具有外部电力选项的无线离散输入的制作方法-k8凯发

具有外部电力选项的无线离散输入/输出


背景技术：

1.本发明涉及用于控制或监测工业过程类型的现场设备。
更具体地讲，本发明涉及具有离散输入和离散输出通道的工业过程现场设备。
2.工业过程用于监测或制造过程材料和流体，诸如油、纸浆等。
为了监测工业过程的操作，采用过程变量变送器。
过程变量变送器测量过程变量，并且将过程变量信息传输到集中位置。
示例过程变量包括流速、温度、压力、液位等。
过程变量变送器是现场设备的一个示例。
另一个示例现场设备是控制器。
控制器用于通过致动控制元件来控制过程的操作。
例如，控制器可调整阀的位置、改变泵的速度、改变加热元件的温度等。
控制器可从集中位置接收其指令。
3.一种类型的现场设备是离散输入/输出(i/o)设备。
离散i/o或dio设备通常包括多个输入和/或输出通道。
例如，输入通道可用于检测开关(诸如液位开关)的闭合。
例如，输出通道可用于控制外部负载。
4.通常，现场设备依赖于与中心位置的有线通信。
示例有线通信技术包括双线过程控制回路，在该双线过程控制回路中电力和信息都携载于相同的双线上。
然而，最近无线通信技术已被用于现场设备。
在根据iec 2591标准的wireless通信协议中阐述一种示例无线通信技术。
然而，依赖于电池电力进行操作的无线现场设备可能在提供某些功能而不会显著缩短电池寿命方面受到限制。


技术实现要素：

5.一种用于工业过程中的无线现场设备包括：输入/输出端子，该输入/输出端子被配置成耦合到过程接口元件；以及离散输入/输出通道，该离散输入/输出通道被配置成当被配置为离散输入通道时通过该输入/输出端子从该过程接口元件接收离散输入信号。
该离散输入/输出通道也可以被配置成当被配置为离散输出通道时通过输入/输出端子向过程接口元件提供离散输出。
无线通信电路被配置成传输和接收信息。
控制器被配置成基于使用该过程接口元件感测到的过程变量通过该无线通信电路传输信息；当该离散输入/输出通道被配置为离散输出通道时，响应于由该无线通信电路接收到的信息而向该过程接口元件提供离散输出信号以控制过程变量。
当离散输入/输出通道被配置为离散输入通道时，离散输入/输出通道还可从过程变量传感器接收离散输入信号并且使用无线通信电路响应地提供输出。
外部电源输入端被配置成耦合到外部电源，并且电池电源输入端被配置成耦合电池，并且耦合到外部电源输入端和电池电源输入端的电源电路具有从外部电源或电池中的至多一者向控制器供电的电力输出端。
6.提供本发明内容是为了以简化形式介绍下文在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。
本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
所要求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
7.图1是包括离散输入/输出(dio)现场设备的工业过程控制系统的简图。
8.图
2a示出了图1的现场设备的被配置为输入通道的离散输入/输出通道。
9.图
2b示出了图1的现场设备的被配置为输出通道的离散输入/输出通道。
10.图
2c示出了图1的现场设备的被配置为输出通道并利用外部电源的离散输入/输出通道。
11.图3是示出了图1的包括八个输入和输出通道以及外部电源和电池连接的离散输入/输出现场设备的简化示意图。
12.图4是离散输入/输出设备的透视图。
13.图
5a是具有处于第一位置的可滑动(可移动)盖的离散输入/输出无线设备的透视图，在该第一位置中暴露用于电池的连接。
14.图
5b是具有处于第二位置的可滑动(可移动)盖的离散输入/输出无线设备的透视图，在该第二位置中暴露到外部电源的连接。
15.图6是包括用于将外部电源电连接到设备的电路的可选开关的离散输入/输出无线现场设备的一部分的放大视图。
16.图7是包括连接到设备的电池模块的离散输入/输出现场设备的透视图。
具体实施方式
17.下文参考附图更充分地描述本公开的实施方案。
使用相同或相似附图标记标识的元件是指相同或相似元件。
为了简化图示，某些元件可能未在每个图中示出。
然而，本公开的各种实施方案可以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的具体实施方案。
实际上，提供这些实施方案是为了使得本公开将是透彻且完整的，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。
18.对无线直接输入/输出(dio)现场设备在更多i/o通道上以更快的更新速率传递更多功能的需求日益增加。
添加更多通道和增加功能是以缩短电池寿命为代价的。
对于不愿意在提高性能与更频繁更换电池之间进行权衡的使用者来说，可提供外部电力选项。
19.需要为无线发射器设备的多种类型的操作电力连接提供灵活性。
一般来讲，这些设备将由一次锂电池电源模块供电，以实现简单的无线便利。
然而，在特定应用中，当需要更高的操作电力时，期望提供用于外部有线电源连接的选项。
然而，如果使用者选择外部连接，则不应允许电源模块和相关电路与外部电源是同一电路的一部分。
如果出现这种情况，则外部电源可能会损坏现场设备的内部电路并还导致任何连接的电源模块损坏。
如果有任何其他电源向电源模块端子供电，则可能会出现此问题。
20.提供一种多通道无线dio控制器(现场设备)，该多通道无线dio控制器具有在电池电源模块或外部dc电源上操作的扩展能力。
这种配置提供一种将外部dc电力选项合并到电池供电的dio中的有效手段，同时维持本质安全。
外部电力选项为dio提供改进的设备性能，并允许该dio控制具有更高电力要求的负载，而无需使用单独的电源。
21.在一个方面，输入电力隔离滑块机构为用于无线测量发射器设备的电源模块或直接有线电源连接中的仅一者提供操作电力选项。
该滑块机构防止电力同时施加到两个电力输入。
一旦选择电力选项并且滑动机构处于期望位置，使用者就将无法同时接合两个电力
选项。
这防止将电能施加到原电池电源模块的可能性，这种可能性可能导致电源模块的损坏并且潜在地导致危险状况。
本发明不仅在机械上提供排他性选择，而且还可利用开关或提供排他性电连接的其他手段来提供冗余。
22.本文阐述的向无线dio(离散输入输出)设备添加外部电力选项扩展了设备的能力和性能。
由于设备不受电池容量的约束，因此外部电力选项允许任意数量的dio通道以更快的更新速率操作。
附加电力还使得能够将更复杂的控制算法(诸如梯形逻辑)用于现场中的本地dio控制应用。
外部电源的使用还允许在延长的时间段内控制高电力负载，否则这可能会导致电源模块寿命短得令人无法接受。
该实施方案示出了8个dio通道的使用，然而可支持任意数量的dio通道。
这一概念支持使用电池或外部电力选项，同时维持本质安全。
23.本文阐述的现场设备能够从工业过程中的传感器接收与过程变量相关的离散输入。
传感器耦合到现场设备的端子。
此外，现场设备的端子可被配置成向过程中的离散控制元件提供离散输出。
这允许相同的两个端子被配置成用于根据需要感测过程变量以及用于控制过程变量。
现场设备被配置成用于与远程位置进行无线通信。
例如，无线通信可根据任何适当的技术，诸如根据iec 62591标准的wireless通信协议。
24.图1是包括耦合到过程容器或罐
14的无线dio现场设备
12的工业过程
10的简化框图。
过程容器可携载过程流体
8。
无线dio现场设备
12包括离散过程接口元件
16，如果该设备被配置成提供离散控制输出信号，则该离散过程接口元件可包括控制元件，或者如果现场设备
12被配置成从离散过程变量传感器感测过程变量，则该离散过程接口元件可包括过程变量传感器。
如果被配置成感测过程变量，现场设备
12可通过天线
20
和
22将与感测到的过程变量相关的信息无线地传送到远程位置
18。
例如，远程位置
18可包括中央位置(诸如控制室)。
离散过程变量传感器的示例包括开关，该开关在特定事件(诸如超过温度阈值或超过液位阈值)发生时改变状态。
另一种类型的离散过程变量传感器提供一系列脉冲，该一系列脉冲与可被计数的所感测的过程变量相关。
这种过程变量传感器的示例包括带有脉冲输出的涡轮流量计和磁流量计。
现场设备
12也可被配置成提供控制输出。
在这种配置的一个示例中，从远程位置
18接收信息，该信息用于响应性地提供控制输出。
可由设备
12控制的离散控制元件的示例包括马达、致动器、螺线管、电阻元件等。
25.图
2a是具有被配置成从离散过程变量传感器接收输入的通道
24的现场设备
12的简化框图。
在图
2a中，过程接口元件
16被示出为双位置(打开和闭合)开关。
例如，接口元件
16可包括响应于图1所示的罐
14中携带的过程流体8的液位的液位开关。
该开关连接到现场设备
12的输入/输出端子
40。
端子
40
中的一个端子连接到比较器
42，该比较器也接收参考电压。
例如，如果开关
16闭合，则向微处理器
44提供高输出，而如果开关
16打开，则提供低输出。
微处理器
44从比较器
42接收输出并且根据存储在存储器
46中的指令进行操作。
基于接收到的输入，微处理器
44可使用无线通信电路
48和天线
20
进行无线通信。
26.图
2b示出了现场设备
12的dio通道
24的可选配置。
通道
24耦合到离散控制元件。
在图
2b中，过程接口元件
16被示出为连接到电压源
50
的负载。
例如，负载
16可以是继电器、阀致动器等。
在图
2b中，负载
16和电压源
50
耦合到现场设备
12的输入/输出端子
40。
在图
2b的配置中，现场设备
12通过端子
40
将开关
60
耦合到电压源
50，而不是使用比较器
42。
开关
60
在微处理器
44的控制下操作。
图
2a示出了被配置成提供输入通道的设备
12，而图
2b示出了被配置成提供输出通道的设备。
27.图
2c示出了现场设备
12的dio通道
24的另一示例配置。
在这种配置中，通道
24耦合到用于向负载
16提供电力的外部电源
102。
该外部电源
102是公共电源并且还用于向现场设备的电路(诸如微处理器
44、存储器
46和无线通信电路
48)提供电力。
28.在图
2a和图
2b中所示的现场设备
12的配置在一些环境中可能是有问题的。
例如，如果现场设备
12同时耦合到外部电源
50
或
102以及电池电源，则电流或电压可能被引入到现场设备
12的电路中，从而损坏电路或其他部件。
这可能导致电路完全失效或者可能导致电路部分失效，例如，在后续测量或控制信号中引入误差。
另外，设备
12应被配置成以“本质安全”方式操作，其中该设备不会对工业过程或其周围环境中的其他部件造成损坏。
29.图3是现场设备
12的电路的更详细示意图。
在图3中，示出了八个通道
24-1至
24-8，该八个通道根据需要作为输入或输出通道操作。
仅出于说明的目的，将具体讨论通道
24-1。
在通道
24-1中，提供三个输入/输出连接：ch1 ext、ch1
和ch1-。
为了本质安全而提供保护二极管d100、d101和d102。
在电池供电模式(下面将详细讨论)下，ch1
和ch1-连接用于输入和输出端子两者。
为了提供开关闭合，通过u1000
使用do通道1输入连接来闭合晶体管q100。
为了作为输入通道操作，运算放大器u100b耦合到ch1
输入并向微处理器
44提供输出di通道
1。
30.当连接到外部电源时，通道
24-1具有附加的操作模式，在该附加的操作模式下，该外部电源可向诸如图
2b所示的负载
16的外部部件提供电力。
在这种配置中，外部负载电连接在ch1ext与ch1
之间。
所施加的电压可根据需要通过控制外部电源的电压来调节。
31.如图3所示，以电池
101或外部电源
102的形式提供两个可选电源。
外部电源
102连接到外部连接ext
和ext-，并且类似地，电池
101连接到电池连接batt
和batt-。
提供保护元件
104以保护内部电路，并且
8.6伏电压调节器
106对由外部电源
102提供的电压进行降压并通过二极管d1、d2和d3向开关调节器
108提供电力。
二极管d1-3为设备提供本质安全保护。
来自外部电源
102的电力通过二极管d100-d102、保护元件
100
和保护元件
104耦合到ch1ext通道。
提供来自调节器
108的三伏输出以为微控制器
44和无线通信电路(无线电
48)提供电力。
这也用于为输入/输出通道
24-1…
24-8中的部件提供电力。
微控制器
44从离散输入/输出通道
24-1…
24-8接收输入并向这些离散输入/输出通道提供输出。
32.可滑动(可移动)双位置盖
120
阻挡端子ext
和ext-或端子batt
和batt-，以防止操作者无意中同时将外部电源
102和电池
101连接到设备。
这防止对设备的内部电路的潜在损坏或对电池
101的损坏。
可选开关
122和
124可耦合到滑动盖
120
的操作，以基于盖
120
的位置提供外部电源
102与电池
101之间的断开，从而提供对内部电路的附加保护。
33.图4是无线现场设备
12的透视图，示出了壳体主体
190
和盖
192。
图4示出各种通道连接
24-1…
24-8以及可滑动(可移动)双位置盖
120。
34.图
5a是设备
12的透视图，示出了处于第一位置的盖
120，在该第一位置中暴露了batt
和batt-连接。
类似地，图
5b示出了处于替代位置的盖
120，在该替代位置中暴露了ext
和ext-连接。
图6是设备
12的放大图，示出了开关
124的操作。
如图6所示，在盖
120
的位置，开关
124打开，而相对的开关
122(图6中未示出)闭合，从而提供到外部电源端子ext
和ext-的电连接。
35.图7示出了被配置为电池电源模块、插入设备
12的batt
和batt-连接器的电池
101。
这可以是标准化配置或者可以是根据期望定制的布置。
电池电源模块可被配置成插入
无线现场设备的壳体中。
36.本文阐述的电路包括8个相同的dio控制块和两个电力选项。
可使用电池或外部电压源来操作电路。
不允许同时使用两个电源。
电路通过其batt /-端子从电池或通过其ext /-端子从外部电源接收电力。
机械滑动盖结合到设计中，以物理地允许一次仅访问一个电力选项。
机械滑块或其他可移动部件的使用大大减少了在使用外部电源时保护电池原本所需的电路。
37.在电池供电模式下，机械滑块阻止对外部电源端子的访问。
电池为用于操作设备电子器件的
3v调节器的输入供应电力。
保护二极管d1、d2和d3提供与外部电源电路的隔离，以实现本质安全目的。
在此操作模式下，di和do两者的通道连接均使用ch x–
和ch x
端子。
38.在外部电源模式下，机械滑块阻止对电池端子的访问。
外部电源执行两个功能。
该外部电源为
8.6v预调节器提供输入电力，以便为设备电子器件供电，并作为驱动第三接线片(ch x ext)上的do负载的内部电力选项。
在此操作模式下，被配置为di的通道与电池供电模式下的操作相同并连接在ch x–
与ch x
端子之间。
被配置为离散输出通道的通道具有两种驱动负载的选项。
对于do设备包含其自己的电源的应用，该通道将连接在ch x–
和ch x
端子之间。do通道在此模式下的操作与电池供电模式下的操作相同。
对于需要电压源操作的do设备，可使用内部电源选项。
在此配置中，do负载连接在ch x ext与ch x
端子之间。
与每个通道上的第三接线片串联的保护元件防止误用并提供本质安全。
该端子上的电压在外部电源处是可调节的，以用于任何应用。
第三接线片提供用于为多个do负载供电的简化连接方法。
39.这种具有外部电源电路的多通道无线dio提供优于仅由电池供电的设备的若干优点。
该配置支持添加更多dio通道且支持更快地操作该dio通道的能力。
外部电力选项还为使用者提供使用内部电力选项来驱动do负载的便利手段。
电路还适应需要在单独的一对端子上供电的do设备的控制。
电路结合机械滑块的使用，以减少实现本质安全所需的电路。
40.本发明通过提供两个操作电力输入电源端子的便利性和灵活性并且还将两个连接与同时作为同一电路的一部分的可能性隔离来解决该问题。
机械隔离设置有滑动机构，该滑动机构始终覆盖操作电力连接中的一个操作电力连接。
当处于电源模块选项位置时，该滑块提供对外部线端子的完全覆盖。
当处于外部线端子选项位置时，该滑块还会阻挡电源模块端子，从而防止安装电池电源模块。
41.除了这种机械隔离之外，本发明还提供一种选择，即当滑块机构处于其任一最终位置时，使用一个开关或一组开关来闭合仅一个选定的电力输入电路。
这将断开相对的电路，同时该机构还机械地阻挡相对的未使用的电力选项端子。
42.尽管已经参考优选实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行改变。
可使第三接线片上的电压电平对于每个通道是可编程的。
外部电力选项可支持ac源。
可为外部电力选项添加完整的通道间和/或电源隔离。
这可与期望提供外部操作电源端子的任何类型的无线设备一起使用，并且不限于本文阐述的离散输入/输出设备。