CN202677244U - 过程装置 - Google Patents

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Abstract

过程装置包括：用于至少部分地基于过程装置测量的过程变量，确定过程装置的期望总功率消耗的装置；用于将次级负载消耗的功率调节到期望总功率消耗的一部分的装置；以及用于调节分流电阻器中的功率耗散，以使过程装置的总功率消耗等于期望总功率消耗的装置。本实用新型允许对次级子系统进行选择性的控制，以按需将可用功率用于增加的功能和处理器速度，并且可以扩展本实用新型以处理多种附加的非关键负载。

Description

过程装置
技术领域
本实用新型涉及过程装置。
背景技术
很多工业过程装置在双线控制回路上工作，其中，基于感应器(sensor)读数或期望的致动器(actuator)状态，电流在4至20mA范围变化。在感应器的情况下，与过程装置相连的主机通过测量控制回路电流确定测量值。在致动器的情况下，控制室向过程装置提供电流，该电流指示了期望的致动器状态。
主机位于控制室内，向双线设备提供大约直流24V。对于感应器，可以通过测量诸如3.5mA或20.5mA之类的越界电流来完成简单的诊断。在控制室和设备之间可能存在长达数英里乃至更长的电缆，从而由于配线的电阻而导致小的电压降。设备中的电子设备将电压调节到诸如12V之类的标称值，以向感应器和微处理器供电。
微处理器进行感应器测量，并且确定必需的电流值。微处理器使用数模转换器(DAC)控制控制放大器和控制晶体管来消耗流过分流电阻器的电流，以使电子设备和分流电阻器的总电流消耗是合适的值。使用高精度感测电阻器来形成反馈环，该高精度感测电阻器对过程装置的总电流消耗进行测量以确保报告精确值。
过程装置的传统设计技术指出仅仅应当实现可使用最小电流(3.5mA)完成的功能。这是由于过程装置工作所处环境的本质造成的。这些设备是非常低功率的，经常被安装在远程位置，并且如果它们发生故障的话，将使整个工作停止。因此，过程装置在可用功率的下限处可完全工作是必要的。
虽然设备必须在3.5mA下工作，但是它可能在高达20mA下工作。这意味着在分流电阻器中将浪费16.5mA或更多的可用功率。
这种电流的一种用途是为过程控制装置提供LED背光。过去提供这种特征的方法是用LED替代分流电阻器。虽然这种方法确实提供了背光，但是没有对背光灯的亮度进行控制。在4mA下，背光是暗淡的，而在20mA下，背光可以极度明亮。
实用新型内容
本实用新型申请旨在至少部分地解决现有技术中的一个或多个上述问题，例如用以实现对多余可用功率的独立控制。
一个实施例是一种过程装置，包括：用于至少部分地基于过程装置测量的过程变量，确定过程装置的期望总功率消耗的装置；用于将次级负载消耗的功率调节到期望总功率消耗的一部分的装置；以及用于调节分流电阻器中的功率耗散，以使过程装置的总功率消耗等于期望总功率消耗的装置。
用于确定期望总功率消耗的装置可以包括微处理器。
用于调节次级负载消耗的功率的装置可以包括与数模转换器相连的次级功率控制电路。
用于调节分流电阻器中的功率耗散的装置可以包括与数模转换器相连的初级功率控制电路。
根据本实用新型的实施例，对多余可用功率的独立控制向双线过程装置提供了附加的益处。本实用新型允许对次级子系统进行选择性的控制，以按需将可用功率用于增加的功能和处理器速度，并且可以扩展本实用新型以处理多种附加的非关键负载。
附图说明
图1是包括用于驱动次级负载的第二控制放大器的过程装置的图。
图2是包括用于驱动次级负载的、具有可调增益的第二控制放大器的图1中过程装置变体的图。
图3是包括用于增加微处理器时钟速度的第二控制放大器的图1中过程装置变体的图。
图4是包括用于增加提供给传感器的功率的第二控制放大器的图1中过程装置变体的图。
图5是包括多个次级负载的过程装置的框图。
具体实施方式
根据一个实施例，图1是过程装置10的图，该过程装置10包括用于驱动次级负载的第二控制放大器。传感器(transducer)12与发送器电子设备14相连。发送器电子设备14可以包括诸如A/D转换器16和隔离18之类的组件，来调节传感器12的输出以被微处理器20读取。微处理器20基于传感器12测量的过程变量，确定必需的总回路电流，并且将信号提供给与合适的总回路电流相关的数模转换器(DAC)22。对于4-20mA的回路电流，典型的DAC输出值是1-3V。DAC 22的输出通过反馈电路23与控制放大器24相连。
反馈电路23包括电阻器23a-23c以及电容器23d-23e。电阻器23a和23b与DAC 22相连。电阻器23a也与电阻器23c和电容器23d相连。电容器23d的另一端与电阻器23b相连。电阻器23c与控制放大器24的非反相输入相连。电容器23e连接在控制放大器24的反相输入和输出之间。
控制放大器24的输出与控制晶体管26相连。控制晶体管26与分流电阻器28相连。分流电阻器28与感测电阻器32共享地接点30。感测电阻器32往回连接至电阻器23b和电容器23d，以形成用于控制回路电流(IL)的反馈环。端子34a和34b分别与控制晶体管26和感测电阻器32相连。功率子系统36也与端子34a相连，并且提供必要电路以调节和提供过程装置10使用的电源轨(rail)(例如，10-15V、4V、3V等等)。
反馈电路23、控制放大器24和控制晶体管26一起构成用于调节分流电阻器28中功率耗散的初级功率控制电路。备选地，该初级功率控制电路可以是本领域普通技术人员理解的多种其它模拟控制电路。
根据本实施例，次级负载38与DAC 22的输出相连。在一些实施例中，包括开关40以允许微处理器20在必要时使能或禁用次级负载38。DAC 22与包括电阻器42和44的分压器相连。分压器与控制放大器46相连，控制放大器46与控制晶体管48相连。控制放大器46和控制晶体管46构成用于调节次级负载功率消耗的次级功率控制电路。备选地，该次级功率控制电路可以是本领域普通技术人员理解的多种其它模拟控制电路。
在本实施例中，次级负载是一个或多个LED 50(为简单起见，仅画出了一个LED)。控制晶体管48通过LED 50与正电压轨(在一些实施例中是4V)相连，并且通过电阻器52接地。可以将LED 50用作过程装置上显示器的背光灯，并且LED 50是次级负载的一个示例。
在最小功率的场合，过程装置10需要1.5-2.7mA的基电流需求以操作传感器12和微处理器20。这意味着：少至0.8-2mA的额外电流必须通过分流电阻器24释放或者用于诸如LED 50之类的次级负载。在最大功率的场合，这增加到多达19mA。
次级负载38允许对经过LED 50的电流进行独立调节的控制。次级负载38从DAC 22接收初级模拟控制信号，以允许对经过LED 50的电流进行独立控制。这允许LED 50以受控的亮度来工作，以使闪烁最少。也可以基于所测量的状态、故障状况、可用功率或来自过程装置上用户接口的命令，选择性地开通或关断LED 50。
对多余可用功率的独立控制向双线过程装置提供了附加的益处。过去，双线过程装置设计的基本原理是：如果某一功能可以在最小功率(3.5mA减去1.5mA-2.7mA的最小所需基本电流)完成，那么事实上根本不会完成该功能。本实用新型允许对次级子系统进行选择性的控制，以按需将可用功率用于增加的功能和处理器速度，并且可以扩展本实用新型以处理多种附加的非关键负载。
所描述的体系结构允许在设计时进行决策以将回路电流的预先确定部分路由至次级负载，否则该预先确定部分将在分流电阻器28中释放。例如，假设对于4-20mA的回路电流，需要1-6mA的LED电流。选择5欧姆电阻用于电阻器52，导致控制放大器46的输入电压范围为5-30mV。用于4-20mA回路电流的DAC 22输出是1-3V。电阻器42和44的值可以分别是95k欧姆和5k欧姆，以产生期望的LED电流。
该方法提供多种益处。可以选择性地开通和关闭LED 50。在一些实施例中，可以仅在特定回路电流下使能LED 50。可以使用开关40的脉冲宽度调制来控制亮度。开关40也可以用于使LED 50闪烁来指示错误状态。
虽然过程装置可以具有4-20mA的范围，但是通常过程变量处于其范围的中间。先前的设计着重于提供仅可以在最小回路电流下完成的功能。此处，可以选择性地在典型的较高工作电流下使能次级系统，而在较低的回路电流下禁用次级系统。这允许过程装置10在可以支持附加功能时选择性地调用它们。
通过DAC控制自动地调节LED电流，使得这对于过程装置10中的微处理器20和其余电路而言是透明的。这消除了通过分流电阻器28消耗功率而可能引起的闪烁。故障模式是良性的，因为LED电路与主过程装置电流控制回路相分离。这避免了改变过程装置10电路的关键部分(分流电阻器28)。维持现有的分流电路设计避免了内在安全(IS)问题。
LED的典型用途是作为附于过程装置10的显示器上的背光灯。这种体系结构允许添加LED作为可选显示器模块，而不用改变电路的其余部分。典型地，在分流电阻器28中耗散过量的功率。修改分流轨迹和电阻器元件来容纳附属模块，会引起内在安全(IS)问题，为此需要付诸大量的设计、确认和认证。该构造通过保持现有分流电路设计避免了该问题，并且不需要将分流轨迹路由到显示器模块以实现附加照明。
根据另一实施例，图2是过程装置100的图，过程装置100是(图1中的)过程装置10的变体，包括用于驱动次级负载的可调增益。图2中使用相似的参考标记来指示与图1中所示元件相似的元件。次级负载102通过开关104与DAC 22的输出相连。开关104与可变电阻器106相连。微处理器20控制开关104和可变电阻器106。可变电阻器106与电阻器108一起构成在控制放大器110的输入处的分压器。控制放大器110与控制晶体管112相连。控制晶体管112通过LED 114与正电压轨相连，并且通过电阻器116与地接点相连。
当电流流经LED114、控制晶体管112、电阻器116时，在电阻器116上将会出现电压。到控制放大器110的反馈环将确保电阻器116上的电压匹配电阻器108上的电压。通过改变可变电阻器106的值，在DAC 22的任意给定输出下分压器的操作以及电阻器108上的电压降将改变。这样，微处理器20可以控制经过次级负载的电流。在LED为次级负载的情况下，这种调节可以用于减低亮度。
图3是过程装置200的图，过程装置200是(图1中的)过程装置10的变体，包括用于增加微处理器时钟速度的第二控制放大器。图3中使用相似的参考标记来指示与图1和2所示元件相似的元件。次级负载202通过开关204与DAC 22的输出相连。开关204由微处理器20控制，并且与电阻器206和208构成的分压器相连。控制放大器210在输入处与分压器相连，在输出处与控制晶体管212相连。控制晶体管212与正电压轨相连，并且通过电阻器214接地。用于次级负载的反馈电路的操作与针对图1和2实施例所描述的反馈电路操作相同。
压控振荡器216为微处理器20提供时钟。压控振荡器216的电压输入是加法器218，该加法器218将正电轨的电压与次级负载控制电路的输出电压相加。当使能次级负载时，振荡器216处的电压升高，进而时钟速度升高。这允许微处理器20基于回路电流选择性地升高其处理能力。当更多功率可用时，微处理器20能够通过升高其处理能力来运行附加的任务。
图4是过程装置300的图，过程装置300是(图1中的)过程装置10的变体，其可以向传感器提供附加的功率。图4中使用相似的参考标记来指示与图1-3所示元件相似的元件。次级负载302通过开关304与DAC 22的输出相连。开关304受微处理器20控制，并与电阻器306和308构成的分压器相连。该分压器与控制放大器310相连。控制放大器310与控制电阻器312相连。控制电阻器312与正电压轨相连，并且通过电阻器314接地。该控制电路的操作等同于参考图1-3描述的操作。
电阻器314也通过隔离316与传感器12相连。这允许微处理器20在传感器12内选择性地提供附加功率或激励诸如加热器之类的子系统。这样做的目的包括维护传感器12或在传感器12上完成高级诊断。这种体系结构允许：基于回路电流增加提供给传感器12的功率，或者在诸如阈值回路电流之类的特定条件下提供功率。
根据另一实施例，图5是包括多个次级负载子系统的过程装置400的框图。传感器410与发送器电子设备412相连。发送器电子设备412与微处理器414相连，微处理器414进而与DAC 416相连。DAC 416与初级功率控制电路418相连。初级功率控制电路418与端子420a-420b相连。次级负载422a-422c均与DAC 416和微处理器414相连。这样，任意数量的次级负载可以与过程设备400相连，并且在工作期间可以由微处理器414选择性地单独或共同使能。
所描述的次级负载的实施例仅是说明性的。可以使用任意数量的可能次级负载。此外，可以在单个过程装置中包括任意数量的次级负载。对诸如用于背光的LED之类的次级子系统的独立控制，或升高处理器功率用于附加任务，允许过程装置提供附加功能。
尽管已经参考示例性实施例描述了本实用新型，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型范围的情况下，可以进行各种改变，并且等同物可以替代本实用新型的元件。此外，在不背离本实用新型实质范围的情况下，可以进行各种修改来使具体情况或材料适应本实用新型的教导。因此，本实用新型并不局限于所公开的具体实施例，而是包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (4)

1.一种过程装置，其特征在于包括：
用于至少部分地基于过程装置测量的过程变量，确定过程装置的期望总功率消耗的装置；
用于将次级负载消耗的功率调节到期望总功率消耗的一部分的装置；以及
用于调节分流电阻器中的功率耗散，以使过程装置的总功率消耗等于期望总功率消耗的装置。
2.如权利要求1的过程装置，其特征在于，用于确定期望总功率消耗的装置包括微处理器。
3.如权利要求1的过程装置，其特征在于，用于调节次级负载消耗的功率的装置包括与数模转换器相连的次级功率控制电路。
4.如权利要求1的过程装置，其特征在于，用于调节分流电阻器中的功率耗散的装置包括与数模转换器相连的初级功率控制电路。
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