CN100445905C

CN100445905C - 用电流调制的信号安全自动地检测现场设备通信的系统和方法

Info

Publication number: CN100445905C
Application number: CNB2004800411963A
Authority: CN
Inventors: S·塔洛尔; S·M·因加沃尔; C·L·马丁; F·D·鲁吉纽斯; B·雷诺
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: CN1914568A

Abstract

电流发生器提供第一电流电平以读取现场设备的配置参数。电流发生器还提供第二电流电平。第一电流电平在电流量上小于第二电流电平。第一电流电平没有使现场设备工作。第二电流电平使现场设备工作。电流传感器在电路中与现场设备连接。电流传感器读取与第一电流电平有关的配置参数。提供了产生读取配置参数的电流的方法。该电流小于使现场设备工作所须的最小幅值。通过使用该电流从现场设备读取配置参数。通过使用该配置参数来配置现场设备。

Description

用电流调制的信号安全自动地检测现场设备通信的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年12月4号提交的美国临时专利申请序号60/526548、名称为“用电流调制的信号安全自动检测现场设备通信的系统和方法”的申请的优先权，其全部内容通过引用结合与本文。

技术领域

本公开技术涉及读取设备并配置设备，更具体地说，涉及通过使用减小的电流读取并配置设备。

背景技术

像(HART通信基金会的注册商标)通信协议的一些协议规范用来支持数字通信。这些数字通信可用来测量各种控制设备的各种过程和参数。这些协议规范中的数字通信通常工作在4-20毫安(mA)的传统范围。通常，这些数字通信向主控制系统提供与现场设备有关的过程及诊断信息。这些数字通信工作在主控制系统监控并控制工业过程期间。

这样的协议规范的一个目标是建立一些标准以使“主机”(或者“输入/输出(I/O)主控器”)能与不同厂商开发的现场“设备”(“从控器”)进行通信。这些协议规范的一个子集是按具有“公共功能”划分的。“公共功能”要求主机或设备必须满足协议规范的该子集中的所有标准。这使主机仅需要单个接口层就可以支持来自多个不同厂商的各种现场设备。

然而，该协议规范的其他组件是按“设备特有”划分的，并由各设备制造商定义。由于在主机或I/O主控器与现场设备之间传递的至少一些数字数据特定于给定的现场设备类型，因此，在实时工业过程中使用现场设备之前，重要的是知道哪种类型的现场设备连接到主控制系统。

换句话说，由于现场设备的设备特有组件的特性，必须在配置载入和执行之前获得并验证关于识别现场设备的相关信息。通常，配置载入和执行可定义为在现场使用的现场设备的初始化和现场设备的实际使用。相关信息可包括用于给定现场设备的唯一标识符、现场设备的厂商名称、安装在现场设备中的固件修订本、现场设备的标记名(即假名)、现场设备的描述以及现场设备可测量或适用的各种范围界限。若没有从现场设备的初始启动得到的上述信息，则难以将设备特有数据结合到实时过程控制策略中。

通常，输入设备是电流源类型，并且输出设备是消耗电流类型。传感器是输入设备的实例并且电气阀门是输出设备的实例。使用源电流的“基带信号”至少提供两个功能。它给现场设备加电并且初始配置现场设备，并且基带信号还是其上传送数字信息的载波。对于消耗电流设备，I/O主控器驱动电流从而提供与这些协议有关的“基带”信号。因此，对于输出设备，为了借助于协议规范进行数字通信，主机或I/O主控器提供最小限定电流来运行。

常规的协议规范需要用户初始载入控制配置(可能使用错误的初始控制配置)、激活控制策略并且将输出(源)电流驱动到与现场设备进行通信所需的基本值。这工作在4-20mA的传统范围。然后只能采集实际的设备标识和配置数据。然而，可以理解在实施初始实时控制策略时这可能导致重大错误。

在其他常规协议规范中使用的备选方法总是提供最小为4mA的电流。然而，该方法是不合适的，因为向没有被初始配置的现场设备供电是不安全的。无论如何，如果问题使现场设备本身无法响应电流，则用户将无法控制输出设备。

在常规技术中，为了运行现场设备，在配置后给现场设备施加电流，因为配置后现场设备是可控的。然而，在4mA的电流施加到现场设备上期间，甚至没有进行任何配置就施加电流，因此无法控制该现场设备。

然而，在施加4mA电流后如果有任何错误，都将无法控制现场设备。另一个问题是在现有技术方案中能引起安全问题的最小电流无所不在。

因此，需要在配置载入之前使用电流调制信号技术安全可靠地创建与现场设备的通信并获取现场设备标识数据。

发明内容

提供了电流发生器，其产生读取至少一个现场设备的配置参数的第一电流电平。第一电流电平在电流量上小于第二电流电平。第一电流电平没有使现场设备工作。电流发生器还产生第二电流。第二电流电平使所述现场设备工作。电流传感器在电路中与现场设备连接。电流传感器检测与第一电流电平有关的一个或多个配置参数。

附图说明

图1是在配置之前现有技术控制系统的简图；

图2是处于不活动状态的系统控制器与主控器的现有技术配置的简图；

图3是处于活动状态的系统控制器与主控器的现有技术配置的简图；

图4是配置过的系统控制器与主控器的现有技术配置的简图。

图5是使用“自动检测”选项的设备的配置的简图；

图6是能运行用于检测现场设备的配置信息的程序的计算机系统的简图；以及

图7是工作在检测/现场设备配置读取模式以及现场设备工作模式的电流发生器的简图。

具体实施方式

在本文中使用的“模块”这一术语用以区分实施为独立的组件或者实施为集成组合中的多个模块其中之一的功能性操作。

参考图1，图示的是具有不活动的系统控制器110、不活动的I/O主控器120以及一个或多个现场设备125的现有技术未配置的系统100。控制连接115耦合在不活动的系统控制器110与不活动的I/O主控器120之间。控制连接115是断电的，并且不活动的系统控制器110与不活动的I/O主控器120没有被配置。因此没有电流到达现场设备125。而且，没有从一个或多个现场设备125中取回配置信息。

不活动的系统控制器110表示能执行用于控制一个或多个现场设备125的控制算法的装置设备、硬件、软件或者软硬件结合。

在一个实施例中，不活动的系统控制器110的一个实例是Experion过程知识系统^TM(PKS)中的C200模块。Experion PKS是控制、管理以及设法优化过程操作、诊断和领域知识的集成式平台。C200是用于控制例如Experion PKS中的过程操作的设备。

现在参考图2，图示的是现有技术初始配置的系统129，该系统129包括具有不活动的控制块131的不活动的系统控制器130、具有不活动的通道块141的不活动的I/O主控器140以及一个或多个现场设备145。控制连接135耦合在不活动的系统控制器130与不活动的I/O主控器140之间。控制连接135在不活动的系统控制器130与不活动的I/O主控器140之间传送信息。

不活动的系统控制器130图示为具有一个或多个不活动的控制块131。控制块是实时控制算法/策略、例如用于监控一个或多个现场设备145的“比例-积分-微分”控制算法的逻辑表示。然而，在不活动的系统控制器130中，控制块是不活动的控制块131。因此，尽管创建了控制块，然而还没有使用它们。不活动的控制块131用不是从一个或多个现场设备145中直接读取的初始/原有的配置数据来配置。

不活动的I/O主控器140图示为具有一个或多个不活动的通道块141。通道块一般是与一个或多个现场设备145相关数据的逻辑表示。使用通道块允许设备配置结合到控制策略中。然而，在初始配置的系统129中，控制块是不活动的控制块141。因此，没有电流到达一个或多个现场设备145，并且不活动的控制块141用不是从一个或多个现场设备145直接读取得到的初始/原有配置数据来配置。

现在参考图3，图示的是现有技术初始配置的系统149，该系统149包括具有活动控制块151的活动系统控制器150、具有活动通道块161的活动I/O主控器160以及一个或多个现场设备165。控制连接155耦合在活动系统控制器150与活动I/O主控器160之间。

初始配置已载入活动控制块151。控制连接155作为0％到100％的“输出百分比”(OP)来说明。OP相当于从4mA到20mA的输出电流。当通道块是活动的并且OP为0％时，系统将4mA驱动到电流通路163上，并且当OP为100％时，驱动20mA。活动通道块161还载入了初始/原有配置参数。活动I/O主控器160的活动通道块161通过电流通路163与一个或多个现场设备165活动地交互。因此，有4-20mA的电流被发送到一个或多个现场设备165。这4-20mA的电流为一个或多个现场设备164供电，但是使用在活动控制块151和活动通道块161的初始配置内载入的参数也这样做。

现在参考图4，图示的是现有技术重新配置的系统169，该系统169说明在重新配置的系统控制器170、重新配置的I/O主控器180通过电流通路183都已从一个或多个现场设备185中接收到更新的实际配置参数之后，二者的重新配置。控制连接175耦合在重新配置的系统控制器170与重新配置的I/O主控器180之间。

在重新配置的系统169中，在通过施加4-20mA的电流激活一个或多个现场设备185之后，经过电流通路183从一个或多个现场设备185检索一个或多个现场设备185之中每个现场设备的最终标识/配置数据。因此，根据获得的最后一个或多个现场设备185的重新配置信息，修改重新配置的系统控制器170的重新配置的活动控制块171和重新配置的I/O主控器180的重新配置的活动通道块181的最终配置。在重新配置的系统169中，这可以是存储在一个或多个现场设备185上、在电流通路183上以4-20mA的电流传送的数字信息。

一般而言，如在图1-4中所示，在活动控制块151和活动通道块161的初始配置中首先驱动用于给一个或多个现场设备供电的4-20mA。然而，如在重新配置的系统169中说明的，在施加电流之前，不读取一个或多个现场设备185的实际数字配置参数。因此，活动控制块151和活动通道块161的初始配置可能基于错误的信息和参数。在重新配置的系统169中，仅在初始系统供电完成之后，与一个或多个现场设备185有关的实际配置参数才被考虑在重新配置的系统控制器170以及重新配置的I/O180内。这可能导致配置的严重错误，在使用依赖该初始配置信息的精确度的实时控制策略时，上述错误会产生安全或操作顾虑。

一个这样的问题是在初始配置载入完成并且设备处于运行状态时，还没有建立与这些设备的连接。如果设备有什么问题，在现场设备处于运行状态后，系统100、200、300或400将仅能检测一段时间。这可能是灾难性的。

现在参考图5，图示的是使用配置检测特性用于一个或多个现场设备250申编程的数字信息的配置系统200。通常，配置系统200在配置各种系统控制器和I/O主控器之前，使用安全可靠的方法向控制系统用户提供数字标识参数。配置系统200包括系统控制器205、I/O主控器220和自动检测器240，该自动检测器240在施加标准的4.0-20.0mA电流之前从一个或多个现场设备250中检测实际数字配置信息。最初以数字方式存储在一个或多个现场设备250上的实际配置参数然后用于I/O主控器220或系统控制器205中，而不是使用用户定义的配置参数。可显示要检测哪个或哪些现场设备250的选择，并且输入到系统控制器接口223或I/O主控器接口225中。

通过启动自动检测，小于4mA的安全电流通过电流通路230被驱动到一个或多个现场设备250上。例如3.2mA的安全电流足够给一个或多个现场设备250的设备电子装置供电以启动电流调制的数字通信。例如，施加3.2mA的电流不会改变一个或多个现场设备250的状态、例如阀杆位置，但是能读取一个或多个现场设备250的实际数字配置参数。这些参数然后被用于配置系统控制器205和I/O主控器220。禁用自动检测器240会消除该安全电流，即使3.2mA电流在安全限以内，因此使用户能完全控制到一个或多个现场设备250的输出电流。

换句话说，在4mA时现场设备250刚好能正常工作。通过产生小于4mA的电流，该电流没有大到使一个或多个现场设备250发生改变，恰好能建立数字通信。

一般而言，配置系统200提供I/O主控器220或系统控制器205中的机制，可能通过使用系统控制器接口223和I/O主控器接口225在控制策略或配置载入到控制器205和I/O主控器220之前，为消耗电流设备、例如一个或多个现场设备250启动和禁用自动现场设备数字信息检测。一般而言，在为一个或多个现场设备250启动了自动检测器240之后，I/O主控器220驱动“安全”电流、例如3.2mA到一个或多个现场设备250。该电流足以给一个或多个现场设备250中的大部分供电以建立数字通信。一般而言，例如3.2mA的电流是安全的原因之一是因为它不允许在一个或多个现场设备250上或内的电路、例如阀门电路工作。该电流小于4mA，其按4-20mA电流HART信号标准为0％输出值。

在自动检测器240禁用后，对于任何特定设备251-255(默认设定)，到这些特定设备的通路230没有被供电，提供零驱动电流使得不能读取该特定设备的数字配置参数。当自动检测器240启动对任何给定一个或多个现场设备250(或者，所有现场设备)的自动设备检测时，建立与一个或多个现场设备250的通信以采集来自一个或多个现场设备250的设备标识/配置数据。采集的数字信息/配置参数然后还在系统控制器接口223或I/O主控器接口225申呈现给用户，上述接口还提供启动/禁用对一个或多个现场设备250的每个现场设备的自动检测的选项。

在检测完一个或多个现场设备250后，只要自动检测器240启动了自动设备检测，仍然可使用低优先级轮询方案连续地监控以数字方式读取并检测一个或多个现场设备250。因此，一个或多个现场设备250配置中的任何变化自动更新到上文所述的系统控制器接口223或I/O主控器接口225，并且分别用于重新配置系统控制器205和/或I/O主控器220。该低优先级轮询在I/O主控器220上应具有较小带宽载入。在配置系统200的一个实施例中，如果一个或多个现场设备250在某些情况下有缺陷，系统200通过禁用自动检测器240来消除最小(小于4.0mA)电流。使用比驱动一个或多个现场设备250所需最小电流更小的电流、例如3.2mA和禁用自动检测器240的能力都能提高配置系统200的安全性。

载入控制策略时，禁用自动检测器240。这有助于避免同时应用I/O主控器220的输出电流的两个分离的控制。一旦载入控制策略，只能通过该控制策略控制至一个或多个现场设备250的电流。

在冗余I/O主控器(没有示出)的情况下，自动检测器240特性仅在当前指定的主I/O主控器220上有效。然而，次级I/O主控器会记住对每个现场设备250的用户选择并且在次级I/O主控器通过转换变为主I/O主控器时立即执行自动设备检测。最后，在有故障时，自动检测器240选择不会阻碍I/O主控器240的性能，以使输出变到安全未供电状态。

在一个实施例中，控制策略的载入没有干扰通过电流通路183施加的电流，控制策略的载入也没有覆盖从一个或多个现场设备250得到的载入到系统控制器205和I/O主控器220的配置数据。通过将初始用户配置、即在实际读取嵌入在一个或多个现场设备250中的数字信息之前用户具有的配置信息与来自一个或多个现场设备250的实际设备配置数据相比较，因此可验证该初始用户配置。在比较完之后，并且可能修正完初始用户配置之后，可立即开始一个或多个现场设备250动态数据、即通过实时监控事件配置系统200收集的数据的采集，而无需在4-20mA经过完全的供电以及配置读数的读取和系统控制器205以及I/O主控器220的配置。

在一个实施例中，一个或多个冗余I/O主控器完全支持自动检测器240选择。如果在主I/O主控器中启动自动检测器240，并且如果它出故障(切换到次级I/O主控器)，则新的主I/O主控器会保留自动检测器240选择。在配置系统200中，如果主I/O主控器与控制系统不能通信，则将输出驱动到某些配置的安全状态。断电即除去电流有助于确保安全的状态配置。自动检测器240安全电流例如3.2mA的使用没有阻碍该安全活动。

现在参考图6，图示的是适于使用自动检测器240并且读取嵌入在一个或多个现场设备350中的数字配置信息的计算机系统300的方块图。计算机系统300包括具有存储介质325的工作站计算机310以及耦合到工作站计算机310的用户接口305。用户接口305包括能使用户将信息和命令选择发送给工作站计算机310的输入设备，例如键盘或语音识别子系统。例如鼠标、轨迹球或者游戏杆的光标控制装置能使用户操纵显示屏上的光标用于将附加信息和命令选择发送到工作站计算机310。计算机系统300将一个或多个现场设备250以及自动检测器240的图像呈现在系统控制器接口223或I/O主控器接口225上，如在用户接口305上显示的，并且通过打印机产生一个或多个现场设备250数字配置数据的硬拷贝。

工作站计算机310耦合到网络330上。网络330还耦合到数据库307上。网络330还耦合到从处理器340上。从处理器340耦合到存储器315上。存储器315是存储控制从处理器340的操作的数据和指令的存储器。存储器315的实施可包括随机访问存储器(RAM)、硬盘以及只读存储器(ROM)。存储器315的组件的其中之一是程序320。从处理器340还耦合到一个或多个现场设备350上。

程序320可包括用于控制从处理器340、系统控制器205、I/O主控器220或者通过使用自动检测器240将安全电流或HART电流驱动到一个或多个现场设备350的电流控制的指令。作为程序320执行的结果，从处理器310可将一个或多个现场设备250中的数字配置数据读到存储器315中，并且能使用该配置数据来配置系统控制器205或I/O主控器220。程序320可实现为单个模块或实现为彼此互相协作运行的多个模块。

当表明程序320已载入到存储器315中时，可以在存储介质325上对其配置以便随后通过网络将其载入到存储器315中。存储介质325可以是任何常规存储介质例如磁带、光存储介质、光盘或软盘。或者，存储介质325可以是随机访问存储器或位于远程存储系统中的其他类型的电子存储装置。

然后，从处理器340通过I/O主控器345用配置数据来配置一个或多个现场设备350。然后，从处理器340控制并监控一个或多个现场设备350。I/O主控器345可与I/O主控器220相互关联。

在图7中，在电流产生系统400中，从处理器410耦合到电流发生器420上。从处理器410和电流发生器420都耦合到开关430上。开关430具有到现场设备440的多个连接。现场设备440具有耦合回从处理器410的反馈回路450。

一般而言，从处理器410指示电流发生器420是否产生安全模式内的电流、可能为3.2mA或者标准的4.0到20.0mA内的电流。4-20mA是标准的指令信号范围。从处理器410指示开关430应给哪些现场设备或者现场设备440的现场设备施加电流。从处理器410然后通过反馈回路450读取嵌入在现场设备440中的配置数据。从处理器410能读出该配置数据，或者，其他设备可以提取配置数据然后将配置数据传送到从处理器410。在一个实施例中，该配置数据然后被传送到系统控制器205和I/O主控器220(在本图中没有示出)。然后，从处理器410通过开关430使用从现场设备440读取的配置参数来配置现场设备440，使用小于4.0mA的低值安全电流。然后，电流发生器440将电流增加到4.0到20.0mA范围以使现场设备440工作。

应知，本领域技术人员可设想本文描述的本发明内容的各种备选、组合和修改。本发明要包括落在本发明范围之内的所有这些备选、修改和变化。

Claims

1.一种系统(500、600、700)，包括：

电流发生器(420)，提供读取至少一个现场设备(250、350、440)的配置参数的第一电流电平，其中所述第一电流电平在电流量上小于第二电流电平，并且其中所述第一电流电平不能使所述现场设备(250、350、440)工作，其中所述电流发生器(420)还提供所述第二电流电平，其中所述第二电流电平使所述现场设备(250、350、440)工作；以及

电流传感器(410)，在电路中与所述现场设备(250、350、440)连接，其中所述电流传感器(410)检测与所述第一电流电平有关的一个或多个所述配置参数。

2.如权利要求1所述的系统，还包括在电路中连接到所述电流传感器(410)的系统控制器(205)。

3.如权利要求1所述的系统，其中，配置所述现场设备(250、350、440)由所述现场设备(250、350、440)的一个或多个所述配置参数而定。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电流电平小于4.0毫安。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电流电平大约为3.2毫安或更小。

6.一种方法，包括：

产生读取一个或多个配置参数的第一电流电平(420)，所述第一电流电平在电流量上小于能使至少一个现场设备(250、350、440)工作的第二电流电平(420)，其中所述第一电流电平不能使所述至少一个现场设备(250、350、440)工作；以及

通过使用所述第一电流电平从所述现场设备(250、350、440)中读取所述配置参数(410)。

7.如权利要求6所述的方法，还包括根据所述读取的一个或多个配置参数对所述现场设备(250、350、440)进行配置(205、220、345、410)。

8.如权利要求7所述的方法，还包括产生所述第二电流电平(420)，所述第二电流电平具有足以使所述现场设备(250、350、440)工作的电流幅值。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一电流电平小于4毫安。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二电流电平等于或大于4.0毫安。