專利名稱：具有可動態(tài)調(diào)整功耗的射頻通信的現(xiàn)場設(shè)備的制作方法
專利說明具有可動態(tài)調(diào)整功耗的射頻通信的現(xiàn)場設(shè)備
背景技術(shù)：
在工業(yè)環(huán)境中，控制系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制工業(yè)和化學(xué)過程的存量，等等。典型地，控制系統(tǒng)通過使用現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行這些功能，所述現(xiàn)場設(shè)備分布在工業(yè)過程中的關(guān)鍵位置并通過過程控制回路耦合到控制室內(nèi)的控制電路。術(shù)語“現(xiàn)場設(shè)備”指在分布控制或者過程監(jiān)視系統(tǒng)中執(zhí)行功能的任何設(shè)備，包括使用在工業(yè)過程的測量、控制和監(jiān)視中的所有已知或未知的設(shè)備。
一些現(xiàn)場設(shè)備包括換能器。換能器被理解為基于物理輸入產(chǎn)生輸出信號或是基于輸入信號產(chǎn)生物理輸出的設(shè)備。典型地，換能器將輸入轉(zhuǎn)換成具有不同形式的輸出。換能器的類型包括各種分析設(shè)備、壓力傳感器、熱敏電阻、熱電偶、應(yīng)變儀、流量變送器、定位器、致動器、螺線管、指示燈，以及其它。
典型地，每一個現(xiàn)場設(shè)備也包括通信電路，所述通信電路用于通過過程控制回路與過程控制室或者其它電路通信。在一些裝置中，過程控制回路也用于將調(diào)整后的電流/或電壓遞送到現(xiàn)場設(shè)備以向現(xiàn)場設(shè)備供電。所述過程控制回路也以模擬格式或者數(shù)字格式輸送數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)地，模擬現(xiàn)場設(shè)備已經(jīng)通過兩線過程控制電流回路連接到控制室，且每一個裝置通過單一兩線控制回路連接到控制室。典型地，在所述兩線之間維持有電壓差，其范圍針對模擬模式為12-45伏，針對數(shù)字模式為9-50伏。一些模擬現(xiàn)場設(shè)備通過將流過電流回路的電流調(diào)制成與所感測的過程變量成比例的電流而將信號發(fā)送到控制室。其它模擬現(xiàn)場設(shè)備在控制室的控制下通過控制通過所述回路的電流的大小能夠執(zhí)行動作。另外，或者可選地，所述過程控制回路能夠輸送用于與現(xiàn)場設(shè)備通信的數(shù)字信號。
在一些裝置中，無線技術(shù)已經(jīng)開始被用于與現(xiàn)場設(shè)備通信。例如，完全的無線裝置得以應(yīng)用，其中現(xiàn)場設(shè)備使用電池、太陽能電池或其他技術(shù)而不需任何類型的有線連接以獲得電力。然而，多數(shù)現(xiàn)場設(shè)備被硬連線至過程控制室，并且不使用無線通信技術(shù)。
在以小到4mA的電流工作的現(xiàn)場設(shè)備中，提供產(chǎn)生無線通信的足夠電力是一種挑戰(zhàn)。如果產(chǎn)生無線通信消耗掉過多的電力，則會使現(xiàn)場設(shè)備在電流回路上進(jìn)行適當(dāng)通信的能力減弱。因此，需要針對在使用4和20mA之間的模擬電流的過程控制回路上工作的現(xiàn)場設(shè)備的改進(jìn)的無線通信能力。


發(fā)明內(nèi)容
一種用于工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備，包括被配置為連接至兩線過程控制回路的端子，所述兩線過程控制回路被配置為攜帶數(shù)據(jù)和供電。在一個實(shí)施例中，所述現(xiàn)場設(shè)備中的RF電路被配置用于具有可變功耗的射頻通信。在另一個實(shí)施例中，所述RF電路通過分離的數(shù)字通信總線耦合至所述現(xiàn)場設(shè)備。還提供了一種基于過程通信信號對RF通信的電力進(jìn)行調(diào)制的方法。



圖1是過程控制和/或監(jiān)測系統(tǒng)的概圖，其中本發(fā)明的實(shí)施例特別有用。
圖2是壓力變送器的簡化剪切局部分解視圖。
圖3示出了耦合至過程控制回路和無線通信電路的現(xiàn)場設(shè)備。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的現(xiàn)場設(shè)備中的現(xiàn)場設(shè)備電路的部分的概圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的實(shí)施例大體上提供了一種具有用于單向或雙向無線通信的無線通信模塊的現(xiàn)場設(shè)備。無線通信模塊可以從遠(yuǎn)端設(shè)備或位置發(fā)送和/或接收RF信號。該模塊的功耗可以動態(tài)地改變，并由現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行供電。
圖1是過程控制和/或監(jiān)測系統(tǒng)10的概圖，其中本發(fā)明的實(shí)施例特別有用。系統(tǒng)10包括通過兩線過程控制回路16耦合至現(xiàn)場設(shè)備14的控制室12?，F(xiàn)場設(shè)備14耦合至由管道18示意性示出的過程流體容器，并被配置為確定與管道18內(nèi)的過程流體有關(guān)的過程變量，并通過過程控制回路16傳遞與該過程變量有關(guān)的信息。
圖2是壓力變送器14的簡化剪切局部分解視圖，該壓力變送器14是現(xiàn)場設(shè)備的二個示例。壓力變送器14耦合至兩線過程控制回路16，并且包括變送器外殼62。過程控制回路16耦合至端子板58上承載的端子56。壓力傳感器64提供了換能器的一個示例，并被配置為耦合至適于測量過程流體中出現(xiàn)的壓力差的過程。傳感器64的輸出被提供給耦合至現(xiàn)場設(shè)備電路68的測量電路66。無線通信電路22耦合至現(xiàn)場設(shè)備電路68，而且在一些實(shí)施例中可以耦合至過程控制回路16。
外殼62包括可擰入外殼62的端蓋70和72。端蓋72包括RF透明窗74，RF透明窗74通常被配置為與無線通信電路22上所承載的天線26對齊。當(dāng)被附加上時，端蓋70和72為變送器60內(nèi)的電路提供了固有安全封套。封蓋中典型使用的材料(例如金屬)對于RF信號不透明。然而，RF透明窗74允許天線26發(fā)送和接收RF信號。用于窗74的RF透明材料的一個示例是玻璃，等等。然而，可以使用任何適合的材料。所述窗和外殼的配置有助于滿足固有安全要求并提供防火或防爆能力。此外，外殼62內(nèi)的空腔可以被配置為提供天線26所產(chǎn)生的RF信號的期望輻射圖案。例如，在一些實(shí)施方式中可能希望RF傳輸是定向的，而在其他實(shí)施方式中可能希望RF傳輸是全向的。在其他實(shí)施方式中，可延長外殼62以提供用于放置無線通信電路22的額外內(nèi)部空腔。
無線通信電路22通過天線26與外部無線設(shè)備進(jìn)行交互。取決于應(yīng)用，無線通信電路22可以適于根據(jù)任意適合的無線通信協(xié)議而進(jìn)行通信，包括但不限于無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(例如IEEE802.15.4或IEEE802.11b無線接入點(diǎn)以及由Linksys of Irvine，California制造的無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備)、蜂窩或數(shù)字聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(例如Aeris Communications Inc.of SanJose，California的Microburst)、超寬帶、自由空間光學(xué)、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(kuò)頻技術(shù)、紅外通信技術(shù)、SMS(短消息業(yè)務(wù)/文本收發(fā))、或任意其他適合的無線技術(shù)。此外，可以采用已知的數(shù)據(jù)碰撞技術(shù)，使得多個單元可以在彼此的無線操作范圍內(nèi)共存。該碰撞避免可以包括使用多個不同的射頻信道和/或擴(kuò)頻技術(shù)。
雖然圖2示出了耦合至現(xiàn)場設(shè)備14內(nèi)的現(xiàn)場設(shè)備電路68的無線通信電路22，然而可以清楚地設(shè)想，無線通信電路22可以位于其遠(yuǎn)端，并通過適合的數(shù)字通信總線耦合至現(xiàn)場設(shè)備14。
圖3示出了耦合至過程控制回路16和無線通信電路22的現(xiàn)場設(shè)備14的概圖，其通過數(shù)字通信總線100放置在現(xiàn)場設(shè)備14的遠(yuǎn)端。數(shù)字通信總線100優(yōu)選地為雙向總線，但在不需要雙向通信的情況下或在期望的情況下也可以是單向總線。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，無線通信電路22被配置為基于來自現(xiàn)場設(shè)備14的電路22可用電力的多少，吸取可變的電力。例如，如上文所述，在某些過程控制回路上操作的現(xiàn)場設(shè)備可能需要在低至4mA的情況下操作。在該情況下，如果存在的話，也僅存在很少的額外電力來為無線通信供電。只要出現(xiàn)要求過程變量信號為4mA的條件(例如指示零范圍或低干線過程變量值)，該情況就會存在。因此，該條件會存在幾個小時或甚至是幾天。本發(fā)明的實(shí)施例大體上能夠使明顯變化的過度能量用于無線通信。在一個實(shí)施例中，過程控制回路電流處于較高值時的可用過度能量被存儲而不是僅僅被丟棄。這個存儲的能量可以在之后當(dāng)電流信號處于其最低值時使用。該能量可以存儲在任何適合的器件中，包括可充電的電池和/或適合的電容器。
在另一個實(shí)施例中，無線通信電路22的實(shí)際操作基于可用電力而變化。例如，無線通信電路22可以進(jìn)入睡眠模式，此時現(xiàn)場設(shè)備14的回路電流接近4mA，與現(xiàn)場設(shè)備的回路電流接近12mA且存在充足的電路22可用的過度電力時相比，可用的過度電力很少。修改無線通信電路22的操作的另一個示例是，改變無線通信電路22的通信速率。例如，可以根據(jù)能夠傳遞給無線通信電路22的可用過度電力的量來設(shè)置或確定無線電路22的通信速率。該功能的一個示例是，無線通信電路22的通信速率與過度電力的量直接成比例。另外，現(xiàn)場設(shè)備14可以知曉或能夠預(yù)測可用過度電力的量，而且可以設(shè)想，通過與無線通信電路22進(jìn)行通信，現(xiàn)場設(shè)備14能夠設(shè)置電路22的通信速率。
為了簡化過程配線和安裝，通常優(yōu)選的做法是，無線通信模塊22僅由從現(xiàn)場設(shè)備14可獲得的能量來供電。此外，優(yōu)選的做法是無線通信電路22借助或通過數(shù)字通信總線100來供電。通信總線100可以是任意適合的數(shù)字通信總線，包括控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)或本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)總線；串行通信接口(SCI)總線；串行外設(shè)接口(SPI)總線；或I2C總線。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的現(xiàn)場設(shè)備14中的現(xiàn)場設(shè)備電路68的部分的概圖?，F(xiàn)場設(shè)備電路68包括允許現(xiàn)場設(shè)備14通過過程控制回路16進(jìn)行數(shù)字通信的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器102。在一個實(shí)施例中，數(shù)字通信根據(jù)高速可尋址遠(yuǎn)程換能器(HART)協(xié)議而進(jìn)行。另外，電路68包括旁路控制模塊104，該模塊104允許現(xiàn)場設(shè)備14把端子56H和56L之間流動的電流量設(shè)置為4和20mA之間的值，以傳遞過程變量信息?，F(xiàn)場設(shè)備14優(yōu)選地包括一對端子106、108，數(shù)字通信總線100通過這對端子耦合至無線通信電路22。現(xiàn)場設(shè)備14還優(yōu)選地包括通信物理層110，該通信物理層110提供了根據(jù)上文所列數(shù)字通信總線選擇之一的通信。另外，現(xiàn)場設(shè)備14包括通信電力限制模塊112，該模塊耦合至高電壓干線114和-loop端子56L。通信電力限制模塊112耦合至旁路控制104，使得通信物理層110的電力基于現(xiàn)場設(shè)備14所吸取的電流。如圖4所示，無線通信電路22經(jīng)通信總線100耦合至端子106和108。如上文所述，無線通信電路22可以位于現(xiàn)場設(shè)備14內(nèi)，或位于其遠(yuǎn)端。
進(jìn)行單次過程測量、同時保持現(xiàn)場設(shè)備14內(nèi)的4-20mA電子設(shè)備和傳感器電路工作所需的電流通常需要高達(dá)3.6mA，這是滿足NAMUR警報值所允許的上限?；贖ART的變送器使用+/-0.5mA在兩線回路上發(fā)送信號，所以3.6mA限制中僅有3.1mA應(yīng)當(dāng)被分配用于現(xiàn)場設(shè)備14的工作電流。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，現(xiàn)場設(shè)備14采用通信電力限制模塊112來限制通過數(shù)字通信總線100而提供用于數(shù)字通信的電力，因此限制了通過無線通信電路22的電力。例如，當(dāng)存在4.0mA的回路電流時，0.7mA的電能可用于數(shù)字通信總線100。當(dāng)存在6.0mA的回路電流時，無線通信電路22通過數(shù)字通信總線100可使用1.70mA。
如圖4所示，數(shù)字通信總線100的端子106可以直接耦合至回路端子56L。在這個實(shí)施例中，兩線4-20mA回路和兩線數(shù)字通信總線100的線路中的一條是公共的。在這種情況下，數(shù)字通信總線100的公共線路實(shí)際上可以直接耦合至過程通信回路的負(fù)或低電壓線路，而無線通信電路22和現(xiàn)場設(shè)備14之間的互聯(lián)可以通過耦合至端子108的單一線路來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，數(shù)字通信總線100是控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)總線，而且現(xiàn)場設(shè)備14的電路的根據(jù)可以是美國專利申請公布序列號2004/0184517A1，2004年9月23日公布，標(biāo)題為TWO WIRETRANSMITTER WITH ISOLATED CAN OUTPUT。
一般地，能夠通過數(shù)字通信總線100向無線通信電路22提供高于現(xiàn)場設(shè)備14工作所需的最小電流的任何可用的過度電流。另外，在現(xiàn)場設(shè)備14通過過程控制回路16進(jìn)行數(shù)字通信的實(shí)施例中，即使是電流出現(xiàn)短暫的增大和減小，例如數(shù)字通信信令所需的電流出現(xiàn)短暫的增大和減小，也可以用于增大或減小可用于無線通信的電力。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)上做出改變。如這里所用，射頻(RF)可以包括任意頻率的電磁傳輸，而且不限于特定的頻率組、頻率范圍或任何其他的限制。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場設(shè)備，包括
多個端子，可耦合至過程控制回路；
旁路控制模塊，耦合在所述多個端子之間，并被配置為確定從中流過的電流量；以及
數(shù)字通信總線，耦合至無線通信電路，所述無線通信電路被配置為基于來自所述現(xiàn)場設(shè)備的可用的過度電力，以變化的電力值而操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述無線通信電路位于所述現(xiàn)場設(shè)備中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述無線通信電路位于所述現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，還包括通信電力限制模塊，所述通信電力限制模塊耦合至所述旁路控制模塊，被配置為對通過所述無線通信總線而提供的電力進(jìn)行限制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述數(shù)字通信總線是控制器區(qū)域網(wǎng)總線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述數(shù)字通信總線是本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)總線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述數(shù)字通信總線是串行通信接口(SCI)總線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述數(shù)字通信總線是串行外設(shè)接口(SPI)總線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述數(shù)字通信總線是I2C總線。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，還包括能量存儲器件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述現(xiàn)場設(shè)備是過程變量變送器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述無線通信電路的通信速率與流過所述旁路控制模塊的電流量成比例。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述無線通信電路的通信速率是來自現(xiàn)場設(shè)備的可用的過度電力的函數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述無線通信電路的通信速率與所述過度電力成比例。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場設(shè)備，其中，所述無線通信電路在來自所述現(xiàn)場設(shè)備的可用的過度電力處于最小時進(jìn)入睡眠模式一段時間。
全文摘要
一種用于工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)(10)中的現(xiàn)場設(shè)備(14)，包括被配置為連接至兩線過程控制回路(16)的端子(56H、56L)，所述兩線過程控制回路被配置為攜帶數(shù)據(jù)和供電。在一個實(shí)施例中，所述現(xiàn)場設(shè)備(14)中的RF電路(22)被配置用于具有可變功耗的射頻通信。在另一個實(shí)施例中，所述RF電路(22)通過分離的數(shù)字通信總線(100)耦合至所述現(xiàn)場設(shè)備(14)。還提供了一種基于過程通信信號對RF通信的電力進(jìn)行調(diào)制的方法。
文檔編號G05B19/042GK101171555SQ200680015575
公開日2008年4月30日 申請日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月27日
發(fā)明者凱利·M·奧斯 申請人:羅斯蒙德公司