专利名称：具有可拆卸电池组的本质安全的现场维护工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有可拆卸电池组的本质安全的现场维护工具。
背景技术：
本质安全的现场维护工具是已知的。这样的工具在过程控制和测量工业中特别有用，以使操作人员方便地与给定过程安装中的现场设备通信和/或询问给定过程安装中的现场设备。这样的过程安装的实例包括石油、药品、化学品、纸浆和其他过程安装。在这样的安装中，过程控制和测量网络可以包括几十个或者甚至几百个各种现场设备，这些现场设备周期性地需要维护，以确保这样的设备适当地操作和/或对这些设备进行校准。而且，当检测到过程控制和测量安装中的一个或多个故障时，使用本质安全的手持式现场维护工具使得技术人员能够快速地诊断出现场中的这种故障。
根据从Eden Prairie，Minnesota的费希尔-罗斯蒙德系统公司可得到的商业指定模型275 HART通信装置，售出了一种这样的设备。HART是HARTCommunication Foundation的注册商标。模型275提供了许多重要的功能和能力，并且通常允许高效率的现场维护。但是，模型275当前并不支持与非HART(高速可寻址远程转换器)设备的通信。
HART协议具有由叠加在标准4-20mA模拟信号上的数字通信信号构成的混合物理层。数据传输速率大约是1.2Kbits/SEC。HART通信是过程工业中的主要通信协议。
另一种主要过程工业通信协议是FOUNDATIONTM现场总线通信协议。此协议是基于ISA标准(ISA-S50.01-1992，由美国仪表学会在1992年公布)的。由现场总线基金会(FF)规定了具体的实现。FOUNDATIONTM现场总线是传输速率约为31.25Kbits/SEC的全数字通信协议。
发明内容
一种本质安全的现场维护工具，包括可选择地与过程通信环相连的端子，所述过程通信环具有过程工业标准通信协议。至少一个介质接入单元与所述端子相连。对介质接入单元进行配置，以依照第一过程工业标准通信协议进行通信。处理器与所述至少一个介质接入单元相连，并且小键盘与所述处理器相连，以接收用户输入。显示器与所述处理器相连，以显示数据。电池组连接器适合于可拆卸地与可拆卸电池组相连，并向本质安全的现场维护工具中的电路供电。
图1示出了多点接线结构。
图2A和2B示出了其中本质安全的现场维护工具可以与过程设备相连的方式。
图3是根据本发明实施例的现场维护工具的示意图。
图4是图2A、2B和3中所示的本质安全的维护工具的更为详细的方框图。
图5是其中拆除了可拆卸电池组的本质安全的现场维护工具的底部透视图。
图6是示出了包括可拆除电池组的本质安全的现场维护工具的底部透视图。
图7A是可拆除电池组的底部透视图。
图7B是可拆除电池组的顶部透视图。
具体实施例方式
依照本发明实施例的改进的本质安全的现场维护工具能够利用至少两种工业标准设备描述进行操作。所述工具包括以满足本质安全要求的方式电隔离的至少两个电源岛(power island)。在一个特定实施例中，改进的本质安全的现场维护工具实现了HART和现场总线设备描述语言(DDL)。改进的现场维护工具用于使用这些协议同时维护两线和四线(即外部电源)现场设备。优选地，通过DDL技术来支持配置和校准。DDL技术是已知的，并且在授予Sharp Jr.等人的美国专利5,960,214中可以找到与设备描述语言有关的另外的阅读材料。
改进的本质安全的现场维护工具有利于来自各个现场设备的诊断信息(即，状态位)的方便显示，以及提供了先进的协议专用网络故障查找特征。在阅读以下的描述之后，将清楚依照本发明实施例的改进的本质安全的现场维护工具的其他细节和好处。
图1示出了其中本发明的实施例非常有用的典型系统。系统10包括控制器12、I/O和控制子系统14、本质安全(IS)阻挡器16、过程通信环18和现场设备20。控制器12通过链接21与I/O和控制子系统14相连，所述链接21可以是诸如局域网(LAN)等根据以太网信号控制协议或其他任何适当的协议进行操作的任何适当的链接。I/O和控制子系统14与本质安全阻挡器16相连，并依次与过程通信环18相连，以便按照限制通过其中的能量的方式来实现环18与I/O和控制子系统14之间的数据通信。
在该图示中，过程通信或过程控制环18是FOUNDATIONTM现场总线过程通信环，并与现场设备20相连，所示现场设备20按照多点结构的方式布置。可选的过程通信环(未示出)是HART过程通信环。图1示出了与如星型拓扑等其他拓扑相比极大地简化了系统接线的多点接线结构。多点HART结构支持最大15个设备，而多点FOUNDATIONTM现场总线结构支持最大32个设备。
如图1所示，本质安全的现场维护工具22与通信环18相连。当如图所示与过程控制环相连时，工具22可以执行大量的通信和诊断功能。工具22可以按照与当前可得到的模型275 HART通信装置所能够的方式极其相同的方式与HART过程通信环相连，并与HART过程通信环进行交互。
图2A示出了通过端子24与HART兼容设备20相连的工具22。可选地，如图2B所示，工具22可以通过通信环自身与过程装置通信环上的HART兼容设备例如设备24相连。
图3是依照本发明实施例的现场维护工具22的示意图。如图所示，优选地，工具22包括三个通信端子26、28和30，有利于根据至少两个过程工业标准协议，将工具22与过程通信环和/或设备相连。例如，当工具22要与第一过程工业标准协议的通信环相连时，利用端子26和公共端子28来实现这样的连接。因此，然后，通过介质接入单元32进行连接，所述的介质接入单元32配置用于根据第一工业标准协议在过程通信环上进行交互。此外，当工具22要与根据第二工业标准协议操作的过程和控制测量环相连时，通过公共端子28和端子30进行这样的连接。因此，通过第二介质接入单元34来实现这样的连接，所述第二介质接入单元34配置用于根据第二工业标准协议在过程通信环上进行交互。介质接入单元32和34都与处理器36相连，所述处理器36从介质接入单元之一中接收数据，并且对该数据进行相应的转换。
处理器36还与小键盘模块38和显示模块40相连。小键盘模块38与工具22的箱体上的键盘相连，以便接收来自用户的多种键盘输入。显示模块40与显示器相连，以提供数据和/或用户界面。
依照本发明的多种实施例，工具22包括有利于增加现有技术中通常可提供的功能性的额外的硬件增强。在一个实施例中，工具22包括红外数据接入端口42，其与处理器36相连，允许工具22使用红外无线通信向和从分立的设备传送信息。使用端口42的一个优点是用于传送和/或更新存储在工具22的一个或多个存储器中的设备描述。设备描述(DD)是用于以计算机可读的格式描述现场设备中的参数的软件技术。其包括了在处理器36上运行的软件应用程序检索和使用参数数据所需的所有信息。如计算机12等分立的设备可以从软盘、CD ROM或因特网获得新的设备描述，并将新的设备描述无线地传送给工具22。
可拆卸存储器模块44通过端口/接口46与处理器36可拆卸地相连。可拆卸存储器模块44适用于存储能够代替主应用程序在处理器36上执行的软件应用程序。例如，模块44可以包含使用HART或FOUNDATIONTM现场总线通信端口的应用程序，以便提供对给定过程阀的综合诊断。此外，模块44可以存储有助于特定设备的校准或配置的软件应用程序。模块44还可以存储新的或已更新主设备程序的软件图像，可以随后将其传送到设备36的非易失性存储器中，以实现已更新应用程序的执行。此外，模块44提供针对多设备的配置的可拆卸存储器，使现场维护操作员能够获得相对充实的设备数据量，并通过简单地拆除模块44，来方便地存储或转移这些数据。
优选地，模块44适合于在加工厂中的危险区域中是可代替的。因此，优选的是，模块44符合1988年10月，由Factory Mutual Research公布的APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS ANDASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I，II AND III，DIVISION1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS NUMBER 3610中所描述的本质安全要求。也尝试了符合如加拿大标准协会(CSA)和欧洲CENELEC标准等其他工业标准的适应。对于存储器模块44和/或接口46的有利于兼容性的特定结构适应的示例包括能量限制电路，从而存储器模块44的操作电压电平足够低，模块44中所存储的能量不能形成引燃源。此外，模块44可以包括电流限制电路，以确保在模块44上的特定接线端短路的情况下，放电能量足够低而禁止引燃。参照图4对这些特征的特定实现进行了阐述。接口44可以包括特别设计用于防止存储器模块44上的电触点暴露于外部环境同时允许适当的接口触点与模块44进行电接触的物理特征。例如，模块44可以包括通过将模块44连接到接口46，能够刺穿或移位的整体造型(over-modeling)。
工具22最好还包括通过最好设置在工具22的主板上的连接器50与处理器36相连的扩展存储器模块48。扩展存储器模块48可以包括第一和第二工业标准协议的设备描述。模块48可以也包括将确定工具22相对于多个协议的功能性的许可代码。例如，驻留在模块48中的数据可以表示只授权工具22在如HART协议等单一的过程工业标准模式内进行操作。最后，模块48中的数据的不同的设置可以表示授权工具22依照两种或更多的工业标准协议进行操作。最好将模块48插入位于主板上的连接器50中，并且可能需要对工具22的部分拆卸，例如，拆卸电池组，以便接入端口50。
图4是工具22的更为详细的方框图。工具22通常包括电源电路100和电源岛102、104和106。将图3所示的小键盘38分为图4所示的触摸板38A和键盘38B。充电器/适配器110与电源电路100相连，电池模块112也与电源电路100相连。
电源电路100利用从充电器/适配器110或电池模块112接收到的电能向电源岛102、104和106供电。电池模块112包括通过熔丝122与电源电路100相连的电池120。电源电路100包括充电器接口电路130、隔离器132、电源电路134、和电压调节器136。电源岛102包括键盘和电池管理电路140。电源岛104包括处理器136。电源岛106包括环I/O电路150，实现了如图3所示的MAU32和MAU34。红外接口42也位于电源岛106中。
在本发明中，利用无源和有源技术来隔离电源100和电源岛102、104和106。电源100接收来自充电器/适配器110或电池模块112的电能。当使用充电器/适配器110时，电源100对电池120或电池模块112进行充电。由键盘/电池管理电路140对电源100进行控制，并且电源100通过包括多个电阻器160和齐纳二极管162的隔离器132与电路140相隔离。电阻器160充当无源限流器，而二极管162充当无源限压器。将来自电池模块112的电能通过电压调节器136和电阻器164，提供给电源岛102。齐纳二极管166将电源连接与地相连。来自电源134的连接172提供了电源开/关连接。有源限流器174和176分别将电源134与电源岛104和106相连。SCR178限制了施加到限流器174和176上的电压。在电源电路100和电源岛102、104和106之间也设置了电接地连接180。电源开/关连接190有选择地闭合开关192，从而向电源岛106提供电能。
键盘/电池管理电路140与触摸板38A和键盘38B相连，且对其进行配置以接收要经由电阻器202通过连接200提供给处理器36的用户输入。电路140还分别通过电阻器208和210与电源连接204和206相连。这些连接使电路140能够感知是否正在分别向电源岛104和106进行供电。齐纳二极管214和215限制了电源岛之间所观察到的电压。
电源岛104包括通过电阻器230与红外接口42相连、并通过电阻器232与环I/O电路150相连的处理器36。处理器36也通过电源岛106、显示器驱动器240和242以及电阻器244和246与显示器40相连。
电源岛106的环I/O电路150通过电阻器252和254，从电压调节器250接收电能。齐纳二极管256限制了施加到电路150上的电压。
为了满足本质安全要求，重要的是，对处于故障状态下的小部件的表面温度加以限制。对部件表面温度加以限制将防止周围材料被引燃。例如，如果部件的总表面积是20mm2，必须将该部件的功耗限制在1.3瓦特。对于具有更高总功耗的系统，必需分离单独电源岛之间的电源。利用此电源岛技术，能够克服1.3瓦特的限制。
在本发明中，通过与单独的电源相连的电源连接或通过阻挡器，向电源岛102、104和106供电。由电压和电流阻挡器来限制每个电源岛的电源，以确保不超过最大允许电源引出。使用了无源阻挡器和有源限制器，例如，无源阻挡器包括电阻器限流器和齐纳二极管限压器。例如，如果电源超过预定的限制，SCR178将闭合(短路)。类似地，如果电流引出超过了预定的限制，限流器174和176激活SCR178。在电源或电流超过限制的情况下，将激活SCR178，并短路电源输出。
为了避免多个岛102、104和106之间的能量转移，在岛之间设置了足够的物理空间。此距离由该岛上的电压、电压差和要满足的特定本质安全标准所限定。从岛中也设置了接地线路，从而使所有的岛与相同的地线相连。接地线路必需足以负载最大可能电流。如果将接地线路制造为电路板上的迹线，迹线的宽度必需足以负载所需的电流。可选地，可以提供多层迹线。
在每个电源岛102、104和106内，如果所需的电压高于电源所提供的电压，可以利用DC到DC转换器来产生增加的电压。例如，电压调节器250可以增加由电源提供的电压。利用限制了所施加的最大电压的电压阻挡器来限制转换器输出。特定电源岛中所出现的最大可能电压值与相邻岛的电压一起，限定了岛之间的必需间隔。
在岛102、104和106之间设置了多个信号路径，以允许信号在其间通过。将电阻器设置在信号路径中以限制能量转移。对于多个信号路径，必须遵循以下规则·如果特定岛的内部电阻具有与设置在信号路径中的串联电阻相同的数值，从一个岛通过信号路径向另一个岛转移的最大功率为最大值。这由针对最大功率的公式得到Pmax＝(I2/R)/4，其中I是电流电平，而R是串联电阻值。
·必须针对每一个岛进行最大功率计算，并且按照通过每个信号路径的每个方向进行计算，以便得到通过所有信号路径转移到所有岛中的最大功率。
·允许岛从电源接收到的最大功率必须使所接收到的总功率小于所需最大值[即，1.3瓦特]。因此，岛要从电源接收到的最大功率加上岛可能通过所有信号路径接收到的最大功率必须总计起来小于1.3瓦特。
·如果岛之间的信号电压不同，必须以阻挡器二极管阻断信号路径。
串联电阻的选择可以实现岛之间的信号路径的高频特性。电阻值与电路的内部电容一起充当高频滤波器。为了减少由于布线引起的电容，最好将驱动器和电平移动器电路靠近串联电阻和岛边界放置，从而减少电容。
在一些示例中，对于具有总部件表面积小于20mm2且表面温度限制的最大值为275℃的非常小的部件，即使所提供的功率为1.3瓦特，对于特定的电源岛，仍然可能会超过限制。在本实施例中，可以利用‘子电源岛’来克服此限制。子电源岛包含在电源岛中，并以所需的物理间隔隔开。将针对电源岛的上述相同规则应用于子电源岛。电源岛和子电源岛之间的限流串联电阻降低了子电源岛内部的最大可能功率。通过选择适当值的限流串联电阻，可以对子电源岛内部的部件的最大可能表面温度加以控制。因此，电源岛和子电源岛之间的信号路径降低了子电源岛中所能提供的功率。子电源岛的示例被示出为作为电源岛106的一部分的图4所示的环I/O电路150。电阻器232、252和254限制了可以提供给子电源岛150的最大功率。
在一个方面中，本发明提供了与工具22一起使用的可拆卸电池组。图5是其中已经从工具22中拆除了电池组300(在图5中未示出)的工具22的后透视图。电池组300包括图4所示的电源100和电池模块112。本发明提供了以电池为电源、便携并能够用在加工厂中的所有区域中的工具22。依照本发明的这个方面，即使在加工厂的危险区域中，也可以安装或拆除电池组300。本发明提供了一种用于将电池模块与工具22的电路相连的多引脚连接器302，从而在部件和主单元之间设置了能量限制结构。连接器302形成了可拆卸电池组连接器302A和工具主体连接器302B之间的连接。此外，如上所述，电源岛每一个均提供功率限制要求，以满足本质安全(IS)标准。
当电路与其他电部件相连时，可能会产生电火花。例如，电能可能被存储在与用于进行连接的暴露金属引脚相连的多个部件中。所存储的电能可以进行导致引起火花的放电。但是，依照本质安全标准，在危险环境中，火花是不能接受的。本发明提供了限制任何可能能量放电的电路，从而使得在这种放电中，没有足够的能量引燃该环境中可能危险的材料。
参照图4，可拆卸电池组300通过连接器302与工具22的电路相连。
如上所述，电路100包括电源134，电源134提供了产生电源岛102、104和106的主要供电电压的DC到DC转换器。将电源134提供的电压限制在3.7伏特。例如，如果电压超过3.7伏特，可以触发SCR(闸流晶体管)，对电源134进行短路。类似地，如果电流超过330mA，SCR178可以短路电源134的输出。可拆卸电池组300和电源模块102之间的电连接使用无源电路以提供本质安全性。在本示例中，设置限流串联电阻器160和限压齐纳二极管162，以便在将其应用于电源岛102时，分别限制电流和电压。
这种结构使可拆卸电池组300满足本质安全要求，从而其可以在暴露的环境中进行拆除或安装。由于电池102具有相对较高的能量密度，必需在去往连接器302A处的暴露引脚的信号路径中使用限压和限流部件和电路。这允许连接器302B和302A连接在一起，或者短路连接器302A上的引脚，而不产生火花。电路必须具有出现在连接器302中的每个暴露引脚处的电压、电流、电容和电感的选择最大允许值。依照本质安全标准，最好以三重冗余来设置每个限压或限流部件，从而即使两个部件出现故障，第三个部件仍保持其功能，以防止意料之外的放电。
返回到图5所示的实施例，配置电池组300以使其安装在凹陷310中，并插入到电连接器302B中。图5还示出了在将电池组300插入工具22时，由电池组300覆盖的扩展存储器模块48。将图4所示的可拆卸存储器模块44插入到在图5中同样示出了的插座(receptacle)312中。
图6是工具22的底部平面图，示出了插入在工具22中的可拆卸电池组300。图6也示出了部分插入在工具22中的可拆卸存储器模块44。
图7A是电池组300的底部透视图，而图7B是顶部透视图。从图7B可以看到，在电池隔间320中容纳有电池120。图7B还示出了被配置用于插入到图5所示的连接器302B中的连接器302A。
在操作期间，如键盘/电池管理电路140等工具22中的电路可以对电池120的充电状态进行监视。如果可拆卸电池组300的电池120接近耗尽，例如，可以通过显示器40，向操作员提供警报。操作员可以容易地拆除电池组300，并按照需要，以充满电的电池组来代替。本质安全结构允许在危险环境中进行电池组的更换。
尽管已经参照优选实施例，对本发明进行了描述，本领域的技术人员将意识到，在不偏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。可以依照上述本质安全标准，配置与连接器302A和302B一起的本质安全的电池组300。在2003年3月6日递交的、题为“HEAT FLOW REGULATING COVER FOR AN ELECTRICAL STORAGE CELL”的美国专利序列号No.10/383,003中示出了一个示例电池结构，该专利一并包括在此作为参考。
权利要求
1.一种本质安全的现场维护工具，包括端子，可选择地与过程通信环相连，所述过程通信环具有过程工业标准通信协议；至少一个介质接入单元，与所述端子相连，其中对介质接入单元进行配置，以依照第一过程工业标准通信协议进行通信；处理器，与所述至少一个介质接入单元相连；小键盘，与所述处理器相连，以接收用户输入；显示器，与所述处理器相连，以显示数据；以及电池组连接器，适合于可拆卸地与可拆卸电池组相连，并向本质安全的现场维护工具中的电路供电。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于包括第二介质接入单元，与所述端子和所述处理器相连，配置所述第二介质接入单元，以依照第二过程工业标准通信协议进行通信。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于包括多个电源岛，其中所述电池组连接器包括对所述电源岛中的至少两个的电隔离连接。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于配置所述处理器，以提供表示电池组中的电池状态的输出。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于包括可拆卸电池组，具有配置用于与所述电池组连接器相连的连接器。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述可拆卸电池组包括电池。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述可拆卸电池组包括限流器。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述可拆卸电池组包括DC到DC转换器。
9.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述可拆卸电池组包括电路，配置用于对从可拆卸电池组向电池组连接器提供的电源提供短路电路。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于响应超过了电压阈值的电压，触发所述短路电路。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于响应超过了电流阈值的电流，触发所述短路电路。
12.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述可拆卸电池组包括电阻器，配置用于将所述可拆卸电池组与所述连接器电连接。
13.根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述可拆卸电池组包括电齐纳二极管，配置用于将所述可拆卸电池组与所述连接器电连接。
14.根据权利要求5所述的设备，其特征在于包括连接器，配置用于与充电器相连。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于配置所述充电器对所述电池组的电池进行充电。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于配置所述可拆卸电池组中的电路，以减少所述连接器的引脚之间的电弧。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于包括存储器模块连接器，配置用于容纳可拆卸存储器模块，其中在将所述可拆除电池组与所述电池组连接器相连时，将所述可拆卸存储器模块封闭在所述本质安全的现场维护工具内。
18.一种可拆卸电池组，配置用于与根据权利要求1所述的本质安全的现场维护工具相连。
全文摘要
一种本质安全的现场维护工具，包括可选择地与过程通信环相连的端子，所述过程通信环具有过程工业标准通信协议。对至少一个介质接入单元进行配置，以依照第一过程工业标准通信协议进行通信。电池组连接器适合于可拆卸地与可拆卸电池组相连，并向本质安全的现场维护工具中的电路供电。还提出了一种本质安全的电池组。
文档编号G05B19/048GK1619442SQ200410043319
公开日2005年5月25日 申请日期2004年5月14日 优先权日2003年5月16日
发明者约阿希姆·迪伦, 京特·坎佩, 布拉德·N·马蒂奥维茨 申请人:费希尔-罗斯蒙德系统公司, R.施塔尔开关设备有限公司