CN101454732A - 用于无线诊断的设备、系统和方法 - Google Patents

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CN101454732A CNA2007800192194A CN200780019219A CN101454732A CN 101454732 A CN101454732 A CN 101454732A CN A2007800192194 A CNA2007800192194 A CN A2007800192194A CN 200780019219 A CN200780019219 A CN 200780019219A CN 101454732 A CN101454732 A CN 101454732A
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Abstract

本公开涉及分布式控制系统和用于无线诊断的设备、系统和方法。利用新通信协议的现场装置可添加到现有工艺控制系统。为避免需要升级工艺控制器(202)或相关电路系统(216－220)以支持新通信协议，诊断集中器(228－232)可添加到控制系统以在现场装置与诊断监视器(238)之间建立另外的通信路径。

Description

用于无线诊断的设备、系统和方法
技术领域
本公开概要地涉及分布式控制系统，更具体地说，涉及用于无线诊断的设备、系统和方法。
背景技术
工艺装置(process plant)一般是个复杂的多元化实体，如为通常是行业特定性的经济和其它准则而操作的物理元件的结构化组织。工艺装置通常具有能够影响其运作和/或受其运作影响的多个不同利益相关者。今天，对许多工艺装置的操作至关重要的是工艺控制系统，它确保测量适当的参数并采取措施，装置操作人员了解信息，异常情况得以识别和定位，以及业务过程得以整合。自动化和控制系统在各种各样的应用中采用，如精炼和石化工厂、石油和天然气供应链、纸浆和纸张制造、发电、化工生产、粮食生产、废水处理、各别分离性产品制造、电缆敷设船、管道通风控制及采矿作业。.
工艺控制系统一般包括与诸如工艺传感器、工艺激励器和用户接口等现场装置通信的工艺控制器。工艺控制器可从工艺传感器接收工艺变量的测量值，并可控制工艺激励器的位置以保持工艺变量在所需范围内。工艺控制器与其节点之间的各种通信协议已开发。在开发出新的通信协议时，可升级工艺控制器以支持这些新通信协议。
然而，利用新的通信协议的现场装置可“后向兼容”。也说是说，尚未升级的工艺控制器虽然不能利用现场装置的全部功能，但可能能够与此类现场装置在一定的最低级别通信。
由于几个原因，利用新的通信协议的现场装置可添加到现有工艺控制系统而无需升级工艺控制器。升级工艺控制器或相关电路系统以支持新通信协议可能要求在进行升级时关闭工艺装置的所有或重要部分的操作。升级工艺控制器或相关电路系统也可认为是太昂贵的。
发明内容
本公开内容提供用于无线诊断的设备、系统和方法。
在第一实施例中，设备包括能够接收从现场装置发送到工艺控制器的信号的第一接口。信号包括主工艺变量和附加信息。设备也包括控制器，该控制器能够生成对应于已接收的附加信息的消息。另外，设备包括能够发射所生成的消息的第二接口。
在特定实施例中，第一接口是HART接口。在其它特定实施例中，第二接口是无线接口或网络接口。在还有的其它特定实施例中，消息发射到诊断监视器或工艺控制器。
在还有的其它特定实施例中，第一接口能够接收从多个现场装置发送到工艺控制器的多个信号。每个信号包括主工艺变量和附加信息。控制器也能够生成对应于多个已接收信号中的多个附加信息的多个消息。所述第二接口还能够发射所述多个消息。
在第二实施例中，系统包括现场装置和工艺控制器，工艺控制器能够经现场装置协议通信链路与现场装置通信。系统也包括能够接收由现场装置发射到工艺控制器的信号的诊断集中器。信号包括主工艺变量和附加信息。诊断集中器也能够发射对应于附加信息的消息。
在第三实施例中，方法包括接收由现场装置发送到工艺控制器的信号。信号包括主工艺变量和附加信息。方法也包括发送对应于已接收信号中附加信息的消息。
从下面的附图、描述和权利要求中，本领域的技术人员可轻松明白其他技术特征。
附图说明
为更完整地理解本公开，现在将结合附图对随后的描述进行说明，附图中：
图1示出用于分布式工艺控制的示例系统；
图2示出根据本公开的一个实施例，用于分布式工艺控制的示例系统；
图3示出根据本公开的一个实施例的示例诊断集中器；以及
图4示出根据本公开的一个实施例，用于监视由现场装置发射的诊断数据的示例方法。
具体实施方式
图1示出用于工艺控制的示例系统100。工艺控制器102可与现场装置的组104-108通信。现场装置可表示例如工艺发射器或工艺接收器。工艺发射器可在输入端测量与诸如压力传感器传感的压力等工艺变量成比例的模拟电压。测量的工艺变量值可称为主工艺变量。工艺发射器可在输出端产生与输入端上电压成比例的信号，如模拟电流。与此相反，工艺接收器可在输入端上从工艺控制器102接收信号。输入端上的信号可与例如阀门的所需位置成比例。
组104-108中工艺发射器的输出和工艺接收器的输入可经现场终端部件(FTA)116-120由线对110-114耦合到工艺控制器102。在一些实施例中，多达32个现场装置可耦合到单个FTA。FTA 116-120一般通过多芯电缆122-126电连接到工艺控制器102。FTA一般包括处理发送至工艺控制器102的以及从其发送的信号的电路系统。因此，工艺控制器可经工艺控制器与每个节点之间的单个专用链路，与诸如工艺发射器和工艺接收器等现场装置通信。
线对110-114上的每个信号可以是例如在4-20毫安范围的模拟电流。第二信息也可通过使用诸如可寻址远程传感器高速通道(HART)协议的一个或多个现场装置协议，在工艺控制器102与现场装置组104-108之间通信。在HART协议通信链路中，第二信道作为低电压、低电流和高频信号分量叠加在模拟电流上。第二信道编码为二进制频移键控(FSK)，其中，1200Hz频率表示二进制1，2200Hz频率表示二进制0。
在HART协议中，通信链路任一端可通过FSK信道将第二信息发射到另一端。例如，工艺发射器可将诸如泵体温度等第二工艺变量的值发射到工艺控制器102。工艺控制器102可将校准命令发射到工艺发射器。工艺控制器102也可将用于维护信息的请求发射到工艺接收器，并从工艺接收器接收自激励器的上次维护以来操作的小时数的指示。
备选，工艺控制器102可使用任何其它或另外的现场装置协议与现场装置通信。其它现场装置协议包括基金会现场总线H1、Modbus、Profibus和WorldFIP。
现场装置通信协议一般不仅提供用于工艺变量的通信，而且也提供用于诊断消息的通信。工艺发射器或工艺接收器可将诊断消息发射到工艺控制器102。此类消息可包括有关现场装置操作状况的信息，如：超出工艺变量范围(主要、第二、第三或第四)；现场装置硬件故障；另外的状态可用；主变量模拟输出已固定；以及主变量模拟输出已饱和。
然而，能够发射例如HART诊断消息的现场装置可安装到工艺控制器102与现场装置组104-108之间只采用模拟电流信令的控制系统100中。此类现场装置将能够在最低级别的功能操作，因为它们能够发射和接收如工艺控制器102所要求的模拟电流信号。类似地，在工艺控制器102与使用另一协议的现场装置组104-108通信的场合，新安装的装置可能够发送工艺控制器102不能够显示或利用的诊断消息。要充分利用此类新的现场装置的能力，可能要求修改工艺控制器102和FTA 116-120两者。
此类修改一般将要求为新装备支出资本，并且可能要求关闭正在控制的工艺的所有或重要部分。此外，诊断消息的接收要求可能只来自较少量的现场装置，这在证明应该对工艺控制系统100其余部分进行重大更改方面形成了进一步的困难。
图2示出根据本公开的一个实施例，用于分布式工艺控制的示例系统200。工艺控制器202经多芯电缆222-226、FTA 216-220和线对组210-214与现场装置组204-208通信。为描述本公开的示例实施例，将使用向模拟电流控制系统添加HART协议现场装置进行说明。然而，将理解，在不脱离本公开范围的情况下，可采用利用其它现场装置协议的通信链路。
在能够发送HART诊断消息的现场装置添加到现场装置组204-208的场合，诊断集中器228-232可添加到控制系统200。诊断集中器228-232可并联地电连接到将具HART功能的现场装置耦合到FTA的线对。由此，诊断集中器228例如能够接收包含在现场装置与工艺控制器202之间发送的模拟电流及传递由现场装置发送的HART诊断信息的FSK信道的信号。诊断集中器228随后可生成包含诊断信息的消息，并将消息以无线方式发射到无线网关236。无线网关随后可经诸如TCP/IP或以太网网络等的网络240将消息发射到诊断监视器238。
类似地，诊断集中器230可耦合到组206中发送HART诊断信息的现场装置，并且诊断集中器230可经无线网关236将包含该信息的消息发射到诊断监视器238。与此相反，诊断集中器232可直接耦合到网络240。由此，诊断集中器232能够将诊断信息消息从组208中具HART功能的现场装置的信号直接发射到诊断监视器238。在其它实施例中，诊断监视器238可以能够进行无线通信，并且因此能够直接接收由诊断集中器228和230以无线方式发射的诊断信息消息。
通过将诊断集中器228-232分别定位在FTA 216-220附近，每个诊断集中器可用于从多个现场装置收集诊断信息。实际上，诊断集中器可位于装有FTA的装备机柜内，并耦合到无线天线或位于机柜壁中的网络连接器。然而，无线装置234也可位于现场装置附近。像诊断集中器228和230一样，该无线装置能够电连接到将现场装置耦合到FTA 216的线对，生成对应于现场装置发送的诊断信息的消息，并经无线网关236将消息以无线方式发射到诊断监视器238。然而，无线装置234可只从单个现场装置收集诊断信息。
为了解释现场装置发送的HART诊断消息，无线装置234和诊断集中器228-232必须配置有关于HART装置的信息，如装置地址，以便来自应用(控制系统或监视系统或软件程序)的装置请求通过网关236、诊断集中器228-232或无线装置234路由到适当的现场装置。
HART“装置描述符”是一般由具HART功能的装置制造商公布的信息，以使得工艺控制器制造商能够有效地利用其现场装置。耦合到网络240的配置工具可用于通过来自装置描述符的信息配置HART现场装置组204-208和诊断集中器228-232，以便监视现场装置，获得诊断信息。配置工具可经诊断集中器232和网络240与现场装置组208通信。配置工具可经无线网关236再经无线装置234以及诊断集中器228和230与现场装置组204和206通信。
诊断集中器228-232和无线装置234可能在几种环境中使用。工艺控制器202和FTA 216-220可能无法处理由新安装的现场装置发送的诊断信息。工艺控制器202可能够处理诊断信息，但提供信息的现场装置可能通过不能处理诊断信息的FTA连接。在使用现场装置协议，而在该协议中主工艺变量和诊断信息消息以相同格式(例如，基金会现场总线H1)发送的场合，工艺控制器202可能无法处理FTA216-220正在转发的诊断信息。
此外，工艺控制器可能受限于1级闭环工艺控制，而单独的处理平台却被期望用于2级统计工艺控制或3级优化、历史信息或维护监视应用。最后，工艺控制器202和FTA 216-220可能够处理诊断信息，但工艺控制器的所有处理能力可能用于执行工艺控制算法，而没有处理能力可用于执行诊断监视功能。
在这些环境的各种环境中，如在图2由备选耦合242和244所示，本公开的其它实施例可能实现。工艺控制器202可具有网络接口，并且能够接收和处理由诊断集中器228-232和无线装置234收集的诊断信息。由此，如244所示，无线网关236和诊断集中器232可直接耦合到工艺控制器202。在1级、2级和3级处理分布在工艺控制器202与诊断监视器238之间的场合，无线网关236可基于已接收信息的性质或身份决定要将已接收诊断信息发送到何处。
在工艺控制器202不能接收，或者过载而无法处理收集的诊断信息的场合，诊断监视器238可接收和处理信息。诊断监视器238可具有用户接口，在发生需要系统操作员采取措施的状况时，如在工艺变量超出范围或者现场装置报告操作故障时，它通过该接口提示系统操作员。在本公开的另一实施例中，如242所示，诊断监视器238可以通信方式耦合到工艺控制器202。由此，诊断监视器238感测到的报警和故障警告可通过信号发送到工艺控制器202并经工艺控制器202的用户接口向系统操作员显示。
虽然图2示出用于分布式工艺控制的系统200一个示例，但可对图2进行各种更改。例如，系统200能够包括任何数量的工艺控制器、现场终端部件、诊断集中器、诊断监视器、无线网关、无线装置及现场装置。
图3示出根据本公开的一个实施例的示例诊断集中器300。集中器300可包括耦合到存储器304的控制器302。存储器304可存储由控制器302执行的指令和在指令执行期间使用的数据。控制器302可经网络接口306和网络连接310与例如图2的网络240上的其它装置通信。集中器300也可经无线接口314和天线318与例如图2的无线网关236通信。
诊断集中器300可经HART接口308A-308C，耦合到例如图2线对组214中的一个或多个HART协议通信链路。在工艺控制器和现场装置只使用模拟电流通信的场合，HART接口308A-308C可在FSK信道中向现场装置发射信息和从现场装置接收信息。在HART协议通信已经在工艺控制系统中使用的场合，HART接口308A-308C可只接收FSK信道。
每个这些组件包括用于执行所需功能的任何适合的硬件、软件、固件或其组合。例如，控制器202能够表示数字信号处理器，并且存储器304能够表示一个或多个易失性和/或非易失性储存和检索装置。网络接口306能够表示以太网网络接口或其它网络接口。HART接口308A-308C能够表示用于在组210-214中的线对上通信的电路系统。
虽然图3示出诊断集中器300一个示例，但可对图3进行各种更改。例如，诊断集中器300能够包括任何数量的控制器、存储器、网络接口、无线接口和HART接口。另外，HART接口308A-308C能够替换为支持任何其它适合现场装置协议的接口。
图4示出根据本公开的一个实施例，用于监视由现场装置发射的诊断数据的示例方法400。方法400参照图2的工艺控制系统200和图3的诊断集中器228描述。在步骤402中，诊断集中器228接收由组204中现场装置发送到工艺控制器202的信号。在现场装置使用HART协议与工艺控制器202正在通信的场合，已接收信号是传递主工艺变量的模拟电流和传递附加信息的叠加的FSK信道。在使用基金会现场总线H1协议的场合，主工艺变量和任何附加信息都是数字格式。
在步骤404中，诊断集中器从在步骤402中已接收的信号提取任何诊断信息，并且在步骤406中，生成包含该诊断信息的消息。在步骤408中，诊断集中器通过网络接口306和无线接口314之一或两者发射该消息。该消息可发射到诊断监视器238或工艺控制器202。步骤402-408可根据需要执行以处理在一个或多个HART接口308A-308C上接收的信号。
在步骤410中，诊断监视器238或工艺控制器202接收由诊断集中器228发射的诊断信息消息。该信息被监视或分析以了解是否有工艺变量超出范围，现场装置报告操作故障或需要由系统操作员采取措施的其它状况。
在本文使用时，术语“无线”通信指经例如空气等环境介质的数据传输。非无线通信包括经物理管道、信道或其它通信路径的数据传输实现的通信。用于非无线通信的此类物理通信路径的示例包括铜或其它导线、光纤、同轴和其它电缆及任何过多的其它已知(或要开发)的通信或传输线路。任一术语(无线或非无线)不暗示特定结构，也不暗示使用特定的频带、波长、比特率或调制协议。
陈述此专利文档通篇使用的某些字词和用语的定义可能是有利的。术语“包括”和“包含”及其派生词的意义是无限制的包含。术语“或”是包含性的，意义是“和/或”。用语“相关”和“与其相关”及其派生词可指包括、包括在内、互连、包含、包含在内、连接、耦合、可传达、协作、交错、并列、相邻、约束、具有、具有属性或诸如此类。术语“控制器”指控制至少一个操作的任何装置、系统或其一部分。控制器可以硬件、固件、软件或至少两个相同物(如处理器、ASIC、PPGA或使用软件或固件指令操作的其它装置)的某些组合实现。与任何特定控制器相关的功能可在本地或远程集中或分布。
虽然本公开已描述某些实施例和一般相关的方法，但本领域的技术人员将明白这些实施例和方法的变化和置换。相应地，上述示例实施例的说明不限定或约束本公开。在不脱离如所附权利要求定义的本公开的实质和范围的情况下，其它更改、替代和变化也是可能的。

Claims (10)

1.一种设备，包括：
第一接口(308A-308C)，能够接收从现场装置(204、206、208)经现场装置协议通信链路(210、212、214)发送到工艺控制器(202)的信号，所述信号包括主工艺变量和附加信息；
控制器(302)，能够生成对应于所述附加信息的消息；以及
第二接口(306、314)，能够发射所述消息。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述第二接口(306、314)是以下之一：无线接口(314)和网络接口(306)。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述现场装置协议通信链路(210、212、214)是HART通信链路。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述消息发射到以下之一：所述工艺控制器(202)和诊断监视器(238)。
5.如权利要求1所述的设备，其中：
所述第一接口(308A-308C)还能够接收从对应的多个现场装置(204、206、208)发送到所述工艺控制器(202)的多个信号，每个信号包括主工艺变量和附加信息；
所述控制器(302)还能够生成对应于所述多个信号中的所述附加信息的多个消息；以及
所述第二接口(306，314)还能够发射所述多个消息。
6.一种系统，包括：
现场装置(204、206、208)；
工艺控制器(202)，能够经现场装置协议通信链路(210、212、214)与所述现场装置(204、206、208)通信；以及
诊断集中器(228、230、232、234)，能够：
接收由所述现场装置(204、206、208)经所述现场装置协议通信链路(210、212、214)发送到所述工艺控制器(202)的信号，所述信号包括主工艺变量和附加信息；以及
发射对应于所述附加信息的消息。
7.如权利要求6所述的系统，还包括诊断监视器(238)，其中：
所述消息经以下之一发射：无线通信链路和网络(240)；以及
所述消息发射到以下之一：所述工艺控制器(202)和所述诊断监视器(238)。
8.如权利要求6所述的系统，还包括多个现场装置(204、206、208)，其中：
所述工艺控制器(202)还能够经对应的多个现场装置协议通信链路(210、212、214)与所述多个现场装置(204、206、208)通信；以及
所述诊断集中器(228、230、232、234)还能够：
接收由所述多个现场装置(204、206、208)经所述多个现场装置协议通信链路(210、212、214)发送的多个信号，每个信号包括主工艺变量和附加信息；以及
发射对应于所述多个信号中的所述附加信息的多个消息。
9.一种方法，包括：
接收由现场装置(204、206、208)经现场装置协议通信链路(210、212、214)发送到工艺控制器(202)的信号，所述信号包括主工艺变量和附加信息；以及
发射对应于所述附加信息的消息。
10.如权利要求9所述的方法，其中：
接收信号，包括接收由多个现场装置(204、206、208)经多个现场装置协议通信链路(210、212、214)发送到所述工艺控制器(202)的多个信号，每个信号包括主工艺变量和附加信息；以及
发射消息，包括发射对应于所述多个信号中的所述附加信息的多个消息。
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