上表面32。螺纹穿过第二接口模块的孔94的螺钉(未示出)将第二接口模块与信号处理模块对齐并附接。如前所述，接触垫集合94接触btb连接器40以将接口模块与信号处理模块电连接。接口模块和信号处理模块由此协作(与被安装时的i/o模块一起)形成图2所示的处理器i/o通道部分集合22。
68.图15和图16类似于图13和图14，但还示出了插入第二接口模块84的i/o连接器100
的i/o模块102。i/o模块通过被设置抵靠底座壳体54的平坦上壁部分60(见图6)而提供额外的机械支撑。i/o模块从底座壳体54的上端延伸出去，以提供对可由i/o模块提供的终端、接入点等的入口。
69.i/o模块还可以包括与壳体54接合的闩锁等，该闩锁有助于固定i/o模块的附接。
70.如图17和图18所示，在可能的实施例中，诸如接口模块106之类的接口模块的印刷电路板被u形框架104部分地包围，u形框架104由塑料或尼龙制成并且沿着印刷电路板106的三个侧面延伸。相对的可变形的闩锁钩对(pair)108延伸远离框架的相对腿。该框架延伸超出印刷电路板的下侧，使得闩锁钩有助于将接口模块与信号处理模块28对齐。
71.当接口模块附接到信号处理模块时，闩锁钩卡扣在信号处理模块的印刷电路板30的下表面上。替代地，所有闩锁钩或闩锁钩中的一些接合壳体54。
72.在实施例中，框架104是围绕印刷电路板106的整个外周边延伸的矩形框架。框架可以包括沿框架定位的足够数量的闩锁钩，这些闩锁钩有助于将接口模块与信号处理模块28和/或壳体54可拆卸地附接，并且在使用期间相对于信号处理模块固定接口模块，而无需螺钉或其他可拆卸/可移除紧固件。
73.在其他可能的实施例中，接口模块106可以通过闩锁或其他保持结构(未示出)可移除地保持在框架104中，以使得在将接口模块与信号处理模块进行互换时能够将接口模块和框架作为单个单元进行处理。
74.示出的信号处理模块28包括安装接口模块和信号处理器的单个印刷电路板。图19示出了附接到第二实施例信号处理模块28的接口模块70，该第二实施例信号处理模块28具有通过板对板连接器电连接到下印刷电路板32b的上印刷电路板32a。接口模块被附接到上印刷电路板，并且信号处理器14在下印刷电路板上。信号处理模块的i/o通道部分延伸穿过板对板连接器。
75.尽管已经详细描述了两个接口模块，但这并不旨在将其限制为可以适用于使用的不同类型的接口模块。例如，第一接口模块的实施例可以包括多个线缆插座或插头。可以包括不同类型的插座或插头，包括用于与专有线缆对接的设计，并且可以提供插座或插头的混合类型。第二接口模块的实施例可以使端子集合直接与接触垫连接，从而省略i/o模块连接器。该接口模块可以被设计成同与所示接口模块不同数量的现场设备连接。代替线缆连接器或端子的是，可以提供不同的连接器类型或连接器类型的不同混合，以适应不同类型的现场设备的不同现场接线需求。
76.在根据本公开的接口模块的实施例中，可用于连接现场设备的电线的电连接器的其他示例包括但不限于：其中电线端接在电连接器上的可插拔电线连接器，其中电线进入直接固定在接口模块上的端子的固定端子，可移除地安装在接口模块上以实现电连接器与接口模块的机械和/或电断开而不会干扰到电连接器的现场电线附接的电连接器，与附接到单独的现场电线并形成单独的现场电线的一部分的对应母或公电连接器配合的公或母电连接器，用于连接包含从现场设备延伸的现场电线的线缆的线缆连接器、排针(pin header)等。
77.尽管公开和描述了一个或多个实施例，但应当理解，这是能够修改的，并且本公开的范围不限于所阐述的精确细节，而是包括对拥有本公开的普通技术人员显而易见的修改，包括(但不限于)对材料选择、接口模块形状或配置、信号处理模块形状或配置、壳体形
状和安装配置的改变，以及落入本公开和所附权利要求范围内的这种变化和变更。