БЛОК ПИТАНИЯ И БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕВЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2014 года по МПК G05B19/418 

Изобретение относится к системам управления технологическим процессом или системам мониторинга. Более определенно - настоящее изобретение относится к системе, добавляющей возможности беспроводной связи для полевых устройств этих систем.

Системы управления в технологических установках используются для управления и мониторинга производственных ресурсов, используемых в технологических и химических процессах, и для других подобных целей. Обычно управляющая система осуществляет это с помощью полевых устройств, распределенных по ключевым позициям технологического процесса и связанных с управляющей схемой пункта управления посредством замкнутого контура управления процессом. Термин "полевое устройство" применим к любому устройству, функционирующему при распределенном управлении или в системе мониторинга технологического процесса, включая все устройства, используемые для измерения, управления и мониторинга технологических процессов.

Некоторые полевые устройства включают в себя преобразователь. Преобразователь следует понимать как устройство, создающее выходной сигнал по входному сигналу физического параметра, или как устройство, создающее выходной сигнал физического параметра исходя из входного сигнала. Обычно преобразователь преобразует входной сигнал в выходной сигнал отличающегося вида. Типы преобразователей включают в себя различные аналитические устройства - датчики давления, термисторы, термопары, тензодатчики, датчики потока, датчики положения, двигатели, соленоиды, световые индикаторы и другие.

Обычно каждое полевое устройство включает в себя также электронную схему связи, используемую для сообщения с пунктом технологического управления, или же другую схему в замкнутом контуре управления технологическим процессом. В некоторых установках замкнутый контур управления процессом используется также для подачи в полевое устройство регулируемого тока и/или напряжения для его питания. Замкнутый контур служит также для передачи данных в аналоговом или цифровом формате.

Аналоговые полевые устройства традиционно соединяются с пунктом управления двухпроводными токовыми замкнутыми контурами управления технологическим процессом, причем каждое устройство соединяется с пунктом управления своим двухпроводным контуром управления. Обычно разность напряжений между двумя проводами поддерживается в пределах 12-45 В для аналогового режима и 9 50 В для цифрового режима. Некоторые аналоговые полевые устройства передают сигнал в пункт управления при модуляции тока, действующего в замкнутом контуре, током пропорциональным регистрируемому технологическому параметру. Другие аналоговые полевые устройства способны функционировать при управлении из пункта управления изменением величины тока через контур. В дополнение к этому или как альтернатива этого замкнутый контур управления технологическим процессом может передавать цифровые сигналы, используемые для связи с полевыми устройствами. Цифровая связь более эффективна для передачи информации по сравнению с аналоговой связью. Полевые устройства могут отвечать и обмениваться цифровой информацией избирательно с пунктом управления и/или другими полевыми устройствами. Кроме того, такие устройства могут предоставлять дополнительную сигнальную информацию, например диагностическую и/или аварийную.

В некоторых установках беспроводные технологии уже используются для связи с полевыми устройствами. Работа в беспроводном варианте облегчает проводную разводку и настройку полевого устройства. В настоящее время используются беспроводные системы, в которых изготовленное полевое устройство включает в себя внутреннюю батарею, возможно заряжаемую солнечным элементом или другим образом для получения электроэнергии без какого-либо проводного соединения. Проблема при использовании внутренней батареи возникает тогда, когда потребности энергопотребления беспроводных устройств существенно зависят от многих факторов, например скорости передачи данных, элементов устройства и т.п. Внешняя относительно полевого устройства система питания и связи для беспроводного обмена информацией представляет собой значительное усовершенствование в этой области.

Сущность изобретения

Беспроводной блок питания и связи для полевых устройств сконфигурирован для соединения с полевым устройством и для обеспечения рабочего питания и проводной, предпочтительно цифровой, связи между этим блоком и полевым устройством. Электронное ВЧ-устройство сконфигурировано для обеспечения радиочастотной связи. В одном варианте реализации источник питания в упомянутом блоке включает в себя один или несколько солнечных элементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую для питания и упомянутого блока, и полевого устройства. Беспроводной блок питания и связи обеспечивает питание полевого устройства и взаимодействует с полевым устройством согласно стандартному протоколу производственной связи. Блок обменивается информацией по беспроводному каналу с внешним устройством, например с пунктом управления, исходя из взаимодействия с полевым устройством.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает схематический вид примерного полевого устройства, для которого особенно полезно применение беспроводного блока питания и связи в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - блок-схема полевого устройства, показанного на фиг.1.

Фиг.3 - блок-схема полевого устройства, включающего в себя схему беспроводной связи для осуществления связи с удаленным устройством, например дисплеем, или портативным устройством.

Фиг.4 - вид спереди беспроводного блока питания и связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, смонтированного на полевом устройстве.

Фиг.5 - вид спереди беспроводного блока питания и связи в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг.6 и 7 - схематические виды беспроводного блока питания и связи, работающего со многими полевыми устройствами в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.

Фиг.8 - блок-схема беспроводного блока питания и связи в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.

Фиг.9 - вид сзади беспроводного блока питания и связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Подробное описание

Настоящее изобретение включает в себя беспроводной блок питания и связи, позволяющий полевым устройствам, разработанным для проводной связи, работать в беспроводном режиме. Хотя к настоящему времени имеются некоторые разработки устройств с добавлением функции беспроводной связи в проводные устройства, эти разработки не функционируют так, чтобы освободить проводные полевые устройства от их контуров управления, поскольку и они еще являются проводными, и питание осуществляется по их контурам управления.

Фиг.1 и 2 изображают схематичный вид и блок-схему примерного полевого устройства, для которого особенно полезно применение беспроводного блока питания и связи в соответствии с настоящим изобретением. Система технологического управления или система 10 мониторинга включает в себя пункт управления или систему 12 управления, которая связана с одним или несколькими полевыми устройствами 14 по двухпроводному технологическому контуру 16 управления. Примеры технологического контура 16 управления включают в себя аналоговую 4-20 мА связь, гибридные протоколы, включающие в себя и аналоговую, и цифровую связь, например, стандарта Highway Addressable Remote Transducer (HART®), а также все другие цифровые протоколы, такие как стандарта FOUNDATION^TM Fieldbus. Обычно протоколы технологических контуров управления способны обеспечить и питание полевого устройства, и передачу данных между полевым устройством и другими устройствами.

В этом примере полевое устройство 14 включает в себя схему 18, связанную с приводом/преобразователем 20 и с технологическим контуром 16 управления через контактную колодку 21 в корпусе 23. Полевое устройство 14 показано как генератор технологического параметра (ТП), посредством которого оно связано с технологией и реагирует на показание, например, температуры, давления, рН, расхода и других технологических параметров, а также обеспечивает их индикацию. Другие примеры полевых устройств включают в себя клапаны, приводы, контроллеры и устройства индикации.

Обычно полевые устройства оцениваются по их пригодности для работы в "поле", где они могут подвергаться воздействию окружающей среды, например воздействию температуры, влажности и давления. В дополнение к воздействию окружающей среды полевые устройства часто должны противостоять коррозионно-активной, опасной и/или даже взрывоопасной атмосфере. Кроме того, такие устройства должны работать также в присутствии вибраций и/или в условиях электромагнитных помех. Полевые устройства такого типа, как показано на фиг.1, представляют собой широкий класс традиционных устройств, разработанных для работы исключительно в проводном варианте.

Фиг.3 изображает блок-схему беспроводного полевого устройства в соответствии с предшествующим уровнем техники. Полевое устройство 34 включает в себя внутренний модуль 38 источника питания, контроллер 35, модуль 32 беспроводной связи, и привод/преобразователь 20. Модуль 38 источника питания обычно включает в себя батарею, питающую полевое устройство 34 до тех пор, пока батарея не потребует замены. Некоторые полевые устройства включают в себя встроенный солнечный элемент. Питание от источника 38 питает контроллер 35 для взаимодействия с приводом/преобразователем 20 и модулем 32 беспроводной связи. Модуль 32 беспроводной связи, в свою очередь, взаимодействует с другими устройствами через антенну 26, как это обозначено номером 24. Недостаток в получении возможностей беспроводной связи внутри самого устройства 34 заключается в том, что если батарея, солнечный элемент, или модуль беспроводной связи повреждаются, то полевое устройство целиком должно ремонтироваться или быть заменено. Другой недостаток использования внутренней батареи заключается в том, что одни пользователи беспроводных устройств требуют намного больше энергии, чем другие. Например, если полевое устройство активируется один раз в минуту, а не один раз в час, то потребление энергии сильно возрастает. Использование энергии также сильно варьируется в зависимости от того, сконфигурировано ли устройство с минимальным числом системных элементов, или же оно заполнено всеми элементами. Таким образом, использование внутреннего источника питания не перспективно в том смысле, что различные энергетические запросы различных пользователей плохо увязываются между собой.

Фиг.4. изображает вид спереди беспроводного блока 100 питания и связи, закрепленного на полевом устройстве 14, обозначенном здесь условно. Блок 100 предпочтительно закрепляется на устройстве 14 посредством стандартного трубопровода 102 для полевого устройства. Примеры подходящих трубопроводных соединений включают в себя1/2-14 NPT, M20×1,5, G1/2, и 3/8-18 NPT. Блок 100 может включать в себя сочленение, позволяющее вращение 104 вокруг оси 106 и вращение 108 вокруг оси 110. Кроме того, область 112 прикрепления блока 100 предпочтительно является полой для помещения в нее проводов, связывающих блок 100 с устройством 14. В тех вариантах реализации, где не требуется регулировки положения корпуса, область 112 прикрепления может просто быть проводящей деталью.

Блок 100 включает в себя корпус 114, смонтированный на области 112 прикрепления. Корпус 114 содержит схему (рассматривается в связи с фиг.8) для того, чтобы обеспечить питание блока 100 и позволить ему осуществлять связь с устройством 14 в соответствии со стандартизованным производственным протоколом, например, таким как 4-20 мА HART®, FOUNDATION^TM Fieldbus, Profibus-PA, Modbus, или CAN. Предпочтительно протокол организует цифровую связь так, чтобы повысить уровень взаимодействия между блоком 100 и устройством 14.

На фиг.4 показаны также одна или несколько фотоэлектрических ячеек 116, смонтированных непосредственно на верхней поверхности 118 корпуса 114. В одном варианте реализации фотоэлектрические ячейка(-и) 116 образуют часть герметичной крышки для корпуса 114. В этих вариантах реализации ячейку(-и) 116 предпочтительно покрыть прозрачной защитной оболочкой для защиты от внешних воздействий. Ячейки 116 предпочтительно имеют наклон в 30 градусов и служат для преобразования падающего на них света в электрическое напряжение для питания блока 100 и устройства 14. Поскольку блок 100 расположен снаружи относительно устройства 14, то может быть много вариантов блока 100 с фотоэлектрическими ячейками различной конфигурации и/или размерами, в зависимости от конкретных требований к питанию полевого устройства, к которому прикреплен блок. Предпочтительно также, чтобы блок 100 включал в себя схему беспроводной связи (не показана на фиг.4), связанную с антенной 120. Наличие внешней антенны 120 облегчает беспроводную связь по сравнению с внутренними антеннами, поскольку многие покрытия полевых устройств сделаны из металла и поглощают беспроводной сигнал. Вместе с тем могут быть и варианты реализации с внутренней антенной, находящейся непосредственно вблизи радиопрозрачного участка корпуса 114 или ячейки(-ек) 116. Варианты реализации с внешней антенной все же более практичны, поскольку в этом случае блок 100 внешне изолирован от окружающей среды, для которой собственно и разрабатываются полевые устройства.

В соответствии с одним объектом изобретения блок 100 включает в себя локальный пользовательский интерфейс. Соответственно, блок 100 может включать в себя устройство отображения, например LCD дисплей 122, который может быть смонтирован непосредственно вблизи одной из ячеек 116. Для приема локальной пользовательской информации блок 100 может включать в себя один или несколько локальных средств ввода, таких как командная кнопка 124. Локальный пользовательский интерфейс важен, поскольку если объединенная система блок/полевое устройство работает полностью в беспроводном режиме, то для специалистов более удобно иметь локальный пользовательский интерфейс, вместо затруднительного беспроводного обращения к устройству через портативное компьютерное устройство или что-нибудь подобное. Локальный интерфейс может быть использован и для обращения к блоку, и для обращения к полевому устройству или к обоим вместе. В данном случае термин "локальный пользовательский интерфейс" означает наличие либо локального пользовательского средства ввода(-ов) (например, командная кнопка), локального пользовательского средства вывода(-ов) (например, LCD), либо объединение и того и другого. На фиг.4 показано, что LCD может быть совмещен с ячейкой(-ами) 116.

Фиг.5 изображает вид спереди беспроводного блока питания и связи в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. Беспроводной блок 200 питания и связи имеет много общего с беспроводным блоком 100 питания и связи и аналогичные компоненты обозначены подобным же образом. Главное отличие между беспроводным блоком 200 питания и связи и беспроводным блоком 100 питания и связи заключается в расположении устройства отображения локального пользовательского интерфейса. А именно, блок 200 не включает в себя дисплей, расположенный в непосредственной близости от фотоэлектрической ячейки(-ек) 116 или совмещенный с ней(-ми). Вместо этого дисплей 202 объединен с областью 112 прикрепления. Предпочтительно, дисплей 202 выполнен независимо вращающимся вокруг оси 106 приблизительно на 270°.

Размещение дисплея пользовательского интерфейса непосредственно вблизи области 112 прикрепления увеличивает возможности модульного исполнения блока 200. А именно, корпуса 114 и все компоненты в них могут быть изготовлены подобными, чем достигается экономия места. В тех установках, в которых желателен локальный пользовательский дисплей, он может быть просто добавлен в виде модуля между корпусом 114 и сочленением 204 области 112 прикрепления. Такое модульное исполнение полезно также в тех вариантах реализации, в которых один блок 200 используется для работы и осуществления связи со многими полевыми устройствами, как это будет рассмотрено более подробно в связи с фиг.6 и 7. Таким образом, если месторасположение установки задано жестко, то система питания, включающая в себя солнечный элемент и антенну, может быть смонтирована удаленно с использованием переходника с кабельным уплотнением, соединенным с верхней частью 206 LCD дисплея 202. Основание переходника используется затем для монтажа корпуса 114 и подведения соединительного кабеля через уплотнение кабеля. Это позволяет поместить корпус 114 в оптимальное рабочее положение в ситуации, когда локальный пользовательский интерфейс располагается непосредственно вблизи каждого полевого устройства.

Фиг.6 изображает схематический вид беспроводного блока 300 питания и связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Беспроводной блок 300 питания и связи приспособлен для монтажа, удаленного от одного или нескольких полевых устройств 14. Блок 300 включает в себя соответствующую выработку питания и возможности накопления для питания полевых устройств 14 - одновременного, последовательного или асинхронного. Из фиг.6 видно, что каждое полевое устройство 14 соединяется по отдельности с блоком 300 посредством области 112 прикрепления, схематично показанной на фиг.6. Как отмечено выше в связи с фиг.5, область 112 прикрепления предпочтительно включает в себя локальный пользовательский интерфейс, такой как командная кнопка 124 и/или дисплей 202. Поскольку каждое полевое устройство 14 соединяется с блоком 300 по отдельности, то с каждым полевым устройством 14 по отдельности может быть осуществлена аналоговая или цифровая связь. Хотя и предпочтительно, чтобы пользовательские интерфейсы были включены в области 112 прикрепления, как показано для варианта реализации на фиг.6, в некоторых вариантах реализации может быть дополнительный, или альтернативный пользовательский интерфейс, реализованный в блоке 300.

Фиг.7 изображает схематический вид беспроводного блока 350 в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. Блок 350 показан с единственным соединением 352 для множества полевых устройств 14. Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что в показанной на фиг.7 конфигурации существенно упрощается монтаж кабельной разводки и соединение полевых устройств 14 с блоком 350. Для организации связи с отдельными полевыми устройствами 14 в блоке 350 предпочтительно используется цифровая связь либо по протоколу гибридного типа, либо по полностью цифровому стандартизованному производственному протоколу. Кроме того, такой протокол используется для питания всех полевых устройств 14 одновременно, последовательно или асинхронно в зависимости от необходимости. На фиг.7 также схематически показано соединение полевых устройств 14 в сеть с использованием области 112 закрепления. Таким образом, каждое из полевых устройств 14 может при этом иметь локальный пользовательский интерфейс, содержащий средство локального пользовательского ввода и/или средство локального пользовательского вывода, например LCD дисплей.

Фиг.8 изображает блок-схему беспроводного блока питания и связи в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения. Блок 360 включает в себя контроллер 362, устройство 364 накопления энергии (показано в виде батареи), преобразователь 365 энергии, контурный коммуникатор 368 и модуль 366 интерфейса беспроводной связи.

Контроллер 362 предпочтительно включает в себя маломощный микропроцессор и соответствующую зарядную схему для подачи необходимого количества энергии от элемента(-ов) 116 и/или от устройства 364 накопления для питания блока 360 и любых полевых устройств, соединенных с областью 112 прикрепления. Кроме того, контроллер 362 также направляет избыточную энергию от элемента(-ов) 116 на устройство 364 накопления. Контроллер 362 может также быть связанным с дополнительной схемой измерения температуры так, что контроллер 362 может понижать зарядный ток через устройство 364 накопления, если оно начинает перегреваться. Схема измерения температуры может содержать соответствующий термочувствительный элемент, например связанную с устройством 364 накопления термопару. Аналого-цифровой преобразователь может преобразовывать сигнал от термопары в его цифровое представление и подавать цифровой сигнал на контроллер 362.

Контроллер 362 может быть сконфигурирован, аппаратно или программно, или и так и так, для активного распределения питания и для него самого, и на прикрепленные полевые устройства. Таким образом, контроллер 362 имеет возможность переводить и себя самого, и любые необходимые полевые устройства в экономичный режим ожидания. Режимом ожидания является любой рабочий режим с пониженным потреблением энергии. Для полевых устройств режим ожидания может наступить в результате команды об установлении их рабочего тока на низший допустимый уровень. События, которые могут обуславливать переход в экономичный режим, могут включать в себя: истечение активного периода, ввод сигнала от одного или нескольких средств локального пользовательского ввода, обмен данными с одним или несколькими прикрепленными полевыми устройствами или беспроводная передача. Такие события могут также быть использованы для вывода блока 360 и/или любых прикрепленных полевых устройств из режима ожидания. Кроме того, контроллер 362 может избирательно перевести любое прикрепленное полевое устройство в режим ожидания по какой-либо логике или правилам, отраженным в программных командах в пределах контроллера 362 и/или в беспроводной информации, принятой через модуль 366 беспроводной связи. Предпочтительно средства локального ввода, такие как командная кнопка 124, конфигурируются пользователем. Таким образом, единственная командная кнопка может быть использована для вывода полевого устройства из режима ожидания на выбранный пользователем период времени и при соответствующей конфигурации снова перевести полевое устройство в режим ожидания. В одном варианте реализации конфигурируемая локальная командная кнопка использует перемычку или переключение для задания следующих функций:

Командная кнопка Понижает Активное Время - выбирается либо 1, 1,5, 2, либо 3 секунды. Полевое устройство игнорирует нажатия кнопки длительностью, менее заданной.

Интервал Времени - выбирается либо 10, 15, 30 секунд, либо 5, 15, 30, 60 минут.

Если командная кнопка нажимается дважды с малым интервалом, то полевое устройство остается в режиме в течение заданного времени (например, 60 минут), после чего оно возвращается в режим ожидания.

Если командная кнопка нажимается второй раз после заданного интервала времени (например, 5 секунд), то полевое устройство возвращается в режим ожидания.

Контроллер 362 предпочтительно может также переводить участки схемы в блоке 360 или прикрепленные полевые устройства в режим ожидания. Модулем 366 беспроводной связи может быть, например, коммерчески доступный модуль сотового телефона Системы пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS), который имеет и нормальный рабочий режим, и режим ожидания. Сигнал от контроллера 362 может перевести модуль 366 в режим ожидания, если не гарантируется важность беспроводного сообщения.

Преобразователь 365 энергии может быть любым устройством, подходящим для преобразования потенциальной энергии из среды, непосредственно окружающей блок 360, в электрическую энергию. В предпочтительных вариантах реализации преобразователь 365 представляет собой просто один или несколько фотоэлектрических элементов 116. Но преобразователем 365 может быть и любое другое устройство, известное или разрабатываемое, которое способно преобразовать потенциальную энергию вблизи блока 360 в электричество. Таким образом, преобразователь 365 может включать в себя генератор с движущимся элементом, например, использующий движение окружающей среды, движение волн или ветра, генерирующее электроэнергию. Кроме того, для генерации электроэнергии преобразователь 365 может быть термобатарейным устройством на перепаде температур, использующим эффект Пельтье. Кроме того, для получения электроэнергии может использоваться источник на сжатом газе или ему подобный. Наконец, в тех вариантах реализации, в которых устройство накопления энергии имеет относительно большую емкость для данного потребителя электроэнергии, преобразователь 365 может быть исключен.

Модуль 366 беспроводной связи соединен с контроллером 362 и взаимодействует с внешними беспроводными устройствами через антенну 120 исходя из команд и/или данных от контроллера 362. В зависимости от приложения модуль 366 беспроводной связи может быть приспособлен для осуществления связи в соответствии с любым подходящим протоколом беспроводной связи, включая, без ограничений, следующие: беспроводной для сетевых технологий (например, IEEE 802.11b беспроводные точки доступа и беспроводные сетевые устройства, разработанные Linksys of Irvine, California), сотовые или цифровые сетевые технологии (например, Microburst® by Aeris Communications Inc. of San Jose, California), сверхширокополосный, оптический свободного пространства, Глобальной Системы Мобильной Связи (GSM), Система Пакетной Радиосвязи Общего Пользования (GPRS), Множественного Доступа с Кодовым Разделением (CDMA), широкополосной технологии, технологии ИК-связи, Системы Передачи Коротких Сообщений (SMS) или любых других подходящих беспроводных технологий. Кроме того, известная технология предотвращения конфликта данных может быть использована так, что многие блоки смогут не конфликтовать в условиях их взаимного влияния. Эта методика предупреждения конфликтов может включать в себя использование многих радиочастотных каналов и/или методику расширения спектра.

Модуль 366 беспроводной связи может также включать в себя преобразователи для множества способов беспроводной связи. Например, первичная беспроводная связь может осуществляться с помощью способа относительно дальней связи, такого как GSM или GPRS, а вторичная, или дополнительная, связь может быть предоставлена специалистам или операторам вблизи блока с использованием, например, технологии IEEE 802.11b или Bluetooth.

Некоторые модули беспроводной связи могут включать в себя схемы, способные взаимодействовать с Глобальной Системой Позиционирования (GPS). Система GPS может быть успешно использована в блоке 360 для мобильных устройств для получения возможности обнаружения отдельного блока 360 при его удаленном местоположении. Но также могут быть использованы и другие методики определения местоположения.

Показанное на фиг.8 запоминающее устройство 370 отделено от контроллера 362, но в реальности оно может быть частью контроллера 362. Запоминающее устройство 370 может быть любого подходящего типа, включая устройства энергозависимой памяти (RAM), устройства энергонезависимой памяти (флэш-память, EEPROM-память и т.д.), а также может быть любая их комбинация. Запоминающее устройство 370 может содержать программные команды для контроллера 362, а также любые необходимые служебные данные для блока 360. Запоминающее устройство 370 может содержать уникальный идентификатор для блока 360, такой, чтобы блок 360 был способен отличить предназначенные для него беспроводные передачи среди прочих беспроводных передач. Примерами таких идентификаторов может быть MAC-адрес (Управление Доступом Данных), Электронный Серийный Номер, глобальный телефонный номер, Интернет Протокол (IP) или любой другой подходящий идентификатор. Более того, запоминающее устройство 370 может включать в себя информацию о прикрепленных полевых устройствах, такую как их уникальные идентификаторы, конфигурации и возможности. Наконец, контроллер 362 при использовании запоминающего устройства 370 может дать возможность блоку 360 предоставить выходной сигнал любой подходящей формы. Например, конфигурация и взаимодействие с блоком 360 и/или с одним или несколькими присоединенными полевыми устройствами может быть представлено в виде гипертекстовых (HTML) web-страниц.

Синхронизатор 372 показан связанным с контроллером 362, но может также быть и частью контроллера 362. Синхронизатор 372 позволяет контроллеру 362 работать более эффективно. Например, синхронизатор 372 может быть использован для синхронизации периодов, обозначенных выше в связи с конфигурируемой командной кнопкой 125. Кроме того, контроллер 362 может хранить информацию от одного или нескольких прикрепленных полевых устройств и соотносить информацию со временем с целью распознавания трендов. Кроме того, контроллер 362 может дополнять информацию, принятую от одного или нескольких полевых устройств, информацией о времени, перед передачей ее через модуль 366 беспроводной связи. Кроме того, синхронизатор 372 может быть использован для автоматической выработки периодических команд ожидание/активизация на блок 360 и/или на полевые устройства. Другой вариант периодического использования синхронизатора 372 заключается в предоставлении возможности контроллеру 362 выпустить через модуль 366 пульсирующий сигнал для периодической индикации допустимого состояния внешнему беспроводному устройству.

Контурный коммуникатор 368 связан с контроллером 362 и согласовывает контроллер 362 с одним или несколькими полевыми устройствами, связанными с одним или несколькими областями 112 прикрепления. Контурный коммуникатор 368 представляет собой известную схему, вырабатывающую соответствующие сигналы для обмена информацией согласно указанному выше производственному протоколу. В тех вариантах реализации, в которых блок 360 связан с множеством полевых устройств, которые обмениваются информацией согласно различным протоколам, возможно, чтобы множество контурных коммуникаторов использовалось для обеспечения возможности контролеру 362 взаимодействовать с различными полевыми устройствами. Физическое соединение(-я), выполненное через область 112 прикрепления, позволяет блоку 360 обеспечить питание полевым устройствам и обмениваться с ними информацией. В некоторых вариантах реализации это может осуществляться подачей питания по проводам, используемым для связи, например по двухпроводному контуру. Но возможны также варианты реализации изобретения, в которых питание на полевые устройства подается отдельно от канала обмена информацией. Для облегчения доступа специалистами блок 360 может включать в себя две или несколько клемм непосредственно вблизи контурного коммуникатора 368 или области 112 прикрепления, что облегчает соединение с портативным конфигурирующим устройством, таким как устройство Model 375 Handheld, имеющийся у фирмы Rosemount, Inc. of Eden Prairie, Vinnesota.

На фиг.8 показан также необязательный блок 374 командной кнопки оператора и необязательный блок LCD-дисплея, связанные с контроллером 362. Этот чертеж призван показать, что все локальные входные сигналы - от отдельных полевых устройств, беспроводного блока 360 питания и связи или от них обоих связаны с контроллером 362. Кроме того, локальные пользовательские дисплеи на каждом полевом устройстве, на беспроводном блоке 360 питания и связи или на них обоих, также связаны с контроллером 362. Это позволяет контроллеру 362 взаимодействовать с каждым локальным дисплеем по отдельности исходя из входных сигналов от полевого устройства, конфигурируемой командной кнопки, присоединенной к полевому устройству, одной или нескольких кнопок или средств ввода, расположенных непосредственно вблизи блока 360, или от беспроводной передачи данных.

Фиг.9 изображает вид сзади беспроводного блока питания и связи в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Беспроводной блок 400 связан с полевым устройством 14 как и в предшествующих вариантах реализации. Вместе с тем модуль 366 беспроводной связи и/или антенна 120 могут быть расположены в полевом устройстве 14, а не в корпусе 114 блока 400. Модуль 366 беспроводной связи и/или антенна 120 могут быть добавлены в полевое устройство 14 в качестве монтируемых элементов. Кроме того, модуль 366 беспроводной связи может составлять неотъемлемую часть полевого устройства 14. Таким образом, в некоторых вариантах реализации модуль 366 может быть связан с контроллером в блоке 400 через область 112 прикрепления. В других вариантах реализации модуль 366 может быть объединен с полевым устройством, и в таких вариантах реализации блок 400 может легко обеспечивать рабочее питание.

В работе беспроводной блок питания и связи в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения может добавить существенные возможности для технологического мониторинга и управления. Беспроводной выходной сигнал беспроводных блоков питания и связи может просто представлять собой технологический параметр, но может также содержать и много больше информации. Например, беспроводной выходной сигнал может также включать в себя диагностическую и/или эксплуатационную информацию. Кроме того, беспроводной блок питания и связи может также сигнализировать по беспроводному каналу о том, что один или несколько полевых устройств или даже сам блок вышли из строя. Блок может направить беспроводной аварийный сигнал туда же, куда он обычно посылает беспроводную информацию (например, на пункт управления), или же может послать информацию на альтернативный объект, например на пейджер оператора. Кроме того, в тех вариантах реализации, в которых блок связан больше чем с одним полевым устройством, беспроводной выходной сигнал может отображать комбинацию технологических параметров или выходной сигнал более высокого уровня. Кроме того, в тех вариантах реализации, в которых многие полевые устройства включают в себя PV-генераторы, и один или несколько приводов, которые могут изменять технологический параметр, блоки сами по себе могут обеспечивать замкнутым образом автономное технологическое управление, без взаимодействия с пунктом управления, но только на основе беспроводной связи.

Хотя настоящее изобретение рассмотрено в связи с предпочтительными вариантами реализации, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что в деталях и по форме возможны изменения, однако, без отклонения от существа и объема изобретения.

Изобретение относится к системам управления технологическим процессом. Система связи содержит беспроводной блок питания и связи (100, 200, 300, 350, 360, 400), сконфигурированный с возможностью подключения к полевому устройству (14) и для обеспечения рабочего питания и проводной цифровой связи между блоком (100, 200, 300, 350, 360, 400) и полевым устройством (14). Электронное ВЧ-устройство (366) в блоке (100, 200, 300, 350, 360, 400) сконфигурировано для радиочастотной связи. В одном варианте реализации источник (365) питания в блоке включает в себя один или несколько солнечных элементов (116), преобразующих солнечную энергию в электрическую для питания и блока (100, 200, 300, 350, 360, 400), и полевого устройства (14). Блок (100, 200, 300, 350, 360, 400) взаимодействует с полевым устройством (14) согласно стандартному протоколу производственной связи. Блок (100, 200, 300, 350, 360, 400) связан по беспроводному каналу с внешним устройством, например с пунктом управления (12), исходя из взаимодействия с полевым устройством (14). Технический результат - расширение возможностей мониторинга технологического процесса. 32 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система связи технологического процесса, содержащая:
генератор параметра технологического процесса, пригодный для соединения с технологическим процессом, причем генератор параметра технологического процесса выполнен с возможностью функционального соединения с преобразователем и имеет схему связи для связи по технологическому контуру управления и приема электрической энергии из технологического контура управления для питания генератора параметра технологического процесса;
беспроводной блок питания и связи для обеспечения беспроводной работы генератора параметра технологического процесса, причем блок содержит:
корпус;
область прикрепления, соединяющую корпус с генератором параметра технологического процесса через стандартный трубопровод для полевого устройства;
устройство накопления энергии, расположенное внутри корпуса и выполненное с возможностью питания генератора параметра технологического процесса;
контурный коммуникатор, подключенный к генератору параметра технологического процесса через область прикрепления и выполненный с возможностью цифрового взаимодействия с генератором параметра технологического процесса через схему связи;
контроллер, связанный с устройством накопления энергии и контурным коммуникатором, причем контроллер выполнен с возможностью взаимодействия с генератором параметра технологического процесса с помощью контурного коммуникатора и выполнен с возможностью активного управления питанием для беспроводного блока питания и связи и генератора параметра технологического процесса;
модуль беспроводной связи, связанный с контроллером и выполненный с возможностью беспроводной связи на основе взаимодействия с генератором параметра технологического процесса; и
локальный пользовательский интерфейс.

2. Система по п.1, в которой устройство накопления энергии представляет собой батарею.

3. Система по п.1, дополнительно содержащая преобразователь энергии, связанный с контроллером и выполненный с возможностью преобразования потенциальной энергии источника в окружающей среде в электрическую энергию.

4. Система по п.3, в которой преобразователь энергии включает в себя, по меньшей мере, один фотоэлектрический элемент.

5. Система по п.4, в которой, по меньшей мере, один фотоэлектрический элемент покрывает участок корпуса.

6. Система по п.3, в которой контроллер выполнен с возможностью перезарядки устройства накопления энергии электроэнергией от преобразователя энергии.

7. Система по п.3, дополнительно содержащая температурный датчик, функционально соединенный с контроллером и расположенный с возможностью регистрировать температуру устройства накопления энергии, и в которой контроллер избирательно заряжает устройство накопления энергии исходя, по меньшей мере частично, из сигнала от температурного датчика.

8. Система по п.7, в которой температурный датчик функционально соединен с контроллером посредством аналого-цифрового преобразователя.

9. Система по п.1, в которой трубопровод имеет размер, выбранный из группы, состоящей из 3/8-18 NPT (нормальная трубная резьба) соединения, 1/2-14 NPT соединения, М20×1,5 соединения, G1/2 соединения.

10. Система по п.1, в которой область прикрепления обладает, по меньшей мере, одной степенью свободы.

11. Система по п.1, в которой область прикрепления позволяет корпусу вращаться вокруг первой оси.

12. Система по п.11, в которой область прикрепления позволяет корпусу вращаться вокруг второй оси, которая по существу ортогональна первой оси.

13. Система по п.1, дополнительно содержащая фотоэлектрический элемент, расположенный вблизи верхней поверхности корпуса под углом приблизительно в 30 градусов относительно нижней поверхности корпуса.

14. Система по п.1, в которой локальный пользовательский интерфейс включает в себя кнопку.

15. Система по п.14, в которой кнопка может конфигурироваться пользователем.

16. Система по п.14, в которой кнопка располагается непосредственно вблизи области прикрепления.

17. Система по п.1, в которой пользовательский интерфейс включает в себя дисплей.

18. Система по п.17, в которой дисплей представляет собой LCD (жидкокристаллический) дисплей.

19. Система по п.17, в которой дисплей расположен в непосредственной близости от верхней поверхности корпуса.

20. Система по п.19, в которой дисплей расположен в непосредственной близости от фотоэлектрического элемента.

21. Система по п.17, в которой дисплей смонтирован в непосредственной близости от области прикрепления.

22. Система по п.21, в которой дисплей может вращаться вокруг области прикрепления.

23. Система по п.1, в которой корпус выполнен защищенным от воздействий полевой среды.

24. Система по п.1, дополнительно содержащая добавочную область прикрепления, причем добавочная область прикрепления выполнена с возможностью присоединения блока беспроводного питания и связи к дополнительному генератору параметра технологического процесса и обеспечивает питание и связь обоих генераторов параметра технологического процесса.

25. Система по п.24, в которой контурный коммуникатор выполнен с возможностью осуществления цифровой связи с обоими генераторами параметра технологического процесса.

26. Система по п.1, в которой контроллер включает в себя микропроцессор.

27. Система по п.1, в которой контурный коммуникатор выполнен с возможностью распознавания тока, изменяющегося в пределах 4-20 мА.

28. Система по п.1, в которой контурный коммуникатор обеспечивает двухпроводное соединение с генератором параметра технологического процесса, причем двухпроводное соединение обеспечивает питание и возможность осуществления связи с генератором параметра технологического процесса.

29. Система по п.1, в которой управление питанием включает в себя возможность перевода генератора параметра технологического процесса в режим ожидания.

30. Система по п.29, в которой контроллер вызывает перевод генератора параметра технологического процесса в режим ожидания на основании пользовательского ввода.

31. Система по п.1, в которой управление питания включает в себя возможность перевода, по меньшей мере, части беспроводного блока питания и связи в режим ожидания.

32. Система по п.31, в которой контроллер вызывает перевод части беспроводного блока питания и связи в режим ожидания на основании пользовательского ввода.

33. Система по п.1, в которой устройство накопления энергии выбирается исходя из необходимого уровня питания для генератора параметра технологического процесса.