CN102959363B - 具有双线过程控制回路诊断的过程变量变送器 - Google Patents

Abstract

一种工业过程中使用的双线过程变量变送器(12)，包括过程变量传感器(14)，被配置为感测工业过程的流体的过程变量。输出电路(36)被配置为提供在双线过程控制回路(18)上的输出，其与感测到的过程变量有关。回路电流测量电路(36)测量流经双线过程控制回路(18)的电流，以及端电压测量电路(36)测量与过程变量变送器(12)的端电压有关的电压。端电压可以是在双线过程变量变送器(12)到双线过程控制回路(18)的电连接上测量的电压。输入电路(36)被配置为接收来自双线过程控制回路的诊断命令。微处理器(30)被配置为，响应于接收到来自双线过程控制回路的诊断命令，基于测量的回路电流和端电压执行对双线过程控制回路(18)的回路诊断。

Description

具有双线过程控制回路诊断的过程变量变送器

技术领域

本发明涉及用于监视工业过程中的过程变量的双线工业过程控制变送器。具体地，本发明涉及能够对上行过程控制回路执行诊断的过程变量变送器。

背景技术

过程变量变送器用在工业过程中以测量远端位置处的“现场”的一个或多个过程变量，并且将与过程变量相关的信息发射给诸如控制室之类的中心位置。过程变量的例子包括压力、温度、流速、液面等等。

在一个实施例中，过程变量通过双线过程控制回路进行传输。双线过程控制回路将过程变量变送器连接到控制室，并且除了承载通信之外，还用于向过程变量变送器供电。一个示例双线过程控制回路是4-20mA的控制回路，其中电流级别的范围在4和20mA之间，并且能够被控制以表示感测到的过程变量。另一个示例过程控制回路根据通信协议进行操作。在使用通信技术的过程控制回路中，数字信号被叠加在环路中承载的基本是DC的电流级别上。这允许过程控制回路承载模拟信号和数字信号二者。数字信号可以用于从过程变量变送器向控制室传输附加信息，或者从控制室向过程变量变送器传输数据。另一示例双线过程控制回路根据Fieldbus通信协议进行操作，其中典型地承载的所有数据都是数字格式。

如果过程控制回路不是工作在最佳状态，则过程变量变送器的发射可能会出现错误，或者回路可能不提供供过程变量变送器操作的足够电力。由于与双线过程控制回路关联的问题，也可能出现其他错误，包括部分故障或者全部故障。因此，需要对双线过程控制回路执行诊断以确保正确操作。在1996年1月2日授予Voegle等人并且转让给Rosemount公司的、名为“FIELDTRANSMITTERBUILT-INTESTEQUIPEMENT”的、美国专利NO.5,481,200中示出和描述了这种诊断的一个示例。

发明内容

一种工业过程中使用的双线过程变量变送器，包括过程变量传感器，被配置为感测工业过程的流体的过程变量。输出电路被配置为提供在双线过程控制回路上的输出，其与感测到的过程变量有关。回路电流测量电路测量流经双线过程控制回路的电流，以及端电压测量电路测量与过程变量变送器的端电压有关的电压。端电压可以是在双线过程变量变送器到双线过程控制回路的电连接上测量的电压。输入电路被配置为接收来自双线过程控制回路的诊断命令。微处理器被配置为，响应于对来自双线过程控制回路的诊断命令的接收，基于测量的回路电流和端电压执行对双线过程控制回路的回路诊断。

附图说明

图1是示出包括过程变量变送器的工业控制系统的简化框图。

图2是图1的变送器的部件的框图。

图3是示出图1的变送器的诊断电路的简化示意图。

图4是来自诊断软件的指示端电源电压太低的屏幕截图。

图5是来自诊断软件的指示端电源电压太高的屏幕截图。

图6是示出与图1的变送器中的诊断软件交互的操作员界面的屏幕截图。

具体实施方式

本发明是一种双线过程控制回路中的变送器，其包括用于测量电流回路的电阻和对回路供电的电源电压的电子器件。当变送器电流具有高的泄露或者分流时，例如当湿气或者某种其他电导体接触内部变送器电路的供电线时，在过程回路中流动的电流会超过期望的过程回路电流值。这可能导致通信故障或者指示部件故障。

图1是示出工业控制或监视系统10的简化框图。系统20包括过程变量变送器12，其具有布置用于感测过程流体的过程变量的过程变量传感器。在该示例中，过程流体为示为容纳在过程管线16中。过程变量可以是与过程流体有关的任何合适的属性，诸如流率、温度、压力、pH，等等。过程变量变送器12耦合到双线过程控制回路18，双线过程控制回路18承载回路电流I。在示例安装中，过程变量变送器位于远端，即工业过程的“现场”中，并且通过双线过程控制回路18耦合到中心位置的控制室20。在该示例中，控制回路20被示出为感测电阻器22和电压源24。

利用本发明，提供根据需要的回路特性函数，其被配置为存储电压的基线和回路电阻。该系统可以用于确定电源、关联的走线、和负载电阻器是否都正常工作，使得变送器12能够在用于指示告警条件的最小和最大输出级别上输出正确的电流值I。该能力将确保变送器能够提供在电流I值的期望范围上的输出。

图2是示出过程变量变送器12的简化框图。过程变量变送器12包括微处理器，其根据存储器32中存储的指令进行操作。微处理器30通过测量电路34接收过程变量传感器14的输出。测量电路34可被用于包括模拟部件和数字部件，以处理传感器14的输出。此外，过程变量变送器12包括I/O和诊断电路36，诊断电路36耦合到双线过程控制回路18。微处理器30耦合到I/O和诊断电路36，并且被配置为使用电路36在双线过程控制回路18上通信。该通信可以是模拟的和/或数字的，并且可以可选地是双向的。示例通信技术包括4-20mA通信技术，其中过程控制回路18承载在4-20mA范围内的表示与过程变量14有关的值的信号。该范围外的电流级别被用于指示告警条件。该通信协议的变体是通信协议，其中在双线过程控制回路18承载的模拟电流级别上调制数字信息。其他通信协议包括所有的数字通信协议，诸如基于FieldBus的协议。

图3是I/O和诊断电路的更具体的框图。I/O和诊断电路通过端子40耦合到双线过程控制回路18。这提供了到双线过程控制回路18的回路+和回路-连接。微处理器30(图3中未示出)耦合到控制器42中的数模转换器，该控制器用于流经回路18的控制电流I。数模转换和控制器42提供了模拟控制信号。回读感测电阻器(readbackandsenseresistance)66也与双线过程控制回路18串联耦合。保护二极管70跨接在回路端子40上。TERMINAL_VOLTAGE(端电压)测量电路80被配置为耦合到端子40，并且提供表示跨端子40的电压的TERMINAL_VOLTAGE输出。电路80包括由电阻器82和84形成的分阻器网络。部件86、88和90用于安全和滤波。放大器92连接到分阻器网络，并且反馈网络96和94对输入给210的分压进行缩放。在操作期间，来自差分放大器92的TERMINAL_VOLTAGE输出表示跨端子40的电压。

电路36还包括回读(readback)电路120，其被配置为提供与流经双线过程控制回路18的电流I有关的LOOP_READ_BACK(回路回读)输出。LOOP_READ_BACK电路120包括跨接在回读感测电子66上的差分放大器122。差分放大器122通过利用126、132和136设置的滤波向运放124提供输出。运放124布置为通过电阻器130进行负反馈以获得用于210的合适的值。

提供SHUNT_CURRENT(旁路电流)测量电路以测量流经电阻器60和62的SHUNT_CURRENT。在图3示出的被配置中，运放142具有通过电阻器144耦合到SHUNT_DX的非反向输入端。非反向输入端还经电阻器146和电容器148耦合到电气地。通过电阻器150提供到反向输入端的负反馈，电阻器150还通过电阻器152耦合到电气地。SHUNT_CURRENT测量电路140提供SHUNT_OUTPUT(旁路输出)。还使用温度测量电路160测量过程变量变送器12的温度。温度测量电路160包括具有根据温度变化的电阻的RTD元件162。元件162通过164耦合到电压源VTD。电容器166跨接在元件162上。通过运放168来测量元件162上的压降。通过电阻器170和172以及电容器174来提供负反馈。运放168的反向输入端还通过电阻器176耦合到电气地。电路160提供指示元件162的温度的输出TEMP。

提供复用器200，其输入耦合到电路92、120、140和150的输出。复用器200用于选择电路的LOOP_READ_BACK、TERMINAL_VOLTAGE、SHUNT_CURRENT或者TEMP输出之一。使用复用器的耦合到图2所示的微处理器30的输入端来控制复用器200的通道。复用器200的输出端202连接到模数转换器210。模数转换器将输出端202上的模拟信号转换成数字格式，其被提供给图2所示的微处理器30。在操作期间，微处理器30控制复用器200，使得各种电压被选择和耦合到模数转换器210，其然后可以被微处理器30读取。

在操作期间，微处理器30允许的软件被配置为进行四个测量：

LOOP_READ_BACK：测量回路电流。

TERMINAL_VOLTAGE：测量变送器12的回路+与回路-端子之间存在的电压。

SHUNT_CURRENT：用于确定变送器12中的电路使用的静态电流的测量。

TEMP：用于温度补偿的测量。

在一个配置中，微处理器定期(每隔1秒)测量这些值，并且使用这些测量进行回路诊断。另外，可以基于通过双线过程控制回路18接收的请求来执行回路诊断。

该系统可以执行电特性表征。例如，在经由通信接收到请求时，通过确定回路电阻和回路电压来表征系统。可以通过利用电子设备描述语言(EDDL)实现的方法来发起该过程，EDDL是用于与现场设备通信的语言和接口。

最初，表征过程包括获得TERMINAL_VOLTAGE和LOOP_READ_BACK测量。可以利用4mA信号和6mA信号来执行第一预检查，以确定系统是否能够获得诸如23mA和3.mA之类的极值。最初，微处理器30将回路电流设为4mA，并且等待电流级别稳定下来。接着，需要进行测量，并且微处理器在存储器32中存储在4mA(LOOP_READ_BACK_4和TERMINAL_VOLTAGE_4)值处的LOOP_READ_BACK值和TERMINAL_VOLTAGE值。接着，将回路电流调整到6mA，并且系统等待电流级别稳定下来。测量LOOP_READ_BACK_6和TERMINAL_VOLTAGE_6。使用等式计算回路电阻预检查：

等式1：

$\begin{array}{c}\mathrm{Loop}\_\mathrm{Resis}\tan \mathrm{ce}\_\mathrm{preCheck}\left(\mathrm{\Ω}\right)=\\ \frac{(\mathrm{TERMINAL}\_\mathrm{VOLTAGE}\_4-\mathrm{TERMINAL}\_\mathrm{VOLTAGE}\_6)}{(\mathrm{LOOP}\_\mathrm{READ}\_\mathrm{BACK}\_6-\mathrm{LOOP}\_\mathrm{READ}\_\mathrm{BACK}\_4)}\end{array}$

接着，使用等式2获得电源电压预检查值：

等式2：

Vps_preCheck(volts)＝TERMINAL_VOLTAGE_4+(LOOP_READ_BACK_4*Loop_Resistance)

回路电阻和电源电压的这些预检查值被分别用于验证在输出被设置到其最小值(VTmin)和最大值(VTmax)时，例如在3.6mA和23.0mA时，系统能够操作。这些值根据等式3和4进行计算：

等式3：

VTmin(volts)＝Vps_PreCheck-LOOP_RESISTANCE_preCheck*0.023

等式4：

VTmax(volts)＝Vps_PreCheck-LOOP_RESISTANCE_preCheck*0.0036。

如果VTmin低于针对该系统指定的TERMINAL_VOLTAGE的最小值，例如12V，或者VTmax大于针对该系统指定的TERMINAL_VOLTAGE的最大值，例如42.4V，则微处理器可以被配置为例如通过经由双线处理回路18发射数据或者通过提供可视输出等等向用户提供告警，该告警指示用户根据需要调整图1示出的电源24。该警告可以通过双线过程控制回路18发射给手持现场维护设备，或者可以发射给位于控制室200中的资产管理系统，等等。可以根据电子设备描述语言(EDDL)来进行所述发射。图4和图5示出了来自分别指示低的回路电源电压或高的回路电源电压的计算机屏幕的输出。

接着，一旦回路电路已经稳定，则表征过程继续进行，通过设置输出到20mA级别并且存储值LOOP_READ_BACK_20和TERMINAL_VOLTAGE_20。在已经获得这些测量之后，回路的操作返回常规操作。在整个操作范围(4mA和20mA)上重新计算电源电压Vps和回路电阻值。可以定期检查TERMINAL_VOLTAGE。根据等式5来计算回路电阻并且存储：

等式5：

$\mathrm{Loop}\_\mathrm{Resis}\tan \mathrm{ce}\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{(\mathrm{TERMINAL}\_\mathrm{VOLTAGE}\_4-\mathrm{TERMINAL}\_\mathrm{VOLTAGE}\_20)}{(\mathrm{LOOP}\_\mathrm{READ}\_\mathrm{BACK}\_20-\mathrm{LOOP}\_\mathrm{READ}\_\mathrm{BACK}\_4)}$

还可以使用回路电阻来验证满足通信所需的最小电阻，即，250欧姆。

在正常操作期间，微处理器30还可以如下计算并存储电源电压Vps：

等式6：

Vps(volts)＝TERMINAL_VOLTAGE_4+(LOOP_READ_BACK_4*LOOP_RESISTANCE)

一旦已经计算出回路电阻和回路电源电压，系统可以返回常规的运行时操作。

在正常操作时，微处理器30可以通过测量LOOP_READ_BACK、TERMINAL_VOLTAGE和SHUNT_CURRENT值来执行定期诊断。这些值可以通过施加合适的增益或者偏移电压进行缩放以及进行温度补偿。LOOP_READ_BACK电流值可以与电流参考输出进行比较。如果两者的差大于预定的阈值，(例如，跨度的2％)，则可以在双线通信回路上发送警告，例如通过使用通信协议发送，或者可以根据需要生成本地警告。测量TERMINAL_VOLTAGE，并且将其与期望计算值(使用回路电阻和电源基线计算的)进行比较。对于该计算，测试电流值使用持续进行的电流值(以mA为单位)。根据等式7来计算TERMINAL_VOLTAGE：

等式7

VT_calculated＝Power_Supply_Voltage-(Loop_Resistance*LOOP_READ_BACK)

如图5所示，如果测量的TERMINAL_VOLTAGE不符合VT_Calculated大于用户可选的值(“最大TERMINAL_VOLTAGE”)，则可以在双线过程控制回路上发送告警，以及根据需要生成本地告警。

通常，双线变送器通过包含二极管和电阻器的接线板耦合到过程控制回路。然而，在本配置中，获得了温度测量，其可以用于补偿二极管和电阻器基于温度改变的所产生的电子特性变化。这可以提高测量的精确性，并且具体地提高TERMINAL_VOLTAGE和LOOP_READ_BACK测量的精确性。

静态电流被定义为变送器12的电路的操作所需的电流。静态电流在执行诊断中可以是有用的。静态电流可以使用SHUNT_CURRENT读数和同步回路电流值(输出电流参考)来测量。静态电流计算如下：

等式8：

Quiescent_Current＝Loop_Current_Reference-SHUNT_CURRENT_Read

如果静态电流超过预定值，例如如果静态值大于3.4mA，则在双线过程控制回路上发送告警，并且根据需要生成本地告警。此外，可以将动态阈值与静态电流进行比较以验证满足通信要求。例如，告警设置下限减去静态电流应大于0.5mA。

可以根据需要，使用测量的温度补偿诊断电路的各种部件。该补偿可以例如通过多项式曲线拟合技术来实现。可以在存储器32中存储温度表征信息。例如，存储器32可以包括非易失性存储器，以便延迟这种值的存储期。可以在变送器12的制造期间完成温度表征。在4-20mA输出的校准期间，微处理器还可以同时执行LOOP_READ_BACK校准，并且将所得到系数存储在存储器32中。可以存储在存储器32的非易失性部分中的其他信息包括各种阈值级别，并且用户可以通过通信技术来存取其他信息。

图6是来自允许用于根据电子设备描述语言(EDDL)与变送器12通信的计算机软件的屏幕输出。如图6中所示，可以查看和配置各种参数，包括告警模式、电源咨询诊断等等。可以在屏幕上查看变送器获得的各种测量和基线测量，并且可以指示系统发起执行回路表征的请求。

在测量各种电流和电压期间，优选地是在同步进行各种测量。例如，如果利用电压和电流测量来计算电阻，则优选地，同步进行电压和电流测量。为了改进测量的同步，软件可以被配置为使用同步感测存储技术中的资源锁定。此外，软件可以优选地操作在优先级模式以提高其优先级。具体地，在执行诊断的同时，诊断软件可以锁定模拟输出资源。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节方面进行改变。在一个配置中，在接收到诊断命令时，微处理器执行回路表征并且确定回路电源和回路电阻的基线值。在表征期间，微处理器还可以进行确保现场设备的端电压在12v和42.4v之间的检查。

Claims (18)

1.一种工业过程中使用的双线过程变量变送器，包括：

过程变量传感器，被配置为感测工业过程的过程流体的过程变量；

输出电路，被配置为在双线过程控制回路上提供输出，所述输出与感测到的过程变量有关；

回路电流测量电路，被配置为测量流经所述双线过程控制回路的回路电流；以及

端电压测量电路，被配置为测量与所述过程变量变送器的端电压有关的电压，所述端电压包括在所述双线过程变量变送器到所述双线过程控制回路的电连接上测量的电压；

输入电路，被配置为接收来自所述双线过程控制回路的诊断命令；

微处理器，被配置为响应于从所述双线过程控制回路对诊断命令的接收，基于测量的回路电流和端电压执行对在其上接收所述诊断命令的所述双线过程控制回路的回路诊断，所述诊断包括使用两个不同电流级别处的回路电流和端电压确定回路电阻。

2.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，其中，所述诊断命令使得所述微处理器执行回路表征。

3.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，其中，所述诊断包括确定所述双线过程控制回路的电源电压。

4.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，其中，所述诊断包括执行初步诊断检查。

5.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，其中，所述诊断包括确定基线诊断值。

6.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，其中，所述诊断包括确定静态电流值。

7.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，包括温度传感器，其中，基于感测到的温度对所述诊断进行补偿。

8.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，其中，同步地执行回路电流和端电压的测量。

9.根据权利要求1所述的双线过程变量变送器，其中，所述诊断命令依照于电子设备描述语言(EDDL)。

10.一种在工业过程的双线过程变量变送器中执行诊断的方法，包括：

感测工业过程的过程流体的过程变量；

在双线过程控制回路上提供输出，所述输出与感测到的过程变量有关；

将回路电流测量电路耦合到所述双线过程控制回路，所述回路电流测量电路被配置为测量流经所述双线过程控制回路的电流；

将端电压测量电路耦合到所述双线过程变量变送器的端子，所述端电压测量电路被配置为测量端子上的端电压，所述端子被配置为耦合到所述双线过程控制回路；

接收来自所述双线过程控制回路的诊断命令；

使用对所述诊断命令的响应，执行对在其上接收所述诊断命令的所述双线过程控制回路的诊断，所述诊断是使用所述回路电流测量电路和所述端电压测量电路来执行的，所述诊断包括使用两个不同电流级别处的回路电流和端电压确定回路电阻。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述诊断包括确定双线过程控制回路的电源电压。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述诊断包括执行初步诊断检查。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述诊断包括确定基线诊断值。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述诊断包括确定静态电流值。

15.根据权利要求10所述的方法，包括感测温度，其中，基于感测到的温度对所述诊断进行补偿。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，同步地执行回路电流和端电压的测量。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述诊断命令依照于电子设备描述语言(EDDL)。

18.根据权利要求10所述的方法，其中，表征包括测量回路电阻和回路电源电压的基线值。