Саморазряжающиеся резервные блоки питания и связанные с ними способы
Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение разряда оставшейся в устройстве аккумулирования энергии. Саморазряжающийся резервный блок питания содержит компонент аккумулирования электрической энергии для обеспечения питанием устройства управления технологическим процессом. Компонент аккумулирования электрической энергии соединен с компонентом разрядки энергии и контроллером, который принуждает разрядный компонент разряжать энергию из компонента аккумулирования электрической энергии с последующим завершением работы устройством управления технологическим процессом. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится в целом к резервным блокам питания и, более конкретно, к саморазряжающимся резервным блокам питания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Резервные блоки питания (reserve power units, RPU) используют для обеспечения резервного питания в случае потери питания, обычно они реализованы с использованием генераторов и/или устройств аккумулирования электрической энергии. Устройства аккумулирования энергии, как правило, содержат батареи или конденсаторы и часто используются в системе управления технологическим процессом, чтобы обеспечивать питание для выполнения функций безопасности или работы, такой как перемещение клапана или другого компонента управления технологическим процессом в положение безопасного отключения (например, безаварийное положение). Многие устройства аккумулирования энергии являются либо перезаряжаемыми и/или легко заменяемыми.
[0003] Функция (функции) или операция (операции), выполняемые с использованием энергии от устройства аккумулирования энергии, могут не нуждаться во всей энергии в устройстве аккумулирования энергии. В некоторых вариантах применения наличие оставшейся энергии в устройстве аккумулирования энергии блоков RPU создает проблемы. Многие используемые в настоящее время блоки RPU не регулируют или не полностью разряжают оставшуюся энергию в устройстве аккумулирования энергии и, следовательно, не подходят для использования в некоторых вариантах применения или окружающих средах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Иллюстративное устройство содержит компонент или устройство аккумулирования электрической энергии для подачи энергии к устройству управления технологическим процессом, разрядный компонент, функционально соединенный с устройством аккумулирования электрической энергии, и контроллер, выполненный с возможностью, при потере питания, принуждать разрядный компонент разряжать энергию из элемента аккумулирования электрической энергии с последующим завершением работы с помощью устройства управления технологическим процессом.
[0005] Иллюстративный способ включает в себя обнаружение потери питания в устройстве управления технологическим процессом, обеспечение устройства управления технологическим процессом питанием от компонента аккумулирования электрической энергии, прерывание управляющего сигнала к устройству управления технологическим процессом в ответ на потерю питания и разрядку оставшейся энергии из компонента аккумулирования электрической энергии с последующим завершением работы с помощью устройства управления технологическим процессом.
[0006] Другой иллюстративный способ включает в себя подачу энергии к устройству управления технологическим процессом через устройство аккумулирования электрической энергии и разрядку оставшейся энергии из устройства аккумулирования электрической энергии после завершения операции устройством управления технологическим процессом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] На фиг. 1 приведена структурная схема примера устройства в соответствии с изложенными в настоящем документе принципами.
[0008] На фигурах с 2-1 по 3-3 приведены принципиальные схемы, иллюстрирующие один из способов реализации примера устройства по фиг. 1.
[0009] На фиг. 4 приведена схема последовательности операций, изображающая иллюстративный способ, который может быть реализован в примере устройства по фиг. 1.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Пример устройства, описанный в настоящем документе, включает в себя резервный блок питания (reserve power unit, RPU), расположенный между устройством управления технологическим процессом (например, узлом привода и клапана) и источником электрической энергии. Когда система управления технологическим процессом работает в нормальном режиме, источник питания снабжает электрической энергией устройство управления технологическим процессом. Пример блока RPU также расположен между устройством управления технологическим процессом и сигналом (сигналами) к устройству управления технологическим процессом от системы управления. В ответ на потерю питания, либо запланированную, либо незапланированную, блок RPU нарушает или прерывает управляющий сигнал (сигналы) и подает энергию к устройству управления технологическим процессом посредством устройства (устройств) или компонента (компонентов) аккумулирования электрической энергии (например, конденсаторы, батареи и т.п.), расположенного в блоке RPU. Прерывание управляющего сигнала (сигналов) может вызывать перемещение устройства управления технологическим процессом в заданное или безаварийное положение (например, полностью открытый или полностью закрытый клапан). Устройство аккумулирования энергии в примере устройства выполнено с размерами, которые позволяют блоку RPU обеспечивать энергией устройство управления технологическим процессом в течение периода времени по меньшей мере с продолжительностью, достаточной для того, чтобы устройство управления технологическим процессом переместилось в безаварийное положение. Затем пример блока RPU разряжает какую-либо оставшуюся энергию в устройстве аккумулирования электрической энергии, чтобы способствовать безопасному обслуживанию устройства управления технологическим процессом и/или блоком RPU.
[0011] В некоторых примерах для завершения разрядки энергии из устройства аккумулирования электрической энергии требуется заданное максимальное количество времени. Однако фактическое время завершения может изменяться в зависимости от положения устройства управления технологическим процессом в момент потери питания. В некоторых примерах устройство может быть расположено во взрывозащищенном корпусе и/или работает в потенциально опасной среде. Выжидание в течение заданного максимального количества времени перед открыванием взрывозащищенного корпуса для выполнения обслуживания гарантирует обслуживающему персоналу, что какая-либо энергия в устройстве аккумулирования энергии блока RPU по существу полностью разряжена, и исключает риск возникновения искры во время обслуживания устройства управления технологическим процессом и/или блоком RPU. В других примерах блок RPU может принимать сигнал обратной связи (например, сигнал цифрового выхода, аналогового выхода, сигнал цифровой связи) от устройства управления технологическим процессом, когда устройство управления технологическим процессом завершило перемещение в безаварийное положение. После получения такого сигнала блок RPU может начинать разрядку.
[0012] Операция разрядки примера устройства, описанного в настоящем документе, управляет рассеянием энергии одного или больше твердотельных коммутаторов с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Пример блока RPU выполнен с возможностью того, что разрядка энергии не превышает заданной скорости, чтобы препятствовать превышению максимальной рабочей температуры коммутаторов. Коэффициент заполнения сигнала ШИМ влияет на время, необходимое для завершения разрядки устройства аккумулирования энергии, а также обеспечивает, чтобы скорость разрядки не вызывала перегрева компонентов блока RPU. Соответствующий коэффициент заполнения определяется некоторыми факторами, в том числе, оставшимся напряжением в устройстве аккумулирования энергии и характеристиками теплоотвода (например, тепловым сопротивлением, размером и т.п.), которые способствуют рассеянию энергии.
[0013] На фиг. 1 приведена структурная схема примера устройства 100 в соответствии с изложенными в настоящем документе принципами. Пример устройства 100 изображен как блок RPU 100, который обеспечивает резервную электрическую энергию для устройства 102 управления технологическим процессом в случае потери питания от первичного источника 104 энергии. Блок RPU ЮР обеспечивает питание устройства 102 управления технологическим процессом при посредстве устройства 106 аккумулирования электрической энергии. Устройство 106 аккумулирования энергии может быть реализовано с использованием одного или более компонентов, таких как, например, конденсаторы, батареи и т.п., или их сочетание. Кроме того, устройство 106 аккумулирования энергии предназначено для хранения достаточного количества электрической энергии для обеспечения питания устройства 102 управления технологическим процессом по меньшей мере в течение определенного времени, чтобы позволить устройству 102 управления технологическим процессом завершить работу после нарушения или потери питания от первичного источника 104 энергии. Например, устройство 102 управления технологическим процессом может быть узлом клапана для текучей среды и привода, и блок RPU 100 может подавать энергию к приводу в течение времени, достаточного для того, чтобы привод переместил клапан для текучей среды в безаварийное положение, независимо от начального положения клапана для текучей среды.
[0014] В ходе нормальной работы, когда первичный источник 104 энергии обеспечивает энергию для устройства 102 управления технологическим процессом, зарядное устройство 108, расположенное в блоке RPU 100, заряжает и/или поддерживает заряд устройства 106 аккумулирования энергии, по существу, до полностью заряженного состояния. Зарядное устройство 108 может быть осуществлено с использованием схемы, подобранной для наиболее эффективной и рациональной зарядки устройства 106 аккумулирования энергии. Например, зарядное устройство 108 может функционировать как источник изменяемого тока, если устройство 106 аккумулирования энергии осуществлено с использованием множества соединенных последовательно конденсаторов большой величины, обычно называемых суперконденсаторами. В этом случае зарядное устройство 108 может обеспечивать ток, который может быть изменен посредством контроллера 110, так что зарядный ток уменьшается, когда устройство 106 аккумулирования энергии достигает состояния полного заряда. Таким образом, температура устройства 106 аккумулирования энергии может быть контролируемой, и/или возможность чрезмерной зарядки устройства 106 аккумулирования энергии по существу исключена.
[0015] Как показано на фиг. 1, зарядное устройство 108 получает электрическую энергию от первичного источника 104 энергии через коммутатор 112 мощности, которым управляет контроллер 110, как подробнее описано ниже. Если устройство 106 аккумулирования энергии содержит множество компонентов или устройств, между зарядным устройством 108 и устройством 106 аккумулирования энергии может быть установлена также схема 114 баланса заряда для гарантии того, что каждый из компонентов устройства 106 аккумулирования энергии заряжается по существу одинаково. Например, если устройство 106 аккумулирования энергии содержит множество конденсаторов, схема 114 баланса заряда гарантирует, что каждый из конденсаторов заряжается по существу до одинакового напряжения.
[0016] В процессе нормальной работы контроллер 110 принуждает коммутатор 112 мощности направлять энергию, подаваемую первичным источником 104 энергии к зарядному устройству 108 и устройству 102 управления технологическим процессом. Кроме того, контроллер 110 принуждает связной переключатель 116 соединять с обеспечением связи одну или более линий 118 связи с устройством 102 управления технологическим процессом. Линии 118 связи могут передавать команды, сообщения, данные и т.п.между системой управления и устройством 102 управления технологическим процессом. Таким образом, в процессе нормальной работы блока RPU 100 функционирует прозрачно (т.е. действует как пропускающее устройство) в отношении сигналов мощности и связи, связанных с устройством 102 управления технологическим процессом.
[0017] Как показано на фиг. 1, пример блока RPU 100 содержит внутренний источник 120 питания, который подает энергию к контроллеру 110 и множеству других схем, устройств и т.п., образующих функциональные блоки примера блока RPU 100. Более подробное описание способа, которым энергия, подаваемая источником 120 питания, распределяется в блоке RPU 100, приведено ниже в связи с описанием детализованных схем, изображенных на фиг. 2 и 3. В процессе нормальной работы источник 120 питания извлекает энергию, которую он подает к устройствам в блоке RPU 100, из первичного источника 104 энергии. Обычно, но не обязательно, в процессе нормальной работы источник 120 питания понижает (например, используя вольтодобавочный преобразователь, линейный регулятор и т.п.) напряжение первичного источника 104 энергии до более низкого напряжения, или множества различных более низких напряжений для использования различными схемами в блоке RPU 100.
[0018] Также, как показано на фиг. 1, контроллер 110 функционально соединен с монитором 122 напряжения для мониторинга одного или больше напряжений, связанных с примером блока RPU 100. Например, монитор 122 напряжения может подавать сигналы, соответствующие напряжению первичного источника 104 энергии, напряжению источника питания, подаваемому к устройству 102 управления технологическим процессом, напряжению устройства 106 аккумулирования энергии и/или любым другим напряжениям, которые могут быть использованы, чтобы управлять работой или влиять на работу блока RPU 100.
[0019] В случае потери питания на первичном источнике 104 энергии, источник 120 питания продолжает получать электрическую энергию от устройства 106 аккумулирования энергии. Таким образом, как более подробно описано ниже, источник 120 питания может продолжать подавать энергию к схеме в блоке RPU 100 в течение периода времени, достаточного для обеспечения возможности завершения операции устройством 102 управления технологическим процессом, такой как, например, перемещение в выключенное или безаварийное положение (например, полностью открытое или полностью закрытое положение). В ответ на обнаружение перебоя в питании на первичном источнике 104 энергии посредством монитора 122 напряжения, контроллер 110 принуждает коммутатор 112 мощности включать (например, замыкать) соединение между устройством 106 аккумулирования энергии и устройством 102 управления технологическим процессом. Таким образом, в ответ на обнаруженный перебой питания коммутатор 112 мощности направляет энергию от устройства 106 аккумулирования энергии к устройству 102 управления технологическим процессом для обеспечения продолжения работы устройства 102 управления технологическим процессом. Кроме того, в ответ на обнаруженный перебой питания контроллер 110 принуждает коммутатор 112 мощности отключать (например, размыкать) соединение между первичным источником 104 энергии и зарядным устройством 108, таким образом, отключая зарядное устройство 108 и предотвращая дальнейшую зарядку устройства 106 аккумулирования энергии, и предотвращая обратную подачу от первичного источника энергии через схему 114 баланса заряда. Кроме того, в ответ на обнаруженный перебой питания контроллер 110 принуждает связной переключатель 116 размыкаться для предотвращения достижения сигналами из линий 118 связи устройства 102 управления технологическим процессом. Потеря сигналов в линиях 118 связи, в свою очередь, принуждает устройство 102 управления технологическим процессом вводить режим перебоя питания и начинать перемещение в заданное (например, безаварийное) положение.
[0020] В ответ на обнаружение перебоя питания в первичном источнике 104 энергии, контроллер 110 также выполняет управляемую разрядку устройства 106 аккумулирования энергии через главный разрядный контур 124 и контур 126 разрядки почти до нулевого напряжения. Управляемая разрядка устройства 106 аккумулирования энергии может начинаться по истечении заданного промежутка времени после обнаружения перебоя питания, будучи инициированной устройством 102 управления технологическим процессом, или может начинаться сразу же после обнаружения перебоя питания, в зависимости от необходимости отдельного варианта применения. Управляемая разрядка инициируется и контролируется контроллером 110, для обеспечения возможности завершения работы устройству 102 управления технологическим процессом, такой как, например, перемещение в безаварийное положение, до того как оставшаяся энергия в устройстве 106 аккумулирования энергии опустится ниже порогового значения, что предотвращает дальнейшее перемещение устройства 102 управления технологическим процессом.
[0021] Чтобы управлять главным разрядным контуром 124, контроллер 110 может обеспечивать сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для управления одним или больше переключателей питания, которые периодически шунтируют устройство 106 аккумулирования энергии относительно потенциала земли, таким образом, рассеивая энергию, сохраненную в устройстве 106 аккумулирования энергии. Коэффициент заполнения сигнала ШИМ может быть изменен в соответствии с напряжением устройства 106 аккумулирования энергии, измеряемым с помощью монитора 122 напряжения, чтобы регулировать максимальное рассеяние энергии и, следовательно, температуру главного разрядного контура 124. Например, коэффициент заполнения сигнала ШИМ может быть увеличен по мере уменьшения напряжения устройства 106 аккумулирования энергии. Чтобы содействовать отводу тепла от главного разрядного контура 124, различные компоненты главного разрядного контура 124 могут быть термически соединены с корпусом 128 блока RPU 100. Корпус 128 может быть выполнен из металла (металлов) и/или другого материала. Таким образом, корпус 128, в дополнение к образованию защитной оболочки для электрической схемы блока RPU 100, может также действовать в качестве теплоотвода для некоторой части или всего главного разрядного контура 124 и любого другого контура в блоке RPU 100.
[0022] Когда главный разрядный контур 124 функционирует, преобразователь 130 отрицательного напряжения подает отрицательное напряжение к контуру 126 разрядки почти до нулевого напряжения, чтобы отключать контур 126 разрядки почти до нулевого напряжения, таким образом, предотвращая шунтирование контуром 126 разрядки почти до нулевого напряжения энергии, сохраненной в устройстве 106 аккумулирования энергии, относительно потенциала земли. По мере того как главный разрядный контур 124 рассеивает энергию, сохраненную в устройстве 106 аккумулирования энергии, напряжение, подаваемое к источнику 120 питания с помощью энергии, сохраненной в устройстве 106 аккумулирования энергии, продолжает уменьшаться. Пока напряжение, подаваемое к источнику 120 питания посредством устройства 106 аккумулирования энергии, превышает напряжение, необходимое контроллеру 110 для соответствующей работы контроллера 110, источник 120 питания использует импульсный регулятор с последовательным соединением ключевого элемента и дросселя для подачи питания к контроллеру 110. Однако, когда напряжение устройства 106 аккумулирования энергии больше недостаточно для осуществления возможности использования источником 120 питания импульсного регулятора с последовательным соединением ключевого элемента и дросселя для обеспечения питания для контроллера 110, становится активной цепь повышения мощности в источнике 120 питания, и продолжается подача питания к контроллеру 110 по мере того как напряжение в устройстве 106 аккумулирования энергии продолжает уменьшаться. Таким образом, двойные режимы работы (т.е. компенсации/повышения мощности) источника 120 питания дают возможность контроллеру 110 продолжать управление разрядом оставшейся энергии в устройстве 106 аккумулирования энергии через главный разрядный контур 124. В одном примере источник 120 питания может продолжать работу и подавать достаточную энергию к контроллеру 110 при напряжении всего лишь, например, 150 милливольт на устройстве 106 аккумулирования энергии.
[0023] Когда напряжение устройства 106 аккумулирования энергии становится меньше нижнего порогового значения, при котором источник 120 питания больше не может работать в режиме повышения мощности для обеспечения достаточного питания контроллера 110, контроллер 110 становится неработающим, что приводит к отключению главного разрядного контура 124 и предотвращению рассеяния главным разрядным контуром 124 какой-либо оставшейся энергии в устройстве 106 аккумулирования энергии. Кроме того, когда источник 120 питания становится неработающим, преобразователь 130 отрицательного напряжения больше не обеспечивает отрицательного напряжения отключения для контура 126 разрядки почти до нулевого напряжения, что обеспечивает возможность шунтирования контуром 126 разрядки почти до нулевого напряжения оставшейся энергии в устройстве 106 аккумулирования энергии относительно потенциала земли. Как более подробно показано на фиг. 3-3, контур 126 разрядки почти до нулевого напряжения содержит один или больше нормально замкнутых выключателей, которые действуют для шунтирования устройства 106 аккумулирования энергии относительно потенциала земли, при отсутствии питания, подаваемого к контуру 126 разрядки почти до нулевого напряжения посредством преобразователя 130 отрицательного напряжения.
[0024] В других примерах могут быть использованы другие способы разрядки оставшейся энергии. Отдельный пример для поддержания минимального напряжения, необходимого для контроллера может не требовать использования цепи повышения мощности. Вместо этого пример устройства может разряжать какую-либо оставшуюся в этот момент мощность путем использования одного или больше резисторов. В данном способе контроллер должен будет действовать, чтобы предотвращать разрядку, а не вызывать разрядку. Кроме того, может потребоваться соответствующее изменение размеров резистора (резисторов) и теплоотвода.
[0025] Таким образом, в ответ на перебой питания на первичном источнике 104 энергии, пример блока RPU 100 обеспечивает устройству 102 управления технологическим процессом возможность завершения, например, перемещения в безаварийное положение, а затем выполнения управляемой разрядки устройства 106 аккумулирования энергии по истечении максимального заданного времени. Таким образом, обслуживающему персоналу, например, может быть гарантировано, что после выжидания в течение максимального заданного времени после выхода из строя или удаления первичного источника 104 энергии, взрывозащищенный контейнер, заключающий блок RPU 100 и/или устройство 102 управления технологическим процессом, может быть открыт, и внутренние компоненты блока RPU 100 или устройства 102 управления технологическим процессом могут обслуживаться без риска возникновения искры или какого-либо другого потенциально опасного случая, связанного с электричеством.
[0026] Как показано на фиг. 1, пример блока RPU 100 также содержит контур 132 ручной коррекции. Контур 132 ручной коррекции может содержать переключатель, находящийся снаружи корпуса 128, который обеспечивает оператору возможность выбора режима коррекции блока RPU. Когда выбран или включен режим коррекции блока RPU, описанные выше функциональные возможности блока RPU 100 блокируются, и устройство 102 управления технологическим процессом работает так, как будто оно напрямую соединено с первичным источником 104 энергии и линиями 118 связи. В результате, если первичный источник 104 энергии вышел из строя или удален иным способом, устройство 102 управления технологическим процессом не получает питания от устройства 106 аккумулирования энергии, и устройство 102 управления технологическим процессом может оставаться в положении, в котором оно было в момент перебоя питания (т.е. может не находиться в безаварийном положении).
[0027] Пример блока RPU 100 также содержит индикатор 134 состояния, который может быть прикреплен снаружи корпуса 128, чтобы облегчить наблюдение оператору. В данном примере индикатор 134 состояния представляет собой лампу, управляемую контроллером 110, для создания различных режимов мигания, чтобы указывать эксплуатационное состояние или режим блока RPU 100 и/или устройства 106 аккумулирования энергии. Другие примеры могут иметь другой индикатор 134 состояния, такой как множество светоизлучающих диодов, цифровой дисплей и т.п. Индикатор 134 состояния в данном примере обеспечивает отличающийся режим мигания для каждого из режимов блока RPU 100, в том числе, зарядки, разрядки (т.е. когда устройство 106 аккумулирования энергии обеспечивает питание для устройства 102 управления технологическим процессом), нормального, коррекции и разряженного. Например, индикатор 134 состояния может медленно, равномерно мигать для указания, что блок RPU 100 заряжается, индикатор 134 состояния может периодически быстро мигать дважды с последующей паузой для указания операции разрядки, индикатор 134 состояния может периодически быстро мигать один раз с последующей паузой для указания нормальной работы (т.е. устройство 102 управления технологическим процессом получает питание от первичного источника 104 энергии через блок RPU 100), индикатор 134 состояния может давать постоянное непрерывное свечение для указания, что блок RPU 100 находится в режиме ручной коррекции, и индикатор 134 состояния может оставаться темным для указания, что блок RPU 100 полностью разряжен.
[0028] Пример контроллера 110 по фиг. 1 может быть осуществлен с помощью аппаратных средств, программного обеспечения, прошивок и/или любого сочетания аппаратных средств, программного обеспечения и/или прошивок. Так, например, пример контроллера 110 может быть осуществлен с помощью одного или больше аналогового или цифрового контура (контуров), логических схем, программируемого процессора (процессоров), специализированной интегральной микросхемы (микросхем) (application specific integrated circuit, ASIC)), программируемого логического устройства (устройств) (programmable logic device, PLD)) и/или программируемого пользователем логического устройства (устройств) (field programmable logic device, FPLD)). При чтении любого из пунктов формулы настоящего патента, относящихся к устройству или способу, для охвата реализации только программного обеспечения и/или аппаратных средств, пример контроллера 110 настоящим четко определен, как включающий в себя материальное компьютерочитаемое запоминающее устройство или запоминающий диск в качестве памяти, цифровой универсальный диск (digital versatile disk, DVD), компакт-диск (compact disk, CD), диск Blu-ray, и т.п., сохраняющий программное обеспечение, и/или аппаратные средства. Кроме того, пример контроллера 110 по фиг. 1 может включать в себя один или больше элементов, процессов и/или устройств, и/или может включать в себя больше, чем один из всех элементов, процессов и устройств.
[0029] Кроме того, пример контроллера 110 по фиг. 1 может поддерживать связь с одним или более функциональными компонентами (например, монитором 122 напряжения, главным разрядным контуром 124, коммутатором 112 мощности и т.п.), с использованием какого-либо типа проводного соединения (например, шина данных, соединение USB и т.п.) или механизма беспроводной связи (например, радиочастотная, инфракрасная и т.п.), с использованием какого-либо прежнего, существующего или разработанного в будущем протокола связи (например, Bluetooth, USB 2.0, USB 3.0 и т.п.). Кроме того, один или более функциональных компонентов по фиг. 1 могут поддерживать связь друг с другом, используя такие проводные соединения или механизмы беспроводной связи.
[0030] На фиг. 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 3-1, 3-2 и 3-3, представлены более подробные принципиальные схемы, иллюстрирующие один способ, с помощью которого может быть реализована схема примера блока RPU 100 по фиг. 1. Связной переключатель 116 в примере по фиг. 2-1 осуществлен с использованием оптопар U1 и U2, соединенных с транзистором Q3, которым управляют при посредстве процессора U5. Аналогично, коммутатор 112 мощности, показанный на фиг. 2-2, может быть реализован с использованием оптопар U13 и U14, соединенных с полевыми транзисторами (field-effect transistors, FETs) Q8, Q9, Q11, Q20 и Q21. Оптопары U13 и U14 могут быть управляемыми посредством транзисторов Q4 и Q5, которые соединены с управляющим сигналом, подаваемым процессором U5, как показано на фиг. 2-4. Для осуществления контроллера 110 может быть использован программируемый процессор U5.
[0031] Как показано на фиг. 2-3, источник 120 питания может быть осуществлен с использованием вольтодобавочного преобразователя, которым управляют посредством контроллера U3. Источник 120 питания также содержит повышающий мощность преобразователь, которым управляют посредством отдельного контроллера U6. Выходы вольтодобавочного и повышающего мощность преобразователя объединены посредством диода D14 и резистора R28 для обеспечения достаточного рабочего напряжения для процессора U5. В ходе управляемой разрядки напряжение устройства 106 аккумулирования энергии может находиться в диапазоне от напряжения, большего, чем напряжение, необходимое для процессора U5, до напряжения, которое существенно ниже, чем напряжение, необходимое для процессора U5, для соответствующей работы.
[0032] Блок 300 по фиг. 2-1 изображен на фиг. 3-1 - 3-3 как более подробная принципиальная схема, которая может быть использована для осуществления зарядного устройства 108, схемы 114 баланса заряда, устройства 106 аккумулирования энергии, контура 126 разрядки почти до нулевого напряжения и главного разрядного контура 124. Как показано на фиг. 3-1, зарядное устройство 108 может содержать контроллер U7 вольтодобавочного преобразователя, который получает обратную связь от монитора U8 тока, так что зарядное устройство 108 действует в качестве источника тока для зарядки устройства 106 аккумулирования энергии. Зарядный ток, обеспечиваемый зарядным устройством 108, является изменяемым с возможностью регулирования при изменении опорного напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя U11A, как показано на фиг. 3-2. Опорное напряжение изменяется в соответствии с изменяющимся напряжением, обеспечиваемым процессором U5 (фиг. 2-4), с помощью сигнала цифроаналогового преобразователя (digital-to-analog converter, DAC), который подается к буферу, осуществленному с помощью операционного усилителя U11B, как показано на фиг. 3-1. Зарядный ток, подаваемый к устройству 106 аккумулирования энергии, показанному на фиг. 3-3, может быть понижен по мере того, как напряжение устройства 106 аккумулирования энергии приближается к состоянию полной зарядки, для предотвращения перегрева и/или чрезмерной зарядки устройства 106 аккумулирования энергии.
[0033] Схема 114 баланса заряда может быть осуществлена с использованием резисторного делителя (напряжения), содержащего резисторы R45, R46, R47, R48 и R49 равной величины. Эти резисторы R45-R49 подают равные части полного напряжения устройства 106 аккумулирования энергии к соответствующим отдельным конденсаторам С31, С32, С33, С34 и С35, образующим устройство 106 аккумулирования энергии, посредством соответствующих буферов, сформированных с помощью операционных усилителей U9A, U9B, U10A и U10B.
[0034] На фиг. 3-1 показан главный разрядный контур 124, который содержит три полевых транзистора (FET) Q19, Q22A и Q22B, и напряжение, подаваемое устройством 106 аккумулирования энергии (обозначено CapPos). Выводы затворов полевых транзисторов (FET) Q19, Q22A и Q22B связаны с сигналом ШИМ, обеспечиваемым процессором U5. Так, во время работы главного разрядного контура 124, сигнал ШИМ принуждает полевые транзисторы (FET) Q19, Q22A и Q22B периодически включаться и выключаться, чтобы шунтировать энергию, сохраненную в устройстве 106 аккумулирования энергии через резистор R60 и транзисторы Q19, Q22A и Q22B относительно потенциала земли. Хотя показаны три полевых транзистора (FET), которые образуют главный разрядный контур 124, для достижения тех же или аналогичных результатов вместо них может быть использовано меньше или больше FET и/или какие-либо другие типы транзисторов или переключателей.
[0035] Контур 126 разрядки почти до нулевого напряжения, показанный на фиг. 3-3, может быть осуществлен с использованием полевых транзисторов Q14, Q15, Q16, Q17 и Q18, которые соединены с шунтом через соответствующие конденсаторы С31, С32, С33, С34 и С35 относительно потенциала земли. Полевые транзисторы Q14-Q18 работают как нормально замкнутые переключатели, которые при поданном питании разомкнуты (т.е. не проводят ток) в ответ на наличие отрицательного напряжения, подаваемого от преобразователя 130 отрицательного напряжения (фиг. 2-4). Однако, как описано выше, когда первичный источник 104 энергии выходит из строя или недоступен по другой причине, источник 120 питания продолжает работать, извлекая энергию из устройства 106 аккумулирования энергии в течение определенного времени. Однако, когда напряжение устройства 106 аккумулирования энергии опускается ниже порогового значения, источник 120 питания больше не работает, что приводит к тому, что преобразователь 130 отрицательной энергии больше не подает отрицательное напряжение к контуру 126 разрядки почти до нулевого напряжения, показанному на фиг. 3-3. Потеря отрицательного напряжения принуждает полевые транзисторы Q14-18 контура 126 разрядки почти до нулевого напряжения возвращаться в свое нормально замкнутое (т.е. проводящее) состояние, таким образом, шунтируя какую-либо оставшуюся энергию в конденсаторах С31-С35 относительно потенциала земли и, таким образом, рассеивая оставшуюся энергию в процессе.
[0036] На фиг. 4 изображен иллюстративный способ 400, реализованный в примере устройства 100. Блок 402 представляет устройство 102 управления технологическим процессом в нормальном режиме работы, в котором устройство 106 аккумулирования энергии заряжается, устройство 102 управления технологическим процессом работает на внешнем питании (т.е., первичном источнике 104 энергии), и управляющий сигнал (сигналы) от линий 118 связи активированы (т.е. соединены с устройством 102 управления технологическим процессом). Монитор 122 напряжения отслеживает напряжение первичного источника 104 энергии, подаваемое к RPU 100, и сравнивает это напряжение с пороговым значением (блок 404). Если напряжение выше порогового, пример устройства 100 и устройство 102 управления технологическим процессом продолжают работать нормально (т.е. управление возвращается в блок 402). Если напряжение первичного источника 104 энергии опускается ниже порогового, это указывает, что первичный источник 104 энергии вышел из строя, и в этот момент коммутатор 124 мощности принуждает устройство 102 управления технологическим процессом работать на питании, обеспечиваемом устройством 106 аккумулирования энергии (блок 406). Затем контроллер 110 отключает соединение между первичным источником 104 энергии и зарядным устройством 108 (блок 408). Кроме того, контроллер 110 блокирует соединение между линиями 118 связи и устройством 102 управления технологическим процессом посредством связного переключателя 116 (блок 410), таким образом, активируя потерю сигнальной функции в устройстве 102 управления технологическим процессом и принуждая устройство 102 управления технологическим процессом двигаться в безаварийное положение. Котроллер 110 ожидает, пока устройство 102 управления технологическим процессом завершит движение, что может включать в себя, например, выжидание в течение заданного времени, достаточного для того, чтобы устройство 102 управления технологическим процессом завершило движение, или получение сообщения о том, что движение завершено (блок 412). Затем контроллер 110 начинает разрядку оставшейся энергии из устройства 106 аккумулирования энергии (блок 414). В иллюстративном способе 400, разрядка оставшейся энергии из компонента 106 аккумулирования энергии может включать в себя один или несколько этапов (например, разрядка через главный разрядный контур 124, разрядка через контур 126 разрядки почти до нулевого напряжения). После того как разряжена оставшаяся энергия из устройства 106 аккумулирования энергии, контроллер 110 больше неработоспособен, поскольку не получает питания от источника 120 питания, и RPU 100 полностью разряжено (блок 416).
[0037] В данном примере по меньшей мере часть способа, представленного схемой последовательности операций на фиг. 4, может быть реализована с использованием машиночитаемых инструкций, которые содержат программу для выполнения процессором, таким как процессор U5, показанный в связи с фиг. 2-4. Программа может быть реализована в программном обеспечении, сохраняемом на материальном компьютерочитаемом запоминающем устройстве, таком как компакт-диск, предназначенный только для чтения, гибкий диск, жесткий диск, цифровой универсальный диск (digital versatile disk, DVD), диск Blu-ray, или память, связанная с процессором U5, но вся программа и/или ее части альтернативно могут выполняться другим устройством, кроме процессора U5, и/или реализоваться в прошивках или выделенных аппаратных средствах. Кроме того, хотя пример программы описан со ссылкой на схему последовательности операций, показанную на фиг. 4, альтернативно могут быть использованы многие другие способы реализации примера устройства 100, описанного в настоящем документе. Например, порядок выполнения блоков может быть изменен, и/или некоторые из описанных блоков могут быть изменены, исключены или объединены.
[0038] Как упомянуто выше, по меньшей мере часть иллюстративного способа по фиг. 4 может быть реализована с использованием команд кодированных инструкций (например, компьютеро- и/или машиночитаемых инструкций), сохраняемых на материальном компьютерочитаемом запоминающем устройстве, таком как жесткий диск, флэш-память, постоянное запоминающее устройство (read-only memory, ROM), компакт-диск (CD), цифровой универсальный диск (digital versatile disk, DVD), кэшпамять, оперативное запоминающее устройство (random-access memory, RAM) и/или другое запоминающее устройство или запоминающий диск, на котором информация сохраняется в течение какого-либо срока (например, в течение длительных периодов времени, постоянно, для кратких примеров, для временной буферизации, и/или для кэширования информации). Используемый в настоящем документе термин «материальное компьютерочитаемое запоминающее устройство» четко определен, как включающий в себя любой тип компьютерочитаемого запоминающего устройства и/или запоминающего диска и как исключающий распространяющиеся сигналы и исключающий передающие среды. Используемые здесь термины «материальное компьютерочитаемое запоминающее устройство» и «материальное машиночитаемое запоминающее устройство» используются как взаимозаменяемые. Используемый в настоящем документе термин «компьютерочитаемое запоминающее устройство» четко определен, как включающий в себя любой тип компьютерочитаемого запоминающего устройства и/или запоминающего диска и как исключающий распространяющиеся сигналы и исключающий передающие среды.
[0039] Хотя в настоящем документе раскрыты некоторые иллюстративные способы, устройства и изделия, объем защиты настоящего патента ими не ограничивается. Напротив, настоящий патент охватывает все способы, устройства и изделия, вполне подпадающие под сферу применения пунктов формулы настоящего патента.
1. Устройство саморазряжающегося резервного блока питания, содержащее:
компонент аккумулирования электрической энергии для подачи питания к устройству управления технологическим процессом;
разрядный компонент, функционально соединенный с компонентом аккумулирования электрической энергии; и
контроллер, выполненный с возможностью обеспечивать выполнение операции устройством управления технологическим процессом и с возможностью обнаруживать завершение операции, при этом контроллер обнаруживает завершение операции посредством выжидания в течение заданного времени для завершения операции устройством управления технологическим процессом и/или посредством получения сообщения о завершении операции,
при этом контроллер выполнен с возможностью, при потере питания, принуждать разрядный компонент разряжать энергию из компонента аккумулирования электрической энергии вслед за завершением операции с помощью устройства управления технологическим процессом.
2. Устройство по п. 1, в котором контроллер выжидает в течение периода времени после потери питания, перед тем как принудить разрядное устройство разрядить энергию из компонента аккумулирования электрической энергии, при этом период времени соответствует по меньшей мере периоду времени, необходимому для завершения операции.
3. Устройство по п. 1, в котором контроллер ожидает сигнала, подтверждающего, что устройство управления технологическим процессом завершило операцию, перед тем как принудить разрядное устройство разрядить энергию из компонента аккумулирования электрической энергии.
4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее теплоотвод, соединенный с разрядным компонентом.
5. Устройство по п. 1, в котором контроллер, в ответ на потерю питания, прерывает управляющий сигнал к устройству управления технологическим процессом и обеспечивает питание для устройства управления технологическим процессом через компонент аккумулирования электрической энергии.
6. Устройство по п. 1, в котором разрядный компонент выполнен так, что скорость, с которой энергия рассеивается разрядным компонентом, не превышает заданной скорости в процессе разрядки энергии из устройства аккумулирования электрической энергии.
7. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее индикатор состояния для указания состояния компонента аккумулирования электрической энергии.
8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором компонент аккумулирования электрической энергии содержит конденсатор.
9. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее взрывозащищенный контейнер, окружающий указанное устройство.
10. Способ работы саморазряжающегося резервного блока питания, включающий в себя:
обнаружение потери питания в устройстве управления технологическим процессом;
обеспечение устройства управления технологическим процессом питанием от компонента аккумулирования электрической энергии;
обеспечение выполнения операции устройством управления технологическим процессом;
обнаружение завершения операции посредством выжидания в течение заданного времени для завершения операции устройством управления технологическим процессом и/или посредством получения сообщения о завершении операции;
прерывание управляющего сигнала к устройству управления технологическим процессом в ответ на потерю питания и
разрядку оставшейся энергии из компонента аккумулирования электрической энергии посредством разрядного компонента вслед за завершением операции устройством управления технологическим процессом.
11. Способ по п. 10, в котором обнаружение потери питания включает в себя сравнение напряжения, подаваемого в устройство управления технологическим процессом, с пороговым значением.
12. Способ по п. 10, в котором прерывание управляющего сигнала принуждает устройство управления технологическим процессом изменять режим работы устройства управления технологическим процессом.
13. Способ по п. 10, в котором разрядку оставшейся энергии начинают по истечении определенного времени с момента начала для обеспечения устройства управления технологическим процессом питанием от компонента аккумулирования электрической энергии.
14. Способ по п. 10, в котором разрядка оставшейся энергии из компонента аккумулирования электрической энергии включает в себя использование сигнала с широтно-импульсной модуляцией.
15. Способ по п. 10, дополнительно включающий зарядку компонента аккумулирования электрической энергии до обнаружения потери питания.
16. Способ по п. 15, в котором зарядка компонента аккумулирования электрической энергии включает в себя сравнение напряжения, подаваемого к устройству управления технологическим процессом, с пороговым значением и, на основе сравнения, зарядку компонента аккумулирования электрической энергии.
17. Способ работы саморазряжающегося резервного блока питания, включающий в себя:
подачу энергии к устройству управления технологическим процессом через компонент аккумулирования электрической энергии;
обеспечение выполнения операции устройством управления технологическим процессом;
обнаружение завершения операции посредством выжидания в течение заданного времени для завершения операции устройством управления технологическим процессом и/или посредством получения сообщения о завершении операции; и
разрядку оставшейся энергии из компонента аккумулирования электрической энергии посредством разрядного компонента, после того как устройство управления технологическим процессом завершает операцию.
18. Способ по п. 17, дополнительно включающий принуждение устройства управления технологическим процессом двигаться в заданное положение управляющего органа, используя энергию от компонента аккумулирования электрической энергии.
19. Способ по п. 17, в котором разрядка оставшейся энергии из компонента аккумулирования электрической энергии включает в себя разрядку оставшейся энергии до величины, меньшей заданного значения.
20. Способ по п. 19, в котором разрядку оставшейся энергии выполняют в пределах заданного промежутка времени.
