專利名稱：用于過程控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及過程控制系統(tǒng)。尤其是，本發(fā)明涉及在過程控制系統(tǒng)中的從場發(fā)射機到控制室線路的過程變量的轉(zhuǎn)換。
通常地，過程變量場發(fā)射機被用在過程控制系統(tǒng)中來測量諸如流量、溫度或壓強等過程變量并將這些變量傳送到控制室。此信息被用在控制室中用來監(jiān)測和控制過程的操作。
傳統(tǒng)地，過程變量的傳送是通過使用雙線電流環(huán)路來進行的。在典型的4-20mA電流環(huán)路中，4mA信號代表過程變量的最小讀數(shù)而20mA信號代表過程變量的最大讀數(shù)。從控制室向電流環(huán)路和場發(fā)射機提供電源從而維持一種內(nèi)在的安全且防爆的場環(huán)境。場發(fā)射機根據(jù)所測量的過程變量來控制流過環(huán)路的電流。此種及其它種類的電流環(huán)路，已變成為工業(yè)化標準。
隨著微處理器的產(chǎn)生，場發(fā)射機已變得越來越自動化。此項技術(shù)的一個分支是使用來自場發(fā)射機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換。在一種設(shè)計結(jié)構(gòu)中，數(shù)字信號被重疊在4-20mA的過程變量電流信號上。此數(shù)字信號可代表初級過程變量，同樣也可用模擬環(huán)電路或次級過程變量代表。在另一種結(jié)構(gòu)中，多個場發(fā)射機與同一過程控制環(huán)路相連并且每個發(fā)射機通過環(huán)路向控制室發(fā)射數(shù)字過程變量。傳統(tǒng)的適用于模擬通信技術(shù)的控制室線路還不能充分利用能夠發(fā)射數(shù)字信號的發(fā)射機。
發(fā)明簡述轉(zhuǎn)換線路被提供用于耦合場射機，場發(fā)射機用來向適于接收模擬信號的控制室電路發(fā)射數(shù)字信息。場發(fā)射機向初級過程控制環(huán)路上發(fā)射數(shù)字信息。轉(zhuǎn)換線路包含用于從初級環(huán)路接收數(shù)字信號的數(shù)字接收機并提供代表數(shù)字信號的數(shù)字輸出。微處理器接收數(shù)字輸出并相應(yīng)地提供數(shù)字次級環(huán)路控制輸出。次級環(huán)路控制線路接收次級環(huán)路控制輸出并相應(yīng)地控制被提供到次級控制環(huán)路的模擬信號。此模擬信號與從場發(fā)射機發(fā)射的數(shù)字信號相關(guān)。
在一個實施例中，從初級環(huán)路接收多個數(shù)字信號并分別提供到多個次級環(huán)路。在該實施例中，次級環(huán)路為4-20mA環(huán)路。單場發(fā)射機被用于發(fā)射多個過程變量。另外，多個場發(fā)射機被用來發(fā)射多個數(shù)字過程變量。
圖面的簡要描述

圖1為過程控制系統(tǒng)的部分的示意圖，其具有通過兩線過程控制環(huán)路與控制室相連的場發(fā)射機；圖2為根據(jù)本發(fā)明的與初級控制環(huán)路及多個次級控制環(huán)路耦合的轉(zhuǎn)換線路的簡化方框圖；圖3為圖2的轉(zhuǎn)換器線路的方框圖；圖4為圖2的轉(zhuǎn)換器線路的方框圖。
最佳實施例的詳細描述本發(fā)明這里提供了一種接口電路，其將數(shù)字通信信息(諸如那些按照HART通信標準)從多變量場發(fā)射機轉(zhuǎn)換進多個4-20mA的電流環(huán)路中。此技術(shù)允許在單獨的電流環(huán)路上來同時監(jiān)測多個不同的過程變量。在某一實施例中，接口電路存在于過程控制室內(nèi)并與多變量發(fā)射機的電流環(huán)路中的負載電阻相跨接。
圖1示出了諸如在石油化學(xué)油罐場12中的工業(yè)過程控制設(shè)備10。流體14流過管網(wǎng)16，儲存箱18通過管20與管網(wǎng)14相連。其它的管子20A、20B、20C和20D可被用于擴展系統(tǒng)而與其它的儲存箱相連。所示出的帶管腳的場發(fā)射機22與管20耦合。尤其是發(fā)射機22必須在激烈的環(huán)境中工作并且必須符合內(nèi)部安全的要求。發(fā)射機22通過完全驅(qū)動發(fā)射機的初級雙-線環(huán)路26來與控制室24相連。發(fā)射機22包含壓差敏感元件28及溫度傳感器30，且其為一種多變量型發(fā)射機，從而其可傳送代表壓強或溫度的過程變量。
控制室24包含用于監(jiān)控由發(fā)射機22所感測的過程變量的線路。雖然其未明顯地示出，但在典型的過程控制操作中，過程是對應(yīng)于被感測的過程變量而被控制的。例如，在控制室24中的線路可通過控制搖控的定位閥(未示出)來控制流量。這提供了用于控制過程的封閉反饋環(huán)路。
場發(fā)射機22被連接用于監(jiān)測兩個不同的過程變量、流量及溫度。這些過程變量與兩線環(huán)路26數(shù)字耦合。在典型的現(xiàn)有技術(shù)場模擬發(fā)射機中，由于過程變量在用場發(fā)射機控制時，用流過環(huán)路的模擬電流電平表示過程變量，因此僅有一個單一的過程變量可與電流環(huán)路耦合。然而，很多最近的諸如哈特(HART)通信規(guī)約定書(其規(guī)范這里作為參考)、場總線規(guī)約書等通信協(xié)定書中，通過將代表過程變量的數(shù)字(“數(shù)字過程變量”)疊加到流過代表過程變量(“模擬過程變量”)的環(huán)路26的模擬電流上，從而保證多個過程變量與同一過程控制環(huán)路相耦合。然而，為了充分利用這一系統(tǒng)的效能。在控制室24中的線路必須能夠從同一控制環(huán)路接收至少多于一個的過程變量。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的位于控制室24內(nèi)的轉(zhuǎn)換線路40的方框圖。轉(zhuǎn)換線路40提供了接口電路，其將來自具有多個數(shù)字過程變量的過程控制環(huán)路的數(shù)據(jù)在4-20mA的電流環(huán)路上轉(zhuǎn)換為多個單獨的模擬過程變量，其中每一環(huán)路中的電流都代表數(shù)字過程變量中的一個。這保證了在各自的4-20mA的電流環(huán)路上可同時監(jiān)測多個數(shù)字化的過程變量。
過程控制室24包含與過程控制環(huán)路26相連的電源42。電源42被用于產(chǎn)生流過環(huán)路26的電流IM。敏感電阻器44與環(huán)路26串聯(lián)并在其間具有流過環(huán)路26的電流相對應(yīng)的電壓。此電壓隨著環(huán)路26上所附加的數(shù)字信號而發(fā)生變化并向初級轉(zhuǎn)換器電路48的信號調(diào)節(jié)電路46提供一個輸入。在初級轉(zhuǎn)換器電路48中，微處理器50與模塊化數(shù)據(jù)采集(MODAC)52及存儲器54相連，并與供電壓V1相耦合。信號調(diào)節(jié)器46通過射頻干擾(RFI)濾波器56與電阻器44相耦合。初級轉(zhuǎn)換電路48通過調(diào)節(jié)器60和輸出級62與次級過程控制環(huán)路58相耦合。環(huán)路58與供電源64和敏感電阻器66并聯(lián)，敏感電阻器66向檢測線路58提供一個輸出壓。調(diào)節(jié)器60向初級轉(zhuǎn)換電路48中所有線路提供可調(diào)的電壓電平V1。正如本領(lǐng)域中所公知的輸出級62控制流過環(huán)路58的電流I1的強度。在運作中，信號調(diào)節(jié)線路46從初級環(huán)路26接收數(shù)字信號。MODAC52解碼該信號并向微處理器50提供信號。微處理器50根據(jù)存在存儲器54中的指令運行，下面將對其進行詳細描述。微處理器50和MODAC52控制輸出級62并提供強度為4-20mA的電流I1，該電流在環(huán)路58中代表接收來自場發(fā)射機22的數(shù)字過程變量信號。
微處理器50與另外的轉(zhuǎn)換電路80A和80B相耦合，而轉(zhuǎn)換電路80A和80B被用于提供代表從場發(fā)射機22接收的其它數(shù)字化過程變量的模擬電流。為簡而言之，在電路80B間保留了編號，而僅對電路80A的線路進行詳細描述。
在電路80A中，MODAC82A借助光隔離器84A和86A從微處理器50接收控制信號及數(shù)字信息，而光隔離器84A及86B用于電隔離信號。MODAC82A通過電壓調(diào)節(jié)器90A和輸出級92A與電流環(huán)路88A相耦合。電流環(huán)路88A與供電源94A及敏感電阻器96A相耦合。敏感線路98A并聯(lián)敏感電阻器96A被耦合。MODAC82A向輸出級92A輸出代表所接收的數(shù)字信號的模擬信號，其控制流過電流環(huán)路88A的電流IA。控制電流IA以表示從場發(fā)射機22所接收的另外的數(shù)字化過程變量。在控制室24中的敏感線路98A測量電流IA因此可以確定從場發(fā)射機22所發(fā)射的數(shù)字化過程變量的值。調(diào)節(jié)器90A向電源線路80A產(chǎn)生一個可調(diào)節(jié)的電壓電平VA。
圖3為詳細描述轉(zhuǎn)換線路48的方框圖。信號調(diào)節(jié)電路46包含通過RFI濾波器56與敏感電阻器44耦合的隔離變壓器110。如果電壓通過電阻器44超過某一閾值，則過壓保護電路57提供一個電壓分路。隔離變壓器110與發(fā)射電路112和接收電路114相連，而發(fā)射電路112和接收電路114與MODAC52中的調(diào)制調(diào)解器116相連。調(diào)制解調(diào)器116具有與微處理器50相連的發(fā)射和接收線路(分別為TXA和RXA)。MODAC52包含與用于產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘信號的晶體120相連的振蕩器118。來自振蕩器118的系統(tǒng)時鐘信號被提供到微處理器50、調(diào)制解調(diào)器116、監(jiān)視器電路122及脈沖寬度調(diào)制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(PWM DAC)124。
微處理器50向監(jiān)視器電路122提供一個啟動監(jiān)視器電路信號輸入，且如果供電電壓下降，或如果微處理器50鎖住或振蕩器118失靈，則監(jiān)視電路122向微處理器50提供一個重新設(shè)定輸入。PWM DAC124接收從微處理器50輸入的芯片選通輸入(CS)，輸入數(shù)據(jù)(DATA IN)輸入及數(shù)據(jù)時鐘(DCLK)并向輸出級62提供一個脈寬調(diào)制數(shù)字輸出(DACOUT)。
微處理器50同樣與光學(xué)隔離器86A及86B相連。微處理器50向光學(xué)隔離器86A及86B提供芯片選通(CS1，CS2)、數(shù)據(jù)信號(DATAI，DATA2)、及數(shù)據(jù)時鐘信號(DCLK1，DCLK2)。調(diào)節(jié)器電路60包含起動電路130、參考電壓132、運算放大器134及電源電壓監(jiān)測器138。參考電壓132產(chǎn)生電壓V1。電源電壓監(jiān)測電路138監(jiān)測供電壓V1并且如果V1下降到低于某一閾值時向監(jiān)視電路122提供一個輸入。
輸出級62包含射頻干擾濾波器140及142。過壓保護電路144在過壓狀態(tài)下與電流環(huán)路58跨接并旁通電流環(huán)路58。運算放大器146與PWM DAC124(DACOUT)的輸出相連并控制用于調(diào)節(jié)流過環(huán)路58的電流I1的分路148。電阻器150向運算約大器146及分路148提供反饋。
圖4為電路80A的更詳細的方框圖，電路80A通過光學(xué)隔離器84A及86A與電路48相耦合。光學(xué)隔離器84A的輸出包含芯片選通(CS1)、數(shù)據(jù)時鐘(DCLK1)信號及提供到MODAC82A信號中的數(shù)據(jù)(DATAIN)。芯片選通CS1驅(qū)動MODAC82A中的監(jiān)視電路160A。MODAC82A包含振蕩器162A、調(diào)制解調(diào)器164A及PWM DAC166A。振蕩器162A與晶體168A相連并為線路80A提供時鐘。PWM DAC受來自光學(xué)隔離器84A的數(shù)據(jù)信號DCLK1控制并向輸出級92A提供控制輸出(DACOUT)輸出級92A包含運算放大器170A、分路172A、敏感元件174A、過壓保護電路176A及射頻干擾濾波器178A及180A。輸出級92A與環(huán)路88A相連并且與如上所述的輸出級62進行類似的操作。調(diào)節(jié)器90A包含旁路晶體管190A、參考電壓192A，運算放大器174A、起動電路196A及電源電壓監(jiān)測器198A。參考電壓192A產(chǎn)生電壓VA。調(diào)節(jié)器90A在與上述的調(diào)節(jié)器60類似的方式下操作。電路90B與電路90A類似且不再詳細描述。
在本發(fā)明中，轉(zhuǎn)換器線路40提供多個模擬電流環(huán)路輸出，這些輸出都可被轉(zhuǎn)換為由場發(fā)射機22向控制室發(fā)射的代表數(shù)字過程變量。尤其是，轉(zhuǎn)換器線路40將設(shè)置在過程控制室24中。每個環(huán)路96A～96B相應(yīng)地向其它控制電路80A-80B分別提供電源。在一最佳實施例中，每個環(huán)路不會消耗大于3.5mA的電流從而環(huán)路電流存4-20mA的標準系統(tǒng)中可被控制為最小為4.0mA的水平。該系統(tǒng)通過控制微處理器50而被校準從而獲得所需要的4-20mA的范圍。校準數(shù)據(jù)將被存在存儲器54中。微處理器50可通過向環(huán)路26提供數(shù)字信號而被選取。微處理器50監(jiān)控場發(fā)射機22所發(fā)射的每個數(shù)字過程變量，并適當?shù)卣{(diào)節(jié)環(huán)路58、88A及88B上的電流。
將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存入存儲器54中。此信息被微處理器50用來確認相對應(yīng)于哪個引入的數(shù)字過程變量的哪個次級電流環(huán)路被控制。此外，此結(jié)構(gòu)信息被用來存儲每個次級電流環(huán)路的零及范圍信息。
微處理器50使用發(fā)射線路112及信號調(diào)節(jié)線路46來與場發(fā)射機聯(lián)絡(luò)。微處理器50能夠充當主控制器。例如，微處理器50可以輪詢與環(huán)路26相連的發(fā)射機并檢測發(fā)射機的響應(yīng)?？蓪σ粏为毜陌l(fā)射機進行輪詢以獲得其過程變量。此外，微處理器50可從場儀器獲得其過程檢定信息。微處理器50在連續(xù)修正不受誤差影響的過程變量的同時能夠確定誤差的來源。線路40可被成形為提供被用于控制其它儀器、閥門或控制系統(tǒng)的接點閉合輸出端。在一實施例中，多個轉(zhuǎn)換電路40被菊花鏈或串聯(lián)連接在一起。例如，微處理器50可將其它的數(shù)字過程變量傳送到與初級轉(zhuǎn)換電路40相連的次級轉(zhuǎn)換電路40從而提供其它的電流環(huán)路輸出。此外，其它的轉(zhuǎn)換電路40可跨接同一敏感電阻器44從而監(jiān)控環(huán)路26上的其它的過程變量。
在另一個實施例中，轉(zhuǎn)換線路40可被設(shè)置在一發(fā)射機終端塊處(未示出)。此外，該線路可與諸如場主線規(guī)約的過程控制環(huán)路上的任一種數(shù)字通訊相作用。在另一實施例中，轉(zhuǎn)換線路40監(jiān)控從多個場發(fā)射機發(fā)射的數(shù)字過程變量，這些發(fā)射機成形在多點結(jié)構(gòu)中，在該多點結(jié)構(gòu)中多個發(fā)射機全部與同一過程控制環(huán)路相連。
在一實施例中，轉(zhuǎn)換線路40可以根據(jù)HART通信規(guī)約來假定主機的狀態(tài)。在此結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換線路40能夠發(fā)起一個被傳送到控制環(huán)路26上的場設(shè)備的HART請求。這保證轉(zhuǎn)換電路40在未將場設(shè)備設(shè)置為猝發(fā)傳輸模式的情況下來從場設(shè)備收集數(shù)字過程變量數(shù)據(jù)。這尤其是在多點場設(shè)備環(huán)路的情況下是特別有用的，而多站場設(shè)備環(huán)路中的多個場設(shè)備是能夠發(fā)射數(shù)字過程變量的。而每個場設(shè)備可以被單獨輪詢以獲得隨后被轉(zhuǎn)換和發(fā)送到適當?shù)拇渭壙刂骗h(huán)路的相應(yīng)過程變量。此外，根據(jù)哈特(HART)通信標準，轉(zhuǎn)換線路40可輪詢與環(huán)路26相連的發(fā)射機并獲得每一發(fā)射機的結(jié)構(gòu)信息。此結(jié)構(gòu)信息被用于確定例如被每一發(fā)射機隨著每一過程變量的零及間隔信息發(fā)送的過程變量的類型。
雖然已經(jīng)結(jié)合最佳實施例對本發(fā)明進行了描述，對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會認識到，在形式及細節(jié)上可作一些改變，但其都不脫離本發(fā)明的精神及范圍。例如，除了上面所描述的以外，數(shù)字過程變量可以轉(zhuǎn)換為模擬過程變量。此外，也可使用諸如場總線及調(diào)制總線等其它模擬及數(shù)字通信標準。
權(quán)利要求
1.一種用于在初級過程控制環(huán)路上與場發(fā)射機耦合的轉(zhuǎn)換線路，其特征在于包含與初級環(huán)路耦合用于接收從場發(fā)射機發(fā)送到初級過程控制環(huán)路上的數(shù)字過程變量信號并提供數(shù)字輸出的數(shù)字接收機線路；接收數(shù)字輸出并相應(yīng)地提供次級環(huán)路控制輸出的控制線路；及用于與次級過程控制環(huán)路耦合的次級環(huán)路控制線路，該次級過程控制環(huán)路包括-用于控制與次級環(huán)路控制輸出相對應(yīng)的流過次級環(huán)路的電流的電流源，其中在次級環(huán)路中的模擬電流與由場發(fā)射機提供的數(shù)字過程變量信號相關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路，其特征在于包括與次級環(huán)路耦合并用于接收來自次級環(huán)路的能量并驅(qū)動轉(zhuǎn)換線路的電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路，其特征在于其中次級環(huán)路中的電流被控制在4mA到20mA之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路，其特征在于包括與多個次級過程控制環(huán)路耦合的多個次級環(huán)路控制電路，其中控制線路向多個次級環(huán)路控制電路提供多個次級環(huán)路控制輸出以相應(yīng)地控制流過其中的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線路，其特征在于包括多個將控制線路與多個次級環(huán)路控制電路耦合并在其間提供隔離的光學(xué)隔離器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線路，其特征在于場發(fā)射機提供代表多個過程變量的數(shù)字信號且多個次級環(huán)路中的每個上的電流與多個過程變量中的一個相關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路，其特征在于次級環(huán)路控制電路被次級環(huán)路的電流所驅(qū)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路，其特征在于來自場發(fā)射機的數(shù)字信號符合哈特(HART)通信標準。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路，其特征在于包括被控制線路控制并與初級環(huán)路耦合用于相應(yīng)地將初級環(huán)路上的數(shù)字信號發(fā)送到場發(fā)射機的數(shù)字發(fā)射線路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線路，其特征在于次級環(huán)路控制線路向次級環(huán)路提供與報警條件相對應(yīng)的報警信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線路，其特征在于多個場發(fā)射機與初級環(huán)路耦合，而每個場發(fā)射機都發(fā)射代表過程變量的數(shù)字信號，而多個次級環(huán)路中的每一個上的電流都與其中的一個過程變量相對應(yīng)。
全文摘要
用于過程控制系統(tǒng)(10)中的轉(zhuǎn)換電路(40),被適用于與初級過程控制環(huán)路(26)耦合。在轉(zhuǎn)換線路(40)中的數(shù)字接收機線路(46、52)接收從場發(fā)射機(22)發(fā)送到初級過程控制環(huán)路(26)上的數(shù)字信號并相應(yīng)地提供一個數(shù)字輸出。微處理器(50)接收數(shù)字輸出并相應(yīng)地提供一個次級環(huán)路控制輸出。用于與次級過程控制環(huán)路(58)耦合的次級環(huán)路控制線路(62)從微處理器(50)接收次級環(huán)路控制輸出并相應(yīng)地控制流過次級過程控制環(huán)路(58)的電流。流過次級過程控制環(huán)路(58)的電流與由場發(fā)射機(22)發(fā)射的數(shù)字信號相關(guān)。
文檔編號G05B19/042GK1187253SQ96194500
公開日1998年7月8日 申請日期1996年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月31日
發(fā)明者布朗·L·韋斯特費爾德, 史蒂芬·D·安德森, 比耐特·L·洛瓦吉, 托德·A·皮耶霍夫斯基 申請人:羅斯蒙德公司