CN101411118A - 功率传输现场装置 - Google Patents

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Abstract

一种装置(10)和方法，用于将电能从现场总线过程通信环(12)传输到根据不同过程通信协议操作的至少一个其它过程通信环(24)。电能传输装置(10)可连接到现场总线过程通信环路(12)和第二过程通信环路(24)。该电能传输装置(10)由现场总线过程通信环路(12)整体供电，并被构造成将至少一些电能供应到第二过程通信环路(12)。

Description

功率传输现场装置
技术领域
提供了一种装置和方法，用于将电能从现场总线过程通信环路传输到根据不同过程通信协议操作的至少一个其它过程通信环路。
背景技术
诸如在化学、石油或其它过程中使用的那些过程控制系统，通常包括至少一个中央过程控制器，其通过模拟和/或数字总线或其它通讯线或电路，通讯地连接到至少一台主机或操作员工作站，并连接到一台或多台现场装置。该现场装置例如可包括阀、阀定位器、开关、过程变量发送器(例如，温度、压力和流速传感器)等，它们执行诸如打开或关闭阀和测量过程参数的过程内的功能。该过程控制器经输入/输出(I/O)装置接收信号，该信号表示通过现场装置产生的过程测量值和/或与现场装置有关的其它信息；使用这种信息以执行控制程序；并且然后产生控制信号，该控制信号输入/输出装置通过总线或其它通讯电路发送到现场装置，用以控制过程的操作。来自现场装置和控制器的信息通常可用于由操作工作站执行的一个或多个应用，以执行关于过程的任何适当的功能，诸如观看过程的当前状态、修改过程的操作、配置过程、将过程编译成文件及其它。
在过去的大约十年的时间中，包括微处理器和存储器的智能现场装置已在过程控制工业界变得越来越流行。除了执行过程内的主要功能外，智能现场装置可存储与装置有关的数据，与采用数字格式或数字和模拟组合格式的控制器与/或装置进行通讯，和执行诸如自校准、标识、诊断等等的辅助任务。
在过去，开发了标准通信协议，以使来自不同制造商的控制器和现场装置能够使用标准格式交换数据。然而，在许多情况下，即使在相同的工厂或设施内，通信协议中的变化使它们适用于一些环境，同时其它的更适用于别处的环境。例如，4-20毫安(mA)协议具有良好的抗扰性，但需要专用布线。高速以太网(HSE)协议会很快，但经常需要昂贵的重新布线。诸如控制器域网(CAN)，
Figure A20078001048400061
HI，FoundationTM现场总线(″现场总线″)等的其它协议具有诸如电缆延伸的最大长度、多点/单点(multidrop/single drop)、固有安全(用于曝露的环境)、抗扰度、向后兼容、补充电源及其它特征和缺陷。有时，这些特性经常规定使用一种协议及其关联的布线，即使它不适用于整个工厂或设施。
目前，多过程工业标准通信协议之间的互操作性已在开发中。存在实现跨协议通信的技术。例如，美国专利申请序号10/354,52、题为“INTERFACE MODULE FOR USE WITH A MODBUS DEVICENETWORK AND A FIELDBUS DEVICE NETWORK”的专利文件提供了两个过程工业标准通信协议之间数据通信的一个典型说明。在这种跨协议通信在过程通信监控和控制的领域中表现出了明显的进步，但还可以进行其它的改进。
发明内容
提供了一种装置和方法，用于将电能从现场总线过程通信环路传输到根据不同过程通信协议操作的至少一个其它过程通信环路。功率传输装置可连接到现场总线过程通信环路和第二过程通信环路。该功率传输装置由现场总线过程通信环路整体供电，并被构造成将至少一些电能供应到第二过程通信环路。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的通过功率传输装置连接在一起的一对过程控制网络的示意图。
图2是根据本发明的实施例的功率传输装置的示意图。
图3是根据本发明的另一实施例的功率传输装置的示意图。
图4是用于将电能从现场总线段传输到根据不同过程通信协议操作的现场装置的无源电路的电路图。
图5是用于将电能从现场总线段传输到根据不同过程通信协议操作的现场装置的有源电路的电路图。
具体实施方式
本发明的实施例通常消除在现场总线过程通信环路中存在的一部分过剩电能，或另外转移过程通信环路中存在的一部分过剩电能，并将这种过剩能量提供给根据不同过程通信标准协议操作的分离过程通信环路。现场总线是限定在过程控制环路上传输信息的通信层或协议的通信协议。现场总线协议规范是在1992年由美国仪器协会(InstrumentSociety of America)发布的ISA-S50.01.1992。如在这里使用的，“现场总线”将直接或相反地包含符合上面列出的规范的任何过程通信协议。该现场总线协议是为用于过程控制网络开发的全数字通信协议。特别地，现场总线协议与使用现场总线协议通信的装置相联通的方式和在该装置中存储数据的方式在题为“Communications TechnicalSpecification and User Layer Technical Specification”的FieldbusFoundation手册中详细说明。
该现场总线协议是全数字、串行、双路通信协议，提供对两线环路或诸如位于工厂或车间的仪器或过程控制环境中的诸如传感器、发射器、致动器、控制器、阀等的现场装置的总线互连现场设备或装置的标准物理接口。该现场总线协议实际上提供了一种用于过程内的现场仪器或装置的局域网，使这些现场装置能够在遍布过程设施中的位置处执行控制功能，并在执行这些控制功能之前和之后，彼此通信以实现总体控制策略。
图1是根据本发明的一个实施例的通过功率传输装置连接在一起的一对过程控制网络的示意图。功率传输装置10被连接到现场总线通信环路12，该环12被连接到现场总线装置14，16和18。现场总线装置14，16和18能够是任何适合的现场装置，包括控制器、过程变量发射器、阀、阀致动器或其它现场装置。图1显示了沿表示其它现场总线现场装置可连接到其上的线20连续的现场总线环路12。此外，现场总线通信环路12被连接到诸如控制间的电能源。根据本发明的实施例，功率传输装置10沿总线24也被连接到至少第二过程通信网络22，其总线24被连接到现场装置26和28。在一个实例中，第二过程通信网络22是根据
Figure A20078001048400081
过程通信协议操作的过程通信网络。第二通信网络22显示为HART网络，但本领域中的那些技术人员将认识到：网络22能够是任何包括但不局限于：Modbus(RS45)协议；控制器域网络(CAN)协议；无线通信；更低电源电压指示；和4-20-毫安过程通信信号的现场总线网络。
如图1所示，过程通信网络22不需要总线24延伸到其它装置以接受电能。代替地，根据本发明的实施例，功率传输装置10将至少一些过剩电能从现场过程通信环路12传输到第二过程通信环路24。这为现场装置26和28’的通电和相互操作提供了操作能量，该现场装置26和28′根据第二过程通信协议通信。可选地，功率传输装置10可被连接到用于配置与/或监控的计算机或工作站30。另外，可以想到：计算机或工作站30与功率传输装置10之间的连接可经现场总线通信环路12的通信实现。
图2是根据本发明的一个实施例的功率传输装置10的示意图。功率传输装置10包括可连接到现场总线过程通信环路12的多个端子32。现场总线通信模块34可以是能够在根据现场总线规格在现场通信环路12传输数据的现在商业可用或以后开发的任何适合的现场总线通信模块34。电源模块36被连接到端子32，并从现场总线通信环路12接收电能，并将电能提供给现场总线通信模块34和控制器38，使得：装置10通过从现场总线通信环路接收的电能整体供电。电源模块36也被连接到多个端子40，端子40可连接到第二过程通信环路24。采用这种方式，电源模块36能够从现场总线通信环路12接收至少一些电能，并为环路24提供电能。此外，在控制器38的命令下，电源模块36可有选择地允许或禁止从环路12到环路24传输电能。
图3是根据本发明的另一实施例的功率传输装置50的示意图。在许多方面，装置50与装置10相似，并且相同的部件具有相同的附图标记。然而，装置50包括在一个实施例中是HART通信模块的第二通信模块52。HART通信模块52由从电源模块36接收的能量供电，并被连接到端子40。模块52适用于根据第二通信协议的通信。因此，模块52可发送数据并从第二过程通信环路24接收数据。因此，在第二过程通信环路24上，模块52允许控制器38与一个或多个现场装置相互作用。虽然图3显示模块52提供HART通信模块，但可以使用根据任何适合的过程通信标准的任何通信模块，例如，模块52可以允许实现与Modbus(RS45)协议、控制器区域网络(CAN)协议、无线通信、低电源电压指示和4-20毫安过程通信信号装置通信。适用于模块52的无线通信的实例包括但不局限于：无线网络技术(诸如IEEE802.11b无线接入点和由Linksys of Irvine，California制造的无线网络装置)；蜂窝或数字网络技术(诸如由Aeris Communications Inc.of SanJose，California制造的)；特宽带；自由空间光通信；全球移动通信系统(GSM)；通用分组无线业务(GPRS)；码分多址(CDMA)；扩谱技术；红外通信技术；SMS(短信业务/文本消息)；或任何其它适合的无线技术。
可以想到：本发明的实施例也适用于以下情况或应用：为第二过程通信环路提供能量所需的能量的量超过在现场总线过程通信环路上稳定状态条件下可用的能量的量。在这种情况下，电源模块36包括图3中阴影所示的能量存储元件54是有用的。因此，用本发明的实施例从现场总线过程通信环路提取或调出最大可用过剩能量以用于使用。然后，当充足的能量存在于能量存储装置54内，以为第二过程通信环路24提供能量时，控制器38使电源模块36将在存储装置54中存储的能量提供给第二过程通信环路。当能量存储装置54充分耗尽，或过程操作结束时，控制器38使电源模块36禁止将能量传输到第二过程通信环路24，并且过剩能量开始再次存储在存储装置54。这种过程能够以周期间隔重复，或在装置50经现场总线通信网络12接收到命令或接收到通过操作员与装置50的本地操作员接口相互作用的命令时，自动或手动实现。
图4是将电能从现场总线段分接或传输到根据不同过程通信协议操作的现场装置的电路的电路图。在端子102，104处，电路100被连接到现场总线段114。端子102经之间串联的电感器L1和电阻R1被电连接到端子106。类似地，端子108经串联的电感器L2和晶体管R3被连接到端子104。最后，端子106和108经与电容C1串联布置的电阻R2被电连接在一起。该第二过程通信环路110(在这个实例中，4-20毫安HART环)被连接到端子106和108，并允许4-20毫安HART装置112从环110取得所有需要的操作电能。图4中所示的电路100利用能量存储元件和有源与/或无源滤波器、以防止4-20毫安
Figure A20078001048400101
信号和现场总线信号相互干扰的方式提供从现场总线段114分接的电能。元件L1，L2，R1，R2，R3和C1的实际值能够被调整用于每种应用。此外，电路100能够包含在可连接到现场总线过程通信环路的装置10、装置50或任何其它适合的现场装置，并且，为第二过程通信环路提供另外电能将会是有益的。因此，电路100能够被包含在过程变量发射器、阀、阀致动器、控制器或任何其它适合的现场装置内。
图5是将电能从现场总线段传输到根据不同过程通信协议操作的现场装置的另一电路的电路图。电路130使用有源电路部件，以将来自现场总线段114的至少一些电能传输到HART装置112。现场总线段114被连接到电路130的节点132和134。节点134被连接到直接连接到HART装置112的节点138。电阻R1和R2被串联布置在节点132和134之间，节点135被设置在节点132和134之间。节点135被连接到运算放大器140的倒相输入，同时运算放大器140的倒相输入经电阻R3连接到节点132。运算放大器140的输出被连接到PNP晶体管142的基极。晶体管142的发射极被连接到连接到运算放大器140的倒相输入的节点136。晶体管142的集电极被连接到连接到HART装置112的节点144。齐纳二极管146被设置在节点144和138之间。
虽然本发明是参考优选实施进行描述的，但本领域中的技术工作人员将会意识到：在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。

Claims (19)

1.一种现场设备，包括：
现场总线通信模块，所述现场总线通信模块可操作地连接到现场总线过程通信环路；
电源模块，所述电源模块可连接到现场总线过程通信环路，所述电源模块被配置成利用从现场总线过程通信环路接收的能量对整个现场设备供电；
控制器，所述控制器连接到现场总线通信模块和电源模块；
多个端子，所述多个端子可操作地连接到电源模块，并可连接到第二、非现场总线过程通信环路，以通过第二、非现场总线过程通信环路提供电能。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其中：所述控制器被配置成可选择性地使电源模块为第二、非现场总线过程通信环路提供电能。
3.根据权利要求1所述的现场设备，并且还包括：第二、非现场总线通信模块，所述第二、非现场总线通信模块被连接到控制器和多个端子。
4.根据权利要求3所述的现场设备，其中：所述第二、非现场总线通信模块是4-20mA模块。
5.根据权利要求4所述的现场设备，其中：所述4-20mA模块适用于根据HART协议通信。
6.根据权利要求3所述的现场设备，其中：所述第二、非现场总线通信模块适用于根据Modbus协议通信。
7.根据权利要求3所述的现场设备，其中：所述第二、非现场总线通信模块适用于根据控制器区域网络(CAN)协议通信。
8.根据权利要求3所述的现场设备，其中：所述第二、非现场总线通信模块适用于根据无线协议通信。
9.根据权利要求1所述的现场设备，并且还包括：能量存储装置，所述能量存储装置可操作地连接到控制器，并被配置成为第二、非现场总线过程通信环路提供大于在现场总线过程通信环路上的、可用的、稳态的过剩能量的功率水平。
10.根据权利要求9所述的现场设备，其中：所述控制器被配置成周期地为第二、非现场总线过程通信环路提供能量。
11.根据权利要求9所述的现场设备，其中：响应经现场总线通信模块接收的命令，所述控制器被配置成周期地为第二、非现场总线过程通信环路提供能量。
12.一种用于将电能从现场总线过程通信环路传输到第二、非现场总线过程通信环路的电路，所述电路包括：
第一端子，所述第一端子连接到现场总线过程通信环路；
第二端子，所述第二端子连接到现场总线过程通信环路；
第三端子，所述第三端子可连接到第二、非现场总线过程通信环路；
第四端子，所述第四端子可连接到第二、非现场总线过程通信环路；
第一电感器，所述第一电感器设置在第一和第三端子之间；
第二电感器，所述第二电感器设置在第二和第四端子之间；
第一电阻，所述第一电阻与第一电感器串联设置；
第二电阻，所述第二电阻与第二电感器串联设置；
第一电容，所述第一电容设置在第三和第四端子之间；和
第三电阻，所述第三电阻与第一电容串联设置。
13.包含在现场设备中的根据权利要求12所述的电路。
14.根据权利要求13所述的电路，其中：所述现场设备是功率传输设备。
15.根据权利要求13所述的电路，其中：所述现场设备是过程变量发射机。
16.一种现场设备，包括：
现场总线通信模块，所述现场总线通信模块可操作地连接到现场总线过程通信环路；
电源模块，所述电源模块可连接到现场总线过程通信环路，所述电源模块被配置成利用从现场总线过程通信环路接收的能量对整个现场设备进行供电；
控制器，所述控制器连接到现场总线通信模块和电源模块；
装置，所述装置用于为第二、非现场总线过程通信环路供电。
17.一种将电能注入非现场总线过程通信环路的方法，所述方法包括：
将电路连接到现场总线过程通信环路；和
经所述电路，将至少一些电能从现场总线过程通信环路传输到非现场总线过程通信环路。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述电路是无源电路。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述电路是有源电路。
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