CN103718565A - 开关模块 - Google Patents

Abstract

一种用于位置感应的开关模块可操作在多种模式中以兼容多种传统位置感应产品。一种干式开关电路可配置为提供一个直接输出、模拟干簧、高端或低端交换结构。可选地，所述干式开关电路能够连接到一个NAMUR电路的输入来提供用于那种标准的已知电流输出。在另一种结构中，所述干式开关能够选择性地耦合到两个NAMUR电路中的一个以允许开关模块提供一个低到高的电流NAMUR输出或高到低的电流NAMUR输出。

Description

开关模块

背景技术

在过程控制应用中，阀门的位置是用于监控和决策的信息的重要因素。存在许多不同类型的阀门位置监控器和许多用于报告阀门位置的不同类型的机制。

发明内容

一种用于报告阀门位置的开关模块可结合多种输出报告的配置以向后兼容许多不同类型的监控或报告设备的替代品。开关模块可以使用干接点继电器或其他继电器来报告由机械或接近式传感器感应到的位置。干接点继电器可取代干接点、高端开关或低端开关的先前配置。在另一种替换结构中，继电器还可以连接到一个或多个NAMUR输出电路提供电流输出，如业界所知的，以代替干接点输出。

开关模块可以聚合成组，以提供单刀双掷、双刀单掷等开关替代品或例如用于冗余或备用报告的其他开关替代品。

附图说明

图1是一个现有技术控制系统的简化代表性框图；

图2是一个种简化代表性的现有技术干式开关的位置感应电路；

图3是一种简化代表性的现有技术NAMUR位置感应电路；

图4是在第一操作结构中一种简化代表性的开关模块；

图5是在第二操作结构中一种简化代表性的开关模块；

图6是在第三操作结构中一种简化代表性的开关模块；

图7是在第四操作结构中一种简化代表性的开关模块；以及

图8是一种配置和操作开关模块的方法的图示。

具体实施方式

尽管以下正文陈述了许多不同实施例的详细说明，但是应当理解说明书的法律范围是由本公开末尾陈述的权利要求书的文字来限定。该详细说明应被解释为仅是示例性的，而不描述每个可能的实施例，因为如果并非不可能，描述每个可能的实施例将是不切实际的。可以使用现有技术或本专利申请日之后开发的技术来实现许多替代的实施例，而这将仍落入权利要求书的范围。

还应当理解，除非在本专利中使用句子“如在此使用的术语‘____’”、“在这里限定为是指......”或类似的句子来特别定义一个术语，无论明示或暗示，不存在意图限制该术语的含义超出其平常或普通意义，并且这样的术语不应该被解释为限制在基于本专利的任何部分所作的任何陈述的范围内(除了权利要求的语言)。在这个意义上，在本专利末尾的权利要求中所述的任何术语是指在本专利中以与单一意义相一致的方式，这样做是为清楚起见，仅为了不使读者感到混淆，并且不意味着这样的权利要求术语以暗示或其他方式被限制于该单一意义。最后，除非通过陈述词语“装置”加功能而没有任何结构来定义一个权利要求要素，否则不意味着应用35U.S.C.§112第6款来解释任何权利要求要素的范围。

在许多工厂或其他过程控制环境中，能够使用多种自动化控制和／或反馈的不同形式，并且其可包括具有不同反馈或通知级别的基于电流和基于电压的信号。用于控制设备的输入和输出的不同组合可产生备用部件库存的库存管理问题。具有可配置输入格式的开关模块有助于处理不同控制应用中的向后兼容性。

图1是现有技术控制系统100的简化代表性框图。简化的控制系统100示出了阀门102，如可以在制造过程中找到的那样。阀门控制104可移动使得阀门102机械地打开或关闭。阀门控制106本身可以由一个电动机(未示出)或一个具有气动供应110的气动控制108进行操作。过程控制器130可以经由用于螺线管控制电路114的控制信号112来直接或间接地控制阀门102。该螺线管控制电路114可以包括电源适配器(未示出)以接受范围广泛的控制电压，交流和直流两者。在一些实施例中该范围可以从大约24伏到大约120伏。

控制过程的一部分是知道阀门的状态，最简单的是阀门打开或关闭。开关115能够用于向过程控制器130发送有关阀门102的状态的信息。在某些情况下由于临近阀门以及至过程控制器130的连接的实用性，开关115可以包括上面讨论的螺线管控制电路114。

开关115可以包括传感器118，其与阀门位置指示器116进行交互。下面将更详细地讨论传感器和与阀门位置指示器116的交互。

开关115也可以包括输出电路122。典型的输出电路包括一个公共连接124，一个当位置指示器116位于第一位置时连接到公共连接124的常闭连接126，和一个当位置指示器116处于第二位置时连接到公共连接124的常开连接。如已知的那样，在考虑了该特定过程控制器130的性能的情况下，这些连接124、126和128在一个特定系统中的特别应用取决于系统设计者。

存在几种类型的输出电路112。下面分别讨论相对于图2和3的两个示例性的输出电路。

当在该示例中使用阀门102时，实际上开关115能够用于在任何环境中感应可移动部件的位置，特别是具有两个位置的那些部件。附加开关可用于感应具有两个以上位置的移动部件。

图2是一种简化代表性的现有技术干式开关的位置感应电路138。该电路138包括位置开关140、公共连接142、常闭(NC)连接144、常开(NO)连接144以及将公共连接142连接到两个输出连接144和146中一个或另一个的致动器148。某些安装只使用两个输出144、146中的一个或另一个，而其他安装可使用两者。可选地，指示器150和152可包括发光二极管(LED)作为指示器，以指示哪个输出是有效的。在某些安装中，通过电路138的电流既被用于确定阀门的位置同时还指示通路是完整的。在一些实施例中，指示器150和152可具有已知的电压降，在某些情况下，大约为4伏。

在操作中，致动器148响应于正在感应的阀门或其它元件的位置变化并从常闭位置移动到常开位置。常闭位置是否用于发信号通知阀门被打开或关闭是一个设计选择，或其他过程控制元件的一个功能。

图3是一种简化代表性的现有技术NAMUR位置感应电路160。在该结构中位置开关162控制一个具有其自己的输入和输出连接的单独的输出电路170。当位置开关162处于第一位置时，该输出具有通过输出连接172和174的处于第一级的恒定电流输出。当位置开关162改变极性，指示例如阀门移动到打开状态时，连接164和166彼此相连接并且输出电路170通过将输出连接172和174的电流改变至第二恒定电流来进行响应。

如图3所示，在一个所谓的“NAMUR”结构中支持两种常见的电流级。当位置开关是常闭时，输出电流176可以等于或大于3毫安。当开关切换到常开位置时，NAMUR输出电流可以改变到等于或低于1毫安178。可选择地，另一种类型的NAMUR电路当处于常闭位置时可以获得等于或低于1毫安180，并且在常开时可获得大于或等于3毫安182。在其他实施例中，NAMUR电路可以简单地提供一个可变电阻并且电流值是由一个外部源进行设置。NAMUR是德国标准制定机构“Normenarbeitsgemeinschaft für Mess-und Regeltechnik inder Chemischen Industrie”的首字母缩写。

熟悉本领域的人员知道图2和3中示出的位置开关结构不是穷举的，对于许多其他开关和输出结构是常见的，包括有源高端驱动和有源低端驱动电路。

此外，在业界有很多位置感应开关种类和相关的位置感应技术。这些涉及从连接到阀门并操作开关的单一机械杠杆到电场感应开关、磁簧开关以及磁场开关。因此，在市场上，更具体地说，现场安装中存在许多位置开关和位置感应替代品。需要为这些替代品中的每一个维修和存储备用部件可能很快成为一个后勤问题。

图4是在第一操作结构中一种简化代表性的开关模块200。开关模块200可在图1所示的代表性应用中使用，代替开关115。为清楚起见，图1的阀门或其他过程控制元件未在图4-7中示出。如上所述，开关模块200可操作地耦合于位置传感器202。为了向后兼容性，开关模块200可包括螺线管控制器208，其具有一个控制信号输入206和一个电或气动输出204。如在现有技术安装中那样，开关模块200可通过公共连接212、常闭连接214和常开连接216耦合到过程控制器210。

跳线218、220和222可以将各自的外部连接耦合到位置(干式)开关228的公共、常闭和常开连接，位置开关228具有在常开和常闭位置之间移动的致动器230或电枢。还是为了向后兼容性，可以包括指示器电路224和226。选择器232可以具有在位置之间可操作的致动器234，用于空连接(如图4中示出)以及下面的图6和7分别讨论的其它位置。开关模块200可以包括第一NAMUR电路236和第二NAMUR电路238，但具有如所示那样标准操作位置中的致动器234，例如通过移除其电源连接(未示出)，NAMUR电路被禁用。

在操作中，在安装了跳线218、220和222时，开关模块200可操作在标准结构中，其具有响应于位置传感器202在NO和NC位置之间移动、交替地将公共连接212连接到常闭连接214或常开连接216的干式开关228。当常闭电路处于激活状态时，指示器224也将是激活的。当常开电路处于激活状态时，指示器226也将是激活的。

图5是在第二操作结构中一种简化代表性的开关模块200。图5中的元件如图4中的那样，除了跳线218和220被重新配置以绕过指示器电路224和226。在这种结构中，开关模块200将像上面关于图4描述的那样操作，除了关联NO和NC电路的活动性的LED指示器将不亮，并且不会导致指示器电路224和226上相关的电压降。如图5所示，跳线218和220出现拉长，但是在实践中，如已知的那样，跳线可以是简单的内嵌块。

图6是在第三操作结构中一种简化代表性的开关模块200。图6的开关模块200与上面图4中描述的一样，除了跳线218、220和222已经被移除以及选择器232被定位于使致动器234位于中间位置。选择器位于该位置时，例如通过连接其电源(未示出)，NAMUR电路236能够被激活。

如图6所示，使位置开关228位于常闭位置，NAMUR电路236的输入未被连接，NAMUR电路236可被配置为通过公共连接212、过程控制器210和常开连接216产生的电路输出一个默认值为3毫安的电流。在一个替代实施例中，如业界所知，可用一个4／20毫安电路代替NAMUR电路236和238中的一个或两个。

当位置开关228由位置传感器202中的变化或其他外部输入使能时，致动器或电枢230移动到由虚线231所指示的位置，完成NAMUR电路236输入之间的电路，并且NAMUR电路的输出下降到1毫安值。在一个替代实施例中，可通过将继电器228的NC连接连接到NAMUR电路236和238的输入来逆转NAMUR电路的极性。

图7是在第四操作结构中一种简化代表性开关模块200。图7的开关模块200与上面图4中描述的一样，除了跳线218、220和222已经被移除以及选择器232被定位于使致动器234位于下方位置。选择器位于该位置时，例如通过连接其电源(未示出)，NAMUR电路238能够被激活。

如图6所示，使位置开关228位于常闭位置，NAMUR电路238的输入未被连接，NAMUR电路238可被配置为，相对于NAMUR电路236，通过公共连接212、过程控制器210和常开连接216产生的电路输出一个默认值为1毫安的电流。

当位置开关228被激活时，完成NAMUR电路238输入之间的电路，并且NAMUR电路输出增加至3毫安值。

可以看出，包含了结构有与第一NAMUR电路236相反的电流极性的第二NAMUR电路238允许每个电流级配置在常开或常闭状态中，提供了比现有安装结构更强大的向后兼容性。

图4-7的任一实施例可以进行堆叠以提供用于备份或额外报告的附加开关结构。例如，两个开关模块可以耦合到相同的阀门102。第一个可配置为用于继电器输出而第二个可配置用于单个监控回路(未示出)的NAMUR输出。

图4-7的实施例是用跳线、多位置开关和继电器来说明的。使用发动机控制开关、固态继电器、半导体开关或这些的不同组合的其他结构也可以被使用，并且当与合适的控制器(未示出)相结合时将允许开关模块200的远程编程。

图8是一种配置和操作开关模块200的方法300的图示。步骤302可操作地将开关模块200耦合到使用位置传感器202的阀门102。位置传感器可以是机械手臂、磁铁、铁类材料等，其当阀门102改变位置时移动。位置传感器202的移动导致相应电开关或继电器改变位置。

步骤304可以接受继电器输出或NAMUR输出的选择。如果选择了“继电器”，跳线212、214、216和选择器开关232可以被设置为提供如上面关于图4或图5讨论那样的继电器输出。

如果选择了“NAMUR”，步骤308可以接受对所需的NAMUR输出的类型的选择。如果选择了低电流至高电流，例如通过开关232的第一位置，步骤310可提供所需的低至高电流输出以响应于可移动元件的位置，例如阀门102。可选择地，如果选择了高电流至低电流，例如通过开关232的第二位置，步骤312提供所需的高至低电流输出以响应于可移动元件的位置，例如阀门102。

本发明的许多功能和本发明的许多原理最好使用或在软件程序或指令和集成电路(ICs)例如专用IC来实现。尽管可能需要付出巨大的努力和通过例如可用时间、当前技术和经济考虑来推动的许多设计选择，预计当普通技术人员由本文所公开的概念和原理引导时将容易能够以最少的实验生成这样的软件指令和程序以及IC。因此，为了简洁性和最小化根据本发明的原理和概念模糊的危险，如果存在这样的软件和IC的进一步讨论，将被限制在关于优选实施例的原理和概念的实质。

虽然上述内容阐述了本发明的许多不同实施例的详细说明，但是应当理解本发明的范围是由本专利末尾陈述的权利要求书的文字来限定的。该详细说明应被解释为仅是示例性的，并且不描述本发明的每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例将是不现实的，甚至是不可能的。可以使用现有技术或在本专利的申请日之后开发的技术来实施许多替代的实施例，而这仍落入本发明的权利要求限定的范围之内。

因此，许多修改和变化可以由在这里描述和示出的技术和结构中得出，而并不背离本发明的精神和范围。因此，应当理解此处所描述的方法和装置仅是说明性的，并不限制本发明的范围。

Claims (18)

1.一种开关模块，其被布置并且适于报告所述开关模块外部的可移动元件的位置，所述开关模块包括：

第一外部连接、第二外部连接和第三外部连接；

干接点继电器，其具有响应于所述开关模块外部的组件的位置的继电器接触位置，所述干接点继电器具有公共连接，常开连接和常闭连接，其中，所述常开连接对应于所述可移动元件的第一位置并且所述常闭连接对应于所述可移动元件的第二位置；

NAMUR电路，其具有第一输入连接对和第一输出连接对；

电连接，其从干式继电器的常开连接至所述NAMUR电路的所述第一输入连接对的第一输入；

选择器，其可操作地将所述干接点继电器的所述公共连接连接到i)所述选择器的空接点或ii)所述NAMUR电路的所述第一输入连接对；

第二电连接，其从所述NAMUR电路的所述第一输出至所述第一外部连接或所述第二外部连接中一个；以及

第三电连接，其在所述NAMUR电路的所述第二输出至所述第三外部连接之间；

第一跳线，其可移动地将所述第一外部连接耦合到所述继电器的所述常开连接；

第二跳线，其可移动地将第二外部连接耦合到所述继电器的所述常闭连接；

第三跳线，其可移动地将所述第三外部连接耦合到所述继电器的所述公共连接，其中，经由两个或多个所述外部连接可观测到所述可移动元件的位置。

2.如权利要求1的所述开关模块，进一步包括：

耦合在所述第一跳线和所述继电器的所述常开连接之间的第一指示器电路；以及

耦合在所述第二跳线和所述继电器的所述常闭连接之间的第二指示器电路。

3.如前面任一权利要求所述的开关模块，进一步包括：

第四跳线，所述第四跳线可移动地提供跨接所述第一指示器电路的短路，以将所述第一指示器电路从所述开关模块的服务中移除；以及

第五跳线，所述第五跳线可移动地提供跨接所述第二指示器电路的短路，以将所述第二指示器电路从所述开关模块的服务中移除。

4.如前面任一权利要求所述的开关模块，进一步包括第二NAMUR电路，所述第二NAMUR电路具有与所述第二NAMUR电路相反的电流极性，并具有：

第二输入连接对和第二输出连接对；

电连接，其为从i)所述继电器的所述常开连接或ii)所述干式继电器的所述常闭连接中的一个至所述第二NAMUR电路的所述第二输入连接对的一个连接；

选择器，其可操作地将所述干接点继电器的所述公共连接连接到i)所述选择器的空接点或ii)所述第二NAMUR电路的所述第二输入连接对的另一个输入连接；以及

第二电连接，其从所述NAMUR电路的所述第一输出至所述第一外部连接或所述第二外部连接中的一个。

5.如前面任一权利要求所述的开关模块，其被配置为提供第一极性电流输出，其中：

所述NAMUR电路被使能并且所述第二NAMUR电路被禁用；

所述选择器被连接在所述干式继电器的常开连接和所述NAMUR电路的所述第一输入连接对的第二输入之间；以及

所述第一跳线、所述第二跳线和所述第三跳线中的每一个被移除。

6.如前面任一权利要求所述的开关模块，其被配置为提供第二极性电流输出，其中：

所述NAMUR电路被禁用并且所述第二NAMUR电路被使能；

所述选择器被连接在所述干式继电器的所述常开连接和所述第二NAMUR电路的所述第二输入连接对的所述第二输入之间；

所述第一跳线、所述第二跳线和所述第三跳线中的每一个被移除。

7.如前面任一权利要求所述的开关模块，其被配置为提供一个继电器输出，其中：

所述选择器将所述干接点继电器的所述公共连接连接到所述选择器的所述空接点；以及

所述第一跳线、所述第二跳线和所述第三跳线中每一个被安装并耦合于其各自的连接。

8.如前面任一权利要求所述的开关模块，其被布置用于物理耦合到另一个开关模块，以报告在干式继电器和NAMUR输出的组合中的所述可移动元件的所述位置。

9.如前面任一权利要求所述的开关模块，还包括螺线管控制器，其具有一个电输入以及机械输出或气动输出中的一个。

10.一种使用开关模块来报告所述开关模块的外部的组件的可移动元件的位置的方法，包括：

将所述开关模块耦合到所述可移动元件，所述开关模块具有响应于所述可移动元件的位置变化的位置传感器；

在所述开关模块处选择继电器输出或NAMUR输出；

当选择了NAMUR输出时，在所述开关模块处选择低／高电流NAMUR输出或高／低电流NAMUR输出；以及

提供所选择的输出以响应于所述位置传感器。

11.如权利要求10的所述方法，其中，选择所述继电器输出包括：

将响应于所述位置传感器操作的干接点继电器的各个连接连接到所述开关模块的公共输出、常闭输出和常开输出，所述公共输出、所述常闭输出和所述常开输出中的每个用于连接到所述开关模块外部的过程控制器的各个输入。

12.如前面任一权利要求所述的方法，还包括：

当所述位置传感器处于第一位置并且选择了所述继电器输出时，激活第一指示器电路；以及

当所述位置传感器处于第二位置并且选择了所述继电器输出时，激活第二指示器电路。

13.如前面任一权利要求所述的方法，其中，选择所述NAMUR输出包括：

将NAMUR电路的输出线连接到所述开关模块外部的过程控制器的各个输入连接；以及

将继电器的公共连接连接到NAMUR电路的第一输入，并将所述继电器的另一个连接连接到所述NAMUR电路的第二输入，其中，所述继电器响应于所述位置传感器的位置产生跨过NAMUR输入的短路或开路。

14.如前面任一权利要求所述的方法，还包括：提供具有高／低电流极性的第一NAMUR电路和具有低／高电流极性的第二NAMUR电路，其中，选择低／高电流NAMUR输出或高／低电流NAMUR输出包括将所述第一NAMUR电路或所述第二NAMUR电路中的一个连接到所述继电器的所述公共连接以及所述继电器的所述其他连接。

14、一种报告外部组件位置的开关模块，所述开关模块包括：

位置传感器；

继电器，其耦合到所述位置传感器，具有响应于所述位置传感器的电枢接点、常闭接点和常开接点；

第一NAMUR电路，其具有第一输入和第二输入，配置为当出现跨过所述第一和第二输入的开路时输出一个低电流以及当出现跨过所述第一和第二输入的短路时输出一个高电流，并且第一输出信号对配置为连接到过程控制器；

第二NAMUR电路，其具有第一输入和第二输入，配置为当出现跨过所述第一和第二输入的开路时输出一个低电流以及当出现跨过所述第一和第二输入的短路时输出一个高电流，并且第二输出信号对配置为连接到所述过程控制器；

选择器开关，所述选择器开关将所述继电器的电枢接点连接到空接点、所述第一NAMUR电路第一输入或所述第二NAMUR电路第一输入中的一个；以及

可移动的跳线，所述可移动的跳线将所述电枢接点、所述常闭接点和所述常开接点连接到所述过程控制器的各个连接，其中，当所述选择器开关位于所述空接点时，所述跳线就位，当所述选择器开关将所述电枢接点耦合到所述第一NAMUR电路或所述第二NAMUR电路时所述跳线被移除。

15.如权利要求14所述的开关模块，还包括螺线管控制器，其具有一个电输入和一个气动输出。

16.如前面任一权利要求所述的开关模块，还包括螺线管控制器，其具有一个电输入和一个机械输出。

17.如前面任一权利要求所述的开关模块，还包括第一指示器灯光，当所述选择器开关处于空接点、所述跳线就位并且所述电枢接点响应于所述位置传感器而与所述常开接点接触时所述第一指示器灯光被激活。

18.如前面任一权利要求所述的开关模块，还包括第二指示器灯光，当所述选择器开关处于空接点、所述跳线就位并且所述电枢接点响应于所述位置传感器而与所述常闭接点接触时所述第二指示器灯光被激活。

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