CN103376754A - 具有分立输入/输出的无线现场设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于工业过程的无线现场设备，包括配置用于耦合至过程接口元件的输入/输出端子。所述分立的输入/输出通道配置用于当被配置为分立的输入通道时，通过输入/输出端子从过程接口元件接收分立的输入。所述分立的输入/输出通道还配置用于当被配置为分立的输出通道时，通过输入/输出端子向过程接口元件提供分立的输出。无线通信电路配置用于发射和接收信息。控制器通过无线通信电路来传送信息，并且根据配置信息来操作，以当输入/输出端子与分立的过程变量传感器相连时将输入/输出通道配置为输入通道，还当输入/输出端子与分立的控制元件相连时将分立的输入/输出通道配置为分立的输出通道。

Description

具有分立输入/输出的无线现场设备
技术领域
本发明涉及用于控制或监测工业过程型的现场设备。更具体地，本发明涉及具有分立输入和分立输出的工业过程现场设备。
背景技术
在诸如油、纸浆等之类的过程材料和流体的监测或制造中采用工业过程。为了监测工业过程的操作，采用过程变量发射机。过程变量发射机测量过程变量，并且将所述过程变量信息发射至集中位置。示例的过程变量包括流速、温度、压力、液位等。过程变量发射机是现场设备的一个示例。另一个示例现场设备是控制器。所述控制器用于通过激励(actuate)控制元件来控制过程的操作。例如，控制器可以调节阀门的位置、改变泵的速度、改变加热元件的温度等。所述控制器可以从集中位置接收其指令。
典型地，现场设备依靠与中央位置的有线通信。示例有线通信技术包括双线过程控制回路，在双线过程控制回路中在相同的两个线路上承载功率和信息。然而最近现场设备采用了无线通信技术。在根据IEC62591标准的无线
Figure BDA00001991864800011
通信协议中阐述了一种示例无线通信技术。
发明内容
一种用于工业过程的无线现场设备，包括：输入/输出端子，配置用于耦合至过程接口元件。所述分立的输入/输出通道配置用于当被配置为分立的输入通道时，通过输入/输出端子从过程接口元件接收分立的输入。所述分立的输入/输出通道还配置用于当被配置为分立的输出通道时，通过输入/输出端子向过程接口元件提供分立的输出。无线通信电路配置用于发射和接收信息。控制器通过无线通信电路来传送信息，并且根据配置信息来操作，以在输入/输出端子与分立的过程变量传感器相连时将输入/输出通道配置为输入通道，还在输入/输出端子与分立的控制元件相连时将分立的输入/输出通道配置为分立的输出通道。
附图说明
图1是包括现场设备的工业过程的简化图。
图2A是图1的现场设备的简化框图，配置为从分立的传感器提供分立的输入通道。
图2B是图1的现场设备的简化框图，配置为向分立的控制元件提供分立的输出通道。
图3是图1的现场设备的简化框图，配置用于分立的输入和分立的输出。
图4是示出了图1的现场设备的通道的简化示意图，可以将其配置为分立的输入通道(图2A)或者分立的控制输出通道(图2B)。
具体实施方式
本发明提供了一种现场设备，能够在与工业变量相关的工业过程中从传感器接收分立的输入。所述传感器与现场设备的端子相耦合。另外，所述现场设备的端子可以配置用于在过程中向分立的控制元件提供分立的输出。这允许将相同的两个端子配置用于感测过程变量和按照需要控制过程变量。所述现场设备配置用于与远程位置无线通信。所述无线通信可以基于任意合适的技术，例如根据IEC 6259标准的无线
Figure BDA00001991864800021
通信协议。
图1是工业过程10的简化框图，工业过程10包括与过程管道14相耦合的无线现场设备12。过程管道可以承载过程流体。无线现场设备包括分立的过程接口元件16，如果所述设备配置用于提供分立的控制输出信号，所述分立的过程接口元件可以包括控制元件，或者如果现场设备12配置用于对来自分立的过程变量传感器的过程变量进行感测，所述分立的过程接口元件可以包括过程变量传感器。如果现场设备12配置用于感测过程变量，则现场设备12可以通过天线20和22将与感测的过程变量相关的信息无线传送至远程位置18。例如，远程位置18可以包括诸如控制室之类的中央位置。如以下更加详细地讨论的，现场设备12也可以配置用于提供控制输出。在这种配置的一个示例中，从用于响应地提供控制输出的远程位置18接收信息。
分立的过程变量传感器的示例包括开关，所述开关在发生特定事件时改变状态，所述特定事件例如是超过温度阈值或者超过电平阈值。另一种类型的分立过程变量传感器提供与感测的过程变量相关的脉冲序列，所述感测的过程变量能够被计数。这些过程变量传感器的示例包括涡轮流量计(turbine flow meter)和磁通计脉冲输出。
图2A是现场设备12的简化框图，具有配置用于从分立的过程变量传感器接收输入的通道24。在图2中，将过程接口元件16示为双位(关断和接通)开关。所述开关与现场设备12的输入/输出端子40相连。端子40之一与比较器42相连，所述比较器42也接收参考电压。例如，如果所述开关接通，向微处理器44提供高输出，而如果所述开关关断则提供低输出。所述微处理器44从所述比较器和接收输出，并且根据在存储器46中存储的指令来操作。基于接收到的输入，所述微处理器44可以使用无线通信电路48无线地通信。
图2B示出了通道24中的现场设备12的备选配置，所述现场设备12与分立的控制元件相耦合。在图2B中，将过程接口元件16示出为负载，所述负载与电压源50相连。例如，所述负载16可以是继电器、阀致动器(valve actuator)等。在图2B中，负载16和电压源50与现场设备12的输入/输出端子40相耦合。在图2B的结构中，现场设备12通过端子40将开关60与负载16相耦合，而并没有使用比较器42。开关60在微处理器44的控制下操作。图2A说明了配置用于提供输入通道的设备，而图2B说明了配置用于提供输出通道的设备。
在图2B中说明的现场设备12的配置在一些环境下可能存在问题。例如，因为现场设备12与外部电源50相耦合，可能将较大的电流或者电压引入到现场设备12的电路中，从而损坏所述电路。这可以引起所述电路完全故障或者可以引起所述电路部分故障，例如使后续的测量结果或者控制信号出错。另外，所述设备12可能会经历辐射突发(radiationburst)、静电放电或者可以引起电路损坏的其他事件。此外，设备12应该配置用于按照“本质安全(intrinsically safe)”的方式操作，在这种方式下设备不能够对工业过程中的其他部件或者工业过程的周围环境造成损坏。附加地，因为所述设备12配置用于无线地操作，所以设备12的电路应该使用非常小的功率来操作。
根据一个实施例，图3是现场设备12更详细的框图。在图3中，设备12通过通道24与过程接口元件16相连，如下详细描述的，通道24可以被配置为分立的输入通道或者分立的输出通道。如上所述，当与配置为控制元件的过程接口元件16相耦合时，可以将在现场配线中存在的能量引入到现场设备12的电路中。本发明提供了多种特征来防止这种能量损坏现场设备12的电路。例如，提供冗余保护二极管100，其与端子40串联连接以阻止任何反向电流进入设备12。提供保护箝位二极管102和108，以将输入处的电压箝位为不超过6.2伏。提供可重置(resettable)固态熔丝106，并将其与开关60串联连接以将电流限制为小于500mA。注意在图3中，将开关60示为MOSFET。提供隔离电阻器104以阻止负输入端子40和电路公共之间的电流。包括独立的看门狗电路(如下所述)以在故障情况下安全地控制输出开关。
除了提供防止能量进入现场设备的保护之外，本发明还包括配置用于防止由于电磁辐射、静电放电等对现场设备12的电路造成损坏的电路。这种保护包括：使用EMC滤波电路120。当配置为输入并且所述输入接通或者短路时，功率节省电路减小了电路电流消耗。
在图3中，开关60从微处理器44接收D0控制(分立输出控制)信号。图3还示出了比较器42的输出，所述比较器42的输出被提供给反相器130，然后耦合至微处理器44的分立输入中断(discrete input interrupt)。在这种配置中，当来自反相器130的输出变为信号高电平时，所述微处理器44接收中断。在另一个配置中，将来自反相器130的输出提供给计数器132，所述计数器132配置用于对输出中的脉冲进行计数。例如，所述计数器可以对脉冲进行计数，并且当触发最高有效位(MSB)时向微处理器44提供中断，从而指示计数器已经达到最大值。在图3中还示出了电源电路140。例如，所述电源电路140可以包括例如电池或者其他电源以向现场设备12的电路供电。
图4是更加详细地示出了现场设备12的电路的简化示意图。如上所述，现场设备12的端子40可以配置用于作为来自过程变量传感器的分立输入来操作，或者配置用于向控制元件提供分立的控制输出。当接收分立的输入时，微处理器44向场效应晶体管60的栅极提供低信号，从而将晶体管60“截止”。在这种条件下，当过程变量传感器与端子40相连并且处于“关断”位置时，来自比较器42的输出将处于逻辑低状态。比较器42的输出可以由反相器130来反转，并且例如可以由微处理器44通过中断来感测。类似地，当开关处于接通位置时，至比较器的负输入将处于逻辑低值，从而使比较器42的输出处于高值。比较器42的输出可以由反相器130反转，并且可以由微处理器44来感测。如果需要，可以向这一过程中引入滞后，从而减小对于噪声或者其他假信号(glitch)的敏感性(susceptibility)，并且从而向电路提供“死区(dead band)”。
控制器132可以用于对脉冲进行计数。例如，8-比特计数器和双稳态触发器可以一起用于实现计数器132以提供9-比特计数器。这可以允许硬件计数器132相对快速地操作，而无需提供恒定的微处理器中断。更具体地，来自计数器132的最高有效位(MSB)输出可以被微处理器44感测为中断，从而发信令表示已经达到了计数器132的最大值。
将可编程滤波器122示为与微处理器44相耦合的场效应晶体管。可以通过将晶体管122“导通”从而将电容器150与端子40并联连接来使能滤波。例如在一种配置中，在滤波器处于“接通”状态的情况下，可以将最大计数速率限制为近似50Hz，而在滤波器被禁用的情况下，最大速率可以是近似1kHz。当配置用于将接收分立的输入时，电路的电流消耗小于20μA。
除了能够配置为输入通道之外，图4中的电路还可以被配置为分立的输出通道。在这种配置中，微处理器44将晶体管122“截止”，从而禁用滤波。另外，由微处理器44来“导通”晶体管152，从而将传感器输入线与地短接。另外，晶体管154截止，从而禁用了感测电流。然后微处理器44可以响应地控制晶体管60。通过导通晶体管60，可以将端子40一起短接。类似地在关断状态下，将端子40彼此断开。提供二极管108以在二极管100故障的情况下限制可以施加至电子器件上的电压。电阻器104用于提供负输入端子和电路地之间的隔离。电阻器104将去往控制通道端子的高电流与电子器件的其余部分隔离。当按照这种方式配置时的电流消耗是在5μA的量级。
图4还示出了看门狗电路170，优选地可以采用所述看门狗电路作为流体设备的一部分。看门狗电路170包括与正电源电压+V的连接。附加地，电路170与微处理器44相耦合。在操作期间，如果电源电压下降到阈值电平以下，电路170将晶体管60的栅极拉低，从而确保将晶体管60截止。类似地，微处理器44必须周期性地(例如在每一秒)向看门狗电路170提供“kick”信号。没有接收到这种“kick”信号还将导致看门狗电路170将晶体管60截止。
在另一个实施例中，当现场设备12配置用于提供分立的输出时，微处理器44可以周期性地监测现场设备12的输出。例如，微处理器44可以周期性地短暂将晶体管154导通并且将晶体管152截止，从而允许读回(read back)正端子40处的输出的状态。这可以用于确保输出处于其期望的状态。
在操作期间，微处理器44根据在存储器46中存储的指令操作。这些指令使微处理器44将图4所示的通道24配置为分立的输入通道或者分立的输出通道。可以在设备的试运行(commissioning)或者配置期间存储配置信息，或者可以由设备使用通信电路48来接收配置信息。当将图4所示的通道24配置为分立的输出通道时，所述微处理器44如上所述地将端子40耦合在一起。例如，可以使用通信电路48接收执行该操作的指令。在另一个示例配置中，多于一个通道(如图4所示)与微处理器44相耦合。在这种配置中，可以将来自分立输入通道的输入用作在被配置为输出通道的另一个通道上提供具体输出的基础。当将通道24配置为分立的输入通道时，所述微处理器44可以使用通信电路48向远程位置发射与感测的过程变量相关的信息。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域普通技术人员应该理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的变化。

Claims (20)

1.一种用于工业过程的无线现场设备，包括：
输入/输出端子，配置用于耦合至过程接口元件；
分立的输入/输出通道，配置用于当被配置为分立的输入通道时，通过输入/输出端子从过程接口元件接收分立的输入，所述分立的输入/输出通道还配置用于当被无线地配置为分立的输出通道时，通过输入/输出端子向过程接口元件提供分立的输出；
无线通信电路，配置用于发射和接收信息；
控制器，配置用于：
基于使用过程接口元件感测的过程变量，通过无线通信电路发射信息；
响应于由无线通信电路接收的信息，向过程接口元件提供分立的控制输出以控制过程变量；以及
所述控制器还配置用于根据配置信息进行操作，以在输入/输出端子与分立的过程变量传感器相连时将输入/输出通道配置为输入通道，还配置用于在输入/输出端子与分立的控制元件相连时将分立的输入/输出通道配置为分立的输出通道。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述分立的输入/输出通道包括开关，所述开关配置用于由控制器来激励，所述开关配置用于将分立的输入/输出端子选择性地电耦合在一起。
3.根据权利要求2所述的设备，包括与开关串联连接的熔丝。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述分立的输入/输出通道包括与输入/输出端子相耦合的比较器，所述比较器配置用于基于与分立的输入/输出端子相连的开关是关断还是接通来向控制器提供信号。
5.根据权利要求4所述的设备，包括与比较器的输出相耦合的计数器，所述计数器配置用于对开关的接通进行计数。
6.根据权利要求1所述的设备，包括与输入/输出端子相连的滤波器，所述控制器配置用于选择性地激活所述滤波器。
7.根据权利要求1所述的设备，包括与输入/输出端子串联连接的至少两个二极管，以向无线现场设备的电路提供保护。
8.根据权利要求1所述的设备，包括：看门狗电路，配置用于如果无线现场设备的部件出现故障，则使无线现场设备的电路进入安全状态。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述看门狗电路配置用于：如果无线现场设备的电源电压小于阈值，则使根据权利要求2所述的开关关断。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述看门狗电路配置用于：如果看门狗电路没有从控制器接收到周期性的“kick”信号，则使根据权利要求2所述的开关关断。
11.一种在工业过程中使用无线现场设备耦合至过程接口元件的方法，包括：
将过程接口元件耦合至无线现场设备的输入/输出端子；
如果过程接口元件包括配置用于提供分立输出的分立过程变量传感器，将分立的输入/输出通道配置为分立的输入通道；
如果过程接口元件包括分立的控制元件，将输入/输出通道配置为分立的输出通道，并且向过程接口元件提供分立的控制输出；
如果输入/输出通道被配置为分立的输入通道，使用无线通信电路将与感测的过程变量相关的信息发射至远程位置；以及
如果分立的输入/输出通道被配置为分立的输出通道，则基于通过无线通信电路的信息向过程接口元件提供分立的控制输出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述分立的输入/输出通道包括配置用于由控制器来激励的开关，还将所述开关配置为将分立的输入/输出端子选择性地电耦合在一起。
13.根据权利要求12所述的方法，包括提供与开关串联连接的熔丝。
14.根据权利要求11所述的方法，其中分立的输入/输出通道包括与输入/输出端子相耦合的比较器，还将比较器配置为基于与分立的输入/输出端子相连的开关是关断还是接通来向控制器提供信号。
15.根据权利要求14所述的方法，包括提供与比较器的输出相耦合的计数器，所述计数器配置用于对开关的接通进行计数。
16.根据权利要求11所述的方法，包括提供与输入/输出端子相连的滤波器，其中控制器配置用于选择性地激活所述滤波器。
17.根据权利要求11所述的方法，包括提供与输入/输出端子串联连接的至少两个二极管，以向无线现场设备的电路提供保护。
18.根据权利要求11所述的方法，包括提供看门狗电路，所述看门狗电路配置用于如果无线现场设备的部件出现故障，则使无线现场设备的电路进入安全状态。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述看门狗电路配置用于如果无线现场设备的电源电压小于阈值则使开关关断。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述看门狗电路配置用于：如果看门狗电路没有从控制器接收到周期性的“kick”信号，则使开关关断。
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