CN102868210A - 具有可拆卸电源的无线现场装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制或监测工业过程的无线现场装置，包括被配置连接到过程流体的过程接口。现场装置电路连接到过程接口并被配置为测量或控制过程变量。无线通信电路被配置为提供无线通信。至少一个电接入端子被配置为提供至现场装置的电路的电连接。电源被配置为向无线现场装置供电。电源包括用于在延长的时间周期内向现场装置供电的可拆卸主电源。辅助电源被配置在拆除主电源时给现场装置供电。

Description

具有可拆卸电源的无线现场装置
技术领域
本发明涉及用在工业过程中的类型的现场装置。更具体地，本发明涉及用在监测或控制工业过程的具有可拆卸电源的现场装置。
背景技术
现场装置用在工业过程中以控制或监测过程的操作。无线现场装置可以测量大量过程特性中的任一种，例如，压力、液位、流速、质量流量、pH值、温度、密度和传导性，或者可以监测过程设备，用于诸如振动、应变或腐蚀之类的事情，或者可以监测一般工厂环境，用于诸如火和气体监测之类的事情，或者可以用于定位工人和设备的当前位置。例如，过程变量变送器是可以用来监测过程流体的过程变量的类型的现场装置。示例性过程变量包括温度、压力、液位、流量等等。控制器为用来控制过程的操作的类型的现场装置。例如，控制器可以通过调整输送流体的管道中的阀的位置来控制过程流体的流速。
传统上，现场装置已经通过电配线连接至中央控制室。一种类型的连接采用两条电线并且已知为二线式过程信号回路。在这种配置中，相同的两条线用于通信和向无线现场装置供电。最近，已经开发了无线通信技术。在这种配置中，不需要电线将现场装置连接至其它位置。一种示例性协议是无线IEC 62591国际标准(无线
Figure BDA0000142479390000011
)。
一些类型的无线现场装置包括内部电源，以便它们能够在没有任何外部电连接的情况的操作。这种无线现场装置包括诸如电池之类的电源，其用来向现场装置供电。能量收集技术，如太阳能电源、热电发电机、振动能量采集器等能，可以用来向现场装置提供附加电力。包括多个电源的现场装置的一个示例在于2008年3月19日由Datta等人递交的名称为“APPARATUS AND METHOD FOR ON-LINE POWER SOURCEREPLACEMENT IN WIRELESS TRANSMITTER AND OTHERDEVICE(用于无线变送器和其它装置中的在线电源更换的装置和方法)”的美国专利No.7,812,480中示出。
发明内容
一种用于控制或监测工业过程的无线现场装置，包括被配置连接过程流体的过程接口。无线现场装置可以测量大量过程特性中的任一种，例如，压力、液位、流速、质量流量、pH值、温度、密度和传导性，或者可以监测过程设备，用于诸如振动、应变或腐蚀之类的事情，或者可以监测一般工厂环境，用于诸如火和气体监测之类的事情，或者可以用于定位工人和设备的当前位置。现场装置电路连接到过程接口并被配置为测量或控制过程变量，该过程变量可以包括不是正在进行的过程的部分的项目的物理属性。无线通信电路被配置以提供无线通信。电接入端子被配置为提供至现场装置的电路的电连接。电源被配置为向无线现场装置供电。电源包括用于在延长的时间周期内向现场装置供电的可拆卸主电源。辅助电源被配置在拆除主电源时将电力提供至现场装置。
附图说明
图1为包括无线现场装置的工业过程控制系统的简化示意图。
图2为图1的现场装置的简化框图。
具体实施方式
本发明提供了具有可拆卸电源的现场装置。可拆卸电源配置为在延长的时间周期内向现场装置供电。可拆卸电源的拆除提供了可以电连接至现场装置的电路的至少一个电接入端子的接近。备用或辅助电源被设置为在已经拆除可拆卸电源时向现场装置供电。本发明的其它方面包括可拆卸电源的拆除的检测。响应于可拆卸电源的拆除，可以将信息传送到另一位置。类似地，在检测到可拆卸电源的拆除时，现场装置可以进入低功率模式或降低功率模式。该装置还可以被配置为接收其中使整个装置进入低功率休眠模式的休眠命令。尽管来自可拆卸电源和/或备用电源的电力可用性，可以发生这种休眠模式。这在该装置不被使用或以其它方式失效时会是有用的。
图1为包括现场装置102和104的工业过程100的简化示意图。现场装置102和104图示为分别地连接到过程管道106和108。现场装置102和104分别包括过程接口元件110和112。这些过程接口元件可以包括用来检测过程流体的过程变量的传感器。示例性过程变量包括温度、压力、流量、pH等等。类似地，过程接口元件110、112可以包括用来控制过程变量的控制元件。示例性控制元件包括阀、加热元件、泵等等。例如，无线现场装置可以测量大量过程特性中的任一种，诸如压力、液位、流速、质量流量、pH值、温度、密度和传导性，或者可以监测过程设备，用于诸如振动、应变或腐蚀之类的事情，或者可以监测一般工厂环境，用于诸如火和气体监测之类的事情，或者可以用于定位工人和设备的当前位置。现场装置102和104被配置为通过无线网络117进行无线通信，并分别地包括天线116和118。通过这种无线通信，现场装置116、118可以彼此通信，或者可以与位于诸如过程控制室120之类的远程位置处的网关(121)进行通信，过程控制室120图示为包括连接至网关121的主机124。这种无线通信可以依照任何无线通信技术，例如，无线IEC 62591通信标准协议。
如下文更详细地讨论的那样，现场装置102和104包括具有可拆卸主电源的电源。拆除主电源例如可以提供对可以用来接近现场装置102或104内的电路的至少一个电接入端子的接近。当主电源拆除时，可以用更换主电源替换它。虽然主电源被拆除，但可以采用辅助电源维持对现场装置的供电。
图2为现场装置102的简化框图。现场装置102包括微处理器150，微处理器150连接至到过程接口元件110的过程电路152。该微处理器被配置为采用连接至天线116的无线通信电路154进行通信。微处理器150根据存储器156中存储的指令进行操作。存储器156还可以用来存储信息，例如，用于将来检索。电力管理电路160用来调整至现场装置102内的电路的电力。任选的通信连接也可以设置在电力管理电路160和微处理器150之间。电力管理电路160采用来自主电源162的电力向电路提供稳定的电力。辅助电源164也连接至电力管理电路160，并且可以用来在主电源(或可拆卸电源)162拆除时提供电力。如图2所示，本地输入/输出端口168被设置并连接至微处理器150。至少一个接入端170用来例如采用手持通信装置或其它测试设备连接至本地I/O端口168。此外，所述至少一个接入端170可以用来连接至用于过程控制元件的过程变量传感器或其它电路。
典型地，在现有无线现场装置中，使用了不能充电且在其有效能完全耗尽时必须更换的主电源。当主电源拆除时，现场装置暂时失去电力并且必须关闭。这会是有害的，在于该装置不再运行并且因此不能将任何信息传递至主机系统，如分布式控制系统、数据记录系统或资产管理系统。易失性存储器中存储的信息也可能失去。进一步，如果无线现场装置为多跳网无线通信架构的一部分，现场装置的损耗会使网络的操作退化，并且可能引起被认为是该装置的子代(descendant)的其它装置使该网络衰减。在更换主电源时，无线现场装置被加电并且必须重新连接该网络。这种重新连接花费时间周期并且该装置不能完全起作用，直到该过程完成。子代可能不具有用于在此期间通过网络传递它们的读数的通路。进一步地，在一些无线现场装置中，电接入端子由主电源覆盖或以其它方式阻碍。为了接近所述至少一个接入端子170，如上所述，主电源162必须被拆除，引起该装置掉电。
本发明通过包括辅助电源164解决了这些不足，该辅助电源164用来在主电源162从现场装置102上断开和/或拆除时向电力管理电路160供电。辅助电源164可以包括可充电电池、高容量电容器，例如“超级电容器”或“极端电容器”，或一个或多个电容器或超级电容器的组合。辅助电源164的储能容量可以相对小，例如，仅具有足以在更换主电源162时在从数分钟到1小时的时间期间内向现场装置102供电的电力。一旦更换主电源，则可以采用来自主电源162的电力给辅助电源164充电。
辅助电源164可以依照任何合适的技术。虽然大容量电容器可以用来储存电力，但它们具有寿命限制以及温度限制。也可以采用某些类型的可充电电池，但它们也具有缺点。例如，锂离子电池具有有限的寿命并且它们也是温度敏感的。进一步，更换锂离子电池可能是困难的。可以使用可充电固态锂磷氮氧化物(Li-PON)电池，如可从Colorado州Littleton市的Infinite Power Solutions有限公司(IPF)获得的Thinergy电池。(www. infinitepowersolutions.com)。这种电池可以集成在电路板中，该电路板包含现场装置的电路，如无线通信电路154、电力管理电路160、与微处理器150相关的电路等等。根据这种电池的尺寸和构造，这种电池可以具有从0.2mA-小时至2.5mA-小时的额定值。
在一种配置中，所述至少一个接入端170包括用于与二线式过程信号回路一起使用的两个电连接件。在这种配置中，电流电平用来表示过程变量。在一些配置中，也可以在相同两条线上调制数字信息。一种示例是
Figure BDA0000142479390000051
通信标准。这些通信接线端可以用来将诊断装置连接至现场装置102。示例性诊断装置180在图2中示出。诊断装置180包括二线式过程信号回路连接件182，用于连接至至少一个接入端170。在一些配置中，现场装置102可以由在连接到至少一个接入端170的两个电连接件的二线式过程信号回路上载送的电力供电。诊断装置180可以被配置为通过至少一个电接入端170将配置命令提供至现场装置102的电路。类似地，现场装置102可以通过所述至少一个电接入端170将信息传送至诊断装置180。这种信息可以包括诊断信息，与被检测的过程变量相关的信息等等。
为了将诊断装置180连接到至少一个接入端子170，可以拆除主电源162以提供更好的接近。当该电源被拆除时，由辅助电源164提供补充电力，以便现场装置不掉电或以其它方式重设。
在另一种示例性配置中，至少一个接入端子170用来连接至过程接口元件。在这种配置中，元件180包括过程接口元件。例如，元件180可以包括过程变量传感器，如温度传感器。至温度传感器的电连接提供至至少一个接入端子170。为了提供这种连接，操作人员必须在进行连接时拆除主电源162。连接器可以包括采用螺钉或其它连接技术将配线固定至温度传感器的接线端。在采用辅助电源164给现场装置供电期间，采用这些连接器连接电线可能花费大量时间。
当主电源162被拆除时，电力管理电路160可以将信号提供至微处理器150，以控制现场装置102内的电路的操作。例如，采用至微处理器150的数据连接可以用来使该装置中的电路进入降低功率模式或“休眠”模式。这种配置可以用来延长辅助电源164能够给现场装置102的电路供电的周期。可以通过使用例如检测器163，如被配置为检测主电源162的电压的电压传感器，进行主电源162的拆除的检测。在一种配置中，与主电源162的断开相关的信息可以采用无线通信电路154在无线通信网络号117上传送。可以在远程位置监测该信息。当处于低功率模式时，流过网状网络配置中的现场装置102的通信量可以发送至其它现场装置，以降低由现场装置102消耗的功耗。
当主电源162被拆除时，也可以采用用来降低功耗的其它技术。例如，被检测的过程变量的更新时间可以降低，微处理器150的工作频率可以降低，由无线通信电路154发送的数据量可以降低，现场装置102中的某些电路可以处于低功率模式或者甚至断开等等。用来降低功耗的另一种技术是监测被检测过程变量的变化，并且仅在过程变量的变化率大于预定阈值或者在过程变量已经改变得多于设定量时传送更新。
在另一种示例性配置中，现场装置102被配置为接收停电命令，该停电命令指示它在电路处断开，即使电力保留在电源162、164中。这允许该装置不被使用或以其它方式掉电，而不必拆除电源162、164中的任一个。该命令可以通过无线通信电路154、本地I/O 168等等接收到。输入端可以包括例如手动输入端，如位于该装置内或外的按钮等等
在另一种示例性配置中，主电源162包括能量收集装置，如太阳能电池、热电发电元件、振动能量采集器等等。在这种配置中，辅助电源164可以在主电源162不足以产生电力时向现场装置102供电。例如，这可以是没有阳光、没有热量、没有振动等等的期间。在一些配置中，现场装置102进入其中装置102中的电路周期性地检查进入通信的低功率模式。当过程开始或希望现场装置102进入正常操作模式时，可以向现场装置102发送命令以指示装置102离开低功率模式并开始正常操作。例如，如果主电源162采用热量作为功率源产生电力，则当过程关闭时，没有热量可用来产生电力，并且装置102可以进入低功率模式并采用来自辅助电源164的电力。在这种配置中，在重启过程之前，可以向现场装置102发送命令以指示现场装置102开始正常操作，即使存在不足以用来给装置102供电的热量。一旦装置102正常操作，则可以重启该过程。当过程运行并且开始产生热量时，主电源162可以用来将电力提供至现场装置102。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上进行改变。至少一个电接入端子与用来连接至主电源的连接器不同。如在此使用的，过程变量包括物质的任何特性，并且术语过程包括天然和工业过程。

Claims (22)

1.一种用于控制或监测工业过程、工业过程设备或工业过程工厂的无线现场装置，包括：
过程接口，被配置为控制或检测工业过程的过程流体的过程变量；
连接至过程接口的现场装置电路，被配置为测量或控制过程变量；
无线通信电路，被配置为提供无线通信；和
电源，被配置为向无线现场装置供电，包括：
可拆卸主电源；和
辅助电源，被配置成在拆除主电源时给现场装置供电。
2.根据权利要求1所述的无线现场装置，包括被配置为检测主电源的拆除或主电源的电力不足的检测器。
3.根据权利要求1所述的无线现场装置，其中现场装置的电路被配置为在检测到主电源的拆除或主电源的电力不足时进入低功率模式。
4.根据权利要求1所述的无线现场装置，其中至少一个电接入端子被配置为提供至现场装置的电路的电连接，并且其中所述电接入端子至少部分地由可拆卸电源覆盖。
5.根据权利要求4所述的无线现场装置，其中所述至少一个电接入端子包括用于连接至二线式过程信号回路的两个连接件。
6.根据权利要求4所述的无线现场装置，其中所述至少一个接入端子被配置成连接至诊断装置。
7.根据权利要求6所述的无线现场装置，其中所述诊断装置通过所述至少一个电接入端子将配置命令提供至无线现场装置。
8.根据权利要求6所述的无线现场装置，其中所述诊断装置被配置为通过所述至少一个电接入端子接收与被检测过程变量相关的信息。
9.根据权利要求4所述的无线现场装置，包括过程变量传感器，所述过程变量传感器通过所述至少一个电接入端子连接至无线现场装置的电路。
10.根据权利要求1所述的无线现场装置，其中主电源包括电池。
11.根据权利要求1所述的无线现场装置，其中辅助电源包括电池。
12.根据权利要求1所述的无线现场装置，其中辅助电源包括电容器或超级电容器或这两种电容器的组合。
13.根据权利要求1所述的无线现场装置，其中无线通信电路被配置为传送与主电源的拆除或主电源的电力不足相关的信息。
14.根据权利要求1所述的无线现场装置，包括被配置为响应于掉电命令进入休眠状态的电路。
15.根据权利要求1所述的无线现场装置，其中辅助电源由主电源充电。
16.一种向用于控制或监测工业过程的无线现场装置供电的方法，包括下述步骤：
提供过程接口，该过程接口被配置为连接至工业过程的过程流体；
采用过程接口测量或控制过程变量；
采用无线通信电路与无线现场装置进行无线通信；
采用主电源给无线现场装置的电路供电；
从无线现场装置中拆除主电源；以及
在主电源被拆除时采用辅助电源给无线现场装置供电。
17.根据权利要求16所述的方法，包括检测主电源的拆除或主电源的电力不足的步骤。
18.根据权利要求16所述的方法，包括在检测主电源的拆除或主电源的电力不足时进入低功率模式的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，包括采用所述至少一个电接入端子连接至二线式过程信号回路的步骤。
20.根据权利要求16所述的方法，包括采用所述至少一个电接入端子连接至诊断装置的步骤。
21.根据权利要求16所述的方法，包括采用所述至少一个电接入端子连接至过程变量传感器的步骤。
22.根据权利要求16所述的方法，包括发送与主电源的拆除或主电源的电力不足相关的信息。
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