СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ БЕСПРОВОДНОГО ПОЛЕВОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА
DIAGNOSTIC MEANS OF WIRELESS FIELD DEVICE FOR MANUFACTURING PROCESS

Уровень техники
Изобретение относится к системам управления и контроля производственных процессов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к беспроводным полевым устройствам для производственных процессов, используемым в таких системах.
В условиях промышленного производства применяются системы управления, используемые для контроля и управления приходом и расходом материалов в производственных и химических процессах. Как правило, системы управления, выполняющие эти функции, используют полевые устройства, располагаемые в ключевых местах производственного процесса и соединенные контуром управления производственным процессом со схемой управления, находящейся в диспетчерской. Термин "полевое устройство" относится к любому устройству, которое выполняет некую функцию в распределенной системе управления и контроля производственного процесса, в том числе ко всем устройствам, используемым для измерений, управления и контроля в производственных процессах.
Некоторые полевые устройства включают в себя приемопередатчик. Подразумевается, что приемопередатчик представляет собой либо устройство, которое вырабатывает выходной сигнал на основе физического ввода, либо вырабатывает физический вывод на основе входного сигнала. Как правило, приемопередатчик преобразует входной сигнал в выходной, имеющий иную форму. Различные виды приемопередатчиков включают в себя различное аналитическое оборудование, датчики давления, термисторы, термопары, датчики деформаций, датчики расхода, устройства позиционирования, приводные механизмы, соленоиды, индикаторные лампы и прочее.
Как правило, каждое полевое устройство включает в себя также схему связи, используемую для связи с контроллером производственного процесса, другими полевыми устройствами или с другой схемой посредством контура управления производственным процессом. В некоторых установках контур управления производственным процессом используется также для подачи на полевое устройство регулируемого тока и (или) напряжения для питания полевого устройства. Кроме того, контур управления производственным процессом переносит данные в аналоговом или в цифровом формате.
Традиционно аналоговые полевые устройства соединяются с диспетчерской двухпроводными токовыми контурами управления производственным процессом, причем каждое устройство соединяется с диспетчерской одним двухпроводным контуром управления. Как правило, между двумя проводами поддерживается разность потенциалов в диапазоне напряжений от 12-45 вольт для аналогового режима и 9-50 вольт для цифрового режима. Некоторые аналоговые полевые устройства передают сигнал в диспетчерскую посредством модуляции тока, протекающего через токовый контур, током, пропорциональным регистрируемому технологическому параметру. Другие аналоговые полевые устройства могут выполнять некоторое действие в ответ на управляющую команду из диспетчерской, реагируя на величину тока в контуре. В дополнение к этому или в качестве альтернативы этому контур управления производственным процессом может переносить цифровые сигналы, используемые для связи с полевыми устройствами. Цифровая связь обеспечивает более широкую связь по сравнению с аналоговой связью. Полевые устройства, которые осуществляют цифровую связь, могут реагировать и осуществлять избирательную связь с диспетчерской и (или) другими полевыми устройствами. Кроме того, такие устройства могут обеспечивать подачу дополнительных сигналов, таких как диагностические сигналы или сигналы тревоги.
В некоторых установках для связи с полевыми устройствами начали использовать беспроводные технологии. Работа в беспроводном режиме упрощает монтаж и установку полевых устройств. В настоящее время используются беспроводные установки, в которых полевые устройства включают в себя автономный источник питания. Например, встроенный аккумулятор (потенциально заряжаемый солнечным элементом) или другой способ получения энергии без использования проводных соединений. Однако различные компоненты и системы, используемые для обеспечения "беспроводного" характера полевого устройства, также подвержены ухудшению характеристик и отказам в работе. Это может внести ошибки в измерения или управление производственным процессом и может привести к полному отказу устройства для производственного процесса.
Раскрытие изобретения
Беспроводной передатчик технологического параметра, используемый в системе управления или контроля производственного процесса, включает в себя датчик технологического параметра, выполненный с возможностью регистрировать технологический параметр. Источник питания выполнен с возможностью подачи питания на передатчик технологического параметра. Диагностическая схема диагностирует работу передатчика технологического параметра и выдает диагностический выходной сигнал. Схема беспроводной связи передает по беспроводной линии связи информацию, характеризующую зарегистрированный технологический параметр и относящуюся к диагностическому выходному сигналу.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой упрощенную блок-схему системы управления и контроля производственного процесса, предназначенную для использования с настоящим изобретением.
Фиг.2 представляет собой блок-схему компонентов полевого устройства настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет собой более подробную блок-схему компонентов полевого устройства, изображенного на фиг.2.
Фиг.4 представляет собой блок-схему с изображением примерных этапов реализации настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение включает в себя средства диагностики для беспроводного полевого устройства такого типа, который предназначен для осуществления беспроводной связи с удаленным местом, таким как диспетчерская, ручное устройство и т.п. Как указывалось в разделе "Уровень техники", часто имеет смысл сочетать измерения при помощи датчика с беспроводной связью, питаемой от автономного источника питания, для устранения необходимости в длинных проводах и технологических установках. Один известный способ обеспечения автономного питания для комбинации датчика и устройства беспроводной связи заключается в использовании панели солнечных батарей, преобразующей солнечный свет в энергию. Как правило, в такой системе используется также аккумулятор для обеспечения запаса энергии, так чтобы устройство могло работать и при отсутствии солнечного света. Для питания устройства можно также применять другие способы, не требующие проводного соединения.
Как правило, полевые устройства устанавливаются в удаленном месте. Настоящее изобретение исходит из понимания, что желательно обеспечить диагностические возможности в отношении беспроводных характеристик полевого устройства и в отношении других аспектов полевого устройства. Кроме того, в некоторых конфигурациях диагностические возможности используются для помощи при монтаже и конфигурировании полевого устройства во время установки. При обнаружении неисправности можно использовать диагностические возможности устройства для сообщения о возможной причине или источнике неисправности. Диагностическую информацию можно также использовать для компенсации неисправности.
На фиг.1 приведена упрощенная схема примерной системы 10 управления и контроля производственного процесса, которая включает в себя диспетчерскую или систему 12 управления, соединенную с полевыми устройствами 14 и 16. Полевое устройство 14 изображено соединенным с системой 18 труб, используемых в производственном процессе, а полевое устройство 16 изображено соединенным с резервуаром 20. Устройства 14 и 16 включают в себя соответственно антенны 22 и 24 для передачи и (или) приема информации от антенны 26, соединенной со схемой 13 управления производственным процессом, находящейся в диспетчерской 12. Устройства 14 и 16 осуществляют связь со схемой 13 в диспетчерской 12 при помощи линий 28 беспроводной радиочастотной (РЧ) связи. Полевые устройства 14 и 16 включают в себя компоненты, обеспечивающие автономное питание устройства, не требующее прокладки дополнительных проводов. Например, устройства 14 и 16 могут включать в себя солнечные батареи и (или) аккумуляторы для автономного питания, о чем более подробно говорится ниже.
Эти дополнительные компоненты, используемые для устранения потребности в проводах к устройствам 14 и 16, могут быть источником потенциальной неисправности. Настоящее изобретение обеспечивает способ обеспечения диагностических возможностей в полевых устройствах, в которых используются беспроводная связь и автономный источник питания. Например, полевое устройство может включать в себя один или несколько датчиков для измерения технологических параметров и быть соединенным с источником питания в виде панели солнечных батарей/аккумулятора. Устройство осуществляет связь по беспроводной линии связи, например, с сотовым телефоном и (или) GPRS (система пакетной радиосвязи общего пользования). В одном частном примере полевое устройство может включать в себя возможность общего цифрового управления, которое может использоваться для управления питанием посредством перевода схемы беспроводной связи (и устройства выработки технологического параметра) в спящий режим, когда она находится в неактивном состоянии. Ту же схему можно использовать для выполнения алгоритмов, используемых для диагностики компонентов устройства, в том числе компонентов, используемых для обеспечения беспроводных возможностей устройства.
На фиг.2 приведена более подробная упрощенная блок-схема полевого устройства 14, изображенного на фиг.1. Полевое устройство включает в себя исполнительное устройство или приемопередатчик 30, схему 32 беспроводного входа/выхода (входной/выходной связи), средства 34 диагностики, схему 36 обеспечения питания, аккумулятор 38 и панель 40 солнечных батарей. Исполнительное устройство/приемопередатчик 30 может быть либо датчиком, используемым для регистрации технологического параметра, либо исполнительным устройством, таким как клапан, которое используется для управления процессом. Схема 32 беспроводной связи соединена с антенной 22 для осуществления связи со схемой 13 (не показана на фиг.2) системы 12 управления через ее антенну 26. Для обеспечения питания схем, входящих в состав полевого устройства, используется схема 36 обеспечения питания. Схема 36 обеспечения питания может использовать энергию, поступающую от солнечной батареи 40, или энергию, поступающую от аккумулятора 38. Питание на схему 36 обеспечения питания может подаваться от любого источника питания, который не требует прокладки проводов к удаленному источнику питания. Схема 36 обеспечения питания может монтироваться в общем корпусе с полевым устройством 14 или, в некоторых вариантах осуществления, может располагаться снаружи полевого устройства и находиться вблизи полевого устройства. Например, можно использовать блок с питанием от солнечных батарей для питания передатчика или другого полевого устройства по двухпроводному соединению, которое можно также использовать для передачи информации. В такой конфигурации схема обеспечения питания может также обеспечивать беспроводное соединение с удаленным местом. Такие конфигурации приведены и описаны в заявке на получение патента США № 10/850,828 "Wireless power and communication unit for process field devices" (Беспроводной блок питания и связи для полевых устройств производственного процесса). Если от солнечной батареи поступает достаточно энергии, схему 36 обеспечения питания можно также использовать для зарядки аккумулятора 38. Блок 34, обозначенный как средство диагностики, используется для реализации диагностических функций в соответствии с настоящим изобретением, о чем более подробно сказано ниже. Эта диагностическая функция может быть реализована аппаратными средствами, программными средствами и сочетанием средств, и простоты ради изображена на фиг.2 в виде одного блока 34.
На фиг.3 приведена более подробная блок-схема устройства 14 для производственного процесса, где изображен датчик 50 технологического параметра. Датчик технологического параметра может быть расположен внутри корпуса устройства 14 или снаружи корпуса, как показано на фиг.3. Измерительная схема 52 соединена с датчиком 50 технологического параметра и используется для выполнения первоначальной обработки сигнала до подачи сигнала, содержащего измерение, на контроллер. Возможный ввод 54, осуществляемый пользователем, изображен на фиг.3 в виде кнопки оператора. Аналогично изображено возможное устройство вывода, такое как ЖК-дисплей 56.
Контроллер 58 обычно представляет собой контроллер на основе микропроцессора и соединен с памятью 60 и тактовым генератором 62. Тактовый генератор 62 определяет быстродействие цифровой схемы в полевом устройстве 14, а память используется для хранения информации. Память может включать в себя одновременно постоянную и энергозависимую память и может использоваться для хранения данных, используемых во время обработки, команд программы, калибровочной информации или другой информации, данных или команд, используемых с устройством 14 для производственного процесса. В конфигурации, изображенной на фиг.3, диагностическая функция 14, приведенная на фиг.2, может быть реализована, например, в контроллере 58 и, при необходимости, при помощи возможной дополнительной схемы.
На фиг.4 приведена упрощенная блок-схема с изображением этапов алгоритма диагностики по настоящему изобретению. На фиг.4 изображена блок-схема 100, которая запускается в начальном блоке 102. В блоке 104 запускается диагностический тест или алгоритм, более подробное описание которого приведено ниже. При желании последующая обработка результата диагностики может быть выполнена в блоке 106. В блоке 108 выполняется вывод результата, или какой-либо другой этап, на основе результата диагностического теста. При желании диагностический тест можно повторять периодически или через любые требуемые промежутки времени, либо после запуска вследствие обнаружения события в производственном процессе, либо после получения команды, либо вследствие иной причины запуска диагностики. Диагностическая обработка может прекращаться в блоке 112. Этапы, изображенные на фиг.4, могут быть реализованы, например, контроллером 58 на основе программы, хранящейся в памяти 60.
Диагностический тест, обеспечиваемый блоком 104, может быть любым диагностическим тестом, проводимым в отношении беспроводных функций устройства 14, в том числе в отношении способности устройства 14 осуществлять беспроводную связь, возможностям устройства 14 обеспечивать подачу питания, например, посредством схемы 36 обеспечения питания, солнечной батареи 40 и (или) аккумулятора 38. Кроме того, в некоторых конфигурациях диагностика выполняется в отношении любого аспекта устройства 14 или системы 10.
В одном примере используется дополнительный датчик 59, изображенный на фиг.3, для обеспечения диагностической информации. Например, в устройство 14 может быть включен датчик напряжения для определения выходного напряжения с солнечной батареи 40. Если напряжение разомкнутой цепи для панели 40 солнечных батарей в течение продолжительного времени, например в течение суток, находится ниже порогового напряжения, диагностический тест может дать результат, указывающий, что панель 40 солнечных батарей блокирована или неисправна. В другом примере датчиком 59 измеряется максимальный выход энергии панели 40 солнечных батарей, который используется для принятия решения относительно количества доступной солнечной энергии. Датчик 59 может содержать температурный датчик, соединенный с панелью 40 солнечных батарей, который используется для непосредственной регистрации температуры панели 40. Зарегистрированную температуру можно сравнить с пороговой для выявления перегрева.
В другом примере конфигурации контроллер 58 использует датчик 59 для контроля максимальной или полной выходной мощности панели 40 солнечных батарей в течение некоторого промежутка времени, например некоторого количества дней. Эту фактическую выходную мощность можно сравнить с мощностью, фактической потребляемой устройством 14, так чтобы выходной сигнал с контроллера 58 мог указывать, что установка не может обеспечивать мощность, требуемую для работы устройства 14. Эти данные можно также использовать для определения доступной мощности, остающейся при нормальной работе, или для определения времени, требуемого для полной зарядки аккумулятора 38. Может выдаваться выходной сигнал, показывающий, удовлетворяются ли для устройства критерии в отношении энергетического потенциала. Можно измерить промежуток времени, требуемый для полной зарядки аккумулятора, и выдавать сигнал тревоги, если требуемый промежуток времени больше желательного порога. Кроме того, контроллер может выдавать выходной сигнал, характеризующий процентную долю, эквивалентную солнечным часам (промежутку времени) в день для конкретной установки, или выдавать выходной сигнал, указывающий, что из-за пасмурной погоды относительно небольшое количество энергии обеспечивалось панелью 40 солнечных батарей в течение некоторого промежутка времени, например в течение дня.
Кроме того, при использовании датчика 59 диагностические средства могут быть выполнены с возможностью контролировать напряжение и (или) ток, потребляемый, например, от аккумулятора 38 и (или) от панели 40 солнечных батарей, и сообщать информацию, такую как требования, предъявляемые устройством 14 к средней и пиковой мощности. Могут выдаваться сообщения о существенных изменениях требований к дневному потреблению мощности либо эти изменения могут использоваться для выявления неисправного состояния. Скорость зарядки аккумулятора 38 может использоваться для диагностики работы, например, в случае, когда аккумулятор 38 заряжается со значительно меньшей скоростью или не может достичь полностью заряженного состояния за заданный промежуток времени или уровня мощности. Может быть обеспечена индикация того, что аккумулятор 38 может быть неисправен и требует замены. Может определяться остаточный срок службы аккумулятора, например, на основе максимальных уровней разрядки, изменения температуры и частоты, снижения скорости зарядки или при помощи других критериев. Можно также контролировать чрезмерную температуру аккумулятора.
Схема 36 обеспечения питания может также контролироваться датчиком 39 для выявления неисправного или отказывающего компонента. Например, если несмотря на падение напряжения аккумулятора цепь зарядки не заряжает аккумулятор, может быть зафиксирована неисправность. Колебания в уровнях напряжения и сигналах могут использоваться для указания на корродированные клеммы, неисправный аккумулятор или неисправную цепь зарядки. Аналогично цепь зарядки или схема 36 обеспечения питания могут полностью обходить зарядку аккумулятора 38 и выдавать всю доступную мощностью схемам в устройстве 14.
В другом примере используется блокирующее устройство 70 для недопущения обратной разрядки аккумулятора 38 на схему 36 обеспечения питания. Блокирующее устройство 70 может, например, содержаться в схеме 36 обеспечения питания и может содержать диод. Однако в случае применения диода на этом компоненте имеет место падения напряжения 0,7 вольт. Но если вместо диода или аналогичного компонента использовать полевой МОП-транзистор, падение напряжения 0,7 вольт будет отсутствовать и для зарядки аккумулятора или для использования в других схемах будет доступна дополнительная мощность.
В еще одном примере диагностический тест 104 применяется в процессе монтажа и установки устройства 14. Такой режим может быть включен, например, при помощи удаленного СВЧ-передатчика или посредством подачи входного сигнала через вход 54. Например, уровень сигнала, принятого антенной 22, может контролироваться таким образом, чтобы ориентация антенны соответствовала максимальному уровню сигнала. Может выдаваться предупреждение, если уровень сигнала недостаточен для надежной работы. Аналогично может осуществляться контроль выхода панели 40 солнечных батарей, и эта информация может использоваться для максимально эффективной ориентации панели 40 солнечных батарей относительно солнца. Может выдаваться выходной сигнал, который указывает на состояние аккумулятора, так чтобы оператор был уверен, что в установке применяется "хороший" аккумулятор. Можно также контролировать температуру аккумулятора при помощи датчика 59. В процессе установки диагностические тесты могут, например, проверять полярность аккумулятора, полярность панели солнечных батарей и надлежащее функционирование схемы зарядки. В еще одном примере датчиком 50 технологического параметра определяются значения тестовых технологических параметров, которые отправляются на проверку в диспетчерскую. В диспетчерскую или в другое удаленное место может также направляться другая информация, такая как эксплуатационные параметры и результаты функционального испытания. В еще одном примере по беспроводной линии связи отправляют диапазон значений и нулевую установку устройства 14 для производственного процесса до и после калибровки устройства 14. Значения, полученные после калибровки, можно сохранить в качестве эталонных. Значение последней калибровки может быть передано или отображено на местном устройстве отображения.
В другом варианте изобретения используется оптическая диагностика места строительства для проверки состояния установки. Например, для получения изображений устройства 14 для производственного процесса или компонентов устройства 14 можно использовать устройство 74 получения изображения, такое как цифровой фотоаппарат и т.п. Эта графическая информация используется для проверки состояния панели 40 солнечных батарей и расположения панели 40 солнечных батарей. Например, изображение может показать, не была ли панель 40 солнечных батарей оторвана, разбита или злонамеренно испорчена. Кроме того, эту информацию можно использовать для визуальной проверки того, что оператор осуществляет техническое обслуживание или ремонт устройства 14, или для визуальной проверки погодных условий.
Конфигурация и возможности средств диагностики настоящего изобретения обеспечивают ряд преимуществ при использовании с полевыми устройствами, имеющими автономные источники питания. Эти подходы обеспечивают средство удаленной оценки состояния и функциональных возможностей передатчика технологического параметра и автономного блока выработки питания. Обеспечивается возможность проверки состояния установки и места ее нахождения, требуемого для надлежащей работы блока. Для последующей работы имеется возможность добавления дополнительных диагностических возможностей. Имеется возможность обеспечить локальное предоставление информации, например, техническому специалисту, обслуживающему установку, с тем чтобы технический специалист мог удостовериться, что состояние установки и места ее нахождения допускают надлежащую работу блока и что устройство можно соответствующим образом настроить. С целью диагностики может также предоставляться и использоваться графическая информация. Например, для диагностики и проверки работы или состояния устройства могут передаваться изображения по беспроводной линии связи.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что форма и частности могут быть изменены без отступления от сущности и объема притязаний изобретения. Различные схемы, алгоритмы и функциональные возможности могут быть реализованы аппаратным способом, программным способом и сочетанием этих способов. Различные компоненты настоящего изобретения могут быть реализованы в виде нескольких различных компонентов. Например, определенная диагностическая функция может быть реализована частично в микропроцессоре и (или) частично в других компонентах, таких как измерительная схема, память, программное обеспечение и т.д. Хотя в настоящем документе описаны солнечная батарея и аккумулятор, настоящее изобретение применимо и к другим компонентам, используемым для питания беспроводного устройства. В настоящем документе "автономный источник питания" означает устройство, предназначенное для питания устройства для производственного процесса, не требующего физического соединения с удаленным источником питания. Диагностика может запускаться автоматически или по получении команды от другого события, например через вход 54.