[发明专利]现场安装的过程设备

说明书

技术领域

本发明涉及过程设备。更具体地，本发明涉及现场安装的过程控制和测量设备。

背景技术

过程设备用于测量和控制诸如石化精炼、食品加工、发电等的工业过程以及多种其他过程。过程测量设备包括过程变量变送器，其测量诸如压力或温度的过程变量，并把所测量的变量传送至过程控制器。另一种过程设备是致动器，例如阀控制器等。通常，使用变送器、致动器和过程控制器的组合，在过程控制回路上与控制器进行通信，来实现过程控制。两种过程设备通过过程接口元件与物理过程进行交互。过程接口元件是把电信号与物理过程条件进行关联的设备，而且包括诸如传感器、限位开关、阀控制器、加热器、电机控制器等的设备以及多种其他设备。

过程控制器典型地是位于远离过程的控制室中的微计算机。过程控制器可以从一个或更多个过程测量设备接收过程信息，并把适合的控制信号施加到一个或更多个过程控制设备，以对过程产生影响并由此对其进行控制。

为了耦合到过程，变送器和致动器通常安装在现场中的过程附近。这种物理上的临近性使过程设备受到一系列的环境挑战。例如，过程设备通常遭受温度极端、振动、腐蚀和/或易燃环境、以及电噪声。为了承受这些条件，具体针对“现场安装”来设计过程设备。这种现场安装的设备使用坚固的外壳，该外壳被设计用于防爆。此外，现场安装的过程设备还可以被设计具有所谓的“固有安全”电路，其意味着即使处于故障条件下，该电路通常仍不会包含足以产生火花的电能、或在危险环境下导致爆炸的表面温度。此外，通常采用电隔离技术来减小电噪声效应。这些仅为设计时所考虑的一些示例，它们把现场安装的过程设备与其他设备区分开来，所述其他设备测量传感器的特性并提供指示该特性的数据。

除了上述环境考虑之外，现场安装的设备的另一挑战是配线。由于过程设备位于远离控制室的过程附近，所以通常需要较长的配线延伸(run)，以便把该设备耦合到控制室。这些较长的延伸的安装成本高，并且难以维护。

减小必备配线的一种方法是使用两线过程设备。这些设备使用两线过程控制回路耦合至控制室。两线设备从过程控制回路接收电能，并以通常不受向过程设备提供的电能的影响的方式在过程控制回路上通信。用于在两线上通信的技术包括4-20mA信令、高速可寻址远程换能器(HART^)协议、FOUNDATION^TM现场总线、Profibus-PA以及其他。尽管两线过程控制系统提供了配线的简化，然而该系统向所连接的设备提供的电量有限。例如，根据4-20mA信令进行通信的设备不能够汲取超过4mA，否则设备的电流消耗将会影响过程变量。传统上，两线过程设备的小电能预算限制了所能提供的功能。

过程控制工业中减小现场配线的另一方法是提供具有两个传感器输入的变送器。该变送器减小了变送器/传感器的数目，由此减小了配线成本和总系统成本。该变送器的一个示例是可以从RosemountInc.，of Eden Prairie，Minnesota获得的型号3244MV多变量温度变送器。

尽管当前的多变量变送器可以减小配线成本和总系统成本，但是传统上其被限制为涉及两个传感器的应用。因此，例如在具有16个传感器的应用中，仍需要8个多变量变送器。此外，如果不同的传感器组独立地接地，则可能存在接地回路误差，并对过程测量造成不利影响。

用于克服把大量传感器耦合到控制室的问题的当前方法包括把传感器直接耦合到控制器。例如，如果情况需要大量温度传感器，消费者通常创建“直接延伸”热偶配置，其中热偶配线横跨测量“点”与控制室之间的距离。这些直接延伸配置通常比获得多个单或双传感器变送器的成本要低，然而，需要大量的配线工作，而且过程测量更易受到较长延伸引起的电噪声的影响。

过程控制工业已经通过提供能够执行控制功能的现场安装的设备，而减小了较长配线延伸对过程控制的影响。因此，过程控制的某些方面被转移到现场，由此提供了更快的反应时间，对主过程控制器的更少依赖、以及更好的灵活性。与现场安装的设备中的控制功能有关的进一步信息可以在授予Warrior等人并转让给RosemountIncorporated的、标题为“FIELD-MOUNTED CONTROL UNIT”美国专利No.5,825,664中找到。

尽管多变量变送器和实现控制功能的过程设备已经对过程控制的技术领域做出了改进，然而仍需要对需要相对大量传感器的应用、以及需要增强的现场控制的应用进行适应。

发明内容