изменяемый полевой прибор для техники автоматизации процессов и способ передачи данных для полевых приборов техники автоматизации процессов

Формула изобретения

1. Изменяемый полевой прибор для автоматизации процессов, который для передачи данных присоединен к среде связи и функции которого могут быть согласованы с конкретным применением, так что он выполняет только необходимые пользователю функции, причем изменяемый полевой прибор состоит из собственно полевого прибора, который выполняет только лишь основную функцию, и отдельно расположенных функциональных блоков, которые выполняют специфические для конкретного применения функции, при этом собственно полевой прибор и отдельно расположенные функциональные блоки присоединены к среде связи, которая выполнена в виде канала передачи данных, посредством которого происходит обмен данными между собственно полевым прибором и функциональными блоками.

2. Изменяемый полевой прибор по п.1, отличающийся тем, что среда связи КМ является двухпроводной линией электропитания.

3. Изменяемый полевой прибор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в среде связи КМ предусмотрено несколько каналов передачи данных, к которым возможен параллельный доступ.

4. Изменяемый полевой прибор по п.3, отличающийся тем, что параллельный доступ осуществляется с помощью одного из способов передачи FDMA, TDMA или CDMA.

5. Изменяемый полевой прибор по п.2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью передачи данных в среду связи КМ без информации о передатчике данных и приемнике данных.

6. Изменяемый полевой прибор по п.2, отличающийся тем, что скорость передачи данных в среде связи КМ составляет более 31,25 кбит/с.

7. Изменяемый полевой прибор по п.2, отличающийся тем, что среда связи КМ является скрученной двухпроводной линией.

8. Изменяемый полевой прибор по п.3, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью согласования скорости передачи данных для каждого канала передачи данных в соответствии с конкретным применением.

9. Изменяемый полевой прибор по п.4, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью непрерывного контроля пропускной способности канала передачи данных и соответственно согласования скорости передачи данных этого канала.

10. Изменяемый полевой прибор по п.9, отличающийся тем, что полевой прибор А,соответственно В выполнен в виде кориолисового измерителя массового расхода, обеспечивающего более 100 измерений в секунду, и передачу соответствующих величин измерения через один из каналов передачи данных.

11. Изменяемый полевой прибор по п.10, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью измерять за одно измерение, по меньшей мере, 3 величины измерения, а именно массовый расход, плотность и температуру протекающей в расходомере среды.

12. Изменяемый полевой прибор по п.10, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью передавать дополнительно к величинам измерения метку времени.

13. Изменяемый полевой прибор по п.10, отличающийся тем, что величины измерения передаются в виде величин с плавающей запятой с 32 битами (IEEE-формат).

14. Способ передачи данных для полевых приборов техники автоматизации процессов, которые соединены со средой передачи данных, отличающийся тем, что данные от полевых приборов передают независимо друг от друга в отдельные функциональные блоки, которые соответствуют полевым приборам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к изменяемому полевому прибору для техники автоматизации процессов, а также к способу передачи данных для полевых проборов техники автоматизации процессов.

В технике автоматизации процессов применяют различные полевые приборы, которые служат для измерения и/или влияния на переменные величины процесса. Примерами таких полевых приборов являются приборы для измерения уровня наполнения, приборы для измерения массового расхода, давления и температуры, приборы для измерения величины рН восстановления и окисления, приборы для измерения пропускной способности и т.д., которые служат для измерения соответствующих переменных величин процесса, таких как уровень наполнения, расход, давление, температура, величина рН или пропускная способность. Множество таких полевых приборов изготавливает и продает фирма Endress+Hauser®). Часто полевые приборы соединены через полевую шину с соответствующими блоками, например с системами управления процессом или управляющими блоками. Эти вышестоящие блоки служат для визуального отображения процесса, контролирования процесса, а также для обслуживания подключенных к полевой шине полевых приборов.

Примерами таких систем полевых шин являются CAN®, CAN-OPEN, HART®/ Profibus® PA, Profibus® DP, Profibus® FMS, Foundation® Fieldbus и т.д.

С помощью этих систем полевых шин можно не только передавать измерительные данные от датчика в центральный управляющий блок, но также осуществлять дистанционное управление полевыми приборами из системы управления процессом. Для этого необходимы специальные компоненты аппаратного обеспечения и программного обеспечения как в полевом приборе, так и в системе управления.

Современные полевые приборы имеют все больше функций, которые непосредственно или опосредованно являются производными собственно задачи полевого прибора по измерению параметров процесса. Изготовители полевых приборов пытаются придать полевым приборам по возможности больше функций, чтобы обеспечить выполнение «всех», т.е. также специальных пожеланий покупателей.

Основная часть этих функций реализуется в полевых приборах микропроцессорами. Ранее почти вся вычислительная мощность этих микропроцессоров использовалась для собственной задачи измерения.

Современные микропроцессоры обеспечивают достаточную вычислительную мощность в полевых приборах для реализации множества функций. Это наглядно демонстрируют два кориолисова устройства измерения массового расхода фирмы Endress+Hauser®. Если в 1989 году прибор m-Point® имел 37 полей обслуживания, то в настоящее время прибор Promass® 83 имеет уже 329 полей обслуживания, которые должен осваивать пользователь.

Этот прирост числа функций означает, с одной стороны, на стороне изготовителя приборов повышенные затраты на разработку и изготовление, а на стороне пользователя - повышенные затраты на использование. На обеих сторонах это связано со значительными затратами.

В этой связи можно назвать, среди прочего, сложные инструкции и расходы на обучение обслуживающего приборы персонала.

Отдельным пользователям необходимы, как правило, не все имеющиеся функции, а лишь строго определенные.

Кроме того, пользователю больше не совсем ясно, как в таком сложном полевом приборе происходит дальнейшая обработка измеренной величины, и какое влияние оказывают определенные изменения параметров на эту дальнейшую обработку. Например, при изменении единицы измерения, например, с литра на галлоны, преобразуется ли первоначальная величина измерения сразу или же она соответственно изменяется лишь для индикации. Последствия такого изменения единицы измерения для производных от первоначальной величины измерения величин, является для пользователя вообще не ясным.

Поэтому задачей изобретения является создание полевого прибора для техники автоматизации процессов, который имеет лишь необходимые для пользователя функции, т.е. выполнен с возможностью приспособления для специального применения, является простым и дешевым в изготовлении, а также прост в обращении и ясен для пользователя относительно дальнейшей обработки величины измерения.

Эта задача решена с помощью указанного в пункте 1 формулы изобретения полевого прибора, соответственно, указанного в пункте 14 формулы изобретения способа.

Предпочтительные модификации изобретения указаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Основная идея изобретения состоит в том, что функции полевого прибора соответствующим образом распределяются. Собственно полевой прибор обеспечивает лишь несколько основных функций (например, создание величины измерения). Специальные для применения функции (например, частотные или импульсные выходы) реализуются отдельными функциональными блоками, которые выполнены отдельно от прибора. Полевые приборы и функциональные блоки соединены с соответствующей средой связи для обмена данными.

За счет этого полевой прибор является очень изменяемым и обеспечивает приспособление к специальным применениям. Он не имеет никаких ненужных функций. Обслуживание такого полевого прибора также является крайне простым, поскольку он имеет лишь необходимые для пользователя функции. Кроме того, для пользователя становится ясным дальнейшая обработка величины измерения. Полевой прибор выдает величину измерения, которая далее обрабатывается в соответствующих функциональных блоках.

За счет простой конструкции изменяемый полевой прибор является дешевым в изготовлении и применении.

В одной модификации изобретения среда связи является двухпроводной линией электропитания, через которую полевые приборы и функциональные блоки снабжаются током и напряжением.

В одной модификации изобретения среда связи обеспечивает параллельный доступ в несколько каналов передачи данных. Таким образом, величины измерения различных полевых приборов можно передавать одновременно или квазиодновременно.

Параллельный доступ может осуществляться с помощью одного из известных способов передачи, например FDMA (множественный доступ с разделением частот), TDMA (множественный доступ с временным уплотнением каналов) или CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов).

Передача данных в среде связи происходит без информации о передатчике данных и приемнике данных. За счет этого передача данных является соответственно простой и быстрой, и не применяется сложный протокол связи.

Скорость передачи данных в среде связи должна составлять более 31,25 кбит в секунду для обеспечения возможно быстрой дальнейшей обработки данных.

Среда связи может быть, например, скрученной двухпроводной линией.

Согласно одной модификации изобретения скорость передачи данных можно согласовывать для каждого канала передачи данных в соответствии с применением. За счет этого полевые приборы, которые измеряют быстро изменяющиеся переменные процесса, могут относительно быстро передавать свои данные через среду передачи.

Согласно одной модификации изобретения непрерывно контролируется пропускная способность канала передачи данных и соответственно согласовывается скорость передачи данных этого канала. Тем самым уменьшается влияние помеховых сигналов (например, переключательных импульсов).

В одном специальном варианте выполнения полевой прибор является кориолисовым измерителем массового расхода, который выполняет более 100 измерений в секунду и передает соответствующие величины измерения через каналы передачи данных.

В одной модификации изобретения с помощью кориолисова измерителя массового расхода измеряются 3 величины измерения, а именно массовый расход, плотность и температура протекающей среды.

Дополнительно к этому величины измерения передаются с меткой времени для обеспечения точного соотнесения измерения и момента измерения.

Величины измерения предпочтительно передаются в виде величин с плавающей запятой с 32 битами (IEEE-формат).

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, где изображена блок-схема двух изменяемых полевых приборов, соединенных через среду связи с различными функциональными блоками.

На чертеже схематично показаны два полевых прибора А, В. Каждый из этих полевых приборов А, В является кориолисовым измерителем массового расхода. Оба полевых прибора А, В через среду связи КМ соединены с несколькими функциональными блоками IA, FA, IB, SB и X. Кроме того, среда связи КМ, которая может быть обычной двухпроводной линией, соединена с указательным блоком АЕ. Снабжение напряжением полевых приборов А, В, функциональных блоков IA, FA, Ю, SB и X, а также указательного блока АЕ осуществляется через блок питания от сети NT. Через модем М среда связи КМ соединена с другой сетью LAN (местная сеть), к которой подключен, например, вычислительный блок RE. Таким образом, можно, например, передавать величины измерения полевых приборов для контролирования процесса или отображения процесса в вычислительный блок RE. Указательный блок АЕ служит для указания величин измерения, соответственно, информации состояния обоих полевых приборов А, В.

Функциональный блок 1А является выходом тока. Функциональный блок FA является частотным выходом. Такие выходы тока, соответственно, частоты известны из обычных полевых приборов, в частности, кориолисовых измерителей массового расхода.

Обозначенная позицией АХ-функция является любым не заданным конкретно функциональным блоком с соответствующим выходом. Функциональный блок 1 В является также выходом тока, а функциональный блок SB является выходом состояния.

Ниже приводится подробное описание функции изобретения.

Функции полевых приборов А, соответственно, В распределены на функциональные блоки IA, FA, соответственно, IB, SB, которые расположены отдельно от полевых приборов.

Оба полевых прибора А и В обеспечивают основные функции, как, например, создание величин измерения. В кориолисовом измерителе массового расхода ими являются массовый расход, плотность и температура протекающей через расходомер среды. Специфичные для применения функции реализуются в дополнительных отдельных функциональных блоках IA, FA, IB, SB, X.

Каждый полевой прибор А, В передает свои данные (величины измерения) через среду связи КМ в соответствующий функциональный блок IA, FA, X, соответственно, IB, SB, где данные подвергаются дальнейшей обработке.

Если пользователю необходимы три частотных выхода в одном полевом приборе, то ему необходимы лишь соответствующие функциональные блоки. За счет того, что полевые приборы не имеют лишние функциональные блоки, они являются дешевыми и простыми в использовании.

Приведенная ниже оценка дает потребность в эффективной ширине полосы подключенного к среде связи КМ полевого прибора, когда при одном измерении определяются 4 величины измерения (например, массовый расход, плотность, температура и дополнительная величина измерения), снабжаются временной меткой и в виде величин с плавающей запятой передаются 32 битами (IEEE-формат). Получаем

200/с×(4×32 бит+32 бит)=32000 бит/с.

Для обеспечения также данными о конфигурации эффективная ширина полосы увеличивается до 50000 бит/с.Если добавить к этому еще заголовок и предохранительный промежуток, то потребность, например, полевого прибора А в ширине полосы составляет примерно 100 кбит/c.

В зависимости от допустимой ширины полосы передачи среды связи КМ можно подключать соответствующее количество полевых приборов. Ширина полосы передачи зависит, среди прочего, от числа подключенных компонентов, длины линии (среды связи) и от типа линии (экранированная или неэкранированная). При ширине полосы 2 Мбит к среде связи КМ можно подключать примерно 20 абонентов (полевых приборов) и одновременно передавать данные без взаимных помех.

Такие скорости передачи данных позволяют использовать обычные компоненты техники связи (телекоммуникационные или сетевые компьютерные), которые производятся в массовых количествах. За счет применения таких компонентов можно очень экономично изготавливать изменяемые полевые приборы, согласно изобретению, а также необходимые функциональные блоки.

Известными способами передачи данных являются, например, FDMA (множественный доступ с разделением частот), TDMA (множественный доступ с временным уплотнением каналов) или CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов), которые все обеспечивают параллельный доступ.

Поскольку данные полевых приборов А, соответственно, В передаются по разным каналам, то нет необходимости в информации о передатчике данных, соответственно, приемнике данных (в обычных полевых шинах данные необходимо с большими затратами упаковывать в соответствующий протокол). Системы полевых шин частично обеспечивают лишь скорость передачи данных в 32,25 кбит/с. Однако в данном случае возможны значительно более высокие скорости передачи данных.

Функциональные блоки соответствующим образом согласовываются с каналами. Согласование осуществляется при построении всей системы с не описанным подробно конфигурационным блоком. Как указывалось выше, за счет этого построение системы становится для пользователя значительно более простым, поскольку применяются лишь необходимые функциональные блоки, и поток данных является интуитивно прозрачным. Если изменяется единица измерения в одном полевом приборе, то соединенные с ним блоки, такие как, например, функциональные блоки, получают измененную информацию.

Если к среде связи КМ подключены, например, датчики температуры, которые измеряют температуру в большом баке, при этом температура изменяется лишь медленно, то нет смысла передавать значения температуры со скоростью передачи данных 200/с. В этом случае достаточна значительно меньшая скорость передачи данных в соответствующем канале передачи данных.

Кроме того, можно непрерывно контролировать пропускную способность канала передачи данных и соответствующим образом согласовывать скорость передачи данных. За счет этого можно уменьшать влияние помеховых сигналов, которые могут возникать, например, при включении электродвигателей.

С помощью данного изобретения можно просто и экономично реализовать изменяемый полевой прибор.