ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ДИАГНОСТИЧЕСКИМ ИЗВЕЩЕНИЕМ
TECHNOLOGICAL DEVICE WITH DIAGNOSTIC ANNUNCIATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к типу технологических устройств, используемому в промышленных технологических процессах. Более точно, настоящее изобретение относится к передаче диагностической информации.
Полевые устройства, такие как технологические контроллеры, автоматические регуляторы и преобразователи используются в промышленности управления технологическими процессами для удаленного контроля, отслеживания или считывания технологических параметров. Например, технологический параметр может передаваться на диспетчерский пункт преобразователем для использования при управлении технологическим процессом или для предоставления информации о работе технологического процесса в контроллер. Например, информация, имеющая отношение к давлению технологического флюида, может передаваться на диспетчерский пункт и использоваться для управления технологическим процессом, таким как перегонка нефти.
Одна из типичных технологий предшествующего уровня техники для передачи информации, такой как технологический параметр, включает в себя регулирование величины мощности, протекающей по контуру управления технологическим процессом. Ток подается от источника тока в диспетчерском пункте, а преобразователь управляет током со своего местоположения в цехе. Например, сигнал 4 мА может использоваться для указания нулевого показания, а сигнал 20 мА может использоваться для указания показания полной шкалы. Не так давно преобразователи приняли на вооружение цифровую схему, которая поддерживает связь с диспетчерским пунктом с использованием цифрового сигнала, который накладывается на аналоговый токовый сигнал, протекающий через контур управления технологическим процессом. Одним из примеров такой технологии является протокол связи HART, разработанный компанией Rosemount Inc. Протокол HART и другие такие протоколы типично включают в себя набор команд или инструкций, которые могут отправляться в преобразователь, чтобы вызывать требуемую реакцию, такую как управление или опрос преобразователя.
Fieldbus (полевая шина) является протоколом связи, предложенным Fieldbus Foundation, и направлен на определение уровня или протокола связи для передачи информации о контуре управления технологическим процессом. В протоколе Fieldbus, ток, протекающий по контуру, не используется для передачи аналогового сигнала. Взамен, вся информация передается в цифровой форме посредством модулирования тока, протекающего в контуре управления технологическим процессом. Кроме того, стандарт Fieldbus и стандарт, известный как Profibus (высокоскоростной шины цифрового технологического оборудования), предоставляют преобразователям возможность конфигурироваться в конфигурации многоточечной линии, при которой более чем один преобразователь присоединены к одному и тому же контуру управления технологическим процессом. Другие протоколы связи включают в себя протокол MODBUS и Ethernet. В некоторых конфигурациях, два, три, четыре или любое количество проводов может использоваться для присоединения к технологическому устройству, включая в себя и нефизические соединения, такие как РЧ (RF, радиочастотные).
Некоторые технологические преобразователи также способны к передаче аварийного сигнала, который может обеспечивать признак, что измерение технологического параметра достигло предельных значений (то есть технологический процесс нарушается). Один из типов аварийного сигнала фиксирует ток через контур при предопределенных уровнях или за пределами предопределенных пороговых значений. Например, один из типов аварийного сигнала является уровнем тока, который является большим, чем 21 мА, или меньшим, чем 3,8 мА, который может использоваться для отправки соответственно «аварийного сигнала повышения» или «аварийного сигнала понижения». Аварийный сигнал может отправляться преобразователем по возникновению аварийной ситуации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технологическое устройство для присоединения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом включает в себя схему диагностики, выполненную с возможностью диагностики работы технологического устройства. Выход, присоединенный к двухпроводному контуру управления технологическим процессом, выполнен с возможностью выдачи по контуру выходного сигнала, имеющего отношение к диагностическому состоянию. Также предусмотрены способ и интерфейсная схема.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схема, которая иллюстрирует систему управления технологическим процессом, включающую в себя технологическое устройство, которое присоединяется к контуру управления технологическим процессом.
Фиг.2 - вид в перспективе устройства, который иллюстрирует внутренность технологического устройства по фиг.1.
Фиг.3 - упрощенная структурная схема схематики в технологическом устройстве.
Фиг.4 - упрощенная структурная схема, иллюстрирующая интерфейсную схему для присоединения технологического устройства к схеме диспетчерского пункта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение предоставляет способ и устройство для извещения диагностической информацией благодаря использованию аналоговых сигналов, проводимых по двухпроводному контуру управления технологическим процессом. Типично, двухпроводные контуры управления технологическим процессом применяют сигнал от 4 до 20 миллиампер, который используется для представления технологического параметра. Однако, во многих случаях, технологические устройства также способны к формированию диагностической информации. Изобретение имеет отношение к технологиям для передачи такой информации.
Существует возрастающая потребность в том, чтобы диагностические возможности были включены в технологические устройства. В частности, существует потребность в такой возможности для предоставления прогнозной диагностики, которая выдает признак возможности будущего отказа. Осведомленность о приближающемся отказе предоставляют работам по техническому обслуживанию планироваться и проводиться до окончательного отказа устройства. Это имеет следствием более высокий коэффициент готовности оборудования и повышенную производительность.
Одним из препятствий для реализации диагностических возможностей в технологических устройствах является способ, используемый для извещения результатами диагностики. Более новые технологические устройства могут предусматривать технологии связи, посредством которых диагностическая информация может отправляться в другие устройства или местоположения, к примеру на диспетчерский пункт.Примеры таких технологий связи включают в себя те, которые используют Fieldbus, Profibus, Modbus, сеть Интернет, Ethernet, RS-485, технологии беспроводной связи и другие. Эти технологии предусматривают для технологического устройства возможность инициировать передачу сообщения и передавать диагностическую информацию. Однако значительная часть промышленности управления технологическими процессами продолжает использовать более старые технологии связи, такие как стандарт связи HART и/или стандарт 4-20 миллиампер.
В настоящее время в некоторых конфигурациях аварийные параметры, которые находятся вне нормального рабочего диапазона тока 4-20 миллиампер, используются для сигнализации аварийной ситуации. Другой способ состоит в том, чтобы опрашивать устройство с использованием технологий последовательного опроса связи HART. Технологическое устройство, в таком случае, может передавать в цифровой форме результаты диагностики с использованием протокола цифровой связи HART.
Если ток контура 4-20 миллиампер используется для передачи аварийного сигнала, технологический параметр не может передаваться одновременно, так как функция аналогового вывода превращается из указания технологического параметра в указание диагностической информации. Кроме того, такая технология не очень хорошо приспособлена для прогнозной диагностики, так как аварийный сигнал отправляется только после того, как возникла аварийная ситуация. Кроме того, еще аварийный сигнал не может отправляться непрерывным образом без потери технологического параметра. Хотя сообщение может передаваться из технологического устройства в соответствии со стандартом связи HART, этот способ ограничен установками, где хост-узлы HART представлены и выполнены с возможностью приема диагностической информации. Кроме того, в установках, где представлены хост-узлы HART, дополнительный поток обмена, ассоциативно связанный с имеющим отношение к диагностике последовательному опросу, может неблагоприятно воздействовать на полосу пропускания системы.
Настоящее изобретение предоставляет способ и устройство для отправки диагностической информации из технологического устройства в форме аналогового тока, передаваемого по двухпроводному контуру управления технологическим процессом. Аналоговый выходной сигнал может быть в любом количестве форм. В одном из примеров, в контуре управления технологическим процессом устанавливается или регулируется уровень тока, который является указывающим на диагностические состояния, и уровень тока обладает более чем двумя значениями. Конкретный уровень тока может преобразовываться в конкретное диагностическое состояние для предоставления диагностической информации. Подобным образом, к технологическому устройству может присоединяться дополнительное технологическое устройство, которое обеспечивает диагностику. Это дополнительное технологическое устройство может принимать цифровое представление диагностического состояния и может преобразовывать цифровое представление в аналоговый токовый сигнал 4-20 миллиампер. Токовый сигнал 4-20 миллиампер может использоваться с существующими устройствами диспетчерского пункта. Такое устройство, которое способно к преобразованию цифрового технологического параметра в аналоговый сигнал 4-20 миллиампер, показано и описано в патенте США №5650777, опубликованном 22 июля 1997 г., озаглавленном «CONVERSION CIRCUIT FOR PROCESS CONTROL SYSTEM» («СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ»).
При использовании для обеспечения прогнозной диагностики, уровень тока в контуре может регулироваться, чтобы указывать изменения в результате диагностики. Например, постепенно деградирующий компонент или другой диагностический признак может указываться постепенным увеличением (или уменьшением) аналогового значения в соответствии предопределенному профилю. Когда аналоговое значение превышает предопределенное пороговое значение, аппаратура на диспетчерском пункте может использоваться для предоставления признака, что отказ может быть неминуемым. Подобным образом, хост-система, которая отслеживает диагностический аналоговый токовый выходной сигнал, может быть выполнена с возможностью выполнения стратегии обработки исключительных ситуаций на основании определенного пользователем порогового значения. Если аналоговое значение превышает пороговое значение, может быть реализована конкретная конфигурация управления. Это может использоваться для безопасного прекращения работы технологического процесса. В другом примере технологическое устройство выдает второй аналоговый выходной сигнал в дополнение к аналоговому выходному сигналу технологического параметра. Аналоговый выходной сигнал также может вырабатываться удаленным устройством ввода/вывода, таким как приборный концентратор или подобное устройство. В еще одном примере вместо выдачи одиночного дискретного уровня тока для представления диагностического состояния, технологическое устройство может предоставлять конкретную комбинацию уровней тока для представления конкретного состояния технологического процесса.
Эта конфигурация предоставляет существующей аппаратуре диспетчерского пункта возможность использовать диагностические возможности в технологическом устройстве. Существующая аппаратура диспетчерского пункта может легко программироваться, чтобы отслеживать аналоговые уровни тока и предпринимать требуемый этап, такой как сигнализация аварийного сигнала, если превышено пороговое значение. Изобретение может быть выполнено с возможностью предоставления возможности одновременного доступа к измеряемому технологическому параметру, а также результату диагностики. Кроме того, аналоговый выходной сигнал, который может принимать многочисленные значения, может использоваться для предоставления показания по всему диапазону результатов диагностики, таких как результаты диагностики, представляющие общее состояние устройства или компонента. Это предоставляет гораздо больше информации на диспетчерский пункт, чем просто предоставление дискретного значения аварийного сигнала. Кроме того, эта конфигурация не требует дополнительного последовательного опроса устройств или другой сложной инфраструктуры.
Фиг.1 - схема системы 10 управления технологическим процессом, которая включает в себя преобразователь 12, присоединенный к технологической трубе 16. Преобразователь 12 присоединен к двухпроводному контуру 18 управления технологическим процессом, который работает в соответствии с требуемым протоколом, таким как стандарт HART или аналоговый стандарт 4-20 миллиампер. Однако изобретение не ограничено этими стандартами или двухпроводной конфигурацией. Двухпроводный контур 18 управления технологическим процессом проходит между преобразователем 12 и диспетчерским пунктом 20. В варианте осуществления, в котором контур 18 работает в соответствии с протоколом HART, контур 18 может нести ток I, который является представляющим считанный технологический параметр. Например, датчик 21 может считывать технологический параметр для передачи по контуру 18. Дополнительно, протокол HART предоставляет цифровому сигналу возможность накладываться на ток через контур 18, из условия, чтобы цифровая информация могла отправляться в преобразователь 12 или приниматься из него. В одном из вариантов осуществления вместо представления технологического параметра, ток I, переносимый в контуре 18, является представляющим диагностическое состояние. Например, ток I может быть между 4 миллиамперами и 20 миллиамперами и представляющим конкретное диагностическое состояние, определенное схемой в технологическом устройстве 12. В другом примере, ток I может устанавливаться в любое количество значений, в том числе, любое значение в непрерывном диапазоне значений, которые являются представляющими диагностическое решение. Например, ток в 4 миллиампера может представлять конкретное диагностическое состояние, тогда как 5 миллиампер может представлять другое диагностическое состояние, и так далее. Если используется непрерывное значение, ток I может находиться в диапазоне между двумя конечными точками, а его значение быть представляющим непрерывно изменяемое диагностическое состояние. В другом примере ток I может устанавливаться в три или более разных уровней тока, представляющих диагностические состояния. Схема на диспетчерском пункте 20 может отслеживать уровень I тока, переносимого в контуре 18. Например, традиционные компоненты диспетчерского пункта способны к отслеживанию уровней тока и выдаче аварийных сигналов или предоставлению других выходных сигналов, если уровень I тока превышает или достигает конкретного порогового значения.
D
Фиг.1 также иллюстрирует необязательный второй контур 26 управления технологическим процессом. В варианте осуществления, который использует контур 26 управления технологическим процессом, контур 18 управления технологическим процессом может передавать стандартный технологический параметр, например, измеренный с использованием датчика 21 технологического параметра. Второй контур 26 управления технологическим процессом может нести ток I, представляющий диагностическую информацию образом, подобным обсужденному выше. Однако другие технологии передачи также могут использоваться. Такая конфигурация предоставляет контуру 18 управления технологическим процессом возможность непрерывно быть готовым для передачи первичного технологического параметра, в то время как диагностическая информация поставляется по второму контуру 26 управления технологическим процессом. В одной из конфигураций второй контур 26 управления технологическим процессом переносит цифровую информацию, имеющую отношение к диагностическому состоянию.
Фиг.2 - вид в перспективе преобразователя 12, который показывает одну примерную конфигурацию схемных блоков, содержащихся в нем. В этом варианте осуществления преобразователь 12 включает в себя модуль 40 признака, который присоединяется к модулю 42 считывания. Модуль 42 считывания присоединяется к технологической трубе 16 (показанной на фиг.1) через коллекторное технологическое соединение 44.
Модуль 40 признака включает в себя электронную схему 50 модуля признака, которая присоединяется к электронной схеме 52 модуля считывания, содержащейся в модуле 42 считывания. Типично, электронная схема 52 модуля считывания присоединяется к датчику технологического параметра, например датчику 21, показанному на фиг.1, который используется для считывания технологического параметра, имеющего отношение к работе технологического процесса. Электронная схема 50 модуля признака включает в себя выходную схему 60, схему 62 технологического параметра и схему 64 диагностики. Схема 60, 62 и 64 может быть реализована аппаратно, программно или в гибридной комбинации этих двух, и может быть расположена где угодно в пределах преобразователя 12. Кроме того, различные схемы 60, 62 и 64 могут совместно использовать компоненты.
Во время работы выходная схема 60 управляет значением тока I, протекающего через контур 18, чтобы представлять, например, измеренный технологический параметр или диагностическое состояние. Это может использоваться для отслеживания или управления работой промышленного технологического процесса, в некоторых применениях, выходная схема 60 также используется для подачи энергии на схему в пределах преобразователя 12, которая вырабатывается с использованием энергии, принятой по контуру 18 и/или контуру 26. Если используется вторичный контур 26, выходная схема 60 также выполнена с возможностью управления уровнем тока. Выходная схема 60 может состоять из одиночной выходной цепи или многочисленных выходных цепей.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения схема 64 диагностики выполняет любой тип диагностики, которая используется для выявления или прогнозирования состояний отказа преобразователя 12 и/или других технологических устройств или компонентов. Схема 64 диагностики приводит в действие выходную схему 60, которая устанавливает диагностический уровень тока в контуре 18 или 26. Например, выходная схема 60 может устанавливать ток контура в предопределенное значение. При токе контура 4-20 мА, в одном из примеров, ток I может устанавливаться в значение, меньшее, чем 3,8 мА, или большее, чем 21 мА, выходной схемой 60, чтобы, тем самым, отправлять аварийный сигнал по контуру 18 или 26. Эти уровни тока указываются ссылкой, соответственно, как «аварийный сигнал понижения» и «аварийный сигнал повышения». Однако уровень тока может устанавливаться в любой уровень, который требуется. Например, как обсуждено выше, ток может устанавливаться в более чем три разных уровня, каждый из которых указывает диагностическое состояние. В другом примере уровень тока может устанавливаться в значение между 4 миллиамперами и 20 миллиамперами для представления диагностического состояния. Непрерывное значение уровня тока также может использоваться для выдачи выходного сигнала, указывающего на непрерывное диагностическое состояние. Кроме того, уровень тока может изменяться со временем в определенной комбинации, чтобы указывать конкретное диагностическое состояние.
Фиг.3 - упрощенная структурная схема преобразователя 12. Как показано на фиг.3, преобразователь 12 включает в себя измерительную схему 62, которая присоединяется к датчику 21 технологического параметра. Измерительная схема 62 может быть включена в электронную схему 52 модуля датчика, показанную на фиг.2. Схема 60 присоединяется к измерительной схеме 62 и выполнена с возможностью отправки (и, в некоторых вариантах осуществления, приема) информации по контуру 18 управления технологическим процессом и необязательному контуру 26. Выходная схема 60 включает в себя выходную схему 60A первого контура и выходную схему 60B необязательного второго контура. Однако схемы 60A и 60B могут быть сконфигурированы в соответствии с другими вариантами осуществления. Измерительная схема 62 выполнена с возможностью обеспечения начальной обработки технологического параметра, считанного датчиком 21. Реализация измерительной схемы 62 часто включает в себя микропроцессор. Микропроцессор также может использоваться для реализации других схемных функциональных возможностей, показанных в устройстве.
Во время нормальной работы технологический параметр, считанный датчиком 21, преобразуется в аналоговый уровень тока или цифровой сигнал для передачи по контуру 18 управления технологическим процессом с использованием выходной схемы 60. Однако, когда диагностическое состояние считывается схемой 64 диагностики, выходная схема 60 выполнена с возможностью выдачи уровня тока, выводимого в контур 18 или 26 при предопределенном уровне тока, например, выше или ниже предопределенного порогового уровня. Выходная схема 60A, 60B может быть соединена последовательно или параллельно с другими схемами. Другие конфигурации также могут использоваться. В некоторых вариантах осуществления вторая выходная схема 60B выполнена с возможностью отключения или отсоединения иным образом или выключения питания в течение периодов неиспользования, бездействия или снижения потребляемой мощности.
Фиг.4 - упрощенная структурная схема системы 100 управления технологическим процессом, включающей в себя технологическое устройство 102, интерфейсную схему 104 и схему 106 диспетчерского пункта. Технологическое устройство 102 показано как присоединенное к одиночному контуру 110 управления технологическим процессом. Этот контур управления технологическим процессом выполнен с возможностью переноса более чем одного типа информации. Например, первичный технологический параметр может быть представлен током I, переносимым по контуру 110, а другая информация может модулироваться в контур 110 в цифровой форме. В еще одном примере вся информация модулируется в цифровой форме в контур 110.
D
PV
Контур 110 управления присоединятся к интерфейсной схеме 104, которая присоединяется к схеме 106 диспетчерского пункта через первый контур 112 управления технологическим процессом и соответствующий второй технологический контур 114. Интерфейсная схема 104 принимает информацию более чем одного типа из технологического устройства 102 по контуру 110. По меньшей мере один тип информации, принимаемой интерфейсной схемы 104, относится к диагностике. Интерфейсная схема 104 выполнена с возможностью выдачи уровня I тока по контуру 114, который имеет отношение к принимаемой диагностической информации. Уровень тока принимается схемой 106 диспетчерского пункта, из условия, чтобы схема 106 диспетчерского пункта принимала диагностическую информацию. Интерфейсная схема 104 может присоединяться к другому контуру управления технологическим процессом, такому как контур 112, который проиллюстрирован в качестве несущего I. Например, уровень тока в контуре 112 может быть представляющим технологический параметр, принимаемый из технологического устройства 102. В некоторых конфигурациях интерфейсная схема 104 выдает в схему 106 диспетчерского пункта только диагностическую информацию. В такой конфигурации информация технологического параметра может предоставляться, например, по независимому контуру, такому как контур 110.
Хотя одиночное технологическое устройство 102 показано присоединенным к контуру 110, а одиночный контур 110 показан присоединенным в качестве входа к интерфейсной схеме 104, любое количество технологических устройств и/или контуров управления технологическим процессом могут присоединяться к интерфейсной схеме 104. Подобным образом, интерфейсная схема 104 может управлять током или цифровыми сигналами, переносимыми в любом количестве контуров управления технологическим процессом. Кроме того, диагностика может выполняться схемой, ассоциативно связанной с интерфейсной схемой 104, например, с использованием входных данных, принятых из контура.
D
С использованием конфигурации, показанной на фиг.4, схема 106 диспетчерского пункта может работать в соответствии с традиционными технологиями. Например, схема 106 диспетчерского пункта может просто отслеживать уровень I тока, переносимый в контуре 114 и инициировать аварийный сигнал или другой выходной сигнал, если уровень тока переходит предопределенное пороговое значение. Интерфейсная схема 104 предоставляет возможность доступа, посредством схемы 106 управления, к информации из технологического устройства в традиционном формате в противоположность требованию схемы 106 совершенствоваться в соответствии с новыми стандартами. Интерфейсная схема может отображать диагностическую информацию в конкретные уровни на основании конкретного диагностического состояния. Интерфейсная схема может выдавать уровень тока в качестве непрерывного или полунепрерывного значения или может выдавать комбинацию в выходном сигнале уровня тока для указания диагностического состояния. Интерфейсная схема может располагаться физически в любом подходящем местоположении в системе 100, например в пределах диспетчерского пункта, вне диспетчерского пункта, но в безопасной зоне, или в опасной зоне, в которой схема должна удовлетворять присущим стандартам безопасности. Интерфейсная схема 104 контура может запитываться полностью от одного или более контуров управления технологическим процессом, присоединенных к схеме 104. Однако при такой конфигурации интерфейсная схема может потребовать достаточной мощности для запитывания контура 110 управления технологическим процессом и, в некоторых конфигурациях, технологического устройства 102. В качестве альтернативы отдельный источник питания может использоваться для запитывания интерфейсной схемы 104.
Как используется в материалах настоящей заявки, технологическое устройство может формировать диагностическую информацию, учитывающую контроллеры, манипуляторы, устройства измерения технологических параметров, интерфейсные схемы или другие устройства, которые присоединяются к контуру управления технологическим процессом. Диагностическая информация может формироваться локально и/или формироваться на основании данных, принятых из других источников, например, по контуру управления технологическим процессом. Диагностическая информация может быть любым типом диагностической информации, в том числе диагностической информацией, имеющей отношение к возникновению недавнего события, или прогнозной информацией, имеющей отношение к возможности возникновения будущего события. Любые желательные технологии диагностики могут использоваться с настоящим изобретением.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть сделаны изменения в форме и содержании, не выходя за рамки и объем изобретения.
Вышеприведенное описание иллюстрирует изобретение в одной из примерных конфигураций, и может использоваться любой подходящий контур управления технологическим процессом, такой как 4-20 мА, 2-х, 3-х или 4-проводный контур, многоточечный контур или контур, работающий в соответствии с Fieldbus, Profibus, HART или другим протоколом связи, который передает имеющую отношение к технологическому процессу информацию посредством регулирования электрического тока в контуре управления технологическим процессом. Настоящее изобретение может быть особенно полезным в конфигурации системы защиты, оборудованной измерительными приборами (SIS), которая предусматривает дополнительный уровень безопасности для контура управления технологическим процессом. Изобретение может предоставить технологию улучшения класса уровня полноты обеспечения безопасности (SIL) технологического устройства посредством предоставления дополнительной возможности диагностического извещения. В одном из примеров уровни аварийного сигнала являются извещениями о диагностических состояниях.