УЛУЧШЕННЫЙ ИНТЕРФЕЙС ПОЛЕВОГО ПРИБОРА С МЕХАНИЗМОМ ЗАЩИТЫ ЦЕПИ
IMPROVED INTERFACE OF FIELD DEVICE WITH CIRCUIT PROTECTION MECHANISM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Полевые приборы используются в промышленности для эксплуатации управления процессом, таким как процесс переработки нефти. Полевой прибор, такой как передатчик технологического параметра, обычно является частью коммуникационного контура процесса и расположен в рабочей области для измерения и передачи технологических параметров, таких как давление, поток или температура, например, в оборудование аппаратной. Полевой прибор, такой как позиционер клапана, также может быть частью коммуникационного контура процесса и может регулировать место положения клапана, исходя из управляющего сигнала, принятого контуром управления процессом или генерированного внутри системы. Другие типы контроллеров контролируют, например, электрические двигатели или соленоиды. Оборудование аппаратной также является частью коммуникационного контура процесса, так что оператор или компьютер в аппаратной может осуществлять мониторинг процесса, исходя из технологических параметров, полученных с передатчиков в рабочей зоне, и соответствующим образом контролировать процесс, посылая управляющие сигналы на соответствующие устройства управления. Переносные коммуникаторы часто используют для создания конфигурации полевых приборов, соединенных с коммуникационным контуром процесса. В целях настоящего документа термин «коммуникационный контур процесса» должен означать любую физическую линию связи и передающую среду (включая беспроводной коммуникационный контур процесса), которая переносит технологические сигналы, независимо от того, образует ли соединение фактический контур. Таким образом, технологический контур процесса может представлять собой сетевой сегмент HART или FOUNDATION™, даже если такой сегмент, строго говоря, не считается контуром.
После появления маломощных микропроцессоров полевые приборы претерпели значительные изменения. В настоящее время во многих полевых приборах использованы технология цифровой связи, а также более утонченные технологии управления и коммуникации. Однако в полевых приборах также часто использованы маломощные электронные устройства, поскольку во многих установках их следует запускать при токе максимум 4 мА. Это техническое требование запрещает использование многих серийно выпускаемых микропроцессорных схем. Однако даже маломощные микропроцессоры допускали широкий комплект функций для таких полевых приборов.
Это являлось серьезным повышением возможностей таких полевых приборов на основе микропроцессора. Такие полевые приборы иногда называют «разумными» или «интеллектуальными». Также были серьезно повышены возможности применения компьютерных программ, которые используют для настройки, тестирования и диагностики этих «разумных» полевых приборов. Подключение основного целевого вычислительного устройства, такого как ПК или переносной портативный компьютер, обычно выполняют с использованием модема, соединяющего между собой вычислительное устройство и «разумные» полевые приборы. Существует важная группа протоколов связи процесса, таких как протоколы HART, FOUNDATION™ Fieldbus и Profibus, которые поддерживают различные задачи управления технологическим процессом. Более того, в той же самой технологической установке обычно обнаруживаются множество используемых коммуникационных протоколов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Модуль интерфейса полевого прибора включает в себя соединитель, несколько терминалов, модуль протокола интерфейса, контроллер и силовой модуль. Соединитель сконфигурирован для осуществления рабочего соединения с компьютером. Терминалы предназначены для рабочего соединения с полевым прибором. Модуль протокола интерфейса соединен с множеством терминалов и сконфигурирован для генерирования сигналов в соответствии с коммуникационным протоколом процесса. Силовой модуль соединен с множеством терминалов. Контроллер соединен с модулем интерфейса протокола и с силовым модулем и сконфигурирован для измерения напряжения параллельно множеству терминалов и заставляет силовой модуль выборочно подавать электроэнергию на полевые приборы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение интерфейса полевого прибора, соединяющего полевой прибор с вычислительным устройством общего назначения.
Фиг.2 представляет собой блок-схему модема в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет собой блок-схему способа соединения компьютера общего назначения с полевым прибором, в котором использован модуль интерфейса в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
Фиг.4A и 4B представляют собой схематические изображения интерфейса полевого прибора, соединяемого работоспособным образом с полевым устройством в соответствии с вариантами воплощения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение интерфейса 10 полевого прибора, соединяющего полевой прибор 12 с вычислительным устройством 14 общего назначения (проиллюстрирован в виде портативного компьютера). Соединение между собой интерфейса 10 и полевого прибора 12 можно осуществлять путем прямого подключения, например, через монтажные зажимы в полевом приборе (показанном на Фиг.4A), или через коммуникационный контур 16 процесса (показан на Фиг.4B). Интерфейс 10 включает в себя схему 18 сетевого соединения, которая сконфигурирована для образования связи с коммуникационным контуром 16 процесса, и модуль 20 соединителя, который сконфигурирован для соединения с вычислительным устройством 14 общего назначения. Модуль 20 соединителя может включать в себя любую подходящую форму соединителя для подключения к компьютеру 14. Подходящие примеры включают в себя (но не ограничены ими) соединения универсальной последовательной шины (universal serial bus, USB), стандартные последовательные соединения, такие как соединения, в которых использованы соединители DB9 или DB25, параллельные соединения, соединения PCMCIA (Personal Компьютер Memory Card International Association, Международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров), соединения PCI (Peripheral Connect Interconnect, межсоединение периферийных компонентов) и соединения шины сверхбыстрой передачи данных, в вариантах воплощения настоящего изобретения, где модуль соединителя 20 включает в себя проводное соединение с вычислительным устройством 14 общего назначения, является предпочтительным, чтобы интерфейс 10 снабжался электроэнергией через интерфейс проводной связи. Также можно осуществлять варианты воплощения настоящего изобретения, где передача данных между модулем 10 интерфейса и вычислительным устройством 14 общего назначения представляет собой беспроводную связь. Примеры подходящей беспроводной связи включают в себя связь в инфракрасном диапазоне, связь Bluetooth и связь WIFI (например, IEEE 802.11b или IEEE 802.11b). Кроме того, поскольку область техники, относящаяся к вычислительным устройствам общего назначения, совершенствуется, можно применять варианты воплощения настоящего изобретения с использованием любой подходящей технологии передачи данных, для которых можно адаптировать компьютер общего назначения, независимо от того, известна ли она в настоящее время или будет разработана позднее.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение интерфейса 10 полевого прибора в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Интерфейс 10 полевого прибора включает в себя микропроцессор 38, подключенный к модулю 20 соединителя, который подключается к компьютеру 14 общего назначения (показан на Фиг.1). Является предпочтительным, чтобы интерфейс 10 полевого прибора включал в себя аналогово-цифровой преобразователь 36, соединенный с микропроцессором 38. Преобразователь 36 соединен с измерительной схемой 32 через логическую схему 34 управления. Микропроцессор 38 также соединен с внешней шиной 40 данных, через которую он взаимодействует с постоянным запоминающим устройством 42 и запоминающим устройством 44 с произвольной выборкой. Через шину 40 данных микропроцессор 38 также может взаимодействовать с модулем 26 интерфейса протокола и вторым модулем 28 интерфейса протокола (не обязательным) для передачи сигналов по соответствующим коммуникационным контурам процесса. В вариантах воплощения, которые включают в себя несколько модулей интерфейса протокола, каждый из модулей спроектирован таким образом, чтобы он передавал сообщения в соответствии с коммуникационным протоколом определенного стандартного процесса. Например, модуль 26 протокола интерфейса может быть сконфигурирован для передачи сообщений в соответствии с протоколом HART, тогда как необязательный второй модуль 28 протокола интерфейса может быть сконфигурирован для передачи сообщений в соответствии с протоколом FOUNDATION™ Fieldbus. Дополнительно, тогда как Фиг.2 иллюстрирует пару модулей, варианты воплощения настоящего изобретения можно реализовывать при использовании любого подходящего количества таких модулей, включая один. Дополнительно, тогда как оба модуля 26, 28 интерфейса соединены с терминалами 50, 52, модули интерфейса протокола беспроводной связи не надо соединять с терминалами 50, 52, а вместо этого их необходимо соединять с подходящей антенной.
В соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения микропроцессор 38 посредством аппаратуры, программного обеспечения или их сочетания сконфигурирован для применения измерительной схемы 32 и/или аналогово-цифрового преобразователя 36 для диагностики напряжения на терминалах 50, 52, для определения того, снабжается ли приданный коммуникационный контур процесса электроэнергией и/или можно ли обеспечить передачу сигналов по контуру.
Модуль 10 интерфейса включает в себя модуль 30 питания, обладающий функционирующей связью со всеми компонентами модуля 10 интерфейса, как проиллюстрировано на Фиг.2. В вариантах воплощения, где модуль 10 интерфейса соединен с компьютером 14 через проводное соединение (такое как USB-соединение), модуль 30 питания сконфигурирован для выполнения режима и/или преобразования энергии, получаемой от компьютера 14 до подходящих уровней для схемы в модуле 10 интерфейса. Дополнительно, в вариантах воплощения, где модуль 10 интерфейса физически не соединен проводами с компьютером 14, модуль 30 питания может включать в себя энергосберегающее устройство, такое как батарею или конденсатор большой емкости, чтобы он продолжал снабжаться электроэнергией, не будучи подключенным к источнику электропитания. Дополнительно, модуль 30 питания сконфигурирован для селективного обеспечения электропитанием коммуникационного контура процесса или полевого прибора, соединенного с терминалами 50, 52. Кроме того, является предпочтительным, чтобы модуль 30 питания также был сконфигурирован для модификации импеданса для поддержания связи с полевым прибором. Например, в вариантах воплощения, в котором использованы сетевые системы HART, является предпочтительным, чтобы модуль 30 питания включал в себя резистор на 250 Ом. Однако для других сетей и коммуникационных протоколов процесса могут потребоваться и другие схемы.
Многие «разумные» приборы (полевые приборы) являются двухпроводными устройствами, где как энергоснабжение устройства, так и осуществление цифровой связь происходит по одним и тем же двум проводам. Эти устройства либо нечувствительны к полярности, либо обладают защитой от неправильной полярности.
Варианты воплощения настоящего изобретения обычно позволяют техническим специалистам выполнять свои задачи на приборе, снабжаемом электроэнергией в рабочей зоне, или на лабораторном стенде техническом специалиста. Интерфейс 10 полевого прибора может просто обеспечить связь (например, с прибором, снабжаемым электроэнергией в рабочей зоне) или может фактически снабжать прибор электроэнергией и одновременно обеспечивать передачу сигналов (например, при исходном запуске прибора на стенде). Одним важным фактором в конструкции интерфейса полевого прибора является то, что он может обеспечить связью и электроэнергией полевые приборы, но это также мешает техническому специалисту подавать электроэнергию на уже снабжаемый электроэнергией внутризаводской полевой прибор и/или автоматически определять полярность полевого прибора.
В соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения интерфейс 10 полевого прибора включает в себя встроенный силовой модуль 30, который позволяет техническому специалисту подавать электроэнергию и сигналы связи на полевые приборы, не имея отдельного источника питания и не подключаясь к нему. Однако приложение дополнительной электроэнергии к полевому прибору, который уже снабжается электроэнергией по контуру активного управления, может помешать полевому прибору подавать сигналы и информацию на систему управления, что потенциально вызывает серьезные последствия. Следовательно, является предпочтительным, чтобы варианты воплощения настоящего изобретения также включали в себя способы безопасного обнаружения электроэнергии и/или подачи электроэнергии на полевой прибор. В частности, является предпочтительным, чтобы с помощью вариантов воплощения, раскрытых в настоящем документе, можно было выявлять электроэнергию и предотвращать подачу электроэнергии, если подключенный прибор уже снабжается электроэнергией. Когда интерфейс полевого прибора снабжает электроэнергией полевой прибор, а выводы преднамеренно или даже непреднамеренно отключаются от полевого прибора, энергоснабжение, поступающее из модуля интерфейса полевого прибора, отключается. Полярность полевого прибора также можно определять, используя измерительную схему 32 таким образом, чтобы техническому специалисту не приходилось иметь дело с полярностью соединения. Как было указано выше, модуль интерфейса полевого прибора можно использовать для автоматического обнаружения электроэнергии на полевом приборе и, возможно, для энергоснабжения полевого прибора.
В некоторых вариантах воплощения модуль 10 интерфейса полевого прибора является искробезопасным. Соответствие требованиям искробезопасности означает соответствие Техническим условиям искробезопасности, например одной или более разделам стандарта, обнародованного Межзаводским соглашением (Factory Mutual Research) в октябре 1998 г., именуемого как УТВЕРЖДЕННЫЙ СТАНДАРТ ИСКРОБЕЗОПАСНЫХ ПРИБОРОВ И СВЯЗАННЫХ С НИМИ ПРИБОРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, ПО КЛАССУ I, II и III. РАЗДЕЛ 1 ОПАСНЫЕ (КЛАССИФИЦИРОВАННЫЕ) ПОМЕЩЕНИЯ, КЛАСС НОМЕР 3610.
Фиг.3 представляет собой блок-схему способа соединения компьютера общего назначения с полевым прибором с использованием модуля интерфейса полевого прибора в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Способ 100 начинает функционировать на блоке 102, откуда технический специалист посылает запрос в модуль интерфейса полевого прибора (модем) на энергоснабжение прикрепленного полевого прибора. При исходном подключении модуля интерфейса полевого прибора к полевому прибору возникает операция умолчания, состоящая в том, что модуль интерфейса полевого прибора не подает на прикрепленный полевой прибор никакой электроэнергии. Модуль интерфейса полевого прибора имеет возможность запрашивать активацию встроенного источника 30 электропитания для энергоснабжения прикрепленного полевого прибора. Это может быть запрос к программному обеспечению или, например, к физической нажимной кнопке или переключателю. В блоке 102 технический специалист фактически запрашивает информацию о том, что электроэнергия подается на терминалы 50, 52 посредством программного обеспечения или физического переключателя. Управление затем переходит к блоку 104, где модуль интерфейса полевого прибора, такой как модуль 10, измеряет напряжение постоянного тока на терминалах 50, 52 предпочтительно с использованием измерительной схемы 32. Если измеренное напряжение выше минимального уровня для сети, снабжаемой электропитанием, то электропитание не подается. Модуль интерфейса полевого прибора тогда сообщает техническому специалисту информацию о том, что прикрепленный полевой прибор уже снабжается электропитанием и что никакого электропитания больше не надо подавать, как указано на блоке 106. Однако, если измеренное напряжение постоянного тока ниже минимального уровня для полевого прибора, снабжаемого электропитанием, то управление переходит к блоку 108, где на терминалы 50, 52 подается напряжение, ограниченное по току. Предельный ток и напряжение задают для соответствующего типа сети. Движение тока постоянно проверяют, и ожидается, что полевой прибор в пределах заданного ожидаемого времени запуска заберет на себя минимальное количество тока. Следовательно, продолжение исполнения способа 100 ожидается на блоке 110, до истечения максимального времени запуска полевого прибора, а затем управление процессом переходит к блоку 112. На блоке 112 способ 100 определяет, принимает ли на себя прикрепленный полевой прибор ток больше минимального уровня. Если полевой прибор принимает на себя ток выше минимального уровня, то управление переходит к блоку 114 по линии 116, где ток полевого прибора непрерывно контролируется для определения того, превышает ли он указанный минимум. Когда прикрепленный полевой прибор принимает на себя ток выше минимального уровня, блок 114 по существу образует контур, таким образом, непрерывно контролируя прием тока полевым прибором. Когда полевой прибор прекращает прием тока, величина которого выше минимального уровня, управление переходит к блоку 118, где ограниченное по току напряжение отключается, а технический специалист получает информацию о том, что электропитание отключено.
Вернемся теперь к блоку 112, если прибор не берет на себя ток выше минимума, то управление переходит к блоку 120, где переключается полярность ограниченного по току напряжения. Затем управление переходит к блоку 122, где ожидается продолжение исполнения способа, по истечении максимального времени запуска полевого прибора, а затем управление переходит к блоку 114.
Фиг.4A представляет собой схематическое изображение модуля интерфейса полевого прибора с внутренним источником электропитания и механизмом защиты/полярности, связанным с двухпроводным полевым прибором, в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Модуль 10 выявляет напряжение постоянного тока, меньшее порогового значения, на терминалах полевого прибора, а затем подает электроэнергию и обеспечивает подачу сигналов на/из полевого прибора (при допущении, что технический специалист запросил подачу электроэнергии на полевой прибор). Эта ситуация обычно возникает при исходном запуске полевого прибора или при его эксплуатации техническим специалистом на лабораторном стенде.
Фиг.4B представляет собой схематическое изображение модуля интерфейса полевого прибора с внутренним источником электропитания и механизмом защиты/полярности, связанным с коммуникационным контуром процесса, расположенным между системой управления, индикатором контура или другим источником электропитания и двухпроводным прибором. Как проиллюстрировано на Фиг.4B, модуль 10 интерфейса полевого прибора выявляет факт превышения напряжения постоянного тока относительно минимального порогового значения на коммуникационном контуре процесса и лишь обеспечивает подачу сигналов на/из прибора, при необходимости. Ситуация, проиллюстрированная на Фиг.4B, обычно может возникать, когда модуль интерфейса полевого прибора сообщается с полевым прибором, соединенным с системой оперативного управления или системой индикации процесса.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты воплощения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что по форме и в деталях могут быть сделаны изменения, без отступления от сущности и объема изобретения. Например, притом что варианты воплощения, описанные в настоящем документе, представлены применительно к модему HART, варианты воплощения настоящего изобретения можно реализовывать с любым подходящим двухпроводным промышленным протоколом, где снабжение прибора электроэнергией и передача сигналов происходят на одних и тех же двух проводах. Дополнительно, варианты воплощения настоящего изобретения можно реализовывать с использованием нескольких протоколов в одном модеме, при наличии или отсутствии автоматического обнаружения коммуникационного протокола.