过程控制回路电桥的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2019年9月13日提交的美国临时专利申请序列号62/900，025并且要求其权益，其全部内容通过引用并入在此。

背景技术：

在过程控制系统中，变送器测量过程变量并且将过程变量的值传送到主机。在许多系统中，变送器通过两线回路连接到主机。通过将回路上的dc电流设置为表示过程变量值的值，变送器可以将过程变量的值作为模拟信号传送。可以施加到回路的dc电流通常被标准限制到特定范围，例如，0ma-20ma或4ma-20ma等。

可以使用叠加在dc电流上的交流信号在回路上传送附加信息。使用由协议(例如，hart协议)支持的信号格式发送此附加信息。这种信号格式的一个示例是频移键控，其中的数字信号由分别表示比特1和比特0的1200hz和2200hz的两个频率组成。因此，通过改变ac信号的频率，可以在基本的4ma-20ma模拟信号之上传送数字值。在另一示例中，使用相移键控，其中ac信号的相位被改变成八个值中的一个值，每个值表示相应的3比特数字值。

通常存在用于将变送器连接到主机的两种配置：点对点和多点连接(multi-drop)。在点对点中，每个回路上只有单个变送器。在这些配置中，每个变送器能够使用模拟的4ma-20ma信号和ac数字信号二者将值发送到主机，但是变送器不能直接从其他变送器接收通信。在多点连接中，在回路上并列放置多个变送器，这允许变送器可以彼此直接接收数字通信。然而，在这样的配置中，回路上的任何变送器都不能使用dc电流信号发送数据，因为要求每个变送器的dc电流保持在4ma，并且主机不测量回路上的dc电流。因此，在多点连接模式下，变送器可以仅使用ac数字信号来传递信息。

技术实现要素：

一种电桥，所述电桥连接在第一过程控制回路和第二过程控制回路之间，其中，所述电桥允许交流数字信号在第一过程控制回路和第二过程控制回路之间传输，同时阻止直流模拟信号在第一过程控制控制回路和第二过程控制回路之间传输。

根据另一实施例，一种过程控制变送器，所述过程控制变送器包括：传感器，所述传感器用于感测过程控制系统中的流体的属性；通信接口，所述通信接口被配置为，在过程控制回路上使用直流模拟信号与主机通信并且接收交流数字信号；以及，微处理器。所述微处理器被配置为，控制由所述通信接口设置的直流模拟信号，以向所述主机提供过程变量，并且，所述微处理器被配置为，通过所述通信接口发送和接收由第二过程控制变送器在第二过程控制回路上相应地接收和发送并且通过电桥传递的数字值，以用于所述过程控制回路和所述第二过程控制回路之间的数字信号。

在又一个实施例中，一种端子模块，所述端子模块包括：第一端子，所述第一端子用于接收第一过程控制回路的与第一过程控制变送器连接的变送器段；以及，第二端子，所述第二端子用于接收第二过程控制回路的与第二过程控制变送器连接的变送器段。端子中的电桥电路将所述第一过程控制回路的变送器段连接到所述第二过程控制回路的变送器段，使得在交流数字信号传输通过所述电桥电路的同时阻止直流模拟信号传输通过所述电桥电路。

附图说明

图1提供根据一个实施例的过程控制系统的框图。

图2提供图1的过程控制系统的一部分的更详细的框图。

图3提供第二实施例的框图。

图4提供根据一个实施例的端子模块的透视图。

图5提供根据一个实施例的端子模块的内部的电路图。

图6提供根据第二实施例的端子模块的内部的电路图。

图7提供根据第二实施例的过程控制系统的框图。

具体实施方式

在当前标准下，当前没有办法在允许两个变送器之间直接通信的同时仍然允许两个变送器都经由模拟(dc)信号和数字(ac)信号与主机系统通信。

实施例提供了一种电桥，所述电桥用于在隔离的模拟电流回路电路上的设备之间耦接有线数字通信信号，从而允许所述设备经由模拟直流(dc)信号和数字交流(ac)信号与主机系统单独通信以及彼此进行数字通信。点对点模拟dc电流回路是独立的并且被彼此分开。点对点数字ac信号是独立的，但是电桥允许将数字消息从一个回路传输到另一个回路。

图1提供了具有主机102和三个过程控制变送器104、106和108的过程控制系统100的框图。过程控制变送器104经由具有支路112和支路114的两线过程控制回路110连接到主机102。感测电阻器116在主机102内部或外部与支路112串联，并且主机102在感测电阻器116的一端和支路114之间施加电压118。在电压118使支路114比支路112电压高的实施例中，支路114被称为正支路，而支路112被称为负支路。过程控制变送器106经由具有支路122和支路124的两线过程控制回路120连接到主机102。感测电阻器126在主机102内部或外部与支路122串联，并且主机102在感测电阻器126的一端和支路124之间施加电压128。在电压128使支路124比支路122的电压高的实施例中，支路124被称为正支路，而支路122被称为负支路。过程控制变送器108经由具有支路132和支路134的两线过程控制回路130连接到主机102。感测电阻器136在主机102内部或外部与支路132串联，并且主机102在感测电阻器136的一端和支路134之间施加电压138。在电压138使支路134比支路132的电压高的实施例中，支路134被称为正支路，而支路132被称为负支路。

支路112和支路122通过电桥140连接，而支路122和支路132通过电桥142连接。电桥140允许ac数字信号在支路112和支路122之间传输，但是阻止dc模拟信号从过程控制回路110传输到过程控制回路120，反之亦然。电桥142允许ac数字信号在支路122和132之间传输，但是阻止dc模拟信号从过程控制回路120传输到过程控制回路130，反之亦然。电桥140和电桥142的组合允许ac数字信号在支路112和支路132之间传输，但是阻止dc模拟信号在过程控制回路110、过程控制回路120和过程控制回路130之间传输。

图2提供了过程控制变送器104和过程控制变送器106以及主机102的更详细的框图。过程控制变送器104包括传感器200、模数转换器204、微处理器208和具有dc模拟通信接口216和ac数字通信接口220的通信接口212。过程控制变送器106包括传感器202、模数转换器206、微处理器210和具有dc模拟通信接口218和ac数字通信接口222的通信接口214。

传感器200和传感器202感测过程流体导管或罐中的过程流体的相应属性。在一些实施例中，传感器200和传感器202感测相同的属性，而在其他实施例中，传感器200和传感器202感测不同的属性。在一些实施例中，传感器200和传感器202感测相同过程流体的属性，而在其他实施例中，传感器200和传感器202感测不同过程流体的属性。

由传感器200和传感器202产生的模拟信号被提供给相应的模数转换器204和模数转换器206，模数转换器204和模数转换器206将模拟信号转换为一系列数字值，所述一系列数字值被提供给相应的微处理器208和微处理器210。在一些实施例中，将附加滤波应用于模拟信号和所述一系列数字值中的一个或多个。

微处理器208和微处理器210使用相应系列的数字值来确定用于相应过程变量的一个或多个值。根据一些实施例，所述一系列数字值被直接用作过程变量的一系列值，而在其他实施例中，所述一系列数字值被用于计算过程变量的值。

微处理器208使用dc模拟通信接口216来传送由微处理器208确定的过程变量值。dc模拟通信接口216将过程变量值作为dc模拟信号在过程控制回路110上传送。根据一个实施例，通过以下方式来传送过程变量值：控制支路112和支路114上的dc电流，使得该电流具有4ma和20ma(或0ma和20ma)之间的值，该值表示过程变量的电流值。

微处理器210使用dc模拟通信接口218来传送由微处理器210确定的过程变量值。dc模拟通信接口218将过程变量值作为dc模拟信号在过程控制回路120上传送。根据一个实施例，通过以下方式来传送过程变量值：控制支路122和支路124上的dc电流，使得该电流具有4ma和20ma之间的值，该值表示过程变量的电流值。

微处理器208使用ac数字通信接口220来传送由微处理器208确定的过程变量值和/或附加的数字信息以及接收过程控制回路110上的数字信号。ac数字通信接口220在过程控制回路110上发送和接收作为ac数字信号的值和/或信息。根据一些实施例，ac数字通信接口220发送和接收使用移频键控的ac数字信号，其中，所述数字信号由分别表示比特1和比特0的1200hz和2200hz两种频率组成。因此，通过改变控制回路110上的ac信号的频率，ac数字通信接口220能够在由dc模拟通信接口216产生的基本的4ma-20ma模拟信号之上传送数字值。在其他实施例中，ac数字通信接口220发送和接收使用相移键控的ac数字信号，其中，ac信号的相位被改变成八个值中的一个值，每个值表示相应的3比特的数字值。因此，通过改变控制回路110上的ac信号的相位，ac数字通信接口220能够在由dc模拟通信接口216产生的基本的4ma-20ma模拟信号之上传送数字值。

微处理器210使用ac数字通信接口222来传送由微处理器210确定的过程变量值和/或附加数字信息以及接收过程控制回路120上的ac数字信号。ac数字通信接口222在过程控制回路120上发送和接收作为ac数字信号的值和/或信息。根据一些实施例，ac数字通信接口222发送和接收使用移频键控的ac数字信号，其中，所述数字信号由分别表示比特1和比特0的1200hz和2200hz两种频率组成。因此，通过改变控制回路120上的ac信号的频率，ac数字通信接口222能够在由dc模拟通信接口218产生的基本的4ma-20ma模拟信号之上传送数字值。在其他实施例中，ac数字通信接口220发送和接收使用相移键控的ac数字信号，其中，ac信号的相位被改变成八个值中的一个值，每个值表示相应的3比特的数字值。因此，通过改变控制回路120上的ac信号的相位，ac数字通信接口222能够在由dc模拟通信接口218产生的基础的4ma-20ma模拟信号之上传送数字值。

主机102包括一个或多个微处理器250，所述一个或多个微处理器250针对连接到主机102的每个控制回路与相应的dc模拟通信接口和相应的ac数字通信接口通信。例如，对于控制回路110，主机102具有dc模拟通信接口252和ac数字通信接口254，而对于控制回路120，主机102具有dc模拟通信接口256和ac数字通信接口258。

dc模拟通信接口252连接在感测电阻器116两端，并且使用感测电阻器116两端的dc电压作为过程控制回路110上的电流的度量，从而作为过程变量的值。dc模拟通信接口256连接在感测电阻器126两端，并且使用感测电阻器126两端的dc电压作为过程控制回路120上的电流的度量，从而作为过程变量的值。dc模拟通信接口252将过程控制回路110上的电流的度量转换成数字值，并且将该数字值传送给微处理器250，而dc模拟通信接口256将过程控制回路120上的电流的度量转换成数字值，并且将该数字值传送到微处理器250。尽管将dc模拟通信接口252和dc模拟通信接口256示出为与相同的微处理器250通信，但是在其他实施例中，dc模拟通信接口252和dc模拟通信接口256与分离的微处理器通信。

还示出了ac数字通信接口254，其被连接在感测电阻器116两端，并且使用感测电阻器116两端的ac电压来确定控制回路110上发送的数字值。例如，在一些实施例中，ac数字通信接口254基于频移键控使用ac电压的频率来解码0和1，而在其他实施例中，ac数字通信接口254基于相移键控使用ac电压的相位来解码0和1。将ac数字通信接口258示出为连接在感测电阻器126两端并且使用感测电阻器126两端的ac电压确定控制回路120上发送的数字值。例如，在一些实施例中，ac数字通信接口258基于频移键控使用ac电压的频率来解码0和1，而在其他实施例中，ac数字通信接口258基于相移键控使用ac电压的相位来解码0和1。

ac数字通信接口254还能够通过例如使用频移键控或相移键控将ac数字信号从微处理器250传送到过程控制回路110上。类似地，ac数字通信接口258通过例如使用频移键控或相移键控将ac数字信号从微处理器250传送到过程控制回路120上。

电桥140被连接在控制回路110的支路112和控制回路120的支路122之间。电桥140阻止由dc模拟接口216和dc模拟接口218产生的dc模拟信号在过程控制回路110和过程控制回路120之间跨过，同时允许过程控制回路110和过程控制回路120上的ac数字信号在过程控制回路110和过程控制回路120之间跨过。因此，由ac数字通信接口220或ac数字通信接口254在回路110上产生的ac数字信号传输通过电桥140，使得该ac数字信号可以被过程控制回路120上的ac数字通信接口222和ac数字通信接口258两者接收。类似地，由ac数字通信接口222或ac数字通信接口258在控制回路120上产生的ac数字信号传输通过电桥140，使得该ac数字信号可以被过程控制回路110上的ac数字通信接口220和ac数字通信接口254两者接收。

根据一个实施例，ac数字通信接口220、ac数字通信接口222、ac数字通信接口254和ac数字通信接口258在发送或接收ac数字信号时使用hart通信协议。在hart协议下，通信基于请求和答复结构，在请求和答复结构下，一个设备做出对另一个设备的请求且另一个设备进行答复。做出请求的设备被称为主设备，提供答复的设备被称为从设备。在一个过程控制回路上可以有多达两个主设备——主要主设备和次要主设备。请求是数字值分组，所述数字值分组包括：对于请求是来自主要主设备还是次要主设备的指示、请求被发送到的从属设备的地址、以及对于正在做出什么请求的指示。答复是数字值分组，所述数字值分组包括：提供所述答复的从设备的地址、对于所述答复是针对主要主设备还是次要主设备的指示、以及所请求的信息或错误代码。(要注意，附加信息可以出现在请求和答复两者中)。主要主设备和次要主设备能够请求从属过程控制变送器将自身置于突发模式，在突发模式中，该从设备周期性地生成包含由过程控制变送器感测的过程变量值的答复分组。一旦处于突发模式，过程控制变送器将持续发送最新的过程变量值，直到发送突发模式请求的主设备指示停止为止。

根据图2的实施例的一种实现，主机102是主要主设备，过程控制变送器104是次要主设备，并且过程控制变送器106是从设备。过程控制变送器104的ac数字接口220用于发出寻址到过程控制变送器106的请求。由于请求分组是ac数字信号，所以电桥140将该请求分组从过程控制回路110传递到过程控制回路120，使其可以被ac数字通信接口222接收并且可以被提供给过程控制变送器106的微处理器210。在该请求中，过程控制变送器104将自身指定为次要主设备，并且指示过程控制变送器106发送包含过程变量值的单个答复分组，或者指示过程控制变送器106进入突发模式并连续发送多个答复分组，其中每个答复分组包含最新的过程变量值。如果该请求是针对单个答复分组，则微处理器210指示ac数字通信接口222生成包含所请求的过程变量值的单个答复分组。如果该请求是要变送器106进入突发模式，则微处理器210指示ac数字通信接口222生成所请求的答复分组，所述答复分组在回路120上广播，使得ac数字通信接口258接收它们。由于所述答复分组是ac信号，所以所述答复分组跨电桥140被传递到过程控制回路110，在过程控制回路110中，所述答复分组被ac数字通信接口220接收并且被提供给微处理器208，并且所述答复分组被ac数字通信接口254接收。以这种方式，过程控制变送器104能够直接通过电桥140而无需通过主机102接收由过程控制变送器106产生的过程变量值。

在其他实施例中，过程控制变送器104和过程控制变送器106是从设备而主机102是主要主设备。在这些实施例中，过程控制变送器104和过程控制变送器106具有不同的地址。主机102发送用于将过程控制变送器106置于突发模式的请求。作为响应，微处理器210指示过程控制变送器106的ac数字通信接口222发送包含由传感器202感测到的最新过程变量值的ac数字答复分组。这些答复分组在过程控制回路120上发送并寻址到主机102。然而，这些答复分组也穿过电桥140到达过程控制回路110，在过程控制回路110中，它们被过程控制变送器104的ac数字通信接口220接收。即使答复分组被寻址到主机102，ac数字通信接口220也对该ac信号进行解码，并且将答复分组中的数字化过程变量值提供给微处理器208。

根据一个实施例，微处理器208使用从过程控制变送器106接收的过程变量值和从传感器200接收的过程变量值来计算另外的过程变量值。例如，微处理器208可以使用来自过程控制变送器106的压力值和来自传感器200的压差值(或任何其他体积流量值)来计算质量流率。然后，微处理器208将将该质量流率以dc模拟信号或ac数字信号的形式发送到主机102。

图3提供了电桥140位于面板304的端子模块300之内的实施例的示意图。在一些实施例中，面板304是现场接线面板，而在其他实施例中，面板304是编组面板。在图3的实施例中，每个过程控制回路的每个正支路和每个负支路被划分成主机段和变送器段。例如，图1的负支路112被划分成主机段322和变送器段332，图1的正支路114被划分成主机段324和变送器段334，图1的负支路122被划分成主机段342和变送器段352，并且图1的正支路124被划分成主机段344和变送器段354。

在面板304内，端子模块302连接主机段和变送器段，以形成正支路114和正支路124。因此，端子模块302将主机段324连接到变送器段334以形成正支路114，并且将主机段344连接到变送器段354以形成正支路124。端子模块300连接主机段和变送器段以形成负支路112和负支路122，同时也在负支路112和负支路122之间提供电桥140。因此，端子模块300将主机段322连接到变送器段332以形成负支路112，并且将主机段342连接到变送器段352以形成负支路122。另外，端子模块300包括电路元件，所述电路元件允许ac数字信号在负支路112和负支路122之间传输，同时阻止dc模拟信号在负支路112和负支路122之间传输。

图4提供了根据一个实施例的端子模块300的透视图。端子模块300包括外壳400、以及分别用于接收变送器段332、变送器段352、主机段322和主机段342的端子402、端子404、端子406和端子408。电桥140位于外壳400之内。

图5提供了根据一个实施例的端子模块300的内部布线的电路图。在图5中，导体500从端子402延伸到端子406，以将端子段332连接到主机段322。导体502、电阻器504和导体506从端子404串联延伸到端子408，以将变送器段352连接到主机段342。电容器508在导体500至导体502之间延伸。电容器508和电阻器504形成电桥140，电桥140允许ac信号在负支路112和负支路122之间传输，同时阻止dc信号在负支路112和负支路122之间传输。

图6提供了根据第二实施例的端子模块300的内部布线的电路图。在图6中，导体600、变压器612的绕组602和导体604从端子402串联延伸到端子406，以将变送器段332连接到主机段322。导体606、变压器612的第二绕组608和导体610从端子404串联延伸到端子408，以将变送器段352连接到主机段342。变压器612形成电桥140，并且允许ac数字信号在负支路112和负支路122之间传输，同时阻止dc模拟信号在负支路112和负支路122之间传输。另外，变压器612允许负支路112和负支路122处于不同的接地平面，而不影响控制回路110和控制回路120上的通信。

在其他实施例中，在电桥140中使用有源电路元件以允许ac数字信号在回路之间传输，同时阻止dc模拟信号在回路之间传输。在这种简单情况下，可以增加附加的组件，以帮助平衡各个hart回路之间的信号电平。

图7提供了过程控制系统的另一实施例的框图，其中过程控制变送器106和主机102之间没有过程控制回路。而是，提供与主机102分离的电源700，电源700为过程控制变送器106生成类似于电压128的电压，并且包括在短路情况下的电流保护。另外，具有与感测电阻器126相同的电阻的负载电阻器702通过负支路722被串联连接在电源700的负引线和过程控制变送器106的负引线之间。正支路724将电源700的正引线连接到过程控制变送器106的正引线。负支路722被连接到电桥140，电桥140允许ac数字信号在负支路722和过程控制回路110的负支路112之间传输。这样，过程控制变送器106能够通过电桥140向过程控制变送器104和主机102发送ac数字信号和从过程控制变送器104和主机102接收ac数字信号。根据一个实施例，负载电阻器702位于包括电桥140的端子模块内。

任何类型的过程控制变送器可以与各种实施例一起使用。

尽管上文分别讨论了各个实施例，但是本领域技术人员将认识到可以将这些实施例一起使用。尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上进行改变而不背离本发明的精神和范围。