CN107407452B - 热迹线系统、无线现场设备以及给热迹线电缆通电的方法 - Google Patents

Abstract

一种热迹线系统，加热管道系统的容器(或维持其温度)。热迹线电缆连接到相应无线模块中的功率控制设备，使得当无线模块中的功率控制设备接通时，连接到那个无线模块的热迹线电缆传导电流，并由此加热接触该热迹线电缆的容器。无线模块经由无线通信网络从主配电和控制系统无线地接收用于控制其功率控制设备的控制命令。无线模块可以包括传感器，其中无线模块经由无线网络将传感器感测到的状况报告回主配电和控制系统。主配电和控制系统可以在其控制回路中使用那个信息来控制无线模块中的功率控制设备的开关，由此控制相关联的热迹线电缆是否传导电流，由此控制由热迹线电缆加热的容器处的温度。

Description

热迹线系统、无线现场设备以及给热迹线电缆通电的方法

背景技术

热迹线系统通常用在工业和商业设置中，以通过使用与管道或箱体(tank)物理接触的电加热元件或热迹线来维持或升高管道系统中管道或箱体的温度，视情况而定。通常，各种热迹线连接到主配电系统并从主配电系统接收电力。主配电系统通常具有允许用户配置热迹线系统的参数(诸如设定点温度、死区(允许温度波动的范围)以及高/低温度报警)的用户界面。主配电系统通常包括连接到每个热迹线回路的固态继电器(SSR)，并且SSR的调节调节施加到热迹线回路的电压(由此控制管道和箱体的温度)。

一些热迹线系统还包括贯穿整个热迹线系统的无线传感器或其它无线模块。传感器可以感测热迹线和/或管道/箱体的状况，并且经由无线通信网络将感测到的状况报告给主配电系统。通常这些无线模块由或者电池或者单独的电力电缆供电。

发明内容

在一个一般的方面，本发明针对一种用于加热管道系统的容器(或维持其温度)的热迹线系统，其中用于主配电和控制系统处的热迹线电缆的功率控制设备被消除，而是用分布在整个热迹线系统中的无线模块(例如，无线传感器模块)处的功率控制设备替代。热迹线电缆连接到相应无线模块中的功率控制设备，使得，当无线模块中的功率控制设备处于接通(导通)状态时，连接到那个无线模块的热迹线电缆传导电流，并由此加热与热迹线电缆接触的容器。另外，无线模块可以经由无线通信网络从主配电和控制系统无线地接收用于控制其功率控制设备的控制命令。还有，其中一个或多个无线模块可以包括传感器(例如，温度传感器、流量传感器、pH传感器、液位传感器等)。在这种情况下，无线模块可以经由无线网络将传感器感测到的状况报告回主配电和控制系统。还有，主配电和控制系统可以使用其控制回路中的该信息(例如，感测到的温度)来控制无线模块中的功率控制设备的开关，由此控制相关联的热迹线电缆是否传导电流，由此控制由热迹线电缆加热的容器处的温度。

从下面的描述中，本发明的这些和其它益处将显而易见。

附图说明

本发明的各种实施例在本文中结合下面的附图通过例子进行描述，其中：

图1和2是根据本发明的各种实施例的热迹线系统的图；以及

图3绘出了热迹线电缆的各方面。

具体实施方式

参考图1和2，本发明的各方面一般而言针对热迹线系统10，其中消除了用于在主配电和控制系统12处的热迹线电缆16的功率控制设备(例如，SSR)，并且用在遍及热迹线系统10的无线模块(例如，无线传感器模块)14处的功率控制设备40替代。每根热迹线电缆16连接到其相关联的无线模块14中的功率控制设备40，使得，当无线模块14中的功率控制设备40处于接通(导通)状态时，与其连接的热迹线电缆16传导电流，并由此加热与热迹线电缆16接触的管段18或箱体20。另外，无线模块14可以经由无线数据网络50从主配电和控制系统12无线地接收用于控制其功率控制设备40的控制命令。而且，在无线模块14包括传感器(例如，温度传感器、流量传感器、pH传感器、液位传感器等)的情况下，无线模块14可以经由无线网络50将感测到的状况报告回主配电和控制系统12，并且主配电和控制系统12可以在其控制回路中根据需要使用那个信息来控制到热迹线电缆16的电流(例如，控制无线模块14中的功率控制设备40是否导通(接通或关断))。

图1和2中所示的热迹线系统10包括主配电和控制中心12、多个无线模块14(本文也称为“无线现场设备”)和多根热迹线电缆16。每根热迹线电缆16邻近并接触管道系统的相关联流体(气体或液体)承载容器(例如，管段18或箱体20)，以加热管段18或箱体20，视情况而定。为了说明的目的，图1示出了各自用单独的相应的热迹线电缆16加热的两个管段18和一个箱体20，其中热迹线电缆16在图1中示意性地示为电阻器。当然，在工业设置中，采用根据本发明的热迹线系统的管道系统有可能具有多个待加热的管段和/或箱体，并且每个都可以具有一根或多根如本文所述被供电的相关联的热迹线电缆。

如图1和2的示例中所示，主配电和控制中心12包括控制器22、无线网关24和电源26。控制器22可以被实现为智能的、基于微处理器的计算机设备(或这种设备的网络)，其通过编程来控制加热系统的操作，包括控制施加到热迹线电缆16的电流(由此控制从其进行的加热)。在那方面，控制器18可以包括至少一个微处理器28和至少一个半导体存储器单元30。存储器单元30存储由处理器28执行的指令，例如软件或固件。其中，控制器22确定何时打开和关闭控制供给各种热迹线电缆16的电流的无线模块14中的功率控制设备40。控制器22可以包括PID控制器，其基于除了别的以外尤其是无线模块14感测并经由无线网络50报告回主配电和控制系统12的管段18处的温度来控制无线模块14的功率控制设备40的开/关循环，以将管段18的温度保持在期望的(设定的)水平。控制指令由主配电和控制中心12的无线网关24经由无线网络50从主配电和控制中心12的控制器22发送到适当的无线模块14。

无线网络50可以是例如自组织的自愈无线网状通信网络。无线网状通信网络可以基于例如IEEE 802.11标准、IEEE 802.15.4标准或ISA-100.11a标准。在那方面，无线网关24可以是在硬件和/或软件中实现的电路，其为主配电和控制中心12提供到无线网络50的无线连接。在各种实施例中，无线网关24可以是例如来自Pepperl+Fuchs的WirelessHART网关。每个无线模块14可以在网络50上具有无线网关24在经由网络50向各个无线模块14发送通信时使用的唯一地址。类似地，无线网关具有无线模块14在经由网络50与无线网关24通信时使用的唯一地址。

电源26可以包括AC电网电力，例如，100-480VAC单相或三相，其中来自电源26的AC电流经由导线52被运送到无线模块14。在各种实施例中，来自供给热迹线电缆16的电源26的交流电流不被整流，使得热迹线电缆16传导交流电流(例如，100-480V)。无线模块14的电压调节器48(下面进一步描述)可以将来自电源26的AC电流转换成用于为无线模块14的部件供电的适当的低的(一个或多个)控制DC电压。

为了清楚起见，主配电和控制中心12还可以包括图1和2中未示出的其它特征和部件，诸如触摸屏用户接口(或其它人机接口(HMI))，其允许用户对于由主配电和控制中心12、接地故障电路断续器(GFI)、配电盘(panel board)等控制的每根热迹线电缆16编程期望的热水平等。

无线模块14的功率控制设备40可以是任何合适的功率控制设备，当外部电压施加到其控制(或门)端子(诸如固态继电器(SSR)、三端双向可控硅、硅控整流器(SCR)，接触器等)时，其接通或断开。功率控制设备具有经由导线52连接到主配电和控制中心12的电源26的输入端子，并且其输出端连接到热迹线电缆16之一。其门或控制端子连接到无线模块14的控制器42，使得功率控制设备40被控制器42(在权利要求书中被称为“现场设备控制器”，以在权利要求书中将其与主配电和控制中心12的控制器22区分开)控制(例如，接通和断开))。照此，当功率控制设备40接通(导通)时，如由控制器42控制的，连接到无线模块14的功率控制设备40的输出端的热迹线电缆16连接到主配电控制中心12的电源26并从其接收电力。

如图3的示例中所示，热迹线电缆16可以各自包括被导电基体62(其优选地是聚合物)包围的两条总线(buss wire)60A、60B。导电基体62又可以被护套64包围，护套64可以被金属(例如，镀锡铜)编织物66和编织物68上的外涂层(优选地是特氟隆)包围。在与热迹线电缆40连接的无线模块12中的功率控制设备40接通(例如，传导)时，总线60A、60B运送来自主配电和控制系统12的电源26的电流。来自热迹线电缆16的热量加热其接触的管段18或箱体20(或维持其温度)，以抵消管道或箱体温度中的任何损失。关于热迹线电缆的更多细节可以在2013年8月14日提交的美国临时专利申请序列No.61/865,851中找到，该申请整体上通过引用并入本文。

控制器42可以被实现为微控制器或其它合适的电子电路或设备，该微控制器或其它合适的电子电路或设备被编程为控制功率控制设备40并执行归属于本文所述的控制器42的其它功能。来自控制器42的控制信号可以以提供流电隔离的方式耦合到功率控制设备40。例如，功率控制设备40可以是使用光耦合的SSR。在这种情况下，控制电路可以包括内部LED，该内部LED照亮(当接通时)并接通在功率控制设备40的栅极端子处的对应光敏二极管以接通功率控制设备40(使其从其输入端(电源26)到其输出端(热迹线电缆16)传导电流)。

如图2中所示，除了控制器42，无线模块14还可以包括电压调节器48、RF模块44和传感器46。电压调节器48可以将导线52上来自电源26的电压转换成用于向控制器42供电的合适电压(例如，3.3V)。如果需要，那么电压调节器48(或另一个电压调节器)也可以为RF模块44和传感器46产生电源电压。RF模块44是与控制器42通信并用来使用网络50的通信协议(例如，IEEE 802.11或WirelessHART)经由无线网络50发送和接收无线通信的电子电路或设备，因此无线模块14可以与主配电和控制系统12无线通信。

传感器46可以感测热迹线或管道系统的一些外部特征或质量。传感器46与控制器42通信。控制器42可以从传感器46接收感测到的参数，并经由RF模块44(和无线网络50)将其报告给主配电和控制系统12。特别地，一个或多个无线模块14中的传感器46可以是温度传感器(诸如RTD)，其感测由连接到无线模块的热迹线电缆16加热的管道系统的相关联管段18或箱体20处的温度。主配电和控制系统12的控制器22可以在控制回路中使用在管段或箱体处感测到的温度(由无线模块14无线地向其报告)来控制无线模块14处的功率控制设备40，由此控制到所连接的热迹线电缆16的电流，由此控制由热迹线电缆16加热的管段18或箱体20处的温度。

热迹线系统10中的其它无线模块14可以具有其它类型的传感器。例如，在此类其它无线模块14中，传感器46可以是流量计、振动传感器、pH监视器、箱体液位传感器、阀门位置传感器等。流量计感测管段中的流体流量并且可以包括差压流量计、磁流量计、涡流(vortex)流量计或任何其它合适类型的流量计。具有这种流量计的无线模块14可以周期性地将针对其相关联的管段18测得的流体流量无线地发送到主配电和控制系统12。振动传感器可以感测相关联的管段18的振动。振动传感器212可以包括例如用于检测由于一个或多个方向(或自由度)的振动而引起的移动的一个或多个加速度计。具有这种振动传感器的无线模块14可以周期性地将针对其管段18测得的振动水平无线地发送到主配电和控制系统12。pH监视器可以感测箱体20中的流体的pH水平，并且具有这种pH监视器的无线模块14可以周期性地将测得的pH水平无线地发送到主配电和控制系统12。液位传感器可以感测箱体20中的流体的水平，并且具有这种液位传感器的无线模块14可以周期性地将测得的箱体20中的流体水平无线地发送到主配电和控制系统12。液位传感器可以包括例如箱体流体测量设备和/或液位开关。箱体液位测量设备可以使用非接触式液位测量技术(诸如雷达)来检测箱体中流体的水平。当箱体中的流体达到预先确定的水平时，箱体液位开关被触发。阀门位置传感器可以检测管道系统中的阀门(未示出)的位置，并且具有这种阀门传感器的无线模块14可以周期性地将阀门位置状态无线地发送到主配电和控制系统16。

在一个一般的方面，因此，本发明针对用于加热管道系统的容器18、20的热迹线系统10。热迹线系统10包括主配电和控制单元12、多根热迹线电缆16和多个无线现场设备14。主配电和控制单元12包括电源26、无线通信网关24以及与无线通信网关24通信的前端控制器22。每根热迹线电缆16与管道系统的容器18、20相邻，以加热容器或维持容器的温度。每个无线现场设备包括功率控制设备40、RF模块44和现场设备控制器42。功率控制设备包括连接到主配电和控制单元12的电源26的输入端并且包括连接到相关联的热迹线电缆16的输出端，使得，当功率控制设备40接通时，相关联的热迹线电缆16传导来自主配电和控制单元12的电源26的电流。RF模块44经由无线通信网络50与主配电和控制单元12的无线通信网关24通信。现场设备控制器42基于经由无线通信网络50从主配电和控制单元12的前端控制器22发送到无线现场设备14并由RF模块44接收的控制数据来控制功率控制设备40。

在各种实现中，无线现场设备中的至少一个还包括传感器。该无线现场设备的现场设备控制器与传感器通信，并经由RF模块和无线通信网络将从传感器感测到的数据发送到主配电和控制单元的前端控制器。传感器可以是例如温度传感器、流量计、振动传感器、pH传感器、箱体液位传感器或阀门位置传感器。功率控制设备可以包括例如固态继电器。无线通信网络可以包括无线网状网络。

本文所述的实施例中至少一些可以在软件、固件和/或硬件的许多不同实施例中实现。软件和固件代码可以由处理器电路或任何其它类似的计算设备执行。可被用来实现实施例的软件代码或专用控制硬件不是限制性的。例如，本文所述的实施例可以使用例如常规或面向对象的技术使用任何合适的计算机软件语言类型在计算机软件中实现。这种软件可以存储在任何类型的一种或多种合适的计算机可读介质上，诸如像磁存储介质或光存储介质。可以在不具体参考具体软件代码或专用硬件部件的情况下描述实施例的操作和行为。

而且，与本实施例相关联的过程可以由可编程装备(诸如计算机或计算机系统)执行。可以使可编程装备执行过程的软件可以存储在任何存储设备中，诸如像计算机系统(非易失性)存储器、RAM、ROM、闪存等。

在本文公开的各种实施例中，单个部件可以用多个部件替代，并且多个部件可以用单个部件替代，以执行给定的一个或多个功能。除非这种替代不可操作，否则这种替代在实施例的预期范围内。

虽然本文已经描述了各种实施例，但应当显而易见的是，本领域技术人员可以想到对那些实施例进行各种修改、更改和适应，以获得至少一些优点。因此，所公开的实施例意在包括所有此类修改、更改和适应，而不背离本文所阐述的实施例的范围。

Claims (15)

1.一种用于加热管道系统的容器的热迹线系统，所述热迹线系统包括：

主配电和控制单元，包括：

电源；

无线通信网关；

前端控制器，与无线通信网关通信；

多根热迹线电缆，其中每根热迹线电缆与所述管道系统的容器相邻；以及

多个无线现场设备，其中所述多个无线现场设备中的每一个无线现场设备包括：

传感器；

功率控制设备，具有连接到主配电和控制单元的电源的输入端，并且具有连接到所述多根热迹线电缆中的相关联的热迹线电缆的输出端，使得当功率控制设备接通时，相关联的热迹线电缆传导来自主配电和控制单元的电源的电流；

RF模块，用于经由无线通信网络与主配电和控制单元的无线通信网关通信；以及

现场设备控制器，与RF模块、传感器和功率控制设备通信，其中该现场设备控制器用于经由RF模块和无线通信网络将从传感器感测到的数据发送到主配电和控制单元的前端控制器；以及基于经由无线通信网络从主配电和控制单元的前端控制器发送到无线现场设备并由RF模块接收的控制数据来控制功率控制设备，其中前端控制器基于发送到前端控制器的从传感器感测到的数据来确定控制数据。

2.如权利要求1所述的热迹线系统，其中：

所述无线现场设备中的至少一个无线现场设备还包括与现场设备控制器通信的传感器；以及

现场设备控制器经由RF模块和无线通信网络将从传感器感测到的数据发送到主配电和控制单元的前端控制器。

3.如权利要求1所述的热迹线系统，其中：

所述传感器包括温度传感器，所述温度传感器感测所述管道系统的容器处的温度，所述容器接近用于所述无线现场设备的相关联的热迹线电缆；以及

现场设备控制器经由RF模块和无线通信网络将从温度传感器感测到的温度数据发送到主配电和控制单元的前端控制器。

4.如权利要求3所述的热迹线系统，其中所述温度传感器包括RTD。

5.如权利要求1所述的热迹线系统，其中所述传感器是选自由温度传感器、流量计、振动传感器、pH传感器、箱体液位传感器和阀门位置传感器构成的组的传感器。

6.如权利要求1所述的热迹线系统，其中所述功率控制设备包括固态继电器。

7.如权利要求1所述的热迹线系统，其中所述无线通信网络包括无线网状网络。

8.一种用于在用于加热管道系统的容器的热迹线系统中使用的无线现场设备，所述无线现场设备包括：

传感器；

功率控制设备，具有用于连接到热迹线系统的主配电和控制单元的电源的输入端，并且具有用于连接到热迹线系统的相关联的热迹线电缆的输出端，使得当功率控制设备接通时，所述相关联的热迹线电缆传导来自主配电和控制单元的电源的电流；

RF模块，用于经由无线通信网络与主配电和控制单元通信；以及

现场设备控制器，与RF模块、传感器和功率控制设备通信，其中该现场设备控制器用于：

经由RF模块和无线通信网络将从传感器感测到的数据发送到主配电和控制单元的前端控制器；以及

基于经由无线通信网络从主配电和控制单元发送到无线现场设备并由RF模块接收的控制数据来控制功率控制设备，其中控制数据由前端控制器基于发送到前端控制器的从传感器感测到的数据来确定。

9.如权利要求8所述的无线现场设备，还包括与现场设备控制器通信的传感器，其中现场设备控制器用于经由RF模块和无线通信网络将从传感器感测到的数据发送到主配电和控制单元。

10.如权利要求8所述的无线现场设备，其中：

所述传感器包括温度传感器，所述温度传感器感测所述管道系统的容器处的温度，所述容器接近用于所述无线现场设备的所述相关联的热迹线电缆；以及

现场设备控制器经由RF模块和无线通信网络将从温度传感器感测到的温度数据发送到主配电和控制单元。

11.如权利要求8所述的无线现场设备，其中所述传感器是选自由温度传感器、流量计、振动传感器、pH传感器、箱体液位传感器和阀门位置传感器构成的组的传感器。

12.一种用于在加热管道系统中的容器的热迹线系统中给热迹线电缆通电的方法，所述方法包括：

由热迹线系统的无线现场设备的传感器感测热迹线系统的状况；

经由无线通信网络将感测到的状况从无线现场设备无线地发送到热迹线系统的主配电和控制单元；由无线现场设备经由无线通信网络从热迹线系统的主配电和控制单元接收接通无线现场设备的功率控制设备的控制命令，其中功率控制设备包括连接到主配电和控制单元的电源的输入端，并且具有连接到热迹线系统的相关联的热迹线电缆的输出端；以及

响应于接收到所述控制命令，由无线现场设备的控制器接通所述功率控制设备，使得所述相关联的热迹线电缆传导来自主配电和控制单元的电源的电流。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

由无线现场设备的传感器感测热迹线系统的状况；以及

经由无线通信网络将感测到的状况从无线现场设备无线地发送到主配电和控制单元。

14.如权利要求13所述的方法，还包括主配电和控制单元基于对于主配电和控制单元所确定的感测到的状况向无线现场设备发送所述控制命令；以及向无线现场设备发送所述控制命令。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述传感器包括温度传感器，并且感测到的状况包括接近所述相关联的热迹线电缆的容器处的温度。