Патент на изобретение №2399081

(54) ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

(57) Реферат:

Использование: в области электротехники и связи. Технический результат заключается в повышении надежности. Заявлены прибор (10) и способ передачи электроэнергии от контура (12) обмена информацией о процессах в полевой шине, по меньшей мере, к одному другому контуру (24) обмена информацией о процессах, работающему в соответствии с другим протоколом обмена информацией о процессах. Устройство (10) передачи энергии соединяется с контуром (12) обмена информацией о процессах в полевой шине и со вторым контуром (24) обмена информацией о процессах. Устройство (10) передачи электроэнергии полностью питается от контура (12) обмена информацией о процессах в полевой шине и сконфигурировано для подачи, по крайней мере, некоторой электроэнергии для второго контура (12) обмена информацией о процессах. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Уровень техники

Автоматизированные системы управления технологическими процессами, подобные тем, что используются в химических, нефтяных или других процессах, типично включают в себя, по меньшей мере, один централизованный контроллер процесса, связанный для обмена информацией, по меньшей мере, с одной главной вычислительной машиной или рабочей станцией оператора и с одним или более полевыми устройствами через аналоговые и/или цифровые шины или другие линии или каналы связи. Полевые устройства, которые могут быть, например, клапанами, позиционерами клапанов, переключателями, передатчиками регулируемых параметров процесса (например, датчиками температуры, давления и скорости потока) и т.д., выполняют функции внутри процесса, такие как открытие и закрытие клапанов, и измерение параметров процесса. Контроллер процесса принимает сигналы, показывающие измерения процесса, сделанные полевыми устройствами, и/или другую информацию, принадлежащую полевым устройствам, через устройство ввода/вывода (I/O), использует эту информацию для осуществления программы управления и затем генерирует управляющие сигналы, которые отправляет по шинам или другим каналам связи через устройство ввода/вывода к полевым устройствам, чтобы управлять работой процесса. Информация от полевых устройств и контроллеров в типичном варианте сделана доступной одному или более приложениям, выполняемым рабочей станцией оператора, чтобы позволить оператору выполнить любую желаемую функцию в отношении процесса, такую как просмотр текущего состояния процесса, модификацию работы процесса, конфигурирование процесса, документирование процесса и т.д.

В прошлом десятилетии или около этого в индустрии управления технологическими процессами стали распространены интеллектуальные полевые устройства, включающие в себя микропроцессор и память. В дополнение к выполнению первичной функции внутри процесса, интеллектуальные полевые устройства могут сохранять данные, принадлежащие устройству, обмениваться информацией с контроллером и/или другими устройствами в цифровом или комбинированном цифроаналоговом формате и выполнять вторичные задачи, такие как самокалибровка, идентификация, диагностика и т.д.

В прошлом были разработаны стандартные протоколы обмена информацией, позволяющие контроллерам и полевым устройствам от разных производителей обмениваться данными, используя стандартные форматы. Однако во многих случаях изменения в протоколах обмена информацией сделали их пригодными для одних условий, в то время как другие были более пригодны в других местах, даже на том же самом предприятии или оборудовании. Например, протокол 4-20 миллиампер (мА) обладает хорошей помехоустойчивостью, но требует специальной проводки. Высокоскоростной протокол Ethernet (High Speed Ethernet, HSE) может быть быстрым, но он часто требует дорогостоящей замены проводки. Другие протоколы, такие как сети контроллеров (CAN), HART®, Hl, Foundation полевой шины (“Fieldbus”) и другие, имеют такие свойства и отрицательные стороны, как максимальная длина кабеля, многоточечная/одноточечная линия, взрывобезопасность (для взрывоопасных сред), помехоустойчивость, обратная совместимость, дополнительная мощность и т.д. Иногда свойства диктуют использование одного протокола и соответствующей проводки, даже если она не подходит для использования на всем предприятии или оборудовании.

Функциональная совместимость между и/или среди различных стандартных протоколов обмена информацией, используемых в обрабатывающей промышленности, еще недавно была в процессе разработки. Существует технология обмена информацией между протоколами. Например, патент США с порядковым номером 10/354525, озаглавленный «ИНТЕРФЕЙСНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С СЕТЬЮ УСТРОЙСТВ MODBUS И СЕТЬЮ УСТРОЙСТВ ПОЛЕВОЙ ШИНЫ», обеспечивает одной показательной иллюстрацией обмена данными между двумя стандартными протоколами обмена информацией, используемыми в обрабатывающей промышленности. Несмотря на то что связь между протоколами является существенным продвижением в области мониторинга и управления обмена информацией о процессах, еще могут быть сделаны дополнительные улучшения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предоставляются прибор и способ передачи электроэнергии от контура обмена информацией о процессах в полевой шине к, по меньшей мере, одному другому контуру обмена информацией, работающему в соответствии с другим протоколом обмена информацией о процессах. Устройство передачи энергии соединено с контуром обмена информацией о процессах в полевой шине и со вторым контуром обмена информацией о процессах. Устройство передачи электроэнергии питается от контура обмена информацией о процессах в полевой шине и сконфигурировано для снабжения, по меньшей мере, электроэнергией для второго контура обмена информацией о процессах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает схематичный вид двух сетей управления технологическими процессами, соединенных вместе устройством передачи энергии в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 показывает схематичный вид устройства передачи энергии в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 показывает схематичный вид устройства передачи энергии в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4 – это принципиальная схема пассивной схемы для передачи электроэнергии от сегмента полевой шины к полевому устройству, работающему в соответствии с другим протоколом обмена информацией о процессах.

Фиг. 5 – это принципиальная схема активной схемы для передачи электроэнергии от сегмента полевой шины к полевому устройству, работающему в соответствии с другим протоколом обмена информацией о процессах.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Варианты осуществления настоящего изобретения в одних случаях полностью отводят, а в других случаях – частично избыточную электрическую энергию, имеющуюся в контуре обмена информацией о процессах в полевой шине, и доставляют эту избыточную энергию к отдельному контуру обмена информацией о процессах, работающему в соответствии с другим стандартным протоколом обмена информацией о процессах. Полевая шина – это протокол обмена информацией, определяющий уровень или протокол обмена информацией для передачи информации о контуре управления процессом. Спецификация протокола полевой шины – это ISA – S50.01.1992, опубликованная Инструментальным обществом Америки (Instrument Society of America) в 1992 году. Использованный здесь термин «полевая шина» предназначен для обозначения любого контура обмена информацией о процессах, отвечающего спецификации, указанной выше, как вперед, так и обратно. Протокол полевой шины – это полностью цифровой протокол обмена информацией, разработанный для использования в сетях управления процессом. В частности, протокол полевой шины и способ обмена информацией и хранения данных в устройствах, использующих протокол полевой шины, детально описаны в основных руководствах полевой шины, называемых Технические спецификации обмена информацией и Пользовательские технические спецификации.

Протокол полевой шины – это полностью цифровой, последовательный, двухсторонний протокол обмена информацией, который обеспечивает стандартизированный физический интерфейс к двухпроводным контуру или шине, которые связывают полевое оборудование или такие устройства, как датчики, передатчики, исполнительные механизмы, элементы управления, клапаны и так далее, расположенные в контрольно-измерительном оборудовании или среде управления процессом, такой как фабрика или предприятие. Протокол полевой шины обеспечивает, в сущности, локальную сеть для полевых устройств или инструментария внутри процесса, которая дает возможность этим полевым устройствам выполнять функции управления процессом в местоположениях, распределенных по всему оборудованию процесса, и обмениваться информацией друг с другом до или после выполнения этих функций управления процессом для осуществления общей стратегии управления.

Фиг. 1 показывает схематичный вид двух сетей управления процессами, соединенных вместе устройством передачи энергии в соответствии с вариантом осуществлением настоящего изобретения. Устройство 10 передачи энергии соединено с контуром 12 обмена информацией о процессах в полевой шине, причем контур 12 соединен с устройствами 14, 16 и 18. Устройства полевой шины 14, 16 и 18 могут являться любыми подходящими полевыми устройствами, включающими в себя контроллеры, передатчики технологических изменяемых параметров, клапаны, исполнительные механизмы клапанов и другие полевые устройства. Фиг. 1 иллюстрирует контур 12 полевой шины, продолжающийся вдоль линии 20, показывающей, что с ним могут быть связаны дополнительные полевые устройства полевой шины. Кроме того, контур 12 обмена информацией о процессах в полевой шине связан с источником электроэнергии, таким как диспетчерский зал. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения устройство 10 передачи энергии связано также, по крайней мере, со второй сетью 22 обмена информацией о процессах через шину 24, причем шина 24 связана с полевыми устройствами 26 и 28. В одном примере, вторая сеть 22 обмена информацией о процессах – это сеть обмена информацией о процессах, функционирующая в соответствии с протоколом обмена информацией о процессах HART®. Вторая сеть 22 обмена информацией показана как сеть HART, но специалисты в этой области легко увидят, что сеть 22 может также быть сетью не полевой шины, включающей в себя, но, не ограничивающейся: протоколом Modbus (RS45), протоколом сети контроллеров (CAN), беспроводной связью, показаниями напряжений малой мощности и 4-20-миллиамперной передачей сигналов обмена информацией о процессах.

Как показано на Фиг. 1, сеть 22 обмена информацией о процессах не требует, чтобы шина 24 продлялась к дополнительным устройствам для получения электроэнергии. Вместо этого устройство 10 передачи энергии в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения передает, по меньшей мере, некоторую избыточную электроэнергию от контура 12 обмена информацией о процессах полевой шины ко второй шине 24 обмена информацией о процессах. Это обеспечивается рабочей энергией для подачи питания и взаимодействия с полевыми устройствами 26 и 28′, которые обмениваются информацией в соответствии со вторым протоколом обмена информацией о процессах. Дополнительно устройство 10 передачи энергии может быть соединено с компьютером или рабочей станцией 30 для конфигурирования и/или мониторинга. Кроме того, вероятно, связь между компьютером или рабочей станцией 30 и устройством 10 передачи энергии может осуществляться посредством обмена информацией через контур 12 обмена информацией полевой шины.

Фиг. 2 – это схематичный вид устройства 10 передачи энергии в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 10 передачи энергии включает в себя множество выводов 32, которые связаны с контуром 12 обмена информацией о процессах полевой шины. Модуль 34 обмена информацией полевой шины может являться любым подходящим модулем обмена информацией полевой шины, коммерчески доступным или разработанным позднее, способным передавать данные на контур 12 обмена информацией полевой шины в соответствии со спецификациями полевой шины. Модуль 36 питания соединен с выводами 32, и принимает электроэнергию от контура 12 обмена информацией полевой шины, и обеспечивает электроэнергией модуль 34 обмена информацией полевой шины и контроллер 38 таким образом, что устройство 10 полностью обеспечено электроэнергией, принятой от контура обмена информацией полевой шины. Модуль 36 питания также связан с множеством выводов 40, причем эти выводы 40, в свою очередь, связаны со вторым контуром 24 обмена информацией о процессах. Таким образом, модуль 36 питания способен принимать, по меньшей мере, некоторую электроэнергию от контура 12 обмена информацией полевой шины и обеспечивать электроэнергией контур 24. Более того, модуль 36 питания может по команде контроллера 38 выборочно позволить или запретить передачу электроэнергии от контура 12 к контуру 24.

Фиг. 3 – это схематичный вид устройства 50 передачи энергии в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 50 похоже во многих отношениях на устройство 10, и подобные компоненты пронумерованы аналогичным образом. Однако устройство 50 включает в себя второй модуль 52 обмена информацией, который в одном варианте осуществления является модулем обмена информацией HART. Модуль 52 обмена информацией HART запитан энергией, принятой от модуля 36 питания, и связан с выводами 40. Модуль 52 выполнен с возможностью для обмена информацией в соответствии со вторым протоколом обмена информацией. Соответственно, модуль 52 может передавать данные и принимать данные от второго контура 24 обмена информацией о процессах. Соответственно, модуль 52 позволяет контроллеру 38 взаимодействовать с одним или более полевыми устройствами второго 24 обмена информацией о процессах. Несмотря на то что на Фиг. 3 проиллюстрированный модуль 52 обуславливает модуль обмена информацией HART, здесь может быть использован любой модуль обмена информацией, соответствующий любому подходящему стандарту обмена информацией, например модуль 52 может обмениваться информацией с протоколом Modbus (RS45), протоколом сети контроллеров (CAN), беспроводной связью, показаниями напряжений малой мощности и 4-20-миллиамперной сигнализацией обмена информацией о процессах. Примеры обменов информацией по беспроводной связи, применимых для модуля 52, включают в себя, но не ограничиваются: беспроводными сетевыми техническими средствами (такими как IEEE 802.11b беспроводные точки доступа и беспроводные сетевые устройства, разработанные Linksys, Ирвайн, Калифорния), сотовыми или цифровыми сетевыми техническими средствами (такие как Microburst® от Aeris Communications Inc., Сан Хосе, Калифорния), ультраширокой полосой, оптикой свободного распространения, Глобальной системой мобильной связи (GSM), технологией пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS), множественным доступом с кодовым разделением (CDMA), технологией расширенного спектра, технологии связи в инфракрасном диапазоне, SMS (система коротких сообщений/текстовых сообщений) и любой другой подходящей беспроводной технологией.

Предполагается, что варианты осуществления настоящего изобретения применимы также к ситуациям или приложениям, где количество энергии, требуемой для питания второго контура обмена информацией о процессах, превышает доступное в установившемся режиме в контуре обмена информацией о процессах полевой шины. В таких случаях для модуля 36 питания полезно включить элемент 54 аккумулирования энергии, показанный фантомно в Фиг. 3. Таким образом, для использования в вариантах осуществления настоящего изобретения собрано или перекачано максимальное количество избыточной энергии, доступной от контура обмена информацией о процессах полевой шины. Затем, когда в устройстве 54 аккумулирования энергии будет достаточно энергии для того, чтобы питать второй контур 24 обмена информацией о процессах, контроллер 38 заставит модуль 36 обеспечить энергией, накопленной в устройстве 54 аккумулирования энергии, второй контур обмена информацией о процессах. Когда устройство 54 аккумулирования энергии будет полностью исчерпано или работа процесса будет закончена, контроллер 38 заставит модуль 36 питания прекратить передачу энергии во второй контур 24 обмена информацией о процессах и избыточная энергия снова начнет накапливаться в устройстве 54 аккумулирования. Этот процесс может повторяться с периодичными интервалами, или может запускаться автоматически, или вручную по получению устройством 50 команды через сеть 12 обмена информацией полевой шины, или оператором, взаимодействующим через локальный интерфейс оператора устройства 50.

Фиг. 4 – это принципиальная схема цепи для отвода или иначе передачи электроэнергии от сегмента полевой шины к полевому устройству, работающему в соответствии с другим протоколом обмена информацией о процессах. Схема 100 связана с сегментом 114 полевой шины выводами 102, 104. Вывод 102 электрически связан с выводом 106 через индуктор L1 и резистор R1, которые соединены последовательно между собой. Аналогично, вывод 108 соединен с выводом 104 через последовательность из индуктора L2 и резистора R3. Наконец, выводы 106 и 108 электрически соединены вместе через резистор R2, расположенный последовательно с конденсатором C1. Второй контур 110 обмена информацией о процессах (в данном примере – 4-20-миллиамперный контур HART) соединен с выводами 106 и 108 и позволяет 4-20-миллиамперному устройству HART получать всю необходимую для работы энергию от контура 110. Схема 100, показанная на Фиг. 4, обеспечивает отвод электроэнергии от сегмента 114 полевой шины, используя элементы аккумулирования энергии и активные и/или пассивные фильтры таким образом, чтобы предотвратить взаимное влияние сигналов HART® и полевой шины друг на друга. Фактические значения для элементов L1, L2, R1, R2, R3 и C1 могут быть подобраны для каждого конкретного приложения. Более того, схема 100 может быть реализована в устройстве 10, устройстве 50 или любом другом подходящем полевом устройстве, которое может быть соединено с контуром обмена информацией о процессах полевой шины и для которого выгодна подача дополнительной энергии ко второму контуру обмена информацией о процессах. Таким образом, схема 100 может быть реализована в передатчике изменяемого параметра процесса, клапане, исполнительном механизме клапана, контроллере или любом другом подходящем полевом устройстве.

Фиг. 5 – это принципиальная схема другой цепи для передачи электроэнергии от сегмента полевой шины к полевому устройству, работающему в соответствии с другим протоколом обмена информацией о процессах. Схема 130 использует активные компоненты схемы для передачи, по крайней мере, некоторой электроэнергии от сегмента 114 полевой шины к устройству 112 HART. Сегмент 114 полевой шины соединен с узлами 132 и 134 схемы 130. Узел 134 соединен с узлом 138, который напрямую соединен с устройством 112 HART. Резисторы R1 и R2 размещены последовательно между узлами 132 и 134, с узлом 135, расположенным между ними. Узел 135 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 140, в то время как инвертирующий вход операционного усилителя соединен с узлом 132 через резистор R3. Выход операционного усилителя 140 соединен с базой PNP-транзистора 142. Эмиттер транзистора 142 соединен с узлом 136, который соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 140. Коллектор транзистора 142 соединен с узлом 144, который соединен устройством 112 HART. Стабилитрон 146 расположен между узлами 144 и 138.

Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что возможны изменения по форме и содержанию, без изменения при этом сущности и объема изобретения.

Формула изобретения

1. Полевое устройство, содержащее: модуль связи полевой шины, функционально связываемый с контуром обмена информацией о процессах в полевой шине; модуль питания, связываемый с контуром обмена информацией о процессах в полевой шине, причем модуль питания выполнен с возможностью полностью снабжать полевое устройство энергией, полученной от контура обмена информацией о процессах в полевой шине; контроллер, связанный с модулем связи полевой шины и с модулем питания; множество выводов, функционально связанных с модулем питания и связываемых со вторым контуром обмена информацией о процессах в не полевой шине, для обеспечения электроэнергией через второй контур обмена информацией о процессах в не полевой шине; и устройство аккумулирования энергии, функционально связанное с контроллером и выполненное с возможностью обеспечения уровня питания для второго контура обмена информацией о процессах в не полевой шине, который выше, чем избыточная энергия в установившемся состоянии, доступная в контуре обмена информацией о процессах в полевой шине.

2. Полевое устройство по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью избирательно побуждать модуль питания обеспечивать электроэнергией второй контур обмена информацией о процессах в не полевой шине.

3. Полевое устройство по п.1, и дополнительно содержащее второй модуль связи не полевой шины, связанный с контроллером и множеством выводов.

4. Полевое устройство по п.3, в котором второй модуль связи не полевой шины является 4-20 мА модулем.

5. Полевое устройство по п.4, в котором 4-20 мА модуль приспособлен для обмена информацией в соответствии с протоколом HART.

6. Полевое устройство по п.3, в котором второй модуль связи не полевой шины приспособлен для обмена информацией в соответствии с протоколом Modbus.

7. Полевое устройство по п.3, в котором второй модуль связи не полевой шины приспособлен для обмена информацией в соответствии с протоколом сети (CAN) контроллеров.

8. Полевое устройство по п.3, в котором второй модуль связи не полевой шины приспособлен для обмена информацией в соответствии с беспроводным протоколом.

9. Полевое устройство по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью периодической подачи питания на второй контур обмена информацией о процессах в не полевой шине.

10. Полевое устройство по п.1, в котором контроллер выполнен с возможностью подачи питания на второй контур обмена информацией о процессах в не полевой шине в ответ на команду, полученную через модуль связи полевой шины.

11. Цепь для передачи электроэнергии от контура обмена информацией о процессах в полевой шине ко второму контуру обмена информацией о процессах в не полевой шине, причем цепь содержит: первый вывод, связанный с контуром обмена информацией о процессах в полевой шине; второй вывод, связанный с контуром обмена информацией о процессах в полевой шине; третий вывод, связываемый со вторым контуром обмена информацией о процессах в не полевой шине; четвертый вывод, связываемый со вторым контуром обмена информацией о процессах в не полевой шине; первая катушка индуктивности, помещенная между первым и третьим выводами; вторая катушка индуктивности, помещенная между вторым и четвертым выводами; первый резистор, расположенный последовательно с первой катушкой индуктивности; второй резистор, расположенный последовательно со второй катушкой индуктивности; первый конденсатор, расположенный между третьим и четвертым выводами; и третий резистор, расположенный последовательно с первым конденсатором.

12. Цепь по п.11, воплощенная в полевом устройстве.

13. Цепь по п.12, в которой полевое устройство является устройством передачи энергии.

14. Цепь по п.12, в которой полевое устройство является передатчиком изменяющегося параметра процесса.

РИСУНКИ