双线式现场安装过程设备 【技术领域】
本发明涉及过程设备。具体地，本发明涉及现场安装过程控制和测量设备。
背景技术
过程设备用于测量和控制工业过程，例如石化精炼，食品处理，发电，以及其它一些过程。过程测量设备包括过程变量发射机，其测量和控制诸如压力和温度之类过程变量并将测量的变量通知给过程控制器。另一类型的过程设备是执行器，如阀门控制器等。通常，使用发射机、执行器和通过过程控制回路与控制器通信的过程控制器的组合来实现过程控制。这两种类型的过程设备通过过程接口单元与物理过程相互作用。过程接口单元是将电信号与物理过程条件相联系的设备，并且包括诸如传感器、限位开关、阀门控制器、加热器、电机控制器以及多个其它设备之类的设备。
过程控制器通常是位于远离过程的控制室中的微型计算机。过程控制器可以接收来自一个或者多个过程测量设备的过程信息，并将适当的控制信号施加于一个或者多个过程控制设备，以便改变过程，从而对其进行控制。
为了与过程连接，发射机和执行器通常安装在现场靠近过程的地方。这种物理上的靠近使过程设备遭受一些环境问题。例如，过程设备经常处于极端温度、震动、腐蚀性的和/或可燃的环境，以及电噪声。为了克服这种条件，过程设备要特别设计成“现场安装的”。这种现场安装设备可以设计成利用防爆的坚固外壳。此外，同样可以使用被称为“固有安全的”电路来设计现场安装的过程设备，这意味着即使在恶劣的环境中，电路通常不会包含产生可能在危险气体中导致爆炸的火花或者表面温度地足够的电能量。此外，通常采用电绝缘技术来降低电噪声的影响。这些仅仅是设计考虑事项的几个简单示例，其将现场安装过程设备与其它的设备区别开来，这些设备测量传感器特性并提供表示这种特性的数据。
除了上面列出的环境因素之外，现场安装过程设备的另一挑战是布线。由于过程设备靠近远离控制室的过程，所以经常需要很长的线路来将这些设备与控制室连接。这些线路安装成本较高，并不易维护。
减少布线的一个方法是使用双线过程设备。这些设备使用双线过程控制回路来与控制室连接。双线设备接收来自过程控制回路的电源，并且按照一种通常不被过程设备的电源影响的方式经过过程控制回路与过程设备通信。经过双线进行通信的技术包括4-20mA的信令、多路可寻址远程收发信机协议(High Way Addressable Remote Transducer(HART)协议)、FOUNDATIONTM现场总线、Profibus-PA等。尽管双线过程控制系统提供简单布线，但是这种系统为连接的设备提供有限的功率。例如，按照4-20mA信令进行通信的设备必须不能下降超过4mA，否则设备的电流消耗将会影响过程变量。双线过程设备节省的电能预算通常限制了提供的功能。
过程控制产业减少现场布线的另一方法是提供具有两个传感器输入的发射机。这种发射机减少了发射机/传感器的数目，从而减少了布线的成本以及整个系统的成本。这种发射机的一个例子是Model 3244MV多变量温度发射机，其可以从Minnesota，Eden Prairie的Rousemount公司获得。
尽管当前的多变量发射机可以降低布线成本以及整个系统的成本，传统上它们已经局限于涉及两个传感器的应用中。因此，在具有十六个传感器的应用中，例如仍然需要八个多变量发射机。此外，如果不同的传感器组独立接地，就有可能产生接地回路误差并对过程测量造成不利的影响。
用于克服将大量的传感器与控制室连接问题的当前方法包括将传感器直接与控制室连接。例如，如果一个场合需要大量的温度传感器，用户通常建立“直接运行”热电偶配置，其中热电偶线路跨接在测量“点”和控制室之间。这种直接运行配置通常没有获得多个信号或者双传感器发射机的成本高，但是，需要明显的布线工作强度，并且很长的线路使过程测量更易于遭受电噪声的干扰。
过程控制工业同样通过提供能够执行控制功能的现场安装设备来减少过程控制中长线路的影响。因此，将过程控制的一些方面转移到现场，从而提供更加快速的响应时间、更大的灵活性。现场安装设备中关于这种控制功能的其它信息可以在Warrior等人的编号为5825664、标题为“现场安装控制单元(FIELD-MOUNTED CONTROL UNIT)”的美国专利中发现，该专利后转让给Rousemount公司。
尽管多变量发射机和实现控制功能的过程设备具有先进的过程控制方法，但是仍要提供需要相对大量的传感器，以及现场中需要改进的功能的应用。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种双线式现场安装过程设备。
为实现上述目的，一种双线式现场安装过程设备，包括：
可与双线式过程控制回路连接、并且使用从双线式过程控制回路接收的电能为过程设备整体供电的电源模块；
与电源模块连接的回路通信设备，所述回路通信设备根据现场总线或Profibus协议与双线式控制回路连接，以便在回路上通信，其中，通信设备在回路上提供输出；
与回路通信设备和电源模块连接的控制器；
与控制器连接的第一输入连接，第一输入连接至少连接到第一传感器，并接收传感器输入；
与控制器连接的第二输入连接，第二输入连接与第二传感器连接，并接收传感器输入；
其中，第一和第二输入连接电隔离，并与双线式过程控制回路隔离。
在一个实施例中，过程设备包括多个隔离的通道，所述多个隔离的通道包括可以是输入通道或者输出通道的通道。给定的输入通道或者输入通道可以分别与多个传感器或者执行器连接。由双线式过程控制回路为过程设备整体提供电能。过程设备包括适用于测量一个或者多个与输入通道连接的传感器的特性，以及适用于控制与输出通道连接的执行器。过程设备同样包括适用于经过双线回路进行通信的回路通信设备。
在另一实施例中，双线式现场安装过程设备包括适用于执行用户产生的控制算法的控制器，该控制算法使过程输入信息与过程输出命令相关。该实施例的过程设备同样包括适用于在双线回路上进行通信的回路通信设备。
【附图说明】
图1是根据本发明的实施例采用双线式现场安装过程设备的过程控制系统的概略图。
图2是如图1所示的过程设备的系统方框图。
图3是根据本发明实施例为现场安装过程设备提供过程变量的方法的系统方框图。
图4是根据本发明实施例操作现场安装过程设备的系统方框图。
【具体实施方式】
提供一种如图1所示的双线式可现场安装的过程设备16，其适用于执行复杂的用户产生的控制算法，其与传统可编程逻辑控制器颇为相似。实施例具体包括输入通道、输出通道和这两种通道的组合。通常，每个通道都与过程设备的其它部分隔离。这种隔离可以消除以电流形式限制多个输入发射机的接地回路误差。最后，电源管理是由双线回路14整体供电的本发明的实施例。参考下面的附图和说明将会使这些和其它的特性更加清楚。
图1是过程控制系统10的概略图，其包括控制室12，过程控制回路14和过程设备16。过程控制系统可以包括与控制室12连接的单一过程设备，但是系统10同样可以包括成千上百个经过多个过程控制回路与一个或者多个控制室连接的过程设备。
控制室12通常是远离设备16的设备，所述设备包括微型计算机。处于控制室12中的用户使用微型计算机通过过程控制回路14与各种过程设备交互作用，并因此通过控制室控制过程。为了简明起见，控制室12表示成单一的方框。但是，在一些控制系统实施例中，控制室12实际上将过程控制回路14与整个计算机网络连接，例如因特网，以致于世界范围的用户可以通过传统的网页浏览器软件来访问过程设备16。
回路14是双线式过程控制回路。存在关于在回路14上通信的多个双线式过程通信协议。可以使用任何合适的协议。例如，HART协议、FOUNDATIONTM现场总线协议和Profibus-PA协议可以用于本发明的实施例。回路14提供电源，以便与过程设备连接，同时提供各种设备之间的通信。
过程设备16包括封盖17和基座19，它们最好由合适的塑料制成。基座19适用与用于安装的工业标准DIN导轨紧密配合。如同即将详细说明的一样，适用于通过回路14接收的电源来单独操作设备16，并且它适用于现场安装。因此，可以对设备16进行配置，以便抵抗相对大的温度范围(例如-40到85℃)、机械震动、高达90％的相对湿度。如后所述通过采用坚固的部件来实现这种环境抵抗力。可选择的外壳18(以虚线示出)提供另外的耐久性，并且可以是任何已知的外壳，例如国家电子制造者协会(NEMA)外壳，或者防爆外壳。如图1所示的过程设备的实施例具有多个输入、输出并且包括合适的计算电路(如图2所示)，以便执行用户产生的控制算法。该算法包括多个将指定的输入事件和设备16控制的输出相联系的逻辑语句。用户可以通过位于设备16的接口来改变算法，或者通过在控制回路14上与设备16通信来改变算法。可以使用常规的逻辑产生软件，例如Relay Ladder Logic和Sequential Function Chart(SFC’s)来产生算法。在这种意义下，可以将设备16看作双线式现场安装可编程逻辑控制器。尽管对本发明的说明集中于如图1和2所示的实施例，但是提供这种说明是为了清楚的缘故，由于可以清楚地表达采用单一输入或者输出的实施例。因为禁止性的电源限制，传统的具有计算能力的设备16不能在双线过程控制回路上操作。
过程设备16与传感器20、22、24、26、28和30，以及执行器32和34连接。传感器20、22和24是已知类型的热电偶，它与各种过程点连接，以便按照各个过程点的过程变量提供电压信号。电阻温度设备(RTD)26，28和30同样和各种过程点连接，并且按照各个过程点的过程温度来提供电阻。RTD 26通过已有的三线式线路与设备16连接，并且表明本发明的实施例中可以使用各种布线配置。执行器32和34与过程设备16连接并按照来自设备16的控制信号对适当的阀门开关执行动作。如上所指出，设备16可以执行用户产生的控制算法，以便将特定的输入条件和特定的输出命令相联系。例如，设备16可以检测过程流体温度，从而使执行器32把加热器与过程流体相结合，以便将流体温度保持在选定的水平。
图2是如图1所示的设备的系统方框图。设备16包括回路通信设备36，电源模块38，控制器40和通道42，44，46，48和存储器52。回路通信设备36与过程控制回路14连接并适用于在回路14上进行双向数据通信。回路通信设备36可以包括已知的通信设备，例如传统的FOUNDATIONTM现场总线通信控制器等等。另外，通信设备36可以包括合适的隔离电路，以便于遵循如标题为“用于I、II、III类第一部分危险位置的本质安全设备和相关的设备”所述的工厂共同标准(Factory MutualApproval Standard)。
电源模块38与回路14连接，以便电源模块按照从回路上接收的电源为设备16的所有部分提供电源，要注意的是这种电源可以提供多种电压。例如，电源模块38最好包括提供多个电压的开关电源供电。因此，诸如A/D转换器和隔离器之类的部件可以接收较高的电压，例如4.9伏，同时诸如控制器40、存储器52和回路通信设备之类的低压部件可以接收较低的电压，例如3.0伏。此外，电源模块38最好在某种程度上是可编程的，以便可以改变其提供的至少一种电压。电源模块38可以选择的本质特性便于电源管理，其将在后面的说明书中说明。
控制器40与存储器52连接，并且执行其中存储的指令。存储器52最好是工作电压为3伏的低电压存储器，例如器件LRS1331，其可以从夏普电子公司获得。此外，存储器52可以是在单一存储器模块中既提供闪速存储器又提供易失性存储器的“堆栈式“存储器。用户或者通过与设备16本地连接，或者经过回路14访问设备16来改变用户产生的控制算法或者控制器40执行的“程序”。在一些实施例中，程序包括将过程事件输入与控制器40确定的输出相联系的指令。在这种意义下，设备16与可编程逻辑控制器的功能颇为相似，所述的可编程逻辑控制器对于现场安装来说不够坚固，并且不能在双线式现场设备的较低电平上工作。但是，通过提供可编程逻辑控制器的功能，可以经过诸如Relay Ladder Logic之类的用户友好界面来实行更多复杂的过程控制算法。
控制器40接收来自模块38的电能，并且与回路通信设备36通信。控制器40最好包括诸如模块MMC 2075微型处理器之类的低电压微型处理器，其可以从Schaumburg，IL的Motorola公司获得。此外，控制器40最好具有可选择的内部时钟速率，例如控制器40的时钟速率，因此计算速度和功耗，并且可以经过回路14将适当的命令发送到设备16来进行选择。由于较高的时钟速率会导致控制器的功率降低。最好一前一后地执行控制器40的选择，电源模块38向控制器40提供的电压电平的选择。按照这种方式，处理速度和设备16的功耗都是可以选择和一起变化的。
控制器40通过接口总线54与各种通道连接，所述的接口总线最好是为高速数据通信，例如同步外设接口(SPI)设计的串行总线。通道42、44、46和48分别经过通信隔离器56、58、60和62与总线54连接，它最好是已知的光隔离器，但是也可以是诸如互感器和电容器之类的设备。在一些实施例中，通道42、44、46和48以并行形式提供数据，并且并行串行转换器可以用来将数据在并行格式和串行格式之间转换。转换器64最好是通用异步接收机/发射机(UART)。
通道42与控制器40连接，并且包括传感器终端1-n、多路复用器(MUX)66、模数(A/D)转换器68，通信隔离器56和电源隔离器70。将通信隔离器56和电源隔离器57综合在一个电路之中是可以预料到的。通道42具体适用于测量指定的传感器类型，例如热电偶，电阻温度设备，应变仪，压力传感器或者其它的传感器类型。每一传感器终端适用于将单一的传感器，例如热电偶和多路复用器66连接。多路复用器66有选择地将传感器之一与A/D转换器68连接，以便测量传感器的特性(热电偶的电压)，并且通过隔离器56和UART 64与控制器40通信。就能够经过电源隔离器70来接收通道42的电源。电源隔离器70最好是互感器，但是也可以是任何合适的设备。本领域的技术人员可以理解的是通信隔离器56和电源隔离器70相互协作，以便保证通道42与设备16的其它部分电绝缘。
通道44与通道42相似，并且相近的部分用相似的数字编号。可以对通道44进行配置，以便测量与通道42不同类型的传感器。例如，在一个实施例中，对通道42进行配置，以便测量热电偶的电压，以及对通道44进行配置，以便测量RTD的电阻。因此配置通道44中的每个传感器终端，以便按照双线，三线或者四线(Kelvin)线路连接。因为通道42和44都与设备16的其它部分电隔离，因此第一独立接地传感器与通道42的连接和第二独立接地传感器与通道44的连接并不会导致产生不想要的接地回路误差。此外，由于每个通道都可以针对传感器的特定类型来配置，这样可以在实际应用中达到最优，所以诸如A/D精度和转换速率之类的参数都可以适配于特定的传感器类型，例如，设计的高精度通道可以采用配置成具有很高的精度但是转换速率相对较慢的A/D转换器。相反，为测量迅速变化的过程变量的传感器设计的通道可以采用低精度高速度的A/D转换器。本质上，可以按照从控制器40接收的配置信息来将任何的传感器输入在电阻型传感器和电压型传感器之间切换。控制器40可以按照从回路14上或者经过本地输入(未示出)接收的信息来提供配置信息。此外，控制器40可以提供配置信息，以便调节每个通道的，乃至每个传感器的模数转换采样速率。有利的是，根据关于过程的已知信息可以预期传感器的变化速率。
通道46与通道42和44相似，但是由于通过配置通道46来接收数字输入，所以其并不包括模数转换器。如图所示，输入1-n与多个复用器66连接，该复用器经过通信隔离器60和UART将选择的输入信号传送给总线54。在一些关于数字输入的实施例中，输入电平可以是经过隔离器60将数字输入直接提供给UART 64的电平。数字输入通常表示逻辑信号，例如限位开关的触点闭合等等。但是，数字输入1-n同样可以连接到其它过程设备的数字输出，以致输入表示逻辑信号，例如告警或者其它的布尔型信号。
通道48与通道46相似，但是其操作实际上与通道46相反。因此，经过UART发送到通道48的串行信息被转换为并行格式，并且跨过通信隔离器62进行传送，以便设置单独的执行器的输出。因此，将逻辑信号传送到标注为ACTUTOR1-n的终端，以便使执行器连接到这种终端(未示出)上，从而根据要求来连接或断开。这种执行器可以是任何合适的设备，例如阀门控制器、加热器、电机控制器和其它任何合适的设备。实际上，执行器是按照逻辑类型输出可寻址的任何设备。
图3是根据本发明实施例为现场安装过程设备提供过程变量的方法的系统方框图。本方法从方框80开始，其中现场安装设备通过双线式过程控制回路来整体提供电源。在方框82，过程设备经过第一隔离输入通道与第一传感器连接。经过第一隔离输入通道来获得表示过程变量的传感器信号。在方框84，过程设备经过第二隔离输入通道与第二传感器连接，以便获得第二传感器信号。由于第一和第二输入通道是隔离的，所以第一和第二传感器独立的接地不会导致不想要的接地回路误差。在方框86，过程设备按照一个或者两个传感器信号来计算过程变量。而且，尽管针对两个传感器来说明本发明，但是可以使用多个另外的传感器，以致过程变量可以是任何数目的传感器信号的函数。例如，过程设备可以将各个传感器的数值平均、提供它们的差值，标准差或者任何其它适当的函数。在方框88，计算的过程设备输出。该输出可以按照信息的方式通过输出通道在过程回路上、本地显示器或者有效的本地输出上发送。
图4是根据本发明实施例操作现场安装过程设备的系统方框图。在方框80，设备由双线式过程控制回路供电。在步骤92，设备接收信号。该信号可以是通过输入通道接收的信号，例如上述多个分离的输入通道，也可以是通过双线式过程控制回路接收的过程信息、可以是本地输入，可以是输入信号和信息的任何组合。在方框94，设备执行用户可编程逻辑，以便将输入信息和一个或者多个过程输出相联系。用户可编程逻辑可以是简单的或者复杂的算法，例如ladder logic，SFC，模糊逻辑，自适应控制或者神经网络等等。在方框96，设备经过操作用户可编程逻辑来提供确定的输出。输出可以是本地输出，数字的或者模拟的，或者输出可以作为信息在双线式过程控制回路上发送。
尽管参考具有四个通道的双线式过程设备的实施例对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员可以认识到各种不脱离由附加权利要求限定的本发明精神和实质的变化。例如，尽管已经对各种模型分别进行了说明和描述，很明显，可以预料到这种模型在物理上可一起实施，例如在专用集成电路来实施。此外，尽管控制器40被描述成单一的模块，其功能可以分布在多个微型处理器上，以致一个微型处理器可以提供低电平的I/O互动，例如校准，线性化等等，而第二微型处理器执行用户产生的控制算法。此外，尽管说明集中于通过公开的通道提供的输入和输出，但是可以明显地预料到可通过过程控制回路将过程输入或者过程输出通知给其它的过程设备。