专利名称：用于过程现场设备的通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监视或控制工业过程的类型的现场设备。更具体地，本发明涉及在这种现场设备中的内部数据通信。
背景技术：
工业过程用于执行在过程中执行各种功能，或从其他组件创建货物。这种过程包括例如炼油厂、制造厂、食品加工厂、化工厂以及制药厂。在这些系统中，现场设备用于监视或控制过程的操作。一个这样的设备是过程变送器，其被配置为感测过程变量，并基于感测到的过程变量向中心位置进行通信。示例过程变量包括流量、压力、温度、电平等等。 过程控制器是另一种现场设备的示例，其中，从中心位置接收控制信号，且响应于此，过程控制器对过程变量进行控制。与中心位置的通信可以通过有线或无线过程控制环路。过程设备经常在功率限制下进行操作。此外，这种设备一般具有多个组件，且使用通信系统在这些组件之间通信。在一些实例中，比如当使用有限功率进行操作时，一个通信系统可能引起对另一个通信系统上发送的数据的干扰。该“噪声”可能在设备中引入误差， 甚至引起设备故障。
发明内容
本发明提供一种在工业过程中使用的现场设备，包括被配置为测量或控制过程变量的过程接口单元。通信电路被配置为与另一个位置通信。通信系统被配置为在现场设备中至少两个组件之间提供通信。信号倒相器将来自通信系统的已倒相信号耦合到其他电路，从而减小该其它电路接收到的干扰。
图1是工业过程控制或监视系统的简化框图。图2是示出了图1的现场设备的简化框图。图3是示出了将来自第一数据总线的噪声注入到第二数据总线的图。图4是示出了使用倒相器来减小或消除图3所示噪声的图。图5是示出了本发明的示例实施例的简化框图。
具体实施例方式本发明涉及在工业过程控制和监视系统中使用的现场设备。如在背景技术中所述，在这种现场设备中的通信可能在其他电路(比如另一个通信系统)中引入噪声。图1是工业控制或监视系统100的简化框图，系统100包括耦合到工业过程的现场设备102。在图1的示例中，现场设备102耦合到传输过程流体106的过程管道104上。 提供过程接口单元108，如果现场设备102是作为控制器操作的，则过程接口单元108可以被配置为控制过程(例如，阀门等等)，或如果现场设备102被配置为过程变量变送器，则过程接口单元108可以被配置为测量过程变量(比如温度、压力、流量等等)。现场设备102 还可以作为其他类型的现场设备来操作，比如独立的现场设备，或同时包括控制和测量组件在内的现场设备等等。在图1中，现场设备102通过过程控制环路112耦合到中心控制室 110。在图1所示的实施例中，过程控制环路112是双线过程控制环路。这种过程控制环路通常根据诸如HART 数字通信标准、现场总线协议等等的通信标准进行操作。例如，双线过程控制环路可以用于向现场设备102供电，并在现场设备102和中心位置110之间传输信息。可以用模拟方式来传输信息，例如，在4mA和20mA之间变化的电流电平，和/或信息可以是被调制到通过环路112流动的电流上的数字信号。在另一示例配置中，过程控制环路112依照于可以包括例如网格网络类型协议在内的无线通信协议，并可以根据HART 无线通信协议来进行操作。将中心位置110示意为包括负载电阻118和电压源116。一般的，在中心位置110中可以使用其他组件，比如控制设备或监视设备，且可以由操作者来对它们进行监视。图1还示出了通过本地数据总线122耦合到现场设备102的辅助组件120。辅助组件120可以位于现场设备102的内部或外部。数据总线可以根据任何恰当的技术来操作。 一个示例是基于CAN(控制区域网)的协议或其他商业可用或专有协议。图2是更详细示出了现场设备102的简化框图。现场设备102包括被配置为与过程接口单元108 —起操作的接口电路150。接口电路150耦合到微处理器152，微处理器152 根据在存储器154中存储的指令进行操作。提供环路输入/输出通信电路156，以允许在过程控制环路112上的通信。如图2所示，现场设备102还包括本地数据总线通信电路160， 用于通过本地数据总线122在微处理器152和辅助组件120之间提供通信。辅助组件120 可以包括在数据总线122上向其传输数据的任何组件，且可以将其置于现场设备102中，置于现场设备102附近，或甚至远离现场设备102。辅助组件的示例包括传感器、控制单元、 显示器或其他用户接口、另一现场设备、附加处理电路等等。电路156和160是如本文所述的通信系统的示例。图3是示出了在现场设备194的两个通信系统190、192之间的干扰的简化框图。 在图3中，第一单端变送器210通过第一数据总线214与第一单端接收器212通信。类似地，第二单端变送器200通过第二数据总线204与第二单端接收器202通信。如图3所示， 来自数据总线214的干扰信号添加到数据总线204上传输的数据信号上，导致在数据总线 204上的数据信号的波形的失真。根据干扰的相位，该干扰信号将添加到数据信号或从数据信号中减去。在现场设备中经常出现的低电压电平处，干扰信号可能引起接收器202接收到错误的数据。可以用于处理该干扰并增强系统的噪声免疫力的一种技术是通过使用差动信令系统，比如依照于RS-485和RS-422通信协议的商业可用的那些差动信令系统。在这种系统中，差动变送器在差动传输线路上提供具有相等和相反极性的信号。差动传输线路由两个导线构成，这两个导线被配置为平衡线对(balanced pair)，且因此每一个导线沿其长度方向具有相等阻抗，以及到“接地(ground)”和其他电路的相等阻抗。该配置的正确实现要求电路符合网络物理层规则，该规则可能需要针对定时、电压电平以及阻抗特性的要求。然而，这种配置增加了设备的复杂度，还增加了设计并制造这种设备所需的制造成本和时间。图4是示出了处理上述干扰问题的本发明的一个示例实施例的简化框图。在图4的配置中，与图3所示相似的项保留它们的编号。在图4中，将倒相放大器(倒相器)220 耦合到单端变送器210的输出。倒相放大器220用于将数据总线214上的数据进行倒相， 并将已倒相的信号注入数据总线204。倒相器220被配置为使得所注入信号的幅度、相位以及波形与耦合到数据总线204的来自数据总线214的杂散干扰信号的倒相(inversion)类似。这两个信号越接近彼此的倒相，则来自倒相器220的已倒相的信号就具有更大的消除效果。由于倒相器220的输出不用于通信，输出信号不需要遵循通信系统的要求。来自倒相器220的输出仅需要符合用于噪声消除所需电平的任何要求即可。因此，相比于完全差动放大器配置，倒相器电路220可以具有相对简单的设计。此外，由于图4所示的配置使用单端变送器和接收器来进行操作，该系统不要求上述更复杂的差动变送器和接收器。图5是工业过程控制或监视系统250的简化框图，其包括耦合到双线过程控制环路254的现场设备252。环路254连接到环路电源256和负载(或感测)电阻258。可以使用耦合在负载电阻258两端的环路接收器260来感测双线环路254上传输的数据。在图5中，将现场设备252示意为具有提供电接地270的外壳，电接地270通过电容272容性耦合到双线过程控制环路254。现场设备252包括将过程控制环路254耦合到阻抗Zl和Z2的公共电路274。电路被配置为通过数据总线282与远程接收器280通信。 该数据总线可以依照于CAN协议。数据总线282的物理连接可以包括中心导线和电缆套管 290。该电缆套管连接到外壳接地270，且通过电缆电容292容性耦合到中心连接器(在单元 282处也示出了)。使用信号源294将数据转移到远程接收器280。如上所述，来自294的信号可以在双线过程控制环路254上引入干扰信号，该干扰信号表现为跨过负载电阻258。 然而，根据本发明，提供倒相放大器296，并将其布置为将来自数据总线282的已倒相信号耦合到过程控制环路254上。如图5所示，通过来自倒相放大器296的输出，消除或以其他方式减小了来自信号源294的干扰信号298的量。在图5的配置中，现场设备252和远程接收器280之间的连接提供了一个数据总线，同时现场设备252和环路接收器260之间通过双线过程控制环路254的连接提供了另一个数据总线。尽管已结合优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。尽管本文所示现场设备仅包括两个本地数据总线，本发明可操作用于任何数目的数据总线，且本发明不受限于本文阐述的特定配置。倒相器可以依照于任何恰当的倒相器设计，且可以包括例如简单倒相放大器。在一个示例配置中，数据总线之一包括双线或无线过程控制环路，该过程控制环路用于将现场设备与例如中心控制室等耦合。在这种配置下，本地数据总线可能引起噪声被注入到双线或无线过程控制环路中。类似地，双线或无线过程控制环路上传输的数据可能引起噪声被注入到本地数据总线上。备选地，图4所示的单端变送器200作为图2所示的输入/输出电路156进行操作。尽管图4示出了将来自一个数据总线的已倒相信号耦合到另一个数据总线的单一倒相器220，在另一个示例配置中，实现第二倒相器，其在两个数据总线之间以相反方向耦合已倒相信号。在一些配置中，一个或多个数据总线可以包括无线数据总线。
权利要求
1.一种在工业过程中使用的现场设备，包括 过程接口单元，被配置为测量或控制过程变量； 第一通信系统，被配置为在至少两个组件之间提供通信； 第二通信系统，被配置为在至少两个组件之间提供通信；信号倒相器，被配置为将来自所述第二通信系统的已倒相信号耦合到所述第一通信系统，从而减小所述第一通信系统从所述第二通信系统接收到的干扰；以及其中，所述现场设备被配置为与中心位置通信。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述第一通信系统被配置为与所述中心位直通信。
3.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述第二通信系统被配置为与所述中心位直通信ο
4.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述第一通信系统包括本地数据总线。
5.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述第二通信系统包括本地数据总线。
6.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述接口单元包括过程变量传感器。
7.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述接口单元包括控制单元。
8.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述第一通信系统和所述第二通信系统中的至少一个包括无线数据总线。
9.根据权利要求1所述的现场设备，其中，所述第一通信系统和所述第二通信系统中的至少一个包括单端通信系统。
10.根据权利要求1所述的现场设备，包括第二信号倒相器，被配置为将来自所述第一通信系统的已倒相信号耦合到所述第二通信系统，从而减小所述第一通信系统对所述第二通信系统的干扰。
11.一种在现场设备中使用的方法，所述现场设备是在工业过程中使用的类型的现场设备，所述方法用于提供在组件之间的通信，包括通过被配置为测量或控制过程变量的过程接口单元与工业过程连接； 通过第一数据总线在至少两个第一组件之间传输数据； 通过第二数据总线在至少两个第二组件之间传输数据；将所述第二数据总线上的通信信号进行倒相，并将来自所述第二数据总线的已倒相信号耦合到所述第一数据总线，从而减小所述第二数据总线对所述第一数据总线的干扰； 其中，所述现场设备被配置为与中心位置通信。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一数据总线被配置为与所述中心位置通信。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二数据总线被配置为与所述中心位置通信。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一数据总线包括本地数据总线。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二数据总线包括本地数据总线。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一数据总线和所述第二数据总线中的至少一个包括无线数据总线。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一数据总线和所述第二数据总线中的至少一个包括单端数据总线。
18.根据权利要求11所述的方法，包括从所述第一数据总线向所述第二数据总线提供第二已倒相信号，从而减小干扰。
全文摘要
本发明提供一种在工业过程中使用的现场设备，包括被配置为测量或控制过程变量的过程接口单元。通信电路被配置为与另一个位置通信。通信系统被配置为在现场设备中至少两个组件之间提供通信。信号倒相器将来自通信系统的已倒相信号耦合到其他电路，从而减小该其它电路接收到的干扰。
文档编号G05B19/418GK102478850SQ201110286820
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月23日 优先权日2010年11月29日
发明者尤金·柯罗雷夫, 约翰·P·舒尔特 申请人:罗斯蒙德公司