ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВЯЗЬЮ
PROCESS FIELD DEVICE WITH HIGH-FREQUENCY COMMUNICATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение имеет отношение к системам управления производственным технологическим процессом или текущего контроля. Конкретнее, настоящее изобретение имеет отношение к полевым устройствам в таких системах, которые выполнены с возможностью высокочастотной (ВЧ) связи.
В условиях промышленного производства системы управления используются, чтобы контролировать и управлять ресурсами производственных и химических технологических процессов и т.п. Как правило, система управления выполняет эти функции, используя полевые устройства, размещенные на ключевых позициях в производственном технологическом процессе и подключенные к электрической схеме управления на посту управления посредством контура управления технологическим процессом. Термин "полевое устройство" относится к любому устройству, которое функционирует в системе распределенного управления или текущего контроля технологического процесса, в том числе ко всем известным в настоящее время устройствам, которые еще станут известными, использующимся при измерении, управлении и осуществлении контроля производственных технологических процессов.
Некоторые полевые устройства включают в себя преобразователь. Преобразователь понимается как устройство, которое генерирует выходной сигнал, исходя из физического ввода, или которое генерирует физический вывод, исходя из входного сигнала. Как правило, преобразователь превращает входные данные в выходные данные, имеющие другую форму. Виды преобразователей включают в себя разнообразное аналитическое оборудование, чувствительные элементы давления, термосопротивления, термопары, измерители деформации, датчики расхода, устройства позиционирования, приводы, соленоиды, индикаторные лампы и другое.
Как правило, каждое полевое устройство также включает в себя электрическую схему связи, которая используется для установления связи с постом управления технологическим процессом, или с другой электрической схемой, через контур управления технологическим процессом. В некоторых производственных установках контур управления технологическим процессом также используется, чтобы подавать стабилизированный ток и/или напряжение на полевое устройство для энергоснабжения полевого устройства. Контур управления технологическим процессом также служит носителем данных, в аналоговом или цифровом формате.
Традиционно аналоговые полевые устройства соединяются с постом управления двухпроводными токовыми контурами управления технологическим процессом, причем каждое устройство соединено с постом управления отдельным двухпроводным контуром управления. Как правило, поддерживается разность напряжений между двумя проводами в пределах диапазона напряжений 12-45 вольт для аналогового режима и 9-50 вольт для цифрового режима. Некоторые аналоговые полевые устройства передают сигнал на пост управления, модулируя ток, проходящий через токовый контур, током, пропорциональным принятому технологическому параметру. Другое аналоговое полевое устройство может выполнять действия под управлением поста управления с помощью управления величиной тока через контур. В дополнение или в качестве альтернативы контур управления технологическим процессом может переносить цифровые сигналы, использующиеся для связи с полевыми устройствами.
В некоторых производственных установках стали использоваться беспроводные технологии для связи с полевыми устройствами. Например, полностью беспроводные производственные установки используются, когда в полевом устройстве применяется батарея, солнечный элемент или другой способ получения энергии без какого-либо проводного соединения. Однако большинство полевых устройств соединяют с постом управления технологическим процессом кабелем, а не используют беспроводные технологии связи.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Полевое устройство для использования в системе управления производственным технологическим процессом или текущего контроля включает в себя клеммы, выполненные с возможностью подключения к двухпроводному контуру управления технологическим процессом, выполненному с возможностью переноса данных и подачи энергии. ВЧ электрическая схема в полевом устройстве выполняется с возможностью высокочастотной связи. В одном варианте осуществления электрическая схема блока питания служит источником энергии для ВЧ электрической схемы, используя энергию, полностью полученную от двухпроводного контура управления технологическим процессом. Способ также предоставляется.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 является упрощенной блок-схемой системы текущего контроля управления технологическим процессом, включающей в себя полевое устройство, выполненной с возможностью беспроводной связи.
Фиг.2 является блок-схемой системы текущего контроля с устройством управления технологическим процессом, в которой множество полевых устройств передают информацию на удаленное измерительное устройство.
Фиг.3 является трехмерным изображением в разрезе полевого устройства, включающего в себя электрическую схему беспроводной связи для установления связи с удаленным устройством, например, портативным блоком.
Фиг.4 является схематическим представлением системы текущего контроля с устройством управления технологическим процессом, которая включает в себя полевое устройство для беспроводной связи, которое извлекает энергию из контура управления технологическим процессом.
Фиг.5 является более подробной схемой соединений для электрической схемы, показанной на фиг.4.
Фиг.6 является графиком зависимости от времени напряжения, замеренного на конденсаторе, показанном на фиг.5.
Фиг.7 является блок-схемой электрических соединений для электрической схемы обеспечения беспроводной связи в системе текущего контроля с устройством управления технологическим процессом.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предоставляет полевое устройство, выполненное с возможностью подсоединения к контуру управления технологическим процессом, которое также включает в себя модуль беспроводной связи для односторонней или двусторонней беспроводной связи. Модуль беспроводной связи может передавать и/или принимать ВЧ сигнал от удаленного устройства или местоположения. Модуль может приводиться в действие непосредственно энергией, принятой от двухпроводного контура управления технологическим процессом, или может приводиться в действие энергией, принятой из контура управления технологическим процессом и аккумулированной для последующего использования. Модуль может быть съемным, при этом нужно только подсоединить модуль к тем полевым устройствам, для которых требуется беспроводная связь.
Фиг.1 является упрощенной блок-схемой системы 10 управления технологическим процессом или текущего контроля, в которой пост управления или система 12 управления подсоединяется к полевому устройству 14 через двухпроводной контур 16 управления технологическим процессом. Полевое устройство 14 включает в себя электрическую схему 18 ввода/вывода энергии, привод/преобразователь 20 и электрическую схему (модуль) 22 беспроводной связи. Электрическая схема 22 беспроводной связи выполнена с возможностью посылать и/или принимать ВЧ сигнал 24, используя антенну 26.
В настоящее время промышленное контрольно-измерительное оборудование часто включает в себя локальное устройство отображения или "измерительное устройство", которое может использоваться для локального текущего контроля технологических данных. Измерительное устройство может быть очень полезным во многих производственных установках, однако такая конфигурация с локальным устройством отображения имеет некоторые ограничения. Локальное устройство отображения требует прямого визуального доступа к полевому устройству. Дополнительно обычно оператор может видеть одновременно только одно измерительное устройство. Контрольно-измерительные приборы, которые содержат измерительное устройство, часто находятся в неудобном месте или под неудобным углом обзора. Одним техническим приемом, который использовался при обращении к такой конфигурации, является использование измерительного устройства, которое соединено проводами с датчиком процесса. Это позволяет удобнее размещать измерительное устройство. Другой технический прием представлен и описан в заявке на патент США № 10/128769, зарегистрированной 22 апреля 2002 г., озаглавленной ДАТЧИК ПРОЦЕССА С БЕСПРОВОДНОЙ ЛИНИЕЙ СВЯЗИ.
Что касается настоящего изобретения, модуль ВЧ связи включен в состав полевого устройства, которое может использоваться в дополнение к соединению с контуром управления технологическим процессом, например, контуром 16. Модуль 22 беспроводной связи может быть выполнен с возможностью быть компактным и маломощным с тем, чтобы он мог быть легко включен в состав существующих конфигураций полевых устройств. Модуль может применяться для беспроводной передачи информации для использования при контроле управления и/или отображении данных. Такой радиодатчик может сделать информацию от полевого устройства доступной в локальной области. Например, единственное локальное устройство отображения, такое как устройство 32 отображения, может быть предоставлено и использовано для отображения информации от полевого устройства 14. Устройство 32 отображения может быть выполнено с возможностью отображения информации от нескольких устройств, предоставляемой для отображения одновременно, последовательно или согласно командам, например, используя средства ручного ввода, такие как кнопки, имеющиеся в распоряжении оператора. Устройство 32 отображения может быть размещено в фиксированном месте или может быть переносным устройством, чтобы его можно было переносить по всей системе управления технологическим процессом для текущего контроля и наблюдения за различными полевыми устройствами. В зависимости от силы ВЧ сигнала 24 и чувствительности передающей и принимающей электрической схемы, областью, покрываемой ВЧ передачей, можно управлять по желанию. Например, фиг.2 является упрощенным представлением системы 50 управления технологическим процессом, в которой некоторое количество полевых устройств 14 соединяются с постом 12 управления через индивидуальные контуры 16 управления технологическим процессом. Каждое полевое устройство 14 передает ВЧ сигнал 24 для приема устройством 32 отображения. В этом примере устройство 32 отображения способно отображать четыре технологических параметра (ТП1, ТП2, ТП3 и ТП4), которые принимаются от полевых устройств 14 при помощи антенны 52. Как упомянуто выше, устройство 32 отображения может быть стационарным устройством отображения или может быть переносным устройством отображения, например, портативным блоком. В этой конкретной конфигурации устройство 32 отображения проиллюстрировано как показывающее два технологических параметра, которые имеют отношение к рабочему давлению, и два технологических параметра, которые имеют отношение к рабочей температуре. Это позволяет полевым устройствам 14 предоставлять информацию по ВЧ связи в требуемых пределах, например, в пределах локальной области. Например, если устройство 32 отображения будет в пределах 40 метров от полевого устройства 14, то оно будет способно принять информацию для отображения от этого полевого устройства. Дополнительное пользовательское устройство 48 ввода может использоваться, например, для выбора формата отображения, отображаемого технологического параметра, или использоваться для опрашивания полевого устройства 14.
Фиг.3 является упрощенным трехмерным изображением в частичном разрезе датчика 60 давления, который является одним из примеров полевого устройства. Датчик 60 давления соединяется с двухпроводным контуром 16 управления технологическим процессом и включает в себя корпус 62 датчика. Контур 16 управления технологическим процессом подсоединяется к клеммам 56, имеющимся на панели 58 выводов. Чувствительный элемент 64 давления предоставляет один пример преобразователя и выполнен с возможностью подсоединения к производственному оборудованию для измерения перепада давления, происходящего в технологической текучей среде. Выходные данные от чувствительного элемента 64 подаются на измерительную электрическую схему 66, которая подсоединяется к цепи 68 полевого устройства. Цепь 68 полевого устройства реализует аспекты схемы 18 ввода/вывода энергии, показанного на фиг.1. Электрическая схема 22 беспроводной связи подсоединяется к цепи 68 полевого устройства и может, в некоторых вариантах осуществления, подсоединяться к контуру 16 управления технологическим процессом.
Корпус 62 включает в себя торцевые крышки 70 и 72, которые могут навинчиваться на корпус 62. Торцевая крышка 72 включает в себя проницаемое для ВЧ окно 74, выполненное с возможностью общего центрирования с антенной 26, имеющейся в схеме 22 беспроводной связи. При подключении торцевые крышки обеспечивают искробезопасную оболочку для электрической схемы внутри датчика 60. Материалы, обычно используемые в торцевых крышках, например, металл, непроницаемы для ВЧ сигналов. Однако проницаемое для ВЧ окно 74 позволяет ВЧ сигналам посылаться от антенны 26 или приниматься на нее. Примером проницаемого для ВЧ материала для применения в окне 74 является стекло или подобное. Однако может использоваться любой подходящий материал. Конструкции окна и корпуса могут помочь выполнить требования к искробезопасности и обеспечить характеристики огнеустойчивости (взрывоустойчивости). Дополнительно полость корпуса 62 может быть выполнена с возможностью обеспечения требуемой диаграммы направленности излучения ВЧ сигналов, генерируемых антенной 26. Например, может быть желательным, чтобы ВЧ передача была направленной в некоторых реализациях или не имеющей определенного направления в других. В других реализациях корпус 62 может быть удлиненным, чтобы обеспечить дополнительное внутреннее пространство для размещения схемы 22 беспроводной связи.
Электрическая схема 22 беспроводной связи может выбираться по желанию. Одним из примеров схемы является устройство точки доступа беспроводной связи "I-Bean", поставляемое компанией Millennial Net. Однако может использоваться другая электрическая схема. Аналоговые или цифровые сигналы, переносящиеся по контуру 16 управления технологическим процессом, могут быть прочитаны и переданы с применением схемы 22 беспроводной связи, без прерывания работы контура 16 управления технологическим процессом или электрической цепи 68 полевого устройства. Электрическая схема, применяемая для беспроводной передачи, должна быть достаточно малой и с низким энергопотреблением, чтобы удовлетворять физическим и энергетическим ограничениям технологических полевых устройств. Некоторые датчики предыдущего уровня техники выполнены с возможностью приема дополнительного устройства отображения, размещенного, как правило, в позиции, показанной для схемы 22 беспроводной связи на фиг.3. В такой конфигурации схемы 22 беспроводной связи может использоваться вместо локального устройства отображения. В такой конфигурации электрическая схема 22 беспроводной связи просто передает ВЧ сигнал, который подсоединяется непосредственно к контуру 16 управления технологическим процессом и передает ВЧ сигнал, который соответствует любым аналоговым и/или цифровым сигналам, переносимым по контуру 16.
Вообще, контур управления технологическим процессом, рассмотренный в настоящем описании, может содержать любой тип контура управления технологическим процессом для применения в системах управления производственным технологическим процессом и текущего контроля. Такие контуры включают в себя токовые контуры 4-20 миллиампер, в которых аналоговая составляющая тока изменяется в пределах от 4 до 20 миллиампер для передачи информации. Тот же контур управления может использоваться для обеспечения полевого устройства энергией. Другой тип контура управления технологическим процессом соответствует протоколу связи HART, в котором передача цифровых сигналов накладывается на сигнал 4-20 миллиампер для передачи дополнительной информации. В другом примере двухпроводной контур управления технологическим процессом использует протокол, разработанный Американским Обществом Приборостроения (ISA - Instrument Society of America), который называется протокол SP50 для Полевых Шин. Однако может использоваться протокол сигнализации для связи между конечными точками. Некоторые контуры управления технологическим процессом выполнены с возможностью подключения к множеству полевых устройств с тем, чтобы полевые устройства могли поддерживать связь друг с другом или контролировать передачи от другого полевого устройства. В целом, любой тип информации, переданной по таким контурам управления технологическим процессом, или доступной или генерируемой в устройстве, или принятой полевым устройством, или иным образом используемой для управления полевым устройством, или другой тип информации может быть передан с применением технологий беспроводной связи настоящего изобретения. В другом примере портативный блок или устройство, используемое для настройки полевых устройств, может быть принесено в зону действия оператором. Оператор использует портативное устройство, чтобы послать или принять информацию на полевое устройство, когда портативное устройство находится поблизости от полевого устройства. Это позволяет оператору собирать информацию или программировать полевое устройство без необходимости физического подсоединения к устройству или контуру управления физическим процессом.
В некоторых вариантах осуществления также желательно при передаче информации от полевого устройства или к полевому устройству переносить адресную информацию. Адресная информация может указывать на источник передачи или на предполагаемого получателя передачи. Электрическая схема беспроводной связи может осуществлять передачу непрерывно или периодически или с прерываниями, по желанию. В другом примере электрическая схема беспроводной связи осуществляет передачу, только когда активирована или "опрашивается". Активация может осуществляться от внутреннего источника полевого устройства, быть принята через контур управления технологическим процессом, принята от беспроводного источника или принята или сгенерирована другим источником. В условиях, когда многочисленные полевые устройства могут осуществлять передачу одновременно, должен быть выбран протокол передачи, чтобы избежать или разрешить любые конфликты, которые могли бы повлиять на передачи. Например, могут использоваться различные частоты или методы пропускания частот, могут использоваться произвольные или полупроизвольные окна передачи, могут быть реализованы метод повторной передачи или метод маркеров или другие методы предотвращения конфликтов по желанию. Если передача включает в себя обнаружение ошибок или корректирующую информацию, эта информация может использоваться для обнаружения ошибки при передаче и/или коррекции любых ошибок при передачах. Если ошибка не поддается коррекции, принимающий блок может запросить повторную передачу испорченных данных или может известить об ошибке, или может ожидать следующей передачи данных, или принять другие меры по желанию.
Фиг.3 также показывает пример портативного устройства 80 для установления связи с электрической схемой 22 по ВЧ соединению 82. Портативное устройство 80 включает в себя устройство 84 отображения и пользовательское устройство 86 ввода. Другие типы устройств ввода и вывода могут быть включены в состав портативного устройства 80. Предпочтительно, чтобы портативное устройство 80 снабжалось энергией от батареи и могло переноситься в зону действия оператором для установления связи с полевым устройством 60. Информация от полевого устройства 60 или от других источников отображается на устройстве 84 отображения, а портативное устройство управляется с помощью устройства 86 ввода. Команды или другая информация могут передаваться портативным устройством 80 на полевое устройство 60.
В одной конфигурации электрическая схема беспроводной связи требует энергии в пределах энергетических ограничений, имеющихся в полевом устройстве. Например, одно устройство отображения, применяемое в настоящее время в полевых устройствах, использует 3,6 вольт на 0,5 миллиампер. Если используется датчик, выполненный с возможностью эксплуатации измерительного устройства с жидкокристаллическим экраном, электрическая схема беспроводной связи может заменить измерительное устройство с жидкокристаллическим экраном и использовать тот же источник питания, который используется для приведения в действие измерительного устройства с жидкокристаллическим экраном. В другом примере электрическая схема беспроводной связи получает энергию непосредственно из контура управления технологическим процессом, например, используя перепад напряжения, создающийся на диоде, последовательно подключенного к контуру управления технологическим процессом. В вариантах осуществления, в которых с электрической схемой связи не используется батарея, электрическая схема может легче удовлетворить условиям искробезопасности или другим согласованным требованиям безопасности и обеспечить неограниченный срок эксплуатации без замены батареи или технического обслуживания. В конфигурациях, в которых беспроводная конфигурация служит только для посылки информации, энергетические потребности могут быть снижены. В другом примере, если требуется большая дальность передачи, стационарное устройство, например устройство 32 отображения, которое проиллюстрировано на фиг.1, может включать в себя ВЧ повторитель для повторной передачи данных, принятых от полевого устройства или посланных на него. ВЧ повторитель может получать энергию из контура или может получать для себя энергию из других источников. Дополнительно, как только ВЧ данные приняты, они могут быть переформатированы для передачи другими средствами, например через Ethernet-соединение, в существующие структуры передачи данных, используемые в системах управления технологическим процессом, по ВЧ линии связи расширенного диапазона, например сотового телефона, или переданы дальше с использованием другого метода.
Фиг.4 является упрощенным схематическим представлением устройства управления технологическим процессом или системы 100 текущего контроля, которое иллюстрирует другой аспект настоящего изобретения. В системе 100 полевое устройство 14 подключается к системе 12 управления через контур 16 управления технологическим процессом с помощью распределительной коробки 102. В варианте осуществления на фиг.4 (технологическое) полевое устройство 104 подсоединяется к контуру 16 управления технологическим процессом и включает в себя электрическую схему 122 беспроводной связи. Электрическая схема 122 беспроводной связи выполнена с возможностью посылать ВЧ сигнал 106 и полностью приводиться в действие энергией, принятой из контура 16 управления технологическим процессом.
Технологическое устройство 104 включает в себя регулятор 110 мощности, параллельную цепь или перемычку 112 и суперконденсатор 114. Во время работы суперконденсатор 114 медленно заряжается (непрерывно подзаряжается малым током) с применением регулятора 110 мощности путем использования избыточного напряжения, отводящегося из контура 16 управления технологическим процессом. Перемычка 112 позволяет контуру 16 функционировать в нормальном режиме и подключается последовательно к контуру 16. Схема 122 связи включает в себя электрическую схему для приема информации, аналоговой и/или цифровой информации, переносящейся по контуру 16 управления технологическим процессом. Схема 122 может в ответ передать ВЧ сигнал 106, основываясь на принятой информации. При работе в качестве принимающего устройства электрическая схема 122 выполняется с возможностью модуляции данными электрического тока, передающегося в контуре 16. Это может быть или аналоговая или цифровая информация. Эта конфигурация позволяет передавать данные дальше по сети беспроводной связи. Сеть может формироваться в соответствии с какой-либо топологией, в том числе двухточечной, звездообразной и ячеистой топологиями. Технологическое устройство 104 может быть размещено в любом месте вдоль контура, в том числе может быть выполнено как индивидуальное устройство, что проиллюстрировано на фиг.4. В некоторых производственных установках полевое устройство 104 должно быть защищено для использования в полевых условиях и выполнено с условиями искробезопасной работы. Устройство 104 также может быть размещено внутри другого полевого устройства 14, как часть распределительной коробки 102, или даже расположено в пределах поста управления, в котором помещается система 12 управления. Полевое устройство 104 может подсоединяться к более чем одной ВЧ схеме 122 и/или более чем одному контуру 16 управления технологическим процессом, синхронно или с помощью концентраторов или другого оборудования.
Использование суперконденсатора позволяет устройству работать без внутренних батарей или другого оборудования. Использование конденсатора позволяет быстро накопить и сохранять достаточно большой энергетический потенциал. При использовании в опасной окружающей среде аккумулирование большой энергии может быть неприемлемым для того, чтобы удовлетворить стандартам искробезопасности. Однако технологическое устройство 104 может быть выведено из опасной окружающей среды, например, в распределительную коробку 102, где не требуется искробезопасность.
Фиг.5 является упрощенной схемой соединений полевого устройства 104, показывающей суперконденсатор 114 более подробно. В этом примере суперконденсатор 114 содержит два конденсатора на 10 Фарад, каждый выполнен с возможностью служить носителем потенциала 2,5 вольт. Это дает емкость, эквивалентную 5 Фарад с разностью потенциалов 5 вольт. Предполагая, что схема 122 беспроводной связи допускает функционирование при напряжении между 4 и 5 вольтами, энергия, доступная для использования от каждого из конденсаторов на 5 Фарад, представляет собой  что равно
d
Фиг.6 является графиком зависимости от времени напряжения, замеренного на суперконденсаторе 114. В этом примере беспроводный датчик на 600 мВт, который передает импульсный сигнал длительностью t за 1 секунду, требует энергию  Таким образом, существует достаточная энергия, доступная для функционирования такой схемы 122 связи.
c
Обычный источник питания, использующийся для снабжения энергией контура управления технологическим процессом, обеспечивает постоянный ток на 24 вольт. Однако в системе на 4-20 миллиампер датчику для работы может потребоваться только 12 вольт. Потери в проводах в контуре управления технологическим процессом могут вызвать падение напряжения от 2 до 4 вольт. При условии, что только 5 вольт могут использоваться для зарядки суперконденсатора 114 и что контур управления технологическим процессом работает при низком уровне тока (т.е. 4 мА), все же имеется в распоряжении 20 мВт для зарядки суперконденсатора 114. Поскольку только 0,6 Дж потребляется во время цикла передачи, доступные 20 мВт зарядят суперконденсатор до полной емкости за время t = 0,6 Дж/0,02 Вт = 30 сек. Следовательно, такая конфигурация будет способна передавать сигнал длительностью в 1 секунду каждые 30 секунд. При условии, что полоса пропускания связного сигнала равна 200 Килобит/сек, а размер пакета 200 бит, длительность пачки импульсов сводится к одной миллисекунде, а суммарное время передачи равно 0,03 секунды. В такой конфигурации диагностические данные легко могут быть переданы, поскольку это не является критичным по времени. Однако, если достижимо достаточно быстрое время зарядки, сигналы управления и технологических параметров также могут быть переданы беспроводным способом.
Хотя приведено описание суперконденсатора, может быть использовано любое устройство аккумулирования энергии, в том числе батарея, или другое. Энергия, которая используется для зарядки устройства аккумулирования, может быть электрической или магнитной и может быть извлечена или собрана из любого источника.
Фиг.7 является упрощенным схематическим представлением системы 150 текущего контроля с устройством управления технологическим процессом, которая включает в себя пост 152 управления, подсоединенный к полевому устройству 154 через двухпроводный контур 156 управления технологическим процессом. Контур 156 управления технологическим процессом проходит через барьер 158 искробезопасности. Пост 152 управления смоделирован как включающий в себя источник 160 питания и нагрузочное сопротивление 162.
Полевое устройство 154 может иметь любую конфигурацию и не ограничено конкретным схематическим изображением, показанным на фиг.7. Электрическая схема 170 ВЧ связи показана подсоединенной последовательно к контуру 156. Электрическая схема 170 может быть реализована в блоке выводов полевого устройства. Например, электрическая схема 170 может быть выполнена в виде модуля расширения с тем, чтобы двухпроводный контур 156 управления технологическим процессом мог бы подключаться к существующей передающей электрической схеме.
В конфигурации, проиллюстрированной на фиг.7, электрическая схема 170 связи позволяет добавить возможности беспроводной связи новым или существующим контуру управления технологическим процессом или полевому устройству. Электрическая схема выполнена с возможностью получения энергии из контура управления технологическим процессом и может быть установлена где-нибудь в контуре, проложенном от поста управления, где-нибудь рядом с самим контуром, в барьере искробезопасности 158 (ИБ) или распределительной коробке как автономное полевое устройство или включенное в состав другого полевого устройства. Электрическая схема может быть сконфигурирована для любого вида связи. Однако в одной простой конфигурации схема 170 выполнена с возможностью измерения тока, текущего в контуре 156 управления технологическим процессом, и передачи выходных данных, относящихся к измеренному току, на беспроводное принимающее устройство.
DD
Обратимся теперь к одному конкретному варианту осуществления электрической схемы 170, показанному на фиг.7, сопротивление 180 считывания и диод 182 энергообеспечения подсоединяются последовательно к контуру 156 управления технологическим процессом. Сопротивление 180 считывания может быть, например, на 10 Ом и используется при считывании уровня тока, который протекает в контуре 156 управления технологическим процессом. Контрольный диод 184 также подсоединяется последовательно к контуру 156 и снабжает измерительную головку 186. Это может использоваться для калибровки или характеристики полевого устройства, подсоединенного к электрической схеме 170. Предусматривается цепь 190 искробезопасной защиты, которая включает в себя диод 192, подключенный, как показано, напротив диода 182, и развязывающие сопротивления 194, подключенные к противоположным концам сопротивления 180 считывания. Диод 182 является частью источника 196 питания, который включает в себя конденсатор 198, входной фильтр 200, стабилизатор 202, конденсатор 204 и вторичный фильтр 206. Вторичный фильтр 206 включает в себя конденсатор 208 и сопротивление 210. Электрическая схема источника 196 питания генерирует напряжение электропитания V относительно цепи заземления для использования электрической схемой при измерении тока контура и беспроводной передачи результирующего сигнала. Хотя показана конкретная реализация источника питания, любая подходящая конфигурация источника питания или вариант осуществления могут использоваться по желанию.
В этом варианте осуществления входная электрическая схема 218 включает в себя сопротивление 180 считывания и выполнена с возможностью измерения тока I, текущего через контур 156. Входная электрическая схема 218 также включает в себя фильтр 220, который обеспечивает дифференциальное соединение с операционным усилителем 222. Операционный усилитель обеспечивает усиленный входной сигнал для аналого-цифрового преобразователя 226, который проиллюстрирован как часть микропроцессора 224. Предусматривается цепь 228 синхронизации, использующаяся для предоставления сигнала синхронизации, например, для микропроцессора 224. Дополнительная цепь 230 передачи и приема, поддерживающая протокол HART, подключается к микропроцессору 224, контуру 156, цепи 228 синхронизации и ВЧ цепи 232 передачи/приема. Дополнительная цепь 230, поддерживающая протокол HART, выполнена с возможностью приема цифрового сигнала (ВК1) выбора кристалла от микропроцессора 224. ВЧ цепь 232 выполнена с возможностью приема отдельного цифрового сигнала (ВК2) выбора кристалла от микропроцессора 224. И цепь 230, поддерживающая протокол HART, и ВЧ цепь 232 выполнены с возможностью установления связи с микропроцессором 224 по шине SCI (Scalable Coherent Interface - масштабируемый когерентный интерфейс), от которой зависит выбор кристалла. Также микропроцессор 224 выполнен с возможностью предоставить сигнал завершения работы на операционный усилитель 222. Микропроцессор 224 включает в себя память 236, которая используется для хранения программно-реализованных команд, временных и постоянных переменных и другой информации, и может включать в себя и энергозависимую и энергонезависимую память. Память может включать в себя, например, ЭСППЗУ (электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство) и может содержать адресную информацию, которая однозначно идентифицирует электрическую схему 170. ВЧ цепь 232 соединяется с антенной 240, которая может быть выполнена в виде внутренней антенны, внешней антенны, или комбинированного устройства, по желанию. Электрическая схема 170 выполнена с возможностью параллельного подсоединения к двухпроводному контуру 156 управления технологическим процессом с тем, чтобы контур 156 мог подводиться на другое полевое устройство, например, датчик процесса или устройство управления технологическим процессом.
Электрическая схема 170, проиллюстрированная на фиг.7, может быть реализована на единой печатной плате так, чтобы ВЧ антенна 240 образовывала единое целое с платой. Эта конфигурация позволяет легко реализовать электрическую схему 170 в существующих полевых устройствах и не требует использования внешней антенны. Это уменьшает сложность монтажа.
Дополнительная цепь 230 передачи и приема, поддерживающая протокол HART, может использоваться, чтобы контролировать цифровые сигналы, такие как технологический параметр, переносящиеся по контуру 156 управления технологическим процессом. Основываясь на считанном цифровом сигнале, дополнительная цепь 230, поддерживающая протокол HART, может управлять работой ВЧ цепи 232 передачи/приема для передачи информации, относящейся к считанному техническому параметру, или другой информации. Если электрическая схема, поддерживающая протокол HART, реализована в соответствии с полным протоколом HART и соответствующими наборами ВЧ протоколов, электрическая схема может реализовать функциональность уровня шлюза, которая позволит ведущему устройству по протоколу HART устанавливать двустороннюю связь через шлюзовое устройство с поддержкой ВЧ связи по протоколу HART с полевым устройством, поддерживающим протокол HART, по контуру 156 управления технологическим процессом. Это позволяет устанавливать беспроводную связь с полевым устройством для текущего контроля, настройки, диагностики или обмена другой информацией или данными.
Часто во время управления технологическим процессом или текущего контроля аппаратуры оператору требуется физический доступ к полевому устройству или контуру управления технологическим процессом для обмена информацией с полевым устройством. Это позволяет оператору ремонтировать оборудование и осуществлять профилактическое обслуживание оборудования. Конфигурация беспроводной связи, сформулированная в настоящем описании, позволяет оператору опрашивать полевые устройства, которые могут находиться в труднодоступных местах. Дополнительно, даже в конфигурациях, в которых полевые устройства легко доступны, электрическая схема беспроводной связи не нуждается в операторе, чтобы открывать корпус на оборудовании, таком как датчики или распределительные коробки, чтобы сделать доступной проводку контура для физического подключения к контуру управления технологическим процессом. Это может быть особенно полезным в опасных местах, где могут присутствовать взрывоопасные газы или пары. Цифровой или аналоговый технологический параметр может быть считан электрической схемой беспроводной связи и передан на беспроводное измерительное устройство или портативное устройство, как рассматривалось выше.
В процессе эксплуатации схема 170 размещается последовательно с контуром 156 управления технологическим процессом в случае, когда она расходует на свое питание ток 4-20 мА, текущий через контур. Для полевых устройств, которые используют общее заземление, электрическая схема 170 может быть установлена на стороне высокого напряжения подключения контура. Эта конфигурация предоставляет доступ к другой электрической схеме шины внутри полевого устройства, например, интерфейсу CAN (Controller Area Network - локальная сеть контроллеров). Конфигурация включает в себя измерительную головку 186 для использования при измерении тока в контуре во время тестирования. Предпочтительно, чтобы сопротивление 180 считывания было выполнено с возможностью обеспечения эквивалента нулевой емкости в качестве показателя на клеммах 181, которые подключаются к контуру 156, в соответствии со стандартами искробезопасности. Электрическая схема 170 настраивается для номинальной работы в пределах между 3 и 4 вольтами, а диод энергообеспечения 182 наряду с сопротивлением 180 считывания задают это рабочее напряжение. Имеющегося избыточного напряжения на типичном токовом контуре 4-20 мА достаточно для функционирования электрической схемы 170. Дополнительно могут применяться методы управления энергопотреблением, чтобы ограничить ток, извлекаемый из контура, приблизительно 3 мА. Это позволяет любому полевому устройству, подключенному к контуру управления технологическим процессом, посылать сигнал аварийного уровня при 3,6 мА без выхода цепи из строя из-за извлечения уровня тока большего, чем соответствующий требованиям.
Диод 182 действует как параллельный элемент, который размещается последовательно с контуром 156, чтобы создать предварительно стабилизированное напряжение на каскаде входного фильтра. Любая часть тока контура, которая не используется электрической схемой 170, отводится через диод 182. Входной фильтр 200 может содержать емкостные, индуктивные и резистивные элементы и используется для изолирования контура от любых помех или колебаний нагрузки, порождаемых электрической схемой 170. Это также подавляет помехи в полосе частот, пригодной для протокола HART, чтобы соответствовать стандартам HART.
DD
Стабилизатор 202 напряжения может быть любым подходящим стабилизатором напряжения, например, но не ограничиваясь этим, линейным или импульсным стабилизатором, и используется, чтобы подавать напряжение V на электрическую схему. Фильтр 206 используется для аккумулирования энергии и дополнительного разделения нагрузки цепи от стабилизатора 202. Для напряжения на выходе вторичного фильтра 206 допустимо падение напряжения на несколько сотен милливольт во время изменений нагрузки цепи. Это позволяет достичь извлечения электрической схемой максимального тока из токового контура на 4-20 мА.
В этом варианте осуществления микропроцессор 224, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь, наряду с ВЧ электрической цепью 232 и входной электрической схемой 218 могут быть установлены в режим ожидания или режим пониженного энергопотребления на время периодов простоев в работе, чтобы снизить потребление энергии. Например, в выбранном интервале, скажем, каждые 10 секунд встроенный таймер в микропроцессоре может запускать измерение тока контура аналого-цифровым преобразователем. Измерительная электрическая схема устанавливается в определенное состояние перед совершением аналого-цифрового преобразования. После завершения аналого-цифрового преобразования и измерительная электрическая схема контура, и аналого-цифровой преобразователь выключаются, чтобы сберечь энергию. Микропроцессор переправляет измеренное значение на ВЧ электрическую цепь 232 для передачи. После завершения передачи микропроцессор и ВЧ электрическая цепь возвращаются в режим пониженного энергопотребления до следующего цикла. Микропроцессор может даже временно перейти в режим ожидания, чтобы сберечь энергию. Используя эти методы управления энергопотреблением, микропроцессор способен полностью управлять силой тока в цепи, дифференцируя нагрузки на каскаде стабилизатора.
Измерение тока контура выполняется с помощью сопротивления 180 считывания на 10 Ом, подсоединенного последовательно к токовому контуру 156 4-20 мА для измерения аналогового уровня тока. Напряжение, созданное на концах сопротивления 180 считывания, фильтруется для удаления колебаний, возникающих вследствие передачи цифровой информации по протоколу HART, также как любых помех в контуре. Операционный усилитель 222 операционного усилителя обеспечивает дополнительное преобразование сигнала, и сигнал переправляется на аналого-цифровой преобразователь 226 микропроцессора 224.
ВЧ электрическая цепь 232 может быть любой подходящей электрической схемой или конфигурацией, по желанию. В одной простой модели ВЧ электрическая цепь 232 просто передает измеренный параметр на беспроводное принимающее устройство. Антенна 240 может использоваться для транслирования ВЧ сигнала и может быть интегрированной с электрической схемой 170, например, в виде дорожек, проложенных по внешнему краю печатной платы. В некоторых вариантах осуществления ВЧ электрическая схема 232 может включать в себя беспроводное принимающее устройство, такое, что электрическая цепь 232 может быть выполнена в виде приемопередающего устройства. Одна и та же антенна 240 может использоваться и для передачи, и для приема, если требуется. Обычное маломощное приемопередающее устройство может обладать дальностью связи около 200 футов, однако могут быть достигнуты другие радиусы действия с использованием различных уровней потребления энергии, чувствительности цепи, конфигурации антенны и т.п. Если электрическая схема 170 установлена в металлическом кожухе, например, в отсеке полевого корпуса приемопередающего устройства, часть корпуса, проницаемая для ВЧ, должна использоваться для обеспечения возможности передачи и приема сигналов от антенны 240. Например, как рассматривалось выше, может использоваться стеклянное окно. Другие примеры материалов включают в себя любой материал, который является достаточно проницаемым для ВЧ сигналов, в том числе пластик, или другие материалы.
Добавление дополнительной электрической схемы 230, поддерживающей протокол HART, позволяет электрической схеме 170 выборочно перехватывать сообщение протокола HART в сигнале 4-20 мА, переносящемся по токовому контуру 156. Информация, такая как измеренные технологические параметры, диагностическая информация, или другая информация может быть передана на беспроводное принимающее устройство. Дополнительно, если электрическая схема 230, поддерживающая протокол HART, выполнена с возможностью модуляции цифрового сигнала в контуре управления технологическим процессом, она может использоваться, чтобы дистанционно подавать команды или опрашивать полевое устройство, подсоединенное к контуру 156. Например, электрическая схема 230, поддерживающая протокол HART, может быть выполнена с возможностью выступать в качестве вторичного ведущего устройства в токовом контуре 4-20 мА. Это в сочетании с ВЧ электрической цепью 232, выполненной в виде полноценного приемопередающего устройства, дает возможность двусторонней связи и настройки полевого устройства со стороны ведущего устройства, например, портативного устройства 80, показанного на фиг.3.
Также предпочтительно, чтобы микропроцессор 224 мог использоваться для реализации диагностических функций. Микропроцессор 224 выполнен с возможностью контроля напряжения и токовых характеристик контура 156 управления технологическим процессом, несобственные или неясные колебания тока и напряжения могут быть выявлены, используя диагностические методы, и могут быть переданы на удаленное местоположение или беспроводным способом, или с использованием возможностей передачи по протоколу HART, предоставленных электрической схемой 230, или путем установления уровня тока, переносящегося по контуру 156, на аварийное значение или другое заранее определенное значение.
Предпочтительно, чтобы электрическая схема 170 была выполнена с возможностью допущения работы в опасных местах и удовлетворяла соответствующим аттестации и техническим требованиям, таким как стандарты искробезопасности. Например, искробезопасная защита 190, наряду с искробезопасным номинальным сопротивлением 180 используются на входе электрической схемы 170. При использовании подходящих компонентов и схемы соединений добавление резервного диода 192 параллельно с диодом 182 обеспечивает уровень резервирования и ограничивает величину напряжения, которое может поступать в эту цепь в искрозащищенной системе. Аналогично сопротивление 180 считывания может использоваться для ограничения максимального тока, который может поступать в цепь 170 и поглощать любой разряд аккумулированной энергии из цепи через ее внешние клеммы. Это обеспечивает по существу нулевую эквивалентную емкость. Измерительная электрическая схема контура дополнительно защищена двумя искробезопасными номинальными высокоомными сопротивлениями 194, подключенными между двумя концами сопротивления 180 считывания и фильтром 220. Другие компоненты цепи могут быть защищены от любых внешних источников энергии при помощи пропиточного материала или подобного, что также предотвращает проникновение опасных газов и паров к любым элементам внутреннего накопительного устройства и узлам электрической схемы 170. Для других безопасных мест искробезопасные компоненты могут не требоваться.
Термин "полевое устройство", использованный в настоящем описании, может означать любое устройство, которое используется в системе текущего контроля с устройством управления технологическим процессом, и необязательно требует размещения в "поле". Устройство может быть расположено где-нибудь в системе управления технологическим процессом, в том числе на посту управления или в электрической схеме управления. Под клеммами, использующимися для подключения к контуру управления технологическим процессом, имеется в виду любое электрическое подключение, возможно и не выполненное в виде физических или отдельных клемм. Может использоваться по желанию любая подходящая электрическая схема высокочастотной связи, как и любые подходящие протокол связи, частота или техника связи. Электрическая схема источника питания компонуется по желанию и не ограничивается конфигурациями, сформулированными в настоящем описании. В некоторых вариантах осуществления полевое устройство включает в себя адрес, который может быть включен в состав любой ВЧ передачи с тем, чтобы устройство могло быть идентифицировано. Аналогично такой адрес может использоваться для определения, предназначен ли принятый сигнал для этого конкретного устройства. Однако в других вариантах осуществления не используется адрес, а данные просто передаются от электрической схемы беспроводной связи без какой-либо адресной информации. В такой конфигурации, если требуется прием данных, любые принятые данные могут не включать в себя адресную информацию. В некоторых вариантах осуществления это может быть допустимо. В других вариантах могут использоваться другие методы адресации или методы идентификации, такие как предоставление конкретной частоты или протокола связи для конкретного устройства, выделение конкретного временного интервала или периода для конкретного устройства или другие методы. Могут использоваться любые подходящие протокол связи и/или сетевые технологии, в том числе методы на основе маркеров, в которых маркер передается между устройствами, чтобы таким образом предоставить возможность передачи или приема для конкретного устройства.
Хотя настоящее изобретение было описано относительно предпочтительных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники понятно, что могут быть сделаны изменения формы и части конструкции без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. В том смысле, в каком это употребляется в настоящем описании, Высокая Частота (ВЧ) может содержать электромагнитные передачи на любой частоте и не ограничивается конкретной группой частот, амплитудой частот или какими-либо другим ограничением. Может использоваться по желанию любой протокол связи, в том числе IEEE 802.11b, 802.154, или другие протоколы, в том числе запатентованные протоколы связи.