CN109031996A - 用于现场设备的电流诊断 - Google Patents

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Abstract

用于工业过程的现场设备包括用于检测现场设备消耗的电流量的电流检测器和允许现场设备与至少一个其他设备通信的接口。当现场设备消耗的电流量超过第一阈值时接口传送第一警报，并且当现场设备消耗的电流量低于第二阈值时接口传送第二警报。

Description

用于现场设备的电流诊断
技术领域
各种实施例涉及工业过程现场设备。具体地，实施例涉及用于这种现场设备的电流诊断。
背景技术
过程现场设备用于工业过程控制系统中以监视和/或控制工业过程。控制设备是用于控制过程的过程现场设备。示例控制设备包括泵、阀、制动器、螺线管、马达、混合器、搅拌器、破碎机、压碎器、滚筒、磨机、球磨机、捏合机、过滤器、搅拌机、旋风分离器、离心机、塔、干燥机、输送机、分离器、电梯、起重机、加热器、冷却器和其他此类设备。过程发送器是用于例如通过监视诸如温度、压力、流量等过程变量来感测(或监视)过程操作的过程现场设备。被监视的过程变量被发送，使得其可以在该过程中由其他设备使用，例如由中央控制室使用。
双线过程现场设备从双线过程控制回路接收电力并通过双线过程控制回路进行通信。一种标准类型的双线过程控制回路在控制回路上使用4-20mA电流水平来表示过程变量或控制设备的状态。在这种配置中，现场设备可以将电流水平控制为诸如10mA的值，其表示诸如压力的感测到的过程变量。在其它实施例中，数字值使用例如通信协议、现场总线或过程现场总线(profibus)等的通信标准在双线回路上进行编码。
发明内容
用于工业过程的现场设备包括用于检测现场设备消耗的电流量的电流检测器和允许现场设备与至少一个其他设备通信的接口。当现场设备消耗的电流量超过第一阈值时接口传送第一警报，并且当现场设备消耗的电流量低于第二阈值时接口传送第二警报。
根据另一实施例，用于工业过程的现场设备包括允许现场设备与至少一个其他设备通信的接口。当在现场设备处消耗的电流量低于阈值时，接口传送关于指示现场设备未正常工作的警报。
根据又另一实施例，工业过程现场设备包括设备电路，双线回路连接和功率调节器，其基于在双线回路连接上提供的未调节功率向设备电路提供已调节功率。静态电流检测器提供关于通过电力调节器的电流是否超过阈值的二进制指示，其中所述二进制指示被提供给设备电路。接口电路连接到设备电路和双线回路连接，并且当设备电路接收到通过功率调节器的电流超过阈值的二进制指示时，向双线回路连接提供指示现场设备不正常工作的警报的信号。
附图说明
图1是工业过程控制系统的框图。
图2提供了根据一个示例实施例的现场设备的框图。
图3提供了根据一个实施例的静态电流检测器的电路图。
图4提供了根据第二实施例的静态电流检测器的电路图。
具体实施方式
图1是过程环境100的框图，其包括控制器102和各现场设备的区段160，其包括沿着从控制器102发出的双线控制回路116连接的现场设备162、164、166和104。现场设备104包括传感器/受控元件112和电子设备114，其在双线回路连接116a和116b处耦接到双线控制回路116。电子设备114包括设备电路118和接口/电源电路120。根据一个实施例，现场设备104与控制器102进行通信并且可选地与现场设备162、164和166进行通信。此外，现场设备104、162、164和166通过双线回路116从控制器102接收电力。
当现场设备104是过程发送器时，其基于来自传感器112的信号产生诸如温度、压力或流量的过程变量测量值，并通过双线回路116将信息发送到控制器。当现场设备104是过程控制设备时，其基于来自控制器102的通过双线回路116发送的指令来改变受控元件112和/或通过双线回路116向控制器102和现场设备162、164和166提供关于受控元件112的状态信息。根据一些实施例，现场设备104可以通过调制电流Iloop与控制器102或其它现场设备162、164和166进行通信，以使用一个或多个通信协议(例如现场总线和过程现场总线)传送信息。
在图1所示的实施例中，现场设备162、164、166和104被示出为根据现场总线标准沿着双线回路116并联连接。在其他实施例中，现场设备162、164、166和104根据通信协议沿形成多点回路的双线回路116串联连接。下面描述的实施例可以与并联和串联连接二者一起用于双线回路116，并且可以与任何期望的通信协议一起使用。在又另一实施例中，通过将回路116中的电流Iloop设置为4mA和20mA之间的值，将过程变量或状态信息作为模拟信号发送。
现场设备104的接口/电源120改变双线回路116上的电流Iloop以从现场设备104发送信息。接口/电源120还监视双线回路116上的电流以接收由控制器102和现场设备162、164和166在双线回路116上发送的信息。最后，接口/电源120从设备电路118和传感器/受控元件112的双线回路116汲取电力。
在该实施例中，接口/电源120通过数据线124从设备电路118接收数字信息，并且沿着模拟线路122接收与传感器/受控元件112相关的模拟信息。从回路116接收的信息通过数据线126提供给设备电路118。此外，接口/电源120通过电力线128将电力提供给设备电路118。
因为现场设备104使用双线回路116作为通信通道并且作为电源，所以沿着双线回路116的电流和电压必须适应通信和功率二者。当现场设备104消耗太多的电力时，来自现场设备的通信和去往现场设备的通信可能受到影响。例如，如果现场设备消耗大于4mA的电流，则不再可能将回路电流设置为4mA，因此现场设备将不再能够使用双线回路116上的模拟电流传达过程变量的全部范围的值。另外，当区段上存在多个现场设备时，其中一个现场设备汲取的过量电流可能使其他现场设备缺乏电流，从而导致来自所有现场设备的通信失败，并且在某些情况下导致整个区段的电力供应崩溃。
此外，已经观察到没有汲取预期电流量的现场设备也可能未正常工作。特别地，如果设备电路118中的一个或多个组件故障，则它们可能不执行其所有功能，因此将不使用它们预期使用的所有电力。
通过检测设备电路何时使用过多电力或没有使用足够的电力，下面描述的各种实施例允许发出警报，使得可以在现场设备失去执行被指定用于该现场设备的功能(例如提供过程变量的值或受控元件的状态)的能力之前替换现场设备。因此，可以在现场设备提供过程变量的错误的值之前替换现场设备。此外，在现场设备影响现场设备区段中的其他现场设备的操作之前发出警报。
图2提供了现场设备104的实施例的更详细的框图。在图2中，接口/电源120被示出为包括接口220和电力调节器222。接口220与双线回路116在双线回路连接116a和116b处串联连接，并通过数据线124、模拟线122和数据线126连接到设备电路118中的微控制器230。
功率调节器222连接到双线回路116的双线回路连接116a，并且包括晶体管226、调节器控制228和电阻器224形式的电阻元件。调节器控制228连接到晶体管226的基极和集电极。电阻元件224的A侧表示从回路116输入到现场设备104的未调节电压。晶体管226的集电极表示用于为设备电路118供电的已调节电压。调节器控制228控制通过晶体管226的电流，以将晶体管226的集电极处的电压维持在稳定状态。来自晶体管226的集电极的已调节电压被提供给设备电路118的静态电流检测器232、微控制器230和传感器/受控元件接口234。因此，设备电路118消耗的电力通过电力调节器222。
根据一个实施例，通过测量电阻元件224两端的电压来测量在设备电路118处消耗的电流。根据一个实施例，将该电压与两个单独的阈值电压进行比较，以提供两个相应的二进制输出236和238。二进制输出236指示电阻元件224两端的电压是否超过第一高电压阈值，并且二进制输出238指示电阻元件224两端的电压是否低于第二低电压阈值。输出236和238被提供给微控制器230，微控制器230在电阻元件224两端的电压超过高电压阈值时发出警报并且在电阻元件224两端的电压低于低电压阈值时发出第二警报。这些警报作为数字信号沿着数据线124被发送，并且使得接口220沿双线回路116传达警报。
由于静态电流检测器232发出两个二进制信号(其中当设备电路118汲取的电流高于第一阈值或低于第二阈值时，两个二进制信号改变值)，所以微控制器230在被触发以发送警报之前不需要执行任何查找功能。因此，与微控制器230必须将由静态电流检测器232测量的电压与存储的电压值进行比较以确定是否发送警报相比，微控制器230更有效并且消耗更少的电力。
图3提供了根据静态电流检测器232的一个实施例的电路图。图3的静态电流检测器232具有两个级，即放大器级302和比较器级304。放大器级302接收电阻元件224的两侧A和B上的电压，并产生提供给比较器级304的输出306。根据一个实施例，放大器级302实现差分放大器，其提供点A和B之间的电压差的放大版本。根据图3所示的实施例，差分放大器由运算放大器U301实现，运算放大器U301的非反相输入端340连接到在点A和地之间串联连接的两个电阻器R317和R318之间的连接点。运算放大器U301还具有连接到电阻器R319和R320之间的连接点的反相输入端342。电阻R319和R320串联连接在点B和运算放大器U301的输出端306之间。在图3的实施例中，电阻器R318和R320具有相同的电阻值，并且电阻器R317和R319具有相同的电阻值。此外，选择比率R320/R319和R318/R317以提供期望的放大率。根据一个实施例，通过将电阻器R320和R318的电阻设置为1MΩ并将电阻器R317和R319的电阻设置为100kΩ来将这些比率设置为10。因此，运算放大器U301的输出端306上的电压是电阻元件224两端的点A和B之间的电压差的10倍。
除了放大点A和B之间的电压之外，放大器级302还用作低通滤波器，以去除通过功率调节器222的电流中找到的存在于双线回路116上的通信信号。特别地，非反相输入端340和反相输入端342通过相应的电容器C310和C312接地，使得存在于点A和点B处的高频信号不被传递到运算放大器U301，因此不存在于运算放大器U301的输出端306处。
运算放大器U301的输出端306作为比较器级304中的两个并联比较器360和362的输入端被提供。比较器360将输出端306上的电压与第一阈值电压进行比较，并当输出电压超过阈值电压时提供从负值变化到正值的二进制输出236。比较器362将输出306与第二阈值电压进行比较，并当输出电压306下降到低于第二阈值电压时提供从负切换到正的二进制输出238。
比较器360包含运算放大器U370，其非反相输入端连接到放大器级302的输出端306。运算放大器U370的反相输入端连接在电阻器R324和R322之间的连接点处，电阻器R324和R322在参考电压和地之间串联延伸。根据一个实施例，电阻器R322和R324相同，从而导致在反相输入端处存在参考电压的一半。该电压表示电阻元件224两端的电压的上限阈值，因此设置放大器输出端306的阈值电压，这将导致比较器输出236从负值切换到正值。
比较器362包括运算放大器U372，其反相输入端连接到放大器输出端306并且其非反相输入端连接在电阻器R326和R328之间的连接点处。电阻器R326和R328串联连接在参考电压和地之间。根据一个实施例，电阻器R326的大小是电阻器R328的三倍，从而在运算放大器U372的非反相输入处产生作为参考电压的三分之一的电压。该电压设置放大器输出端306的下限阈值电压，使得当放大器输出端306的电压下降到参考电压的三分之一以下时，比较器输出238从负值改变为正值。
由于比较器输出236和238二者都只有两个可能的值，即一个大的正值或一个大的负值，所以它们被认为是二进制输出。这样的二进制输出可以用作微控制器230的输入，并且允许容易地触发微控制器230，而微控制器230不必做任何查找功能来确定是否触发警报。
根据一个实施例，当比较器输出236从负值转变到正值时，微控制器230在数据线124上发出警报，警报通过接口220被传送到控制器102和现场设备162、164和166，以指示现场设备104由于它消耗太多的电流而未正常工作。当比较器输出238从负值转变到正值时，微控制器230在数据线124上发出警报，警报通过接口220被传送到控制器102和现场设备162、164和166，以指示现场设备由于它未消耗足够的电流而未正常工作。
图4提供了备选实施例的电路图，其中比较器级304和二进制输出236和238被模数转换器404和数字输出436代替。模数转换器404将放大器输出306上的模拟电压转换成数字输出436上的数字值，所述数字值然后被提供给微控制器230。微控制器230将输出数字值与第一数字阈值进行比较，以确定现场设备是否消耗比第一电流阈值更多的电流，并将数字输出与第二数字阈值进行比较，以确定现场设备是否消耗比第二电流阈值更少的电流。当比较指示现场设备104消耗比第一电流阈值更多的电流时，微控制器230在数据线124上发出警报，警报通过接口220被传送到控制器102和现场设备162、164和166，以指示现场设备104由于它消耗太多电流而未正常工作。当比较指示现场设备104消耗比第二电流阈值更少的电流时，微控制器230在数据线124上发出警报，警报通过接口220被传送到控制器102和现场设备162、164和166，以指示现场设备由于它未消耗足够的电流而未正常工作。根据一些实施例，警报包括根据放大器输出306的数字版本确定的由现场设备104消耗的电流的指示。
根据一个实施例，第一电流阈值和第二电流阈值被存储在现场设备104内，并且可以在任何时候通过将双线回路116上的指令发送到现场设备104来改变，以便改变阈值。
在图4的实施例中，模数转换器404被示为与微控制器230分开的组件。在其他实施例中，模数转换器404被并入到微控制器230中。
在另外的实施例中，除了发送警报之外，当它确定现场设备消耗太多或太少的电流时，还触发微控制器230对现场设备104的各种组件执行诊断测试。
在现场设备104不能执行其主要功能(例如基于通过接口220接收的指令产生准确的过程变量值、产生受控元件112的准确状态或改变传感器或受控元件112)之前，微控制器230发送的警报可以进一步用于替换现场设备104。结果，各种实施例的静态电流检测器能够识别将来可能故障的现场设备，并且允许在它们故障之前替换那些现场设备。
尽管元件已经被示出或描述为上述独立的实施例，但每一个实施例的部分可以与上述其他实施例的全部或部分组合。
虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将会认识到的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现形式和细节上的改变。

Claims (27)

1.一种用于工业过程的现场设备，所述现场设备包括：
电流检测器，用于检测所述现场设备消耗的电流量；
接口，允许所述现场设备与至少一个其他设备进行通信，使得当所述现场设备消耗的电流量超过第一阈值时，所述接口传送第一警报，并且当所述现场设备消耗的电流量低于第二阈值时，所述接口传送第二警报。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述电流检测器检测流过所述现场设备中的电力调节器的电流量。
3.根据权利要求2所述的现场设备，其中，所述电流检测器包括放大器级和比较器级。
4.根据权利要求3所述的现场设备，其中，所述放大器级移除存在于流过所述电力调节器的电流中的通信信号。
5.根据权利要求3所述的现场设备，其中，所述放大器级提供放大的电压输出，并且所述比较器级包括两个并联比较器，所述两个并联比较器均接收所述放大的电压作为输入。
6.根据权利要求5所述的现场设备，其中，当所述放大的电压高于第一阈值时，所述两个并联比较器中的第一并联比较器改变第一二进制输出，并且当所述放大的电压低于第二阈值时，所述两个并联比较器中的第二并联比较器改变第二二进制输出。
7.根据权利要求6所述的现场设备，还包括：微控制器，所述微控制器接收所述第一二进制输出和所述第二二进制输出，并且基于所述第一二进制输出和所述第二二进制输出来控制所述接口以控制何时传送所述第一警报和所述第二警报。
8.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述接口在所述现场设备不能执行被指定用于所述现场设备的功能之前传送所述第一警报。
9.根据权利要求8所述的现场设备，其中，被指定用于所述现场设备的功能是提供过程变量的值。
10.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述现场设备是现场设备区段的一部分，并且所述接口在所述现场设备影响所述现场设备区段内的其他现场设备的操作之前传送所述第一警报。
11.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述现场设备还包括电路，所述电路在所述现场设备消耗的电流量超过第一阈值时被触发以对所述现场设备执行诊断测试。
12.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述电流检测器向微控制器提供代表所述现场设备消耗的电流量的数字值，并且所述微控制器基于所述数字值来控制所述接口以控制何时传送所述第一警报和所述第二警报。
13.一种用于工业过程的现场设备，所述现场设备包括：
接口，允许所述现场设备与至少一个其他设备通信，其中当在所述现场设备处消耗的电流量低于阈值时，所述接口传送指示所述现场设备未正常工作的警报。
14.根据权利要求13所述的现场设备，其中，当在所述现场设备处消耗的电流量高于第二阈值时，所述接口传送指示所述现场设备未正常工作的第二警报。
15.根据权利要求14所述的现场设备，还包括：静态电流检测器，所述静态电流检测器通过确定通过所述现场设备中的电力调节器的电流量是否低于所述阈值来检测在所述现场设备处消耗的电流量是否低于所述阈值，并且通过确定通过所述电力调节器的电流量是否高于所述第二阈值来检测在所述现场设备处消耗的电流量是否高于所述第二阈值。
16.根据权利要求15所述的现场设备，其中，所述静态电流检测器包括放大器级和比较器级，其中所述放大器级放大基于通过所述电力调节器的电流的电压，并且所述比较器级包括两个并联比较器，所述两个并联比较器均接收所述放大器级的输出。
17.根据权利要求13所述的现场设备，其中，所述接口在所述现场设备不能执行所述现场设备的预期功能之前传送指示所述现场设备未正常工作的警报。
18.一种工业过程现场设备，包括：
设备电路；
双线回路连接；
功率调节器，其基于在双线回路连接上提供的未调节功率向设备电路提供已调节功率；
静态电流检测器，提供关于通过所述电力调节器的电流是否超过阈值的二进制指示，其中所述二进制指示被提供给所述设备电路；
接口电路，连接到设备电路和双线回路连接，并且当设备电路接收到通过功率调节器的电流超过阈值的二进制指示时，向双线回路连接提供指示现场设备不正常工作的警报的信号。
19.根据权利要求18所述的工业过程现场设备，其中，当所述设备电路接收到关于通过所述电力调节器的电流超过所述阈值的二进制指示时，所述设备电路被触发以对所述工业过程现场设备执行诊断测试。
20.根据权利要求18所述的工业过程现场设备，其中，所述静态电流检测器提供关于通过所述电力调节器的电流是否低于第二阈值的二进制指示，其中关于通过所述电力调节器的电流是否低于所述第二阈值的二进制指示被提供给所述设备电路；以及当所述设备电路接收到通过功率调节器的电流低于第二阈值的二进制指示时，所述接口电路向双线回路连接提供指示所述现场设备不正常工作的第二警报的信号。
21.根据权利要求18所述的工业过程现场设备，其中，所述静态电流检测器包括放大器级和比较器级。
22.根据权利要求21所述的工业过程现场设备，其中，所述放大器级包括具有反相和非反相输入的放大器，其中，所述反相输入耦接到所述功率调节器中的电阻的第一侧，并且所述非反相输入耦接到所述功率调节器中的电阻的第二侧。
23.根据权利要求22所述的工业过程现场设备，其中，所述反相输入和所述非反相输入通过相应的电容器耦接到地，以去除存在于所述双线回路连接上的通信信号。
24.根据权利要求21所述的工业过程现场设备，其中，所述比较器级包括两个并联比较器，所述两个并联比较器均从所述放大器级接收相同的输出。
25.根据权利要求24所述的工业过程现场设备，其中，所述两个并联比较器中的第一并联比较器将来自所述放大器级的输出与第一电压进行比较，并且所述两个并联比较器中的第二并联比较器将来自所述放大器级的输出与第二电压进行比较。
26.根据权利要求18所述的工业过程现场设备，其中，在所述现场设备为所测量的过程变量提供错误值之前，将指示所述现场设备不正常工作的警报的信号提供给所述双线回路连接。
27.根据权利要求18所述的工业过程现场设备，其中，在连接到所述工业过程现场设备的各工业过程现场设备的区段失效之前，将指示所述现场设备不正常工作的警报的信号提供给所述双线回路连接。
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