RU2155350C2

RU2155350C2 - Встроенное испытательное оборудование передатчика поля

Info

Publication number: RU2155350C2
Application number: RU96107251/09A
Authority: RU
Inventors: Фегель Кевин; Б. ЛАНКТОТ Джейн; Л. Вестфилд Брайан
Original assignee: Роузмаунт Инк.
Priority date: 1993-09-15
Filing date: 1994-08-15
Publication date: 2000-08-27
Also published as: US5481200A; EP0719417B1; DE69429008T2; DE69429008D1; AU7526694A; CA2169722A1; CN1052306C; SG45362A1; AU678596B2; CZ71796A3; WO1995008123A1; EP0719417A1; CN1130945A

Abstract

Изобретение относится к передатчикам управления технологическим процессом. Описано усовершенствованное обнаружение ошибки для передатчиков на микропроцессорной основе в двухпроводных контурах управления технологическими процессами, применяемыми в области управления технологическими процессами. В частности, представлены методы, полезные для определения неисправностей или сбоев в работе передатчиков на микропроцессорной основе. Когда передатчик находится в состоянии электрической запитки, полное сопротивление кабеля контура технологического процесса определяется и запоминается, отображается или передается по желанию. Полное сопротивление в контуре используется для вычисления потенциала источника питания, используемого для запитки контура управления. Эта информация используется при проверке двухпроводного контура. Техническим результатом является повышение эффективности управления технологическим процессом за счет определения неисправностей или сбоев в функционировании передатчиков. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к передатчикам управления технологическим процессом, применяемым в области управления технологическими процессами, в частности к встроенному испытательному оборудованию передатчика, полезному для определения неисправностей или сбоев в функционировании передатчиков управляющего технологическим процессом оборудования на микропроцессорной основе.

Эффективное манипулирование переменной процесса в управляемом технологическом процессе требует немедленного определения ошибок в передатчике либо связанном с ним преобразователе или в цепях связи с тем, чтобы можно было предпринять соответствующие корректирующие и предупредительные меры. Проверка неисправности или ошибки перед тем, как остановить процесс и удалить передатчик из контура технологического процесса, обеспечивает необходимую эффективность. Современные передатчики на микропроцессорной основе содержат сложные электрические цепи, которые иногда дают сбой в то время, как в этот момент возникает только утечка тока или шунтовой электрический ток. Например, ток утечки цепи, который влияет на контурный ток, может быть расценен как дефект передатчика.

Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение включает в себя различные методы диагностических измерений передатчика, полезные в передатчиках с поиском неисправностей, устанавливаемых в контуре управления технологическим процессом. Методы настоящего изобретения периодически подсчитывают кабельное сопротивление контура технологического процесса, напряжение на зажимах передатчика, напряжение источника питания контура технологического процесса, протекание тока в электронной схеме передатчика и электрический ток контура технологического процесса.

Изобретение включает в себя микропроцессор, соединенный с контуром посредством аналого-цифровых преобразователей. Аналого-цифровые преобразователи измеряют контурный ток, ток утечки и напряжение на зажимах. Микропроцессор управляет контурным током посредством цифроаналогового преобразователя и подсчитывает контурное сопротивление и потенциалы источника питания.

Краткое описание чертежа
Единственный чертеж представляет электрическую схему электронной части и схемы измерения контурного тока согласно настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительных выполнений
Настоящее изобретение представляет собой передатчик в двухпроводном контуре управления технологическим процессом, включающим в себя электронную часть для измерения сопротивления в токовом контуре и напряжения источника питания, используемого для запитки контура. Проходящий по контуру технологического процесса электрический ток будет превышать желательное значение контурного тока технологического процесса, когда ток электронной части передатчика имеет большую утечку или шунтовый ток, например, в случае сырости или когда какой-нибудь другой электрический проводник контактирует с шиной электрического питания для внутренней электронной цепи передатчика.

Чертеж изображает передатчик 6 для передачи сигнала от датчика 8 по двухпроводному токовому контуру. Единственный чертеж представляет электрическую схему, изображающую цепь 34 для измерения шунтового тока в передатчике, а также цепь 10 для измерения электрического тока, протекающего по контуру технологического процесса. Протекание тока электронной части передатчика может быть определено путем вычитания значения шунтового тока из электрического тока, действительно протекающего в контуре технологического процесса.

Обозначенный стрелкой 12 электрический ток, присутствующий в контуре технологического процесса, проходит по кабелю контура технологического процесса, который обладает собственным сопротивлением, изменяющимся линейно в зависимости от длины кабеля. Электрическое сопротивление, обозначенное как R(контур), препятствует электрическому току протекать через кабель, так что когда вследствие этого электрический ток проходит через чувствительный резистор R(S2) управления контурным током, это вызывает появление на зажиме 13 передатчика отрицательного электрического потенциала по отношению к опорному напряжению или потенциалу 15 земли. Этот отрицательный электрический потенциал на зажиме 13 усиливается и инвертируется с помощью операционного усилителя 14, соединенного с зажимом 13 и первым выводом чувствительного резистора R(S2). Первый вывод двух высокоимпедансных резисторов R(f1) и R(i) операционного усилителя 14 соединен с инвертирующим зажимом 16 усилителя 14 для получения электрического потенциала V(S1), представляющего электрический ток, присутствующий в контуре технологического процесса на узле 18, где второй вывод высокоимпедансного резистора R(f1) обратной связи электрически соединяется с выходным зажимом 20 усилителя 14. Электрический потенциал V(S1) на узле 18 связан электрическим током, действительно протекающим по рассматриваемому контуру технологического процесса, и определяется следующим уравнением:
(1) V(S1) = [(I(контур)*R(S2))*(-1*(R(f1)/R(i)]
Значение V(S1) измеряется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (ADC) 28, соединенного с микропроцессором 38 и электронно-стираемой программируемой постоянной памятью (ЭСППЗУ) (EEPROM) 44, и пропорционален действительному контурному току 12. Это имеет место потому, что цепь 10 определена в пределах широкого температурного диапазона так, что можно сделать необходимые поправки для восстановления линейности выходного сигнала передатчика. Во время определения параметров процесса на заводе все цепи управления контурным током прогоняются во время температурных циклов, покрывающих предполагаемый полный рабочий диапазон передатчика. Вырабатываемые в этих циклах поправочные коэффициенты записываются в выходное электронное запоминающее устройство и используются для корректировки сигнала во время работы. Эти компенсационные данные записываются в энергонезависимую память ЭСППЗУ 44. Эти данные хранятся в ЭСППЗУ 44 передатчика таким образом, что если прерывается подача электропитания к передатчику, он работоспособен по включению питания. Эти компенсационные данные используются для корректировки и линеаризации выходного сигнала 4-20 мA.

Как представлено на чертеже, электрическая цепь, схематически пригодная для измерения напряжения на зажимах, обозначена в общем ссылочной позицией 32. Как только найдены значения напряжения на зажимах и контурного тока, могут быть определены текущие значения контурного сопротивления и напряжения источника питания с помощью алгоритма, как описано далее.

Аналого-цифровой преобразователь 28 преобразует аналоговый выходной сигнал V(t2), который представляет собой переменную процесса, в узле 30 в цифровую форму. Аналоговый выходной сигнал передатчика в узле 30 является электрическим потенциалом, пропорциональным напряжению V(t) на зажимах, как дано в следующем уравнении:
(2) V(t2) = [V(t)-(I(контур)*R(S2)]*(R2/R1 + R2)]
Таким образом, так как V(t2) известно, уравнение может быть решено для V(t), поскольку контурные сопротивления R(S2), R1 и R2 являются всеизвестными значениями.

Для нахождения значения R(контур) контурного сопротивления контурный ток устанавливается микропроцессором 38 на первое известное значение i(ll) в миллиамперах. Выходной сигнал V(t2) электрического потенциала преобразуется с помощью АЦП 28, и значение напряжения V(t1) на зажимах находится микропроцессором 38. Затем контурный ток изменяется микропроцессором на второе известное значение i(lh), превышающего первое значение, а значение V(t2) преобразуется с помощью АЦП, и напряжение V(th) на зажимах находится и отображается, если эти значения оказываются ниже заранее выбранного значения, ниже которого возможны неисправности, если передатчик попытается выполнять операции, требующие дополнительной электроэнергии. Следовательно, с учетом известного постоянного сигнала V(ps) источника питания и падения напряжения V(RS2) в резисторе RS2, значение кабельного сопротивления R (контур) в контуре технологического процесса может быть найдено по следующему уравнению:
(3) R(контур) = [V(t1)-V(th)/(i(lh)-i(ll)]-(RS2)
Следует отметить, что такой расчет имеет место в том случае, когда передатчик находится первоначально в электрически возбужденном состоянии, поскольку этот метод требует, чтобы по контуру технологического процесса проходили различные проверочные токи. Хотя и для контура технологического процесса с очень медленными периодами опытный оператор может применить этот метод с адекватными результатами.

Теперь можно найти напряжение V(pS) источника питания на основе известного значения сопротивления R(контур) в контуре технологического процесса, которое предполагается постоянным, и одного из проверочных условий контурного тока, например, i(lh) следующим образом:
(4) V(pS) = V(t) + V(d1) + V(d2) + i(lh)(R(контур) + (RS2)).

Можно допустить, что значения сопротивления диодов V(d1) и V(d2) являются постоянными или их можно полностью не принимать во внимание, так как напряжение V(c) критерия для адекватной энергии для регистрируемых данных можно вывести и без них. Они могут не приниматься во внимание, если предположить, что вызванное диодами падение напряжения не сильно отличается по рабочему диапазону тока, необходимому для передатчика.

Используя ту же самую электрическую цепь, о которой упоминалось выше, настоящее изобретение можно приспособить к указанию на то, может ли передатчик управления технологическим процессом безопасно вводить данные этого процесса в электронный регистратор данных. Соответственно, для обеспечения электроэнергии, потребной известным энергонезависимым перепрограммируемым запоминающим устройствам, нужно располагать адекватным напряжением источника питания. Некоторые энергонезависимые перепрограммируемые запоминающие устройства потребляют дополнительную величину электрического тока во время записи в оборудование регистрации данных. Возможно, что эта дополнительная величина электрического тока вызовет достаточный ток, чтобы вывести из строя шину напряжения, или источник электропитания, составляющий в данном случае 3,5 В постоянного тока. Если эта шина выходит из строя, то регистрируемые данные будут потеряны. Адекватное напряжение источника питания предохранит шину 3,5 В от выхода из строя. Чтобы это не случилось, настоящее изобретение обеспечивает измерение напряжения на зажимах передатчика с известной величиной электрического сопротивления, соединенного последовательно с контурной цепью, когда по нему проходит известный контурный электрический ток. Таким образом, определяется, будет ли пиковый ток по-прежнему оставлять адекватное напряжение на зажимах, нужное для регистрации данных. Регистрация данных представляет собой процесс записи информации в энергонезависимую память и требует большой энергии.

Возможные значения соответствующих напряжений могут быть разбиты на три альтернативные формы действия: (1) если V(ps) находится в пределах V(c) + 0,5 В, подается предупредительный сигнал о низком напряжении источника питания путем установления программного флага в протокол HART^® ; (2) если V(ps) = V(c), регистрация данных невозможна при пиковом токе, необходимом для регистрации, в этом случае также устанавливаются соответствующие предупреждающие флаги; (3) анализ приведенных выше двух уравнений перед попыткой произвести регистрацию предоставит информацию относительно способности успешного завершения регистрации. Следует отметить, что как только V(c) = V(ps) для регистрации при пиковом токе, регистрация данных в ЭСППЗУ или любое другое местное запоминающее устройство должна происходить так, данные сохраняются в случае, когда напряжение шины пропадает в результате попытки произвести регистрацию данных.

Измерение напряжения источника питания представляет собой очень полезный диагностический способ, особенно для передатчиков управления технологическим процессом, функционирующих на батарейках. Предупреждение о низком напряжении питания обеспечивают предохранительное поддерживающее диагностирование, полезное для конечного пользователя, это предупреждение может отображаться локально или передаваться дистанционным способом по промышленному стандартному протоколу HART^®. Следовательно, расчетные значения контурного сопротивления и потенциала источника питания могут быть переданы по контуру путем модуляции тока через контур цепью 36.

Кроме того, измерение контурного сопротивления обеспечит средство прослеживания увеличения в кажущемся контурном сопротивлении так, что могут быть обнаружены тракт утечки или шунтовый ток от витой пары проводов на землю или же может быть определена длина полевого многожильного кабеля без остановки процесса и проверки передатчиков в контуре; это может отображаться локально или передаваться дистанционно по промышленному стандартному протоколу связи HART^®.

В настоящем изобретении контурный ток "характеризуется" в широком диапазоне температур с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (DAC), что позволяет точно управлять контурным током при нормальных условиях работы. ЦАП обеспечивает заранее установленный электрический ток, а контурный ток является суммой тока электронной части и любых шунтовых токов. Цепь настоящего изобретения всегда подает заранее выбранный электрический ток, который необходим ЦАП, обеспечивающий, чтобы ток электронной части к электронной части передатчика не превышал желательный контурный ток, так как шунтовый ток не может быть отрицательным.

При использовании промышленного стандартного передатчика 4-20 мA полная шкала измерения откалиброванного передатчика требует полного диапазона 16 мA для регистрации и передачи измерений на нижнем краю шкалы. Как известно, если в электронной части случается сбой, вызывая протекание в электронной части тока в 6 мA, контурный ток не может превышать 6 мA. Следовательно, хотя передатчик и будет более или менее хорошо функционировать в диапазоне 6-20 мA, он не сможет соединяться с удаленными контроллерами или другими контрольно-измерительными устройствами контура технологического процесса с контурным током в 6 мA для некоторых промышленных стандартных протоколов связи. Например, открытый протокол связи, известный как протокол Highway Addressable Remote Transducer, или HART^®, не будет функционировать при 6 мA, так как протокол HART^® требует модуляции электрического шунтового тока ± 0,5 мA для связи и операций. Оператор технологического процесса может не знать об этой проблеме и может принять неточные данные, если передатчику необходимо послать какой-нибудь сигнал меньше сигнала управления технологическим процессом в 6 мA. Соответственно, цепь настоящего изобретения отображает послание локально и может вырабатывать соответствующий сигнал, который свидетельствует об ошибочном условии, когда ток электронной части превышает заранее установленное значение или когда напряжение на зажимах передатчика падает ниже заранее установленного значения. В связи с этой цепью вторая часть настоящего изобретения описывает цепь для измерения напряжения на зажимах. Адекватное напряжение на зажимах требуется для определения, возможны ли регистрация данных или другие потребляющие электроэнергию операции. Обнаружено, что как только становятся известными значения напряжения на зажимах и контурного тока, могут быть определены текущее контурное сопротивление и напряжение источника питания. Затем могут отправляться подходящие сигналы тревоги или текущего состояния так, что оператор передатчика управления технологическим процессом может предпринять в случае необходимости корректирующие меры.

Несмотря на то что настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты исполнения, специалисты данной области поймут, что форма и детали могут быть изменены без отступления от замысла и объема применения изобретения.

Claims

1. Измерительный передатчик с двумя зажимами, соединенными с двухпроводной цепью, при этом цепь имеет источник питания и контурное сопротивление, причем контурный ток проходит через передатчик, источник питания и контурное сопротивление, отличающийся тем, что содержит средство для установки контурного тока на первый и второй токовые уровни, средство для измерения потенциала между зажимами на двух токовых уровнях, и микропроцессорное средство для деления измеренного потенциала на изменение токового уровня для получения значения контурного сопротивления.

2. Измерительный передатчик по п.1, отличающийся тем, что микропроцессор включает в себя средство для расчета потенциала на источнике питания на основе контурного сопротивления и одного из токовых уровней.

3. Передатчик с двумя зажимами, соединенными с двухпроводным контуром управления технологическим процессом, отличающийся тем, что содержит средство для измерения проходящего через контур тока и выработки токового контурного выходного сигнала, средство для измерения потенциала между двумя зажимами и выработки выходного сигнала потенциала на зажимах и микропроцессор, включающий в себя вход, соединенный с токовым контурным выходным сигналом, вход, соединенный с выходным сигналом потенциала на зажимах, и выход, относящийся к контурному сопротивлению.

4. Способ измерения контурного сопротивления двухпроводного тока и потенциала питания с передатчиком, имеющим два зажима, соединенные с двухпроводной цепью, отличающийся тем, что устанавливают контурный ток через двухпроводную цепь на первый токовый уровень, измеряют первый потенциал между двумя зажимами, устанавливают контурный ток через двухпроводную цепь на второй токовый уровень, измеряют второй потенциал между двумя зажимами, и делят разность между первым и вторым потенциалами на разность между первым и вторым токовыми уровнями для определения контурного сопротивления, вычисляют потенциал источника питания как функцию контурного сопротивления и одного из токовых уровней.