КОМПЛЕКТ ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА С ДИАГНОСТИЧЕСКИМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ
HALL EFFECT BASED SENSOR KIT WITH DIAGNOSTIC OPPORTUNITIES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к датчикам Холла и, в частности, к диагностике в комплектах датчика на основе эффекта Холла.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Датчики используются в системах управления технологическими процессами во многих областях применения, например, в приложениях текущего контроля для мониторинга различных режимов технологического процесса и/или в приложениях для управления, чтобы обеспечить обратную связь в замкнутой системе автоматического регулирования для управления переменными параметрами технологического процесса. Одним из типов датчика, часто используемых в управлении технологическими процессами и/или в приложениях текущего контроля, является датчик на основе эффекта Холла. Датчик на основе эффекта Холла, как правило, содержит элемент на основе эффекта Холла, который обычно представляет собой тонкую пластинку из металла или другого проводящего материала, который проводит постоянный ток. При помещении в магнитное поле элемент на основе эффекта Холла создает напряжение, которое пропорционально напряженности магнитного поля.
[0003] Датчика на основе эффекта Холла используются во многих видах измерительных устройств, в которых измеряемая переменная величина изменяет магнитное поле. Такие устройства, как правило, содержат магнит, который может перемещаться или поворачиваться в ответ на изменение измеряемой переменной. Датчик на основе эффекта Холла может использоваться в регуляторе уровня, чтобы обеспечивать измерения уровня жидкости в емкости, или в регуляторе клапана, чтобы обеспечивать измерения положения клапана. В качестве примера в компоновки датчика уровня магнит может быть прикреплен к торсионной трубе, которая в свою очередь может быть прикреплена к поплавку, погруженному в некую жидкость. Изменение уровня жидкости вызывает изменение в положении поплавка. Указанное изменение в положении поплавка передается торсионной трубе, что влечет за собой поворот магнита, прикрепленного к торсионной трубе, тем самым изменяя магнитное поле, что обнаруживается датчиком на основе эффекта Холла.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с первым типовым аспектом способ проверки величин измерений, получаемых при помощи датчика на основе эффекта Холла в комплекте датчика на основе эффекта Холла, включает возбуждение датчика на основе эффекта Холла посредством тока возбуждения, имеющего первое значение, и получение первой величины измерения, соответствующей выходному напряжению датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего первое значение. Способ дополнительно включает возбуждение датчика на основе эффекта Холла посредством тока возбуждения, имеющего второе значение, при этом второе значение отличается от первого значения, и получение второго значения измерения, соответствующего выходному напряжению датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего второе значение. Метод дополнительно включает операцию проверки датчика на основе эффекта Холла на основе по меньшей мере первого значения измерения и второго значения измерения.
[0005] В соответствии со вторым типовым аспектом комплект датчика на основе эффекта Холла для использования в полевом устройстве, работающем в системе управления технологическим процессом, содержит датчик на основе эффекта Холла, формирователь тока, соединенный с датчиком на основе эффекта Холла, и микроконтроллер, соединенный с формирователем тока. Микроконтроллер выполнен с возможностью управлять формирователем тока для подачи на датчик на основе эффекта Холла тока возбуждения, имеющего первое значение, и получать первое значение измерения, соответствующее выходному напряжению датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего первое значение. Микроконтроллер дополнительно выполнен с возможностью управлять формирователем тока для подачи на датчик на основе эффекта Холла тока возбуждения, имеющего второе значение, и получать второе значение измерения, соответствующее выходному напряжению датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего второе значение. Микроконтроллер дополнительно выполнен с возможностью проверки корректности работы датчика на основе эффекта Холла на основе по меньшей мере первого значения измерения и второго значения измерения.
[0006] В соответствии с третьим типовым аспектом система управления технологическим процессом содержит полевое устройство, содержащее комплект датчика на основе эффекта Холла, выполненный с возможностью измерения параметра в системе управления технологическим процессом. Комплект датчика на основе эффекта Холла содержит датчик на основе эффекта Холла, формирователь тока, соединенный с датчиком на основе эффекта Холла, и микроконтроллер, соединенный с формирователем тока. Микроконтроллер выполнен с возможностью управлять формирователем тока для подачи на датчик на основе эффекта Холла тока возбуждения, имеющего первое значение, и получать первое значение измерения, соответствующее выходному напряжению датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего первое значение. Микроконтроллер дополнительно выполнен с возможностью управлять формирователем тока для подачи на датчик на основе эффекта Холла тока возбуждения, имеющего второе значение, и получать второе значение измерения, соответствующее выходному напряжению датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего второе значение. Микроконтроллер дополнительно выполнен с возможностью проверки корректности работы датчика на основе эффекта Холла на основе по меньшей мере первого значения измерения и второго значения измерения.
[0007] Далее в соответствии с любым одним или несколькими из предшествующих первым, вторым или третьим аспектами комплект датчика на основе эффекта Холла, способ проверки величины измерений, получаемых при помощи датчика на основе эффекта Холла в комплекте датчика на основе эффекта Холла, и система управления технологическим процессом могут в любой комбинации дополнительно включать одну или более из следующих предпочтительных форм.
[0008] В одной из предпочтительных форм операция проверки корректности результатов измерения датчиком на основе эффекта Холла дополнительно основана на калибровочных данных, полученных для датчика на основе эффекта Холла.
[0009] В другой предпочтительной форме получение калибровочных данных для датчика на основе эффекта Холла включает подачу на датчик на основе эффекта Холла тока возбуждения, имеющего первое значение, и получение совокупности значений измерений, соответствующих совокупности значений напряженности магнитного поля, приложенного к датчику на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается при первом значении тока возбуждения.
[0010] В другой предпочтительной форме получение калибровочных данных для датчика на основе эффекта Холла дополнительно включает подачу на датчик на основе эффекта Холла тока возбуждения, имеющего второе значение, и получение совокупности значений измерений, соответствующих совокупности значений напряженности магнитного поля, приложенного к датчику на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается при втором значении тока возбуждения.
[0011] В другой предпочтительной форме операция проверки работы датчика на основе эффекта Холла включает определение основанного на хранящихся калибровочных данных значения напряженности магнитного поля, соответствующего первому значению измерения, и определение основанного на хранящихся калибровочных данных ожидаемого значения выходного напряжения, соответствующего определенному значению напряженности магнитного поля и току возбуждения, имеющему второе значение;
[0012] В другой предпочтительной форме операция проверки работы датчика на основе эффекта Холла дополнительно включает сравнение значения второго измерения, полученного от датчика на основе эффекта Холла, с ожидаемым значением выходного напряжения и определение, являются ли значения измерений датчика на основе эффекта Холла (i) достоверными или (ii) не достоверными на основе результатов сравнения значения второго измерения, полученного от датчика на основе эффекта Холла с ожидаемым значением выходного напряжения.
[0013] В другой предпочтительной форме комплект датчика на основе эффекта Холла содержит аналоговый входной блок для согласования и оцифровки выходных сигналов датчика на основе эффекта Холла.
[0014] В другой предпочтительной форме комплект датчика на основе эффекта Холла способен выявлять неисправности в аналоговом входном блоке.
[0015] В другой предпочтительной форме выявление неисправностей в аналоговом входном блоке включает подачу опорного напряжения на аналоговый входной блок и получение от аналогового входного блока значения измерения, соответствующего опорному напряжению, подаваемому на аналоговый входной блок.
[0016] В другой предпочтительной форме выявление неисправностей в аналоговом входном блоке включает сравнение полученного значения измерения с сохраненным значением измерения, полученным от аналогового входного блока, в то время как опорное напряжение прилагается к аналоговому входному блоку в течение калибровки комплекта датчика на основе эффекта Холла, и выявление неисправности в аналоговом входном блоке, если полученное значение измерения не соответствует сохраненному значению измерения.
[0017] В другой предпочтительной форме комплект датчика на основе эффекта Холла содержится в полевом устройстве, работающем в системе управления технологическим процессом.
[0018] В другой предпочтительной форме операция проверки работы датчика на основе эффекта Холла включает определение того, что значения измерений, полученные от датчика на основе эффекта Холла, являются одними из следующих: i) достоверными или ii) не достоверными.
[0019] В другой предпочтительной форме в ответ на определение того, что значения измерений, полученных при помощи датчика на основе эффекта Холла, не являются достоверными, работа полевого устройства автоматически переключается на безопасный режим.
[0020] В другой предпочтительной форме полевое устройстве, работающее в системе управления технологическим процессом, является цифровым регулятором уровня.
[0021] В другой предпочтительной форме на главную рабочую станцию передается аварийный сигнал, как только выяснится, что значения измерений, полученных при помощи датчика на основе эффекта Холла, не являются достоверными.
[0022] В другой предпочтительной форме микроконтроллер выполнен с возможностью получения калибровочных данных для датчика на основе эффекта Холла.
[0023] В другой предпочтительной форме микроконтроллер выполнен с возможностью выявлять неисправности в аналоговом входном блоке.
[0024] В другой предпочтительной форме датчик на основе эффекта Холла может дополнительно содержать переключатель, подсоединенный между датчиком на основе эффекта Холла и аналоговым входным блоком, а выявление неисправностей в аналоговом входном блоке включает управление переключателем для переключения входа аналогового входного блока от вывода датчика на основе эффекта Холла к опорному напряжению.
[0025] Полевое устройство является цифровым регулятором уровня, и при этом параметром технологического процесса является один из следующих: (i) уровень жидкости в емкости, (ii) уровень поверхности раздела между различными жидкостями в емкости или (iii) плотность жидкости в емкости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0026] На фиг. 1 проиллюстрирована диаграмма комплекта датчика на основе эффекта Холла, способного проверять значения измерений, полученных при помощи датчика на основе эффекта Холла согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0027] На фиг. 2 проиллюстрирован график линейной зависимости выходного напряжения от входного тока для типичного датчика на основе эффекта Холла, такого как датчик на основе эффекта Холла, проиллюстрированный на фиг. 1.
[0028] На фиг. 3 проиллюстрирована диаграмма последовательности операций типовой процедуры калибровки 30 согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0029] На фиг. 4 проиллюстрирована диаграмма последовательности операций процедуры проверки, которая может выполняться для проверки работы датчика на основе эффекта Холла и для подтверждения корректности значений измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0030] На фиг. 5 проиллюстрирована диаграмма последовательности операций одного из возможных вариантов выполнения схемы проверки, реализованной в процедуре проверки, проиллюстрированной на фиг. 4.
[0031] На фиг. 6 проиллюстрирован график сравнения рассчитанного и измеренного откликов датчика на основе эффекта Холла.
[0032] На фиг. 7 проиллюстрирована блочная диаграмма комплекта датчика на основе эффекта Холла, имеющего диагностические возможности согласно другому варианту реализации настоящего изобретения.
[0033] На фиг. 8 проиллюстрирована типичная система контроля технологического процесса, в которую может быть встроено полевое устройство, имеющее комплект датчика на основе эффекта Холла согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0034] Датчики на основе эффекта Холла часто используются в системах управления технологическими процессами для обеспечения измерения параметра технологического процесса с целью контроля этого переменного параметра и/или для обеспечения обратной связи в замкнутой системе автоматического регулирования для управления параметром технологического процесса. Например, датчик на основе эффекта Холла может использоваться в устройстве для контроля уровня с целью обеспечения обратной связи относительно уровня жидкости в емкости или в регуляторе положения клапана для обеспечения обратной связи относительно положения клапана. В общих чертах датчик на основе эффекта Холла работает посредством обнаружения магнитного поля, которое генерируется источником потока магнитной индукции, таким как магнит, и создания сигнала выходного напряжения, величина которого пропорциональна напряженности магнитного поля. Сигнал выходного напряжения, создаваемый датчиком на основе эффекта Холла, в общем, является функцией входного тока, подводимого к датчику на основе эффекта Холла. В связи с этим для получения сигнала выходного напряжения, который отражает только напряженность магнитного поля, приложенного к датчику на основе эффекта Холла в типичных случаях его применения, для подачи постоянного тока на датчик на основе эффекта Холла используется источник регулируемого напряжения или тока. Такие комплекты датчика на основе эффекта Холла полагаются на их способность точно и стабильно преобразовывать напряженность магнитного поля, воспринимаемого датчиком, в сигнал выходного напряжения, пропорциональный напряженности воспринимаемого датчиком магнитного поля, но в большинстве случаев отсутствует возможность проверки того, что датчик на основе эффекта Холла работает надлежащим образом и предоставляет точные измерения параметров технологического процесса.
[0035] На фиг. 1 проиллюстрирована диаграмма комплекта датчика на основе эффекта Холла, способного проверять значения измерений, полученных при помощи датчика Холла согласно варианту реализации настоящего изобретения. Комплект датчика на основе эффекта Холла 10 может содержаться в полевом устройстве, работающем в системе управления технологическим процессом, и может быть использован для выполнения измерений параметров технологического процесса в такой системе. В качестве примера комплект датчика на основе эффекта Холла 10 может быть включен в контроллер уровня (например, в цифровой регулятор уровня) и может предоставлять обратную связь, отражающую уровень жидкости в емкости, уровень поверхности раздела между различными жидкостями в емкости, плотность жидкости в емкости и т.п. В качестве другого примера в другом варианте реализации настоящего изобретения комплект датчика на основе эффекта Холла 10 может быть включен в контроллер положения клапана и может предоставлять обратную связь, отражающую положение клапана. В общих чертах комплект датчика на основе эффекта Холла 10 может использоваться в любых сферах измерений, в которых измеряемый переменный параметр изменяет магнитное поле.
[0036] Комплект датчика на основе эффекта Холла 10 проиллюстрирован как содержащий элемент на основе эффекта Холла 12 (также именуемый в настоящем документе как "датчик на основе эффекта Холла"), соединенный с блоком обработки аналогового сигнала 14, который в свою очередь соединен с аналого-цифровым преобразователем 16. Как проиллюстрировано на фиг. 1, блок обработки аналогового сигнала 14 и аналого-цифровой преобразователь 16 вместе образуют аналоговый входной блок комплекта датчика на основе эффекта Холла 10, подсоединенный между датчиком на основе эффекта Холла 12 и блоком микроконтроллера 18, при этом в варианте реализации настоящего изобретения для подачи тока возбуждения на датчик на основе эффекта Холла 12, формирователь тока 19 соединен с входом возбуждения датчика на основе эффекта Холла 12. Блок микроконтроллера 18 соединен с формирователем тока 19 и выполнен с возможностью управлять формирователем тока 19, чтобы устанавливать выходной уровень тока формирователя тока 19 и посредством этого управлять значением тока возбуждения, подаваемого на датчик на основе эффекта Холла 12. Например, блок микропроцессора 18 может генерировать управляющие сигналы и может передавать управляющие сигналы на формирователь тока 19 через соединение 21, которое может быть любым подходящим проводным или беспроводным соединением между блоком микроконтроллера 18 и формирователем тока 19 для того, чтобы устанавливать выходной ток формирователя тока 19 на определенные необходимые уровни для возбуждения датчика на основе эффекта Холла 12.
холл
холл
холл
холл
холл
холл
вых
[0037] В самом общем виде датчик на основе эффекта Холла 12 воспринимает магнитное поле, прилагаемое к датчику на основе эффекта Холла 12, и выдает сигнал напряжения (V) пропорциональный напряженности магнитного поля. Сигнал выходного напряжения V направляется на блок формирования аналогового сигнала 14, который выполняет обработку аналогового выходного сигнала V датчика на основе эффекта Холла. Например, блок обработки аналогового сигнала 14 может усиливать выходной сигнал V, может применять температурную компенсацию к выходному сигналу V для компенсации изменений в рабочей температуре датчика на основе эффекта Холла 12, может линеаризовать выходной сигнал V датчика на основе эффекта Холла и т.п. Обработанный выходной сигнал (V), генерируемый блоком обработки аналогового сигнала 14, направляется на аналого-цифровой преобразователь 16, который оцифровывает сигнал и направляет цифровую версию выходного сигнала на блок микроконтроллера 18 через соединение 20. Соединение 20 между аналого-цифровым преобразователем 16 и блоком микроконтроллера 18 может быть шиной последовательного периферийного интерфейса или любым другим подходящим соединением, способным обеспечить передачу оцифрованного сигнала на блок микроконтроллера 18.
вых
вых
вых
[0038] Блок микропроцессора 18, который может быть компьютером, таким как микрокомпьютер, который содержит память и процессор, получает оцифрованный сигнал V от аналого-цифрового преобразователя 16 и на основе значения сигнала V генерирует сигнал, представляющий параметр технологического процесса, который изменяет магнитное поле, что воспринимается элементом датчика на основе эффекта Холла 12. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения перед генерированием выходного сигнала блок микроконтроллера 18 обеспечивает дальнейшую обработку оцифрованного сигнала V, например, применяя дополнительную температурную компенсацию к оцифрованному сигналу, например, для компенсации изменений в температуре технологического процесса. Выходной сигнал, генерируемый блоком микроконтроллера 18, может включать, например, сигнал 4-20 мА, сигнал 0-10 вольт постоянного тока, беспроводной сигнал и/или цифровой сигнал и т.п., который может передаваться в систему управления (например, на главную рабочую станцию в системе управления) через подходящий канал связи. Например, в случае, в то время, как выходной сигнал является сигналом 4-20 мА, для связи с системой управления через проводное соединение может быть использован протокол связи цифровых данных, такой как, например, широко известный протокол дистанционного преобразователя с адресацией по магистральному каналу HART. В другом примере выходной сигнал может передаваться в систему управления по беспроводной связи с использованием беспроводного протокола HART. В других примерах выходной сигнал может быть сигналом 0-10 вольт постоянного тока или другой тип сигнала.
вых
возб
холл
вых
возб
[0039] В самом общем виде выходное напряжение типичного датчика на основе эффекта Холла, подвергаемого воздействию определенного магнитного поля, зависит от величины входного тока, подводимого к датчику на основе эффекта Холла, и является прямо пропорциональным его величине. На фиг. 2 проиллюстрирован график 26 линейной зависимости выходного напряжения от входного тока для типичного датчика на основе эффекта Холла, такого как датчик на основе эффекта Холла, проиллюстрированный на фиг. 1. Типичный график 26 иллюстрирует выходное напряжение в зависимости от отклика входного тока датчика на основе эффекта Холла для случая, в то время как датчик на основе эффекта Холла подвергается воздействию магнитного поля (В) напряженностью в 0,1 тесла (Т). Как проиллюстрировано на фиг. 2, выходное напряжение датчика на основе эффекта Холла, подвергающегося воздействию постоянного магнитного поля с напряженностью 0,1 Т, не является постоянным, а прямо пропорционально величине входного тока, подводимого к датчику на основе эффекта Холла. В качестве примере, в то время как на датчик на основе эффекта Холла подается ток 4 мА, выходное напряжение, создаваемое датчиком на основе эффекта Холла, находящегося в условиях воздействия магнитного поля с напряженностью 0,1 Т, примерно равно 60 мВ. С другой стороны, в то время как на датчик на основе эффекта Холла, находящийся в условиях воздействия магнитного поля с той же напряженностью (т.е. 0,1 Т) подается ток 6 мА, выходное напряжение, создаваемое датчиком на основе эффекта Холла, примерно равно 100 мВ. В варианте реализации настоящего изобретения комплект датчика на основе эффекта Холла 10 использует характерную для датчиков на основе эффекта Холла линейную зависимость выходного напряжения (V) от тока возбуждения (I) для проверки величин измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12. С этой целью в процессе работы комплекта датчика на основе эффекта Холла 10 блок микроконтроллера 18 может получать значения измерений, соответствующие выходному сигналу V датчика на основе эффекта Холла 12 при двух и более различных значениях тока возбуждения, подаваемых на датчик на основе эффекта Холла 12, и может определять, показывают ли полученные значения измерений ожидаемую линейную зависимость V от I для датчика на основе эффекта Холла 12. В варианте реализации настоящего изобретения для гарантии того, что полученные значения измерений соответствуют одному и тому же значению напряженности магнитного поля, эти значения измерений должны предпочтительно получаться в условиях, в то время как измеряемый переменный параметр остается в достаточной мере постоянным в промежутках времени между выполняемыми измерениями.
возб
вых
вых
возб
вых
возб
[0040] Чтобы позволить блоку микроконтроллера 18 последовательно проверять значения измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12 на основе на двух или нескольких величин измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12, калибровочные данные, характеризующие ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла 12, могут быть получены блоком микроконтроллера 18 или направлены к нему в первую очередь. Такие калибровочные данные могут быть получены во время фабричной калибровки комплекта датчика на основе эффекта Холла 10 (или устройства, которое содержит комплект датчика на основе эффекта Холла 10) и могут храниться, например, в памяти 15. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, дополнительно или альтернативно, калибровка или повторная калибровка комплекта датчика на основе эффекта Холла 10 может быть проведена при установке на объекте полевого устройства, которое содержит комплект 10, или во время эксплуатации полевого устройства на объекте для получения калибровочных данных, характеризующих ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла 12. На фиг. 3 проиллюстрирована диаграмма последовательности операций типовой процедуры калибровки 30, используемой для получения калибровочных данных, характеризующих ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла согласно варианту реализации настоящего изобретения. В варианте реализации настоящего изобретения процедура калибровки 30 проводится для сбора калибровочных данных, характеризующих ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла 12. В блоке 32 ток возбуждения I, имеющий первое значение, подается на датчик на основе эффекта Холла 12. Первое значение тока возбуждения может быть, например, 6 мА или может принимать любое другое подходящее значение. В блоке 34 оцифрованное значение выходного напряжения V, измеряемое при первом значении тока возбуждения, получается тогда, когда магнитное поле, приложенное к датчику на основе эффекта Холла 12, меняет значение в пределах диапазона рабочих режимов датчика на основе эффекта Холла 12. Например, в случае, в то время как магнитное поле, прилагаемое к датчику на основе эффекта Холла 12, изменяется посредством поворота магнита, значения измерений выходного напряжения V могут быть получены от датчика на основе эффекта Холла 12 при токе возбуждения I, имеющего первое значение тогда, когда магнит, который генерирует магнитное поле, прилагаемое к датчику на основе эффекта Холла 12, поворачивается в пределах диапазона рабочих режимов поворота магнита, такого как, например, от -6 градусов до +6 градусов. Соответственно значения измерения выходного напряжения V могут быть получены на каждой точке измерения совокупности значений углов поворота, в то время, как датчик на основе эффекта Холла 12 возбуждается посредством тока возбуждения I, имеющего первое значение в пределах диапазона рабочих режимов поворота магнита, который прилагает магнитное поле к датчику на основе эффекта Холла 12. Значения измерений, получаемые в блоке 34, могут быть сохранены в памяти, включенной в блок микроконтроллера 18 или присоединенной к нему, такой, как память 15. В варианте реализации настоящего изобретения данные, полученные в блоке 34, предоставляют первый набор точек измерений, используемый для характеристики ожидаемого поведения датчика на основе эффекта Холла 12 в пределах диапазона рабочих режимов датчика на основе эффекта Холла 12.
возб
вых
вых
возб
вых
возб
[0041] В блоке 36 на датчик на основе эффекта Холла 12 подается ток возбуждения, имеющий второе значение. Второе значение тока возбуждения может быть, например, 4 мА или любое другое подходящее значение, отличающееся от первого значения тока возбуждения I, подаваемого в блоке 32. В блоке 38 оцифрованное выходное напряжение V, измеряемое при первом значении тока возбуждения, получается тогда, когда магнитное поле, приложенное к датчику на основе эффекта Холла 12, меняется в пределах диапазона рабочих режимов датчика на основе эффекта Холла 12. Например, в случае, в то время, как магнитное поле, прилагаемое к датчику на основе эффекта Холла 12, меняется посредством поворота магнита, значения измерений выходного напряжения V могут быть получены от датчика на основе эффекта Холла 12 при токе возбуждения I, имеющего второе значение тогда, когда магнит, который генерирует магнитное поле, прилагаемое к датчику на основе эффекта Холла 12, поворачивается в пределах диапазона рабочих режимов поворота магнита, такого как, например, от -6 градусов до +6 градусов. Таким образом, значения измерения выходного напряжения V могут быть получены на каждой из точек измерения, соответствующих совокупности значений углов поворота, в то время как датчик на основе эффекта Холла 12 возбуждается посредством тока возбуждения I, имеющего второе значение в пределах диапазона рабочих режимов поворота магнита, который прилагает магнитное поле к датчику на основе эффекта Холла 12. Значения измерений, получаемые в блоке 34, могут быть сохранены в памяти, включенной в блок микроконтроллера 18 или присоединенной к нему, такой, как память 15. В варианте реализации настоящего изобретения данные, собранные в блоке 38, предоставляют второй набор точек измерения и вместе с первым набором точек измерения, полученным в блоке 34, позволяют блоку микроконтроллера 18 характеризовать ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла 12 при различных значениях тока возбуждения, подаваемого на датчик на основе эффекта Холла 12 в пределах диапазона рабочих режимов датчика на основе эффекта Холла 12.
вых
возб
вых
вых
вых
возб
вых
[0042] В блоке 40 зависимость V от I, характеризующая ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла 12, получается для каждой совокупности точек измерения, основанной на соответствующих измерениях в первом наборе измерений, получаемых в блоке 34, и на втором наборе измерений, получаемых в блоке 38. Например, для каждой совокупности точек измерения наклон прямой, пересекающей первое значение измерения V при первом значении тока возбуждения, полученное в блоке 34 и пересекающей второе значение измерения V при втором значении тока возбуждения, полученное в блоке 38, может быть определен в блоке 40. В блоке 42 рассчитанные в блоке 38 зависимости V от I могут храниться в памяти, включенной в блок микроконтроллера 18 или подсоединенной к нему, такой, как память 15 и могут быть затем использованы блоком микроконтроллера 18 для подтверждения корректности значений измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12 во время диагностики комплекта 10 и/или во время онлайнового управления полевым устройством, которое содержит комплект 10. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения блок 40 пропущен и блок микроконтроллера 18 может последовательно использовать значения измерений V, хранящиеся в памяти блока 34 и блока 38, напрямую для подтверждения корректности значений измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12 во время диагностики комплекта 10 и/или во время онлайнового управления полевым устройством, которое содержит комплект 10.
[0043] На фиг. 4 проиллюстрирована диаграмма последовательности операций процедуры проверки 50, которая может выполняться для проверки значений измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла согласно варианту реализации настоящего изобретения. Ссылаясь на фиг. 1, в варианте реализации настоящего изобретения процедура 50 может выполняться микроконтроллером 18 для проверки корректности измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12. Процедура проверки 50 может проводиться во время диагностики комплекта датчика на основе эффекта Холла 10 или во время онлайнового управления полевым устройством, которое содержит комплект датчика на основе эффекта Холла 10. Например, порядок проверки может храниться в памяти, такой как память 15, и может осуществляться блоком микроконтроллера 18 для выполнения процедуры 50 во время диагностики или во время онлайнового управления сенсорного комплекта 10. Такой порядок проверки может осуществляться блоком микроконтроллера 18 в заранее заданные моменты времени и/или временные интервалы или может осуществляться в момент инициации пользователем, если требуется или желательна проверка датчика на основе эффекта Холла 12.
возб
возб
вых
возб
возб
возб
вых
вых
вых
вых
вых
[0044] В блоке 52 ток возбуждения, имеющий первое значение I, подается на датчик на основе эффекта Холла 12. Первое значение ток возбуждения I может быть, например, 6 мА или может быть любым другим подходящим значением. В блоке 54 первое значение измерения V, полученное от датчика на основе эффекта Холла 12, соответствующее первому значению тока возбуждения, подается на датчик на основе эффекта Холла 12. В блоке 56 на датчик на основе эффекта Холла 12 подается ток возбуждения I, имеющий второе значение. Первое значение тока возбуждения I может быть, например, 4 мА или может иметь любое другое подходящее значение, отличающееся от первого значения тока возбуждения I. В блоке 58 от датчика на основе эффекта Холла 12 получается второе значение измерения V, соответствующее второму значению тока возбуждения, который подается на датчик на основе эффекта Холла 12. В блоке 60 проверяется корректность работы датчика на основе эффекта Холла. В варианте реализации настоящего изобретения проверка, выполняемая в блоке 60, основана на первом значении измерения V, полученном в блоке 54, и на втором значении измерения V, полученном в блоке 58. В варианте реализации настоящего изобретения процедура проверки, выполняемая в блоке 60, дополнительно основана на хранящихся калибровочных данных, характеризующих ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла 12, таких как калибровочные данные, полученные согласно процедуре калибровки 30, проиллюстрированной на фиг. 3. В большинстве случаев в блоке 60 могут выполняться различные варианты порядка проведения проверки работы датчика на основе эффекта Холла 12 (например, проверки значений измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12) на основе первого значения измерения V, полученного в блоке 54 и второго значения измерения V, полученного в блоке 58. Пример схемы проверки, выполняемой в блоке 60, описывается ниже в сочетании с фиг. 5.
вых
вых
вых
вых
возб
вых
вых
вых
вых
вых
вых
вых
вых
вых
вых
вых
[0045] На фиг. 5 проиллюстрирована диаграмма последовательности операций одного из возможных вариантов выполнения схемы проверки, проводимой в блоке 60, которая проиллюстрирована на фиг. 4. В блоке 60а определяется напряженность магнитного поля, соответствующая первому значению измерения V. Например, определение напряженности магнитного поля может включать оценку хранящихся данных, сопоставляющих V со значениями напряженности магнитного поля при первом значении тока возбуждения, подаваемом на датчик на основе эффекта Холла 12. В блоке 60b ожидаемое значение V для второго измерения при втором значении тока возбуждения рассчитывается на основе хранящихся калибровочных данных, характеризующих ожидаемое поведение датчика на основе эффекта Холла 12. Например, наклон прямой, характеризующий зависимость V от I, соответствующую значению напряженности магнитного поля определенному в блоке 60а, используется для определения ожидаемого значения V при втором значении тока возбуждения, подаваемом на датчик на основе эффекта Холла 12. В блоке 60с определяется, находится ли измеренное значение V, полученное в блоке 54, в пределах определенной доли в процентах от величины ожидаемого значения V, определенного в блоке 58. Например, математическая разница между измеренным значением V, полученным в блоке 54, и ожидаемым значением V, определенным в блоке 58, может быть вычислена и подвергнута сравнению с заданным пороговым значением. Если математическая разница меньше, чем заданное пороговое значение, или равна ему, то в блоке 60d можно определить, что величины измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12, являются достоверными. В этом случае можно сделать вывод, что датчик на основе эффекта Холла работает надлежащим образом. Однако в том случае, если математическая разница больше, чем заданное пороговое значение, то в блоке 60е можно определить, что величины измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла 12, не являются достоверными. В этом случае может быть обнаружено неправильное срабатывание датчика на основе эффекта Холла 12. В другом примере в блоке 60с может быть определено соотношение измеренного значения V, полученного в блоке 54, и ожидаемого значения V, определенного в блоке 58, и именно это соотношение, а не математическая разность, может быть подвергнуто сравнению с заданным пороговым значением. При любых обстоятельствах, если в блоке 60с определяется, что измеренное значение V находится в пределах определенной доли в процентах от величины ожидаемого значения V, измерение датчика на основе эффекта Холла в блоке 60d рассматривается как признанное достоверным. Однако в том случае, если в блоке 60с определяется, что измеренное значение V не находится в пределах определенной доли в процентах от величины ожидаемого значения V, то измерение датчика на основе эффекта Холла в блоке 60е рассматривается как признанное недостоверным.
[0046] В варианте реализации настоящего изобретения в момент обнаружения неправильного срабатывания датчика на основе эффекта Холла 12 блок микроконтроллера 18 может вызвать передачу аварийного сигнала, показывающего, что датчик на основе эффекта Холла 12 не работает надлежащим образом, и его данные не могут быть переданы в систему управления технологическим процессом, и/или может вызвать индикацию неисправности для пользователя, которая должна отображаться в месте размещения полевого устройства, которое содержит комплект датчика на основе эффекта Холла 10. В варианте реализации настоящего изобретения, дополнительно или альтернативно, блок микроконтроллера 18 может быть выполнен с возможностью приводить вывод комплекта датчика на основе эффекта Холла 10 в безопасное состояние и/или может приводить работу полевого устройства, которое содержит комплект датчика на основе эффекта Холла 10, в безопасное состояние.
[0047] На фиг. 6 графики 72, 74 и 76 проиллюстрируют сравнение рассчитанного или ожидаемого отклика датчика на основе эффекта Холла с измеренным откликом датчика на основе эффекта Холла в диапазоне значений напряженности магнитного поля, приложенного к датчику на основе эффекта Холла. В частности, график 72 представляет собой измеренное выходное напряжение датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего первое значение, которое в примере, проиллюстрированном на фиг. 6, равно 750 мА. График 74 представляет собой ожидаемый отклик выходного напряжения датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего второе значение, которое в примере, проиллюстрированном на фиг. 6, равно 500 мА, рассчитанный на основе измеренного отклика выходного напряжения, соответствующего току намагничивания, имеющему первое значение или 750 мА (изображенное на графике 72). Следующий график 76 представляет собой фактический измеренный отклик выходного напряжения датчика на основе эффекта Холла, в то время как датчик на основе эффекта Холла возбуждается посредством тока возбуждения, имеющего первое значение или 500 мА. Как можно видеть на графиках 74 и 76, рассчитанный или ожидаемый отклик выходного напряжения датчика на основе эффекта Холла, проиллюстрированный на графике 74, по существу аналогичен измеренному отклику выходного напряжения датчика на основе эффекта Холла, проиллюстрированному на графике 76. Таким образом, графики 74 и 76 иллюстрируют, что значения измерений, полученные от датчика на основе эффекта Холла, могут быть с высокой степенью точности проверены на основе двух значений измерений, полученных от датчика на основе эффекта Холла при двух значениях токов возбуждения, подающихся на датчик на основе эффекта Холла.
[0048] На фиг. 7 проиллюстрирована блочная диаграмма комплекта датчика на основе эффекта Холла 80, имеющего диагностические возможности согласно другому варианту реализации настоящего изобретения. Комплект датчика на основе эффекта Холла 80 аналогичен комплекту датчика на основе эффекта Холла 10, проиллюстрированному на фиг. 1, и содержит некоторые такие же или похожие на элементы комплекта датчика на основе эффекта Холла 10, проиллюстрированного на фиг. 1. Из-за того, что некоторые элементы примеров, проиллюстрированных на фиг. 7, являются идентичными тем, которые рассмотрены выше в связи с фиг. 1, описание идентичных элементов здесь не повторяется. Вместо этого идентичные элементы иллюстрируются с идентичными номерами позиций на фиг. 7, а заинтересованный читатель может вернуться к описаниям, представленным выше в связи с рассмотрением фиг. 1 для ознакомления с полным описанием этих аналогично пронумерованных элементов.
[0049] Комплект датчика на основе эффекта Холла 80 содержит блок микроконтроллера 84, который аналогичен блоку микроконтроллера 18, проиллюстрированному на фиг. 1 и может включать его технические возможности. В связи с этим микроконтроллер 84 может иметь возможность проверки значений измерений, получаемых от датчика на основе эффекта Холла 12 посредством выполнения процедуры проверки 50, проиллюстрированной в качестве примера на фиг. 5. В дополнение или вместо определения неисправности датчика на основе эффекта Холла 12, микроконтроллер 84 способен устанавливать неисправности в аналоговом входном блоке 13 комплекта датчика на основе эффекта Холла 80. Неисправности в аналоговом входном блоке 13 комплекта датчика на основе эффекта Холла 80 могут включать, например, неисправности в блоке обработки аналогового сигнала 14, неисправности в аналого-цифровом преобразователе 16 или неисправности в соединении 20 между аналого-цифровым преобразователем 16 и блоком микроконтроллера 84.
оп
оп
оп
оп
[0050] Как проиллюстрировано на фиг. 7, комплект датчика на основе эффекта Холла 80 содержит переключатель 82, имеющий входы 82а и 82b и выход 82с. Входы 82а и 82b переключателя 82 соединены соответственно с датчиком на основе эффекта Холла 12 и подаваемым извне опорным напряжением, а выход 82с переключателя 82 соединен с блоком обработки аналогового сигнала 14. Для выявления неисправностей в аналоговом входном блоке 13 комплекта датчика на основе эффекта Холла 80, блок микроконтроллера 84 может быть выполнен с возможностью управления переключателем 82 для направления опорного напряжения V, подаваемого на блок обработки аналогового сигнала 14 через вход 82b переключателя 82. Ожидаемый сигнал, создаваемый аналого-цифровым преобразователем 16 в ответ на вариант, в то время, как напряжение V подается на блок обработки аналогового сигнала 14, может определяться до момента выполнения диагностики для выявления возможных неисправностей в аналоговом входном блоке 13. Например, в течение калибровки комплекта датчика на основе эффекта Холла 80, блок микроконтроллера 84 может управлять переключателем 82 для переключения входа 82b на подачу V на блок обработки аналогового сигнала 14 и может получать значение измерения от аналого-цифрового преобразователя 16, в то время как V подается на блок обработки аналогового сигнала 14. Значения измерений, получаемые в течение калибровки комплекта 80, могут храниться в памяти, включенной в блок микроконтроллера 18 или присоединенной к нему, такой, как память 15.
оп
оп
[0051] Затем для проверки работы аналогового входного блока 13 и для выявления возможных неисправностей в аналоговом входном блоке 13, например таких, которые могут возникать во время операции диагностики, выполняемой блоком микроконтроллера 84, блок микроконтроллера 84 может переключать вход блока обработки аналогового сигнала 14 на напряжение V, подаваемое блоком микроконтроллера 84, и может получать значения измерения от аналого-цифрового преобразователя 16, в то время, как V подается на блок обработки аналогового сигнала 14. Затем блок микроконтроллера 84 может сравнивать значение измерения, полученное от аналого-цифрового преобразователя 16, с сохраненным значением измерения, полученным в течение калибровки комплекта датчика на основе эффекта Холла 80. На основе этого сравнения блок микроконтроллера 84 может проверить работу аналогового входного блока 13 или может выявить неисправность в аналоговом входном блоке 13. Например, блок микроконтроллера 84 может определить, что аналоговый входной блок 13 функционирует надлежащим образом, если измеренное значение, полученное от аналого-цифрового преобразователя 16, соответствует сохраненному значению, полученному в течение калибровки комплекта 80, или находится в пределах определенной доли в процентах от сохраненного значения в процессе калибровки. В том случае, если измеренное значение, полученное из значения аналого-цифрового преобразователя 16, не соответствует сохраняемому значению, полученному в течение калибровки комплекта 80, или не находится в пределах определенной доли в процентах от значения, полученного в течение калибровки, блок микроконтроллера 84 может определить, что аналоговый входной блок 13 не функционирует надлежащим образом и, соответственно, может выявить неисправность в аналоговом входном блоке 13. Для определения, находится ли измеренное значение, полученное из значения аналого-цифрового преобразователя 16, в пределах определенной доли в процентах от сохраненного значения, полученного в течение калибровки комплекта 80, блок микроконтроллера 84 может, например, рассчитывать математическую разницу между измеренным значением, полученным из значения аналого-цифрового преобразователя 16 и сохраненным значением, полученным в течение калибровки, и может сравнивать математическую разницу с заданным пороговым значением. В другом примере блок микроконтроллера 84 может рассчитывать соотношение между значением измерения, полученным из значения аналого-цифрового преобразователя 16, и сохраненным значением измерения, полученным в течение калибровки, и может сравнивать это соотношение с заданным пороговым значением.
[0052] В варианте реализации настоящего изобретения в момент выявления неисправности в аналоговом входном блоке 13 блок микроконтроллера 84 может вызвать передачу аварийного сигнала, указывающего на то, что информация о неисправности в аналоговом входном блоке 13 должна быть передана на главный компьютер и/или может вызвать индикацию неисправности для пользователя, которая должна отображаться в месте размещения полевого устройства, которое содержит комплект датчика на основе эффекта Холла 80. В варианте реализации настоящего изобретения, дополнительно или альтернативно, блок микроконтроллера 84 может быть выполнен с возможностью приводить работу выходных режимов полевого устройства, которое содержит комплект датчика на основе эффекта Холла 10, в безопасное состояние.
[0053] На фиг. 8 проиллюстрирована типичная система контроля технологического процесса 100, в которую может быть встроено полевое устройство, имеющее комплект датчика на основе эффекта Холла согласно настоящему изобретению. Например, полевое устройство, такое как устройство контроля уровня, которое содержит комплект датчика на основе эффекта Холла 10, проиллюстрированный на фиг. 1 или комплект датчика на основе эффекта Холла 80, проиллюстрированный на фиг. 7, может быть включено в систему управления технологическим процессом, такую как система управления технологическим процессом 100. Обращаясь к фиг. 8, система управления технологическим процессом 100 содержит проводную промышленную сеть автоматического управления и контроля 110, которая работает в соответствии с протоколом автоматизации промышленного производства (например, протокол связи HART, индустриальная коммутационная сеть PROFIBUS DP и т.п.) или использует другой подходящий протокол связи и беспроводную промышленную сеть автоматического управления и контроля 150, которая работает в соответствии с протоколом промышленной автоматики (например, беспроводной протокол связи HART, стандартная промышленная архитектура системы команд ISA100.11a, Wi-Fi технология беспроводного обмена данными, протокол беспроводной персональной сети WPAN, закрытый частный беспроводной протокол и т.п.) или с другим подходящим протоколом беспроводной связи. В различных вариантах реализации настоящего изобретения может быть использована проводная сеть промышленного автоматического управления и контроля 110 или беспроводная сеть промышленного автоматического управления и контроля 150 для передачи сигналов о неисправности от полевого устройства на главную рабочую станцию в процессе выявления неисправности в комплекте датчика на основе эффекта Холла, содержащимся в полевом устройстве.
[0054] Проводная сеть промышленного автоматического управления и контроля 110 включает один или несколько контроллеров 114, соединенных с одной или несколькими главными рабочими станциями или компьютерами 111 (которые могут быть персональными компьютерами или рабочими станциями любого типа) и соединенных с группой устройств ввода-вывода 116, каждое из которых в свою очередь соединено с одним или несколькими полевыми устройствами 122. Контроллеры 114, которые могут быть, исключительно в качестве примера, DeltaV™ контроллерами, которые поставляются компанией Fisher-Rosemount Systems, Inc., соединены с возможностью связи с главными компьютерами 111 через, например, подключение типа Ethernet 120 или другой канал связи. Аналогично контроллеры 114 соединены с возможностью связи с полевыми устройствами 122 с использованием любого подходящего аппаратного оборудования и программного обеспечения, действующего совместно, например, со стандартными устройствами токовой петли 4-20 мА и/или с любым интеллектуальным протоколом связи, таким, как сетевой протокол Fieldbus или протокол HART. Общеизвестно, что контроллеры 114 выполняют или обеспечивают контроль программам управления технологическим процессом, хранящимися в них или иначе связанными с ними, и взаимодействуют с устройствами 122 для управления процессом любым желательным способом.
[0055] Полевые устройства 122 могут быть любыми типами устройств, такими как клапана, позиционеры клапанов, переключатели, датчики (например, температуры, давления, вибрации, объемного расхода или показателя pH), насосы, вентиляторы и т.п. или комбинациями двух или более таких типов, в то время как платы ввода-вывода в блоке плат 116 могут быть любыми типами устройств ввода-вывода, соответствующих любому подходящему протоколу связи или контроллера, такому, как протокол HART, Fieldbus, Profibus и т.п. Полевые устройства 122 осуществляют управление, мониторинг и/или физические функции в технологическом процессе или в автоматическом управлении процессом с обратной связью, такие как, например, открытие и закрытие клапанов или выполнение измерений параметров технологического процесса. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 8, полевые устройства 122а-122с являются стандартными устройствами токовой петли 4-20 мА, которые через аналоговые линии обмениваются данными с платой ввода-вывода 116а. В другом варианте реализации настоящего изобретения полевые устройства 112а-122с являются устройствами, поддерживающими протокол HART, а плата ввода-вывода 116а является платой ввода-вывода, совместимой с протоколом HART. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения система управления технологическим процессом 100 содержит устройства токовой петли 4-20 мА, а также устройства, поддерживающие протокол HART. Таким образом, в этом варианте реализации настоящего изобретения система управления технологическим процессом 100 содержит одну или несколько плат ввода-вывода, совместимых с токовой петлей 4-20 мА, а также одну или несколько плат ввода-вывода, совместимых с протоколом HART.
[0056] В варианте реализации настоящего изобретения, проиллюстрированном на фиг. 8, полевые устройства 122d-122f являются интеллектуальными устройствами, такими как полевые устройства Fieldbus, которые сообщаются через цифровую шину передачи данных 118 с платой ввода-вывода 118 используя, например, протокол связи Fieldbus. Конечно, полевые устройства 122 и блоки плат ввода-вывода 116 могут соответствовать любому другому подходящему стандарту(ам) или протоколам помимо токовой петли 4-20 мА, протоколов HART или Fieldbus, включая любые стандарты или протоколы, которые будут разработаны в будущем.
[0057] Каждый из контроллеров 114 выполнен с возможностью реализовывать стратегию управления с использованием того, что принято называть функциональными блоками, при том, что каждый функциональный блок является частью (например, стандартной подпрограммой) всей программы управления и работает совместно с другими функциональными блоками (посредством линий передачи данных, называемых ссылками) для реализации систем автоматического регулирования с обратной связью в системе управления технологическим процессом 100. Функциональные блоки выполняют, как правило, любую из следующих функций: функцию ввода, как например связанную с трансмиттером, датчиком или другим прибором для измерения технологических параметров; функцию управления, как например, связанную с программой управления, которая осуществляет идентификацию параметров технологического процесса, нечеткую логику и т.п.; функцию управляющего выхода, которая управляет работой некоторых устройств, как например, клапаном, для выполнения некоторых физических функций в системе управления технологическим процессом 100. Конечно, существуют комбинированные, а также другие типы функциональных блоков. Группа этих функциональных блоков называются модулями. Функциональные блоки и модули могут размещаться в контроллере 12 и управляться им, что является типичным случаем, в то время как такие функциональные блоки используются для стандартных устройств токовой петли 4-20 мА и для некоторых типов интеллектуальных полевых устройств, или связаны с ними, или могут размещаться в полевых устройствах и управляться ими самими, как, например, в случае устройств с протоколом связи Fieldbus. Хотя описание системы управления технологическим процессом в данном документе приводится с использованием стратегии управления на основе использования функциональных блоков, стратегия управления также может осуществляться или планироваться с использованием других общепринятых способов, как например, цепных логических схем, диаграмм последовательности операций и т.п. и с использованием любых подходящих специализированных или не специализированных языков программирования.
[0058] Как отмечалось выше, система управления технологическим процессом 100 также содержит сеть беспроводной передачи данных 150, которая реализуется или действует согласно подходящему протоколу беспроводной связи. Для большей ясности обсуждение в этом документе ссылается на протокол беспроводной связи HART, хотя описанные здесь технические приемы и принципы могут применяться к беспроводным промышленным сетям автоматического управления и контроля, которые используют другие беспроводные протоколы промышленной автоматики в дополнение или вместо протокола беспроводной связи HART или к сетям, которые используют только проводную связь.
[0059] Сеть беспроводной связи 150 содержит шлюз 151, соединенный с магистральной линией связи 120 проводным способом, и может взаимодействовать с главными рабочими станциями 111, используя соответствующий протокол. Шлюз 151 может быть выполнен в виде в виде отдельного устройства, такого, как плата, которую можно вставить в гнездо для расширительной платы одной из главных рабочих станций 111, как часть подсистемы ввода-вывода системы программируемого логического контроллера или распределенной системы управления или в любом другом виде. Шлюз 151 может обеспечивать главным рабочим станциям 111 и выполняющимся на них приложениям доступ к различным устройствам беспроводной сети промышленной автоматики 150. В дополнение к протоколу и преобразованию сигналов управления шлюз 151 может осуществлять синхронизацию, которая используется слотами времени и суперфреймами (т.е. наборами коммуникационных слотов времени, которые в равной мере отстоят друг от друга по времени) схем планирования беспроводной сети промышленной автоматики 150.
[0060] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения шлюз 151 функционально разделен на виртуальный шлюз 152 и один или несколько пунктов сетевого доступа 155. В системе управления технологическим процессом 100, проиллюстрированной на фиг. 8, пункты сетевого доступа 155 являются отдельными физическими устройствами, которые находятся в проводной связи со шлюзом 151. В качестве варианта элементы 151, 152, 155 и 158 могут вместо этого быть частями устройства, выполненного как одно целое, и/или соединения 158 могут быть беспроводными. Физически отдельные пункты сетевого доступа 155 могут быть, следуя определенной стратегии, размещены в нескольких отдельных местах, тем самым увеличивая общую надежность сети передачи данных 100 посредством компенсации плохого качества сигнала в местах размещения одного или нескольких пунктов сетевого доступа 155. Наличие многочисленных пунктов сетевого доступа 155 также обеспечивает дублирование в случае неисправности одного или нескольких пунктов сетевого доступа 155.
[0061] Устройство шлюза 151 может дополнительно содержать модуль системы программного обеспечения управления сетью 153 и модуль системы программного обеспечения менеджера защиты 154. В другом варианте осуществления настоящего изобретения модуль системы программного обеспечения управления сетью 153 и/или модуль системы программного обеспечения менеджера защиты 154 может работать на главной рабочей станции 111. Например, модуль системы программного обеспечения управления сетью 153 может работать на стационарной главной рабочей станции 111а, а модуль системы программного обеспечения менеджера защиты 154 может работать на портативной главной рабочей станции 111b. Модуль системы программного обеспечения управления сетью 153 может отвечать за такие задачи, как например, конфигурирование сети передачи данных 100, планирование взаимодействия между многочисленными беспроводными устройствами, использующими протокол связи HART (например, настойка конфигурации суперфреймов), управление таблицами маршрутизации и мониторинг и выдача отчета, например, о работоспособности беспроводной сети промышленной автоматики 150. Несмотря на то, что могут поддерживаться резервные модули системы программного обеспечения управления сетью 153, пример варианта реализации настоящего изобретения содержит только один активный модуль системы программного обеспечения управления сетью 153 на одну беспроводную сеть промышленной автоматики 150. Модуль системы программного обеспечения менеджера защиты 154 может отвечать за управление защитными ключами шифрования и их распределение и может поддерживать перечень устройств, которые получают разрешение для входа, например, в беспроводную сеть промышленной автоматики 150 и/или в проводную сеть промышленной автоматики 110.
[0062] Беспроводная сеть промышленной автоматики 150 также содержит одно или несколько полевых устройств 156, 157, каждое из которых тем или иным образом оборудовано для беспроводной связи с другими устройствами 156, 157, главной рабочей станцией, портативным устройством и т.п. Каждое из полевых устройств 156, 157 может быть, например, клапаном, позиционером клапана, переключателем, датчиком (например, температуры, давления, вибрации, скорости потока или показателя pH), насосом, вентилятором и т.п. или комбинацией двух или более таких устройств. Полевые устройства 156, 157 осуществляют управление, мониторинг и/или физические функции в технологическом процессе или в автоматическом управлении процессом с обратной связью, такие как, например, открытие и закрытие клапанов или выполнение измерений параметров технологического процесса. В примере беспроводной сети промышленной автоматики 150 полевые устройства 156, 157 также являются производителями и потребителями пакетов беспроводной связи, как например, пакетов WirelessHART. Некоторые или все полевые устройства 156, 157 могут дополнительно служить в качестве маршрутизаторов для сообщений от других устройств и к ним.
[0063] Полевые устройства 156 могут быть беспроводными устройствами WirelessHART, то есть каждое из полевых устройств 156 поставляется как интегрированный блок, поддерживающий все уровни пакета протоколов WirelessHART. Например, полевое устройство 156а может быть измерителем скорости потока WirelessHART, полевые устройства 156b могут быть датчиками давления WirelessHART, полевое устройство 156с может быть позиционером клапана WirelessHART, а полевое устройство 156d может быть датчиком вибрации WirelessHART. Полевое устройство 157а может быть обычным устройством токовой петли 4-20 мА, а полевое устройство 157b может быть проводным устройством, совместимым с протоколом HART. В примере системы управления технологическим процессом 100, проиллюстрированной на фиг. 8, каждое из полевых устройств 157 соединено с беспроводной сетью промышленной автоматики 150 через адаптер WirelessHART (WHA) 158. Каждый адаптер WHA 158 также может поддерживать другие протоколы связи, как например FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS, DeviceNet и т.п. и в этом случае WHA 158 поддерживает передачу протокола на более низком уровне пакета протоколов. Одиночный адаптер WHA 158 может дополнительно функционировать как уплотнитель канала связи и поддерживать многочисленные устройства, совместимые или не совместимые с протоколом связи HART.
[0064] Персонал предприятия может использовать мобильные карманные или портативные устройства связи вместо, или в дополнение главной рабочей станции для начальной настройки, установки, управления, контроля и/или обеспечения функционирования сетевых устройств и другого промышленного оборудования. В самом общем виде портативное устройство связи ("портативный приемопередатчик") является портативной единицей оборудования, которую можно напрямую подключать к полевому устройству 122, 156, 158 через беспроводное или проводное соединение, или оно может напрямую соединяться с беспроводной сетью промышленной автоматики 150 или соединяться с ней через шлюз 151. В примере системы управления технологическим процессом 100, проиллюстрированной на фиг. 8, портативное устройство связи 125 напрямую соединяется с полевым устройством 122f через проводное соединение, а портативное устройство связи 165 напрямую соединяется с беспроводной сетью промышленной автоматики 150. При подключении к определенной беспроводной сети промышленной автоматики 150 портативное устройство связи 165 может соединяться с беспроводной сетью промышленной автоматики 150 как дополнительное полевое устройстве, например, беспроводное устройство WirelessHART. При взаимодействии с конечным сетевым устройством, которое не подключено к беспроводной сети WirelessHART, портативное устройство связи 165 может работать как комбинация устройства шлюза 151 и модуля системы программного обеспечения управления сетью 153 посредством формирования своей собственной сети WirelessHART с конечным сетевым устройством. Дополнительно в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения полевое устройство 122, которое в большинстве случаев является частью проводной сети промышленной автоматики 110, может быть адаптировано к беспроводной связи при помощи портативного устройства связи (например, портативного устройства связи 165) через беспроводной адаптер. В самом общем виде термин "главный", как он используется в настоящем документе, может относиться к любому стационарному или портативному устройству, такому как, например рабочая станция, использующаяся для текущего контроля и управления полевыми устройствами; станция мониторинга; портативное устройство связи, которое соединяется с полевым устройством каким бы то ни было образом, используя беспроводное или проводное соединение; или группа таких устройств, объединенных в сеть передачи данных, которая используется для установления связи с полевыми устройствами.
[0065] Снова обращаясь к фиг. 8, беспроводная сеть промышленной автоматики 150 типовой системы управления технологическим процессом 100 также содержит устройство маршрутизатора 162. Устройство маршрутизатора 162 является сетевым устройством, которое пересылает пакеты от одного сетевого устройства к другому. Сетевое устройство, которое действует как маршрутизатор, использует внутренние таблицы маршрутизации для определения других сетевых устройств, которым сетевой маршрутизатор должен пересылать определенный пакет. Автономные маршрутизаторы, как например маршрутизатор 162, могут не требоваться там, где маршрутизацию поддерживают другие устройства беспроводной сети промышленной автоматики 150. Однако может быть целесообразным добавить специализированный маршрутизатор 162 к беспроводной сети промышленной автоматики 150, например, с целью расширения сети, или с целью экономии энергии полевых устройств в сети.
[0066] Все устройства, напрямую подключенные к беспроводной сети промышленной автоматики 150, могут рассматриваться как сетевые устройства беспроводной сети промышленной автоматики 150. В частности, беспроводные полевые устройства WirelessHART 156, 157, адаптеры WHA 158, маршрутизаторы 162, шлюз 151, пункты сетевого доступа 155 и мобильное карманное устройство 165 для целей маршрутизации и планирования могут рассматриваться как сетевые устройства беспроводной сети промышленной автоматики 150. Для того чтобы обеспечить надежную и легко расширяемую сеть, все сетевые устройства могут поддерживать маршрутизацию, а каждое сетевое устройство может быть глобально идентифицировано по его адресу HART. Кроме того, модуль системы программного обеспечения управления сетью 153 может содержать полный перечень сетевых устройств и присваивать каждому устройству уникальное сетевое имя (например, 16-битное имя). Кроме того, каждое сетевое устройство может хранить информацию, относящуюся к частоте обновлений, сеансам связи и ресурсам устройств. Короче говоря, каждое сетевое устройство может поддерживать обновленную информацию, относящуюся к маршрутизации и планированию. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения модуль системы программного обеспечения управления сетью 153 передает эту информацию на сетевые устройства во всех случаях, в то время как новые устройства (например, новые полевые устройства) подключаются к сети или во всех случаях, в то время, как устройство управления сетью обнаруживает или инициирует изменение в конфигурации или планировании беспроводной сети промышленной автоматики 150.
[0067] В дополнение к генерации, получению и/или передаче данных, относящихся к основным операциям системы управления технологическим процессом 100 (например, данные датчиков температуры, данные о положениях регулировочного клапана и т.п.), устройства системы управления технологическим процессом 100 могут передавать данные, относящиеся к обеспечению функционирования устройств в системе управления 150. Например, полевое устройство может посылать данные на главный компьютер, в то время как полевое устройстве работает не надлежащим образом (например, в то время, как золотник позиционера клапана не работоспособен) или находится под угрозой не надлежащей работы (например, в то время, как напряжение модуля питания устройства падает ниже определенного уровня). В другом примере полевое устройстве может непрерывно или периодически посылать на главный компьютер определенные данные, относящиеся к правильной работе (например, данные, свидетельствующие, что определенное действие или действия были успешно исполнены полевым устройством). Главный компьютер (например, главная рабочая станция 111), получая такие данные, может на их основе выводить на экран параметры посредством графического пользовательского интерфейса, тем самым позволяя человеку-оператору принимать соответствующие корректирующие или превентивные меры, или может использовать такие данные для хранения записей за прошлый период работы оборудования и/или для управления в системе управления технологическим процессом 100.
[0068] Несмотря на то, что фиг. 8 отображает сеть передачи данных 100 как содержащую обе сети - проводную сеть промышленной автоматики 110 и беспроводную сеть промышленной автоматики 150, коммуникационная сеть 100 вместо этого может содержать только проводную сеть промышленной автоматики 110 или только беспроводную сеть промышленной автоматики 150. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения беспроводная сеть промышленной автоматики 150 является беспроводной сотовой сетью передачи данных.
[0069] Хотя различные функции и/или системы полевых устройств были описаны в настоящем документе как "модули", "компоненты" или "функциональные блоки", следует отметить, что эти термины не ограничиваются лишь едиными интегрированными устройствами. Кроме того, хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретные примеры, эти примеры имеют целью только иллюстрацию и не имеют целью ограничивать настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники будет понятно, что в раскрытые варианты реализации настоящего изобретения могут быть внесены изменения, дополнения или удаления без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Например, одна или несколько частей способов реализации, описанных выше, могут выполняться в различном порядке (или одновременно) и, тем не менее, достигать желаемых результатов.