控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的制作方法
【專利摘要】具有第一運(yùn)行模式和第二運(yùn)行模式的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備包括將信號(hào)保護(hù)設(shè)備連接至控制系統(tǒng)的第一端子對(duì)和將轉(zhuǎn)換器連接至現(xiàn)場設(shè)備的第二端子對(duì)?？刂葡到y(tǒng)提供控制信號(hào)到控制系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備?？刂菩盘?hào)設(shè)備進(jìn)一步包括用于電能暫時(shí)蓄電的儲(chǔ)能元件和用于控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行模式的開關(guān)電路。在第一運(yùn)行模式下，電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中。在第二運(yùn)行模式下，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中的電能提供到第二端子對(duì)的正極端子。
【專利說明】控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及在過程控制系統(tǒng)中用于控制現(xiàn)場設(shè)備的控制信號(hào)，更具體地，涉及一種用于保護(hù)控制信號(hào)的方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]例如用于化學(xué)、石油和其他過程的過程控制系統(tǒng)通常包括一個(gè)或多個(gè)集中的或分散的過程控制器，通過模擬、數(shù)字或者復(fù)合模/數(shù)總線可通信地耦合到至少一個(gè)主工作站、和到一個(gè)或多個(gè)過程控制和儀表設(shè)備。現(xiàn)場設(shè)備，例如閥、閥定位器、開關(guān)、發(fā)送器和傳感器(例如溫度、壓力或流速傳感器)，在過程中實(shí)施多種功能，例如打開或關(guān)閉閥，或者測量過程參數(shù)。該過程控制器接收(通過通信總線)由現(xiàn)場設(shè)備產(chǎn)生或與該現(xiàn)場設(shè)備有關(guān)的過程測量或過程變量的信號(hào)指示，基于所接收到的信息執(zhí)行一個(gè)控制路由，產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)通過一個(gè)或多個(gè)總線發(fā)送到現(xiàn)場設(shè)備以用于控制過程的運(yùn)行。來自現(xiàn)場設(shè)備和控制器的信息典型地被提供給一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用，主工作站執(zhí)行該應(yīng)用使得操作員執(zhí)行關(guān)于該過程的所需功能，例如查看該過程的當(dāng)前狀態(tài)，修改該過程的運(yùn)行等等。
[0003]執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)過程控制功能的“智能”現(xiàn)場設(shè)備，在過程控制工業(yè)中變得普遍。除了在過程(例如，監(jiān)控溫度或控制閥位置)中執(zhí)行主要功能，每一個(gè)智能現(xiàn)場設(shè)備包括存儲(chǔ)器和微處理器。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)與該設(shè)備有關(guān)的信息，且該微處理器與控制器和/或其他設(shè)備通信，和/或執(zhí)行例如自校準(zhǔn)、識(shí)別、診斷等次級(jí)任務(wù)。大量標(biāo)準(zhǔn)的、公開的、數(shù)字的、或數(shù)字和模擬復(fù)合的通信協(xié)議，例如傳感器數(shù)據(jù)公路(HART?)，PROFIBUS?，基金會(huì)現(xiàn)場總線，WORLDFIP?,Device-Net?，和控制器局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議已經(jīng)發(fā)展使得當(dāng)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)過程控制功能時(shí)，不同制造商制造的智能設(shè)備可以相互通信。
[0004]典型地，通過輸入/輸出卡(I/O卡)將控制信號(hào)提供給過程設(shè)備，該I/O卡將控制信息轉(zhuǎn)換為適于特定現(xiàn)場設(shè)備所需的格式，該控制信號(hào)被提供到該特定現(xiàn)場設(shè)備。為了改進(jìn)控制系統(tǒng)的魯棒性，有時(shí)控制系統(tǒng)使用冗余的I/o卡來控制現(xiàn)場設(shè)備。在這樣的控制系統(tǒng)中，在主I/o卡失效的情況下，運(yùn)行從主I/O卡切換到備用I/O卡。這種冗余的I/O卡配置通常使得當(dāng)一個(gè)I/o卡無法正確運(yùn)行時(shí)，控制該過程以沒有任何顯著中斷地繼續(xù)運(yùn)作。在一些系統(tǒng)中，為了備用I/o卡的功能的驗(yàn)證，一個(gè)I/O卡控制器構(gòu)造成將I/O卡的運(yùn)行周期性的從主I/o卡轉(zhuǎn)換到備用I/O卡，。從主要I/O卡到備用I/O卡(或反之亦然)的I/O卡的轉(zhuǎn)換通常導(dǎo)致提供給現(xiàn)場設(shè)備的控制信號(hào)的短時(shí)中斷。某些現(xiàn)場設(shè)備以不希望的方式響應(yīng)控制信號(hào)的中斷。例如，如果受控制的現(xiàn)場設(shè)備是一個(gè)閥，閥控制器會(huì)控制閥移動(dòng)到一個(gè)不希望的位置，這會(huì)潛在地?cái)_亂該過程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)第一示例性方面，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備在第一或在第二運(yùn)行模式下運(yùn)行。在第一運(yùn)行模式下，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備將儲(chǔ)能在控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的儲(chǔ)能元件中。在第二運(yùn)行模式下，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備利用儲(chǔ)存的能量，當(dāng)設(shè)備輸入控制信號(hào)中斷發(fā)生時(shí)，維持設(shè)備輸出的控制信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備包括一個(gè)控制設(shè)備運(yùn)行模式的開關(guān)電路。一方面，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備進(jìn)一步包括控制該開關(guān)電路的輸入電流監(jiān)控元件。在本方面，當(dāng)設(shè)備的輸入電流小于閾值時(shí)，輸入電流監(jiān)控電路可以導(dǎo)致設(shè)備從第一運(yùn)行模式切換到第二運(yùn)行模式，且當(dāng)輸入電流大于閾值時(shí)可以導(dǎo)致設(shè)備從第二運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為第一運(yùn)行模式。在某些實(shí)施方式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備包括監(jiān)控設(shè)備輸出電壓電平的電壓監(jiān)控元件。在本方面，當(dāng)在第二運(yùn)行模式下和在設(shè)備輸入的控制信號(hào)缺失的情況下，設(shè)備可以維持電壓監(jiān)控元件指示的電壓電平的輸出電壓。
[0006]進(jìn)一步根據(jù)第一示例性方面，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備進(jìn)一步包括，以任何組合，任何一個(gè)或多個(gè)以下優(yōu)選形式。
[0007]在一個(gè)優(yōu)選的形式中，儲(chǔ)能元件包括至少一個(gè)電容器。
[0008]在另一個(gè)優(yōu)選的形式中，儲(chǔ)能兀件包括第一電容器和第二電容器，且電能從第一電容器和從第二電容器提供到輸出端子。
[0009]在另一個(gè)優(yōu)選的形式中，開關(guān)電路控制運(yùn)行模式以響應(yīng)輸入電流進(jìn)入信號(hào)保護(hù)設(shè)備時(shí)的變化。
[0010]在另一個(gè)優(yōu)選的形式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備進(jìn)一步包括電流監(jiān)控電路。當(dāng)進(jìn)入信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流低于一個(gè)閾值時(shí)，電流監(jiān)控電路使得控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為第二運(yùn)行模式，并且當(dāng)進(jìn)入信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流高于一個(gè)閾值時(shí)，電流監(jiān)控電路使得控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從第二運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為第一運(yùn)行模式。在一個(gè)優(yōu)選形式中，閾值是2mA ο
[0011]在另一個(gè)優(yōu)選的形式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備進(jìn)一步包括電壓保持元件以保持經(jīng)濾波和縮放的電壓，所述電壓對(duì)應(yīng)于在正常運(yùn)行模式下的輸入端的電壓電平。
[0012]在另一個(gè)優(yōu)選的形式中，輸出端子間的電壓在第二運(yùn)行模式下保持為經(jīng)濾波的電壓。
[0013]在另一個(gè)優(yōu)選的形式中，第一運(yùn)行模式是普通模式，在該模式下控制信號(hào)提供給輸入端子，其中第二運(yùn)行模式是保護(hù)模式，在該模式下，沒有控制信號(hào)提供給輸入端子。
[0014]根據(jù)第二示例性方面，保護(hù)提供給在過程控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備的控制信號(hào)的方法包括，提供主站，并且可通信地耦合主站到多個(gè)包括第一和第二卡的輸入輸出(I/o)卡，其中運(yùn)行被可選擇地從第一卡切換到第二卡。該方法也包括，通過第一卡或第二卡從主站提供一個(gè)控制信號(hào)到控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備。在運(yùn)行從第一卡轉(zhuǎn)換到第二卡的過程中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從第一個(gè)運(yùn)行模式切換到第二運(yùn)行模式。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備在第一運(yùn)行模式下在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存電能，并將在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存的電能提供到第二運(yùn)行模式下控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端子。
[0015]進(jìn)一步根據(jù)第一示例性方面，方法進(jìn)一步包括，在任何組合，任何一個(gè)或多個(gè)以下優(yōu)選形式:
[0016]在一個(gè)優(yōu)選形式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備在第一運(yùn)行模式下在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存電能，并將在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存的電能提供到第二運(yùn)行模式下控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端子。
[0017]在另一個(gè)優(yōu)選形式中，在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存電能包括在第一電容器中和在第二電容器中儲(chǔ)存能量，提供電能包括從第一電容器和從第二電容器轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存的電能到控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端子。
[0018]在另一個(gè)優(yōu)選形式中，使得控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從第一運(yùn)行模式切換到第二運(yùn)行模式包括，當(dāng)進(jìn)入信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流低于一個(gè)閾值時(shí)，使得控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為第二運(yùn)行模式，當(dāng)進(jìn)入信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流高于一個(gè)閾值時(shí)，使得控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為第二運(yùn)行模式。
[0019]根據(jù)第三示例性方面，控制在過程控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備的系統(tǒng)包括，主站和耦合到主站以將控制信號(hào)提供到現(xiàn)場設(shè)備的多個(gè)輸入/輸出(I/o)卡。多個(gè)I/O卡包括主I/O卡和備用I/O卡。該系統(tǒng)還包括一個(gè)I/O卡控制器，其配置為有選擇地在主I/O卡和備用I/o卡之間切換?？刂菩盘?hào)保護(hù)設(shè)備可通信地耦合到I/O卡和現(xiàn)場設(shè)備，其中，在主I/O卡和備用I/o卡之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)行過程中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備在信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出維持控制信號(hào)。
[0020]進(jìn)一步根據(jù)第三示例性方面，系統(tǒng)進(jìn)一步包括，在任何組合，任何一個(gè)或多個(gè)以下優(yōu)選形式。
[0021]在一個(gè)優(yōu)選形式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備配置為在第一運(yùn)行模式下在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存電能，并將在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存的電能提供到第二運(yùn)行模式下控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端子。
[0022]在另一個(gè)優(yōu)選形式中，儲(chǔ)能元件包括至少一個(gè)電容器。
[0023]在另一個(gè)優(yōu)選形式中，儲(chǔ)能兀件包括第一電容器和第二電容器，從第一電容器和從第二電容器提供電能到控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端子。
[0024]在另一個(gè)優(yōu)選形式中，電能儲(chǔ)存元件包括充電泵。
[0025]在另一個(gè)優(yōu)選形式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備進(jìn)一步配置為在控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸入端監(jiān)控電流電平，響應(yīng)于發(fā)現(xiàn)電流電平低于一個(gè)閾值時(shí)控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行從第一運(yùn)行模式切換到第二運(yùn)行模式。
[0026]在另一個(gè)優(yōu)選形式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備被作為一個(gè)與現(xiàn)場設(shè)備分離的元件提供。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)公開實(shí)施例的集成了控制信號(hào)保護(hù)技術(shù)的過程控制系統(tǒng)；
[0028]圖2是利用中斷穿越電路(interruption ride-through circuit)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)系統(tǒng)的不意圖；以及
[0029]圖3示出了在一種可能的電路配置中中斷穿越轉(zhuǎn)換器的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的集成了控制信號(hào)保護(hù)技術(shù)的過程控制系統(tǒng)100。該示例過程控制系統(tǒng)100包括一個(gè)有線電廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)110，其按照工業(yè)自動(dòng)化協(xié)議(例如，HART, PROFIBUS DP (分散外圍)等等)或其他合適的通信協(xié)議來運(yùn)行。有線電廠自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)110包括連接到一個(gè)或多個(gè)主機(jī)或計(jì)算機(jī)111 (其可以是任何類型的個(gè)人計(jì)算機(jī)或工作站)的一個(gè)或多個(gè)控制器114，且該控制器114連接到輸入/輸出(I/O)設(shè)備116的觸排，輸入/輸出(I/O)設(shè)備116的每一個(gè)依次連接一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備122?？刂破?14可以是,僅舉例說明，費(fèi)希爾-羅斯蒙特系統(tǒng)公司(Fisher-Rosemount, Inc.)出售的DeltaVTM控制器，其通過例如以太網(wǎng)連接120或其他通信連接可通信地耦合到主站111。同樣地，使用任何適合的與例如標(biāo)準(zhǔn)4-20ma設(shè)備和/或任何例如現(xiàn)場總線或HART協(xié)議的智能通信協(xié)議有關(guān)聯(lián)的硬件和軟件，控制器114可通信地耦合到現(xiàn)場設(shè)備122。如一般所知的，控制器114執(zhí)行或監(jiān)督在其內(nèi)儲(chǔ)存的或相反與其相關(guān)聯(lián)的過程控制例程，且和設(shè)備122通信以任何需要的方式來控制過程。
[0031]現(xiàn)場設(shè)備122可以是任何種類的設(shè)備，像閥、閥定位器、開關(guān)、傳感器(例如溫度、壓力、震動(dòng)、流速或pH傳感器)、泵、風(fēng)扇等等，或兩個(gè)或多個(gè)這樣類型的混合，同時(shí)卡觸排116 (card bank)中的I/O卡可以是符合任何例如HART、現(xiàn)場總線(Fieldbus)、過程現(xiàn)場總線(Profibus)等的合適的通信或控制協(xié)議的任何類型I/O設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備122在例如打開或關(guān)閉閥門，或測量過程參數(shù)的之類的過程或過程控制環(huán)路內(nèi)執(zhí)行控制、監(jiān)控和/或物理功能。在圖1示出的一個(gè)實(shí)施方式中，現(xiàn)場設(shè)備122a-122c是通過模擬線路與I/O卡116a通信的標(biāo)準(zhǔn)4-20ma設(shè)備。在另一個(gè)實(shí)施方式中，現(xiàn)場設(shè)備122a_122c是Hart設(shè)備，并且I/O卡116a是Hart兼容I/O卡。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制系統(tǒng)100包括4_20ma設(shè)備和Hart設(shè)備。因此，在這個(gè)實(shí)施方式中，控制系統(tǒng)100包括一個(gè)或多個(gè)4-20ma兼容I/O卡和一個(gè)或多個(gè)Hart兼容I/O卡。
[0032]圖1中的實(shí)施方式中，現(xiàn)場設(shè)備122d_122f是諸如現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備的智能設(shè)備，其使用例如現(xiàn)場總線通信協(xié)議通過數(shù)字總線118與I/O卡116通信。當(dāng)然，現(xiàn)場設(shè)備122和I/O卡116的觸排(bank)除了可以遵從4_20ma、HART或現(xiàn)場總線協(xié)議之外，還可以遵從其他的適合的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，包括未來發(fā)展的任何標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。
[0033]每一個(gè)控制器114配置為執(zhí)行一個(gè)使用普遍被稱為功能塊的控制策略，其中每一個(gè)功能塊是總體控制程序的一個(gè)部分(例如子程序)，并且與其他功能模塊(通過稱作鏈接的通信)共同運(yùn)行以在過程控制系統(tǒng)100中執(zhí)行過程控制環(huán)路。典型地，功能塊執(zhí)行例如與發(fā)送機(jī)、傳感器或其他過程參數(shù)測量設(shè)備相關(guān)的輸入功能、例如與控制程序執(zhí)行PID、模糊邏輯等控制相關(guān)的控制功能、或者控制例如閥的某些設(shè)備運(yùn)行的輸出功能中的一個(gè)，以執(zhí)行過程控制系統(tǒng)100中的某些物理功能。當(dāng)然也存在混合和其他類型的功能塊。這些功能塊的組叫做模塊。功能塊和模塊可存儲(chǔ)在控制器12之中并且由控制器12來執(zhí)行，當(dāng)這些功能塊使用時(shí)該控制器12典型是一個(gè)箱子，或與標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA設(shè)備和某類型智能現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)，或被現(xiàn)場設(shè)備自己儲(chǔ)存和執(zhí)行，這些可以是具有現(xiàn)場總線設(shè)備的箱子。當(dāng)本文提供的控制系統(tǒng)的說明使用功能塊控制策略時(shí)，也可用例如梯形邏輯、順序流程圖等的其他約定或用任何適合的專有或非專有編程語言來執(zhí)行和設(shè)計(jì)控制策略。
[0034]圖2是一個(gè)控制系統(tǒng)200的示意圖，其中，利用控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備維持控制信號(hào)以防控制信號(hào)中斷的發(fā)生?？刂葡到y(tǒng)200包括連接到冗余I/O子系統(tǒng)204的主站202。參見圖1，在一個(gè)實(shí)施方式中，主站202相當(dāng)于主站Illa或主站111b，并且I/O子系統(tǒng)204包含于例如I/O卡觸排(card bank) 116中。I/O子系統(tǒng)204的輸出提供到現(xiàn)場設(shè)備220以控制現(xiàn)場設(shè)備220的運(yùn)行?，F(xiàn)場設(shè)備220可以是適合的4-20mA現(xiàn)場設(shè)備，例如電流壓力轉(zhuǎn)換器或閥控制器，例如，所述閥控制器在4到20mA的范圍接收控制信號(hào)且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)為氣動(dòng)控制信號(hào)以控制閥的位置。
[0035]I/O子系統(tǒng)204包括為現(xiàn)場設(shè)備202提供冗余控制的冗余配置。具體地，I/O子系統(tǒng)包括第一 I/O卡206a和第二 I/O卡206b。I/O卡206a可以是主要或活躍的I/O卡，而I/O卡206b可以是備用I/O卡。倘若主卡206a失效，I/O卡控制器208通過從主卡206a到備用卡206b自動(dòng)切換運(yùn)行來控制I/O子系統(tǒng)204的運(yùn)行。另外，I/O控制器208配置為周期性地從主卡206a到備用卡206b切換運(yùn)行，以便驗(yàn)證備用卡206b的功能。從主卡206a到備用卡206b或從備用卡206b到主卡206a的轉(zhuǎn)換，一般而言，可能導(dǎo)致在I/O子系統(tǒng)204的輸出出現(xiàn)控制信號(hào)的中斷。提供到現(xiàn)場設(shè)備220的控制信號(hào)的這種中斷會(huì)在控制中的過程中導(dǎo)致某些不希望的影響。例如，提供到閥控制器的控制信號(hào)暫時(shí)丟失，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的閥移動(dòng)到意想不到的位置，因此潛在地?cái)_亂控制中的過程的正常運(yùn)行。進(jìn)一步地，在某些情況下，控制信號(hào)的暫時(shí)丟失會(huì)導(dǎo)致閥控制器使得閥鎖定在安全狀態(tài)下，例如在完全打開或在完全關(guān)閉的位置，例如，或在其他預(yù)定位置上。例如，閥控制器可與緊急關(guān)閉閥相關(guān)聯(lián)，該緊急關(guān)閉閥響應(yīng)于控制信號(hào)的丟失，可能導(dǎo)致緊急關(guān)閉閥從而鎖定在完全關(guān)閉位置以避免例如液體流動(dòng)。在這樣的情況下，閥回到普通運(yùn)行需要運(yùn)行員手動(dòng)解鎖閥。
[0036]系統(tǒng)200包括與I/O子系統(tǒng)204和現(xiàn)場設(shè)備220串聯(lián)連接的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210。如圖2所不,控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210包括一對(duì)輸入端子212和一對(duì)輸出端子214。輸入端子212將控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210連接到電流環(huán)路(例如4-20mA電流環(huán)路)，該電流環(huán)路從I/O子系統(tǒng)204提供控制信號(hào)到現(xiàn)場設(shè)備220。輸出端子214將控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210連接到現(xiàn)場設(shè)備220的控制信號(hào)電流環(huán)路端子。一般來說，如果控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸入端子處的控制信號(hào)丟失或暫時(shí)中斷，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210配置為在控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸出端214在一定時(shí)期內(nèi)保持信號(hào)電平(例如電壓電平)。為了這個(gè)目的，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210包括儲(chǔ)存元件或被耦合到儲(chǔ)存元件上(例如電容器)，該儲(chǔ)存元件在控制系統(tǒng)200的普通運(yùn)行期間在其中儲(chǔ)存足夠量的能量，然后利用儲(chǔ)存的能量，在輸入到設(shè)備210的控制信號(hào)的暫時(shí)中斷的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，在設(shè)備210的輸出處保持控制信號(hào)。結(jié)果，例如在主卡206a和備用卡206b之間轉(zhuǎn)換運(yùn)行期間，現(xiàn)場設(shè)備220的運(yùn)行不會(huì)受到暫時(shí)控制信號(hào)丟失的影響。例如，通過控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210提供到閥的控制信號(hào)將會(huì)保持在控制中的閥的關(guān)閉閾值之上的足夠的電平，結(jié)果，閥不會(huì)關(guān)閉且在一個(gè)實(shí)施方式中，如果暫時(shí)控制信號(hào)中斷發(fā)生，則需要重置閥。
[0037]在一個(gè)實(shí)施方式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210通過從控制信號(hào)環(huán)路(例如，4_20mA控制信號(hào)環(huán)路)提取小量能量來運(yùn)行，以及在包含于或耦合于信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的儲(chǔ)存元件(例如，電容器)中儲(chǔ)存提取的能量。在信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的運(yùn)行普通模式下，當(dāng)控制信號(hào)出現(xiàn)在控制保護(hù)設(shè)備210的輸入時(shí)，信號(hào)保護(hù)設(shè)備210在控制保護(hù)設(shè)備210的輸出處呈現(xiàn)濾波后的控制信號(hào)。因此，在運(yùn)行普通模式下，控制信號(hào)設(shè)備210 —般使得控制信號(hào)從主站202通到現(xiàn)場設(shè)備220，以控制現(xiàn)場設(shè)備220的運(yùn)行。在一個(gè)實(shí)施方式中，信號(hào)保護(hù)設(shè)備210配置為從主站202到現(xiàn)場設(shè)備220通過控制信號(hào)而沒有對(duì)控制信號(hào)大量地濾波，且因此，提供到現(xiàn)場設(shè)備220的控制信號(hào)無顯著延遲。進(jìn)一步地，在一個(gè)實(shí)施方式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210配置為在控制系統(tǒng)200的普通運(yùn)行期間內(nèi)，從控制電流環(huán)路中提取一個(gè)足夠少量的能量以便不擾亂電流環(huán)路的運(yùn)行，且不會(huì)顯著干擾在電流環(huán)路上的通信信號(hào)(例如，HART通信信號(hào))。
[0038]控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210配置為在輸入端子212處監(jiān)控輸入電流(或電壓)，以及當(dāng)在輸入端子212處的輸入電流(或電壓)降到某一閾值以下時(shí)進(jìn)行偵測，低于閾值表明從I/o子系統(tǒng)204在控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸入處的控制信號(hào)的丟失。響應(yīng)于偵測到的在控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸入處的控制信號(hào)的丟失，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210配置為切換運(yùn)行到保護(hù)模式，在這保護(hù)模式下，利用儲(chǔ)存在儲(chǔ)存元件中的能量來維持控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸出端子214之間的控制信號(hào)電平?？刂菩盘?hào)保護(hù)設(shè)備210也配置為當(dāng)在輸入端子212處的受監(jiān)控輸入電流(或電壓)超越所述閾值時(shí)進(jìn)行偵測，超過閾值表明來自I/O子系統(tǒng)204的控制信號(hào)重新恢復(fù)。當(dāng)偵測到控制信號(hào)已經(jīng)返回控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸入時(shí)，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210配置為切換運(yùn)行到普通運(yùn)行模式，在該普通運(yùn)行模式下，出現(xiàn)在控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸入端子212處的控制信號(hào)經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)移到控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的輸出端子214?？刂菩盘?hào)保護(hù)設(shè)備210可以與現(xiàn)場設(shè)備220集成。例如，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210集成到具有現(xiàn)場設(shè)備的本地控制面板以手動(dòng)運(yùn)行該現(xiàn)場設(shè)備，例如手動(dòng)打開或關(guān)閉安全隔斷閥。另一個(gè)例子，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210集成到HART濾波設(shè)備，提供該HART過濾設(shè)備以促進(jìn)在現(xiàn)場設(shè)備220和主站202之間的HART通信，例如當(dāng)根據(jù)HART通信協(xié)議現(xiàn)場設(shè)備220沒有配置用于通信時(shí)?？商鎿Q地，提供現(xiàn)場設(shè)備210作為用控制輸入串聯(lián)到現(xiàn)場設(shè)備220的外部組件。在某些實(shí)施方式中，控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210可以是多信道設(shè)備，其能夠?yàn)楝F(xiàn)場設(shè)備220的多控制輸入和/或?yàn)槎鄠€(gè)現(xiàn)場設(shè)備各自的控制輸入提供控制信號(hào)保護(hù)。
[0039]如圖2所示，通過與I/O子系統(tǒng)204的有線連接，控制信號(hào)設(shè)備210接收I/O子系統(tǒng)204提供的控制信號(hào),或例如通過冗余無線I/O卡觸排(card bank),從控制站無線接收控制信號(hào)。關(guān)于圖1，在一個(gè)實(shí)施方式中，現(xiàn)場設(shè)備220對(duì)應(yīng)于4-20mA或HART現(xiàn)場設(shè)備122。在另一個(gè)實(shí)施方式中，現(xiàn)場設(shè)備220對(duì)應(yīng)于配置為和主站無線通信的4-20mA或HART現(xiàn)場設(shè)備。
[0040]圖3示出了控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備210的一個(gè)可能實(shí)施例的電路300的圖。電路300包括換一對(duì)輸入端子302和一對(duì)輸出端子304。輸入端子302可通信地稱合于控制系統(tǒng)中的一個(gè)I/O卡子系統(tǒng)的一個(gè)輸出。輸出端子304連接于現(xiàn)場設(shè)備，如閥控制器。電路300通過提取或收獲通過電流流過電路300產(chǎn)生的小額電能并且在電路300的電能儲(chǔ)存元件中儲(chǔ)存所述提取的能量來運(yùn)行。如果電流在輸入端子302處進(jìn)入電路300時(shí)發(fā)生短時(shí)中斷，例如由于在I/O卡轉(zhuǎn)換運(yùn)行期間而造成的暫時(shí)控制信號(hào)丟失，則所述儲(chǔ)存的能量保持輸出端子對(duì)304之間所需的電壓電平?？商鎿Q地，在電路300的輸入電流中斷期間內(nèi)，與電路300類似的電路可以通過使用儲(chǔ)存能量提供所需電流(而非電壓)到輸出端子304來運(yùn)行。
[0041]電路300包括第一開關(guān)308和第二開關(guān)312。每一個(gè)開關(guān)308和312可以是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)、不同類型的晶體管、或其他本領(lǐng)域熟知的電子開關(guān)裝置。第一運(yùn)算放大器(“運(yùn)算放大器”)306用于控制開關(guān)308的運(yùn)行狀態(tài)，第二運(yùn)算放大器310用于控制第二開關(guān)312的運(yùn)行狀態(tài)?？梢岳斫獾氖牵谀承?shí)施方式中，分立式晶體管可以作為控制元件用于代替運(yùn)算放大器306和310來控制開關(guān)306和308的運(yùn)行。
[0042]當(dāng)進(jìn)入電路300的電流足夠高(例如，高于2mA)時(shí)，電路300通過提供電流到輸出端子304上在普通運(yùn)行模式下運(yùn)行。在普通運(yùn)行模式下，運(yùn)算放大器306的輸出足夠高以保持開關(guān)308在打開狀態(tài)。因此，運(yùn)算放大器310的輸入如此使得運(yùn)算放大器310在飽和狀態(tài)下運(yùn)行。如圖所示，運(yùn)算放大器310的輸出用于控制開關(guān)312的狀態(tài)，運(yùn)算放大器310的飽和狀態(tài)保持開關(guān)312在打開狀態(tài)。
[0043]繼續(xù)參見圖3，電容器314和電容器316用于在電路300的普通運(yùn)行模式下儲(chǔ)存能量以在電路300的控制信號(hào)暫時(shí)中斷的持續(xù)時(shí)間內(nèi)維持輸出端子304之間的輸出電壓。為了在電路300的普通運(yùn)行模式期間內(nèi)以足夠低速率在電容器314和316中儲(chǔ)存能量以不干擾電路300的普通運(yùn)行模式，例如保持足夠低的由電路300引入的延遲，或不干擾環(huán)路中的正常通信(例如，HART通信)，在電容器314、316中儲(chǔ)能速率分別由電阻320和318控制。在某些實(shí)施方式中，如圖3所示的作為用于儲(chǔ)存能量的兩個(gè)電容器配置的一個(gè)替代方案，用單個(gè)電容器作為電路300中的儲(chǔ)能元件?？商鎿Q地，可以使用儲(chǔ)存能量的其他方法。例如，可使用充電泵或電感式升壓電路。在這樣的實(shí)施方式中，以比電路300的輸入端子302間電壓電平更高的、在輸出端子304間的電壓來儲(chǔ)存能量。
[0044]電流監(jiān)控電路監(jiān)控進(jìn)入電路300的電流，目的是控制電路300的運(yùn)行模式。在圖3的實(shí)施方式中，電路監(jiān)控電路包括電阻340、342和344連同運(yùn)算放大器306輸入端子間耦合的電容器的組合。當(dāng)進(jìn)入電路300的輸入電流降到某一閾值以下(例如，低于2mA)，電流監(jiān)控電路導(dǎo)致電路300從電路300的普通運(yùn)行模式切換到電路300的保護(hù)運(yùn)行模式。在保護(hù)運(yùn)行模式下，在進(jìn)入電路300的電流中斷的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，電路300輸出端子304的電壓保持在所需電平。在這種運(yùn)行模式下，因?yàn)榉浅Ｐ』驔]有電流進(jìn)入電路300，運(yùn)算放大器306的輸入端子間電壓差變得足夠小以致運(yùn)算放大器306的輸出控制開關(guān)308轉(zhuǎn)換到關(guān)閉狀態(tài)。反過來，開關(guān)308的關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致運(yùn)算放大器310的負(fù)極端子處電壓電平升高，于是，導(dǎo)致運(yùn)算放大器310輸入端子間電壓差的降低。結(jié)果，運(yùn)算放大器310輸出端子處的電壓電平下降，導(dǎo)致開關(guān)312轉(zhuǎn)換為關(guān)閉狀態(tài)。在關(guān)閉狀態(tài)，開關(guān)312有效地將電容器314的負(fù)極端子和電容器316的正極端子連接，儲(chǔ)存在電容器314和316的能量提供到輸出端子對(duì)304的正極側(cè)。
[0045]在電路300的保護(hù)運(yùn)行模式下，在電路300的輸出端子304間保持的電壓電平由包含在電路300中的電壓保持元件來決定，例如電阻322和電阻324組成的分壓器。進(jìn)一步地，電容器326是對(duì)于輸出端子304的電壓的濾波器。因此，當(dāng)電路300從正常運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為保護(hù)運(yùn)行模式時(shí)，電路300的輸出端子304間的電壓被維持在電容器326的正極端子處的經(jīng)縮放的和濾波的電壓電平上。因此，輸出端子304間的電壓降到輸入電壓中斷之前(例如，在普通運(yùn)行模式)對(duì)應(yīng)于端子304間的電壓電平。結(jié)果，在電路300的輸入端子302處控制信號(hào)中斷期間輸出端子304間電壓沒有經(jīng)歷顯著的變化。
[0046]隨后，當(dāng)控制信號(hào)返回到電路300時(shí)，例如在I/O子系統(tǒng)204 (圖2)中從主I/O卡206a轉(zhuǎn)換至備用I/O卡206b完成后，電路300的輸入端子302處電流增大且跨過電路300的電流監(jiān)控元件決定的閾值。當(dāng)輸入電流在閾值電平之上時(shí)(例如，大于2mA)，運(yùn)算放大器306和310控制各自的開關(guān)308和312以轉(zhuǎn)換到打開狀態(tài)。因此，在這種情況下，電路300回到普通運(yùn)行模式。
[0047]在某些實(shí)施方式下，在電路300的短暫噪音或干擾存在下，電路300包括額外的元件以改進(jìn)電路300的性能和/或增強(qiáng)電路300的耐用性。例如，如圖3所示電路300的實(shí)施例中包括分別跨接電路300的輸入端子302和跨接電路300的輸出端子304的齊納二極管328、330。齊納二極管328、330用于在電路300輸入和輸出處保護(hù)電路300免受瞬態(tài)干擾。電容器332用于濾波提供到運(yùn)算放大器306和310的電壓以改進(jìn)運(yùn)算放大器306和310的性能。進(jìn)一步地，齊納二極管334和電阻338用于向運(yùn)算放大器306和310提供所需電壓受限能量。為了達(dá)到這個(gè)目的，按照用于正在使用中的特定運(yùn)算放大器306和310的規(guī)定最大電壓，選擇齊納二極管334和電阻338。應(yīng)該注意的是，這種額外元件對(duì)于電路300的正確運(yùn)行可能不是必須的，且在某些實(shí)施中，額外元件中至少一些從電路300中忽略。
[0048]盡管本發(fā)明已經(jīng)有關(guān)具體實(shí)施例進(jìn)行了描述，其意在僅作為例證用，而非限制本發(fā)明的范圍，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員很明顯的是，對(duì)公開實(shí)施例所做的改變、增加和/或刪除都不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有第一運(yùn)行模式和第二運(yùn)行模式的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，包括: 第一端子對(duì)，其將所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備連接至控制系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)提供控制信號(hào); 第二端子對(duì)，其將轉(zhuǎn)換器連接至現(xiàn)場設(shè)備； 儲(chǔ)能元件，其用于電能的臨時(shí)積累；和 開關(guān)電路，其控制所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行模式，其中， 在所述第一運(yùn)行模式下，電能儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能元件中；以及 在所述第二運(yùn)行模式下，將儲(chǔ)存在所述儲(chǔ)能元件的電能提供到所述第二端子對(duì)中的正極端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，其中，所述儲(chǔ)能元件包括至少一個(gè)電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，其中，所述儲(chǔ)能元件包括第一電容器和第二電容器，并且其中，將電能從所述第一電容器和從所述第二電容器提供到輸出端子。
4.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，其中，所述開關(guān)電路響應(yīng)于進(jìn)入所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸入電流的變化來控制所述運(yùn)行模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，進(jìn)一步包括電流監(jiān)控電路，其中，所述電流監(jiān)控電路: 當(dāng)進(jìn)入所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流低于一閾值時(shí)，使得所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從所述第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到所述第二運(yùn)行模式；以及 當(dāng)進(jìn)入所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流高于所述閾值時(shí)，使得所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從所述第二運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到所述第一運(yùn)行模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，其中，所述閾值是2mA。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，進(jìn)一步包括電壓保持元件，以保持一個(gè)經(jīng)濾波和經(jīng)縮放的電壓，所述電壓對(duì)應(yīng)于在普通運(yùn)行模式期間在輸入端子間的電壓電平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，其中，輸出端子間的電壓保持在所述第二運(yùn)行模式的所述經(jīng)濾波的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，其中，所述第一運(yùn)行模式是普通模式，在該普通模式中將所述控制信號(hào)提供到輸入端子，其中，所述第二運(yùn)行模式是保護(hù)模式，在該保護(hù)模式中所述控制信號(hào)不被提供到所述輸入端子。
10.一種保護(hù)在過程控制系統(tǒng)中向現(xiàn)場設(shè)備提供的控制信號(hào)的方法，所述方法包括: 提供主站； 將所述主站可通信地耦合到包括第一卡和第二卡的多個(gè)輸入輸出(I/o)卡，其中，運(yùn)行被可選擇地從所述第一卡切換到所述第二卡； 通過所述第一卡或所述第二卡將控制信號(hào)從所述主站提供到控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備； 在所述第一卡到所述第二卡的運(yùn)行轉(zhuǎn)換期間內(nèi)，使得所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從第一運(yùn)行模式切換到第二運(yùn)行模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備: 在所述第一運(yùn)行模式下在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存電能；以及 在第二運(yùn)行模式下將所述儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存的電能提供到所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存電能包括在第一電容器和在第二電容器中儲(chǔ)存能量，并且其中，提供電能包括從所述第一電容器和從所述第二電容器轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存的電能到所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的所述輸出端子。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，使得所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從所述第一運(yùn)行模式切換到所述第二運(yùn)行包括: 當(dāng)進(jìn)入所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流低于一閾值時(shí)，使得所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從所述第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到所述第二運(yùn)行模式；以及 當(dāng)進(jìn)入所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備的電流高于所述閾值時(shí)，使得所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備從所述第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到所述第二運(yùn)行模式。
14.一種用于控制過程控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備的控制系統(tǒng)，包括: 主站； 多個(gè)輸入輸出卡，其被耦合到所述主站，以將控制信號(hào)提供到所述現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述多個(gè)I/o卡包括主I/O卡和備用I/O卡； I/o卡控制器，其被配置為選擇性地在所述主I/O卡和所述備用I/O卡之間切換；以及 控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備，其通信地耦合到所述I/O卡和所述現(xiàn)場設(shè)備，其中，在所述主卡I/O卡和所述備用I/O卡之間 切換運(yùn)行期間，所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備在所述信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端處保持所述控制信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備被配置為: 在第一運(yùn)行模式下在儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存電能；以及 在第二運(yùn)行模式下將在所述儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存的電能提供到所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸出端子。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中，所述儲(chǔ)能元件包括至少一個(gè)電容器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中，所述儲(chǔ)能元件包括第一電容器和第二電容器，并且其中，將電能從所述第一電容器和從所述第二電容器提供到所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的所述輸出端子。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中，所述儲(chǔ)能元件包括充電泵。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中，所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備進(jìn)一步被配置為: 在所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的輸入端子處監(jiān)控電流電平；以及 響應(yīng)于檢測到所述電流電平低于一閾值，所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行從所述第一運(yùn)行模式切換到所述第二運(yùn)行模式。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其中，將所述控制信號(hào)保護(hù)設(shè)備提供為獨(dú)立于所述現(xiàn)場設(shè)備的元件。
【文檔編號(hào)】G05B19/418GK104049572SQ201310435477
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月14日
【發(fā)明者】S·G·賽貝格 申請(qǐng)人:費(fèi)希爾控制國際公司