CN101960399A

CN101960399A - 可变提升电压过程现场设备

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Publication number: CN101960399A
Application number: CN2009801078513A
Authority: CN
Inventors: 约翰·P·舒尔特
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: EP2255259B1; JP5250642B2; RU2444773C1; WO2009114064A1; CN101960399B; US7970063B2; US20090224730A1; EP2255259A1; JP2011513877A

Abstract

一种现场发射机(250)包括被配置为测量或控制过程变量的现场设备电路(216)。第一过程控制回路端子(202)被配置为耦合至二线过程控制回路(206)，所述二线过程控制回路承载回路电流I_LOOP。第二过程控制回路端子(204)被配置为耦合至二线过程控制回路(206)。开关调节器(212)具有输入和输出。输出耦合至发射机电路(216)并且被布置为向发射机电路(216)提供功率。可变电压源(232)具有与第一过程控制回路端子(202)电耦合的输入以及与开关调节器(212)的输入和控制输入耦合的电压输出。电压输出是控制输入的函数。

Description

可变提升电压过程现场设备

技术领域

本发明涉及现场设备。更具体地，本发明涉及由二线过程控制回路来供电的现场设备。

技术领域

在工业过程控制系统中，过程设备用于监测和/或控制工业过程。控制设备是用于控制过程的过程设备。示例控制设备包括泵、阀、致动器、螺线管、发动机、混合器、搅拌器、轧碎机、破碎机、滚筒、研磨机、球磨机、揉制机、过滤器、掺合器、旋流器、离心机、塔、干燥器、传送器、分离器、升降机、提升机、加热器、冷却器、以及其他这样的设备。发射机是用于例如通过检测诸如温度、压力、流量等过程变量来感测(或监测)过程操作的过程设备。发送所监测的过程变量，使得该过程变量可由处理中的其他设备(例如，中央控制室)使用。

二线过程现场设备是位于远程位置或者需要完全通过与二线过程控制回路的连接而接收到的电功率的过程设备。二线过程控制回路是指使用两条布线并且用于承载与所监测或控制的过程有关的信息的布线系统。例如，一种标准类型的二线过程控制回路使用4-20mA电流水平来表示过程变量。在这样的配置中，发射机可以将电流水平控制为例如10mA的值，该值表示所感侧的诸如压力之类的过程变量。

为了减小耦合至过程设备所需的布线量，许多过程设备完全以从二线过程控制回路接收到的功率来供电。因此，可用于过程设备的功率的总量有限。例如，在4-20mA电流回路中，总可用功率受到电流水平可被设置在的最低水平(例如，3.6mA)和在本身的安全位置处设备两端可用的最大电压降(例如，小于24伏)的限制。

在许多情况下，过程设备的功能受到可以来自二线过程控制回路的功率量的限制。例如，附加功能可以需要微处理器具有附加的计算能力。这种增大的计算量需要更大的电功率并且可能超过回路的功率预算。为了提高可用于过程现场设备中的电路的功率量，现场设备典型地使用高度有效的电源将从二线过程控制回路接收到的功率转换成调节电压电平以供内部电路使用。一种类型的电源(如开关调节器)已经用在过程设备中，因为开关调节器在向现场设备中的组件提供调节电源电压方面高效。例如，在1996年7月9日提出的题为POWER SUPPLY FOR FIELD MOUNTED TRANSMITTER的编号为5,535,243的美国专利以及在1999年10月26日提出的题为START UP CIRCUIT FOR DC POWERED FIELD INSTRUMENT的编号为5,973,942的美国专利中，描述了开关调节器的使用。然而，开关调节器可能向过程控制回路中引入噪声，这可能会改变回路上信息的传输或对回路上信息的传输造成不利影响。

发明内容

一种现场发射机包括被配置为测量或控制过程变量的现场设备电路。第一过程控制回路端子被配置为耦合至二线过程控制回路，所述二线过程控制回路承载回路电流。第二过程控制回路端子被配置为耦合至二线过程控制回路。开关调节器具有输入和输出。输出耦合至发射机电路并且被布置为向发射机电路提供功率。可变电压源具有与第一过程控制回路端子电耦合的输入以及与开关调节器的输入和控制输入耦合的电压输出，其中电压输出是控制输入的函数。

附图说明

图1示出了包括与二线过程控制回路相连的过程设备在内的过程控制或监测系统的简化图。

图2是包括用于向设备供电的电源在内的现场设备中的电路的简化框图。

图3是示出了典型发射机的负载极限的欧姆对电压的负载图。

图4是根据本发明具有可变提升电压的现场设备的最大负载电阻对电源电压的图。

图5是包括开关调节器在内的现有现场设备的框图。

图6是包括开关调节器和线性调节器在内的框图。

图7是根据本发明的包括具有可变输入电压的开关调节器在内的现场设备的框图。

具体实施方式

图1是工业过程控制或监测系统100的简化图，其中，一种类型的二线过程现场设备(过程发射机102)耦合至工业过程，具体地耦合至过程管道104。发射机102还耦合至二线过程控制回路110，所述过程控制回路110连接至控制室112。过程控制回路110被示为承载电流I并且可以根据包括诸如

通信标准、Fieldbus或Profibus标准等工业标准在内的任何技术来操作。尽管描述了过程发射机102，然而可以在需要高效功率转换的任何类型的过程设备中实现本发明。控制室112可以包括供操作者或其他服务人员使用的远程位置，或者可以包括沿着过程控制回路110的任何末端或位置或其他位置。

图2是图1所示发射机102的简化框图。发射机102包括用于耦合至过程的换能器120。例如，换能器120可以是诸如压力传感器、温度传感器或其他用于感测过程变量的传感器。在能够控制过程的现场设备中，换能器可以包括例如阀、加热元件等。现场设备电路122耦合至换能器120，用于例如校准或补偿过程变量测量、计算过程变量、执行诊断或可以在现场设备中执行的任何其他功能。通常，现场设备电路122中的附加功能将提高电路122的功率需求。示出了耦合至现场设备电路122以及二线过程控制回路110的电源和I/O电路124。电路124用于通过二线过程控制回路110来通信，例如通过回路110向图1所示的控制室112发送所测量或计算的过程变量。电路124还提供功率输出，以便提供发射机102内的电路所需的所有电功率。

如在背景部分中讨论的，完全以从过程控制回路接收到的功率来供电的过程现场设备可能需要非常高效的电压调节器，以便满足其功率需求。这可能意味着开关调节器用于为现场设备供电。开关调节器的一个缺点是，开关调节器需要相对大的电容器以便在不向系统中引入噪声的情况下操作。这具体在不能使用大电容值的环境下可能是成问题的。例如，为了满足本身的安全需求，现场设备可以存储的能量是有限的。这使得很难满足以下需求：向二线通信链路中引入有限的噪声，从二线通信回路中提取低功率，并且维持本身的安全需求所需的低电容。

典型的4-20mA现场设备具有固定的提升电压和浪费功率。如这里所使用的，“提升值”是为了确保合适的设备操作而在设备端需要的最小DC电压。例如，在高回路电流水平(例如，20mA)下，分路调节器在其输出晶体管中浪费的功率。已提出多种技术来尝试捕获这种一般被浪费的功率。

另一方面，在具有负载电阻器的典型回路中，在低回路电流值(例如，4mA)下，发射机端电压将在发射机指定提升电压以上。这意味着在调节器中浪费了用于为发射机电子装置供电的功率。本发明涉及使用这种一般被浪费的功率。更具体地，关于本发明，提高低回路电流下的提升电压，使用额外功率并使该额外功率可用于发射机电子装置。此外，在高回路电流下，降低指定的提升电压，从而使静态电流增大到4mA以上但仍然保持低于所需的回路电流值。因此，操作设备所需的端电压与回路电流有关。在低回路电流(4mA)下需要较高的端电压，在较高电流值(20mA)下需要较低的端电压。

本发明允许在具有回路电源和负载电阻器的过程变量发射机或其他现场设备中对功率的高效使用。现场设备的典型产品数据表包括负载极限图，以指导操作者为具体应用选择电源和负载电阻器。图3是典型发射机的负载电阻对电源电压的图。该图示出了给定回路电源的负载的最大电阻。这里，负载是包括负载电阻和来自回路布线和本身安全限制的其他电阻在内的总回路电阻。在图3的图中，提升电压是10.5伏。这是为了使发射机工作而在发射机端子处需要的最小电压。

图4是根据本发明的现场设备的负载电阻对电源电压的图。在图4中，(从图3中复制的)虚线示出了标准现场设备的标准场图的关系，实线示出了根据本发明一个示例的现场设备的最大负载电阻与电源电压之间的关系。在这种配置下，已提高了功率预算。这种配置向现场设备提供了15伏提升电压，然而存在大约10.5伏的“有效”提升电压。对于大于15.8的回路电源电压，图4所示的本发明的现场设备的负载极限与标准现场设备相同。(注意，数字

通信需要250欧姆的最小负载电阻，使得典型地采用大于15.8伏的电源)。工业标准回路电源电压典型地为24到40伏。因此，在典型配置下，用户不会受到新现场设备配置的影响，并且可以以标准方式简单安装和操作现场设备。还可以使用任何合适的技术来实现本发明。在一个示例中，使用变量预调节器体系架构，所述变量预调节器体系架构向开关调节器提供可变输入电压。这种配置隔离电路以阻止来自开关调节器的高回路电压，并且阻止来自开关调节器的噪声进入过程控制回路。

以下是对本发明操作的更详细说明。如上所述，过程设备针对适当的操作需要在该过程设备两端具有足够的电压，该电压通常称作“提升电压”。典型的“提升电压”的示例是恒定的，如，12伏。只要设备在其端子上具有至少12伏，设备就能实现适当的操作。用于操作过程控制回路的电源必须被选择为足够大以至于能够在所有操作条件下在设备端子上提供期望的电压降。此外，包含在过程控制回路中的负载电阻还在回路中引入电压降。负载电阻典型地至少是250欧姆，需要该负载电阻来支持电流测量和数字

通信。其他电压降包括通过布线和任何本身安全限制的电压降。因此，支持具有12伏提升电压的设备所需的典型电源具有24伏的输出。

通常希望过程设备具有较低的提升电压，因为这减小了对可以用于为回路供电的电源的任何限制。然而，具有较低提升电压的设备通常使较少的功率可用于内部电路。

当回路电流最大时出现可用于过程设备的最小电压。这在回路的负载电阻器以及其他电阻源两端产生最大电压降，并且在设备端子处产生最小电压。例如，在具有24伏电源电压和500欧姆负载电阻的过程控制回路中，当回路承载40mA时，负载电阻器具有2伏电压降。(注意，在该示例中，忽略其他串联电阻值，如来自布线和本身安全限制的其他串联电阻值)。这在设备端子两端给出22伏电压降，从而给出0.088瓦特的可用功率。相反，当回路工作在20mA下时，在负载电阻器两端有10伏的电压降，从而仅14伏电压在设备端子处可用。类似地，在20mA下，设备功耗由以下给出：20mA×14伏＝0.28瓦特。如果设备电路仅使用0.015瓦特，则其余功率通过分路调节器电路而浪费并且被简单地转换成热。这种情况发生在从4mA到20mA的所有电流水平下。

相反，关于本发明，当回路电流大于4mA时，这种被浪费的功率用于降低提升电压。这允许设备所使用的静态电流增大。更具体地，使得设备的提升电压可用，以便恢复一些被浪费的功率。这提供了以下示例所例证的多个优点。

示例1：

示例1例证了所需的对电源和负载电阻的限制减小。在该示例设备中，具有12伏提升电压需求的典型发射机与500欧姆的负载电阻一起使用。最小电源是：

V_ps(min)＝12V+20mA×500Ω＝22V 等式1

然而，如果实现根据本发明的具有可变提升电压的现场设备，则可以使用更小的电源。例如，提升电压可以由以下等式给出：

V_liftoff＝13.5V-I_loop×0.375 等式2

(这仅仅是本发明中的一个示例关系，并不限于这样的配置)根据等式2，当回路工作在4mA时，提升电压是12伏，使得所需的最大电源是12伏+4mA×500欧姆＝14伏。类似地，在12mA的回路电流下，提升电压是9伏，使得所需的最大电源是9伏+12mA×500欧姆＝15伏。在回路上的20mA最大电流值的情况下，提升电压是6伏，使得所需的最小电源是6伏+20mA×500欧姆＝16伏。因此，与典型过程设备所需的22伏电源电压不同，在这种情况下可以使用16伏电源为回路供电。可以例证类似的分析以表明如果使用24伏电源，则具有12伏提升电压的典型设备可以以不大于600欧姆的最大负载电阻来工作。然而，通过使用本发明的可变提升电压设备，可以与不大于900欧姆的负载电阻相结合使用24伏电源。

因此，典型的设备(等式1)，设备功率受以下等式的限制：(最小回路电流)*(提升电压)＝3.6mA*12V＝43.2mW。

对于根据本发明的设备，(等式2)，通过考虑以下所有回路电流来限制设备功率：

·在3.6mA下，提升电压是12.15V，可用功率是(3.6mA)*(12.15V)＝43.7mW(对于等式2中所选的参数没有多大增加)

·在4mA下，提升电压是12V，可用功率是(4mA)*(12V)＝48mW

·在20mA下，提升电压是6V，可用功率是(20mA)*(6V)＝120mW

这表明极限情况是在最小回路电流，其中43.7mV可用于为电路供电。

注意，这两个设备为电路提供几乎等量的功率；43mW。

示例2：

在该示例中，通过在低回路电流下将提升电压提高到传统水平以上并且在高回路电流下降低提升电压，来提高功率预算。在该示例中，假定现场设备在4mA回路电流下具有16伏提升电压，在20mA回路电流下具有12伏提升电压。这得到等式3：

V_liftoff＝17V-I_loop×0.25 等式3

在4mA回路电流和设备端子两端16伏电压的情况下，设备的可用功率是4mA×16V＝64mW。如果假定负载电阻是250欧姆，则典型的现场设备将需要12+.02*250＝17V的电源电压。具有可变提升电压的设备具有16+.004*250＝17V的电源电压，与典型设备相同。因此，利用这种负载电阻器和17V电源，新设备可以以64mW为设备供电，相比之下典型设备仅以48mW供电。对于大于250欧姆的负载电阻器可以实现同样的优点，但是对于小于250欧姆的电阻器不可以。这类似于图4所示的设备(但不与图4所示的设备相同)。相反，具有12伏提升电压的传统设备仅具有40mA×12V＝48mW的可用功率。

图5是现有技术现场设备的简化框图，所述现有现场设备使用开关调节器，所述开关调节器提供可变提升电压。在图5中，现场设备200包括与二线过程控制回路206耦合的第一端子和第二端子202和204。二线过程控制回路206包括回路电阻器208和电源210，承载回路电流I_L。现场设备200包括开关调节器212、分路调节器214和设备电子装置216。在该示例中，为了简单起见认为开关调节器212具有100％效率。开关调节器212高效地从回路获取功率以操作设备电子装置216。示例电子装置包括微处理器、模数转换器、通信电路、传感器电路等。分路调节器214将没有用于为现场设备200供电的电流分路回到回路206。因此，分路电流I_shunt将等于回路电流I_L减去用于为设备供电的静态电流I_Q。

所有静态电流都经过开关调节器212。然而，由于这仅提供设备所需的功率，从回路获取的电流将如下随着输入电压的提高而减小：

I_{Q} \times V_{IN} = I_{circuit} \times V_{circuit} &cong; 15 mW

等式4

其中，V_IN是至调节器的输入电压，V_circuit是提供给电子装置216的电压，I_circuit是通过电子装置216的电流。这产生：

I_{Q} = \frac{P_{circuit}}{V_{IN}}

等式5

图5的电路提供了随输入电压增大而减小的静态电流。这提供了可变提升电压，所述可变提升电压允许设备在高输入电压下以低静态单流工作(I_SET为4mA)，在低输入电压下以高静态电流工作(I_SET为20mA)。然而，与这种配置相关的一个问题是端电压可能相对较大，例如，大于40伏。典型的开关调节器不能工作在这种高电压下，这使得电路的设计变得复杂。另一个问题是开关调节器直接耦合至过程控制回路206，由于不均匀的电流消耗能够向回路中引入过量的电压噪声。这种噪声可能干扰数字通信或导致回路电流测量的误差。

图6示出了这些问题的一个示例解决方案。在图6中，与图5所示元件相类似的元件编号不变。在图6所示的配置中，现场设备230包括混合电源电路，所述混合电源电路包括线性调节器232。线性调节器用于向开关调节器212提供固定的例如10伏的预置调节电压V_PRE。这种配置允许开关调节器212的使用仅需要接受低输入电压(例如，10伏)，而不需要处理高输入电压(例如，40-50伏)。这种调节器需要较少的组件并且较不复杂。此外，这种配置将回路端子202和204与跟开关调节器212相关联的噪声隔离。然而，在这种配置下，静态电流I_Q是固定的并且与端电压无关。

图7示出了根据本发明一个示例实施例的现场设备250，所述现场设备250提供可变提升电压。为了简单起见，图7中与图5和6所示元件相类似的元件编号不变。在图7所示配置中，提供至开关调节器212的电压(V_PRE)是可变的并且可以被改变。更具体地，线性调节器232具有控制输入，所述控制输入接收来自设备电子装置216的控制信号。在该示例中，V_PRE作为设备电子装置所提供的控制信号I_SET的函数而变化。I_SET被分路调节器用来根据I_shunt控制I_LOOP。

例如，当I_SET将回路电流设置为4mA时，V_PRE可以被配置为10伏。当I_SET将回路电流设置为20mA时，V_PRE可以下降到5伏。在这种情况下，如果设备电子装置216需要15mW的功率，则4mA回路电流下的静态电流将是1.5mA(15mW/10伏)。类似地，当I_SET将回路电流设置为20mA时静态电流将是3mA(15mW/5伏)。然而，如果设备电子装置216需要30mW而不是15mW，则静态电流在4mA回路电流下加倍到3mA，在20mA回路电流下加倍到6mA。

图7的设备在4mA回路电流下将具有12伏提升电压，在20mA回路电流下将具有7伏提升电压。因此，设备250可以以24伏的系统电源和高达850欧姆的负载电阻208工作。可用于设备的附加功率可以被存储以供将来使用，或被用来向诸如附加计算、诊断等加强的活动供电。在一种配置下，提供了附加的无线通信电路，并使用这些技术为所述附加的无线通信电路供电。

这里所阐述的配置减小了对回路电源和负载电阻的限制。此外，这种配置为现场设备中的电路提供了附加的功率。

尽管参考优选实施例描述了本发明，然而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前提下，可以进行形式和细节上的改变。

提供至开关调节器的电压与回路电流之间的关系可以是包括线性和非线性关系在内的任何期望的关系。设备电子装置被示为线性调节器的调节器输出控制器(经由I_SET)。然而，也可以使用分离的调节器输出控制器。

Claims

1.一种现场设备，包括：

现场设备电路，被配置为测量或控制过程变量；

第一过程控制回路端子，被配置为耦合至二线过程控制回路，所述二线过程控制回路承载回路电流；

第二过程控制回路端子，被配置为耦合至二线过程控制回路；

开关调节器，具有输入和输出，输出耦合至现场设备电路并且被布置为向现场设备电路提供功率；以及

可变电压源，具有与第一过程控制回路端子电耦合的输入，以及与开关调节器的输入和控制输入耦合的电压输出，其中电压输出是控制输入的函数。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，来自可变电压源的电压输出与回路电流具有非线性关系。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，来自可变电压源的电压输出与回路电流具有线性关系。

4.根据权利要求1所述的设备，包括：分路调节器，被配置为将电流分路到二线过程控制回路。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，可变电压源包括电压调节器。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，可变电压源输入耦合至现场设备电路。

7.根据权利要求6所述的设备，包括：分路电流调节器，被配置为将超过现场设备所需的静态电流的电流进行分路，其中，分路电流调节器响应于现场设备电路。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，现场设备包括发射机。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，回路电流与过程变量有关。

10.一种为过程现场设备供电的方法，包括：

将现场设备的第一过程控制回路端子和第二过程控制回路端子耦合至二线过程控制回路，二线过程控制回路承载回路电流；

在开关调节器处接收输入电压；

根据输入电压从开关调节器的输出向现场设备提供功率；以及

控制至开关调节器的输入电压。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，至开关调节器的电压输入与回路电流具有非线性关系。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，至开关调节器的电压输入与回路电流具有线性关系。

13.根据权利要求10所述的方法，包括将电流分路到二线过程控制回路。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，控制至开关调节器的输入电压包括控制电压调节器。

15.根据权利要求10所述的方法，包括基于过程变量来控制回路电流。