ЗАЩИТА НА ВХОДЕ ТОКОВОЙ ПЕТЛИ
CURRENT LOOP INPUT PROTECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее раскрытие изобретения относится к схеме устройства управления процессом и, более конкретно, к контуру защиты на входе для устройств, управляемых или сигнализирующих через аналоговые токовые петли.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Аналоговые токовые петли, такие как токовые петли 4-20 мА или более старые токовые петли 10-50 мА, обычно используются для передачи сигналов (например, измеренные показания датчиков, управляющие параметры и пр.) устройствам управления процессом, таким как исполнительные клапаны, регуляторы частоты вращения двигателя, щитовые измерительные приборы и т.д. По типичному сценарию, датчик или контроллер обеспечивает выходное напряжение, представляющее показание прибора, такое как измеренное значение (например, температуры, давления и т.д.) или заданное значение, соответственно, и передатчик конвертирует выходное напряжение в пропорциональный 4-20 мА ток в замкнутой токовой петле. Затем устройство управления процессом принимает токовый сигнал 4-20 мА и обрабатывает сигнал с использованием внутреннего сопротивления, которое легко может быть измерено аналоговым входом устройства управления процессом.
[0003] Некоторые устройства управления процессом, принимающие сигналы от токовых петель, получают питание от самой токовой петли, но другие устройства получают энергию от отдельных рабочих источников питания. В прошлом, устройства управления процессами, такие как полевые приборы, расположенные на удаленных нефтегазопромысловых сооружениях, были запитаны энергией сжатого воздуха. В таких случаях, приборы могли функционировать только с источником малых токов (4-20 мА), в целях сигнализации, в то время как другие компоненты приборов были с пневматическим приводом.
[0004] Тем не менее, в последние годы множество полевых приборов или устройств управления процессами запитывают от рабочего источника электроэнергии, отдельно от токовой петли 4-20 мА. Например, некоторые исполнительные приводы клапанов получают питание для работы от подводимого напряжения, такого как +10 В и -10 В, даже несмотря на то, что исполнительные приводы клапанов получают управляющие сигналы через токовую петлю 4-20 мА. В связи с этим, может возникнуть ситуация, в которой к прибору подается ток 4-20 мА, в то время как определенные компоненты не получают питания от соответствующих рабочих источников напряжения, как при перебое в подаче электроэнергии. Такая ситуация часто приводит к повреждению чувствительных электронных компонентов (например, интегральных схем).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Защитная цепь для защиты компонента устройства управления процессом содержит вход токовой петли, выполненный с возможностью принимать ток, пропорциональный показанию прибора, и вход рабочего напряжения, выполненный с возможностью переключаться на источник напряжения и принимать от источника напряжения сигнал первичного напряжения, причем вход рабочего напряжения дополнительно способен поставлять питание компонентам, таким как устройство управления процессом, которое управляет процессом в соответствии с показанием прибора. Защитная цепь дополнительно содержит множество компонентов защитной цепи, выполненных с возможностью подавать компоненту сигнал вторичного напряжения от входа токовой петли, когда сигнал первичного напряжения ниже первого порога, и подавать компоненту сигнал первичного напряжения от входа рабочего напряжения, когда сигнал первичного напряжения выше первого порога.
[0006] Устройство управления процессом содержит компонент интегральной схемы, источник рабочего напряжения, соединенный с входом напряжения компонента интегральной схемы и защитную цепь с входом токовой петли. Защитная цепь выполнена с возможностью подавать компоненту сигнал вторичного напряжения от входа токовой петли, когда сигнал первичного напряжения ниже первого порога, и подавать компоненту первичный сигнал напряжения от источника рабочего напряжения, когда первичный сигнал напряжения выше первого порога.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0007] Фиг. 1 иллюстрирует систему примера, в которой защитная цепь дает возможность токовой петле поставлять питание компонентам устройства управления процессом.
[0008] Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему примера схемы устройства с защитной цепью, которая может быть реализована в устройстве управления процессом, проиллюстрированном на Фиг. 1.
[0009] Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему другого примера схемы устройства с защитной цепью, которую можно реализовать в устройстве управления процессом, проиллюстрированном на Фиг. 1.
[0010] Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему еще одного примера схемы устройства с защитной цепью, которую можно реализовать в устройстве управления процессом, проиллюстрированном на Фиг. 1.
[0011] Фиг. 5 представляет собой график характеристик, связанных с фильтром, реализованном в примере схемы устройства, проиллюстрированном на Фиг. 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Настоящее раскрытие изобретения относится к защитной цепи для устройства управления процессом, такого как, например, исполнительный привод клапана, и, конкретнее, к предотвращению повреждения компонентов устройства посредством защитной цепи. В частности, в соответствии с настоящим раскрытием изобретения, защитная цепь дает возможность аналоговой токовой петле (например, 4-20 мА) поставлять питание устройству управления процессом в отсутствие рабочего источника напряжения (например, в течение отключения электроэнергии), так что компоненты устройства управления процессом не повреждаются, когда сигнал от аналоговой токовой петли подается в не снабженное энергией устройство управления процессом.
[0013] Обратимся теперь к Фиг. 1, где приведенная в качестве примера система 100, спроектированная в соответствии с одним из вариантов настоящего раскрытия изобретения, содержит устройство управления процессом 102 с защитной цепью 104. В качестве примера, устройство управления процессом 102 может содержать управляющий клапан с электроприводом, исполнительный привод, мотор, пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) контроллер, каскадный регулятор и т.п., а также устройство управления процессом 102 может представлять собой часть производственного предприятия, нефтегазопромысловых сооружений, нефтеперерабатывающих заводов, системы управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием (HVAC) и т.д.
[0014] Устройство управления процессом 102 принимает управляющие сигналы через токовую петлю 106, такую как токовая петля 4-20 мА, получив питание, например, от контура подачи электропитания 108. В варианте реализации изобретения, устройство для вывода сигнала 110, такое как датчик (например, термометр, датчик давления, спидометр и т.д.) или контроллер, выводит напряжение, пропорциональное показанию прибора, такому как измеренное значение (например, температуры, давления, скорости и т.д.) или заданному значению, соответственно. Устройство для вывода сигналах 10 выводит напряжение к передатчику 112, и, в свою очередь, передатчик 112 преобразует и/или усиливает напряжение от устройства для вывода сигнала 110, для создания пропорционального токового сигнала в токовой петле 106. В варианте реализации изобретения, после измерения сигнала токовой петли (например, посредством измерения напряжения на внутреннем сопротивлении), устройство управления процессом 102 может запустить функции устройства, реализовать подходящую логику управления и т.п. Контур подачи электропитания 108 поставляет энергию в цепь.
[0015] Хотя на Фиг. 1 передатчик 112, контур подачи электропитания 108 и/или устройство вывода сигнала 110 иллюстрированы в виде отдельных компонентов, они могут, в некоторых случаях, быть внутренними компонентами устройства управления процессом или контрольно-измерительного устройства. Например, устройство вывода сигнала 110 технологического контроллера может содержать машиночитаемые команды, выполняющие логические схемы управления, которые, после исполнения процессором, выводят цифровой управляющий сигнал или заданное значение передатчику 112. В таком случае, устройство вывода сигнала 110 и/или передатчик 112 могут содержать аналог цифрового преобразователя (не показан) для преобразования цифрового управляющего сигнала в напряжение.
[0016] Передатчик 112 может использовать сигнал 4 мА в токовой петле для индикации измерения нуля или калиброванного значения нуля от устройства вывода сигнала 110 и сигнал 20 мА в токовой петле для индикации, например, максимума, или полномасштабного измерения от устройства вывода сигнала 110. Кроме того, сам передатчик 112 может получать питание от цепи подачи электропитания 108, и, таким образом, при реализации изобретения, может быть выполнен с возможностью работать на меньшем, чем 4 мА токе, который может представлять нулевое измерение от устройства вывода сигнала 110.
[0017] При реализации изобретения, цепь подачи электропитания 108 может поставлять энергию постоянного тока (DC) таким образом, чтобы величина тока была пропорциональна выходу от устройства вывода сигнала 110. В некоторых вариантах реализации изобретения, подача энергии 108 может быть задана для функционирования на уровне, превышающем падение напряжения в проводах токовой петли 106 плюс падение напряжения на устройстве управления процессом 102 и напряжение, необходимое для работы передатчика 112.
[0018] Хотя устройство управления процессом 102 получает сигналы или управляется через токовую петлю 106, устройство управления процессом 102 получает питание от источника энергии 114. Источник энергии 114 поставляет энергию различным компонентам 116, включая некоторые цепи или компоненты (например, выходная цепь рабочего напряжения 115), которые поставляют рабочее напряжение другим цепям или компонентам. Например, источник энергии 114 может поставлять энергию регулятору, который может выводить положительное и отрицательное напряжения, которые, в свою очередь, подаются на шины питания устройства с интегральной схемой. Положительное и отрицательное напряжения обозначены на Фиг. 1 как +V и -V, соответственно, поскольку при реализации это напряжение может изменяться от устройства к устройству (например, от интегральной схемы (ИС) к интегральной схеме (ИС) и/или от устройства управления процессом к устройству управления процессом). Например, мотор внутри устройства управления процессом 102 может инициироваться или управляться посредством сигнала в токовой петле 106, при этом он получает питание для работы от источника энергии 114. Источник энергии 114 может содержать блок питания, присоединенный к электросети, например, где электросеть представляет собой вход в устройство управления процессом 102 через адаптер переменного тока (АС), или источник рабочего напряжения 114 может содержать блок питания, присоединенный к аккумуляторному источнику питания (в этом случае, он может быть расположен внутри устройства управления процессом 102). В некоторых случаях, источник энергии 114 может быть электрически соединен с выходной цепью рабочего напряжения 115, такой как блок питания или цепь регулятора, которая может трансформировать электросеть или другой сигнал напряжения (например, 120 В) в индивидуальные напряжения (например, ±3,3 В, ±10 В), причем индивидуальные напряжения можно подавать через соответствующие разъемы или входы компонентов, таких как интегральные схемы (ИС). В некоторых вариантах реализации изобретения, источник энергии 114 отделен от цепи подачи электропитания 108, так что перебой в подаче электроэнергии от одного из источника энергии 114 или цепи подачи электропитания 108, не приводит к перебою в подаче электроэнергии от другого.
[0019] В некоторых случаях, устройство управления процессом 102 может получать сигнал через токовую петлю 106, когда устройство управления процессом 102 не получает питания от источника энергии 114 или, по меньшей мере, когда компонент, который обычно получает сигнал первичного напряжения от выходной цепи рабочего напряжения 115, не получает сигнал первичного напряжения. Например, источник энергии 114 может подвергаться перебоям в подаче электроэнергии от заводской сети, или источник энергии 114 может представлять собой встроенный аккумуляторный источник энергии, у которого исчерпался заряд. В качестве альтернативы, один или более компонентов в выходной цепи рабочего напряжения 115, таких как регулятор, могут подвергаться перебоям. В этом случае, защитная цепь 104 предотвращает повреждение одного или более компонентов 116, таких как интегральные схемы (ИС) или инструментальные усилители, путем временной подачи одному или более компонентов 116 сигнала вторичного напряжения от токовой петли 106 через разъемы или входы, которые предназначены для приема сигнала первичного напряжения. Таким образом, компоненты 116 способны принимать входной сигнал от токовой петли 106 без повреждения, даже при отсутствии сигнала напряжения от выходной цепи рабочего напряжения 115 (например, когда сигнал напряжения от выходной цепи рабочего напряжения 115 ниже порога). Например, токовая петля 106 может поставлять напряжение через силовые шины интегральной схемы (ИС), так что ИС получает питание, когда принимает управляющие сигналы (например, от токовой петли 106) через другие разъемы ИС. Дополнительные подробности по примерам защитных цепей описаны со ссылкой на Фиг. 2 и Фиг. 3.
[0020] Хотя приведенная в качестве примера система 100 содержит одно устройство управления процессом 102, одну токовую петлю 106 и одну защитную цепь 104, передатчик может передавать управляющие сигналы любому количеству устройств управления процессами с любым количеством защитных цепей. Например, устройство управления процессом может содержать многочисленные компоненты, каждый из которых защищен отдельной защитной цепью. В качестве альтернативы, одна защитная цепь может защищать многочисленные компоненты в устройстве управления процессом через соединение многочисленных компонентов с шиной, которая распределяет сигнал токовой петли по многочисленным компонентам.
[0021] Кроме того, хотя приведенная в качестве примера токовая петля 106 проиллюстрирована как двухпроводная или токовая петля "Типа 2", токовые петли по настоящему изобретению могут быть любого подходящего типа. Например, токовая петля может быть трехпроводной, где передатчик, устройство управления процессом и источник питания используют совместно заземляющее соединение и третий провод соединен с рабочим напряжением, или токовая петля может быть четырехпроводной, которая может получать питание от переменного тока (АС).
[0022] Фиг. 2 иллюстрирует принципиальную схему приведенной в качестве примера схемы устройства 200, содержащую защитную цепь для предотвращения повреждения компонентов устройства. Схема устройства 200 может быть реализована, например, в устройстве управления процессом 102.
[0023] Схема устройства 200 содержит вход 202 от токовой петли (например, 4-20 мА) и входы рабочего напряжения 204 от источника рабочего напряжения (например, от выходной цепи рабочего напряжения 115). В данном варианте реализации изобретения, входы рабочего напряжения 204 могут получать рабочее напряжение для одного или более компонентов устройства управления процессом, а вход 202 от токовой петли может получать сигналы управления (например, пропорциональные выходу датчика или заданному значению) на устройство управления процессом. Компоненты, получающие напряжение от входов рабочего напряжения 204, могут содержать, например, усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206. Хотя в качестве компонента, приведенного в качестве примера на Фиг. 2, будет использоваться усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206, получать первичное рабочее напряжение от входов рабочего напряжения 204 и быть защищенными защитной цепью могут любые подходящие компоненты устройства управления процессом, включая другие ИС, печатные монтажные платы (ПМП), потенциометры, резисторы, конденсаторы, микроэлектромеханические системы (МЭМС), и т.д.
[0024] В определенных случаях, передатчик, такой как передатчик 112, может посылать сигнал через токовую петлю на вход токовой петли 202, когда усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206 не получает рабочего напряжения на входах рабочего напряжения 204 (например, напряжение на входах рабочего напряжения 204 ниже порога, таком как при 0 В). В таком случае, защитная цепь 104 по схеме устройства 200, которая может содержать один или более диодов 208, например, дает возможность усилителю контрольно-измерительной аппаратуры 206 (т.е., компоненту устройства управления процессом) принимать вторичное рабочее напряжение, полученное от тока, проходящего через вход петли 202. Таким образом, усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206 временно получает вторичное рабочее напряжение, когда первичное рабочее напряжение, получаемое на входах рабочего напряжения 204, ниже заданного порогового значения. Таким путем, усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206 не получает сигнал через вход токовой петли 202 в то же самое время, когда усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206 не получает рабочего напряжения; вторичное рабочее напряжение защищает усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206 от связанного с этим повреждения.
[0025] Диоды 208 защитной цепи 104 могут представлять собой любые подходящие диоды с низким падением напряжения при прямом включении, такие как, например, диоды Шоттки. Хотя приведенная в качестве примера защитная цепь содержит восемь диодов 208, можно использовать любое подходящее количество и любые подходящие типы диодов, чтобы дать возможность токовой петле временно обеспечивать компоненты устройства управления процессом вторичным рабочим напряжением.
[0026] В другом случае, рабочее напряжение прилагают к схеме устройства 200 через входы рабочего напряжения 204. В этом случае, усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206 скорее может получать первичное рабочее напряжение через входы рабочего напряжения 204, чем принимать вторичное рабочее напряжение, получаемое из тока, проходящего через вход токовой петли 202. Следовательно, защитная цепь 104 дает возможность компонентам устройства управления процессом получать вторичное, или резервное рабочее напряжение, извлекаемое из токовой петли в отсутствие источника первичного напряжения, в то же время сохраняя возможность питания компонентов из источника первичного напряжения, когда этот источник доступен.
[0027] Дополнительно к уже упомянутым компонентам защитной цепи (диоды 208), защитная цепь схемы устройства 200 может содержать на входе 202 токовой петли контур делителя напряжения 210. Контур делителя напряжения 210 дает возможность схеме устройства 200 принимать сигналы токовой петли от передатчиков или источников энергии, действуя при любых напряжениях, таких как, например, 12 В, 15 В, 14 В или 36 В постоянного тока. Некоторые передатчики могут работать при напряжениях, более высоких, чем индивидуальное напряжение, соответствующее рабочему напряжению входа 204. Таким образом, для защиты усилителя контрольно-измерительной аппаратуры 206 или других компонентов устройства управления процессом, контур делителя напряжения 210 делит напряжение на концах входа токовой петли 202 таким образом, что напряжение на концах входа токовой петли 202 можно использовать для питания усилителя контрольно-измерительной аппаратуры 206 в отсутствие первичного рабочего напряжения на входах 204. Например, контур делителя напряжения 210 может быть спроектирован таким образом, что напряжение, приложенное к защищенному компоненту(ам) (например, к усилителю контрольно-измерительной аппаратуры 206), не превышает напряжения, заданного для входов рабочего напряжения 204. Если устройство управления процессом выполнено с возможностью принимать 36 В на концах входа токовой петли 202 и усилитель контрольно-измерительной аппаратуры 206 имеет шину напряжения 10 В, например, контур делителя напряжения 210 может делить вход на четыре, так что вход 9 В можно подключать к шине напряжения усилителя контрольно-измерительной аппаратуры 206. Контур делителя напряжения 210 может содержать резисторы, размещенные так, чтобы делить напряжение по известным в отрасли способам. В некоторых вариантах реализации, контур делителя напряжения 210 может содержать резисторы с допуском 0,1%, чтобы улучшить устранение шума, и/или контур делителя напряжения 210 может содержать один или более конденсаторов 211, чтобы обеспечить фильтрацию.
[0028] Далее, в варианте реализации изобретения, схема устройства 200 может содержать полевой транзистор (ПТ) 212 и выходной диод 214. ПТ "зажимает" выход устройства 200, так что выход не переходит на положительное напряжение в отсутствие приложенного напряжения от входа источника напряжения 204, а выходной диод 214 удерживает выход схемы устройства 200 от перехода на отрицательное напряжение, большее, чем падение напряжения на диоде.
[0029] Фиг. 3 иллюстрирует принципиальную схему, на которой представлен другой пример схемы устройства 300, содержащего защитную цепь для предотвращения повреждения компонентов устройства. Защитная цепь схемы устройства 300 содержит меньшее количество диодов, по сравнению с примером схемы устройства 200, и не содержит контура делителя напряжения. Тем не менее, защитная цепь схемы устройства 300 все же дает возможность компонентам устройства 302 получать вторичное рабочее напряжение, произведенное из тока на входе токовой петли 304 в отсутствие первичного рабочего напряжения.
На Фиг. 4 проиллюстрирован еще один пример схемы устройства 400. Схема устройства 400, как и схема устройства 200, проиллюстрированная на Фиг. 2, содержит контур делителя напряжения 410. В контуре делителя напряжения 410 реализован однополюсный каскадный фильтр, который обеспечивает фильтрацию и подавление шумов. Каждый из резисторов R40 и R41 в контуре делителя напряжения 210 на Фиг. 2, разделен в контуре делителя напряжения 410 на два последовательно соединенных резистора, R40/R42 и R41/R43, соответственно. Подключенные параллельно конденсаторы С50 и С51, выполнены с возможностью создавать каскадные резистивно-емкостные фильтры (RC-фильтры). В некоторых вариантах реализации, контур делителя напряжения 410 может содержать резисторы с допуском 0,1%, чтобы улучшить устранение шумов. На Фиг. 5 представлен график, иллюстрирующий амплитудно-частотную характеристику, связанную с фильтром, реализованным в примере схемы устройства 400 на Фиг. 4. Кривая 502 представляет амплитудно-частотную характеристику однополюсного фильтра. Кривая 504 соответствует амплитудно-частотной характеристике каскадного фильтра, реализованного в схеме устройства 400 на Фиг. 4.