СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА, ПРЕДОТВРАЩАЮЩИЕ ЛОЖНЫЙ ЗАПУСК ФУНКЦИИ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
METHODS AND DEVICES PREVENTING FALSE START OF SHUTDOWN FUNCTION OF ELEMENT OF SYSTEM FOR CONTROLLING TECHNOLOGICAL PROCESS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Данное изобретение в целом относится к элементам системы управления технологическим процессом, и в частности к способам и устройствам, предотвращающим ложный запуск отключения элемента системы управления технологическим процессом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Резервные источники питания (РИП) предназначены для перемещения элемента системы управления технологическим процессом (например, клапана) в положение отключения во время аварийного отключения или другой ситуации прекращения подачи энергии. Когда прекращается подача энергии от источника питания (то есть, по причине перебоя в подаче энергии) РИП подает энергию и сигнал управления элементу системы управления технологическим процессом, заставляющий указанный элемент системы управления технологическим процессом перейти в предварительно определенное положение отключения. РИП накапливает достаточное количество энергии, позволяющее элементу системы управления технологическим процессом совершить полный ход. То есть, если предварительно определенное положение отключения элемента системы управления технологическим процессом представляет собой закрытое положение, указанный элемент системы управления технологическим процессом может быть перемещен из полностью открытого положения в полностью закрытое положение с помощью энергии, накопленной в РИП. В некоторых примерах РИП накапливает избыточную энергию в качестве меры предосторожности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Типовое устройство содержит источник питания для работы элемента системы управления технологическим процессом и источник стабилизированного питания, подающий энергию во время перебоев питания, предотвращая ложный запуск функции отключения указанного элемента системы управления технологическим процессом.
[0004] Типовой способ включает подачу энергии в элемент системы управления технологическим процессом во время нормальной работы посредством источника питания и подачу энергии в указанный элемент системы управления технологическим процессом по причине перебоев подачи энергии из источника питания для предотвращения ложного запуска состояния отключения посредством источника стабилизированного питания, соединенного с указанным элементом системы управления технологическим процессом.
[0005] Устройство содержит блок накопления энергии, содержащее первый накопительный компонент и второй накопительный компонент, причем указанный первый накопительный компонент подает энергию в элемент системы управления технологическим процессом после нарушения подачи энергии из источника питания, а второй накопительный компонент подает энергию для перемещения указанного элемента системы управления технологическим процессом в положение отключения после исчерпания первого накопительного компонента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0006] Фиг. 1 представляет типовой вариант реализации типового устройства, описываемого в данном документе.
[0007] Фиг. 2 представляет альтернативный типовой вариант реализации типового устройства, описываемого в данном документе.
[0008] Фиг. 3 представляет типовой способ, который можно реализовать с помощью примеров, описываемых в данном документе.
[0009] Фигуры представлены не в масштабе. Где это возможно, одинаковые номера позиций использованы в графических материалах и приложенном письменном описании для обозначения одинаковых или подобных деталей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Типовое устройство, описанное в данном документе, может быть реализовано в системе управления технологическим процессом для предотвращения перебоев подачи питания в элемент системы управления технологическим процессом по причине нестабильности подачи энергии от источника питания. Указанное типовое устройство выполнено с возможностью подачи питания в элемент системы управления технологическим процессом в течение относительно короткого периода времени во время перебоев (например, прерываний, пульсаций и т.п.) подачи энергии от источника питания. Типовое устройство немедленно начинает подачу питания в элемент системы управления технологическим процессом после прекращения подачи энергии от источника питания. Источник питания соединен с элементом системы управления технологическим процессом и подает питание в указанный элемент системы управления технологическим процессом, позволяя элементу системы управления технологическим процессом перемещаться в зависимости от сигнала управления.
[0011] Типовое устройство, описанное в данном документе, представляет собой блок накопления энергии или источник стабилизированного питания, соединенный с элементом системы управления технологическим процессом, и расположенный между элементом системы управления технологическим процессом и источником питания. После прекращения подачи энергии от источника питания энергия, подаваемая источником стабилизированного питания в элемент системы управления технологическим процессом, предотвращает ложный запуск состояния отключения. В системах, не содержащих источник стабилизированного питания, описанный в данном документе, ложный запуск может произойти, когда источник питания испытывает временные перебои подачи энергии, которые длятся меньше периода времени, требующего операции отключения элемента системы управления технологическим процессом, но которые запускают резервный источник питания, выполняющий функцию перемещения элемента системы управления технологическим процессом в предварительно определенное положение отключения. Например, временное прекращение подачи питания, вызванное перегрузкой электрической сети, может длиться в течение одной секунды, что может быть недостаточно долго, чтобы представлять собой угрозу безопасности, требующую состояния отключения, однако, достаточно долго, чтобы запустить резервный источник питания, перемещающий элемент системы управления технологическим процессом в предварительно определенное положение отключения.
[0012] В примерах, описанных в данном документе, один или большее количество диодов могут быть расположены между источником питания и источником стабилизированного питания, образуя блокированную диодную емкость. Первый диод предназначен для предотвращения разряда источника стабилизированного питания на источник питания, а второй диод предназначен для обеспечения подачи энергии от источника стабилизированного питания в элемент системы управления технологическим процессом, когда происходит сбой источника питания. Когда энергии от источника питания достаточно для работы элемента системы управления технологическим процессом, первый диод пропускает ток через первый диод в элемент системы управления технологическим процессом. Когда энергии от электрической сети меньше величины, достаточной для работы элемента системы управления технологическим процессом, энергия от источника стабилизированного питания поступает через второй диод в элемент системы управления технологическим процессом. Для регулирования зарядного тока источника стабилизированного питания может быть использован резистор.
[0013] Резервный источник питания (РИП) также может быть соединен с элементом системы управления технологическим процессом для подачи энергии в элемент системы управления технологическим процессом во время состояния отключения. Как правило, РИП подает сигнал управления и энергию в элемент системы управления технологическим процессом после прекращения подачи энергии от источника питания. Нет ничего необычного в перебоях работы или перегрузке системы управления технологическим процессом, способных вызывать многочисленные частые перебои или перерывы подачи энергии в элемент системы управления технологическим процессом. В результате РИП может срабатывать несколько раз, выполняя соответствующую функцию перемещения элемента системы управления технологическим процессом в предварительно определенное положение или состояние отключения, что приводит к частому повторению рабочей последовательности элемента системы управления технологическим процессом по причине таких ложных запусков отключения. Типовой источник стабилизированного питания, описанный в данном документе, предотвращает ложные запуски РИП, подавая энергию в элемент системы управления технологическим процессом во время вышеуказанных коротких перебоев подачи энергии по причине прерываний, пульсаций или перегрузок.
[0014] Источник стабилизированного питания подает энергию временно до прекращения перебоев питания или завершения определенного периода времени. Если происходит аварийное отключение источника питания, источник стабилизированного питания может подавать энергию в элемент системы управления технологическим процессом в течение короткого периода времени до исчерпания энергии в источнике стабилизированного питания, и РИП выполняет соответствующую функцию перемещения элемента системы управления технологическим процессом в положение отключения. Работа источника стабилизированного питания по примерам, описанным в данном документе, не мешает работе РИП в условиях отключения. Например, в состоянии отключения источник питания может быть отключен, и таким образом перебой длится больше времени, в течение которого источник стабилизированного питания может подавать резервную энергию. В таких примерах после исчерпания источника стабилизированного питания РИП выполняет перемещение элемента системы управления технологическим процессом в предварительно определенное состояние отключения с помощью сигнала управления и энергии, накопленной в РИП. В некоторых примерах источник стабилизированного питания может быть комбинированным с РИП или встроенным в него. В таких примерах РИП поддерживает обычные функции РИП в дополнение к функциям источника стабилизированного питания, описанным в данном документе.
[0015] Фиг. 1 представляет типовой вариант реализации типового устройства 100, описываемого в данном документе. Типовое устройство 100 по фиг. 1 изображает источник 102 стабилизированного питания, функционально соединенный между источником 104 питания и элементом 106 системы управления технологическим процессом (например, клапаном). Во время нормальной работы источник 104 питания подает энергию в элемент системы управления технологическим процессом, а источник 107 сигнала управления подает сигнал управления посредством резервного источника питания (РИП) 108, управляющий элементом 106 системы управления технологическим процессом. В проиллюстрированном примере РИП 108 также расположен между источником 102 стабилизированного питания и элементом 106 системы управления технологическим процессом. Типовой источник 102 стабилизированного питания выполнен с возможностью подачи энергии в элемент 106 системы управления технологическим процессом во время перебоев подачи энергии от источника 104 питания. В типовом варианте реализации изобретения, изображенном на фиг. 1, источник 102 стабилизированного питания представляет собой самостоятельный элемент, который может быть включен в существующие системы управления технологическим процессом, которые могут содержать РИП, такой как РИП 108. Источник 102 стабилизированного питания может содержать элемент накопления энергии, такой как конденсаторы, суперконденсаторы, аккумуляторы или любые другие устройства, выполненные с возможностью накопления энергии. В некоторых примерах источник 102 стабилизированного питания содержит определенное количество конденсаторов, соединенных таким образом, что конденсаторы заряжаются параллельно, а разряжаются последовательно. В альтернативном варианте конденсаторы могут заряжаться последовательно, и может быть реализована балансировка заряда. Элемент накопления энергии источника 102 стабилизированного питания и РИП 108 может содержать преобразователь постоянного тока в постоянный, способствующий более эффективной зарядке и более полному разряду элементов накопления энергии.
[0016] В некоторых примерах ограничения окружающей среды (например, температура, влажность) могут быть причиной конструктивных ограничений, требующих, чтобы источник 102 стабилизированного питания содержал перезаряжаемые аккумуляторные батареи. В таких случаях аккумуляторные батареи можно заменить в конце срока службы аккумуляторных батарей вместо замены целого источника 102 стабилизированного питания. В некоторых примерах ограничения окружающей среды могут дополнительно приводить к другим изменениям источника 102 стабилизированного питания, таким как регулятор температуры, нагревающий и/или охлаждающий источник 102 стабилизированного питания. Такие регуляторы температуры могут содержать термоэлектрические устройства, теплоотводы, изоляторы и т.п.
[0017] Источник 102 стабилизированного питания может быть выполнен с возможностью накопления любого количества энергии, достаточного для предотвращения ложных запусков состояний отключения. Например, источник 102 стабилизированного питания может быть выполнен с возможностью подачи энергии в течение до 5 секунд. Типовой источник 102 стабилизированного питания может быть выполнен так, чтобы источник 102 стабилизированного питания мог подавать энергию в течение любого промежутка времени, который можно обоснованно считать сбоем подачи энергии. В некоторых примерах один источник 102 стабилизированного питания может быть выполнен с возможностью накопления большего количества энергии. В альтернативном варианте система управления технологическим процессом может содержать несколько источников 102 стабилизированного питания, увеличивающих промежуток времени, в течение которого источники 102 стабилизированного питания могут подавать энергию в элемент 106 системы управления технологическим процессом.
[0018] Первый типовой диод 110 предназначен, чтобы пропускать энергию от источника питания в элемент 106 системы управления технологическим процессом. Указанный первый типовой диод 110 не пропускает энергию от источника 102 стабилизированного питания в источник 104 питания в случае перебоев в подаче энергии. Во время перебоев в подаче энергии количество энергии, проходящей через указанный первый диод 110, уменьшается или исчезает. Вместо этого энергия идет от источника 102 стабилизированного питания в элемент 106 системы управления технологическим процессом через второй диод 112 во время прекращения подачи энергии от источника 104 питания. Когда источник 104 питания работает, источник 102 стабилизированного питания заряжается. В других примерах, вместо конструкции с запирающими диодами, может быть реализована конструкция с полевым МОП-транзистором (то есть, полевым транзистором на основе перехода металл-оксид-полупроводник). Указанная конструкция с полевым МОП-транзистором обеспечивает односторонний поток энергии, как диод, без падения напряжения, как правило, вызываемого диодом. Резистор 114 или любой другой контур регулирования тока ограничивает или регулирует зарядный ток источника 102 стабилизированного питания.
[0019] В альтернативном варианте может быть реализован активный контур с источником 102 стабилизированного питания, ограничивающим зарядный ток при необходимости предотвращения превышения суммарным током мощности источника 104 питания и/или источника 102 стабилизированного питания. Такой контур будет задерживать зарядку на короткий период времени (например, несколько секунд), когда элемент 106 системы управления технологическим процессом перемещается после запуска, но не задерживает перемещение элемента 106 системы управления технологическим процессом.
[0020] Типовой РИП 108 по фиг. 1 расположен между источником 104 питания и элементом 106 системы управления технологическим процессом таким образом, что РИП 108 имеет возможность подачи энергии в элемент 106 системы управления технологическим процессом после исчерпания источника 102 стабилизированного питания. Когда РИП 108 подает энергию в элемент 106 системы управления технологическим процессом, третий диод 116 пропускает энергию от РИП 108 в элемент 106 системы управления технологическим процессом. РИП 108 также прерывает сигнал управления от источника 107 сигнала управления и подает сигнал управления в элемент 106 системы управления технологическим процессом, заставляющий элемент 106 системы управления технологическим процессом переместиться в предварительно определенное положение отключения. В альтернативном или дополнительном варианте РИП 108 может модифицировать или изменять сигнал управления от источника 107 сигнала управления и/или подавать дополнительный сигнал управления. РИП 108 накапливает количество энергии, достаточное для перемещения элемента 106 системы управления технологическим процессом в предварительно определенное положение отключения из любого возможного положения элемента 106 системы управления технологическим процессом. РИП 108 может заряжаться, когда энергия поступает в элемент 106 системы управления технологическим процессом от источника 104 питания и/или источника 102 стабилизированного питания. Второй резистор 118 можно использовать для регулирования зарядного тока РИП 108.
[0021] Когда энергия не поступает в элемент 106 системы управления технологическим процессом либо от источника 104 питания, либо от источника 102 стабилизированного питания, РИП 108 подает энергию и передает сигнал управления в элемент 106 системы управления технологическим процессом для перемещения элемента 106 системы управления технологическим процессом в предварительно определенное положение отключения. В некоторых примерах существует задержка между прекращением подачи энергии в элемент 106 системы управления технологическим процессом и передачей РИП 108 сигнала управления в элемент 106 системы управления технологическим процессом. В некоторых примерах РИП 108 может содержать датчик напряжения, обнаруживающий, когда подача энергии прекращается, и/или когда подача энергии возобновляется. Указанную задержку можно регулировать в зависимости от системы управления технологическим процессом. Задержка позволяет источнику 102 стабилизированного питания подавать энергию в элемент 106 системы управления технологическим процессом до исчерпания источника 102 стабилизированного питания. Таким образом, вместо подачи РИП 108 сигнала управления после обнаружения любых перебоев подачи энергии, РИП 108 подает сигнал управления, только когда прекращение подачи энергии имеет длительность, вызывающую исчерпание запаса энергии в источнике 102 стабилизированного питания. После возобновления подачи энергии от источника 104 питания источник 107 сигнала управления подает сигнал в элемент 106 системы управления технологическим процессом, перемещающий элемент 106 системы управления технологическим процессом в предусмотренное положение. В некоторых примерах указанное предусмотренное положение представляет собой положение элемента 106 системы управления технологическим процессом перед состоянием отключения.
[0022] В некоторых примерах РИП 108 и источник 102 стабилизированного питания представляют собой по существу один компонент, выполненный по-разному в зависимости от потребностей системы управления технологическим процессом. То есть, типовой источник 102 стабилизированного питания и типовой РИП 108 могут представлять собой модульные блоки, каждый из которых способен выполнять функции как источника 102 стабилизированного питания, так и РИП 108. Указанные модульные блоки выполнены в пределах системы управления технологическим процессом различными способами, в зависимости от того, должен ли модульный блок выполнять функции источника 102 стабилизированного питания или же РИП 108. Например, для конфигурации модульного блока в качестве РИП 108 сигнал управления может передаваться между РИП 108 и элементом 106 системы управления технологическим процессом. Однако, когда модульный блок выполнен в качестве источника 102 стабилизированного питания, возможность передачи сигнала управления не используется.
[0023] На фиг. 2 изображено альтернативное типовое устройство 200, содержащее источник 102 стабилизированного питания и РИП 108, функционально соединенные с элементом 106 системы управления технологическим процессом. В изображенном типовом устройстве 200 типовые источник 102 стабилизированного питания и РИП 108 могут быть комбинированными или интегрированными в виде единого компонента в пределах системы управления технологическим процессом и заключены в корпус 202. В некоторых примерах источник 102 стабилизированного питания и РИП 108 представляют собой отдельные компоненты, расположенные в одном корпусе 202.
[0024] В примерах, в которых источник 102 стабилизированного питания и РИП 108 интегрированы в виде единого блока накопления энергии, указанное интегрированное устройство предназначено для выполнения функций источника 102 стабилизированного питания и функций РИП 108, описанных в связи с фиг. 1 выше. В таких примерах накапливается количество энергии, необходимое для перемещения элемента 106 системы управления технологическим процессом в положение отключения из любого положения, которое может представлять собой текущее положение элемента 106 системы управления технологическим процессом. То есть, источник 102 стабилизированного питания указанного интегрированного устройства не исчерпывается полностью до завершения перемещения элемента 106 системы управления технологическим процессом в положение аварийного отключения. Сразу после обнаружения того, что оставшееся количество энергии в источнике 102 стабилизированного питания равно соответствующему количеству энергии, необходимому для выполнения РИП 108 функций перемещения элемента 106 системы управления технологическим процессом в предварительно определенное положение отключения, РИП 108 передает сигнал управления в элемент 106 системы управления технологическим процессом, перемещающий элемент 106 системы управления технологическим процессом в указанное предварительно определенное положение отключения. В некоторых примерах, независимо от того, интегрированы ли РИП 108 и источник 102 стабилизированного питания, для обеспечения постоянного наличия достаточного количества энергии для перемещения элемента 106 системы управления технологическим процессом РИП 108 содержит компонент накопления энергии, отдельный от компонента накопления энергии источника 102 стабилизированного питания. В этих примерах компонент накопления энергии РИП 108 не связан с компонентом накопления энергии источника 102 стабилизированного питания.
[0025] В некоторых примерах РИП 108 и/или источник 102 стабилизированного питания могут быть расположены во взрывобезопасной оболочке (например, корпус 202 представляет собой взрывобезопасную оболочку). В таких примерах энергия как из источника 102 стабилизированного питания, так и РИП 108 исчерпывается перед обслуживанием или ремонтом. В таких примерах РИП 108 полностью перезаряжается до возобновления нормальной работы элемента 106 системы управления технологическим процессом. В некоторых примерах для сокращения времени, необходимого для запуска, энергия в РИП 108 не исчерпывается перед обслуживанием, и после возобновления работы количество энергии и времени, необходимое для перезарядки РИП 108, уменьшается.
[0026] На фиг. 3 представлен типовой способ 300, который можно реализовать с помощью типовых устройств 100, 200, описываемых в данном документе. В некоторых примерах может быть изменен порядок исполнения блоков, и/или могут быть изменены, устранены или объединены некоторые из блоков. Способ 300 начинается, когда источник 104 питания заряжает источник 102 стабилизированного питания и РИП 108 (блок 302). Затем источник питания подает энергию в элемент 106 системы управления технологическим процессом, а сигнал управления от источника 107 сигнала управления активен (блок 304). Когда источник 104 питания подает достаточное количество энергии, первый диод 110 пропускает энергию от источника 104 питания в элемент 106 системы управления технологическим процессом, резистор 114 регулирует зарядный ток источника 102 стабилизированного питания, и резистор регулирует зарядный ток РИП 108 (блок 306). Второй диод 112 также может предотвращать подачу избыточного тока от источника 104 питания в источник 102 стабилизированного питания. Может произойти сбой подачи энергии от источника 104 питания (блок 308). Когда происходит такой сбой, устройство 100, 200 определяет, меньше ли напряжение, подаваемое источником 104 питания, напряжения, подаваемого источником 102 стабилизированного питания (блок 310). Если напряжение, подаваемое источником 104 питания, не меньше напряжения, подаваемого источником 102 стабилизированного питания, сбой был не достаточно значительным, чтобы заставить источник 102 стабилизированного питания подавать резервную энергию в элемент 106 системы управления технологическим процессом, и источник 104 питания продолжает подавать энергию в элемент 106 системы управления технологическим процессом.
[0027] Если напряжение, подаваемое источником 104 питания, меньше напряжения, подаваемого источником 102 стабилизированного питания, первый диод 110 предотвращает подачу энергии от источника 102 стабилизированного питания в источник питания, а второй диод 112 пропускает энергию от источника 102 стабилизированного питания в элемент 106 системы управления технологическим процессом (блок 312). Устройство 100, 200 определяет, возобновилась ли подача энергии от источника 104 питания (блок 314). Если подача энергии возобновилась, способ 300 возвращается к блоку 306. Если подача энергии не возобновилась, устройство 100, 200 определяет, исчерпан ли источник 102 стабилизированного питания (блок 316). Если источник 102 стабилизированного питания не исчерпан, способ 300 возвращается к блоку 312. Если источник 102 стабилизированного питания исчерпан, РИП 108 подает в элемент 106 системы управления технологическим процессом энергию и сигнал управления на перемещение элемента 106 системы управления технологическим процессом в предварительно определенное положение отключения (блок 318). Устройство 100, 200 определяет, возобновилась ли подача энергии от источника 104 питания после завершения функции РИП 108 (блок 320). Если подача энергии не возобновилась, устройство 100, 200 будет продолжать ожидание возобновления подачи энергии от источника 104 питания.
[0028] Если подача энергии возобновилась, источник 102 стабилизированного питания и РИП 108 перезаряжаются посредством энергии от источника 104 питания (блок 322). Энергия от источника 104 питания поступает в элемент 106 системы управления технологическим процессом, и возобновляется подача сигнала управления от источника 107 сигнала управления в элемент системы управления технологическим процессом (блок 324). В некоторых примерах энергия поступает в элемент 106 системы управления технологическим процессом, в источник 102 стабилизированного питания и РИП 108 одновременно. После исполнения блока 324 способ 300 возвращается к блоку 306 без ограничения. В некоторых примерах элемент 106 системы управления технологическим процессом может возвращаться в положение элемента 106 системы управления технологическим процессом до сбоя подачи энергии от источника 104 питания.
[0029] Исходя из изложенного выше, следует понимать, что описанные выше система, устройство и способ предотвращают ложные запуски состояния отключения элемента системы управления технологическим процессом.
[0030] Хотя в данном документе описаны некоторые типовые способы, устройства и изделия, объем защиты данного патента ими не ограничен. Напротив, данный патент охватывает все способы, устройства и изделия, объективно принадлежащие к объему формулы изобретения по данному патенту.