ДВУХПРОВОДНОЕ ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОЦЕССА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ МАКСИМИЗАЦИЮ МОЩНОСТИ, ДОСТУПНОЙ ДЛЯ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА ПРИ МИНИМАЛЬНОМ ТОКЕ КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ
DOUBLE-WIRE FIELD DEVICE FOR INDUSTRIAL PROCESS PROVIDING MAXIMISATION OF POWER AVAILABLE FOR DEVICE CIRCUITRY WITH MINIMUM CONTROL LOOP CURRENT

Область техники
Настоящее изобретение относится к технологическим полевым устройствам типа используемого для мониторинга или управления промышленным процессом. В частности, настоящее изобретение относится к технологическим полевым устройствам, которые запитываются энергией, принимаемой от двухпроводного промышленного контура управления.
Промышленные процессы используются в различных областях применения. Например, такие системы используются для производства или управления технологическими текучими средами. Примеры включают в себя нефтеочистительные заводы, пищевое производство, производство бумажной массы и т.д. В таких промышленных процессах используются технологические текучие среды. Осуществляется мониторинг или управление различными технологическими переменными параметрами технологических текучих сред. Примеры технологических переменных параметров включают в себя температуру, давление, расход, уровень и т.д. В промышленных процессах используются технологические полевые устройства для измерения и/или управления переменными параметрами процесса. Полевое устройство, которое измеряет переменный параметр процесса, часто называют передатчиком переменного параметра процесса. Полевое устройство, которое используется для управления переменным параметром процесса, может называться контроллером переменного параметра процесса.
Во многих промышленных процессах технологические полевые устройства связаны с центральным пунктом, таким как центр управления. Параметры процесса передаются в центр управления, и оборудование центра управления можно использовать для управления процессом посредством передачи сигналов управления в контроллеры переменных параметров процесса. Во многих промышленных процессах используются двухпроводные контуры управления промышленным процессом для связи с технологическими полевыми устройствами. В такой конфигурации уровень тока в контуре управления процессом может быть установлен на значение, которое представляет измеряемый переменный параметр процесса, или же установлен на значение, которое представляет желаемое значение для управления переменным параметром процесса. Примером является двухпроводной контур управления процессом, который работает в соответствии со стандартом связи HART. В такой конфигурации можно управлять уровнем тока через контур управления процессом для представления переменного параметра процесса, и можно передавать дополнительную цифровую информацию посредством модуляции цифрового сигнала на аналоговый уровень тока.
Многие технологические полевые устройства сконфигурированы с возможностью питаться от одного и того же двухпроводного контура управления процессом, используемого для передачи информации. Двухпроводной контур управления процессом может быть соединен с одним полевым устройством или с несколькими полевыми устройствами (многоабонентская линия). Это ограничивает мощность, которая доступна для технологического полевого устройства. Во многих случаях желательно максимально увеличивать мощность, доступную для схем технологического полевого устройства.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технологическое полевое устройство для использования при мониторинге или управлении промышленным процессом включает в себя первый и второй выводы контура, сконфигурированные с возможностью соединения с двухпроводным контуром управления промышленным процессом. Схема полевого устройства сконфигурирована с возможностью мониторинга или управления переменным параметром промышленного процесса. Схема полевого устройства запитывается мощностью через силовые соединения от двухпроводного контура управления промышленным процессом. Регулятор тока последовательно соединен с двухпроводным контуром управления промышленным процессом, первым и вторым выводами контура и схемой полевого устройства. Регулятор тока сконфигурирован с возможностью управления током контура, протекающим через контур управления процессом. Регулятор напряжения соединен параллельно регулятору тока и последовательно с двухпроводным контуром управления промышленным процессом, первым и вторым выводами контура и схемой полевого устройства. Регулятор напряжения сконфигурирован с возможностью управления напряжением на схеме полевого устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 - упрощенная схема системы мониторинга или управления промышленным процессом;
фиг. 2 - упрощенная блок-схема технологического полевого устройства, согласно фиг. 1;
фиг. 3 - блок-схема силовой структуры технологического полевого устройства, согласно уровню техники;
фиг. 4 - блок-схема силовой структуры технологического полевого устройства, согласно уровню техники, с использованием технологии экономии мощности;
фиг. 5 - упрощенная электрическая схема последовательного регулятора, согласно уровню техники, используемого в схеме на фиг. 4;
фиг. 6 - упрощенная блок-схема электроснабжения, согласно данному изобретению, для питания технологического полевого устройства;
фиг. 7 - электрическая схема для фиг. 6.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает способ и устройство для возвращения или «извлечения» мощности из двухпроводного контура управления процессом в технологическом полевом устройстве. В одной конфигурации настоящее изобретение предлагает регулятор тока и регулятор напряжения, соединенные последовательно с контуром управления процессом и параллельно друг другу. Схема технологического полевого устройства последовательно соединена с регуляторами тока/напряжения и питается мощностью от двухпроводного контура управления процессом. Большой конденсатор можно использовать параллельно технологическому полевому устройству для сохранения энергии.
L
L
Фиг. 1 изображает упрощенную блок-схему системы 100 управления или мониторинга промышленным процессом, сконфигурированную с возможностью управления или мониторинга технологической текучей средой, транспортируемой в технологическом трубопроводе 102. Полевое устройство 104 соединено с технологическим трубопроводом и связано с центральным блоком 106 управления через двухпроводной контур 108 управления процессом. Блок 106 управления смоделирован в виде сопротивления 110 и источника 112 питания. Двухпроводной контур управления процессом может работать в соответствии с любым подходящим протоколом связи. Например, протоколом связи HART, в котором переменный параметр процесса представлен током I, протекающим через контур 108, который лежит в диапазоне от низкого значения 4 мА до высокого значения 20 мА. Цифровая информация может быть модулирована на ток I контура для передачи дополнительной информации. В другой конфигурации контур 108 управления процессом несет лишь цифровую информацию. Полевое устройство 104 изображено как включающее в себя элемент 120 интерфейса для сопряжения с технологической установкой. Если полевое устройство 104 выполнено в качестве передатчика переменных параметров процесса, то элемент 120 интерфейса для сопряжения с технологической установкой может содержать датчик, такой как датчик давления, датчик температуры и т.д. Аналогичным образом, если полевое устройство 104 сконфигурировано как контроллер переменных параметров процесса, то элемент 120 интерфейса для сопряжения с технологической установкой может быть сконфигурирован как элемент управления, такой как исполнительный механизм, для управления положением клапана, нагревательным элемент и т.д.
Фиг. 2 изображает упрощенную блок-схему полевого устройства 104. Полевое устройство 104 включает в себя схему 140 полевого устройства. Полевое устройство 104 включает выводы 136 и 138 контура, которые используются для соединения с контуром 108 управления процессом. Схема 140 полевого устройства включает в себя, например, микропроцессор 142, а также другие схемы, которые не изображены. Схема 140 полевого устройства используется для восприятия переменного параметра процесса из элемента 120 интерфейса для сопряжения с технологической установкой, если полевое устройство 104 сконфигурировано как передатчик переменного параметра процесса. Аналогичным образом, схема 140 полевого устройства сконфигурирована с возможностью управления элементом 120 интерфейса для сопряжения с технологической установкой, если полевое устройство 104 сконфигурировано как контроллер переменного параметра процесса. Схема 146 электропитания изображена в последовательном соединении с контуром 108 управления процессом, как будет подробно пояснено ниже. Схема 146 электропитания используется также для приема или передачи информации по контуру 108 управления процессом и соединена со схемой 140 полевого устройства.
Как указывалось выше, во время нормальной работы контур 108 управления процессом пропускает ток в диапазоне между 4 мА и 20 мА. Однако некоторые запитывающиеся от контура устройства имеют признак низкого порога аварийной сигнализации, что приводит к выходу тока контура за пределы диапазона вниз (ниже 4 мА) в случае неисправности устройства. Нижний предел тока при аварийной сигнализации может составлять 3,6 мА. Это сдвигает нижний предел тока покоя, который может использоваться электронной схемой внутри устройства, до 3,6 мА или ниже. Доступная мощность используется для запитывания датчиков, измерительных схем, схем регулирования, микроконтроллеров, которые выполняют алгоритмы программного обеспечения и много других функций.
L
L
Многие технологические устройства имеют электронную структуру электропитания, в которой используется последовательный регулятор и шунтирующий регулятор. Фиг. 3 изображает упрощенную схему такой структуры, согласно уровню техники, в которой полевое устройство 160 включает в себя выводы 162 и 164 для соединения с двухпроводным контуром управления процессом. Последовательный регулятор 166 последовательно соединен с контуром управления процессом и схемой 168 полевого устройства 160. Шунтирующий регулятор 170 параллельно соединен с выводами 162 и 164 контура и используется для шунтирования тока между выводами 162 и 164. Воспринимающий резистор 172 обеспечивает напряжение для шунтирующего регулятора 170, обеспечивая тем самым обратную связь с шунтирующим регулятором 170 относительно тока I контура. Последовательный регулятор 166 обеспечивает регулируемое напряжение для электроники 168 устройства, которое включает в себя датчики, аналого-цифровые преобразователи, микроконтроллеры и т.д. Шунтирующий регулятор 170 выполнен с возможностью управления током контура до желаемого уровня тока. Регулятор 170 получает обратную связь из воспринимающего ток резистора 172, что позволяет управлять током I контура.
Шунтирующий регулятор 170 принимает входной сигнал от аналого-цифрового преобразователя, который связан с уровнем постоянного тока, например, сигналом 4-20 мА. Регулятор 170 принимает второй входной сигнал из модема HART, который связан с исходящими (передаваемыми) цифровыми сообщениями HART. Протокол HART предписывает, что передаваемые сообщения, которые передаются в контур управления процессом, имеют модулированную 1 мА от пика до пика форму волны. Таким образом, шунтирующий регулятор 170 должен модулировать ток контура ±0,5 мА для сообщений HART. Увеличение тока контура на 0,5 мА не является трудным. Однако шунтирующий регулятор 170 не может подводить отрицательный ток в контур. Поэтому для уменьшения тока контура на 0,5 мА должен иметься ток смещения, равный по меньшей мере 0,5 мА, который уже протекает через регулятор 170. В результате необходимо резервировать 0,5 мА доступного тока для регулятора 170, с целью обеспечения возможности связи HART при низком уровне сигнального тока; это составляет 14% доступного тока. Устройство 160 ограничено запасом тока 3,6 мА, из которых 3,1 мА предназначены для работы схемы, а 0,5 мА  предназначены для обеспечения смещения шунтирующего регулятора 170.
Целью экономии тока является уменьшение тока смещения шунтирующего регулятора до 0,5 мА и обеспечение доступности тока для схемы устройства. Это можно осуществлять посредством модуляции тока HART по тракту последовательного регулятора, а не по тракту шунтирующего регулятора. Во время положительной половины цикла цифровой модуляции HART избыточная энергия, забираемая из контура, сохраняется в больших конденсаторах. Во время отрицательной половины цикла модуляции HART, отбираемая из контура энергия уменьшается, однако она увеличивается за счет энергии, сохраненной во время положительной половины цикла.
Фиг. 4 изображает упрощенную схему такой конфигурации. Изображенные на фиг. 4 элементы, аналогичные изображенным на фиг. 3 элементам, обозначены теми же позициями.
Ссылаясь на фиг. 4, ток смещения шунтирующего регулятора 170 установлен на ноль, и все 3,6 мА доступного тока подаются в последовательный регулятор 166. Передаваемые сообщения HART подаются в последовательный регулятор 166, что приводит к модуляции тока ±0,5 мА. Ток протекает через большой конденсатор 180, соединенный параллельно схеме 168 устройства. Это является приемлемым допущением, если большой конденсатор 180 находится в тракте наименьшего сопротивления, т.е. полное сопротивление большого конденсатора 180 в диапазоне частот HART значительно меньше полного сопротивления схемы 168 или шунтирующего регулятора 170. Это не является трудно выполнимым требованием, поскольку полное сопротивление большого конденсатора 180 обычно меньше 25 Ом в диапазоне частот HART.
Следует отметить, что в конфигурации на фиг. 4, передаваемый сигнал HART все еще протекает к шунтирующему регулятору 170. Это осуществляется для обеспечения хорошей передаваемой формы волны HART по двухпроводному контуру 108. Любое несовершенство волны тока HART, проходящей через последовательный регулятор 166, исправляется с помощью шунтирующего регулятора 170, за счет чего обеспечивается правильная форма волны HART в контуре 108. Если форма волны HART в последовательном регуляторе 166 является достаточно правильной, то передаваемый сигнал HART не должен подаваться на шунтирующий регулятор 170, за счет чего упрощается конструкция шунтирующего регулятора 170.
Если форма волны в последовательном регуляторе 166 является правильной, то передаваемый ток HART, проходящий через шунтирующий регулятор 170, будет являться незначительным, и схема экономии энергии будет очень эффективной; почти все 0,5 мА тока могут быть восстановлены.
Однако, если форма волны в последовательном регуляторе 166 неправильна, то передаваемый ток HART, протекающий через шунтирующий регулятор 170, будет являться значительным, и схема экономии энергии будет не эффективной; лишь часть 0,5 мА тока смещения может быть возвращена.
Предшествующие попытки применения схемы извлечения энергии HART имели ограниченный успех. Они включали в себя обычно конструкцию схемы, которая добавляет функцию извлечения последовательному регулятору напряжения с использованием единственного элемента управления. Упрощенная версия этой схемы 166 изображена на фиг. 5. На фиг. 5 операционный усилитель 204 управляет полевым транзистором 202 на основе отрицательной обратной связи с выхода полевого транзистора 202, определяемой резисторами R1 и R2. Выходной сигнал с выхода операционного усилителя 204 подается на транзистор 202 через резистор 212. Передаваемый сигнал HART модулируется в контуре тока посредством подачи модулированного цифрового сигнала в транзистор 202 через резистор 208 и конденсатор 210. Как изображено на фиг. 5, основанный на операционном усилителе регулятор принимает также передаваемый сигнал управления HART для извлечения HART (Vtxa), что приводит к модуляции в токе контура. В этом случае операционный усилитель 204 действует в качестве элемента управления и управляет Vout, но не передаваемым током HART. Как изображено на фиг. 5, передаваемый сигнал HART подается на затвор полевого транзистора 202. Однако можно использовать другую конфигурацию с подачей сигнала модуляции в узел между резисторами R1 и R2 или в узел Vref операционного усилителя 204.
Выходное напряжение Vout определяется величиной опорного напряжения (Vref) и резисторами R1 и R2 в соответствии с уравнением 1:
Vout=Vref*(R1 + R2)/R2
Уравнение 1
Это является обычной структурой основанного на операционном усилителе регулятора напряжения, в которой используется проходной транзистор 202 в тракте обратной связи. Сигнал HART добавляется к сигналу управления транзистора 202 так, что когда передаваемый ток HART в 1 мА от пика до пика проходит через полевой транзистор 202 и большой конденсатор 180, то достигается извлечение энергии HART.
Большой коэффициент усиления операционного усилителя 204 обеспечивает возможность точного управления выходным напряжением Vout. Однако операционный усилитель 204 не участвует в управлении амплитудой тока передаваемой формы волны HART. Таким образом, точность формы волны HART зависит от регулирования различных резисторов и емкостей и от характеристик усиления активных элементов, таких как полевой транзистор 202. Эти параметры не являются хорошо управляемыми, и поэтому хорошее управление передаваемой формой волны HART отсутствует. Таким образом, эффективность схемы экономии энергии HART, изображенной на фиг. 5, является относительно низкой. Вместо возвращения 0,5 мА тока смещения из шунтирующей схемы возвращается меньшее значение (например, 0,1 или 0,2 мА).
Настоящее изобретение предлагает схему и способ точного регулирования передаваемого тока HART через последовательный регулятор, с тем чтобы получать повышенную эффективность извлечения HART. Однако конфигурация все еще обеспечивает адекватную гибкость выполнения для решения других проблем, таких как распространение шума к схеме контура.
Согласно настоящему изобретению, используются два элемента управления в последовательном регуляторе для обеспечения как регулирования напряжения, так и регулирования тока извлечения энергии HART. Использование двух отдельных элементов управления обеспечивает возможность улучшения управления обоими параметрами: выходным напряжением и передаваемым током HART.
Блок-схема последовательного регулятора изображена на фиг. 6. Элементы на фиг. 6, аналогичные поясненным выше элементам, обозначены теми же позициями. Дополнительно к указанному выше шунтирующему регулятору 170, изображенная на фиг. 6 конфигурация включает в себя регулятор 220 тока и регулятор 222 напряжения, соединенные параллельно, как будет подробно пояснено ниже. Регулятор 222 напряжения управляет выходным напряжением до желаемого уровня. Регулятор 220 тока имеет ток смещения по меньшей мере 0,5 мА и предпочтительно 1 мА или больше. Этот ток смещения проходит в схему 168, так что он не пропадает, как в конфигурации шунтирующего регулятора на фиг. 3. Поскольку общий ток покоя выбран равным 3 мА или больше, то эта конфигурация работает правильно, поскольку всегда имеется ток, протекающий через оба регулятора 220, 222. Например, при токе покоя 3 мА может иметься ток смещения 1 мА в регуляторе 220 тока и другой ток в 2 мА в регуляторе 222 напряжения. Флуктуации тока покоя Iq компенсируются посредством регулирования тока в регуляторе 222 напряжения.
q
Хотя регуляторы 220, 222 соединены параллельно, между ними нет конкуренции, поскольку регулятор 222 регулирует напряжение, в то время как регулятор 220 регулирует ток. Когда передается сообщение HART, то модуляция HART (1 мА от пика до пика) накладывается на ток смещения 1 мА в регуляторе 220 тока. Таким образом, выходной ток сети является током покоя I и током модуляции HART. Схема 168 включает в себя модем HART, сконфигурированный с возможностью подачи сигнала ТХА в регулятор 220. Как указывалось выше, схема 168 обеспечивает также аналоговый сигнал управления 4-20 мА для шунтирующего регулятора 170.
out
ref
OUT
S
OUT
OUT
Упрощенная схема одного примера выполнения последовательного регулятора изображена на фиг. 7. Элемент А1 является элементом управления для регулятора 222 напряжения, а элемент А2 является элементом управления для регулятора 220 тока. В изображенной на фиг. 7 схеме в регуляторе 222 напряжения используется полевой транзистор М1 для управления выходным напряжением V. Управление полевым транзистором М1 осуществляется с использованием операционного усилителя А1, который принимает отрицательную обратную связь, которая сравнивается с опорным напряжением V. Отрицательная обратная связь основана на резисторах R1 и R2. Ток I регулируется регулятором 222 тока с использованием полевого транзистора М2. Управление полевым транзистором М2 осуществляется с использованием операционного усилителя А2, который принимает отрицательную обратную связь через резисторы R3 и R4. Воспринимающее сопротивление R размещено последовательно с М2 для обеспечения напряжения обратной связи, пропорционального I. Цифровой сигнал модулируется на ток I с использованием входного напряжения Vtxa. Величиной модуляции можно управлять с использованием резисторов R5 и R6.
Выходное напряжение регулятора напряжения определяется тем же выражением, что и на фиг. 5:
Vout=Vref*(R1+R2)/R2
Уравнение 2
out
Ток смещения регулятора 220 тока зависит от выходного напряжения V и резисторов схемы. Ток модуляции HART зависит от передаваемого сигнала из модема (Vtxa) и резисторов схемы. Конденсатор Ctx является достаточно большим, так что в диапазоне частот HART его полное сопротивление значительно меньше сопротивления резистора R6, что позволяет пренебрегать им при анализе схемы переменного тока. Выходной ток определяется уравнением 3:
Уравнение 3
txa(AC)
txa
txa
out
В уравнении 3 V обозначает составляющую переменного тока напряжения V, поскольку конденсатор Ctx блокирует составляющую постоянного тока напряжения V. В уравнении 3 все параметры хорошо поддаются управлению, так что выходной ток I является точным относительно желаемого тока смещения (например, 1 мА) и тока модуляции HART (1 мА от пика до пика), что обеспечивает очень эффективное извлечение HART.
TM
Хотя описание данного изобретения дано выше применительно к предпочтительным вариантам осуществления, для специалистов в данной области техники понятно, что возможны изменения как по форме, так и в деталях, без отхода от идеи и объема изобретения. Хотя приведенное выше описание относится к протоколу HART, данное изобретение можно использовать также с другими конфигурациями контура связи, такими как основанная на Fondation Fieldbus система связи.