CN1141679A - 用于储存信息的现场发送器 - Google Patents

Abstract

过程控制回路(34)中的发送器(22)，它包括用来感受过程变量的传感器(40)。与传感器(40)相接的模数转换器(42，44)提供不同采样时间的数字化的过程变量。接口(54)，它使发送器(22)与控制回路(34)相接，并用以传递信息以及接收控制回路(34)中的能量。发送器(22)包括时钟(55)和存储器(50)。微处理器(48)与时钟(55)以及存储器(50)相接，在微处理器(48)中储存着数字化的过程变量以及存储器(50)中的时钟信息，这种储存使得被存储的数字化过程变量的采样时间是能够被确定的。

Description

用于储存信息的现场发送器

本发明涉及过程控制回路中的发送器。更准确地说，本发明涉及一个现场发送器，它用于储存数字化表示的过程变量。

过程控制回路应用于控制一个过程的运行，例如，用于一个炼油厂中。设置于现场的发送器监控着过程变量，例如流体的流量，并把表示过程变量的数据传送至控制室中的控制器。控制器接收到来自许多发送器的代表过程变量的信号，它就能向现场的装置例如阀门位置控制器，发出信号以控制过程，使过程有所改变。控制器以每秒更新一次的典型速率从发送器接收数字信息。有些控制器处理来自现场发送器的变量，并提供诊断，指明过程的状态，例如，假若流率超过预定的系统容差或警戒限制，控制室的控制器从现场发送器接收到数字信息，据此提出警告，并采取步骤停止运转过程。

继续存在着这种需求，即以安装在现场的过程控制装置改善过程的监测和控制。

在一个过程控制系统中，发送器与过程控制回路相接。发送器包含一个感受过程变量的传感器，以及为了将数字形式表示的过程变量和采样时间信息存入存储器的整套线路。与传感器相接的模数转换器提供数字化的过程变量，这个数字化的过程变量是在某一个采样时间下得到的。接口使发送器与过程控制回路相接，并经过控制回路传递信息，而发送器所需能量也是通过同一个控制回路供给的。发送器包含有一个时钟含和一个存储器。控制电路接收数字化的过程变量和时钟信息，并把它们储存在存储器中。控制电路储存这些信息，从而使被储存的数字化过程变量的采样时间是与数字化过程变量相关联的。

图1是过程控制系统监控一个工业生产过程的示意图。

图2是按照本发明的发送器的框图，发送器与过程控制回路相接。

图3是图2所示发送器中的微处理器运行流程图。

图4示出过程控制回路。

图5是过程控制系统简图。

图6是图5所示过程控制系统中流率与阀门位置的关系曲线图。

图1是过程控制系统10对于一个工业生产过程进行监控的示意图。图1所示的工业生产过程是流体储存系统，它包括储藏罐12和14以及分配管道16。过程控制系统18包括：控制室20；流量发送器22和24；阀门26和28；以及液面传感器30和32。控制室20，发送器22和24，阀门26和28，传感器30和32都连接在两线控制回路34中。控制回路34可以包括，例如，许多点到点的4～20毫安模拟电流回路，或者是一条数字现场总线回路。

在运行中，控制室20中所包含的控制器利用发送器22和24监测管道16的流率，利用发送器32和30监测储藏罐12和14的液面。根据从发送器22、24、30和32传送来的信息，控制室20中的控制线路调整阀门26和28，以达到所期望的过程控制。应注意到，在系统18中还可能包含其它的阀门、发送器(现场的装置)以及储藏罐，而且，这些发送器和阀门也不必要都在同一个控制回路中。

控制室20中的控制器发出询问，例如询问发送器22，并从发送器22接收到涉及流量的信息。由于作典型性监测的回路的数目，实时询问一般是不可能的。对于从发送器22接收信息，其最大更新速率是比较慢的，例如，每秒钟一次，控制室20中的控制线路利用这个信息去控制过程的运行，并对系统运转作出诊断。而且，如果一个检测的参数超过了既定的限制，控制室20中的控制线路就识别过程中的故障，并开始停止过程的运转，或者实行诊断。

发送器22具有计算时钟输出的软件或者一个电路，这个时钟输出与过程变量的采样时间相关联。在这个软件或电路中，计数能按预定的数目加以设定。计数进行的速度必须是已知的或者是可控的。这个“相关联”的过程可包括这样的步骤：把以数据表示的传感器输出和取得传感器数据的时间的计数结合在一起纳入到数据单元中；进而把数据单元传送到控制室。另一种方法是：以数据表示的传感器输出和数据取得时的计数可储存于存储器中，相互间有着固定的数据区区距；随后，在传送的时间里，它们可以结合起来纳入到数据单元。

图2示出按照本发明的现场发送器22的框图。在这个例子中，发送器22测量流体流动速率。发送器22包括流率传感器40，模数转换器42，模数转换器44，微处理器48，存储器50，时钟52，以及接口54。如图所示，发送器22连接到控制回路34，而回路34把发送器22连接到控制室中的控制器56。控制器56可用一个电压源58和电阻R_L60作为模型。控制器56使电流I流过控制回路34和发送器22。对于发送器22的控制操作来说，微处理器48起着控制电路的作用。其它控制电路的实现都在本发明的范围内。

在运行中，传感器40感受到一个过程变量(或多变量)，在这里是一个流体的压差，以Q表示。模数转换器42和44将过程变量转换成数字形式，并向微处理器48提供这个数字化的过程变量。微处理器48驱使接口54经由过程控制回路34传送模拟或数字信息至控制器56。这个信息得到校正以减小误差。在模拟量的传送中，通过回路34的电流I的大小代表着感受到的过程变量，例如，一个4毫安的信号可以代表感受到的最小过程变量值，而一个20毫安的信号代表最大的过程变量值。在数字量的传送中，接口54将数字信号叠加在控制回路34的电流I上面。而且，控制器56也将数字信号叠加到控制回路34，信号被接口54收到，并用以控制微处理器48的操作。这些信号可以是，例如，从发送器22来的询问要求的信息。假如应用于多点模式，在控制回路中还可以装有其它的发送器(图2中未示出)。

接口54还给发送器22中的各涪分提供能量，这个能量来源于流过回路34的电流I，这个能量通过标有PWR的线路由接口54供给发送器22的各个部分。因为发送器22全部运转能量由控制器56供给，因此，发送器22中的每个线路在减少能量消耗方面的最优化是很关键的。

根据本发明，微处理器48与存储器50、时钟52相接。微处理器48向存储器50存入信息，或从中取出信息。时钟52是用来保存实时信息，因而它还相对于某些外部计时标准进行计时。回路中的各个时钟相互是同步的，使得一个发送器的时钟和另一个发送器的时钟之间有预先设定的关系。在美国专利号4,939,753中，对过程控制系统中使时钟同步的技术有所说明，这一专利的标题是“控制网络的时间同步”。

在这种技术的基本方式之一中，本发明在下列二者之间提供一个连接环节：某一个采样时间得到的储存的变量；与这一采样时间相关的信息。这提供许多好处，例如，很短的采样时间段里的信息能够储存下来供以后分析，与短促的采样期比起来，这种分析可以相对地慢。储存下来的信息可用来实现频谱分析。此外，假如采用实时信息，过程控制系统中在一个点上测得的变量和在另一个点上测得的变量之间，时间信息能为之提供一个连接环节。这个连接环节使得控制系统能把不同的变量相互联系起来。例如，这样一种相关性能够在询问中采用。

有一种实施方式中，发送器22包括两个模数转换器42和44。比起模数转换器44所提供的速度和分辨率来，模数转换器42提供一个在较高分辨下较慢的模数转换。(在另一种实施方式中，采用一个具有可变转换率的模数转换器)。经由接54，并通过回路34，微处理器48把从模数转换器42接收来的数字化过程变量传送到控制器56。另外，微处理器48还从时钟52接收(一个时钟输出)，当时钟52被微处理器48询问时，这个信息与网络(即图1所示的系统)上的实时有关。微处理器48将时钟信息存于存储器50。从模数转换器44来的数字化过程变量被微处理器48所接收，并把它存入存储器50中。在一种实施方式中，这个信息可按有规律的时间间隔存入，例如，每5毫秒。这一过程在存储器50中形成一张表格。在存储器中储存着数字化的过程变量，而且它们还与时间相关联，这里的时间是指模数转换器44将过程变量(PV)进行数字化的时间。(这也可以用任何合适的方法来完成，有一个例子中，采样时间应是能够与某些其它时间进行比较的时间)。表1示出在存储器50中形成的最终得到的表格。

存储单元    数值    数据

000         000     时间(起始)

001         215     PVt＝0

002         225     PVt＝1

003         240     PVt＝2

004         255     PVt＝3005    255    PVt＝4006    255    PVt＝5007    175    PVt＝6008    120    PVt＝7009    090    PVt＝8010    040    PVt＝9011    030    PVt＝10012    024    PVt＝11013    017    PVt＝12014    013    PVt＝13015    011    PVt＝14016    011    PVt＝15017    011    PVt＝16018    011    PVt＝17

表1

如表1所示，储存于存储器50第000单元的第一个信息是从时钟50中接收到的时间，在本例中，起始时间是0。这个时间对应于网络上的时间，与其它现场装置是同步的。微处理器48继续在存储器50的下一个单元中存入数字化的过程变量。每个其次的单元代表时间的下一个点，例如每5毫秒。由此就能决定储存在011单元的数字化过程变量所存入的时间，它是初始时间加上10倍5毫秒的时间间隔(即初始时间加上50毫秒)。选择能减少能量消耗的存储器是件重要的事，例如选择CMOS EEPROM，因为发送器22的全部操作所需能量是经由回路34提供的。

图3示出微处理器48运行的简化流程图。微处理器48最好用CMOS来实现，以减少能量消耗。在一个优选的实施方式中，微处理器包括一个单片EEPROM，它大约有1K字数据的存储量。微处理器48使时钟52与回路34中其它发送器的时钟相同步。微处理器48接收一个感受到的过程变量以及一个实时的时钟输出，而后者来自时钟52，且和感受过程变量的时间相关联。假如接口54从控制器56中接收到一个询问要求，微处理器48就会被触发而输出一个数字化的过程变量，经过接口54送到控制器56。在一种实施方式中，数字化过程变量实现数字化是利用模数转换器42。接着，微处理器48把数字化过程变量和实时时钟输入信息存入存储器50中，如上面所讨论的以及表1所示。有一种实施方式中，微处理器48把存于存储器50中的信息与预定允许的数值范围进行比较(有几个分开的例子在后面更详细地给出)，如果所储存的数据超过允许的范围或者存于存储器中的数据(PV)系列显示有误差，微处理器48就会引发一种报警状态，这个报警状态能引起诊断，并向控制器56发出警告：过程已超出允许的参数极限。如果不存在误差，这个过程将重复进行，微处理器48从模数转换器中接收一个过程变量。应注意到，图3所示序列中列出各种步骤是为了说明问题的目的，而其它序列也属本发明的范围之内的。

图4是过程控制系统18的示意图，如同图1所示。图4示出包含控制室设备56在内的控制室20，控制室设备经过回路34与发送器22相接。系统18包括阀门62，发送器64，以及支援模块66。发送器22，阀门62，以及发送器64含有存储器和时钟控制线路，类似于图2所示的存储器50、时钟52。在这样的实施方式中，阀门62产生一个与表1类似的表格，其中阀门位置与时间信息相互关系。同样，发送器64在它的存储器中产生一个表格，检测的过程变量(例如，液面高度)和时间信息相互关联。支援模块66类似于图2所示的发送器22，只是支援模块66不包括传感器和模数转换器。支援模块66包括一个微处理器，一个存储器，一个时钟和一个接口。支援模块66能经由回路34传送和接收信息。

图5是过程控制系统80的简图，其中示出阀门82和流量发送器22。过程的流体流动方向用线86表示。阀门82是与位置控制器88相连接的控制阀门。图6示出阀门82的阀门特性关系曲线，X轴上阀门位置表示成Y轴上流率Q的函数。流量发送器22接收从控制阀门82来的表示某一特定网络时间阀门位置的信息，流量发送器22中的存储器50含有与实(网络)时相关联的有关流率的信息。控制阀门82中的线路产生类似于表1的表格，只是其中包含的是阀门位置和相关的实时数值。当控制阀门82被流量发送器22询问时，这个从控制阀门82来的信息经过回路34传送到流量发送器22。这个实时数值为流量发送器22所测量的流率和控制阀门82所提供的阀门位置之间提供了一个连接环节。根据这个信息，流量发送器22中的微处理器48就能将流率/阀门位置的相互关系与所允许的流率/阀门位置的相互关系进行比较，并判定工作过程是否正常运转。如果这种相互关系越出所允许的范围，微处理器会引发一个警告，并经过回路34向控制室线路56发出警告信号。另外，作为对这一故障状态的反应，发送器22向阀门和其它现场的装置发出指令。

在一种实施方式中，阀门82是一种灵巧的阀门，它包括微处理器，存储器和时钟，类似于图2所示的发送器22。在这种实施方式中，灵巧阀门储存着阀门位置。阀门位置是与被控制过程有关的过程变量。

图4所示的支援模块66能够建立类似于图6所示的相互关系。另外，控制室设备56能够询问回路34上的各个发送器和现场装置，并经过回路34送回它们存储器中的内容，使得设备56能够建立类似的相互关系。应注意到，因为在感受信息的装置中信息是立即被数字化并加以储存的，如果信息经过控制回路34按正常的系统更新率定期地传送，那么采样之间的间隔能够取得比它小得多，因此可能得出足够精细的分辨率以产生有用的频率分析，例如，对存储器50中储存的信息，或对被测过程变量之间的相互关系进行快速傅里叶变换。这个变换由微处理器48采用标准的快速傅里叶变换(FFT)技术来实现。在这种实施方式中，微处理器中应包括数字信号处理的能力。此外，已存信息的处理可以较慢的速率来进行，以节约能量，因为这种处理考虑到信息是在短促的采样时期内采集，而处理这些信息却是在长得多的时期内。

在本发明中，相互关系特性可在时域实现，也可以在频域实现。相互关系特性在对照原来的运行与诊断系统运行中进行比较。

以一个实例的相互关系特性来监测流率。这个信息是用来探测一台用旧的水泵，或者探测一条连接到压差发送器的传感器脉冲线上的一个插入的输入。水泵工作反常导致在频域中出现特殊的特性曲线。

利用现场总线通信协议，控制系统中的各种装置就能使它们的时钟与数字控制系统的时钟取得同步。

在另一种实施方式中，当各种诊断信息被记录在存储器里时，在控制回路上的过程变量输出能保持不变。这个诊断信息包括回路阻抗，电源特性(电压、电流和噪声)或接地回路信息。然后，这些离线诊断与允许的数值相比较双诊断发送器的运转。可利用储存的信息建立一个原始资料以探测运转中的反常情况。

虽然，优选的实施方式已参照一个现场的发送器作了描述，但本发明可应用于任何类型的现场装置，这包括发送器，阀门位置控制器，开关以及分立的装置。虽然本发明是参照优选的实施方式作了描述，但本领域普通技术人员将认识到，形式可能有变化，但其详细内容并未离开本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种过程控制回路中的发送器，包括：

一个传感器，它感受一个过程变量；

一个模数转换器，它与传感器相接，提供以某一个采样时间得到的一个数字化过程变量；

一个接口，它连接发送器和控制回路，用于传递信息，以及经过控制回路接收能量；

一个时钟，它具有时钟输出；

存储器，它用于储存信息；以及

控制电路，它与存储器以及时钟输出相接，用于储存数字化的过程变量和时钟输出，这个时钟输出涉及数字化过程变量的采样时间。

2.按照权利要求1的发送器，其特征在于，

控制电路驱使接口经由过程控制回路传送涉及数字化过程变量的信息，其中有一个最大的更新速率，信息以这个更新速率传送；以及

控制电路向存储器中存入数字化过程变量，存入的速率要大于最大更新速率。

3.按照权利要求1的发送器，其特征在于，

按照电路驱使接口经由过程控制回路传送大量的储存的数字化变量和储存的时钟输出。

4.按照权利要求1的发送器，包括：

装置，它用于接收涉及控制系统运行的大量的数据点，以及从连接到这个控制回路的其它装置送来的时间数据，其中，控制电路在大量储存的数字化过程数值和大量接收的数据点之间建立起一个相互关系，并提供一个涉及这个相互关系的输出。

5.按照权利要求1的发送器，其特征在于，

控制电路对储存在存储器中的信息实现频谱分析。

6.一种现场装置，用于一个与控制器相连接的过程控制回路中，以监测涉及过程的一个过程变量，并把涉及过程变量的信息传送到控制器去，包括：

装置，用于确定过程变量的一个数值，以及提供一个过程变量输出；

连接电路，连接到控制回路，为的是从控制回路接收能量，作为现场装置的能源，并传递信息至控制器；

一个现场装置时钟，它提供涉及时间推移的输出；

存储器，它包含时间数据，以及在大量的时间间隔上得到的大量过程变量输出，时间数据涉及的那个时间正好是获得那个过程变量输出的时间；以及

控制电路，它用于以某一个更新速率通过连接电路将过程变量输出传送到控制器，以及以某一个储存速率将大量数字化过程变量和时间数据存入存储器，其中储存速率大于更新速率。

7.按照权利要求6的现场装置，包括：

装置，它用于接收涉及一个控制系统运行的大量数据点，以及从其它连接在控制回路上的现场装置来的时间数据；以及

其中：控制电路在大量储存的过程变量输出和大量接收的数据点之间建立一个相互关系，并提供一个涉及这个相互关系的输出。

8.一个连接着大量发送器的两线过程控制回路，该发送器包括：

一个传感器，它感受一个过程变量；

模数转换电路，它提供一个数字化的过程变量，这个数字化过程变量中包含一系列在时间上有间距的数字值；

一个接口，它将发送器连接到控制回路上，用于传递信息，以及接收从两线回路来的能量；

一个时钟，它用于测定时间；

装置，它用于使网络中现场装置与时钟同步，从而时钟可测量实时；

存储器，它用于储存信息；以及

控制电路，它与模数转换器、接口、时钟以及存储器相接，控制电路把数字值系列存入存储器，还储存来自时钟的涉及过程变量采样时间的实时信息。

9.按照权利要求8的发送器，其特征在于，

控制电路驱使接口以预选的更新速率、经由过程控制回路传送涉及数字化过程变量的信息；以及

控制电路以一个大于更新速率的储存速率将数字化过程变量存入存储器。

10.按照权利要求8的发送器，其特征在于，

控制电路驱使接口经由控制回路传送大量储存的数字化过程变量以及时钟输出。

11.按照权利要求8的发送器，包括：

装置，它用于接收涉及一个控制系统运行的大量数据点，以及从连接在控制回路的一个现场装置来的时间数据；以及

其中，控制电路在大量储存的数字化过程变量和大量接收的数据点之间建立相互关系，并提供一个涉及相互关系的输出。

12.一个与两线过程控制回路连接的过程控制系统，用于监控一个过程，它包括：

第一发送器，它包括：

一个传感器，它感受一个过程变量；

一个模数转换器，它与传感器相接，提供以某一个采样时间得到的一个数字化过程变量；

一个接口，它连接第一发送器和控制回路，用于传递信息，以及经由控制回路接收能量；

一个时钟，它具有时钟输出；

装置，它用于使时钟同步，据此，时钟可测量实时；

存储器，它用于储存信息；以及

控制电路，它与存储器以及时钟输出相接，用于储存数字化过程变量以及时钟输出，这个时钟输出对应于数字化过程变量的采样时间，其中，控制电路驱动接口经由过程回路传送大量储存的数字化过程变量以及储存的时钟输出；

第二发送器，它包括：

一个传感器，它用于感受一个过程变量；

一个模数转换器，它与传感器相接，提供以某一个采样时间得到的数字化过程变量；

一个接口，它连接第二发送器和控制回路，用于传递信息，以及经由控制回路接收能量；

一个时钟，它具有时钟输出；

装置，它用于使时钟同步，据此，时钟可测量实时；

存储器，它用于储存信息；

控制电路，它与存储器以及时钟输出，用于储存数字化过程变量以及时钟输出，这个时钟输出对应在于数字化过程变量的采样时间，其中，控制电路驱动接口经由过程控制回路传送大量储存的数字化过程变量以及储存的时钟输出；以及

一个模块，它与过程控制回路相接，用于从第一发送器接收大量储存的数字化过程变量和储存的时钟输出，以及从第二发送器接收大量储存的数字化过程变量和储存的时钟输出，并且以储存的时钟输出为基础使第一发送器的过程变量与第二发送器的过程变量发生联系，以提供一个过程运行的指标。

13.按照权利要求12的过程控制系统，其特征在于，

该模块将运行的指标与可允许的运行相比较，如果这个指标在可允许的运行之外，这模块发出一个报警。

14.按照权利要求12的过程控制系统，其特征在于，

这模块对储存于存储器中的信息实现傅里叶分析。

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