Ручное устройство диагностики и связи с автоматическим распознаванием шины
Изобретение относится к области управления и измерения параметров технологических процессов. Технический результат заключается в упрощении обслуживания устройств управления технологическими процессами. Устройство диагностики и связи (инструментальное средство) выполнено с возможностью автоматического распознавания подключения к контуру управления технологическим процессом, а также распознавания типа контура, к которому оно подключено, без, по существу, нарушения обмена сообщениями по контуру. После того, как инструментальное средство определяет тип контура, к которому оно подключено, оно обеспечивает надлежащие связь и диагностику, соответствующие данному конкретному типу. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к управлению и измерению в технологическом процессе. В частности, настоящее изобретение относится к ручному устройству диагностики и связи для использования совместно с системами измерения при управлении технологическим процессом.
Предшествующий уровень техники
Известны ручные коммуникаторы. Одним примером такого коммуникатора является коммуникатор магистрального адресуемого дистанционного преобразователя (HART) Model 275. Коммуникатор HART представляет собой ручное устройство, которое обеспечивает общую линию связи ко всем HART-совместимым микропроцессорным приборам. Коммуникатор HART обеспечивает интерфейс с HART-совместимыми устройствами и осуществляет связь с использованием метода частотной манипуляции (FSK) стандарта Bell 202 для получения высокочастотных цифровых сигналов, наложенных на стандартную токовую петлю 4-20 мА передатчика. Коммуникатор HART обеспечивает ряд известных функций диагностики и связи, которые облегчают обслуживание устройств технологического процесса. Фактически, коммуникатор HART может упрощать подготовку регулятивной документации посредством доступа к конфигурации предыстории и в качестве найденных/в качестве оставленных данных. Хотя коммуникатор HART Model 275 признан в качестве ценного средства для обслуживания контрольно-измерительных приборов управления технологическим процессом, он в некоторой степени ограничен в одном отношении. Конкретно, Model 275 может использоваться только совместно с HART-совместимыми устройствами технологического процесса. Дополнительные инструментальные средства также доступны для других протоколов обрабатывающей промышленности, но в настоящее время не предоставлено эффективного ручного устройства, которое может быть использовано совместно с протоколами обрабатывающей промышленности, имеющими различные спецификации физического уровня.
В установке системы управления технологическим процессом, использующей устройства технологического процесса, осуществляющие связь согласно различным спецификациям физического уровня, обслуживающий персонал вынужден переносить характерные для протокола ручные устройства для взаимодействия с каждым и любым устройством отдельного протокола. Поскольку такая ситуация нежелательна, решением является или стандартизация единого протокола обрабатывающей промышленности, или работа с одной группой устройств протокола обрабатывающей промышленности за один раз.
Ручное устройство, которое может работать на различных контурах связи технологического процесса, имеющих различные спецификации физического уровня, облегчило бы обслуживание устройств технологического процесса и позволило бы оператору осуществлять доступ к различным устройствам без необходимости переноски с собой многочисленных ручных устройств связи и диагностики. Одним из основных технических препятствий для построения такого устройства являются сами различные спецификации физического уровня. Например, устройство, выполненное с возможностью осуществления связи согласно одной спецификации физического уровня, может фактически вызвать повреждение, если оно используется в контуре управления технологическим процессом, требующим другую спецификацию. Устройство, которое устраняет вышеупомянутые технические препятствия и обеспечивает использование для различных спецификаций физического уровня, в значительной степени упростило бы обслуживание устройств управления технологическим процессом.
Краткое изложение сущности изобретения
Предоставляется ручное инструментальное средство связи и диагностики. Это инструментальное средство выполнено с возможностью автоматического распознавания подключения к контуру управления технологическим процессом, а также распознавания типа контура, к которому оно подключено, без нарушения обмена сообщениями по контуру. После того, как инструментальное средство распознает тип контура, к которому оно подключено, оно обеспечивает соответствующую связь и диагностику, подходящие для данного конкретного типа.
Перечень чертежей
Фиг. 1 - схематическое изображение системы измерения и управления технологическим процессом, для которой особенно полезны варианты выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 - блок-схема системы части ручного устройства связи и диагностики согласно варианту выполнения настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения
На фиг. 1 изображена примерная система, для которой пригодны варианты выполнения настоящего изобретения. Система 10 включает в себя контроллер 12, подсистему 14 ввода-вывода и управления, барьер 16 внутренней безопасности (ВБ, IS), контур 18 связи технологического процесса и полевые устройства 20. Контроллер 12 подключен к подсистеме 14 ввода-вывода и управления через линию 21 связи, которой может быть любая соответствующая линия связи, такая как локальная сеть (ЛС, LAN), работающая согласно протоколам сигнализации Ethernet или любому другому соответствующему протоколу. Подсистема 14 ввода-вывода и управления подключена к барьеру 16 внутренней безопасности, который, в свою очередь, подключен к контуру 18 связи технологического процесса, выполняющему передачу данных между контуром 18 и подсистемой 14 ввода-вывода и управления таким образом, который ограничивает энергию, проходящую через него.
На этой иллюстрации контур 18 связи технологического процесса или управления технологическим процессом представляет собой контур связи технологического процесса FOUNDATION™ Fieldbus и подключен к полевым устройствам 20, которые показаны подключенными к контуру 18 связи технологического процесса с многоточечной конфигурацией. Альтернативным контуром (не показан) связи технологического процесса (или управления технологическим процессом) является контур связи технологического процесса HART™. Протокол HART™ работает с использование принципа частотной манипуляции (FSK), который основан на стандарте связи Bell 202. Цифровой сигнал скомпонован из двух частот - 1200 Гц и 2200 Гц, представляющих биты 1 и 0, соответственно. Установки HART™ могут работать в так называемых двухточечных конфигурациях, а также в многоточечных конфигурациях. На фиг.1 изображена многоточечная проводная конфигурация, которая в существенной степени упрощает проводку системы по сравнению с другими топологиями, такими как звездообразная топология. Многоточечные конфигурации HART™ поддерживают максимум 15 устройств, тогда как многоточечные конфигурации Fieldbus поддерживают максимум 32 устройства.
Ручной коммуникатор и устройство 22 диагностики подключено к контуру 18, как изображено на фиг.1. При подключении к контуру управления технологическим процессом так, как показано, устройство 22 может выполнять ряд функций связи и диагностики, изложенных в родовой заявке. Кроме того, устройство 22 может подключаться и взаимодействовать с контуром управления технологическим процессом HART (не показан) аналогично тому, как может подключаться доступный в настоящее время коммуникатор HART Model 275. Для соответствия множеству различных предписаний режима передачи физического уровня (PHY) HART и FOUNDATION™ Fieldbus, а также для выполнения требований техники внутренней безопасности, отдельные сетевые подключения предусмотрены на устройстве 22 для подключения HART и Fieldbus.
На фиг.2 представлена блок-схема части устройства 22 согласно варианту выполнения настоящего изобретения. Устройство 22 включает в себя три клеммы сетевых подключений, две положительные клеммы (24А, 24С) и одну общую клемму (24В). Положительная клемма 24А и общая клемма 24В используются для подключения устройства 22 к сети HART. Другая положительная клемма (24С) и общая клемма 24В используются для подключения устройства 22 к сети FOUNDATION™ Fieldbus. Отдельные сетевые подключения используются для того, чтобы обеспечивать согласованность с требованиями техники внутренней безопасности и одновременно соответствовать различным режимам передачи физического уровня протоколов HART и Fieldbus. Согласованность с требованиями техники внутренней безопасности означает согласованность с одной или несколькими частями стандарта, опубликованного Factory Mutual Research в октябре 1998 г., озаглавленного APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III, DIVISION 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610.
При работе с контуром управления технологическим процессом HART устройство 22 не должно быть ни потребителем, ни источником постоянного тока (DC). Для удовлетворения этому требованию схема 26 физического уровня HART (также упоминаемая как блок доступа к среде (БДС, MAU) HART) предназначена для прикладывания сигнала напряжения к контуру 18 управления технологическим процессом аналогично тому, как доступный в настоящее время Model 275 HART прикладывает такое напряжение.
Для удовлетворения требования техники внутренней безопасности для FOUNDATION™ Fieldbus устройство 22 не должно подпитывать никакой энергией контур 18 управления технологическим процессом. Для удовлетворения этого требования схема физического уровня FOUNDATION™ Fieldbus (также упоминаемая в данной заявке как БДС 28 Fieldbus) отводит постоянный ток (предпочтительно используя, например, параллельный стабилизатор тока) примерно 20 мА и затем во время передачи сообщения модулирует этот ток посредством тока примерно +/- 8 мА. Так как два протокола имеют два по существу различных (и конфликтующих) способа осуществления связи, схемы устройства 22 никогда не должны ни потреблять ток в контуре управления технологическим процессом HART, ни подпитывать энергией (налагать напряжение) в сети FOUNDATION™ Fieldbus.
Так как устройство 22 включает в себя отдельные подключения и схемы (26, 28) доступа к среде для различных контуров управления технологическим процессом, то пользователь может подключить устройство 22 не к той сети (например, подключить БДС 26 HART к сети FOUNDATION™ Fieldbus или наоборот). Чтобы справиться с такой ошибкой пользователя, устройство 22 обеспечивает то, что при начальном подключении блоки доступа к среде (БДС) остаются пассивными и не предпринимают попытку модуляции сетевой среды.
Устройство 22 включает в себя измерительные схемы, которые состоят из четырех схем предварительного формирования измерительных сигналов, одна для БДС (26) HART и три для БДС 28 Fieldbus. Кроме того, как измерительная схема 30 HART, так и измерительные схемы 32 Fieldbus имеют схему, которая может отводить от сети ток малой длительности и малой амплитуды. В данном варианте выполнения схема 32 предварительного формирования измерительного сигнала FOUNDATION™ Fieldbus содержит три измерительные схемы предварительного формирования (в совокупности измерительная схема 32 Fieldbus), которая масштабирует сигнал напряжения на соединителе (24В, 24С) сети FOUNDATION™ Fieldbus для измерения постоянного напряжения, амплитуды сигнала связи и шума в сети или контуре. Измерительная схема 30 HART включает в себя схему для измерения постоянного напряжения в сети. Эти четыре схемы предварительного формирования сигнала все подают сигналы на логический блок 34 управления. Логический блок 34 управления включает в себя мультиплексор, который подсоединен к аналого-цифровому преобразователю 36. Микропроцессор 38 осуществляет доступ к логическому блоку 34 управления по 16-разрядной параллельной шине 40.
Когда сначала включается устройство 22, микропроцессор 38 подает команду на аналого-цифровой преобразователь 36 для попеременного мониторинга постоянного напряжения на клеммах подключения как сети HART, так и сети Fieldbus. В течение этого состояния устройство 22 никоим образом не нарушает работу сети (также упоминаемой в данной заявке как контур управления технологическим процессом) (т.е. не является потребителем/источником тока или не прикладывает напряжение). Если нет подключения сети, то измеренное напряжение будет почти нулевым на обоих подключениях контура. Если одна из клемм БДС подключена к контуру (т. е. через подключения 24А и 24В или 24С и 24В), то постоянное напряжение будет измеряться на одном БДС и не будет измеряться на другом. Контур управления технологическим процессом HART вызывает измерение постоянного напряжения примерно от 12 до 50 вольт, тогда как подключение контура FOUNDATION™ Fieldbus вызывает измерение постоянного напряжения примерно от 9 до 32 вольт. Механическая конструкция клемм подключения контура выбирается предпочтительно такой, что к контуру технологического процесса нельзя одновременно подключить блоки 26, 28 доступа к среде (БДС) как HART, так и FOUNDATION™ Fieldbus. Эта механическая конфигурация обеспечивает, что если постоянное напряжение измеряется на одном блоке доступа к среде, то не будет постоянного напряжения на другом.
Если распознается постоянное напряжение, то измеряется полярность для определения того, правильно ли подключены провода подключения контура. В частности, если постоянное напряжение, измеренное между общим проводом 24В и одним из проводов 24А и 24С, имеет отрицательную полярность, то это означает, что провода подключения контура противоположны. Микропроцессор 38 затем посылает сообщение на хост-процессор (не показан) через СОМ-1, изображенный позицией 41, и хост-процессор отображает сообщение, информирующее пользователя, что подключение контура должно быть изменено на противоположное.
Как указано выше, существует перекрытие между рабочими постоянными напряжениями, используемыми в контурах связи технологического процесса как HART, так и Fieldbus. Поэтому постоянное напряжение отдельно не может использоваться для надежного указания типа контура, к которому подключено устройство 22. Для определения типа контура устройство 22 фактически измеряет полное сопротивление по постоянному току контура управления технологическим процессом (предпочтительно имеющего приемлемое постоянное напряжение и правильную полярность проводов). Устройство 22 измеряет полное сопротивление по постоянному току сети посредством отведения тока 1 мА в течение очень малой длительности, такой как 5 миллисекунд. Это возмущение генерирует импульс напряжения в контуре управления технологическим процессом, который пропорционален полному сопротивлению по постоянному току самого контура управления технологическим процессом. Существует различающийся диапазон полного сопротивления в контурах управления технологическим процессом HART и FOUNDATION™ Fieldbus. Сигнал, который устройство 22 наблюдает в ответ на возмущение, которое он создает, также содержит любые сигналы связи HART или FOUNDATION™ Fieldbus, которые могут присутствовать на контуре управления технологическим процессом. Сами сигналы связи фильтруются с использованием подходящего фильтра нижних частот, так что устройством 22 наблюдается только влияние импульса короткой длительности.
Аналого-цифровой преобразователь 36 измеряет амплитуду соответствующего возмущения. Аналого-цифровой преобразователь 36 измеряет амплитуду напряжения соответствующего возмущения. Полное сопротивление сети может вычисляться из этого измерения напряжения. Сеть FOUNDATION™ Fieldbus имеет вычисленное полное сопротивление примерно 50 Ом. Сеть HART имеет вычисленное полное сопротивление более примерно 125 Ом. Если распознанный тип контура отличается от блока доступа к среде (БДС), к которому подключено устройство 22, то микропроцессор 38 посылает сообщение с ошибкой на хост-процессор через СОМ1 (41) для информирования оператора о том, что нужно изменить подключение сети на правильный блок доступа к среде. Если распознанный тип контура управления технологическим процессом или сети идентичен блоку доступа к среде устройства 22, то тогда может продолжаться обычная связь.
В данном варианте выполнения, в то время как устройство 22 подключено к контуру управления технологическим процессом и осуществляет связь, устройство 22, предпочтительно, может выполнить несколько диагностических измерений. Например, микропроцессор 38 может периодически измерять постоянное напряжение контура, чтобы удостовериться в том, что оно остается правильным и постоянным. Любое существенное изменение постоянного напряжения контура будет указывать на неисправность или приближающееся состояние неисправности в контуре.
Предпочтительно, измерительные схемы 32 Fieldbus обеспечивают дополнительную диагностику при измерениях для рабочего контура управления технологическим процессом или сети. Измерение переменного тока (АС) сигнала связи, предпочтительно, имеет фильтры, которые позволяют измерять амплитуду сообщений на контуре управления технологическим процессом Fieldbus. Схема измерения шума также измеряет переменное напряжение, но имеет меньшую полосу пропускания частот и оптимизируется для измерения амплитуды шума частотой 60 и 120 Гц.
Как описано выше согласно различным вариантам выполнения, устройство 22 обеспечивает ряд важных преимуществ над известными ручными устройствами. В частности, устройство 22 может автоматически распознавать подключение контура к паре клемм подключения контура. Кроме того, устройство 22 может автоматически обнаруживать, когда неправильно выполняется подключение контура, для предупреждения пользователя об обратной полярности. Кроме того, устройство 22 может автоматически распознавать тип контура управления технологическим процессом, к которому оно подключается, и в ответ на это соответствующим образом адаптировать связь с ним.
Устройство 22 также может обеспечивать ряд диагностических функций для контура, к которому оно подключено. В частности, устройство 22 выполнено с возможностью измерения постоянного напряжения сети, амплитуды сигнала (для сообщений FOUNDATION™ Fieldbus) и амплитуды низкочастотного шума. Кроме того, в отношении диагностических функций FOUNDATION™ Field устройство 22 выполнено с возможностью измерения амплитуды уровня сигнала Fieldbus и выделения его для конкретных устройств, подключенных к сети. Пользователь может, поэтому, определить степень исправности устройств, подключенных к сети или контуру FOUNDATION™ Fieldbus, или определить, существуют ли проблемы с оконечной нагрузкой сети. Кроме того, устройство 22 может, предпочтительно, выполнять диагностику FOUNFATION™ Field, изложенную в родовой заявке. Устройство 22 также может, предпочтительно, обеспечивать индикацию, относящуюся к количеству терминаторов, присутствующих в сети FOUNDATION™ Fieldbus.
Как изображено на фиг.2, в одном варианте выполнения устройство 22 также, предпочтительно, оснащено памятью, такой как энергонезависимая память 42 и энергозависимая память 44. Память, предусмотренная в устройстве 22, может использоваться для ведения журнала регистрации всех обнаруженных сообщений с ошибками, а также всех запросов повторения. Ошибки могут быть сопоставлены с конкретными устройствами технологического процесса или узлами приемника на контуре управления технологическим процессом. Информация может собираться во времени и может обеспечить эффективную индикацию степени исправности контура, а также подключенных узлов. В некоторых вариантах выполнения энергонезависимой памятью 42 является флэш-память, и она хранит программные инструкции, обеспечивающие диагностические функциональные возможности более высокого уровня. Такая диагностика более высокого уровня включает в себя мониторинг состояния управления контуров, работающих в сегменте FOUNDATION™ Fieldbus, и/или моделирование конкретного функционального блока в контуре управления, чтобы содействовать поиску других неисправных устройств в сети.
Хотя настоящее изобретение было описано с ссылкой на предпочтительные варианты выполнения, для специалистов в данной области техники понятно, что могут быть сделаны изменения в форме и деталях без отступления от сущности и объема изобретения. Например, хотя были описаны варианты выполнения изобретения, где измерительные схемы HART® измеряют только постоянное напряжение контура, схемы могут быть приспособлены также для измерения амплитуды сигналов связи и шума.
1. Ручное устройство диагностики и связи, содержащее
первый блок доступа к среде, выполненный с возможностью осуществления связи по контуру управления технологическим процессом согласно первому протоколу связи физического уровня, причем первый блок доступа к среде подключен к первой группе клемм;
второй блок доступа к среде, выполненный с возможностью осуществления связи по контуру управления технологическим процессом согласно второму протоколу связи физического уровня, причем второй блок доступа к среде подключен ко второй группе клемм;
измерительные схемы, подключенные к первому и второму блокам доступа к среде; и
процессор, подключенный к измерительным схемам и выполненный с возможностью взаимодействия с измерительными схемами для автоматического распознавания подключения к контуру управления одной из двух упомянутых групп клемм.
2. Устройство по п.1, в котором процессор выполнен с возможностью взаимодействия с измерительными схемами для автоматического распознавания типа контура после того, как данное устройство подключено к контуру управления технологическим процессом.
3. Устройство по п.2, в котором каждый блок доступа к среде выполнен с возможностью генерирования импульса малой длительности на контуре без прерывания связи по контуру технологического процесса, и в котором измерительные схемы выполнены с возможностью вычисления полного сопротивления контура, основываясь на реакции контура на упомянутый импульс.
4. Устройство по п.3, в котором процессор выбирает тип контура на основе результата измерения полного сопротивления измерительными схемами.
5. Устройство по п.4, в котором процессор обеспечивает функции диагностики на основе типа контура.
6. Устройство по п.4, в котором процессор обеспечивает функции связи на основе типа контура.
7. Устройство по п.1, в котором процессор выполнен с возможностью взаимодействия с измерительными схемами для измерения полярности и распознавания неправильного подключения.
8. Устройство по п.1, которое спроектировано в соответствии с требованиями внутренней безопасности.
9. Устройство по п.1, в котором первый протокол связи физического уровня соответствует протоколу магистрального адресуемого дистанционного преобразователя (HART).
10. Устройство по п.9, в котором второй протокол связи физического уровня соответствует протоколу FOUNDATION Fieldbus.
11. Ручное устройство диагностики и связи, содержащее
первый блок доступа к среде, выполненный с возможностью осуществления связи по контуру управления технологическим процессом согласно первому протоколу связи физического уровня, причем первый блок доступа к среде подключен к первой группе клемм;
второй блок доступа к среде, выполненный с возможностью осуществления связи по контуру управления технологическим процессом согласно второму протоколу связи физического уровня, причем второй блок доступа к среде подключен ко второй группе клемм;
измерительные схемы, подключенные к первому и второму блокам доступа к среде; и
процессор, подключенный к измерительным схемам и выполненный с возможностью взаимодействия с измерительными схемами для автоматического распознавания типа контура после того, как данное устройство подключено к контуру управления технологическим процессом.
12. Устройство по п.11, в котором первая и вторая группы клемм совместно используют общую клемму.
13. Способ осуществления связи с устройством управления технологическим процессом по контуру управления технологическим процессом, содержащий этапы, на которых
подключают ручной коммуникатор к контуру управления технологическим процессом;
идентифицируют тип контура без, по существу, нарушения работы контура; и
выполняют адаптацию связи контура на основе идентифицированного типа контура.
14. Способ по п.13, в котором идентификация типа контура включает в себя этап, на котором отводят импульс тока малой длительности с контура и измеряют реакцию напряжения контура на упомянутый импульс для вычисления полного сопротивления контура.
15. Способ по п.13, дополнительно содержащий этап, на котором определяют, правильно ли подключен ручной коммуникатор к контуру управления технологическим процессом.
16. Способ по п.15, в котором коммуникатор выдает предупреждение, если он неправильно подключен к контуру управления технологическим процессом.
