CN102954814A - 双线过程控制环路电流诊断 - Google Patents

Abstract

过程变量变送器控制通信环路上的信号。所述变送器上的诊断组件将所述通信环路上的期望信号电平与实际值进行比较，以检测标度误差。

Description

双线过程控制环路电流诊断

技术领域

本发明涉及在过程控制和监控系统中使用的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及执行用于在变送器的环路电流中识别标度误差(on-scale error)的环路电流诊断。

背景技术

过程变量变送器用于测量在过程控制或监控系统中的过程参数(或过程变量)。基于微处理器的变送器经常包括：传感器；模数转换器，用于将来自传感器的输出转换为数字形式；微处理器，用于补偿已数字化的输出；以及输出电路，用于发送补偿后的输出。当前，一般通过过程控制环路(比如4-20毫安控制环路)或以无线方式进行该传输。

一般而言，在4-20毫安过程仪表中，由环路电流调节器来对控制环路进行控制。环路电流调节器对环路电流进行调节，以反映由仪表中的传感器所感测到的过程变量。

发明内容

过程变量变送器控制通信环路上的信号。所述变送器上的诊断组件将所述通信环路上的期望信号电平与实际值进行比较，以检测标度误差。

附图说明

图1是与过程中的主机系统和传感器相耦合的过程变量变送器的简化框图。

图2是示出了图1所示的环路电流诊断组件的操作的一个实施例的流程图。

图3是示出了环路电流控制组件的一个实施例的示意图。

图4是示出了针对数模转换器电压而绘出的环路电流的一个实施例的图。

图5是示出了针对环路感测电压而绘出的环路电流的一个实施例的图。

图6是示出了针对数模转换器电压和在反相并缩放后的环路感测电压而绘出的环路电流的一个说明性实施例的图。

图7是环路控制组件的另一实施例的部分框图、部分示意图。

图8是示出了图1和7所示的系统的操作的一个实施例的流程图。

具体实施方式

图1是根据一个实施例的变送器10的简化框图。在图1所示的实施例中，变送器10包括：模数(A/D)转换器12、处理器14、时钟和存储器电路16、数模转换器18、环路控制组件20和环路电流诊断组件22。变送器10被示出为耦合到多个不同的过程变量(PV)传感器24和26。变送器10还可以说明性地通过控制环路28耦合到主机系统或控制室(未示出)。变送器10可以连接到除了过程控制环路28之外的无线通信链路。在一个实施例中，过程控制环路28还向变送器10提供功率。

传感器24和26是从被感测的过程30接收输入的说明性过程变量传感器。例如，传感器24可以是检测温度的说明性热电偶，且传感器26可以是相同或不同类型的传感器，比如流量传感器。其它PV传感器可以包括各种传感器，比如压力传感器、pH传感器等等。传感器24和26向A/D转换器12说明性地提供输出，该输出指示了感测到的过程变量。

还可以包括调节逻辑(但是现在未示出)，用于放大、线性化以及以其他方式调节由传感器24和26提供的信号。在任何情况下，A/D转换器12接收指示了传感器24和26感测到的过程变量的信号。A/D转换器12将模拟信号转换为数字信号，并将其提供给处理器14。

在一个实施例中，处理器14是计算机微处理器或微控制器，其具有相关联的存储器和时钟电路16，并向D/A转换器18提供指示了感测到的过程变量的数字信息。D/A转换器18说明性地将指示过程变量的信号转换为提供给环路控制组件20的模拟信号，以控制环路28上的电流(I)。环路控制组件20可以通过控制环路28提供具有数字格式(比如，通过使用HART协议)或模拟格式(通过控制流经环路28的电流(I))或二者兼而有之的信息。在任何情况下，由变送器10通过过程控制环路28来提供与感测到的过程变量相关的信息。

在一个实施例中，D/A转换器18还向环路电流诊断组件22提供输入。D/A转换器18输出的信号指示了需求的环路电流(I)。即，D/A转换器18输出的信号说明性地指示了将反映感测到的过程变量的值的环路电流(I)。基于D/A转换器18提供的信号，环路控制组件20说明性地控制环路28，使得电流(I)指示D/A转换器18输出的信号。

确定环路控制组件20是否正在精确控制环路28上的环路电流(I)是有帮助的，特别是在环路电流中的误差是标度误差的情况下。换言之，在4-20毫安过程控制环路中，环路电流按标度(on-scale)在4和20毫安之间改变(即，其分别在4和20毫安的标度最小值和标度最大值之间改变)。然而，在某些条件下(比如，当仪表的工作电流超过可用电流时)，标度误差(在4和20毫安之间的错误读数)可以发生。例如，如果假定将环路28上的电流设置在10.0毫安，但是其实际上调节到12.2毫安，则检测该类型的标度误差可以是有帮助的。该类型的误差可以发生在过程变量变送器10的电路板上的集成电路汲取了过度的电流时，或由于电路板电流泄漏(仅作为示例)。当然，这些仅是示例，且标度误差也可以由于其它原因而发生。

因此，图1示出了变送器10还包括环路电流诊断组件22。在图1所示的实施例中，向诊断组件22提供D/A转换器18的输出，作为来自环路控制组件20的指示了在环路28上流动的实际环路电流的电平的指示。图2是示出了根据一个实施例的环路电流诊断组件22如何操作以识别控制环路28中的标度误差的流程图。

诊断组件22首先接收来自D/A转换器18的输出。这由图2中的框40来指示。诊断组件22还接收来自环路控制组件20的输出。这由图2中的框42来指示。从D/A转换器18输出的信号和从环路控制组件20输出的信号分别指示了需求的和实际的环路电流值。从而如图2的框44所示，环路电流诊断组件22比较期望(或需求)和实际环路电流值。如果两个值充分接近，则环路电流控制组件20基于D/A转换器18的输出，准确地控制环路28上的电流。这由图2中的框46和48来指示。

然而，在框46处，确定两个信号不充分接近，则环路电流诊断组件22产生并向处理器14和/或D/A转换器18发送误差指示符50，以发布(assert)警报条件。这由图2中的框52来指示。

为了确定实际和期望环路电流是否充分接近，电流诊断组件22说明性地比较两个信号，以确定它们是否在彼此的预定阈值内。如果是，则它们充分接近。否则，它们不充分接近，并产生误差指示符50。可以根据经验或另一种方式来设置具体的阈值，且具体的阈值可以根据应用、根据使用的具体控制环路、或根据其他因素而改变。在一个实施例中，可以将其设置为100微安。

为了更详细地描述环路电流诊断组件22，对常规环路控制组件的理解是有帮助的。图3示出了部分框图和部分示意图，其示出了常规环路控制组件20。可以看到，环路控制组件60包括：电阻器62、64、66、68和70、运算放大器72和晶体管74。

根据一个实施例，D/A转换器18提供了与环路28上的需求环路电流成正比的线性变化的模拟输出电压。作为示例，当需要环路28上的环路电流是4毫安时，D/A转换器18在其输出处说明性地提供0.25伏特；以及当需要环路28上的环路电流是20毫安时，D/A转换器18在其输出处说明性地提供1.25伏特。这在图4中以图的方式示出了。从图4中可以看到，随着期望环路电流在4毫安和20毫安之间变化，来自D/A转换器18的输出电压在0.25伏特和1.25伏特之间线性变化。

为了将环路电流调节为由来自D/A转换器18的输出电压所设置的值，环路控制组件20通过测量精度电阻器70两端(其可以说明性地是49.9欧姆)的电压，来说明性地控制环路电流。可以从图3中看到，在电阻器70两端得到的电压相对于电路接地是负的。还可以看到，基于电阻器62、66、68和70的值，精度电阻器70两端的电压将在-0.20伏特和-1.00伏特之间线性变化。图5以图的方式示出了该点。可以从图5中看到，随着精度电阻器70上的环路电压在-0.20伏特和-1.00伏特之间变化，在环路28上流动的实际环路电流在4毫安和20毫安之间变化。

从图4和5中可以看到，通过对D/A转换器18的输出(图4所示)或电阻器70两端的环路电压(图5所示)进行反相和缩放，这二者非常相似。例如，图6示出了在将图5所示的环路电压进行反相并乘以缩放因子1.25时D/A转换器18输出的电压和电阻器70两端的环路电压的图。由于D/A转换器18输出的电压(图6中以标号90所示)表示了需求或期望的环路电流，且由于电阻器70两端的环路电压(图6中以标号92所示)表示了实际的环路电流，因此可以通过简单地比较图6所示的两个值，来识别标度误差。这有效地对需求或期望环路电流与实际环路电流进行了比较。

图7示出了用于执行该类型比较的环路控制组件20和环路电流诊断组件22的一个实施例。当然将注意到，图7所示的实施例仅是一个说明性实施例，且也可以使用广泛的各种其他电路来比较这两个值。然而，图7所示的实施例仅是一种用于比较两个值并向处理器14和/或D/A转换器18提供指示何时发生误差的信号的相对廉价且准确的方式。

可以在图7中看到，环路控制组件20包括与图3所示单元相似的一些单元，且对相似的单元进行相似地编号。还可以看到电阻器62和70已由电阻器94和96所替代。已将电阻器94和96的值选择为将环路28上流动的环路电流在电阻器96两端得到的电压缩放了因子1.25(或让其在量值上大致等于D/A转换器18输出的电压的任何其他因子)。

环路电流诊断组件22说明性地包括运算放大器98、100和102。运算放大器98被配置为反相器，使得将在电阻器96两端得到的电压相对于电路接地加以反相，以具有与D/A转换器18输出的电压相同的极性。在图7所示的实施例中，可以看到电阻器96两端的(现在已缩放的)标度电压将在-0.25伏特至-1.25伏特之间变化。因此，运算放大器98的输出在0.25伏特至1.25伏特之间变化。

运算放大器100作为差分运算放大器连接。因此其对D/A转换器18输出的电压(其也按标度在0.25伏特至1.25伏特之间变化)和运算放大器98的输出进行比较。这两个值大致上应当相同。如果它们不同，则环路控制组件20未准确地控制用于反映D/A转换器18的输出的环路28上的环路电流。然而，由于运算放大器100接收到的两个信号可以不一样，但是可以依然彼此充分接近，因此提供了比较器102。比较器102对运算放大器100的输出(其反映了在其两个输入信号之间的差值)与基准值或阈值进行比较。从而仅在运算放大器100的输入处提供的两个信号之间的差值相差大于被输入到运算放大器102的基准值的量值的情况下，比较器102的输出才将向处理器14和/或D/A转换器18提供误差指示符50。

图8是示出了根据一个实施例的图1和7所示的系统的操作的流程图。图8开始于处理器14向D/A转换器18输出指示过程变量的信号。这由图8中的框120来指示。然后D/A转换器18执行数模转换，并向环路控制组件20和诊断组件22输出模拟D/A转换器电压。这由图8中的框122来指示。

然后环路控制组件20基于在电阻器96两端得到的电压来控制环路28上的环路电流。这由图8中的框124来指示。环路控制组件20还依靠电阻器值来缩放电阻器96两端的环路电压，并将其提供给环路电流诊断组件22。环路电流诊断组件22将已缩放的电压加以反相，并将其与D/A转换器18输出的电压进行比较。这由图8中的框126和128来指示。然后环路电流诊断组件22确定所比较的电压是否充分接近(使用运算放大器100和比较器102)。这由图8中的框130来指示。如果二者充分接近，则系统仅保持对D/A转换器18的输出和环路28上的环路电流的监控。这由图8中的框132来指示。

然而，如果在框130确定两个比较的电压彼此不充分接近，则环路电流诊断组件22向处理器14和/或D/A转换器18发送误差指示符50。这由图8中的框134来指示。然后处理器14可以执行任意数目的误差操作，如框136所示。例如，处理器14可以执行大量任务，比如重置D/A转换器18以验证该误差是否实际发生。处理器14还可以发布警报或执行附加诊断。处理器14还可以响应于从环路电流诊断组件22接收到误差指示符50而执行任何其他所需操作。

将意识到，尽管本发明已参考了说明性实施例，但是可以作出各种改变。例如，可以由单一组件来执行由环路电流诊断组件22和环路控制组件20所执行的功能，或可以用不同方式在这些组件之间(或在变送器10的其他组件中)分配功能。类似地，尽管已针对特定电阻器、电压和电流给出了值，也可以使用其它的值。这些都是作为示例说明之用。此外，尽管在图7中识别了特定组件(运算放大器、阻性元件、电阻器等等)，但仅作为示例来识别它们。可以用与图7所示的很多不同的方式、不同的电路来完成对环路或D/A转换器电压进行缩放和反相并将二者进行比较的相同功能。

此外，尽管上面的描述已给出了针对可以感测的过程变量的大量示例，当然意识到可以用大致上相同的方式来感测并处理广泛的各种其他过程变量。这种其他过程变量的示例包括：压力、电平、流量或流速等等。此外，尽管本文讨论的实施例是在双线变送器的上下文中给出的，本发明还可以容易地应用于4线变送器或任何其他类型的变送器。

尽管参照了说明性实施例来描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。

Claims (20)

1.一种过程变量变送器，包括：

处理器，接收指示感测到的过程变量的输入信号，并输出指示所述输入信号的数字信号；

数模“D/A”转换器，接收所述数字信号，并将所述数字信号转换为模拟信号；

环路控制组件，接收所述模拟信号，并控制双线过程控制环路，以提供指示所述模拟信号的变送器输出信号，所述变送器输出信号按标度在第一信号电平和第二信号电平之间变化；以及

环路诊断组件，将指示所述模拟信号的第一信号值与指示所述变送器输出信号的第二信号值进行比较，以确定所述变送器输出信号是否包括标度误差，以及作为响应而向所述处理器输出误差指示符。

2.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述环路控制组件包括阻性元件，并基于所述阻性元件两端的电压，调节作为所述变送器输出信号的所述双线过程控制环路上的电流。

3.根据权利要求2所述的过程变量变送器，其中，所述D/A转换器输出的模拟信号包括模拟电压，其中，所述环路诊断组件包括比较器，所述比较器将作为所述第一信号值的模拟电压与作为所述第二信号值的、所述阻性元件两端的电压进行比较。

4.根据权利要求3所述的过程变量变送器，其中，所述环路控制组件包括至少一个附加阻性元件，其中，所述阻性元件和所述至少一个附加阻性元件具有对所述阻性元件两端的电压或由所述D/A转换器输出的模拟电压进行缩放的值，使得在所述双线过程控制环路上的电流准确地指示由所述D/A转换器输出的模拟信号时，所述阻性元件两端的电压的量值大致等于由所述D/A转换器输出的模拟电压的量值。

5.根据权利要求4所述的过程变量变送器，其中，所述环路诊断组件包括反相器，所述反相器对所述阻性元件两端的电压和由所述D/A转换器输出的模拟电压之一进行反相，使得当所述阻性元件两端的电压准确地反映由所述D/A转换器输出的模拟电压时，随着由所述D/A转换器输出的模拟电压从标度最大值到标度最小值的变化，所述阻性元件两端的电压也变化，以具有与由D/A转换器输出的模拟电压相同的值。

6.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述环路诊断组件将所述第一信号值与所述第二信号值进行比较，以确定它们之间的差值是否在阈值内，且如果不在，则输出所述误差指示符。

7.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述处理器响应于接收到所述误差指示符而执行附加诊断。

8.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述处理器响应于接收到所述误差指示符而执行用于验证误差已经发生的验证操作。

9.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述处理器响应于接收到所述误差指示符而发布警告。

10.根据权利要求1所述的过程变量变送器，其中，所述双线过程控制环路按标度在作为所述第一信号电平的4毫安与作为所述第二信号电平的20毫安之间变化。

11.一种识别由过程变量变送器输出的误差的方法，包括：

控制双线过程控制环路，以传送指示模拟输入信号的模拟输出信号，所述模拟输出信号按标度在标度最大值和标度最小值之间变化；

在所述过程变量变送器上将指示所述模拟输出信号的第一信号值与指示所述模拟输入信号的第二信号电平进行比较，以检测所述模拟输出信号中的标度误差。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

在所述过程变量变送器处接收指示感测到的过程变量的传感器信号；以及

产生指示所述传感器信号的所述模拟输入信号。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

处理所述模拟输入信号和所述模拟输出信号中至少一项，使得当所述模拟输出信号准确地指示所述模拟输入信号时，所述第一信号值和所述第二信号值大致相同。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，处理包括：在所述过程变量变送器上对所述模拟输入信号和所述模拟输出信号中的至少一个进行反相。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述双线过程控制环路包括4-20毫安控制环路，所述4-20毫安控制环路传送按标度在4和20毫安之间变化的电流，其中，控制所述通信环路包括：

接收由数模“D/A”转换器输出的指示所述传感器信号的模拟电压，作为所述模拟输入信号；以及

基于由所述D/A转换器输出的模拟电压并基于所述控制环路中的阻性元件两端的电压，来控制所述电流。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，对由所述D/A转换器输出的模拟电压和所述控制环路中的阻性元件两端的模拟电压进行缩放，使得当正确操作时，这两个模拟电压大致具有相同的量值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述过程变量变送器上，对由所述D/A转换器输出的模拟电压和所述控制环路中的阻性元件两端的模拟电压之一进行反相，使得当正确操作时，这两个模拟电压具有阈值差值内的相同值。

18.一种过程变量变送器，包括：

处理器，输出数字传感器信号，所述数字传感器信号指示传感器输入信号的值；

数模“D/A”转换器，接收所述数字传感器信号，并提供指示所述数字传感器信号的模拟传感器电压；

环路控制组件，基于所述模拟传感器电压，控制双线过程控制环路上的电流按标度在标度最大电流和标度最小电流之间变化，所述环路控制组件基于所述双线过程控制环路中的阻性元件两端的调节电压，来调节所述双线过程控制环路上的电流；以及

电路，对所述调节电压和所述模拟传感器电压中至少一项进行缩放，使得在正确操作时，所述调节电压和所述模拟传感器电压大致具有相同的量值，以及所述电路将所述调节电压与所述模拟传感器电压进行比较，并且如果所述调节电压和所述模拟传感器电压相差多于阈值量，则所述电路输出误差指示符。

19.根据权利要求18所述的过程变量变送器，其中，所述电路对所述调节电压和所述模拟传感器电压之一进行反相，在正确操作时，所述调节电压和所述模拟传感器电压具有相同的极性。

20.根据权利要求19所述的过程变量变送器，其中，所述双线过程控制环路包括4-20毫安控制环路。

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