CN102239638B - 用于过程自动化的现场设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种现场设备，具有：信号处理装置(3)，其产生了数字的测量-、控制-、或调节信号(4)；和输出级(5)，该输出级将数字的测量-、控制-、或调节信号(4)转换为模拟的电压-或电流信号(I)，在该现场设备中设有监测装置(10)，该监测装置具有：-测量装置(11)，其探测模拟的电压-或电流信号(I)并且将该信号转换为数字的电压-或电流信号(13)；-第一数字低通滤波器(15)，用于过滤数字的测量-、控制-、或调节信号(4)；-第二数字低通滤波器(16)，具有如第一数字低通滤波器相同的角频率(15)，用于过滤数字的电压-或电流信号(13)；设置在低通滤波器(15，16)后面的比较器(19)，该比较器将低通过滤的数字信号(17，18)相互比较，和；-评估装置(22)，当经过比较的信号(17，18)之间的偏差超过预定水平时，该评估装置产生故障信息(23)。
Description
技术领域
在现场设备中经常通过数字的信号处理来产生数字的测量-、控制-、或调节信号，该信号随后被转换为相应的低频模拟的电压-或电流信号。
背景技术
对此的一个实例是调节-或调整装置，其中信号处理装置(例如数字调节器)产生了数字的控制-或调节信号，该信号随后借助于输出级被转换为用于控制执行机构(例如阀)的模拟的电压-或电流信号。
另一个实例是测量变换器，其用于，探测物理量(例如温度)并且将物理量转换为输出信号，该信号例如被传输给控制-或调节装置。探测物理量的传感器提供了通常是模拟的原始电信号。测量变换器的输出信号可以是数字的或模拟的，其中在此考虑的后一种情况下，输出信号是电流信号、通常在4至20mA的范围中。可以相应于HART-规范将在kHz范围中的更高频率的数字信号叠加于具有直到大约100Hz的低频模拟的电流信号。由传感器提供的原始信号借助于信号处理装置处理成为数字的测量信号，其中信号处理通常包括模拟的信号处理步骤、如模拟过滤和前置放大，以及数字的信号处理步骤、如零点确定、定标(确定测量范围)和根据特殊的传输功能进行信号处理。随后借助于输出级将数字的测量信号转换为所期望的模拟的电流信号。
为了产生模拟的电压-或电流信号，数字的测量-、控制-或调节信号必须事先被转换为模拟的信号。其例如可以通过脉宽调制(PWM)和设置在后面的模拟过滤来实现，如其由DE 10 2005 018398A1已知的那样。
为了识别在信号处理时出现的故障，已知的是，信号处理冗余地或差异性地设计并且检查信号处理的结果的一致性。也已知了，即信号处理算法的结果需要回算(zurueckrechnen)并且和输入信号相比较。
由WO 03/060851A1已知了一种测量变换器，其中在监测装置中从由传感器提供的原始信号在信号预处理完成之后形成了辅助信号，将该辅助信号和测量变换器的输出信号、例如4至20mA的电流信号进行比较，以便在超过预定水平的偏差的情况下触发故障信息并且用于与安全有关地调节输出信号。为了形成辅助信号，在除了信号处理的微处理器之外设置的其它微处理器中利用信号处理的传输功能来处理原始信号。
将由信号处理装置产生的数字的测量信号转换为模拟的输出信号，这种转换被输出级的动态性能(例如通过输出级的时间常数引起的信号延迟)影响，这使得信号比较变得更加困难并且可以导致不期望的故障信息。
发明内容
根据本发明，前述的缺点通过在权利要求1中定义的现场设备来避免，有利的改进方案在从属权利要求中给出。
因此本发明的主题是一种用于过程自动化的现场设备，具有：
-信号处理装置，该信号处理装置产生了数字的测量-、控制-、或调节信号，
-输出级，该输出级将数字的测量-、控制-、或调节信号转换为相应的低频模拟的电压-或电流信号，和
-监测装置，包括：
-测量装置，该测量装置探测模拟的电压-或电流信号并且将信号转换为数字的电压-或电流信号；
-第一数字低通滤波器，用于过滤数字的测量-、控制-、或调节信号，其中低通滤波器的角频率设定为小于输出级的极限频率，
-第二数字低通滤波器，具有如第一数字低通滤波器相同的角频率，用于过滤数字的电压-或电流信号，
-设置在低通滤波器后面的比较器，该比较器将低通过滤的数字的测量-、控制-、或调节信号和低通过滤的数字的电压-或电流信号相互比较，和
-设置在比较器后面的评估装置，当两个经过比较的信号之间的偏差超过预定水平时，评估装置产生故障信息。
在根据本发明的现场设备中，对数字的测量-、控制-、或调节信号转换为相应的模拟的电压-或电流信号进行监测。由于数字的测量-、控制-、或调节信号和转换为数字的电压-或电流信号的测量到的电压-或电流信号在比较之前分别被低通过滤，因此输出级的动态性能在比较时无需考虑地保持在低通滤波器的角频率之上并且不会导致不期望的故障信息。
这种优点特别在输出级中得到证明，该输出级具有脉宽调制器，在脉宽调制器之后是模拟的低通滤波器和在一定条件下设置在模拟的低通滤波器后面的电压/电流转换器。
两个数字低通滤波器的角频率在此优选地设定为比输出级的极限频率小几倍、例如是大约10倍。在此然而可能出现的问题是，即在电压-或电流信号的使用频率范围之内，在低通滤波器的角频率之上出现的故障保持为不可识别。为了防止这种情况，输出级的极限频率设定为比低频的电压-或电流信号的极限频率大几倍，因此低通滤波器的角频率接近于电压-或电流信号的上极限频率。
输送给比较器的低通过滤的信号可以具有时间偏移，该时间偏移通过从信号处理装置的输出端到比较器的输入端的数字的测量-、控制-、或调节信号的不同信号路径来限定。为了避免由这种时间偏移产生不期望的故障信息，优选地在第一数字低通滤波器前面设置有使得向第一数字低通滤波器输送的数字的测量-、控制-、或调节信号延迟的延迟级，该延迟级的延迟相应于从信号处理装置的输出端一直到测量装置的输出端的信号延迟而测定。
为了避免由于短时间的故障、例如干扰脉冲而引起的不期望的故障信息，优选地在比较器和评估装置之间设有第三低通滤波器。
可替换地，评估装置可以分配有计数装置，其中当在两个经过比较的信号之间的超过预定水平的偏差的频率超过一个预定的数量时，评估装置产生故障信息。
附图说明
下面参照附图的图示进一步说明本发明；详细示出的是：
图1作为简化的框形电路图示出了测量变换器形式的根据本发明的现场设备的一个实施例，
图2示出了数字的测量信号、模拟的电流信号和低通过滤的测量信号的时间曲线的一个实例，和
图3作为简化的框形电路图示出了调节装置形式的根据本发明的现场设备的另一个实施例。
具体实施方式
图1示出了具有传感器1的测量变换器，该传感器探测物理量、例如温度并且将该物理量转换为模拟的原始信号2。原始信号2被输送到信号处理装置3中，在该装置中进行模拟的信号预处理、模/数转换和最后将原始信号2数字处理为数字的测量信号4。测量信号4在输出级5中被转换为模拟的4至20mA的电流信号I。输出级5为此包括：数/模转换器6，该数/模转换器包括脉宽调制器7和设置在后面的模拟低通滤波器8；和电压-/电流转换器9。
为了对将数字的测量信号4转换为相应的模拟的电流信号I进行监测，设有监测装置10，两个信号4和I被输送给该监测装置。只要存在相应的装置，则输出信号6就可以直接从电压-/电流转换器9处获得，或者如这里所示出地，借助于测量装置11被探测为电流测量电阻12上的电压降并且转换为数字的电流测量信号13。数字的测量信号4被输送给延迟级14，这样设定其延迟，即其大约相应于测量信号4从输出级5的输入端直到测量装置11的输出端的路径上的延迟。延迟的测量信号4′和数字的电流测量信号13分别被输送给第一级的第一或第二低通滤波器15，16，其角频率设定为小于输出级5的极限频率。低通过滤的数字的测量信号17和低通过滤的数字的电流信号18在比较器19中被相互比较。比较器19产生相应于在两个信号17和18之间的偏差的比较信号20，该比较信号通过另一个低通滤波器21被输送给评估装置22，当两个经过比较的信号17和18之间的偏差超过预定水平时，该评估装置产生故障信息23。
图2示例性地示出了数字的测量信号4、模拟的电流信号I和低通过滤的、在此非延迟的测量信号17的时间曲线。数字的测量信号4作为额定-信号具有在此例如从0到100％的跳跃形曲线，而模拟的电流信号I作为实际信号在无故障的情况下在一定的延迟之后在非跳跃形的曲线中达到100％的最终值。这种延迟通过输出级5的动态性能限定并且取决于频率。尽管也就是说将测量信号4转换为电流信号I无故障地进行，但是这两个信号曲线4和I彼此不同并且不能没有问题地相互比较。如根据低通过滤的测量信号17的曲线可识别出的，通过低通过滤相对于动态方面在统计学方面更高地进行加权：两个低通过滤的信号17和18渐进地接近于100％的值。在电流信号I方面这表明，即输出级5的动态性能在低通过滤的数字的电流测量信号18中仅仅还起到较小的作用。数字的测量信号4因此被低通过滤，因此其经历了如同电流信号I一样的信号处理并且可以和该电流信号进行比较。在输出级5中纯粹的延迟通过延迟级14进行复制。
在例如为100Hz的电流信号I的有效频率范围的上极限频率中，输出级的极限频率可以是≥100Hz。低通滤波器15和16的角频率选择为比输出级5的极限频率小多倍并且例如为10Hz。为了使非电流信号I的有效频率范围内的、在低通过滤器15和16的角频率之上的、也就是说在10至100Hz的范围中出现的故障保持为不被识别，输出级5的极限频率设定为比电流信号I的极限频率大几倍并且例如为1000Hz。
图3示出了调节装置，在此例如是电子气动的位置调节器(定位器)，其通过可电控制的控制阀24操纵用于过程阀26的气动的驱动装置25，以便过程阀26运动到预定的阀位置上。实际-阀位置27被探测并且和额定-阀位置28一起传输给信号处理装置3，信号处理装置包括数据调节器29并且产生了数字的调节信号4。调节信号4在输出级5中被转换为用于对控制阀24进行控制的模拟的电压信号U。输出级5为此包含数/模转换器6，该转换器包含脉宽调制器7和设置在后面的模拟的低通滤波器8。为了监测将数字的调节信号4转换为相应的模拟的电压信号U，设置了监测装置10，两个信号4和U被输送给该监测装置并且其进一步相同地构成和工作，如同上面根据附图1描述地那样。仅仅对于另外的低通滤波器21可替换的是，为评估装置22分配有计数装置30，其中，当在两个经过比较的信号17和18之间的超过预定水平的偏差的频率超过预定的数量时，评估装置22产生故障信息23。此外如以虚线表示地那样，替代电压信号U可以将控制阀24的输出端上的气动信号或实际-阀位置27输送给监测装置10。
Claims (13)
1.一种用于过程自动化的现场设备，具有：
-信号处理装置(3)，所述信号处理装置产生了数字的测量、控制或调节信号(4)，
-输出级(5)，所述输出级将所述数字的测量、控制或调节信号(4)转换为相应的低频模拟的电压或电流信号(U，I)，和
-监测装置(10)，包括：
-测量装置(11)，所述测量装置探测所述模拟的电压或电流信号(U，I)并且将所述信号转换为数字的电压或电流信号(13)；
-第一数字低通滤波器(15)，用于过滤所述数字的测量、控制或调节信号(4)，其中所述低通滤波器(15)的角频率设定为小于所述输出级(5)的极限频率，
-第二数字低通滤波器(16)，具有如所述第一数字低通滤波器(15)相同的角频率，用于过滤所述数字的电压或电流信号(13)，
-设置在所述第一数字低通滤波器(15)和所述第二数字低通滤波器(16)后面的比较器(19)，所述比较器将低通过滤的数字的测量、控制或调节信号(17)和低通过滤的数字的电压或电流信号(18)相互比较，和
-设置在所述比较器(19)后面的评估装置(22)，当两个经过比较的信号(17，18)之间的偏差超过预定水平时，所述评估装置产生故障信息。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，用于产生所述模拟的电压信号(U)的所述输出级(5)包括脉宽调制器(7)，在所述脉宽调制器之后是模拟的低通滤波器(8)。
3.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，用于产生所述模拟的电流信号(I)的所述输出级(5)包括脉宽调制器(7)，在所述脉宽调制器之后是模拟的低通滤波器(8)和设置在所述模拟的低通滤波器后面的电压/电流转换器(9)。
4.根据权利要求3所述的现场设备，其特征在于，所述输出级(5)的极限频率设定为比所述低频的电压或电流信号(U，I)的极限频率大。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的现场设备，其特征在于，在所述第一数字低通滤波器(15)前面设置有使得向所述第一数字低通滤波器输送的所述数字的测量、控制或调节信号(4)延迟的延迟级(14)，所述延迟级的延迟相应于从所述信号处理装置(3)的输出端一直到所述测量装置(11)的输出端的信号延迟而测定。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的现场设备，其特征在于，在所述比较器(19)和所述评估装置(22)之间设有第三低通滤波器(21)。
7.根据权利要求5所述的现场设备，其特征在于，在所述比较器(19)和所述评估装置(22)之间设有第三低通滤波器(21)。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的现场设备，其特征在于，所述评估装置(22)分配有计数装置(30)，其中当在两个经过比较的信号(17，18)之间的超过所述预定水平的偏差的频率超过一个预定的数量时，所述评估装置(22)产生故障信息(23)。
9.根据权利要求5所述的现场设备，其特征在于，所述评估装置(22)分配有计数装置(30)，其中当在两个经过比较的信号(17，18)之间的超过所述预定水平的偏差的频率超过一个预定的数量时，所述评估装置(22)产生故障信息(23)。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的现场设备，包括测量变换器，其中：
-传感器(1)探测物理量并且将所述物理量转换为电的原始信号(2)，
-所述信号处理装置(3)将所述原始信号(2)转换为所述数字的测量信号(4)，和
-所述输出级(5)发出相应于所述数字的测量信号(4)的低频模拟的电流信号(I)。
11.根据权利要求9所述的现场设备，包括测量变换器，其中：
-传感器(1)探测物理量并且将所述物理量转换为电的原始信号(2)，
-所述信号处理装置(3)将所述原始信号(2)转换为所述数字的测量信号(4)，和
-所述输出级(5)发出相应于所述数字的测量信号(4)的低频模拟的电流信号(I)。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的现场设备，包括调节或调整装置，其中：
-所述信号处理装置(3)产生所述数字的控制或调节信号(4)，和
-所述输出级(5)利用所述低频模拟的电压或电流信号(U，I)控制执行机构(24至26)。
13.根据权利要求9所述的现场设备，包括调节或调整装置，其中：
-所述信号处理装置(3)产生所述数字的控制或调节信号(4)，和
-所述输出级(5)利用所述低频模拟的电压或电流信号(U，I)控制执行机构(24至26)。
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