專利名稱:用于無線診斷的設備、系統和方法
技術領域:
本公開概要地涉及分布式控制系統,更具體地說,涉及用于無線 診斷的設備、系統和方法。
背景技術:
工藝裝置(processplant) —般是個復雜的多元化實體,如為通常 是^f亍業特定性的經濟和其它準則而才喿作的物理元件的結構化組織。工 藝裝置通常具有能夠影響其運作和/或受其運作影響的多個不同利益 相關者。今天,對許多工藝裝置的操作至關重要的是工藝控制系統, 它確保測量適當的參數并采取措施,裝置操作人員了解信息,異常情 況得以識別和定位,以及業務過程得以整合。自動化和控制系統在各 種各樣的應用中采用,如精煉和石化工廠、石油和天然氣供應鏈、紙 漿和紙張制造、發電、化工生產、糧食生產、廢水處理、各別分離性 產品制造、電纜敷設船、管道通風控制及采礦作業。.
工藝控制系統一般包括與諸如工藝傳感器、工藝激勵器和用戶接 口等現場裝置通信的工藝控制器。工藝控制器可從工藝傳感器接收工 藝變量的測量值,并可控制工藝激勵器的位置以保持工藝變量在所需 范圍內。工藝控制器與其節點之間的各種通信協議已開發。在開發出 新的通信協議時,可升級工藝控制器以支持這些新通信協議。
然而,利用新的通信協議的現場裝置可"后向兼容"。也說是說, 尚未升級的工藝控制器雖然不能利用現場裝置的全部功能,但可能能 夠與此類現場裝置在一定的最低級別通信。
由于幾個原因,利用新的通信協議的現場裝置可添加到現有工藝 控制系統而無需升級工藝控制器。升級工藝控制器或相關電路系統以支持新通信協議可能要求在進行升級時關閉工藝裝置的所有或重要 部分的操作。升級工藝控制器或相關電路系統也可認為是太昂貴的。
發明內容
^MHf內容提供用于無線診斷的設備、系統和方法。
在第一實施例中,設備包括能夠接收從現場裝置發送到工藝控制 器的信號的第一接口。信號包括主工藝變量和附加信息。設備也包括 控制器,該控制器能夠生成對應于已接收的附加信息的消息。另外, 設備包括能夠發射所生成的消息的第二接口 。
在特定實施例中,第 一接口是HART接口 。在其它特定實施例中, 第二接口是無線接口或網絡接口。在還有的其它特定實施例中,消息 發射到診斷監^L器或工藝控制器。
在還有的其它特定實施例中,第一接口能夠接收,人多個現場裝置 發送到工藝控制器的多個信號。每個信號包括主工藝變量和附加信 息。控制器也能夠生成對應于多個已接收信號中的多個附加信息的多 個消息。所述第二接口還能夠發射所述多個消息。
在第二實施例中,系統包括現場裝置和工藝控制器,工藝控制器 能夠經現場裝置協議通信鏈路與現場裝置通信。系統也包括能夠接收 由現場裝置發射到工藝控制器的信號的診斷集中器。信號包括主工藝 變量和附加信息。診斷集中器也能夠發射對應于附加信息的消息。
在第三實施例中,方法包括接收由現場裝置發送到工藝控制器的 信號。信號包括主工藝變量和附加信息。方法也包4舌發送對應于已接 收信號中附加信息的消息。
從下面的附圖、描述和權利要求中,本領域的技術人員可輕松明 白其他技術特征。
為更完整地理解本公開,現在將結合附圖對隨后的描述進行說明,附圖中
圖1示出用于分布式工藝控制的示例系統; 圖2示出才艮據^^開的一個實施例,用于分布式工藝控制的示例 系統;
圖3示出根據;$^>開的一個實施例的示例診斷集中器;以及 圖4示出根據本公開的一個實施例,用于監視由現場裝置發射的 診斷數據的示例方法。
具體實施例方式
圖1示出用于工藝控制的示例系統100。工藝控制器102可與現 場裝置的組104-108通信。現場裝置可表示例如工藝發射器或工藝接 收器。工藝發射器可在輸入端測量與諸如壓力傳感器傳感的壓力等工 藝變量成比例的模擬電壓。測量的工藝變量值可稱為主工藝變量。工 藝發射器可在輸出端產生與輸入端上電壓成比例的信號,如模擬電 流。與此相反,工藝接收器可在輸入端上從工藝控制器102接收信號。 輸入端上的信號可與例如閥門的所需位置成比例。
組104-108中工藝發射器的輸出和工藝接收器的輸入可經現場終 端部件(FTA) 116-120由線對110-114耦合到工藝控制器102。在一些 實施例中,多達32個現場裝置可耦合到單個FTA。 FTA 116-120 —般 通過多芯電纜122-126電連接到工藝控制器102。 FTA —般包括處理 發送至工藝控制器102的以及從其發送的信號的電路系統。因此,工 藝控制器可經工藝控制器與每個節點之間的單個專用鏈路,與諸如工 藝發射器和工藝接收器等現場裝置通信。
線對110-114上的每個信號可以是例如在4-20毫安范圍的模擬電 流。第二信息也可通過使用諸如可尋址遠程傳感器高速通道(HART) 協議的一個或多個現場裝置協議,在工藝控制器102與現場裝置組 104-108之間通信。在HART協議通信鏈路中,第二信道作為低電壓、 低電流和高頻信號分量疊加在模擬電流上。第二信道編碼為二進制頻移鍵控(FSK),其中,1200 Hz頻率表示二進制1, 2200 Hz頻率表示 二進制0。
在HART協議中,通信鏈路任一端可通過FSK信道將第二信息 發射到另一端。例如,工藝發射器可將諸如泵體溫度等第二工藝變量 的值發射到工藝控制器102。工藝控制器102可將校準命令發射到工 藝發射器。工藝控制器102也可將用于維護信息的請求發射到工藝接 收器,并從工藝接收器接收自激勵器的上次維護以來操作的小時數的 指示。
備選,工藝控制器102可使用任何其它或另外的現場裝置協議與 現場裝置通信。其它現場裝置協議包括基金會現場總線Hl、 Modbus、 Profibus和WorldFIP。
現場裝置通信協議一般不僅提供用于工藝變量的通信,而且也提 供用于診斷消息的通信。工藝發射器或工藝接收器可將診斷消息發射 到工藝控制器102。此類消息可包括有關現場裝置操作狀況的信息, 如超出工藝變量范圍(主要、第二、第三或第四);現場裝置硬件 故障;另外的狀態可用;主變量模擬輸出已固定;以及主變量模擬輸 出已飽和。
然而,能夠發射例如HART診斷消息的現場裝置可安裝到工藝控 制器102與現場裝置組104-108之間只采用模擬電流信令的控制系統 100中。此類現場裝置將能夠在最#<級別的功能揭:作,因為它們能夠 發射和接收如工藝控制器102所要求的模擬電流信號。類似地,在工 藝控制器102與使用另一協議的現場裝置組104-108通信的場合,新 安裝的裝置可能夠發送工藝控制器102不能夠顯示或利用的診斷消 息。要充分利用此類新的現場裝置的能力,可能要求修改工藝控制器 102和FTA 116-120兩者。
此類修改一般將要求為新裝備支出資本,并且可能要求關閉正在 控制的工藝的所有或重要部分。此外,診斷消息的接收要求可能只來 自較少量的現場裝置,這在證明應該對工藝控制系統IOO其余部分進行重大更改方面形成了進一步的困難。
圖2示出才艮據^^>開的一個實施例,用于分布式工藝控制的示例 系統200。工藝控制器202經多芯電纜222-226、 FTA 216-220和線對 組210-214與現場裝置組204-208通信。為描述本公開的示例實施例, 將使用向模擬電流控制系統添加HART協議現場裝置進行說明。然 而,將理解,在不脫離本公開范圍的情況下,可采用利用其它現場裝 置協議的通信鏈路。
在能夠發送HART診斷消息的現場裝置添加到現場裝置組 204-208的場合,診斷集中器228-232可添加到控制系統200。診斷集 中器228-232可并聯地電連接到將具HART功能的現場裝置耦合到 FTA的線對。由此,診斷集中器228例如能夠接收包含在現場裝置與 工藝控制器202之間發送的模擬電流及傳遞由現場裝置發送的HART 診斷信息的FSK信道的信號。診斷集中器228隨后可生成包含診斷信 息的消息,并將消息以無線方式發射到無線網關236。無線網關隨后 可經諸如TCP/IP或以太網網絡等的網絡240將消息發射到診斷監視 器238。
類似地,診斷集中器230可耦合到組206中發送HART診斷信息 的現場裝置,并且診斷集中器230可經無線網關236將包含該信息的 消息發射到診斷監視器238。與此相反,診斷集中器232可直接耦合 到網絡240。由此,診斷集中器232能夠將診斷信息消息從組208中 具HART功能的現場裝置的信號直接發射到診斷監視器238。在其它 實施例中,診斷監^L器238可以能夠進行無線通信,并且因此能夠直 接接收由診斷集中器228和230以無線方式發射的診斷信息消息。
通過將診斷集中器228-232分別定位在FTA 216-220附近,每個 診斷集中器可用于從多個現場裝置收集診斷信息。實際上,診斷集中 器可位于裝有FTA的裝備機柜內,并耦合到無線天線或位于機柜壁中 的網絡連接器。然而,無線裝置234也可位于現場裝置附近。像診斷 集中器228和230 —樣,該無線裝置能夠電連接到將現場裝置耦合到FTA216的線對,生成對應于現場裝置發送的診斷信息的消息,并經 無線網關236將消息以無線方式發射到診斷監視器238。然而,無線 裝置234可只從單個現場裝置收集診斷信息。
為了解釋現場裝置發送的HART診斷消息,無線裝置234和診斷 集中器228-232必須配置有關于HART裝置的信息,如裝置地址,以 便來自應用(控制系統或監視系統或軟件程序)的裝置請求通過網關 236、診斷集中器228-232或無線裝置234路由到適當的現場裝置。
HART "裝置描述符"是一般由具HART功能的裝置制造商公布 的信息,以使得工藝控制器制造商能夠有效地利用其現場裝置。耦合 到網絡240的配置工具可用于通過來自裝置描述符的信息配置HART 現場裝置組204-208和診斷集中器228-232,以便監視現場裝置,獲得 診斷信息。配置工具可經診斷集中器232和網絡240與現場裝置組208 通信。配置工具可經無線網關236再經無線裝置234以及"^斷集中器 228和230與現場裝置組204和206通信。
診斷集中器228-232和無線裝置234可能在幾種環境中使用。工 藝控制器202和FTA 216-220可能無法處理由新安裝的現場裝置發送 的診斷信息。工藝控制器202可能夠處理診斷信息,但提供信息的現 場裝置可能通過不能處理診斷信息的FTA連接。在使用現場裝置協 議,而在該協議中主工藝變量和診斷信息消息以相同格式(例如,基 金會現場總線Hl )發送的場合,工藝控制器202可能無法處理FTA 216-220正在轉發的it斷信息。
此外,工藝控制器可能受限于1級閉環工藝控制,而單獨的處理 平臺卻被期望用于2級統計工藝控制或3級優化、歷史信息或維護監 視應用。最后,工藝控制器202和FTA 216-220可能夠處理診斷信息, 但工藝控制器的所有處理能力可能用于執行工藝控制算法,而沒有處 理能力可用于執行診斷監視功能。
在這些環境的各種環境中,如在圖2由備選耦合242和244所示, 本^Hf的其它實施例可能實現。工藝控制器202可具有網絡接口,并
9且能夠接收和處理由診斷集中器228-232和無線裝置234收集的診斷 信息。由此,如244所示,無線網關236和診斷集中器232可直接耦 合到工藝控制器202。在1級、2級和3級處理分布在工藝控制器202 與診斷監—見器238之間的場合,無線網關236可基于已接收信息的性 質或身份決定要將已接收診斷信息發送到何處。
在工藝控制器202不能接收,或者過載而無法處理收集的診斷信 息的場合,診斷監視器238可接收和處理信息。診斷監視器238可具 有用戶接口,在發生需要系統操作員采取措施的狀況時,如在工藝變 量超出范圍或者現場裝置報告操作故障時,它通過該接口提示系統操 作員。在本一^開的另一實施例中,如242所示,診斷監3見器238可以 通信方式耦合到工藝控制器202。由此,診斷監視器238感測到的報 警和故障警告可通過信號發送到工藝控制器202并經工藝控制器202 的用戶接口向系統操作員顯示。
雖然圖2示出用于分布式工藝控制的系統200—個示例,但可對 圖2進行各種更改。例如,系統200能夠包括任何數量的工藝控制器、 現場終端部件、診斷集中器、診斷監^L器、無線網關、無線裝置及現 場裝置。
圖3示出根據^^開的一個實施例的示例診斷集中器300。集中 器300可包括耦合到存儲器304的控制器302。存儲器304可存儲由 控制器302執行的指令和在指令執行期間使用的數據。控制器302可 經網絡接口 306和網絡連接310與例如圖2的網絡240上的其它裝置 通信。集中器300也可經無線接口 314和天線318與例如圖2的無線 網關236通信。
-沴斷集中器300可經HART接口 308A-308C,耦合到例如圖2線 對組214中的一個或多個HART協議通信鏈路。在工藝控制器和現場 裝置只使用才莫擬電流通信的場合,HART接口 308A-308C可在FSK 信道中向現場裝置發射信息和從現場裝置接收信息。在HART協議通 信已經在工藝控制系統中使用的場合,HART接口 308A-308C可只接收FSK信道。
每個這些組件包括用于執行所需功能的任何適合的硬件、軟件、 固件或其組合。例如,控制器202能夠表示數字信號處理器,并且存 儲器304能夠表示一個或多個易失性和/或非易失性儲存和檢索裝置。 網絡接口 306能夠表示以太網網絡接口或其它網絡接口。 HART接口 308A-308C能夠表示用于在組210-214中的線對上通信的電路系統。
雖然圖3示出診斷集中器300 —個示例,但可對圖3進行各種更 改。例如,診斷集中器300能夠包括任何數量的控制器、存儲器、網 絡接口、無線接口和HART接口。另外,HART接口 308A-308C能夠 替換為支持任何其它適合現場裝置協議的接口 。
圖4示出根據;^〉開的一個實施例,用于監視由現場裝置發射的 it斷數據的示例方法400。方法400參照圖2的工藝控制系統200和 圖3的診斷集中器228描述。在步驟402中,診斷集中器228接收由 組204中現場裝置發送到工藝控制器202的信號。在現場裝置使用 HART協議與工藝控制器202正在通信的場合,已接收信號是傳遞主 工藝變量的模擬電流和傳遞附加信息的疊加的FSK信道。在使用基金 會現場總線Hl協議的場合,主工藝變量和任何附加信息都是數字格 式。
在步驟404中,診斷集中器從在步驟402中已接收的信號提取任 何診斷信息,并且在步驟406中,生成包含該診斷信息的消息。在步 驟408中,診斷集中器通過網絡接口 306和無線接口 314之一或兩者 發射該消息。該消息可發射到診斷監^L器238或工藝控制器202。步 驟402-408可根據需要執行以處理在一個或多個HART接口 308A-308C上接收的信號。
在步驟410中,診斷監視器238或工藝控制器202接收由診斷集 中器228發射的診斷信息消息。該信息凈 視或分析以了解是否有工 藝變量超出范圍,現場裝置報告操作故障或需要由系統操作員采取措 施的其它狀況。在本文使用時,術語"無線"通信指經例如空氣等環境介質的數 據傳輸。非無線通信包括經物理管道、信道或其它通信路徑的數據傳 輸實現的通信。用于非無線通信的此類物理通信路徑的示例包括銅或 其它導線、光纖、同軸和其它電纜及任何過多的其它已知(或要開發) 的通信或傳輸線路。任一術語(無線或非無線)不暗示特定結構,也 不暗示使用特定的頻帶、波長、比特率或調制協議。
陳述此專利文檔通篇使用的某些字詞和用語的定義可能是有利 的。術語"包括"和"包含"及其派生詞的意義是無限制的包含。術 語"或,,是包含性的,意義是"和/或"。用語"相關"和"與其相關" 及其派生詞可指包括、包括在內、互連、包含、包含在內、連接、耦 合、可傳達、協作、交錯、并列、相鄰、約束、具有、具有屬性或諸 如此類。術語"控制器"指控制至少一個才喿作的任何裝置、系統或其
一部分。控制器可以碌:件、固件、專欠件或至少兩個相同物(如處理器、
ASIC、 PPGA或使用軟件或固件指令操作的其它裝置)的某些組合實
現。與任何特定控制器相關的功能可在本地或遠程集中或分布。
雖然本公開已描述某些實施例和一般相關的方法,但本領域的技 術人員將明白這些實施例和方法的變化和置換。相應地,上述示例實 施例的說明不限定或約束本公開。在不脫離如所附權利要求定義的本 公開的實質和范圍的情況下,其它更改、替代和變化也是可能的。
權利要求
1. 一種設備,包括第一接口(308A-308C),能夠接收從現場裝置(204、206、208)經現場裝置協議通信鏈路(210、212、214)發送到工藝控制器(202)的信號,所述信號包括主工藝變量和附加信息;控制器(302),能夠生成對應于所述附加信息的消息;以及第二接口(306、314),能夠發射所述消息。
2. 如權利要求l所述的設備,其中所述第二接口 (306、 314)是 以下之一無線接口(314)和網絡接口(306)。
3. 如權利要求1所述的設備,其中所述現場裝置協議通信鏈路 (210、 212、 214)是HART通信鏈路。
4. 如權利要求l所述的設備,其中所述消息發射到以下之一所 述工藝控制器(202)和診斷監視器(238)。
5. 如權利要求l所述的設備,其中所述第 一接口 (308A-308C)還能夠接收從對應的多個現場裝置 (204、 206、 208)發送到所述工藝控制器(202)的多個信號,每個信 號包括主工藝變量和附加信息;所述控制器(302)還能夠生成對應于所述多個信號中的所述附加 信息的多個消息;以及所述第二接口 (306, 314)還能夠發射所述多個消息。
6. —種系統,包括 現場裝置(204、 206、 208);工藝控制器(202),能夠經現場裝置協議通信鏈路(210、 212、 214 ) 與所述現場裝置(204、 206、 208)通信;以及 診斷集中器(228、 230、 232、 234),能夠接收由所述現場裝置(204、 206、 208)經所述現場裝置協 議通信鏈路(210、 212、 214)發送到所述工藝控制器(202)的信號,所述信號包括主工藝變量和附加信息;以及 發射對應于所述附加信息的消息。
7. 如權利要求6所述的系統,還包括"^斷監^f見器(238),其中 所述消息經以下之一發射無線通信鏈路和網絡(240);以及 所述消息發射到以下之一所述工藝控制器(202)和所述診斷監視器(238)。
8. 如權利要求6所述的系統,還包括多個現場裝置(204、 206、 208),其中所述工藝控制器(202)還能夠經對應的多個現場裝置協議通信鏈 路(210、 212、 214)與所述多個現場裝置(204、 206、 208)通信; 以及所述診斷集中器(228、 230、 232、 234)還能夠接收由所述多個現場裝置(204、 206、 208)經所述多個現 場裝置協議通信鏈路(210、 212、 214)發送的多個信號,每個 信號包括主工藝變量和附加信息;以及發射對應于所述多個信號中的所述附加信息的多個消息。
9. 一種方法,包括接收由現場裝置(204、 206、 208 )經現場裝置協議通信鏈路(210、 212、 214)發送到工藝控制器(202)的信號,所述信號包括主工藝變量 和附加信息;以及發射對應于所述附加信息的消息。
10. 如權利要求9所述的方法,其中接收信號,包括接收由多個現場裝置(204、 206、 208)經多個 現場裝置協議通信鏈路(210、 212、 214)發送到所述工藝控制器(202) 的多個信號,每個信號包括主工藝變量和附加信息;以及發射消息,包括發射對應于所述多個信號中的所述附加信息的多 個消息。
全文摘要
本公開涉及分布式控制系統和用于無線診斷的設備、系統和方法。利用新通信協議的現場裝置可添加到現有工藝控制系統。為避免需要升級工藝控制器(202)或相關電路系統(216-220)以支持新通信協議,診斷集中器(228-232)可添加到控制系統以在現場裝置與診斷監視器(238)之間建立另外的通信路徑。
文檔編號G05B19/418GK101454732SQ200780019219
公開日2009年6月10日 申請日期2007年3月30日 優先權日2006年3月31日
發明者Y·-G·T·陳 申請人:霍尼韋爾國際公司