用于本质安全操作的具有电阻器网络的便携式现场维护工具制造技术

便携式现场维护工具可以执行一项或多项任务，例如，与现场设备通信、为现场设备供电、诊断现场设备、或诊断在工厂环境中连接到现场设备的通信链路。便携式现场维护工具可以与根据多个不同的通信协议(诸如，HART协议和现场总线协议)配置的现场设备进行交互。便携式现场维护工具可以是能量受限的并且是容错的，并可以符合本质安全标准来操作，实现了在危险区域中使用便携式现场维护工具。

A portable field maintenance tool with resistor network for essential safe operation

Portable field maintenance tools can perform one or more tasks, such as communication with field devices, power supply for field devices, on-site equipment diagnostics, or diagnosis of communication links connected to field devices in factory environments. Portable field maintenance tools can interact with field devices configured according to a number of different communication protocols such as the HART protocol and the fieldbus protocol. The portable field maintenance tools can be energy constrained and fault-tolerant, and can meet the essential safety standards to operate, and realize the use of portable field maintenance tools in dangerous areas.

【技术实现步骤摘要】
用于本质安全操作的具有电阻器网络的便携式现场维护工具
本公开的内容总体涉及便携式现场维护工具，特别地，涉及能够在各种各样的环境和情况中使用的便携式现场维护工具。
技术介绍
像在化学、石油过程中使用的那些过程控制系统一样的过程控制系统通常包括经由模拟、数字或组合的模拟/数字通信链路通信地耦合到至少一个主机或操作者工作站以及一个或多个现场设备的一个或多个过程控制器。通常位于工厂环境中的过程控制器(有时称为“控制器”)接收指示过程测量的信号(有时称为“控制输入”)并且使用由这些信号携带的信息来实现控制例程，该控制例程基于控制输入和控制例程的内部逻辑使得控制器生成控制信号(有时称为“控制输出”)。控制器通过总线或其他通信链路发送生成的控制信号以控制现场设备的操作。在一些实例中，控制器可以与由智能现场设备(诸如，高速可寻址远程变送器Wireless和Fieldbus(有时称为“现场总线”(“Fieldbus”))现场设备)实现的控制例程进行协调。可以是例如，阀门、阀门定位器、开关和变送器(例如，温度、压力、液位和流量传感器)的现场设备位于过程环境内，并且通常执行物理或过程控制功能。例如，响应于从控制器接收的控制输出可以打开或关闭阀门，或者可以将过程参数的测量发送到控制器使得控制器可以利用该测量作为控制输入。智能现场设备(诸如，符合现场总线协议的现场设备)还可以执行控制计算、报警功能以及通常在控制器内实现的其他控制功能。现场设备可以被配置为根据各种通信协议与控制器和/或其他现场设备进行通信。例如，工厂可能包括传统的模拟4-20mA现场设备、现场设备或现场总线现场设备。传统的模拟4-20mA现场设备经由被配置为携带指示测量或控制命令的模拟4-20mADC信号的双线通信链路(有时称为“回路”或“电流回路”)与控制器进行通信。例如，液位变送器可以感测罐液位并且经由回路发送对应于该测量的电流信号(例如，针对0％满量程的4mA信号、针对50％满量程的12mA信号以及针对100％满量程的20mA信号)。控制器接收当前信号，基于电流信号确定罐液位测量，并且基于罐液位测量采取一些措施(例如，打开或关闭入口阀门)。模拟4-20mA现场设备通常有两种类型：四线现场设备和双线现场设备。四线现场设备通常依赖于针对通信的第一组导线(即，回路)和针对电力的第二组导线。双线现场设备依赖于针对通信和电力两者的回路。这些双线现场设备可以被称为“回路供电”现场设备。由于设计的简单性和有效性，过程工厂经常实现传统的4-20mA系统。遗憾的是，传统的4-20mA电流回路一次只发送一个过程信号。因此，包括管道携带材料上的控制阀门和流量变送器的设置可能需要三个单独的电流回路：一个用于携带指示针对阀门的控制命令的4-20mA信号(例如，移动阀门至60％打开)；第二个用于携带用于控制器的、指示阀门的实际位置的4-20mA信号(例如，因此控制器知道阀门对控制命令响应的程度)；以及第三个用于携带用于控制器的、指示测量的流量的4-20mA信号(例如，因此控制器知道阀门位置的变化如何影响流量)。因此，工厂中具有大量现场设备的传统4-20mA设置可能需要大量布线，这可能是昂贵的并且在设置和维护通信系统时会导致复杂性。最近，过程控制行业已经移动到在过程控制环境中实现数字通信。例如，协议使用回路DC幅度发送和接收模拟信号，还将AC数字载波信号叠加在DC信号上，以实现与智能现场仪器的双向现场通信。另一个示例，现场总线协议在双线总线上提供全数字通信(有时称为“主干”、“分段”或“现场总线段”)。该双线现场总线段可以耦合到多个现场设备，以(经由该分段上可用的DC电压)向多个现场设备提供电力，并且(经由叠加在DC电源电压上的AC数字通信信号)实现现场设备的通信。这些数字通信协议通常使更多的现场设备能够连接到特定通信链路，支持现场设备和控制器之间的更多和更快的通信，和/或允许现场设备将更多和不同类型的信息(例如，与现场设备本身的状态和配置有关的信息)发送到过程控制器。此外，这些标准数字协议使由不同制造商制造的现场设备能够在同一过程控制网络内一起使用。不管利用的通信协议如何，现场设备可能需要现场设置、配置、测试和维护。例如，在现场设备可以安装在过程控制工厂的特定位置处之前，现场设备可能需要被编程，然后需要在现场设备安装之前和之后进行测试。出于维护的原因，已经安装的现场设备还可能需要被定期检查，或者例如，当检测到故障并且为了维护或修理需要诊断现场设备时。一般来说，现场设备的配置和测试使用手持式维护工具(例如，便携式测试设备(“PTD”))在位置上执行。由于许多现场设备安装在远程、难以到达的位置，对用户而言使用PTD而不是使用全配置及测试设备来测试安装在这些远程位置中的设备是更方便的，其中全配置及测试设备可能是重的、庞大的、非便携式的，通常需要将已安装的现场设备运送到诊断设备的现场。当诸如维护技术人员的用户执行维护测试和/或与现场设备的通信时，PTD通常通信地连接到通信链路(例如，电流回路或现场总线段)或者(例如，经由现场设备的通信端子)直接连接到现场设备。PTD最初尝试与现场设备进行通信，例如，通过沿着回路或分段发送和/或接收数字通信信号。如果电流回路或分段处于正确的操作状态，则可以毫无问题地发送和/或接收通信信号。然而，如果回路、分段或包含诸如短路或断路的电气故障的现场设备，则可以阻碍通信，并且可能需要诊断回路、分段和/或现场设备以标识故障。当标识的这种故障时，技术人员可能需要使用各种其他工具来测试现场设备和/或通信链路。作为示例，技术人员可能需要携带万用表来诊断由现场设备发送或接收的实际信号。由于传统的PTD不能准确分析由现场设备发送或接收的信号的电气特性，所以万用表是必需的。作为另一个示例，技术人员可能需要使用便携式电源为隔离的现场设备供电。技术人员可能需要为隔离的现场设备供电，例如，当现场设备由于全厂范围停电或由于本地电源的问题而断电时。作为另一示例，技术人员为了故障排除可能简单地需要使现场设备脱机，以便避免对其他现场设备和过程控制系统的其余部分产生负面影响。技术人员还可能需要携带万用表来测量分段或回路上可用的电流等。这些工具中的每一个可以占用相当多的空间，并且对于技术人员来说可能是不方便携带到现场的。为了解决携带多种工具这个问题，制造商开发了包括为HART回路提供电力的电源的PTD。遗憾的是，这些有源PTD通常不能为现场总线现场设备提供电源。进一步，典型的便携式电源和供电PTD通常不符合本质安全(IS)标准，并且因此不能安全地用于危险区域(例如，由于爆炸性气体或粉尘而可能爆炸的环境或气氛)。如果现场设备位于危险区域中，则技术人员可能需要验证他或她的工具中的每一个以本质安全的方式操作。当在危险区域时，技术人员的工具可能需要符合IS标准以确保安全操作。通常，IS标准要求工厂人员分析附接到回路或分段的所有设备(包括任何PTD或者附接到回路或分段上的其他工具)，以验证所有附接的设备将以安全的方式在危险环境中操作。更具体地说，IS标准对危险环境中的电气设备和接线施加限制，以确保电气设备和接线不会引燃爆炸。为了符合IS标准，电气设备通常需要考虑到两个核心概念进行设计：能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式现场维护工具，包括：(A)壳体；(B)通信接口，所述通信接口被设置为穿过所述壳体，所述通信接口包括在所述壳体内能访问的内部部分和在所述壳体外部能访问的端子集合，所述端子集合能够通过有线链路电气连接到现场设备，所述有线链路被配置为承载复合信号，所述复合信号包括：(i)发送到所述现场设备或者来自所述现场设备的通信信号，以及(ii)发送到所述现场设备的功率信号；(C)通信电路，所述通信电路被设置在所述壳体内并且与所述通信接口的所述内部部分电气连接，所述通信电路被配置为编码或者解码所述通信信号；以及(D)电源，所述电源被设置在所述壳体内，并且与所述通信接口的所述内部部分和所述通信电路电气连接，所述电源被配置为发送所述功率信号；其中，所述通信电路包括电阻器网络，所述电阻器网络具有在一范围内的电阻以在所述端子集合处引起与所述复合信号相关联的电压降，所述电压降为：(i)高于最小电压阈值，所述最小电压阈值与读取所述复合信号相关联，以及(ii)低于最大电压阈值。

【技术特征摘要】
2016.07.25 IN 201621025383;2017.03.09 US 15/454,721.一种便携式现场维护工具，包括：(A)壳体；(B)通信接口，所述通信接口被设置为穿过所述壳体，所述通信接口包括在所述壳体内能访问的内部部分和在所述壳体外部能访问的端子集合，所述端子集合能够通过有线链路电气连接到现场设备，所述有线链路被配置为承载复合信号，所述复合信号包括：(i)发送到所述现场设备或者来自所述现场设备的通信信号，以及(ii)发送到所述现场设备的功率信号；(C)通信电路，所述通信电路被设置在所述壳体内并且与所述通信接口的所述内部部分电气连接，所述通信电路被配置为编码或者解码所述通信信号；以及(D)电源，所述电源被设置在所述壳体内，并且与所述通信接口的所述内部部分和所述通信电路电气连接，所述电源被配置为发送所述功率信号；其中，所述通信电路包括电阻器网络，所述电阻器网络具有在一范围内的电阻以在所述端子集合处引起与所述复合信号相关联的电压降，所述电压降为：(i)高于最小电压阈值，所述最小电压阈值与读取所述复合信号相关联，以及(ii)低于最大电压阈值。2.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述通信电路和所述电源分别被配置用于本质安全操作。3.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述通信电路包括DC电流控制器和数字频率调制(FM)调制解调器，并且其中，所述复合信号包括：(i)模拟DC信号，所述模拟DC信号包括所述功率信号，并且所述模拟DC信号在幅度上变化以传送信息；以及(ii)被叠加在所述模拟DC信号上的数字FM通信信号。4.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述最小电压阈值是与读取所述通信信号相关联的最小峰-峰值电压。5.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述最大电压阈值低于足以在所述端子集合处产生火花的电压。6.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述电源被配置为以等于所述最大电压阈值的电压或低于所述最大电压阈值的电压发送所述功率信号。7.根据权利要求6所述的便携式现场维护工具，其中，所述最大电压阈值是在10V至30V之间的值。8.根据权利要求7所述的便携式现场维护工具，其中，所述最大电压阈值是在21V至24V之间的值。9.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述最小电压阈值是在50mV峰-峰值至500mV峰-峰值之间的值。10.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述最小电压阈值是120mV峰-峰值的值。11.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述电阻器网络包括一个或多个电阻器，所述一个或多个电阻器在长度上超过2mm并且在宽度上超过2mm，以使得所述一个或多个电阻器具有足够的表面积来防止高于温度阈值的温度尖峰。12.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述范围是75欧姆至750欧姆。13.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述电阻器网络包括多个电阻器。14.根据权利要求13所述的便携式现场维护工具，其中，所述多个电阻器被布置为使得当所述多个电阻器中任何一个失效时，所述电阻器网络将所述电阻维持在所述范围内。15.根据权利要求13所述的便携式现场维护工具，其中，所述电阻器网络包括多个开关，所述多个开关中的每一个开关都与所述多个电阻器中的一个电阻器串联并且能够致动以：(i)将所述多个电阻器中的一个电阻器从所述电阻器网络中移除，或者(ii)将所述多个电阻器中的所述一个电阻器增加到所述电阻器网络。16.根据权利要求15所述的便携式现场维护工具，其中，所述多个开关中的每一个开关都是固态继电器。17.根据权利要求15所述的便携式现场维护工具，其中，所述多个电阻器中的每一个电阻器的电阻被选择为使得所述多个开关中的每一个开关都能致动，以将所述电阻器网络的电阻调整为在75欧姆至750欧姆的范围内的值。18.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述电阻器网络包括第一电阻器子网络，所述第一电阻器子网络被布置为与第二电阻器子网络并联。19.根据权利要求18所述的便携式现场维护工具，其中，所述电阻器网络进一步包括第三电阻器子网络，所述第三电阻器子网络被布置为与所述第一电阻器子网络和所述第二电阻器子网络并联。20.根据权利要求19所述的便携式现场维护工具，其中：所述第一电阻器子网络具有在200欧姆至300欧姆之间的电阻；所述第二电阻器子网络具有在400欧姆至600欧姆之间的电阻；并且所述第三电阻器子网络具有在700欧姆至800欧姆之间的电阻。21.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，进一步包括熔断器，所述熔断器电气连接到所述通信接口，所述熔断器被配置为在所述通信接口处将电流限制为低于电流阈值。22.根据权利要求21所述的便携式现场维护工具，其中，所述电流阈值是在10mA至150mA之间的值。23.根据权利要求21所述的便携式现场维护工具，其中，所述电流阈值是50mA。24.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述端子集合包括：(i)正极端子，所述正极端子能够连接到所述有线链路的第一导线，以及(ii)负极端子，所述负极端子能够连接到所述有线链路的第二导线。25.根据权利要求1所述的便携式现场维护工具，其中，所述有线链路经由第二有线链路连接到所述现场设备，所述第二有线链路连接到所述现场设备。26.一种与变送器现场设备通信的方法，所述方法包括：将便携式现场维护工具的端子集合经由有线链路通信地连接到变送器现场设备；从所述便携式现场维护工具经由所述有线链路向所述变送器现场设备供应功率；经由所述有线链路由所述便携式现场维护工具接收叠加在所供应的功率上的通信信号；以及通过以下步骤在所述端子集合处将与所述通信信号和所述供应的功率相关联的电压降限制为在最小电压阈值与最大电压阈值之间：(i)限制所供应的功率，以使得所述电压降不超过所述最大电压阈值；以及(ii)激活或去激活电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·本森，M·R·达拉尔，A·弗古森，T·M·德普克，
申请(专利权)人：费希尔罗斯蒙特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国,US