CN101351687B - 具有电能管理功能的过程变送器及其电能管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电能管理功能的过程变送器及其电能管理方法。其中，工业过程变送器102，用于通过双线过程控制回路106传送过程变量；该工业过程变送器包含一个回路电流控制装置162，该回路电流控制装置用于控制双线过程控制回路106(与工艺变量有关)的回路电流电平。过程变送器102的初级电路164可获得供电。次级电流控制电路166可对输入次级电路168的电流进行限制。

Description

具有电能管理功能的过程变送器及其电能管理方法

技术领域

本发明涉及工业过程变送器技术领域，尤其涉及一种具有电能管理功能的过程变送器及其电能管理方法。

背景技术

工业过程变送器可连接到工业加工设备和/或管道，用于测量压力、质量流、流速、温度等过程参数。此类变送器通常由负责输送能量有限的回路电流的双线回路供电，其电流变化范围在4至20毫安的范围之内。当电流较小(例如4毫安)时，回路可提供给变送器的电能均被变送器内部的电路所消耗，用以检测过程变量，并生成一个能代表所检测过程变量的过程变量输出值。

在某些配置中，变送器可利用多个传感器或现场设备进行初级过程和次级过程的测量。例如：在对通过某一导管的气体或蒸汽进行质量流测量时，流量计可用于测量流速，第二传感器可用于测量管路压力。

输入执行此类次级过程测量的传感器或现场设备的电能，直接涉及系统的总电流和电能消耗。在电流电平较小(例如4毫安)时，只有极少的功率(一般为1至2毫瓦)被用于附加负载的加电以及功能模块的通信。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有电能管理功能的过程变送器及其电能管理方法。工艺过程变送器配备有回路电流控制装置，可连接到双线过程控制回路，并基于过程变量对回路电流电平进行控制。回路电能以静态电流电平提供给过程变送器的初级电路。数据总线在经过配置后，再连接到变送器的次级电路。次级电流控制电路可对输入次级电路的电流实施动态限制。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种工业过程变送器，用于在双线过程控制回路上发送过程变量，该工业过程变送器包括：

一个回路电流控制装置，与过程控制回路连接，用于控制与过程变量有关的双线过程控制回路的回路电流电平；

一个电源连接装置，与回路电流控制连接，用于自回路电流分路的初级电路以静态电流电平向过程变送器提供电能；

一根数据总线，在经过配置后，与工业过程控制变送器的次级电路连接；以及

一个次级控制电路，用于限制与可调输入有关的输入次级电路的电流。

上述方案中，其中的可调输入与回路电流电平有关。

上述方案中，还包括：一个传感电阻器，与次级电流电路控制装置相连接，用于向与回路电流电平有关的次级电流控制电路提供可调输入。

上述方案中，其中由次级电路所提供的电流电平与通过传感电阻器的电压有关。

上述方案中，其中的可调输入与基于回路电流和静态电流电平的过电流有关。

上述方案中，包含一个经配置后可测量回路电流和过电流的电路。

上述方案中，其中的静态电流近似于一个固定值。

上述方案中，其中的静态电流电平约为3.6毫安，其中双线回路的电流处于受控状态，电流值位于4毫安与20毫安之间，并作为与过程变量有关的信号使用。

上述方案中，还包括：一个微处理器，与次级电流控制电路连接，用于调节输往次级电路的过电流。

上述方案中，其中次级电路包括：一个现场设备，用于测量次级过程参数。

上述方案中，其中次级电路包括：一个液晶显示电路，用于向操作者显示信息。

上述方案中，其中次级电路包括：测量电路，用于监控次级过程参数。

上述方案中，其中次级电路包括：一个本地操作接口，用于接收操作者所输入的数据。

上述方案中，其中的变送器还包括：用于根据HART

通信协议，通过双线回路与控制中心进行通信的电路。

上述方案中，其中的次级电流控制电路用于在HART

的正、负部分传送信号期间，通过增减方式，调节输入次级电路的电流。

上述方案中，其中的次级电路包括：一个次级通信电路，用于通过通信总线与现场设备进行通信。

上述方案中，其中的通信电路用于根据控制器区域网(CAN)协议进行通信。

上述方案中，其中次级电路的运行可基于可供电流发生变化。

上述方案中，其中次级电路的更新率是可供电流的一个功能。

上述方案中，其中的次级电流控制电路可将次级电路与初级电路隔离。

一种采用与双线工艺控制回路连接的工业过程变送器监视过程变量的方法，该方法包括以下步骤：

读出过程变量；

根据过程变量控制双线过程控制回路的回路电流电平；

利用双线过程控制回路所提供的电能，以静态电流电平为初级电路供电；以及

以动态方式限制输入次级电路的电流。

上述方案中，其中的电流动态限制为回路电流电平和静态电流电平之间的函数。

上述方案中，还包括步骤：在回路电流较小时，减小输入次级电路的电流。

上述方案中，其中限制输入次级电路电流的具体步骤包括：根据双线过程控制回路的通信信号，调节输入次级电路的电流。

上述方案中，包括通过数据总线实现与次级电路之间的通信。

上述方案中，包括基于可供电流改变次级电路的运行状态。

附图说明

图1所示为根据本发明的实施例给出的工业过程监测和控制系统。

图2A和2B所示为根据本发明的实施例给出的带有限流器电路的过程变送器的简化框图。

图3为图2B所示过程变送器的简化框图的详图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

工业过程设备通常带有用于测量过程参数和通信功能的电路，例如通信网、4至20毫安双线过程控制回路。此类变送器电路的标准操作需提供静态电流(一般不到4毫安)。本发明的实施例(例如次级测量电路、传感器、操作接口等)，采用限流器限制次级电路的输入电流。如纳尔逊·et al.美国专利号6,765,968(本文采用该专利作为参考文献)所述，次级电路通过数据总线连接到变送器的初级电路。在一实施例中，限流器可与为次级电路供电的电路配套使用，即使此时回路电流处于最小状态(例如4毫安)。如本文所述，术语“初级电路”指的是传感器、以及容纳在变送器的密封电子设备箱内部的其它电路(例如图1所示的电子设备箱110)。如本文所述，术语“次级电路”指的是位于密封电子设备箱(该柜负责接收初级电路供电)内部或外部的电路。例如：次级电路包括液晶显示电路、本地操作接口电路、或容纳在可与电子设备箱连接的功能模块(例如图1所示的功能模块108)内的其它电路。在另一实施例中，次级电路是一个通过数据和电源总线(图1所示的133)与工业过程(该工业过程独立于变送器)连接的次级测量电路(例如图1所示的次级设备132)。

图1所示为工业过程监测和控制系统100，其变送器102通过双线过程控制回路106连接到过程监视和控制中心104。例如：过程监视和控制中心104可以是一个控制室，该控制室所配备的一个或一个以上的计算机系统已连接到网络并用于和一个或一个以上的现场设备和/或变送器进行通信，而该变送器又与某一工业过程相连接。

该变送器102为一双线模块化压差变送器，如部件分解图所示。变送器102是一个双线变送器，在一定意义上又是一个采用双线形式进行信号发送和供电的电子变送器。例如：双线工业控制回路能使用4至20毫安发信技术和数字通信技术，例如HART

、Fieldbus、Profibus、以及其它通信协议。模块化压差变送器102仅为过程监视和控制装置合适的实例，并非暗示任何针对本发明的使用范围或功能性的限制。

变送器102包括一个功能模块108、一个电子设备箱110、和一个过程联结器112。过程联结器112可通过虚线图所示的法兰116和法兰连接器118，固定在某一工艺过程的导管(例如导管114)或管道部位。

变送器电子设备箱110内装入了压力传感模块106，并封入了电子电路(如图2所示)。电子设备箱110还包含一个连接器120，该连接器的触点包括总线触点122、公用触点124、以及环线触点126和128。总线触点122和公用触点124通过数据总线133，将电子设备箱110内的电路连接到各种次级电路，例如功能模块108或液晶显示屏(LCD)、电路130、或其它次级电路132(如虚线图所示)等外围附加载荷。环线触点126和128可直接或间接(例如通过功能模块102内部的缓冲电路)连接到工业过程控制环线106。

在图1所示的例子中，功能模块108连接电气连接器120，并包含一个液晶显示屏(LCD)电路130，其与总线触点122和公用触点124连接。液晶显示电路130经由总线触点122和公用触点124，从变送器电路取电并接收显示信息。液晶显示电路130可为现场操作者显示信息，例如由传感模块112检测到的过程变量的当前值、或从电子设备箱110内部的变送器电路接收到的其它数据。液晶显示电路130可采用如图所示的本地安装形式，或安装在远离过程变量变送器102的场所，以便于操作者进行查看。

接自过程监视和控制中心104的现场接线106与变送器102的双线输出接口连接。现场接线106可输送4至20毫安的电流，用于提供电源以及与变送器102进行通信。

有关变送器电路以及与监视和控制中心通信所需电量的电流，可被视为静态电流。在一个具体化方案中，静态电流必须小于3.6毫安。由NAMUR(化工测控技术标准工作小组)确定的标准规定：在指示变送器102的低报警条件时，4至20毫安回路上的电流应被减小到3.6毫安。由于用于中继线路可寻址远程变送器基于(HART

)通信的现场设备使用约为±0.5毫安的电流在双线回路106进行发信，需将3.1毫安电流分配到变送器电路，用于静态电流预算。

不过，假使双线回路内的电流的变化范围为4毫安(最小值)至20毫安(最大值)，传统型变送器会在回路电流最大时丢失高达82％的可供电能。具体而言，由变送器所消耗电能(假使静态电流要求为3.1毫安加0.5毫安通信电流)与可供电能的比率(当双线回路电流为最大值20毫安时)可计算如下：

$\frac{(20\mathrm{mA}-3.6\mathrm{mA})}{20\mathrm{mA}}=0.82---\left(1\right)$

本发明的实施例可将进入次级电路的电流限制在静态电流预算以内的电流电平。例如：双线回路106上超过静态电流的电流可输入次级电路，为次级电路负载、以及与次级电路的通信提供电能。

图2A所示为工业过程控制变送器102的一种配置的简化框图，其中，电压调节器160和串联回路电流控制电路162均与工业控制回路106串联。电压调节器160可为初级电路164和限流器166提供稳定的电压输出。限流器166可为次级电路168提供受限的电流电平。来自初级电路164和次级电路168的电流(I_初级)和(I_{次级最大值})分别返回工艺控制回路106。初级电路可由变送器102所使用的任何电路组成。在某个示例中，初级电路164包含了微处理器等装置、以及用于检测过程变量和/或传送与过程变量检测有关信息的其它电路。在这种配置中，微处理器可用于控制限流器电路166，以调节输入次级电路168的电流。在运行期间，回路电流控制162收到一个反馈信号，在经过配置后可控制流经过程控制回路106的电流(I_回路)。如以上所述，限流器166也收到一个反馈信号，在经过配置后，也可限制输入次级电路168的电流(可视为可供静态电流的功能)。

图2B所示为采用类似配置的变送器102的简化框图，其中，串联回路电流控制162被分路回路电流控制170所取代。在图2A和2B所示的两种配置中，限流器166能依据可供电路回路(I_回路)、初级电路所要求的电流、以及初级电路164所要求的电流(I_初级)限制之间的差额，限制供给次级电路的电流大小。还可依据发信内务操作(I_{发信内务操作})，限制提供给次级电路168的电流(I_{次级最大值})，该电流必须对工业控制回路106的数字信号进行调节。例如：单次测量、以及足以让4至20毫安电子器件和传感器电路保持正常功能所需的电流，约为3.6毫安，其数值之低足以满足MAMUR报警电平的要求。由于基于HART

的变送器使用大于或小于0.5毫安的电流供双线过程控制回路106发信，电压调节器160向初级电路提供低至3.1毫安的静态电流电平。最大次级(过)电流(I_{次级 最大值})的数值小于回路电流(I_回路)与初级电路电流(I_初级)和任何发信内务操作(I_{发信内务操作})之间的差值，具体如下：

I_{次级最大值}＝I_回路-I_初级-I_{发信内务操作}(2)

图3所示为根据本发明所给出的变送器电路300更为详细的方框图。在这个例子中，采用分路技术来控制电流(I_回路)。电路300给出了与双线过程控制回路106之间的连接，并且包含启动电路302，该启动电路经配置后可提供初始电能升高，用以启动变送器运行。交流反馈元件304和直流反馈元件306经过配置后，可向运算放大器310提供负反馈。直流反馈元件306通过120千欧的电阻312连接运算放大器310。运算放大器310的非倒相输入与回路参考值314连接。分路控制电路316连接过程控制回路106，并从运算放大器310接收到一个反馈输入信号。在总和节点320部位，基于检测电阻211产生了电压，即该电压来自分路控制316输出端、第二交流反馈元件322、以及第二直流反馈元件324。电路300还给出了补偿偏置电压326和可影响总和节点320部位电压的调制解调器328。数字-模拟转换器330可通过回路106来控制模拟电流电平。数据总线电流限制电路332收到来自总和节点320的输入量，并连接到数据总线物理层334。在特定的配置中，由数据总线物理层334所提供的数据总线可满足CAN(控制器区域网)协议的要求。

在运行期间，数据总线电流限制电路332可限制经由数据总线133提供的电流。这一限制功能基于总和节点320的电压、以及可以保守方式输入数据总线的固定的最小电流电平。总和节点320电压的控制基于分路控制电路316并满足上述要求，因此输入次级电路168的总电流不会超过所需电流预算值。

电流限制电路332可将来自过程控制回路106的部分或全部过剩电流(超过初级电路206和发信等任何其它内务操作所需的静态电流要求)分流到次级电路168。过剩电流或次级电流可依据特定的执行程序，为次级电路168的测量取值、数据显示、或其它功能的执行提供电源支持。根据变送器102未使用的或过剩的输出电流，可为总线133提供或大或小的电流。次级母线电流能在得到妥善管理的前提下，可启动次级电路168在某些回路电流条件下(例如当回路电流大于4毫安时)进行较为快速的更新。换言之，母线电流能在得到妥善管理的前提下，可在回路电流较小时向总线133提供较小的电流。在有些示例中，输入总线133的电流较小时，可减小次级电路168测量的频率值。如果变送器102用于基于HART

的通信，分路控制316可根据HART信号，增加或减少进入总线133或变送器电路206的过电流。例如：可转换部分HART

信号，按照需要补充静态电流电平或过剩电流电平。

在本发明中，电压调节器所具备的电源连接装置可为过程变送器从回路电流分路的初级电路提供电能。不过，任何类型的电源连接装置都可以使用，而本发明的意蕴并非局限于公众早已耳熟能详的电压调节器。次级电流控制电路在经过配置后，可对输入次级线路的电流实施动态限制。换言之，电流限制并非是设置在某个固定值，而是一个可变量。次级电流控制通常都具备可调输入，该可调输入能对输入次级线路的电流实施动态限制。可基于由初级电路取电、并与回路电流和静态电流电平有关的过电流进行电流限制。可基于变送器的运行推算回路电流，或利用模拟或数字电路直接测量回路电流。还可依据变送器运行推算静态电流电平，直接使用模拟或数字电路测量静态电流电平，或利用某个固定值来估算静态电流电平。次级电路的运行可依据可供电流进行改变。例如：如果次级电路正在测量某过程变量或执行计算任务，可根据可供电流对更新率或次级电路的时钟实施控制。次级电路的性能或功能性，通常可依据可供电流进行适应性改变。电流限制电路还可为次级电路和初级电路之间提供电气绝缘。例如：如果次级电路发生短路等可加大电流消耗的故障，电流限制电路可对初级电路施加否定性影响，从而防止发生电流消耗增大。

尽管本文对本发明的最优具体化方案进行了介绍，但技术熟练的工人都可看出，可在无需脱离本发明的灵魂和范围的前提下，对外形和细节进行修改。本发明的次级电路可以是任何适当的包含本机显示的次级电路，例如液晶显示电路、用于监控次级过程参数或工艺变量的测量电路、或用于接收操作者的本地操作接口等等。另一例次级电路，则包含可用于通过通信总线与现场设备进行通信的次级通信电路。在一种配置中，当依据HART

通信协议进行通信时，可在HART的正、负部分传送信号期间，以动态形式将输入次级电路的电流增减0.25毫安，因此可供应3.35毫安(而不是3.1毫安)静态电流，回路仍可满足NAMUR低报警水平(3.6毫安)条件。

Claims (25)

1.一种工业过程变送器，用于在双线过程控制回路上发送过程变量，其特征在于，该工业过程变送器包括：

一个回路电流控制装置，与过程控制回路连接，用于控制与过程变量有关的双线过程控制回路的回路电流电平；

一个电源连接装置，与回路电流控制装置连接，用于自回路电流分路的初级电路以静态电流电平向过程变送器提供电能；

一根数据总线，在经过配置后，与工业过程控制变送器的次级电路连接；以及

一个次级电流控制电路，输出端和次级电路连接，所述次级电流控制电路用于向次级电路提供电流和限制从电源输送至次级电路的电流，该输入次级电路的电流为可调输入的函数；

所述次级电流控制电路通过增减方式，在数字通信协议传送正、负部分信号期间，调节输入次级电路的电流。

2.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中的可调输入与回路电流电平有关。

3.如权利要求2所述的工业过程变送器，其特征在于，还包括：

一个传感电阻器，与次级电流电路控制装置相连接，用于向与回路电流电平有关的次级电流控制电路提供可调输入。

4.如权利要求3所述的工业过程变送器，其特征在于，其中由次级电路所提供的电流电平与通过传感电阻器的电压有关。

5.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中的可调输入与基于双线过程控制回路电流和静态电流电平的过电流有关。

6.如权利要求5所述的工业过程变送器，其特征在于，所述工业过程变送器包含一个经配置后可测量回路电流和过电流的电路。

7.如权利要求5所述的工业过程变送器，其特征在于，其中的静态电流近似于一个固定值。

8.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中的静态电流电平约为3.6毫安，其中双线回路的电流处于受控状态，电流值位于4毫安与20毫安之间，并作为与过程变量有关的信号使用。

9.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，还包括：

一个微处理器，与次级电流控制电路连接，用于调节输往次级电路的过电流。

10.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中次级电路包括：

一个现场设备，用于测量次级过程参数。

11.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中次级电路包括：

一个液晶显示电路，用于向操作者显示信息。

12.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中次级电路包括：

测量电路，用于监控次级过程参数。

13.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中次级电路包括：

一个本地操作接口，用于接收操作者所输入的数据。

14.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于：根据所述数字通信协议，通过双线回路与控制中心进行通信的电路将数字信号调制成模拟信号。

15.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中的次级电路包括：

一个次级通信电路，用于通过通信总线与现场设备进行通信。

16.如权利要求15所述的工业过程变送器，其特征在于，其中的通信电路用于根据控制器区域网CAN协议进行通信。

17.如权利要求16所述的工业过程变送器，其特征在于，其中次级电路的运行可基于可供电流发生变化。

18.如权利要求17所述的工业过程变送器，其特征在于，其中次级电路的更新率是可供电流的一个函数。

19.如权利要求1所述的工业过程变送器，其特征在于，其中的次级电流控制电路可将次级电路与初级电路隔离。

20.一种采用与双线工艺控制回路连接的工业过程变送器监视过程变量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

读出过程变量；

根据过程变量控制双线过程控制回路的回路电流电平；

利用双线过程控制回路所提供的电能，以静态电流电平为初级电路供电；

基于送入次级电流控制电路的反馈信号以动态方式限制次级电路的电流；以及

输入次级电路的动态限制电流包括通过增减方式、在数字通信协议传送正、负部分信号期间输入次级电路的电流。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，其中的输入次级电路的电流动态限制为回路电流电平和静态电流电平之间的函数。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

基于回路电流减小输入次级电路的电流。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，其中限制输入次级电路电流的具体步骤包括：

根据双线过程控制回路的通信信号，调节输入次级电路的电流。

24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，包括通过数据总线实现与次级电路之间的通信。

25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，包括基于可供电流改变次级电路的运行状态。

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