Настоящее изобретение в общем относится к аналоговой обработке сигналов и в частности к обеспечению надежных средств связи между устройствами при наличии синфазных помех.
Уровень техники
Управляющие системы для управления процессом, например использующиеся в химической, нефтяной или других отраслях, обычно содержат многочисленные полевые устройства, например клапаны, позиционеры клапанов, переключатели, преобразователи и датчики (например, температуры, давления и расхода), расположенные в различных местах соответствующей технологической установки, для выполнения управляющих функций для управления процессом, например открывания или закрывания клапанов, измерения параметров процесса, увеличения или уменьшения расхода текучей среды, и т.п. Полевые устройства обычно связаны по меньшей мере с одним централизованным или децентрализованным технологическим контроллером (который, в свою очередь, коммуникативно соединен с главным компьютером или рабочими станциями оператора) посредством аналоговых, цифровых или комбинированных аналоговых/цифровых шин. Интеллектуальные полевые устройства, например полевые устройства, поддерживающие известные протоколы, например FOUNDATION™ Fieldbus, Device-Net® или HART®, также могут выполнять управляющие вычислительные и сигнальные функции, а также другие управляющие функции, которые обычно осуществляются технологическим контроллером.
Некоторые коммуникационные протоколы, которые используются для передачи данных, относящихся к управлению процессом, к полевым устройствам и от них, основаны на плавающем нулевом потенциале. Иными словами, базовое заземление устройств, использующих указанные протоколы, или заземление схемы выполнено с возможностью "плавания" (флуктуации) относительно потенциала земли. Например, сетевые протоколы Foundation™ Fieldbus требуют, чтобы коммуникационные каналы шины были изолированы от земли. В результате соблюдения требования плавающей земли, помехи промышленной частоты, возникающие в сети полевой шины, эффективно модулируют заземление схемы каждого присоединенного устройства относительно земли. Фактическая величина помех зависит от конкретной установки, оборудования и некоторых факторов окружающей среды.
Известны несколько типов передачи сигналов в коммуникационных каналах, содержащих несколько проводов или линий. Синфазный сигнал, например, передается по обеим линиям двухпроводного коммуникационного канала. Соответственно, синфазный сигнал напряжения представляет собой среднее значение указанных двух напряжений, каждое из которых может быть вычислено относительно общей земли. Если напряжение на первой линии составляет V1, а напряжение на второй линии составляет V2, то синфазный сигнал Vсм напряжения может быть определен как:
Vсм=(V1+V2)/2 (Равенство 1).
Напротив, сигнал VNM нормального режима возникает между двумя линиями в двухпроводной конфигурации:
VNM=V2-V1 (Равенство 2).
Следует отметить, что если потенциал земли изменяется, то каждое из напряжений V2 и V1 изменяется на равную величину относительно предыдущего значения потенциала земли, и сигнал напряжения нормального режима VNM соответственно остается без изменений:
VNM=(V2+VΔ) - (V2+VΔ) =V2-V1 (Равенство 3).
В дополнение к передаче и приему управляющих данных, с использованием коммуникационных протоколов, например Foundation Fieldbus, некоторые полевые устройства взаимодействуют со вспомогательными устройствами посредством отдельных коммуникационных каналов, использующих различные способы передачи сигналов (например, нормальный режим, синфазный режим, дифференциальный режим, и т.п.) и различные коммуникационные протоколы. Например, цифровой контроллер клапана (DVC) может связываться с контроллером посредством коммуникационного канала полевой шины, а с удаленным датчиком перемещения - посредством вспомогательного независимого проводного коммуникационного канала. Передача сигналов во вспомогательном проводном коммуникационном канале может быть более восприимчивой к помехам по сравнению с передачей сигналов в коммуникационном канале полевой шины. В частности, синфазные помехи могут препятствовать точному приему цифровым контроллером клапана сигналов от удаленного датчика перемещения, которые могут лежать в диапазоне нескольких милливольт.
Раскрытие изобретения
Устройство, соединенное с проводным коммуникационным каналом, содержит схему для подавления синфазных помех, которая согласует входное полное сопротивление переменному току по меньшей мере некоторых из линий коммуникационного канала для уменьшения влияния указанных синфазных помех на сигналы, распространяющиеся в коммуникационном канале. В некоторых из вариантов реализации схема для подавления синфазных помех содержит активный компонент, например операционный усилитель, который поддерживает переменное напряжение по меньшей мере в некоторых из линий коммуникационного канала примерно на одинаковом уровне относительно нулевого потенциала устройства. По меньшей мере в некоторых из вариантов реализации нулевой потенциал устройства представляет собой плавающий потенциал. В другом варианте реализации изобретения схема для подавления синфазных помех может содержать резистор и конденсатор, соединенный с нулевым потенциалом устройства для приблизительного согласования по меньшей мере двух входных полных сопротивлений, относящихся к коммуникационному каналу. По меньшей мере в некоторых из вариантов реализации схема для подавления синфазных помех не изменяет полные сопротивления постоянному току, относящиеся к коммуникационному каналу, чтобы не ослаблять сигнал нормального режима, распространяющийся в коммуникационном канале.
В некоторых из вариантов реализации устройством является полевое устройство, работающее в управляющей среде для управления процессом, которое принимает и передает управляющие данные посредством проводного коммуникационного канала сети с использованием коммуникационного протокола, например протокола Foundation™ Fieldbus, и связывается с удаленным датчиком или подобным вспомогательным устройством посредством проводного коммуникационного канала датчика. Кроме того, для системы передачи сигналов в коммуникационном канале сети может потребоваться плавающий потенциал земли, в то время как для коммуникационного канала датчика могут потребоваться разъединяющие конденсаторы между каждой из линий коммуникационного канала датчика и корпусным заземлением полевого устройства. Соответственно, схема для подавления синфазных помех уменьшает синфазные помехи, которые возбуждаются в коммуникационном канале датчика синфазным напряжением в коммуникационном канале сети.
В некоторых из вариантов реализации схема для подавления синфазных помех подает сигнал эталонного напряжения на неинвертирующий вход операционного усилителя, одну из линий коммуникационного канала датчика соединяет с инвертирующим входом операционного усилителя, а другую линию коммуникационного канала датчика соединяет с выходом операционного усилителя. Во время работы операционный усилитель поддерживает некоторое напряжение переменного тока на своем выходе таким образом, чтобы две линии, соединенные со схемой для подавления синфазных помех, имели примерно одинаковое входное полное сопротивление переменному току относительно заземления схемы устройства. В одном из вариантов реализации линия, соединенная с инвертирующим входом операционного усилителя, несет эталонный сигнал к удаленному устройству или от него, а линия, соединенная с выходом операционного усилителя, несет измерительный или позиционирующий сигнал в удаленное устройство или от него. В других вариантах реализации схема для подавления синфазных помех так же согласовывает входное полное сопротивление переменному току по меньшей мере для трех линий.
Схема подавления синфазных помех дополнительно может препятствовать ослаблению сигнала нормального режима, распространяющегося в коммуникационном канале датчика. С этой целью схема для подавления синфазных помех может содержать конденсаторы, соединенные с инвертирующим входом операционного усилителя и выходом операционного усилителя, которые не пропускают сигналы или их составляющие постоянного тока. Кроме того, схема для подавления синфазных помех может содержать резистор, соединенный с выходом операционного усилителя, для приблизительного согласования входного сопротивления между линиями, соединенными со схемой для подавления синфазных помех.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана коммуникационная система, в которой полевое устройство, оборудованное описанной схемой для подавления синфазных помех, связано с управляющей системой для управления процессом и устройством удаленного датчика.
На фиг.2 показаны переменные напряжения в двух смоделированных схемах, которые являются идентичными, за исключением управления полным сопротивлением.
На фиг.3 показаны электрические схемы потенциометра и полевого устройства, содержащего схему для подавления синфазных помех, схему для возбуждения датчика и схему дифференциального усилителя.
На фиг.4 показаны электрические схемы питания устройства датчика перемещения и полевого устройства, содержащего схему для подавления синфазных помех, схему для возбуждения датчика и схему дифференциального усилителя.
На фиг.5 показаны переменные напряжения в трех схемах, которые соответственно согласуют полное сопротивление переменному току активным способом, пассивным способом или вообще не согласуют указанное сопротивление.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана система 10 связи, которая содержит полевое устройство 12, управляющее клапаном 14, удаленное устройство 16 и управляющую процессом сеть 20, с которой полевое устройство 12 связано коммуникативной связью. Полевое устройство 12 связано с управляющей сетью 20 посредством коммуникационного канала 22, а с удаленным устройством 16 - посредством коммуникационного канала 30, имеющего несколько линий 32А-32С. Канал 30 может быть размещен в заземленном кабелепроводе или экране. Для уменьшения влияния электромагнитных помех (электромагнитных шумов) на канал 30 каждая из линий 32А-32С соединена с корпусом полевого устройства 12, имеющим нулевой потенциал, посредством схемы 34 для подавления электромагнитных помех. Кроме того, с каналом 30 соединена схема 36 подавления синфазных помех, которая постоянно находится внутри полевого устройства 12 или рядом с ним.
При работе синфазные помехи по напряжению в канале 22 часто создают синфазные помехи на плавающем потенциале схемы нулевого потенциала заземления полевого устройства 12 относительно потенциала корпуса (т.е. заземления) полевого устройства 12. Затем потенциал переменного тока между указанной схемой и нулевым потенциалом соединяется с коммуникационным каналом 30 посредством схемы 34 подавления электромагнитных помех (EMI) через емкость между каналом 30 и заземленным кабелепроводом или экраном. Для устранения синфазных помех, ухудшающих качество передачи сигналов в коммуникационном канале 30, схему 36 для подавления синфазных помех согласовывают с полным сопротивлением по переменному току для некоторых или всех линий 32А-32С на соответствующих входах схемы обработки сигналов полевого устройства 12. В результате амплитуда напряжения помех общего режима на некоторых или всех линиях 32А-32С является одинаковой и следовательно напряжение синфазных помех в канале 30 не проявляется на линиях 32А-32С в виде аддитивной помехи. Иными словами, компоненты синфазных помех по меньшей мере в некоторых из линий 32А-32С взаимно компенсируют друг друга в процессе обработки сигналов в полевом устройстве 12. Таким образом, схема 36 для подавления синфазных помех уменьшает или по существу устраняет влияние помех в канале 30. С точки зрения полевого устройства 12, схема 36 подавления синфазных помех эффективно уменьшает синфазные помехи, связанные с передачей сигналов к удаленному устройству 12 и от него. Соответственно, термин "подавление помех" используется здесь для обозначения уменьшения или устранения помех, уменьшения или устранения влияния помех по меньшей мере на один компонент или улучшения погрешности устройства, например полевого устройства 12, в отношении нежелательной передачи сигналов в соответствующем коммуникационном канале.
По меньшей мере в некоторых из вариантов реализации схема 36 подавления синфазных помех не изменяет полного сопротивления постоянному току по меньшей мере в некоторых из линий 32А-32С на соответствующих входах в схему полевого устройства 12. Таким образом, схема 36 подавления синфазных помех не уменьшает необходимый входной сигнал нормального режима, распространяющийся в канале 30. Таким образом, полевое устройство 12 может надежно и точно связываться с удаленным устройством 16 и управляющей сетью 20 посредством соответствующих каналов 30 и 22.
В управляющей сети 20 по меньшей мере один контроллер 40 процесса соединен по меньшей мере с одной главной рабочей станцией или компьютером 42 (которые могут быть персональным компьютером или рабочей станцией любого типа) и соединен с группами устройств 44А и 44В ввода/вывода (I/O), каждая из которых в свою очередь соединена по меньшей мере с одним из полевых устройств 12 и 48А-48С. Контроллеры 40 могут быть, например, контроллерами марки DeltaV™, которые продаются компанией Fisher-Rosemount Systems, Inc и которые коммуникативно соединяются с главными компьютерами 42 посредством, например, соединения 50 типа Ethernet или другим коммуникационным каналом. Схожим образом контроллеры 40 коммуникативно соединены с полевыми устройствами (например, полевым устройством 12) с использованием любых необходимых аппаратных средств и программного обеспечения, относящихся например к стандартным устройствам с рабочими токами в пределах 4-20 мА, и/или любых интеллектуальных коммуникационных протоколов, например протоколы Fieldbus (промышленная сеть) или HART (дистанционный преобразователь с адресацией по магистральному каналу). Как известно, контроллеры 40 осуществляют или отслеживают подпрограммы управления процессом, сохраненные в них или связанные с ними иным способом, и связываются с полевыми устройствами 12 и 48А-48С для управления процессом любым необходимым способом.
В целом, полевые устройства 12 и 48А-48С могут быть устройствами любого типа, например датчиками, клапанами, преобразователями, позиционерами и т.п., в то время как карты ввода-вывода в группах 44А и 44В могут быть устройствами ввода-вывода любого типа, соответствующими любому необходимому коммуникационному протоколу или протоколу управления, например HART, Foundation™, Fieldbus, Profibus (системы локальных полевых шин) и т.п. В варианте реализации, показанном на фиг.1, полевые устройства 48В и 48С являются стандартными устройствами с рабочим током в пределах 4-20 мА, которые связываются по аналоговым линиям с картой 44 В ввода-вывода. Полевые устройства 12 и 48А являются интеллектуальными устройствами, каждое из которых может выполнять физическое действие на месте (например, позиционирование, измерение и т.п.) и выполнять логические этапы для осуществления конкретной части общей стратегии управления, которую вырабатывает управляющая сеть 20. С этой целью интеллектуальные полевые устройства 12 и 48А могут быть оборудованы программируемым микроконтроллером или подобным логическим блоком. Кроме того, интеллектуальные полевые устройства 12 и 48А могут связываться с картой 44А ввода-вывода с использованием, например, цифрового протокола. Соответственно, коммуникационный канал 22 в этом варианте реализации является шиной передачи данных. Управляющая процессом сеть 20 также может содержать, например, полевые устройства HART, соединенные с HART-совместимыми картами ввода-вывода (не показаны). Очевидно, что полевые устройства 12 и 48А-48С и группы карт 44А и 44В ввода-вывода могут соответствовать любым другим требуемым стандартам или протоколам помимо протоколов стандарта 4-20 мА, HART или Fieldbus, включая любые стандарты или протоколы, которые могут быть разработаны в будущем.
Для лучшей иллюстрации технических преимуществ синфазной схемы 30 подавления, которая используется в системе 10 связи, далее будет описан конкретный вариант реализации со ссылкой на фиг.1. В этом варианте реализации полевое устройство 12 является цифровым контроллером клапана (DVC), например марки Fisher® DVC6000f, изготовленный компанией Emerson Process Management, г.Маршаллтаун, штат Айова, а коммуникационный канал 22 является соответственно шиной для передачи данных, которая поддерживает коммуникационный протокол Foundation Fieldbus. Потенциал земли коммуникационной сети Fieldbus, включая коммуникационный канал 22 и схему полевого устройства 12, здесь обозначен как заземление схемы. Заземление схемы коммуникационной сети Fieldbus является плавающим заземлением, т.е. электрический потенциал, как предполагается, изменяется относительно абсолютного потенциала или потенциала земли. В то же время, потенциал земли шасси полевого устройства 12 обозначен как корпусное заземление.
В настоящем варианте реализации удаленное устройство 16 представляет собой датчик перемещения, расположенный на некотором расстоянии от полевого устройства 12. Следует отметить, что датчик перемещения иногда может быть размещен на расстоянии десятков или даже сотен футов от цифрового контроллера клапана для получения удаленного считывания положения клапана и подачи удаленного сигнала позиционирования цифровому контроллеру клапана. Кроме того, коммуникационный канал 30 в этом варианте реализации осуществляет передачу сигналов в нормальном режиме несмотря на то, что коммуникационный канал 30 в целом может поддерживать любую требуемую технологию, включая нормальный режим, дифференциальный режим или синфазную передачу сигналов, а также любой требуемый коммуникационный протокол. Сигнал нормального режима, распространяющийся в коммуникационном канале 30, является относительно уязвимым сигналом с небольшим напряжением двойной амплитуды. Например, датчик перемещения может подавать сигнал к цифровому контроллеру клапана с амплитудой всего лишь несколько милливольт. В отличие от этого шина Fieldbus работает с двойной амплитудой примерно 0,5 вольта и в целом не является уязвимой для флуктуации в пределах нескольких милливольт.
Поскольку сигнал в коммуникационном канале 30 является относительно уязвимым, линии 32А-32С могут быть размещены в заземленном экране для защиты коммуникационного канала 30 от электромагнитных помех и в частности от радиочастот (RF). Кроме того, для уменьшения паразитной емкостной связи в линиях 32А-32С схема 34 для подавления электромагнитных помех может 1 содержать разъединяющие конденсаторы, соединенные между каждой из линий 32А-32С и корпусным заземлением полевого устройства 12. В то же время плавающий потенциал земли коммуникационной сети Fieldbus, т.е. заземление схемы, может флуктуировать во время работы на 30-50 В относительно земли. Изолированная, хорошо сконструированная и плотно скомпонованная схема, соединенная с указанной коммуникационной сетью, может эффективно управлять даже при наличии указанной флуктуации потенциала относительно земли. Однако поскольку полевое устройство 12 согласно настоящему варианту реализации соединено с коммуникационной сетью Fieldbus посредством коммуникационного канала 22 и с уязвимым коммуникационным каналом 30, и поскольку каждая из линий коммуникационного канала 30 имеет емкостную связь с корпусным заземлением полевого устройства 12, то конденсаторы схемы 34 подавления электромагнитных шумов обеспечивают путь для синфазных помех для связи с коммуникационным каналом 30. Таким образом, разность напряжения между заземлением схемы и заземлением корпуса приводит к модуляции сигнала в коммуникационном канале 30 относительно земли схемы или к синфазной помехе.
Более конкретно, сигналы в каждой из линий 32А-32С "видят" различные входные полные сопротивления относительно заземления схемы. Например, линия 32В может нести сигнал датчика от удаленного устройства 16, в то время как линии 32А и 32С могут нести сигнал инициирования датчика и опорный сигнал датчика соответственно. Для сигнала датчика на линии 32В может потребоваться значительно более высокое полное сопротивление постоянному току для правильной обработки разностного сигнала между линиями 32В и 32С, например с использованием схемы дифференциального усилителя. При отсутствии схемы 36 подавления синфазных помех указанная разность между входными полными сопротивлениями в линиях 32А-32С приводит к различным напряжениям на линиях 32А-32С в ответ на синфазные помехи, которые поступают в коммуникационный канал 30 через развязывающие конденсаторы схемы 34 подавления электромагнитных помех. В свою очередь полевое устройство 12 воспринимает различные индуцированные помехами напряжения на линиях 32А-32С в качестве сигналов нормального режима и иногда работает неправильно.
С другой стороны, если схема 36 синфазного подавления согласовывает входные полные сопротивления для переменного тока на линиях 32А-32С относительно заземления схемы полевого устройства 12, то напряжение помехи, возникшее на линиях 32А-32С, имеет одинаковую амплитуду на каждой из линий 32А-43С и таким образом не влияет на сигнал нормального режима в коммуникационном канале 30 (см. Равенство 3 выше). Таким образом, схема 36 синфазного подавления обеспечивает возможность точного обмена информацией между полевым устройством 12 и удаленным устройством 16 посредством коммуникационного канала 30 при наличии синфазных помех и в частности если шина Fieldbus модулирует корпусную землю полевого устройства 12 относительно заземления схемы на коммуникационном канале 22.
Для дополнительного разъяснения работы коммуникационной системы 10 далее со ссылкой на фиг.2 в общем виде будет описано согласование полного сопротивления в схемах некоторых типов. Далее, на фиг.3 и 4 показаны принципиальные электрические схемы 34 для подавления синфазных помех наряду с некоторыми другими компонентами системы 10 согласно некоторым вариантам реализации. Наконец, смоделированные напряжения переменного тока для трех примеров схем, показанных на фиг.5, иллюстрируют различные подходы к обработке сигнала датчика в коммуникационном канале, подобном коммуникационному каналу 30. Заданные значения напряжений переменного тока, показанные на фиг.2 и 5, сгенерированы с использованием программного обеспечения для моделирования и проектирования схем.
Как показано на фиг.2, схемы 70 и 72 содержат идентичные схемы 80А и 80В удаленных датчиков, которые моделируют устройства, например удаленное устройство 16, описанное выше со ссылкой на фиг.1. Каждая из схем 80А и 80В удаленных датчиков принимает сигнал электропитания датчика от соответствующей входной цепи 82А или 82В посредством соответствующей линии 84А или 84В питания датчика. Сигнал напряжения, представляющий сигнал датчика, распространяется к входной цепи 82А или 82В в соответствующей линии 86А или 86В сигнала датчика, и опорный сигнал распространяется в соответствующей опорной линии 88А или 88В датчика. Таким образом, схемы 70 и 72 в значительной степени подобны. Однако в отличие от схемы 72 схема 70 содержит резистор 90 для согласования полного сопротивления линии 84А с полными сопротивлениями линий 86А и 88А. В то же время, в схемах 80А и 80В удаленных датчиков сигнал датчика в линиях 86А или 86В встречается со значительно более высоким полным сопротивлением по отношению к опорному сигналу датчика в линиях 88А или 88В (а так же сигналу электропитания датчика в линиях 84А или 84В) в отличие от опорного сигнала датчика в линии 88А по отношению к сигналу электропитания датчика в линии 84А или 84В из-за разности значений резисторов 92 и 94 в схемах 80А и 80В удаленных датчиков.
Источник 100 напряжения переменного тока моделирует источники помех, которые вводятся в схемы 70 и 72 посредством одинаковых разделительных конденсаторов 102. Значения в рамках 110 показывают смоделированные напряжения переменного тока, которые присутствуют в некоторых точках схем 70 и 72, когда источник 100 напряжения переменного тока подает сигналы напряжения в линии 84А-84В, 86А-86В и 88А-88С. Следует отметить, что в схеме 70, в которой согласованы полные сопротивления линий, в каждой точке, отмеченной рамкой 110, присутствуют одинаковые напряжения переменного тока. Следовательно, дифференциальная помеха на линиях 84А, 86В и 88А является нулевой. В отличие от этой схемы, в схеме 72 дифференциальная помеха не является нулевой, поскольку полное сопротивление линии 84В питания датчика не согласовано с полным сопротивлением линии 86В сигнала датчика или опорной линии 88В датчика. Таким образом, согласование полных сопротивлений на всех линиях 84А, 86А и 88А во входной цепи 82А обеспечивает возможность существенных изменений полных сопротивлений между этими линиями на конце датчика, т.е. в схеме 80А удаленного датчика, без ухудшения устойчивости схемы 70 к помехам, возникающим на линиях 84А, 86А и 88А.
Как показано на фиг.3, схема 200 содержит схему 202 удаленного датчика, схему 204 емкостной связи, схему 206 для возбуждения датчика, схему 208 дифференциального усилителя и активную схему 210 для согласования полного сопротивления, выполненную согласно одному из вариантов реализации схемы 34 для подавления синфазных помех, описанной со ссылкой на фиг.1.
В целях простоты и ясности описания схема удаленного датчика перемещения упрощенно представлена в виде схемы 202 датчика, содержащей потенциометр 212, соединенный с линией 214 возбуждения датчика, линией 216 сигнала датчика и опорной линией 218 датчика. В этом упрощенном представлении опорная линия 216 датчика несет сигнал, указывающий положение подвижного контакта потенциометра 212. Линии 214, 216 и 218 вместе формируют коммуникационный канал 224, который может быть подобен коммуникационному каналу 30, показанному на фиг.1. Коммуникационный канал 224 может содержать экран (не показан), экранирующий каждую из проводящих линий 214, 216 и 218.
Схема 204 содержит несколько одинаковых развязывающих радиочастотных конденсаторов 230, причем каждым из конденсаторов 230 соединен с одной из линий 214, 216 или 218 и с корпусным заземлением 232 полевого устройства, которое содержит схемы 204, 208 и 210 (например, полевое устройство 12, показанное на фиг.1). В примере схемы, показанной на фиг.3, развязывающие конденсаторы 230 дополнительно могут моделировать емкость между экраном коммуникационного канала 224 и каждой из проводящих линий 214, 216 и 218. Следует отметить, что в зависимости от длины, типа и других параметров коммуникационного канала 224, фактическая емкость конденсаторов 230 может быть выбрана различной, при этом емкости указанных конденсаторов для каждой из линий 214, 216 и 218 должны быть одинаковыми.
При работе схема 206 вырабатывает возбуждающий ток в линии 214. Сигнал, указывающий положение клапана, смоделированный, как показано на фиг.3, сигналом подвижного контакта потенциометра 212, поступает в схему дифференциального усилителя 208 по линии 216. Остаточный ток проходит в схему 208 дифференциального усилителя по опорной линии 218. Схема 208 усиливает сигнал нормального режима, проходящий в линиях 216 и 218, и с выхода 240 подает усиленный сигнал в аналого-цифровой преобразователь (A/D). Резистор 242 задает входное полное сопротивление для сигнала в линии 218 относительно заземления схемы 250, в то время как резистор 244 по меньшей мере частично задает входное полное сопротивление для сигнала в линии 216 относительно заземления 250 схемы. В целом, значения сопротивлений резисторов 242 и 244 могут отличаться по меньшей мере на один порядок величины. Например, резистор 244 в примере, показанном на фиг.3, имеет примерно в 100 раз большее полное сопротивление по сравнению с резистором 242.
Активная схема 210 для согласования полного сопротивления отслеживает сигнал в линии 216 относительно сигнала в линии 218. Для устранения синфазной помехи от ввода мешающего сигнала нормального режима в схему 208 активная схема 210 поддерживает равное входное полное сопротивление для переменного тока в узлах 260 или 262, определяющих входы сигнала датчика и опорного сигнала датчика соответственно. С этой целью операционный усилитель 270 принимает сигнал опорного напряжения через неинвертирующий вход 272, а сигнал, указывающий напряжение в узле 262, через инвертирующий вход 274. Выход 276 операционного усилителя 270 соединен с узлом 260. Кроме того, конденсаторы 280 и 282 соединены последовательно между узлами 260 и 262 и выходом 276 или инвертирующим входом 274 соответственно. Конденсаторы 280 и 282 не пропускают постоянный ток и тем самым препятствуют ослаблению активной схемой 210 для согласования полного сопротивления необходимых сигналов, поступающих из схемы 202 удаленного датчика. Таким образом, конденсаторы 280 и 282 задают соответствующие частоты, с которыми операционный усилитель 270 будет регулировать напряжение на выходе 276. Кроме того, резистор 290 соединен последовательно между узлом 260 и конденсатором 280 для приблизительного согласования полного сопротивления с заземлением 250 схемы, которое указанный сигнал, присутствующий в линии 218, воспринимает в узле 262. Таким образом, на соответствующих частотах операционный усилитель 270 поддерживает напряжение переменного тока на выходе 276 для согласования полного сопротивления относительно заземления схемы в узлах 260 и 262, но компоненты сигнала постоянного тока в узлах 260 и 262 остаются неизменными для обеспечения точной обработки сигнала датчика в схеме 208.
В дополнительном варианте реализации активная схема 210 может быть заменена пассивной схемой для согласования полного сопротивления, содержащей резистор 290, соединенный между узлом 260 и конденсатором 280, при этом конденсатор 280 соединен с заземлением 250 схемы. Как описано ниже со ссылкой на фиг.5, указанный вариант реализации обеспечивает меньшее подавление синфазных помех в канале 224, чем активная схема 210 для согласования полного сопротивления, показанная на фиг.3. Однако стоимость пассивной согласующей схемы для полного сопротивления также является небольшой. В целом, схема 36 для подавления синфазных помех может содержать по меньшей мере один активный компонент для согласования полного сопротивления (включая, например, операционный усилитель 270), пассивные компоненты для согласования полного сопротивления (например, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.п.) или комбинацию активных и пассивных компонентов для согласования полного сопротивления.
На фиг.4 показана схема 300, которая в целом подобна схеме 200, описанной выше. Однако схема 302 удаленного датчика, в отличие от схемы 202 удаленного датчика, получает питание посредством отдельных линий 310 и 312 питания коммуникационного канала 320. В целом, удаленное устройство 12 (показанное на фиг.1) может получать питание автономно (например, от батареи, солнечных элементов, и т.п.), от полевого устройства посредством отдельных линий питания, например линий 310 и 312 согласно настоящему примеру, посредством линии 214 сигнала возбуждения, как показано на фиг.3, или любым другим способом. Как показано на фиг.4, схема 330 подавления синфазных помех может взаимодействовать с четырехпроводным коммуникационным каналом 320 так же, как и со схемой 210, описанной выше. Более конкретно, схема 330 подавления синфазных помех может согласовывать входное полное сопротивление для переменного тока в одной из линий коммуникационного канала 320 с входным полным сопротивлением для переменного тока в других линиях коммуникационного канала 320.
В целом, схема синфазного подавления, например схема 210 или 320, может увеличивать или уменьшать полное сопротивление для переменного тока по меньшей мере в одной из линий соответствующего коммуникационного канала. Например, схема синфазного подавления может содержать несколько операционных усилителей для поддержания напряжения переменного тока на необходимом уровне в нескольких линиях. Кроме того, схема синфазного подавления может содержать пассивные элементы, например резисторы или конденсаторы, активные компоненты, например операционный усилитель, или то и другое вместе. Также следует отметить, что при выборе емкостей конденсаторов 280 и 282 или при добавлении дополнительных элементов схемы, например для задания фильтров, также могут быть выборочно подавлены некоторые частоты переменного тока и обеспечена возможность сохранения без изменений других частот, не подавленных схемой компенсации синфазных помех.
Кроме того, схема 36 подавления синфазных помех (или активная схема 210 для согласования полного сопротивления, пассивная схема для согласования полного сопротивления, содержащая конденсатор и резистор, и т.п.) может являться неотъемлемой частью схемы полевого устройства как, например, автономная специализированная интегральная схема (ASIC), установленная снаружи полевого устройства или внутри него.
Наконец, на фиг.5 показаны результаты моделирования, например схемы 400, 402 и 404, которые отличаются характером их соответствующей обработки входного полного сопротивления, которое сигнал датчика воспринимает относительно потенциала земли схемы. В частности, активная схема 400 для согласования полного сопротивления обеспечивает активное согласование полного сопротивления между опорной линией 410 датчика и линией 412 сигнала датчика. Схема 400 содержит операционный усилитель, конденсаторы, которые блокируют сигнальные составляющие постоянного тока, резистор для грубого согласования полного сопротивления постоянному току и в целом является подобной схемам для подавления синфазных помех, описанным выше. В рамках 420 указаны напряжения переменного тока в нескольких местах в схеме 400. Следует отметить, что в узлах 422 и 424, которые в целом можно рассматривать в качестве входов в полевое устройство или любое другое устройство, напряжения переменного тока в линии 412 сигнала датчика и опорной линии 410 датчика составляют, примерно 1,601 мВ и 1,629 мВ соответственно. Таким образом, в большей части, если не во всех практических воплощениях переменные напряжения в узлах 422 и 424 являются достаточно близкими к эффективному подавлению синфазной помехи, внесенной в линии 412 и 410 из источника 430 имитируемого шума посредством одинаковых разъединяющих конденсаторов 432.
В качестве наиболее простого дополнительного варианта, пассивная схема 402 для согласования полного сопротивления согласовывает входное полное сопротивление линий 410 и 412 соединением узла 422 с землей 440 схемы через резистор 442 и конденсатор 444. Результаты моделирования соответственно указывают, что переменные напряжения в узлах 422 и 424 теперь составляют 3,43 мВ и 1,629 мВ соответственно. Таким образом, активная схема 400 для согласования полного сопротивления обеспечивает лучшее подавление синфазных помех, чем пассивная схема 402 для согласования полного сопротивления. Однако следует отметить, что пассивная схема 402 для согласования полного сопротивления в некоторых вариантах реализации может быть достаточной.
В отличие от нее, схема 404 не обеспечивает активного или пассивного согласования полного сопротивления. Соответственно, разность переменных напряжений в узлах 422 и 424 является значительной. В настоящем примере переменное напряжение в узле 422 составляет примерно 7,54 мВ, а напряжение в узле 420 составляет примерно 1,629 мВ.
На основании вышесказанного следует отметить, что способы согласования входного полного сопротивления переменному току, описанные выше, обеспечивают возможность надежной передачи сигналов устройствами по чувствительным к помехам коммуникационным каналам в присутствии синфазных помех. Указанные способы в целом могут относиться к любой системе, в которой помехи попадают в коммуникационный канал таким образом, что по меньшей мере одно устройство, использующее указанный коммуникационный канал, может воспринимать указанные помехи как действительный сигнал. В частности, способы, описанные выше, относятся к полевым устройствам, которые связаны с другими регулирующими процесс устройствами, использующим коммуникационный протокол для управления процессом, и обмениваются дополнительной информацией со вспомогательным устройством, например удаленным датчиком. Также следует отметить, что несмотря на то, что описанные выше примеры относятся к коммуникационному протоколу шины Foundation Fieldbus, различные варианты выполнения схем для подавления синфазных помех, которые согласуют входное полное сопротивление для переменного тока, также могут относиться к протоколам шин Profibus, HART и другим коммуникационным протоколам. Кроме того, предполагается, что в дополнение к промышленному использованию, описанные выше способы могут быть использованы в устройствах бытового, гражданского и военного назначения, а также для других целей.
Несмотря на то, что настоящая система и способы описаны со ссылкой на конкретные примеры, которые являются лишь иллюстративными и не ограничивают настоящее изобретение, для специалистов очевидно, что в описанные здесь варианты реализации могут быть внесены добавления и/или удаления без отступления от принципа и объема настоящего изобретения.
Группа изобретений относится к аналоговой обработке сигналов. Технический результат заключается в обеспечении надежной передачи данных при наличии синфазных помех. Для этого предложена система, работающая в среде управления процессом, которая содержит полевое устройство для выполнения функции управления процессом в среде управления процессом, удаленное устройство, расположенное на расстоянии от полевого устройства, для выполнения вспомогательной функции, относящейся к функции управления процессом полевого устройства, первый проводной коммуникационный канал, коммуникативно соединенный с полевым устройством и удаленным устройством, для поддержания соединения между полевым устройством и удаленным устройством, и схему для подавления синфазных помех, соединенную с полевым устройством и с проводным коммуникационным каналом, для уменьшения синфазных помех, генерируемых в первом проводном коммуникационном канале. 5 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил. 
1. Система, действующая в среде управления процессом, содержащая:
полевое устройство для выполнения функции управления процессом в среде управления процессом;
удаленное устройство, расположенное на расстоянии от полевого устройства, для выполнения вспомогательной функции, связанной с управляющей процессом функцией полевого устройства;
первый проводной коммуникационный канал, коммуникативно соединенный с полевым устройством и с удаленным устройством, для поддержания соединения между полевым устройством и удаленным устройством; и
схему для подавления синфазных помех, соединенную с полевым устройством и с проводным коммуникационным каналом, для уменьшения синфазных помех, генерируемых в первом проводном коммуникационном канале;
причем первый проводной коммуникационный канал содержит электрические линии, причем каждая из указанных электрических линий соединена с полевым устройством через соответствующий один из его входов; при этом первая из указанных электрических линий имеет первое полное сопротивление в первом из указанных входов, а вторая из электрических линий имеет второе полное сопротивление во втором из указанных входов, причем второе полное сопротивление отличается от первого полного сопротивления; при этом схема для подавления синфазных помех согласовывает первое полное сопротивление со вторым полным сопротивлением таким образом, что синфазные помехи генерируют равные напряжения в первой из указанных электрических линий и во второй из указанных электрических линий.
2. Система по п.1, дополнительно содержащая второй проводной коммуникационный канал, коммуникативно соединенный с полевым устройством, для поддержания обмена данными, относящимися к управлению процессом, с управляющей процессом сетью.
3. Система по п.2, в которой передача сигналов во втором проводном коммуникационном канале генерирует синфазные помехи в первом проводном коммуникационном канале.
4. Система по п.2, в которой первый коммуникационный канал обеспечивает передачу сигналов нормального режима или передачу сигналов дифференциального режима, причем второй проводной коммуникационный канал связан с плавающим заземлением.
5. Система по п.1, в которой полевое устройство связано с плавающим заземлением; при этом схема для подавления синфазных помех содержит: резистор, соединенный с первым из указанных входов, для приблизительного согласования полного сопротивления с другим по меньшей мере одним из указанных входов, и конденсатор, соединенный с резистором и с плавающим заземлением.
6. Система по п.1, в которой полевое устройство связано с плавающим заземлением; при этом схема для подавления синфазных помех содержит операционный усилитель для согласования полного сопротивления для переменного тока по меньшей мере двух из указанных входов.
7. Система по п.1, дополнительно содержащая управляющую процессом сеть, содержащую контроллерное устройство; коммуникационный канал промышленной сети для поддержания обмена данными, относящимися к управлению процессом, между полевым устройством и контроллерным устройством согласно коммуникационному протоколу промышленной сети; при этом удаленное устройство представляет собой датчик, который передает данные полевому устройству посредством первого проводного коммуникационного канала.
8. Способ управления полевым устройством в управляющей процессом сети, согласно которому указанное полевое устройство связывают с удаленным устройством с использованием первого проводного коммуникационного канала и с управляющей процессом сетью посредством второго проводного коммуникационного канала, при этом указанный первый проводной коммуникационный канал содержит линии, соединенные с указанным полевым устройством посредством соответствующих входов, содержащий этапы, на которых:
получают первое входное полное сопротивление для сигнала, распространяющегося в первой из указанных линий, на первом из указанных входов,
получают второе входное полное сопротивление для сигнала, распространяющегося во второй из указанных линий, на втором из указанных входов, причем второе полное сопротивление отличается от первого полного сопротивления и
выбирают второе входное полное сопротивление для согласования с первым входным полным сопротивлением для уменьшения синфазных помех в первом коммуникационном канале.
9. Способ по п.8, согласно которому выбор второго входного полного сопротивления для согласования с первым входным полным сопротивлением содержит этапы, на которых:
обеспечивают по существу равные полные сопротивления для переменного напряжения в первом из указанных входов и втором из указанных входов и
обеспечивают неизменное полное сопротивление для постоянного напряжения в первом из указанных входов и втором из указанных входов.
10. Способ по п.8, согласно которому полевое устройство связывают с плавающей землей; при этом выбор второго входного полного сопротивления для согласования с первым входным полным сопротивлением содержит этапы, на которых:
берут операционный усилитель,
соединяют первый из указанных входов с входом операционного усилителя и
соединяют второй из указанных входов с выходом указанного операционного усилителя.
11. Полевое устройство для использования в сети, работающее в среде управления процессом, содержащее:
рабочий блок выполнения физического этапа в среде управления процессом;
первый интерфейс, соединенный с первым коммуникационным каналом для связи с удаленным устройством;
второй интерфейс, соединенный со вторым коммуникационным каналом для передачи информации, относящейся к управлению процессом, в сеть; и
схему для подавления синфазных помех, соединенную с первым интерфейсом, которая уменьшает синфазные помехи, сгенерированные в первом коммуникационном канале,
при этом первый коммуникационный канал содержит электрические линии, соединенные с соответствующими входами первого интерфейса,
причем схема для подавления синфазных помех содержит согласующий входное полное сопротивление блок для согласования первого полного сопротивления в первой из множества электрических линий на первом из множества выходов со вторым полным сопротивлением во второй из указанного множества электрических линий на втором из указанного множества выходов, причем второе полное сопротивление отличается от первого полного сопротивления.
12. Полевое устройство по п.11, связанное с плавающим заземлением; причем согласующий входное полное сопротивление блок выполнен с возможностью согласования входного полного сопротивления в каждой из электрических линий на соответствующем одном из указанных входов относительно плавающего заземления.
13. Полевое устройство по п.11, в котором схема для подавления синфазных помех содержит операционный усилитель для поддержания входного полного сопротивления переменному току, который связан по меньшей мере с двумя из электрических линий по существу на одном уровне.
14. Полевое устройство по п.13, в котором схема для подавления синфазных помех дополнительно содержит конденсаторы для поддержания входного полного сопротивления постоянному току по существу неизменным.
15. Полевое устройство по п.11, представляющее собой цифровой контроллер клапана; при этом удаленное устройство представляет собой удаленный датчик; причем второй коммуникационный канал поддерживает коммуникационный протокол, связанный с плавающим заземлением.
16. Полевое устройство по п.15, в котором в качестве коммуникационного протокола используется полевая шина Foundation™ Fieldbus.
17. Полевое устройство по п.11, в котором схема для подавления синфазных помех представляет собой пассивную схему, содержащую резистор и конденсатор.
18. Схема для подавления помех для использования с устройством, соединенным с проводным коммуникационным каналом, при этом указанное устройство содержит входы для соединения с линиями указанного проводного коммуникационного канала, причем указанная схема для подавления помех содержит:
первый вход схемы, соединенный с первой из линий в первом из указанных входов;
второй вход схемы, соединенный со второй из линий во втором из указанных входов;
согласующий полное сопротивление блок для согласования входного полного сопротивления переменному току второго из указанных входов с входным полным сопротивлением переменному току первого из указанных входов и для обеспечения согласования входных полных сопротивлений переменному току первого и второго из указанных входов.
19. Схема для подавления помех по п.18, в которой в состав согласующего полное сопротивление блока входит операционный усилитель, содержащий:
неинвертирующий вход, связанный с сигналом эталонного напряжения;
инвертирующий вход, соединенный с первым входом схемы; и
выход, соединенный со вторым входом схемы для поддержания напряжения переменного тока на первом и втором входах указанной схемы по существу на одинаковом уровне.
20. Схема для подавления помех по п.19, в которой согласующий полное сопротивление блок дополнительно содержит:
первый конденсатор, соединенный последовательно между инвертирующим входом и первым входом схемы, который не пропускает постоянный ток; и
второй конденсатор, соединенный последовательно между выходом и вторым входом указанной схемы, который не пропускает постоянный ток.
21. Схема для подавления помех по п.19, в которой согласующий полное сопротивление блок дополнительно содержит резистор, соединенный последовательно между выходом и вторым входом схемы, для грубого согласования полного сопротивления в первой из указанных линий.
22. Схема для подавления помех по п.18, в которой устройством является полевое устройство, выполненное с обеспечением возможности исполнения физического этапа на месте и соединения с сетью, работающей в среде управления процессом.
23. Схема для подавления помех по п.18, в которой устройство связано с плавающим заземлением, причем указанная схема для подавления помех согласует входные полные сопротивления переменному току относительно плавающей заземления.
24. Система, работающая в среде управления процессом, содержащая:
полевое устройство для выполнения функции управления процессом в среде управления процессом;
удаленное устройство, расположенное на расстоянии от полевого устройства, для выполнения вспомогательной функции, относящейся к функции управления процессом полевого устройства;
первый проводной коммуникационный канал, коммуникативно соединенный с полевым устройством и удаленным устройством для поддержания соединения между полевым устройством и удаленным устройством,
при этом первый проводной коммуникационный канал содержит:
первую электрическую линию, имеющую первое полное сопротивление; и
вторую электрическую линию, имеющую второе полное сопротивление;
при этом схема для подавления помех, соединенная с полевым устройством и с проводным коммуникационным каналом, содержит:
входной контакт, соединенный с первой электрической линией, которая имеет первое полное сопротивление;
выходной контакт, соединенный со второй электрической линией; и
согласующий полное сопротивление компонент, функционально соединенный с входным контактом и с выходным контактом;
причем до работы схемы для подавления помех второе полное сопротивление отличается от первого полного сопротивления, а во время работы схемы для подавления помех второе полное сопротивление примерно равно первому полному сопротивлению.
| US 3705365 A, 05.12.1972 | |||
| US 20050231182 A1, 20.10.2005 | |||
| ТРУБОПРОВОДНАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ | 2004 |
|
RU2290765C2 |
| ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХИ НА КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИИ В ОРТОГОНАЛЬНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ | 2005 |
|
RU2339168C2 |
