Полевое устройство с радиочастотной связью, в которой потребляемая мощность динамически регулируется
Данное изобретение относится к полевым устройствам, используемым в системах управления для контроля и управления количественными показателями промышленных процессов. Технический результат заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей беспроводной связи для полевых устройств. Он достигается тем, что полевое устройство содержит множество выводов, соединяемых с двухпроводным контуром управления процессом; модуль управления шунтом, подключенный между множеством выводов и выполненный с возможностью управлять величиной тока, протекающего между множеством выводов; шину цифровой связи, подключенную к схеме беспроводной связи, причем схема беспроводной связи сконфигурирована для работы при изменяющихся уровнях мощности в соответствии с избыточной мощностью, поступающей от полевого устройства; и модуль ограничения мощности связи, подключенный к модулю управления шунтом, при этом модуль ограничения мощности связи выполнен с возможностью ограничивать мощность, обеспечиваемую по шине цифровой связи. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
В промышленности системы управления используются для текущего контролирования и управления количественными показателями промышленных и химических процессов и т.п. Обычно система управления выполняет эти функции при помощи полевых устройств, установленных в главных узлах промышленного процесса и связанных с управляющими схемами в диспетчерской через замкнутую систему автоматического управления процессом. Термин «полевое устройство» обозначает любое устройство, выполняющее некоторую функцию в системе распределенного управления или текущего контролирования промышленного процесса, включая все известные и еще не известные на сегодня устройства, используемые для измерения, управления и текущего контролирования промышленных процессов.
Уровень техники
В состав некоторых полевых устройств входит преобразователь. Термин «преобразователь» означает либо устройство, которое формирует выходной сигнал, основанный на физическом входном сигнале, либо которое формирует физический выходной сигнал, основанный на входном сигнале. Обычно преобразователь преобразует входной сигнал в выходной сигнал, имеющий другой вид. Типы преобразователей включают в себя различное аналитическое оборудование, датчики давления, термисторы, термопары, тензодатчики, передатчики расхода, устройства позиционирования, исполнительные механизмы, соленоиды, световые индикаторы и пр.
Обычно каждое полевое устройство также включает в себя схемы связи, используемые для осуществления связи с диспетчерской, или другую схему в замкнутой системе автоматического управления процессом. В некоторых промышленных установках замкнутая система автоматического управления процессом также используется для доставки регулируемого тока и/или напряжения полевому устройству для его запитывания. Замкнутая система автоматического управления процессом также передает данные в аналоговом виде, в цифровом виде или в комбинации этих видов.
Обычно аналоговые полевые устройства подключаются к диспетчерской двухпроводными замкнутыми системами автоматического управления процессом, и при этом каждое устройство подключено к диспетчерской одиночным двухпроводным токовым контуром. Как правило, разность потенциалов между двумя проводами обеспечивается в пределах 12-45 В для аналогового режима и 9-50 В для цифрового режима. Некоторые аналоговые полевые устройства передают сигнал в диспетчерскую путем модулирования тока, идущего по замкнутой системе автоматического управления процессом, в ток, пропорциональный определяемой технологической переменной. Другие аналоговые полевые устройства могут действовать под управлением из диспетчерской путем управления величиной тока, идущего по системе управления. Замкнутая система автоматического управления процессом помимо этого, или дополнительно к этому, может передавать цифровые сигналы, используемые для осуществления связи с полевыми устройствами.
В некоторых промышленных установках начато применение беспроводных технологий для осуществления связи с полевыми устройствами. Например, используются полностью беспроводные установки, в которых полевое устройство использует аккумуляторную батарею, солнечный элемент или другие средства для получения энергии без какого-либо соединения по проводам. Но большинство полевых устройств соединено с диспетчерской проводами, и в них не используется техника беспроводной связи.
В полевых устройствах, работающих на токе величиной лишь в 4 мА, обеспечение достаточной энергии для осуществления беспроводной связи является трудной задачей. Если потребляемая мощность для осуществления беспроводной связи слишком велика, то может снизиться способность полевого устройства вырабатывать надлежащий сигнал по токовому контуру. Поэтому существует необходимость повысить возможности беспроводной связи для полевых устройств, работающих в замкнутых системах автоматического управления процессом, использующих аналоговый ток величиной 4-20 мА.
Сущность изобретения
Полевое устройство для использования в системе управления или контролирования промышленного процесса содержит оконечные устройства, подключаемые к двухпроводной замкнутой системе автоматического управления процессом, по которой передаются данные и обеспечивается энергопотребление. Согласно одному из вариантов осуществлений настоящего изобретения РЧ-схемы в полевом устройстве предназначены для осуществления радиочастотной связи с переменной потребляемой мощностью. Согласно еще одному осуществлению РЧ-схемы связаны с полевым устройством по отдельной шине цифровой связи. Изобретение также обеспечивает способ модулирования мощности РЧ-связи на основании сигнала связи, относящегося к промышленному процессу.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическое изображение системы управления и/или контролирования процесса, для которой целесообразными являются варианты осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - упрощенный вид сечения передатчика давления, с частичным пространственным разделением деталей.
Фиг.3 - полевое устройство, функционально связанное с замкнутой системой автоматического управления процессом и со схемами беспроводной связи.
Фиг.4 - схематическое изображение части схем полевого устройства в полевом устройстве согласно одному из осуществлений изобретения.
Осуществление изобретения
Варианты осуществления изобретения, в общем, обеспечивают полевое устройство с модулем беспроводной связи для одно- или двухсторонней беспроводной связи. Модуль беспроводной связи выполнен с возможностью передачи и/или приема РЧ-сигнала от удаленного устройства или местоположения. Потребление мощности в этом модуле динамически изменяемое, и модуль запитывается полевым устройством.
Фиг.1 схематически иллюстрирует систему 10 управления и/или контролирования процесса, в которой особо целесообразны варианты осуществления настоящего изобретения. Система 10 включает в себя диспетчерскую 12, связанную с полевым устройством 14 по двухпроводной замкнутой системе 16 автоматического управления процессом. Полевое устройство 14 операционно связано с технологической емкостью с текучей средой, показанной схематически как труба 18, и выполнено с возможностью определять технологическую переменную для технологической текучей среды в трубе 18 и направлять информацию о данной технологической переменной по замкнутой системе 16 автоматического управления процессом.
Фиг.2 показывает упрощенный вид сечения с частичным объемным разделением деталей передатчика 14 давления, являющегося одним из примеров полевого устройства. Передатчик 14 давления подключен к двухпроводной замкнутой системе 16 автоматического управления процессом и имеет корпус 62 передатчика. Замкнутая система 16 автоматического управления процессом подключена к оконечным устройствам 56 на пульте 58 управления. Датчик 64 давления является примером преобразователя и выполнен с возможностью подключения к технологической арматуре для измерения разности давлений в технологической текучей среде. Выходной сигнал от датчика 64 поступает в измерительные схемы 66, подключенные к схеме 68 полевого устройства. Схемы 22 беспроводной связи подключены к схемам 68 полевого устройства и, в некоторых вариантах осуществления, могут быть подключены к замкнутой системе 16 автоматического управления процессом.
Корпус 62 имеет крышку 70 и 72, которую можно привинтить к корпусу 62. Крышка 72 имеет пропускающее РЧ-окно 74 и в общем сцентрирована с антенной 26 схем 22 беспроводной связи. Установленные крышки 70 и 72 обеспечивают, по существу, надежное ограждение для схем передатчика 60. Материалы, обычно используемые в этих крышках, например металл, не пропускают РЧ-сигналы. Но пропускающее РЧ-окно 74 обеспечивает возможность прохождения РЧ-сигналов от антенны 26 и к ней. Пример пропускающего РЧ-материала, используемого в окнах 74, стекло или т.п. Но можно использовать любой другой подходящий материал. Окно и корпус можно выполнить в соответствии с правилами техники безопасности, с обеспечением возможностей огнестойкости или взрывобезопасности. Дополнительно полость в корпусе 62 можно выполнить с обеспечением нужной диаграммы излучения РЧ-сигналов, формируемых антенной 26. Например, в некоторых осуществлениях может быть желательна направленная РЧ-передача, и всенаправленная - в других. В других осуществлениях крышку 72 можно удлинить, чтобы получить дополнительную внутреннюю полость для размещений в ней схем 22 беспроводной связи.
Схемы 22 беспроводной связи взаимодействуют с внешними беспроводными устройствами посредством антенны 26. В зависимости от их конкретного применения схемы 22 беспроводной связи можно выполнить с обеспечением возможности осуществления связи в соответствии с любым подходящим протоколом беспроводной связи, включая, но без ограничения, беспроводные сетевые технологии (такие как точки беспроводного входа в сеть или беспроводные сетевые устройства, изготавливаемые компанией Linksys, Ирвин, Калифорния, согласно стандартам IEEE 802.15.4 или IEEE 802.11b), сотовые или цифровые сетевые технологии (такие как Microburst® компании Aeris Communications Inc., Сан-Хосе, Калифорния), ультраширокий диапазон частот, оптика свободного пространства, Глобальная Система Мобильной Связи (GSM), Общий Сервис Пакетной Радиопередачи (GPRS), Многостанционный Доступ с Кодовым Разделением Каналов (CDMA), технология широкополосного спектра, методы инфракрасной связи, SMS (Служба Коротких Абонентских Сообщений/обмен текстовыми сообщениями) или любая другая соответствующая беспроводная технология. Также можно применить известную технологию предотвращения «конфликта из-за данных», чтобы множественные устройства могли сосуществовать в пределах беспроводного рабочего диапазона друг друга. Это предотвращение конфликтов может включать в себя использование нескольких разных радиочастотных каналов и/или технологий широкополосного спектра.
Фиг.2 иллюстрирует схемы 22 беспроводной связи, операционно подключенные к схемам 68 полевого устройства в полевом устройстве 14, но прямо выраженным образом предусматривается, что схемы 22 беспроводной связи могут быть удаленными по отношению к нему, и могут быть подключены к полевому устройству 14 через соответствующую шину цифровой связи.
Фиг.3 схематически изображает полевое устройство 14, оперативно связанное с замкнутой системой 16 автоматического управления и со схемами 22 беспроводной связи, которые расположены удаленно от полевого устройства 14 - посредством шины 100 цифровой связи. Шина 100 цифровой связи предпочтительно является двунаправленной шиной, но может быть и однонаправленной в тех случаях, когда двунаправленная связь не является необходимой или желательной.
Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения схемы 22 беспроводной связи потребляют изменяющиеся количества мощности сообразно количеству мощности, предоставляемой для схем 22 полевым устройством 14. Например, как упомянуто выше, может потребоваться, чтобы полевые устройства, действующие в некоторых замкнутых системах автоматического управления процессом, работали с такими низкими значениями тока, как 4 мА. В этих случаях количество дополнительной мощности для запитывания беспроводной связи может быть очень небольшим или отсутствовать вовсе. Такое положение будет иметь место, если присутствуют условия, требующие, чтобы сигнал технологической переменной имел значение 4 мА (например, указывая нулевое деление шкалы или технологическую переменную низкого значения). Соответственно такое условие может длиться часами и даже сутками. Варианты осуществления изобретения, по существу, выполнены с возможностью работать с изменяющимися в значительной степени количествами избыточной мощности, используемой для беспроводной связи. Согласно одному из вариантов осуществления избыточная мощность, имеющаяся, когда значение тока замкнутой системы автоматического управления процессом более высокое, накапливается вместо того, чтобы ее просто не использовать. Эту накопленную мощность затем можно использовать, когда сигнал тока будет иметь свое самое низкое значение. Энергию можно накапливать в любом подходящем для этого устройстве, включая подзаряжаемые аккумуляторные батареи и/или подходящие конденсаторы.
Согласно еще одному варианту осуществления фактическая работа схем 22 беспроводной связи изменяется, исходя из имеющейся энергии. Например, схемы 22 беспроводной связи могут перейти в режим ожидания на некоторое время, когда контурный ток полевого устройства около 4 мА и когда имеется небольшое количество избыточной мощности по сравнению с тем случаем, когда контурный ток полевого устройства около 12 мА, и имеется значительный избыток мощности для схем 22. Еще один пример модифицирования работы схем 22 беспроводной связи заключается в изменении скорости передачи данных, выполняемой схемами 22 беспроводной связи. Например, скорость передачи данных схемами 22 беспроводной связи можно задать или определить как функцию от количества имеющейся избыточной мощностью, которую можно предоставить схемам 22 беспроводной связи. Пример такой функции: скорость передачи данных схемами 22 беспроводной связи прямо пропорциональна количеству избыточной мощности. Помимо этого полевое устройство 14 может «знать» или может быть выполнено с осуществлением возможности прогнозировать количество имеющейся избыточной мощности, и предполагается, что полевое устройство 14 может устанавливать - при помощи связи со схемами 22 беспроводной связи - скорость передачи данных схемами 22.
Для упрощения схемы электрической проводки и производственной установки данного процесса обычно схемы 22 беспроводной связи запитываются от мощности, поступающей от полевого устройства 14. Также предпочтительно, чтобы схемы 22 беспроводной связи запитывались шиной 100 цифровой связи или посредством этой шины. Шиной 100 цифровой связи может быть любая соответствующая шина цифровой связи, включая Локальную Сеть Контроллеров (CAN), Местную сеть обмена информацией (LIN), шину Интерфейса Последовательной Связи (SCI), шину Последовательного Периферийного Интерфейса (SPI) или шину I2C.
Фиг.4 схематически иллюстрирует часть схем 68 полевого устройства в полевом устройстве 14 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Схемы 68 полевого устройства включают в себя цифровой модем 102, при помощи которого полевое устройство 14 может осуществлять связь цифровыми сигналами по замкнутой системе 16 автоматического управления процессом. Согласно одному из вариантов осуществления связь цифровыми сигналами осуществляется по протоколу Адресуемого Удаленного Преобразователя на Магистрали Данных (HART®). Помимо этого схемы 68 включают в себя модуль 104 управления шунтом, который обеспечивает полевому устройству 14 возможность задавать количество тока, идущего между оконечными устройствами 56Н и 56L, в значениях от 4 до 20 мА - для передачи информации о технологической переменной. Полевое устройство 14 предпочтительно содержит пару оконечных устройств 106, 108, по которым шина 100 цифровой связи подключена к схемам 22 беспроводной связи. Полевое устройство 14 предпочтительно также содержит физический уровень 110 связи, который предусматривает осуществление связи согласно одному из перечисленных выше вариантов шины цифровой связи. Причем полевое устройство 14 также включает в себя модуль 112 ограничения мощности связи, который операционно связан с шиной 114 высокого напряжения и с оконечным устройством 56L системы управления. Модуль 112 ограничения мощности связи операционно связан со средством 104 управления шунтом, чтобы мощность для физического уровня 110 связи сообразовывалась с током, потребляемым полевым устройством 14. Согласно Фиг.4 схемы 22 беспроводной связи связаны с оконечными устройствами 106 и 108 через шину 100 связи. Как упомянуто выше, схемы 22 беспроводной связи можно поместить в полевое устройство 14 или расположить удаленно.
Ток, требуемый для одного технологического измерения, с обеспечением функционирования электронных средств и аппаратуры датчиков, потребляющих 4-20 мА, нередко доходит до значения 3,6 мА, что является максимальным пределом, допустимым для уровней сигнализации NAMUR. Передатчики, работающие в соответствии с протоколом HART, используют +/- 0,5 мА для передачи сигналов по двухпроводному контуру, и поэтому для работы полевого устройства 14 нужно установить только 3,1 мА из предельных 3,6 мА. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения полевое устройство 14 использует модуль 112 ограничения мощности связи, чтобы ограничивать мощность для цифровой связи по шине 100 цифровой связи и соответственно по схеме 22 беспроводной связи. Например, если имеется 4,0 мА контурного тока, то 0,7 мА энергии будет доступно для шины 100 цифровой связи. Если имеется 6,0 мА контурного тока, то для схем 22 беспроводной связи доступно будет 1,70 мА по шине 100 цифровой связи.
Согласно Фиг.4 оконечное устройство 106 шины 100 цифровой связи можно непосредственно соединить с контурным оконечным устройством 56L. В этом варианте осуществления один из проводов двухпроводного контура с током 4-20 мА и двухпроводной шины 100 цифровой связи является общим. В этом примере общая линия шины 100 цифровой связи фактически может быть соединена непосредственно с линией отрицательного или низкого напряжения технологического контура связи, и взаимное соединение между схемами 22 беспроводной связи и полевым устройством 14 можно выполнить по одиночному проводу, связанному с оконечным устройством 108. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения шиной 100 цифровой связи является шина Локальной Сети Контроллера (CAN), и схемы полевого устройства 14 могут быть выполнены в соответствии с описанием опубликованной патентной заявки Соединенных Штатов № 2004/0184517 А1 от 23 сентября 2004 г., “Two-Wire Transmitter with Isolated CAN Output”.
Как правило, избыточный ток, доступный сверх минимального тока, требуемого для работы полевого устройства 14, можно обеспечить для схем 22 беспроводной связи по шине 100 цифровой связи. Помимо этого в вариантах осуществления, в которых полевое устройство 14 осуществляет сообщение цифровыми сигналами по замкнутой системе 16 автоматического управления процессом, даже очень краткие увеличения и уменьшения тока, такого как ток, требуемый для передачи сигналов цифровой связи, можно использовать для увеличения или уменьшения мощности для беспроводной связи.
Несмотря на то, что настоящее изобретение изложено со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будут очевидными возможные изменения в его форме и в его частностях - в рамках идеи и объема изобретения. В данном описании термин «радиочастота» (РЧ) может включать в себя электромагнитные передаваемые сигналы любой частоты, и он не ограничивается какой-либо определенной группой частот, диапазоном частот или каким бы то ни было другим ограничением.
1. Полевое устройство, содержащее:
множество выводов, соединяемых с двухпроводным контуром управления процессом; модуль управления шунтом, подключенный между множеством выводов и выполненный с возможностью управлять величиной тока, протекающего между множеством выводов;
шину цифровой связи, подключенную к схеме беспроводной связи, причем схема беспроводной связи сконфигурирована для работы при изменяющихся уровнях мощности в соответствии с избыточной мощностью, поступающей от полевого устройства; и
дополнительно содержащее модуль ограничения мощности связи, подключенный к модулю управления шунтом, при этом модуль ограничения мощности связи выполнен с возможностью ограничивать мощность, обеспечиваемую по шине цифровой связи.
2. Полевое устройство по п.1, в котором схема беспроводной связи установлена в полевом устройстве.
3. Полевое устройство по п.1, в котором схема беспроводной связи расположена удаленно от полевого устройства.
4. Полевое устройство по п.1, в котором шиной цифровой связи является шина CAN (асинхронная последовательная коммуникационная шина).
5. Полевое устройство по п.4, в котором схема беспроводной связи подсоединена к полевому устройству посредством одиночного провода.
6. Полевое устройство по п.1, в котором шиной цифровой связи является шина LIN (локальная сеть обмена информацией).
7. Полевое устройство по п.1, в котором шиной цифровой связи является шина SCI (последовательный коммуникационный интерфейс).
8. Полевое устройство по п.1, в котором шиной цифровой связи является шина SPI (последовательный интерфейс периферийных устройств).
9. Полевое устройство по п.1, в котором шиной цифровой связи является шина I2C.
10. Полевое устройство по п.1, дополнительно содержащее устройство накопления энергии.
11. Полевое устройство по п.1, в котором полевое устройство является передатчиком переменной процесса.
12. Полевое устройство по п.1, в котором скорость передачи данных схемы беспроводной связи пропорциональна величине тока, протекающего через модуль управления шунтом.
13. Полевое устройство по п.1, в котором скорость передачи данных схемы беспроводной связи является функцией избыточной мощности, поступающей от полевого устройства.
14. Полевое устройство по п.13, в котором скорость передачи данных схемы беспроводной связи пропорциональна избыточной мощности.
15. Полевое устройство по п.1, в котором схема беспроводной связи имеет режим ожидания на период времени, когда избыточная мощность, поступающая от полевого устройства, минимальна.
