雙線過程控制回路診斷的制作方法
【專利說明】
[0001] 分案申請說明
[0002] 本申請是申請日為2007年10月3日、申請?zhí)枮?00780036956. 5 (國際申請?zhí)朠CT/ US2007/021242)的、題為"雙線過程控制回路診斷"的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領域
[0003] 本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制和監(jiān)控系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及利用雙線過程控制 回路（loop)來發(fā)送信息的工業(yè)過程控制和監(jiān)控系統(tǒng)的診斷。
【背景技術(shù)】
[0004] 在許多應用中使用工業(yè)過程控制和監(jiān)控系統(tǒng)來控制和/或監(jiān)控工業(yè)過程的操作。 例如，煉油廠、化工廠、或造紙廠可能具有大量必須受到監(jiān)控和控制的過程。
[0005] 在這樣的工業(yè)過程中，在整個過程中，在遠程位置對過程變量進行測量。示例過程 變量包括溫度、壓力、流量等。將該信息通過雙線過程控制回路發(fā)送至中央位置（例如，控 制室）。類似地，可以使用置于過程中的控制器來控制過程變量?？刂破鲝碾p線過程控制 回路接收控制信息，并作為響應通過例如打開或關閉閥門、加熱過程流體等，來控制過程變 量。
[0006] 已經(jīng)使用各種協(xié)議在雙線過程控制回路上通信。一種協(xié)議使用4-20mA的信號來 在回路上承載信息。4mA的信號可以代表過程變量的零值或低值，而20mA可以代表高值或 全量程值。過程變量發(fā)射機可以將電流控制在4和20mA之間，來代表過程變量的中間值。 更復雜的通信技術(shù)是HART?通信協(xié)議，其中，將數(shù)字信息疊加在4-20mA信號之上。通常， 在這樣的配置中，每一現(xiàn)場設備需要分離的雙線過程控制回路。
[0007] 在雙線過程控制回路上所使用的更復雜的通信技術(shù)通常被稱作基于現(xiàn)場總線的 協(xié)議（例如，F(xiàn)oundation?現(xiàn)場總線）。在現(xiàn)場總線協(xié)議中，所有信息以數(shù)字方式發(fā)送，并且 不需要過程控制回路上的模擬電流電平來承載信息。這樣的配置的一個優(yōu)勢在于：多個過 程變量發(fā)射機或控制器可以以串聯(lián)的方式耦合在單個過程控制回路上?；芈飞系拿恳辉O備 具有一個地址，從而可以識別發(fā)往其自身的消息。類似地，由現(xiàn)場設備發(fā)送的消息可以包括 該設備的地址，從而可以識別發(fā)送者。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 耦合至過程控制回路的診斷設備包括：被配置為從過程控制回路接收數(shù)字通信信 號的數(shù)字通信電路。數(shù)字通信信號是過程控制回路上被調(diào)制成代表數(shù)字值的多個離散模擬 信號電平的數(shù)字調(diào)制模擬信號。診斷電路基于所述數(shù)字調(diào)制模擬信號對過程控制回路的操 作進行診斷。
【附圖說明】
[0009] 圖1是包括雙線過程控制回路的過程控制或監(jiān)控設施的簡化圖。
[0010] 圖2是過程控制回路診斷設備的簡化框圖。
[0011] 圖3A和3B是回路電流I與時間的關系曲線圖。
[0012] 圖4更詳細地示出了圖2的數(shù)字通信電路。
[0013] 圖5更詳細地是出了過程控制回路診斷設備。
【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明涉及過程控制回路中的診斷，所述診斷包括：診斷使用在雙線過程控制回 路本身中的接線（wiring)，以及診斷與過程控制回路連接的其他設備。具體地，本發(fā)明提供 的診斷包括：檢測根據(jù)基于現(xiàn)場總線的協(xié)議操作的雙線過程控制回路中的故障或潛在故障 組件，在基于現(xiàn)場總線的協(xié)議中，多個設備可以連接至單個雙線過程控制回路。
[0015] 圖1是示出了過程控制或監(jiān)控系統(tǒng)10的簡化圖，過程控制或監(jiān)控系統(tǒng)10包括耦 合至過程管道16的現(xiàn)場設備12和14。設備12和14耦合至單個雙線過程控制回路18,單 個雙線過程控制回路18繼而耦合至控制室20。圖1還示出了耦合至回路18的雙線過程 控制回路診斷設備22?；芈?8承載電流I，電流I可以用來向回路18上的所有現(xiàn)場設備 供電，并且能夠在控制室20處產(chǎn)生。通過將數(shù)字信號調(diào)制在回路電流I上，在回路18上以 數(shù)字方式發(fā)送信息。例如，設備12和14可以包括唯一地址，從而能夠唯一地識別其發(fā)送的 消息，并且識別發(fā)往它們的接收消息。設備12和14可以包括任何類型的現(xiàn)場設備，所述現(xiàn) 場設備包括過程變量發(fā)射機和控制器。過程控制回路18在段終止器24處終止。術(shù)語"段 (segment) "是指雙線過程控制回路18的全部或一部分。
[0016] 圖2是類似于圖1所示的設備22的、根據(jù)本發(fā)明的雙線過程控制回路診斷設備50 的簡化框圖。診斷設備50耦合至雙線過程控制回路18,并包括數(shù)字通信電路52和診斷電 路54。在一些配置中，可以以現(xiàn)場設備12、現(xiàn)場設備14、獨立的診斷設備22和/或控制室 20實現(xiàn)雙線過程控制回路診斷設備50。
[0017] 操作過程中，數(shù)字通信電路52從雙線過程控制回路18接收數(shù)字通信信號。該數(shù) 字通信信號包括已經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的模擬信號。這樣的調(diào)制基于現(xiàn)有技術(shù)。例如，可以使回 路電流I周期性改變，使得特定閾值之上的變化代表二進制1，特定閾值之下的變化代表二 進制0。在圖3A中示出了這樣的配置，圖3A是回路電流I與時間的關系曲線圖。在圖3A 中，已將曲線圖的時間軸劃分成五個時間段AciU1U2UjP 14。在時間段h期間，電流電平 I是不確定的，并代表a 0或a 1。在時間段^和％期間，電流電平I代表二進制0。類似 地，在時間段12和13期間，回路電流電平I代表二進制1。如圖3B所示，另一數(shù)據(jù)編碼技 術(shù)能夠?qū)⒚恳槐忍刂芷诜殖蓛蓚€相等的部分。二進制1由在比特時間的前半部分大于閾值 而在后半部分小于閾值的電流電平來表示。二進制0由在比特時間前半部分大于閾值而在 后半部分小于閾值的電流電平表示。
[0018] 圖2中所示的診斷電路54基于數(shù)字調(diào)制模擬信號I執(zhí)行診斷。更具體地，診斷電 路54基于數(shù)字調(diào)制模擬信號的模擬特性來執(zhí)行診斷，數(shù)字調(diào)制模擬信號的模擬特性包括： 信號幅度、波形、電流、誤比特率（BERT)、段阻抗、或通過監(jiān)控回路18上的電流獲得的其他 參數(shù)。此外，通過監(jiān)控哪個設備發(fā)送了特定的信號，診斷電路54可以識別回路18上已發(fā)生 故障或未來將發(fā)生故障的具體設備。
[0019] 圖4是診斷設備50的更詳細的圖，并且更詳細地示出了數(shù)字通信電路52的一種 配置。數(shù)字通信電路52包括：以串聯(lián)方式與輸入/輸出（I/O)電路62耦合的感測電阻60 和雙線過程控制回路18上的其他設備。信號感測電路64跨接在感測電阻60兩端，并向診 斷電路54提供輸出。診斷電路54可選地連接至I/O電路62。I/O電路62被配置成通過 過程控制回路18進行數(shù)字通信，并在一些配置中被配置成向診斷設備電路供電，所述電能 是通過回路18從回路電路I中產(chǎn)生。信號感測電路64接收與回路電流I相關的、跨感測 電阻60產(chǎn)生的電壓信號。信號感測電路可以可選地對該信號進行放大，將該信號進行數(shù)字 化，并在向診斷電路54提供電壓信號的數(shù)字表示之前，可選地執(zhí)行附加預處理。信號感測 電路64可以包括例如數(shù)字信號處理（dsp)集成電路及相關硬件。
[0020] 圖5是被配置成過程變量發(fā)射機或過程控制器的診斷設備的簡化圖。在圖5中， 以數(shù)字控制器70和存儲器72來實現(xiàn)所示的珍斷電路54。例如，控制器70可以包括根據(jù)存 儲器72中的程序指令進行操作的微處理器等。過程接口 76可以包括用于感測過程變量的 過程變量傳感器，或可以包括用于例如通過定位閥門來控制過程的控制元件。當被配置為 過程變量傳感器時，元件74包括向控制器70提供數(shù)字信號表示的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器及相 關電路。控制器70被配置成通過回路18發(fā)送與所感測的過程變量相關的信息。類似地， 如果過程接口 76被配置為控制元件時，元件74包括數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器及相關電路，將來自 控制器70的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成用于控制過程的模擬值。
[0021] 可以以圖1中所示的任一示例設備來實現(xiàn)診斷設備，所述任一示例設備包括：過 程變量發(fā)射機或控制器、獨立診斷設備22、或控制室電路20。在一種配置中，提供可以用來 向操作者顯示診斷信息的可選顯示器78。該顯示器可以提供診斷幫助狀態(tài)，并且本地顯示 器是回路段上的所有設備的指示。在本質(zhì)安全（intrinsically safe)的配置中，診斷可以 位于本質(zhì)安全防護欄（intrinsic safety barrier)的本質(zhì)安全側(cè)，從而提供更詳細和精確 的診斷，包括對本質(zhì)安全欄本身的診斷。
[0022] 可以通過具備表征段的能力，使由診斷電路54執(zhí)行的診斷適于每一獨立雙線過 程控制回路段。當最初將診斷設備安裝在新的或現(xiàn)有段上時，由于每一現(xiàn)場設備執(zhí)行正常 的過程通信，設備可以分析來自每一現(xiàn)場設備的通信。例如，可以將該信息保存在存儲器72 中，單獨地用作每一設備的未來參考狀態(tài)。該保存數(shù)據(jù)可以用來識別正常操作，并提供用于 后續(xù)診斷的基準。采用這種方式的每一設備的特征可以實現(xiàn)更精確的診斷。此外，可以將 每一設備與符合諸如現(xiàn)場總線協(xié)議等特定通信協(xié)議的標準進行比較，以確保設備符合適當 的標準。
[0023] 由診斷電路54執(zhí)行的一個示例測量基于來自單獨現(xiàn)場設備的數(shù)字調(diào)制模擬 信號的幅度。在這樣的配置中，可以將幅度與所存儲的閾值（或幅度簽名（amplitude signature))進行比較，如果幅度超出那些閾值，則可以提供故障指示。如果單個設備未通 過測試，故障指示可以是發(fā)送信號的設備可能發(fā)生故障的指示。另一方面，如果多個設備未 通過這樣的測試，則故障指示可以指示除特定設備以外的問題。例如，回路18的特定段內(nèi) 的接線，或控制室20內(nèi)的電源故障等。這種診斷的優(yōu)點包括，在實際故障之前，檢測特定雙 線回路段中即將出現(xiàn)的故障。這允許以最小停機時間維修雙線回路段。附加診斷可以包括 檢測限幅波形，限幅波形可能指示現(xiàn)場設備的靜態(tài)電流的可能的增加，從而引起非平衡調(diào) 制。限幅信號另一潛在原因是現(xiàn)場設備處的不充足端電壓。這可能由于電源電壓造成的， 或者在固有安全配置下由故障本質(zhì)安全防護欄導致的。
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