双线过程控制回路诊断的制作方法
【专利说明】
[0001] 分案申请说明
[0002] 本申请是申请日为2007年10月3日、申请号为200780036956. 5 (国际申请号PCT/ US2007/021242)的、题为"双线过程控制回路诊断"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0003] 本发明涉及工业过程控制和监控系统。更具体地，本发明涉及利用双线过程控制 回路（loop)来发送信息的工业过程控制和监控系统的诊断。
【背景技术】
[0004] 在许多应用中使用工业过程控制和监控系统来控制和/或监控工业过程的操作。 例如，炼油厂、化工厂、或造纸厂可能具有大量必须受到监控和控制的过程。
[0005] 在这样的工业过程中，在整个过程中，在远程位置对过程变量进行测量。示例过程 变量包括温度、压力、流量等。将该信息通过双线过程控制回路发送至中央位置（例如，控 制室）。类似地，可以使用置于过程中的控制器来控制过程变量。控制器从双线过程控制 回路接收控制信息，并作为响应通过例如打开或关闭阀门、加热过程流体等，来控制过程变 量。
[0006] 已经使用各种协议在双线过程控制回路上通信。一种协议使用4-20mA的信号来 在回路上承载信息。4mA的信号可以代表过程变量的零值或低值，而20mA可以代表高值或 全量程值。过程变量发射机可以将电流控制在4和20mA之间，来代表过程变量的中间值。 更复杂的通信技术是HART?通信协议，其中，将数字信息叠加在4-20mA信号之上。通常， 在这样的配置中，每一现场设备需要分离的双线过程控制回路。
[0007] 在双线过程控制回路上所使用的更复杂的通信技术通常被称作基于现场总线的 协议（例如，Foundation?现场总线）。在现场总线协议中，所有信息以数字方式发送，并且 不需要过程控制回路上的模拟电流电平来承载信息。这样的配置的一个优势在于：多个过 程变量发射机或控制器可以以串联的方式耦合在单个过程控制回路上。回路上的每一设备 具有一个地址，从而可以识别发往其自身的消息。类似地，由现场设备发送的消息可以包括 该设备的地址，从而可以识别发送者。
【发明内容】
[0008] 耦合至过程控制回路的诊断设备包括：被配置为从过程控制回路接收数字通信信 号的数字通信电路。数字通信信号是过程控制回路上被调制成代表数字值的多个离散模拟 信号电平的数字调制模拟信号。诊断电路基于所述数字调制模拟信号对过程控制回路的操 作进行诊断。
【附图说明】
[0009] 图1是包括双线过程控制回路的过程控制或监控设施的简化图。
[0010] 图2是过程控制回路诊断设备的简化框图。
[0011] 图3A和3B是回路电流I与时间的关系曲线图。
[0012] 图4更详细地示出了图2的数字通信电路。
[0013] 图5更详细地是出了过程控制回路诊断设备。
【具体实施方式】
[0014] 本发明涉及过程控制回路中的诊断，所述诊断包括：诊断使用在双线过程控制回 路本身中的接线（wiring)，以及诊断与过程控制回路连接的其他设备。具体地，本发明提供 的诊断包括：检测根据基于现场总线的协议操作的双线过程控制回路中的故障或潜在故障 组件，在基于现场总线的协议中，多个设备可以连接至单个双线过程控制回路。
[0015] 图1是示出了过程控制或监控系统10的简化图，过程控制或监控系统10包括耦 合至过程管道16的现场设备12和14。设备12和14耦合至单个双线过程控制回路18,单 个双线过程控制回路18继而耦合至控制室20。图1还示出了耦合至回路18的双线过程 控制回路诊断设备22。回路18承载电流I，电流I可以用来向回路18上的所有现场设备 供电，并且能够在控制室20处产生。通过将数字信号调制在回路电流I上，在回路18上以 数字方式发送信息。例如，设备12和14可以包括唯一地址，从而能够唯一地识别其发送的 消息，并且识别发往它们的接收消息。设备12和14可以包括任何类型的现场设备，所述现 场设备包括过程变量发射机和控制器。过程控制回路18在段终止器24处终止。术语"段 (segment) "是指双线过程控制回路18的全部或一部分。
[0016] 图2是类似于图1所示的设备22的、根据本发明的双线过程控制回路诊断设备50 的简化框图。诊断设备50耦合至双线过程控制回路18,并包括数字通信电路52和诊断电 路54。在一些配置中，可以以现场设备12、现场设备14、独立的诊断设备22和/或控制室 20实现双线过程控制回路诊断设备50。
[0017] 操作过程中，数字通信电路52从双线过程控制回路18接收数字通信信号。该数 字通信信号包括已经过数字调制的模拟信号。这样的调制基于现有技术。例如，可以使回 路电流I周期性改变，使得特定阈值之上的变化代表二进制1，特定阈值之下的变化代表二 进制0。在图3A中示出了这样的配置，图3A是回路电流I与时间的关系曲线图。在图3A 中，已将曲线图的时间轴划分成五个时间段AciU1U2UjP 14。在时间段h期间，电流电平 I是不确定的，并代表a 0或a 1。在时间段^和％期间，电流电平I代表二进制0。类似 地，在时间段12和13期间，回路电流电平I代表二进制1。如图3B所示，另一数据编码技 术能够将每一比特周期分成两个相等的部分。二进制1由在比特时间的前半部分大于阈值 而在后半部分小于阈值的电流电平来表示。二进制0由在比特时间前半部分大于阈值而在 后半部分小于阈值的电流电平表示。
[0018] 图2中所示的诊断电路54基于数字调制模拟信号I执行诊断。更具体地，诊断电 路54基于数字调制模拟信号的模拟特性来执行诊断，数字调制模拟信号的模拟特性包括： 信号幅度、波形、电流、误比特率（BERT)、段阻抗、或通过监控回路18上的电流获得的其他 参数。此外，通过监控哪个设备发送了特定的信号，诊断电路54可以识别回路18上已发生 故障或未来将发生故障的具体设备。
[0019] 图4是诊断设备50的更详细的图，并且更详细地示出了数字通信电路52的一种 配置。数字通信电路52包括：以串联方式与输入/输出（I/O)电路62耦合的感测电阻60 和双线过程控制回路18上的其他设备。信号感测电路64跨接在感测电阻60两端，并向诊 断电路54提供输出。诊断电路54可选地连接至I/O电路62。I/O电路62被配置成通过 过程控制回路18进行数字通信，并在一些配置中被配置成向诊断设备电路供电，所述电能 是通过回路18从回路电路I中产生。信号感测电路64接收与回路电流I相关的、跨感测 电阻60产生的电压信号。信号感测电路可以可选地对该信号进行放大，将该信号进行数字 化，并在向诊断电路54提供电压信号的数字表示之前，可选地执行附加预处理。信号感测 电路64可以包括例如数字信号处理（dsp)集成电路及相关硬件。
[0020] 图5是被配置成过程变量发射机或过程控制器的诊断设备的简化图。在图5中， 以数字控制器70和存储器72来实现所示的珍断电路54。例如，控制器70可以包括根据存 储器72中的程序指令进行操作的微处理器等。过程接口 76可以包括用于感测过程变量的 过程变量传感器，或可以包括用于例如通过定位阀门来控制过程的控制元件。当被配置为 过程变量传感器时，元件74包括向控制器70提供数字信号表示的模拟到数字转换器及相 关电路。控制器70被配置成通过回路18发送与所感测的过程变量相关的信息。类似地， 如果过程接口 76被配置为控制元件时，元件74包括数字到模拟转换器及相关电路，将来自 控制器70的数字信号转换成用于控制过程的模拟值。
[0021] 可以以图1中所示的任一示例设备来实现诊断设备，所述任一示例设备包括：过 程变量发射机或控制器、独立诊断设备22、或控制室电路20。在一种配置中，提供可以用来 向操作者显示诊断信息的可选显示器78。该显示器可以提供诊断帮助状态，并且本地显示 器是回路段上的所有设备的指示。在本质安全（intrinsically safe)的配置中，诊断可以 位于本质安全防护栏（intrinsic safety barrier)的本质安全侧，从而提供更详细和精确 的诊断，包括对本质安全栏本身的诊断。
[0022] 可以通过具备表征段的能力，使由诊断电路54执行的诊断适于每一独立双线过 程控制回路段。当最初将诊断设备安装在新的或现有段上时，由于每一现场设备执行正常 的过程通信，设备可以分析来自每一现场设备的通信。例如，可以将该信息保存在存储器72 中，单独地用作每一设备的未来参考状态。该保存数据可以用来识别正常操作，并提供用于 后续诊断的基准。采用这种方式的每一设备的特征可以实现更精确的诊断。此外，可以将 每一设备与符合诸如现场总线协议等特定通信协议的标准进行比较，以确保设备符合适当 的标准。
[0023] 由诊断电路54执行的一个示例测量基于来自单独现场设备的数字调制模拟 信号的幅度。在这样的配置中，可以将幅度与所存储的阈值（或幅度签名（amplitude signature))进行比较，如果幅度超出那些阈值，则可以提供故障指示。如果单个设备未通 过测试，故障指示可以是发送信号的设备可能发生故障的指示。另一方面，如果多个设备未 通过这样的测试，则故障指示可以指示除特定设备以外的问题。例如，回路18的特定段内 的接线，或控制室20内的电源故障等。这种诊断的优点包括，在实际故障之前，检测特定双 线回路段中即将出现的故障。这允许以最小停机时间维修双线回路段。附加诊断可以包括 检测限幅波形，限幅波形可能指示现场设备的静态电流的可能的增加，从而引起非平衡调 制。限幅信号另一潜在原因是现场设备处的不充足端电压。这可能由于电源电压造成的， 或者在固有安全配置下由故障本质安全防护栏导致的。
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