在過程控制設(shè)備中的保護電路以及過程控制設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開指向過程控制設(shè)備電路，更具體地指向輸入保護電路，該保護電路用于通過模擬電流環(huán)路進行控制或者通知(signaled)的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]模擬電流環(huán)路比如4-20mA電流環(huán)路或者過去的10_50mA電流環(huán)路，通常用于將信號(例如，測量所得的傳感器值、控制值等)發(fā)送給過程控制設(shè)備(比如致動器閥、馬達轉(zhuǎn)速控制器、面板儀器等)。在典型的場景中，傳感器或者控制器分別提供代表指示值(比如測量值(例如，溫度、壓強等))或者設(shè)定值的輸出電壓，而傳送器將該輸出電壓轉(zhuǎn)換為封閉的電流環(huán)路中的成比例的4-20mA電流。隨后，過程控制設(shè)備接收該4-20mA電流信號并通過內(nèi)部電阻處理該信號，該信號可通過過程控制設(shè)備的模擬輸入容易地進行測量。
[0003]一些從電流環(huán)路接收信號的過程控制設(shè)備依靠于來自電流環(huán)路自身的電源，但是其他設(shè)備從獨立的運行電源(operating source)接收功率。在過去，過程控制設(shè)備比如位于遠程石油結(jié)構(gòu)或者氣體結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)場儀器，依賴于氣動電源。在這些情況下，儀器只要有用于發(fā)送信號目的的小電流源(4-20mA)就可以運行，同時該儀器的其他部件被氣動地供電。
[0004]然而近年來，大量的現(xiàn)場儀器或過程控制設(shè)備依賴于與4_20mA電流環(huán)路獨立的運行電源。例如，即使一些閥致動器通過4-20mA電流環(huán)路接收控制信號，這些致動器也依賴于電壓輸入(比如+1V和-10V)運行。照此，可能出現(xiàn)4-20mA電流被施加給該儀器而某些部件卻沒有由對應(yīng)的運行電壓源供電的情況，比如在電源故障期間。這種情況常常導(dǎo)致敏感電子部件(例如，集成電路)的損壞。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型提出了一種用于過程控制設(shè)備(比如閥致動器)的保護電路，從而防止對設(shè)備部件的損壞。
[0006]本實用新型一方面公開了一種用于保護過程控制設(shè)備的部件的保護電路，包括可操作地接收與指示值成比例的電流的電流環(huán)路輸入端，以及被配置為耦接至電壓源并從該電壓源接收初級電壓信號的運行電壓輸入端，該運行電壓輸入端此外可操作地為該部件供電，以使過程控制設(shè)備根據(jù)指示值運行以控制過程。該保護電路進一步包括多個保護電路部件，該多個保護電路部件被配置為，當初級電壓信號低于第一閾值時，從電流環(huán)路輸入端向該部件提供次級電壓信號，并且當初級電壓信號高于第一閾值時，從運行電壓輸入端向該部件提供初級電壓信號。
[0007]優(yōu)選的，所述保護電路進一步包括分壓器，被配置為按預(yù)定因子劃分所述電流環(huán)路輸入端的弓I線腳兩端的電壓。
[0008]優(yōu)選的，所述多個保護電路部件進一步被配置為:鉗制所述過程控制設(shè)備的輸出端，以使當所述運行電壓輸入端低于所述第一閾值時，所述輸出端不能達到正電壓；并且防止所述輸出端達到大于第二閾值的負電壓。
[0009]優(yōu)選的，所述第二閾值是二極管兩端的電壓降。
[0010]優(yōu)選的，所述電流環(huán)路輸入端接收4-20mA電流環(huán)路信號，并且被配置為向所述過程控制設(shè)備提供與所述指示值成比例的電流值。
[0011]優(yōu)選的，所述指示值代表傳感器輸出。
[0012]優(yōu)選的，所述指示值是來自控制器的設(shè)定值。
[0013]優(yōu)選的，所述部件包括集成電路。
[0014]優(yōu)選的，所述部件包括多個部件。
[0015]優(yōu)選的，所述多個保護電路部件包括被配置為將來自所述電流環(huán)路輸入端的電源分發(fā)給所述多個部件的總線。
[0016]本實用新型另一方面公開了一種過程控制設(shè)備包括集成電路部件，耦接至該集成電路部件的電壓輸入端的運行電壓源，以及具有電流環(huán)路輸入端的保護電路。該保護電路被配置為，當初級電壓信號低于第一閾值時，從電流環(huán)路輸入端向該部件提供次級電壓信號，并且當初級電壓信號高于第一閾值時，從運行電壓源向該部件提供初級電壓信號。
[0017]優(yōu)選的，所述過程控制設(shè)備包括:分壓器，被配置為按預(yù)定因子劃分所述電流環(huán)路輸入端的引線腳兩端的電壓，以使所得電壓能夠應(yīng)用于所述集成電路部件，而不損壞所述集成電路部件。
[0018]優(yōu)選的，所述電流環(huán)路輸入端接收4_20mA電流環(huán)路信號，并且被配置為向所述過程控制設(shè)備提供與指示值成比例的電流值。
[0019]優(yōu)選的，所述指示值代表傳感器輸出。
[0020]優(yōu)選的，所述指示值是來自控制器的設(shè)定值。
[0021]通過采用本實用新型的技術(shù)方案，當缺乏運行電壓源時，模擬電流環(huán)路可以為過程控制設(shè)備供電，以使當來自模擬電流環(huán)路的信號應(yīng)用于未被供電的過程控制設(shè)備時，該過程控制設(shè)備的部件不被損壞。
【附圖說明】
[0022]圖1示出了一個示例系統(tǒng)，該系統(tǒng)中保護電路允許電流環(huán)路為過程控制設(shè)備的部件供電；
[0023]圖2是具有保護電路的一個示例設(shè)備電路的電路圖，該保護電路可在如圖1所示的過程控制設(shè)備中實施；
[0024]圖3是具有保護電路的另一個示例設(shè)備電路的電路圖，該保護電路可在如圖1所示的過程控制設(shè)備中實施；
[0025]圖4是具有保護電路的又一個示例設(shè)備電路的電路圖，該保護電路可在如圖1所示的過程控制設(shè)備中實施；
[0026]圖5是描述了和圖4的示例設(shè)備電路中實施的濾波器相關(guān)聯(lián)的特性的曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]本公開指向用于過程控制設(shè)備(比如閥致動器)的保護電路，并且特別地，指向通過該保護電路防止對設(shè)備部件的損壞。特別地，根據(jù)本公開的保護電路允許在缺乏運行電壓源(例如，在電源故障期間)時，模擬電流環(huán)路(例如，4-20mA)為過程控制設(shè)備供電，以使當來自模擬電流環(huán)路的信號應(yīng)用于未被供電的過程控制設(shè)備時，該過程控制設(shè)備的部件不被損壞。
[0028]現(xiàn)在參考圖1，依照本公開的一個版本構(gòu)建的示例系統(tǒng)100包括具有保護電路104的過程控制設(shè)備102。舉例說明，過程控制設(shè)備102可包括電控制閥、致動器、馬達、比例-積分-微分(proport1nal-1ntegral-derivative，PID)控制器、級聯(lián)控制器等，并且過程控制設(shè)備102可以是制造廠、石油開采結(jié)構(gòu)或者氣體開采結(jié)構(gòu)、精煉廠、HVAC(制熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié))系統(tǒng)等的一部分。
[0029]例如，過程控制器102通過電流環(huán)路106接收控制信號，電流環(huán)路106比如是由環(huán)路電源供應(yīng)器108供電的4-20mA電流環(huán)路。在實施中，信號輸出設(shè)備110比如傳感器(例如，溫度計、壓強傳感器、速度計等)或者控制器，分別輸出與指示值(比如測量值(例如，溫度、壓強、速度等))成比例的電壓或者設(shè)定值。信號輸出設(shè)備110輸出該電壓至傳送器112，并且繼而，傳送器112將來自信號輸出設(shè)備110的電壓轉(zhuǎn)換為和/或者放大成電流環(huán)路106中的成比例的電流信號。在實施中，當測量了該電流環(huán)路信號(比如，通過內(nèi)部電阻兩端電壓的測量)，過程控制設(shè)備102可觸發(fā)設(shè)備功能、執(zhí)行適當?shù)目刂七壿嫷?。環(huán)路電源供應(yīng)器108向該電路供電。
[0030]傳送器112、環(huán)路電源供應(yīng)器108和/或信號輸出設(shè)備110在圖1中雖然被示為獨立的部件，但在某些情況下其可以是過程控制設(shè)備或者儀器設(shè)備的內(nèi)部部件。例如，過程控制器的信號輸出設(shè)備110可包括實施控制邏輯的計算機可讀指令，當該指令被處理器執(zhí)行時，該控制邏輯向傳送器112輸出數(shù)字控制信號或者設(shè)定值。在這種情況下，信號輸出設(shè)備110和/或者傳送器112可包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(未示出)，以將數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為電壓。
[0031]例如，傳送器112可以用電流環(huán)路中的4mA信號以指示來自信號輸出設(shè)備110的為零的測量值或者為零的校準值，并且用電流環(huán)路中的20mA信號以指示來自信號輸出設(shè)備110的最大測量值或者滿量程測量值(full-scale measurement)。另外，在實施例中，傳送器112自身可由環(huán)路電源供應(yīng)器108供電，并且因此可被配置為在電流低于4mA時運行，電流低于4mA可代表信號輸出設(shè)備110的為零的測量值。
[0032]在實施例中，環(huán)路電源供應(yīng)器108可以是直流(DC)電源供應(yīng)器，從而電流的大小與信號輸出設(shè)備110的輸出成比例。在一些實施例中，電源供應(yīng)器108可以設(shè)置為在一電平時運行，該電平大于電流環(huán)路106的導(dǎo)線中的電壓降加上過程控制設(shè)備102兩端的電壓降和運行傳送器112所需的電壓之和。
[0033]雖然過程控制設(shè)備102通過電流環(huán)路106被通知或者控制，但過程控制設(shè)備102由電源114供電。電源114向多個部件116供電，包括為其他的電路或者部件提供運行電壓的一些電路或者部件(例如，運行電壓輸出電路115)。例如，電源114可向調(diào)節(jié)器供電，該調(diào)節(jié)器可輸出正電壓和負電壓，該正電壓和負電壓繼而被應(yīng)用于集成電路設(shè)備的軌(rail)。在實施中，該正電壓和負電壓在圖1中分別表示為+V和-V，因為該電壓在設(shè)備和設(shè)備之間可以不同(例如，IC與IC之間，和/或者過程控制設(shè)備與過程控制設(shè)備之間)。例如，當過程控制設(shè)備102內(nèi)的馬達從電源114接收電源以運行時，其可通過電流環(huán)路106中的信號來進行觸發(fā)或者控制。例如，電源114可包括耦接至主電源的電源供應(yīng)器，其中該主電源通過交流電(AC)適配器輸入至過程控制設(shè)備102，或者運行電壓源114可包括耦接至電池電源的電源供應(yīng)器(在這種情況下其可以布置在過程控制設(shè)備102的內(nèi)部)。電源114在一些情況下可電耦接至運行電壓輸出電路115(比如電源供應(yīng)器電路或者調(diào)節(jié)器電路)，該運行電壓輸出電路115可以將主電源或者其他電壓信號(例如，120V)轉(zhuǎn)換為特定電壓(例如，±3.3V，±10V)，其中該特定電壓可以施加在部件(比如IC)的對應(yīng)引腳或者輸入端的兩端。在一些實施例中，電源114與環(huán)路電源供應(yīng)器108分離，以使電源114和環(huán)路電源供應(yīng)器108其中的一個電源故障時，不意味著另一個也電源故障。
[0034]在一些場景中，當過程控制設(shè)備102不由電源114供電時，或者至少，當通常從運行電壓輸出電路115接收初級電壓信號的部件未接收該初級電壓信號時，過程控制設(shè)備102可通過電流環(huán)路106接收信號。例如，電源114可能遭受工廠供電故障，或者電源114可能是電源耗盡的內(nèi)部電池電源?；蛘撸\行電壓輸出電路115中的一個或者多個部件(比如調(diào)節(jié)器)可能遇到故障。在這種情況下，保護電路104通過暫時地從電流環(huán)路106向一個或者多個部件116提供被配置為接收初級電壓信號的引腳或者輸入端的兩端的次級電壓信號，來防止對該一個或者多個部件116 (比如集成電路(IC)或者測量放大器)的損壞。以這種方式，即使當缺乏來自運行電壓輸出電路115的電壓信號(例如，當來自運行電壓輸出電路115的電壓信號低于閾值)時，部件116也能夠從電流環(huán)路106接受輸入而不被損壞。例如，當IC通過接收(例如，從電流環(huán)路106接收)它的其他引腳上的控制信號