專利名稱：具有可編程數(shù)字/模擬接口的現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過程設(shè)備，更具體地，本發(fā)明涉及現(xiàn)場安裝過程控制和測量設(shè)備。
背景技術(shù)：
過程設(shè)備用來測量和控制工業(yè)生產(chǎn)過程，例如石化產(chǎn)品精練、食品加工以及多種其他過程。過程測量設(shè)備包括過程變量傳送裝置，用來測量諸如壓力和溫度的過程變量，并將測量得到的變量與過程控制器通信。另一種類型的過程設(shè)備是諸如閥門控制器等的致動器。總的來說，通過使用通過過程控制環(huán)路進行通信的傳送裝置、致動器及過程控制器的組合來實現(xiàn)過程控制。兩種類型的過程設(shè)備均通過過程接口單元對物理過程相互作用。過程接口單元是將電信號與物理過程條件聯(lián)系在一起的設(shè)備，包括諸如傳感器、限制開關(guān)、閥門控制器、加熱器、電動機控制器等裝置，以及多種其他裝置。
典型地，過程控制器是放在與過程相分離的控制室的微型計算機?？刂破髂軌驈倪^程測量裝置接收過程信息，將合適的控制信號施加到一個或多個過程控制裝置來影響、進而控制過程。
為配合過程，傳送裝置和致動器通常被安裝在過程現(xiàn)場附近。這種物理上的鄰近可以使過程設(shè)備易受組合環(huán)境的挑戰(zhàn)。例如，過程設(shè)備通常遭受溫度極限、振蕩、腐蝕性和/或易燃性的環(huán)境以及電噪聲。為了抵抗這樣的條件，過程設(shè)備特別地被設(shè)計成“現(xiàn)場安裝”。這樣的現(xiàn)場安裝設(shè)備使用設(shè)計用來防爆的堅固外殼。另外，現(xiàn)場安裝的過程設(shè)備能被設(shè)計成具有描述成“本質(zhì)安全”的電路，這意味著即使在故障條件下，電路通常也不會包含足以產(chǎn)生火花的足夠電能。更進一步地，電絕緣技術(shù)通常被用來減小電噪聲效應(yīng)。這里有一些設(shè)計考慮的例子，所述設(shè)計考慮將現(xiàn)場安裝過程設(shè)備區(qū)別于其他設(shè)備，測量傳感器特性并提供表示這種特性的數(shù)據(jù)。
撇開上邊列舉的環(huán)境考慮，對現(xiàn)場安裝設(shè)備的另一個挑戰(zhàn)是布線。由于過程設(shè)備設(shè)置在靠近過程本身而遠離控制室的地方，通常需要長線將此設(shè)備與控制室相連。這些長線安裝昂貴并且難以維護。
減小必要的布線的一種方式是使用兩線過程設(shè)備。這些設(shè)備使用兩線過程控制環(huán)路連接到控制室。兩線設(shè)備從過程控制環(huán)路接收能量，通常以不受向過程設(shè)備供電影響的方式與過程控制環(huán)路通信。用于兩線通信的技術(shù)包括4-20mA信令、干線可尋址遠程換能器(HART)協(xié)議、FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線以及其他。盡管兩線過程控制系統(tǒng)使布線簡化，此類系統(tǒng)向連接其上的設(shè)備提供有限的電能。例如，一種根據(jù)4-20mA信令進行通信的設(shè)備只能抽取不超過4mA的電流，否則設(shè)備電流消耗將影響過程變量。兩線過程設(shè)備節(jié)儉的功率預(yù)算限制了可提供的功能。
通過過程通信環(huán)路實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場設(shè)備的發(fā)展在過程工業(yè)測量及控制領(lǐng)域展現(xiàn)出重大的優(yōu)勢，可是仍有很大困難存在。特別地，許多現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的安裝包括如果沒有上百種也有幾十種的不同過程設(shè)備，這些設(shè)備與位于不同地方的過程連接在一起并與在一個或多個控制器控制下的過程相互影響。
在不遠的過去，所有的現(xiàn)場設(shè)備都是基于模擬的現(xiàn)場設(shè)備。因此一方面，過程工業(yè)應(yīng)用曾經(jīng)或者仍在巨大的基于模擬的過程現(xiàn)場設(shè)備方面進行重大投資。即使具有顯著優(yōu)點的數(shù)字設(shè)備的到來，例如那些根據(jù)FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線過程通信協(xié)議通信的設(shè)備，模擬設(shè)備的擁有者在簡單通過將全部設(shè)備更換以獲得新技術(shù)方面，由于其中時間和投資原因，將會有一點挫折感。
在此存在一個提供設(shè)備或系統(tǒng)的重大需求，該設(shè)備或系統(tǒng)在易于實現(xiàn)數(shù)字過程控制和測量技術(shù)的同時，不需要此類設(shè)備的擁有者完全使其系統(tǒng)使用新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例通常提供一種可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備，該設(shè)備從一個或多個過程設(shè)備接收數(shù)字信息，提供關(guān)聯(lián)模擬輸出。本發(fā)明實施例包括向現(xiàn)場安裝過程設(shè)備提供無線接口，以便配置和/或診斷信息能夠在現(xiàn)場安裝過程設(shè)備及一個或多個附加設(shè)備之間通信。在一些實施例中，可以通過與之相連的數(shù)字過程通信環(huán)路對現(xiàn)場安裝過程設(shè)備進行完全供電。最后，本發(fā)明的實施例也包含產(chǎn)生和在現(xiàn)場安裝過程設(shè)備中存儲根據(jù)數(shù)字過程通信協(xié)議進行通信的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備與現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的模擬輸出之間的映射。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例使用兩線現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的過程控制系統(tǒng)的簡圖；圖2是圖1所示過程設(shè)備的系統(tǒng)框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例向現(xiàn)場安裝過程設(shè)備提供過程變量的方法的系統(tǒng)框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例操作現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的方法的系統(tǒng)框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的系統(tǒng)框圖；圖6是與多個數(shù)字過程設(shè)備和分布控制系統(tǒng)(DCS)一起工作的可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的系統(tǒng)框圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的典型映射的簡圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例，用于將大量傳感器測量結(jié)果復(fù)用和解復(fù)用成DCS的4-20mA的模擬輸入的三個可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的簡圖。
具體實施例方式
圖1所示的兩線可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備提供可適于實現(xiàn)改進的用戶產(chǎn)生控制算法，非常類似于那些用在傳統(tǒng)可編程邏輯控制器的算法。實施例可以包含輸入信道、輸出信道以及兩者的任意組合。通常地，每個信道與過程設(shè)備其余的信道隔離。這樣的隔離消除了目前限制多個輸入傳送裝置的接地環(huán)路誤差。最后，電源管理方式是使本發(fā)明的實施例由兩線過程環(huán)路14完全供電。通過以下附圖及相關(guān)描述，這些以及其他特征將變得更加清楚。
圖1是過程控制系統(tǒng)10的簡圖，控制系統(tǒng)10包括控制室12、過程控制環(huán)路14以及過程設(shè)備16。過程控制系統(tǒng)可以包括與控制室12相連的單一過程設(shè)備，然而，系統(tǒng)10也可以包括通過大量過程控制環(huán)路與一個或多個控制室相連的多個過程設(shè)備。
典型地，控制室12是包括微型計算機、并遠離設(shè)備16的設(shè)施。位于控制室12的用戶利用微型計算機，通過過程控制環(huán)路14與各種過程設(shè)備進行交互，從而從控制室控制過程。為了清楚，將控制室12圖示為單一的模塊。然而，在一些控制系統(tǒng)實施例中，控制室12事實上可以將過程控制環(huán)路14與全球計算機網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng))相連，因此遍及世界的用戶可以通過傳統(tǒng)的網(wǎng)頁瀏覽器軟件訪問過程設(shè)備16。
環(huán)路14是一個兩線過程控制環(huán)路。存在大量用于環(huán)路14通信的兩線過程通信協(xié)議，可以使用任何合適的協(xié)議。例如，HART協(xié)議、FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線協(xié)議以及Profibus-PA協(xié)議均可用于本發(fā)明實施例。環(huán)路14在提供不同設(shè)備之間的通信的同時，向連接其上的過程設(shè)備供電。
過程設(shè)備16包括蓋17和基座19，優(yōu)選地，都由適合的塑料材料構(gòu)成。為適于安裝，基座19與工業(yè)標準DIN軌道相匹配。在將要更加詳細的描述中，設(shè)備16適于僅在通過環(huán)路14接收的電能下操作，適用于現(xiàn)場安裝。因此，設(shè)備16被配置成可以抵抗相當大的溫度范圍(例如-40到85攝氏度)、機械振動以及超過90％的相對濕度。此類環(huán)境耐受性主要通過選擇魯棒的元件來實現(xiàn)，將在后續(xù)詳細說明中描述?？蛇x外殼18(虛線所示)提供附加的耐久性，并且可以是任何已知的外殼，例如，國家電子制造者協(xié)會(NEMA)外殼或者防爆外殼。圖1所示的過程設(shè)備實施例有大量的輸入和輸出，包括合適的計算電路(圖2所示)來執(zhí)行用戶產(chǎn)生的控制算法。算法包括大量將特定輸入事件與設(shè)備16控制的輸出相關(guān)的邏輯語句。用戶可以通過與設(shè)備16進行本地接口或者通過控制環(huán)路14與設(shè)備16通信改變算法。算法可以使用諸如分段傳遞式梯形邏輯(RLL)和順序函數(shù)圖(SFC)之類的通用邏輯發(fā)生軟件來產(chǎn)生。這樣，設(shè)備16可被看作一個兩線可現(xiàn)場安裝的可編程邏輯控制器。盡管描述將集中在如圖1和圖2所示的實施例上，但這樣的描述可以清楚地進行說明，所以使用獨立的輸入和輸出的實施例受到明顯的關(guān)注。傳統(tǒng)上具有設(shè)備16的計算能力的設(shè)備由于過高的功率制約，不能通過兩線過程控制環(huán)路操作。
過程設(shè)備16與傳感器20、22、24、26、28和30以及致動器32、34連接。傳感器20、22和24是已知類型的熱電偶，被連接到不同的過程點以提供各個過程點基于過程變量的電壓信號。電阻溫度設(shè)備(RTD’S)26、28和30也被連接到不同的過程點以提供基于各個過程點的過程溫度的電阻。RTD 26通過已知的三線連接與設(shè)備16相連，說明不同的配線模式可用在本發(fā)明的實施例中。致動器32和34被連接到過程設(shè)備16，并根據(jù)來自設(shè)備16的控制信號，操作適當?shù)拈y門、開關(guān)等。如上所述，設(shè)備16能執(zhí)行用戶產(chǎn)生的控制算法，將特定輸入條件與特定的輸出命令相關(guān)聯(lián)。例如，設(shè)備16可以感知過程流體的溫度，使致動器32控制連接到過程流體的加熱器，以將流體溫度保持在選定的水平。
圖2是圖1所示設(shè)備16的系統(tǒng)框圖。設(shè)備16包括環(huán)路通信裝置36、電源模塊38、控制器40、信道42、44、46和48以及存儲器52。環(huán)路通信裝置36連接到過程控制環(huán)路14，適于通過環(huán)路14進行雙向數(shù)據(jù)通信。環(huán)路通信裝置36能夠包括已知的通信裝置，例如傳統(tǒng)的FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線通信控制器等。另外，通信裝置36可以包括適合的隔離電路，以便符合工廠共有正式標準(FMAS)的本質(zhì)安全規(guī)范，“Intrinsically Safe Apparatus and Associated Apparatus for Use inClass I，II and III，Division 1 Hazardous(Classified)Locations”，該文分類號3610，1988年10月出版。
電源模塊38連接到環(huán)路14，以便電源模塊38基于從環(huán)路14接收的電能為設(shè)備16的所有元件供電。盡管電源模塊38具有單獨的用來說明電源模塊38向所有元件供電的箭頭50，但是值得注意的是此類電能可以提供多種電壓。例如，優(yōu)選地，電源模塊38包含提供多電壓電能的開關(guān)電源。因此，諸如A/D轉(zhuǎn)換器和隔離器的一些元件可以接收例如4.9V的較高電壓，而例如控制器40、存儲器52和環(huán)路通信裝置36這樣的低功率元件接收例如3.0V的較低電壓。另外，優(yōu)選地，電源模塊38的可編程能力可達這樣的程度，至少一種供電電壓能夠改變。電源模塊38的可選特性易于功率管理，這將在后邊的詳細說明中進行描述。
控制器40連接到存儲器52，執(zhí)行存儲在其中的程序指令。優(yōu)選地，存儲器52是工作在3.0V的低功率存儲器，例如可從夏普電子獲得的LRS 1331樣品。此外，存儲器52可以是“堆棧式”存儲器，其中可以在單一存儲器模塊上設(shè)置閃速存儲器和非易失性存儲器。用戶產(chǎn)生的控制算法或控制器40所執(zhí)行的“程序”可被用戶修改，不管是通過與設(shè)備16本地相連還是通過環(huán)路14訪問設(shè)備16。在一些實施例中，程序包括將過程事件輸入和控制器40所確定的輸出聯(lián)系起來的指令。在這一點上，設(shè)備16的功能類似于可編程邏輯控制器，是典型的不足以現(xiàn)場安裝且不能在兩線現(xiàn)場設(shè)備的低功率水平上操作的設(shè)備。然而，通過這樣提供可編程邏輯控制器的功能，更多的復(fù)雜過程控制算法能被通過(如分段傳遞式梯形邏輯等)用戶友好界面實現(xiàn)。
控制器40從模塊38接收能量并與環(huán)路通信裝置36通信。優(yōu)選地，控制器40包括低功率微處理器，例如，可從位于伊利諾伊州紹姆堡的摩托羅拉公司獲得的微處理器樣品MMC 2075。此外，優(yōu)選地，控制器40包括可選的內(nèi)部時鐘頻率，因此控制器40的時鐘速率、計算速度和功耗可以由通過環(huán)路14發(fā)送給設(shè)備16的適當命令進行選擇。由于高時鐘速度導致控制器40消耗更多能量，優(yōu)選地，控制器40的時鐘選擇以及電源模塊38向控制器40供電的電壓級別的選擇被協(xié)調(diào)處理。照這樣，設(shè)備16的處理速度和功耗是可選的且一起變化。
控制器40通過接口總線54連接到不同的信道，優(yōu)選地，接口總線54是設(shè)計用于高速數(shù)據(jù)通信的串行總線，例如同步外圍接口(SPI)。信道42、44、46和48分別通過通信隔離器56、58、60和62連接到總線54，優(yōu)選地，所述隔離器是已知光隔離器，但是也可以是任意適合的隔離裝置，例如電容器。在一些實施例中，信道42、44、46和48以并行方式提供數(shù)據(jù)，并行串行轉(zhuǎn)換器64用來在串行和并行方式之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換器64是通用異步接收機/發(fā)射機(UART)。
信道42連接到控制器40，包含傳感器終端1到n、復(fù)用器(MUX)66、模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器68、通信隔離器56以及能量隔離器70?？梢韵胂蟮氖?，將通信隔離器56、能量隔離器70結(jié)合在單獨電路中。優(yōu)選地，信道42適用于測量特定的傳感器類型，例如熱電偶、電阻溫度裝置、應(yīng)變儀、壓力傳感器以及其他傳感器類型。每個傳感器終端適于將一個單獨的傳感器連接到復(fù)用器66，例如熱電偶。復(fù)用器66選擇性地將傳感器之一連接到A/D轉(zhuǎn)換器68，以便傳感器的特征(例如熱電偶的電壓)被測到并且通過隔離器56和UART 64與控制器40通信。信道42的能量通過能量隔離器70從電源模塊38獲得。優(yōu)選地，能量隔離器70是個變壓器，但也可以是任意適用裝置。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當清楚，通信隔離器56和能量隔離器70協(xié)同確保信道42與設(shè)備16的其余裝置電隔離。
信道44與信道42類似，相似的元件用相同的編號。優(yōu)選地，信道44配置成用于測量與信道42的不同類型的傳感器。例如，在一個實施例中，信道42配置用來測量熱電偶的電壓，而信道44配置用來測量RTD的電阻。信道44中的每個傳感器終端因此被配置成以雙線、三線或四線(Kelvin)連接方式與RTD相連。因為信道42和信道44均與設(shè)備16的其他裝置電隔離，將第一獨立接地的傳感器連接到信道42，將第二獨立接地的傳感器連接到信道44，并不會導致不期望的接地環(huán)路錯誤的產(chǎn)生。此外，由于每個信道是為特定類型的傳感器設(shè)計的，例如A/D精度和轉(zhuǎn)換率這樣的參數(shù)能適應(yīng)特定的傳感器類型。例如，設(shè)計用于高精度的信道可以使用配置為具有非常高的精確度但具有相對較慢的轉(zhuǎn)換時間的A/D轉(zhuǎn)換器。相反地，設(shè)計用于測量改變較快的過程變量的傳感器的信道可以使用低精確度的高速A/D轉(zhuǎn)換器。實質(zhì)上，基于從控制器40接收的配置信息，任何傳感器輸入都可在電阻型傳感器操作及與電壓型傳感器操作之間進行切換。控制器40可以基于通過環(huán)路14或者通過本地輸入(未示出)接收到的信息提供配置信息。此外，控制器40可以為信道提供配置信息以便為每個信道甚或為每個傳感器調(diào)整模擬數(shù)字采樣速率。這在傳感器速率基于已知過程信息提前改變時是相當便利的。
信道46與信道42和44類似，然而，由于信道46被配置成接收數(shù)字輸入，它并不包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。如圖所示，輸入1到n被連接到復(fù)用器66，該復(fù)用器66通過通信隔離器60和UART 64，將選擇的輸入信號傳遞到總線54。在一些實施例中，輸入級可以是通過隔離器60直接提供給UART 64的數(shù)字輸入。數(shù)字輸入通常表示邏輯型信號，如限制開關(guān)中的接點閉合等。然而，數(shù)字輸入1到n也可以被連接到其他過程設(shè)備的數(shù)字輸出，從而使輸入表示諸如報警或其他布爾型信號的邏輯信號。
信道48與信道46類似，但是與信道46相比實際操作相反。因此，將通過UART發(fā)送到信道48的串行信息轉(zhuǎn)換成并行形式，并且通過通信隔離器62傳送，以設(shè)置各個致動器輸出。因而，邏輯信號被發(fā)送到標記為ACTUATOR 1到n的終端來促使連接到此終端(未示出)的致動器所期望地執(zhí)行和不執(zhí)行動作。此類致動器可以是任何適合的設(shè)備，諸如閥門控制器、加熱器、電動機控制器以及任何其他合適的裝置。實質(zhì)上，任何可基于邏輯型輸出尋址的設(shè)備都是致動器。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例向現(xiàn)場安裝過程設(shè)備提供過程變量的方法的系統(tǒng)框圖。本方法開始于方框80，其中現(xiàn)場安裝過程設(shè)備通過兩線過程控制環(huán)路完全供電。方框82中，過程設(shè)備通過第一隔離輸入信道連接到第一傳感器。通過第一隔離輸入信道獲得傳感器信號，所述信號表示過程變量。方框84中，過程設(shè)備通過第二隔離輸入信道連接到第二傳感器，以便獲得第二傳感器信號。由于第一和第二輸入信道是隔離的，第一和第二傳感器的獨立接地將不會引起不需要的接地環(huán)路錯誤。方框86中，過程設(shè)備基于一個或兩個傳感器信號計算過程變量。此外，盡管本方法根據(jù)兩個傳感器的情況進行描述，可使用大量附加的傳感器，從而使過程變量成為任意數(shù)量的傳感器信號的函數(shù)。例如，過程設(shè)備可以將傳感器值進行平均，提供其差值、標準方差以及其他合適的函數(shù)。方框88中，輸出計算的過程變量。此類輸出可以是通過過程控制環(huán)路、邏輯顯示器或通過輸出信道實現(xiàn)的本地輸出進行發(fā)送的信息的形式。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例操作現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的方法的系統(tǒng)框圖。方框80中，設(shè)備完全通過兩線過程控制環(huán)路供電。方框92中，設(shè)備接收輸入。該輸入可以是通過輸入信道接收的信號的形式，例如上述多路隔離輸入信道，可以是通過兩線過程控制環(huán)路接收到的過程信息的形式，也可以是本地輸入的形式，或者是任何輸入信號和信息的組合。方框94中，設(shè)備執(zhí)行用戶可編程邏輯，使輸入信息和一個或多個過程輸出聯(lián)系起來。用戶可編程邏輯可以是諸如梯形邏輯、SFC、模糊邏輯、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等簡單或復(fù)雜的算法。方框96中，設(shè)備提供通過用戶可編程邏輯的操作而確定的輸出。輸出可以是邏輯輸出，數(shù)字或模擬均可，輸出也可以作為信息被發(fā)送到兩線過程控制環(huán)路上。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的系統(tǒng)框圖。可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備116與設(shè)備16類似，同樣的元件標號也相同。設(shè)備116和設(shè)備16之間的主要差別是設(shè)備116被配置成具有大量的模擬輸出118，模擬輸出118被配置成基于從控制器40接收的控制信號，產(chǎn)生模擬輸出信號。優(yōu)選地，每個信道或者模塊142、144、146和148與設(shè)備116的其余部分隔離。一種類型的非常有用的模擬信號是4-20mA信號的產(chǎn)生或控制。這是由于很多較早的過程設(shè)備及控制系統(tǒng)以電流值范圍在4-20mA之間的電流作為通信時的過程變量。
模塊142包括通過復(fù)用器66連接到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器130的四個模擬輸出118。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器130可以是從控制器40接收數(shù)字信號并且相應(yīng)產(chǎn)生對應(yīng)于數(shù)字輸入的模擬輸出的任意裝置。復(fù)用器66與控制器40通信并且選擇性地將一個或多個所選中的模擬輸出118連接到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器130。
模塊144與上述模擬輸入模塊類似。然而，每個模擬輸入119被配置成從其中接收電流。復(fù)用器66將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器68連接到控制器40所選的一個或多個輸入119。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器68提供與通過所選輸入119的電流相關(guān)的控制器40的指示。4-20mA模擬輸入的使用允許設(shè)備116接收模擬控制信號、過程變量信息，及其基于接收到的模擬輸入，調(diào)整或修改其操作。這樣，設(shè)備116能夠從模擬分布控制系統(tǒng)(DCS)中接收諸如設(shè)置點之類的模擬信息。另一方面，如果此類信息可以通過無線通信模塊120傳送到設(shè)備116，這將在下面非常詳細地描述。這也允許DCS向最終控制元件發(fā)送信號，不管此信號是模擬的還是射頻數(shù)字信號。
除了一個重要的區(qū)別，模塊148與模擬輸出模塊142和148類似。模塊148包括干線可尋址遠程換能器(HART)通信芯片150。HART是其中數(shù)字信號疊加在4-20mA電流等模擬信號上的混合協(xié)議。HART是已知的過程工業(yè)標準通信協(xié)議。每個模擬輸出152均可連接到HART裝置。盡管在圖5中示出了包含兩個模擬輸出模塊、一個模擬輸入模塊和一個HART模塊的可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備，在本發(fā)明的實施例中也可以使用其他的組合。
優(yōu)選地，設(shè)備116也包括通過天線122發(fā)射和/或接收無線數(shù)據(jù)的無線通信模塊120。無線通信模塊120連接到控制器40，基于來自控制器40的命令和/或數(shù)據(jù)，通過天線122與外部無線通信裝置相互作用。無線通信模塊120可以通信過程相關(guān)信息，也可以通信設(shè)備相關(guān)信息。依賴于應(yīng)用，無線通信模塊120可以適于根據(jù)任何合適的無線通信協(xié)議通信，包括但是不限于無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(例如，由位于加利福尼亞州歐文市的Linksys所建立的IEEE 802.11b無線接入點及無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備)、蜂窩或數(shù)字聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(例如，位于加利福尼亞州圣何塞市的Aeris通信公司的Microburst技術(shù))、超寬帶、自由空間光通信、全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)、碼分多址(CDMA)、擴頻技術(shù)、紅外通信技術(shù)、SMS(短消息服務(wù)/文本消息)或任意其他合適的無線技術(shù)。此外，可使用已知的數(shù)據(jù)沖突技術(shù)，從而多個單元可以在相互的無線操作范圍之內(nèi)共存。此類沖突防止可以包含使用大量不同射頻信道和/或擴頻技術(shù)。
無線通信模塊120也可包括針對多種無線通信方法的換能器。例如，主要的無線通信可以通過使用相對長距離的通信方法來執(zhí)行，例如GSM或者GPRS，而次要或附加的通信方法可供單元附近的技術(shù)員或操作者使用，例如，IEEE 802.11b或者藍牙。
一些無線通信模塊可以包括能與全球定位系統(tǒng)(GPS)相互作用的電路。GPS可被很好地用在作為移動裝置的設(shè)備116中，以便允許找到位于遠程位置的各個設(shè)備116。然而，也可使用基于其他技術(shù)的位置傳感。
為了將過程信息從數(shù)字過程設(shè)備傳送到基于模擬的過程設(shè)備(例如通過4-20mA環(huán)路)，設(shè)備116在存儲器52或其他合適的存儲器中存儲映射，該映射是通過過程工業(yè)標準通信環(huán)路或通過無線通信模塊120連接到環(huán)路通信裝置36的一個或多個過程設(shè)備之間的映射。例如，映射可以包括以下條目指示應(yīng)當將由與環(huán)路通信裝置36相連的FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線溫度傳送裝置提供的過程流體溫度輸出路由到特定的模擬輸出124和128。此外，該映射可以包含在設(shè)定模擬輸出之前由設(shè)備116對接收到的現(xiàn)場總線溫度信息執(zhí)行的附加硬編碼或用戶規(guī)定的操作。例如，可以通過經(jīng)由通信裝置36或無線通信模塊120與設(shè)備116進行交互，可編程地設(shè)置或改變增益和/或范圍。
優(yōu)選地，映射由用戶或者技術(shù)人員生成，該技術(shù)人員了解任何已連接設(shè)備(通過環(huán)路通信裝置36或無線通信模塊120連接)。獲得此類信息可能簡單到技術(shù)人員本地向設(shè)備116提供信息，或者可以通過自動檢測獲得。在一個實施例中，設(shè)備116的用戶將通過使用任意合適的無線通信技術(shù)的無線通信模塊120與設(shè)備116相互作用。此外，設(shè)備116可以任意合適的格式通過無線通信模塊120向用戶給出其配置信息和/或診斷信息。一種特定的格式是HTML格式，據(jù)此設(shè)備116需要向技術(shù)人員提供網(wǎng)絡(luò)接口。
在技術(shù)人員與設(shè)備116相互作用，并獲得已連接設(shè)備的信息時，優(yōu)選地，設(shè)備產(chǎn)生來自特定的數(shù)字過程設(shè)備的過程變量信息(例如，F(xiàn)OUNDATIONTM現(xiàn)場總線傳送裝置的AI.out)和設(shè)備116的特定模擬輸出之間的映射。在一個實施例中，設(shè)備116能夠存儲將8個數(shù)字過程設(shè)備與8個不同的4-20mA模擬輸出相關(guān)聯(lián)的映射。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當意識到，根據(jù)本發(fā)明實施例，可以使用更多或更少的映射。此外，由于每個模擬輸出只能傳送單一參數(shù)(例如，介于4到20mA之間的特定電流)，通過無線通信模塊120，可以向任意合適的裝置傳送裝置116通過環(huán)路通信裝置36接收的附加信息。因此，存儲在設(shè)備116中的映射可將來自給定數(shù)字過程設(shè)備的信息(例如，過程溫度)與特定的模擬輸出聯(lián)系起來，來自相同數(shù)字過程設(shè)備的任意附加信息將通過模塊120被傳送到映射中所指定的一個或多個裝置。這樣，來自數(shù)字過程設(shè)備的附加診斷以及其他信息能被無線傳送到DCS或其他工作站點。
圖6是與多個數(shù)字過程設(shè)備和分布控制系統(tǒng)(DCS)一起工作的現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的系統(tǒng)框圖?，F(xiàn)場安裝過程設(shè)備116通過4路不同的模擬通信路徑連接到DCS 200。設(shè)備116在通過模擬輸入AIn1從DCS200接收模擬信號的同時，向DCS 200提供模擬輸出AO1、AO2和AO3。設(shè)備116通過環(huán)路通信裝置36連接到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)202(如圖5所示)。在圖6所示的示例中，4個數(shù)字過程設(shè)備也連接到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)202。裝置D1是過程流體溫度傳送裝置，可操作地連接到過程流體，在網(wǎng)絡(luò)202中傳送與過程流體溫度相關(guān)的數(shù)字數(shù)據(jù)。裝置D2是過程流體壓力傳送裝置，可操作地連接到過程流體，在網(wǎng)絡(luò)202中傳送與過程流體壓力相關(guān)的數(shù)字數(shù)據(jù)。裝置D3是過程流體pH值傳送裝置，可操作地連接到過程流體，在網(wǎng)絡(luò)202中傳送與過程流體pH值相關(guān)的數(shù)字數(shù)據(jù)。裝置D4是過程流體閥門控制器，響應(yīng)于通過網(wǎng)絡(luò)202接收到的信息，控制與之相連的閥門。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的典型映射的簡圖。映射300可以在系統(tǒng)配置時傳送到設(shè)備116或者在其中生成。映射300存儲在設(shè)備116內(nèi)的計算機可讀介質(zhì)(例如，存儲器)中，優(yōu)選地，非易失性存儲器，使來自特定設(shè)備的數(shù)字信息與模擬輸入/輸出聯(lián)系起來。例如，映射300示出了將設(shè)備D1映射到模擬輸出AO2。因此，設(shè)備116將接收D1通過環(huán)路202進行通信的過程流體溫度信息，并轉(zhuǎn)換成在模擬輸出AO2上提供的模擬輸出，并最終由DCS 200接收。此外，分別由裝置D2和D3測量和傳送的壓力和pH值將分別被轉(zhuǎn)換成模擬輸出AO3和AO1上的模擬信號。這樣，DCS能夠接收重要的過程變量信息，即使其可能并不能接收或理解FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線信號。一旦DCS 200計算或者換句話說獲得它的控制輸出時，模擬控制輸出通過設(shè)備116的模擬輸入AIn1傳送到設(shè)備116。然后，設(shè)備116將模擬信號轉(zhuǎn)換成影響模擬控制信號的FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線信號，將數(shù)字信號通過環(huán)路122傳送給閥門控制器D4。
映射300也可以由用戶或者現(xiàn)場技術(shù)人員改變，通過在本地與設(shè)備116相互作用或通過其無線通信模塊120。事實上，在HART兼容設(shè)備連接到設(shè)備116的模擬輸出模塊的實施例中，可通過設(shè)備116的無線通信模塊120遠程配置此類HART兼容設(shè)備。
圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的三個可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的簡圖，用于將大量傳感器測量結(jié)果復(fù)用和解復(fù)用到DCS的4-20mA模擬輸入。系統(tǒng)400包括通過數(shù)字過程通信環(huán)路202與另一可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備116相連的一對可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備16(參照上述圖2)。當如此配置時，設(shè)備116能夠請求選擇設(shè)備16及與之相連的特定傳感器來讀取數(shù)據(jù)。然后，可以將測量的結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬電流，并提供給DCS 200。設(shè)備116也可以通過無線通信模塊120來傳送附加數(shù)據(jù)(圖8中未示)。
盡管至此的描述集中在將離散的數(shù)字過程設(shè)備映射到可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的各個模擬輸入或輸出，本發(fā)明的實施例也包括將由單一數(shù)字過程設(shè)備提供的多個參數(shù)映射到多個模擬輸入/輸出。例如，過程流體溫度傳送裝置可以具有映射到第一模擬輸出的過程變量輸出，同時具有映射到第二模擬輸出的另一數(shù)量，如測量可信度等。
相信本發(fā)明的具體實施例將允許基于模擬的控制系統(tǒng)與新的數(shù)字過程設(shè)備相互作用。而且，超出過程變量的數(shù)字信息可被提供給一個或多個選中的數(shù)字設(shè)備，從而利用數(shù)字通信過程設(shè)備的數(shù)字通信性能。
雖然本發(fā)明的已參照具有四個信道的兩線過程設(shè)備的具體實施例進行了描述，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當清楚，在不背離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明在形式或細節(jié)上進行改變。例如，盡管不同的模塊被分別說明和描述，可以容易地想到一些此類模塊可被物理地包含在一起，例如，在特定用途集成電路上。另外，盡管控制器40被描述成單一模塊，其功能可分布在多個微處理器上，從而使一個微處理器能夠提供低電平I/O相互作用，例如校準、線性化等，而第二微處理器執(zhí)行用戶產(chǎn)生控制算法。此外，盡管描述集中在通過所公開的信道來提供輸入輸出，可以容易地想到可以通過過程控制環(huán)路從/向其他過程設(shè)備通信一些過程輸入或過程輸出。
權(quán)利要求
1.一種可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備，包括環(huán)路通信裝置，配置用于連接到過程通信環(huán)路以及通過環(huán)路進行數(shù)字通信；存儲器，配置用于存儲映射，所述映射將與連接到過程通信環(huán)路的第一數(shù)字過程設(shè)備相關(guān)的第一數(shù)字參數(shù)與第一模擬模塊聯(lián)系起來，以及將第二數(shù)字參數(shù)與第二模擬模塊聯(lián)系起來；控制器，連接到環(huán)路通信裝置，配置用于在第一參數(shù)和第一模擬信號信息之間以及第二數(shù)字參數(shù)和第二模擬信號信息之間進行轉(zhuǎn)換；第一模擬模塊，可操作地連接到控制器，配置用于傳送與第一模擬信號信息有關(guān)的第一模擬信號；以及第二模擬模塊，可操作地連接到控制器，配置用于傳送與第二模擬信號信息有關(guān)的第二模擬信號。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一模擬模塊是模擬輸出模塊。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述第一模擬模塊包括HART數(shù)字通信芯片。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述第二模擬模塊是模擬輸出模塊。
5.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述第二模擬模塊是模擬輸入模塊。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一和第二模擬模塊是模擬輸入模塊。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括電源模塊，配置成連接到過程通信環(huán)路，并且以從環(huán)路收到的能量對所述設(shè)備進行完全供電。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述環(huán)路通信裝置是FOUNDATION現(xiàn)場總線通信裝置。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括連接到控制器的無線通信模塊。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是可通過無線通信模塊配置的。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述第一過程設(shè)備通過環(huán)路通信裝置提供附加的數(shù)字信息，所述控制器使無線通信模塊基于附加的數(shù)字信息進行發(fā)射。
12.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述映射是可改變的。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述映射通過無線通信模塊改變。
14.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一模擬模塊將4-20mA的模擬信號與第一模擬信號信息聯(lián)系起來。
15.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述控制器進一步被配置成根據(jù)第一參數(shù)執(zhí)行操作。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述附加操作是在映射中規(guī)定的。
17.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述控制器執(zhí)行控制功能，并基于控制功能，產(chǎn)生控制輸出。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述控制輸出通過環(huán)路通信裝置傳送。
19.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第二數(shù)字參數(shù)與連接到過程通信環(huán)路的第二數(shù)字過程設(shè)備有關(guān)。
20.一種可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備內(nèi)的計算機可讀介質(zhì)，其中所述計算機可讀介質(zhì)包括將第一數(shù)字過程設(shè)備與可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的第一模擬模塊相關(guān)聯(lián)的第一關(guān)系；和將數(shù)字過程設(shè)備與可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備的第二模擬模塊相關(guān)聯(lián)的第二關(guān)系。
21.一種過程控制系統(tǒng)，包括分布控制系統(tǒng)，具有至少一個模擬通信信道；可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備，具有與分布控制系統(tǒng)的至少一個模擬通信信道相連的模擬模塊，還具有與數(shù)字過程通信環(huán)路相連的環(huán)路通信裝置；和連接到數(shù)字過程通信環(huán)路的至少一個過程設(shè)備；以及其中，可現(xiàn)場安裝過程設(shè)備在沿著至少一個模擬信道傳送的模擬信號、以及通過環(huán)路通信裝置向或從至少一個過程設(shè)備傳送的數(shù)字信號之間進行轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明的實施例主要提出了可現(xiàn)場安裝的過程設(shè)備(16、116)，該過程設(shè)備從一個或多個過程設(shè)備(D1、D2、D3、D4)接收數(shù)字信息，提供相應(yīng)的模擬輸出。本發(fā)明的實施例包括向現(xiàn)場安裝過程設(shè)備(116)提供無線接口(120)，以便配置和/或診斷信息能在現(xiàn)場安裝過程設(shè)備(116)及一個或多個附加設(shè)備之間通信。在一些實施例中，可以通過與之相連的數(shù)字過程通信環(huán)路(14)對現(xiàn)場安裝過程設(shè)備(16、116)進行完全供電。最后，本發(fā)明實施例還包括在現(xiàn)場安裝過程設(shè)備(16、116)中產(chǎn)生和存儲映射(300)，該映射是根據(jù)數(shù)字過程通信協(xié)議進行通信的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場安裝過程設(shè)備(16、116)的模擬輸出之間的映射。
文檔編號G05B19/042GK1926486SQ200580006544
公開日2007年3月7日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月2日
發(fā)明者羅伯特·J·卡斯克里亞, 馬考斯·佩魯松 申請人:羅斯蒙德公司