用于工业过程的现场设备和工业过程控制系统的制作方法

本公开的实施例涉及用于工业过程的现场设备和工业过程控制系统。更具体地，本公开的实施例涉及具有用于监测现场设备的开关的状态的开关监测器的现场设备和工业过程控制系统。

背景技术：

在工业环境中，控制系统用于监测和控制工业过程和化学过程等的库存。典型地，控制系统使用工业过程现场设备执行这些功能，这些工业过程现场设备分布在工业过程中的关键位置处并且通过过程控制回路联接到控制系统中的控制电路。术语“现场设备”是指在分布式控制或过程监测系统中执行功能的任何设备，包括当前已经知道的或尚未知道的用于工业过程的测量、控制和/或监测的所有设备。

典型的现场设备包括设备电路，该设备电路使现场设备能够执行传统的现场设备任务，例如使用一个或多个传感器的过程参数监测和测量，和/或使用一个或多个控制设备的过程控制操作。示例性传感器包括压力传感器、液位传感器、温度传感器以及用于工业过程的其他传感器。示例性控制设备包括致动器、螺线管、阀门和其他控制设备。

现场设备的设备电路还可以包括控制器，该控制器用于控制传感器和/或控制设备，并且例如在过程控制回路(例如4-20mA过程控制回路)上与过程控制系统或其他电路通信。在一些安装中，过程控制回路用于将调节后的电流和/或电压传送到现场设备，以用于给现场设备供电。过程控制回路还可以承载数据，例如对应于所感测的过程参数的过程参数值。该数据可以在过程控制回路上作为模拟信号或作为数字信号被传送。

技术实现要素：

本公开的实施例涉及用于工业过程的现场设备、工业过程控制系统、以及使用工业过程现场设备来控制外部设备的方法。现场设备的一个实施例包括活动部件、开关、开关监测器和控制器。活动部件可以是构造成感测过程参数的传感器，或者是构造成控制工业过程的过程的控制设备。优选地，开关电联接到第一端子和第二端子，并且构造成当处于闭合状态时将第一端子和第二端子电连接，并且当处于打开状态时将第一端子和第二端子电断开。开关监测器构造成检测开关的对应于闭合状态或打开状态的当前状态，并且生成指示该当前状态的状态输出。控制器构造成将开关设定在打开或闭合状态，并且基于状态输出来生成通知，该通知指示开关的当前状态和开关的状况中的至少一者。

工业过程控制系统的一个实施例包括上述现场设备、外部设备和电源。外部设备通过第一端子电联接到开关。电源通过第二端子电联接到开关，并且构造成通过开关给外部设备供电。当开关处于闭合状态时电力被供应到外部设备，并且当开关处于打开状态时电力与外部设备断开。

在该方法的一个实施例中，使用现场设备的活动部件来感测工业过程的过程参数或者控制工业过程。使用现场设备的控制器生成的开关驱动信号将现场设备的开关设定为与打开状态或闭合状态对应的当前状态。在打开状态中，来自外部电源的电功率与外部设备断开。在闭合状态中，来自外部电源的电功率与外部设备连接。使用现场设备的开关监测器来检测指示开关的当前状态的电参数。使用开关监测器基于检测到的电参数来生成指示当前状态的状态输出。使用控制器基于状态输出生成通知，该通知指示开关的当前状态和开关的状况中的至少一者。

提供本实用新型内容是为了以简化的形式介绍将要在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本实用新型内容不意图确定所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作确定所要求保护的主题的范围的辅助手段。所要求保护的主题不限于解决背景中提到的任何或全部缺点的实施方式。

附图说明

图1和图2是根据本公开的实施例的示例性过程控制系统的简化图。

图3和图4是根据本公开的实施例的工业过程现场设备的示例性开关监测器的电路图。

图5示出了根据本公开的实施例的传送到现场设备的开关的交流电压的图表和由工业过程现场设备的示例性开关监测器生成的状态输出的图表。

图6是示出使用根据本公开的实施例的工业过程现场设备控制外部设备的方法的流程图。

具体实施方式

以下参考附图更全面地描述本公开的实施例。使用相同或相似的附图标记标识的元件指的是相同或相似的元件。然而，本公开的各种实施例可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反地，提供这些实施方式使得本公开透彻和完整，并且将使本公开的范围充分地传达给本领域的技术人员。

本公开的实施例总体上涉及工业过程现场设备、包括该现场设备的工业过程控制系统、以及使用现场设备控制外部设备的方法。图1和图 2是根据本公开的实施例的示例性过程测量或控制系统100的简化图。

系统100包括可以与工业过程104相互作用的工业过程现场设备 102。在一些实施例中，过程104涉及例如由系统100处理的通过管道 (例如管道105(图1))运输和/或容纳在容器中的材料，例如流体。材料的这种处理通常将材料从不太有价值的状态转变成更有价值和有用的产品，例如石油、化学制品、纸、食品等。例如，炼油厂执行可以将原油加工成汽油、燃料油和其他石化产品的工业过程。

现场设备102可以与可以构造成控制现场设备102的计算机化的控制单元106通信。控制单元106可以远离现场设备定位，例如在系统100 的控制室中，如图1所示。

控制单元106可以通过适当的物理通信链路或无线通信链路通信地联接到现场设备102。例如，控制单元可以通过控制回路107联接到现场设备。控制单元106与现场设备102之间的通信可以根据传统的模拟和/或数字通信协议通过控制回路107执行。在一些实施例中，过程控制回路107包括4-20毫安过程控制回路，其中，过程变量可以由流过过程控制回路107的回路电流I(图2)的电平来表示。示例性数字通信技术包括被调制到双线过程控制回路107的模拟电流电平上的数字信号，例如通信标准。也可以使用其他纯数字技术，包括FieldBus 和Profibus通信协议。控制单元106可以包括通过控制回路107为现场设备102供电的电源。

在一些实施例中，如图2的简化图所示，现场设备100包括控制器 108、呈一个或多个传感器或控制设备110的形式的活动部件、测量或控制电路112、数模转换器(DAC)114、通信电路115和/或接线盒116。控制器108可以表示一个或多个处理器(即，微处理器、中央处理单元等)，所述一个或多个处理器控制现场设备100的部件，以响应于指令的施行来执行本文描述的一个或多个功能，该指令可以被本地存储在设备100的非临时性的、专利主题合格的计算机可读介质或存储器118中。在一些实施例中，控制器108的处理器是一个或多个基于计算机的系统的部件。在一些实施例中，控制器108包括用于控制设备100的部件以执行本文描述的一个或多个功能的一个或多个控制电路、基于微处理器的引擎控制系统、一个或多个可编程硬件部件，例如现场可编程门阵列 (FPGA)。控制器108也可以表示其他传统的现场设备电路。

现场设备102可以用于使用由图2中的框110表示的一个或多个传感器来感测或测量过程104的参数，例如温度、液位、压力、流速或过程104的另一个参数。示例性传感器110包括压力传感器、温度传感器、液位传感器、流速传感器和/或用于感测或测量过程参数的其他传感器。

现场设备100还可以构造成使用由图2中的框110表示的一个或多个控制设备来控制过程104的方面。示例性控制设备110包括致动器、螺线管、阀门以及用于现场设备中以控制过程的其他传统的过程控制设备。

测量或控制电路112表示与传感器或控制设备110相互作用的电路。例如，电路112可以包括测量电路，该测量电路将来自传感器110 的输出转化，以供现场设备的控制器108使用。控制器108可以使用DAC 114将数字信号转换为模拟信号，使用通信电路115例如通过双线过程控制回路107将该模拟信号传送至控制单元106，例如，通过调整回路电流I来指示由传感器110感测的过程参数的值。例如，电路112 还可以用于控制控制设备110，例如响应于来自控制单元106或其他位置的由控制器108通过通信电路115接收的命令。

本公开的实施例涉及包括开关120的现场设备102。开关120可以例如通过接线盒116电联接到现场设备102外部的电源124和设备126。因此，电源124和设备126的实施例与现场设备102分开。控制器108 控制开关120以电连接或电断开到设备126的来自电源124的电功率。设备126的示例性实施例包括例如泵、压缩机、螺线管或可以适合于与系统100一起使用的其他设备。

开关120可以采用任何适当的形式。例如，开关120可以包括闭锁继电器或其他适当的开关。此外，虽然仅示出了单个开关120，但应该理解的是，现场设备102可以包括多个开关120，这些开关可以联接到例如接线盒116，并且每个开关都由控制器108控制。

在一些实施例中，控制器108在闭合状态和打开状态之间选择性地设定(即，控制、致动或切换)开关120，在闭合状态中，开关120将设备126与来自电源124的电功率连接。在打开状态中，开关120将设备126与电源124断开。因此，设备126可以在开关120被设定为闭合状态期间或者响应于开关120被设定为闭合状态而被启动。在一些实施例中，开关120的状态的设定响应于来自控制器108的开关驱动信号128 而发生。

在一些实施例中，控制器108构造成响应于处理器已执行的基于一个或多个设定的指令来将开关120设定在打开状态或闭合状态中的任一者中。设定和程序化指令可以作为设定130而存储在存储器118中、控制单元106的存储器中、和/或存储在其他适当的位置。设定130可以包括用户定义的设定，例如阈值和/或其他开关控制参数。

在一个实施例中，控制器108响应于由传感器110检测到的感测参数(例如压力、液位、流量、温度等)将开关120设定在打开或闭合状态中。例如，控制器108可以基于从传感器110输出的参数将从电路112 输出的感测到的参数值与设定130(例如用户定义的阈值)进行比较，并且当感测到的参数值满足与阈值的预定关系时，使用驱动信号128将开关120设定为预定的打开或闭合状态。

替代性地，控制单元106可以从现场设备102接收感测到的参数值，并且当感测到的参数值满足与设定130例如用户定义的阈值的预定关系时，例如通过控制回路107向控制器108发出命令，以将开关120设定在期望的状态中。然后，控制器108响应于来自控制单元106的命令产生驱动信号128，以将开关120设定在期望的状态中。

在一个示例中，现场设备102可以包括感测容器中的液位的液位传感器110，并且使用通信电路115将感测到的液位传送给控制单元106。当由传感器110产生的液位输出指示降到阈值(例如，设定130)以下的感测到的液位时，控制器108可以构造成或者由控制单元106命令将开关120设置在闭合状态，以启动外部泵(设备126)并将附加材料驱动到容器中。在由传感器110感测的液位达到另一个阈值液位(设定 130)例如指示容器已满之后，控制器108可以构造成或被命令打开开关120并停用泵。

在另一个实施例中，控制器108响应于控制设备110的状态使用开关驱动信号128将开关120设定在打开或闭合状态中。替代性地，控制单元106可以向控制器108发出命令，以基于控制设备110的状态将开关120设定在打开或闭合状态中。这里，控制设备110包括至少两个不同的状态，例如，阀门的打开或闭合状态、致动器或螺线管的位置或控制设备110的另一个状态。例如，当控制设备110是阀门并且设备126 是泵时，当阀门被打开以启动泵并且驱动材料流通过阀门时，控制器108 可以构造成或被命令将开关120设置在闭合位置，并且当阀门被闭合以停用泵时，控制器108可以构造成或被命令将开关120设置到打开位置。

重要的是，开关120通过实现预期的打开或闭合状态而正确地运行。开关120的未被检测到的进入由控制器108设置的期望状态的故障可能导致大量问题，包括例如安全问题、监管问题、过程质量问题以及可能导致工厂停工以及冗长的故障排除和修理措施的其他可能问题。例如，如果控制器108发送驱动信号128以将开关120从闭合状态转换到打开状态，以停用用流体填充容器的泵(设备126)，但是开关120没有转换到打开状态，则泵可能继续运转，这可能导致流体溢出容器，以及其他潜在的问题结果。这种开关故障通常需要立即予以关注，以减轻潜在的损害。遗憾的是，提供对工业系统内的现场设备102的足够的手动监管以识别失败或故障的开关120通常太耗费时间并且代价高。

根据本公开的现场设备102的实施例包括开关监测器140(图2)，开关监测器140可以用于验证现场设备102的开关120如预期那样运行。如图2所示，开关监测器140可以通过例如接线盒116电联接到电源124 和设备126。在一些实施例中，开关监测器140构造成处置电源124，电源124提供直流电(DC)或DC电压(例如20-60V DC)或者交流电 (AC)或AC电压(例如20-250VAC)。

在一些实施例中，开关监测器140构造成检测(例如，感测或测量) 开关120的当前状态(即，打开或闭合)，并且生成指示开关120的当前状态的状态输出142。控制器108构造成基于状态输出142生成通知 144。例如，可以使用有线通信链路(例如控制回路107)或无线通信链路使用通信电路115将通知144传输到控制单元106或另一位置。

通知144的实施例指示开关120的当前状态和/或开关120是否正确地运行(即，开关120的状况)。通知144可以采用任何适当的形式。示例性通知144包括或触发：警报(可听到的和/或可看到的)；在显示器上(例如在控制单元106的显示器上)呈现的状态报告；通过无线或有线通信链路的模拟或数字通信或消息，例如通过过程控制回路107传送的通信或设置；或其他通知。例如，通过将回路电流I设定为预定电平或多个预定电平中的一个，可以使用通信电路115来传输通知144，预定电平中的每个电平指示不同的通知。

在一些实施例中，控制器108基于状态输出142与开关驱动信号128 之间的比较来生成通知144，如上所述，开关驱动信号128基于感测到的参数、命令和/或控制设备的状态来设置开关120的状态。可以使用比较器电路146进行该比较，比较器电路146比较状态输出142和开关驱动信号128并且基于该比较输出信号148。信号148可以指示开关驱动信号128和状态输出142之间的对应性，例如当开关驱动信号128构造成将开关120设定在打开状态中并且状态输出142指示开关120处于打开状态中时。在这种情况下，推测开关120正在正确地运行。替代性地，信号148可以指示开关驱动信号128与状态输出142之间的冲突，例如当开关驱动信号128构造成将开关120设定在打开状态中，而状态输出142指示开关120处于闭合位置。在这种情况下，推测开关120正在不正确地运行。通知144可以由控制器108响应于信号148而生成，以指示开关120的正确或不正确的运行。此外，通知144可以指示由开关输出142指示的开关120的当前状态，和/或开关120对应于开关驱动信号128的预期状态。

在一些实施例中，例如，如图2所示，控制器108基于状态输出142 与开关设置150之间的比较来生成通知144，开关设置150可以被存储在存储器118中。开关设置150指示开关120的预期或期望的打开或闭合状态。因此，开关设置150通常对应于开关驱动信号128，如上所述，开关驱动信号128设置开关120的状态并且可以基于感测到的参数、控制设备的状态和/或命令。控制器108确定在开关设置150与状态输出 142之间是否存在指示开关120正在正确地运行的对应性，或者在开关设置150与状态输出142之间是否存在指示开关120正在不正确地运行的冲突。通知144由控制器108生成以指示开关120的正确或不正确的运行。此外，通知144可以指示开关120的由开关输出142指示的当前状态，和/或开关120的由开关设置150指示的预期状态。

在一些实施例中，开关监测器140包括检测(即，感测或测量)指示开关120的当前状态(即，打开或闭合)的电参数并且基于检测到的电参数生成状态输出142的电路。电参数的实施例包括开关120两端的电压(AC或DC)、通过开关120的电流(AC或DC)或其他适当的电参数。在一些实施例中，开关监测器140基于检测到的指示开关120的当前状态的电参数来生成状态输出142。

图3和图4是根据本公开的实施例的示例性开关监测器140A和 140B的电路图。示例性开关监测器140A构造成基于开关120两端的电压(AC或DC)产生状态输出142，并且示例性开关监测器140B构造成基于通过开关120的电流IS(AC或DC)产生状态输出142(即，模拟电压)。开关监测器140A和140B分别联接到端子152和154，如图 2所示，端子152和154可以是接线盒116的端子。电源124通常由AC 或DC电压电源156和联接到端子152的电阻158表示。设备126电联接到端子154和电源156或电接地/公共端。

在一些实施例中，开关监测器140A包括电压整流器160，电压整流器160允许开关监测器140A在由电源124供应的AC波形的负波周期期间运行。在一个示例性实施例中，整流器160包括二极管162和电容器164。二极管162阻断由电源124产生的AC波形的负周期部分。电容器164在AC波形的正周期期间充电，并且在AC波形的负周期期间当二极管162阻断波形时缓慢衰减。电容器164具有适当的大小，以便在AC波形的负周期期间基本上保持在AC波形的正周期期间获得的电压电荷。

开关监测器140A可以包括电阻166、168、170和172以及运算放大器(运算放大器)174，运算放大器174具有联接到电源电压VS的正电源输入和联接到电接地175的负电源输入。电阻166和170以及电阻 168和172的比值设置运算放大器174的增益，以检测由输出176指示的开关120两端以及端子152和154之间的电压差。电阻166、168、170 和172的电阻很高，以防止高电流流过开关120而损坏任何低电压电子器件。

开关监测器140A还包括运算放大器178，运算放大器178具有联接到电源电压VS的正电源输入以及联接到电接地175的负电源输入。运算放大器178将由输出176指示的开关120两端的电压差与由电阻 180和182形成的分压器设置的阈值电压进行比较，并基于该比较输出状态输出142。可以调整阈值电压以在由开关120切换的电压范围内准确地触发。

根据应用(例如正常地打开开关应用与正常地闭合开关应用)，来自运算放大器178的状态输出142可以构造成对于开关120的打开或闭合状态为逻辑高。例如，可以使用附加电路来在由控制器108的微处理器处理之前处理输出142或隔离输出142。

图5示出两个图表，这两个图表将来自电源124的传送到开关120 的AC电压与由图3的示例性开关监测器140A生成的状态输出142进行比较。在时间段t0-t1期间，开关120是处于打开状态，并且开关120 两端的电压反映由电源124供应的AC电压。对于该示例，开关监测器 140A产生用于开关120的打开状态的逻辑低状态输出142。在时间t1，开关120闭合。这导致电流流过开关120并且流向设备126。此外，开关120两端的电压基本下降到接近零。开关120两端电压中的这种变化导致开关监测器140A产生逻辑高状态输出142。

示例性开关监测器140B(图4)构造成基于通过开关120的电流IS (AC或DC)产生状态输出142。开关140B联接到端子152和154，如图2所示，端子152和154可以是例如接线盒116的端子。开关监测器140B可以包括由二极管162和电容器164形成的电压整流器160，电压整流器160如上所述地运行。

开关监测器140B可以包括电阻186、188、190和192以及运算放大器194，运算放大器194具有联接到电源电压VS的正电源输入和联接到电接地195的负电源输入。电阻186和190以及电阻188和192的比值设置运算放大器194的增益以检测与开关120串联的电阻196两端的电压差。电阻186、188、190和192设置得非常大以防止高电流流过开关120而损坏任何低压电子器件。运算放大器194响应于电流IS基于电阻196两端的电压输出状态输出142。

来自开关监测器140B的运算放大器194的状态输出142是与通过电阻196的电流成比例的模拟电压。使用电阻196的已知值以及状态输出142的模拟电压，控制器108可以确定电流IS。然后，可以将电流IS与设置进行比较以确定开关102(例如，正常地打开开关或正常地闭合开关)是否处于打开或闭合状态。例如，可以使用附加电路来在由控制器108的微处理器处理之前处理输出142或隔离输出142。

本公开的附加实施例涉及使用根据本文描述的一个或多个实施例形成的工业过程现场设备102来控制外部设备126的方法。图6是示出该方法的一个实施例的流程图。

在该方法的200处，使用现场设备102的活动部件110来感测工业过程104的过程参数或者控制过程104。因此，如上所述，活动部件可以是以感测过程参数的传感器或控制过程的控制设备的形式。

在202处，现场设备102的开关120被设定为对应于打开状态或闭合状态中的任一者的当前状态。在打开状态中，来自外部电源124的电功率与外部设备126断开。在闭合状态中，来自外部电源124的电功率与外部设备126连接。在一些实施例中，如上所述，开关120响应于由现场设备102的控制器108生成的开关驱动信号128而被设定为当前状态。

在204处，使用现场设备102的开关监测器140来检测(即，感测或测量)指示开关120的当前状态的电参数。如上所述，电参数的实施例包括开关120两端的电压(AC或DC)以及通过开关120的电流(AC 或DC)。

在206处，使用开关监测器140生成基于检测到的电参数指示当前状态的状态输出142。然后，在208处，使用控制器108基于状态输出 142生成通知。如上所述，通知144可以指示开关120的当前状态，和/ 或开关120是否正确地运行。

虽然已经参考优选实施例描述了本公开的实施例，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。