CN203217331U - 持续供电的现场设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于过程控制系统的持续供电的现场设备，其包括现场设备外壳、设置在现场设备外壳内部或连接到现场设备外壳的主电源端口和包括第一电源终端、第二电源终端和第三电源终端的电源切换模块。所述第一电源终端耦合到所述主电源端口，所述第三电源终端被配置成将施加到所述第三电源终端的电能传递到现场设备的至少一部分。所述电源切换模块在第一操作状态下可操作为将所述第一电源终端耦合到所述第三电源终端，且所述电源切换模块在第二操作状态下可操作为将所述第二电源终端耦合到所述第三电源终端。

Description

持续供电的现场设备
技术领域
本实用新型一般地涉及用于过程控制系统的装置，更具体地，涉及在过程控制系统中向现场设备提供持续供电的装置。
背景技术
例如在化工、石油或其他过程中使用的过程控制系统通常包括一个或多个经由模拟、数字或混合模拟/数字总线通信地耦合到至少一个主机工作站和一个或多个过程控制和测量设备的集中或分散式过程控制器。现场设备例如阀门、阀定位器、开关、发射机和传感器(例如温度、压力或流速传感器)在该过程中执行各种功能，例如打开或关闭阀门或测量过程参数。过程控制器接收(通过通信总线)指示过程测量值或由现场设备做出的或与现场设备相关联的过程变量的信号，基于接收到的信息执行控制例程，并产生经一个或多个总线向现场设备发送的控制信号来控制过程的操作。典型地，使得来自现场设备和控制器的信息对一个或多个由主机工作站执行的应用是可用的，从而使得操作者能够执行期望的关于该过程的功能，例如查看过程的当前状态，修改该过程的操作等。
执行一个或多个过程控制功能的“智能”的现场设备已经逐渐在过程控制工业中盛行。除了执行过程内的基本功能(例如监控温度或控制阀门位置)之外，每个智能现场设备包括存储器和微处理器。存储器存储与设备有关的数据，而微处理器与控制器和/或其他设备通信，和/或执行辅助任务，例如自校准、识别、诊断等。一些标准的、开放的、数字的或混合数字和模拟的通信协议，例如高速可寻址远程传感器数据通路(HART
Figure BSA00000863091300021
)，
Figure BSA00000863091300022
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FOUNDATIONTM现场总线，WORLDFIP
Figure BSA00000863091300024
，DeviceNet
Figure BSA00000863091300025
以及控制器局域网(CAN)协议已经开发出来以使不同制造商生产的智能的现场设备在执行一个或多个过程控制功能的时候能够互相通信。尤其是，无线网状网络例如WirelessHART
Figure BSA00000863091300026
和国际自动化协会的(ISA)100.11a标准网络已经在过程控制系统中越来越流行。
过程控制系统中不同的设备或功能块典型地被配置成互相通信的(例如通过无线网状网络)，以构成一个或多个过程控制回路，其中的单独的操作扩展在整个过程中并因此被分散化。为保持整个过程的高效运作，并由此减少工厂停机和损失利益，与过程控制系统关联的设备必须正确可靠地运行。典型地，一个或多个有经验的人为操作者有责任确保过程控制系统内的设备高效地运作，以及负责修理或替换出故障的设备。
作为这一责任的一部分，这些操作者典型地必须保证过程控制系统中的现场设备正确地供电。典型地，使用无线网络的现场设备包括基于电池的供电模块来防止在车间环境下限制设备的放置。当存储在设备供电模块中的电能耗尽至低于某一特定水平(例如低于某一特定电压水平，或低于供电模块最大电压的某一百分比)时，操作者可以经由主机工作站接收一低电压指示。然后，操作者移除耗尽的供电模块并安装充满电的替换供电模块。
可是，在移除旧的模块和安装新的模块之间的时间期间，设备经历了一个“停机时间”，在此期间该设备没有任何供电来源。设备的停机时间可能对过程控制系统具有一些危害性的影响。首先，由于现场设备在这一停机时间内是不可使用的，该现场设备的任何基本功能都不能执行。例如，监控现场设备将在该设备的停机时间内停止收集数据(例如传感器数据)。另一例子是，阀定位器设备将在该设备的停机时间内停止为正确定位阀门而增加或减少空气压力。而且，在一些过程控制系统中，现场设备的停机时间导致有关于系统内的其他设备的数据的丢失和/或延迟。例如，现场设备的停机时间可能引起掉电设备可能通常转发到或从其他现场设备和/或控制器转发来的数据的丢失或增加的传播延迟。而且，一些现场设备能执行对于过程控制系统关键的功能，当该设备掉电时可能引起整个系统变得临时瘫痪。对于许多过程控制系统，由于一旦安装一个新的供电模块，现场设备重新加入网络占用的大量时间，和/或由于一旦该现场设备已经重新加入网络，该过程控制系统高效重组自身所占用的大量时间，将导致这类问题进一步恶化。在一些情况下，例如这样的问题可引起网络以及使用这些网络的过程控制系统很长的一段时间(例如多个小时)不工作或操作无效率。
实用新型内容
在更换电源的过程中，设备经历了一个“停机时间”，在此期间该设备没有任何供电来源。而且，在一些过程控制系统中，现场设备的停机时间导致有关于系统内的其他设备的数据的丢失和/或延迟。因此，如果能够提出一种用于过程控制系统的持续供电的现场设备，那将是非常有益的。
本实用新型公开了一种用于过程控制系统的持续供电的现场设备，所述现场设备包括：现场设备外壳；主电源端口，其设置在所述现场设备外壳内部或连接到所述现场设备外壳；和电源切换模块，其包括第一电源终端、第二电源终端和第三电源终端，其中所述第一电源终端耦合到所述主电源端口，所述第三电源终端被配置为将施加到所述第三电源终端的电能传递到所述现场设备的至少一部分，所述电源切换模块在第一操作状态下可操作为将所述第一电源终端耦合到所述第三电源终端，以及所述电源切换模块在第二操作状态下可操作为将所述第二电源终端耦合到所述第三电源终端。
具体地，所述主电源端口被配置为经由所述主电源的可拆卸的联结器而耦合到主电源。
具体地，所述电源切换模块处于所述第二操作状态，当：
-所述第二电源终端耦合到备用电源，并且
-所述主电源端口i)没有耦合到主电源，或者ii)在所述主电源不能提供门限电压水平时耦合到所述主电源。
更具体地，所述备用电源永久地耦合到所述第二电源终端。
更具体地，所述备用电源包括从包含电池、电容和储能ASIC的组中选择出的至少一个。
具体地，所述电源切换模块是包括一组二极管的模拟开关，并且所述门限电压水平等于所述备用电源的电压水平加上对应于所述的一组二极管的压降失配的偏移电压。
具体地，所述电源切换模块是数字开关，并且所述门限电压水平是预定的门限电压水平。
具体地，所述电源切换模块是可手动控制的开关。
具体地，所述的持续供电的现场设备，还包括备用电源端口，其设置在所述现场设备外壳内部或连接到所述现场设备外壳，并且耦合到所述第二电源终端，其中，所述备用电源端口被配置为经由可拆卸的联结器而耦合到备用电源。
更具体地，所述电源切换模块处于所述第一操作状态，当：
-所述第一电源终端经由所述主电源端口耦合到主电源，并且
-从包含i)所述备用电源端口没有耦合到所述备用电源和ii)
所述主电源的电压高于门限电压水平的组中选择至少一个；以及
所述电源切换模块处于所述第二操作状态，当：
-所述第二电源终端经由所述备用电源端口耦合到所述备用电源，并且
-所述主电源端口i)没有耦合到所述主电源，或者ii)在所述主电源不能提供所述门限电压水平时耦合到所述主电源。
具体地，所述的持续供电的现场设备，还包括处理器和通信地耦合到所述处理器的网络接口。
更具体地，所述网络接口被配置为根据无线网状网络协议通信。
更具体地，所述网络接口产生指示，所述指示与耦合到所述主电源端口的主电源的电压有关，并经由无线网络被发送到工作站。
依据本实用新型所述的持续供电的现场设备尽管替换了主电源，但是仍可实现现场设备的持续供电。
附图说明
图1是在其中可以实现在此描述的示例性的方法和装置的示例性的过程控制系统的框图。
图2是在例如图1的示例性的系统的过程控制系统之内的示例性的现场设备的框图。
图3是在例如图1的示例性的系统的过程控制系统之内的另一示例性现场设备的框图。
图4是例如图2的示例性的现场设备的现场设备的示例性电源切换模块的原理图。
图5A和5B是示例性的现场设备的内部结构的透视图，其分别示出了处于移除的和安装的位置的示例性的主供电源。
具体实施方式
图1示出了在此描述的示例性的方法和装置可在其中执行的示例性的过程控制系统5。该过程控制系统5可以包括工业或制造车间、工厂、传感器网络或任何其他的使用过程控制技术的环境的过程控制环境或者是其一部分。图1示出的过程控制系统5包括根据一个或多个工业自动化协议操作的通信网络10。特别地，通信网络10可以包括有线车间自动化网络12，其根据工业自动化协议(例如HART，PROFIBUS DP(分散的外设)等)或一些其他的通信协议(例如以太网，RS-485等)使用或操作。该通信网络10还可以包括无线车间自动化网络14，其根据无线工业自动化协议使用或操作，该无线工业自动化协议例如WirelessHART或ISA100.11a协议，或其他支持过程控制系统5的现场设备之间直接通信的无线网络协议。为清楚表达起见，在此的讨论涉及WirelessHART通信协议，但是在此描述的技术和原理可应用到使用除WirelessHART之外或替代WirelessHART的其他无线工业自动化协议的无线车间自动化网络，或应用到仅仅使用有线通信的网络。
尽管图1将通信网络10描绘成包括有线车间自动化网络12和无线车间自动化网络14两者，但是替代地，通信网络10可以仅仅包括有线车间自动化网络12或仅仅包括无线车间自动化网络14。在一个实施例中，无线车间自动化网络14是无线网状通信网络。
有线车间自动化网络12可以包括经由通信骨干网20连接的一个或多个固定主机工作站16和一个或多个便携式主机工作站18。网关22可被以有线方式连接到通信骨干网20，并可与该有线车间自动化网络12使用合适的协议通信。网关22可实现为单独的设备、可插入到主机工作站16或18中的一个的扩展槽的卡、可编程逻辑控制器(PLC)系统或分布式控制系统(DCS)的输入/输出(I/O)子系统的一部分、或任意其他的形式。对于在有线车间自动化网络12上运行的应用，网关22可提供到无线车间自动化网络14的各种设备的访问。除了协议和命令转换，网关22可提供无线车间自动化网络14的调度机制的时隙和超帧(即，时间上等间隔的通信时隙的集合)所使用的同步时钟。
在一些实施例中，网关22在功能上被划分成虚拟网关24和一个或多个网络接入点25。在图1所示的过程控制系统5中，网络接入点25是与网关22进行有线通信的分离的物理设备。替代地，元件22-26可替代地作为集成设备的一部分，和/或连接26可以是无线连接。物理上分离的网络接入点25可策略性地位于几个不同的位置，由此通过补偿在一个或多个网络接入点25位置上的弱信号质量来增强通信系统10的总可靠性。在一个或多个网络接入点25故障的情况下具有多网络接入点25还提供了冗余。
网关设备22可附加地包括网络管理器软件模块27和安全管理器软件模块28。在另一实施例中，网络管理器软件模块27和/或安全管理器软件模块28可运行在有线车间自动化网络12上的主机工作站上。例如，网络管理器软件模块27可运行在固定主机工作站16上，且安全管理器软件模块28可运行在便携主机工作站18上。网络管理器软件模块27可负责举例来说例如配置通信网络10、调度多个WirelessHART设备(例如配置超帧)之间的通信、路由表管理、以及监控并报告无线车间自动化网络14的健康这些任务。如果能够支持冗余网络管理器软件模块27，那么示例性的实施例中每个无线车间自动化网络14仅包括一个活动的网络管理器软件模块27。举例来说，安全管理器软件模块28可负责管理和分配安全加密密钥并且可以维护被授权加入该无线车间自动化网络14和/或有线车间自动化网络12的设备的列表。
无线车间自动化网络14还包括一个或多个现场设备30-40。每个现场设备30-40可以例如是阀门、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压力或流速传感器)、泵、风扇等，或者两个或多个这些设备的组合。举例来说，现场设备执行控制、监控、和/或过程或过程控制回路之内的实际功能，例如打开或关闭阀门或进行过程参数的测量。在示例性的无线车间自动化网络14中，现场设备30-40还可以是例如WirelessHART分组的无线通信分组的产生设备或消耗设备。现场设备30-40的部分或全部另外可用作来自其他设备和发送到其他设备的消息的路由器。
在图1中所示的示例性的过程控制系统5中，被配置为跟踪过程控制环境的资产的资产跟踪主机41连接到网络43，网络43接下来经过路由器44连接到有线车间自动化网络12。举例来说网络43可以是例如万维网(WWW)的公用网络，例如私有LAN的私有网络，或一个或多个私有和/或公用网络的一些组合。替代地，资产跟踪主机41可属于车间自动化网络12或属于无线车间自动化网络14，且网络43和路由器44可省略掉。
现场设备30-36可以是WirelessHART设备，即意味着现场设备30、32、34、36的每个被提供为支持WirelessHART协议栈的所有层的集成单元。例如，现场设备30可以是WirelessHART流量计，现场设备32可以是WirelessHART压力传感器，现场设备34可以是WirelessHART阀定位器，以及现场设备36可以是WirelessHART振动传感器。现场设备38可以是传统的4-20毫安设备，且现场设备40可以是有线HART设备。在图1所示的示例性的过程控制系统5中，现场设备38和40的每个经由WirelessHART适配器(WHA)50连接到无线车间自动化网络14。每个WHA50还可支持其他通信协议，例如FOUNDATION现场总线、PROFIBUS、DeviceNet等，在这些情况下，WHA50支持在协议栈的低层上的协议转化。单个WHA50可附加地起复用器的作用并支持多个HART或非HART设备。
车间员工可使用手持或便携式通信设备用于建立、安装、控制、监控和/或维护网络设备和其他车间装置。通常来说，手持设备是可直接连接到无线车间自动化网络14或通过网关22连接到无线车间自动化网络14上作为有线车间自动化网络12上的主机的便携式装置。在图1所示的示例性的过程控制系统5中，手持设备55与无线车间自动化网络14直接通信。举例来说，当使用构成的无线车间自动化网络14操作时，手持设备55可加入该无线车间自动化网络14作为另一个WirelessHART现场设备。当使用没有连接到WirelessHART网络的目标网络设备操作时，手持设备55可通过与目标网络设备形成自有WirelessHART网络而操作为网关设备22和网络管理器软件模块27的组合。
示例性的过程控制系统5的无线车间自动化网络14还包括路由器设备60。路由器设备60是一种将分组从一个网络设备转发到另一个的网络设备。作为路由器的网络设备使用内部路由表来确定路由网络设备应当将特定分组转发到的另一网络设备。在无线车间自动化网络14上的其他设备支持路由时，可不需要例如路由器60的单独的路由器。但是，例如向无线车间自动化网络14添加专用路由器60来扩展网络或节省网络中的现场设备的功率是有益的。
所有直接连接到无线车间自动化网络14的设备可被称为无线车间自动化网络14的网络设备。特别地，为了路由和调度的目的，WirelessHART现场设备30-36、WHA50、路由器60、网关22、网络接入点25以及手持设备55可被称为无线车间自动化14的网络设备。为提供非常鲁棒并且容易扩展的网络，所有网络设备可支持路由，并且每个网络设备可由其HART地址全局地识别。此外，网络管理器软件模块27可包括网络设备的完整列表并且为每个设备分配一个网络唯一的名称(例如16比特的名称)。进一步地，每个网络设备可存储有关更新速率、连接会话以及设备资源的信息。简而言之，每个网络设备可维护有关路由和调度的最新信息。在一些实施例中，每当新的设备(例如新的现场设备)加入了该网络或每当网络管理器检测到或发起了拓扑上的变化或者无线车间自动化网络14的调度，网络管理器软件模块27则将这一信息通信到网络设备。
除了产生、接收和/或转发与过程控制系统5的主要操作有关的数据(例如温度传感器数据、用于控制阀位置的数据等等)，过程控制系统5的设备可使用该无线车间自动化网络14与过程控制系统5中的设备的维护有关的数据通信。例如，当现场设备工作不正常时(例如当阀定位器的随动阀门不可用)，或者处于不当操作的危险(例如当设备的供电模块的电压低于某一预定水平时)中时，现场设备可将数据发送到主机。作为另一例子，现场设备可持续或定期地向主机工作站发送与正确操作有关的某些数据(例如指示当前供电模块电压水平的数据)。接收这样的数据的主机(例如主机工作站16或18)可根据该数据经由图形用户接口(GUI)显示指示符，由此允许操作员采取合适的更正或预防措施。
图2是示例性的现场设备100和根据本实用新型的第一个公开示例组装的电源切换模块150的框图。现场设备100和电源切换模块150优选地结合在例如图1所示的示例性的过程控制系统5的过程控制系统之内。举例来说，现场设备100可以是图1中的现场设备30-36中的一个，或可以是过程控制系统中采用的任何其他现场设备。现场设备100包括一个包含网络接口110的现场设备外壳104，该网络接口被配置为根据该现场设备所在的过程控制系统的特定的无线通信协议发送和/或接收信号。举例来说，在一些实施例中，无线通信协议是无线网状网络协议，如WirelessHART或ISA100.11a协议。
在一些实施例中，网络接口110包括收发器(未示出)。该收发器典型地包括一个或多个处理器(也未示出)用于根据该过程控制系统所使用的无线通信协议执行与物理(PHY)层和其他层(例如介质访问控制(MAC)层)任务有关的指令。网络接口110可耦合到天线114或者替代地耦合到多个天线。经由天线114，网络接口110根据该无线通信协议发送和/或接收数据分组。网络接口110优选地被配置为既发送又接收数据分组。
示例性的现场设备100的网络接口110通信地耦合到处理器120，该处理器依次通信地耦合到存储器124和过程功能块130。过程功能块130完成过程控制系统内的现场设备100的基本功能。例如，在现场设备100是阀定位器设备的场合，过程功能块130可包括根据来自处理器120的控制信号控制到该阀门的气压输出的滑阀。另外一例子，在现场设备100是一个温度传感器设备的场合，过程功能块130可包括一个或多个温度感应传感器，其用于将温度转换为发送至处理器120的数字信号。例如，存储器124可存储与过程有关的变量(例如处理器120从过程功能块130接收的以前的传感器测量值，处理器120经由网络接口110从网络接收的将来的控制值等)，和/或可存储与网络(例如，图1的无线车间自动化网络14)有关的路由和/或调度数据。尽管图2的示例性的现场设备100包括一个处理器120，其他的实施例可包括两个或多个执行处理器120的功能的处理器。替代地，现场设备100可包括不仅执行处理器120的功能，而且执行网络接口110所需的任意处理的单个处理器。此外，过程功能块130所需的任意附加的处理可由该处理器120或者由一个或多个分离的处理器来执行。
示例性的现场设备100还包括主电源端口140，其被配置成经由主电源142的可拆卸的藕接头143耦合到主电源142。主电源142可以是在现场设备100正常操作过程中存储能量以及能够为现场设备100供电(即，当提供足够水平的电流时能够提供适当的电压水平)的任意设备、模块等。在一个实施例中，主电源142包括一个或多个电池(例如锂亚硫酰氯电池)。在另一实施例中，主电源142是包含一个或多个电池的自备供电模块。举例来说，主电源142可包括一供电模块，其具有在其中安装一个或多个电池的外壳，和/或具有在其上安装一个或多个电池的面板或其他表面。
主电源端口140包括至少两个传导性的、电绝缘的接触区域，以经由主电源142的可拆卸的联结器143可导电地耦合到该主电源142。主电源端口140可具有各种形式的任意一种。例如，主电源端口140可包括与主电源142的可拆卸的联结器143配合的电连接器的一组引脚或引脚收容槽，相应地，主电源142的可拆卸的联结器143是一组的引脚收容槽或引脚。作为另一个例子，主电源端口140可包括简单地啮合/接触到可拆卸的联结器143的传导性(例如金属)的表面的传导性(例如金属)表面，其中，可拆卸的联结器143是主电源142的一系列电绝缘的金属表面(例如电池电极)。在主电源端口140包括电连接器的实施例中，电连接器可被布置在现场设备外壳104内部(例如只有通过打开现场设备外壳104才能接触到)，或可被连接到现场设备外壳104(例如安装在现场设备外壳104的外表面上，或经由电缆连接到现场设备外壳104)。
在一个实施例中，主电源142在正常操作过程中将电能提供给整个现场设备100。可选择地，现场设备100的一部分可能不由主电源142供电。例如，现场设备100可包括一个或多个仅通过集成在现场设备100内的电池供电的组件模块或电路。
为确保在移除主电源142(例如，来替换耗尽的主电源142)时，现场设备100保持供电充足并工作正常，示例性的现场设备100还包括备用电源端口144，其被配置为经由备用电源146的可拆卸的联结器147而耦合到备用电源146。类似于主电源142，备用电源146可以是存储能量并能够充分地为现场设备100(或者为它们的一部分)供电的任意设备、模块等。例如，备用电源146可以是与在前描述的有关主电源142的各种供电源相类似。举例来说，备用电源146可以是与主电源142同种类型的供电源。
备用电源端口144包括传导性的、电绝缘的接触区域以电气耦合到备用电源146。举例来说，该备用电源端口144和可拆卸的联结器147可以是类似于在前描述的关于主电源端口140和可拆卸的联结器143的各种电源端口和可拆卸的联结器中的任一个。在一个实施例中，备用电源端口144包括两个或多个传导性的、突出结构(例如柱体、凸缘等)，可拆卸的联结器147包括一系列引线(如具有用于附接到该突出结构的夹子)。在这一示例性的实施例中，可拆卸的联结器147可包括附接到(如夹持到)电源模块142的引线。安装该备用电源146的人员可将该引线连接到备用电源端口144的突出结构上。
在一个实施例中，将主电源端口140和备用电源端口144放置于某处以使备用电源146能够自由地安装和拆卸而不干扰主电源142的安装和拆卸，反之亦然。在主电源端口140和备用电源端口144中的一个或主电源端口140和备用电源端口144两者包括经由电缆连接到现场设备外壳104的连接器的实施例中，以这样的方式放置主电源端口140和备用电源端口144通常是简单直接的(即，可简单地将电缆移开到不受影响的位置)。然而，在主电源端口140和备用电源端口144包括处在现场设备外壳104之上或现场设备外壳104内部的连接器或接触面的实施例中，端口140、144的放置可能是至关重要的，在某种程度上取决于主电源142和备用电源146的尺寸和形状，现场设备外壳104的内部和外部形状，以及主电源142和备用电源146安装时的朝向。
示例性的现场设备100还包括电源切换模块150，其具有至少一个第一电源终端152、第二电源终端154和第三电源终端156。电源终端152、154、156中的每个可以是物理连接器或简单地是电气连接点(例如，沿着耦合到电源切换模块150的传导线、迹线或平面的任一个位置)。电源切换模块150经由第一电源终端152电气耦合到主电源端口140，经由第二电源终端154电气耦合到备用电源端口144，以及经由第三电源终端156电气耦合到电压调节器160。
电源切换模块150被配置成在将主电源端口140电气耦合到第三电源终端156(经由第一电源终端152)和将备用电源端口144电气耦合到第三电源终端156(经由第二电源终端154)之间切换，由此允许主电源142或备用电源146的任一个在第三电源终端156处提供电能。电源切换模块150将结合图4在下面进行更详细地讨论。
现场设备100还包括电压调节器160，其接收由主电源142或备用电源146(根据电源切换模块150的状态)提供的电能作为输入，并在输出终端164处提供调节好的电压。举例来说，输出终端164可直接地耦合到现场设备100的各种模块和/或电路，或可经由附加的滤波和/或调节器耦合到该模块和/或电路。在一些实施例中，输出终端164将电能传递到整个现场设备100。在其他的实施例中，输出终端164将电能仅传递到现场设备100的一部分(例如，仅仅是过程功能块130，仅仅是处理器120和过程功能块130等)。
在现场设备100的正常操作过程中，主电源142通常可被连接到主电源端口140，并且备用电源146通常可与备用电源端口144断开连接。当主电源142将要耗尽到主电源142即将不能为现场设备100提供足够的电能的一个点时，向负责维护该现场设备100的人员显示告警或其他指示。例如，负责人可接收到一个标识现场设备100的低电压告警，该告警由主机工作站(例如图1中的主机工作站16和/或18)基于从现场设备100经由网络接口110和天线114向主机发送的数据产生。
一旦接收到告警或其他指示，负责人可在主电源142丧失其为现场设备充分供电的能力之前，尝试替换该主电源142。为此，该人员可为现场设备100的位置带来充满电的、替换的主电源和充满电的(或至少是充足的)备用电源。在一个实施例中，该人员此时(按顺序)：(1)安装备用电源(例如通过将备用电源连接到备用电源端口144)；(2)移除耗尽的主电源(例如通过将耗尽的主电源从主电源端口140解除连接)；(3)安装替换的主电源(例如通过将替换主电源连接到主电源端口140)；以及(4)移除备用电源(例如通过将备用电源从备用电源端口144解除连接)。以这种方式，尽管替换了主电源，现场设备100可保持持续供电。
在其他实施例中，在正常操作中，备用电源146并不意图从现场设备100移除。例如，当主电源142安装在现场设备100内时，备用电源146可以是由主电源142充电的可再充电电池。在备用电源146从现场设备100上不可拆卸的实施例中，替换耗尽的或者将要耗尽的主电源的人员通常不需要将备用电源带到现场设备100的站点。
图3是根据本实用新型的第二公开示例组装的示例性的现场设备200和电源切换模块250的框图。与图2的现场设备100相类似，现场设备200和电源切换模块250优选地合并到诸如图1的示例性的过程控制系统5的过程控制系统之内。例如，现场设备200可以是图1的现场设备30-36的任一个，或可以是过程控制系统中采用的任何的其他现场设备。
示例性的现场设备200包括现场设备外壳204、网络接口210、天线214、处理器220、存储器224和过程功能块230，其例如分别类似于图2的现场设备100的外壳104、网络接口110、天线114、处理器120、存储器124和过程功能块130。此外，示例性的现场设备200包括经由可拆卸的联结器243耦合到主电源242的主电源端口240，而主电源端口240、主电源242和可拆卸的联结器243可以类似于图2的主电源端口140、主电源142和可拆卸联结器143。
然而，不同于图2的现场设备100，示例性的现场设备200包括集成在现场设备200内部的备用电源244。例如，备用电源244可以是可再充电电池、储能电容或储能专用集成电路(ASIC)，其中备用电源244牢固安装在现场设备200内部。在这些实施例中的一些中，当主电源240已安装时，备用电源244由主电源240充电或重复充电。备用电源244可安装在印刷电路板上，举例来说，如也包括网络接口210、处理器220和/或存储器224的印刷电路板。
示例性的现场设备200还包括电源切换模块250，其具有至少一个第一电源终端252、第二电源终端254和第三电源终端256。举例来说，电源切换模块250(具有电源终端252、254、256)可类似于图2的电源切换模块150(具有电源终端152、154、156)(以下将参考图4作更详细的讨论)，以与图2的电源切换模块150在主电源142和备用电源144两者之间切换类似的方式，可在主电源242和备用电源244两者之间切换。在示例性的现场设备200中，集成在现场设备200之内的备用电源244永久地耦合到电源切换模块250的第二电源终端254。举例来说，现场设备200还包括可类似于图2的电压调节器160(具有输出终端164)的电压调节器260(具有输出终端264)。与图2的现场设备100中一样，电压调节器260可直接地或者通过其他电路经由输出终端264将电能传递给整个现场设备200或其仅仅一部分。
在一些实施例中，尽管示例性的现场设备200总是包括备用电源244，在正常操作中，现场设备200仅仅由主电源242供电。举例来说，当两个供电源都充满电时，主电源242可在高于备用电源244的电压水平上提供电能，并且电源切换模块150可将具有更高电压水平的供电源242或244连接到电源切换模块250的输出终端264。当主电源242逐渐耗尽到特定的点(例如当主电源242的电压水平跌落到低于备用电源244的电压水平时)，现场设备200由备用电源244替代地供电。
尽管备用电源244并不需要安装并且可在需要时自动使用(例如当主电源242逐渐耗尽超过特定的水平)，但是，负责维护现场设备200的人员可接收到主电源242的低压条件的告警或其他指示。举例来说，负责人可接收标识该现场设备200的低压告警，该告警由主机工作站(例如主机工作站16和/或18)基于从现场设备200通过网络接口210和天线214发送到该主机的数据产生。在这种情形下，负责人可在备用电源244失去其为现场设备200供电的能力之前，更换主电源242。为此，该人员可将充满电的、替换主电源拿到现场设备200的位置。该人员然后可拆除耗尽的主电源(例如通过将耗尽的主电源从主电源端口解除连接)并随后安装替代的主电源(例如通过将替代的主电源连接到主电源端口240)。以这样的方式，尽管替换了主电源，现场设备200仍然可持续地被供电。
由于危险环境(例如如果现场设备产生的火花或火焰所造成的有爆炸的严重风险的环境)，一些包括过程控制系统的车间要求车间的各个区域的所有设备严格遵从特定的安全标准。举例来说，“本质安全”(IS)标准要求在过程控制设备中的特定的能量限制，例如在电压和电流水平上的限制。相应地，现场设备例如图2和图3的示例性的现场设备100和200可包括或包含符合IS和/或其他安全标准的组件、模块或电路。同样地，现场设备的主电源和备用电源(例如图2的主电源142和备用电源146，或图3中的主电源242和备用电源244)需符合IS和/或其他安全标准。
图4是根据电源切换模块150是模拟开关的实施例的、图2的现场设备100中的电源切换模块150的原理图。替代地，图4中示出的电源切换模块150可以是图3的现场设备200中的电源切换模块250。如在前结合图2讨论的那样，电源切换模块150包括用于耦合到主电源(例如图2的主电源142)的第一电源终端152、用于耦合到备用电源(例如图2的备用电源146)的第二电源终端154、以及用于将电力从主电源或备用电源传递到现场设备(例如经由图2的电压调节器160)的第三电源终端156。同样如在前结合图2讨论的那样，施加到第三电源终端156的电能可被传递到整个现场设备或仅仅现场设备的一部分。电源终端152、154和156的每个包括至少一个正的和负的连接点，它们的每个可以是连接器、引脚等，或甚至是电源切换模块150的传导线、迹线或平面的随意的一个点。
示例性的电源切换模块150在第一操作状态下可操作为将第一电源终端152耦合到第三电源终端156，在第二操作状态下可操作为将第二电源终端154耦合到第三电源终端156。第一操作状态和第二操作状态中的每个取决于主电源和/或备用电源的耦合状态和/或电压水平。举例来说，第一操作状态和/或第二操作状态可取决于主电源和/或备用电源是否分别地耦合到第一电源终端152和/或第二电源终端154。作为另一例子，第一操作状态和/或第二操作状态可附加地取决于主电源和/或备用电源是否能够提供特定的电压水平。
在一个示例性的实施例中，当i)第一电源终端152耦合到主电源(例如经由主电源端口，诸如图2的主供电端口140)，并且同时ii)第二电源终端154没有耦合到备用电源(例如没有备用电源耦合到备用电源端口，诸如图2的备用电源端口142)，和/或耦合到第一电源终端152的主电源的电压高于一个门限电压水平(例如高于耦合到第二供电终端154的备用电源的电压水平)时，电源切换模块150处于第一操作状态。以下说明各种门限电压水平的示例。
在另一个示例性的实施例中，当第二电源终端154耦合到备用电源(例如经由备用电源端口，诸如图2的备用电源端口142)，并且i)没有主电源耦合到第一电源终端152(例如没有主电源耦合到主电源端口，诸如图2的主电源端口140)或者ii)主电源耦合到第一电源终端152(例如经由主电源端口，诸如图2的主电源端口140)但是主电源不能提供门限电压水平时，电源切换模块150处于第二操作状态。
在图4中所示的示例性的电源切换模块150中，模拟电路执行主电源和备用电源之间的切换。具体地，电源切换模块150包括一组二极管，如图4所示，其包括处在第一电源终端152的正极侧和第三电源终端156的正极侧之间的路径上的二极管280以及具有二极管284-1到284-4的二极管环284。举例来说，一组二极管中的二极管280和/或二极管284-1至284-4可以是低损耗的大功率肖特基二极管。
当主电源能够提供至少一个门限电压水平时，图4所示的电源切换模块150从主电源(经由第一电源终端152和第三电源终端156)为现场设备供电。当备用电源耦合到示例性的电源切换模块150的第二电源终端154时，如果假定穿过二极管280和二极管284-1到284-4之间的压降是完全匹配的，门限电压水平与备用电源的电压水平相等。然而，在实际中，穿过二极管280和二极管284-1到284-4的每个之间的压降是不同的。相应地，示例性的电源切换模块150的门限电压水平与备用电源的电压水平加上正的或负的偏移电压相等，该偏移电压对应于二极管280与二极管284-1到284-4中的一个或多个二极管的压降失配。
在能够在6.90V供电的主电源耦合到第一电源终端152的示例性的场景中，能够在7.20V供电的备用电源耦合到第二电源终端154，由于二极管失配带来的偏移电压是-0.05V，主电源电压水平小于门限电压水平(即7.20V-0.05V＝7.15V)，因此仅备用电源将通过第三电源终端156为现场设备供电。在安装了主电源和备用电源两者以及两个供电源电压基本相等(考虑了偏移电压之后)的极少的场景中，两个供电源可暂时向现场设备供电。当然，当仅有一个供电源(即主电源或备用电源)连接到相应的电源终端(即分别到第一电源终端152或第二电源终端154)，只有已连接的供电源能够为现场设备供电。
电源切换模块150之内的电路的其他配置也是可能的。举例来说，二极管280和/或二极管284-1到284-4可以以不同方式安装。此外，在特定的实施例中，电源切换模块150不是模拟开关。在一些实施例中，举例来说，电源切换模块150是数字开关。在一些实施例中，电源切换模块150可包括切换电路(例如一个或多个大功率晶体管)，该切换电路具有由例如图2的处理器120的处理器产生的数字控制信号控制的切换状态。举例来说，该处理器确定主电源是否提供至少一个门限电压水平(例如通过从电压检测电路接收信息)，并根据该确定结果向供电源切换电路150发送相对应的控制信号来设定数字开关的合适的状态。数字开关的门限电压水平可以是预定的门限电压水平。举例来说，该门限电压水平可以由存储器(如图2的存储器124或图3的存储器224)中存储的数据来表现，该存储器由控制数字开关的处理器访问。在另一实施例中，电源切换模块150是手动可控制的开关(如拨动开关)。
图5A和5B是示出示例性的主电源(即电源模块310)分别处于拆卸的和已安装的位置的示例性的现场设备300的内部透视图。举例来说，现场设备300可以类似于图2的现场设备100，和/或可以被包括在例如图1的过程控制系统5(例如是现场设备30-36的一个)的过程控制系统中。首先参考图5A，现场设备300包括现场设备外壳314，其例如可以是坚固的塑料或金属结构。在图5A所示的现场设备300中，通过将第一现场设备外壳部分314A从第二现场设备外壳部分314B分离可进入现场设备外壳314，其中现场设备外壳部分314A和314B由铰链316连接。可选地，现场设备外壳部分314A和314B可通过其他可拆卸的机械的联结器连接，如螺丝钉或卡扣。在其他实施例中，不能通过以这样的方式打开设备300而进入现场设备外壳314的内部。
印刷电路板(PCB)320固定安装在第一现场设备外壳部分314A内部，并可包括(如在图5A未示出的PCB320的面上)一个或多个处理器和/或其他电路或设备。举例来说，PCB320可包括网络接口、处理器和存储器，这与图2的网络接口110、处理器120和存储器124类似。此外，PCB320可包括与过程控制系统之内的现场设备300的基本功能相关联的部分或全部电路(如与图2的过程功能块关联的电路)。进一步地，PCB320可包括附加的电路，例如与电源切换模块150类似的电源切换模块和/或与图2的电压调节器160类似的电压调节器。
示例性的现场设备300包括连接到现场设备外壳314并用于经由过程控制系统的无线网络(如图1的无线通信网络14)通信的天线322。天线322可以例如类似于图2的天线114，并耦接到包含在现场设备外壳314内(如在PCB320上)的网络接口(如类似于图2的网络接口110)。
现场设备外壳部分314B包含执行现场控制设备300的基本功能的模块324，例如感应阀门位置。举例来说，模块324可与图2的过程功能块130类似。模块324可包括一个或多个控制模块324的操作(如获取感应数据)的处理器(如安装在模块324内的一个或多个PCB上)。替代地，模块324的操作可被PCB320上的一个或多个处理器控制。
现场设备外壳部分314B机械地连接到第二外部模块326，该第二外部模块用以执行现场控制设备300的另一基本功能，例如定位阀门。举例来说模块326可与图2的过程功能块130类似。模块326可包括一个或多个用以控制模块326的操作(如在模块326内通过滑阀调整气压)的处理器(如安装在一个或多个PCB上)。替代地，模块326的操作可由PCB320上的一个或多个处理器控制。
在模块324和/或模块326由PCB320上的一个或多个处理器控制的实施例，和/或来自电源模块310的电能被传递到模块324和/或模块326的实施例中，一个或多个电气连接器可将PCB320耦接到合适的模块。在示例性的现场设备300的实施例中，带状的线缆连接器328利用带状的线缆提供了这样的连接的一部分，为了清楚起见未示出该带状的线缆本身。
尽管图5A和5B中所示出的示例性的现场设备300包括两个用于执行过程控制系统内的基本功能的模块324、326，其他实施例中可仅包括一个这样的模块，或多于两个的这样的模块。此外，其他实施例可包括一个或多个以不同的方式布置在(或外部连接到)现场设备外壳314之内的模块。作为例子，模块324可被包含在现场设备外壳部分314A内、外部连接到现场设备外壳314(如类似于模块326)或通过外部电缆连接到现场设备外壳314。
在图5A和5B的示例性的实施例中，电源模块310是可拆卸的电源模块。现场设备300包括连接器330，其提供主电源端口用于电气耦接到电源模块310的可拆卸的联结器。在一些实施例中，连接器330将电源模块310(当如图5B所示被插入时)电气地耦合到电源切换模块(如安装在PCB320上的电源切换模块)的终端，例如图2和图4中的电源切换模块150的第一电源终端152。连接器330包括至少一个正连接器330A和负连接器330B，它们用于分别耦接到包括正连接器332A和负连接器332B的电源模块310的可拆卸的联结器。对于示例性的现场设备300和示例性的电源模块310的例子，连接器330和连接器332在某种程度上附加地提供现场设备300和电源模块310之间的机械的耦接。在图5A所示的实施例中，连接器330的每个是香蕉型插头，连接器332的每个是机械地配合对应的香蕉型插头的香蕉头插座。
示例性的电源模块310包括如图5B所示在连接器330与连接器332紧密配合时处于现场设备外壳314内的面板334。在一些实施例中，当安装有电源模块310时，面板334可通过夹子、螺丝钉或其他方式机械地固定到现场设备300。面板334上安装的是电池盒336。每个电池盒336包括容纳电池(图5A或5B未示出)的外壳，例如锂亚硫酰氯电池。盒体336内的电池可以例如由面板334上的迹线串行连接，并在完全充满电时提供特定电压(如在电池盒336A和336B的每个包含两个串联连接的3.6V电池的一个时是7.2V)。
尽管图5A中所说明的主电源(即电源模块310)具有以上所述的配置，但是在其他实施例中可使用不同的主电源。举例来说，主电源可仅包括一块电池或包括多于两块电池，和/或多个电池可并行连接。作为另一例子，主电源可不包括面板334(如主电源可完全包含一个或多个电池，不需要面板334或电池盒336)。
在示例性现场设备300中，PCB320包括铸封区域340。当电源模块310如图5B所示安装在示例性的现场设备300中时，该铸封区域340位于PCB320和电源模块310之间，并可服务于使得该现场设备300符合IS或其他安全标准。举例来说，铸封区域340可有助于保持电能远离空气中的任何易燃气体，或远离PCB320表面上的任何易燃粉尘。
除了供电连接器330之外，示例性的现场设备300包括连接器342来耦接到有线通信接口(如有线HART接口)。举例来说，该有线接口可被用于维护和/或设置目的。例如，在现场设备300第一次连接到无线网络之前，现场设备300可通过有线接口要求配置，和/或现场设备300的有关信息可需要通过该有线接口获得，以使其能够参与过程控制系统。负责维护和设置过程控制系统的人员可为此目的而使用手持设备经由连接器342联接到现场设备300，例如图1的手持设备55。尽管图5A所示的连接器342是香蕉型插头，但是还可使用其他连接器。尽管图5A和5B中没有示出，但是电源模块310可包括耦合到连接器342并作为“传递口”(即，即使已安装了电源模块310时，也允许设备耦合到该连接器342)的连接器(例如香蕉型插座)。在一些实施例中，现场设备300并不包括连接器342。
现场设备300还包括接触面344，其作为用于将备用电源(未示出)电气地耦合到现场设备300的备用电源端口。在一个实施例中，接触面344将备用电源电气地耦合到电源切换模块(如，在PCB320上)的一个终端，例如图2和图4中的电源切换模块150的第二电源终端154。接触面344包括至少一个正接触面344A和一个负接触面344B用于耦合到备用电源的可拆卸的耦合(例如，相应的正接触面和负接触面)。接触面344位于示例性的现场设备300内，以使当供电模块310如图5B所示安装在现场设备外壳314内时，接触面344仍可被接触到。
示例性的现场设备300的接触面344是提供用于从备用电源连接导线/电线的导电结构(如经由具有夹子的导线)的导电标签或凸缘。举例来说，备用电源可被连接到接触面344，通过将导线从正接触面344A和负接触面344B夹到电池的正负极上，或夹到与供电模块310相同的备用电源的正和负连接器上。如以上结合图2和3进行的讨论，其他实施例可替换地包括不同类型的备用电源端口、备用电源和可拆卸的联结器，或者可以完全省略备用电源端口和可拆卸的联结器(例如，对于集成在现场设备300内部的某些类型的备用电源)。
配置示例性的现场设备300的现场设备外壳314，以使得一旦如图5B安装供电模块310，通过将现场设备外壳部分314A和314B相结合，现场设备300可被闭合。尽管图5A和5B示出了一个实施例，其中一旦现场设备300闭合，备用电源的接触面344不可接触，但是，在一些其他实施例中，当现场设备300闭合时，接触面344仍然可以接触(例如通过在现场设备外壳314中包括一个切口，提供一个贯通现场设备外壳314的连接器等)。
尽管在此已经以“模块”、“组件”、“功能块”描述了现场设备的各种功能和/或系统，需要指出的是这些术语并不限于单个的、集成的单元。此外，尽管参考特定的示例描述了本实用新型，这些示例仅仅意图是解释性的，并不意图限制本实用新型。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离本实用新型的精神和范围的前提下，可对所公开的实施例做出变化、附加或删减。

Claims (13)

1.一种用于过程控制系统的持续供电的现场设备，所述现场设备包括：
现场设备外壳；
主电源端口，其设置在所述现场设备外壳内部或连接到所述现场设备外壳；和
电源切换模块，其包括第一电源终端、第二电源终端和第三电源终端，其中，
所述第一电源终端耦合到所述主电源端口，
所述第三电源终端被配置为将施加到所述第三电源终端的电能传递到所述现场设备的至少一部分，
所述电源切换模块在第一操作状态下可操作为将所述第一电源终端耦合到所述第三电源终端，以及
所述电源切换模块在第二操作状态下可操作为将所述第二电源终端耦合到所述第三电源终端。
2.如权利要求1所述的持续供电的现场设备，其中，所述主电源端口被配置为经由所述主电源的可拆卸的联结器而耦合到主电源。
3.如权利要求1所述的持续供电的现场设备，其中，
所述电源切换模块处于所述第二操作状态，当：
-所述第二电源终端耦合到备用电源，并且
-所述主电源端口i)没有耦合到主电源，或者ii)在所述主电源不能提供门限电压水平时耦合到所述主电源。
4.如权利要求3所述的持续供电的现场设备，其中，所述备用电源永久地耦合到所述第二电源终端。
5.如权利要求4所述的持续供电的现场设备，其中，所述备用电源包括从包含电池、电容和储能ASIC的组中选择出的至少一个。
6.如权利要求3所述的持续供电的现场设备，其中，
所述电源切换模块是包括一组二极管的模拟开关，并且
所述门限电压水平等于所述备用电源的电压水平加上对应于所述的一组二极管的压降失配的偏移电压。
7.如权利要求3所述的持续供电的现场设备，其中，
所述电源切换模块是数字开关，并且
所述门限电压水平是预定的门限电压水平。
8.如权利要求1所述的持续供电的现场设备，其中，所述电源切换模块是可手动控制的开关。
9.如权利要求1所述的持续供电的现场设备，还包括备用电源端口，其设置在所述现场设备外壳内部或连接到所述现场设备外壳，并且耦合到所述第二电源终端，其中，所述备用电源端口被配置为经由可拆卸的联结器而耦合到备用电源。
10.如权利要求9所述的持续供电的现场设备，其中，
所述电源切换模块处于所述第一操作状态，当：
-所述第一电源终端经由所述主电源端口耦合到主电源，并且
-从包含i)所述备用电源端口没有耦合到所述备用电源和ii)
所述主电源的电压高于门限电压水平的组中选择至少一个；以及
所述电源切换模块处于所述第二操作状态，当：
-所述第二电源终端经由所述备用电源端口耦合到所述备用电源，并且
-所述主电源端口i)没有耦合到所述主电源，或者ii)在所述主电源不能提供所述门限电压水平时耦合到所述主电源。
11.如权利要求1所述的持续供电的现场设备，还包括处理器和通信地耦合到所述处理器的网络接口。
12.如权利要求11所述的持续供电的现场设备，其中，所述网络接口被配置为根据无线网状网络协议通信。
13.如权利要求11所述的持续供电的现场设备，其中，所述网络接口产生指示，所述指示与耦合到所述主电源端口的主电源的电压有关，并经由无线网络被发送到工作站。
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