CN103092147B - 具有电路保护的过程控制现场装置 - Google Patents

Abstract

一种用在工业过程控制系统中的无线现场装置，包括具有电源输出端的电源。现场装置为由电源输出端供电的电路。保护电路被配置为保护现场装置电路。保护电路保护连接至电源输出端的反极性保护电路，其响应于电源输出端和现场装置电路之间的反极性连接将电源输出端与现场装置电路电地隔离。过电压保护电路在电源输出端的电压超过阈值时将所述电源输出端与现场装置电路断开。

Description

具有电路保护的过程控制现场装置

技术领域

本发明涉及工业过程控制和监测系统。更具体地，本发明涉及用在这种系统中的无线现场装置。

背景技术

在工业设置中，控制和监测系统用来监测和控制工业和化学过程的清单等。典型地，控制系统采用分布在工业过程中的关键位置处并通过过程控制回路连接至控制室中的控制电路的现场装置执行这些功能。术语″现场装置″涉及在分布式控制或过程监测系统执行功能的任何装置，包括工业过程的测量、控制和监测中使用的所有装置。

现场装置由过程控制和测量工业使用用于多种目的。通常，这种装置具有现场加固外壳，以便它们可以在相对恶劣环境中被安装在室外，并且能够承受温度、湿度的气候极限、振动、机械冲击等等。这些装置通常也可以以相对低的功率运行。例如，目前可获得从已知的4-20mA回路接收它们的工作功率的全部的现场装置。

一些现场装置包括换能器。换能器被理解为是指基于物理输出产生电输出或基于电输入信号产生物理输出的装置。典型地，换能器将输入转换成具有不同形式的输出。换能器的类型包括多种分析设备、压力传感器、电热调节器、热电偶、应变仪、流量变送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯等等。

典型地，每个现场装置还包括通信电路，其用于通过过程控制回路与过程控制室或其它电路进行通信。在一些设施中，过程控制回路也用了将已调节的电流和/或电压传递至现场装置，用于向现场装置供电。

传统上，模拟现场装置已经通过二线式过程控制电流回路连接至控制室，每个装置通过单个二线式控制回路连接至控制室。一些模拟现场装置通过将在电流回路上传播的电流调制成与被检测的过程变量成比例的电流而将信号传送至控制室。其它模拟现场装置可以在控制室的控制下通过控制通过回路的电流的幅度起作用。除此之外或替换地，过程控制回路可以载送用于与现场装置通信的数字信号。数字通信允许比模拟通信更大程度的通信。而且，数字装置也不要求用于每个现场装置的单独的导线。进行数字通信的现场装置可以响应于控制室和/或其它现场装置并选择性地与控制室和/或其它现场装置通信。进一步，这种装置可以提供附加信号，如诊断和/或警报。

在一些设施中，无线技术用来与现场装置进行通信。无线配置简化了现场装置配线和设置。可以采用多种无线通信技术，包括网状网络类型配置。一种示例性无线通信协议为根据IEC62591标准的然而，由于不存在至无线现场装置的物理电连接，通常要求无线现场装置采用相对少的功率运行。这种装置的低供电元件和模块如果不恰当地连接至电源，或者连接至具有超过元件或模块的极限的输出电压的电源则会受损。

发明内容

一种用在工业过程控制系统中的无线现场装置，包括具有电源输出端的电源。现场装置为由电源输出供电的电路。保护电路被配置为保护现场装置电路。保护电路保护连接至电源输出端的反极性保护电路，其响应于电源输出端和现场装置电路之间的反极性连接将电源输出端与现场装置电路电隔离。过电压保护电路在电源输出端的电压超过阈值时将电源输出端与现场装置电路断开。

附图说明

图1为示出包括包含根据本发明的电路的无线现场装置的过程控制或监测系统的简化框图。

图2为示出无线现场装置中的元件的框图。

图3为图2的现有技术反极性保护电路的示意图。

图4为示出根据本发明的一个实施例的无线现场装置的元件的框图。

图5为示出包括过电压保护电路的保护电路的简化示意图。

具体实施方式

本发明包括无线现场装置，其具有用于保护现场装置的电路的保护电路。保护电路防止现场装置电路和电源之间的反极性连接。进一步，保护电路防止现场装置电路连接至具有超过现场装置电路的最大电压的电源。

图1为示出示例性过程控制或监测系统10的简化示意图，该过程控制或监测系统10包括连接至现场装置14和16的控制室或控制系统12。现场装置14被显示连接至过程管道18，现场装置16被显示连接至储存箱20。装置14和16分别地包括天线22和24，用于发射和/或接收来自与过程控制室12的过程控制电路13相关联的天线26的信息。装置14和16采用无线射频(RF)通信链路28和30与控制室12中的电路13通信。现场装置14和16包括将本地电力提供到所述装置的元件，而不要求运行附加导线。例如，装置14和16可以包括用于本地电力的太阳能电池和/或电池。

为了减少电力使用，无线现场装置中的多个元件被设计为采用提供低压输出的电源进行操作。这改善了装置的能量效率，并且在电池供电装置情况中延长了操作时间。例如，一些无线装置包括被配置为采用相对低压电源(如采用7.2伏电源)进行操作的电路。然而，其它装置和元件可以采用高压操作。例如，“传统”装置可以被设计为采用从18伏到高达50伏的范围内的电源电压操作。被设计用于低压操作的元件通常不能容忍在传统装置中使用的高压。存在的可能是这些现有高压可以连接至较新的低压设计的元件。这会导致对低压元件的损坏。

图2为无线现场装置200的一种示例性系统架构的简化框图。装置200包括电源组202、装置电路204和保护电路206。用于电源组202的示例性电源包括电池和储能电容器以及发电机，如太阳能电池，机械能至电能电源等等。在该示例中，装置电路204包括3伏开关稳压器210和5伏开关稳压器212。测量电路214配置为测量工业过程的过程变量，如压力、温度等等，并包括传感器，如压力传感器、温度传感器等等。数字电子元件216配置为接收测量到的过程变量并将该过程变量传送至远程位置。例如，数字电子元件216可以包括微处理器、存储器、包括射频模块的通信电路等等。

在现有技术配置中，保护电路206可以包括反极性电路，其被配置为防止装置电路204连接至具有反极性的电源组202。电源组202可以包括用于无线现场装置的任何合适的电源。电源组202为电源的一种示例，更具体地，为能够向现场装置提供电力的内部电源，其中现场装置可以专门由来自内部电源的电力供电。

图3为被配置为提供反极性保护的现有技术保护电路230的简化框图。保护电路230接收来自电源组202的电力并将电力提供至图2中示出的开关稳压器210和212。在图3的配置中，晶体管232包括P信道MOSFET。在正常操作中，接线端234连接至电源组202的正极端，接线端236连接至电源组202的负极端。在这种配置中，用于栅极至源极电压足够大，因此晶体管232将处于“接通”状态。相反地，当电源组202以相反的极性连接至接线端234和236时，晶体管232将关断，从而防止电压施加至装置电路204。这是因为晶体管232的源极终端处的电压相对于晶体管232的栅极将被拉为负。

图4为根据本发明的无线变送器300的简化框图。类似于图2的变送器200中示出的元件的变送器300中的元件保持它们的编号。在变送器300的在图4中示出的配置中，图2中显示的变送器200的保护电路206已经由根据本发明的保护电路306代替。保护电路306采用反极性保护电路308提供如上所述的反极性保护。此外，保护电路306采用过电压保护电路310提供过压保护。过压保护电路防止具有会损坏装置电路204的电压的电源组202连接至装置电路204。

图5为保护电路306的更详细的视图。保护电路306的与图3中示出的保护电路230的元件相似的元件保留它们的编号。在图5的保护电路306中，反极性保护电路308如上文联系图3讨论的那样操作。保护电路306还包括过电压保护电路310。过电压保护电路310包括MOSFET320、电阻器322、PNP晶体管324和齐纳二极管326。

在过电压保护电路310的正常操作期间，MOSFET320处于“接通”状态，因为电阻器322将MOSFET320的栅极拉到足够低以超过栅极阈值要求。然而，如果接线端234和236之间施加的电压超过将引起齐纳二极管326上的电压超过其击穿电压的电压，则PNP晶体管324将开始导通。这将升高在MOSFET320的栅极处的电压，导致它停止导通并进入“断开”状态。采用这种未导通的晶体管320，接线端234和236之间施加的高压将不连接至开关稳压器210和212或后续装置电路214和216。这将保护装置电子元件免受过电压的影响，只要所施加的电压未超过MOSFET320的额定电压。进一步，在正常操作期间，由过电压保护电路310采用的静态电流相对小，例如几个微安培。通过改变齐纳二极管326的击穿电压可以调整MOSFET320“断开”时的阈值电压。该电路可以采用成本相对低的元件的实现，这种成本相对低的元件也相对小且容易被容纳在电路板上。在一种配置中，保护电路306可以在“零件模块”上实现，该“零件模块”可以连接至装置电路204。例如，该零件模块可以为装置电路204提供附加功能，如无线通信能力。

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。虽然上述描述涉及无线现场装置，但本发明也可以结合有线装置使用。这包括永久地有线连接至其它电路的装置以及仅临时地有线连接至其它电路的装置。

Claims (19)

1.一种用在工业过程控制系统中的现场装置，包括：

具有电源输出端的电源；

由所述电源供电的现场装置电路；

用于保护现场装置电路的保护电路，包括：

反极性保护电路，该反极性保护电路包括第一MOSFET，第一MOSFET被配置成响应于所述电源输出端和现场装置电路之间的反极性连接而处于断开状态以将所述电源输出端与现场装置电路电隔离；和

过电压保护电路，该过电压保护电路不同于反极性保护电路并包括第二MOSFET和将第二MOSFET的栅极与一个电源输出端连接的电阻器，第二MOSFET被配置成在所述电源输出端的电压超过阈值时处于断开状态以将所述电源输出端与现场装置电路断开连接。

2.根据权利要求1所述的现场装置，其中第二MOSFET串联连接在所述电源输出端和现场装置电路之间。

3.根据权利要求2所述的现场装置，其中第二MOSFET包括串联连接在电源输出端和现场装置电路之间的漏极和源极。

4.根据权利要求3所述的现场装置，其中过电压保护电路还包括具有击穿电压的齐纳二极管，并且其中当齐纳二极管上的电压超过击穿电压时，电压将施加至第二MOSFET的栅极，第二MOSFET的栅极将该第二MOSFET“断开”，从而电源输出端与装置电路断开连接。

5.根据权利要求4所述的现场装置，包括将齐纳二极管连接至第二MOSFET的栅极的晶体管。

6.根据权利要求2所述的现场装置，其中第一MOSFET串联在电源输出端和现场装置电路之间。

7.根据权利要求1所述的现场装置，其中现场装置电路包括连接至所述保护电路并被配置为向现场装置电路供电的开关稳压器。

8.根据权利要求1所述的现场装置，其中现场装置电路包括无线通信电路。

9.根据权利要求1所述的现场装置，其中所述保护电路承载在连接至无线现场装置的零件模块中。

10.根据权利要求1所述的现场装置，包括无线通信电路，并且其中现场装置专门采用来自所述电源的电力操作。

11.一种保护用在工业过程控制系统中的类型的现场装置中的现场装置电路的方法，该方法包括下述步骤：

将电源电连接至现场装置电路；

如果所述电源与反极性连接，通过由包括进入断开状态的第一MOSFET的反极性保护电路将所述电源与现场装置电路断开连接，对现场装置电路提供反极性保护；和

如果电源输出端的电压超过阈值，通过由不同于反极性保护电路且包括进入断开状态的第二MOSFET的过电压保护电路将所述电源与现场装置电路电地断开连接，对现场装置电路提供过电压保护，第二MOSFET的栅极通过电阻器连接至电源的一个电源输出端。

12.根据权利要求11所述的方法，其中通过选择齐纳二极管的击穿电压选择所述阈值。

13.根据权利要求11所述的方法，其中提供过电压保护的步骤包括在电源输出端的电压超过所述阈值时“断开”串联连接在电源和现场装置电路之间的所述第二MOSFET。

14.根据权利要求11所述的方法，包括采用用于调整来自电源输出端的电压的开关稳压器给现场装置电路供电的步骤。

15.根据权利要求11所述的方法，包括将开关稳压器连接至所述电源以给现场装置电路供电的步骤。

16.根据权利要求11所述的方法，包括与现场装置电路进行无线通信的步骤。

17.根据权利要求11所述的方法，包括将零件模块连接至无线现场装置的步骤。

18.根据权利要求11所述的方法，包括采用无线通信电路从现场装置进行无线通信的步骤。

19.根据权利要求11所述的方法，包括专门采用来自所述电源的电力给现场装置供电的步骤。