显示和/或操作模块的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的显示和/或操作模块、根据权利要求11的前序部分所述的模块化现场设备以及根据权利要求14所述的这种显示和/或操作模块的用途。

背景技术：

1、在过程自动化技术中，通常使用用于检测和/或影响过程变量的现场设备。这种现场设备的示例是具有传感器的填充物位测量装置、极限物位测量装置和压力测量装置，该传感器检测相应的作为过程变量的填充物位、极限物位或压力。通常，这种现场设备连接到诸如控制系统或控制单元等上级单元。这些上级单元用于过程控制、过程可视化和/或过程监测。

2、通常根据已知的4ma至20ma标准进行现场设备和上级单元之间的能量和/或信号传输，在该标准中，在现场设备和上级单元之间形成4ma至20ma的电流回路或双线线路。除了信号的模拟传输之外，测量设备还可以根据各种其它协议(特别是数字协议)将其它信息传输到上级单元，或从上级单元接收其它信息。这方面的示例是hart协议或profibus-pa协议。此外，可以根据目前正在开发的基于以太网的双线标准高级物理层(apl：advancedphysical layer)来实现供电和数字通信。

3、这些现场设备还通过4ma至20ma的电流信号供电，因此除了双线线路之外不需要额外的供电线路。为了保持尽可能低的布线和安装工作量以及安全措施(例如，在防爆区域使用时)，也不期望的是设置额外的电源线。例如，与四线制现场设备相比，双线制现场设备的安装和布线的工作量显著减少。在双线制现场设备的情况下，由于电源电压如上所述地通过双线线路实现，因此完全省去了该电源电压的额外安装和布线。尤其在必须遵守防爆规定的应用中，这提供了很大优势，因为必须在规划时已经考虑到用于电源电压的单独线路和为此需要的额外部件。

4、双线制现场设备也可被设计为本质安全型，因此在防爆(ex)区域中具有更广的使用范围。防爆区域中的现场设备的维护工作在双线制现场设备的情况下比例如在四线制现场设备的情况下明显更容易和更安全，因为即使在进行测量操作时也可以安全地进行维护工作。相反，在四线制设备中，必须首先中断电源，并确保其不被重新接通。通常，这在通常距离测量点很远的连接室中进行。

5、例如，在现有技术中已知的是，使用无线电模块更容易地操作和参数化现场设备。已知的解决方案是，现场设备具有集成的无线电模块，或者布置在测量换能器供电单元(用于向现场设备供应能量的设备)中。

6、越来越多的现场设备需要远程可读性，该远程可读性通过简单的灯光信号(类似于交通信号灯)来通知现场设备的状态或者超过或低于预定的测量值或极限值，因为在此方式下不必在现场设备的现场或与其建立无线电连接就能够提供关于现场设备的状态的第一信息。

7、此外，在现有技术中已知的是模块化现场设备，在该模块化现场设备中，可以从多个可组合的传感器、壳体、电子单元以及操作和/或显示单元中进行选择，并且可以构成相应的现场设备。例如，威格仪表公司(vega grieshaber kg)提供了这种模块化现场设备概念。通常，可以将传感器、提供测量值处理以及用于控制器和可能使用的现场总线的接口的相应电子模块以及各种显示和/或操作单元组合。传感器、电子模块以及显示和/或操作单元彼此适配并且适用于各种可用的壳体。

8、在此，电子模块适用于分别使用的传感器并实现信号处理，并且例如优选地具有模拟和/或数字通信接口和/或电源和/或用于显示和/或操作单元的接口。此外，电子模块可以具有用于与传感器和/或显示和/或操作单元接触的机械接口。

9、用于数字传输测量和诊断信息以及用于无线操作和参数化现场设备的无线电接口是自动化技术领域中工业物联网应用的重要基石。为此，许多不同的无线电标准是可能和常见的，这些无线电标准例如是wlan(ieee 802.11)、蓝牙(iee 802.15.1)、lorawan(lora-alliance工业联盟)、nb-iot/4g(3gpp第13版)、5g(3gpp第15版)、wirelesshart(iec62591)、sigfox(sigfox专有)等。

10、这些无线电标准中的每者都有不同的优点和缺点。例如，蓝牙由于可以在短距离内以大数据速率传输，因此非常适合在近距离(最远约25m)操作现场设备。然而，由于有效距离较短，它仅在有限的范围内适合于自动化技术中很常见的远距离或大型系统中的数据传输。另一方面，例如，lorawan的带宽过小，无法用于设备操作，但其优点在于可以以非常低的能耗远距离(几公里)传输少量数据，这非常适合于传输测量值或状态信息，但不太适合操作。因此，仅实施这些无线电标准中的一者严重限制了应用可能性。

11、此外，这些无线电标准中的一些标准(例如，lorawan、nb-iot或5g)依赖于公共或专用网络，以便将现场设备的数据进一步传输到目的地。在世界各地的公共或专用网络下，上述无线电标准均不可用。

技术实现思路

1、本发明的目的是进一步开发根据现有技术的显示和/或操作模块以及现场设备，使得它们可以更灵活地使用并且不具有上述缺点。

2、该目的通过具有权利要求1的特征的显示和/或操作模块、具有权利要求11的特征的模块化现场设备以及根据权利要求14的显示和/或操作模块的用途来实现。

3、一种根据本发明的用于现场设备的显示和/或操作模块，其包括壳体、布置在壳体中的显示单元以及电子单元，其中，显示和/或操作模块包括数据接口和至少一个机械接口，机械接口用于将显示和/或操作模块连接到现场设备，数据接口用于显示和/或操作模块与现场设备的电子模块之间的通信。根据本发明的显示和/或操作模块的特征在于，电子单元具有至少一个第一无线电接口和至少一个另外的不同于第一无线电接口的第二无线电接口，其中，无线电接口被适当地设计和布置为用于外部通信。

4、在现有技术中，现场设备通常已经装配有显示和/或操作模块，例如显示和/或操作模块上可以现场读取测量值或者可以配置现场设备。由于显示和/或操作模块通常已经具有用于显示测量值和/或用于配置现场设备的相应电子元件，因此通过在这种显示和/或操作模块中集成至少两个无线电接口，可以实现节省空间的结构和电气上有利的结构。在这种配置中，无线电接口可以只传输已处理的测量值或相应的配置特征，因此不必多次安装相应的电子元件。

5、有利地，在显示和/或操作模块与电子单元之间以有线的方式传输显示和/或操作信息。因此，如果无线电接口也布置在显示和/或操作模块中，则在此也在显示和/或操作模块的无线电接口与电子单元之间以有线的方式传输显示和/或操作信息。通过相应的布置，能够将无线电接口特别简单地集成到现有的现场设备概念中，其中，特别地，不需要为此改变现场设备，尤其不需要改变现场设备的电子模块。

6、通过上述组合，新的和现有的设备都可以装配有具有多个用于外部通信的无线电接口的上述显示和/或操作模块，并且可以利用由此产生的优势。尤其在使用现场设备的大型且不明确的设施中，有利的是，操作员不必直接在现场设备上工作以进行参数化或其它配置，而是可以通过无线电链路完成。

7、在本技术中，“外部通信”应理解为与布置在与显示和/或操作模块耦接的现场设备外部的部件或单元进行的通信。在此，“外部”是指位于至少为10cm的空间距离处的布置。

8、特别地，无线电接口可被设计为蓝牙接口、wifi接口或lpwan接口。已经证明，上述接口具有足够的数据吞吐量，并且目前已在工业环境中使用。

9、此外，显示和/或操作模块还可以具有nfc接口，该nfc接口特别可用于用户验证。nfc接口可用于确保用户能够物理访问现场设备，并被授权对其进行操作。此外，可以通过nfc来支持蓝牙连接的连接建立(其中，在必要时交换连接参数)，且/或通过nfc提供用于蓝牙连接的其它参数。

10、nfc是一种基于rfid技术的国际传输标准，其用于通过电磁感应在13.56mhz的频率下借助于松散耦接的线圈在几厘米的短距离内进行非接触式数据交换。

11、蓝牙连接是符合ieee 802.15.1的用于通过无线电信号在短距离内传输数据的工业标准。

12、wifi(符合ieee 802.11，也被称为无线局域网(wlan))同样是指通过无线电信号的数据传输。在这种情况下，它可能是办公室、家庭和工业领域中最常见的通过无线电进行数据传输的标准。

13、缩写lpwan(低功耗广域网)涵盖了各种类型的网络协议，这些网络协议用于将低功耗设备(例如，电池供电型传感器)连接到服务器。这些协议被设计为使得能够以低运营成本实现终端设备的长距离和低能耗。示例性的lpwan技术是lorawan、lte-m、nb-iot和sigfox。

14、lorawan(作为远程广域网(lorawan：long range wide area network)的简称)是lora联盟的标准。它说明了无线电技术和协议技术。

15、lte-m和nb-iot是由3gpp标准化的并在4g移动网络和5g下仍然可用的无线电标准。例如，nb-iot使用gsm-900频带的移动无线电频率，该移动无线电频率由于移动无线电终端设备向更高频带的进一步发展而开启。sigfox是法国同名公司sigfox sa的专有无线电系统，它在srd频带(欧洲为868兆赫，美国为902兆赫)下运行。

16、总体而言，由于网络覆盖范围根据无线电标准和区域而变化，因此通过用于不同无线电通信的多个无线电接口，可以结合现场设备实现现场设备的更大地理应用范围。

17、显示和/或操作模块可以安装到现场设备且/或耦接到现场设备，特别地，显示和/或操作模块可以机械地和/或通信地耦接到现场设备。这种显示和/或操作模块的机械耦接可以例如通过卡扣机构、夹紧机构、钩机构、卡口锁、磁性耦接机构等实现。现场设备与显示和/或操作模块之间的通信耦接优选地以有线方式实现，但也可以通过另一用于内部通信的无线电接口实现。可以通过nfc或rfid进行数据和能量传输，因此可以省去显示和/或操作模块的有线耦接。

18、此外，显示和/或操作模块被布置成与现场设备分离，并且具有单独的电源。

19、显示和/或操作模块被设计为使得其可以安装在相关现场设备的壳体内。因此，显示和/或操作模块可以以与相关传感器相同的方式免受外部环境的影响，而不会产生其自身壳体的额外成本。

20、此外，可以通过具有多个无线电接口的实施例来提高安全级别，从而改善了对使用现场设备的过程设施的防篡改。例如，如果经由第一无线电接口(例如，蓝牙)进行设备的参数化，则可以经由另一无线电接口(例如，第二无线电接口)将该信息传送到系统或人员。然后，例如也可以经由第二无线电接口对经由第一无线电接口的访问进行确认或许可。

21、在一优选实施例中，第一无线电接口和第二无线电接口使用不同的频带和/或协议。通过使用不同的频带，可以实现特别灵活的使用，因为可以以此方式组合使用不同无线电标准的地理覆盖范围。此外，相应安装的不同当地条件可能导致一个或另一个无线电接口更适合或更不适合于通信。例如，亚千兆赫兹频带(lpwan)只能传输少量数据，但传输距离远，并且穿透率高。相比之下，更高的频率可以传输更多的数据，但只能传输更短的距离。例如，可以通过亚千兆赫网络仅传输传感器有问题的状态(即，消息)。为了解决该问题(即，为了读出传感器的回波曲线)，客户/用户必须使用操作工具通过蓝牙更靠近传感器，以读出回波曲线。

22、补充地或替代地，无线电接口可以具有不同的数据速率。根据期望的服务，需要不同的数据速率。例如，现场设备的配置和参数化需要比测量值传输更高的数据速率。同时，具有更高数据速率的无线电接口也比具有更低数据速率的无线电接口需要更多的能量。然而，这意味着可以根据相应的用途选择在所需数据速率下消耗最少能量的无线电接口。

23、在一实施例中，第一无线电接口可被设计为用于与第一上级单元通信，并且第二无线电接口可被设计为用于与第二上级单元通信，其中，第一上级单元和第二上级单元执行不同的功能。

24、例如，这些无线电接口中的一个无线电接口可以连接到中央维护和监测平台，另一无线电接口可以连接到用于数据检测和测量值可视化的上级单元，并且又一无线电接口可以连接到用于现场设备的配置和参数化的上级单元。

25、在这一点上应指出的是，本发明不限于两个或三个无线电接口，还可以具有多个无线电接口(例如，四个或五个无线电接口)。

26、此外，无线电接口也可以同时地或交替地与多个上级单元进行通信。

27、不同的无线电接口也可以形成并行的数据路径。这在需要创建冗余的情况下是有用的。特别地，例如，第一无线电接口可以形成第一数据路径，并且第二无线电接口可以形成第二数据路径并连接到同一上级单元。在此，例如，与上级单元的连接可能发生在不同层级。

28、补充地或替代地，不同的无线电接口可以具有不同的访问权限和/或授权和/或不同的可用性。因此，可以仅通过其中一个无线电接口来允许读取和写入访问，其中，所有其它无线电接口仅被设计为具有读取权限的信息路径。

29、有利地，显示和/或操作模块的供电由现场设备提供，并且例如可以由内部储能单元和/或优选地由内部能量收集模块支持。这对于以下现场设备是特别有利的，这些现场设备的可用能量在特定或所有操作状态下仅足以用于操作现场设备，但不是在每个操作状态下都足以用于操作额外设备。在这些情况下，显示和/或操作模块本身可以收集并临时存储能量，或者在存在现场设备不需要的能量的操作状态下，可以存储该能量并在以后的时间使用。内部储能单元例如可被设计为电容器、蓄电池或用于临时缓冲能量的类似储能单元。根据尤其用于发送和/或接收数据的无线电标准，在短时间内需要的能量比通过相关现场设备获得的能量更多。在需要较少能量的时间，这种能量可以逐渐缓存在内部储能单元中，以便用于以后的数据发送/接收。可选地，可以额外包含能量收集模块，该能量收集模块从环境中提取能量并将其临时存储在内部储能单元中。

30、有利地，现场设备和显示和/或操作模块都被配置为依照保护类型ex ia是本质安全的，并且有利地完全通过现场设备的双线线路供电。在此，优选地，根据4ma至20ma标准、双线profibus pa或通过双线以太网连接(优选为以太网apl)、基金会现场总线连接向现场设备供电。

31、可选地，至少一个无线电接口可以具有用于连接至少一个外部天线的天线适配器。通过连接外部天线，即使在现场设备的不利安装情况下，且在该不利安全情况下，在现场设备的位置处的无线电连接仅是不胜任的或不可能的，也可以通过适当地定位外部天线来实现无线电连接。

32、在一优选实施例中，为安装的无线电接口的部分或全部提供公共天线适配器，该公共天线适配器被适当地设计和布置为使得可以连接外部多频带天线。

33、有利地，显示和/或操作模块包括电源管理单元，该电源管理单元以时间控制和/或事件控制的方式启用和/或停用无线电模块。利用这种电源管理单元，在不需要无线电接口时停用它们，而仅在有待进行或计划进行无线电通信时才激活它们，从而可以实现需要尽可能少能量的无线电通信。可以以时间控制的方式(例如，以固定的时间间隔)或者以事件控制的方式(例如，当存在测量值或警报消息等时)进行这种激活。

34、经由用于与显示和/或操作模块耦接的现场设备的接口向显示和/或操作模块供电。在此，基础设备(例如，现场设备的电子模块)负责向显示和/或操作模块提供多少能量。然后，显示和/或操作模块的电源管理系统决定如何控制各个无线电接口。例如，当用户通过蓝牙与设备通信时，可以关闭或仅偶尔使用其它无线电接口。为此，显示和/或操作模块可以具有自身的储能单元或能量缓冲存储器，其在足够长的时间内为无线电接口供电。在此，显示和/或操作模块的电源管理系统决定它如何控制各个无线电接口。

35、有利地，显示和/或操作模块被设计为能够用于改装现有的现场设备的替换模块。以此方式，已有的显示和/或操作模块可以被本模块取代，并且因此可以毫无问题地改装现有设备。显示和/或操作模块是可拆卸的，也就是说，在需要时，它也可以随后被插入，并且因此是可改装的，可以从现场设备移除该显示和/或操作模块并插接在另一现场设备上。由此，也带来了成本优势，只有在需要无线电接口时才需要插入具有集成无线电接口的显示和/或操作模块，而在没有无线电传输的应用中可以省去。

36、根据本发明，还提供了具有根据以上说明的显示和/或操作模块的模块化现场设备以及根据以上说明的显示和/或操作模块的用于改装现有现场设备的用途。

37、用于构造现场设备的模块化现场设备概念包括多个不同的壳体、多个不同的传感器以及多个不同的能够连接到传感器的显示和/或操作单元，其中，现场设备系统包括至少一个显示和/或操作单元，显示和/或操作单元具有用于不同的无线电标准的至少两个不同的无线电模块，以用于与另一单元进行无线通信。

38、在此，这种现场设备概念包括一系列可更换的和相互协调的模块，其中，至少一个显示和/或操作单元具有至少两个不同的集成无线电模块。以此方式，可以通过简单地更换显示和/或操作单元而使最初被配置为没有无线电模块的现场设备装配有无线电模块。因此，也可以利用模块化结构以简单的方式改装旧的现场设备。

39、优选地，完全通过现场设备的双线接口向现场设备和显示和/或操作模块供电。因此，优选地也通过相关现场设备向无线电接口供电，在过程测量技术中，这通常通过双线4至20ma电流接口进行，可选地利用hart通信进行。在一实施例中，双线接口可以根据4至20ma标准来设计。然而，其它供电选项(例如，四线接口)也是可能的。由于不必为该模块单独供电，因此简化了安装并降低了成本。因此，也可以容易将该显示和/或操作模块改装到现有设备上。

40、替代地，双线接口可被设计为双线以太网接口，特别是以太网apl接口。显示和/或操作模块优选地被配置为本质安全的，即它符合保护类型ex ia。为此，尤其因为它仅由优选为也是本质安全的相关现场设备供电，所以显示和/或操作模块中的能量被限制到防止爆炸性气体点燃的程度。这样做的优点是它可以插接到本质安全的现场设备上，而不会违反本质安全着火保护。显示和/或操作模块的本质安全配置显著扩展了应用领域，因为尤其在过程测量技术中许多现场设备被配置为本质安全的，并且它们只能通过本质安全模块进行扩展，而不会丧失点火保护。

41、根据权利要求1至7中任一项所述的显示和/或操作模块的用于改装现有的现场设备的用途。

42、本发明的一个显著优点是无线电标准经常变化并且当前正在非常动态地发展。通过具有集成无线电接口的可拆卸显示和/或操作模块，还可以用新的技术改造已安装的现场设备，而不必更换相关的现场设备。此外，通常不清楚哪种无线电标准将适用于/被证明适用于哪种应用。通过在可更换的显示和/或操作模块中实施多种无线电标准，更有可能支持适当的无线电标准。