СИСТЕМА СВЯЗИ ДЛЯ ПОЛЕВОГО УСТРОЙСТВА ПРОЦЕССА
COMMUNICATION SYSTEM FOR PROCESS FIELD DEVICE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к полевым устройствам типа, используемым для наблюдения за производственными процессами или управления ими. Более конкретно, настоящее изобретение относится к внутренним передачам данных в таких полевых устройствах.
[0002] Производственные процессы используются, чтобы выполнять различные функции в обработке или создании изделий из других компонентов. Такие процессы включают в себя, например, нефтеперерабатывающие заводы, производственные предприятия, предприятия пищевой промышленности, химические заводы и фармацевтические предприятия. В таких системах полевые устройства используются для наблюдения или управления ходом процесса. Одним таким устройством является передатчик процесса, который сконфигурирован с возможностью воспринимать параметр процесса и связываться с централизованным местоположением на основе воспринятого параметра процесса. Примеры параметров процесса включают в себя поток, давление, температуру, уровень и т.д. Контроллер процесса является примером другого полевого устройства, в котором управляющий сигнал принимается из централизованного местоположения, и контроллер процесса в ответ управляет параметром процесса. Связь с централизованным местоположением может выполняться по проводному или беспроводному контуру управления процессом.
[0003] Полевые устройства зачастую работают при ограничениях мощности. Дополнительно, такие устройства в типичном варианте имеют множество компонентов и используют систему связи для связи между этими компонентами. В некоторых случаях, как, например, при операциях с использованием ограниченной мощности, одна система связи может вызывать помехи для данных, передаваемых по другой системе связи. Этот "шум" может вносить ошибки в устройство и даже вызывать отказ устройства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Полевое устройство для использования в производственном процессе включает в себя элемент интерфейса процесса, сконфигурированный с возможностью измерять или управлять параметром процесса. Схема связи сконфигурирована с возможностью связываться с другим местоположением. Система связи сконфигурирована с возможностью обеспечивать связь между, по меньшей мере, двумя компонентами в полевом устройстве. Инвертор сигнала является элементом для внесения инвертированного сигнала от системы связи в другую схему, чтобы таким образом уменьшать помехи, принимаемые другой схемой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005] Фиг.1 - это упрощенная блок-схема системы управления или наблюдения за производственным процессом.
[0006] Фиг.2 - это упрощенная блок-схема, показывающая полевое устройство из фиг.1.
[0007] Фиг.3 - это схема, иллюстрирующая шум от первой шины данных, привносимый во вторую шину данных.
[0008] Фиг.4 - это схема, иллюстрирующая использование инвертора, чтобы уменьшать или устранять шум, показанный в связи с фиг.3.
[0009] Фиг.5 - это упрощенная блок-схема, показывающая примерный вариант осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Настоящее изобретение относится к полевым устройствам, используемым в системах управления и наблюдения за производственным процессом. Как обсуждалось в разделе "Уровень техники", передачи данных в таких полевых устройствах могут вносить шум в другие схемы, такие как другая система связи.
[0011] Фиг.1 - это упрощенная блок-схема системы 100 управления или наблюдения за производственным процессом, включающей в себя полевое устройство 102, ассоциированное с производственным процессом. В примере на фиг.1 полевое устройство 102 соединяется с трубопроводом 104 процесса, переносящим рабочую жидкость 106. Предусмотрен элемент 108 интерфейса процесса, который может быть сконфигурирован с возможностью управлять процессом (например, клапаном или т.п.), если полевое устройство 102 работает в качестве контроллера, или может быть сконфигурирован с возможностью измерять параметр процесса (такой как температура, давление, расход и т.д.), если полевое устройство 102 сконфигурировано в качестве передатчика параметра процесса. Полевое устройство 102 может также работать в качестве других типов полевых устройств, таких как обособленное полевое устройство или полевое устройство, которое включает в себя как управляющие, так и измерительные компоненты, и т.д. На фиг.1 полевое устройство 102 связывается с центральным пунктом 110 управления через контур 112 управления процессом. В варианте осуществления, иллюстрированном на фиг.1, контур 112 управления процессом является двухпроводным контуром управления процессом. Такие контуры управления процессом зачастую функционируют в соответствии со стандартами связи, такими как стандарт цифровой связи HART, протокол шины с полевыми устройствами и т.д. Например, двухпроводной контур управления процессом может быть использован, чтобы питать энергией полевое устройство 102, а также передавать информацию между полевым устройством 102 и центральным местоположением 110. Информация может передаваться аналоговым образом, например, как уровень тока, который изменяется между 4 мА и 20 мА, и/или может быть цифровым сигналом, который модулирован по току, протекающему через контур 112. В другой примерной конфигурации контур 112 управления процессом удовлетворяет протоколам беспроводной связи, которые могут включать в себя, например, протокол сети смешанного типа, и может работать в соответствии с протоколом беспроводной связи HART. Центральное местоположение 110 иллюстрировано как включающее в себя сопротивление 118 нагрузки и источник 116 напряжения. В типичном варианте, другие компоненты, такие как управляющее оборудование или оборудование для наблюдения, используются в центральном местоположении 110 и могут отслеживаться оператором.
[0012] Фиг.1 также иллюстрирует вспомогательный компонент 120, связанный с полевым устройством 102 через локальную шину 122 данных. Вспомогательный компонент 120 может быть расположен внутри или снаружи по отношению к полевому устройству 102. Шина данных может работать в соответствии с любой подходящей технологией. Одним примером является протокол на основе CAN (сеть области управления) или другие коммерчески доступные или специализированные протоколы.
[0013] Фиг.2 - это упрощенная блок-схема, показывающая полевое устройство 102 более подробно. Полевое устройство 102 включает в себя интерфейсную схему 150, сконфигурированную с возможностью работать с элементом 108 интерфейса процесса. Интерфейсная схема 150 соединяется с микропроцессором 152, который работает в соответствии с инструкциями, сохраненными в памяти 154. Схема 156 передачи входных/выходных данных контура предусмотрена, чтобы допускать связь по контуру 112 управления процессом. Как иллюстрировано на фиг.2, полевое устройство 102 также включает в себя схему 160 связи по локальной шине данных для использования в обеспечении связи между микропроцессором 152 и вспомогательным компонентом 120 по локальной шине 122 данных. Вспомогательный компонент 120 может содержать любой компонент, которому данные передаются по шине 122 данных, и может быть расположен в полевом устройстве 102, рядом с полевым устройством 102 или даже удаленно от полевого устройства 102. Примеры вспомогательного компонента включают в себя датчики, элементы управления, дисплеи или другой пользовательский интерфейс, другое полевое устройство, дополнительную схему обработки и т.д. Схемы 156 и 160 являются примерами систем связи, которые обсуждаются в данном документе.
[0014] Фиг.3 - это упрощенная блок-схема, иллюстрирующая помехи между двумя системами 190, 192 связи в полевом устройстве 194. На фиг.3 первый односторонний передатчик 210 связывается с первым односторонним приемником 212 через первую шину 214 данных. Аналогично, второй односторонний передатчик 200 связывается со вторым односторонним приемником 202 через вторую шину 204 данных. Как иллюстрировано на фиг.3, сигнал помехи от шины 214 данных добавляется к сигналу данных, передаваемому по шине 204 данных, приводя в результате к ухудшению формы волны сигнала данных по шине 204 данных. Этот сигнал помехи может добавляться или вычитаться из сигнала данных в зависимости от фазы помехи. При низких уровнях напряжения, зачастую присутствующих в полевых устройствах, сигнал помехи может быть причиной того, что приемником 202 принимаются ошибочные данные.
[0015] Одной технологией, которая может быть использована, чтобы устранять эту помеху и улучшать помехозащищенность системы, является использование системы передачи дифференциальных сигналов, такой как коммерчески доступные в соответствии с протоколами связи RS-485 и RS-422. В такой системе дифференциальный передатчик предоставляет сигнал с одинаковыми и противоположными полярностями по линии дифференциальной передачи. Линия дифференциальной передачи состоит из двух проводников, которые сконфигурированы как сбалансированная пара, и, следовательно, каждый проводник имеет одинаковый импеданс по своей длине и одинаковый импеданс до заземления и другой схемы. Правильная реализация этой конфигурации требует, чтобы схема соответствовала правилам физического уровня сети, которые могут влечь за собой требования для синхронизации, уровня напряжения и импедансных характеристик. Однако такая конфигурация увеличивает сложность устройства и также увеличивает производственные затраты и время, требуемое для проектирования и производства такого устройства.
[0016] Фиг.4 - это упрощенная блок-схема, иллюстрирующая один примерный вариант осуществления настоящего изобретения, который устраняет вышеупомянутые проблемы помех. В конфигурации на фиг.4 элементы, которые аналогичны показанным на фиг.3, сохранили свою нумерацию. На фиг.4 инвертирующий усилитель (инвертор) 220 соединен с выходом одностороннего передатчика 210. Инвертирующий усилитель 220 используется, чтобы инвертировать сигнал на шине 214 данных и вводить инвертированный сигнал в шину 204 данных. Инвертор 220 сконфигурирован так, что амплитуда, фаза и форма волны вводимого сигнала аналогичны инверсии паразитного сигнала помехи от шины 214 данных, который вносится в шину 204 данных. Чем ближе эти два сигнала являются инверсиями друг друга, тем больший эффект взаимной компенсации будет от инвертированного сигнала из инвертора 220. Поскольку выходной сигнал из инвертора 220 не используется для передачи данных, выходной сигнал не должен соответствовать требованиям системы связи к нему. Выходной сигнал из инвертора 220 должен только согласовываться с любыми требованиями, необходимыми для желаемого уровня подавления помех. Следовательно, схема 220 инвертора может быть относительно простым конструктивным решением по сравнению с полной конфигурацией дифференциального усилителя. Кроме того, поскольку конфигурация, иллюстрированная на фиг.4, работает с помощью односторонних передатчиков и приемников, система не требует более сложных дифференциальных возбудителей и приемников, описанных выше.
[0017] Фиг.5 - это упрощенная блок-схема системы 250 управления или наблюдения за производственным процессом, включающей в себя полевое устройство 252, соединенное с двухпроводным контуром 254 управления процессом. Контур 254 соединяется с источником 256 электропитания контура и резистором 258 нагрузки (или считывающим резистором). Данные, передаваемые по двухпроводному контуру 254, могут быть восприняты с помощью приемника 260 контура, соединенного через резистор 258 нагрузки.
[0018] На фиг.5 полевое устройство 252 иллюстрировано как имеющее корпус, который предусматривает электрическое заземление 270, которое емкостным образом соединено с двухпроводным контуром 254 управления процессом через конденсаторы 272. Полевое устройство 252 включает в себя общую схему 274, которая соединяется с контуром 254 управления процессом, с импедансом Z1 и Z2. Схема сконфигурирована с возможностью связываться с удаленным приемником 280 по шине 282 данных. Эта шина данных может быть реализована в соответствии с CAN-протоколом. Физическое соединение для шины 282 данных может содержать центральный проводник и экран 290 кабеля. Этот экран кабеля соединен с заземлением 270 корпуса и емкостным образом соединен с центральным разъемом (также иллюстрирован на элементе 282) через емкость 292 кабеля. Данные транслируются удаленному приемнику 280 с помощью источника 294 сигнала. Как обсуждалось выше, сигнал от источника 294 может вносить сигнал помехи в двухпроводной контур 254 управления процессом, который проявляется через нагрузочное сопротивление 258. Однако в соответствии с настоящим изобретением инвертирующий усилитель 296 предусмотрен и выполнен с возможностью передачи инвертированного сигнала из шины 282 данных в контур 254 управления процессом. Как иллюстрировано на фиг.5, сигнал 298 помехи от источника 294 сигнала компенсируется или иным образом уменьшается по величине посредством выходного сигнала из инвертирующего усилителя 296. В конфигурации на фиг.5 соединение между полевым устройством 252 и удаленным приемником 280 предусматривает одну шину данных, в то время как соединение между полевым устройством 252 и приемником 260 контура через двухпроводной контур 254 управления процессом предусматривает другую шину данных.
[0019] Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без отступления от сущности и объема изобретения. Хотя полевое устройство, иллюстрированное в данном документе, включает в себя только две локальные шины данных, изобретение может применяться с любым числом шин данных и не ограничено конкретными конфигурациями, изложенными в данном документе. Инвертор может быть в соответствии с любой подходящей схемой инвертора и может содержать, например, простой инвертирующий усилитель. В одной примерной конфигурации одна из шин данных содержит двухпроводной или беспроводной контур управления процессом, который используется, чтобы связывать полевое устройство, например, с центральным пунктом управления или т.п. В такой конфигурации локальная шина данных может вызывать привнесение шума в двухпроводной или беспроводной контур управления процессом. Аналогично, данные, передаваемые по двухпроводному или беспроводному контуру управления процессом, могут вызывать привнесение шума в локальную шину данных. Альтернативно, односторонний передатчик 200, иллюстрированный на фиг.4, работает в качестве схемы 156 ввода/вывода, показанной на фиг.2. Хотя фиг.4 иллюстрирует один инвертор 220, который вносит инвертированный сигнал из одной шины данных в другую шину данных, в другой примерной конфигурации реализован второй инвертор, который вносит сигнал инвертора в противоположном направлении между двумя шинами данных. В некоторых конфигурациях одна или более шин данных могут содержать беспроводную шину данных.