CN109144161A - 现场设备充电功率调节 - Google Patents

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Abstract

一种用于工业过程的现场设备(100)包括设备电路(106)、分流电路(126)、大容量电源(122)、充电功率调节器(120)和补充电路(124)。设备电路被配置为通过双线过程控制回路(104)接收功率并传送数据。分流电路被配置为将功率的未使用部分分流到电气地(128)。充电功率调节器被配置为基于未使用的部分来调节功率的多余部分以对大容量电源进行充电。补充电路由大容量电源供电。

Description

现场设备充电功率调节
技术领域
本公开的实施例涉及工业过程控制或监测系统。更具体地，本公开的实施例涉及调节现场设备中用于向补充电路供电的充电功率。
背景技术
在工业设置中，控制系统用于监测和控制工业和化学过程的清单(inventory)等。典型地，控制系统使用分布在工业过程中的关键位置的现场设备来执行这些功能，并且通过过程控制回路耦合至控制室中的控制电路。术语“现场设备”是指在分布式控制或过程监测系统中执行功能的任何设备，包括目前已知或尚未知晓的用于工业过程的测量、控制和/或监测的所有设备。
典型的现场设备包括使现场设备能够执行传统的现场设备任务(诸如使用一个或多个传感器进行过程参数监测和测量，和/或使用一个或多个控制元件进行过程控制操作)的设备电路。示例性的传感器包括压力传感器、流量传感器、液位传感器、温度传感器以及在工业过程中使用的其他传感器。示例性的控制元件包括致动器、螺线管、阀门和其他控制元件。
现场设备的设备电路还可以包括控制器，该控制器例如用于控制传感器和/或控制元件，并且通过过程控制回路(例如4-20mA过程控制回路)与过程控制室或其他电路通信。在一些安装中，过程控制回路用于向现场设备传送调节后的电流和/或电压，以向现场设备供电。过程控制回路还可以携带数据，例如对应于感测的过程参数的过程参数值。该数据可以在过程控制回路作为模拟信号或作为数字信号传送。
当现场设备由过程控制回路供电时，通常设计为消耗很少的功率(power)。为了提供超出设备电路通常提供的操作的其它操作，诸如无线数据通信或闪存写入，举例来讲，现场设备通常具有诸如太阳能板的补充电源或者大容量电源电路(例如，电池或电容器)，其可以为用于执行这种操作的电路供电。
传统现场设备中的大容量电源电路通常被涓流充电，直到它们能够提供足够的电流来为用于执行所述操作的电路供电。涓流充电设置得非常缓慢，以确保设备电路始终具有足够的功率来执行其过程参数监测或测量，和/或过程控制功能。例如，当大容量电源电路被配置为对电容器充电时，充电电路被强制具有用来对电容器进行充电的固定的长时间常数，这受限于设备电路的最坏情况功率预算。因此，即使当使得能够更快充电的来自控制回路的多余功率可用时，大容量电源的充电速度也会非常缓慢。此外，现场设备可以执行高功率操作的频率非常低。
当需要执行若干操作来完成期望的任务(例如无线数据通信)时，可以执行补充操作的低频可能是有问题的。例如，由于可用功率有限，单个无线数据通信可能仅发送少量数据。因此，对于较大的数据量，需要执行对大容量电源电路充电的多个循环，并且对大容量电源电路进行放电以给无线通信电路供电。由于大容量电源电路的充电缓慢以及由此产生的可执行操作的低频，因此可能需要大量的时间来执行数据通信。
发明内容
本公开的实施例针对用于工业过程的现场设备，该现场设备被配置为调节用于给补充电路供电的大容量电源的充电。附加实施例针对一种操作现场设备的方法。
现场设备的一个实施例包括设备电路、分流电路、大容量电源、充电功率调节器和补充电路。设备电路被配置为通过双线过程控制回路接收功率并传送数据。分流电路被配置为将功率的未使用部分分流到电气地。充电功率调节器被配置为基于未使用的部分来调节功率的多余部分以对大容量电源进行充电。补充电路由大容量电源供电。
方法的实施例针对操作用于工业过程的现场设备，该现场设备包括设备电路、分流电路、大容量电源、充电功率调节器和补充电路。在该方法的一个实施例中，使用设备电路通过双线过程控制回路接收功率并且传送数据。功率的未使用部分通过使用分流电路被分流到电气地。使用充电功率调节器基于未使用部分来调节功率的多余部分以对大容量电源进行充电。使用大容量电源对补充电路进行供电。
提供了本发明内容以介绍下面在具体实施方式中进一步描述的对简化形式的理念的选择。本发明内容不意在标识所请求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意在用作帮助确定所请求保护的主题的范围。要求保护的主题不限于解决背景技术中提到的任何或全部缺点的实施方式。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的耦合到双线过程控制回路的示例性现场设备的简化框图。
图2是根据本公开的实施例的图1的现场设备的示例性电路图。
图3是示出根据本公开的实施例的操作现场设备的方法的流程图。
具体实施方式
以下参照附图更全面地描述本公开的实施例。然而，本公开的各实施例可以用多种不同形式来体现，并且不应当被解释为受到本文阐述的实施例的限制。更确切地说，提供这些实施例使得本公开将是全面和完整的，并且将本公开的范围充分传达给本领域技术人员。
在以下描述中给出具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些实施例。例如，电路、系统、网络、过程、框架、支撑、连接器、电动机、处理器和其他组件可能未被示出或以框图形式示出，以避免不必要的细节使得实施例不突出。
本公开的实施例的计算机程序或软件方面可以包括存储在计算机可读介质或存储器中的计算机可读指令或代码。一个或多个处理器(例如，中央处理单元或控制器)执行程序指令导致一个或多个处理器执行在此描述的一个或多个功能或方法步骤。可以使用任何合适的专利主题适格的计算机可读介质或存储器。这样的计算机可读介质或存储器不包括瞬态波或信号。
本公开的实施例也可以使用流程图和框图来描述。虽然流程图或框图可以将操作描述为顺序过程，但这些操作中的多个操作可以并行或并发地执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程在其操作完成时终止，但是可以具有未包括在图中或本文描述的附加步骤。
本公开的实施例总体上针对用于工业过程的现场设备以及使用该现场设备的方法。图1是根据本公开的实施例的示例性现场设备100的简化框图。现场设备100通过双线过程控制回路104耦合到控制室102。
在一些实施例中，现场设备100包括设备电路106，该设备电路106可以包括常规现场设备组件，诸如控制器108、一个或多个传感器或控制元件110、测量或控制电路112、数模转换器(DAC)114、端子块116和/或电源电路118。传感器或控制元件110也可以与设备电路106分离并且与设备100物理分离。控制室102包括经由接线板(terminal block)116通过过程控制回路104为现场设备100供电的电源。电源电路118调节从过程控制回路104接收的功率以向现场设备100的组件供电。
控制室102和现场设备100之间的通信可以根据常规的模拟和/或数字通信协议在控制回路104上进行。在一些实施例中，过程控制回路104包括4-20毫安过程控制回路，其中过程变量可以由流经过程控制回路104的回路电流I的电平表示。示例性的数字通信技术包括被调制到双线过程控制回路104的模拟电流电平上的数字信号，诸如通信标准。也可以使用其他纯数字技术，包括 FieldBus和Profibus通信协议。例如，用于现场设备100的合适的通信电路可以由控制器108和DAC 114表示。
现场设备100通常位于远离控制室102的位置，并且可以耦合到工业过程(未示出)，例如管道、罐或另一工业过程。现场设备100可用于使用由方框110表示的一个或多个传感器来感测或测量过程的参数，例如温度、液位、压力、流量或过程的另一参数。示例性传感器110包括压力传感器、温度传感器、液位传感器、流量传感器和/或用于感测或测量过程参数的其它传感器。现场设备100还可以被配置为使用由方框110表示的一个或多个控制元件来控制过程的某个方面。示例性的控制元件110包括致动器、螺线管、阀门以及现场设备中用来控制过程的其他常规过程控制元件。
测量或控制电路112表示与传感器或控制元件110交互的电路。例如，电路112可以包括测量电路，该测量电路对来自传感器的输出进行转换以供控制器108使用。电路112还可以用来响应于从控制器108接收的信号来控制所述控制元件。DAC 114可以由控制器108用来将数字信号转换成通过双线过程控制回路104传送到控制室102的模拟信号，比如，例如通过借助NPN晶体管119的控制来调节回路电流I以指示由传感器110感测的过程参数的值。
控制器108可以表示响应于指令的执行而控制现场设备100的组件以执行本文描述的一个或多个功能的一个或多个处理器(即，微处理器、中央处理单元等)，所述指令可以被本地存储在专利主题适格的设备100的计算机可读介质或存储器中。在一些实施例中，控制器108的处理器是一个或多个基于计算机的系统的组件。在一些实施例中，控制器108包括一个或多个控制电路、基于微处理器的引擎控制系统、诸如现场可编程门阵列(FPGA)的一个或多个可编程硬件组件，它们用于控制设备100的组件执行本文描述的一个或多个功能。如上所述，控制器108还可以表示通信电路和/或其他常规的现场设备电路。
如下面更详细地讨论的，本公开的实施例涉及改善补充电路的供电，该补充电路通常不作为设备电路106的组件并且被配置为执行现场设备100的操作。例如，这些操作可以包括不通过双线过程控制回路104进行的数据通信，诸如有线或无线数据通信，以及对存储器(例如，闪存)的数据写入操作。
在一些实施例中，现场设备100包括充电功率调节器120、大容量电源122和补充电路124。在一些实施例中，现场设备100基于通过双线过程控制回路104从控制室102接收的功率的多余部分的可用性，通过调节大容量电源122的充电来改善补充电路124的供电。功率的多余部分涉及本应不被设备100(例如设备电路106)使用的功率。
在一些实施例中，设备100包括分流电路126，分流电路126被配置为将设备100接收的功率的未使用部分通过过程控制回路104分流到电气地(electrical ground)128。在一些实施例中，分流电路126包括电阻130、分流电流Is通过电阻130被传送到地128。通过电阻130的分流电流Is和电阻130两端的分流电压对应于设备100在过程控制回路104上接收的功率的未使用部分。也可以使用用于确定功率的未使用部分的其他技术。
在一些实施例中，充电功率调节器120包括阻抗调节器132和可变阻抗134。阻抗调节器132被配置为调节可变阻抗134以基于功率的未使用部分来调节用于对大容量电源122进行充电的功率的多余部分。在一些实施例中，阻抗调节器132接收电阻130两端的分流电压作为线路136上的输入并基于输入产生控制信号137，所述输入指示功率的未使用部分。
可变阻抗134响应于来自阻抗调节器132的控制信号137控制功率的多余部分，该功率的多余部分是从电源电路118提供的电源电压(Vsupply)通过线路138传送到大容量电源122的。因此，根据线路136上指示的功率的未使用部分的大小，阻抗调节器132改变可变阻抗134以控制对大容量电源122充电的线路138上的电流。
在一些实施例中，例如当大容量电源122包括大容量电容器时，可变阻抗134控制与大容量电源122关联的时间常数。随着可变阻抗134响应于检测到功率的未使用部分的增加而减小，时间常数减小。这增加了大容量电源122的可被充电的速度，由此允许设备100利用本应分流到地128的多余功率。而且，这一更高的充电速率还使得补充电路124能够以更高的频率执行其操作。当可变阻抗134增加时，例如在功率的未使用部分减少期间，与大容量电源122关联的时间常数增加，由此当设备100的其他组件(例如设备电路106)需要更多功率时，减慢大容量电源122对多余功率的消耗。
在一些实施例中，设备100包括比较器144，其用于确定大容量电源122何时已达到补充电路执行操作可能需要的阈值充电或电压电平。在一些实施例中，比较器144接收线路138处的电压输入以及对应于阈值充电或电压电平的参考电压(VRef)。来自比较器144的充电输出146可以指示线路138处的电压何时达到参考电压。在一些实施例中，控制器108使用充电输出146来确定大容量电源122何时被充分地充电以向用来执行期望操作的补充电路124供电。
补充电路124可以被配置为：为现场设备或现场设备的操作员执行任何合适的操作。在一些实施例中，补充电路124被配置为执行通常不由设备电路106执行的操作。可以由补充电路124执行的示例性操作包括与外部设备148的数据通信。在一些实施例中，数据通信包括与设备148的有线或无线数据通信、根据蓝牙协议与设备148执行的无线数据通信、与设备148(例如，闪存)进行的数据写入操作或与设备148进行的其他数据通信。设备148可以表示用户操作的控制器、移动计算设备、路由器、另一现场设备(诸如未连接到双线过程控制回路104的现场设备)，或另一设备。补充电路124可被配置执行的其他示例性操作包括：加热现场设备的一部分、(例如，在设备148上)显示信息、传送可听和/或可视信号，和/或另一操作。
在一些实施例中，大容量电源122包括脉冲保护电路150。例如，脉冲保护电路150用于抑制可能潜在地损坏电源电路118和/或补充电路124的瞬态电流脉冲。
图2是根据本公开的实施例的图1的现场设备的示例性电路图。图2示出了形成阻抗调节器132、可变阻抗134、大容量电源122、脉冲保护电路150和比较器144的示例性电路。应该理解的是，示例性电路仅仅是可以被实施以执行这些组件的功能的许多选项中的一个。在图2中没有示出与本公开的实施例不直接相关的常规现场设备组件的细节。
充电功率调节器120的阻抗调节器132的一个示例性实施例采用低通滤波器的形式，该低通滤波器包括运算放大器151，该运算放大器151接收电阻130两端的分流电压作为其正输入端子和负输入端子之间的输入。来自运算放大器151的控制信号137随着分流电流(Is)和电阻130两端的分流电压的值增加而增加。在一些实施例中，阻抗调节器132包括耦合在电气地128与运算放大器151的负输入端子之间的电阻器R1、连接在运算放大器151的所述负输入端子和输出之间的电阻器R2以及与电阻器R2并联连接的电阻器R3和电容器C1。根据一些示例性实施例，电阻器R1为1kΩ，R2为178kΩ，R3为301kΩ以及C1为0.033μF。还可以使用执行阻抗调节器132的功能的其他电路。
在一个示例性实施例中，如图2所示，充电功率调节器120的可变阻抗134包括n沟道MOSFET 152和电阻154。从阻抗调节器132输出的控制信号137通过线路156耦合到MOSFET152的栅极。由电源电路118产生的电源电压Vsupply电耦合到MOSFET 152的漏极，并且MOSFET152的源极通过电阻154电耦合到大容量电源122。例如，电阻154可以是500Ω。
随着由分流电压指示的未使用功率增加，来自阻抗调节器132的控制信号137增大，并且由于MOSFET 152的栅极和源极之间的正向电压降增加，通过MOSFET 152的阻抗减小。这导致从电源电路118传播到大容量电源122的充电电流Ic增加，并且大容量电源122的充电速率增加。随着来自阻抗调节器132的控制信号137因分流电压的降低而电压下降，通过MOSFET 152的阻抗由于MOSFET 152的栅极与源极之间的正向电压降降低而增加，导致充电电流Ic的降低。因此，这导致大容量电源122的充电速率下降。当分流电压非常低或为零时，来自阻抗调节器132的控制信号137的电压不足以激活MOSFET 152。因此，MOSFET 152充当开路并终止充电电流Ic和大容量电源122的充电。因此，充电功率调节器120的阻抗调节器132和可变阻抗134用于基于设备100通过过程控制回路104接收的功率的未使用部分来控制大容量电源122的充电。
在一些实施例中，大容量电源122包括由充电电流Ic充电的大容量电容器160(例如68μF)。备选地，大容量电源122可以包括由充电电流Ic充电的可充电电池。
当大容量电源122使用大容量电容器160时，大容量电容器160具有基于可变阻抗134的关联时间常数。结果，阻抗调节器132基于设备100通过过程控制回路104接收的功率的未使用部分，通过调节可变阻抗134来控制大容量电容器160的时间常数。随着通过MOSFET 152的阻抗响应于功率的未使用部分的增加而减小，与电容器160相关联的时间常数减小。这使得大容量电容器160能够更快地充电以利用功率的可用多余部分。然而，随着阻抗调节器132响应于设备100所接收的功率的未使用部分的减少而增加MOSFET 152两端的阻抗，与电容器160相关联的时间常数增加，这减慢了大容量电容器160充电的速率。结果，当只有很少未使用的功率并从而只有很少对于充电功率调节器120可用的多余功率时，大容量电容器160充电更慢或根本不充电。
一个示例性比较器144包括运算放大器170，运算放大器170在其输入处接收线路138处的表示大容量电源122的充电电平的电压和参考电压，并且基于这两者的差来产生充电电平输出146。充电电平输出146被馈至控制器108。在一些实施例中，当来自运算放大器170的输出146指示线路138处的电压或大容量电源122(例如，大容量电容器160)的充电电平小于参考电压时，控制器108保持补充电路124的激活。当来自运算放大器170的输出指示大容量电容器160的充电满足或超过参考电压时，控制器108可通过线路172上的信号激活补充电路124以执行诸如上述操作中的一个或多个的操作。
如上所述，大容量电源122可以包括脉冲保护电路150，该脉冲保护电路150用于抑制本应响应于补充电路124的激活而发生的瞬态电流脉冲。在一个示例性实施例中，如图2所示，脉冲保护电路150包括具有相连接的基极的一对NPN晶体管174和176。晶体管174的发射极通过电阻178耦合到电源电压Vsupply，其集电极耦合到其基极。晶体管176耦合到线路138。电压源180耦合在晶体管174的发射极与电气地128之间。
在操作中，当大容量电容器160上的充电已经达到或超过阈值充电(VRef)时，控制器108激活补充电路124。这允许电流从大容量电容器160流经晶体管176并流到补充电路124以向补充电路124供电。在执行补充电路124的操作期间，脉冲保护电路150防止电源电路118遇到可能有害的瞬态电流脉冲。
图3是图示根据本公开的实施例的使用现场设备100的方法的流程图。在方法的190处，现场设备100(图1和图2)通过双线过程控制回路104接收功率并且可以传送数据。通过过程控制回路104接收的功率被用于向设备100的电路供电。这种功率中的一些由电源电路118表示。设备100可以例如使用控制器108和DAC 114来控制流经过程控制回路104的回路电流I，以将过程变量测量结果传送给控制室102。
在192处，使用分流电路126将设备100通过过程控制回路104接收的功率的未使用部分分流到电气地128。如上所述，分流电路126可以包括电阻130，通过电阻130将对应于功率的未使用部分的分流电流Is传送到电气地128。由于分流电流Is导致的电阻130两端的分流电压也对应于功率的未使用部分。
在方法的194处，使用充电功率调节器120基于功率的未使用部分来调节功率的多余部分以对大容量电源122进行充电。如上所述，充电功率调节器120的实施例包括阻抗调节器132和可变阻抗134。在一些实施例中，可变阻抗134将电源电压Vsupply连接到大容量电源122。传送到大容量电源122的功率的多余部分基于可变阻抗134而变化，并且使用阻抗调节器132通过基于功率的未使用部分调节可变阻抗134而进行调节，功率的未使用部分例如由电阻130两端的分流电压来指示。在一些实施例中，阻抗调节器132基于分流电压产生控制信号137，并且响应于控制信号137而调节可变阻抗134。
大容量电源122可以包括具有关联时间常数的电容器160(图2)。通过使用阻抗调节器132基于功率的未使用部分(例如，由分流电压指示的)来控制时间常数，由充电功率调节器120来调节功率的多余部分。
在该方法的196处，补充电路124使用大容量电源122供电。在一些实施例中，这涉及由控制器108激活补充电路124。如上所述，可以基于来自比较器144的指示大容量电源122的充电电平的充电输出146来执行控制器108对补充电路124的激活。
在一些实施例中，补充电路124的激活导致补充电路124执行操作。在一些实施例中，由补充电路124执行的操作涉及上面讨论的一个或多个操作。在一个实施例中，由补充电路124执行的操作包括根据蓝牙通信协议与外部设备148进行的无线数据通信。
在一些实施例中，现场设备包括传感器或控制元件110和测量或控制电路112。在一些实施例中，现场设备100使用传感器110和测量或控制电路112来感测过程参数，和/或使用测量或控制电路112来控制控制元件110。
虽然已经参照优选实施例描述了本公开的实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (20)

1.一种用于工业过程的现场设备，包括：
设备电路，被配置为通过双线过程控制回路接收功率并传送数据；
分流电路，被配置为将功率的未使用部分分流到电气地；
大容量电源；
充电功率调节器，被配置为基于所述未使用部分来调节功率的多余部分以对所述大容量电源进行充电；以及
补充电路，由大容量电源供电。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述充电功率调节器包括：
可变阻抗，所述可变阻抗将电源电压连接到所述大容量电源，其中，传送到所述大容量电源的功率的所述多余部分基于所述可变阻抗而变化；以及
阻抗调节器，被配置为调节所述可变阻抗以基于所述未使用部分调节功率的所述多余部分。
3.根据权利要求2所述的设备，其中：
所述分流电路包括电阻；以及
所述阻抗调节器基于所述电阻两端的电压降来调节所述可变阻抗。
4.根据权利要求3所述的设备，其中：
所述阻抗调节器基于所述电阻两端的电压降输出控制信号；以及
所述可变阻抗包括基于所述控制信号调节所述可变阻抗的晶体管。
5.根据权利要求2所述的设备，其中：
所述大容量电源包括具有关联时间常数的电容器；以及
所述阻抗调节器基于功率的所述未使用部分来控制所述时间常数。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述大容量电源包括电池。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括比较器，所述比较器具有指示所述大容量电源的充电的充电输出，其中所述设备电路的控制器基于所述充电输出来控制所述补充电路的激活。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括以下中的至少一个：
传感器，被配置为感测过程参数；以及
控制元件，被配置为控制过程。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备电路包括以下中的至少一个：
测量电路，被配置为处理来自所述传感器的指示所述过程参数的输出；以及
控制电路，被配置为控制所述控制元件。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述补充电路被配置为向外部设备传送数据。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述补充电路被配置为根据蓝牙通信协议向所述外部设备传送数据。
12.一种操作用于工业过程的现场设备的方法，所述现场设备包括设备电路、分流电路、大容量电源、充电功率调节器和补充电路，所述方法包括：
使用所述设备电路，通过双线过程控制回路接收功率并传送数据；
使用所述分流电路，将功率的未使用部分分流到电气地；
使用所述充电功率调节器，基于所述未使用部分来调节功率的多余部分以对所述大容量电源进行充电；以及
使用所述大容量电源，向所述补充电路供电。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述充电功率调节器包括：
可变阻抗，所述可变阻抗将电源电压连接到所述大容量电源，其中，传送到所述大容量电源的功率的所述多余部分基于所述可变阻抗而变化；以及
阻抗调节器；以及
调节功率的所述多余部分包括：使用所述阻抗调节器，基于功率的未使用部分来调节所述可变阻抗。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述分流电路包括电阻；以及
所述方法包括感测功率的未使用部分，感测功率的未使用部分包括感测所述电阻两端的电压降；以及
调节所述可变阻抗包括基于感测的电压降来调节所述可变阻抗。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
使用所述阻抗调节器，基于感测的电压降输出控制信号；以及
调节所述可变阻抗包括：
将所述控制信号传送给所述可变阻抗的晶体管；以及
基于所述控制信号调节所述可变阻抗。
16.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述大容量电源包括具有关联时间常数的电容器；以及
调节功率的所述多余部分包括：使用所述阻抗调节器，基于功率的未使用部分来控制所述时间常数。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：
感测所述大容量电源的充电；以及
使用所述设备电路的控制器，基于感测的充电来控制所述补充电路的激活。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括执行以下中的至少一个：
使用传感器感测过程参数；以及
使用控制元件来控制过程。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括：使用所述补充电路向外部设备传送数据。
20.根据权利要求18所述的方法，其中向外部设备传送数据包括：根据蓝牙通信协议向外部设备传送数据。
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