用於在監測或者控制工業過程中使用的過程現場裝置的製作方法

2023-04-23 16:00:16 2

專利名稱：用於在監測或者控制工業過程中使用的過程現場裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及用於監測或者控制工業過程的類型的過程現場裝置。特別地，本實用新型涉及現場裝置電路，其由從二線式工業過程控制迴路接收的功率或能量(power)
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背景技術：
工業過程用在各種應用場合。例如，這個系統用於產生或者控制過程流體。示例包括煉油廠、食品生產、紙漿生產等。在這種工業過程中利用過程流體。過程流體的各種過程變量被監測或控制。示例性過程變量包括溫度、壓力、流量(flow rate)、液位等。在工業過程中，過程現場裝置用來測量和/或控制過程變量。測量過程變量的現場裝置通常是指過程變量變送器。用來控制過程變量的現場裝置可以是指過程變量控制器。在許多工業過程中，過程現場裝置與諸如控制室之類的集中站(centralized station)通信。過程變量被傳送至控制室，而控制室內的儀器可以通過將控制信號傳送給過程變量控制器而控制過程。許多工業過程裝置利用二線式工業過程控制迴路與過程現場裝置通信。在這種構造中，過程控制迴路上的電流電平可以設成表示所測過程變量的值、或者設成表示用於控制過程變量的期待值的值。一個示例是根據HART 通信標準運行的二線式過程控制迴路。在這種構造中，通過過程控制迴路的電流電平(current level)可以被控制以表示過程變量，並且通過將數位訊號調製到模擬電流電平上而傳送附加的數子fe息。許多過程現場裝置被構造成由用於傳送信息的同一個二線式過程控制迴路供電。二線式過程控制迴路可以耦合到單個現場裝置或者多個現場裝置(「多支路 (multi-drop)」)。這限制了過程現場裝置可獲得或可用的功率。在許多實例中，希望的是使過程現場裝置的電路可用的功率量最大化。

實用新型內容一種用於在監測或者控制工業過程中使用的過程現場裝置，包括被構造成與二線式工業過程控制迴路耦合的第一迴路終端和第二迴路終端。現場裝置電路被構造成監測或者控制工業過程的過程變量。所述現場裝置電路由來自二線式工業過程控制迴路的功率供電。電流調節器與所述二線式工業過程控制迴路、所述第一迴路終端和第二迴路終端以及所述現場裝置電路串聯連接。所述電流調節器被構造成控制流經所述二線式工業過程控制迴路的迴路電流。電壓調節器與所述電流調節器並聯連接並且與所述二線式工業過程控制迴路、所述第一迴路終端和第二迴路終端以及所述現場裝置電路串聯連接。所述電壓調節器被構造成控制所述現場裝置電路上的電壓。較佳地，上述過程現場裝置還可以包括與所述現場裝置電路並聯連接的被構造成儲存電能的大容量電容器。較佳地，上述過程現場裝置還可以包括分路電流調節器，所述分路電流調節器被構造成響應於測量到的過程變量控制流經過過程控制迴路的迴路電流。較佳地，在上述過程現場裝置中，所述電流調節器可以被構造成將數位訊號調製到流過所述二線式工業過程控制迴路的迴路電流上。 較佳地，在上述過程現場裝置中，所述現場裝置電路可以包括與電流調節器耦合的被構造成調製所述數位訊號的數據機。較佳地，在上述過程現場裝置中，所述二線式工業過程控制迴路根據HART 通信協議運行。較佳地，在上述過程現場裝置中，所述迴路電流可以在4mA和20mA之間變化並表示測量到的過程變量。較佳地，在上述過程現場裝置中，所述電壓調節器可以包括與所述二線式工業過程控制迴路和具有參考電壓輸入端的運算放大器串聯耦合的場效應電晶體。較佳地，在上述過程現場裝置中，所述電壓調節器可以在場效應電晶體的輸出端處接收與電壓相關的負反饋。較佳地，在上述過程現場裝置中，所述電流調節器可以包括與所述過程控制迴路和構造成接收調製的數位訊號的運算放大器串聯耦合的場效應電晶體。較佳地，在上述過程現場裝置中，所述電壓調節器可以接收與流過場效應電晶體的電流相關的負反饋。

圖1是工業過程控制或者監測系統的簡化示意圖。圖2是顯示圖1中的過程現場裝置的簡化方框圖。圖3是用於現有技術中的過程現場裝置的功率體系結構的方框圖。圖4是用於現有技術中的採用功率收集技術的過程現場裝置的功率體系結構的簡化方框圖。圖5是用在圖4的電路中的現有技術中的串聯調節器的電路示意圖。圖6是根據本實用新型的用於為過程現場裝置供電的功率體系結構的簡化方框圖。圖7是圖6中的電路的電路示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供一種用於從過程現場裝置中的二線式過程控制迴路中回收或者 「收集(scavenging)」功率的方法和裝置。在一個構造中，本實用新型包括與過程控制迴路串聯且相互之間並聯的電流調節器和電壓調節器。過程電場裝置電路與電流調節器/電壓調節器串聯並且由來自二線式過程控制迴路的功率供電。大容量電容器可以用來與過程現場裝置電路並聯以儲存功率。[0026]圖1是工業過程控制或者監測系統100的簡化框圖，該工業過程控制或者監測系統100被構造成控制或者監測過程管路102中運送的過程流體。現場裝置104與過程管路耦合，並通過二線式過程控制迴路108與中央控制室106通信。控制器106被模型化為電阻器110和電源112。二線式過程控制迴路可以遵循任何適當的通信協議。例如，HART 通信協議，其中，過程變量由流經迴路108的電流L表示，電流L的範圍從低值4mA到高值 20mA。可以將數字信息調製到迴路電流込上，用於傳送附加的信息。在另一個構造中，過程控制迴路108僅載送數字信息。現場裝置104被圖示為包括過程接口元件120。如果現場裝置104被構造為過程變量變送器，則過程接口元件120可以包括諸如壓力傳感器、溫度傳感器等的傳感器。類似地，如果現場裝置104被構造成過程變量控制器，過程接口 120可以被構造成諸如傳動裝置之類的用於控制閥的位置的控制元件，加熱元件等圖2是顯示現場裝置104的電路的簡化方框圖。現場裝置104包括現場裝置電路 140。現場裝置104包括迴路終端136和138，它們用來與過程控制迴路108耦合。現場裝置電路140包括，例如，微處理器142，以及為圖示的其它電路。如果現場裝置104被構造成過程變量變送器，那麼現場裝置電路140用來感應來自接口元件120的過程變量。類似地， 如果現場裝置104被構造成過程變量控制器，那麼現場裝置電路140被構造以控制接口元件120。正如以下更詳細地說明的那樣，電源電路146被圖示為與過程控制迴路108串聯。 電源電路146還用來接收或傳送過程控制迴路108上的信息並與現場裝置電路140耦合。如上所述，在正常運行期間，過程控制迴路108載送範圍在4mA和20mA之間的迴路電流。然而，一些迴路供電的裝置具有低值報警特徵，其在裝置故障的情況下引起迴路電流下降至範圍之外(低於4mA)。低值報警電流可以低至3. 6mA。這對靜態電流(quiescent current)設定了下限，該靜態電流能夠被現場裝置之內的電子電路所利用以在3. 6mA或更小的電流下運行。可用的功率用於為傳感器、測量電路、調節器電路、執行軟體算法的微控制器供電，以及用於許多其它功能。許多過程裝置具有採用串聯調節器和分路調節器(shunt regulator)的電功率體系結構。圖3是現有技術中的這種構造的簡化示意圖，其中，現場裝置160包括耦合至二線式過程控制電路的終端162和164。串聯調節器166與過程控制迴路和現場裝置160的電路168串聯。分路調節器170與迴路終端162和164並聯並且用來在終端162和164之間分流電流。感應電阻器172為分路調節器170提供電壓，從而將與迴路電流Lp相關的反饋提供給分路調節器170。串聯調節器166將被調節的電壓提供給裝置電子設備168，所述裝置電子設備包括傳感器、A/D、微控制器等。分路調節器170負責將迴路電流控制在預期電流電平。調節器170接收來自電路感應電阻器172的反饋，電路感應電阻器172能夠控制回流電路II。分路調節器170接收來自數字-模擬轉換器的與DC電流電平相關的輸入信號， 例如，4-20mA信號。調節器170接收來自HART 數據機的與輸出(被傳送的) HART 數字信息相關的第二輸入信號。HART 協議將置於過程控制迴路上的被傳送信息控制為具有受調製的ImA峰到峰(peak to peak)電流波形。因此，為了 HART 信息，分路調節器170必須調製迴路士0. 5mA。使迴路電流提高0. 5mA並不困難。然而，分路調節器170不能在迴路上施加負電流。因此，為了使迴路電流降低0. 5mA，必須有至少0. 5mA 的偏流已經流過調節器170。這暗示著必須為分路調節器170保留可用電流之外的0. 5mA電流，以允許HART 通信從而在低值報警電流電平下起作用；這是可用電流的14%。裝置160被約束在3. 6mA的電流預算中，3. 6mA中的3. ImA分配給電路作用，而0. 5mA被分配以偏壓分路調節器170。 功率收集的一個目標在於減少0. 5mA的分路調節器偏流，並使得該電流對裝置的電路來說是可用的。這可以通過調製串聯調節器路徑而非分路調節器路徑中的HART 電流而實現。在HART 數字調製的正半周期期間，從迴路獲得的多餘的能量存儲在大容量電容器中。在HART 調製的負半周期期間，從迴路獲得的能量減少，但是正半周期期間所存儲的能量增加。圖4是顯示這種構造的示意性簡化圖。圖4中與圖3中所選的那些元件類似的元件仍保留它們的號碼。參見圖4，分路調節器170偏流設為零，而整個3. 6mA 的可用電流分配給串聯調節器166。HART 傳送信息(transmit information)被提供給串聯調節器166，導致電流被調製士0. 5mA。電流通過與裝置電路168並聯連接的大容量電容器180。如果大容量電容器180位於電阻最小(即，大容量電容器180在HART 頻帶中的阻抗明顯小於電路168或分路調節器170的阻抗)的路徑上，這是一個可接受的假設。這些不是難以實現的設計要求，原因在於在HART 頻帶中，大容量電容器180的阻抗典型地小於250hm。注意，在圖4的構造中，HART 傳送信號(transmit signal)還傳遞到分路調節器170。這樣做是為了確保二線式迴路108上具有良好的HART 傳送波形(transmit waveform)。經過串聯調節器166的HART 電流波形中的任何不完整性將通過分路調節器170修正，從而在回流108上產生HART 適應波形(compliant waveform)。如果串聯調節器166 HART 波形足夠精確，那麼HART 傳送信號不需要給分路調節器170，並且因而簡化分路調節器170的設計。如果串聯調節器166波形準確，那麼可忽略的HART 傳送電流(transmit current)將經過分路調節器170，並且據說功率收集電路非常有效；幾乎可回收0. 5mA偏流中的全部。然而，如果串聯調節器166波形不準確，那麼明顯的HART 傳送電流將經過分路調節器170，並且據說功率收集電路無效；僅可回收0. 5mA偏流中的一部分。之前的實現HART 功率收集電路的嘗試成功有限。它們基本上涉及採用單個控制元件將收集功能加至串聯電壓調節器的電路的設計。這種電路166的簡化形式在圖5 中給出。在圖5中，運算放大器204基於來自場效應電晶體202的輸出的如由電阻器Rl和 R2所確定的負反饋控制場效應電晶體202。來自運算放大器204的輸出通過電阻器212提供給電晶體202。通過將受調製的數位訊號經電阻器208和電容器210應用到電晶體202， 將HART 傳送信號調製到電流迴路上。在圖5中，基於運算放大器的調節器還接受用於HART 收集的HART 傳送控制信號(Vtxa)，其造成迴路電流的調製。在這種情況下，運算放大器204作為控制元件運行並控制Vout，而不是HART 傳送電流。在圖5中， HART 傳送信號被注入FET202的柵極中。然而，還可以使用其它構造，例如將調製信號注入Rl和R2之間的節點，或者運算放大器204的Vref節點。輸出信號Vout由參考電壓(Vref)以及電阻器Rl和R2的值根據以下公式1所確定Vout = VrefX (Rl+R2)/R2公式 1[0038]這是在反饋路徑中使用傳輸電晶體(pass transistor) 202的常用的基於運算放大器的電壓調節器體系結構。HART 信號被田加至電晶體202的控制信號，這樣，當 HART 正在傳送時，IrnA的峰到峰(pk-pk)電流通過FET 202以及大容量電容器180，以實現HART 功率收集。運算放大器204的高增益允許輸出電壓Vout的精確控制。然而，運算放大器204 在HART 傳送波形的電流振幅的控制中不起任何作用。因此，HART 波形的精確度取決於各種電阻器和電容器的調整，以及諸如FET 202的有源元件的增益特徵。這些參數不能被很好地控制，並因此HART ·傳送波形不能被很好地控制。因此，圖5中所示的 HART 功率收集電路的效率相對匱乏。與從分路電路中回收0. 5mA的偏流相反，僅回收了很少的量(例如，0. 1或者0. 2mA)。本實用新型提供了一種電路和方 法，其通過串聯調節器精確地調節HART 傳送電流因而獲得更好的HART 收集效率。然而，所述構造還提供了充分的設計彈性，以解決其它關注問題，諸如至迴路電流的噪聲傳播。本實用新型在串聯調節器中採用兩個控制元件以實現電壓調節和HART 功率收集電流調節。兩個獨立的控制元件的使用允許改善輸出電壓和HART 傳送電流這兩個參數的控制。圖6中示出串聯調節器的方框圖。圖6中與之前所描述的元件類似的元件保留它們的數字。除了上述的分路調節器170之外，圖6中所示的構造包括並聯連接的電流調節器220和電壓調節器222，如將在以下更加詳細地描述的那樣。電壓調節器222將輸出電壓控制在預期平。電流調節器220被設置為具有至少0. 5mA並且優選為1. OmA或者更多的偏流。這種偏流流入電路168中，這樣它不會像它處於圖3的分路調節器構造中那樣會被浪費。當整個靜態電流設置為3mA或更高時，這個構造可以正確運行，原因在於總有流經兩個調節器220、222的電流。例如，當靜態電流為3mA時，在電流調節器220中可以存在ImA的偏流，而另外的2mA電流在電壓調節器222中。通過調整電壓調節器222中的電流彌補靜態電流Iq波動。儘管調節器220、222並聯連接，但兩者之間沒有爭用(contention)，因為調節器222調節電壓而調節器220調節電流。當HART 消息被傳送時，HART 調製(ImA pk-pk)在電流調節器220中疊加ImA偏流。因此，淨輸出電流為靜態電流Iq和HART 調製電流。電路168包括被構造成為調節器220提供TXA信號的HART 數據機。如上所述，電路168還將模擬4-20mA控制信號提供給分路調節器170。圖7中顯示串聯調節器的一種示例性方案的簡化示意圖。元件Al為用於電壓調節器222的控制元件，而元件A2為用於電流調節器220的控制元件。在圖7的示意圖中， 電壓調節器222使用場效應電晶體Ml以控制輸出電壓V。ut。使用運算放大器Al控制場效應電晶體M1，運算放大器Al接收與電壓參考電壓VMf相比較的負反饋。所述負反饋基於電阻器Rl和R2。使用場效應電晶體M2由電流調節器220調節電流IQUT。採用運算放大器A2 控制場效應電晶體M2，運算放大器A2通過電阻器R3和R4接收負反饋。感應電阻器Rs與 M2串聯放置，以提供與Iqut成比例的反饋電壓。使用Vtxa輸入將數位訊號調製到電流Iqut 上。可以使用電阻器R5和R6控制調製的量。電壓調節器輸出電壓與圖5中的表達相同[0046]Vout = Vref ~公式 2電流調節器220偏流取決於輸出電壓Vout，以及電路電阻。HART 調製電流取決於來自數據機的傳送信號(Vtxa)，以及電路電阻。電容器Ctx充分地足夠大，因此在 HART :頻帶中，它的阻抗明顯小於電阻器R6的阻抗，這允許在AC電路分析中忽略它。輸出電流如下得出
Γ T t Vout R3 ^ Ka(AC) R5 R3 + R4/K^lout =--+ 」--公式 3
Rs R4 Rs R5 + R6 RA 、
I-Il-1偏壓 HART調製在公式3中，Ytsam表示Vtxa的AC成分，因為電容器Ctx阻隔Vtxa的DC成分。在公式3的表達式中，所有參數都被很好地控制，這樣輸出電流Iout相對於預期偏流(例如 1mA)、以及HART 調製電流(ImAP-P)是精確的，這產生非常有效的HART 收集設計。雖然已經參考優選實施例對本實用新型進行了描述，本領域技術人員將認識到， 在不偏離本實用新型的精神和範圍內可以進行形式或者細節上的改變。雖然上述描述以 HART 協議為參考，但是本實用新型還可以與諸如基於Foundation Fieldbus 的通信系統之類的其它迴路通信構造一起使用。
權利要求1.一種用於在監測或者控制工業過程中使用的過程現場裝置，其特徵在於，該過程現場裝置包括第一迴路終端和第二迴路終端，所述第一迴路終端和第二迴路終端被構造成耦合至二線式工業過程控制迴路；現場裝置電路，所述現場裝置電路被構造成監測或者控制工業過程的過程變量，所述現場裝置電路由來自二線式工業過程控制迴路的功率供電；電流調節器，所述電流調節器與所述二線式工業過程控制迴路、所述第一迴路終端和第二迴路終端以及所述現場裝置電路串聯連接，所述電流調節器被構造成控制流過所述二線式工業過程控制迴路的迴路電流；和電壓調節器，所述電壓調節器與所述電流調節器並聯連接並且與所述二線式工業過程控制迴路、所述第一迴路終端和第二迴路終端以及所述現場裝置電路串聯連接，所述電壓調節器被構造成控制所述現場裝置電路上的電壓。
2.如權利要求1所述的過程現場裝置，其中，該過程現場裝置還包括與所述現場裝置電路並聯連接的被構造成儲存電能的大容量電容器。
3.如權利要求1所述的過程現場裝置，其中，該過程現場裝置還包括分路電流調節器， 所述分路電流調節器被構造成響應於測量到的過程變量控制流經過過程控制迴路的迴路電流。
4.如權利要求1所述的過程現場裝置，其中，所述電流調節器被構造成將數位訊號調製到流過所述二線式工業過程控制迴路的迴路電流上。
5.如權利要求4所述的過程現場裝置，其中，所述現場裝置電路包括與電流調節器耦合的被構造成調製所述數位訊號的數據機。
6.如權利要求1所述的過程現場裝置，其中，所述二線式工業過程控制迴路根據 HART 通信協議運行。
7.如權利要求1所述的過程現場裝置，其中，所述迴路電流在4mA和20mA之間變化並表示測量到的過程變量。
8.如權利要求1所述的過程現場裝置，其中，所述電壓調節器包括與所述二線式工業過程控制迴路和具有參考電壓輸入端的運算放大器串聯耦合的場效應電晶體。
9.如權利要求8所述的過程現場裝置，其中，所述電壓調節器在場效應電晶體的輸出端處接收與電壓相關的負反饋。
10.如權利要求1所述的過程現場裝置，其中，所述電流調節器包括與所述過程控制迴路和構造成接收調製的數位訊號的運算放大器串聯耦合的場效應電晶體。
11.如權利要求10所述的過程現場裝置，其中，所述電壓調節器接收與流過場效應電晶體的電流相關的負反饋。
專利摘要一種用於在監測或者控制工業過程中使用的過程現場裝置，包括第一迴路終端和第二迴路終端，所述第一迴路終端和第二迴路終端被構造成與二線式工業過程控制迴路耦合。現場裝置電路被構造成監測或者控制工業過程的過程變量。所述現場裝置電路由來自二線式工業過程控制迴路的功率供電。電流調節器與所述二線式工業過程控制迴路、所述第一終端和第二迴路終端以及所述現場裝置電路串聯連接。所述電流調節器被構造成控制流過所述二線式工業過程控制迴路的迴路電流。電壓調節器與所述電流調節器並聯連接並且與所述二線式工業過程控制迴路、所述第一終端和第二迴路終端以及所述現場裝置電路串聯連接。所述電壓調節器被構造成控制所述現場裝置電路上的電壓。
文檔編號G05B19/418GK202217172SQ20112015250
公開日2012年5月9日 申請日期2011年5月11日 優先權日2010年5月11日
發明者約翰·P·舒爾特 申請人:羅斯蒙德公司