CN1187253A

CN1187253A - 用于过程控制系统的转换电路

Info

Publication number: CN1187253A
Application number: CN96194500A
Authority: CN
Inventors: 布朗·L·韦斯特费尔德; 史蒂芬·D·安德森; 比耐特·L·洛瓦吉; 托德·A·皮耶霍夫斯基
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1998-07-08

Abstract

用于过程控制系统(10)中的转换电路(40),被适用于与初级过程控制环路(26)耦合。在转换线路(40)中的数字接收机线路(46、52)接收从场发射机(22)发送到初级过程控制环路(26)上的数字信号并相应地提供一个数字输出。微处理器(50)接收数字输出并相应地提供一个次级环路控制输出。用于与次级过程控制环路(58)耦合的次级环路控制线路(62)从微处理器(50)接收次级环路控制输出并相应地控制流过次级过程控制环路(58)的电流。流过次级过程控制环路(58)的电流与由场发射机(22)发射的数字信号相关。

Description

用于过程控制系统的转换电路

发明背景

本发明涉及过程控制系统。尤其是，本发明涉及在过程控制系统中的从场发射机到控制室线路的过程变量的转换。

通常地，过程变量场发射机被用在过程控制系统中来测量诸如流量、温度或压强等过程变量并将这些变量传送到控制室。此信息被用在控制室中用来监测和控制过程的操作。

传统地，过程变量的传送是通过使用双线电流环路来进行的。在典型的4-20mA电流环路中，4mA信号代表过程变量的最小读数而20mA信号代表过程变量的最大读数。从控制室向电流环路和场发射机提供电源从而维持一种内在的安全且防爆的场环境。场发射机根据所测量的过程变量来控制流过环路的电流。此种及其它种类的电流环路，已变成为工业化标准。

随着微处理器的产生，场发射机已变得越来越自动化。此项技术的一个分支是使用来自场发射机的数字信号转换。在一种设计结构中，数字信号被重叠在4-20mA的过程变量电流信号上。此数字信号可代表初级过程变量，同样也可用模拟环电路或次级过程变量代表。在另一种结构中，多个场发射机与同一过程控制环路相连并且每个发射机通过环路向控制室发射数字过程变量。传统的适用于模拟通信技术的控制室线路还不能充分利用能够发射数字信号的发射机。

发明简述

转换线路被提供用于耦合场射机，场发射机用来向适于接收模拟信号的控制室电路发射数字信息。场发射机向初级过程控制环路上发射数字信息。转换线路包含用于从初级环路接收数字信号的数字接收机并提供代表数字信号的数字输出。微处理器接收数字输出并相应地提供数字次级环路控制输出。次级环路控制线路接收次级环路控制输出并相应地控制被提供到次级控制环路的模拟信号。此模拟信号与从场发射机发射的数字信号相关。

在一个实施例中，从初级环路接收多个数字信号并分别提供到多个次级环路。在该实施例中，次级环路为4-20mA环路。单场发射机被用于发射多个过程变量。另外，多个场发射机被用来发射多个数字过程变量。

图面的简要描述

图1为过程控制系统的部分的示意图，其具有通过两线过程控制环路与控制室相连的场发射机；

图2为根据本发明的与初级控制环路及多个次级控制环路耦合的转换线路的简化方框图；

图3为图2的转换器线路的方框图；

图4为图2的转换器线路的方框图。

最佳实施例的详细描述

本发明这里提供了一种接口电路，其将数字通信信息(诸如那些按照HART^通信标准)从多变量场发射机转换进多个4-20mA的电流环路中。此技术允许在单独的电流环路上来同时监测多个不同的过程变量。在某一实施例中，接口电路存在于过程控制室内并与多变量发射机的电流环路中的负载电阻相跨接。

图1示出了诸如在石油化学油罐场12中的工业过程控制设备10。流体14流过管网16，储存箱18通过管20与管网14相连。其它的管子20A、20B、20C和20D可被用于扩展系统而与其它的储存箱相连。所示出的带管脚的场发射机22与管20耦合。尤其是发射机22必须在激烈的环境中工作并且必须符合内部安全的要求。发射机22通过完全驱动发射机的初级双-线环路26来与控制室24相连。发射机22包含压差敏感元件28及温度传感器30，且其为一种多变量型发射机，从而其可传送代表压强或温度的过程变量。

控制室24包含用于监控由发射机22所感测的过程变量的线路。虽然其未明显地示出，但在典型的过程控制操作中，过程是对应于被感测的过程变量而被控制的。例如，在控制室24中的线路可通过控制摇控的定位阀(未示出)来控制流量。这提供了用于控制过程的封闭反馈环路。

场发射机22被连接用于监测两个不同的过程变量、流量及温度。这些过程变量与两线环路26数字耦合。在典型的现有技术场模拟发射机中，由于过程变量在用场发射机控制时，用流过环路的模拟电流电平表示过程变量，因此仅有一个单一的过程变量可与电流环路耦合。然而，很多最近的诸如哈特(HART^)通信规约定书(其规范这里作为参考)、场总线规约书等通信协定书中，通过将代表过程变量的数字(“数字过程变量”)叠加到流过代表过程变量(“模拟过程变量”)的环路26的模拟电流上，从而保证多个过程变量与同一过程控制环路相耦合。然而，为了充分利用这一系统的效能。在控制室24中的线路必须能够从同一控制环路接收至少多于一个的过程变量。图2示出了根据本发明的一个实施例的位于控制室24内的转换线路40的方框图。转换线路40提供了接口电路，其将来自具有多个数字过程变量的过程控制环路的数据在4-20mA的电流环路上转换为多个单独的模拟过程变量，其中每一环路中的电流都代表数字过程变量中的一个。这保证了在各自的4-20mA的电流环路上可同时监测多个数字化的过程变量。

过程控制室24包含与过程控制环路26相连的电源42。电源42被用于产生流过环路26的电流I_M。敏感电阻器44与环路26串联并在其间具有流过环路26的电流相对应的电压。此电压随着环路26上所附加的数字信号而发生变化并向初级转换器电路48的信号调节电路46提供一个输入。在初级转换器电路48中，微处理器50与模块化数据采集(MODAC)52及存储器54相连，并与供电压V1相耦合。信号调节器46通过射频干扰(RFI)滤波器56与电阻器44相耦合。初级转换电路48通过调节器60和输出级62与次级过程控制环路58相耦合。环路58与供电源64和敏感电阻器66并联，敏感电阻器66向检测线路58提供一个输出压。调节器60向初级转换电路48中所有线路提供可调的电压电平V1。正如本领域中所公知的输出级62控制流过环路58的电流I₁的强度。在运作中，信号调节线路46从初级环路26接收数字信号。MODAC52解码该信号并向微处理器50提供信号。微处理器50根据存在存储器54中的指令运行，下面将对其进行详细描述。微处理器50和MODAC52控制输出级62并提供强度为4-20mA的电流I₁，该电流在环路58中代表接收来自场发射机22的数字过程变量信号。

微处理器50与另外的转换电路80A和80B相耦合，而转换电路80A和80B被用于提供代表从场发射机22接收的其它数字化过程变量的模拟电流。为简而言之，在电路80B间保留了编号，而仅对电路80A的线路进行详细描述。

在电路80A中，MODAC82A借助光隔离器84A和86A从微处理器50接收控制信号及数字信息，而光隔离器84A及86B用于电隔离信号。MODAC82A通过电压调节器90A和输出级92A与电流环路88A相耦合。电流环路88A与供电源94A及敏感电阻器96A相耦合。敏感线路98A并联敏感电阻器96A被耦合。MODAC82A向输出级92A输出代表所接收的数字信号的模拟信号，其控制流过电流环路88A的电流I_A。控制电流I_A以表示从场发射机22所接收的另外的数字化过程变量。在控制室24中的敏感线路98A测量电流I_A因此可以确定从场发射机22所发射的数字化过程变量的值。调节器90A向电源线路80A产生一个可调节的电压电平V_A。

图3为详细描述转换线路48的方框图。信号调节电路46包含通过RFI滤波器56与敏感电阻器44耦合的隔离变压器110。如果电压通过电阻器44超过某一阈值，则过压保护电路57提供一个电压分路。隔离变压器110与发射电路112和接收电路114相连，而发射电路112和接收电路114与MODAC52中的调制调解器116相连。调制解调器116具有与微处理器50相连的发射和接收线路(分别为TXA和RXA)。MODAC52包含与用于产生系统时钟信号的晶体120相连的振荡器118。来自振荡器118的系统时钟信号被提供到微处理器50、调制解调器116、监视器电路122及脉冲宽度调制数模转换器(PWM DAC)124。

微处理器50向监视器电路122提供一个启动监视器电路信号输入，且如果供电电压下降，或如果微处理器50锁住或振荡器118失灵，则监视电路122向微处理器50提供一个重新设定输入。PWM DAC124接收从微处理器50输入的芯片选通输入(CS)，输入数据(DATA IN)输入及数据时钟(DCLK)并向输出级62提供一个脉宽调制数字输出(DACOUT)。

微处理器50同样与光学隔离器86A及86B相连。微处理器50向光学隔离器86A及86B提供芯片选通(CS1，CS2)、数据信号(DATAI，DATA2)、及数据时钟信号(DCLK1，DCLK2)。调节器电路60包含起动电路130、参考电压132、运算放大器134及电源电压监测器138。参考电压132产生电压V1。电源电压监测电路138监测供电压V1并且如果V1下降到低于某一阈值时向监视电路122提供一个输入。

输出级62包含射频干扰滤波器140及142。过压保护电路144在过压状态下与电流环路58跨接并旁通电流环路58。运算放大器146与PWM DAC124(DACOUT)的输出相连并控制用于调节流过环路58的电流I₁的分路148。电阻器150向运算约大器146及分路148提供反馈。

图4为电路80A的更详细的方框图，电路80A通过光学隔离器84A及86A与电路48相耦合。光学隔离器84A的输出包含芯片选通(CS1)、数据时钟(DCLK1)信号及提供到MODAC82A信号中的数据(DATAIN)。芯片选通CS1驱动MODAC82A中的监视电路160A。MODAC82A包含振荡器162A、调制解调器164A及PWM DAC166A。振荡器162A与晶体168A相连并为线路80A提供时钟。PWM DAC受来自光学隔离器84A的数据信号DCLK1控制并向输出级92A提供控制输出(DACOUT)输出级92A包含运算放大器170A、分路172A、敏感元件174A、过压保护电路176A及射频干扰滤波器178A及180A。输出级92A与环路88A相连并且与如上所述的输出级62进行类似的操作。调节器90A包含旁路晶体管190A、参考电压192A，运算放大器174A、起动电路196A及电源电压监测器198A。参考电压192A产生电压VA。调节器90A在与上述的调节器60类似的方式下操作。电路90B与电路90A类似且不再详细描述。

在本发明中，转换器线路40提供多个模拟电流环路输出，这些输出都可被转换为由场发射机22向控制室发射的代表数字过程变量。尤其是，转换器线路40将设置在过程控制室24中。每个环路96A～96B相应地向其它控制电路80A-80B分别提供电源。在一最佳实施例中，每个环路不会消耗大于3.5mA的电流从而环路电流存4-20mA的标准系统中可被控制为最小为4.0mA的水平。该系统通过控制微处理器50而被校准从而获得所需要的4-20mA的范围。校准数据将被存在存储器54中。微处理器50可通过向环路26提供数字信号而被选取。微处理器50监控场发射机22所发射的每个数字过程变量，并适当地调节环路58、88A及88B上的电流。

将结构数据存入存储器54中。此信息被微处理器50用来确认相对应于哪个引入的数字过程变量的哪个次级电流环路被控制。此外，此结构信息被用来存储每个次级电流环路的零及范围信息。

微处理器50使用发射线路112及信号调节线路46来与场发射机联络。微处理器50能够充当主控制器。例如，微处理器50可以轮询与环路26相连的发射机并检测发射机的响应。可对一单独的发射机进行轮询以获得其过程变量。此外，微处理器50可从场仪器获得其过程检定信息。微处理器50在连续修正不受误差影响的过程变量的同时能够确定误差的来源。线路40可被成形为提供被用于控制其它仪器、阀门或控制系统的接点闭合输出端。在一实施例中，多个转换电路40被菊花链或串联连接在一起。例如，微处理器50可将其它的数字过程变量传送到与初级转换电路40相连的次级转换电路40从而提供其它的电流环路输出。此外，其它的转换电路40可跨接同一敏感电阻器44从而监控环路26上的其它的过程变量。

在另一个实施例中，转换线路40可被设置在一发射机终端块处(未示出)。此外，该线路可与诸如场主线规约的过程控制环路上的任一种数字通讯相作用。在另一实施例中，转换线路40监控从多个场发射机发射的数字过程变量，这些发射机成形在多点结构中，在该多点结构中多个发射机全部与同一过程控制环路相连。

在一实施例中，转换线路40可以根据HART^通信规约来假定主机的状态。在此结构中，转换线路40能够发起一个被传送到控制环路26上的场设备的HART^请求。这保证转换电路40在未将场设备设置为猝发传输模式的情况下来从场设备收集数字过程变量数据。这尤其是在多点场设备环路的情况下是特别有用的，而多站场设备环路中的多个场设备是能够发射数字过程变量的。而每个场设备可以被单独轮询以获得随后被转换和发送到适当的次级控制环路的相应过程变量。此外，根据哈特(HART^)通信标准，转换线路40可轮询与环路26相连的发射机并获得每一发射机的结构信息。此结构信息被用于确定例如被每一发射机随着每一过程变量的零及间隔信息发送的过程变量的类型。

虽然已经结合最佳实施例对本发明进行了描述，对本领域中的技术人员会认识到，在形式及细节上可作一些改变，但其都不脱离本发明的精神及范围。例如，除了上面所描述的以外，数字过程变量可以转换为模拟过程变量。此外，也可使用诸如场总线及调制总线等其它模拟及数字通信标准。

Claims

1.一种用于在初级过程控制环路上与场发射机耦合的转换线路，其特征在于包含：

与初级环路耦合用于接收从场发射机发送到初级过程控制环路上的数字过程变量信号并提供数字输出的数字接收机线路；

接收数字输出并相应地提供次级环路控制输出的控制线路；及

用于与次级过程控制环路耦合的次级环路控制线路，该次级过程控制环路包括-用于控制与次级环路控制输出相对应的流过次级环路的电流的电流源，其中在次级环路中的模拟电流与由场发射机提供的数字过程变量信号相关。

2.根据权利要求1所述的线路，其特征在于包括与次级环路耦合并用于接收来自次级环路的能量并驱动转换线路的电源。

3.根据权利要求1所述的线路，其特征在于其中次级环路中的电流被控制在4mA到20mA之间。

4.根据权利要求1所述的线路，其特征在于包括与多个次级过程控制环路耦合的多个次级环路控制电路，其中控制线路向多个次级环路控制电路提供多个次级环路控制输出以相应地控制流过其中的电流。

5、根据权利要求4所述的线路，其特征在于包括多个将控制线路与多个次级环路控制电路耦合并在其间提供隔离的光学隔离器。

6、根据权利要求4所述的线路，其特征在于场发射机提供代表多个过程变量的数字信号且多个次级环路中的每个上的电流与多个过程变量中的一个相关。

7、根据权利要求1所述的线路，其特征在于次级环路控制电路被次级环路的电流所驱动。

8、根据权利要求1所述的线路，其特征在于来自场发射机的数字信号符合哈特(HART^)通信标准。

9、根据权利要求1所述的线路，其特征在于包括被控制线路控制并与初级环路耦合用于相应地将初级环路上的数字信号发送到场发射机的数字发射线路。

10、根据权利要求1所述的线路，其特征在于次级环路控制线路向次级环路提供与报警条件相对应的报警信号。

11、根据权利要求4所述的线路，其特征在于多个场发射机与初级环路耦合，而每个场发射机都发射代表过程变量的数字信号，而多个次级环路中的每一个上的电流都与其中的一个过程变量相对应。