CN101107640A - 无线方式过程现场装置诊断方法 - Google Patents

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Abstract

工业过程控制或监测系统(10)中使用的无线过程装置(14)包括：为过程装置(14)提供电能的电源(36)，为过程装置(14)运行进行诊断，并提供诊断输出的诊断电路(34)，通过无线通信链路(28)发送信息的无线通信电路(32)。

Description

无线方式过程现场装置诊断方法
技术领域
本发明涉及工业过程控制系统或监测系统。更确切地，本发明涉及用于此类系统的无线方式过程的现场装置。
背景技术
在工业配置中，控制系统用于对工业设备、化学制程以及类似情况的监测与控制。典型地，执行该功能的控制系统使用现场装置，该现场装置分布在工业过程中关键位置，并通过过程控制环路耦接至控制室内的控制电路。术语“现场装置”指任何在分布控制或过程监测系统中发挥作用的装置，其包含工业过程中过程的所有测量、控制与监测装置。
一些现场装置包括变送器。变送器可理解为一基于物理输入量产生输出信号的装置或一基于输入信号产生物理输出量的装置。典型地，变送器将输入转换成不同格式的输出。变送器的种类包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变计、流量变送器、位置控制器、致动器、电磁阀、指示灯等。
典型地，每一现场装置包括通信电路，通过过程控制环路与过程控制器、其它现场装置或其它电路通信。在一些装配中，过程控制环路也用于向现场装置传送可调节的电流和/或电压，为现场装置提供电力。过程控制环路亦以模拟形式或数字形式载送数据。
传统地，模拟现场装置通过双线过程控制电流环路与控制室相连，且每一装置通过单个双线控制环路与控制室相连。典型地，该双线之间保持一定的电压差，其中模拟模式电压范围为12V-45V，数字模式为9V-50V。一些模拟型现场装置通过将经过电流环路的电流调制为与感知的过程变量成正比例的电流，而向控制室发送信号。其它模拟型现场装置可在控制室控制下通过响应经过环路的电流的大小发挥作用。另外，可选择地，过程控制环路可载送用于与现场装置通信的数字信号。与模拟通信相比，数字通信允许一个大得多的通信度。使用数字通信的现场装置可选择性地与控制室和/或其它现场装置相对应和通信。而且，此类装置可提供附加信号，诸如诊断信号与报警信号。
在一些装置中，无线技术已经开始用于与现场装置通信。无线运作简化了现场装置的布线与设置。目前，使用无线安装的现场装置包括有本机电源。例如，内部电池(可由太阳能电池充电)或其它无任何有线连接而获得电源的技术。但是，用于使现场装置“无线化”的各部件与系统容易衰变和失效。这可使工业过程的测量或控制出现错误，甚至可导致过程装置完全失效。
发明内容
一种用于工业过程控制或监测系统的无线方式过程变量传输器，包括一用于感知工业过程的过程变量的过程变量传感器，一为过程变量传输器提供电力的电源，一诊断过程变量传输器运行并提供诊断输出的诊断电路，一将被感知的过程变量及诊断输出相关的信息通过无线通讯链路发送的无线通信电路。
附图说明
图1是展示本发明使用的过程控制与监测系统的简化方框图；
图2是展示本发明现场装置各部件的方框图；
图3是展示图2中现场装置各部件的详细方框图；
图4是展示本发明一实施例步骤的方框图。
具体实施方式
本发明包括为用于与诸如控制室、手持装置等远程进行无线通信的无线现场装置提供的诊断方法。像背景技术部分所讨论的那样，将传感器测量与自带电源无线通信技术配合，以消除对长导线运行与过程安装的需求，通常是有利的。一已知的为传感器与无线通信装置结合提供本机电源的方法是使用太阳能板将光能转化为电能。典型地，使用电池与系统储藏电能使得该装置在无太阳光情形下亦可使用。也可使用其它技术在无需连线的情形下为该装置提供电力。
典型地，现场装置安装于远端。本发明包含为现场装置的无线特性及现场装置的其它方面提供诊断性能的识别。其可使得导致潜在失效的原因得到检测。而且，在一些配置中，诊断性能在安装过程中用于协助现场装置的安装与配置。如果检测到失效，该装置的检测性能可用于报告失效的可能原因或起源。诊断信息亦可用于校正失效。
图1是展示了包括耦接至现场装置14与16的控制室或控制系统12的过程控制或监测系统10的实例的简化图。现场装置14耦接至过程导管18，现场装置16耦接至存储箱20。装置14与16分别包括天线22与24，用于发送和/或接收来自天线26的信息，该天线26与过程控制室12中的过程控制电路13协同工作。现场装置14与16使用无线射频(RF)通信链路28和32与控制室12的电路13通信。现场装置14与16包括为装置提供本机电源而无需使用额外线路的各部件。例如，装置14与16可包含提供本机电源的太阳能电池和/或电池，在下文中将会提供该实例的详细说明。
这些用于消除装置14与16连接线需求的额外各部件可成为潜在失效原因。本发明提供一种为使用无线通信技术与自带电源的现场装置提供诊断性能的技术。例如，一现场装置可包括一个或一个以上测量过程变量的传感器，该传感器耦接至太阳能板/蓄电池电源装置。该装置通过包括诸如移动电话和/或GPRS(通用分组无线系统)的无线通信链路进行通信。在一个特别实例中，现场装置可包括具有监测数字控制性能，用于在未激活时令无线通信电路(和过程变量发生器)进入休眠模式来管理电力。相同的电路可用于在现场装置的诊断部件中执行一些算法，并包括为装置提供无线功能的部件。
图2是显示图1所示现场装置14的较详细信息的简化方框图。现场装置14包含一个致动器或者变送器30、无线输入/输出(通信)电路32、诊断装置34、供电电路36、电池38与太阳电池板40。致动器/变送器30既可以是一个用于感知过程变量的传感器，也可以是一个用于控制过程的致动器，例如一阀器件。无线通信电路32耦接至天线22，通过天线26与控制系统12的电路13(图2未显示)通信。供电电路36用于为现场装置14中的电路提供电源。供电电路36可通过使用来自太阳能电池40或电池38的电源运行，无需连线至远处电源而任何形式的电源可为电源供给电路36提供电源。电源供给电路36可为现场装置14自带，或者，在一些实施例中，可设置于现场装置的外部或置于现场装置附近。例如，太阳能供电装置通过双线连接可为发送器或其他现场装置提供电源，该双线连接也可用于载送信息。在此配置下，电源供给电路亦可为远端提供无线通信。该配置在于2004年5月21日递交的美国专利申请序列号为10/850,828的《用于过程现场装置的无线供电与通信装置》中有显示与描述，该专利全部内容现包含于本发明的参考中。如果自太阳能电池40接收到足够的电源，供电电路36也可用于为电池38充电。标有诊断的方框34可用于实现诊断功能，本发明下文将有更加详细的描述。该诊断功能可在硬件元器件、软件元器件或结合元器件中实现，为了简化的目的，图2中显示为单个方框34。
图3为过程装置14的更加详细方框图，并显示一过程变量传感器50。该过程变量传感器可置于装置14外壳内部，或如图3所示置于外壳外部。测量电路52耦接至过程变量感应器50，并用于在向控制器58提供测量信号之前进行初始信号过程。如图3所示，一可选用户输入54作为操作员按键。类似地，可选输出装置，例如LCD显示器56也有显示。
典型地，控制器58是基于控制器的微处理器，与存储器60与时钟62相连接。该时钟62用于决定现场装置14内部数字电路的操作速度，并且存储器60用于储存信息。存储器60包含永久性与挥发性存储器，用于存储过程中使用的数据、过程指令、校对信息或过程装置14使用的其它信息、数据或指令。在图3的配置中，可实施图2中所描述的诊断功能34，例如，在控制器58中，并根据需要可选额外电路。
图4为显示本发明诊断计算步骤的简化方框图。图4描述了由起始方框102开始的方框图100。在方框104中，诊断测试或计算的初始化下面有详细描述。如有需要，诊断结果的后续过程可在方框106中进行。根据诊断结果，在方框108执行输出或其它步骤。如有需要，诊断测试可在方框110中重复。举例而言，诊断测试可定期重复、或在其它要求的间隔时间内重复、或根据在过程中对一事件感知结果开始重复、或根据收到的指令或其它导致诊断开始的因素开始重复。诊断过程可选择停止于方框112。例如，图4中描述的步骤可通过控制器58实施，该实施基于储存于存储器60中的程序。
方框104提供的诊断测试是与装置14无线功能相关的任何诊断，其中装置14包括无线通信功能，装置14的供电功能诸如电源供给电路36、太阳电池40和/或电池38。而且，在一些配置中，诊断可在装置14或系统10的各个方面执行。
在一实施例中，图3中所示的一额外传感器59用于提供诊断信息。例如，电压感应器可包括在装置14中用以感知自太阳能电池40中输出的电压。如果太阳能电池40的开路电压在一段时间内(例如24小时)低于门限电压，则诊断测试104可提供一个太阳能电池40被阻塞或损坏的输出指示。另一实例中，太阳能电池40的最大功率输出由传感器59测量，并用以决定有效的太阳能。传感器器59包括耦接至太阳能电池40用于直接感知电池板温度的温度传感器。对比感知的温度与门限温度以识别过温的存在。
另一实施例配置中，控制器58使用传感器59监测太阳能电池板40在一段时间内(例如几天内)的最大或总功率输出。该实际输出功率与装置14实际使用功率对比，自控制器58中输出的功率显示该安装不支持装置14运行需要的功率。该数据也可用于决定正常运行过程中剩余可供功率量，或使电池38完全充电所需的时间量。一个显示装置的电源预算标准是否满足要求的输出能够被提供。使电池38充分充电所需的时间能够被测量，并且如果所要求的时间超出门限值，则可提供警告输出。而且，控制器58可提供报告一特别安装每天所需的百分等量太阳时间(时间段)的输出报告，或提供显示太阳能电池40在一段时间内提供的相对较少的电能量的输出报告，例如由于荫蔽的原因。
另外，通过使用传感器59，  诊断功能能够被配置以监测电压和/或电流的消耗，例如从电池38和/或太阳能电池40监测，并返回诸如平均与峰值功率需求的信息报告。日常功率需求的巨大变化将被报告，或用于鉴别故障状况。电池38充电率能被用于诊断运行，举例而言，当电池38充电率非常低，或在规定时间内不能完全充电或达到功率水平。故而由此显示电池38可能失效，并且应该更换。例如，根据最大放电水平、温度历史与频率、充电率的降低、或者其它标准亦可确定剩余电池寿命。超出正常范围的电池温度也将受到监测。
传感器39也可监测供电电路36，以发现失效或者失效部件。例如，即使电池电压下降，充电电路也不为电池充电，那么就表明电路失效。电压水平或信号的变化可用于表明终端受侵蚀、电池损坏或充电电路损坏。类似地，充电电路或者供电电路36可完全通过充电的电池38，  并且为装置14内所有电路提供有效的电源。
在另一个实例中，阻隔装置70用于防止电池38向供电电路36放电。举例而言，阻断装置70可包括在供电电路36内部，并可包括二极管。但是，如果使用了二极管，通过该部件的电压会下降0.7伏。然而，如果使用了Mosfet晶体管，而不是二极管或类似二极管的产品，电压下降0.7伏的现象将不会出现，并且将会有额外的电源对电池38充电或者供其它电路使用。
在另一实例中，在装配与安装设置14时使用诊断测试104。进入该模式可通过诸如使用远程RF发送器或通过提供一个输入54。举例而言，可监测天线22接收的信号强度，故而将天线导向信号最强的方向。如果信号强度不足以执行可靠运行，将会发出告警信号。同样，也可监测太阳能电池40的输出，该监测信息用于使太阳能电池板面向太阳光具有最大效率方向。可提供显示电池状况的输出，使得操作员可确认在安装过程中设备使用的是“好”电池。通过传感器59，可监测电池的温度。在安装过程中，诊断测试可证实诸如电池的极性、太阳能电池板的极性、充电电路功能正常。在另一实例中，通过过程变量传感器50测量的测试过程变量值发送至控制室进行证实。其它信息，例如运行参数与功能测试结果，可发送至控制室，或其它远程端。在另一实例中，过程装置14的范围与零设定在装置14校对前与校对后通过无线链路进行发送。后校对值可作为参考信息而被储存。可发射或在本地显示器上显示最后校对值。
在另一方面，可视现场诊断用于对安装条件进行核对。例如，图像获取装置74，诸如一数码相机或类似装置，可用于获取过程装置14或装置14各部件的图像。该图像信息用于核对太阳能电池板40的状况与太阳电池板40的安装形式。例如，图像可显示太阳能电池板40是否已经脱离、损坏或破坏。而且，该信息可用于做为装置14得到操作人员的服务或维修或直观显示天气变化的视觉证明。
本发明诊断功能的配置与功能为自带电源的现场装置的使用提供了一系列的优势。这些技术提供了一种可远程评估过程变量传输器与自带的电源发生装置的状况与功能的方法。所需要的合适的装置运行的安装与现场状况可得到核对。附加的诊断功能增加至后续运行中。该信息能由现场提供给，举例而言，对于安装工程师，故而安装工程师可核对允许合适的装置运行的安装与现场状况，并且可对该装置作出相应的调整。可提供图像信息，并用于诊断。举例而言，图像可通过无线通信链路发送，以便我们进行诊断或核对装置的运行或状况。
尽管本发明通过参照最佳实施例对本专利进行了详尽的描述，但是本领域的技术人员可在不偏离本发明的精神与范围的情形下，对形式与细节进行更改。各种电路、计算与功能可在硬件、软件或两者组合中实施。本发明的各部件功能也能够通过许多不同的部件实现。例如，一特定的诊断功能可部分在微处理器和/或部分在其他部件诸如测量电路、存储器、软件等中实施。尽管太阳能电池与电池在本文中有描述，其它用于为无线装置提供电力的部件也适用于本发明。在本发明中，“自带电源”指可为过程装置提供电源，但不需要与远处电源进行物理连接的设备。诊断可自动开始或在其它状况下，通过输入54按照指令而开始。

Claims (42)

1.一种用于工业过程控制或监测系统的无线过程变量传输器，包括：
一感知工业过程中过程变量的过程变量传感器；
一为过程变量传感器提供电力的电源；
对过程变量传输器的运行进行诊断并有诊断输出的诊断电路；以及通过无线通信链路发送和接收信息的无线通信电路，该信息与被感知的过程变量相关和与诊断输出相关。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述电源包括电池。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述电源包括太阳能电池。
4.如权利要求3所述的用于工业过程控制或监测系统的无线过程变量传输器，其特征在于：所述诊断电路监测太阳能电池的电压输出。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：如果在预先设定的期间，测量电压低于预先设定的门限值，诊断输出提供太阳能电池失效的显示。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所提供的诊断输出是基于被感知的电压，该电压指示运行太阳能电池而太阳光不足的情况。
7.如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述诊断电路监测太阳能电池在一段时间内输出的累积能量。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述诊断输出提供基于累积读数指示能量不足的情况。
9.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述诊断电路提供与电池充电要求的时间长度相关的输出。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述诊断电路提供与过程变量传输器电源要求相关的输出。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述诊断电路监测过程变量传输器内各部件的电源要求。
12.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述诊断电路提供与电池温度相关的输出。
13.如权利要求2所述的设备，其特征在于：包括电力场效应晶体管，该晶体管令所述电池防止电池放电的电路相连接。
14.如权利要求1所述的设备，其特征在于：包括用于激活诊断电路的本地操作员界面。
15.如权利要求1所述的设备，其特征在于：包括用于提供来自诊断电路输出的显示器。
16.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述诊断电路用于提供与无线通信电路天线位置相关的输出。
17.如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述诊断电路用于提供确定太阳能电池板方位的输出。
18.如权利要求书1所述的设备，其特征在于：所述输出与过程装置的零值与范围配置相关。
19.如权利要求1所述的设备，其特征在于：包括图像获取装置。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于：所述图像获取装置用于获取太阳能电池板的图像。
21.如权利要求19所述的设备，其特征在于：所述图像获取装置用于观察天气状况。
22.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述无线过程变量传输器内部带有电源。
23.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述诊断电路包括控制器与软件，该软件用于诊断过程变量传输器的运行。
24.一诊断耦接至工业过程的无线过程传输器的方法，包括：用电源为无线过程传输器提供电力；
诊断无线过程传输器的运行；及
通过无线通信链路传输与无线过程装置诊断相关的信息。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述电源包括电池。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述电源包括太阳能电池。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于：包括监测太阳能电池的电压输出。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于：如果在预先设定的时间段内，测量的太阳能电池电压小于预先设定的门限值，则诊断输出提供信息显示太阳电池失效。
29.如权利要求27项述的方法，其特征在于：所述诊断输出是基于被感知的电压，该电压指示太阳能电池运行而太阳光不足的情况。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于：包括在一定时间内监测太阳能电池输出的累积能量。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于：能量不充足的诊断显示是基于所述累积能量读数。
32.如权利要求书25所述的方法，其特征在于：包括提供与电池充电要求的时间长度相关的输出。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于：包括提供与过程变量传输器电源需求相关的输出。
34.如权利要求24所述的方法，其特征在于：包括监测过程变量传输器中各部件的电源需求。
35.如权利要求25所述的方法，其特征在于：包括提供与电池温度相关的输出。
36.如权利要求24所述的方法，其特征在于：包括提供本地操作员界面。
37.如权利要求24所述的方法，其特征在于：包括提供无线过程传输器天线位置相关的输出。
38.如权利要求26所述的方法，其特征在于：包括提供用于为太阳能电池板定向的输出。
39.如权利要求24所述的方法，其特征在于：包括提供与过程装置的零值与范围配置相关的输出。
40.如权利要求24所述的方法，其特征在于：包括用图像获取装置获取图像。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于：所述图像获取装置用于获取太阳能电池板的图像。
42.如权利要求40所述的方法，其特征在于：所述图像获取装置用于观察天气情况。
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