專利名稱：具有電路保護的過程控制現(xiàn)場裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制和監(jiān)測系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及用在這種系統(tǒng)中的無線現(xiàn)場裝置。
背景技術(shù)：
在工業(yè)設(shè)置中，控制和監(jiān)測系統(tǒng)用來監(jiān)測和控制工業(yè)和化學過程的清單等。典型地，控制系統(tǒng)采用分布在工業(yè)過程中的關(guān)鍵位置處并通過過程控制回路連接至控制室中的控制電路的現(xiàn)場裝置執(zhí)行這些功能。術(shù)語"現(xiàn)場裝置"涉及在分布式控制或過程監(jiān)測系統(tǒng)執(zhí)行功能的任何裝置，包括工業(yè)過程的測量、控制和監(jiān)測中使用的所有裝置。現(xiàn)場裝置由過程控制和測量工業(yè)使用用于多種目的。通常，這種裝置具有現(xiàn)場加固外殼，以便它們可以在相對惡劣環(huán)境中被安裝在室外，并且能夠承受溫度、濕度的氣候極限、振動、機械沖擊等等。這些裝置通常也可以以相對低的功率運行。例如，目前可獲得從已知的4-20mA回路接收它們的工作功率的全部的現(xiàn)場裝置。一些現(xiàn)場裝置包括換能器。換能器被理解為是指基于物理輸出產(chǎn)生電輸出或基于電輸入信號產(chǎn)生物理輸出的裝置。典型地，換能器將輸入轉(zhuǎn)換成具有不同形式的輸出。換能器的類型包括多種分析設(shè)備、壓力傳感器、電熱調(diào)節(jié)器、熱電偶、應(yīng)變儀、流量變送器、定位器、致動器、螺線管、指示燈等等。典型地，每個現(xiàn)場裝置還包括通信電路，其用于通過過程控制回路與過程控制室或其它電路進行通信。在一些設(shè)施中，過程控制回路也用了將已調(diào)節(jié)的電流和/或電壓傳遞至現(xiàn)場裝置，用于向現(xiàn)場裝置供電。傳統(tǒng)上，模擬現(xiàn)場裝置已經(jīng)通過二線式過程控制電流回路連接至控制室，每個裝置通過單個二線式控制回路連接至控制室。一些模擬現(xiàn)場裝置通過將在電流回路上傳播的電流調(diào)制成與被檢測的過程變量成比例的電流而將信號傳送至控制室。其它模擬現(xiàn)場裝置可以在控制室的控制下通過控制通過回路的電流的幅度起作用。除此之外或替換地，過程控制回路可以載送用于與現(xiàn)場裝置通信的數(shù)字信號。數(shù)字通信允許比模擬通信更大程度的通信。而且，數(shù)字裝置也不要求用于每個現(xiàn)場裝置的單獨的導(dǎo)線。進行數(shù)字通信的現(xiàn)場裝置可以響應(yīng)于控制室和/或其它現(xiàn)場裝置并選擇性地與控制室和/或其它現(xiàn)場裝置通信。進一步，這種裝置可以提供附加信號，如診斷和/或警報。在一些設(shè)施中，無線技術(shù)用來與現(xiàn)場裝置進行通信。無線配置簡化了現(xiàn)場裝置配線和設(shè)置?？梢圆捎枚喾N無線通信技術(shù)，包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)類型配置。一種示例性無線通信協(xié)議為根據(jù)IEC 62591標準的HART 。然而，由于不存在至無線現(xiàn)場裝置的物理電連接，通常要求無線現(xiàn)場裝置采用相對少的功率運行。這種裝置的低供電元件和模塊如果不恰當?shù)剡B接至電源，或者連接至具有超過元件或模塊的極限的輸出電壓的電源則會受損。

發(fā)明內(nèi)容
一種用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的無線現(xiàn)場裝置，包括具有電源輸出端的電源。現(xiàn)場裝置為由電源輸出供電的電路。保護電路被配置為保護現(xiàn)場裝置電路。保護電路保護連接至電源輸出端的反極性保護電路，其響應(yīng)于電源輸出端和現(xiàn)場裝置電路之間的反極性連接將電源輸出端與現(xiàn)場裝置電路電隔離。過電壓保護電路在電源輸出端的電壓超過閾值時將電源輸出端與現(xiàn)場裝置電路斷開。


圖1為示出包括包含根據(jù)本發(fā)明的電路的無線現(xiàn)場裝置的過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)的簡化框圖。圖2為示出無線現(xiàn)場裝置中的元件的框圖。圖3為圖2的現(xiàn)有技術(shù)反極性保護電路的示意圖。圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的無線現(xiàn)場裝置的元件的框圖。圖5為示出包括過電壓保護電路的保護電路的簡化示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明包括無線現(xiàn)場裝置，其具有用于保護現(xiàn)場裝置的電路的保護電路。保護電路防止現(xiàn)場裝置電路和電源之間的反極性連接。進一步，保護電路防止現(xiàn)場裝置電路連接至具有超過現(xiàn)場裝置電路的最大電壓的電源。圖1為示出示例性過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)10的簡化示意圖，該過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)10包括連接至現(xiàn)場裝置14和16的控制室或控制系統(tǒng)12?，F(xiàn)場裝置14被顯示連接至過程管道18，現(xiàn)場裝置16被顯示連接至儲存箱20。裝置14和16分別地包括天線22和24，用于發(fā)射和/或接收來自與過程控制室12的過程控制電路13相關(guān)聯(lián)的天線26的信息。裝置14和16采用無線射頻(RF)通信鏈路28和30與控制室12中的電路13通信?，F(xiàn)場裝置14和16包括將本地電力提供到所述裝置的元件，而不要求運行附加導(dǎo)線。例如，裝置14和16可以包括用于本地電力的太陽能電池和/或電池。為了減少電力使用，無線現(xiàn)場裝置中的多個元件被設(shè)計為采用提供低壓輸出的電源進行操作。這改善了裝置的能量效率，并且在電池供電裝置情況中延長了操作時間。例如，一些無線裝置包括被配置為采用相對低壓電源(如采用7.2伏電源)進行操作的電路。然而，其它裝置和元件可以采用高壓操作。例如，“傳統(tǒng)”裝置可以被設(shè)計為采用從18伏到高達50伏的范圍內(nèi)的電源電壓操作。被設(shè)計用于低壓操作的元件通常不能容忍在傳統(tǒng)裝置中使用的高壓。存在的可能是這些現(xiàn)有高壓可以連接至較新的低壓設(shè)計的元件。這會導(dǎo)致對低壓元件的損壞。圖2為無線現(xiàn)場裝置200的一種示例性系統(tǒng)架構(gòu)的簡化框圖。裝置200包括電源組202、裝置電路204和保護電路206。用于電源組202的示例性電源包括電池和儲能電容器以及發(fā)電機，如太陽能電池，機械能至電能電源等等。在該示例中，裝置電路204包括3伏開關(guān)穩(wěn)壓器210和5伏開關(guān)穩(wěn)壓器212。測量電路214配置為測量工業(yè)過程的過程變量，如壓力、溫度等等，并包括傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器等等。數(shù)字電子元件216配置為接收測量到的過程變量并將該過程變量傳送至遠程位置。例如，數(shù)字電子元件216可以包括微處理器、存儲器、包括射頻模塊的通信電路等等。在現(xiàn)有技術(shù)配置中，保護電路206可以包括反極性電路，其被配置為防止裝置電路204連接至具有反極性的電源組202。電源組202可以包括用于無線現(xiàn)場裝置的任何合適的電源。電源組202為電源的一種示例，更具體地，為能夠向現(xiàn)場裝置提供電力的內(nèi)部電源，其中現(xiàn)場裝置可以專門由來自內(nèi)部電源的電力供電。圖3為被配置為提供反極性保護的現(xiàn)有技術(shù)保護電路230的簡化框圖。保護電路230接收來自電源組202的電力并將電力提供至圖2中示出的開關(guān)穩(wěn)壓器210和212。在圖3的配置中，晶體管232包括P信道M0SFET。在正常操作中，接線端234連接至電源組202的正極端，接線端236連接至電源組202的負極端。在這種配置中，用于柵極至源極電壓足夠大，因此晶體管232將處于“接通”狀態(tài)。相反地，當電源組202以相反的極性連接至接線端234和236時，晶體管232將關(guān)斷，從而防止電壓施加至裝置電路204。這是因為晶體管232的源極終端處的電壓相對于晶體管232的柵極將被拉為負。圖4為根據(jù)本發(fā)明的無線變送器300的簡化框圖。類似于圖2的變送器200中示出的元件的變送器300中的元件保持它們的編號。在變送器300的在圖4中示出的配置中，圖2中顯示的變送器200的保護電路206已經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的保護電路306代替。保護電路306采用反極性保護電路308提供如上所述的反極性保護。此外，保護電路306采用過電壓保護電路310提供過壓保護。過壓保護電路防止具有會損壞裝置電路204的電壓的電源組202連接至裝置電路204。 圖5為保護電路306的更詳細的視圖。保護電路306的與圖3中示出的保護電路230的元件相似的元件保留它們的編號。在圖5的保護電路306中，反極性保護電路308如上文聯(lián)系圖3討論的那樣操作。保護電路306還包括過電壓保護電路310。過電壓保護電路310包括MOSFET 320、電阻器322、PNP晶體管324和齊納二極管326。在過電壓保護電路310的正常操作期間，MOSFET 320處于“接通”狀態(tài)，因為電阻器322將MOSFET 320的柵極拉到足夠低以超過柵極閾值要求。然而，如果接線端234和236之間施加的電壓超過將引起齊納二極管326上的電壓超過其擊穿電壓的電壓，則PNP晶體管324將開始導(dǎo)通。這將升高在MOSFET 320的柵極處的電壓，導(dǎo)致它停止導(dǎo)通并進入“斷開”狀態(tài)。采用這種未導(dǎo)通的晶體管320，接線端234和236之間施加的高壓將不連接至開關(guān)穩(wěn)壓器210和212或后續(xù)裝置電路214和216。這將保護裝置電子元件免受過電壓的影響，只要所施加的電壓未超過MOSFET 320的額定電壓。進一步，在正常操作期間，由過電壓保護電路310采用的靜態(tài)電流相對小，例如幾個微安培。通過改變齊納二極管326的擊穿電壓可以調(diào)整MOSFET 320 “斷開”時的閾值電壓。該電路可以采用成本相對低的元件的實現(xiàn)，這種成本相對低的元件也相對小且容易被容納在電路板上。在一種配置中，保護電路306可以在“零件模塊”上實現(xiàn)，該“零件模塊”可以連接至裝置電路204。例如，該零件模塊可以為裝置電路204提供附加功能，如無線通信能力。雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以在形式和細節(jié)上進行改變。雖然上述描述涉及無線現(xiàn)場裝置，但本發(fā)明也可以結(jié)合有線裝置使用。這包括永久地有線連接至其它電路的裝置以及僅臨時地有線連接至其它電路的裝置。
權(quán)利要求
1.一種用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場裝置，包括: 具有電源輸出端的電源； 由所述電源供電的現(xiàn)場裝置電路； 用于保護現(xiàn)場裝置電路的保護電路，包括: 反極性保護電路，響應(yīng)于所述電源輸出端和現(xiàn)場裝置電路之間的反極性連接將所述電源輸出端與現(xiàn)場裝置電路電隔離；和 過電壓保護電路，在所述電源輸出端的電壓超過閾值時將所述電源輸出端與現(xiàn)場裝置電路斷開連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場裝置，其中過電壓保護電路包括串聯(lián)連接在所述電源輸出端和現(xiàn)場裝置電路之間的場效應(yīng)晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的現(xiàn)場裝置，其中場效應(yīng)晶體管包括串聯(lián)連接在電源輸出端和現(xiàn)場裝置電路之間的漏極和源極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場裝置，其中過電壓保護電路還包括具有擊穿電壓的齊納二極管，并且其中當齊納二極管上的電壓超過擊穿電壓時，電壓將施加至場效應(yīng)晶體管的柵極，場效應(yīng)晶體管的柵極將晶體管“斷開”，從而電源輸出端與裝置電路斷開連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的現(xiàn)場裝置，包括將齊納二極管連接至MOSFET的柵極的晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 所述的現(xiàn)場裝置，其中反極性保護電路包括串聯(lián)在電源輸出端和現(xiàn)場裝置電路之間的晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場裝置，其中現(xiàn)場裝置電路包括連接至所述保護電路并被配置為向現(xiàn)場裝置電路供電的開關(guān)穩(wěn)壓器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場裝置，其中現(xiàn)場裝置電路包括無線通信電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場裝置，其中所述保護電路承載在連接至無線現(xiàn)場裝置的零件1吳塊中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場裝置，包括無線通信電路，并且其中現(xiàn)場裝置專門采用來自所述電源的電力操作。
11.一種保護用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的類型的現(xiàn)場裝置中的現(xiàn)場裝置電路的方法，該方法包括下述步驟: 將電源電連接至現(xiàn)場裝置電路； 如果所述電源與反極性連接，通過將所述電源與現(xiàn)場裝置電路斷開連接，對現(xiàn)場裝置電路提供反極性保護；和 如果電源輸出端的電壓超過閾值，通過將所述電源與現(xiàn)場裝置電路電地斷開連接，對現(xiàn)場裝置電路提供過電壓保護。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中通過選擇齊納二極管的擊穿電壓選擇所述閾值。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中提供過電壓保護的步驟包括在電源輸出端的電壓超過所述閾值時“斷開”串聯(lián)連接的晶體管。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括采用用于調(diào)整來自電源輸出端的電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器給現(xiàn)場裝置電路供電的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括將開關(guān)穩(wěn)壓器連接至所述電源以給現(xiàn)場裝置電路供電的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括與現(xiàn)場裝置電路進行無線通信的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括將零件模塊連接至無線現(xiàn)場裝置的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括采用無線通信電路從現(xiàn)場裝置進行無線通信的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括專門采用來自所述電源的電力給現(xiàn)場裝置供電的步 驟。
全文摘要
一種用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的無線現(xiàn)場裝置，包括具有電源輸出端的電源?，F(xiàn)場裝置為由電源輸出端供電的電路。保護電路被配置為保護現(xiàn)場裝置電路。保護電路保護連接至電源輸出端的反極性保護電路，其響應(yīng)于電源輸出端和現(xiàn)場裝置電路之間的反極性連接將電源輸出端與現(xiàn)場裝置電路電地隔離。過電壓保護電路在電源輸出端的電壓超過閾值時將所述電源輸出端與現(xiàn)場裝置電路斷開。
文檔編號G05B19/418GK103092147SQ20121006294
公開日2013年5月8日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者詹姆士·A·約翰遜, 理查德·L·尼爾森 申請人:羅斯蒙德公司