CN102279595B

CN102279595B - 具有功率收集的二线式工业过程现场装置及功率收集方法

Info

Publication number: CN102279595B
Application number: CN201110129474.2A
Authority: CN
Inventors: 约翰·P·舒尔特
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: US8786128B2; CA2800660C; RU2012153237A; EP2569675A1; WO2011143081A1; CN202217172U; CA2800660A1; EP2569675B1; JP2013526737A; CN102279595A; RU2530352C2; BR112012028543A2; US20110282467A1; JP5542239B2

Abstract

一种用于在监测或者控制工业过程中使用的过程现场装置，包括第一回路终端和第二回路终端，所述第一回路终端和第二回路终端被构造成与二线式工业过程控制回路耦合。现场装置电路被构造成监测或者控制工业过程的过程变量。所述现场装置电路由来自二线式工业过程控制回路的功率供电。电流调节器与所述二线式工业过程控制回路、所述第一终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联连接。所述电流调节器被构造成控制流过所述二线式工业过程控制回路的回路电流。电压调节器与所述电流调节器并联连接并且与所述二线式工业过程控制回路、所述第一终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联连接。所述电压调节器被构造成控制所述现场装置电路上的电压。

Description

具有功率收集的二线式工业过程现场装置及功率收集方法

相关申请的交叉引用

本申请基于并主张于2010年5月11日所提交的美国临时申请第61/333,508号的权益，其内容以引用方式纳入本文中。

技术领域

本发明涉及用于监测或者控制工业过程的类型的过程现场装置。特别地，本发明涉及现场装置电路，其由从二线式工业过程控制回路接收的功率或能量(power)供电。

背景技术

工业过程用在各种应用场合。例如，这个系统用于产生或者控制过程流体。示例包括炼油厂、食品生产、纸浆生产等。在这种工业过程中利用过程流体。过程流体的各种过程变量被监测或控制。示例性过程变量包括温度、压力、流量(flow rate)、液位等。在工业过程中，过程现场装置用来测量和/或控制过程变量。测量过程变量的现场装置通常是指过程变量变送器。用来控制过程变量的现场装置可以是指过程变量控制器。

在许多工业过程中，过程现场装置与诸如控制室之类的集中站(centralized station)通信。过程变量被传送至控制室，而控制室内的仪器可以通过将控制信号传送给过程变量控制器而控制过程。许多工业过程装置利用二线式工业过程控制回路与过程现场装置通信。在这种构造中，过程控制回路上的电流电平可以设成表示所测过程变量的值、或者设成表示用于控制过程变量的期待值的值。一个示例是根据

通信标准运行的二线式过程控制回路。在这种构造中，通过过程控制回路的电流电平(current level)可以被控制以表示过程变量，并且通过将数字信号调制到模拟电流电平上而传送附加的数字信息。

许多过程现场装置被构造成由用于传送信息的同一个二线式过程控制回路供电。二线式过程控制回路可以耦合到单个现场装置或者多个现场装置(“多支路(multi-drop)”)。这限制了过程现场装置可获得或可用的功率。在许多实例中，希望的是使过程现场装置的电路可用的功率量最大化。

发明内容

一种用于在监测或者控制工业过程中使用的过程现场装置，包括被构造成与二线式工业过程控制回路耦合的第一回路终端和第二回路终端。现场装置电路被构造成监测或者控制工业过程的过程变量。所述现场装置电路由来自二线式工业过程控制回路的功率供电。电流调节器与所述二线式工业过程控制回路、所述第一回路终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联连接。所述电流调节器被构造成控制流经所述二线式工业过程控制回路的回路电流。电压调节器与所述电流调节器并联连接并且与所述二线式工业过程控制回路、所述第一回路终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联连接。所述电压调节器被构造成控制所述现场装置电路上的电压。

附图说明

图1是工业过程控制或者监测系统的简化示意图。

图2是显示图1中的过程现场装置的简化方框图。

图3是用于现有技术中的过程现场装置的功率体系结构的方框图。

图4是用于现有技术中的采用功率收集技术的过程现场装置的功率体系结构的简化方框图。

图5是用在图4的电路中的现有技术中的串联调节器的电路示意图。

图6是根据本发明的用于为过程现场装置供电的功率体系结构的简化方框图。

图7是图6中的电路的电路示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于从过程现场装置中的二线式过程控制回路中回收或者“收集(scavenging)”功率的方法和装置。在一个构造中，本发明包括与过程控制回路串联且相互之间并联的电流调节器和电压调节器。过程电场装置电路与电流调节器/电压调节器串联并且由来自二线式过程控制回路的功率供电。大容量电容器可以用来与过程现场装置电路并联以储存功率。

图1是工业过程控制或者监测系统100的简化框图，该工业过程控制或者监测系统100被构造成控制或者监测过程管路102中运送的过程流体。现场装置104与过程管路耦合，并通过二线式过程控制回路108与中央控制室106通信。控制器106被模型化为电阻器110和电源112。二线式过程控制回路可以遵循任何适当的通信协议。例如，通信协议，其中，过程变量由流经回路108的电流I_L表示，电流I_L的范围从低值4mA到高值20mA。可以将数字信息调制到回路电流I_L上，用于传送附加的信息。在另一个构造中，过程控制回路108仅载送数字信息。现场装置104被图示为包括过程接口元件120。如果现场装置104被构造为过程变量变送器，则过程接口元件120可以包括诸如压力传感器、温度传感器等的传感器。类似地，如果现场装置104被构造成过程变量控制器，过程接口120可以被构造成诸如传动装置之类的用于控制阀的位置的控制元件，加热元件等。

图2是显示现场装置104的电路的简化方框图。现场装置104包括现场装置电路140。现场装置104包括回路终端136和138，它们用来与过程控制回路108耦合。现场装置电路140包括，例如，微处理器142，以及为图示的其它电路。如果现场装置104被构造成过程变量变送器，那么现场装置电路140用来感应来自接口元件120的过程变量。类似地，如果现场装置104被构造成过程变量控制器，那么现场装置电路140被构造以控制接口元件120。正如以下更详细地说明的那样，电源电路146被图示为与过程控制回路108串联。电源电路146还用来接收或传送过程控制回路108上的信息并与现场装置电路140耦合。

如上所述，在正常运行期间，过程控制回路108载送范围在4mA和20mA之间的回路电流。然而，一些回路供电的装置具有低值报警特征，其在装置故障的情况下引起回路电流下降至范围之外(低于4mA)。低值报警电流可以低至3.6mA。这对静态电流(quiescent current)设定了下限，该静态电流能够被现场装置之内的电子电路所利用以在3.6mA或更小的电流下运行。可用的功率用于为传感器、测量电路、调节器电路、执行软件算法的微控制器供电，以及用于许多其它功能。

许多过程装置具有采用串联调节器和分路调节器(shunt regulator)的电功率体系结构。图3是现有技术中的这种构造的简化示意图，其中，现场装置160包括耦合至二线式过程控制电路的终端162和164。串联调节器166与过程控制回路和现场装置160的电路168串联。分路调节器170与回路终端162和164并联并且用来在终端162和164之间分流电流。感应电阻器172为分路调节器170提供电压，从而将与回路电流L_p相关的反馈提供给分路调节器170。串联调节器166将被调节的电压提供给装置电子设备168，所述装置电子设备包括传感器、A/D、微控制器等。分路调节器170负责将回路电流控制在预期电流电平。调节器170接收来自电路感应电阻器172的反馈，电路感应电阻器172能够控制回流电路I_L。

分路调节器170接收来自数字-模拟转换器的与DC电流电平相关的输入信号，例如，4-20mA信号。调节器170接收来自调制解调器的与输出(被传送的)

数字信息相关的第二输入信号。

协议将置于过程控制回路上的被传送信息控制为具有受调制的1mA峰到峰(peak to peak)电流波形。因此，为了

信息，分路调节器170必须调制回路±0.5mA。使回路电流提高0.5mA并不困难。然而，分路调节器170不能在回路上施加负电流。因此，为了使回路电流降低0.5mA，必须有至少0.5mA的偏流已经流过调节器170。这暗示着必须为分路调节器170保留可用电流之外的0.5mA电流，以允许

通信从而在低值报警电流电平下起作用；这是可用电流的14％。装置160被约束在3.6mA的电流预算中，3.6mA中的3.1mA分配给电路作用，而0.5mA被分配以偏压分路调节器170。

功率收集的一个目标在于减少0.5mA的分路调节器偏流，并使得该电流对装置的电路来说是可用的。这可以通过调制串联调节器路径而非分路调节器路径中的

电流而实现。在

数字调制的正半周期期间，从回路获得的多余的能量存储在大容量电容器中。在调制的负半周期期间，从回路获得的能量减少，但是正半周期期间所存储的能量增加。图4是显示这种构造的示意性简化图。图4中与图3中所选的那些元件类似的元件仍保留它们的号码。参见图4，分路调节器170偏流设为零，而整个3.6mA的可用电流分配给串联调节器166。

传送信息(transmit information)被提供给串联调节器166，导致电流被调制±0.5mA。电流通过与装置电路168并联连接的大容量电容器180。如果大容量电容器180位于电阻最小(即，大容量电容器180在

频带中的阻抗明显小于电路168或分路调节器170的阻抗)的路径上，这是一个可接受的假设。这些不是难以实现的设计要求，原因在于在

频带中，大容量电容器180的阻抗典型地小于25Ohm。

注意，在图4的构造中，

传送信号(transmit signal)还传递到分路调节器170。这样做是为了确保二线式回路108上具有良好的

传送波形(transmit waveform)。经过串联调节器166的电流波形中的任何不完整性将通过分路调节器170修正，从而在回流108上产生

适应波形(compliant waveform)。如果串联调节器166

波形足够精确，那么

传送信号不需要给分路调节器170，并且因而简化分路调节器170的设计。

如果串联调节器166波形准确，那么可忽略的

传送电流(transmit current)将经过分路调节器170，并且据说功率收集电路非常有效；几乎可回收0.5mA偏流中的全部。

然而，如果串联调节器166波形不准确，那么明显的

传送电流将经过分路调节器170，并且据说功率收集电路无效；仅可回收0.5mA偏流中的一部分。

之前的实现

功率收集电路的尝试成功有限。它们基本上涉及采用单个控制元件将收集功能加至串联电压调节器的电路的设计。这种电路166的简化形式在图5中给出。在图5中，运算放大器204基于来自场效应晶体管202的输出的如由电阻器R1和R2所确定的负反馈控制场效应晶体管202。来自运算放大器204的输出通过电阻器212提供给晶体管202。通过将受调制的数字信号经电阻器208和电容器210应用到晶体管202，将

传送信号调制到电流回路上。在图5中，基于运算放大器的调节器还接受用于收集的

传送控制信号(Vtxa)，其造成回路电流的调制。在这种情况下，运算放大器204作为控制元件运行并控制Vout，而不是

传送电流。在图5中，

传送信号被注入FET202的栅极中。然而，还可以使用其它构造，例如将调制信号注入R1和R2之间的节点，或者运算放大器204的Vref节点。

输出信号Vout由参考电压(Vref)以及电阻器R1和R2的值根据以下公式1所确定：

Vout＝Vref×(R1+R2)/R2 公式1

这是在反馈路径中使用传输晶体管(pass transistor)202的常用的基于运算放大器的电压调节器体系结构。

信号被田加至晶体管202的控制信号，这样，当

正在传送时，1mA的峰到峰(pk-pk)电流通过FET 202以及大容量电容器180，以实现

功率收集。

运算放大器204的高增益允许输出电压Vout的精确控制。然而，运算放大器204在

传送波形的电流振幅的控制中不起任何作用。因此，

波形的精确度取决于各种电阻器和电容器的调整，以及诸如FET 202的有源元件的增益特征。这些参数不能被很好地控制，并因此

传送波形不能被很好地控制。因此，图5中所示的

功率收集电路的效率相对匮乏。与从分路电路中回收0.5mA的偏流相反，仅回收了很少的量(例如，0.1或者0.2mA)。

本发明提供了一种电路和方法，其通过串联调节器精确地调节

传送电流因而获得更好的

收集效率。然而，所述构造还提供了充分的设计弹性，以解决其它关注问题，诸如至回路电流的噪声传播。

本发明在串联调节器中采用两个控制元件以实现电压调节和

功率收集电流调节。两个独立的控制元件的使用允许改善输出电压和

传送电流这两个参数的控制。

图6中示出串联调节器的方框图。图6中与之前所描述的元件类似的元件保留它们的数字。除了上述的分路调节器170之外，图6中所示的构造包括并联连接的电流调节器220和电压调节器222，如将在以下更加详细地描述的那样。电压调节器222将输出电压控制在预期平。电流调节器220被设置为具有至少0.5mA并且优选为1.0mA或者更多的偏流。这种偏流流入电路168中，这样它不会像它处于图3的分路调节器构造中那样会被浪费。当整个静态电流设置为3mA或更高时，这个构造可以正确运行，原因在于总有流经两个调节器220、222的电流。例如，当静态电流为3mA时，在电流调节器220中可以存在1mA的偏流，而另外的2mA电流在电压调节器222中。通过调整电压调节器222中的电流弥补静态电流I_q波动。

尽管调节器220、222并联连接，但两者之间没有争用(contention)，因为调节器222调节电压而调节器220调节电流。当

消息被传送时，

调制(1mA pk-pk)在电流调节器220中叠加1mA偏流。因此，净输出电流为静态电流I_q和

调制电流。电路168包括被构造成为调节器220提供TXA信号的

调制解调器。如上所述，电路168还将模拟4-20mA控制信号提供给分路调节器170。

图7中显示串联调节器的一种示例性方案的简化示意图。元件A1为用于电压调节器222的控制元件，而元件A2为用于电流调节器220的控制元件。在图7的示意图中，电压调节器222使用场效应晶体管M1以控制输出电压V_out。使用运算放大器A1控制场效应晶体管M1，运算放大器A1接收与电压参考电压V_ref相比较的负反馈。所述负反馈基于电阻器R1和R2。使用场效应晶体管M2由电流调节器220调节电流I_OUT。采用运算放大器A2控制场效应晶体管M2，运算放大器A2通过电阻器R3和R4接收负反馈。感应电阻器R_s与M2串联放置，以提供与I_OUT成比例的反馈电压。使用Vtxa输入将数字信号调制到电流I_OUT上。可以使用电阻器R5和R6控制调制的量。

电压调节器输出电压与图5中的表达相同：

Vout = Vref \frac{R 1 + R 2}{R 2}

公式2

电流调节器220偏流取决于输出电压Vout，以及电路电阻。

调制电流取决于来自调制解调器的传送信号(Vtxa)，以及电路电阻。电容器Ctx充分地足够大，因此在

频带中，它的阻抗明显小于电阻器R6的阻抗，这允许在AC电路分析中忽略它。输出电流如下得出：

Iout = \frac{Vout}{R_{s}} \frac{R 3}{R 4} + \frac{V_{txa (AC)}}{R_{S}} \frac{R 5}{R 5 + R 6} \frac{R 3 + R 4}{R 4}

公式3

在公式3中，V_txa(AC)表示V_txa的AC成分，因为电容器Ctx阻隔V_txa的DC成分。在公式3的表达式中，所有参数都被很好地控制，这样输出电流Iout相对于预期偏流(例如1mA)、以及

调制电流(1mAp-p)是精确的，这产生非常有效的

收集设计。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的精神和范围内可以进行形式或者细节上的改变。虽然上述描述以

协议为参考，但是本发明还可以与诸如基于Foundation Fieldbus^TM的通信系统之类的其它回路通信构造一起使用。

Claims

1.一种用于在监测或者控制工业过程中使用的过程现场装置，包括：

第一回路终端和第二回路终端，所述第一回路终端和第二回路终端被构造成耦合至二线式工业过程控制回路；

现场装置电路，所述现场装置电路被构造成监测或者控制工业过程的过程变量，所述现场装置电路由来自二线式工业过程控制回路的功率供电；

电流调节器，所述电流调节器与所述二线式工业过程控制回路、所述第一回路终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联连接，所述电流调节器被构造成控制流过所述二线式工业过程控制回路的回路电流；和

电压调节器，所述电压调节器与所述电流调节器并联连接并且与所述二线式工业过程控制回路、所述第一回路终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联连接，所述电压调节器被构造成控制所述现场装置电路上的电压；

该过程现场装置还包括与所述现场装置电路并联连接的被构造成储存电能的大容量电容器。

2.如权利要求1所述的过程现场装置，该过程现场装置还包括分路电流调节器，所述分路电流调节器被构造成响应于测量到的过程变量控制流经过过程控制回路的回路电流。

3.如权利要求1所述的过程现场装置，其中所述电流调节器被构造成将数字信号调制到流过所述二线式工业过程控制回路的回路电流上。

4.如权利要求3所述的过程现场装置，其中所述现场装置电路包括与电流调节器耦合的被构造成调制所述数字信号的调制解调器。

5.如权利要求1所述的过程现场装置，其中所述二线式工业过程控制回路根据

通信协议运行。

6.如权利要求1所述的过程现场装置，其中所述回路电流在4mA和20mA之间变化并表示测量到的过程变量。

7.如权利要求1所述的过程现场装置，其中所述电压调节器包括与所述二线式工业过程控制回路和具有参考电压输入端的运算放大器串联耦合的场效应晶体管。

8.如权利要求7所述的过程现场装置，其中所述电压调节器在场效应晶体管的输出端处接收与电压相关的负反馈。

9.如权利要求1所述的过程现场装置，其中所述电流调节器包括与所述过程控制回路和构造成接收调制的数字信号的运算放大器串联耦合的场效应晶体管。

10.如权利要求9所述的过程现场装置，其中所述电压调节器接收与流过场效应晶体管的电流相关的负反馈。

11.一种将功率提供给用于在监测或者控制工业过程中使用的过程现场装置的方法，包括下述步骤：

将第一回路终端和第二回路终端耦合至二线式工业过程控制回路；

用从二线式工业过程控制回路所接收的功率给现场装置电路供电，并且，用所述现场装置电路监测或者控制工业过程的过程变量；

利用与所述第一回路终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联耦合的电流调节器调节流过所述二线式工业过程控制回路的回路电流；以及

利用与所述电流调节器并联连接并且与所述二线式工业过程控制回路、所述第一回路终端和第二回路终端以及所述现场装置电路串联连接的电压调节器调节所述现场装置电路上的电压；

提供与所述现场装置电路并联连接的被构造成储存电能的大容量电容器。

12.如权利要求11所述的方法，包括响应于测量到的过程变量用分路电流调节器控制流过过程控制回路的回路电流。

13.如权利要求11所述的方法，包括将数字信号调制到流过所述二线式工业过程控制回路的回路电流上。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述电压调节器包括与所述二线式工业过程控制回路和具有参考电压输入端的运算放大器串联耦合的场效应晶体管。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述电压调节器接收与流过场效应晶体管的电流相关的负反馈。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述电流调节器包括与所述二线式工业过程控制回路和运算放大器串联耦合的场效应晶体管，所述运算放大器被构造成将数字信号调制到所述二线式工业过程控制回路上。