АДАПТЕР БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ПОЛЕВЫХ УСТРОЙСТВ
WIRELESS COMMUNICATION ADAPTER FOR FIELD DEVICES

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В промышленных установках системы управления используются для контроля и управления материальными запасами промышленных и химических процессов и т.п. Обычно, система управления выполняет эти функции с использованием полевых устройств, распределенных по ключевым местоположениям в производственном процессе и присоединенных к схеме управления в контрольном пункте посредством контура управления технологическим процессом. Термин "полевое устройство" относится к любому устройству, которое выполняет функцию в распределенной системе управления или технологического контроля, включая все известные устройства или которые будут известны, используемые для измерения, управления и контроля производственных процессов.
Некоторые полевые устройства включают в себя преобразователь. Преобразователь следует понимать либо как устройство, которое производит выходной сигнал, основанный на физическом вводе, либо - физический вывод на основе входного сигнала. Обычно, преобразователи преобразуют входной сигнал в выходной сигнал, имеющий отличающуюся форму. Типы преобразователей включают в себя различное аналитическое оборудование, датчики давления, термисторы, термопары, тензометрические датчики, датчики расхода, цифровые контроллеры клапана, расходомеры, компьютеры расхода, манипуляторы, приводные устройства, соленоиды, контрольные лампы и другие.
Обычно, каждое полевое устройство включает в себя также схему связи, которая используется для связи с пунктом управления технологическим процессом или другой схемой по петле управления технологическим процессом. В некоторых установках, петля управления технологическим процессом используется также для подачи регулируемого тока и/или напряжения на полевое устройство для его питания. Петля управления технологическим процессом также переносит данные в аналоговом или цифровом формате.
Традиционно, аналоговые полевые устройства соединяются с пунктом управления двухпроводными токовыми петлями управления технологическим процессом с каждым устройством, соединенным с пунктом управления единственной двухпроводной петлей управления. Обычно, дифференциал напряжения поддерживается между двумя проводами в диапазоне напряжений от 12-45 вольт для аналогового режима и 9-50 вольт для цифрового режима. Некоторые аналоговые полевые устройства передают сигнал на пункт управления, модулируя ток, проходящий через токовую петлю, в ток, пропорциональный регистрируемой технологической переменной. Другие аналоговые полевые устройства могут выполнять действия под управлением пункта управления путем управления величиной тока через петлю. Кроме того, или альтернативно, петля управления технологическим процессом может также нести цифровые сигналы, используемые для связи с полевыми устройствами.
В некоторых установках, для связи с полевыми устройствами начинают использоваться беспроводные технологии. Беспроводная операция упрощает проводку и установку полевого устройства. Однако большинство полевых устройств связаны кабелем с пунктом управления технологическим процессом и не используют методы беспроводной связи.
Промышленные технологические установки часто содержат сотни или даже тысячи полевых устройств. Многие из этих полевых устройств содержат сложную электронику и могут предоставить больше данных, чем традиционные аналоговые измерения с током 4-20 мА. По ряду причин, в том числе из-за стоимости, многие установки не используют преимущество дополнительных данных, которые могут быть предоставлены такими полевыми устройствами. Это привело к необходимости в беспроводном адаптере для таких полевых устройств, который может быть прикреплен к полевым устройствам и может передавать через беспроводную сеть данные обратно в систему управления или в другую систему мониторинга или диагностики, или приложение.
Для управления промышленной технологической установкой, полевые устройства должны часто удовлетворять аттестационным параметрам (оценкам) относительно опасных зон. Имеются различные типы параметров, но для широкого применения беспроводной адаптер полевого устройства должен иметь возможность прикрепления к каждому такому полевому устройству, не ухудшая аттестационный параметр относительно опасных зон этого полевого устройства.
Один из этих аттестационных параметров известен как параметр (класс) взрывостойкости или параметр взрывозащищенности. Задача взрывостойкой оболочки состоит в том, чтобы удерживать взрыв, если огнеопасный газ входит в оболочку и воспламеняется. Если оболочка не может удержать взрыв, то это может привести к воспламенению окружающих газов с катастрофическими последствиями. Одна из проблем, возникающих при изготовлении беспроводного устройства, заключается в необходимости пропустить беспроводной сигнал через оболочку, способную выдерживать взрывные давления. Такие оболочки часто оказываются большими и изготавливаются из металлов, например стали или алюминия. Известные в настоящее время методики беспроводной передачи включают в себя толстые стеклянные антенные обтекатели или взрывостойкие коаксиальные проходники, с ограничивающей энергию схемой, и приспособленные для относительно хрупкой гибкой антенны. Пластмассовые обтекатели антенны не считаются пригодными для противостояния взрывным давлениям, и при этом они не удовлетворяют требованиям аттестационных органов к химической и атмосферной стойкости, и стойкости к внешним воздействиям.
Аттестационный параметр другого типа известен как искробезопасность (IS). Искробезопасное (внутренне безопасное) устройство исключает воспламенение огнеопасных газов посредством ограничения величины энергии, присутствующей в электронике, и посредством гарантии того, что электронные компоненты достаточно удалены друг от друга, чтобы предотвратить образование дуги в случае короткого замыкания. Создаваемое электронными компонентами тепло также контролируется. Если электронные устройства делаются внутренне безопасными, то это приводит к увеличению числа компонентов, а также к увеличению размера монтажной платы. Это также приводит к необходимости, чтобы фактор формы устройства был бы минимизирован.
Для использования адаптера беспроводной связи во взрывобезопасных установках, он должен быть взрывозащищенным сам по себе, и он должен предоставить взрывостойкий барьер в соединении между двух устройств. Для внутренне безопасного агрегата, схема беспроводной связи также должна быть внутренне безопасной. Возможность прикрепить такой адаптер к любому устройству также влечет за собой важность фактора формы. Промышленные устройства, такие как полевые устройства, могут быть установлены во многих конфигурациях и часто располагаются в стесненном пространстве. Это требует малой и компактной конструкции. Чтобы достигнуть этого, полезно, чтобы антенна была объединена с адаптером беспроводной связи, и чтобы размер монтажной платы был минимизирован. Это усложняет конструкцию агрегатов, которая требует или сертификации взрывостойкости, или сертификации внутренней безопасности.
Предоставление адаптера беспроводной связи для полевых устройств, который относительно мал и компактен, и при этом способен облегчить соответствие сертификатам взрывостойкости и внутренней безопасности, могло бы усовершенствовать технику беспроводной технологической связи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предоставлен беспроводной технологический адаптер связи. Адаптер включает в себя кожух (корпус), имеющий множество отверстий. Заглушка (концевой колпачок) присоединена к первому отверстию из множества отверстий. Соединение полевого устройства расположено во втором из множества отверстий. При этом кожух, заглушка и соединение полевого устройства определяют камеру. По меньшей мере, одна монтажная плата расположена в пределах камеры, монтажная плата имеет расположенную на ней схему беспроводной связи и имеет возможность присоединения к полевому устройству с помощью соединения полевого устройства. В одном объекте по существу весь оставшийся объем в камере заполняется твердым материалом. В другом объекте, взрывостойкий барьер предоставляется в соединении полевого устройства. Объединение объектов также предоставляется.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает схематический вид технологически присоединенного полевого устройства, работающего с присоединенным адаптером беспроводной связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг.2 - упрощенный вид сечения полевого устройства и беспроводного технологического адаптера связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг.3 - схематический вид сечения беспроводного технологического адаптера связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Варианты реализации настоящего изобретения в целом предоставляют беспроводной передатчик, который может быть прикреплен к проводному полевому устройству, которое является или взрывостойким, или внутренне безопасным, без ухудшения рейтинга одобрения такого полевого устройства. Адаптер беспроводной связи конфигурируется так, чтобы предоставить защиту от взрыва, и также предпочтительно содержит внутренне безопасную электронику. Адаптер предпочтительно включает в себя взрывостойкий барьер в точке присоединения к проводному устройству и включает в себя электронику, которая полностью герметизирована.
На Фиг.1 показан схематический вид технологического проводного полевого устройства 12, соединенного для работы с адаптером 14 беспроводной связи, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Хотя на Фиг.1 показано полевое устройство 12 как передатчик давления технологического флюида, такой как поставляемый под торговым обозначением Model 3051S, выпускаемый Emerson Process Management of Chanhassen, Минесота, может использоваться любое подходящее полевое устройство. Обычно, полевое устройство включает в себя модуль датчика, такой как модуль 16 датчика, и модуль электроники, такой как модуль электроники 18. Кроме того, как сформулировано выше, полевое устройство 12 часто разрабатывается в соответствии с требованиями взрывостойкости. Кроме того, конструкция электроники в пределах полевого устройства 12 может соответствовать требованию внутренней безопасности, такому как одна или несколько частей стандарта, опубликованного Factory Mutual Research в октябре 1998г. и озаглавленного APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III, DIVISION 1HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610. Полевое устройство 12 обычно включает в себя датчик, такой как датчик давления в модуле 16 датчика, который преобразовывает параметр технологического флюида, такой как давление, и предоставляет электрическую индикацию этой переменной технологического флюида на модуль электроники 18. Модуль 18 электроники затем передает информацию о технологической переменной по технологической петле связи, которая обычно присоединяется через ввод 20.
Как описано выше, оказывается полезным предоставить дополнительные возможности связи для технологических проводных полевых устройств, такие как возможность беспроводной связи. Предоставляя беспроводной технологический адаптер связи, такой как технологический адаптер 14 связи, может быть передана дополнительная цифровая информация, помимо передаваемой через проводное технологическое соединение. Такая информация может быть передана на отдельную систему мониторинга или диагностики, или приложение, для анализа. Кроме того, простое предоставление дополнительного ресурса связи, такого как адаптер 14, также обеспечивает резервную связь. Для технологического адаптера 14 связи важно иметь возможность присоединения к полевым устройствам, без негативного влияния на возможность сборки отвечать требованиям к взрывостойкости и/или внутренней безопасности.
На Фиг.2 показан упрощенный вид сечения полевого устройства 12 и беспроводного технологического адаптера 30 связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Полевое устройство 12 соединяется с технологической петлей 22 связи через ввод 20 и трубопровод 11. Примеры технологических петель связи включают в себя протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART) и протокол FOUNDATION™ Fieldbus. Однако, известны и другие проводные протоколы технологической связи. В примере с передатчиком технологической переменной, полевое устройство 12 включает в себя датчик 50 технологической переменной, который соединен со схемой 52 измерения, чтобы измерить технологическую переменную. Схема 54 передатчика сконфигурирована для приема технологической переменной и передачи технологической переменной на двухпроводную петлю 22 управления технологическим процессом, используя известные методики. Полевое устройство 12 соединяется с двухпроводной петлей 22 управления технологическим процессом через соединительный блок 106. Адаптер 30 беспроводной связи соединяется с двухпроводной петлей 22 управления технологическим процессом через соединительный блок 106 и устанавливается на кожухе полевого устройства 12, например, с помощью резьбовых соединений 123 и 109. Шасси беспроводного технологического адаптера 30 связи соединяется с электрическим соединителем 110 заземления полевого устройства 12 с помощью провода 108. Полевое устройство 12 включает в себя двухпроводной технологический соединительный блок 102, который присоединяется к соединению 112 от беспроводного технологического адаптера 30 связи. Кожух 120 беспроводного технологического адаптера 30 связи поддерживает антенну 126, которая присоединяется к схеме беспроводной связи беспроводного технологического адаптера 30 связи. Прозрачная для радиочастоты (RF) заглушка 124 может быть использована для герметичного присоединения к кожуху 120, чтобы позволить передачу через него RF сигналов. В показанной на Фиг.2 схеме, для радиочастотного адаптера предоставляются пять электрических соединений, которые включают в себя четыре петлевых соединения и соединение электрического заземления.
На Фиг.3 показан схематический вид сечения беспроводного технологического адаптера связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Как показано на Фиг.3, беспроводной адаптер технологической связи предпочтительно включает в себя цилиндрическую металлическую оболочку 120 с большим отверстием 150 на одном конце, чтобы поместить прозрачный для радиочастоты обтекатель (антенны) или заглушку 124, и относительно малое отверстие 152 на другом конце, чтобы поместить соединение 122 полевого устройства. Электроника 154 находится в пределах полости 130 предпочтительно на паре печатных монтажных (схемных) плат 132, 134. Электроника предпочтительно включает в себя схему беспроводной связи, чтобы позволить беспроводному технологическому адаптеру связи связываться в соответствии с одним или несколькими протоколами беспроводной связи. Примеры подходящих протоколов беспроводной технологической связи включают в себя: беспроводные сетевые технологии (такие как IEEE 802.11b точки беспроводного доступа и беспроводные сетевые устройства, разработанные Linksys of Irvine, Calofornia); сотовые или цифровые сетевые технологии (такие как Microburst by Aeris Communications Inc. Of San Jose, California); сверх широкая полоса, оптика свободного пространства, Глобальная Система Мобильных Коммуникаций (GSM), Общий Сервис Пакетной Беспроводной Связи (GPRS); Множественный Доступ с Кодовым Разделением (CDMA); технология размытого спектра, инфракрасные методики коммуникаций; SMS (Служба Коротких Сообщений/текстовые сообщения); известная технология Bluetooth, такая как Версия 1.1 Bluetooth Core Specification (22 февраля 2001 г.), доступная от Bluetooth SIG (www.bluetooth.com); и Беспроводная Технология HART, опубликованная Hart Communication Foundation, например. Соответствующие части Беспроводной Технологии HART включают в себя: HCF_Spec 13, версия 7.0; Технология HART 65 - Беспроводная Технология Физического Уровня; Технология HART 75 - Технология Канального Уровня передачи данных TDMA (TDMA обозначает Множественный Доступ с Разделением Времени); HART Технология 85 - Технология Управления Сети; Технология 155 - Технология Беспроводных Команд; и HART Технология 290 - Технология Беспроводных Устройств.
Электроника на каждой монтажной плате 132, 134 предпочтительно монтируется с интервалом вокруг них и между монтажными платами, чтобы облегчить протекание заливочного компаунда. При герметизированной оболочке, заливка 136 вводится в камеру 130 через проход 156 до заполнения оболочки. Может использоваться любой подходящий заливочный компаунд, но для самого заливочного материала важно удовлетворять требованиям аттестационных органов, что включает в себя приемлемую химическую стойкость, термическую стойкость при высоких и низких рабочих температурах, а также другие соответствующие параметры. Обтекатель антенны 124, оболочка 120 и соединение 122 полевого устройства обеспечивают атмосферностойкую оболочку для заливки 136.
Соединение 122 полевого устройства предоставляет способ прикрепления непосредственно к полевому устройству 12. Сборка 140 проходника предпочтительно также служит взрывостойким барьером в точке соединения. Если огнеопасные газы войдут в оболочку полевого устройства и загорятся, то сборка 140 проходника будет сдерживать взрыв. Проводные выводы 158, 160 проходят через сборку 140 проходника. Внутренняя часть соединения заполнена заливкой, способной противостоять взрывному давлению. Внутренняя часть соединения включает в себя выступ 166, который помогает удерживать заливку в соединении. Соединение 122 полевого устройства может также включать в себя соединительную муфту и/или патрубок, чтобы обеспечить возможность регулировки, если желательно. В одном варианте реализации взрывостойкий барьер предоставляется пропусканием проводов 158, 160 через клеевое соединение 164 в сборке 140 проходника. Это клеевое соединение 164 создается заполнением сборки 140 проходника заливкой, способной противостоять взрывному давлению.
В другом варианте реализации сборка 140 проходника может быть построена из термореактивного эпоксидного полого цилиндра 162. Провода 158, 160 пропускаются через цилиндр 162, который затем заполняется заливкой 164. Сборка 140 проходника вдвигается в соединение 122 полевого устройства с выступом 166 соединения 122 полевого устройства, прилегающим к поверхности 168 сборки 140 проходника. Внешний диаметр цилиндрической сборки 140 проходника и внутренний диаметр соединения 122 полевого устройства, а также их длины, строго контролируются, чтобы поддержать зазор 170, который является достаточно длинным и узким, чтобы погасить любые просочившиеся горючие газы. Внешний диаметр сборки 140 проходника также предпочтительно включает в себя O-образное кольцо 172 для изоляции от внешней среды.
Беспроводной технологический адаптер 30 связи, таким образом, предпочтительно использует герметизацию и адаптацию сборки проходника, чтобы обеспечить защиту от взрыва и влияния окружающей среды и чтобы уменьшить интервал между электронными компонентами, требуемый для обеспечения внутренней защиты. Требования внутреннего интервала безопасности менее строги, если пространство между компонентами заполнено заливкой. Это позволяет сделать все устройство более миниатюризированным. Герметизация обеспечивает защиту от взрыва посредством полного исключения огнеопасных газов. Электроника беспроводного технологического адаптера 30 связи полностью окружена заливкой и поэтому защищена от влияния окружающей среды.
И пластмасса, и заливка характеризуются собственной прочностью и непрочностью и используются вместе, чтобы компенсировать взаимную непрочность. Пластмасса может быть использована, чтобы обеспечить твердую оболочку и стойкость к ультрафиолету и пламени, что не доступно для большинства заливочных компаундов. Заливка поддерживает пластмассу изнутри, тем самым, улучшая ее стойкость к внешнему воздействию. Заливка обеспечивает химическую стойкость, требуемую для аттестационного освидетельствования, и обеспечивает надежную водонепроницаемость и пыленепроницаемость, поскольку для воды и пыли фактически оказывается невозможным достигнуть электроники. Заливка также делает электронику фактически защищенной от вибрации, и меньший безопасный внутренний интервал позволяет использовать меньшие монтажные платы. Эта конструкция приводит к компактной компоновке только с одним взрывостойким соединением, в котором провода выходят из технологического адаптера 30 связи. Антенна 126 находится в пределах устройства, устраняя необходимость во внешней антенне с соответственной защитой от взрыва.
Хотя настоящее изобретение было описано в связи с предпочтительными вариантами реализации, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что возможны изменения по форме и в деталях, без отступления от существа и объема притязаний изобретения.