具有功率岛区的本征安全现场维护仪器

摘要

本发明提供一种用于连接至二线制过程控制回路的手持配置装置，用于配置和监测连接至二线制过程控制回路的现场单元，该配置装置包括：电源以及至少两个功率岛区。所述功率岛区配置成可使一个功率岛区中的电子部件与另一功率岛区中的电子部件电绝缘。独立电能连线设置在每一功率岛区和电源之间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有功率岛区的本征安全现场维护仪器。

背景技术

本征安全(intrinsically safe)现场维护仪器是公知的。这种仪器在过程控制和测量工业中非常有用，可使操作人员很方便地与给定过程装置中的现场设备进行通信和/或询问。这种过程装置的实例包括石油、制药、化学、纸浆以及其它过程装置。在这种过程装置中，过程控制和测量网络可能包括几十甚至几百种需要周期性的维护的各种现场设备，以确保这种设备正确地发挥功能和/或校准。而且，当检测到过程控制和测量装置中存在一个或多个错误时，使用本征安全手持现场维护仪器可使技术人员快速地诊断现场的这种故障。

从Fisher-Rosemount System，Inc.Of Eden Prairie，Minnesota购买到商标名称为Model 275 HART的这种设备。HART为HART通信基金会的注册商标。Model 275提供重要功能和性能的主机，并通常能够进行高效的现场维护。但是，Model 275目前并不支持与非HART(高通导可寻址远程变送器)设备的通信。

HART协议具有由叠加在4-20mA的标准模拟信号上的数字通信信号组成的混合物理层。数据传输率大约为1.2K字节/秒。HART通信是过程工业中的主要通信协议中的一种。

公知的另一种主要过程工业通信协议是FOUDATION现场总线通信协议。这种协议的基础是ISA标准(ISA-S50.01-1992，1992年由美国仪器协会分布)。由Fieldbus Foundation(FF)具体实施。FOUDATION现场总线是一种全数字通信协议，其通信速率大约为31.25K字节/秒。

发明内容

本发明提供一种用于连接至二线制过程控制回路的手持配置装置(configurator)，用于配置和监测连接至二线制过程控制回路的现场单元。该配置装置包括：电源；回路连接电路，所述回路连接电路配置成可连接至二线制过程控制回路；至少两个功率岛区，所述功率岛区配置成可使一个功率岛区中的电子部件与另一功率岛区中的电子部件电绝缘。在每一功率岛区和电源之间设置独立的电能连线。串联电阻电连接至两个功率岛区，以限制在这两个功率岛区之间的传输。

附图说明

图1图示出多支路连线的配置。

图2A和2B图示出其本征安全现场维护仪器可连接至过程设备的两种方式。

图3是根据本发明的实施例所述现场维护仪器的示意简图。

图4是仪器的更详细的方框图。

具体实施方式

采用至少两种工业标准设备描述操作根据本发明的实施例所述的改进本征安全(intrinsically safe)现场维护仪器。该仪器包括至少两个功率岛区，所述功率岛区以电绝缘的方式满足本征安全条件。在一具体实施例中，改进的本征安全现场维护仪器执行HART和现场总线(fieldbus)设备描述语言(DDL)。改进的现场维护仪器用于维护使用这些协议的二线制和四线制(即外部电源)现场设备。优选地，使用DDL技术既支持配置也支持校准。DDL技术是公知的，而且可从Jr.等人共同发明的美国专利US5960214中得到有关设备描述语言的辅助解释。

该改进的本征安全现场维护仪器还有利于方便显示来自于个别现场设备(即状态位)的诊断信息，并提供改进的协议具体化网络故障检修特征。在阅读了下面的说明书之后，将会理解根据本发明的实施例所述改进的本征安全现场维护仪器的进一步细节和优点。

图1图示出其内使用本发明的实施例的实例性系统。系统10包括控制器12、I/O和控制子系统14、本征安全性(IS)隔栅16、过程通信回路18和现场设备20。控制器12通过链接线21连接到I/O和控制子系统14，该链接线可以是按照Ethernet信号协议或者任何其它适当协议操作的任何链接，例如局域网(LAN)。I/O和控制子系统14连接到本征安全性隔栅16，该隔栅又随之连接到过程通信回路18，从而允许以可在其间限制能量通过的方式在回路18以及I/O和控制子系统14之间进行数据通信。

在此图示中，过程通信或过程控制回路18为FOUDATION现场总线过程通信回路，而且连接到现场设备20，所示出的被连接的设备20配置成多支路结构。一种可选择的过程通信回路(未示出)为HART过程通信回路。图1示出了多支路配线结构，相对于诸如星形拓扑之类的其它拓扑结构，这种配线结构极大地简化了系统的配线。多支路HART结构最多支持15台设备，而多支路FOUDATION现场总线结构最多支持32台设备。

如图1所示，本征安全现场维护仪器22连接至回路18。当连接至如图所示的过程控制回路时，仪器22可执行大量的通信和诊断功能。仪器22可连接至HART过程通信回路并与其相互作用，其方式与目前Model275 HART通信装置非常相同。

图2A图示出通过端子24连接至HART兼容设备20的仪器22。可供选择地，仪器22可如图2b所示通过其本身的回路在过程仪器通信回路上与诸如设备24之类的HART兼容设备进行通信。

图3是根据本发明的实施例所述的现场维护仪器22的简易示意图。如图所示，仪器22优选包括三个通信端子26、28和30，这些端子便于根据至少两种工业过程标准协议将仪器22连接至通信回路和/或设备。例如，当仪器22连接至第一工业过程标准协议的回路时，就使用端子26和共用端子28实现这种连接。于是，随后通过媒介入口单元32实现该操作，该媒介入口单元32被构造成可根据第一工业标准协议与过程通信回路相互作用。此外，当仪器22将被连接至按照第二工业标准协议进行操作的过程和控制测量回路时，通过共用端子28和端子30实现这种连接。这样，通过被构造成按照第二工业标准回路与过程通信回路信号作用的第二媒介存取单元34实现这种通信。媒介存取单元32和34都连接至从其中一个媒介存储单元接收数据并相应地解释该数据的处理器36。

处理器36也连接至键盘38和显示模块40。键盘模块38连接至仪器22的外壳上的键区，以接收来自于用户的各种键输入。显示模块40连接至显示器，以提供处理数据和/或用户接口。

根据本发明的各种实施例，仪器22包括辅助硬件增强，这种增强相对于现有技术一般具有的功能，便利增加的功能。在一种实施例中，仪器22包括红外数据存取口42，以利用红外无线通信向分立设备传递信息并从分立设备传递信息。使用端口42的优点是为了传递和/或更新存储在设备22的一个或多个存储器中的设备描述。设备描述(DD)是用于说明呈计算机可读格式的现场设备中的参数的软件技术。该设备描述包含在处理器36上执行的软件应用所需的所有信息以检索和使用参数数据。诸如计算机之类的独立设备可从软盘、CDROM或者因特网获得新设备描述，并将新设备描述无线地传递到仪器22。

可拆除存储模块44通过端口/接口46可拆除地连接至处理器36。可拆除存储器模块44适于存储代替处理器36上的初始应用程序而被执行的软件应用程序。例如，模块44可包括使用HART或FOUDATION现场总线通信端口的应用程序，以对给定的过程阀门提供综合诊断。另外，模块44可存储有助于具体设备的校准或配置的软件应用程序。模块44还可存储用于新的或更新的初始设备应用程序的软件图像，这些初始应用程序可随后被传递到设备36的非易失存储器，以便能够执行更新的应用程序。进一步地，模块44提供用于多个设备的配置的拆除存储器的存储，以使现场维护人员获得相对丰富的设备数据量，并便于利用简单的可拆除模块44存储或传递这种数据。

优选地，模块44适于在过程处理工厂的危险区域被替代。这样，优选模块44遵从在1988年10月由Factory Mutual Research颁布的APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATURS ANDASSOCIATED APPRATURS FOR USE IN CLASS I，II AND III，DIVISION 1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATION，CLASSNUMBER 3610中规定的本征安全性条件。也要考虑适于符合诸如加拿大标准委员会(CSA)和欧洲CENELEC标准等其它工业标准。对于存储器模块44和/或接口46，适于很容易符合这些条件的具体结构的实例包括能量限制电路，以使存储模块44的操作电压电位足够低，这样存储在模块44中的能量就不能产生点火源。此外，模块44可包括限流电路，以确保在模块44上的特定端子短路的情况下，放电能量足够低，这样就可防止点火。这些特征的具体实施方式图示在图4所示的连接方式中。接口44可包括下列物理特征，即这些物理特征特别设计成可在使合适的接口触点与模块44电接触的同时，防止存储模块44上的电触点暴露到外部环境。例如，模块44可包括多余模型(over-modeling)，该多余模型可通过把模块44连接至接口46而可被穿过，或者相反，通过把模块44连接至接口46而被替代。

仪器22也优选包括扩展存储模块48，该模块48通过优选设置在仪器22的主电路板上的连接器而连接至处理器36。扩展存储模块48可包含第一和第二工业标准协议的设备描述。模块48还可包含许可代码，所述代码将相对于多个协议确定仪器22的功能。例如，存留在模块48内的数据可表示仅授权仪器22在单个工业过程标准模式，例如HART协议内操作。最后，模块48内那些数据的不同设定值可表示授权仪器22按照两种或多种工业标准协议进行操作。模块48优选插入主板上的连接器50，并可在实际中要求仪器22的局部分解，例如把电池组移动到存取端口50。

图4是仪器22更详细的方框图。仪器22一般包括电源电路100和功率岛区102、104和106。图3所示的键区38可分成触摸键38A和图4所示的键盘38B。充电器38/适配器110连接至电源电路100，作为电池组112。

电源电路100利用从充电器/适配器110或者电池组112接收的电能向功率岛区102、104和106提供电能。电池组112包括通过保险丝122连接至电源电路100的电池120。电源电路100包括充电器接口电路130、绝缘器132、电源电路134和调压器136。功率岛区102包括键盘和电池管理电路140。功率岛区104包括处理器136。功率岛区106包括回路I/O电路150，该电路150实现图3所示的MAU32和MAU34。红外接口42也设置在功率岛区106中。

在本发明中，利用无源和有源技术隔离电源100和功率岛区102、104和106。电源100接收来自于充电器/适配器110或者电池组112的电能。当使用充电器/适配器110时，电源100对电池120或者电池组112进行充电。电源100由键盘/电池管理电路140进行控制，并通过包括多个电阻160和齐纳二极管162的绝缘器132与电路140进行绝缘。电阻160作为无源限流器，而且二极管162作为无源限压器。来自于电池组112的电能通过调压器136和电阻164被提供到功率岛区102。齐纳二极管166将电能连线接地。来自于电源134的连线172提供电能on/off连接。有源限流器174和176将电源134分别连接至功率岛区104和106。SCR 178限制提供到限流器174和176的电压。电接地连线180也设置在电压电路100和功率岛区102、104和106之间。电能on/off连线190有选择地闭合开关192，从而把电能提供到功率岛区106。

键盘/电池管理电路140连接至触摸软垫屏38a和键盘38B，并构造成可接收用户的输入，该输入通过电阻202经连线200被提供到处理器36。电路140还分别通过电阻208和210连接至电能连线204和206。这些连线使电路140检测将被分别提供到功率岛区104和106的功率。齐纳二极管214和215限制出现在功率岛区之间的电压。

功率岛区104包括处理器36，该处理器通过电阻230连接至红外接口42，并通过电阻232连接至回路I/O电路150。处理器36还通过功率岛区106、显示设备240和242、以及电阻244和246连接至显示器40。

功率岛区106的回路I/O电路150通过电阻252和254接收来自于调压器250的电能。齐纳二极管256限制提供到电路150的电压。

为满足本征安全性条件，重要的是限制故障状态下小部件的表面温度。限制部件的表面温度将防止周围的材料点燃。例如，如果部件的总表面积为20mm²，则由部件的能量耗散必须限定至1.3瓦。对于其总能耗更高的系统来说，有必要分割独立功率岛区之间的功率。使用这种功率岛区技术，有可能超出1.3瓦的限制。

在本发明中，功率岛区102、104和106通过连接至独立电源的独立电能连线、或者通过隔栅提供电能。由电压和电流隔栅限制用于每一功率岛区的电源，以确保最大允许功率输出(power draw)不会超出。所有无源隔栅都使用诸如电阻限流器和齐纳二极管限压器，还有有源限制器。例如，如果电压超出预定的限制，SCR178将闭合(短路)。类似地，如果电流输出超出预定的限制，限流器174和176就触发SCR178。在每种情况下，如果电压或电流超出限制，SCR178都将被触发，并将电源输出短路。

为避免在各个岛区102、104和106之间有电能传输，在岛区之间提供足够的物理空间。由岛区上的电压限定该距离，压差和特定本征安全性标准相符。还从岛区提供接地线路，以使所有岛区都连接至同一地线。接地线路必须足够承载最大的可能电流。如果把接地线路制作成电路板上的迹线(trace)，则该迹线的宽度必须足够承载所需的电流。可供选择地，可设置多层迹线。

在每一功率岛区102、104和106内，如果所需的电压大于由电源提供的电压，则可使用直流到直流的转换器产生增大的电压。例如，调压器250可增大从电源提供的电压电位。利用用于限制所提供的最大电压的电压隔栅限制转换器的输出。出现在特定岛区中的最大可能电压值与相邻岛区的电压一起限制岛区之间的所需空间。

在岛区102、104和106之间提供各种信号通路，以使信号在它们之间流过。电阻设置在信号通路中，以限制能量的传输。对于各种信号通路，必须建立如下规则：

如果特定岛区的内阻具有与设置在信号通道中的串联电阻相同的阻值，则通过信号通道从一个岛区传输到另一岛区的最大功率最大。这就产生了用于最大功率的公式：P_MAX＝(I²/R)/4，其中I为电流值，R为串联电阻值。

必须针对每一岛区计算出最大功率，并且在穿过每一信号通道的每一方向上进行计算，以使最大功率通过所有信号通道传输到所有岛区。

岛区允许从电源接收的最大功率必须是这样的，即所接收的总功率小于所需的最大值(即1.3瓦)。这样，其岛区将接收到电源的最大允许功率加上其岛区可通过所有信号通路接收的最大功率，其和必须小于1.3瓦。

如果岛区之间的信号电压不同，则必须用隔栅二极管阻断信号通道。

串联电阻的选择可以实现岛区之间的信号通道的高频特性。电阻值和电路的内阻一起作为高频滤波器。为降低由于配线而产生的阻值，优选将驱动器和电平平移电路靠近串联电阻和岛区的边界设置，从而降低电容。

在某些情况下，非常小的部件其总体部件表面积小于20mm²、表面温度限制的最大值为275度，对于特定的功率岛区，即便所提供的功率为1.3瓦，该限定值也可能被超出。在本发明中，可使用子功率岛区来克服这种局限。子功率岛区包括在功能岛区内，并以所需的物理间隔分开。针对功率岛区的上述规则也同样适用于子功率岛区。功率岛区和子功率岛区之间的限流串联电阻降低子功率岛区内部的最大可能功率。可通过适当地选择限流串联电阻的值，来控制子功率岛区内部的部件的最大可能表面温度。功率岛区和子功率岛区之间的信号通道进而降低了子功率岛区内的可获得功率。子功率岛区的一个实例如图4中的回路I/O电路150所示，该子功率岛区是功率岛区106的一部分。电阻232、252和254限制可能被提供到子功率岛区150的最大功率。

尽管已参照优选实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，不超出本发明的精神实质和保护范围，可以在形式和细节上作出一些改变。