Патент на изобретение №2350975

(54) ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ДИАГНОСТИКОЙ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ТОКА

(57) Реферат:

Предложенное изобретение относится к технологическим устройствам того типа, которые используются в промышленных процессах, а именно к диагностике таких технологических устройств. Предложенное технологическое устройство для применения в системе управления промышленным процессом содержит электрическое соединение, выполненное с возможностью подключения к контуру управления процессом, выходную схему, выполненную с возможностью передачи данных по контуру управления процессом, датчик установившегося тока, выполненный с возможностью измерения потребления установившегося тока, поступающего к технологическому устройству, устройство сравнения, выполненное с возможностью сравнения измеренного установившегося тока с базовым значением установившегося тока, и диагностическую схему, выполненную с возможностью определения диагностического состояния технологического устройства на основе сравнения измеренного установившегося тока и базового значения установившегося тока, причем базовое значение установившегося тока изменяется в зависимости от режима работы технологического устройства или в зависимости от температуры. Указанное устройство реализует соответствующий способ диагностики. Благодаря описанному устройству становится возможным определить или спрогнозировать диагностическое состояние технологического измерительного преобразователя в зависимости от значения установившегося тока. 2 н. и 34 з.п. ф-лы, 4 ил.

Уровень техники изобретения

Настоящее изобретение относится к технологическим устройствам того типа, которые используются в промышленных процессах. Более конкретно настоящее изобретение относится к диагностике таких технологических устройств.

Устройства рабочей зоны, такие как технологические контроллеры, устройства оперативного контроля и измерительные преобразователи, используются в промышленности средств управления процессами для осуществления дистанционного управления технологическими параметрами или их измерения. Например, измерительный преобразователь может передавать технологический параметр в диспетчерский пункт для использования при управлении процессом или для предоставления информации о работе при осуществлении процесса в контроллер. Например, в диспетчерский пункт можно передавать информацию, связанную с давлением технологической жидкости, и использовать эту информацию для управления процессом, например, очистки нефти и нефтепродуктов.

Один типичный известный способ передачи информации предусматривает управление количеством мощности, подаваемой из источника тока через контур управления процессом. Ток подают из источника тока, находящегося в диспетчерском пункте, а измерительный преобразователь управляет током со своего места в рабочей зоне. Например, можно использовать сигнал величиной 4 мА, чтобы указать нулевой отсчет, и сигнал величиной 20 мА, чтобы указать пределы измерения по шкале прибора. В последнее время в измерительных преобразователях стали применять цифровую схему, которая осуществляет связь с диспетчерским пунктом, используя цифровой сигнал, который накладывается на аналоговый сигнал тока, проходящий через контур управления процессом. Одним примером такого способа является протокол связи HART^®, предложенный фирмой Rosemount Inc. Протокол HART^® и другие такие протоколы включают в себя набор команд или инструкций, которые можно посылать в измерительный преобразователь для извлечения желаемого ответа, например команды управления измерительным преобразователем или опроса измерительного преобразователя.

Fieldbus – это протокол связи, предложенный Fieldbus Foundation и предназначенный для определения уровня или протокола связи для передачи информации по контуру управления процессом. В случае применения протокола Fieldbus ток, текущий через контур, не используется для передачи аналогового сигнала. Вместо этого вся информация передается в цифровой форме. Кроме того, стандарт Fieldbus и стандарт, известный под названием Profibus, обеспечивают возможность конфигурирования измерительных преобразователей в многоабонентской конфигурации, в которой обеспечивается подсоединение более одного измерительного преобразователя к одному и тому же контуру управления. Другие протоколы связи включают в себя протокол MODBUS^® и Ethernet. В некоторых конфигурациях можно использовать два, три, четыре и любое другое количество проводов для соединений, включая нефизические, например, РЧ (радиочастотные) соединения, с технологическим устройством.

Зачастую желательно осуществлять оперативный контроль работы технологических устройств. Одно устройство, которое обеспечивает наличие встроенной контрольно-измерительной аппаратуры, проиллюстрировано в патенте США №5481200 под названием FIELD TRANSMITTER BUILD-IN TEST EQUIPMENT (ВСТРОЕННАЯ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ).

В случае отказа технологического устройства зачастую необходимо остановить весь процесс, чтобы можно было отремонтировать или заменить отказавшее устройство. Как правило, невозможно спрогнозировать надвигающийся отказ технологического устройства до того, как он произойдет. Таким образом, когда технологическое устройство отказывает, это происходит неожиданно и может потребовать непредвиденного останова всего процесса. Хотя предпринимаются различные попытки прогнозирования надвигающегося отказа до того, как он произойдет, существует реальная потребность в таком способе. Предварительное прогнозирование приближающегося отказа обеспечивает замену отказывающего устройства, поскольку ее желательно провести до окончательного отказа этого устройства.

Сущность изобретения

Технологическое устройство, предназначенное для применения в системе управления промышленным процессом, включает в себя соединение, конфигурация которого обеспечивает подключение к контуру управления процессом. Осуществляется оперативный контроль потребления установившегося тока технологического устройства. Диагностика установившегося тока позволяет определить или спрогнозировать диагностическое состояние технологического измерительного преобразователя в зависимости от установившегося тока.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема системы управления процессом, включающей в себя измерительный преобразователь в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлено перспективное изображение измерительного преобразователя, показанного на фиг.1.

На фиг.3 и 4 представлены упрощенные электрические блок-схемы, иллюстрирующие компоненты в преобразователе, показанном на фиг.1, используемые при измерении и диагностике потребления установившегося тока.

Подробное описание

В настоящем изобретении предложен способ диагностики для прогнозирования отказа технологического устройства до того, как этот отказ произойдет. В соответствии с настоящим изобретением осуществляют оперативный контроль потребления установившегося тока. Обнаруживают изменения потребления установившегося тока и используют их для прогнозирования надвигающегося отказа технологического устройства.

На фиг.1 представлена схема системы 10 управления процессом, которая включает в себя измерительный преобразователь 12, соединенный с технологической трубой 16. Как сказано ниже, измерительный преобразователь 12 отображает лишь один тип технологического устройства, а настоящее изобретение применимо к любому технологическому устройству. Измерительный преобразователь 12 подключен к двухпроводному контуру управления процессом, функционирующему в соответствии со стандартом Fieldbus, Profibus или HART^®. Однако эти стандарты или двухпроводная конфигурация не являются ограничением для изобретения. Двухпроводной контур 18 управления процессом проложен между измерительным преобразователем 12 и диспетчерским пунктом 20. В варианте осуществления, в котором контур 18 работает в соответствии с протоколом HART^®, этот контур 18 может проводить ток I, который отображает измеряемый технологический параметр. Кроме того, протокол HART^® обеспечивает наложение цифрового сигнала на ток, проходящий через контур 18, таким образом, что можно посылать цифровую информацию в измерительный преобразователь 12 или принимать ее из него. При работе в соответствии с протоколом Fieldbus контур 18 переносит цифровой сигнал и может быть подключен к нескольким устройствам рабочей зоны, таким как другие измерительные преобразователи.

На фиг.2 представлено перспективное изображение измерительного преобразователя 12, иллюстрирующее одну возможную конфигурацию заключенных в нем блоков внутренних схем. Измерительный преобразователь 12 включает в себя модуль 40 определения параметров, который подключен к измерительному модулю 42. Измерительный модуль 42 подключен к технологической трубе 16 (не показанной на фиг.2) через посредство коллекторной технологической муфты 44.

Модуль 40 определения параметров включает в себя электронную схему 50 модуля определения параметров, которая подключена к электронной схеме 52 измерительного модуля, установленной в измерительном модуле 42. Как правило, электронная схема 52 измерительного модуля подключена к датчику технологических параметров, связанных с работой при осуществлении процесса. Электронная схема 50 модуля определения параметров включает в себя диагностический модуль 60, который подключен к датчику 62 установившегося тока. Можно реализовать диагностический модуль в аппаратных средствах, программных средствах или в гибридной комбинации эти средств. Датчику 62 установившегося тока можно придать конфигурацию, обеспечивающую оперативный контроль общего потребления установившегося тока измерительным преобразователем 12, потребления установившегося тока электронной схемой 50 модуля определения параметров и/или потребления установившегося тока электронной схемой 52 измерительного модуля.

Прогностическая диагностика может обеспечить значительное преимущество в индустрии средств управления технологическими процессами. Прогностическая диагностика заблаговременно обеспечивает информацию о надвигающемся отказе. К измерительному преобразователю 12 подключен датчик 21, показанный в общем виде на фиг.1. На фиг.1 также показан технологический контроллер 22, подключенный к управляющему элементу 24, такому как клапан. Также показано устройство 26 оперативного контроля процесса, подключенное к контуру 18. Устройство 26 оперативного контроля показано в виде переносного устройства, однако устройство 26 оперативного контроля процесса также может быть устройством, устанавливаемым в рабочей зоне. Устройство оперативного контроля процесса обеспечивает визуализацию диагностического прогноза (доступ к этому прогнозу), в соответствии с которым рекомендуется технологическое обслуживание. Это дает оператору возможность проводить техническое обслуживание до того, как произойдет окончательный отказ устройства. Это обеспечивает проведение технического обслуживания по желательному графику и не требует останова процесса в некоторый произвольный момент времени. Это приводит к повышению работоспособности установок и повышению эффективности. В настоящем изобретении предложены способ и устройство оперативного контроля общего состояния электронных узлов в устройстве, находящемся в рабочей зоне, путем обнаружения изменений установившегося тока. Такие изменения используются для прогнозирования и оповещения оператора о том, что происходит снижение работоспособности некоторого электронного компонента или другой отказ, который вызывает повышенное потребление тока.

Настоящее изобретение предусматривает оперативный контроль изменений установившегося тока, например постепенного увеличения установившегося тока, с целью обнаружения начала отказа электроники измерительного преобразователя. Например, скрытые отказы из-за повреждений, обусловленных электростатическим разрядом (ЭСР), повреждение компонентов из-за удара молнии или переходных процессов, утечку в полупроводниках (например, в полупроводниковых стабилитронах), утечку в компоненте фильтра (например, в конденсаторах) или утечку из-за роста дендритов или коррозии можно обнаружить на основании изменении установившегося тока.

В устройствах управления процессом, которые получают электропитание по двухпроводному контуру управления процессом, установившийся ток является критическим параметром. Примеры стандартов, используемых в случае двухпроводного контура управления процессом, включают в себя стандарт HART и стандарт Fieldbus. Измерительные преобразователи управляют током, протекающим по контуру управления процессом, предоставляя показания, считываемые как измеряемый технологический параметр. Основным предварительным условием для таких устройств является то, что они не могут регулировать ток контура с достижением значения, которое меньше, чем установившийся ток, требуемый устройством. Различные виды работ, включая работу технологического устройства, могут изменять потребление тока и приводить, например, к модуляции цифрового сигнала, поступающего в контур тока, или к потреблению дополнительного тока во время операции, проводимой с потреблением большой мощности, такой как запись в энергонезависимое запоминающее устройство (например, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство, EEPROM). Измерительные преобразователи могут также регулировать ток с достижением фиксированных значений, чтобы указать наступление некоторого конкретного состояния. Например, некоторые измерительные преобразователи обеспечивают малый ток на выходе, такой как 3,6 миллиампер, в качестве указателя аварийного состояния. Аварийное состояние может быть вызвано любым событием, которое обнаруживается измерительным преобразователем, которому предварительно придана конфигурация, обуславливающая выдачу выходного сигнала аварийного состояния.

В одном примере, когда такой измерительный преобразователь измеряет уровень в резервуаре, а резервуар номинально заполнен наполовину, выдается выходной ток величиной 12 миллиампер. Потребление установившегося тока измерительного преобразователя составляет 3,0 миллиампер. При такой конфигурации устройство будет способно достичь низкой аварийной уставки величиной 3,6 миллиампер. Кроме того, можно также осуществить связь в соответствии с протоколом HART.

Вместе с тем, когда происходит повреждение схемы в измерительном преобразователе, например, из-за удара молнии или другого события, и установившийся ток, требуемый измерительным преобразователем, возрастает до 3,5 миллиампер, этот измерительный преобразователь больше не будет способен передавать низкоуровневый аварийный сигнал величиной 3,6 миллиампер без оказания негативного влияния на какие-либо цифровые сообщения в соответствии с протоколом HART^®. Сообщения в соответствии с протоколом HART^® больше не будут иметь достаточную амплитуду (протокол HART^® требует модуляции ±0,5 мА для связи) за пределами потребления установившегося тока для передачи. Например, цифровой сигнал, используемый при передачах в соответствии с протоколом HART^®, будет настолько «ограниченным по амплитуде», что его среднее значение станет ненулевым. Это приведет к внесению погрешности в уровень аналогового сигнала. Кроме того, запросы (обычно в цифровом формате), посылаемые в измерительный преобразователь, окажутся безуспешными.

Если потребление установившегося тока продолжает расти и достигает 3,9 миллиампер, то измерительный преобразователь оказывается неспособным передать даже низкоуровневый аварийный сигнал величиной 3,6 миллиампер, потому что это обусловило бы общее потребление установившегося тока ниже нового значения установившегося тока. Продолжающиеся попытки установить связь в соответствии с протоколом HART^® также окажутся безуспешными.

Эта ситуация может усугубиться, если установившийся ток измерительного преобразователя вырастает до величины более 4 миллиампер. В такой ситуации, если измерительный преобразователь пытается передавать низкоуровневый аварийный сигнал величиной 3,6 миллиампер или любой ток, который ниже значения установившегося тока, фактический передаваемый ток аппроксимирует значение установившегося тока. Поскольку токи между 4 мА и 20 мА используются для указания ожидаемого диапазона технологического параметра, а передаваемый ток при этом сценарии превышает 4 мА, выдается неправильное указание нормальной работы.

В каждой из таких ситуаций маловероятно, что оператор сможет отнести ухудшение работы на счет измерительного преобразователя, потому что измерительный преобразователь будет выдавать надлежащий выходной сигнал величиной 12 миллиампер при номинальных условиях, в которых резервуар заполнен наполовину. Проблема с установившимся током будет идентифицирована лишь во время состояния отказа, которое требует передачи низкого значения аварийного сигнала, составляющего 3,6 миллиампер, или когда потребуется любое значение ниже уровня установившегося тока.

С помощью настоящего изобретения обеспечивается оперативный контроль потребления установившегося тока измерительным преобразователем и если это желательно то и наблюдение за тенденциями потребления тока. В вышеописанном сценарии, когда измерительный преобразователь обнаруживает отказ или предпосылки отказа, этот измерительный преобразователь может установить ток контура равным высокому значению аварийного сигнала, а не низкому значению аварийного сигнала. Высокое значение аварийного сигнала можно использовать, чтобы указать при диагностике установившегося тока, что измерительный преобразователь отказывает, или чтобы спрогнозировать отказ. Другие возможные отказы, которые можно обнаружить по мере нарастания установившегося тока, включают в себя ухудшение работы компонентов, рост дендритов или аналогичные отказы, выявление которых обеспечивает раннее оповещение о надвигающемся отказе.

В одном примере способа диагностики потребление установившегося тока сравнивают с базисным потреблением установившегося тока. Другие значения, которые можно использовать при сравнениях, включают в себя текущее или взвешенное среднее значение, номинальное значение или тенденцию изменения параметра. Например, базовую линию отсчета можно охарактеризовать в некотором диапазоне температур во время ввода в эксплуатацию или изготовления измерительного преобразователя и сохранить в запоминающем устройстве в качестве опорного значения. Можно использовать системы экспертной оценки или другие способы, включая применение нейронных цепей или нечеткой логики, чтобы идентифицировать такие тенденции.

В измерительных преобразователях, которые имеют модульную конструкцию, например, в измерительном преобразователе 12, показанном на фиг.2, базовые линии отсчета для различных модулей можно генерировать отдельно. Например, базовое потребление установившегося тока для измерительного модуля 42 и модуля 40 определения параметров можно конфигурировать по-отдельности. В еще одном примере осуществления сразу же после сборки модулей можно использовать электронную схему 50 модуля определения параметров для измерения потребления установившегося тока электронной схемы 52 измерительного модуля. Это позволяет электронной схеме 50 модуля определения параметров калибровать показание измеряемого установившегося тока для получения базовых данных во время ввода в эксплуатацию. Еще одна альтернатива предусматривает калибровку электронной схемы 50 модуля определения параметров и электронной схемы 52 измерительного модуля с целью проведения стандартной калибровки с учетом температурных эффектов, например, обусловленных данными испытаний.

Установившийся ток можно измерять любым подходящим способом. В одном возможном варианте осуществления измерительный преобразователь измеряет потребление тока, осуществляя оперативный контроль падения напряжения на токоизмерительном резисторе. Потребление тока также будет зависеть от многочисленных замеров, например падений напряжения на многочисленных компонентах или потреблении ими токов. Такой датчик тока может существовать в схеме, используемой для электропитания различных модулей, или может быть введен в качестве дополнительного компонента. Потребление установившегося тока электронной схемой 50 модуля определения параметров также можно определять путем измерения падения напряжения на токоизмерительном резисторе измерительного преобразователя 12 и вычитания измеренного потребления установившегося тока электронной схемой 52 измерительного модуля.

Способы диагностики установившегося тока согласно настоящему изобретению также можно применять для прогнозирования трудностей связи или надвигающихся отказов связи. Например, когда потребление установившегося тока возрастает, в сигнале связи возникают искажения из-за неудовлетворительной амплитуды тока, поддерживаемой в двухпроводном контуре 18 управления процессом. Например, Foundation Fieldbus требует модуляции минимум ±8 мА для связи. Перед образованием таких погрешностей измерительный преобразователь может обеспечить диагностический выходной сигнал, являющийся указателем надвигающегося отказа. Эта конфигурация может оказаться выгодной, в частности, в устройствах, которые осуществляют связь исключительно в цифровом формате. Если потребление установившегося тока в таком устройстве препятствует передаче цифрового сигнала, то у этого устройства нет других средств, с помощью которых можно передавать диагностическую информацию. Следовательно, при такой конфигурации технологическое устройство может передавать указание о надвигающемся отказе до наступления окончательного отказа. В еще одном примере устройство может активировать некую схему, чтобы отключить себя от связи с контуром управления процессом. Например, если потребление установившегося тока устройства достигло или приближается к значению, при котором упомянутый контур прекратит функционировать, это устройство может передавать оповещающий сигнал надвигающегося отказа и/или отключать себя от этого контура, вследствие чего контур сможет продолжить работу.

Схему измерения установившегося тока можно воплотить любыми подходящими способами, например, с помощью аналого-цифрового преобразователя, который измеряет падение напряжения на токоизмерительном резисторе. Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя может быть выдан в микропроцессор. Например, измеренное потребление установившегося тока можно сравнить с запомненным значением и компенсировать на основании температуры и других факторов. В некоторых вариантах осуществления микропроцессор может управлять электронными схемами внутри измерительного преобразователя, чтобы скомпенсировать повышенное потребление установившегося тока. Например, можно отбирать мощность у некоторых электронных компонентов таким образом, что измерительный преобразователь сможет продолжить функционирование, несмотря на возникновение отказа компонента. Это должно обеспечить оператору дополнительное время для замены неправильно функционирующего устройства.

На фиг.3 представлена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая схемное решение измерительного преобразователя 12. На фиг.3 электронная схема 50 модуля определения параметров показана подключенной к двухпроводному контуру 18 управления процессом через посредство последовательно подключенного регулирующего резистора 62С, шунтирующего регулятора 100, резистора 102 и цепи 104 обратного считывания показаний. Регулятор 110 мощности измерительного модуля подключен к электронной схеме 52 измерительного модуля через посредство токорегулирующего резистора 62В измерительного модуля. Электронная схема 52 измерительного модуля также показана подключенной к процессу через посредство датчика 112 технологических параметров. Также предусмотрено выходное устройство 114 отображения (ВУО), устанавливаемое по выбору.

Диагностическая схема воплощена в виде микроконтроллера 60, который подключен к регулятору 120 мощности модуля определения параметров, цифроаналоговому преобразователю 122 и аналого-цифровому преобразователю 62А. Аналого-цифровой преобразователь 62А подключен к резисторам 62В и 62С и имеет конфигурацию, обеспечивающую измерение тока контура, проходящего через соединение с резисторами 130 и 132.

При эксплуатации микроконтроллер 60 выполнен с возможностью управления током I, текущим через контур 18, и любыми цифровыми данными, модулируемыми в этот ток, с использованием цифроаналогового преобразователя 122 и шунтирующего регулятора 100. Аналого-цифровой преобразователь 62А выдает выходной сигнал, который является показателем тока I, текущего через контур 18. Кроме того, аналого-цифровой преобразователь 62А может выдавать в микроконтроллер 60 выходной сигнал, который связан с падением напряжения на резисторе 62С. Это падение напряжения связано с потреблением установившегося тока всеми схемами и измерительным преобразователем 12. Точно так же аналого-цифровой преобразователь 62А может выдавать выходной сигнал, который связан с падением напряжения на регуляторе 62В и является показателем потребления установившегося тока всей электронной схемой 52 измерительного модуля. Микроконтроллер 60 включает в себя запоминающее устройство 140, которое содержит базовые данные, касающиеся потребления установившегося тока разными компонентами. Путем периодического сравнения измеренного потребления установившегося тока с потреблением установившегося тока, хранящимся в запоминающем устройстве 140, микроконтроллер может определять, превысило ли потребление установившегося тока заданный рабочий параметр. Как сказано выше, потребление установившегося тока можно охарактеризовать на основании температуры измерительного преобразователя или других замеров.

При обнаружении отклонения в потреблении установившегося тока микроконтроллер может передать оповещающий сигнал по контуру 18 управления процессом или отобразить на устройстве 114 отображения этот выходной сигнал, либо визуальный выходной сигнал другого типа. Этот выходной сигнал может быть цифровым сигналом либо можно задать ток I, текущий по контуру 18, на некотором фиксированном уровне.

Как говорилось выше, настоящее изобретение применимо с любым технологическим устройством, которое используется в среде управления процессом. В общем случае устройства управления процессами, такие как измерительный преобразователь 12, показанный на фиг.1, используются для оперативного контроля технологических параметров или управления ими.

Технологические параметры, как правило, являются основными параметрами, управление которыми осуществляется в процессе. В том смысле, в каком этот термин употребляется в данном описании, «технологический параметр» – это любой параметр, который описывает состояние процесса, такой как, давление, расход, температура, уровень качества изделий, рН, помутнение, вибрация, положение, ток двигателя, любая другая характеристика процесса и т.д. «Сигнал управления» – это любой сигнал (отличный от технологического параметра), который используется для управления процессом. Например, «сигнал управления» может быть требуемым значением технологического параметра (т.е. уставкой), таким как требуемая температура, требуемое давление, требуемый расход, требуемый уровень качества продукта, требуемое значение рН или требуемое помутнение и т.д., которое регулируется контроллером для управления процессом. Кроме того, «сигнал управления» может отображать калибровочные значения, аварийные сигналы, аварийные состояния или представлять собой сигнал, который выдается в управляющий элемент, например сигнал положения клапана, который выдается в исполнительный механизм клапана, уровень энергии, которая подводится к нагревательному элементу, сигнал включения или выключения соленоида и т.д., или любой другой сигнал, который относится к управлению процессом. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «диагностический сигнал» охватывает информацию, связанную с работой устройств и элементов контура управления процессом, но не охватывает технологические параметры или сигналы управления. Например, диагностические сигналы включают в себя сигналы положения штока клапана, прикладываемого крутящего момента или усилия, давления исполнительного механизма, давления сжатого газа, используемого для включения клапана, электрического напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости, индуктивности, температуры устройства, наличия заеданий, трения, положений полного включения и отключения, перемещения, частоты, амплитуды, спектра и компонентов спектра, жесткости, напряженности электрического или магнитного поля, длительности, интенсивности, движения, противоэлектродвижущей силы электродвигателя, тока электродвигателя, параметров, связанных с контуром (например, сопротивления, напряжения или тока контура), или любого другого параметра, который можно обнаружить или измерить в системе. Кроме того, «технологический сигнал» – это любой сигнал, который связан с процессом или элементом в процессе, например, такой как технологический параметр, сигнал управления или диагностический сигнал. Термин «технологические устройства» распространяется на любое устройство, которое образует часть контура управления процессом или подключено к этому контуру и используется при управлении процессом или оперативном контроле этого процесса.

Как говорилось выше, на фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая пример системы 10 управления процессом, которая включает в себя технологическую трубу 16, по которой транспортируется технологическая жидкость, и двухпроводной контур 18 управления процессом, по которому протекает ток I контура. Измерительный преобразователь 12, контроллер 22, который подключен к оконечному управляющему элементу в контуре, например к исполнительному механизму, клапану, насосу, электродвигателю или соленоиду, коммуникатор 26 и аппаратура 20 диспетчерского пункта – все это части контура 18 управления процессом. Понятно, что контур 18 показан в одной конфигурации и что можно использовать любой подходящий контур управления процессом, например контур, рассчитанный на номинальный ток 4-20 мА, двух-, трех- или четырехпроводной контур, многоабонентский контур и контур, работающий в соответствии с протоколом HART^®, Fieldbus, Profibus или другим протоколом цифровой или аналоговой связи. При эксплуатации измерительный преобразователь 12 измеряет технологический параметр, такой как расход, с помощью датчика 21 и передает измеренный технологический параметр по контуру 18. Этот технологический параметр может быть получен исполнительным механизмом клапана и/или контроллером 22, коммуникатором 26 и/или аппаратурой 20 диспетчерского пункта. Контроллер 22 показан подключенным к клапану 24 и выполнен с возможностью управления процессом за счет регулирования клапана 24, вследствие чего изменяется расход в трубе 16. Контроллер 22 получает входной сигнал управления по контуру 18, например, от аппаратуры 20 диспетчерского пункта, от измерительного преобразователя 12 или коммуникатора 26 и по этому сигналу регулирует клапан 24. В еще одном варианте осуществления контроллер 22 генерирует внутри себя сигнал управления на основании технологических сигналов, получаемых по контуру 18. Коммуникатор 26 может быть портативным коммуникатором, показанным на фиг.1, или может быть стационарным технологическим блоком, который осуществляет оперативный контроль процесса и проводит вычисления. Технологические устройства включают в себя, например, измерительный преобразователь 12 (такой как измерительный преобразователь модели 3095 от Rosemount Inc.), контроллер 22, коммуникатор 26 и аппаратуру 20 диспетчерского пункта, показанные на фиг.1. К другому типу технологического устройства относятся персональный компьютер (ПК), программируемый логический контроллер (PLC, ПЛК) или другой компьютер, подключенный к контуру с помощью подходящей схемы ввода-вывода, для обеспечения оперативного контроля контура, управления им или передачи по нему.

Любое из технологических устройств 12, 22, 26 или 20, показанных на фиг.1, может обладать диагностическими возможностями в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 представлена блок-схема технологического устройства 240, образующего часть контура 18. Устройство 240 показано в общем виде и может представлять собой любое технологическое устройство, такое как измерительный преобразователь 12, контроллер 22, коммуникатор 26 или аппаратура 20 диспетчерского пункта, показанные на фиг.1. Аппаратура 20 диспетчерского пункта может содержать, например, систему цифрового преобразования стандартов (ЦПС), воплощенную в ПЛК, а контроллер 22 может также содержать «интеллектуальный» узел электродвигателя и насоса. Технологическое устройство 240 включает в себя схему 242 ввода-вывода, подключенную к контуру 18 на клеммах 244. Схема ввода-вывода имеет предварительно выбранные входное и выходное полные сопротивления, известные в данной области техники, для облегчения передачи подходящей информации из устройства 240 и в это устройство. Устройство 240 включает в себя микропроцессор 246, подключенный к схеме 242 ввода-вывода, запоминающее устройство 248, подключенное к микропроцессору 246, и генератор 250 синхронизирующих импульсов, подключенный к микропроцессору 246. Микропроцессор 246 принимает входящий технологический сигнал 252. Термин «ввод в блок» предназначен для обозначения ввода любого технологического сигнала и, как пояснялось выше, этот технологический сигнал может быть технологическим параметром или сигналом управления и может быть получен из контура 18 с помощью схемы 242 ввода-вывода или может генерироваться внутри устройства 240 рабочей зоны. Устройство 240 рабочей зоны показано с каналом 244 измеряемого входного сигнала и каналом 256 управления. Как правило, измерительный преобразователь, такой как измерительный преобразователь 12, будет включать в себя только канал 254 измеряемого входного сигнала, а контроллер, такой как контроллер 22, будет включать в себя только канал 256 управления. Другие устройства в контуре 18, такие как коммуникатор 26 и аппаратура 20 диспетчерского пункта, могут и не включать в себя каналы 254 и 256. Понятно, что устройство 240 может содержать множество каналов для оперативного контроля множества технологических параметров и/или управления множеством элементов управления надлежащим образом.

Канал 254 измеряемого входного сигнала включает в себя датчик 21, измеряющий технологический параметр и выдающий выходной сигнал датчика в усилитель 258, который имеет выходной сигнал, оцифровываемый аналого-цифровым преобразователем 260. Канал 254 в типичном случае используется в таких измерительных преобразователях, как измерительный преобразователь 12. Схема 262 компенсации компенсирует оцифрованный сигнал и выдает оцифрованный сигнал технологического параметра в микропроцессор 246. В одном варианте осуществления, канал 254 представляет собой диагностический канал, который принимает диагностический сигнал.

Когда технологическое устройство 240 работает как контролер, такой как контроллер 22, это устройство 240 включает в себя канал 256 управления, имеющий элемент 24 управления, например, такой как клапан. Элемент 24 управления подключен к микропроцессору 246 через посредство цифроаналогового преобразователя 264, усилителя 266 и исполнительного механизма 268. Цифроаналоговый преобразователь 264 оцифровывает выдаваемую из микропроцессора 246 команду, которая усиливается усилителем 266. Исполнительный механизм 268 управляет элементом 24 управления на основании выходного сигнала усилителя 266. В одном варианте осуществления, исполнительный механизм 268 подключен непосредственно к контуру 18 и управляет источником сжатого газа (не показан) с целью надлежащего позиционирования элемента 24 управления в ответ на ток I, протекающий через контур 18. В одном варианте осуществления контроллер 22 включает в себя канал 256 управления, предназначенный для управления элементом управления, а также включает в себя канал 254 измеряемого входного сигнала, который обеспечивает такой диагностический сигнал, как сигнал положения клапана, силы, крутящего момента, давления исполнительного механизма, давления источника сжатого воздуха и т.д.

В одном варианте осуществления, схема 242 ввода-вывода обеспечивает выходной сигнал мощности, который используется для запитки в полном объеме другой схемы в технологическом устройстве 240 за счет мощности, получаемой из контура 18. Как правило, электропитание таких устройств рабочей зоны, как измерительный преобразователь 12 или контроллер 22, отключается контуром 18, тогда как коммуникатор 26 или аппаратура 20 диспетчерского пункта имеет отдельный источник электропитания. Как описано выше, ввод 252 технологического сигнала предоставляет технологический сигнал, подаваемый в микропроцессор 246. Этот технологический сигнал может быть технологическим параметром из датчика 21, выходным сигналом управления, выдаваемым в элемент 24 управления, диагностическим сигналом, измеряемым датчиком 21, либо сигналом управления, технологическим параметром или диагностическим сигналом, принимаемым через контур 18, либо технологическим сигналом, принимаемым или генерируемым некоторым другим средством, таким как еще один канал ввода-вывода.

С микропроцессором 246 также соединена схема 276 ввода-вывода пользователем, которая обеспечивает связь между устройством 240 и пользователем. Как правило, схема 276 ввода-вывода пользователем включает в себя дисплей и аудиоблок для вывода и клавиатуру для ввода. В типичном случае коммуникатор 26 и аппаратура 20 диспетчерского пункта включают в себя схему 276 ввода-вывода, которая представляет пользователю возможность оперативного контроля и ввода технологических сигналов, таких как технологические параметры, сигналы управления (уставки, калибровочные значения, аварийные сигналы, аварийные состояния и т.д.). Пользователь также может воспользоваться схемой 276 в коммуникаторе 26 или аппаратуре 20 диспетчерского пункта для посылки таких технологических сигналов в измерительный преобразователь 12 и контроллер 22 и приема упомянутых сигналов из этих устройств через контур 18. Кроме того, такая схема может быть воплощена непосредственно в измерительном преобразователе 12, контроллере 22 или любом другом технологическом устройстве 240.

На фиг.4 также изображена схема 278 измерения установившегося тока. Эта схема измерения установившегося тока может быть отдельным датчиком тока или она может быть сформирована из нескольких таких датчиков либо датчиков, в которых предусматривается потребление тока. Эта схема измерения подключена к микропроцессору 246. Микропроцессор 246 может осуществлять оперативный контроль схемы 278 измерения установившегося тока и выдавать указание отказа или надвигающегося отказа. Например, микропроцессор может сравнивать установившийся ток с базовым значением или номинальным значением. Эту информацию можно хранить в запоминающем устройстве 248. Базовое и номинальное значение можно изменять на основании режима работы технологического устройства 240 или других факторов. Кроме того, диагностика может быть основана на тенденциях изменения установившегося тока. Например, увеличение постепенное или внезапное по времени, или периодические всплески, либо другие аномалии потребления установившегося тока могут служить указанием надвигающегося отказа. Точно так же, если установившийся ток претерпевает внезапный всплеск, микроконтроллер 60 может выдать диагностический выходной сигнал, указывающий, что технологическое устройство 240 временно отказало. Эти значения, тенденции или обучающие профили можно хранить в запоминающем устройстве 248. Проводимая микроконтроллером 60 диагностика может быть основана на простом сравнении, проводимом микропроцессором 246, или более сложных математических методах, таких как методы наблюдаемых средних значений или скользящих средних значений измерений, методы нечеткой логики, методы нейронных цепей или методы экспертных систем, основанные на ряде правил и/или сравнении пороговых значений. Способность настоящего изобретения обеспечить прогностическую диагностику может оказаться выгодной потому, что это предоставляет обслуживающему персоналу время на обслуживание технологического устройства 240 до того, как произойдет его окончательный отказ. Кроме того, технологические устройства некоторых типов могут просто отключаться, когда в них происходит окончательный отказ. Такое устройство не выдает выходной сигнал, что указывает на нахождение устройства в режиме отказа, и поэтому оператор теперь уведомлен, что отказ произошел.

Настоящее изобретение можно также воплотить в беспроводных устройствах, используемых в системах управления процессами. В таком устройстве подвод мощности должен осуществляться с помощью внутреннего источника электропитания. В частности, такие устройства могут быть чувствительными к мощности. Например, с помощью настоящего изобретения можно отключать измерительную схему или иную схему внутри устройства таким образом, что беспроводное устройство будет иметь достаточную мощность для связи и выдавать выходной сигнал, указывающий, что компонент отказал или находится в процессе отказа.

Диагностический выходной сигнал согласно настоящему изобретению можно использовать для выдачи выходного сигнала, выдачи визуального указания оператору, выдачи сигнала связи для передачи его в диспетчерский пункт, выполнения действий с целью отсоединения схемы, реагирующей на повышенное потребление установившегося тока, либо другой схемы или устройства, отсоединения технологического устройства от контура управления процессом, или принятия других мер.

Несмотря на то что настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что без выхода за рамки и объема притязаний изобретения можно внести изменения в описание его формы и деталей. Диагностическая схема может оперативно контролировать потребление установившегося тока всеми схемами в измерительном преобразователе или лишь частями схем внутри измерительного преобразователя. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «установившийся ток» распространяется на нормальное потребление тока наряду с любым нежелательным потреблением тока из-за утечки, отказа или отказавших компонентов и т.д. Вышеизложенное описание иллюстрирует изобретение в одной возможной конфигурации и возможно использование любого контура управления процессом, например контура, рассчитанного на номинальный ток 4-20 мА, а также двух-, трех- или четырехпроводного контура, многоабонентского контура и контура, работающего в соответствии с протоколом HART^®, Fieldbus, Profibus или другим протоколом цифровой или аналоговой связи.

Формула изобретения

1. Технологическое устройство для применения в системе управления промышленным процессом, содержащее

электрическое соединение, выполненное с возможностью подключения к контуру управления процессом,

выходную схему, выполненную с возможностью передачи данных по контуру управления процессом,

датчик установившегося тока, выполненный с возможностью измерения потребления установившегося тока, поступающего к технологическому устройству,

устройство сравнения, выполненное с возможностью сравнения измеренного установившегося тока с базовым значением установившегося тока, и

диагностическую схему, выполненную с возможностью определения диагностического состояния технологического устройства на основе сравнения измеренного установившегося тока и базового значения установившегося тока,

причем базовое значение установившегося тока изменяется в зависимости от режима работы технологического устройства или в зависимости от температуры.

2. Устройство по п.1, включающее в себя запоминающее устройство, выполненное с возможностью хранения базового значения установившегося тока.

3. Устройство по п.1, в котором диагностическое состояние является функцией температуры.

4. Устройство по п.1, в котором датчик установившегося тока выполнен с возможностью измерения потребления установившегося тока частью схемы внутри технологического устройства.

5. Устройство по п.1, в котором датчик установившегося тока включает в себя измерительный резистор.

6. Устройство по п.1, в котором датчик установившегося тока включает в себя аналого-цифровой преобразователь.

7. Устройство по п.1, выполненное с возможностью выдачи выходного сигнала в контур управления процессом.

8. Устройство по п.7, в котором выходной сигнал представляет собой аналоговый сигнал.

9. Устройство по п.7, в котором выходной сигнал представляет собой цифровой сигнал.

10. Устройство по п.1, в котором диагностическая схема оперативно контролирует тенденцию потребления установившегося тока.

11. Устройство по п.1, включающее в себя электронную схему модуля определения параметров, и при этом датчик установившегося тока выполнен с возможностью измерения потребления установившегося тока электронной схемой модуля определения параметров.

12. Устройство по п.1, включающее в себя электронную схему измерительного модуля, и при этом датчик установившегося тока выполнен с возможностью измерения потребления установившегося тока электронной схемой измерительного модуля.

13. Устройство по п.1, в котором выходная схема выдает сигнал в контур управления процессом на основании диагностического состояния, определенного диагностической схемой.

14. Устройство по п.13, в котором выходной сигнал содержит аварийный сигнал.

15. Устройство по п.1, в котором диагностическое состояние является показателем надвигающегося отказа электронной схемы в технологическом устройстве.

16. Устройство по п.1, в котором контур управления процессом представляет собой двухпроводной контур управления процессом.

17. Устройство по п.1, в котором диагностическая схема управляет работой электронной схемы в технологическом устройстве в ответ на измеренное потребление установившегося тока технологическим устройством.

18. Устройство по п.1, включающее в себя выход для визуального сигнала, и при этом диагностическая схема выдает выходной сигнал на выход для визуального сигнала в ответ на диагностическое состояние.

19. Устройство по п.1, в котором диагностическая схема включает в себя цифровой процессор.

20. Устройство по п.1, запитка которого в полном объеме осуществляется мощностью, получаемой из контура управления процессом.

21. Устройство по п.1, в котором контур управления процессом функционирует в соответствии с протоколом HART^®, Fieldbus или Profibus.

22. Устройство по п.1, включающее в себя вход для технологического параметра, подключенный к датчику для измерения технологических параметров промышленного процесса.

23. Устройство по п.1, включающее в себя управляющий выход, подключенный к элементу управления для управления технологическим параметрам системы управления процессом.

24. Устройство по п.1, в котором контур управления процессом выбирают из группы контуров управления процессами, состоящей из двухпроводных контуров, трехпроводных контуров, четырехпроводных контуров и беспроводных контуров.

25. Способ определения диагностического состояния технологического устройства того типа, которое применяется в системах управления промышленными процессами, заключающийся в том, что

подключают технологическое устройство к контуру управления процессом,

выдают данные в контур управления процессом,

осуществляют оперативный контроль потребления установившегося тока электрическим компонентом технологического устройства и

сравнивают полученный в результате оперативного контроля установившийся ток с базовым значением установившегося тока, и

диагностируют состояние электрического компонента технологического устройства на основании сравнения полученного в результате оперативного контроля установившегося тока с базовым значением установившегося тока,

причем базовое значение установившегося тока изменяется в зависимости от режима работы технологического устройства или в зависимости от температуры.

26. Способ по п.25, в котором базовое значение установившегося тока хранится в запоминающем устройстве.

27. Способ по п.25, в котором диагностическое состояние является функцией температуры.

28. Способ по п.25, в котором оперативно контролируемое потребление установившегося тока представляет собой потребление установившегося тока частью схемы внутри технологического устройства.

29. Способ по п.25, предусматривающий оперативный контроль тенденций потребления установившегося тока.

30. Способ по п.25, в котором диагностическое состояние является показателем надвигающегося отказа электронной схемы в технологическом устройстве.

31. Способ по п.25, предусматривающий операцию управления электронной схемой в технологическом устройстве в ответ на измеренное потребление установившегося тока технологического устройства.

32. Способ по п.25, предусматривающий запитку в полном объеме технологического устройства за счет мощности, получаемой из двухпроводного контура управления процессом.

33. Способ по п.25, в котором контур управления процессом представляет собой двухпроводной контур управления процессом.

34. Способ по п.25, предусматривающий измерение технологических параметров промышленного процесса.

35. Способ по п.25, предусматривающий выдачу выходного сигнала управления в элемент управления для управления работой при осуществлении промышленного процесса.

36. Способ по п.25, в котором контур управления процессом выбирают из группы контуров управления процессами, состоящей из двухпроводных контуров, трехпроводных контуров, четырехпроводных контуров и беспроводных контуров.

РИСУНКИ