專利名稱：具有可拆卸電源的無線現(xiàn)場裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在エ業(yè)過程中的類型的現(xiàn)場裝置。更具體地，本發(fā)明涉及用在監(jiān)測或控制エ業(yè)過程的具有可拆卸電源的現(xiàn)場裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)場裝置用在エ業(yè)過程中以控制或監(jiān)測過程的操作。無線現(xiàn)場裝置可以測量大量過程特性中的任ー種，例如，壓力、液位、流速、質(zhì)量流量、pH值、溫度、密度和傳導(dǎo)性，或者可以監(jiān)測過程設(shè)備，用于諸如振動、應(yīng)變或腐蝕之類的事情，或者可以監(jiān)測一般エ廠環(huán)境，用于諸如火和氣體監(jiān)測之類的事情，或者可以用于定位工人和設(shè)備的當(dāng)前位置。例如，過程變 量變送器是可以用來監(jiān)測過程流體的過程變量的類型的現(xiàn)場裝置。示例性過程變量包括溫度、壓力、液位、流量等等?？刂破鳛橛脕砜刂七^程的操作的類型的現(xiàn)場裝置。例如，控制器可以通過調(diào)整輸送流體的管道中的閥的位置來控制過程流體的流速。傳統(tǒng)上，現(xiàn)場裝置已經(jīng)通過電配線連接至中央控制室。一種類型的連接采用兩條電線并且已知為ニ線式過程信號回路。在這種配置中，相同的兩條線用于通信和向無線現(xiàn)場裝置供電。最近，已經(jīng)開發(fā)了無線通信技木。在這種配置中，不需要電線將現(xiàn)場裝置連接至其它位置。一種示例性協(xié)議是無線IEC 62591國際標(biāo)準(zhǔn)(無線HART )。ー些類型的無線現(xiàn)場裝置包括內(nèi)部電源，以便它們能夠在沒有任何外部電連接的情況的操作。這種無線現(xiàn)場裝置包括諸如電池之類的電源，其用來向現(xiàn)場裝置供電。能量收集技術(shù)，如太陽能電源、熱電發(fā)電機、振動能量采集器等能，可以用來向現(xiàn)場裝置提供附加電力。包括多個電源的現(xiàn)場裝置的ー個示例在于2008年3月19日由Datta等人遞交的名稱為“APPARATUS AND METHOD FOR ON-LINE POWER SOURCEREPLACEMENT IN WIRELESSTRANSMITTER AND 0THERDEVICE(用于無線變送器和其它裝置中的在線電源更換的裝置和方法)”的美國專利No. 7，812，480中示出。

發(fā)明內(nèi)容
ー種用于控制或監(jiān)測エ業(yè)過程的無線現(xiàn)場裝置，包括被配置連接過程流體的過程接ロ。無線現(xiàn)場裝置可以測量大量過程特性中的任ー種，例如，壓力、液位、流速、質(zhì)量流量、PH值、溫度、密度和傳導(dǎo)性，或者可以監(jiān)測過程設(shè)備，用于諸如振動、應(yīng)變或腐蝕之類的事情，或者可以監(jiān)測一般エ廠環(huán)境，用于諸如火和氣體監(jiān)測之類的事情，或者可以用于定位エ人和設(shè)備的當(dāng)前位置?，F(xiàn)場裝置電路連接到過程接ロ并被配置為測量或控制過程變量，該過程變量可以包括不是正在進行的過程的部分的項目的物理屬性。無線通信電路被配置以提供無線通信。電接入端子被配置為提供至現(xiàn)場裝置的電路的電連接。電源被配置為向無線現(xiàn)場裝置供電。電源包括用于在延長的時間周期內(nèi)向現(xiàn)場裝置供電的可拆卸主電源。輔助電源被配置在拆除主電源時將電カ提供至現(xiàn)場裝置。


圖I為包括無線現(xiàn)場裝置的エ業(yè)過程控制系統(tǒng)的簡化示意圖。圖2為圖I的現(xiàn)場裝置的簡化框圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了具有可拆卸電源的現(xiàn)場裝置。可拆卸電源配置為在延長的時間周期內(nèi)向現(xiàn)場裝置供電?？刹鹦峨娫吹牟鸪峁┝丝梢噪娺B接至現(xiàn)場裝置的電路的至少ー個電接入端子的接近。備用或輔助電源被設(shè)置為在已經(jīng)拆除可拆卸電源時向現(xiàn)場裝置供電。本發(fā)明的其它方面包括可拆卸電源的拆除的檢測。響應(yīng)于可拆卸電源的拆除，可以將信息傳送到另一位置。類似地，在檢測到可拆卸電源的拆除時，現(xiàn)場裝置可以進入低功率模式或降低功率模式。該裝置還可以被配置為接收其中使整個裝置進入低功率休眠模式的休眠命令。盡管來自可拆卸電源和/或備用電源的電カ可用性，可以發(fā)生這種休眠模式。這在該裝置不被使用或以其它方式失效時會是有用的。圖I為包括現(xiàn)場裝置102和104的エ業(yè)過程100的簡化示意圖?，F(xiàn)場裝置102和 104圖示為分別地連接到過程管道106和108?，F(xiàn)場裝置102和104分別包括過程接口元件110和112。這些過程接口元件可以包括用來檢測過程流體的過程變量的傳感器。示例性過程變量包括溫度、壓力、流量、PH等等。類似地，過程接口元件110、112可以包括用來控制過程變量的控制元件。示例性控制元件包括閥、加熱元件、泵等等。例如，無線現(xiàn)場裝置可以測量大量過程特性中的任ー種，諸如壓力、液位、流速、質(zhì)量流量、PH值、溫度、密度和傳導(dǎo)性，或者可以監(jiān)測過程設(shè)備，用于諸如振動、應(yīng)變或腐蝕之類的事情，或者可以監(jiān)測一般エ廠環(huán)境，用于諸如火和氣體監(jiān)測之類的事情，或者可以用于定位工人和設(shè)備的當(dāng)前位置?，F(xiàn)場裝置102和104被配置為通過無線網(wǎng)絡(luò)117進行無線通信，并分別地包括天線116和118。通過這種無線通信，現(xiàn)場裝置116、118可以彼此通信，或者可以與位于諸如過程控制室120之類的遠(yuǎn)程位置處的網(wǎng)關(guān)(121)進行通信，過程控制室120圖示為包括連接至網(wǎng)關(guān)121的主機124。這種無線通信可以依照任何無線通信技術(shù)，例如，無線IEC 62591通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。如下文更詳細(xì)地討論的那樣，現(xiàn)場裝置102和104包括具有可拆卸主電源的電源。拆除主電源例如可以提供對可以用來接近現(xiàn)場裝置102或104內(nèi)的電路的至少ー個電接入端子的接近。當(dāng)主電源拆除時，可以用更換主電源替換它。雖然主電源被拆除，但可以采用輔助電源維持對現(xiàn)場裝置的供電。圖2為現(xiàn)場裝置102的簡化框圖。現(xiàn)場裝置102包括微處理器150，微處理器150連接至到過程接口元件Iio的過程電路152。該微處理器被配置為采用連接至天線116的無線通信電路154進行通信。微處理器150根據(jù)存儲器156中存儲的指令進行操作。存儲器156還可以用來存儲信息，例如，用于將來檢索。電カ管理電路160用來調(diào)整至現(xiàn)場裝置102內(nèi)的電路的電力。任選的通信連接也可以設(shè)置在電カ管理電路160和微處理器150之間。電カ管理電路160采用來自主電源162的電カ向電路提供穩(wěn)定的電力。輔助電源164也連接至電カ管理電路160，并且可以用來在主電源(或可拆卸電源)162拆除時提供電力。如圖2所示，本地輸入/輸出端ロ 168被設(shè)置并連接至微處理器150。至少ー個接入端170用來例如采用手持通信裝置或其它測試設(shè)備連接至本地I/O端ロ 168。此外，所述至少ー個接入端170可以用來連接至用于過程控制元件的過程變量傳感器或其它電路。
典型地，在現(xiàn)有無線現(xiàn)場裝置中，使用了不能充電且在其有效能完全耗盡時必須更換的主電源。當(dāng)主電源拆除時，現(xiàn)場裝置暫時失去電カ并且必須關(guān)閉。這會是有害的，在于該裝置不再運行并且因此不能將任何信息傳遞至主機系統(tǒng)，如分布式控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)或資產(chǎn)管理系統(tǒng)。易失性存儲器中存儲的信息也可能失去。進ー步，如果無線現(xiàn)場裝置為多跳網(wǎng)無線通信架構(gòu)的一部分，現(xiàn)場裝置的損耗會使網(wǎng)絡(luò)的操作退化，并且可能引起被認(rèn)為是該裝置的子代(descendant)的其它裝置使該網(wǎng)絡(luò)衰減。在更換主電源時，無線現(xiàn)場裝置被加電并且必須重新連接該網(wǎng)絡(luò)。這種重新連接花費時間周期并且該裝置不能完全起作用，直到該過程完成。子代可能不具有用于在此期間通過網(wǎng)絡(luò)傳遞它們的讀數(shù)的通路。進ー步地，在ー些無線現(xiàn)場裝置中，電接入端子由主電源覆蓋或以其它方式阻礙。為了接近所述至少一個接入端子170，如上所述，主電源162必須被拆除，引起該裝置掉電。本發(fā)明通過包括輔助電源164解決了這些不足，該輔助電源164用來在主電源162從現(xiàn)場裝置102上斷開和/或拆除時向電カ管理電路160供電。輔助電源164可以包括可 充電電池、高容量電容器，例如“超級電容器”或“極端電容器”，或ー個或多個電容器或超級電容器的組合。輔助電源164的儲能容量可以相對小，例如，僅具有足以在更換主電源162時在從數(shù)分鐘到I小時的時間期間內(nèi)向現(xiàn)場裝置102供電的電力。一旦更換主電源，則可以采用來自主電源162的電カ給輔助電源164充電。輔助電源164可以依照任何合適的技木。雖然大容量電容器可以用來儲存電力，但它們具有壽命限制以及溫度限制。也可以采用某些類型的可充電電池，但它們也具有缺點。例如，鋰離子電池具有有限的壽命并且它們也是溫度敏感的。進一歩，更換鋰離子電池可能是困難的?？梢允褂每沙潆姽虘B(tài)鋰磷氮氧化物(Li-PON)電池，如可從Colorado州Littleton 市的 Infinite Power Solutions 有限公司(IPF)獲得的 Thinergy 電池。(www.infinitepowersolutions. com)。這種電池可以集成在電路板中，該電路板包含現(xiàn)場裝置的電路，如無線通信電路154、電カ管理電路160、與微處理器150相關(guān)的電路等等。根據(jù)這種電池的尺寸和構(gòu)造，這種電池可以具有從0. 2mA-小時至2. 5mA-小時的額定值。在ー種配置中，所述至少一個接入端170包括用干與ニ線式過程信號回路一起使用的兩個電連接件。在這種配置中，電流電平用來表示過程變量。在ー些配置中，也可以在相同兩條線上調(diào)制數(shù)字信息。ー種示例是HART 通信標(biāo)準(zhǔn)。這些通信接線端可以用來將診斷裝置連接至現(xiàn)場裝置102。示例性診斷裝置180在圖2中示出。診斷裝置180包括ニ線式過程信號回路連接件182，用于連接至至少ー個接入端170。在ー些配置中，現(xiàn)場裝置102可以由在連接到至少ー個接入端170的兩個電連接件的ニ線式過程信號回路上載送的電カ供電。診斷裝置180可以被配置為通過至少ー個電接入端170將配置命令提供至現(xiàn)場裝置102的電路。類似地，現(xiàn)場裝置102可以通過所述至少一個電接入端170將信息傳送至診斷裝置180。這種信息可以包括診斷信息，與被檢測的過程變量相關(guān)的信息等等。為了將診斷裝置180連接到至少ー個接入端子170，可以拆除主電源162以提供更好的接近。當(dāng)該電源被拆除吋，由輔助電源164提供補充電力，以便現(xiàn)場裝置不掉電或以其它方式重設(shè)。在另ー種示例性配置中，至少ー個接入端子170用來連接至過程接口元件。在這種配置中，元件180包括過程接口元件。例如，元件180可以包括過程變量傳感器，如溫度傳感器。至溫度傳感器的電連接提供至至少ー個接入端子170。為了提供這種連接，操作人員必須在進行連接時拆除主電源162。連接器可以包括采用螺釘或其它連接技術(shù)將配線固定至溫度傳感器的接線端。在采用輔助電源164給現(xiàn)場裝置供電期間，采用這些連接器連接電線可能花費大量時間。當(dāng)主電源162被拆除吋，電カ管理電路160可以將信號提供至微處理器150，以控制現(xiàn)場裝置102內(nèi)的電路的操作。例如，采用至微處理器150的數(shù)據(jù)連接可以用來使該裝置中的電路進入降低功率模式或“休眠”模式。這種配置可以用來延長輔助電源164能夠給現(xiàn)場裝置102的電路供電的周期?？梢酝ㄟ^使用例如檢測器163，如被配置為檢測主電源162的電壓的電壓傳感器，進行主電源162的拆除的檢測。在ー種配置中，與主電源162的斷開相關(guān)的信息可以采用無線通信電路154在無線通信網(wǎng)絡(luò)號117上傳送?？梢栽谶h(yuǎn)程位置監(jiān)測該信息。當(dāng)處于低功率模式時，流過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置中的現(xiàn)場裝置102的通信量可以發(fā)送至其它現(xiàn)場裝置，以降低由現(xiàn)場裝置102消耗的功耗。當(dāng)主電源162被拆除時，也可以采用用來降低功耗的其它技木。例如，被檢測的過程變量的更新時間可以降低，微處理器150的工作頻率可以降低，由無線通信電路154發(fā)送的數(shù)據(jù)量可以降低，現(xiàn)場裝置102中的某些電路可以處于低功率模式或者甚至斷開等等?！び脕斫档凸牡牧硪环N技術(shù)是監(jiān)測被檢測過程變量的變化，并且僅在過程變量的變化率大于預(yù)定閾值或者在過程變量已經(jīng)改變得多于設(shè)定量時傳送更新。在另ー種示例性配置中，現(xiàn)場裝置102被配置為接收停電命令，該停電命令指示它在電路處斷開，即使電カ保留在電源162、164中。這允許該裝置不被使用或以其它方式掉電，而不必拆除電源162、164中的任ー個。該命令可以通過無線通信電路154、本地I/O168等等接收到。輸入端可以包括例如手動輸入端，如位于該裝置內(nèi)或外的按鈕等等在另ー種示例性配置中，主電源162包括能量收集裝置，如太陽能電池、熱電發(fā)電元件、振動能量采集器等等。在這種配置中，輔助電源164可以在主電源162不足以產(chǎn)生電カ時向現(xiàn)場裝置102供電。例如，這可以是沒有陽光、沒有熱量、沒有振動等等的期間。在ー些配置中，現(xiàn)場裝置102進入其中裝置102中的電路周期性地檢查進入通信的低功率模式。當(dāng)過程開始或希望現(xiàn)場裝置102進入正常操作模式時，可以向現(xiàn)場裝置102發(fā)送命令以指示裝置102離開低功率模式并開始正常操作。例如，如果主電源162采用熱量作為功率源產(chǎn)生電力，則當(dāng)過程關(guān)閉吋，沒有熱量可用來產(chǎn)生電力，并且裝置102可以進入低功率模式并采用來自輔助電源164的電力。在這種配置中，在重啟過程之前，可以向現(xiàn)場裝置102發(fā)送命令以指示現(xiàn)場裝置102開始正常操作，即使存在不足以用來給裝置102供電的熱量。一旦裝置102正常操作，則可以重啟該過程。當(dāng)過程運行并且開始產(chǎn)生熱量時，主電源162可以用來將電カ提供至現(xiàn)場裝置102。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(rèn)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(xì)節(jié)上進行改變。至少ー個電接入端子與用來連接至主電源的連接器不同。如在此使用的，過程變量包括物質(zhì)的任何特性，并且術(shù)語過程包括天然和エ業(yè)過程。
權(quán)利要求
1.ー種用于控制或監(jiān)測エ業(yè)過程、エ業(yè)過程設(shè)備或エ業(yè)過程エ廠的無線現(xiàn)場裝置，包括 過程接ロ，被配置為控制或檢測エ業(yè)過程的過程流體的過程變量； 連接至過程接ロ的現(xiàn)場裝置電路，被配置為測量或控制過程變量； 無線通信電路，被配置為提供無線通信；和 電源，被配置為向無線現(xiàn)場裝置供電，包括 可拆卸主電源；和 輔助電源，被配置成在拆除主電源時給現(xiàn)場裝置供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，包括被配置為檢測主電源的拆除或主電源的電力不足的檢測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，其中現(xiàn)場裝置的電路被配置為在檢測到主電源的拆除或主電源的電力不足時進入低功率模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，其中至少ー個電接入端子被配置為提供至現(xiàn)場裝置的電路的電連接，并且其中所述電接入端子至少部分地由可拆卸電源覆蓋。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線現(xiàn)場裝置，其中所述至少一個電接入端子包括用于連接至ニ線式過程信號回路的兩個連接件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線現(xiàn)場裝置，其中所述至少一個接入端子被配置成連接至診斷裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線現(xiàn)場裝置，其中所述診斷裝置通過所述至少ー個電接入端子將配置命令提供至無線現(xiàn)場裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線現(xiàn)場裝置，其中所述診斷裝置被配置為通過所述至少一個電接入端子接收與被檢測過程變量相關(guān)的信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線現(xiàn)場裝置，包括過程變量傳感器，所述過程變量傳感器通過所述至少ー個電接入端子連接至無線現(xiàn)場裝置的電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，其中主電源包括電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，其中輔助電源包括電池。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，其中輔助電源包括電容器或超級電容器或這兩種電容器的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，其中無線通信電路被配置為傳送與主電源的拆除或主電源的電力不足相關(guān)的信息。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，包括被配置為響應(yīng)于掉電命令進入休眠狀態(tài)的電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線現(xiàn)場裝置，其中輔助電源由主電源充電。
16.一種向用于控制或監(jiān)測エ業(yè)過程的無線現(xiàn)場裝置供電的方法，包括下述步驟 提供過程接ロ，該過程接ロ被配置為連接至エ業(yè)過程的過程流體； 采用過程接ロ測量或控制過程變量； 采用無線通信電路與無線現(xiàn)場裝置進行無線通信； 采用主電源給無線現(xiàn)場裝置的電路供電； 從無線現(xiàn)場裝置中拆除主電源；以及在主電源被拆除時采用輔助電源給無線現(xiàn)場裝置供電。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括檢測主電源的拆除或主電源的電力不足的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括在檢測主電源的拆除或主電源的電力不足時進入低功率模式的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括采用所述至少一個電接入端子連接至ニ線式過程信號回路的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括采用所述至少一個電接入端子連接至診斷裝置的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括采用所述至少一個電接入端子連接至過程變量傳感器的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括發(fā)送與主電源的拆除或主電源的電力不足相關(guān)的信息。
全文摘要
一種用于控制或監(jiān)測工業(yè)過程的無線現(xiàn)場裝置，包括被配置連接到過程流體的過程接口?，F(xiàn)場裝置電路連接到過程接口并被配置為測量或控制過程變量。無線通信電路被配置為提供無線通信。至少一個電接入端子被配置為提供至現(xiàn)場裝置的電路的電連接。電源被配置為向無線現(xiàn)場裝置供電。電源包括用于在延長的時間周期內(nèi)向現(xiàn)場裝置供電的可拆卸主電源。輔助電源被配置在拆除主電源時給現(xiàn)場裝置供電。
文檔編號H02J9/06GK102868210SQ20121006313
公開日2013年1月9日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者凱利·M·奧思 申請人:羅斯蒙德公司