CN203906949U - 在过程控制系统中使用的位置变换器和阀控制器 - Google Patents

在过程控制系统中使用的位置变换器和阀控制器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种在过程控制系统中使用的位置变换器和阀控制器。用于过程控制系统中的阀的无线位置变换器将阀的致动器的运动或位置转换成包括用于指示致动器的位置的值的无线信号。该变换器使得通过无线通信信道例如使用无线HART协议向阀控制器发送无线信号。无线通信信道是变换器与控制器之间的唯一的连接，由本地的可再充电的能量存储设备对该变换器供电。控制器基于无线信号中所包括的值来控制该阀。变换器还可以使得将无线信号发送给过程控制系统的控制主机。

Description

在过程控制系统中使用的位置变换器和阀控制器
技术领域
本文的公开整体而言涉及阀并且更具体而言涉及用于无线地耦接过程控制系统中的阀和控制器的装置。 
背景技术
电子控制设备(例如电气气动控制器、可编程控制器、模拟控制电路等等)一般用于控制过程控制设备(例如，控制阀、泵、节气闸等等)。这些电子控制设备引起过程控制设备的指定的操作。为了安全、成本效率和可靠性起见，许多公知的隔膜型或活塞型气动致动器用于致动过程控制设备并且一般经由电气气动控制器耦接到整个过程控制系统。电气气动控制器通常被配置为接收一个或多个控制信号并且将那些控制信号转换成压力，该压力被提供给气动致动器以引起耦接到该气动致动器的过程控制设备的希望的操作。例如如果过程控制例程需要气动地致动的阀传递更大量过程流体，则可以增加施加于与该阀相关联的电气气动控制器的控制信号的幅度(例如在电气气动控制器被配置为接收4-20毫安(mA)控制信号的情况下从10mA增加到15mA)。 
电气气动控制器一般使用由用于感测或检测气动致动的控制设备的操作响应的反馈传感系统或元件(例如位置传感器)生成的反馈信号。例如在气动致动阀的情况中，反馈信号是与由位置传感器所测量或确定的阀的位置相对应的反馈电流信号。一般经由有线连接向控制器发送与阀的位置相对应的反馈电流信号，并且由控制器基于在控制器的两个输入端处的电阻两端的电压差来计算阀的位置。 
在一些系统中，以有线的方式将气动致动阀连接到电绝缘体和 电气气动控制器。电绝缘体还以有线的方式连接到电气气动控制器。这样，阀具有直接到控制器的第一连接以及经过电绝缘体到控制器的第二连接。电绝缘体从三叉AC电源向阀和控制器提供电力，并且使得来自阀的反馈电流信号通过电阻传递到控制器。由于阀和控制器由同一电源供电，所以电绝缘体的使用将接地环路的出现最小化。 
控制器确定来自阀的两个电气输入连接之间(即用于直接从阀接收反馈电流信号的第一有线连接与用于通过与电绝缘体相关联的电阻从阀接收反馈电流信号的第二有线连接之间的电压差。控制器然后使用该电压差来计算阀的致动器的位置，将所计算的位置与希望的设置点或控制信号进行比较，并且利用位置控制过程基于所计算的位置和控制信号(例如这二者之间的差)生成驱动值。该驱动值对应于将要提供给气动致动器以实现耦接到该气动致动器的控制设备的希望的操作(例如希望的阀的位置)的压力。 
实用新型内容
然而，在一些应用中，用于发送位置指示的线路是有噪声的。这种电噪声可能损害传感器的输出，使得在一些情况中控制设备可能会在即时没有被命令时也发生移动。也就是说，线路上的噪声可能导致在控制设备的控制器处接收到错误值。因此，由于该错误值，正在受到控制设备控制的过程可能自己变得不受控。 
在其他应用中，由于环境条件如不可接入性、温度、湿度、辐射、振动等等，位置传感器与控制器之间的有线连接极其昂贵和困难，甚至不可用。 
因此，本实用新型提供了一种在过程控制系统中使用的位置变换器和阀控制器。 
根据第一方面，一种在过程控制系统中使用的位置变换器包括：用于检测耦接到控制设备的致动器的位置的位置传感器。该控制设备用于或被配置为用于控制在该过程控制系统中操作的过程。通信 接口被配置为发送用于指示该致动器的位置的无线信号，其中，该通信接口可操作地耦接到无线通信信道，其中，该无线通信信道形成该位置变换器与该控制设备的控制器之间的唯一的连接。提供了一种可再充电的能量存储器，并且该可再充电的能量存储器被配置为向该通信接口供电。 
在一个优选形式中，向该控制设备的控制器或控制系统主机或该过程控制系统中的至少一个发送该无线信号。 
在一个优选形式中，该无线信号中所包括的字段的值用于指示该致动器的位置，并且其中，该无线信号的接收方唯一地基于该无线信号中所包括的该字段的值确定该致动器的位置。 
在一个优选形式中，该无线信号符合无线HART协议。 
在一个优选形式中，该无线通信信道被包括在该过程控制系统的专用无线格型通信网络中。 
在一个优选形式中，根据由该无线格型通信网络的网络管理器所定义的调度表来发送该无线信号。 
在一个优选形式中，该位置传感器包括电位计、磁传感器、压电变换器、霍尔效应传感器或弦线电位计中的至少一种。 
在一个优选形式中，该控制设备是阀。 
根据第二方面，一种阀控制器包括用于接收与阀相对应的控制信号的第一输入端以及用于经由无线通信信道从无线位置变换器接收无线位置信号的第二输入端，其中，该无线位置信号用于指示该阀的致动器的位置。一个输出端发送用于控制该阀的致动器的驱动信号，由该阀控制器基于该控制信号和该无线位置信号确定该驱动信号。该无线通信信道是该无线位置变换器与该阀控制器之间的唯一的连接。 
在一个优选形式中，满足以下至少一个：该控制信号符合无线HART协议；该无线位置信号符合无线HART协议；该第一输入端可通信地连接到无线格型网络并且根据由该无线格型网络的网络管理器所生成的调度表接收该控制信号；或者该第二输入端可通信地 连接到该无线格型网络并且根据由该无线格型网络的该网络管理器所生成的该调度表接收该无线位置信号。 
在一个优选形式中，该无线位置信号符合无线HART协议。 
在一个优选形式中，该无线通信信道包括在无线格型网络中，并且其中根据由该无线格型网络的网络管理器所生成的网络调度表接收该无线位置信号。 
在一个优选形式中，该阀控制器基于在该无线位置信号中所包括的字段的值确定该驱动信号。 
在一个优选形式中，该无线位置变换器位于与该控制器不同的环境中。 
利用本实用新型的方案，减轻了由于噪声线路和不利的环境条件导致的错误信号。另外，本文所述的示例性装置提供了将控制器安装并且放置在与位置变换器不同的操作环境中的灵活性。这样，过程控制系统的性能可以提高，并且过程控制系统的安装成本可以降低。 
附图说明
图1是包括与控制设备的控制器无线通信的无线位置变换器的示例性过程控制系统的方框图； 
图2是图1的无线位置变换器和控制器的详细的方框图； 
图3是用于示出利用无线通信网络来提供控制设备、控制器、路由器和其他网络设备之间的无线通信的示例性过程控制系统的方框图；以及 
图4是用于向控制器提供无线位置信号的示例性方法。 
具体实施方式
虽然下文描述了包括在硬件上执行的软件和/或固件以及其他组件的示例性方法和装置，但是应该注意到该系统仅仅是说明性的并且不应该被视为用于限制。可以例如设想仅用硬件、仅用软件或者 用硬件和软件的任意组合实现这些硬件、软件和固件组件中的任意一些或全部。因此，虽然下文描述了示例性的方法和装置，但是所提供的实例不是用于实现该方法和装置的唯一方式。 
一般而言，在过程控制系统中，控制器(例如电气气动控制器)直接耦接到控制设备(例如控制阀、泵、节气阀等等)。耦接到控制设备的位置传感器测量耦接到该控制设备的致动器的移动，并且向该控制设备的控制器提供用于指示该致动器的行程或位置的电阻性输出。控制器基于电阻性输出两端的电压差来计算致动器的位置，将该位置与希望的控制信号或设置点进行比较，并且基于该比较来输出用于控制控制设备的信号。 
然而，在一些应用中，用于发送位置指示的线路是有噪声的。这种电噪声可能损害传感器的输出，使得在一些情况中控制设备可能会在即时没有被命令时也发生移动。也就是说，线路上的噪声可能导致在控制设备的控制器处接收到错误值。因此，由于该错误值，正在受到控制设备控制的过程可能自己变得不受控。 
在其他应用中，由于环境条件如不可接入性、温度、湿度、辐射、振动等等，位置传感器与控制器之间的有线连接极其昂贵和困难，甚至不可用。 
本文公开的装置和方法的实施方式提供了一种控制设备的位置变换器(position transducer)可以可通信并且无线地耦接到控制器的方式。控制器到位置变换器的无线耦接使得控制器能够无线地接收来自位置变换器的位置指示信号，因而减轻了由于噪声线路和不利的环境条件导致的错误信号。另外，本文所述的示例性装置和方法提供了将控制器安装并且放置在与位置变换器不同的操作环境中的灵活性。这样，过程控制系统的性能可以提高，并且过程控制系统的安装成本可以降低。 
虽然下文结合涉及电气气动数字阀控制器和气动致动阀的实例描述了所公开的方法和装置，但是可以利用其他类型的、阀以其他方式致动的控制器和/或利用不同于阀的过程控制设备来实现所公开 的方法和装置。 
图1是包括控制系统2和过程控制区域4的过程控制系统1的图。过程控制系统1可以包括在过程工厂，如石油、化工和/或其他类型的工业过程工厂中，并且过程控制系统1可以控制由过程工厂执行的一个或多个过程。控制系统2可以包括工作站、控制器、编组柜、输入/输出卡和/或任意其他类型的过程控制系统管理组件(图1中未显示)。一般而言，控制系统2位于不同于过程控制区域4的区域，例如封闭房间中，以例如防护控制系统2免受噪声、灰尘、热力和其他不希望的环境条件影响。控制系统2可以与位于过程控制区域4中的电气气动控制器12可通信地连接。控制系统2可以向电气气动控制器20供电，或者可以由本地能量源，如外部电压源、太阳能电源、电池电源、电容器等等，向电气气动控制器20供电。 
电气气动控制器20包括通信接口22，可以通过一个或多个通信信道10经由通信接口22从控制系统2接收并且/或者向控制系统2发送信号。一个或多个通信信道10可以包括有线通信信道、无线通信信道或有线通信信道和无线通信信道两者。因此，接口22可以是有线接口、无线接口或有线接口和无线接口两者。接口22可以被配置为与控制主机、其他控制器和/或控制系统2中所包括的其他元件通信。在一个实施方式中，接口22被配置为与过程控制区域4中所包括的其他控制器和/或元件通信。 
在一个实施方式中，接口22可以通过信道10从控制系统2接收控制信号，该控制信号指定或对应于位于过程控制区域4中的阀30的阀状态。由电气气动控制器20使用接口22接收的控制信号可以例如导致耦接到阀30的气动致动器31被打开、关闭或移动到一些中间位置。 
在接口22处接收的控制信号(例如输入信号)可以例如包括4-20mA信号、0-10VDC信号、无线信号和/或数字命令等等。例如在控制信号是4-20mA信号的情况中，数字数据通信协议例如公知的可寻址远程传感器高速通道(Highway Addressable Remote Transducer， HART)协议可用于通过有线连接10与电气气动控制器20通信。在另一个实例中，控制信号可以是使用无线HART协议通过无线通信信道10接收的无线控制信号。在其他实例中，控制信号可以是0-10VDC信号或其他类型的信号。该数字通信可以被控制系统2用于从电气气动控制器20获取识别信息、操作状态信息和诊断信息。另外地或可替换地，该数字通信可以被控制系统20用于通过相应的控制器20实现阀30的控制。 
图1的示例性电气气动控制器20可以控制致动器31的位置并且从而控制阀30的位置。尽管未示出，但是电气气动控制器20可以包括控制单元、电流到气流(I/P)转换器和气流中继器。在其他实例中，电气气动控制器20可以包括用于控制和/或提供到阀致动器31的压力的任意其他组件。另外，电气气动控制器20可以包括其他信号处理组件，如模数转换器、滤波器(例如低通滤波器、高通滤波器和数字滤波器)、放大器等等。例如，从控制系统2接收的控制信号可以在被电气气动控制器20中的控制单元处理之前被滤波(例如使用高通滤波器/低通滤波器)。 
更具体而言，电气气动控制器20可以通过将由无线位置变换器32生成的无线反馈或位置信号与从控制系统2生成的控制信号进行比较，来控制致动器31的位置。由无线位置变换器32生成的无线反馈信号可以例如符合无线HART协议或一些其他合适的无线协议，并且可以通过一个或多个无线通信信道12从变换器32发送到控制器20。 
可以由电气气动控制器20在耦接到无线信道12的第二通信接口24处接收由无线位置变换器32生成的无线反馈信号。接口24可以包括无线收发器或无线接收器。电气气动控制器20可以基于经由第二接口24从无线位置变换器32接收的无线反馈或位置信号，确定反馈信号。在一个实施方式中，第一接口22和第二接口24可以集成为单个无线接口。 
由控制系统2提供的控制信号可以被电气气动控制器20用作与 阀30的希望的操作(例如希望的对应于控制阀30操作跨度的百分比的位置)相对应的设置点或参考信号。电气气动控制器20中的控制单元(未显示)可以通过使用该控制信号和无线反馈信号作为用于确定驱动值的位置控制算法或过程中的值，将无线反馈信号与控制信号进行比较。由控制单元执行的位置控制过程可以基于反馈信号与控制信号之间的差来确定(例如计算)驱动值。在一个实施方式中，该计算的差对应于电气气动控制器20要将耦接到阀30的致动器31的位置改变的量。在一个实施方式中，所计算的驱动值还对应于由控制单元为了使得电气气动控制器20中的I/P转换器生成气动压力所生成的电流。例如，电气气动控制器20经由输出端25输出驱动信号以控制阀30。 
在一个实施方式中，电气气动控制器20中的I/P转换器被包括在输出端25中。I/P转换器可以是用于基于经过螺线管施加的电流来生成磁场的电流到压力型变换器。该螺线管可以电磁地控制挡板(flapper)，该挡板相对于喷嘴操作以改变经过喷嘴/挡板的流量限制以提供基于经过螺线管的平均电流而变化的气动压力。该气动压力可以被气动中继器放大并且被施加到与阀30耦接的致动器31。电气气动控制器20中的气动中继器可以气动地耦接到致动器31以向致动器31提供气动压力(未显示)。 
例如，用于增加由电气气动控制器20中的控制单元生成的电流的驱动值可以导致气动中继器增加施加于气动致动器31的气动压力，以导致致动器31朝向关闭位置放置阀30。类似地，用于减少由控制单元生成的电流的驱动值可以导致气动中继器减少施加于气动致动器31的气动压力，以导致致动器31朝向打开位置放置阀30。 
在其他实例中，电气气动控制器20的输出端25可以包括电压到压力型变换器，在该情况中，驱动信号是一种进行变化以提供变化的压力输出来控制阀30的电压信号。另外，输出的其他实例可以实现其他类型的受压流体，包括受压气体、水压流体等等。 
转到图1的示例性阀30，在一个实施方式中，阀30可以包括阀 座，该阀座限定用于在入口和出口之间提供流体流动通道的孔。阀30可以是例如回转阀、直角回转阀、马达操作阀、节气闸或任意其他控制设备或装置。耦接到阀30的气动致动器31可以经由阀杆可操作地耦接到流量控制元件，该阀杆沿第一方向(例如远离阀座)移动该流量控制元件以允许入口与出口之间的流体流动，以及沿第二方向(例如朝向阀座)移动该流量控制元件以抑制或防止入口与出口之间的流体流动。 
耦接到示例性阀30的致动器31可以包括双动活塞致动器、单动弹簧回位隔膜或活塞致动器或任意其他合适的致动器或过程控制设备。为了通过阀30控制流速，该阀耦接到无线位置变换器32。在一个实施方式中，无线位置变换器32包括用于感测耦接到阀30的致动器31的位置的传感器33，如可以例如包括电位计和/或磁传感器的位置传感器和/或压力传感器。传感器33可以包括电位计、磁传感器、压电变换器、霍尔效应传感器、弦线电位计等等。术语“传感器”和“位置传感器”在本文可互换使用。 
无线位置变换器32的传感器33可以检测致动器31相对于阀座的位置并且从而检测流量控制元件相对于阀座的位置(例如打开位置、关闭位置、中间位置等等)。在一个实施方式中，传感器33允许无线位置变换器32将与致动器31的位置相对应的致动器31的线性移动转换成无线反馈信号。在一个实施方式中，传感器33允许无线位置变换器32将致动器31的位置转换成无线反馈信号。无线位置变换器32可以被配置为向电气气动控制器20发送该无线反馈信号。该无线反馈信号可以表示耦接到阀30的致动器31的位置并且从而表示阀30的位置。本文所述的示例性技术、方法和装置使得电气气动控制器20能够接收来自图1的可以耦接到阀30的任意类型的示例性无线位置变换器32的反馈信号。 
通常，无线位置变换器32的位置传感器33基本上不受不利的环境条件影响。无线位置变换器32可以包括电磁抑制电路、噪声过滤电路、防震组件和/或防辐射组件以进一步隔绝或者保护位置传感 器22免受不利的环境条件影响。 
无线位置变换器32可以包括用于从本地电源或能量存储设备38接收功率的输入端或连接35。在一个实施方式中，本地电源或能量存储设备38被包括在无线位置变换器32中作为一体的单元。在一个实施方式中，本地电源或能量存储设备38是可再充电的。本地电源或能量存储设备38可以例如是电池、电容器或其他可再充电的能量存储设备。可以使用任意用于再充电本地电源或能量存储设备38的已知技术，如获取太阳能；替换电池；从本地热量、振动和/或移动中恢复能量；临时连接到插入源，如AC电源；使用附近的充电器的感应再充电；或其他合适的再充电技术。 
虽然在图1中将电气气动控制器20和无线位置变换器32显示为位于过程控制区域4中，但是电气气动控制器20和无线位置变换器32中的每一个可以位于相应的不同的操作环境中并且经由一个或多个无线通信信道，如经由过程工厂或控制环境1中的无线通信网络中所包括的无线通信信道，可通信地耦接在一起。无线位置变换器32可以例如位于相对高温和高湿度的环境(例如90％的湿度和180华氏度(°F))中，而电气气动控制器20位于被设置为10％的湿度和72°F的受控环境中。 
另外，在一个实施方式中，无线通信信道12是无线位置变换器32与控制器20之间的唯一的连接。具体而言，没有有线线路连接无线位置变换器32与控制器20。这样，无线位置变换器32不需要(除了无线通信信道12之外的)任意其他连接来接收功率或者与控制器20通信。事实上，利用本文公开的技术，不需要电绝缘体来向无线位置变换器32提供功率。相反，由于由本地源38(在一些实施方式中被包括在无线位置变换器32自身中)为无线位置变换器32供电，所以不需要布设(并且不需要维持)到变换器32的繁复的线路以向变换器32供电。此外，由于可以由不同的、独立的并且有区别的电源向变换器32和控制器20供电，所以不再需要用于最小化接地回路的电绝缘体。 
此外，利用本文公开的技术，不需要电绝缘体来施加由变换器32在电阻两端生成的反馈电流信号以使得控制器20计算变换器32的致动器31的位置。具体而言，控制器20改为仅仅在耦接到无线信道12的输入端24处接收来自无线位置变换器32的信号(例如分组)，以代替在控制器20处需要两个输入来确定电压差并且需要控制器20基于所确定的电压差来计算致动器31的位置。控制器20根据该无线信号从该信号的字段提取所填充的值，其中，所填充的值用于指示致动器31的位置。在一个实施方式中，无线信号中所填充的值是从无线位置变换器32接收的被控制器20使用来确定致动器31的位置的唯一的输入或值，不需要来自无线位置变换器32的第二输入或值。因此，利用本文公开的技术，不仅不需要电绝缘体和用于连接该绝缘体、阀和控制器的线路，而且不需要控制器为了计算致动器31的位置所需要的附加硬件、处理时间和存储器。 
在图2中示出了无线位置变换器32的详细方框图。如前文所讨论的，无线位置变换器32可以包括耦接到阀30的致动器31的位置传感器33。无线位置变换器32可以进一步包括耦接到传感器33和存储器52的处理器50。存储器52可以是有形的非易失性存储器，并且可以包括一个或多个计算机可读存储介质。存储器52例如可以被实现为一个或多个半导体存储器、磁可读存储器、光可读存储器和/或任意其他合适的有形的非易失性计算机可读存储介质。存储器52可以存储计算机可执行的指令，该计算机可执行的指令可以被处理器50执行以将传感器33的输出转换成用于指示阀30的致动器31的位置的值，并且将该值填充到无线位置信号的字段中。计算机可执行指令可以进一步被执行以使得经由无线接口55从变换器32发送无线位置信号。无线接口55可以可通信地耦接到一个或多个无线通信接口12，并且无线接口55可以包括收发器或者可以包括发射器和接收器。 
在一个实施方式中，无线位置信号是符合无线HART协议的分组，无线通信信道12被包括在过程控制系统1的无线格型通信网络 中，并且分组根据由无线格型网络的网络管理器生成的调度表通过无线通信信道12发送和接收。网络管理器可以例如生成用于限定由无线位置变换器32所生成的分组的传输时隙的网络通信调度表(例如“网络调度表”)，因而在控制器20处接收分组以准确地并且安全地控制阀30和将阀30作为一部分的过程。在一个实施方式中，与无线格型变换器32有关的调度表的一个或多个部分可以(例如经由无线通信网络从网络管理器)向变换器32传递并且存储在存储器52中，使得处理器50可以导致根据所存储的调度表向控制器20发送分组或信号。 
可以经由无线接口55向电气气动控制器20发送无线位置信号以控制阀30。在一个实施方式中，可以另外地或可替换地经由无线接口55向控制系统2发射无线位置信号以用于位置监视或其他目的。例如，无线位置信号可以发送给控制系统2的控制系统主机。可以直接地或者经由过程控制工厂或系统1的无线通信网络中所包括的一个或多个中间节点向控制系统2发送该无线位置信号。在一个实施方式中，处理器可以使得根据存储器55中所存储的调度表向控制系统2发送分组或信号，其中该调度表是由耦接到无线接口55的无线通信网络的网络管理器生成的。 
图2还包括图1的电气气动控制器20的详细方框图。如前文所讨论的，控制器20包括用于接收来自控制系统2的控制信号的第一输入端或接口22和用于接收来自无线位置变换器32的无线位置信号的第二输入端或接口24。无线接口24可以可通信地耦接到一个或多个无线通信信道12，其中，通过该一个或多个无线通信信道12接收由无线位置变换器32生成的无线位置信号。无线接口24可以包括收发器或者可以包括发射器和接收器。 
第一接口22可以是耦接到一个或多个通信信道10的有线接口、无线接口或有线和无线接口。在第一接口22包括无线接口的实施方式中，第一接口22和第二接口24可以是单个集成的无线接口。在一个实施方式中，一个或多个通信信道10和/或一个或多个通信信道 12被包括在过程工厂或系统1的无线格型通信网络中。 
电气气动控制器20进一步包括耦接到存储器62、输入端22、24和输出端25的控制单元或处理器60。存储器62可以是有形的非易失性存储器并且可以包括一个或多个计算机可读存储介质。例如，存储器62可以被实现为一个或多个半导体存储器、磁可读存储器、光可读存储器和/或任意其他合适的有形的非易失性计算机可读存储介质。存储器62可以存储计算机可执行的指令，该计算机可执行的指令可以被处理器60执行以基于从第二接口24接收的无线位置信号和从第一接口22接收的控制信号，确定将要经由输出端25发送以控制阀30的驱动信号的值。用于确定驱动信号的计算机可执行指令例如包括在配置期间和/或实时地从控制系统2下载的位置控制算法或过程。 
在一个实施方式中，无线位置信号是符合无线HART协议的分组，无线通信信道12被包括在过程控制系统1的无线格型网络中，并且分组根据由无线格型通信网络的网络管理器生成的调度表通过无线通信信道12发送和接收。网络管理器可以例如生成用于限定在控制器20处从无线位置变换器32接收的分组的接收时隙的网络调度表，以准确地并且安全地控制阀30和将阀30作为一部分的过程。在一个实施方式中，与控制器20有关的调度表的一个或多个部分可以(例如经由无线通信网络从网络管理器)向控制器20传递并且存储在存储器62中，使得控制器20根据所存储的调度表从无线位置变换器32接收分组或信号。 
图3示出了可以包括无线位置变换器32的示例性过程控制网络100。在一个实施方式中，过程控制网络100包括在图1的控制系统1中。具体而言，网络100可包括工厂自动化网络112和通信网络114。在图1中所示的过程控制网络100的实施方式中，通信网络114被示为无线格型通信网络。在一个实施方式中，通信网络114支持无线HART(可寻址远程传感器高速通道)协议，例如“无线HART网络”。然而，在网络100的一些实施方式中，通信网络114可以 支持有线HART协议，例如“有线HART网络”。在一些实施方式中，在网络100中可以包括有线和无线HART网络114。 
工厂自动化网络112可以包括通过通信骨干网120连接的一个或多个固定工作站116和一个或多个便携式工作站118。工作站116、118在本文可以可互换地被称为过程控制网络100的“工作站”、“控制系统主机”、“控制主机”或“主机”。可以通过以太网、RS-485、Profibus DP或其他合适的通信协议实现骨干网120。 
可以经由网关122连接工厂自动化网络112和无线HART网络114。具体而言，网关122可以用有线方式连接到骨干网120并且可以使用任意合适的已知协议与工厂自动化网络112通信。可以将网关122实现为独立的设备，作为可插入到主机或工作站116或118的扩展槽中的卡，或者作为基于PLC或基于DCS的系统的IO子系统的一部分，或任意其他方式。网关122可以向运行在网络112上的应用提供到无线HART网络114的各种网络设备的通路。除了协议和命令转换之外，网关122还可以提供由无线HART网络114的调度方案的时隙和超帧(在时间上等间隔的通信时隙的集合)使用的同步时钟。 
在一些情况中，网络可以具有多个网关122。这些多个网关可用于通过提供用于无线HART网络与工厂自动化网络112或外部世界之间的通信的附加带宽，改善网络的有效吞吐量和可靠性。另一方面，网关设备122可以根据无线HART网络中的网关通信需求，向合适的网络服务请求带宽。网关122可以进一步在系统正在操作时重新估计所需带宽。例如，网关122可以从位于无线HART网络114外部的主机接收请求以获取大量数据。网关设备122然后可以向专用服务(如网络管理器)请求附加带宽以便满足该交易。网关122然后可以在该交易完成之后请求释放不必要的带宽。 
在一些实施方式中，网关122在功能上被分割为虚拟网关124和一个或多个网络接入点125a、125b。网络接入点125a、125b可以是与网关122有线地通信的独立的物理设备，以增加无线HART网 络114的带宽和总体可靠性。然而，虽然图1示出了物理上独立的网关122与接入点125a、125b之间的有线连接26，但是可以理解，也可以将元件122-126作为完整的器件来提供。因为网络接入点125a、125b可以与网关设备122在物理上独立，所以接入点125a、125b中的每一个可以在战略上位于多个不同位置中。除了增加带宽之外，多个接入点125a、125b可以通过在一个或多个其他接入点处补偿在一个接入点处的潜在的差信号质量来提高网络的总体可靠性。如果在接入点125a、125b中的一个或多个处发生故障，则具有多个接入点125a、125b还提供了冗余。 
网关设备122可以另外包括网络管理器软件模块127(例如“网络管理器”)和安全管理器软件模块128(例如“安全管理器”)。在另一个实施方式中，网络管理器127和/或安全管理器128可以运行在工厂自动化网络112的过程控制主机116、118中的一个上。例如，网络管理器127可以运行在主机116上并且安全管理器128可以运行在主机118上。网络管理器127可以负责网络114的配置；网络114中所包括的设备(如无线HART设备)之间的配置(即配置超帧)；确定网络通信调度表并且使得它的至少一部分被传递到接收方设备和控制器；管理路由表；以及监视并且报告无线HART网络114的健康状况。虽然支持冗余的网络管理器127，但是可以设想每个无线HART网络114仅存在一个活动的网络管理器127。在一个可能的实施方式中，网络管理器127分析关于网络的布局、每个网络设备的容量和更新速率的信息以及其他相关信息。网络管理器127然后可以考虑到这些因素来定义来自网络设备、到网络设备和在网络设备之间的通信的路由和调度表。在一个实施方式中，网络管理器127可以包括在控制主机116、118中的一个中。 
再次参考图1，无线HART网络114可以包括一个或多个现场设备或控制设备130-140。总体而言，过程控制系统，如在化工、石油或其他过程工厂中使用的过程控制系统，包括诸如阀、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)、泵、风扇之类的 现场设备。现场设备可以执行受过程控制网络100控制的过程中的过程控制功能。过程控制功能可以包括例如打开或关闭阀和/或监视或测量过程参数。在无线HART通信网络114中，现场设备130-140是无线HART分组的生产者和消费者。 
外部主机141可以连接到外部网络143，外部网络143又可以经由路由器144连接到工厂自动化网络112。外部网络143可以是例如万维网(WWW)。虽然外部主机141不属于工厂自动化网络112或无线HART网络114中的任意一个，但是外部主机141可以经由路由器144接入两个网络112、114上的设备。因此，过程控制系统100的通信网络144和工厂自动化网络112可以是专用网络，因而保护到网络112、114的通路。例如，希望连接到网络112和/或网络114的设备可能需要被授权。类似地，外部主机141可以控制用于来自外部网络143的通信的安全网络通路。 
无线HART网络114可以使用用于提供类似于有线HART设备所经历的操作性能的协议。该协议的应用可以包括过程数据监视、(具有多个严格的性能要求的)关键数据监视、校准、设备状态和诊断监视、现场设备问题解决、试运转和监管过程控制。这些应用需要无线HART网络114使用这样一种协议，该协议可以在必要时提供快速更新，在需要时提供大量数据并且支持仅临时加入无线HART网络114以进行试运转和维护工作的网络设备。 
在一个实施方式中，用于支持无线HART网络114的网络设备的无线协议是HART的扩展，HART是一种用于维持有线环境的简单工作流和实施的广泛接受的工业标准。通过增强HART技术以支持无线过程自动化应用，无线HART协议可用于建立过程应用的无线通信标准并且可以进一步扩展HART通信的应用以及它所提供给工业的效益。 
再次参考图3，现场或控制设备130-136可以是无线HART设备。换句话说，可以将现场设备130、132a、132b、134或136作为用于支持无线HART协议栈的所有层的完整的单元来提供。在网络100 中，现场设备130可以是无线HART流量计，现场设备132b可以是无线HART压力传感器，并且现场设备136可以是无线HART压力传感器。 
具体而言，现场设备134可以是包括无线位置变换器(如图1的无线位置变换器32)的阀或阀定位器，并且现场设备132a可以是用于从现场设备134接收位置指示的控制器(如图1的控制器20)。在一个实施方式中，控制主机116和/或控制主机118中的每一个例如经由无线格型通信网络114、网关122和工厂自动化网络120，从现场设备134接收至少一些位置指示。 
另外，无线HART网络114可以包括路由器设备160。路由器设备160可以是从一个网络设备向另一个网络设备转发分组的网络设备。作为路由器设备的网络设备可以使用内部路由表来决定它应该将特定分组转发给哪个网络设备。在无线HART网络114上的全部设备都支持路由的那些情况中，可能不需要独立的路由器，如路由器160。然而，向网络增加专用路由器160应该是有益的(以便例如扩展网络或者节省网络中的现场设备的功率)。 
所有直接连接到无线HART网络114的设备可以被称为网络设备。具体而言，无线HART现场或控制设备130-136、路由器160、网关122和接入点125a、125b用于路由和调度的目的，都是无线HART网络114的网络设备或节点。为了提供非常健壮并且容易扩展的网络，设想所有网络设备都可以支持路由并且可以由每个网络设备的HART地址来全局地识别它。另外，每个网络设备可以存储与更新速率、连接会话和设备资源相关的信息。简而言之，每个网络设备维持与路由和调度相关的最新的信息。每当新设备加入网络时或者每当网络管理器检测到或者发起无线HART网络114的拓扑或调度的改变时，网络管理器127在网络设备的初始化或重新初始化之后向网络设备发送该信息。 
再次参考图3，在由直接无线连接165所连接的一对网络设备中，每个设备将彼此识别为邻居。因此，无线HART网络114的网络设 备可以形成大量连接165。由多个因素，如节点之间的物理距离、节点之间的障碍、在两个节点中的每个节点处的信号强度等等，确定在两个网络设备之间建立直接无线连接165的可能性和愿望。此外，两个或更多个直接无线连接165可以形成不能形成直接无线连接165的节点之间的路径。例如，无线HART手持设备155与无线HART设备136之间的直接无线连接165以及无线HART设备136与路由器160之间的第二直接无线连接165形成设备155与160之间的通信路径。 
每个无线连接165的特征在于与传输的频率、接入到无线资源的方法等等相关的参数的大的集合。本领域的普通技术人员将认识到无线通信协议通常可以操作在指定的频率，如由美国联邦通信委员会(FCC)指定的频率上，或者操作在无线频谱的未许可的部分(2.4GHz)中。虽然本文讨论的系统和方法可以应用于操作在任意指定的频率或频率范围上的无线网络，但是下文讨论的实施方式涉及操作在无线频谱的未许可的或共享的部分中。根据该实施方式，可以容易地激活并且调整无线HART网络114以根据需要操作在特定的未许可频率范围中。 
图4是用于向控制设备的控制器提供无线位置信号的示例性方法200的流程图。方法200可以结合示例性电气气动控制器20、示例性无线位置变换器32、图1、2和/或3中的示例性配置和/或其他合适的控制器、控制设备和/或配置来操作。在一个实施方式中，由无线位置变换器32执行方法200的一个或多个部分。 
可以使用任意前述技术的任意组合，例如固件、软件、离散逻辑和/或硬件的任意组合，来实现方法200。此外，可以采用许多其他用于实现图4的示例性操作的方法。例如，可以改变方框的执行次序，或者可以改变、再分割或者组合一个或多个方框。另外，可以例如由独立的处理线程、处理器、设备、离散逻辑、电路等等按顺序地并且/或者并行地执行任意或所有方法200。 
方法200包括将阀的致动器的运动转换成信号(方框202)。例 如，无线位置变换器32耦接到阀30，并且变换器32将阀30的致动器31的运动转换成用于指示致动器的运动或位置的值。可以将用于指示致动器的运动或位置的值填充到无线位置信号的字段中。在一个实施方式中，无线位置信号符合无线HART协议。 
方法200还包括由无线位置变换器使得使用无线协议将无线位置信号无线地发送给阀的电气气动控制器以控制该阀(方框205)。例如，无线位置变换器32使得将无线位置信号无线地发送给电气气动控制器20以控制阀30。在一个实施方式中，无线位置信号是控制器20为了控制阀30所需要的、从阀30接收的唯一的输入。在一个实施方式中，无线位置信号符合无线HART协议。在一个实施方式中，通过无线格型通信网络的通信协议，如根据由无线格型通信网络的网络管理器所生成的调度表，向电气气动控制器无线地发送该无线位置信号。在一个实施方式中，用来发送信号的无线通信信道是无线位置变换器与控制器之间的唯一的连接。 
方法200还可以包括使得该信号无线地发送给包括该阀和电气气动控制器的过程工厂或过程控制系统的控制主机(方框208)。例如，可以向过程控制系统100的控制系统主机116、118发送无线位置信号。在一个实施方式中，根据由无线格型通信网络的网络管理器所生成的调度表，通过无线格型通信网络向控制系统主机发送该无线位置信号。 
方法200的一些实施方式可以仅包括方框205和208中的一个，并且方法200的一些实施方式可以包括方框205和208两者。 
在一个实施方式中，方法200包括由电源向无线位置变换器供电(方框210)。例如，可以由电源向无线位置变换器32(例如无线位置变换器32的处理器50和/或通信接口55)供电。一般而言，电源是物理上靠近无线位置变换器的本地电源，如到电源、电池、电容器或其他合适的本地电源的直接本地有线连接。在一些实施方式中，本地电源被包括在无线位置变换器中作为完整的单元。 
在一些实施方式中，电源是可再充电能量存储设备，并且方法 200包括使用任何已知的再充电技术来再充电该可再充电能量源，如太阳能的获取和转换、电池替换、本地热量的能量恢复、振动和/或移动、到插入式的源(如DC电源)的临时连接、使用附近的充电器的感应或者任意其他合适的再充电装置或机制。 
可以用硬件、用于执行固件和/或软件指令的处理器或它们的任意组合实现上述各种方框、操作和技术中的至少一些。例如，可以用硬件、用于执行固件和/或软件指令的处理器或它们的任意组合实现无线位置变换器32的至少一部分。另外，可以用硬件、用于执行固件和/或软件指令的处理器或它们的任意组合实现图4的方框的至少一部分。 
当利用用于执行软件或固件指令的处理器来实现时，可以将软件或固件指令存储在非暂态的有形的计算机可读存储介质，如磁盘、光盘、RAM或ROM或闪存、磁带驱动器等等中。软件或固件指令可以包括存储在存储器或其他非暂态计算机可读存储介质上的机器可读指令，当该机器可读指令被处理器执行时使得处理器执行各种动作。 
当用硬件来实现时，硬件可以包括离散组件、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件等等中的一个或多个。 
虽然前文描述了大量不同的实施方式的详细说明，但是应该理解本专利的范围是由本专利所附的权利要求的词语和它们的等同形式来限定的。将详细说明理解为仅仅是说明性的而不是描述每个可能的实施方式，因为描述每个可能的实施方式将是不可能的也是不实际的。使用当前技术或在本申请的递交日之后开发的技术可以实现的大量可替换的实施方式仍然落入权利要求的范围中。 

Claims (14)

1.一种在过程控制系统中使用的位置变换器，其特征在于，包括： 
用于检测耦接到控制设备的致动器的位置的位置传感器，所述控制设备用于控制在所述过程控制系统中操作的过程 ； 
用于发送用于指示所述致动器的位置的无线信号的通信接口； 
所述通信接口耦接到无线通信信道； 
所述无线通信信道形成所述位置变换器与所述控制设备的控制器之间的唯一的连接；以及 
用于向所述通信接口供电的可再充电的能量存储设备。 
2.如权利要求1所述的位置变换器，其特征在于，向所述控制设备的控制器或控制系统主机或所述过程控制系统中的至少一个发送所述无线信号。 
3.如权利要求1所述的位置变换器，其特征在于，所述无线信号中所包括的字段的值用于指示所述致动器的位置，并且其中，所述无线信号的接收方唯一地基于所述无线信号中所包括的所述字段的值确定所述致动器的位置。 
4.如权利要求1所述的位置变换器，其特征在于，所述无线信号符合无线HART协议。 
5.如权利要求1所述的位置变换器，其特征在于，所述无线通信信道被包括在所述过程控制系统的专用无线格型通信网络中。 
6.如权利要求5所述的位置变换器，其特征在于，根据由所述无线格型通信网络的网络管理器所定义的调度表来发送所述无线信号。 
7.如权利要求1所述的位置变换器，其特征在于，所述位置传感器包括电位计、磁传感器、压电变换器、霍尔效应传感器或弦线电位计中的至少一种。 
8.如权利要求1所述的位置变换器，其特征在于，所述控制设 备是阀。 
9.一种阀控制器，其特征在于，包括： 
用于接收与阀相对应的控制信号的第一输入端； 
用于经由无线通信信道从无线位置变换器接收无线位置信号的第二输入端，所述无线位置信号用于指示所述阀的致动器的位置； 
用于发送驱动信号以控制所述阀的所述致动器的输出端，由所述阀控制器基于所述控制信号和所述无线位置信号确定所述驱动信号 ；并且 
其中所述无线通信信道是所述无线位置变换器与所述阀控制器之间的唯一的连接。 
10.如权利要求9所述的阀控制器，其特征在于，满足以下至少一个： 
所述控制信号符合无线HART协议； 
所述无线位置信号符合无线HART协议； 
所述第一输入端可通信地连接到无线格型网络并且根据由所述无线格型网络的网络管理器所生成的调度表接收所述控制信号；或者 
所述第二输入端可通信地连接到所述无线格型网络并且根据由所述无线格型网络的所述网络管理器所生成的所述调度表接收所述无线位置信号。 
11.如权利要求9所述的阀控制器，其特征在于，所述无线位置信号符合无线HART协议。 
12.如权利要求9所述的阀控制器，其特征在于，所述无线通信信道包括在无线格型网络中，并且其中根据由所述无线格型网络的网络管理器所生成的网络调度表接收所述无线位置信号。 
13.如权利要求9所述的阀控制器，其特征在于，所述阀控制器基于在所述无线位置信号中所包括的字段的值确定所述驱动信号。 
14.如权利要求9所述的阀控制器，其特征在于，所述无线位置变换器位于与所述控制器不同的环境中。 
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