CN101273310B - 过程现场设备温度控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于工业过程中的现场设备系统(12)，包括：现场设备(14)，被配置为耦合至该工业过程，并监测或控制该工业过程。该现场设备提供与该现场设备的温度有关的温度控制信号输出。与该现场设备(14)耦合的加热器(24)响应于该温度控制信号而给该现场设备(14)加热。

Description

过程现场设备温度控制
技术领域
本发明涉及用于耦合至工业过程的类型的现场设备。更具体地，本发明涉及该现场设备的温度控制。
背景技术
工业过程在大量应用中得以使用，以生产出各种产品。例如，炼油厂包括用于将原油精炼为各种可用产品的大量工业过程。
典型地，过程需要监测和控制。例如，一种现场设备是可用于监测诸如过程的压力、流量、温度之类的过程变量的变送器(transmitter)。基于所测量的过程变量，另一种现场设备(控制器)用于控制过程的过程变量。各种控制器用于调整流速、控制温度、控制压力等。
在一些装置中，期望将现场设备的温度维持在高温。例如，诸如半导体制造中所使用的那样之类的一些超高纯度的过程环境中，如果现场设备的温度降至过程中的流体的熔点之下，则该流体将会凝固并粘附到现场设备。备选地，如果现场设备对温度敏感，那么维持现场设备的温度可以减小误差。
已经用于维持现场设备的温度的一种技术是，使用与现场设备耦合的加热器元件。例如，该加热器元件可以包括内部温度传感器和用于控制该加热器元件的温度的恒温器。如果将设备放置在冷环境下，也会使用加热器，例如在冬季，可以使用加热的护套对变送器和配套的管道进行加热。然而，加热的护套在夏季必须被切断以防止过热。
发明内容
一种用于工业过程中的现场设备系统，包括：现场设备，被配置为耦合至该工业过程，并监测或控制该工业过程。该现场设备提供与该现场设备的温度有关的温度控制信号输出。与该现场设备耦合的加热器响应于该温度控制信号，对该现场设备进行加热。
附图说明
图1是过程控制系统的简化图。
图2A是根据本发明的包括加热器的现场设备系统的示例实施例的框图。
图2B是包括加热器的现场设备系统的另一框图示例实施例。
图3示出了耦合至4-20mA电流回路的加热器的示例配置。
图4是示出了其中加热器耦合至0-10伏特控制回路的一种配置的框图。
图5是示出了耦合至加热器设备的加热器的分解透视图。
具体实施方式
如背景技术部分所述，外部加热器已用于对现场设备进行加热。例如，针对被配置为在包括大致为零的压力(真空)的过程中操作的变送器，使用外部加热器来控制过程变送器的环境温度。典型地，加热器包裹在变送器的外表面，以维持恒定的操作温度。通常，将变送器加热至比被监测的过程更高的温度，以避免成为系统中的冷点(coldspot)。这防止过程材料直接冷凝在传感器上，并防止现场设备的性能产生恶化。
然而，在这样的配置中，所测量的温度可能不会精确地指示与过程接口的现场设备的表面温度。这是因为外部加热器使用外部传感器，而且在与过程发生接触的现场设备的表面与外部温度传感器之间会存在显著的热迟滞和热变化。本发明包括使用位于现场设备内部的温度传感器，来控制与现场设备耦合的加热器元件。在各种配置中，使用从现场设备到外部加热器的通信来控制现场设备的加热。
如背景技术部分所述，加热的护套也用于对位于冷环境中的过程变送器和相关管道进行加热。例如，在冬季，加热的护套可以用于使设备保持温暖。然而，当夏季到来时，加热器必须被关闭，以防止设备过热。不幸的是，如果操作员忘记在夏季关闭加热器，那么设备会发生故障，或者会被损坏。类似地，操作员可能忘记在寒冷到来前打开加热器，这也会造成故障。本发明提供了一种用于控制该加热器的自动化设备和技术，由此消除了操作员在适当时间没有打开或关闭加热器的可能。
图1是包括根据本发明的现场设备系统12的过程控制系统10的简化图。现场设备系统12包括现场设备14，该现场设备14被示出为通过双线过程控制回路18耦合至控制室16。过程控制回路18可以根据任意通信技术来操作，包括诸如4-20mA协议、HART通信协议、现场总线协议或其它的过程控制标准通信技术。现场设备14提供温度控制信号输出20，该输出耦合至具有加热器元件24的加热器22。现场设备的过程接口元件30被配置为耦合至过程管道34中所承载的过程流体32。例如，过程接口30可以是感测过程变量的传感器，或控制过程变量的控制元件。过程接口元件30被示出为包括温度传感器36。尽管在图1中温度传感器36被示出为位于接口元件30中，然而温度传感器36可以位于现场设备14内的任意位置。
在操作期间，在一种配置中，现场设备14向诸如控制室16之类的远程位置发送过程变量。在另一种配置中，如果现场设备14被配置为控制器，则设备14通过过程控制回路18接收控制信号，用于控制过程的过程变量。
温度控制信号输出20与现场设备14的温度有关，而且基于温度传感器36所感测到的温度。加热器22响应于该温度控制信号输出20而控制加热器元件24将变送器14加热至期望的温度。用于控制温度的具体控制算法可根据期望来选择，而且可以在现场设备14或加热器22中实现。此外，温度控制信号输出20可以根据任意通信技术或包括数字或模拟控制信号的控制，而且可以将来自原始温度数据的任何信息包括在施加到加热器元件24的驱动信号中。
可以理解，加热器22可以以多种方法耦合至现场设备14，包括将加热器外部地耦合至现场设备的一部分，或将加热器位于现场设备自身之内。
图2A是现场设备系统12的更加详细的简化图。如图2A的实施例所示，现场设备14包括与存储器42、I/O或通信电路44、回路I/O 45以及控制参数46相耦合的微处理器或其它控制器40。微处理器40还耦合至内部温度传感器36。控制参数46控制温度控制信号20与温度传感器36所感测的温度之间的关系。可以使用诸如可选的本地I/O 58的本地接口对控制参数进行本地编程，或可以从远程位置进行编程，例如通过双线过程控制回路18。温度控制信号20耦合至加热器22的I/O电路50。加热器控制器52控制从外部电源54提供给加热器元件24的功率。
尽管在图2A的配置中，I/O电路44和50被示出为将现场设备14耦合至加热器22，然而在简单的配置中，例如I/O电路44和50可以是晶体管电路。例如，I/O电路50可以直接连接到加热器元件24，并控制来自电源54的功率。在该配置中，可能不需要控制器52。
图2B是另一个示例实施例的简化框图，其中用于控制加热器元件24的控制算法在加热器22内实现。在这个配置中，控制参数46包含在加热器22中的存储器内，而且温度控制信号20可以是由温度传感器36所感测的温度的直接表示。可以在加热器22中提供本地输入/输出58。
温度控制信号20可以被承载于单独的数据总线之上，或者可以被承载于共享的数据总线之上。例如，温度控制信号20可以被承载于两线过程控制回路18上。在这种配置中，通信电路50被配置为根据在双线过程控制回路18上传输的信息的协议来进行通信。一种协议是HART通信协议。控制信号20可以连续地提供给加热器22，或可以由加热器22轮询或以其它方式询问。
图3是示出与本发明一同使用的一种配线配置的简化示意图。在图3的示意图中，现场设备系统12耦合至双线过程控制回路18。在图3的配置中，加热器22通过变压器60电感地耦合至过程控制回路18。使用单独的电源连接62向加热器元件24供电。在这个配置中，现场设备12通过过程控制回路18来提供用于控制加热器元件24的加热的命令或温度信息。加热器22内的I/O电路(图2A中的50)监测过程控制回路18上的通信，并响应式地控制向加热器元件24施加的功率。在一个示例配置中，加热器22根据HART
Figure 2006800357826_2
通信协议通过过程控制回路18从现场设备12接收数据。
图4是根据本发明的另一种示例配线配置的简化示意图。在图4中，现场设备12耦合至根据HART
Figure 2006800357826_3
通信协议进行通信的0-10伏特过程控制回路18。在这个配置中，使用额外的15伏特电源，并与现场设备12和加热器22二者耦合。还提供了电源地连接。在这个配置中，加热器22监测控制回路18上使用上文讨论的技术进行的通信传输，并响应式地控制向加热器元件24施加的功率。在一些配置中，可以使用单独的电源连接62。加热器22电容地耦合至过程控制回路18，以监测控制回路18上的数据传输。如上所述，现场设备12可以与加热器22通信，并向加热器22提供控制信号或温度数据，以控制加热器元件24的加热。
图5是系统12的分解透视图，示出了将加热器22安装到现场设备14上的配置。在图5的配置中，加热器22通过螺孔78安装在现场设备14的顶部。加热器22上的连接器82被配置为与现场设备14上的匹配连接器配对。连接器82被配置为与连接器84相同，使得连接器84所呈现的连接与连接器82所呈现的连接相同。通过这个连接82，加热器22耦合至过程控制回路18并与现场设备14进行通信。优选地，将加热器元件24安装在现场设备14上靠近过程连接86的位置。来自加热器22的连接88用于如上所述地向加热器元件24供电。
如图5中所示，加热器22可以随时被添加到现场设备14，例如在安装之前或之后。另外，图5还示出了本地输出90和本地输入92。例如，本地输出90可以是LED或其它可视指示器，以供操作员观察。例如，本地输入92可以是一个或更多个按钮或其它类型的手动输入，以用于对加热器22的操作进行编程或控制。典型地，将温度传感器36安装在现场设备14之内。
本发明可以被配置为在本地安装到变送器，其从现场配线接收功率。加热器可以与变送器的输出信号线路接口，并根据例如HART通信协议来接收通信。该信息可以包括来自现场设备中的内部温度传感器的温度。与加热元件24和现场设备之间的连接88可以是任意适合的连接。这包括数据总线、孤立的双线过程控制回路、回路18的延伸等。
加热器22可以在制造期间进行配置，或在现场通过过程控制回路18与加热器22通信地来配置。例如，可以在外部对恒温器的设置点以及加热器控制算法的其它方面进行编程。操作员可以选择变送器的温度操作范围内的任意设置点。这使得用户能够针对具体过程来制定施加到过程14的热量。另外，这允许在许多不同的应用中使用单个加热器的配置，并相应地进行简单的编程。
如上所述，加热器22可以周期性地轮询现场设备14，以获得温度读数。在另一配置中，现场设备14周期性地发送温度读数，该读数由加热器22接收。加热器22可以包括用于实现控制算法的微处理器或其它控制电路。在一个示例实施方式中，图2A中所示的控制器52实现了用于控制加热器元件24的PID控制算法。
在另一方面，可以在加热器22内提供热过载保护。如果加热器元件24中发生的故障导致温度升高超过设置点，或升高至不安全的操作范围，那么该电路会关闭加热器元件24，并提供可视指示。该信息也可以在过程控制回路18上传输。在另一方面，加热器22能够对现场设备14执行诊断。例如，所测量的温度可以用于提供与修正的传感器温度有关的趋向信息。该信息可以用于发生故障的加热器元件的早期检测。通过本地指示或通过在过程控制回路18上的通信，用户可以利用该状态信息。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。通过加热器22与控制回路的连接典型地提供了DC隔离，例如通过电感或电容耦合。在一个具体配置中，现场设备14用于高纯度真空过程中。

Claims (20)

1.一种用于工业过程中的现场设备系统(12)，包括：
现场设备(14)，被配置为耦合至所述工业过程并监测或控制所述工业过程，所述现场设备(14)包括：与所述现场设备(14)的温度有关的温度控制信号输出(20)，所述现场设备(14)包括内部温度传感器(36)，并且所述温度控制信号输出(20)与所述温度传感器(36)的温度有关；
分离的加热器(22)，能够通过加热器(22)上的连接器(82)与所述现场设备(14)上的配对连接器(84)之间的接口耦合至所述现场设备(14)，其中加热器(22)被配置为响应于所述温度控制信号输出(20)而对所述现场设备(14)进行加热；以及
加热器元件(24)，被安装在所述现场设备(14)上，并且由加热器(22)响应于所述温度控制信号输出(20)来进行控制，其中使用来自加热器(22)的连接(88)来向加热器元件(24)供电，以及所述温度控制信号输出(20)与来自所述加热器元件(24)的热量之间的关系是可编程的。
2.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述现场设备(14)包括变送器，所述变送器被配置为测量所述工业过程的过程变量，并在与所测量的过程变量有关的双线过程控制回路上提供输出。
3.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述温度控制信号输出(20)包括数字信号。
4.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，在与所述现场设备(14)和所述加热器耦合的双线过程控制回路上提供所述温度控制信号输出(20)。
5.根据权利要求4所述的现场设备系统，其中，电连接提供了对DC信号的隔离。
6.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述现场设备(14)被配置为耦合至高纯度真空过程。
7.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述加热器(22)耦合至外部电源。
8.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，通过本地接口对所述温度控制信号输出(20)与来自所述加热器元件(24)的热量之间的关系进行编程。
9.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，通过根据HART通信协议而接收的数字信号，对所述温度控制信号输出(20)与来自所述加热器元件(24)的热量之间的关系进行编程。
10.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述现场设备(14)包括被配置为感测所述工业过程的压力的压力传感器。
11.根据权利要求10所述的现场设备系统，其中，所述压力传感器包括温度传感器，而且所述温度控制信号输出与所述温度传感器的温度有关。
12.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述加热器(22)包括加热器元件(24)和控制器(52)，所述控制器(52)被配置为实现控制算法，并根据所述温度控制信号输出(20)响应式地控制来自所述加热器元件(24)的热量。
13.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述加热器(22)包括热过载保护。
14.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述加热器(22)包括被配置为提供对加热器状态的指示的本地输出。
15.根据权利要求1所述的现场设备系统，其中，所述加热器(22)被配置为诊断所述加热器中的加热器元件的即将发生的故障。
16.一种减小工业过程中的现场设备(14)上的过程材料的累积的方法，所述方法包括：
感测所述现场设备(14)的内部温度；
提供与所感测的温度有关的温度控制信号输出(20)；
将所述温度控制信号输出(20)耦合至加热器(22)，所述加热器(22)热耦合至所述现场设备(14)；
根据所述温度控制信号输出，响应式地利用所述加热器(22)来对所述现场设备(14)进行加热；以及
利用内部温度传感器(36)来测量所述现场设备(14)的温度，而且所述温度控制信号输出(20)与所述温度传感器(36)的温度有关，
其中，所述加热器(22)是分离的元件，能够通过加热器(22)上的连接器(82)与所述现场设备(14)上的配对连接器(84)之间的接口耦合至所述现场设备(14)，以及
其中，通过加热器元件(24)对所述现场设备(14)进行加热，所述加热器元件(24)被安装在所述现场设备(14)上，并且由加热器(22)响应于所述温度控制信号输出(20)来进行控制，
其中，通过来自加热器(22)的连接(88)来向加热器元件(24)供电，以及
其中，对所述温度控制信号输出(20)与来自所述加热器元件(24)的热量之间的关系进行编程。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述温度控制信号输出(20)包括数字信号。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在双线过程控制回路上提供所述温度控制信号输出(20)，所述双线过程控制回路与所述现场设备(14)和所述加热器(22)耦合。
19.根据权利要求16所述的方法，包括诊断所述加热器(22)中的加热器元件(24)的即将发生的故障。
20.根据权利要求16所述的方法，包括控制所述现场设备(14)的加热，以便在所述现场设备的温度接近设备会冻结的温度时向所述现场设备(14)施加热量，以防止所述设备冻结。
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