CN105074445A - 具有改进的过程通信的现场废气分析仪 - Google Patents

Abstract

一种现场废气分析仪(10)，包括能够延伸到烟道中的探针(12)。所述探针(12)具有测量元件，该测量元件响应于烟道中的气体的浓度以提供信号。控制器(52)被联接到探针(12)并且被构造为基于来自测量元件的信号而提供输出。第一介质访问单元(54)被联接到控制器(52)并且可操作地联接到第一过程通信线路。所述第一介质访问单元(54)被构造为根据全数字过程通信协议进行通信。第二介质访问单元(56)被联接到控制器(52)并且可操作地联接到第二过程通信线路。所述第二介质访问单元(56)被构造为根据与全数字过程通信协议不同的第二过程通信协议进行通信。第一介质访问单元和第二介质访问单元(54、56)被同时地启动。

Description

具有改进的过程通信的现场废气分析仪

技术领域

工业过程工厂经常依赖于包括一个或多个燃烧过程的能量源。此种燃烧过程包括燃烧室或锅炉的操作以产生来自于燃烧的能量，这些能量然后被用于过程。虽然燃烧提供较廉价的能量，但是它的使用通常被控制并且燃烧效率应当被最大化。因此，过程管理工业的一个目的是通过维持现存的燃烧室和锅炉的燃烧效率而降低温室气体的产生。

现场或过程废气分析仪通常被用于监测、最优化和/或控制燃烧过程。典型地，这些分析仪采用氧气传感器，该氧气传感器在技术和应用方面与在汽车中发现的氧气传感器类似。此种传感器被加热到高温并且提供传感器输出，该传感器输出指示与烟气/废气流相关的感兴趣参数(氧气)。现场或过程分析仪是尤其有利的，因为它们不具有移动部件或者取样设备，因此导致了需要很少的维护的极其可靠的探针。虽然现场废气分析仪在以下意义上可以被认为是现场装置，即这些现场装置经常被在外地定位在现场中并且经受温度、湿度、机械振动和电干扰的气候极端，但是它们基本上与很多现场装置不同。虽然很多现场装置测量单个物理参量，诸如过程流体的温度、压力或流量，但是过程分析仪实际上测量废气过程流的组分。因此，在废气分析仪中执行的处理是相对复杂和高速的。因此，废气分析仪必须经常执行重要的计算和分析，从而有效地控制燃烧过程。另外，废气分析仪必须非常迅速地这样做，因为废气浓度传感器信号也能够很快地变化。

传统地，一些现场废气分析仪被设置为根据混合型数字模拟过程通信协议而进行通信。该过程通信协议的一个示例是可寻址远程变送器高速通道协议()。该通信协议说明了数字信息被设置在数字包(即，包)中的方式以及数字包被物理地传送通过有线传输介质的方式。典型地，诸如爱默生过程管理公司的业务部门，即RosemountAnalytical，Inc(罗斯蒙特分析公司)以行业名称型号6888氧气变送器售卖的现场废气氧气变送器，根据诸如众所周知的4-20毫安信号技术的模拟信号技术而传输其废气浓度信息。可选地，变送器可以被构造为或者以其他方式被规定为提供模拟信号，该模拟信号表示未处理的毫伏信号形式的废气氧气，从而与各个系统交互工作。另外地，因为协议将数字信息叠加在模拟过程可变信号上，所以还已知的是现场废气氧气变送器将数字信息传输到可选的用户接口，诸如罗斯蒙特分析公司销售的已知的Xi电子模块。

虽然现存的产品在燃烧过程的监测和/或控制方面为其用户提供显著的优点，但是由对废气流和速度的分析所产生的大量数据对于废气分析仪的通信而言可以是个挑战，其中，废气流的成分可能随着速度改变。提供具有改进的过程通信能力的现场废气分析仪将有利于燃烧过程的监测和控制技术。

发明内容

现场废气分析仪包括能够延伸到烟道中的探针。所述探针具有测量元件，该测量元件响应于烟道中的气体的浓度以提供信号。控制器被联接到探针并且被构造为基于来自测量元件的信号而提供输出。第一介质访问单元被联接到控制器并且可操作地联接到第一过程通信线路。所述第一介质访问单元被构造为根据全数字过程通信协议进行通信。第二介质访问单元被联接到控制器并且可操作地联接到第二过程通信线路。所述第二介质访问单元被构造为根据与全数字过程通信协议不同的第二过程通信协议进行通信。第一介质访问单元和第二介质访问单元被同时地启动。

附图说明

图1是现场废气分析仪的示意图，本发明的实施例对于该现场废气分析仪而言是尤其有用的。

图2是根据本发明的实施例的现场废气分析仪的示意立体图。

图3是根据本发明的实施例的现场废气分析仪的方块图。

图4是根据本发明的实施例的在燃烧过程中操作的现场废气分析仪的示意图。

具体实施方式

图1是在燃烧过程中操作的现场废气分析仪的示意图。此种分析仪10的一种示例是可从罗斯蒙特分析公司获得的以行业名称型号6888销售的现场废气氧气变送器。分析仪10包括探针组件12，该探针组件12被设置在烟囱或烟道14中，并且测量与在燃烧器16处发生的燃烧相关的至少一个参数。典型地，分析仪10是氧气分析仪，但是可以是测量与废气流中的成分相关的任何适当参数的任何装置。

燃烧器16被可操作地联接到空气或氧气源18和可燃烧燃料源20。源18和20中的每一个优选地经由相应的阀被联接到燃烧器16从而将可控量的氧气和/或燃料传送到燃烧器16，从而控制燃烧过程。分析仪10测量燃烧废气流中的氧气量并且向燃烧控制器22提供氧气等级的指示。以前，该信号是4-20毫安电流环路形式或未处理的毫伏信号形式的模拟信号。控制器22控制阀24、26中的一个或两个，从而提供闭环燃烧控制。分析仪10包括氧气传感器，该氧气传感器典型地采用氧化锆传感器基板从而提供表示废气中的氧气浓度、含量或百分比的电信号。氧化锆传感器在约700℃的温度下操作并且因此分析仪10在探针组件12中包括电加热器，该电加热器被操作地联接到AC电源29。探针12中的氧气传感器以在技术上与汽车中发现的氧气传感器类似。此种传感器十分有效地允许控制系统以维持最佳的燃料比例，从而达到高效、低NOx产生的效果，并且最少数量的温室气体排放也是可能的。

图2是根据本发明的实施例的现场废气分析仪的示意立体图。探针组件12大致被构造为容纳传感器芯组件，该传感器芯组件包括被布置为靠近端部32的扩散器。探针12中的测量元件在高温下是可操作的。探针12中的测量元件和加热器被电联接到电子器件壳体36中的分析仪电子器件(如图3所示)。分析仪电子器件42被构造从测量元件获得测量值并且提供适当的信号调整从而提供表示废气氧气的信号。另外，分析仪电子器件42包括控制器或其他适当电路，从而控制探针12中的加热器的通电，从而维持测量元件的适当热控制。

根据本发明的实施例，分析仪电子器件42也包括多个介质访问单元，从而根据多个不同的过程通信协议进行通信，诸如上述的过程通信协议和FOUNDATION^TM现场总线(FF)。根据本发明的实施例，分析仪电子器件42同时或者基本上同时使用多个不同的过程通信协议进行通信。因此，根据第一过程通信协议的通信可以出于诸如燃烧用燃烧器控制等的第一目的而被执行，并且根据第二不同的过程通信协议的通信可以被执行，从而提供第二目的，诸如与可选的诸如罗斯蒙特分析公司销售的型号Xi操作人员接口(如图4所示)等的用户接口相互作用。

图3是根据本发明的实施例的现场废气分析仪的电路板的方块图。电子器件42包括电源模块50，该电源模块50被构造为接收诸如110或220V交流电的交流(AC)电力，并且调节提供给分析仪的各个部件的电力。另外，因为探针12中的加热器将通常地接收全部AC电压，所以电源模块50还将一般地包括至少一个连接到开关53的线路，从而施加到加热器的全部AC电压可以被控制器52控制。控制器52分别被联接到第一介质访问单元54和第二介质访问单元56(MAU)。各个介质访问单元54、56被可操作地联接到适用于各个介质访问单元的通信介质。虽然示出了终端58、60、62和64，但是应当注意如果介质访问单元54、56中的任一个是无线介质访问单元，则用于相应的介质访问单元的终端可以简单地被天线的联接件所代替。另外，虽然示出了四个不同的终端58、60、62和64，但是也应当想到，电路的公用部分或接地部分可以被公用，从而实际上只需要提供三个终端。在一个实施例中，介质访问单元54被构造为根据已知的过程通信协议而进行通信。在该实施例中，终端58和60可以被可操作地联接到诸如罗斯蒙特分析公司销售的Xi操作人员接口的用户接口，或者被联接到能够接收和提供与通信相关的有用功能的其他任何适当装置。介质访问单元56被构造为根据全数字过程通信协议而进行通信。全数字过程通信协议一般地被认为是某些程度上比基于混合型过程通信协议更快。全数字过程通信协议的一个示例包括FF过程通信协议以及已知的PROFIBUS-PA过程通信协议。FF协议是全数字的、串联的、双路通信协议，并且该协议向与现场装置相互连接的2或4线回路或总线提供标准的物理接口，该现场装置是诸如传感器、致动器、控制器、阀等，并且该现场装置可以例如被定位在工厂或制造厂的过程控制环境中或检测仪表中。FF协议提供用于过程中的现场装置的局域网，从而使得这些装置能够在分布在整个过程中的多个位置处交互操作并且执行控制功能，并且使得这些装置在执行这些控制功能之前和之后彼此通信从而实施全部的控制策略。FF协议一般地提供较高速的数字通信，该速度在传送根据本发明的实施例的废气流成分信息方面是尤其有利的。这是因为此种分析仪一般地必须测量废气过程流的组分并且向燃烧过程的控制器或者分布式控制系统(DCS)提供表示此种组分的信息。另外，因为燃烧过程非常快速地发生，所以废气流成分可以快速地变化。因此，特别有利的是，根据全数字过程通信协议而进行通信的介质访问单元56被联接到分布式控制系统和/或关于图1所示的燃耗控制器22。

图3也示出了测量电路66，该测量电路66被可操作地联接到控制器52以及终端68和70。终端68和70联接到探针12中的测量元件，并且因而测量电路66能够提供模拟测量元件输出的数字表示。测量电路66按照需要可以包括一个或多个适当的模拟数字转换器以及线性化电路和/或适当的滤波器。

图4是根据本发明的实施例的燃烧过程监测和控制系统的示意图。如图4所示的系统的许多部件与如图1所示的部件类似并且类似的部件被类似地标记。图4示出了经由线路100与燃烧控制器22通信的现场废气分析仪110。现场废气分析仪110和燃烧控制器22之间的通信线路100是全数字过程通信，诸如根据FF协议的过程通信。另外，现场废气分析仪110经由第二通信线路102被可操作地联接到用户接口28。线路102可以根据诸如过程通信协议的已知混合型过程通信协议。这允许本发明的实施例利用罗斯蒙特分析公司销售的传统的Xi用户接口而起作用接口，该Xi用户接口被构造为接收数据并且提供与气体分析仪相关的有用的用户接口功能。然而，现场废气分析仪110和燃烧过程控制器22之间的通信线路100是高速全数字线路。因此，本发明的实施例一般地包括从现场废气分析仪110到具有第一数据通信速率的燃烧控制系统的第一线路或通道，以及从现场废气分析仪110到第二装置的第二线路或通道，该第二装置是诸如用户接口并且具有根据包含第二通信速率的第二协议的过程通信，其中第一通信速率高于第二通信速率。在第一线路和第二线路上的通信同时地发生，或者几乎同时地发生。如用在本文中的，“几乎同时地”是指虽然在两个线路上的物理层通信可以不在同一时刻发生，但是此种通信在诸如一分钟的较短的时期内发生。另外，各个线路上的通信以此频率发生，使得分析仪110被认为是关于各个线路在线。因此，即时当分析仪110未主动地在第一线路和第二线路上传送数据时，分析仪110监测用于通信的此种线路。因此，可以认为分析仪110中的两个线路和相应的介质访问单元被同时地启动。因此，在烟道14中快速发生的废气成分浓度改变能够被快速地分析并且被发送到燃烧分析仪22以用于更有效的控制，同时与用户接口相关的信息可以在较低的速率下与可选的用户接口28交换。另外，使用多个过程通信协议保证用户接口通信不消耗分布式控制系统线路100上的带宽或者不以其他方式干扰分布式控制系统通信。这进一步增大了燃烧过程废气分析仪110和燃烧控制器22之间的全数字通信线路的有效性。

虽然已经参考优选实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将意识到在不脱离本发明的精神和范围的基础上可以对形式和细节做出改变。

Claims (16)

1.一种现场废气分析仪，包括：

探针，所述探针能够延伸到烟道中并且具有测量元件，该测量元件响应于烟道中的气体浓度以提供信号；

控制器，所述控制器被联接到探针并且被构造为基于来自测量元件的信号而提供输出；

第一介质访问单元，所述第一介质访问单元被联接到控制器并且可操作地联接到第一过程通信线路，所述第一介质访问单元被构造为根据全数字过程通信协议进行通信；

第二介质访问单元，所述第二介质访问单元被联接到控制器并且可操作地联接到第二过程通信线路，所述第二介质访问单元被构造为根据与全数字过程通信协议不同的第二过程通信协议进行通信；以及

其中，第一介质访问单元和第二介质访问单元被同时地启动。

2.根据权利要求1所述的现场废气分析仪，其中，测量元件包括氧气传感器。

3.根据权利要求1所述的现场废气分析仪，其中，全数字过程通信协议根据FOUNDATION现场总线协议。

4.根据权利要求1所述的现场废气分析仪，其中，全数字过程通信协议的通信速率比第二过程通信协议的通信速率快。

5.根据权利要求1所述的现场废气分析仪，其中，第二过程通信协议是混合型过程通信协议。

6.根据权利要求5所述的现场废气分析仪，其中，混合型过程通信协议将数字信号叠加在模拟信号上。

7.一种燃烧过程控制系统，包括：

燃烧源，所述燃烧源被可操作地联接到燃料源和空气源，所述燃烧源被构造为提供通过烟道的燃烧气体；

燃烧控制器，所述燃烧控制器被联接到燃料源和空气源中的至少一个；

现场废气分析仪，所述现场废气分析仪被联接到燃烧控制器并且被布置为感测烟道中的感兴趣的气体的浓度，并且根据全数字过程通信协议向燃烧控制器传送与浓度相关的过程信息；以及

其中，现场废气分析仪被可通信地联接到第二装置并且根据与全数字过程通信协议不同的第二过程通信协议与第二装置进行通信，其中，与燃烧控制器进行的通信和与第二装置进行的通信基本同时地发生。

8.根据权利要求7所述的燃烧过程控制系统，其中，感兴趣的气体是氧气。

9.根据权利要求7所述的燃烧过程控制系统，其中，现场废气分析仪以第一通信速率与燃烧控制器通信，并且以比第一速率小的第二速率与第二装置通信。

10.根据权利要求7所述的燃烧过程控制系统，其中，第二装置是用户接口。

11.根据权利要求10所述的燃烧过程控制系统，其中，第二过程通信协议根据可寻址远程变送器高速通道协议(HART)。

12.一种操作现场废气分析仪的方法，所述方法包括：

将现场废气分析仪的探针设置在烟道中；

使用探针测量感兴趣气体的浓度；

根据全数字过程通信协议将与所测量的浓度相关的信息传送到燃烧控制器；以及

根据与全数字过程通信协议不同的第二过程通信协议与第二装置进行通信。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，全数字过程通信协议是FOUNDATION现场总线协议。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，第二过程通信协议是可寻址远程变送器高速通道协议(HART)。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，与燃烧控制器进行的通信和与第二装置进行的通信基本同时地发生。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，与燃烧控制器进行的通信以第一通信速率发生，并且与第二装置进行的通信以比第一速率小的第二速率发生。