УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ УПРАВЛЯЮЩЕГО СИГНАЛА
DEVICE FOR PROTECTION OF CONTROL SIGNAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в общем относится к управляющим сигналам для управления периферийными устройствами в системе управления технологическим процессом, и более конкретно к способу и устройству для сохранения управляющих сигналов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Системы управления технологическим процессом, такие как используемые в химическом, нефтяном и других процессах, в целом включают одно или большее количество централизованных или децентрализованных устройств для управления процессом, связанных по меньшей мере с одной главной рабочей станцией и с одним или большим количеством управляющих процессов и измерительных устройств с возможностью обмена информацией посредством аналоговой, цифровой или объединенной аналого-цифровой шинами. Периферийные устройства, такие как клапаны, установочные приспособления для клапана, переключатели, передатчики и датчики (например, температуры, давления или датчики расхода) осуществляют различные функции в процессе, такие как открывание или закрывание клапанов или измерение параметров процесса. Устройство управления процессом принимает (посредством каналов связи) сигналы, выработанные на основании результатов измерений процесса или технологических параметров, выполненных периферийными устройствами или относящихся к ним, исполняет управляющую программу на основании принятой информации и обеспечивает управляющие сигналы, которые передаются посредством одной или большего количества шин в периферийные устройства для управления ходом процесса. Информацию от периферийных устройств и контроллера обычно делают доступной для одного или большего количества приложений, выполняемых главной рабочей станцией, для предоставления оператору возможности осуществлять необходимые функции относительно процесса, такие как наблюдение за текущим состоянием процесса, изменение хода процесса, и т.п.
[0003] "Интеллектуальные" периферийные устройства, которые осуществляют одну или большее количество функций управления технологическим процессом, стали распространенными в области управления технологическими процессами. В дополнение к осуществлению основной функции в процессе (например, отслеживания температуры или управления положением клапана), каждое интеллектуальное периферийное устройство содержит запоминающее устройство и микропроцессор. Запоминающее устройство запоминает данные, имеющие отношение к устройству, а микропроцессор связан с контроллером и/или другими устройствами и/или осуществляет вспомогательные задачи, такие как внутренняя калибровка, идентификация, диагностика, и т.п. Были разработаны несколько стандартных открытых протоколов аналоговой, цифровой или объединенной цифровой и аналоговой связи, таких как протокол удаленного датчика с шинной адресацией (HART), протоколы PROFIBUS, FOUNDATION™, Fieldbus, WORLDFIP, Device-Net и Контроллерная сеть (шина CAN), для обеспечения интеллектуальных периферийных устройств, изготовленных различными изготовителями с возможностью связи друг с другом во время выполнения одной или большего количества функций управления технологическим процессом.
[0004] Управляющие сигналы обычно передают периферийным устройствам посредством карт ввода-вывода (I/O), которые преобразуют управляющие сигналы в необходимый формат, подходящий для конкретных периферийных устройств, для которых предназначены данные управляющие сигналы. Для улучшения устойчивости в системах управления иногда используют резервные карты ввода/вывода для управления периферийным устройством. В таких системах управления работа переходит от основной карты ввода/вывода к резервной карте ввода/вывода в случае возникновения отказа основной карты ввода/вывода. Такая резервная конфигурация карты ввода/вывода в целом обеспечивает возможность продолжения нормальной работы управляемого процесса без существенного прерывания, если карта ввода/вывода перестанет работать должным образом. В некоторых системах контроллер карты ввода/вывода выполнен с возможностью периодической передачи работы карты ввода/вывода от основной карты ввода/вывода к резервной карте ввода/вывода для проверки функциональности резервной карты ввода/вывода. Переключение карты ввода/вывода от основной карты ввода/вывода на резервную карту ввода/вывода (или наоборот) обычно приводит к короткому прерыванию управляющего сигнала, подаваемого периферийному устройству. Некоторые периферийные устройства отвечают на прерывание управляющего сигнала нежелательным образом. Например, если управляемое периферийное устройство является клапаном, контроллер клапана может управлять клапаном для его перемещения в нежелательное положение с потенциальной опасностью остановки процесса.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения устройство для защиты управляющего сигнала действует в первом или во втором режиме работы. В первом режиме работы устройство для защиты управляющего сигнала накапливает энергию в накапливающем энергию элементе в устройстве для защиты управляющего сигнала. Во втором режиме работы устройство для защиты управляющего сигнала использует накопленную энергию для поддерживания управляющего сигнала на выходе устройства в случае возникновения прерывания управляющего сигнала на входе устройства. Согласно одному варианту реализации устройство для защиты управляющего сигнала содержит переключающую цепь для управления режимом работы устройства. Согласно одному аспекту настоящего изобретения устройство для защиты управляющего сигнала дополнительно содержит элемент, отслеживающий входной ток, который управляет переключающей цепью. В этом отношении, отслеживающая входной ток схема может вызывать переключение устройства из первого режима работы во второй режим работы, если входной ток устройства ниже порога, и может вызывать переход устройства из второго режима работы в первый режим работы, если входной ток выше порога. Согласно некоторым вариантам реализации устройство для защиты управляющего сигнала содержит отслеживающий напряжение элемент для отслеживания уровня напряжения на выходе устройства. В этом аспекте при работе во втором режиме и при отсутствии управляющего сигнала на входе устройство согласно настоящему изобретению может поддерживать выходное напряжение на уровне, указанном отслеживающим напряжение элементом.
[0006] Кроме того, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения устройство для защиты управляющего сигнала дополнительно содержит любую комбинацию любых одной или большего количества следующих предпочтительных вариантов.
[0007] В одном предпочтительном варианте накапливающий энергию элемент содержит по меньшей мере один конденсатор.
[0008] В другом предпочтительном варианте накапливающий энергию элемент содержит первый конденсатор и второй конденсатор, и электрическая энергия подается на выходные клеммы из первого конденсатора и из второго конденсатора.
[0009] В другом предпочтительном варианте переключающая цепь управляет режимом работы в ответ на изменение входного тока, входящем в устройство для защиты управляющего сигнала.
[0010] В другом предпочтительном варианте устройство для защиты управляющего сигнала соответственно дополнительно содержит схему для отслеживания тока. Схема для отслеживания тока вызывает переход устройства для защиты управляющего сигнала от первого режима работы к второму режиму работы, если ток, входящий в устройство для защиты управляющего сигнала, ниже порогового значения, и вызывает переход устройства для защиты управляющего сигнала от второго режима работы к первому режиму работы, если ток, входящий в устройство для защиты управляющего сигнала, выше порогового значения. В одном предпочтительном варианте пороговое значение составляет 2 мА.
[0011] В другом предпочтительном варианте устройство для защиты управляющего сигнала дополнительно содержит поддерживающий напряжение элемент для поддерживания отфильтрованной и масштабированной версии напряжения, соответствующего уровню напряжения на входных клеммах при нормальном режиме работы.
[0012] В другом предпочтительном варианте во втором режиме работы на выходных клеммах поддерживается отфильтрованное напряжение.
[0013] В другом предпочтительном варианте первым режимом работы является нормальный режим, при котором управляющий сигнал присутствует на входных клеммах, и вторым режимом работы является режим защиты, при котором управляющий сигнал не присутствует на входных клеммах.
[0014] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен способ защиты управляющего сигнала, обеспечиваемого периферийному устройству в системе управления технологическим процессом, включающий этапы, согласно которым: берут главную станцию, соединяют главную станцию с множеством карт ввода/вывода с возможностью обмена информацией, включая первую карту и вторую карту, причем работа выборочно передается от первой карты к второй карте. Способ также включает этап, согласно которому подают управляющий сигнал от главной станции посредством первой карты или второй карты в устройство для защиты управляющего сигнала. Устройство для защиты управляющего сигнала переключается из первого режима работы во второй режим работы во время передачи работы от первой карты к второй карте. Согласно одному варианту реализации устройство для защиты управляющего сигнала накапливает электрическую энергию в накапливающем энергию элементе в первом режиме работы, и во втором режиме работы электрическая энергия, накопленная в накапливающем энергию элементе, подается на выходные клеммы устройства для защиты управляющего сигнала.
[0015] Кроме того, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения способ может дополнительно включать любую комбинацию любой одной или большего количества следующих предпочтительных вариантов:
[0016] Согласно одному предпочтительному варианту реализации устройство для защиты управляющего сигнала накапливает электрическую энергию в накапливающем энергию элементе в первом режиме работы и передает электрическую энергию, накопленную в накапливающем энергию элементе, на свои выходные клеммы во втором режиме работы.
[0017] Согласно другому предпочтительному варианту реализации накапливание электрической энергии в накапливающем энергию элементе включает хранение энергии в первом конденсаторе и во втором конденсаторе, а подача электрической энергии включает передачу сохраненной электрической энергии из первого конденсатора и из второго конденсатора на выходную клемму устройства для защиты управляющего сигнала.
[0018] Согласно другому предпочтительному варианту реализации переключение устройства для защиты управляющего сигнала из первого режима работы во второй режим работы включает переход устройства для защиты управляющего сигнала из первого режима работы во второй режим работы, если ток, входящий в устройство для защиты управляющего сигнала, ниже порогового значения, и переход устройства для защиты управляющего сигнала из первого режима работы во второй режим работы, если ток, входящий в устройство для защиты управляющего сигнала, выше порогового значения.
[0019] В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предложена система управления, предназначенная для управления периферийным устройством в системе управления технологическим процессом, содержащая:
главную станцию; множество карт ввода-вывода (I/O), связанных с главной станцией, для передачи управляющего сигнала к периферийному устройству. Множество карт ввода/вывода включает основную карту ввода/вывода и резервную карту ввода/вывода. Система также содержит контроллер карты ввода/вывода, выполненный с возможностью выборочного переключения между основной картой ввода/вывода и резервной картой ввода/вывода. Устройство для защиты управляющего сигнала связано с картами ввода/вывода и с периферийным устройством с возможностью обмена информацией, причем устройство для защиты управляющего сигнала поддерживает управляющий сигнал на своем выходе во время операции переключения между основной картой ввода/вывода и резервной картой ввода/вывода.
[0020] Кроме того, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения система может дополнительно содержать любую комбинацию любой одной или большего количества следующих предпочтительных вариантов.
[0021] В одном предпочтительном варианте устройство для защиты управляющего сигнала выполнено с возможностью накопления электрической энергии в накапливающем энергию элементе в первом режиме работы, и подачи электрической энергии, накопленной в накапливающем энергию элементе, на выходные клеммы устройства для защиты управляющего сигнала во втором режиме работы.
[0022] В другом предпочтительном варианте накапливающий энергию элемент включает по меньшей мере один конденсатор.
[0023] В другом предпочтительном варианте накапливающий энергию элемент включает первый конденсатор и второй конденсатор, причем электрическая энергия подается на выходные клеммы устройства для защиты управляющего сигнала из первого конденсатора и из второго конденсатора.
[0024] В другом предпочтительном варианте накапливающий энергию элемент включает генератор подкачки заряда.
[0025] В другом предпочтительном варианте устройство для защиты управляющего сигнала также выполнено с возможностью отслеживания уровня тока на входе устройства для защиты управляющего сигнала и переключения работы устройства для защиты управляющего сигнала из первого режима работы во второй режим работы в ответ на обнаружение уровня тока, который ниже порогового значения.
[0026] В другом предпочтительном варианте устройство для защиты управляющего сигнала выполнено в форме элемента, отдельного от периферийного устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0027] На фиг. 1 показана система управления технологическим процессом, включающая способы защиты управляющего сигнала в соответствии с описанным примером настоящего изобретения;
[0028] На фиг. 2 схематически показана система, в которой может быть использован резервный преобразователь, действующий в случае прерывания.
[0029] На фиг. 3 показана электрическая схема резервного преобразователя, действующего в случае прерывания, согласно одной возможной конфигурации схемы.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0030] На фиг. 1 показана система 100 управления технологическим процессом, в которой использован способ защиты управляющего сигнала в соответствии с настоящим изобретением согласно одному варианту реализации. Пример системы 100 включает проводную заводскую автоматическую сеть 110, которая работает согласно протоколу промышленной автоматики (например, HART, PROFIBUS DP (децентрализованные периферийные устройства), и т.п.) или другому подходящему коммуникационному протоколу. Проводная автоматическая сеть 110 включает один или большее количество контроллеров 114, соединенных с одной или большим количеством главных станций или компьютеров 111 (которые могут быть персональным компьютером или автоматизированным рабочим местом любого типа) и с банками устройств 116 ввода-вывода (I/O), каждое из которых в свою очередь соединено с одним или большим количеством периферийных устройств 122. Контроллеры 114, которые могут быть, например, контроллерами DeltaV™, имеющимися в продаже в компании Fisher-Rosemount Systems, Inc., связаны с главными станциями 111 с возможностью обмена информацией посредством, например, соединения 120 по сети Ethernet или другой линии связи. Схожим образом, контроллеры 114 связаны с периферийными устройствами 122 с возможностью обмена информацией с использованием любых подходящих аппаратных средств и программного обеспечения, относящихся, например, к устройствам стандарта 4-20 мА и/или любому интеллектуальному коммуникационному протоколу, такому как протоколы Fieldbus или HART. Общеизвестно, что контроллеры 114 осуществляют или отслеживают подпрограммы управления технологическим процессом, сохраненные в них, или иным способом связаны с ними и связаны с устройствами 122 для управления процессом любым необходимым способом.
[0031] Периферийные устройства 122 могут быть устройствами любых типов, таких как клапаны, установочные приспособления для клапанов, переключатели, датчики (например температуры, давления, вибрации, расхода или pH датчики), насосы, вентиляторы, и т.п., или комбинациями двух или большего количества устройств таких типов, в то время как карты ввода/вывода в банке 116 карт могут быть устройствами ввода/вывода любых типов, соответствующих любому подходящему коммуникационному протоколу или протоколу контроллера, таким как HART, Fieldbus, Profibus, и т.п. Периферийные устройства 122 осуществляют управление, отслеживание и/или физические функции в процессе или контуре управления технологическим процессом, такие как открывание или закрывание клапанов или, например, выполнение измерений параметров процесса. Согласно одному варианту реализации, показанному на фиг. 1, периферийные устройства 122а-122 с являются устройствами стандарта 4-20 мА, которые связаны посредством аналоговых линий с картой ввода/вывода 116а. Согласно другому варианту реализации периферийные устройства 112а-122с являются устройствами HART, и карта ввода/вывода 116а является совместимой с HART картой ввода/вывода. Согласно одному варианту реализации система 100 включает устройства HART, а также устройства стандарта 4-20 мА. Соответственно, согласно данному варианту реализации система 100 включает одну или большее количество стандартов, совместимых со стандартом 4-20 мА карт ввода/вывода, а также одну или большее количество совместимых с HART карт ввода/вывода.
[0032] Согласно одному варианту реализации, показанному на фиг. 1, периферийные устройства 122d-122f являются интеллектуальными устройствами, такими как периферийные устройства Fieldbus, которые связаны по цифровой шине 118 с картой 118 ввода/вывода с использованием, например, коммуникационного протокола Fieldbus. Разумеется, периферийные устройства 122 и банки карт 116 ввода/вывода могут соответствовать любому другому подходящему стандарту или стандартам или протоколам помимо протоколов стандарта 4-20 мА, HART или Fieldbus, включая любые стандарты или протоколы, которые могут быть разработаны в будущем.
[0033] Каждый из контроллеров 114 выполнен с возможностью осуществления стратегии управления с использованием того, что обычно называют функциональными блоками, причем каждый функциональный блок представляет собой часть (например подпрограмму) общей управляющей программы и действует в соединении с другими функциональными блоками (посредством коммуникационных средств, называемых связями) для осуществления циклов управления технологическим процессом в системе 100. Функциональные блоки обычно осуществляют одну из входных функций, такую как относящаяся к передатчику, датчику или другому устройству для измерения параметров процесса, управляющую функцию, такую как относящаяся к управляющей программе, которая осуществляет пропорционально-интегрально-дифференциальное управление (ПИД), нечеткую логику, и т.п., или выходную функцию, которая управляет работой некоторого устройства, такого как клапан, для осуществления некоторой физической функции в системе 100. Разумеется, существуют гибридные блоки и функциональные блоки других типов. Группы этих функциональных блоков называют модулями. Функциональные блоки и модули могут быть сохранены и выполнены в контроллере 12, что обычно имеет место, если эти функциональные блоки используют для устройств или относятся к устройствам стандарта 4-20 мА и некоторым типам интеллектуальных периферийных устройств, или могут быть сохранены и осуществлены непосредственно в периферийных устройствах, как, например, в случае с устройствами Fieldbus. Несмотря на то, что в настоящей заявке описана система управления, в которой использована стратегия управления на основе функциональных блоков, стратегия управления также может быть осуществлена или спроектирована с использованием других соглашений, таких как логика релейно-контактных схем, последовательных блок-схем, и т.п., и с использованием любого подходящего зарегистрированного или незарегистрированного языка программирования.
[0034] На фиг. 2 схематически показана система 200 управления, в которой устройство для защиты управляющего сигнала может быть использовано для поддерживания управляющего сигнала в случае его прерывания. Система 200 содержит главную станцию 202, соединенную с резервной подсистемой 204 ввода/вывода. Как показано на фиг. 1, согласно одному варианту реализации главная станция 202 соответствует главной станции 111а или главной станции 111b, а подсистема 204 ввода/вывода включена, например, в банк 116 карт ввода/вывода. Выход подсистемы 204 ввода/вывода подается в периферийное устройство 220 для управления работой периферийного устройства 220. Периферийное устройство 220 может быть подходящим периферийным устройством стандарта 4-20 мА, таким как преобразователь тока в давление или, например, контроллер клапана, который может принимать управляющий сигнал в диапазоне 4-20 мА и преобразовывать управляющий сигнал в пневматический управляющий сигнал для управления положением клапана.
[0035] Подсистема 204 ввода/вывода содержит резервную конфигурацию, которая обеспечивает резервное управление для периферийного устройства 220. В частности, указанная подсистема ввода/вывода содержит первую карту 206а ввода/вывода и вторую карту 206b ввода/вывода. Карта 206а может быть основной или активной картой ввода/вывода, в то время как карта 206b ввода/вывода может быть дублирующей картой ввода/вывода. Контроллер 208 карты ввода/вывода может управлять работой подсистемы 204 ввода/вывода путем автоматической передачи работы от основной карты 206а к резервной карте 206b в случае возникновения отказа основной карты 206а. Кроме того, контроллер 208 может быть выполнен с возможностью периодической передачи работы от основной карты 206а к резервной карте 206b для подтверждения функциональности резервной карты 206b. Переключение от основной карты 206а к резервной карте 206b или от резервной карты 206b назад к основной карте 206а в целом может вызвать прерывание в управляющем сигнале, присутствующем на выходе подсистемы 204 ввода/вывода. Такое прерывание в управляющем сигнале, поданном в периферийное устройство 220, может вызвать некоторые нежелательные эффекты в управляемом процессе. Например, временная потеря управляющего сигнала, поданного в контроллер клапана, может вызвать перемещение соответствующего клапана в нежелательное положение и, таким образом, потенциально нарушить нормальную работу управляемого процесса. Кроме того, в некоторых ситуациях временная потеря управляющего сигнала может принудить контроллер клапана вызвать запирание клапана в безопасном состоянии, таком, например, как полностью открытое или полностью закрытое положение, или другое заданное положение. Например, контроллер клапана может быть связан с аварийным отсекающим клапаном, который в ответ на потерю управляющего сигнала может вызвать полное запирание аварийного отсекающего клапана в закрытом положении, например, для предотвращения протекания жидкости. В таких ситуациях для возврата к нормальной работе клапана может потребоваться ручное отпирание клапана оператором.
[0036] Система 200 содержит устройство 210 для защиты управляющего сигнала, соединенное последовательно с подсистемой 204 ввода/вывода и периферийным устройством 220. Как показано на фиг. 2, устройство 210 для защиты управляющего сигнала содержит пару входных клемм 212 и пару выходных клемм 214. Входные клеммы 212 соединяют устройство 210 с токовой петлей (например, токовой петлей стандарта 4-20 мА), которая передает управляющие сигналы от подсистемы 204 ввода/вывода к периферийному устройству 220. Выходные клеммы 214 соединяют защитное устройство 210 с клеммами токовой петли управляющего сигнала периферийного устройства 220. Вообще говоря, устройство 210 для защиты управляющего сигнала выполнено с возможностью поддерживания уровня сигнала (например, уровня напряжения) на выходных клеммах 214 устройства 210 в течение некоторого периода времени в случае возникновения потери или временного прерывания управляющего сигнала на входных клеммах защитного устройства 210. С этой целью защитное устройство 210 может содержать накопительный элемент (например, конденсатор) или может быть связано с накопительным элементом, который может сохранять достаточное количество энергии во время нормальной работы системы 200 и затем может использовать накопленную энергию для поддерживания управляющего сигнала на выходе устройства 210 в течение временного прерывания управляющего сигнала на входе устройства 210. В результате, работа периферийного устройства 220 не будет нарушена в течение временной потери управляющего сигнала, такой как во время переключения между основной картой 206а и резервной картой 206b. Например, управляющий сигнал, поданный в клапан защитным устройством 210, будет поддержан на достаточном уровне выше порога отключения управляемого клапана, и в результате клапан не будет закрыт и не потребует процедуры сброса в случае временного прерывания управляющего сигнала согласно одному варианту реализации.
[0037] Согласно одному варианту реализации устройство 210 для защиты управляющего сигнала действует путем извлечения небольшого количества энергии из токовой петли управляющего сигнала (например, петли управляющего сигнала стандарта 4-20 мА) и сохранения извлеченной энергии в накопительном элементе (например, конденсаторе), содержащемся в защитном устройстве 210 или связанном с защитным устройством 210. В нормальном режиме работы защитного устройства 210, когда управляющий сигнал присутствует на входе защитного устройства 210, защитное устройство 210 формирует на выходе отфильтрованную версию управляющего сигнала, присутствующего на входе управляющего защитного устройства 210. Таким образом, в нормальном режиме работы устройство 210 в целом пропускает управляющий сигнал от главной станции 202 к периферийному устройству 220 для управления работой периферийного устройства 220. Согласно одному варианту реализации защитное устройство 210 выполнено с возможностью пропускания управляющего сигнала от главной станции 202 к периферийному устройству 220 без интенсивного фильтрования управляющего сигнала и, таким образом, без существенного задерживания управляющего сигнала, переданного периферийному устройству 220. Кроме того, согласно одному варианту реализации устройство 210 для защиты управляющего сигнала выполнено с возможностью извлечения достаточно небольшого количества энергии из управляющей токовой петли без нарушения работы токовой петли и без значительной помехи коммуникационным сигналам (например, коммуникационному сигналу HART) в токовой петле во время нормальной работы системы 200.
[0038] Устройство 210 для защиты управляющего сигнала выполнено с возможностью отслеживания входного тока (или напряжения) на входных клеммах 212 и обнаружения случая, когда входной ток (или напряжение) на входных клеммах 212 падает ниже некоторого порога, что указывает на потерю управляющего сигнала от подсистемы 204 ввода/вывода на входе защитного устройства 210. Защитное устройство 210 выполнено таким образом, что в ответ на обнаружение потери управляющего сигнала на своем входе переключается в режим защиты, в котором энергия, сохраненная в накопительном элементе, используется для поддерживания уровня управляющего сигнала на выходных клеммах 214 защитного устройства 210. Устройство 210 также выполнено с возможностью обнаружения подъема отслеженного входного тока (или напряжения) на входных клеммах 212 выше порогового уровня, что указывает на то, что управляющий сигнал от подсистемы 204 ввода/вывода восстановлен. Устройство 210 выполнено таким образом, что при обнаружении того, что управляющий сигнал на входе защитного устройства 210 восстановлен, оно переключается в нормальный режим работы, при котором отфильтрованная версия управляющего сигнала, представленного на входных клеммах 212 устройства 210, передается на выходные клеммы 214 устройства 210. Устройство 210 может быть интегрировано с периферийным устройством 220. Например, устройство 210 может быть интегрировано в панель локального пульта управления, содержащуюся в периферийном устройстве, для ручного управления периферийным устройством, например, для открывания или закрывания вручную аварийного отсечного клапана. В качестве другого примера, устройство 210 может быть интегрировано в фильтрующее устройство HART, предназначенное для облегчения обмена сигналами по протоколу HART между периферийным устройством 220 и главной станцией 202, например, если периферийное устройство 220 не выполнено с возможностью обмена сигналами в соответствии с коммуникационным протоколом HART. Согласно другому варианту реализации устройство 210 может быть выполнено в форме внешнего компонента, который может быть соединен последовательно с управляющим входом периферийного устройства 220. Согласно некоторым вариантам реализации устройство 210 для защиты управляющего сигнала может быть многоканальным устройством, выполненным с возможностью обеспечения защиты управляющего сигнала для множества управляющих входов периферийного устройства 220 и/или для соответствующих управляющих входов множества периферийных устройств.
[0039] Устройство 210 может принимать управляющий сигнал, переданный подсистемой 204 ввода/вывода посредством проводного соединения с подсистемой 204 ввода/вывода, как показано на фиг. 2, или может принимать управляющий сигнал от управляющей станции беспроводным способом, например, посредством банка резервных беспроводных карт ввода/вывода. Как показано на фиг. 1, периферийное устройство 220 согласно одному варианту реализации соответствует стандарту 4-20 мА или периферийному устройству 122 типа HART. Согласно другому варианту реализации периферийное устройство 220 соответствует стандарту 4-20 мА или периферийному устройству HART, выполненному с возможностью беспроводной связи с главной станцией.
[0040] На фиг. 3 показана схема 300 согласно одному варианту реализации устройства 210 для защиты управляющего сигнала. Схема 300 содержит две входных клеммы 302 и две выходных клеммы 304. Входные клеммы 302 могут быть связаны с выходом подсистемы карты ввода/вывода в системе управления с возможностью обмена информацией. Выходные клеммы 304 могут быть соединены с периферийным устройством, таким, например, как контроллер клапана. Схема 300 действует путем извлечения или отбора небольшого количества электроэнергии, сгенерированной током, протекающим в схеме 300, и накапливания этой извлеченной энергии в сохраняющем энергию элементе в схеме 300. Эта накопленная энергия может быть использована впоследствии для поддерживания необходимого уровня напряжения на клеммной паре выходных клемм 304 в случае возникновения короткого прерывания тока, входящего в схему 300 на входных клеммах 302, например, по причине временной потери управляющего сигнала во время операции переключения карты ввода/вывода. Согласно другому варианту реализации схемы, подобные схеме 300, могут действовать путем использования сохраненной энергии для подачи необходимого тока (вместо напряжения) на выходные клеммы 304 во время прерывания подачи входного тока в схему 300.
[0041] Схема 300 может содержать первый переключатель 308 и второй переключатель 312. Каждый из переключателей 308 и 312 может быть полевым транзистором с МОП-структурой (МОП-транзистором), микротранзистором различных типов или любыми другими известными электронными средствами для переключения. Первый операционный усилитель 306 может быть использован для управления рабочим состоянием переключателя 308, а второй операционный усилитель 310 может быть использован для управления рабочим состоянием второго переключателя 312. Следует отметить, что согласно некоторым вариантам реализации в качестве регулирующих элементов для управления работой переключателей 306 и 308 вместо операционных усилителей 306 и 310 могут быть использованы дискретные микротранзисторы.
[0042] Если ток, входящий в схему 300, достаточно высок (например, больше чем 2 мА), схема 300 может работать в нормальном рабочем режиме путем подачи тока на выходные клеммы 304. При нормальном рабочем режиме выход операционного усилителя 306 является достаточно высоким для удерживания переключателя 308 в открытом состоянии. Следовательно, входы операционного усилителя 310 могут быть такими, что операционный усилитель 310 работает в состоянии насыщения. Как показано на чертеже, выход операционного усилителя 310 использован для управления состоянием переключателя 312, и состояние насыщения операционного усилителя 310 поддерживает переключатель 312 в открытом состоянии.
[0043] Как показано на фиг. 3, конденсатор 314 и конденсатор 316 предназначены для накапливания энергии во время нормального режима работы схемы 300 для поддерживания выходного напряжения на выходных клеммах 304 в течение временного прерывания управляющего сигнала, подаваемого на схему 300. Для накапливания энергии в конденсаторах 314 и 316 во время нормального режима работы схемы 300 с достаточно низкой скоростью без нарушения нормальной работы схемы 300, например, для поддерживания достаточно низкой задержки, введенной схемой 300, или без нарушения нормальной связи (например, коммуникационной связи HART) в токовой петле, скоростью накапливания энергии в конденсаторах 314, 316 управляют посредством резисторов 320 и 318 соответственно. В качестве альтернативы конфигурации с двумя конденсаторами, используемыми для хранения энергии, как показано на фиг. 3, согласно некоторым вариантам реализации в качестве накапливающего энергию элемента в схеме 300 может быть использован одиночный конденсатор. Согласно другому варианту реализации могут быть использованы другие способы накапливания энергии. Например, могут быть использованы генератор подкачки зарядов или индуктивная схема усиления. В таких вариантах реализации энергия может быть накоплена при более высоком уровне напряжения на выходных клеммах 304 по сравнению с уровнем напряжения на входных клеммах 302 схемы 300.
[0044] Ток, входящий в схему 300, может быть отслежен схемой для отслеживания тока с целью управления режимом работы схемы 300. Согласно одному варианту реализации, как показано на фиг. 3, схема для отслеживания тока содержит комбинацию резисторов 340, 342 и 344 вместе с конденсатором 346, связанных с входными клеммами операционного усилителя 306. Если входной ток, входящий в схему 300, падает ниже некоторого порога (например, ниже 2 мА), схема для отслеживания тока принуждает схему 300 к переключению из нормального режима работы схемы 300 в защищенный режим работы схемы 300. В защищенном режиме работы напряжение на выходных клеммах 304 схемы 300 поддерживается на необходимом уровне в течение прерывания тока, входящего в схему 300. Поскольку в этом режиме работы в схему 300 входит очень небольшой или нулевой ток, разность напряжения на входных клеммах операционного усилителя 306 является достаточно небольшой, так что выход операционного усилителя 306 управляет переключателем 308 для перехода в замкнутое состояние. Замкнутое состояние переключателя 308 в свою очередь приводит к увеличению уровня напряжения на отрицательной клемме операционного усилителя 310 и, соответственно, вызывает уменьшение перепада напряжения на входных клеммах операционного усилителя 310. В результате, уровень напряжения на выходной клемме операционного усилителя 310 снижается и вызывает переход переключателя 312 в замкнутое состояние. В замкнутом состоянии переключатель 312 фактически соединяет отрицательную клемму конденсатора 314 с положительной клеммой конденсатора 316, и энергия, сохраненная в конденсаторах 314 и 316, подается на положительную сторону клеммной пары выходных клемм 304.
[0045] Уровень напряжения, поддерживаемый на выходных клеммах 304 схемы 300 в защищенном режиме работы схемы 300, определяется поддерживающим напряжение элементом, включенным в схему 300, таким как делитель напряжения, сформированный резистором 322 и резистором 324. Кроме того, конденсатор 326 фильтрует напряжение, присутствующее на выходных клеммах 304. Таким образом, если схема 300 переходит из нормального режима работы в защищенный режим работы, напряжение на выходных клеммах 304 схемы 300 поддерживается на масштабированном и отфильтрованном уровне напряжения на положительной клемме конденсатора 326. Соответственно, падение напряжения на выходных клеммах 304 соответствует уровню напряжения на клеммах 304 до прерывания входного тока (т.е. в нормальном режиме работы). В результате, напряжение на выходных клеммах 304 не испытывает существенного изменения во время прерывания управляющего сигнала на входных клеммах 302 схемы 300.
[0046] Впоследствии, когда управляющий сигнал вновь поступает в схему 300, например, после завершения переключения от основной карты 206а ввода/вывода к резервной карте 206b ввода/вывода в подсистеме 204 ввода/вывода (как показано на фиг. 2), электрический ток на входных клеммах 302 схемы 300 увеличивается и превышает пороговое значение, определяемое отслеживающим ток элементом схемы 300. Когда входной ток превышает пороговый уровень (например, превышает 2 мА), операционные усилители 306 и 310 управляют соответствующими переключателями 308 и 312 для перехода в разомкнутое состояние. Соответственно, в этом случае схема 300 возвращается в нормальный режим работы.
[0047] Согласно некоторым вариантам реализации схема 300 содержит дополнительные компоненты для улучшения рабочих характеристик схемы 300 и/или повышения устойчивости схемы 300 в присутствии переходных шумов или взаимных помех в схеме 300. Например, согласно одному варианту реализации схема 300, показанная на фиг. 3, включает кремниевые стабилитроны 328, 330, соединенные с входными клеммами 302 и выходными клеммами 304 соответственно схемы 300. Кремниевые стабилитроны 328, 330 предназначены для защиты схемы 300 от переходных взаимных помех на входе и выходе схемы 300. Конденсатор 332 может быть использован для фильтрования напряжения, поданного в операционные усилители 306 и 310, для улучшения рабочих характеристик операционных усилителей 306 и 310. Кроме того, кремниевый стабилитрон 334 и резистор 338 могут быть использованы для подачи ограниченной энергии с необходимым напряжением в операционные усилители 306 и 310. С этой целью, кремниевый стабилитрон 334 и резистор 338 могут быть выбраны в соответствии с максимальным напряжением, определенным для конкретных используемых операционных усилителей 306 и 310. Следует отметить, что такие дополнительные компоненты могут являться необязательными для надлежащей работы схемы 300, и согласно некоторым вариантам реализации по меньшей мере некоторые из дополнительных компонентов отсутствуют в схеме 300.
[0048] Не смотря на то что настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные примеры, которые являются только иллюстративными и не ограничивают настоящее изобретение, для специалистов очевидно, что в описанных в вариантах реализации могут быть осуществлены изменения, добавления и/или удаления без отступления от принципа и объема защиты настоящего изобретения.