CN103562814A - 具有光改变触发显示器的过程设备 - Google Patents

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Abstract

现场设备包括换能器、光电检测器、显示器和显示器控制器。换能器控制或监视过程变量，并且显示器显示与过程变量有关的信息。光电检测器检测光水平。显示器控制器能够响应于光电检测器检测到的光水平的改变来打开或关闭显示器。

Description

具有光改变触发显示器的过程设备
技术领域
本发明一般地涉及用于在工业过程控制系统中使用的无线设备。更具体地，本发明涉及具有内置显示器的现场设备的节电。
背景技术
过程监控系统监视并控制工业设置中的过程参数，例如，在工业过程中使用的过程流体的压力、温度、流量和水平。例如，通常在工业制造设施中的多个位置处采用耦合到发射机的传感器以沿多条生产线监视并报告多个过程参数，而在其它区域中使用耦合到接收机的致动器以例如根据来自中央控制中心的信号来打开和闭合阀门。
无线设备在工业应用中越来越普遍。作为无线现场设备网络的组件，无线设备使控制或过程监控系统的范围超出有线设备所能达到的范围，扩展到提供布线可能很困难且昂贵的位置。无线现场设备网络包括具有中央控制器或网关的大量无线设备或节点。无线网络中的节点能够发送和接收信息。
无线现场设备网络用于控制和监视不同的过程和环境。例如，无线现场设备网络可以在油田中使用。油田包括以分散在较大区域上的井台(well pad)为中心的多个分离位置。这些孤立的局部区域之间的通信对于对油田的整体管理而言是至关重要的。井台处的无线现场设备网络监视并控制从流速和流体温度到阀门状态和位置以及潜在泄漏等一切情况。通过网络将由此产生的数据中继至控制器，控制器分析数据并且驱动控制机构以管理生产或者避免麻烦。
术语“现场设备”是指安装在工业装置上以在过程控制系统中执行功能的任何设备，包括：在测量、控制和监视工业厂房、过程或过程装备中使用的设备，包括厂房环境、卫生和安全设备。每一个现场设备通常包括：传感器、致动器或者这二者，并且可以执行控制或提醒功能。在针对基于传感器／致动器的应用设计的无线网络系统中，网络中的很多设备可能本地供电，这是因为诸如120V AC设施或供电数据总线等电力设施不在仪器、传感器和致动器以及安全监视器或人机界面设备必须所在的危险位置附近或者不能够在不引起较大安装费用的情况下安装在这些危险位置处。“本地供电”意味着由诸如独立的电化学源(例如，长寿命电池或燃料电池)等本地电源或者由低功率能量收集电源(例如，振动、太阳能或热电)供电。本地电源的共同特征是其在如长寿命电池的情况下所存储的或者在如太阳能板的情况下所产生的有限能量容量或有限电力容量。通常，对低安装成本的经济需求促使了对作为无线现场设备网络的一部分进行通信的电池供电设备的需求。有效利用诸如不能再充电的原电池等有限电力源对于运作良好的无线现场设备而言是至关重要的。期望电池持续五年以上并且优选地持续与产品寿命一样长的时间。
一些现场设备包含本地操作员界面(LOI)以促进现场的维护和监视。LOI允许技术人员检查过程参数并且验证现场设备正在原位正确地工作。LOI可以包括诸如液晶显示器(LCD)等显示器。LOI的电力需求是适中的，但是对于本地供电设备是重要的考虑因素，这是因为持续地给显示器供电将不必要地耗用有限的电力供应。因为可能只是偶尔需要LOI显示器(例如，当技术人员正在本地检查现场设备时)，因此一些现场设备允许技术人员使用按钮打开或关闭显示器，从而在显示器未被使用时节省电力。
发明内容
本发明的一个实施例是具有换能器(transducer)、光电检测器、显示器和显示器控制器的现场设备。换能器控制或监视过程变量，并且显示器显示与过程变量有关的信息。显示器控制器可以响应于光电检测器检测到的光水平的改变来打开或关闭显示器。
附图说明
图1是利用光水平感测控制来打开或关闭本地操作员界面的本地供电现场设备的透视图。
图2是本地供电现场设备的框图。
图3是本地供电现场设备的光电检测器电路的示意图。
具体实施方式
提供了具有光电检测器和集成的本地操作员界面显示器的现场设备。通过仅短暂地响应于光电检测器检测到的光水平的改变来给显示器供电，显示器可以按需消耗电力。
图1是现场设备100的透视图，现场设备100包括电子器件外壳102、换能器外壳103、过程连接104、天线106以及本地操作员界面(LOI)108，并且附接到过程系统10。电子器件外壳102密封并保护现场设备100的组件，并且固定到换能器外壳103，换能器外壳103包含用于监视或控制过程系统10的一个或多个参数的传感器或致动器，如下文所述。现场设备100经由过程连接104附接到过程系统10，过程连接104可以包括阀门、电连接或者其它连接，这取决于现场设备100监视或控制的过程的类型。天线16在现场设备100与控制器、诸如网格网络(mesh network)等无线网络、网关或者上述各项的任意组合之间发送和接收信号。LOI108是具有集成显示器的用户界面。
在一个实施例中，现场设备100是从过程系统10获取一个或多个过程参数的传感器读数并且将这些读数报告给控制或监视系统的发射机。现场设备100可以监视压力、流量、振动、电流、pH或者任何其它可测量的过程参数。在另一实施例中，现场设备100是从控制系统接收命令指令并且经由一个或多个致动器相应地调节过程系统10的一个或多个参数的致动器。在该实施例中，现场设备100可以例如控制速度、打开或闭合阀门或者使流体流转向。
LOI108促进对现场设备100和过程系统10的维护和本地监视。LOI108可以包括所监视的过程参数的指示符以及状态指示符。在一个实施例中，诸如维护技术人员等本地操作员可以经由LOI108中包括的触摸屏来与现场设备100进行交互。在另一实施例中，本地操作员可以从LOI108的显示器读取数值，但是经由远端设备将输入发送到现场设备。
图2是现场设备100的框图。现场设备100包括天线106、LOI108、传感器110、信号处理器112、逻辑处理器114、收发机116、光电检测器118和电源120。现场设备100经由传感器110与过程系统10耦合，并且经由天线106连接到网络20。传感器110是位于换能器外壳103(参见图1)中的换能器，并且监视过程系统10的参数，如压力、流量、振动、电流、pH或其他可测量的量。传感器110产生传感器输出S1，传感器输出S1由信号处理器112转换为数字信号S2。信号处理器112可以是能够转换与传感器输出S1相对应的数据信号的任意类型模数转换装置。数字信号S2由逻辑处理器114接收，在一个实施例中，逻辑处理器114是微处理器。逻辑处理器114可以分析数字信号S2，并且将操作LOI108，从而接受并解释来自用户的输入并向LOI108和网络20提供所请求的信息，如下文所述。逻辑处理器114产生传输信号S3，传输信号S3由收发机116接收。收发机116驱动天线106，从而向网络20发出天线信号S4。网络20可以包括网格网络、网关、中央系统控制器或者上述各项的任意组合。
逻辑处理器114经由界面信号1F来控制LOI108。如果逻辑处理器114从108接收到输入(例如，如果LOI108包含一个或多个按钮或触摸屏)，则界面信号IF可以是双向的，或者如果逻辑处理器114不从LOI108接收输入(例如，如果LOI仅是无源显示器，或者如果本地用户通过诸如无线远端设备等单独装置来与现场设备100进行交互)，则界面信号IF可以是单向的。
光电检测器118监视现场设备110外部位置处的光水平，并且输出与光水平的改变相对应的光信号LL。光信号用作去往逻辑处理器114以启用或禁用LOI108的显示器的中断。在一个实施例中，光电检测器118检测到的光水平的突然改变——无论正或负——使逻辑处理器114接通对LOI108的显示器的供电。在备选实施例中，只有光水平的突然下降或突然上升将使逻辑处理器114接通或切断对LOI108的供电。在一个实施例中，逻辑处理器114包括定时器，并且在接通对LOI108的显示器的供电后的预置时刻自动地切断电力。在备选实施例中，逻辑处理器114响应于例如来自光电检测器116的第二信号来关闭LOI108的显示器。
现场设备100的所有上述组件根据需要从电源120接收电力。仅根据逻辑处理器114的指示来对LOI108供电，如上所述。电源120可以是具有有限寿命的电源，例如，电池或燃料电池，或者具有有限电力输出的电源，例如，用于从过程系统10收集电力的系统(例如，振动能量收集器)或者从环境收集电力的系统(例如，太阳能板)。
在现场设备100的备选实施例中，可以用致动器来替换传感器110，以控制过程系统10的一个或多个参数。除了天线106将从网络20接收命令信号而不是发送信号并且将通过收发机116将这些命令信号路由到逻辑处理器114以命令致动器110以外，该实施例的操作将与上述传感器版本基本上类似。现场设备100的其他备选实施例包含包括致动器和传感器二者的换能器。
在一些实施例中，可以在网络中无线地连接多个现场设备100，使得每一个现场设备100经由收发机116和106发送和接收去往所选的其它现场设备100的信号。在一个这样的实施例中，任何现场设备100处光水平的改变使多个无线联网的现场设备100打开或关闭LOIl08。为了实现这一点，逻辑处理器114能够响应于经由天线106和收发机116接收到的电力信号以及响应于光信号LL来接通或切断对LOI108的供电。此外，使逻辑处理器114接通或切断对LOI108的供电的光信号LL还可以使逻辑处理器114经由收发机116和天线106向其它现场设备100广播信号，从而指示这些其它现场设备应当打开或关闭它们的LOI108。
图3是光电检测器118的一个实施例的示意图。光电检测器118包括光电晶体管Q、放大器电阻R1、分压器电阻R2和R3、反馈电阻R3以及比较器U。光电检测器118由电源120供电，并且附接到所示的电路公共端。图3中的电路配置可以按两级来分析。
光电检测器118的第一级是包括光电晶体管Q和放大器电阻R1的共发射极晶体管放大器电路。光电晶体管Q通过电子器件外壳102中的孔或窗口暴露于环境光。放大器电阻R1连接到光电晶体管Q的集电极以形成共发射极放大器。光电晶体管Q上的入射光在光电晶体管Q两端产生放大电压V1。当光电晶体管Q被照亮时，光电晶体管Q近似“闭合的”开关，并且当光电晶体管Q较暗时，光电晶体管Q近似“断开的”开关。当光电晶体管Q被照亮时，V1将是逻辑“低”(接近电路公共端)，并且当光电晶体管Q较暗时，V1将是逻辑“高”(近似+V)。
光电检测器118的第二级是比较器系统，包括比较器U、分压器电阻R2和R3以及反馈电阻R4。比较器U将V1与由分压器电阻R2和R3建立的第二恒定电压V2进行比较，以产生光信号LL。反馈电阻R4连接在比较器U的输出端和非反相输入端之间，以向信号LL添加滞后，并且减小由于来自光电晶体管Q的较小光转变引起的噪声波动。每当V1为高时，V1将超过V2，并且光信号LL将为正。每当V1为低时，V2将超过V1，并且光信号LL将为负。
逻辑处理器114从光电检测器118接收光信号LL。逻辑处理器114——其可以包括例如边沿触发中断——检测光信号LL从正到负的转变或者从负到正的转变。当检测到这种转变时，逻辑处理器114接通或切断对LOI108的显示器的供电。
先前的系统已经使用按钮来打开或关闭现场设备上的本地显示器。然而，按钮和具有移动部件的其它系统容易产生机械磨损和故障。此外，现场设备可能在非常容易受到热、电或火花伤害的环境中使用，在这种环境中，将现场设备与环境完全阻隔是有利的或者甚至是必须的。如果可以避免诸如按钮等移动部件，则密封现场设备将更容易且不那么昂贵。光电检测器提供了切换现场设备上显示器的供电状态的便宜且可靠方式。检查现场设备的技术人员可以遮挡光电检测器(从而使其变暗)或者将光照射在光电检测器上(从而照亮光电检测器)；任意一种情况将导致所公开的系统检测到的转变，并且可以用于打开或关闭显示器。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，可以在不偏离本发明范围的情况下针对其元素进行各种改变或者用等同物替换这些元素。此外，可以在不偏离本发明实质范围的情况下进行很多修改以使具体情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不局限于所公开的具体实施例，而是本发明应包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种现场设备，包括：
换能器，用于控制或监视过程变量；
光电检测器，用于检测光水平；
显示器，用于显示与所述过程变量有关的信息；以及
显示器控制器，能够响应于所述光电检测器检测到的所述光水平的改变来打开或关闭所述显示器。
2.根据权利要求1所述的现场设备，还包括：处理器以及用于传输去往或来自所述换能器的射频信号的无线收发机。
3.根据权利要求1所述的现场设备，还包括：定时器，其中，所述显示器控制器在打开所述显示器后的固定时刻关闭所述显示器。
4.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述光水平的所述改变是增加，使得当所述光电检测器被照亮或无遮挡时，所述显示器控制器打开或关闭所述显示器。
5.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述光水平的所述改变是减小，使得当所述光电检测器变暗或被遮挡时，所述显示器控制器打开或关闭所述显示器。
6.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述显示器控制器响应于光水平的增加及减小来打开或关闭所述显示器。
7.根据权利要求1所述的现场设备，还包括：连接到所述显示器控制器的无线收发机。
8.根据权利要求7所述的现场设备，其中，所述显示器控制器能够响应于所述无线收发机接收到的电力信号来打开或关闭所述显示器。
9.根据权利要求7所述的现场设备，其中，每当所述电力控制系统响应于光水平的改变而打开或关闭所述显示器时，所述显示器控制器能够经由所述无线收发机将电力信号广播到选择的其它现场设备，所述电力命令指示其它现场设备打开或关闭其显示器。
10.根据权利要求7所述的现场设备，其中，所述无线收发机还广播表示来自所述换能器的传感器读数的信号。
11.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述显示器是液晶显示器。
12.根据权利要求1所述的现场设备，还包括：本地电源。
13.根据权利要求12所述的现场设备，其中，所述本地电源包括电池或能量收集系统中的至少一种。
14.一种现场设备，包括：
无线电天线，用于发送和接收射频信号；
处理器，用于处理数字信号；
收发机，连接所述处理器和所述无线电天线，所述收发机在所述射频信号与所述数字信号之间转换；
本地电源，给所述现场设备供电；
光电检测器，用于检测光水平并且产生相应的光信号；以及
显示器，用于显示与过程变量有关的信息，并且由所述处理器响应于所述光水平而打开或关闭。
15.根据权利要求14所述的现场设备，还包括：连接到所述处理器的换能器，所述换能器能够监视或控制工业过程。
16.根据权利要求14所述的现场设备，其中，所述处理器响应于光水平的突然增加或突然减小来打开或关闭所述显示器。
17.根据权利要求14所述的现场设备，还包括：定时器，其中，所述处理器在打开所述显示器后的固定时刻关闭所述显示器。
18.根据权利要求14所述的现场设备，其中，所述处理器还在经由所述收发机和所述无线电天线接收到显示器电力控制信号时打开或关闭所述显示器。
19.根据权利要求14所述的现场设备，其中，每当所述处理器响应于光水平的改变而打开或关闭所述显示器时，所述处理器经由所述收发机和所述无线电天线将显示器控制电力信号广播到选择的其它现场设备，所述电力信号指示选择的其它现场设备打开或关闭其显示器。
20.根据权利要求14所述的现场设备，其中，所述本地电源包括电池或能量收集系统中的至少一种。
21.根据权利要求14所述的现场设备，还包括：连接到所述处理器的传感器，其中，所述收发机是发射机，并且所述射频信号表示所述传感器的读数。
22.根据权利要求14所述的现场设备，还包括：连接到所述处理器的致动器，其中，所述收发机是接收机，并且所述射频信号是针对所述致动器的控制信号。
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