CN116721521A - 回路供电的现场设备中的警报处理 - Google Patents

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CN116721521A CN202310173641.6A CN202310173641A CN116721521A CN 116721521 A CN116721521 A CN 116721521A CN 202310173641 A CN202310173641 A CN 202310173641A CN 116721521 A CN116721521 A CN 116721521A
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托比亚斯·利亚
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Abstract

本发明涉及回路供电的现场设备中的警报处理。现场设备包括：测量电路；回路电流电路；电压测量电路；以及控制器，该控制器被配置成：获取过程变量的第一值；确定由现场设备接收的电压是否足以支持第一回路电流；当该电压不足以支持第一回路电流时，将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流；获取过程变量的第二值和由现场设备接收的当前电压；确定第二回路电流；基于当前电压和对回路阻抗的估计，确定当前电压是否足以支持第二回路电流；以及当确定由现场设备从电流回路接收的当前电压足够时，将回路电流从警报电流控制为第二回路电流。

Description

回路供电的现场设备中的警报处理
技术领域
本发明涉及现场设备和操作现场设备的方法。
背景技术
现场设备通常用于工业中，以测量各种过程变量(例如，压力、温度、流量或产品物位)。特别地，雷达物位计系统可以用于测量诸如过程流体、粒状化合物或另一材料的产品的物位。
在雷达物位计系统中，电磁发射信号可以从布置在罐的顶部处的收发器朝向罐中产品的表面传播，并且由发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号返回至收发器。基于发射信号和反射信号，可以确定到产品的表面的距离，由此可以推断出罐中产品的物位。
在使用现场设备的许多设施(例如，过程工业设施)中，在现场设备与远程位置(例如，主机)之间存在现有布线。现有布线通常形成用于对从主机到现场设备的命令和指示从现场设备到主机的过程变量的测量信号进行传送的双线电流回路。双线电流回路上的通信可以通过控制流过回路的电流来进行。在4mA至20mA回路中，例如，测量信号可以是回路电流本身。作为对这样的模拟电流电平的替选或补充，例如，可以使用HART协议通过调制回路电流来传送数字信息。
除了能够通过双线电流回路接收和发送信号之外，现场设备可能需要能够使用从双线电流回路汲取的电力进行操作。换言之，现场设备可以是回路供电的现场设备。
回路电压可能随时间变化，并且可能在某个点变得太低而无法维持现场设备的可靠操作。在这样的时间点之前或之后，回路电压对于操作现场设备可能是足够的，但是对于支持指示由现场设备测量的过程变量的当前值的回路电流可能不是足够的。
在电流回路不能支持可靠的回路电流的情况下，现场设备应当被配置成将回路电流控制为低于预定义警报阈值的警报电流。当情况改善时，现场设备应当恢复正常操作。然而，恢复正常操作不应当导致立即返回至警报电流，并且在恢复操作之后的回路电流输出应当是可靠的。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，并且提供改进的现场设备，特别是当在低电压警报状态之后恢复正常操作时提供改进的性能。
根据本发明的第一方面，因此提供了一种现场设备，包括：测量电路，其用于使用经由双线电流回路接收的能量来确定过程变量的值；回路电流电路，其用于控制流过电流回路的回路电流；电压测量电路，其用于提供指示由现场设备从电流回路接收的电压的信号；以及控制器，其耦接至测量电路、回路电流电路和电压测量电路，该控制器被配置成：从测量电路获取过程变量的第一值；确定由现场设备从电流回路接收的电压是否足以支持表示过程变量的第一值的第一回路电流；当确定由现场设备从电流回路接收的电压不足以支持第一回路电流时，控制回路电流电路以将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流；从测量电路获取过程变量的第二值并且获取来自电压测量电路的指示由现场设备从电流回路接收的当前电压的信号；确定表示过程变量的第二值的第二回路电流；基于指示由现场设备从电流回路接收的当前电压的信号和对由现场设备观察到的电流回路的回路阻抗的估计，确定由现场设备从电流回路接收的当前电压是否足以支持第二回路电流；以及当确定由现场设备从电流回路接收的当前电压足以支持第二回路电流时，控制回路电流电路，以将回路电流从警报电流改变为第二回路电流。
“现场设备”应当被理解为确定过程变量并将指示该过程变量的测量信号传送至远程位置的任何设备。现场设备的示例包括用于确定诸如填充物位、温度、压力、流体流量之类的过程变量的设备。
如在背景技术部分中还提及的，测量信号可以例如是恒定电流和/或叠加在恒定电流上的时变电流。这样的时变电流可以例如根据HART通信协议调制数字信息。
本发明基于这样的认识，即，由警报电流的输出引起的回路电流的减小通常导致由现场设备从电流回路接收的电压的增加，并且该现象是由于通过电流回路的电流减小引起的通过电流回路观察到的回路阻抗上的电压降降低的结果。如果回路电流增加，则由现场设备接收的电压将再次降低。基于此，本发明人已经推断出，恢复正常操作的决定不仅应当基于由现场设备接收的当前电压，而且还应当基于对由现场设备观察到的电流回路的回路阻抗的估计。
因此，可以估计回路阻抗上的电压降，并且然后可以更可靠地确定可用回路电压是否将足以正确且可持续地提供指示过程变量的测量值的回路电流。
可以基于回路阻抗的先前测量来估计回路阻抗。例如，可以结合现场设备的安装来测量回路阻抗。
然而，有利地，可以在现场设备处于警报状态时估计回路阻抗。这可以提供更可靠的结果，因为可能出现回路阻抗随时间变化。例如，回路阻抗可能由于腐蚀或污染而随时间增大。
根据实施方式，因此，控制器可以被配置成：控制回路电流电路，以将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的第一测试电流；当回路电流被控制为第一测试电流时，从电压测量电路获取指示由现场设备从电流回路接收的第一电压的信号；控制回路电流电路，以将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流、与第一测试电流不同的第二测试电流；当回路电流被控制为第二测试电流时，从电压测量电路获取指示由现场设备从电流回路接收的第二电压的信号；以及基于第一测试电流、第二测试电流、第一电压和第二电压来估计回路阻抗。
根据本发明的第二方面，提供了一种操作耦接至双线电流回路的现场设备的方法，该现场设备包括：测量电路、回路电流电路、电压测量电路和控制器，该控制器耦接至测量电路、回路电流电路和电压测量电路，该方法包括：从测量电路获取过程变量的第一值；确定由现场设备从电流回路接收的电压是否足以支持表示过程变量的第一值的第一回路电流；当确定由现场设备从电流回路接收的电压不足以支持第一回路电流时，控制回路电流电路，以将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流；从测量电路获取过程变量的第二值并且获取来自电压测量电路的指示由现场设备从电流回路接收的当前电压的信号；确定表示过程变量的第二值的第二回路电流；基于指示由现场设备从电流回路接收的当前电压的信号和对由现场设备观察到的电流回路的回路阻抗的估计，确定由现场设备从电流回路接收的当前电压是否足以支持第二回路电流；以及当确定由现场设备从电流回路接收的当前电压足以支持第二回路电流时，控制回路电流电路，以将回路电流从警报电流改变为第二回路电流。
总之，因此，本发明涉及现场设备，该现场设备包括：测量电路；回路电流电路；电压测量电路；以及控制器，该控制器被配置成：获取过程变量的第一值；确定由现场设备接收的电压是否足以支持第一回路电流；当该电压不足以支持第一回路电流时，将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流；获取过程变量的第二值和由现场设备接收的当前电压；确定第二回路电流；基于当前电压和对回路阻抗的估计，确定当前电压是否足以支持第二回路电流；以及当确定由现场设备从电流回路接收的当前电压足够时，将回路电流从警报电流控制为第二回路电流。
附图说明
现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图，更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了包括安装在罐处的、此处以雷达物位计形式的示例性现场设备的测量系统；
图2是双线电流回路和连接至该电流回路的回路供电的现场设备的框图；
图3是图2中的现场设备的更详细的框图；
图4是示出包括用于确定是否进入低电压警报状态的步骤的操作现场设备的示例性方法的流程图；以及
图5是示出包括用于确定是否离开低电压警报状态的步骤的操作现场设备的示例性方法的流程图。
具体实施方式
在本详细描述中，参照非接触式雷达物位计系统来讨论根据本发明的现场设备的示例性实施方式。应当注意，这决不限制本发明的范围，其同样适用于其他现场设备，例如导波雷达物位计系统、温度传感器、压力传感器等。此外，双线电流回路可以被配置成根据各种通信标准(例如4mA至20mA或HART)工作。
图1示意性地示出了测量系统1，该测量系统1包括安装在示例性罐3处的雷达物位计2形式的现场设备。雷达物位计2经由双线电流回路7连接至远程主机/主设备5，该双线电流回路7也被用于向雷达物位计2提供电力。罐3包含产品9，并且在工作的情况下，雷达物位计2基于通过天线10朝向产品9的表面11传播的电磁发射信号ST以及由发射信号ST在表面11处的反射产生并通过天线10接收的电磁反射信号SR来确定罐3中的产品9的填充物位L。
在已经确定了作为过程变量的示例的填充物位L之后，雷达物位计2经由双线电流回路7将指示填充物位L的测量信号SL提供至远程主机/主设备5。
图2是双线电流回路7和连接至电流回路7的回路供电的现场设备2的框图。如图2中示意性示出的，上述测量信号SL在此处被指示为以回路电流IL的形式提供。此外，指示了回路阻抗RL和由远程主机/主设备5提供的回路电压VL。
参照图3，图3是图2中的现场设备的更详细的框图，现场设备2包括测量电路13、回路电流电路15、电压测量电路17和控制器19。如图3中示意性指示的，现场设备2还可以包括功率转换电路，此处指示为DC/DC转换器21，以用于向测量电路13和控制器19提供电力。现场设备2还包括用于连接至电流回路7的端子23a至23b，并且可以可选地包括本身已知的用于EMC滤波的电路25和用于Ex保护的电路27。
以本身已知的方式，测量电路13被配置成通过功率转换电路21、使用经由双线电流回路7接收的能量来确定过程变量的值。回路电流电路15被布置成例如通过测量已知电阻器29两端的电压降来测量回路电流IL，并且例如借助于电流调节器31来控制回路电流IL。电压测量电路17被配置成提供指示由现场设备2接收的电压的信号。在图3的示例配置中，电压测量电路17被布置成测量由功率转换电路21接收的电压VT，由于用于EMC滤波的电路25和用于Ex保护的电路27上的电压降，该电压VT可能低于端子23a至23b两端的电压。
如图3中示意性指示的，控制器19耦接至测量电路13、回路电流电路15和电压测量电路17，以用于控制现场设备2的操作。
图4是示出包括用于确定是否进入低电压警报状态的步骤的操作现场设备的示例性方法的流程图。
在第一步骤401中，由控制器19从测量电路13获取过程变量的值。
根据本发明的方面，可以有利地执行下面的步骤以确定由现场设备2接收的电压是否足以支持表示所获取的值的回路电流。
在步骤402中，由控制器19从电压测量电路17获取指示由现场设备2接收的电压VT的信号。
在步骤403中，如果确定由现场设备2接收的电压VT高于预定义电压VTH，则在步骤404中，由控制器19控制回路电流电路15，以将回路电流IL控制为与在步骤401中获取的值对应的电流IV。此后，该方法通过返回至步骤401继续正常操作。
在步骤403中，相反，如果确定由现场设备2接收的电压VT低于预定义电压VTH(或低于比VTH低的另一预定义电压)，则该方法进行至步骤405，在步骤405中，由控制器19控制回路电流电路15，以将回路电流IL控制为与在步骤401中获取的值对应的电流IV。
在随后的步骤406中，测量所得到的回路电流IL，并且将其与期望回路电流IV进行比较。在步骤407中，如果确定期望回路电流IV与实际回路电流IL之间的差小于预定义差Δ，则该方法通过返回至步骤401继续正常操作。
在步骤407中，相反，如果确定期望回路电流IV与实际回路电流IL之间的差大于预定义差Δ，则推断出由现场设备2从电流回路7接收的电压不足以支持期望回路电流IV，并且该方法进行至步骤408，在步骤408中，由控制器19控制回路电流电路15，以将回路电流IL控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流I警报。对于4mA至20mA的电流回路，预定义警报阈值电流可以例如是约3.6mA。
图5是示出包括用于确定是否离开低电压警报状态的步骤的操作现场设备的示例性方法的流程图。
在第一步骤501中，由控制器19从测量电路13获取过程变量的值。
在随后的步骤502中，确定由现场设备2从电流回路7接收的电压是否足以支持表示所获取的值的回路电流。
在步骤502中，如果确定由现场设备2从电流回路7接收的电压足够，则在步骤503中由控制器19控制回路电流电路15，以将回路电流IL控制为与在步骤501中获取的值对应的电流IV。此后，该方法通过返回至步骤501继续正常操作。
在步骤502中，相反，如果确定由现场设备2从电流回路7接收的电压不足以将回路电流IL控制为与在步骤501中获取的过程值对应的电流IV，则在步骤504中，由控制器19控制回路电流电路15，以将回路电流IL控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流I警报。
对由现场设备2接收的电压是否足以支持表示所获取的值的回路电流的确定可以有利地如以上参照图4所描述的来执行。然而，应当注意，该确定可以不同地执行，并且参照图5描述的方法不限于确定由现场设备2接收的电压是否足以支持表示所获取的值的回路电流的任何特定方法。
在步骤505中，当由控制器19控制回路电流电路15以将回路电流控制为警报电流I警报时，控制器19从测量电路13获取过程变量的新值。在该步骤中，控制器19还接收来自电压测量电路17的指示由现场设备2从电流回路7接收的当前电压VT的信号。
在步骤506中，确定表示过程变量的新值的新电流IV。
此后，在步骤507中，由控制器19基于指示由现场设备2从电流回路7接收的当前电压VT的信号和对由现场设备2观察到的电流回路7的回路阻抗RL的估计来确定由现场设备2从电流回路7接收的当前电压VT是否足以支持在步骤506中确定的回路电流IV。
可以基于先前的测量来估计回路阻抗RL。然而，有利地，可以通过控制回路电流电路以将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的第一电流来执行回路阻抗RL的新估计；当回路电流被控制为第一电流时，从电压测量电路获取指示由现场设备从电流回路接收的第一电压的信号；控制回路电流电路以将回路电流控制为低于预定义警报阈值电流、与第一电流不同的第二电流；当回路电流被控制为第二电流时，从电压测量电路获取指示由现场设备从电流回路接收的第二电压的信号；以及基于第一测试电流、第二测试电流、第一电压和第二电压来估计回路阻抗。
应当注意，在图3所示的现场设备2的示例配置中，在回路阻抗RL的估计中包括用于EMC滤波的电路25和用于Ex保护的电路27的阻抗。
根据特定的非限制性示例，由电压测量电路测量的电压VT被估计为与回路电压VL、回路电流IL和回路阻抗RL相关，如下：
VT＝VL-ILRL (1)
根据该示例，可以如下选择第一测试电流和第二测试电流：
I测试1＝3.6mA
I测试2＝3.6mA-Δ
这些测试电流与对应的测量电压相关，如下：
VT1＝VL-I测试1RL (2)
VT2＝VL-I测试2RL (3)
基于(2)和(3)，回路阻抗RL和回路电压VL可以被估计为如下：
然后，足以支持与当前过程值对应的回路电流IV的最小电压VTmin可以被估计为如下：
VTmin＝VL-IVRL (6)
在步骤507中，如果由控制器19确定由现场设备2接收的当前电压VT足以支持在步骤506中确定的回路电流IV，则在步骤508中，由控制器19控制回路电流电路15，以将回路电流IL控制为与在步骤505中获取的值对应的电流IV。此后，该方法通过返回至步骤501继续正常操作。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上面所描述的优选实施方式。相反，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变化。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“a(一)”或“an(一个)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的这一事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (12)

1.一种现场设备，包括：
测量电路，其用于使用经由双线电流回路接收的能量来确定过程变量的值；
回路电流电路，其用于控制流过所述电流回路的回路电流；
电压测量电路，其用于提供指示由所述现场设备从所述电流回路接收的电压的信号；以及
控制器，其耦接至所述测量电路、所述回路电流电路和所述电压测量电路，所述控制器被配置成：
从所述测量电路获取所述过程变量的第一值；
确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压是否足以支持表示所述过程变量的第一值的第一回路电流；
当确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压不足以支持所述第一回路电流时，控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流；
从所述测量电路获取所述过程变量的第二值并且获取来自所述电压测量电路的指示由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压的信号；
确定表示所述过程变量的第二值的第二回路电流；
基于指示由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压的所述信号和对由所述现场设备观察到的所述电流回路的回路阻抗的估计，确定由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压是否足以支持所述第二回路电流；以及
当确定由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压足以支持所述第二回路电流时，控制所述回路电流电路，以将所述回路电流从所述警报电流改变为所述第二回路电流。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述控制器被配置成：
控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为低于所述预定义警报阈值电流的第一测试电流；
当所述回路电流被控制为所述第一测试电流时，从所述电压测量电路获取指示由所述现场设备从所述电流回路接收的第一电压的信号；
控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为低于所述预定义警报阈值电流、与所述第一测试电流不同的第二测试电流；
当所述回路电流被控制为所述第二测试电流时，从所述电压测量电路获取指示由所述现场设备从所述电流回路接收的第二电压的信号；并且
基于所述第一测试电流、所述第二测试电流、所述第一电压和所述第二电压来估计所述回路阻抗。
3.根据权利要求2所述的现场设备，其中，所述控制器被配置成基于所述第一电压与所述第二电压之间的差和所述第一测试电流与所述第二测试电流之间的差之间的关系来估计所述回路阻抗。
4.根据权利要求1或2所述的现场设备，其中，所述控制器被配置成通过以下来确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压是否足以支持所述第一回路电流：
控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为所述第一电流；
获取指示实际回路电流的值；以及
当所述第一电流与所述实际回路电流之间的差大于预定义差时，确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压不足以支持所述第一回路电流。
5.根据权利要求4所述的现场设备，其中，所述控制器被配置成：
从所述电压测量电路获取由所述现场设备从所述电流回路接收的电压的时间序列；以及
当由所述现场设备从所述电流回路接收的电压低于预定义电压时，仅执行根据权利要求4所述的动作。
6.根据权利要求1或2所述的现场设备，其中，所述现场设备是雷达物位计，所述雷达物位计包括信号传播设备，以用于确定罐中的产品的填充物位，其中，包括在所述雷达物位计中的所述测量电路包括：
收发器，其用于生成电磁信号、向所述信号传播设备提供电磁发射信号、以及从所述信号传播设备接收由所述发射信号在所述产品的表面处的反射产生的电磁反射信号；以及
处理电路，其用于基于所述发射信号和所述反射信号确定所述填充物位。
7.一种操作耦接至双线电流回路的现场设备的方法，所述现场设备包括：测量电路、回路电流电路、电压测量电路以及控制器，所述控制器耦接至所述测量电路、所述回路电流电路和所述电压测量电路，所述方法包括：
从所述测量电路获取过程变量的第一值；
确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压是否足以支持表示所述过程变量的第一值的第一回路电流；
当确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压不足以支持所述第一回路电流时，控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为低于预定义警报阈值电流的警报电流；
从所述测量电路获取所述过程变量的第二值并且获取来自所述电压测量电路的指示由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压的信号；
确定表示所述过程变量的第二值的第二回路电流；
基于指示由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压的所述信号和对由所述现场设备观察到的所述电流回路的回路阻抗的估计，确定由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压是否足以支持所述第二回路电流；以及
当确定由所述现场设备从所述电流回路接收的当前电压足以支持第二回路电流时，控制所述回路电流电路，以将所述回路电流从所述警报电流改变为所述第二回路电流。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为低于所述预定义警报阈值电流的第一电流；
当所述回路电流被控制为所述第一电流时，从所述电压测量电路获取指示由所述现场设备从所述电流回路接收的第一电压的信号；
控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为低于所述预定义警报阈值电流、与所述第一电流不同的第二电流；
当所述回路电流被控制为所述第二电流时，从所述电压测量电路获取指示由所述现场设备从所述电流回路接收的第二电压的信号；以及
基于所述第一测试电流、所述第二测试电流、所述第一电压和所述第二电压来估计所述回路阻抗。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，基于所述第一电压与所述第二电压之间的差和所述第一测试电流与所述第二测试电流之间的差之间的关系来估计所述回路阻抗。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压是否足以支持所述第一回路电流包括：
控制所述回路电流电路，以将所述回路电流控制为所述第一电流；
获取指示实际回路电流的值；以及
当所述第一电流与所述实际回路电流之间的差大于预定义差时，确定由所述现场设备从所述电流回路接收的电压不足以支持所述第一回路电流。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：
从所述电压测量电路获取由所述现场设备从所述电流回路接收的电压的时间序列；以及
当由所述现场设备从所述电流回路接收的电压低于预定义电压时，仅执行根据权利要求10所述的步骤。
12.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述现场设备是雷达物位计，所述雷达物位计包括信号传播设备，以用于确定罐中的产品的填充物位，其中，确定所述填充物位包括：
生成电磁信号；
向所述信号传播设备提供电磁发射信号；
从所述信号传播设备接收由所述发射信号在所述产品的表面处的反射产生的电磁反射信号；以及
基于所述发射信号与所述反射信号之间的定时关系来确定所述填充物位。
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