CN101821686B - 用于现场设备的rf适配器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种与用来监控工业过程中的过程变量的这种类型的过程控制变送器耦合的适配器(300)。适配器包括用于与双线过程控制回路(302)以及与过程控制变送器耦合并在过程控制回路(302)上进行通信的I/O电路。无线通信电路(344)与双线过程控制回路(302)耦合并用于发送RF信号。电源电路(350)向无线通信电路提供功率。

Description

用于现场设备的RF适配器
技术领域
本发明涉及工业过程控制或者监控系统。更具体地，本发明涉及具有射频(RF)通信能力的系统中的现场设备。
背景技术
在工业设置中，控制系统用于监控和控制工业和化学过程的详细目录。典型地，控制系统使用分布于工业过程中关键位置并且通过过程控制回路与控制室中的控制电路相耦合的现场设备来执行这些功能。术语“现场设备”指代执行分布式控制或者过程监控系统中的功能的任何设备，包括在工业过程的测量、控制和监控中使用的所有现在已知的或者还未知的设备。
一些现场设备包括换能器(transducer)。可以理解换能器意指基于物理输入生成输出信号的设备或者基于输入信号生成物理输出的设备。典型地，换能器将输入变换为具有不同形式的输出。换能器的类型包括不同的分析装置、压力传感器、热敏电阻、热耦合器、张力计、流变送器、定位器、制动器(actuator)、螺线管、指示灯、以及其他装置。
典型地，每一个现场设备还包括用于在过程控制回路上与过程控制室或者其他电路通信的通信电路。在一些安装中，过程控制回路还用于向现场设备传输调节过的电流和/或电压，以向现场设备供电。过程控制回路还携带模拟或者数字格式的数据。
传统上，在通过单一双线控制回路将每一个设备与控制室连接的情况下，已经通过双线过程控制电流回路将模拟现场设备与控制室连接。典型地，针对模拟模式将双线之间的电压差维持12-45伏的范围内，以及针对数字模式将双线之间的电压差维持维持在9-50伏的范围内。通过将在电流回路上流动的电流调制到与感测到的过程变量成正比的电流，一些模拟现场设备向控制室发送信号。通过控制通过回路的电流的大小，其它模拟现场设备可以在控制室的控制下执行动作。此外或者作为备选地，过程控制回路可以携带用于与现场设备进行通信的数字信号。
在一些安装中，已经开始使用无线技术来与现场设备进行通信。例如，使用完全无线的安装，在完全无线的安装中，在没有任何形式的有线连接的情况下，现场设备使用电池、太阳能电池、或者其他技术来获得功率。然而，现场设备的主流是硬连线连接至过程控制室并且不使用无线通信技术。
发明内容
本发明提供一种用于耦合到过程控制变送器的适配器，这种类型的过程控制变送器用于监控工业过程中的过程变量。该适配器包括I/O电路，该I/O电路用于与双线过程控制回路和过程控制变送器耦合并且在过程控制回路上进行通信。无线通信电路与该双线过程控制回路耦合并且用于发送RF信号。电源电路向无线通信电路提供功率。
附图说明
图1示出了包括用于无线通信的现场设备在内的过程控制监控系统的简化框图。
图2示出了过程控制器监控系统的框图，在过程控制器监控系统中，多个现场设备向远程仪表发送信息。
图3示出了包括用于与远程设备(比如手持单元)进行通信的无线通信电路在内的现场设备的分解的局部剖视图。
图4示出了包括用于无线通信的现场设备在内的过程控制器监控系统的图，该现场设备从过程控制回路提取功率。
图5示出了图4所示电路的更详细的示意图。
图6示出了在图5中所示的电容器两端测量到的电压对时间的图。
图7示出了用于在过程控制器监控系统中提供无线通信的电路的电子框图。
图8A和8B示出了通过双线过程控制回路与过程变量变送器耦合的无线通信适配器的框图。
图9示出了无线通信适配器的电路的简化框图。
图10示出了与变送器耦合的无线适配器的简化的横截面图。
具体实施方式
本发明提供一种用于与过程控制回路耦合的现场设备和/或适配器，该现场设备和/或适配器还包括用于单向或者双向无线通信的无线通信模块。无线通信模块可以从远程设备或者位置发送和/或接收RF信号。可以直接用从双线过程控制回路接收的功率直接对该模块供电，或者可以用从过程控制回路中接收并且为了随后的使用而存储的功率来供电。该模块可以是可拆卸模块，其中该模块仅需要与那些想要进行无线通信的现场设备耦合。可以将该模块配置为适配器以对现有的变送器加以改进。
图1示出了过程控制或者监控系统10的简化框图，在该系统10中，控制室或者控制系统12在双线过程控制回路16上与现场设备14耦合。现场设备14包括I/O功率电路18、制动器/换能器20以及无线通信电路22。将无线通信电路22配置为使用天线26来发送和/或接收RF信号24。
目前，工业仪器通常包括可以用于过程信息的本地监控的本地显示器或者“仪表”。在很多安装中该仪表可以是非常有用的，然而这种本地显示器配置确实具有一些限制性。本地显示器要求直接可视接入现场设备。此外，典型地，操作者仅可以一次查看一个仪表。包含该仪表的仪器通常不在方便的位置或者查看角度处。一种已经用于处理该配置的技术是使用与过程变送器以电线相连的仪表。这允许将该仪表安装在更方便的位置上。在2002年4月22日提交的序列号为10/128,769，标题为“PROCESS TRANSMITTER WITHWIRELESSCOMMUNICATION LINK”的美国专利申请中示出并且描述了另一种技术。
对于本发明来说，除了与过程控制回路(如，回路16)的连接外，在现场设备中包括RF通信模块，或者将该RF通信模块配置为适配器以对可以使用的现场设备进行改进。可以将该无线通信模块22配置为紧凑的并且是较低功率的，使得可以容易地将其包括在现有的现场设备配置中。该模块可以用于无线传输在监控控制和/或数据显示中使用的信息。该无线变送器可以让现场设备信息在本地区域中可用。例如，可以提供并使用单个本地显示器(如，显示器32)来显示来自现场设备14的信息。可以配置显示器32来同时地、顺序地、或者通过提供给显示器的命令(例如，使用诸如对操作者可用的按钮之类的手动输入)显示来自若干设备的信息。可以将该显示器32放在固定位置处或者该显示器32可以是便携式设备，使得可以在过程控制系统中进行携带以监控和观察不同现场设备的运行。取决于RF信号24的强度和发送和接收电路的灵敏度，可以按照需要来控制RF传输的覆盖区域。例如，图2是过程控制系统50的简化图，其中一些现场设备14通过单独的过程控制回路16与控制室12耦合。每一个现场设备14发送由显示器32来进行接收的RF信号24。在该例子中，显示器32能够显示使用天线52从现场设备14接收到的四个过程变量(PV1、PV2、PV3和PV4)。如上所述，显示器32可以是固定的显示器或者可以是便携式显示器，如手持单元。在该具体的配置中，将显示器32说明为示出了与过程压力有关的两个过程变量以及与过程温度有关的两个过程变量。这允许现场设备14在所想要的范围内(如，本地区域中)的RF连接上提供信息。例如，如果显示器32在现场设备14的40米范围中，则显示器32能够接收来自该现场设备的显示信息。例如，可以使用可选用户输入48来选择显示的格式、显示的过程变量、或者用于询问现场设备14。
图3示出了压力变送器60的简化剖面部分分解图，该压力变送器60是现场设备的一个示例。压力变送器60与双线过程控制回路16耦合并包括变送器外壳62。过程控制回路16与端子板58上携带的端子56耦合。压力传感器64提供了换能器的一个示例，并且将压力传感器64配置为与过程装置耦合，以测量在过程流体中发生的压差。向与现场设备电路68耦合的测量电路66提供来自换能器64的输出。现场设备电路68实现了图1所示的I/O电源18的方面。无线通信电路22与现场设备电路68耦合，并且在一些实施例中可以与过程控制回路16耦合。
外壳62包括可以用螺丝拧入到外壳62中的端盖70、72。端盖72包括被配置为通常与无线通信电路22上携带的天线26对齐的RF透明窗口74。当附着时，端盖为变送器60内的电路提供了固有安全的外罩。端盖中使用的材料(例如金属)对于RF信号来说是不透明的。然而，RF透明窗口74使得可以通过天线26来发送或者接收RF信号。窗口74所使用的一个示例RF透明材料是玻璃或者类似物质。然而，可以使用任何合适的材料。该窗口和外壳配置可以有助于满足固有安全的需求并且提供防火(防爆)能力。此外，可以配置外壳62中的腔，以提供想要的天线26所生成的RF信号的辐射图。例如，在一些实现中，可能想要使RF传输是定向的，或者在其它实现中使RF传输是全向的。在其它实现中，可以加长外壳62以提供用于放置无线通信电路22的额外的内腔。
可以按照需要来选择无线通信电路22。一个示例电路是可从Millennial Net购买的“I-Bean”变送器设备。然而，可以使用其它电路。在不打扰过程控制回路16或者现场设备电路68运行的情况下，可以使用无线通信电路22来读取和传输在过程控制回路16上携带的模拟或者数字信号。用于无线传输的电路应当足够小并且是低功率的，以适应过程现场设备的物理和功率约束。将一些现有技术的变送器配置来容纳可选的显示器，该可选的显示器通常被安排在图3中无线通信电路22所示的位置中。在该配置中，可以替换本地显示器来使用无线通信电路22。在该配置中，通信无线电路22简单地传输与过程控制回路16直接耦合的RF信号并且传输与该回路16上携带的任何模拟和/或数字信号相对应的RF信号。
一般地，本文讨论的过程控制回路可以包括在工业过程控制和监控系统中使用的任何类型的过程控制回路。该回路包括4-20mA电流回路，在该回路中模拟电流等级在4和20mA之间改变以传输信息。可以使用同样的控制回路向现场设备提供功率。另一种类型的过程控制回路是依照于HART通信协议的，在HART通信协议中，将数字传输叠加在4-20mA信号上以传输额外的信息。另一个示例双线过程控制回路使用美国仪器学会(ISA)所提出的协议，该协议被称作Field BusSP50协议。然而，可以使用端点信令协议(endsignaling protocol)。可以配置一些过程控制回路与多个现场设备耦合，使得现场设备可以彼此进行通信或者监控来自另一个现场设备的传输。一般地，可以使用本发明的无线通信技术来传输在该过程控制回路上传输的任何类型的信息、或者现场设备可用的或者内部生成或接收到的信息、或者否则用于控制现场设备的信息或者其它类型的信息。在另一个示例中，操作者可以携带用于配置现场设备的手持单元或者设备到现场。当手持设备在现场设备附近时，操作者使用手持设备向现场设备发送或者接收信息。这允许操作者在不与设备或者物理过程控制回路物理耦合的情况下来收集信息或者对现场设备进行编程。
在一些实施例中，来自现场设备或者去往现场设备的通信携带寻址信息是可取的。该寻址信息可以指示传输的源或者传输的预期接收者。无线通信电路可以按照需要连续地或者在周期性或间歇性的基础上进行传输。在另一个示例中，无线通信电路仅当激活或者“被轮询”时才进行传输。激活可以来自现场设备内部的源、通过过程控制回路接收、从无线源接收、或者由另一个源接收或者生成。在多个现场设备可以同时进行传输的环境中，应该选择传输协议，以避免或者处理可能干扰到传输的任何类型的冲突。例如，根据需要可以使用不同的频率或者跳频技术、可以使用随机或者半随机的传输窗口、可以执行基于重传或者令牌的技术、或者其它避免冲突的技术。如果传输包括错误检测或纠错信息，该信息可以用于检测传输中的错误和/或纠正传输中的任何错误。如果错误是不可纠正的，则接收单元可以请求重传受损数据、或者可以指示错误、或者可以等待数据的后续传输、或者可以根据需要采取其他步骤。
图3还示出了用于在RF连接82上与电路22进行通信的示例手持设备80。手持设备80包括显示器84和用户输入86。可以在手持设备80中包括其它类型的输入和输出。优选地，手持设备80由电池供电并且可以由操作者带入现场以与现场设备60进行通信。在显示器84上显示来自现场设备60或者来自其它源的信息，并且使用输入86来控制该手持设备。可以由手持设备80向现场设备60传输命令或者其它信息。
在一个配置中，无线通信电路要求在现场设备中可用功率的约束内的功率。例如，现场设备中当前使用的一个显示器在0.5mA处使用3.6伏。如果使用能够操作LCD仪表的变送器，则无线通信电路可以代替LCD仪表并且使用用于驱动LCD仪表的相同功率源。在另一个示例中，直接从过程控制回路向无线通信电路供电，例如使用在与过程控制回路串联的二极管压降两端得到的电压。在通信电路不使用电池的实施例中，该电路可以更容易地满足本质安全或者其它安全认证要求，并且在不进行电池替换或者维护的情况下，提供无限的现场寿命。在无线配置仅用于发送信息的配置中，可以降低功率需求。在另一个示例中，如果想要更大的传输范围，则固定设备(例如，如图1所示的显示器32)可以包括用于对从现场设备接收或者发送至现场设备的数据进行重传的RF转发器。该RF转发器可以由回路供电，或者可以从其它源得到其功率。此外，一旦接收了RF数据，为了在其他介质上(例如以太网连接)传输，可以将该RF数据重格式化为在过程控制系统中使用的、在范围扩展的RF通信链路(如，蜂窝式电话)上的、或者使用另一种技术进行中继的现有数据传输结构。
图4示出了过程控制器或者监控系统100的简化图，该系统100示出了本发明的另一方面。在系统100中，通过接线盒102，现场设备14通过过程控制回路16与控制系统12相连。在图4的实施例中，现场设备104与过程控制回路16耦合并包括了无线通信电路122。配置无线通信电路122来传输RF信号106，并且完全由从过程控制回路16接收到的功率来对无线通信电路122供电。
过程设备104包括功率调节器110、分路或者旁路112、以及超级电容器114。在运行期间，通过使用从过程控制回路16分出的过电压来使用功率调节器110缓慢地对超级电容器114充电(涓流充电)。旁路112允许回路16正常工作，并且该旁路112与回路16串联。通信电路122包括用于对在过程控制回路16上携带的模拟和/或数字信息进行接收的电路。电路122可以基于接收的信息来响应性地传输RF信号106。如果作为接收器工作，电路122能够将数据调制到回路16携带的电流上。该数据可以是模拟或者数字信息。该配置允许在无线通信网络上中继数据。可以依照任何类型的拓扑结构来配置该网络，包括点对点、星型以及网格型拓扑结构。可以在沿着回路的任何位置处放置过程设备104，包括配置为如图4所示的单个设备。在一些安装中，为了进行本质安全操作，应当对现场设备104进行现场硬化和配置。还可以将设备104放置在另一个现场设备14中、作为接线盒102的一部分或者甚至位于容纳了控制系统12的控制室中。现场设备104可以同时地或者通过使用多路复用器或其他技术来与多于一个RF电路122和/或多于一个过程控制回路16相连。
超级电容器的使用允许设备在不需要内部电池或者其他技术的情况下来工作。电容器的使用使得可以快速充电以及对存储足够大的能量势能。当在危险环境中使用时，为了满足本质安全标准，有可能不能接受大的能量势能。然而，可以将过程设备104从危险环境中移开，如，在不要求本质安全的接线盒102处。
图5是更详细地示出了超级电容器114的现场设备104的简化示意图。在本示例中，超级电容器114包括两个10法拉电容器，每一个电容器携带2.5伏电势。这产生了具有5伏电势差的5法拉等价电容。假定无线通信电路122能够在4伏与5伏之间的电压处工作，则来自每一个5法拉电容器的可用能量是1/2*C(Vi 2-VF 2)，即，1/2*5*(52-42)＝22.5J。
图6是超级电容器114上的电压对时间的图。在本示例中，对周期td为1秒的脉冲信号进行发送的600mW无线变送器将需要0.6J/S*1s＝0.6J能量。因此，有充足的能量可用于该通信电路122的操作。
用于向过程控制回路提供功率的典型电源提供了24伏DC。然而，在4-20mA系统中，变送器可以仅需要12伏来进行操作。过程控制回路中的线路损耗可以引起2至4伏的电压差。假定仅可以得到5伏来对超级电容器114充电，并且过程控制回路在低的电流等级处工作(即4mA)，也依然有20mW可用于对超级电容器114充电。由于在传输周期中仅消耗0.6J，因此在tc＝0.6J/0.02W＝30s的时间内，可以得到的20mW将使超级电容器充满电。因此，该配置将可以每30秒传输长度为1秒的信号。假定通信信号的带宽是200Kb/s并且分组大小是200b，则脉冲时间减少为一毫秒并且所导致的传输时间是0.03秒。在该配置中，由于诊断数据不具有时间的紧急性，因此可以容易地传输该诊断数据。然而，如果可以使用充分快的充电时间，则还可以无线地传输控制和过程变量信号。
尽管描述了超级电容器，然而可以使用任何能量存储设备，包括电池或者其它设备。用于对存储设备充电的能量可以是电能量或者磁能量，并且可以从任何源得到或者收集到。
图7是过程控制器监控系统150的简化图，过程控制器监控系统150包括通过双线过程控制回路156与现场设备154耦合的控制室152。过程控制回路156在本质安全栅158两端延伸。将控制室152建模为包括电源160和负载电阻162。
该现场设备154可以是任何配置并且不限于图7所示的特定原理图。示出了RF通信电路170与回路156串联。可以在现场设备的端子块中实现电路170。例如可以将电路170配置为外加模块，使得双线过程控制回路156可以与现有变送器电路耦合。
在图7所示的配置中，通信电路170使得可将无线通信能力增加至新的或者现有的过程控制回路或者现场设备。将该电路配置为由过程控制回路进行供电，并且可以将该电路安装在从控制室开始的回路范围中的任意位置、在沿着回路本身的任意位置、在本质安全(IS)栅或者接线盒158中、作为孤立现场设备、或者包括在另一个现场设备中。可以将该电路配置来用于任何类型的通信。然而，在一个简单的配置中，配置电路170来测量在过程控制回路156中携带的电流以及向无线接收器发送与测量电流相关的输出。
现在转向图7所示的电路170的一个特定实施例，感测电阻180和电源二极管182与过程控制回路156串联耦合。感测电阻180可以例如是10ohm并且用于感测过程控制回路156中携带的电流等级I。还将测试二极管184与回路156串联耦合并且提供测试点186。这可以用于校准与电路170耦合的现场设备或者表现其特征。提供本质安全保护电路190，包括如图所示连接在二极管182两端的二极管192以及连接在感测电阻180的相反端的隔离电阻194。二极管182是电源196的一部分，电源196包括电容器198、输入滤波器200、调节器202、电容器204以及次级滤波器206。次级滤波器206包括电容器208以及电阻器210。电源电路196生成相对于电路地的电源电压VDD，以由电路在测量回路电流并且无线地传输作为结果的信号中使用。尽管示出了特定的电源实现，然而可以根据需要使用任何合适的电源配置或者实施例。
在本实施例中，输入电路218包括感测电阻180并且被用来测量通过回路156的电流I。输入电路218还包括滤波器220，该滤波器220向OP amp 222提供差分连接。该OP amp向被示出为微处理器224的一部分的模数转换器226提供放大的输入信号。提供时钟电路228并且将其用于向例如微处理器224提供时钟信号。可选的HART发送和接收电路230与微处理器224、回路156、时钟电路228以及RF发送/接收电路232相连接。配置可选的HART电路230来从微处理器224接收数字片选信号(CS1)。配置RF电路232来从微处理器224接收单独的数字片选信号(CS2)。取决于激活哪个芯片选择，配置HART电路230以及RF电路232以在SCI总线上与微处理器224进行通信。还配置微处理器224以向运算放大器222提供关闭信号。微处理器224包括存储器236，存储器236用于存储编程指令、临时性和永久性变量以及其它信息，并且该存储器236可以同时包括易失性和非易失性存储器。该存储器可以包括例如EEPROM并且可以包含唯一识别电路170的寻址信息。RF电路232与天线240耦合，可以根据需要将天线240配置为内置天线、外置天线或者组合。配置电路170可以耦合在双线过程控制回路156两端，使得回路156可以在另一个现场设备(如，过程变送器或者过程控制器)处停止。
可以在单块印制电路板上实现图7所示的电路170，使得RF天线240与该板形成一体。该配置使得可以在现有的现场设备中容易地实现电路170，并且不需要使用外置天线。这减少了安装复杂度。
可选的HART发送/接收电路230可以用于监控在过程控制回路156上携带的数字信号，如，过程变量。基于感测到的数字信号，HART电路230控制RF发送/接收电路232的操作，以传输与感测到的过程变量有关的信息或者其它信息。如果根据完全的HART协议和合适的RF协议栈来实现该HART电路，则该电路可以实现网关级别的功能，该功能将允许HART主设备以双向通信的方式通过RF HART网关设备与过程控制回路156上具有HART功能的现场设备进行通信。这允许与现场设备进行无线通信，以监控、配置、诊断或者交换其它信息或数据。
在过程控制或者监控安装中，经常需要操作者物理接入现场设备或者过程控制回路以与现场设备交换信息。这使得操作者可以修理装置并且在装置上进行预防性的维护。在此阐述的无线通信配置使得操作者可以询问在难以接入的位置处的现场设备。此外，即使在容易接入的现场设备的配置中，无线通信电路不需要操作者拆卸装置(如，变送器或者接线盒)上的外罩以暴露针对到过程控制回路的物理连接的回路布线。在可能存在爆炸性气体或者蒸汽的危险位置处，这是特别有用的。可以由无线通信电路感测数字或者模拟过程变量并且将其传输至如上所述的无线仪表或者手持设备处。
在工作期间，将电路170与过程控制回路156串行放置，其中，电路170使用流过回路的4-20mA电流向其自身供电。对于使用公共电气接地的现场设备来说，可以将电路170插到回路连接的高电压侧。该配置允许接入现场设备的其它总线电路，如，CAN接口。该配置包括测试期间在对回路电流的测量中使用的测试连接186。优选地，配置感测电阻180来提供在端子181处测量到的为零的等价电容，该端子181根据本质安全的标准与回路156相连接。配置电路170以在3伏和4伏之间进行标称操作，并且齐纳二极管182与感测电阻180一起设置该工作电压。在典型的4-20mA电流回路上可得到的过电压足以操作电路170。此外，可以使用功率管理技术来将从回路上抽取的电流限制为大约3mA。这使得与过程控制回路相连接的任何现场设备在因为抽取超过可用的电流等级而导致电路崩溃的情况下，可以发送3.6mA的警告级别信号。
齐纳二极管182担当分流元件，齐纳二极管182与回路156串联放置以在输入滤波器级上产生预调节电压。通过齐纳二极管182对回路电流中任何不为电路170所使用的部分进行分流。输入滤波器200可以包括容性、感性以及阻性元件并且用于将回路与电路170生成的任何噪音或负载波动隔离开。为了符合HART标准，输入滤波器200还对HART扩展频带中的噪音进行了抑制。
电压调节器202可以是任何合适的电压调节器(例如但不限于线性或者开关模式调节器)并用于向电路提供电压VDD。滤波器206用于存储能量并且还用于从调节器202去耦电路负载。在电路负载改变期间，允许次滤波器206的输出电压下降几百毫伏。这使得可以对电路172从4-20mA电流回路抽取的峰值电流进行平均。
在本实施例中，为了减少功耗，可以在空闲操作期间将包括A/D转换器在内的微处理器224以及RF电路232和输入电路218置于睡眠模式或者低功率模式中。例如，以所选时间间隔(如，每10秒)，微处理器中的内置计时器可以使A/D转换器测量回路电流。允许在A/D转换发生之前将测量电路稳定下来。在完成A/D转换之后，关闭回路测量电路和A/D转换器以节约功率。微处理器将测量到的值传递给RF电路232以进行传输。当完成传输时，微处理器和RF电路返回低功率模式直到下一个周期。微处理器甚至可以使其本身临时进入睡眠以节约功率。使用这些功率管理技术，微处理器可以通过交错调节器级上的负载需求来对电路的整体电流要求进行管理。
使用与4-20mA电流回路156串联耦合的10ohm感测电阻器180来测量模拟电流电平，实现了回路电流测量。对在感测电阻器180两端得到的电压进行滤波，以移除由于HART数字通信和任意回路噪音所造成的波动。运算放大器级222提供进一步的信号调节并且将该信号传递给微处理器224的A/D转换器226。
RF电路232可以是任何需要的合适的电路或者配置。在一个简单形式中，RF电路232只是向无线接收器传输测量变量。天线240可以用于广播RF信号并且可以与电路170形成为一体，例如，以围绕电路板的外缘进行布线的线路的形式。在一些实施例中，RF电路232可以包括无线接收器，使得可以将电路232配置为收发信机。如果需要，可以将相同的天线240用于发送和接收。典型的低功率收发信机可以具有大约200英尺的通信范围，然而可以使用不同的功率需求、电路灵敏度、天线配置等等来实现其它的范围。如果将电路170安装在金属外壳中(如，变送器的现场的外壳隔间)，应当使用该外壳的RF透明部分来允许从天线240传输和接收信号。例如，如上所述，可以使用玻璃窗。其它示例材料包括可充分传输RF信号的任何物质，包括塑料或者其它材料。
可选HART电路230的增加使得电路170可以选择性地侦听电流回路156上所携带的4-20mA信号上的HART消息。可以向无线接收器传输信息，如，测量到的过程变量、诊断信息、或者其它信息。此外，如果配置HART电路230将数字信号调制到过程控制回路上，可以使用该HART电路230远程命令或者询问耦合到回路156的现场设备。例如，可以配置HART电路230以担当4-20mA电流回路上的次级主设备。HART电路230与被配置为全收发信机的RF电路232一起使得双向通信以及从无线主控单元(如，图3所示的手持设备80)的现场设备配置成为可能。
优选地，还可以将微处理器224用来实现诊断功能。配置微处理器224以监控过程控制回路156的电压和电流特征，可以使用诊断技术来识别电流和电压中不正常或者有问题的变化，并且可以无线地、或使用电路230提供的HART传输能力、或通过将回路156上携带的电流等级设置为警报值或其它预定值，将不正常或者有问题的变化传输至远处的位置。
优选地，配置电路170以使得可以在危险位置中工作并且满足合适的认证和规范(如，本质安全标准)。例如，在电路170的输入上使用本质安全保护190以及适用于本质安全的电阻180。使用合适的组件和电路布局，与齐纳182并联的冗余齐纳二极管192的增加提供了一定程度的冗余，并且限制了在该本质安全保护系统中可以进入该电路的电压的数量。类似地，可以使用感测电阻器180来限制可以进入电路170的最大电流，并且制止存储的能量从电路通过其外部端子进行的任何放电。这提供了实质上为零的等价电容。此外，两个连接在感测电阻器180和滤波器220的两端之间适用于本质安全的高值电阻194对该回路测量电路进行保护。可以使用陶瓷材料等来保护其他电路组件免受外部能量源干扰，该陶瓷材料等还阻止危险气体和蒸汽到达电路170中的任何内部存储元件和节点。对于其它不危险的位置来说，可以不需要本质安全组件。
在工业过程工厂中，利用了过程变送器无线通信的好处的应用数量在增加。这些变送器可以监控过程温度、压力、电平或者流量。向这些设备提供无线通信的原因包括：安装几百甚至上千个线脚的成本节约，或者减轻与过程变送器“连接”和通信的任务。对于有线通信系统来说，任何主机(不管是过程控制系统还是便携式手持通信器)都必须物理连接到与过程变送器连接的线路上，以与过程变送器通信。相反，使用无线通信系统，主机可以从过程工厂中任何在通信范围内的位置处与想要的过程变送器无线“连接”。此外，在有线系统中，为了获得对用于连接手持通信器的端子的接入来执行对过程变送器的诊断或者试运行，用户必须将外罩从设备上拆下。拆卸外罩可能要求用户进行若干安全预防以确保不危及过程变送器或者设施的安全特性。此外，如果在过程工厂中潜在的危险区域中使用时，将外罩从过程变送器拆下可能需要特殊的工作流程，或者甚至需要过程或者部分工厂停机。为了本地通信或者远程进行通信，具有无线通信能力的过程变送器不要求拆卸外罩以及相关流程。
有大量具有“有线”HART通信能力的已安装的过程变送器。在一些实例中，在没有购买和安装具有内建无线通信的新过程变送器的开销的情况下，向这些设备增加无线通信能力。优选地，该设备将现有具有HART能力的过程变送器接口连接到无线网络。该设备可以担当通信翻译器，经由HART与现有过程变送器进行通信，并且在无线网络上与无线主机进行通信。此外，优选地，不需要另一个电源用于该通信模块。该模块应当由于已经提供给过程变送器的同一个功率而工作，同时并不对可用于过程变送器的功率造成负面影响。该通信设备可以由于太阳能而工作，但是在很多安装中这是不现实的。该通信设备还可以脱离电池来工作。然而，当在过程工厂中使用电池时具有特殊的安全缺陷添加了他们的成本，并且还要求周期性地进行更换，使得电池是不受欢迎的。
由于可以将过程变送器分散在过程工厂中，对于用户来说，如果可以在无线网格网络上进行通信，这是很方便的。网格网络是其中每一个无线设备可以作为针对其它无线设备的路由器来工作的网络。这确保了网络中的每一个设备具有回到达主机的最可靠的通信路径。当初始化建立网络时以及不管何时新设备加入该网络，建立这些通信路径。在很多实例中，与双线过程控制回路耦合的过程控制变送器也能在无线网络上对信息进行通信是可取的。设备起到“网格网络”中的路由器的功能同样是可取的。此外，在很多实例中，优选地，设备使用来自过程控制回路的功率来工作而不是要求单独的电源。
图8A和8B示出了依照一个示例实施例的无线适配器300的两个示例配线配置。示出了无线适配器300与由DC电源304供电的过程控制回路302耦合。该回路被图示为包括负载电阻306并且也与过程变量变送器308耦合。在图8A和8B中，无线适配器300包括两个回路连接(Loop+和Loop-)，这两个回路连接与过程控制回路302串联。回路连接之一与电源304耦合，而另一个回路连接与过程变送器308的回路连接耦合。无线适配器300包括与过程变送器308的另一个回路连接耦合的第三连接(标记为HART)。在图8A所示的配置中，适配器300的Loop-连接与变送器308的加连接耦合，同时适配器300的HART连接与变送器308的减连接(标记为“Test+或-Power”)耦合。图8B的安排略有不同，其中适配器300的Loop+连接与变送器308的减连接耦合，而变送器300的Loop-连接与电源304耦合并且HART连接与变送器308的加连接耦合。适配器300还具有天线310。在图8A和8B的配置中，将适配器300配置为三端子设备，所有回路电流I流过该设备。单独的HART连接用于在双线过程控制回路302上提供数字通信。尽管图被标记为HART然而该适配器不限于依照于HART通信协议来工作，并可以使用包括Fieldbus协议在内的任何合适的协议。
使用从过程控制回路302接收到的功率对适配器300供电。回路302还用于向变送器308提供功率。在一个配置中，适配器300将其电压调节为小值(例如1.0伏)，使得适配器300对于过程控制回路302的影响最小。适配器300使用可从回路302上得到的电流来工作。例如，如果变送器308将回路电流设置为5mA的值，适配器300将在该5mA上工作。如果适配器上的电压差是1伏，则适配器300将使用总共5mW。在典型的过程变量变送器的情况中，基于测量到的过程变量，回路电流在4mA和20mA之间改变。因此，适配器300最小可用功率将是大约4mW并且最大可用值将是大约20mW。适配器300必须使用该功率来执行所有想要功能，包括在回路302上通信以及无线通信。在通信期间，典型的无线电设备可以需要最高3伏供电并在15mA和50mA之间进行抽取(具体细节取决于与无线网络有关的很多参数)。由于电流抽取并不是一直发生，因此适配器有可能存储功率直到需要支持无线通信为止。如上讨论的，可以使用超级电容器来存储功率。这是相对便宜并且具有相对长寿命的。对于短的时间周期来说，超级电容器可以提供高达1amp的电流并且因此可以用于向无线通信电路供电。
图9是示出了各种电路块的适配器300的简化框图。图中示出了超级电容器320，并且配置设备300以用于HART通信和无线通信。
如图9所示，适配器300包括微控制器340，微控制器340还包括存储器和用于通信的调制解调器。存储器用于存储编程指令、配置数据、变量等等。HART模拟电路342被配置以通过隔直流电容器346与过程变量变送器308耦合。提供无线模块344以使得适配器300能够使用RF通信技术进行通信。提供被配置为DC至DC转换器的串联调节器348。将电流分路电路350与调节器348并联，并且电流分路电路350包括由OP amp 354控制的旁路晶体管352。OP amp 354基于参考电压(Vref)和施加到调节器348的电压之差来工作。调节器348向低压差(LDO)调节器360提供2.3伏输出。低压差(LDO)调节器360向微处理器340、HART模拟电路342、复位电路382以及ADC 380提供调节后的2伏电源输出。
将通过旁路电阻352的电流用于对超级电容器320充电。使用电压钳370来设置超级电容器320两端的电压。例如，可以将电压钳设置为2.2伏。配置另一个DC至DC转换器372作为升压型转换器并且向低压差(LDO)调节器374提供调节后的3伏电压输出。将低压差(LDO)调节器374的输出设置为2.8伏并且用于向无线模块344提供调节的功率。
微处理器340与模数转换器380相连接，该模数转换器380用于监控超级电容器320的电压。微处理器340还与复位电路382相连接。微处理器340通过电平偏移电路384向无线模块344提供数据。
优选地，电路能够支持最大数量的无线通信活动，同时降低回路302中最小数量的电压。因此，优选地，配置适配器300来以非常有效率的方式使用来自回路302的功率。在一个特定配置中，可以通过使用低功率微控制器340(例如Texas Instruments的MSP430F1481)并且通过使用低功率电路组件来实现这一点。可以用低电源电压来对这些组件进行供电以最小化总的电路功耗。此外，当不需要特定功能时(例如通信功能)，可以根据需要配置微控制器340进入“睡眠”模式。在图9所示的配置中，不使用单独的调制解调器。代之以使用微控制器340来提供调制解调器功能。
优选地，还向无线模块344提供大量功率。这允许更频繁的通信并增加了可靠性。额外的功率可以用于发布来自传输器308的消息，允许将适配器300作为其他过程变送器的路由器来使用(例如在网格网络中)，并且允许使用更高的发送功率。由于从另一个无线设备通过适配器300到主机的路径比直接从该设备直接到主机更可靠，因此这可以导致更可靠的网格网络。
在图9所示的实施例中，由超级电容器320对无线模块344供电。因此，为了增加提供给无线模块344的功率，优选地增加超级电容器320所存储的功率。在图9的配置中，这是通过将超级电容器320与OP amp354和分路晶体管352一起布置为调节器348的分流元件来实现的，该调节器348调节与回路302耦合的端子两端的电压差。在图9中，将与过程控制回路302耦合的回路端子两端的电压调节为1伏。这是通过使用OPamp 354和分流电阻器352调整去往超级电容器的电流来实现的。在该配置中，调节器348与回路302串联工作并处于OPamp 354形成的反馈回路中。在效率较低的配置中，可以实现单独的1伏分流调节器和超级电容器充电电路。然而，这需要额外的组件和额外的功率来进行工作。相反，在图9所阐述的配置中，将任何适配器300的电路所不使用的电流导入到分流电容器320来增加效率。这导致最大数量的功率可用于无线模块344。电压钳370确定对电容器320充电的电压。一旦超级电容器320达到电压钳370所设置的电压，则过电流流过钳370而不是进入电容器320中。
将DC至DC转换器348配置为以1伏的输入电压来工作的低功率“升压型”开关调节器。调节器348将该1伏输入电压增加到足够高的电压以向剩余电路供电。在图9的示例中，这是2.3伏。该转换器可以是开关电容型的转换器、基于电感的升压转换器、基于变压器的转换器或者其它合适的配置。LDO调节器360将来自调节器348的2.3伏调节至2.0伏并且移除来自调节器348的任何开关噪音。将来自LDO调节器360的输出用来向微处理器340、HART模拟电路342、存储器、复位电路382以及模数转换器380供电。
HART模拟电路块342可以包括例如载波检测电路、接收电路和发送电路。优选地，配置这些电路以具有低功率需求同时维持可接受的通信完整性。微处理器340中的存储器可用于存储编程代码和临时变量。微处理器340内部的计时器可以用于提供“软件”调制解调器功能。微处理器340的存储器可以包括内置闪存存储器、RAM以及EEPROM或者其它非易失性存储器。可以配置微控制器340以使用模数转换器380监控超级电容器320的电压，该模数转换器380向微处理器340提供代表容性电压的数字输出。如果需要的话，可以使用微控制器340来确定该电容器是否具有充足的电压来支持无线传输。复位电路382可以用于确保微控制器340不在电压不足的时候工作。例如，可以配置复位电路382在来自LDO调节器360的供电电压到达足够的电压电平时复位或者打开微控制器340。当发生功率“小故障”时，该电路还可以用于复位微控制器340。
无线模块344在LDO调节器374提供的2.8伏的稳定电压上工作。如上讨论的，如果将超级电容器320充电至2.2伏，则DC至DC转换器调节器372将电压升至3伏。在使用期间，超级电容器上的电压将减少并且需要升压转换器。LDO调节器374用于向无线模块344提供稳定的2.8伏。优选地，配置调节器372以在最小电压大约1伏和最大电压大约2.2伏的范围内工作。在一些配置中，配置微控制器340以在超级电容器320上的电压小于1伏时关闭无线模块344的电路。
通过在无线模块344和微控制器340之间的数字通信线路上进行通信，可以配置微控制器340以使用无线模块344对信息进行无线传输。由于微控制器从2伏电源工作而无线设备从2.8电源工作，必须使用电平偏移电路384对两个组件之间的数字通信线路进行电平偏移。例如，可以使用非常低功率的电平翻译器电路(Texas Instruments的SN74LVC2T45DCU)来执行该点。
在一个配置中，可以配置微控制器340以调整与回路302耦合的回路端子两端的压降。例如，可以将来自微控制器340的可选控制线路341耦合到分流电路350的OP amp 354的反相输入。在该配置中，通过在合适的条件下增加回路压降，可使得额外的功率对无线设备是可用的。类似地，如果需要降低对适配器300的电路的过程控制回路的影响，则可以减少压降。然而，这将向无线模块和适配器300的其它电路提供更少的功率，并且可能使性能变差。
图10是示出了与无线适配器300耦合的过程控制传输器400的一个实施例的横截面图。变送器400包括如上所述的传感器64和测量电路66。测量电路66与现场设备电路68耦合。变送器400通过连接块406以及无线适配器300连接到双线过程控制回路302。此外，无线适配器300与传输器400的外壳耦合。在图10所示的示例中，该连接通过了NPT导管连接409。类似的导管连接409还用于与导管411耦合，导管411用于携带通过其中的双线过程控制回路302。无线适配器300的底座通过线408与变送器400的电气接地连接410耦合。变送器400包括与来自无线适配器300的连接412耦合的双线过程控制回路连接块402。如图10所示，无线适配器300可以以螺纹旋转方式容纳在导管连接409中。外壳420携带天线426以支撑无线适配器300的电路。此外，可以将RF透明端盖424可密封地耦合到外壳420并且允许RF信号的传输由此通过。应该提到的是，在图10所示的布置中，向RE适配器300提供了五个电气连接。这些电气连接包括在图8A或者8B中所示的四个回路连接以及电气接地连接。
上述配置提供一种适配器，该适配器使得与过程变量变送器的无线通信成为可能。可以配置电路以使用过程变量变送器已经可以得到的功率来工作。可以通过在回路分流调节器中放置作为分流单元的能量存储单元来获得增加的效率。可以提供“升压型”调节器作为分流调节器控制的反馈电路的一部分。该配置增加了效率，同时减少了所需组件的数量。
在此使用的术语“现场设备”可以是在过程控制器监控系统中使用的任何设备，并且不一定要求需要放在“现场”中。该设备可以位于过程控制系统中的任意位置处，包括控制室或者控制电路中。用于连接过程控制回路的端子指的是任何电气连接，并且可以不包括物理或者离散的端子。可以根据需要使用任何合适的射频通信电路以及任何合适的通信协议、频率或者通信技术。可以根据需要配置电源电路，并且电源电路不限于在此阐述的配置。在一些实施例中，现场设备包括可以包括在任何RF传输中的地址，以使得可以标识该设备。类似地，可以使用该地址来确定接收的信号是否是针对该具体的设备的。然而，在其它实施例中不使用地址，并且在没有任何寻址信息的情况下，简单地从无线通信电路传输数据。在该配置中，如果想要接收数据，任何接收到的输入都可能不包括寻址信息。在一些实施例中，这是可以接受的。在其它实施例中，可以使用其它的寻址技术或者标识技术，如，向特定设备分配特定频率或者通信协议、向特定设备分配特定时隙或者周期，或者其它的技术。可以使用任何合适的通信协议和/或联网技术，包括基于令牌的技术，在基于令牌的技术中，在设备之间传递令牌以允许针对具体设备的发送或者接收。
尽管已经通过优选实施例来描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。如本文所使用的，射频(RF)可以包括任何频率的电磁传输并且不限于特定的频率组、频率范围或者任何其它限制。可以按照需要使用任何通信协议，包括IEEE 802.11b、802.154、或者其他协议，包括专有的通信协议。在上面的讨论中，无线适配器提供用于与双线过程控制回路耦合的数字信号通信连接，并且在一些实施例中，依照于HART通信协议进行通信。在图8A和8B中将该连接示出为与过程变量变送器并联并且不携带实质性回路电流。将功率连接示出为与过程控制回路串联。如在此所使用的，旁路电路包括如图4和5所示的旁路配置、如图7和9所示的分流配置、或者其它电路。可以例如通过与变送器外壳中的NPT装置的螺纹耦合，配置该适配器在外部安装到过程控制变送器。

Claims (36)

1.一种适配器，与用来监控工业过程中的过程变量的类型的过程控制变送器耦合，所述适配器包括：
I/O电路，被配置为与双线过程控制回路以及与所述过程控制变送器耦合，并在所述双线过程控制回路上通信；
无线通信电路，与所述双线过程控制回路耦合，被配置为发送RF信号；
供电电路，与所述双线过程控制回路直接串联耦合，被配置为向所述无线通信电路提供功率；以及
旁路电路，与所述供电电路并联；
其中，所述供电电路和所述旁路电路被配置为与所述双线过程控制回路串联，
其中，所述旁路电路包括放大器、旁路晶体管和电容器，所述电容器被配置为存储来自所述双线过程控制回路的电荷，并由通过所述旁路晶体管的电流来充电，以及
其中，所述供电电路位于所述放大器形成的反馈回路中。
2.根据权利要求1所述的适配器，其中，所述I/O电路包括：用于在所述双线过程控制回路上进行数字通信的数字信号连接。
3.根据权利要求2所述的适配器，其中，所述数字通信遵循通信协议。
4.根据权利要求2所述的适配器，其中，所述数字信号连接与所述过程控制变送器并联耦合。
5.根据权利要求1所述的适配器，包括：被配置为与所述无线通信电路通信的电平偏移电路。
6.根据权利要求1所述的适配器，包括：多个电压调节器，被配置为使用从所述双线过程控制回路接收到的功率向所述适配器的电路供电。
7.根据权利要求1所述的适配器，其中，所述放大器还被配置为使在与所述双线过程控制回路耦合的所述适配器的回路连接上保持期望的电压电平。
8.根据权利要求7所述的适配器，其中，回路端子上的电压是可调的。
9.根据权利要求1所述的适配器，包括：被配置为对所述电容器的电压进行监控的电路。
10.根据权利要求1所述的适配器，包括：与所述电容器耦合的升压型转换器，被配置为提供比所述电容器上存储的电压更高的输出电压。
11.根据权利要求10所述的适配器，包括：与所述升压型调节器的输出耦合的线性电压调节器，所述线性电压调节器被配置为向所述RF通信电路提供功率。
12.根据权利要求1所述的适配器，包括：与所述适配器的回路端子耦合的升压型转换器，所述升压型转换器被配置为提供比回路端子上的电压更高的输出电压。
13.根据权利要求12所述的适配器，包括：与所述升压型调节器的输出耦合的线性电压调节器，所述线性电压调节器被配置为向所述适配器的电路提供功率。
14.根据权利要求5所述的适配器，包括：被配置为控制所述无线通信电路的操作的微控制器。
15.根据权利要求14所述的适配器，其中，所述电平偏移电路还被配置为将所述微控制器与所述无线通信电路耦合。
16.根据权利要求14所述的适配器，其中，所述微控制器控制所述I/O电路的操作。
17.根据权利要求16所述的适配器，其中，在对所述I/O电路的操作的控制中，所述微控制器充当调制器/解调器。
18.根据权利要求14所述的适配器，包括：被配置为将所述微控制器复位的复位电路。
19.根据权利要求1所述的适配器，包括：与所述电容器并联的电压钳，所述电压钳被配置为当所述电压钳和电容器上的电压大于电压钳电平时分流回路电流。
20.根据权利要求1所述的适配器，包括：被配置为安装在所述过程控制变送器上的外壳。
21.根据权利要求20所述的适配器，其中，所述外壳以螺纹旋转方式接到所述过程控制变送器的螺纹耦合中。
22.根据权利要求20所述的适配器，其中，所述外壳包括：RF透射区域，RF透射区域允许所述RF信号通过。
23.一种向现有的过程控制变送器提供无线通信能力的方法，所述现有的过程控制变送器是用于监控工业过程中的过程变量的类型的过程控制变送器，所述方法包括：
提供无线通信电路，所述无线通信电路与双线过程控制回路耦合，被配置为发送RF信号；
提供供电电路，所述供电电路与所述双线过程控制回路直接串联耦合，被配置为向所述无线通信电路提供功率；以及
提供与所述供电电路并联的旁路电路；
其中，所述供电电路和所述旁路电路与所述双线过程控制回路串联，
其中，所述旁路电路包括放大器、旁路晶体管和电容器，所述电容器存储来自所述双线过程控制回路的电荷，并由通过所述旁路晶体管的电流来充电，以及
其中，所述供电电路位于所述放大器形成的反馈回路中。
24.根据权利要求23所述的方法，包括：提供被配置为在所述双线过程控制回路上进行数字通信的数字信号连接。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述数字通信遵循通信协议。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述数字信号连接与所述过程控制变送器并联耦合。
27.根据权利要求23所述的方法，包括：对信号进行电平偏移以与无线通信电路通信。
28.根据权利要求23所述的方法，包括：提供多个电压调节器，所述多个电压调节器被配置为使用从所述双线过程控制回路接收到的功率向电路供电。
29.根据权利要求23所述的方法，其中，所述旁路电路在与所述双线过程控制回路耦合的回路连接上设置期望的电压电平。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，回路端子上的电压是可调的。
31.根据权利要求23所述的方法，包括：监控所述电容器的电压。
32.根据权利要求23所述的方法，包括：升压，产生比所述电容器上所存储的电压更高的输出电压。
33.根据权利要求23所述的方法，包括：产生比回路端子上的电压更高的输出电压。
34.根据权利要求23所述的方法，包括：在对I/O电路的操作的控制中提供充当调制器/解调器的微控制器。
35.根据权利要求23所述的方法，包括：提供与所述电容器并联的电压钳，所述电压钳被配置为当所述电压钳和电容器上的电压大于电压钳电平时分流回路电流。
36.根据权利要求23所述的方法，包括：将适配器与所述过程控制变送器的外壳耦合。
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