ИЗМЕНЯЕМЫЙ ПОЛЕВОЙ ПРИБОР ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ Российский патент 2008 года по МПК G01D3/02 

Изобретение относится к изменяемому полевому прибору для автоматизации процессов.

В технике автоматизации и управления процессами в большом количестве используются полевые приборы, измеряющие в ходе производственного процесса его переменные (датчики) или управляющие регулируемыми величинами (исполнительные органы).

Полевые приборы для определения расхода, уровня, разности давлений, температуры и т.д. общеизвестны. Для регистрации соответствующих переменных процесса, таких как массовый или объемный расход, уровень, давление, температура и т.д., полевые приборы располагают в большинстве случаев в непосредственной близости от данного компонента процесса.

Полевые приборы вырабатывают измерительный сигнал, соответствующий значению зарегистрированной переменной процесса. Этот измерительный сигнал передают на блок управления (например, систему управления с программируемой памятью, систему или пункт управления процессом). Как правило, управление процессом происходит посредством блока управления, который обрабатывает различные измерительные сигналы и на основе обработки вырабатывает управляющие сигналы для исполнительных органов, управляющих ходом процесса.

В качестве примера исполнительных органов следует назвать управляющие клапаны, которые регулируют расход жидкости или газа в отрезке трубопровода.

Передача сигналов между полевым прибором и блоком управления может происходить в аналоговой или цифровой форме (например, контур тока или цифровая шина данных). Известными международными стандартами передачи сигналов являются 4-20-мА-контуры тока, HART®, Profibus®, Foundation Fieldbus® или CAN-Bus®.

Обработка сигналов в полевом приборе и связь полевого прибора с блоком управления или другими полевыми приборами становятся все сложнее. Для этого в полевой прибор встроены различные элементы аппаратного обеспечения с соответствующим программным обеспечением. Программное обеспечение, выполняемое в микропроцессоре в виде управляющей программы, обычно очень гибкое и может быть легко заменено. Недостаток при использовании программного обеспечения в том, что обработка данных происходит последовательно и за счет этого очень медленно.

Элементы аппаратного обеспечения, напротив, обладают установленной функциональностью, которая прочно зашита в специальные модули (ИС). В качестве примера следует назвать ASIC (Application Specific Integrated Circuits) (заказные ИС) или SMD (Service Mounted Devices) (устройства для поверхностного монтажа). Эти модули ориентированы на пользователя и могут предельно быстро выполнять, например быстрое преобразование Фурье, которое требует большого объема вычислений. Недостаток этих элементов аппаратного обеспечения состоит в том, что они являются гибкими лишь в малой степени и обычно должны заменяться при изменении функциональности.

Связь полевого прибора с вышестоящим блоком обработки происходит также через соответствующие элементы аппаратного обеспечения частично еще в аналоговой форме или через цифровую шину данных.

Каждый полевой прибор состоит обычно из различных элементов аппаратного обеспечения, определяющих его функциональность. Разные полевые приборы, например кориолисовы массовые расходомеры или магнитно-индуктивные расходомеры, содержат совершенно разные элементы аппаратного обеспечения. Даже для одного и того же полевого прибора, например кориолисова массового расходомера, требуются, например, для связи, разные компоненты аппаратного обеспечения. Для связи с Profibus требуется Profibus-модуль, а для связи с Foundation Fieldbus - FF-модуль. Если полевой прибор должен вырабатывать частотный, импульсный или токовый сигнал, требуется соответствующий элемент аппаратного обеспечения.

Это разнообразие элементов означает значительные затраты при изготовлении, поскольку следует иметь в наличии множество элементов аппаратного обеспечения.

Тенденция, наблюдаемая у полевых приборов, заключается в том, что они должны быть все более компактными. Элементы, в частности элементы аппаратного обеспечения, при этом все ближе теснятся друг к другу на соответствующих печатных платах. Предел здесь почти достигнут.

Для того чтобы гарантировать надежность и функциональную способность полевого прибора, элементы аппаратного обеспечения после оснащения печатных плат должны быть протестированы. Для прежних стратегий тестирования предусмотрено множество тестовых дорожек на нижней стороне печатной платы, которые могут контактировать через так называемые игольчатые адаптеры. При этом изолированно могут быть протестированы только определенные части схемы.

Если в поле кориолисов массовый расходомер заменяют магнитно-индуктивным расходомером, то сегодня приходится заменять весь полевой прибор.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании изменяемого полевого прибора для автоматизации процессов, который лишен указанного недостатка, в частности он является очень гибким, имеет компактную конструкцию, изготавливается из малого числа элементов, обладает высокой надежностью и в то же время экономичен и прост в изготовлении.

Эта задача решается посредством изменяемого полевого прибора для автоматизации процессов в соответствии с признаками пункта 1 формулы изобретения.

Основная идея изобретения состоит в том, что различные модули полевого прибора выполнены в виде перепрограммируемых модулей. Перепрограммируемые логические модули являются очень гибкими и могут легко конфигурированы в виде различных элементов аппаратного обеспечения.

Предпочтительные усовершенствования изобретения приведены в зависимых пунктах.

Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью примера выполнения, изображенного на чертеже, на котором представляют:

- фиг.1: схематично систему шин данных;

- фиг.2: схематично обычный полевой прибор с различными элементами аппаратного обеспечения;

- фиг.3: схематично полевой прибор согласно изобретению;

- фиг.4: схематично перепрограммируемый логический модуль с FLASH-памятью;

- фиг.5: схематично логический модуль с памятью и контроллером загрузки.

На фиг.1 изображена система шин данных DBS с несколькими полевыми приборами и системой управления процессом PLS. Полевые приборы представляют собой различные датчики S1, S2, S3 и исполнительные органы А1, А2. Подключенные к шине данных устройства (полевые приборы + система управления процессом) связаны между собой через однопроводную шину данных DBL.

Система управления процессом PLS находится обычно в контрольном помещении, из которого осуществляется общее управление процессом. Датчики S1, S2, S3 и исполнительные органы А1, А2 расположены в поле, т.е. в отдельных элементах процесса (цистерна, наполнительное устройство, трубопровод и т.д.). Датчики S1, S2, S3 регистрируют, например, переменные процесса, такие как температура, давление или расход, на соответствующем элементе процесса. Исполнительные органы А1, А2 регулируют в виде клапанов расход жидкости или газа на отрезке трубопровода.

Связь данных между системой управления процессом PLS, датчиками S1, S2, S3 и исполнительными органами А1, А2 происходит известным образом в соответствии со стандартной техникой передачи (RS435, IEC1158) посредством специальных протоколов (Profibus, Foundation Fieldbus, CAN-Bus).

На фиг.2 в качестве полевого прибора изображен типичный датчик S1. Датчик S1 состоит из измерительного преобразователя МА, соединенного с сенсорным блоком SE. К сенсорному блоку SE подключен цифровой сигнальный процессор DSP. Цифровой сигнальный процессор DSP соединен с системным процессором МР. Системный процессор МР соединен через коммуникационный блок СЕ с однопроводной шиной данных DBL. Далее системный процессор МР соединен с аналоговым блоком АЕ, имеющим несколько аналоговых входов и выходов I/O. Для индикации измеренного значения и ручного ввода служит дисплейный пульт управления АВ, также соединенный с системным процессором МР. Энергоснабжение датчика S1 осуществляется блоком питания SV, соединенным с различными элементами аппаратного обеспечения датчика S1 (обозначены штриховыми линиями). Энергоснабжение может осуществляться извне или через однопроводную шину данных DBL. Цифровой сигнальный процессор DSP и системный процессор МР соединены соответственно со сторожевыми таймерами W1, W2 и ЭППЗУ Е1, Е2.

Измерительный преобразователь МА служит для регистрации соответствующих переменных процесса и состоит, например, из чувствительного к температуре резистора или чувствительного к давлению пьезоэлемента или из двух катушек, регистрирующих колебание трубы кориолисова массового расходомера. Аналоговые сигналы измерительного преобразователя МА преобразуются в сенсорном блоке SE в цифровые сигналы, обрабатываются в цифровом сигнальном процессоре DSP и подаются в качестве измеренного значения к системному процессору МР. Системный процессор МР управляет всем датчиком S 1. Через коммуникационный блок СЕ происходит связь с однопроводной шиной данных DBL. Коммуникационный блок СЕ считает сообщения с шины данных и сам передает данные на однопроводную шину данных DBL. Он поддерживает все функции передачи и приема в соответствии с используемой техникой передачи.

В принципе, каждый полевой прибор содержит сенсорный модуль SM, включающий в себя измерительный преобразователь МА и сенсорный блок SE, модуль VM обработки сигналов, который может состоять, например, из цифрового сигнального процессора DSP, процессорный модуль РМ, состоящий, в основном, из системного процессора МР, и коммуникационный модуль КМ, состоящий из коммуникационного блока СЕ и/или аналогового блока АЕ.

На фиг.3 изображен первый вариант выполнения датчика S1 согласно изобретению. Фиг.3 соответствует, в основном, фиг.2 с тем отличием, что цифровой сигнальный процессор DSP и системный процессор МР, включая сторожевые таймеры W1, W2 и ЭППЗУ Е1, Е2, заменены логическим модулем LB. Логический модуль LB дополнительно соединен с постоянной памятью SP (FLASH-память) и контроллером загрузки LC.

На фиг.4 изображен другой вариант выполнения. Здесь логический модуль LB включает в себя не только цифровой сигнальный процессор DSP и системный процессор МР, но и части дисплейного пульта управления АВ, коммуникационного блока СЕ, аналогового блока АЕ и сенсорного блока SE. У этого примера выполнения логический модуль LB включает в себя все работающие в цифровой форме элементы датчика S1. Выходы логического модуля LB служат только для управления аналоговыми элементами датчика S 1.

Логический модуль LB представляет собой переконфигурируемый логический модуль, распространяемый, например, фирмой Altera® под названием Excalibur®.

На фиг.5 более подробно изображено конфигурирование логического модуля LB. Память SP разделена на две области А и В. Область А содержит описание аппаратного обеспечения логического модуля LB, а область В - управляющую программу для встроенного контроллера. При запуске системы с помощью контроллера загрузки LC конфигурируют «аппаратное обеспечение логического модуля LB». В логическом модуле LB за счет этого происходит конфигурирование, по меньшей мере, одного встроенного процессора ЕР, памяти М и логики L. После конфигурирования аппаратного обеспечения логического модуля LB в память М загружают управляющую программу для встроенного контроллера.

При этом уже проявляется важное преимущество датчика согласно изобретению, поскольку при запуске системы можно произвольно конфигурировать как аппаратное, так и программное обеспечение, а за счет этого легко согласовать его с данными требованиями.

При работе подобные логические модули называются также SoPC (System on Programmable Chip) (система на программируемом кристалле). Благодаря использованию реконфигурируемого логического модуля LB кориолисов массовый расходомер можно легко заменить магнитно-индуктивным массовым расходомером или любым другим полевым прибором. Для этого необходимо лишь соответствующее переконфигурирование логического модуля LB при запуске системы посредством новой информации в областях А и В памяти. Как показано на фиг.4, в логический модуль LB могут быть также интегрированы части коммуникационного модуля. За счет этого рассчитанный на HART®-протокол датчик может быть легко преобразован в датчик, подходящий для Profibus® или Foundation Fieldbus®. Для этого при запуске системы следует конфигурировать лишь соответствующую область логического модуля LB.

За счет использования реконфигурируемого логического модуля LB значительно уменьшается разнообразие деталей при изготовлении полевого прибора. Другое преимущество, обеспечиваемое полевым прибором, согласно изобретению состоит в том, что возможны новые стратегии тестирования. В принципе, можно изолировать и проверить любые области, т.е. функциональности, логического модуля LB. Для этого логический модуль должен быть соответственно конфигурирован, а сигналы должны сниматься или подаваться в соответствующих контрольных точках.

С помощью реконфигурируемых логических модулей можно конфигурировать компоненты аппаратного обеспечения и, тем самым, простым образом изменять функциональность и поведение. Компоненты аппаратного обеспечения могут быть, следовательно, приспособлены для различных задач и функциональностей. Входы и выходы I/O могут быть простым образом выполнены. В частности, простым образом могут быть выполнены и изменены с точки зрения аппаратного и программного обеспечения функциональные блоки, например Flexible Function Blocks (организация пользователей Foundation Fieldbus®) или функциональные блоки Profibus® (организация пользователей Profibus®). Функциональный блок (Flexible Function Block или Profibus®) загружается в реконфигурируемый логический модуль и сам вырабатывает свои I/O. За счет этого логический модуль LB можно использовать для различных функциональностей в зависимости от того, что загружается в функциональный блок.

Важная идея изобретения заключается в том, что за счет использования реконфигурируемого логического модуля полевые приборы можно выполнить гибкими в широком диапазоне. Изобретение, само собой, не ограничено только областью полевых приборов, а может также применяться в соответствующих датчиках и исполнительных механизмах в автомобилестроении.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в технике автоматизации и управления производственными и иными процессами. Согласно изобретению изменяемый полевой прибор для автоматизации процессов содержит измерительный преобразователь МА, соединенный с сенсорным блоком SE, к которому подключен цифровой сигнальный процессор DSP модуля VM обработки сигналов, соединенный с системным процессором МР процессорного модуля РМ, соединенного с коммуникационным модулем КМ для связи полевого прибора с вышестоящим блоком управления и обработки, состоящим из коммуникационного блока СЕ и/или аналогового блока АЕ. Особенность изобретения состоит в том, что полевой прибор для автоматизации процессов снабжен перепрограммируемым (реконфигурируемым) логическим модулем LB, который включает в себя, по меньшей мере, сигнальный процессор DSP и системный процессор МР, при этом логический модуль LB соединен с постоянной памятью SP и контроллером загрузки LC. Благодаря этому обеспечивается возможность произвольно конфигурировать аппаратное и программное обеспечение. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Изменяемый полевой прибор для автоматизации процессов, содержащий измерительный преобразователь МА, соединенный с сенсорным блоком SE, к которому подключен цифровой сигнальный процессор DSP модуля VM обработки сигналов, соединенный с системным процессором МР процессорного модуля РМ, соединенного с коммуникационным модулем КМ для связи полевого прибора с вышестоящим блоком управления и обработки, состоящим из коммуникационного блока СЕ и/или аналогового блока АЕ, отличающийся тем, что указанный полевой прибор содержит перепрограммируемый логический модуль LB, включающий в себя, по меньшей мере, указанный цифровой сигнальный процессор DSP и указанный системный процессор МР, при этом перепрограммируемый логический модуль LB соединен с постоянной памятью SP и контроллером загрузки LC с возможностью произвольно конфигурировать аппаратное и программное обеспечение.2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что перепрограммируемый логический модуль LB включает в себя части коммуникационного модуля КМ.3. Прибор по п.2, отличающийся тем, что перепрограммируемый логический модуль LB включает в себя части сенсорного модуля SM.4. Прибор по п.3, отличающийся тем, что перепрограммируемый логический модуль LB включает в себя все работающие в цифровой форме части сенсорного модуля SM.5. Прибор по п.4, отличающийся тем, что перепрограммируемый логический модуль LB включает в себя, по меньшей мере, один встроенный процессор ЕР, память М и логику L.6. Прибор по п.5, отличающийся тем, что перепрограммируемый логический модуль LB служит при работе в качестве системы SoPC (System on Programmable Chip) (система на программируемом кристалле).7. Прибор по п.2, отличающийся тем, что коммуникационный модуль СЕ содержит интерфейс шины данных (например, Profibus®, Foundation Fieldbus®, can-bus®) или один и/или несколько аналоговых входов и выходов I/O (например, частотный выход, импульсный выход).8. Прибор по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в перепрограммируемый логический модуль LB загружают функциональный блок.9. Прибор по п.8, отличающийся тем, что функциональный блок представляет собой Flexible Function Block Foundation Fieldbus® или функциональный блок Profibus®.