ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА С ДИАГНОСТИКОЙ ДВУХПРОВОДНОГО КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
PROCESS PARAMETER TRANSDUCER WITH TWO-WIRE PROCESS CONTROL DIAGNOSTICS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к двухпроводным измерительным преобразователям управления технологическим процессом, используемым для мониторинга технологических параметров в производственных процессах. В частности, настоящее изобретение относится к измерительному преобразователю технологических параметров, который приспособлен для выполнения диагностики в двухпроводном контуре управления процессом.
Измерительные преобразователи технологических параметров используются в промышленных процессах для измерения одного или нескольких параметров процесса в удаленном месте, «в поле» и передачи информации, относящейся к технологическим параметрам, обратно на центральный узел, например, на диспетчерский пункт. Примеры технологических параметров включают в себя давление, температуру, скорость потока, уровень и т.д.
В одной конфигурации технологические параметры передаются через двухпроводный контур управления процессом. Двухпроводный контур управления процессом соединяет измерительный преобразователь технологических параметров с местом управления и в дополнение к осуществлению связи также может быть использован для обеспечения питанием измерительного преобразователя технологических параметров. Одним из примеров двухпроводного контура управления технологическим процессом является контур управления процессом 4-20 мА, в котором уровень тока варьируется в пределах от 4 до 20 мА и может управляться для отображения измеренного технологического параметра. Другой пример контура управления процессом работает в соответствии с протоколом сообщений HART. В контуре управления процессом, использующем метод сообщений HART, цифровой сигнал накладывается на постоянный ток значительного уровня, протекающий в контуре. Это позволяет контуру управления процессом переносить и аналоговый, и цифровой сигналы. Цифровые сигналы могут быть использованы для передачи дополнительной информации с измерительного преобразователя технологических параметров на диспетчерский пункт или для передачи данных с диспетчерского пункта на измерительный преобразователь технологических параметров. Еще один пример двухпроводного контура управления технологическим процессом работает в соответствии с протоколом сообщений Fieldbus, в котором как правило все данные передаются в цифровом формате.
Если контур управления процессом не работает оптимальным образом, то вероятна передача ошибок измерительным преобразователем технологических параметров, или контур может выдавать недостаточную мощность для работы измерительного преобразователя технологических параметров. Из-за проблем, связанных с двухпроводным контуром управления процессом, могут возникать другие ошибки, в том числе частичный или полный сбой. Поэтому для обеспечения нормальной работы желательно осуществлять диагностику двухпроводного контура управления технологическим процессом. Один из примеров такой диагностики показан и описан в патенте США № 5481200, озаглавленном «Полевой измерительный преобразователь, встроенный в тестовое оборудование», выданном 2 января 1996 г. Воэгле (Voegle) с соавторами и относящимся к Роузмаунт Инк. (Rosemount Inc.)
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Двухпроводный измерительный преобразователь технологического параметра для использования в промышленном процессе, включающий в себя датчик технологического параметра, выполненный с возможностью измерения параметров текучей среды в производственном процессе. Выходная схема, выполненная с возможностью выдачи выходного значения на двухпроводный контур управления процессом, которое зависит от измеряемого технологического параметра. Схема измерения тока контура измеряет ток контура, протекающий через двухпроводный контур управления технологическим процессом, а схема измерения напряжения на клеммах измеряет напряжение, связанное с напряжением на клеммах измерительного преобразователя технологических параметров. Напряжение на клеммах может быть напряжением, измеренным между электрическими контактами двухпроводного измерительного преобразователя технологических параметров в двухпроводном контуре управления процессом. Входная схема, выполненная с возможностью приема диагностической команды от двухпроводного контура управления процессом. Микропроцессор, выполненный с возможностью выполнения диагностики контура в двухпроводном контуре управления процессом на основе измеренного тока контура и напряжения на клеммах в ответ на прием команды диагностики с двухпроводного контура управления процессом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой упрощенную блок-схему, изображающую систему управления процессами, включающую в себя измерительный преобразователь технологических параметров.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему компонентов измерительного преобразователя Фиг.1.
Фиг. 3 представляет собой упрощенную схематическую диаграмму, изображающую диагностическую схему измерительного преобразователя с Фиг. 1.
Фиг. 4 представляет собой вывод изображения с экрана программы диагностики, показывающий, что напряжение питания контактов слишком мало.
Фиг. 5 представляет собой вывод изображения с экрана программы диагностики, показывающий что напряжение питания на контактах слишком велико.
Фиг. 6 представляет собой вывод изображения с экрана, изображающий интерфейс оператора для взаимодействия с диагностическим программным обеспечением в измерительном преобразователе с Фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение представляет собой измерительный преобразователь в двухпроводном контуре управления технологическим процессом, включающий в себя электронику для измерения сопротивления тока контура и напряжения источника питания, которым питается контур. Электрический ток, протекающий в контуре процесса, будет превышать желаемое значение тока контура процесса, когда ток электроники измерительного преобразователя имеет высокую утечку или ток шунтирования, например, когда влажность или другой электрический проводник контактирует с электрической шиной питания внутренних электронных цепей измерительного преобразователя. Это может привести к ошибке коммуникации или указывать на выход из строя компонентов.
Фиг. 1 представляет собой упрощенную диаграмму управления производственным процессом или систему мониторинга 10. Система 20 включает в себя измерительный преобразователь технологических параметров 12, имеющий датчик технологических параметров, выполненный с возможностью определения технологических параметров технологической текучей среды. В этом примере показана технологическая текучая среда, содержащаяся в технологических трубопроводах. Технологическим параметром может быть любая соответствующая характеристика, относящаяся к технологической текучей среде, такая как расход, температура, давление, рН и т.д. Измерительный преобразователь технологических параметров 12 присоединяется к двухпроводному контуру управления процессом 18, в котором протекает ток контура. В примере реализации измерительный преобразователь расположен в удаленном местоположении «в полях» промышленного процесса и соединяется с диспетчерским пунктом 20 через двухпроводный контур управления процессом 18. В этом примере, контур управления 20 показан в виде резистора датчика 22 и источника напряжения 24.
Вместе с настоящим изобретением обеспечивается функция снятия параметров контура по требованию, которая выполнена с возможностью хранения основных данных энергообеспечения и сопротивления контура. Система может быть использована для определения того, что источник питания, соответствующая электропроводка контура и сопротивление нагрузки функционируют должным образом, так что измерительный преобразователь 12 может выдавать правильное значение тока I на минимальном и максимальном уровнях выходного сигнала, используемых для индикации аварии. Эта способность гарантирует, что измерительный преобразователь в состоянии обеспечить выходное значение в желаемом диапазоне значений тока I.
Фиг. 2 является упрощенной блок схемой, изображающей измерительный преобразователь технологических параметров 12. Измерительный преобразователь технологических параметров 12 включает в себя микропроцессор, который работает в соответствии с командами, хранящимися в памяти. Микропроцессор 30 получает выходной сигнал с датчика технологических параметров 14 через схему измерения 34. Схема измерения 34 может быть использована для включения аналоговых или цифровых компонентов для обработки выходного значения с датчика 14. Кроме того, измерительный преобразователь технологических параметров 12 включает в себя схему ввода-вывода и диагностики 36, которая присоединяется к двухпроводному контуру управления процессом 18. Микропроцессор 30 присоединяется к схеме ввода-вывода и диагностики и выполнен с возможностью связи по двухпроводному контуру управления процессом 18 с использованием схемы 36. Эта связь может быть аналоговой и/или цифровой и опционально может быть двунаправленной. Примеры методов связи включают метод связи 4-20 мА, в котором контур управления процессом 18 проводит сигнал в диапазоне 4-20 мА, чтобы отобразить величину, связанную с выходным значением технологического параметра 14. Уровень тока за пределами этого диапазона может быть использован для обозначения аварии. Вариацией этого протокола сообщений является протокол сообщений HART, в котором цифровая информация модулируется по уровню аналогового тока, протекающего в двухпроводном контуре управления процессом. Прочие протоколы сообщений включают в себя все цифровые протоколы сообщений, такие как протокол на основе FieldBus.
Фиг. 3 представляет собой более детализированную блок схему ввода/вывода и диагностики. Схема ввода/вывода и диагностики присоединяется к двухпроводному контуру управления процессом через клеммы 40. Это обеспечивает соединение контактов Loop + и Loop - c двухпроводным контуром управления технологическим процессом 18. Микропроцессор 30 (не показанный на Фиг. 3) присоединяется к цифро-аналоговому преобразователю в HART контроллере 42, который используется для управления током I, протекающим через контур 18. Цифро-аналоговый преобразователь и HART контроллер 42 выдает аналоговый управляющий сигнал. Измерительное сопротивление обратного считывания 66 также присоединяется последовательно к двухпроводному контуру управления процессом 18. Защитный диод 70 включен параллельно клеммам контура 40. Схема измерения сигнала TERMINAL_VOLTAGE 80 выполнена с возможностью присоединения к клеммам 40 и выдачи выходного сигнала TERMINAL_VOLTAGE, который отображает напряжение на клеммах 40. Схема 80 включает в себя блок резисторных делителей, образованный резисторами 82 и 84. Элементы 86, 88 и 90 присутствуют для безопасности и фильтрации. Усилитель 92 подключается к блоку делителей и цепи обратной связи 96 и 94 масштабируют поделенное напряжение для ввода на 210. Во время работы выходное значение TERMINAL_VOLTAGE дифференциального усилителя 92 отображает напряжение на клеммах 40.
Схема 36 также включает в себя цепь обратного считывания 120, которая выполнена с возможностью выдавать выходной сигнал LOOP_READ_BACK, относящийся к уровню тока I, протекающего через двухпроводный контур управления процессом 18. Схема LOOP_READ_BACK 120 включает в себя дифференциальный усилитель 122, соединенный параллельно измерительному резистору обратного считывания показаний 66. Дифференциальный усилитель 122 выдает выходной сигнал на операционный усилитель 124 через систему фильтров 126, 132 и 136. Операционный усилитель 124 оснащен отрицательной обратной связью через резистор 130 для достижения соответствующих значений для 210.
Схема измерения сигнала SHUNT_CURRENT (тока утечки) 140 обеспечивает измерение сигнала SHUNT_CURRENT, протекающего через резисторы 60 и 62. В конфигурации, показанной на Фиг. 3, операционный усилитель 142 имеет не инвертирующий вход, соединенный с входом SHUNT_DX через резистор 144. Не инвертирующий вход также присоединяется к электрическому заземлению через резистор 146 и конденсатор 148. Отрицательная обратная связь на инвертирующий вход обеспечивается резистором 150, который также присоединяется к электрическому заземлению через резистор 152. Схема измерения сигнала SHUNT_CURRENT (тока шунтирования) 140 выдает выходной сигнал SHUNT_OUTPUT. Также измеряется температура измерительного преобразователя технологических параметров 12 с использованием схемы измерения температуры 160. Схема измерения температуры 160 включает в себя резистивный температурный детекторный элемент 162, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Элемент 162 присоединяется к источнику напряжения VTD через резистор 164. Емкость 166 присоединяется через элемент 162. Падение напряжения на элементе 162 измеряется с помощью операционного усилителя 168. Отрицательная обратная связь обеспечивается с помощью резисторов 170 и 172 и конденсатора 174. Инвертирующий вход операционного усилителя 168 также присоединяется к электрическому заземлению через сопротивление 176. Схема 160 выдает выходной сигнал TEMP, который указывает температуру элемента 162.
Предусматривается мультиплексор 200, входы которого соединяются с выходами схем 92, 120, 140 и 160. Мультиплексор 200 используется для выбора со схем одного из выходных сигналов LOOP_READ_BACK, TERMINAL_VOLTAGE, SHUNT_CURENT или TEMP. Каналы мультиплексора 200 управляются с помощью входов мультиплексора, которые соединены с микропроцессором 30, показанным на Фиг. 2. Выход 202 мультиплексора 200 соединяется с аналогово-цифровым преобразователем 210. Аналогово-цифровой преобразователь конвертирует аналоговый сигнал на выходе 202 в цифровой формат, который подается на микропроцессор 30, показанный на Фиг. 2. Во время работы микропроцессор 30 управляет мультиплексором 200, так что выбираются разные напряжения, которые подключаются на аналогово-цифровой преобразователь 210, которые затем могут быть прочитаны микропроцессором 30.
Во время работы, программное обеспечение запускаемое микропроцессором 30, выполнено с возможностью произвести четыре измерения:
сигнал обратного считывания показаний LOOP_READ_BACK: измерить ток контура.
Сигнал TERMINAL_VC)LTAGE: замерить напряжение между клеммами Loop + и Loop - измерительного преобразователя 12.
Сигнал SHUNT_CURRENT: измерение, используемое для определения установившегося тока, используемого схемами в измерительном преобразователе 12.
Сигнал TEMP: измерение, используемое для температурной компенсации.
В одной конфигурации, микропроцессор измеряет эти величины периодически, например, каждую секунду и использует эти измерения для диагностики контура. Кроме того, диагностика контура может быть выполнена на основе запроса, полученного по двухпроводному контуру управления процессом 18.
Система может выполнять снятие электрических характеристик. Например, при получении запроса через сообщение HART, происходит снятие характеристик системы путем определения сопротивления контура и напряжения питания контура. Этот процесс может быть начат методом, реализованным с помощью языка описания электронных устройств (EDDL), который представляет собой язык и интерфейс, используемый для связи с периферийными устройствами.
Первоначально процесс снятия характеристик включает в себя получение измерений TERMIN AL_VOLT AGE и LOOP_READ_BACK. Первые предварительные проверки могут быть выполнены с сигналом 4 мА и сигналом 6 мА для определения того, что система способна достигать экстремальных значений, таких как 23 мА и 3,6 мА. Первоначально микропроцессор 30 устанавливает ток контура на 4 мА и ждет, когда уровень тока стабилизируется. Далее, требуются измерения и микропроцессор сохраняет значения LOOP_READ_BACK и TERMINAL_VOLTAGE при 4 мА (Loop_ReadBack_4 и Terminal_Voltage_4) в памяти 32. Затем ток контура устанавливается на 6 мА и система ожидает стабилизации уровня тока. Измеряются значения сигналов Loop_Readback_6 и Terminal_Voltage_6. Предварительная проверка сопротивления контура производится с помощью равенства:
Уравнение 1
Далее, с помощью уравнения 2 находится предварительное значение напряжения питания.
Уравнение 2
Эти предварительные значения сопротивления контура и напряжение питания используются, чтобы убедиться, что система способна функционировать когда выходное значение установлено в крайние минимальное (VTmin) и максимальное (VTmax) значения, например на уровне 3,6 мА и на уровне 23,0 мА, соответственно. Эти значения вычисляются согласно уравнениям 3 и 4:
Уравнение 3
Уравнение 4
Если значение VTmin меньше минимума, определенного значением TERMINAL_VOLTAGE для этой системы, например, 12 вольт или VTmax выше максимума определенного TERMINAL_VOLTAGE для системы, например, 42,4 вольт, микропроцессор может быть выполнен с возможностью выдавать пользователю предупреждение, например, путем передачи данных через двухпроводный технологический контур 18 или путем предоставления визуального выходного сигнала и т.д., который указывает пользователю по мере необходимости регулировать источник питания 24, изображенный на Фиг. 1. Это предупреждение может передаваться через двухпроводный контур управления процессом 18 на портативные устройства обслуживания в полевых условиях или, может быть передано на систему управления активами, находящуюся в диспетчерском пункте 20 и т.д. Передача может осуществляться в соответствии, например, с языком описания электронных устройств (EDDL). Фиг. 4 и 5 иллюстрируют выводы с экрана компьютера, которые указывают соответственно на низкое напряжение питания контура или на высокое напряжение питания контура.
Далее, происходит процесс снятия характеристик с помощью установки выходного значения на уровне 20 мА и сохранения значений LOOP_READ_BACK_20 и TERMIN ALJVOLT AGE_20 после стабилизации контура. После получения этих измерений контур возвращается к нормальной работе. Напряжение питания Vps и значения сопротивления контура пересчитываются во всем диапазоне работы (4 мА и 20 мА). Значение TERMINAL_VOLTAGE может периодически проверяться. Сопротивление контура рассчитывается и сохраняется в соответствии с формулой 5:
Уравнение 5
Сопротивление контура также может быть использовано для проверки выполнения требования к минимальному сопротивлению 250 Ом, необходимому для связи.
Во время нормальной работы, микропроцессор 30 также может следующим образом рассчитывать и сохранять напряжение питания Vps:
Уравнение 6
После того расчета сопротивления контура и напряжения питания контура система может вернуться к выполнению нормального рабочего цикла.
Во время выполнения нормального рабочего цикла, микропроцессор 30 может производить периодическую диагностику, измеряя значения LOOP_READ_BACK, TERMINAL_VOLTAGE и SHUNT_CURRENT. Эти значения могут быть масштабированы путем применения соответствующего коэффициента усиления или напряжения смещения и компенсированы по температуре. Значение тока LOOP_READ_BACK можно сравнить с референсным значением тока выходного сигнала. Если разница между ними больше установленного порога, (например 2% диапазона), то может быть направлено предупреждение по двухпроводному контуру сообщений, например, с помощью протокола сообщений HART  или по желанию предупреждение может быть сгенерировано локально. Значение TERMINAL_VOLTAGE измеряется и сравнивается с ожидаемым вычисленным значением (вычисленным с использованием исходных данных сопротивления контура и электропитания). Для этого расчета используется текущее значение тока (в мА) в отличие от тестового значения тока. Значение TERMIN AL_VOLTAGE рассчитывается в соответствии с формулой 7:
Уравнение 7
Если измеренное значение TERMINAL_VOLTAGE не согласуется со значением VT_Calculated на более чем выбранную пользователем величину («максимум TERMINAL_VOLTAGE") как показано на Фиг. 5, тогда по двухпроводному контуру управления процессом может быть передано предупреждение и, по желанию, сгенерирован локальный сигнал аварии.
Как правило, двухпроводные измерительные преобразователи присоединяются к контуру управления процессом через распределительную коробку, которая содержит диоды и резисторы. Однако, в настоящей конфигурации применяется измерение температуры, которое может быть использовано для компенсации изменения электрических характеристик диодов и резисторов вследствие изменения температуры. Это может улучшить точность измерения, и в особенности точность измерения сигналов TERMINAL_VOLTAGE и LOOP_READ_BACK.
Установившийся ток определяют как ток, который требуется для работы схемы измерительного преобразователя 12. Установившийся ток может быть использован при выполнении диагностики. Установившийся ток может быть измерен с использованием показания SHUNT_CURRENT и значения синхронизированного тока контура (опорный уровень выходного тока). Установившийся ток рассчитывается как:
Уравнение 8
Установившийся ток = Референсный ток контура - ток шунтирования
Если установившийся ток превышает заранее заданное значение, например, если установившееся значение больше чем 3,4 мА, тогда по двухпроводному контуру управления процессом может быть передан предупредительный сигнал и, если требуется, сгенерирован локальный сигнал аварии. Кроме того, динамическое пороговое значение может сравниваться с установившимся током, чтобы убедиться, что требования связи соблюдаются. Например, значение нижнего сигнала аварии минус установившийся ток должно быть больше 0,5 мА.
Если требуется, измеренная температура может быть использована для компенсации различных компонентов схемы диагностики. Эта компенсация может быть выполнена, например, с помощью методов подгонки полиномиальной кривой. Информация о снятии температурных параметров может храниться в памяти 32. Например, память 32 может включать в себя энергонезависимую память для расширенного хранения таких значений. Снятие температурных характеристик может быть выполнено во время изготовления измерительного преобразователя 12. Во время калибровки выходного сигнала 4-20 мА, микропроцессор одновременно также может выполнять калибровку сигнала LOOP_READ_BACK, и суммарный коэффициент сохраняется в памяти 32. Другие сведения, которые могут быть сохранены в энергонезависимой части памяти 32 включают в себя различные пороговые уровни и другую информацию и могут быть доступны пользователю с помощью метода сообщений HART.
Фиг.6 представляет собой распечатку с экрана программного обеспечения, выполняющего программу для связи с измерительным преобразователем в соответствии с языком описания электронных устройств (EDDL). Как показано на Фиг. 6, различные параметры могут быть просмотрены и сконфигурированы, в том числе виды оповещений, сообщения диагностики питания и т.д. На экране могут быть просмотрены результаты различных измерений и измерения базовых значений, полученные измерительным преобразователем 12, системе может быть дана команда на инициацию запроса выполнения снятия характеристик контура.
Предпочтительно, чтобы измерения происходили в синхронизации во время измерения различных токов и напряжений. Например, если вычисляется сопротивление с измерением напряжения и силы тока, предпочтительно, чтобы измерения тока и напряжения происходили синхронно. Для того, чтобы улучшить синхронизацию измерений программное обеспечение может быть выполнено с возможностью использования захвата ресурсов в методах синхронного хранения. Кроме того, предпочтительно, чтобы программное обеспечение работало в приоритетном режиме для увеличения его приоритета. В частности, когда выполняется диагностика, аналоговый выходной ресурс может быть блокирован диагностическим программным обеспечением.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области будет понятно, что изменения в форме и деталях могут быть сделаны, не отходя от сути и объема изобретения. В одной конфигурации, после приема диагностической команды, микропроцессор выполняет снятие характеристик контура и определяет исходные значения источника питания контура и сопротивления контура. Во время снятия характеристик микропроцессор также может выполнить проверку того, что напряжение на клеммах полевого устройства находится в пределах 12 вольт и 42,4 вольт.