БЕСПРОВОДНОЕ ПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО, ИМЕЮЩЕЕ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЙ ДИСКРЕТНЫЙ КАНАЛ ВВОДА/ВЫВОДА Российский патент 2016 года по МПК G05B19/42 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к полевым устройствам типа тех, которые используются для управления или контроля производственных процессов. Более конкретно, данное изобретение относится к полевому устройству производственного процесса, имеющему дискретный входной сигнал и дискретный выходной сигнал.

Производственные процессы используются при контроле или производстве технологических материалов и жидкостей, таких как масло (нефть), бумажная масса и т.д. Для контроля работы производственного процесса, используются передатчики параметров производственного процесса. Передатчики параметров производственного процесса измеряют параметры производственного процесса и передают информацию о параметрах производственного процесса в централизованное местоположение. Примерные параметры производственного процесса включают в себя скорость потока, температуру, давление, уровень жидкости и т.д. Передатчик параметров производственного процесса является одним примером полевого устройства. Другим примерным полевым устройством является контроллер. Контроллер используется для управления работой процесса посредством приведения в действие элемента управления. Например, контроллер может регулировать положение клапана, изменять скорость насоса, изменять температуру нагревательного элемента и т.д. Контроллер может принимать команды из централизованного местоположения.

Обычно, полевые устройства основаны на проводной связи с центральным местоположением. Примерные способы проводной связи включают в себя двухпроводные схемы управления процессом, в которых как энергия, так и информация переносятся на одних и тех же двух проводах. Однако, совсем недавно с полевыми устройствами стали применяться способы беспроводной связи. Один примерный способ беспроводной связи изложен в протоколе беспроводной связи HART® в соответствии со стандартом IEC 62591.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Беспроводное полевое устройство для использования в производственном процессе включает в себя клеммы ввода/вывода, сконфигурированные с возможностью связи с элементом интерфейса процесса. Дискретный канал ввода/вывода сконфигурирован с возможностью приема дискретного входного сигнала от элемента интерфейса процесса через клеммы ввода/вывода при конфигурировании в качестве дискретного канала ввода. Дискретный канал ввода/вывода дополнительно сконфигурирован с возможностью подачи дискретного выходного сигнала в элемент интерфейса процесса через клеммы ввода/вывода, когда дискретный канал ввода/вывода сконфигурирован как дискретный канал вывода. Набор схем беспроводной связи сконфигурирован с возможностью передачи и приема информации. Контроллер передает информацию через набор схем беспроводной связи и работает в соответствии с информацией о конфигурации для конфигурирования канала ввода/вывода в качестве канала ввода, когда клеммы ввода/вывода подключены к дискретному датчику параметра производственного процесса, и дополнительного конфигурирования дискретного канала ввода/вывода в качестве дискретного канала вывода, когда клеммы ввода/вывода связаны с дискретным элементом управления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 является упрощенной схемой производственного процесса, включающего в себя полевое устройство.

Фиг. 2А является упрощенной блок-схемой полевого устройства по фиг. 1, сконфигурированного как обеспечивающее дискретный канал ввода от дискретного датчика.

Фиг. 2В является упрощенной блок-схемой полевого устройства по фиг. 1, сконфигурированного как обеспечивающее дискретный канал вывода к дискретному элементу управления.

Фиг. 3 является упрощенной блок-схемой полевого устройства по фиг. 1, сконфигурированного для дискретного ввода и дискретного вывода.

Фиг. 4 является упрощенной схемой, показывающей канал полевого устройства по фиг. 1, которое может быть сконфигурировано как дискретный канал ввода (фиг. 2А) или дискретный управляющий канал вывода (фиг. 2В).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Данное изобретение обеспечивает полевое устройство, способное к приему дискретного входного сигнала от датчика в производственном процессе, связанном с некоторым параметром процесса. Датчик связан с клеммами полевого устройства. Кроме того, клеммы полевого устройства могут быть сконфигурированы с возможностью подачи дискретного выходного сигнала в дискретный элемент управления в процессе. Это позволяет сконфигурировать одни и те же две клеммы для использования в считывании параметра процесса, а также для управления параметром процесса, если это желательно. Полевое устройство сконфигурировано для беспроводной связи с удаленным местоположением. Беспроводная связь может быть осуществлена в соответствии с любым соответствующим способом, таким как, например, протокол беспроводной связи HART® в соответствии со стандартом IEC 62591.

Фиг. 1 является упрощенной блок-схемой производственного процесса 10, включающего в себя беспроводное полевое устройство 12, связанное с технологическим трубопроводом 14. Технологический трубопровод может нести технологическую жидкость. Беспроводное полевое устройство включает в себя дискретный элемент 16 интерфейса процесса, который может содержать элемент управления, если устройство сконфигурировано с возможностью обеспечения дискретного управляющего выходного сигнала, или может содержать датчик параметра процесса, если полевое устройство 12 сконфигурировано с возможностью считывания параметра процесса от дискретного датчика параметра процесса. Если полевое устройство 12 сконфигурировано с возможностью считывания параметра процесса, то оно может беспроводным способом передавать информацию, относящуюся к считанному параметру процесса, к удаленному местоположению 18 через антенны 20 и 22. Удаленное местоположение 18 может содержать, например, центральное местоположение, такое как диспетчерская. Как более подробно обсуждается ниже, полевое устройство 12 может быть также сконфигурировано с возможностью обеспечения управляющего выходного сигнала. В одном примере такой конфигурации, информация принимается из удаленного местоположения 18, что используется для соответствующего обеспечения управляющего выходного сигнала.

Примеры дискретного датчика параметра процесса включают в себя переключатель, который изменяет состояние, когда происходит конкретное событие, такое как превышение температурного порога или превышение порога уровня. Другой тип датчика параметра процесса обеспечивает последовательность импульсов, которая относится к считанному параметру процесса, который может быть подсчитан. Примеры таких датчиков параметров процесса включают в себя импульсные выходные сигналы расходомера турбины и электромагнитного расходомера.

Фиг. 2А является упрощенной блок-схемой полевого устройства 12, имеющего канал 24, сконфигурированный с возможностью приема входного сигнала от дискретного датчика параметра процесса. На фиг. 2, элемент 16 интерфейса процесса показан как переключатель с двумя положениями (разомкнутым и замкнутым). Этот переключатель подключен к клеммам 40 ввода/вывода полевого устройства 12. Одна из клемм 40 подключена к компаратору 42, который также принимает опорное напряжение. Например, если переключатель замкнут, то в микропроцессор 44 подается выходной сигнал высокого уровня, тогда как если переключатель разомкнут, то подается выходной сигнал низкого уровня. Микропроцессор 44 принимает выходной сигнал от компаратора и работает в соответствии с командами, хранимыми в памяти 46. На основе принятого входного сигнала, микропроцессор 44 может связываться беспроводным способом с использованием набора схем 48 беспроводной связи.

Фиг. 2В показывает альтернативную конфигурацию полевого устройства 12 в канале 24, связанном с дискретным элементом управления. На фиг. 2В, элемент 16 интерфейса процесса показан как нагрузка, которая подключена к источнику 50 напряжения. Например, нагрузкой 16 может быть реле, исполнительный механизм клапана и т.д. На фиг. 2В, нагрузка 16 и источник 50 напряжения связаны с клеммами 40 ввода/вывода полевого устройства 12. Вместо использования компаратора 42, в конфигурации фиг. 2В полевое устройство 12 связывает переключатель 60 с нагрузкой 16 через клеммы 40. Переключатель 60 работает под управлением микропроцессора 44. Фиг. 2А иллюстрирует устройство, сконфигурированное с возможностью обеспечения канала ввода, тогда как фиг. 2В иллюстрирует устройство, сконфигурированное с возможностью обеспечения канала вывода.

Конфигурация полевого устройства 12, которая показана на фиг. 2В, может быть проблемной в некоторых средах. Например, поскольку полевое устройство 12 связано с внешним источником 50 энергии, большие токи или напряжения могут наводиться в набор схем полевого устройства 12, что повреждает этот набор схем. Это может вызвать полный или частичный выход из строя набора схем, например, из-за внесения ошибок в последующие измерения или сигналы управления. Кроме того, устройство 12 может испытывать выбросы излучения, электростатические разряды или другие события, которые могли бы повредить набор схем. Кроме того, устройство 12 должно быть сконфигурировано с возможностью работы в «по существу безопасном» режиме, в котором это устройство не способно вызвать повреждение других компонентов в производственном процессе или его окружении. Кроме того, поскольку устройство 12 сконфигурировано с возможностью работы беспроводным способом, набор схем устройства 12 должен работать с использованием очень небольшой энергии.

Согласно одному варианту осуществления, фиг. 3 является более подробной блок-схемой полевого устройства 12. На фиг. 3, устройство 12 подключено к элементу 16 интерфейса процесса через канал 24, который может быть сконфигурирован как дискретный канал ввода или дискретный канал вывода, как более подробно обсуждается ниже. Как отмечалось выше, при связи с элементом 16 интерфейса процесса, сконфигурированным как элемент управления, энергия, присутствующая во внешней электропроводке, может быть наведена в набор схем полевого устройства 12. Данное изобретение обеспечивает некоторое количество особенностей для препятствования повреждению такой энергией набора схем полевого устройства 12. Например, обеспечены резервные диоды 100 защиты, которые подключены последовательно к клеммам 40, для блокирования поступления какого-либо обратного тока в устройство 12. Фиксирующие диоды 102 и 108 защиты обеспечены для фиксации напряжений на входе до не более 6,2 Вольт. Обеспечен восстанавливаемый твердотельный предохранитель 106, подключенный последовательно к переключателю 60 для ограничения тока до менее чем 500 мА. Отметим, что на фиг. 3 переключатель 60 показан как MOSFET (полевой МОП-транзистор). Изолирующий резистор 104 обеспечен для блокирования тока между отрицательной клеммой 40 и землей электронной схемы. Независимая сторожевая схема (обсуждаемая ниже) включена для безопасного управления переключателем выходного сигнала в случае состояния неисправности.

В дополнение к обеспечению защиты от поступления энергии в полевое устройство, данное изобретение дополнительно включает в себя набор схем, сконфигурированный с возможностью препятствования повреждению набора схем полевого устройства 12 из-за электромагнитного излучения, статических разрядов и т.д. Эта защита включает в себя использование набора схем 120 ЕМС фильтрации (фильтрации электромагнитной совместимости). Схема энергосбережения снижает потребление схемой тока при конфигурации в качестве ввода, и когда этот ввод замкнут или закорочен.

На фиг. 3, переключатель 60 принимает сигнал управления DO (управления дискретным выходным сигналом) от микропроцессора 44. Фиг. 3 также иллюстрирует выходной сигнал компаратора 42 как подаваемый в инвертор 130 перед связыванием с прерыванием дискретного входного сигнала микропроцессора 44. В этой конфигурации, микропроцессор 44 принимает прерывание, когда выходной сигнал от инвертора 130 достигает высокого уровня сигнала. В другой конфигурации, выходной сигнал от инвертора 130 подается в счетчик 132, который сконфигурирован с возможностью подсчета импульсов в выходном сигнале. Например, счетчик может считать импульсы и обеспечить прерывание для микропроцессора 44, когда инициируется старший бит (MSB), что указывает, что счетчик достиг максимума. Схема 140 источника питания также показана на фиг. 3. Схема 140 источника питания может включать в себя, например, батарею или другой источник питания для обеспечения энергии для схем полевого устройства 12.

Фиг. 4 является упрощенной принципиальной схемой, показывающей набор схем полевого устройства 12 более подробно. Как обсуждалось ранее, клеммы 40 полевого устройства 12 могут быть сконфигурированы с возможностью работы в качестве дискретного входного сигнала от датчика параметра процесса или подачи дискретного управляющего выходного сигнала в элемент управления. При приеме дискретного входного сигнала, микропроцессор 44 подает сигнал низкого уровня на затвор полевого транзистора 60, тем самым «выключая» транзистор 60. В этом состоянии, когда переключатель датчика параметра процесса подключен к клеммам 40 и находится в «разомкнутом» положении, выходной сигнал из компаратора 42 будет находиться в логическом низком состоянии. Он инвертируется посредством инвертора 130 и может быть считан, например, через прерывание, микропроцессором 44. Аналогично, когда переключатель находится в замкнутом положении, отрицательный входной сигнал в компаратор будет находиться в логическом низком состоянии, что вызывает то, что выходной сигнал компаратора 42 находится в высоком значении. Это инвертируется посредством инвертора 130 и может быть считано микропроцессором 44. При необходимости, в этот процесс может быть введен гистерезис, что уменьшает чувствительность к шуму или другим сбоям и тем самым обеспечивает «мертвую зону» для набора схем.

Счетчик 132 может использоваться для подсчета импульсов. Например, 8-битовый счетчик вместе с триггером может использоваться для реализации счетчика 132 для обеспечения 9-битового счетчика. Это может дать возможность аппаратному счетчику 132 работать относительно быстро без обеспечения постоянных прерываний микропроцессора. Более конкретно, вывод старшего бита (MSB) от счетчика 132 может быть считан микропроцессором 44 как прерывание, что сигнализирует, что было достигнуто максимальное значение счетчика 132.

Программируемый фильтр 122 показан как полевой транзистор, связанный с микропроцессором 44. Фильтрация может быть задействована посредством включения транзистора 122, что подключает конденсатор 150 параллельно к клеммам 40. Например, в одной конфигурации, с фильтром во включенном состоянии, максимальная скорость подсчета может быть ограничена величиной приблизительно 50 Гц, тогда как с выключенным фильтром максимальная скорость может быть равна приблизительно 1 кГц. Потребление тока этой схемы составляет менее 20 мкА при конфигурации для приема дискретного входного сигнала.

В дополнение к способности к конфигурированию в качестве канала ввода, набор схем на фиг. 4 может быть также сконфигурирован как дискретный канал вывода. В этой конфигурации, микропроцессор 44 выключает транзистор 122, тем самым выключая фильтрацию. Кроме того, транзистор 152 включается микропроцессором 44, что закорачивает линию входного сигнала датчика на землю. Кроме того, транзистор 154 выключен, что выключает ток считывания. Микропроцессор 44 может затем соответствующим образом управлять транзистором 60. Посредством включения транзистора 60, клеммы 40 закорачиваются вместе. Аналогично, в выключенном состоянии, клеммы 40 разъединены друг от друга. Диод 108 обеспечен для ограничения напряжения, которое было бы приложено к электронным элементам в случае, если диоды 100 выходят из строя. Резистор 104 используется для обеспечения изоляции между отрицательной клеммой ввода и землей схемы. Резистор 104 изолирует высокие токи на клеммах канала управления и отводит их от остальной части электронных элементов. Потребление тока при конфигурации таким образом составляет порядка 5 мкА.

Фиг. 4 также иллюстрирует сторожевую схему 170, которая может быть предпочтительно использована как часть полевого устройства. Сторожевая схема 170 включает в себя подключение к положительному напряжению +V источника питания. Кроме того, схема 170 связана с микропроцессором 44. Во время работы, если напряжение источника питания падает ниже порогового уровня, схема 170 «потянет» затвор транзистора 60 вниз, тем самым обеспечивая выключение транзистора 60. Аналогично, микропроцессор 44 должен периодически (например, каждую секунду) обеспечивать сигнал «сброса» для сторожевой схемы 170. Неудача в приеме этого сигнала «сброса» также приведет к выключению сторожевой схемой 170 транзистора 60.

В другом варианте осуществления, микропроцессор 44 может периодически контролировать выходной сигнал полевого устройства 12 при конфигурировании для обеспечения дискретного выходного сигнала. Например, микропроцессор 44 может периодически кратко включать транзистор 154 и выключать транзистор 152, что позволяет состоянию выходного сигнала на положительной клемме 40 считываться обратно. Это может использоваться для обеспечения того, что выходной сигнал находится в требуемом состоянии.

Во время работы, микропроцессор 44 работает в соответствии с командами, хранимыми в памяти 46. Эти команды предписывают микропроцессору 44 конфигурировать канал 24, показанный на фиг. 4, в качестве дискретного канала ввода или в качестве дискретного канала вывода. Информация о конфигурации может быть сохранена во время подготовки или конфигурации устройства или может быть принята устройством с использованием набора схем 48 связи. Когда канал 24, показанный на фиг. 4, сконфигурирован как дискретный канал вывода, микропроцессор 44 свяжет клеммы 40 вместе, как описано выше. Команды для выполнения этой работы могут быть приняты, например, с использованием набора схем 48 связи. В другой примерной конфигурации, с микропроцессором 44 связан более, чем один канал, такой как канал, показанный на фиг. 4. В такой конфигурации, входной сигнал из дискретного канала ввода может использоваться как основа для обеспечения конкретного выходного сигнала на другом канале, сконфигурированном в качестве канала вывода. Когда канал 24 сконфигурирован как дискретный канал ввода, микропроцессор 44 может использовать набор схемы 48 для передачи информации, относящейся к считанному параметру процесса, в удаленное местоположение.

Хотя данное изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет ясно, что изменения могут быть сделаны в форме и подробностях, не выходя за рамки сущности и объема данного изобретения.

Изобретение относится к полевым устройствам. Технический результат - защита от поступления энергии в полевое устройство, а также защита от повреждения набора схем полевого устройства. Беспроводное полевое устройство содержит клеммы (40) ввода/вывода, дискретный канал (24) ввода/вывода, набор схем (48) беспроводной связи и контроллер (44). Дискретный канал сконфигурирован с возможностью приема дискретного входного сигнала от элемента интерфейса процесса через клеммы (40) и с возможностью подачи дискретного выходного сигнала в элемент (16) интерфейса процесса через клеммы (40). Контроллер (44) передает информацию через набор схем (48); подает дискретный выходной сигнал управления в элемент интерфейса (16); конфигурирует канал ввода/вывода в качестве канала ввода; конфигурирует дискретный канал ввода/вывода в качестве дискретного канала вывода. Переключатель сконфигурирован с возможностью избирательного электрического связывания дискретных клемм ввода/вывода вместе. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Беспроводное полевое устройство для использования в производственном процессе, содержащее:
клеммы ввода/вывода, сконфигурированные с возможностью связи с элементом интерфейса процесса;
дискретный канал ввода/вывода, сконфигурированный с возможностью приема дискретного входного сигнала от элемента интерфейса процесса через клеммы ввода/вывода при конфигурировании в качестве дискретного канала ввода, причем дискретный канал ввода/вывода дополнительно сконфигурирован с возможностью подачи дискретного выходного сигнала в элемент интерфейса процесса через клеммы ввода/вывода при беспроводном конфигурировании в качестве дискретного канала вывода;
набор схем беспроводной связи, сконфигурированный с возможностью передачи и приема информации;
контроллер, сконфигурированный с возможностью:
передачи информации через набор схем беспроводной связи на основе параметра процесса, считанного с использованием элемента интерфейса процесса;
подачи дискретного выходного сигнала управления в элемент интерфейса процесса для управления параметром процесса в ответ на информацию, принятую набором схем беспроводной связи; и
при этом контроллер дополнительно сконфигурирован с возможностью работы в соответствии с информацией о конфигурации для конфигурирования канала ввода/вывода в качестве канала ввода, когда клеммы ввода/вывода подключены к дискретному датчику параметра процесса, и дополнительно сконфигурирован с возможностью конфигурирования дискретного канала ввода/вывода в качестве дискретного канала вывода, когда клеммы ввода/вывода связаны с дискретным элементом управления, при этом дискретный канал ввода/вывода включает в себя переключатель, сконфигурированный с возможностью приведения в действие посредством контроллера, причем переключатель сконфигурирован с возможностью избирательного электрического связывания дискретных клемм ввода/вывода вместе.

2. Устройство по п. 1, включающее в себя предохранитель, подключенный последовательно к переключателю.

3. Устройство по п. 1, в котором дискретный канал ввода/вывода включает в себя компаратор, связанный с клеммами ввода/вывода, причем компаратор сконфигурирован с возможностью обеспечения сигнала к контроллеру на основе того, разомкнут или замкнут переключатель, подключенный к дискретным клеммам ввода/вывода.

4. Устройство по п. 3, включающее в себя счетчик, связанный с выводом компаратора, причем счетчик сконфигурирован с возможностью подсчета замыканий переключателя.

5. Устройство по п. 1, включающее в себя фильтр, подключенный к клеммам ввода/вывода, и причем контроллер сконфигурирован с возможностью избирательной активации фильтра.

6. Устройство по п. 1, включающее в себя по меньшей мере два диода, подключенных последовательно к клеммам ввода/вывода, для обеспечения защиты для набора схем беспроводного полевого устройства.

7. Устройство по п. 1, включающее в себя сторожевую схему, сконфигурированную с возможностью предписания набору схем беспроводного полевого устройства входить в безопасное состояние, если компонент беспроводного полевого устройства выходит из строя.

8. Устройство по п. 7, в котором сторожевая схема сконфигурирована с возможностью предписания переключателю по п. 1 размыкаться, если напряжение источника питания беспроводного полевого устройства является меньшим, чем порог.

9. Устройство по п. 7, в котором сторожевая схема сконфигурирована с возможностью предписания переключателю по п. 1 размыкаться, если сторожевая схема не принимает периодические сигналы «сброса» от контроллера.

10. Способ связывания с элементом интерфейса процесса с использованием беспроводного полевого устройства в производственном процессе, содержащий этапы, на которых:
связывают элемент интерфейса процесса с клеммами ввода/вывода беспроводного полевого устройства;
конфигурируют дискретный канал ввода/вывода в качестве дискретного канала ввода, если элемент интерфейса процесса содержит дискретный датчик параметра процесса, сконфигурированный с возможностью обеспечения дискретного выходного сигнала;
конфигурируют дискретный канал ввода/вывода в качестве дискретного канала вывода и подают дискретный выходной сигнал управления в элемент интерфейса процесса, если элемент интерфейса процесса содержит дискретный элемент управления;
передают информацию, относящуюся к считанному параметру процесса, к удаленному местоположению с использованием набора схем беспроводной связи, если канал ввода/вывода сконфигурирован как дискретный канал ввода; и
подают дискретный выходной сигнал управления в элемент интерфейса процесса на основе информации через набор схем беспроводной связи, если дискретный канал ввода/вывода сконфигурирован как дискретный канал вывода, при этом дискретный канал ввода/вывода включает в себя переключатель, сконфигурированный с возможностью приведения в действие посредством контроллера, и причем способ дополнительно содержит этап, на котором конфигурируют переключатель для избирательного электрического связывания дискретных клемм ввода/вывода вместе.

11. Способ по п. 10, предусматривающий обеспечение предохранителя, подключенного последовательно к переключателю.

12. Способ по п. 10, в котором дискретный канал ввода/вывода включает в себя компаратор, связанный с клеммами ввода/вывода, и причем способ дополнительно содержит этап, на котором конфигурируют компаратор для подачи сигнала в контроллер на основе того, разомкнут или замкнут переключатель, подключенный к дискретным клеммам ввода/вывода.

13. Способ по п. 12, предусматривающий обеспечение счетчика, связанного с выводом компаратора, причем счетчик сконфигурирован с возможностью подсчета замыканий переключателя.

14. Способ по п. 10, предусматривающий обеспечение фильтра, подключенного к клеммам ввода/вывода, и причем контроллер сконфигурирован с возможностью избирательной активации фильтра.

15. Способ по п. 10, предусматривающий обеспечение по меньшей мере двух диодов, подключенных последовательно к клеммам ввода/вывода, для обеспечения защиты для набора схем беспроводного полевого устройства.

16. Способ по п. 10, предусматривающий обеспечение сторожевой схемы, сконфигурированной с возможностью предписания набору схем беспроводного полевого устройства входить в безопасное состояние, если компонент беспроводного полевого устройства выходит из строя.

17. Способ по п. 16, в котором сторожевая схема сконфигурирована с возможностью предписания переключателю размыкаться, если напряжение источника питания беспроводного полевого устройства является меньшим, чем порог.

18. Способ по п. 16, в котором сторожевая схема сконфигурирована с возможностью предписания переключателю размыкаться, если сторожевая схема не принимает периодические сигналы «сброса» от контроллера.