БЕСПРОВОДНОЕ ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО СО СЪЕМНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
WIRELESS FIELD DEVICE HAVING DETACHABLE POWER SUPPLY

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к полевым устройствам типа, используемого в производственных процессах. Точнее говоря, настоящее изобретение относится к полевому устройству для использования при мониторинге или регулировании промышленного процесса, имеющего съемный источник электропитания.
Полевые устройства используются в промышленных процессах для операций управления или контроля процесса. Беспроводные полевые устройства могут измерять любое количество характеристик процесса, таких как, например, давление, уровень, скорость потока, расход массы, pH, температуру, плотность и проводимость, или могут контролировать технологическое оборудование на предмет таких явлений, как вибрация, механическое напряжение или коррозия, или могут контролировать общую среду установки на предмет таких вещей, как выявление огня или газа, или могут быть использованы для определения фактического местонахождения обслуживающего персонала и оборудования. Например, датчик технологического параметра является типом полевого устройства, который можно использовать для контроля технологических параметров текучей среды процесса. Примеры технологических параметров включают температуру, давление, уровень, скорость потока и т.д. Контроллер представляет собой тип полевого устройства, который используют для управления эксплуатацией процесса. Например, контроллер может регулировать расход текучей среды процесса путем регулировки местоположения клапана в трубопроводе для транспортировки текучей среды.
Как правило, полевые устройства соединяют с центральным диспетчерским пунктом через систему электропроводов. В одном типе соединений использованы два электропровода, и он известен как двухпроводной технологический сигнальный контур. При такой конфигурации одни и те же два провода используют для передачи сообщений и энергоснабжения полевого устройства. Совсем недавно были разработаны беспроводные коммуникационные технологии. При такой конфигурации, для соединения полевого устройства с другим местоположением провода не требуются. Одним примером протокола для беспроводного полевого устройства является Международный стандарт по беспроводной связи IEC 62591 International Standard (Wireless HART - беспроводной магистральный адресуемый дистанционный датчик).
Некоторые типы беспроводных полевых устройств включают внутренний источник электропитания, вследствие чего они являются пригодными для функционирования без каких-либо внешних электрических соединений. Такие полевые устройства включают такой источник электропитания, как батарея, которая используется для электроснабжения полевого устройства. Для подачи дополнительно электроэнергии к устройству могут быть использованы такие технологии утилизации энергии, как солнечные источники электропитания, термоэлектрические генераторы, поглотители вибрации и т.д. Один пример полевого устройства, который включает несколько источников электропитания, показан в
Патенте США №7812480, озаглавленный как УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ЗАМЕНЫ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ В БЕСПРОВОДНЫХ ПЕРЕДАТЧИКАХ И ДРУГИХ УСТРОЙСТВАХ, от 19 марта 2008 г., поданый Datta и др.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Беспроводное полевое устройство для использования при управлении или мониторинге технологических процессов включает интерфейс процесса, сконфигурированный для осуществления связи с текучей средой процесса. Беспроводные полевые устройства могут измерять любое количество технологических характеристик, таких как, например, давление, уровень, скорость потока, расход массы, pH, температура, плотность и проводимость, или могут контролировать технологическое оборудование на предмет таких явлений, как вибрация, напряженное состояние или коррозия, или могут контролировать общую среду технологической установки для выявления газа и огня, или могут быть использованы для выявления фактического местоположения персонала и оборудования. Электрическая цепь полевого устройства соединена с интерфейсом процесса и сконфигурирована для измерения или управления технологическими параметрами, которые могут включать физические свойства объекта, который не является частью действующего процесса. Беспроводная коммуникационная цепь сконфигурирована для обеспечения беспроводной связи. Терминал электрического доступа сконфигурирован для обеспечения электрической связи с электрической цепью полевого устройства. Источник электропитания сконфигурирован для электроснабжения беспроводного полевого устройства. Источник электропитания включает съемный первичный источник электропитания для подачи электроэнергии к полевому устройству в течение продолжительных периодов времени. Вторичный источник электропитания сконфигурирован для подачи электроэнергии к полевому устройству, когда первичный источник электропитания удален.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 представляет собой упрощенную диаграмму системы управления промышленного процесса, включающую беспроводные полевые устройства.
Фигура 2 представляет собой упрощенную блок-схему полевого устройства согласно Фигуре 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение обеспечивает полевое устройство, имеющее съемный источник электропитания. Съемный источник электропитания сконфигурирован для обеспечения электроэнергии для полевого устройства в течение продолжительных периодов времени. Удаление съемного источника электропитания обеспечивает доступ, по меньшей мере, к одному из терминалов электрического доступа, которые могут быть использованы для создания электрической связи с электрической цепью полевого устройства. Резервный или вторичный источник электропитания обеспечен для электроснабжения полевого устройства, когда съемный источник электропитания был удален. Другие особенности изобретения включают выявление удаления съемного источника электропитания. В ответ на удаление съемного источника электропитания информация может передаваться в другие местоположения. Аналогично, при обнаружении удаления съемного источника электропитания, полевое устройство может вводить режим низкой или пониженной мощности. Устройство также может быть сконфигурировано для приема команды на спящий режим, при которой все устройство переводится в энергосберегающий спящий режим. Такой спящий режим может возникнуть несмотря на доступность электроэнергии от съемного источника электропитания и/или резервного источника электропитания. Это может быть полезным, когда устройство выведено из эксплуатации или иным образом изъято из обслуживания.
Фигура 1 представляет собой упрощенную диаграмму, показывающую промышленный процесс 100, включающий полевые устройства 102 и 104. Полевые устройства 102 и 104 проиллюстрированы как связанные, соответственно, с системой трубопроводов 106 и 108. Полевые устройства 102 и 104 включают элементы интерфейса процесса, соответственно, 110 и 112. Эти элементы интерфейса процесса могут содержать датчик, который используют для зондирования технологических параметров текучей среды процесса. Примерные технологические параметры включают температуру, давление, расход потока, pH и т.д. Аналогично, элементы 110, 112 интерфейса процесса могут содержать управляющие элементы, которые используют для управления технологическим процессом. Примерные управляющие элементы включают клапан, нагревательный элемент, насос и т.д. Беспроводные полевые устройства могут измерять любое количество технологических характеристик, таких как, например, давление, уровень, скорость потока, расход массы, pH, температура, плотность и проводимость, или могут контролировать технологическое оборудование на предмет таких вещей, как вибрация, механическое напряжение или коррозия, или может контролировать общее состояние среды установки на предмет таких вещей, как обнаружение огня и газа, или могут быть использованы для выявления фактического местоположения персонала и оборудования. Полевые устройства 102 и 104 сконфигурированы для создания беспроводной связи по всей беспроводной сети 117 и включают антенны, соответственно, 116 и 118. Посредством этой беспроводной связи полевые устройства 116, 118 могут устанавливать связь друг с другом, или могут устанавливать связь со шлюзом (121), находящимся в удаленных местоположениях, таких как диспетчерская 120, которая проиллюстрирована как включающая главный компьютер 124, связанный со шлюзом 121. Эта беспроводная связь может быть установлена в соответствии с любыми технологиями беспроводной связи, например, в соответствии со стандартным протоколом для беспроводных связей IEC 62591.
Как обсуждается более подробно ниже, полевые устройства 102 и 104 включают источники электропитания, имеющие съемный первичный источник электропитания. Удаление первичного источника электропитания может обеспечить, например, доступ, по меньшей мере, к одному из терминалов электрического доступа, которые можно использовать для доступа к электрической цепи внутри полевого устройства 102 или 104. Когда первичный источник электропитания удален, он может быть заменен на сменный первичный источник электропитания. Когда первичный источник электропитания удален, электроснабжение, подаваемое к полевому устройству, можно поддерживать с использованием вторичного источника электропитания.
Фигура 2 представляет собой упрощенную блок-схему полевого устройства 102. Полевое устройство 102 включает микропроцессор 150, который связан с помощью технологической электрической цепи 152 с элементом 110 интерфейса процесса. Микропроцессор сконфигурирован для установления связи с использованием беспроводной коммуникационной цепи 154, которая связана с антенной 116. Микропроцессор 150 функционирует в соответствии с командами, хранящимися в памяти 156. Память 156 также можно использовать для хранения информации, например, для следующего поиска информации. Цепь управления электропитанием используют для поддержания в надлежащем состоянии электроснабжение, подаваемое к электрической цепи внутри полевого устройства 102. Между цепью управления электропитанием и микропроцессором 150 также может быть обеспечено коммуникационное соединение (не обязательное). Цепь управления электропитанием обеспечивает стабильное электроснабжение для электрической цепи с использованием электроэнергии от первичного источника электропитания 162. Вторичный источник электропитания 164 также связан с цепью управления электропитанием и может быть использован для обеспечения электроснабжения, когда первичный источник электропитания (или съемный источник электропитания) 162 удален. Как проиллюстрировано на Фигуре 2, обеспечен локальный порт ввода/вывода 168, а связанный с микропроцессором 150, по меньшей мере, один терминал доступа 170 используется для связи с локальным портом ввода/вывода 168 с использованием, например, портативного коммуникатора или другого тестового оборудования. Дополнительно, по меньшей мере, один терминал доступа 170 может быть использован для связи с датчиком технологических параметров элемента управления технологическим процессом или с другой электрической цепью.
Как правило, в беспроводных полевых устройствах согласно уровню техники был использован первичный источник электропитания, который нельзя перезаряжать и который должен быть заменен, когда он полностью истратил полезную энергию. Когда первичный источник электропитания удален, полевое устройство временно теряет энергию и должно быть отключено. Это может принести вред, состоящий в том, что устройство не сможет больше функционировать, и поэтому становится непригодным для передачи какой-либо информации центральной системе, такой как распределенная система управления, система регистрации данных или система управления активами. Информация, хранящаяся в энергозависимой памяти, также может быть утеряна. Кроме того, если беспроводное полевое устройство является частью архитектуры беспроводной связи многоскачковой сети, потери полевого устройства могут ухудшить функционирование сети и могут вызвать отключение от сети других устройств, рассматриваемых в качестве устройств-наследников. При замене первичного источника электропитания полевое устройство подключается и должно быть повторно соединено с сетью. Это повторное соединение требует длительного периода времени, и устройство функционирует не в полной мере, вплоть до завершения этого процесса. Устройства-наследники могут не иметь никаких каналов для прохождения их сигналов считывания по сети в течение этого времени. Кроме того, в некоторых беспроводных полевых устройствах терминалы электрического доступа перекрываются, или иным образом испытывают помехи со стороны первичного источника электропитания. Для получения доступа, по меньшей мере, к одному терминалу доступа 170 первичный источник электропитания 162 должен быть удален, что вызывает отключение электроснабжения устройства, как было описано выше.
Настоящее изобретение обращается к исправлению этих недостатков за счет включения вторичного источника электропитания 164 для подачи электроэнергии к цепи управления электропитанием, когда первичный источник электропитания 162 отключен и/или удален из полевого устройства 102. Вторичный источник электропитания 164 может содержать перезаряжаемую батарею, высокоемкостной конденсатор, например «суперконденсатор» или «ультраконденсатор», или сочетание одного или более конденсаторов и суперконденсаторов. Емкость аккумулятора вторичного источника электропитания 164 может быть относительно мала, например при удалении источника электропитания 162 может хватать мощности для подачи электроэнергии для полевого устройства 102 только в течение от нескольких минут до одного часа. Сразу после замены первичного источника электропитания вторичный источник электропитания 164 можно перезаряжать с использованием электроснабжения от первичного источника электропитания 162.
Вторичный источник электропитания 164 может быть применен в соответствии с любой подходящей технологией. Хотя для аккумулирования электроэнергии могут быть использованы конденсаторы с большой емкостью, они имеют ограничения по сроку службы, также как и температурные ограничения. Также могут быть использованы определенные типы перезаряжаемых батарей, но они могут иметь слишком много недостатков. Например, ионно-литиевые батареи имеют ограниченный срок службы, и они также являются термочувствительными. Кроме того, перезарядка ионно-литиевых батарей может быть сложной. Может быть использована перезаряжаемая твердотельная литий-оксинитрид-фосфорная батарея (Li-PON), такая как батарея Thinergy, выпускаемая компанией Infinite Power Solutions, Inc. (IPF), Литлтон, Колорадо (www.infinitepowersolutions.com). Такая батарея может быть встроена в печатную плату, которая содержит электрическую цепь полевого устройства, такую как беспроводная коммуникационная цепь 154, цепь управления электропитанием 160, электрическая цепь, относящаяся к микропроцессору 150, и т.д. Такие батареи могут иметь номинальную мощность 0,2-2,5 мА·ч в зависимости от их размера и конфигурации.
В одной конфигурации, по меньшей мере, один терминал доступа 170 содержит два электрических соединения для использования с двухпроводным сигнальным контуром процесса. При такой конфигурации используется уровень тока, отображающий технологический процесс. В некоторых конфигурациях может быть смодулирована цифровая информация, которую также можно передавать по той же двухпроводной системе. Одним примером этого является коммуникационный стандарт HART. Эти терминалы связи могут быть использованы для соединения диагностического устройства с полевым устройством 102. Примерное диагностическое устройство 180 проиллюстрировано на Фигуре 2. Диагностическое устройство 180 включает контакт 182 двухпроводного сигнального контура процесса для соединения, по меньшей мере, с одним терминалом доступа 170. В некоторых конфигурациях полевое устройство 102 может снабжаться электроэнергией, передаваемой по двухпроводному сигнальному контуру процесса, связанному с помощью двух электрических контактов, по меньшей мере, с одним терминалом доступа 170. Диагностическое устройство 180 может быть сконфигурировано для подачи команды задания конфигурации на электрическую цепь полевого устройства 102, по меньшей мере, через один терминал электрического доступа 170. Аналогично, полевое устройство 102 может передавать информацию диагностическому устройству 180, по меньшей мере, через один терминал электрического доступа 170. Такая информация может включать диагностическую информацию, информацию, относящуюся к зондируемым технологическим процессам, и т.д.
Для соединения диагностического устройства 180, по меньшей мере, с одним терминалом доступа 170 первичный источник электропитания 162 может быть удален для обеспечения лучшего доступа. Когда этот источник электропитания удален, дополнительная электроэнергия обеспечивается вторичным источником электропитания 164, вследствие чего полевое устройство не отключается и не перезапускается иным образом.
В другой примерной конфигурации, по меньшей мере, один терминал доступа 170 используется для связи с элементом интерфейса процесса. В такой конфигурации элемент 180 содержит элемент интерфейса процесса. Например, элемент 180 может содержать датчик технологических параметров, такой как датчик температуры. Электрические соединения с датчиком температуры обеспечены, по меньшей мере, для одного терминала доступа 170. Для обеспечения этого соединения оператор должен удалить первичный источник электропитания 162 при создании соединения. Соединители могут содержать терминалы, в которых использована винтовая или другая соединительная технология для обеспечения электропроводки, соединенной с датчиком температуры. Соединение проводов, в которых использованы эти соединители, может занимать несколько минут, в течение которых полевое устройство снабжается электроэнергией от вторичного источника электропитания 164.
Когда первичный источник электропитания 162 удален, цепь управления электропитанием может подавать сигнал к микропроцессору 150 для управления работой электрической цепи внутри полевого устройства 102. Например, при использовании данных соединение с микропроцессором 150 можно использовать, чтобы заставить электрическую цепь в устройстве перейти в режим пониженной мощности или «спящий» режим. Эту конфигурацию можно использовать для удлинения периода времени, в течение которого вторичный источник электропитания 164 будет пригоден для энергоснабжения электрической цепи полевого устройства 102. Выявление удаления первичного источника электропитания 162 может быть осуществлено путем использования, например, детектора 163, такого как датчик напряжения, сконфигурированный для выявления напряжения первичного источника электропитания 162. В одной конфигурации информация, относящаяся к отключению первичного источника электропитания 162, может быть передана по адресу 117 сети беспроводной связи с использованием беспроводной коммуникационной цепи 154. Эту информацию можно контролировать в удаленном местоположении. При работе в режиме с низким энергопотреблением поток информационных сообщений, проходящий через полевое устройство 102 в конфигурации ячеистой сети, может быть направлен в другие полевые устройства для снижения энергопотребления полевого устройства 102.
Когда первичный источник электропитания 162 удален, также могут быть использованы другие технологии для снижения энергопотребления. Например, может быть снижено время обновления данных зондируемого технологического процесса, может быть снижена рабочая частота микропроцессора 150, может быть снижено количество данных, передаваемых по беспроводной коммуникационной цепи 154, определенная электрическая цепь внутри полевого устройства 102 может быть переведена в режим работы с низким энергопотреблением, или даже отключена, и т.д. Другая технология снижения энергопотребления состоит в мониторинге изменений в зондируемом технологическом параметре и в передаче только обновленных данных, если скорость загрузки технологического параметра больше заданного порогового значения, или если технологический параметр был изменен больше, чем на заданную величину.
В другой примерной конфигурации полевое устройство 102 сконфигурировано для приема команды на отключение, которая предписывает отключить его от электрической цепи, несмотря на то, что в источниках электропитания 162, 164 остается электроэнергия. Это позволяет вывести устройство из эксплуатации, или иным образом выключить его, не удаляя ни один из источников электропитания 162, 164. Эта команда может быть получена через беспроводную коммуникационную цепь 154, локальное устройство ввода/вывода 168 и т.д. Ввод может содержать, например, устройство ручного ввода данных, такое как кнопка, которая расположена внутри или снаружи устройства, и т.д.
В другой примерной конфигурации первичный источник электропитания 162 содержит устройство утилизации энергии, такое как солнечный элемент, элемент термоэлектрического генератора, поглотитель вибрации и т.д. В такой конфигурации вторичный источник электропитания 164 может подавать электроэнергию на полевое устройство 102, когда первичный источник электропитания 162 недостаточно генерирует электроэнергию. Например, это может происходить в течение периодов времени отсутствия солнечного света, тепла, вибрации, и т.д. В некоторых конфигурациях полевое устройство 102 переходит в режим работы с низким энергопотреблением, в котором электрическая цепь в устройстве 102 периодически проверяется на входящие сообщения. Когда процесс приводится в действие, или когда желательно, чтобы полевое устройство 102 было переведено в нормальный рабочий режим, на полевое устройство 102 может быть отправлена команда, предписывающая устройству 102 выйти из режима работы с низким энергопотреблением и начать нормальное функционирование. Например, если первичный источник электропитания 162 генерирует электричество с использованием тепла в качестве источника электроэнергии, то при прекращении процесса никакое тепло не будет доступно для генерирования электричества, и устройство 102 может перейти в режим работы с низким энергопотреблением и использования электроэнергии от вторичного источника электропитания 164. В такой конфигурации, перед перезапуском процесса, на полевое устройство 102 может быть отправлена команда, предписывающая полевому устройству 102 начать нормальное функционирование, несмотря на наличие недостаточного количества тепла, пригодного для энергоснабжения устройства 102. Как только устройство 102 функционирует нормально, процесс может быть перезапущен. Поскольку процесс функционирует и начинает генерировать тепло, первичный источник электропитания 162 может быть использован для подачи электроэнергии для полевого устройства 102.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты воплощения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в их форме и деталях могут быть сделаны изменения без отступления от сущности и объема изобретения. По меньшей мере, один терминал электрического доступа не является тем же самым, что и для соединителей, используемых для установления контакта с первичным источником электропитания. В целях настоящей работы технологическая переменная включает любую характеристику вещества, а термин «процесс» включает природные и промышленные процессы.