ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ЗАПУСКАЕМЫМ В СООТВЕТСТВИИ С УРОВНЕМ ОСВЕЩЕННОСТИ ДИСПЛЕЕМ

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится, главным образом, к беспроводным устройствам для применения в системах управления производственным процессом. Более конкретно, настоящее изобретение относится к сохранению энергии для полевых устройств со встроенными дисплеями.

Системы мониторинга процесса осуществляют мониторинг и управление параметрами процесса в промышленном применении, такими как давление, температура, поток и уровень технологических жидкостей, применяемых в производственных процессах. Например, датчики, подключенные к передатчикам, часто применяются в нескольких местах в промышленном производственном оборудовании для мониторинга и передачи множества параметров процесса на различных производственных линиях, в то время как исполнительные элементы, подключенные к приемникам, применяются в других областях, например, для открытия и закрытия клапанов в соответствии с сигналами от основного центра управления.

Беспроводные устройства становятся распространенными в промышленных применениях. В качестве компонентов сетей беспроводных полевых устройств беспроводные устройства расширяют возможности подключения систем управления или мониторинга процесса по сравнению с проводными устройствами в местах, где обеспечение проводного подключения может быть сложным и дорогим. Сеть беспроводных полевых устройств содержит облако беспроводных устройств или узлов с центральным контроллером или шлюзом. Узлы в беспроводной сети способны как отправлять, так и принимать информацию.

Сети беспроводных полевых устройств применяют для управления и мониторинга различных процессов и сред. Например, сети беспроводных полевых устройств могут применяться на нефтяных месторождениях. Нефтяное месторождение состоит из многочисленных отдельных местоположений с центром на буровых площадках, которые разбросаны по большим площадям. Коммуникации между этими изолированными локальными областями являются важными для общего управления месторождением. Сеть беспроводных полевых устройств на буровой площадке осуществляет мониторинг и управление всем от скоростей потока и температуры жидкости до состояния и положения клапана и потенциальных утечек. Результирующие данные передаются через сеть на контроллеры, которые анализируют данные и приводят в действие управляющие механизмы для управления производством или предотвращения поломки.

Термин «полевое устройство» относится к любому устройству, установленному на промышленном устройстве для выполнения функции в системе управления процессом, включая устройства, применяемые для измерения, управления и мониторинга промышленных предприятий, процессов или оборудования процесса, включая промышленные устройства для обеспечения охраны окружающей среды, здоровья и безопасности. Каждое полевое устройство обычно содержит датчик, исполнительный элемент или и то и другое и может выполнять функцию управления или предупреждения. В системах беспроводной сети, спроектированных для применения на основании датчика/исполнительного элемента, множество устройств в сети могут быть снабжены энергией локально, так как рядом нет электросистем общего пользования, например систем с напряжением 120 В переменного тока или питающих шин данных, или они не допускаются в опасных местах, где без привлечения больших расходов по установке должны быть расположены приборы, датчики и исполнительные элементы и мониторы безопасности или устройства интерфейса оператора. «Локально снабженный энергией» означает снабженный энергией от локального источника питания, например автономного электромеханического источника (например, гальванические элементы с долгим сроком службы или топливные элементы) или от маломощного источника питания с извлечением энергии (например, вибрации, солнечной энергии или термоэлектрической энергии). Общей характеристикой локальных источников питания является их ограниченная энергетическая емкость или ограниченная мощность, или накопленная, как в случае гальванического элемента с долгим сроком службы, или производимая, как в случае панели солнечных батарей. Часто экономическая потребность в низкой стоимости установки приводит к потребности в устройствах с питанием от гальванического элемента, соединенных как часть сети беспроводных полевых устройств. Эффективное применение источников питания с ограниченной мощностью, таких как первичный гальванический элемент, который не может перезаряжаться, является необходимым для хорошего функционирования беспроводного полевого устройства. Предполагается, что гальванические элементы служат более пяти лет и предпочтительно служат на протяжении срока службы изделия.

Некоторые полевые устройства содержат локальный интерфейс оператора (LOI) для облегчения обслуживания и мониторинга на производственном участке. LOI позволяют техникам проверять параметры процесса и проверять правильность работы полевых устройств in situ. LOI может содержать дисплей, например жидкокристаллический дисплей (LCD). Требования по питанию LOI являются невысокими, но являются важным фактором для локально снабженных энергией устройств, так как непрерывная подача питания на дисплей неизбежно истощает источник питания с ограниченной мощностью. Так как дисплей LOI может требоваться только время от времени (например, во время локальной проверки полевого устройства техником), некоторые полевые устройства позволяют техникам включать или выключать дисплеи с помощью кнопки, сохраняя тем самым энергию, когда дисплей не используется.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один вариант осуществления настоящего изобретение представляет полевое устройство с преобразователем, фотодетектором, дисплеем и контроллером дисплея. Преобразователь управляет или осуществляет мониторинг переменной процесса, и дисплей отображает информацию, относящуюся к переменной процесса. Контроллер дисплея может включать или выключать дисплей в ответ на изменение уровня освещенности, определяемого фотодетектором.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фиг. 1 изображен вид в перспективе локально снабженного энергией полевого устройства с управлением по воспринимаемому уровню освещенности для включения или выключения локального интерфейса оператора.

На фиг. 2 изображена структурная схема локально снабженного энергией полевого устройства.

На фиг. 3 изображена принципиальная схема фотодетектора, локально снабженного энергией полевого устройства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Предоставляется полевое устройство с фотодетектором и встроенным дисплеем локального интерфейса оператора. Посредством кратковременной подачи питания на дисплей в ответ на изменение уровня освещенности, определяемого фотодетектором, дисплей может расходовать энергию по мере необходимости.

На фиг. 1 показан вид в перспективе полевого устройства 100, которое содержит корпус 102 электроники, корпус 103 преобразователя, технологическое соединение 104, антенну 106 и локальный интерфейс 108 оператора (LOI) и присоединено к системе 10 процесса. Корпус 102 электроники герметизирует и защищает компоненты полевого устройства 100 и прикреплен к корпусу 103 преобразователя, который содержит датчики или исполнительные элементы для мониторинга или управления одним или несколькими параметрами системы 10 процесса, как рассмотрено ниже. Полевое устройство 100 присоединено к системе 10 процесса через технологическое соединение 104, которое может содержать клапанную систему, электрические соединения или другие соединения в зависимости от типа процесса, мониторинг и управление которого осуществляется полевым устройством 100. Антенна 16 передает и принимает сигналы между полевым устройством 100 и контроллером, беспроводной сетью, такой как ячеистая сеть, шлюзом или любой их комбинацией. LOI 108 является пользовательским интерфейсом со встроенным дисплеем.

В одном варианте осуществления полевое устройство 100 является передатчиком, который принимает показания датчика одного или нескольких параметров процесса от системы 10 процесса и передает эти показания системе управления или мониторинга. Полевое устройство 100 может осуществлять мониторинг давления, потока, вибрации, тока, pH или любого другого измеряемого параметра процесса. В другом варианте осуществления полевое устройство 100 является исполнительным элементом, который принимает команды от системы управления и регулирует один или несколько параметров системы 10 процесса соответственно через один или несколько исполнительных элементов. В этом варианте осуществления полевое устройство 100 может, например, управлять скоростями, открывать и закрывать клапаны или отклонять потоки жидкости.

LOI 108 облегчает обслуживание и локальный мониторинг как полевого устройства 100, так и системы 10 процесса. LOI 108 может содержать индикатор параметров процесса, мониторинг которых осуществляется, а также индикатор состояния. В одном варианте осуществления локальный оператор, например обслуживающий техник, может взаимодействовать с полевым устройством 100 через сенсорный экран, входящий в состав LOI 108. В другом варианте осуществления локальный оператор может считывать значения с дисплея LOI 108, но отправлять входные значения на полевое устройство через пульт дистанционного управления.

На фиг. 2 показана структурная схема полевого устройства 100. Полевое устройство 100 содержит антенну 106, LOI 108, датчик 110, сигнальный процессор 112, логический процессор 114, приемопередатчик 116, фотодетектор 118 и источник 120 питания. Полевое устройство 100 соединено с системой 10 процесса через датчик 110 и соединено с сетью 20 через антенну 106. Датчик 110 является преобразователем, расположенным в корпусе 103 преобразователя (см. фиг. 1), и осуществляет мониторинг параметра системы 10 процесса, например давления, потока, вибрации, тока, pH или других измеряемых величин. Датчик 110 генерирует выходной сигнал S₁ датчика, который конвертируется сигнальным процессором 112 в цифровой сигнал S₂. Сигнальный процессор 112 может быть любым устройством аналого-цифрового преобразования, способным преобразовывать информационный сигнал, соответствующий выходному сигналу S₁ датчика. Цифровой сигнал S₂ принимается логическим процессором 114, который в одном варианте осуществления является микропроцессором. Логический процессор 114 может анализировать цифровой сигнал S₂ и управляет LOI 108, принимая и интерпретируя входные сигналы от пользователей и передавая запрашиваемую информацию в LOI 108 и в сеть 20, как рассмотрено ниже. Логический процессор 114 генерирует сигнал S₃ передачи, который принимается приемопередатчиком 116. Приемопередатчик 116 задействует антенну 106 для передачи сигнал S₄ антенны в сеть 20. Сеть 20 может включать ячеистую сеть, шлюз, центральный контроллер системы или любую их комбинацию.

LOI 108 управляется логическим процессором 114 через интерфейсный сигнал IF. Интерфейсный сигнал IF может быть двунаправленным, если логический процессор 114 принимает входные сигналы от 108 (в случае, например, если LOI 108 содержит одну или несколько кнопок или сенсорных экранов), или однонаправленным, если логический процессор 114 не принимает входные сигналы от LOI 108 (в случае, например, если LOI всего лишь пассивный дисплей или если локальные пользователи взаимодействуют с полевым устройством 100 посредством отдельных средств, например беспроводного пульта дистанционного управления).

Фотодетектор 118 осуществляет мониторинг уровня освещенности в месте снаружи полевого устройства 110 и выдает сигнал LL освещенности, соответствующий изменению уровня освещенности. Сигнал LL освещенности применяется в качестве прерывания для логического процессора 114 для включения или выключения дисплея LOI 108. В одном варианте осуществления внезапное изменение уровня освещенности, определяемое фотодетектором 118 - положительное или отрицательное, - заставляет логический процессор 114 подавать питание на дисплей LOI 108. В альтернативных вариантах осуществления только внезапное уменьшение или только внезапное увеличение уровня освещенности заставляет логический процессор 114 включать или выключать подачу питания на LOI 108. В одном варианте осуществления логический процессор 114 содержит таймер и автоматически выключает подачу питания на дисплей LOI 108 через предварительно установленный промежуток времени после его включения. В альтернативном варианте осуществления логический процессор 114 выключает дисплей LOI 108 в соответствии со вторым сигналом, например, от фотодетектора 116.

Все вышеупомянутые компоненты полевого устройства 100 получают необходимое питание от источника 120 питания. На LOI 108 подается питание только под управлением логического процессора 114, как описано выше. Источник 120 питания может быть источником питания с ограниченным сроком службы, например гальваническим элементом или топливным элементом, или источником питания с ограниченным выходом энергии, например системой для извлечения энергии из системы 10 процесса (например, устройство извлечения энергии из вибрации) или из окружающей среды (например, панель солнечных батарей).

В альтернативном варианте осуществления полевого устройства 100 датчик 110 может быть заменен исполнительным элементом для управления одним или несколькими параметрами системы 10 процесса. Работа этого варианта осуществления будет по существу аналогичной варианту с датчиком, описанному выше, за исключением того, что антенна 106 будет принимать, а не передавать сигналы управления из сети 20 и эти сигналы управления будут направляться через приемопередатчик 116 в логический процессор 114 для управления исполнительным элементом 110. Другой альтернативный вариант осуществления полевого устройства 100 включает преобразователи, содержащие как исполнительные элементы, так и датчики.

В некоторых вариантах осуществления несколько полевых устройств 100 могут быть включены в сеть беспроводным способом, так что каждое полевое устройство 100 как принимает, так и отправляет сигналы в выбранные другие полевые устройства 100 через приемопередатчик 116 и 106. В одном таком варианте осуществления изменение уровня освещенности на любом полевом устройстве 100 заставляет несколько объединенных в беспроводную сеть полевых устройств 100 включать или выключать LOI 108. Для этого логический процессор 114 допускает включение или выключение подачи питания на LOI 108 в ответ на сигнал питания, принимаемый через антенну 106 и приемопередатчик 116, а также в ответ на сигнал LL освещенности. В дополнение сигналы LL освещенности, которые заставляют логический процессор 114 включать или выключать подачу питания на LOI 108, также заставляют логический процессор 114 транслировать сигналы на другие полевые устройства 100 через приемопередатчик 116 и антенну 106, указывая на то, что эти другие полевые устройства должны включать или выключать их LOI 108.

На фиг. 3 показана принципиальная схема одного варианта осуществления фотодетектора 118. Фотодетектор 118 содержит фототранзистор Q, резисторы R₁ усилителя, резисторы R₂ и R₃ делителя напряжения, резистор R₄ цепи обратной связи и компаратор U. Фотодетектор 118 снабжен энергией от источника 120 питания и подключен к общей точке схемы, как изображено. Конфигурация схемы на фиг. 3 может быть проанализирована на двух каскадах.

Первый каскад фотодетектора 118 представляет собой схему усилителя на транзисторе с общим эмиттером, содержащую фототранзистор Q и резистор R₁ усилителя. На фототранзистор Q через отверстие или окно в корпусе 102 электроники действует окружающий свет. Резистор R₁ усилителя подключен к коллектору фототранзистора Q, образуя усилитель с общим эмиттером. Падающий на фототранзистор Q свет производит усиленное напряжение V₁ на фототранзисторе Q. Фототранзистор Q приближен к вентилю, который «закрыт», когда фототранзистор Q освещается, и «открыт», когда фототранзистор Q не освещается. V₁ будет соответствовать логическому «низкому» уровню (приблизительно уровень общей точки схемы), когда фототранзистор Q освещается, и будет соответствовать логическому «высокому» уровню (приблизительно +V), когда фототранзистор Q не освещается.

Второй каскад фотодетектора 118 представляет собой компараторную систему, содержащую компаратор U, резисторы R₂ и R₃ делителя напряжения и резистор R₄ цепи обратной связи. Компаратор U сравнивает V₁ со вторым постоянным напряжением V₂, установленным резисторами R₂ и R₃ делителя напряжения, для генерации сигнала LL освещенности. Резистор R₄ цепи обратной связи включен между выходом и неинвертирующим входом компаратора U для добавления гистерезиса сигналу LL и для уменьшения колебаний вследствие шума из-за малых световых переходов от фототранзистора Q. Когда V₁ высокое, V₁ будет превышать V₂ и сигнал LL освещенности будет положительным. Когда V₁ низкое, V₂ будет превышать V₁ и сигнал LL освещенности будет отрицательным.

Логический процессор 114 принимает сигнал LL освещенности от фотодетектора 118. Логический процессор 114, который может содержать, например, прерывание по фронту, определяет переходы от положительного к отрицательному или от отрицательного к положительному уровню в сигнале LL освещенности. Когда такой переход определен, логический процессор 114 включает или выключает подачу питания на дисплей LOI 108.

Предшествующие системы использовали кнопки для переключения локальных дисплеев на полевых устройствах между включенным и выключенным состоянием. Кнопки и другие системы с подвижными деталями, однако, могут быть подвержены механическому износу и поломке. Дополнительно полевые устройства могут использоваться в средах с высокой чувствительностью к теплу, электричеству или искрообразованию, где полное изолирование полевого устройства от среды является предпочтительным или даже необходимым. Изолирование полевого устройства является более простым и менее затратным, если можно избежать подвижных деталей, подобных кнопкам. Фотодетекторы обеспечивают недорогие и надежные средства переключения подачи питания дисплея на полевом устройстве. Техник, осматривающий полевые устройства, может накрыть фотодетектор (таким образом, предотвращая попадание на него света), или посветить на него (таким образом, освещая его); каждый случай будет заканчиваться переходом, определяемым раскрытой системой, и может применяться для включения или выключения дисплея.

Несмотря на то что изобретение было описано со ссылкой на примерный вариант(ы) осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть выполнены различные изменения и его элементы могут заменяться на эквивалентные не отходя от объема изобретения. В дополнение, могут быть выполнены различные модификации для адаптирования частного случая или материала к идеям изобретения без отступления от его основного объема. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным раскрытым вариантом(ами) осуществления, но что изобретение будет включать все варианты осуществления, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.