DE69032954T2

DE69032954T2 - In einer arbeitsumgebung montierte steuereinheit

Info

Publication number: DE69032954T2
Application number: DE69032954T
Authority: DE
Inventors: Vincent Jacobson; Kelly Orth; Craig Tielens; Jogesh Warrior
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1989-10-02
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2010-10-02
Also published as: AU638507B2; EP0495001A4; CA2066743C; AU6649790A; JP3137643B2; US5485400A; US5392162A; JPH05501492A; WO1991005293A1; US5825664A; DE69032954D1; US5333114A; EP0495001B1; CA2066743A1; EP0495001A1; DE495001T1

Description

1. GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinheit, die über eine Zweidraht-Schaltung kommuniziert und einen Ausgang bereitstellt, der eine Prozeßvariable wiedergibt, die von einem Prozeß erzeugt wird.

2. HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Meßumformer messen Prozeßvariablen, die für einen Prozeß repräsentativ sind, der von entfernten Vorrichtungen gesteuert wird, und übertragen Meßumformer-Ausgänge bzw. - Ausgangssignale, die die Prozeßvariablen wiedergeben, zu Controllern über Zweidraht-Schaltungen. Die Meßumformer sind typischerweise in einem Einsatzgebiet montiert, wo Strom- und Spannungswerte begrenzt sind, um eine eingebaute Sicherheit bereitzustellen. Der Meßumformer-Ausgang ist durch vom Benutzer definierbare Parameter, wie zum Beispiel Bereichseinstellung, Nulleinstellung und Dämpfung skaliert. Bereichs- und Nulleinstellungen ermöglichen es dem Benutzer, die Meßbereichs-Extremwerte des Meßumformers auf spezielle Meßumformer-Ausgangswerte zu beziehen, wodurch der Bereich der gewünschten Ausgänge gesetzt wird. Die Dämpfung beeinflußt die Antwortzeit des Meßumformers auf Änderungen der Prozeßvariablen. Der skalierte Meßumformer-Ausgang wird über die Zweidraht-Schaltung an den Controller gesendet.
Controller, die typischerweise in einem Steuerraum angeordnet sind, verknüpfen den Meßumformer-Ausgang mit Signalen, die andere Prozeßvariablen wiedergeben, um Befehlsausgang- Signale zu erzeugen. Befehlsausgang-Signale werden typischerweise über ein separates Paar von Drähten zu entfernten Vorrichtungen, zum Beispiel einem Ventil, gesendet, die den Prozeß gemäß dem Befehlsausgang steuern. In bestimmten Anwendungen wählen Controller den geeignetsten Befehlssatz für die Prozeßsteuerung aus mehreren Befehlssätzen in Abhängigkeit von dem Prozeß, der gesteuert werden soll, und der erforderlichen Genauigkeit aus.
In anderen Anwendungen erfassen Controller mehrere Meßumformer-Ausgänge, die Prozeßvariablen wiedergeben, um den Befehlsausgang für die entfernte Vorrichtung festzulegen. Typischerweise umfaßt ein eigener Meßumformer jede Prozeßvariable. Die Meßumformer senden ein Signal, das für die erfaßte Prozeßvariable repräsentativ ist, zu dem Controller über eine Zweidraht-Schaltung und der Controller bestimmt den Befehlsausgang und steuert die entfernte Vorrichtung, zum Beispiel eine Ventilstellung, eine Pumpengeschwindigkeit, die Thermostateinstellung usw..
Eine Einschränkung der Anordnung des Stands der Technik besteht darin, daß der Meßumformer, die entfernte Vorrichtung, der Controller und die Komponenten in einer Rückkoppelschleife alle für die Steuerung des Prozesses kontinuierlich arbeiten müssen. Eine weitere Beschränkung besteht in der Menge der Zwischenverbindungsverkabelung, die die Rückkoppelschleife-Komponenten verbindet. Der Controller ist typischerweise weit von dem Prozeß weg in einem Steuerraum, während die entfernte Vorrichtung und der Meßumformer für gewöhnlich am Einsatzort sind und räumlich nahe zueinander und zum Prozeß sind. Die Installations- und Wartungs- Komplexität ist eine weitere Beschränkung, da es für jedes Kabel erforderlich sein kann, daß die Installation bzw. Einrichtung einer Schwellenvorrichtung für eingebaute Sicherheit an der Schnittstelle zwischen dem Steuerraum und den Einsatzort-Vorrichtungen vorgesehen wird. In Fällen, wo mehrere Prozeßvariablen von dem Controller verwendet werden, ist eine Verkabelung zwischen jedem Meßumformer und dem Controller erforderlich. Die Rückkoppelschleife- Zuverlässigkeit ist eine vierte Begrenzung, da ein Ausfall einer oder mehrerer Zwischenverbindungen bzw. Verbindungen die Prozeßsteuerung nachteilig beeinflußt.
Die JP-A-63/1988-41904 offenbart eine Zweidraht-Einsatzort- Vorrichtung, die einen Sensor zum Erfassen einer bestimmten physikalischen Quantität enthält, die verwendet wird, um einen Regler zu steuern.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Um diese Einschränkungen zu vermindern, erzeugt ein Prozeßvariable-Meßumformer (oder eine Steuereinheit) einen Steuerausgang direkt, wodurch der Controller selbst überbrückt wird. Ausgänge, die für andere Prozeßvariablen repräsentativ sind, werden zu dem Meßumformer (oder der Steuereinheit) übertragen, aber nicht zum Controller. Der Meßumformer kommuniziert mit dem Controller über eine gemeinsame Zweidraht-Verbindung, die eine einzelne Schleife mit dem Controller, der steuereinheit und einer äußeren Steuervorrichtung bildet, die alle in Serie verbunden sind. Die Prozeßsteuerung-Zuverlässigkeit und -Antwortzeit wird verbessert und die Steuerung wird mit weniger Kommunikationsaustausch realisiert, während die Installationskomplexität, die Wartungskomplexität und die Kosten abnehmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Zweidraht- Steuereinheit zur Anbringung am Einsatzort bereitgestellt, die aufweist:
ein Gehäuse;
eine Erfassungsvorrichtung in dem Gehäuse, die eine Einrichtung zum Erfassen einer Prozeßvariablen und zum Erzeugen eines Prozeßvariablensignals hat, das für die Prozeßvariable repräsentativ ist;
eine Eingangseinrichtung in dem Gehäuse zum Koppeln mit einer Gleichstrom-Zweidraht-Prozeßsteuerschleife zum Empfan gen von Energie von der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife, wobei die Eingangseinrichtung eine Einrichtung zum Empfangen von zumindest einem Prozeßsignal über die Zweidraht- Prozeßsteuerschleife und zum Speichern dieses Prozeßsignals aufweist; und
eine Steuereinrichtung in dem Gehäuse, die mit der Erfassungsvorrichtung und der Eingangseinrichtung zum Bereitstellen eines Befehlsausgangs für eine äußere Steuervorrichtung gekoppelt ist, die einen Prozeß steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auch den Befehlsausgang speichert, wobei der Befehlsausgang eine Funktion des gespeicherten Prozeßsignales, des Prozeßvariablensignals und eines zuvor gespeicherten Wertes des Befehlsausgangs ist; und
daß die Steuereinheit dafür ausgelegt ist, ein digitales Ausgangssignal in einem Träger modulierten Format zu erzeugen, das dem Befehlsausgang überlagert ist.
Die Prozeßsignale, die von der Zweidraht-Schaltung aus empfangen werden, können den Betrieb der Steuereinrichtung beim Erzeugen eines Befehlsausgangs bestimmen. In Alternative weisen die Prozeßsignale eine Prozeßvariable auf, die an die Steuereinheit über die Zweidraht-Schaltung berichtet wird, oder einen Befehlssatz, der über die Zweidraht- Schaltung zum Bestimmen des Befehlsausgangs gesendet wird. Wenn die Prozeßsignale einen Sollwert aufweisen, der für einen gewünschten Zustand des Prozesses repräsentativ ist, kann der Steuerabschnitt den Befehlsausgang als eine Funktion der Differenz zwischen dem Sollwert und der Prozeßvariablen erzeugen. Wenn es für den zu steuernden Prozeß geeignet ist, verwendet der steuernde Abschnitt eine Gleichung, die eine lineare Kombination aus der Prozeßvariablen und dem Zeitintegral der Prozeßvariablen enthält, um den Befehlsausgang zu bestimmen. Wenn es die Anwendung erfordert, enthält die Gleichung zum Bestimmen des Befehlsaus gangs die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Prozeßvariablen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Diagramm eines Teils eines Prozeßsteuersystems, das eine Steuereinheit, eine überwachende Haupteinheit und einen Hauptcontroller hat; und
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Steuereinheit, die mit einer entfernten Vorrichtung gekoppelt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Fig. 1 zeigt eine industrielle Prozeßsteueranwendung in einer petrochemischen Tankanlage 1, wobei ein Fluid 2 in einem Rohrnetzwerk 4 fließt. Ein Hauptcontroller 6 befiehlt einer überwachenden Haupteinheit 10 über eine Verkabelung 12. Die überwachende Haupteinheit 10 kommuniziert über eine Zweidraht-Schaltung 18 mit einer Rückkoppelschleife 14, die den Fluß bzw. Durchfluß in einem Rohrabschnitt 20 steuert. Die Rückkoppelschleife 14 umfaßt eine Steuereinheit 22 und eine entfernte Vorrichtung 26 mit zwei Anschlüssen, die den Fluidfluß Q von einem Tank 30 in das Rohrnetzwerk 4 hinein steuert. Die Kapazität der Tankanlage 1 kann durch zusätzliche Rückkoppelschleifen erhöht werden, die an Rohrabschnitten 20A, 20B, 20C und 20D angeordnet sind und von dem Hauptüberwacher 10 gesteuert werden. Eine noch weitere Expansion erfordert noch zusätzliche Rückkoppelschleifen und zusätzliche überwachende Haupteinheiten. Unabhängig von der Kapazität ist die Tankanlage 1 in ein Einsatzgebiet 34, das eine eigene Sicherheitsausrüstung erfordert, und ein Steuerraumgebiet unterteilt, das durch den Block 36 angegeben ist. Eine Grenzvorrichtung 16 für eigene Sicherheit, die die Spannung und dem Strom auf bestimmte Werte begrenzt, ist am Kabel 12 an der Schnittstelle zwischen dem Steuerraum 36 und dem Einsatzort 34 angebracht. Jedes zusätzliche Kabel zwischen dem Steuerraum 36 und dem Einsatzort 34 erfordert die Einrichtung einer solchen Grenzvorrichtung.
Der Fluß Q in dem Rohrsegment 20 ist gegeben als:
Q = k{ρ · DP}0,5 Gleichung 1
wobei Q die Masseflußrate, p die Dichte des Fluids 2, DP der Differenzdruck entlang einer Öffnung in dem Rohrsegment 20 und k eine Proportionalitätskonstante ist. Diese Berechnung des Flusses erfordert eine Prozeßvariable, die den Differenzdruck angibt.
Wenn sich jedoch ρ ändert, wie es bei petrochemischen Erzeugnissen typisch ist, ist eine genauere Bewertung des Flusses Q gegeben durch.
Q = k'{AP · DP/AT}0,5 Gleichung 2
wobei AP der Absolutdruck im Rohrsegment 20 ist, k' eine weitere Proportionalitätskonstante und AT die Absoluttemperatur des Fluids 2 sind. Zwei zusätzliche Prozeßvariablen, nämlich die Absoluttemperatur und der Absolutdruck, sind erforderlich.
Die Fig. 2 zeigt eine "smarte" Steuereinheit 22, die mit der überwachenden Haupteinheit 10 über eine Zweidraht- Schaltung 18 kommuniziert und eine Eingangseinrichtung 50 und eine Steuereinrichtung 52 aufweist. "Smart" bedeutet, daß ein Berechnungsvermögen in der Steuereinheit vorgesehen ist, zum Beispiel wie es durch einen Mikroprozessor durchgeführt wird. Die Steuereinheiten sind in Zweidraht- Schaltungen auf unterschiedlichste Art und Weisen verbunden. Jede Zweidraht-Schaltung ist mit einer Energiequelle gekoppelt, die Instrumente an der Schaltung versorgt. In einer ersten Konfiguration enthält die überwachende Haupt einheit die Energiequelle, die eine Steuereinheit versorgt. Zusätzliche Steuereinheiten können durch die überwachende Haupteinheit mit Energie versorgt werden und sind parallel entlang der Energiequelle verbunden. In einer zweiten Konfiguration enthält die überwachende Haupteinheit die Energiequelle, die zumindest eine Steuereinheit und zumindest eine entfernte Vorrichtung mit Energie versorgt, die in Serie an der Energiequelle verbunden sind. In einer dritten Konfiguration versorgt eine Steuereinheit, die in der ersten Konfiguration verwendet wird, eine oder mehrere entfernte Vorrichtungen, Steuereinheiten oder beides mit Energie. Die Anzahl der Instrumente, die mit Energie versorgt werden, ist typischerweise durch den erhältlichen Strom begrenzt, aber alternative Energiequellen sind manchmal für entfernte Vorrichtungen erhältlich. Die entfernte Vorrichtung kann mit der Steuereinheit durch ein Drahtpaar oder in Alternative durch eine zweite Zweidraht-Schaltung verbunden werden.
Die Eingangseinrichtung 50 hat eine Empfangseinrichtung 54, die mit der Zweidraht-Schaltung 18 gekoppelt ist, zum Empfangen von Prozeßsignalen und eine Speichereinrichtung 56, die mit der Empfangseinrichtung 54 gekoppelt ist, zum Speichern von Prozeßsignalen 55. Die Steuereinrichtung 52 empfängt Prozeßsignale 55 von der Empfangseinrichtung 54 und der Speichereinrichtung 56 der Eingangseinrichtung 50, wie beabsichtigt. Eine Speichereinrichtung 53 empfängt den Befehlsausgang 58 und gibt einen vorherigen Befehlsausgang 60 aus. Der Befehlsausgang 58 wird vom Block 52a als eine Funktion der Prozeßsignale 55 und des vorherigen Befehlsausgangs 60 bereitgestellt und zu dem Kabel 57 ausgekoppelt, das ein Teil einer zweiten Zweidraht-Schaltung abhängig von der Konfiguration sein kann. Der Befehlsausgang 58 kann in einigen Anwendungen als Funktion alleine der Prozeßsignale 55 erzeugt werden. Eine Steuereinheit wie diese wird in einer Vorwärtskoppel-Steueranwendung verwendet, wo keine Rückkopplung verwendet wird, um den Befehlsausgang zu erzeugen. In jeder Anwendung ist die entfernte Vorrichtung 26 ein Aufnehmer, zum Beispiel einer, der eine Stromgröße dazu verwendet, einen Druck zu regeln, und ist in der Prozeßsteuerindustrie als Strom zu Druck (I/P)-Wandler bekannt. In einer kaskadierten Steueranwendung wird jedoch der Befehlsausgang einer Steuereinheit als ein Prozeßsignal verwendet, das für den Sollwert für eine andere Steuereinheit repräsentativ ist. In einer kaskadierten Steueranwendung ist dementsprechend die entfernte Vorrichtung 26 eine weitere Steuereinheit 22.
Die entfernte Vorrichtung 26 legt eine Energiequelle 59 für Druckluft an den Prozeß als Funktion des Befehlsausgangs 58 an. Prozeßsignale, die beim Erzeugen des Befehlsausgangs 58 verwendet werden, umfassen Sollwerte, die für einen gewünschten Prozeßzustand repräsentativ sind, Prozeßvariablen, die von dem Prozeß erzeugt werden, Befehle, die den Betrieb der Steuereinrichtung 52 lenken, Befehlssätze, teilweise oder insgesamt, Term-Koeffizienten für die Steuereinrichtung 52 und Nachfragen nach Statusinformationen über die Steuereinheit 22 von der überwachenden Haupteinheit 10. Unterschiedliche Typen von Prozeßsignalen werden zu der Steuereinheit 22 in Abhängigkeit von der Steuereinheit 22 und der Prozeßsteueranwendung gesendet.
Ein erster Typ von Prozeßsignal ist die Prozeßvariable. Prozeßvariablen sind als primäre Prozeßvariablen klassifiziert, wenn sie direkt die von der Rückkoppelschleife zu steuernde Variable wiedergeben. Die Primärprozeßvariable für die Steuereinheit 22 ist der Durchfluß. Sekundäre Prozeßvariablen beeinflussen die primären Prozeßvariablen und werden typischerweise verwendet, um die primären Prozeßvariablen genauer bestimmen zu können. Diese Kompensation stechniken sind in dem U. S. Patent Nr. 4,598,381 mit dem Titel "Druckkompensierter Differenzdrucksensor und Verfahren" offenbart, das dem gleichen Anmelder wie die vorliegende Anmeldung gehört. In Alternative werden zwei Prozeßvariablen, die für die gleiche Messung oder die gleiche Meßgröße repräsentativ sind, zur Steuereinheit 22 von unterschiedlichen Instrumenten aus auf der gleichen Rückkoppelschleife gesendet, wodurch eine Redundanz einer kritischen Messung bereitgestellt wird.
Ein zweiter Typ von Prozeßsignal ist der Sollwert, der den gewünschten Prozeßzustand angibt. In dieser Anwendung ist ein Beispiel für den Sollwert ein gewünschter Durchfluß von 10 m³/Minute in dem Rohrsegment 20. Typischerweise werden Prozeßsignale 55, die für einen Sollwert und für Prozeßvariablen repräsentativ sind, zu der Steuereinheit 22 gesendet. Die primäre Prozeßvariable ist typischerweise durch weitere Prozeßvariablen, die über die Schaltung 18 gesendet werden, kompensiert. Die Steuereinrichtung 52 ermittelt die Differenz zwischen dem Sollwert und der kompensierten Prozeßvariablen und stellt den Befehlsausgang 58 ein.
Ein weiterer Typ des Prozeßsignals 55 gibt Befehle wieder, die zwischen Befehlssätzen auswählen, die in der Steuereinheit 22 gespeichert sind, um einen Befehlsausgang 58 bereitzustellen. Zum Beispiel verursacht ein Abschaltkommando, daß der Befehlsausgang 58 von einem Befehlssatz zum sicheren Herunterfahren der Rückkoppelschleife 14 verwaltet wird. Abschaltbefehle ermöglichen ein manuelles Eingreifen der Rückkoppelschleife 14. Ein weiterer Typ des Kommandos befiehlt der Steuereinheit 22, ihren eigenen Befehlssatz für den Betrieb der Steuereinrichtung 52 adaptiv zu setzen. Bei der adaptiven Steuerung kann der Befehlssatz als Funktion der Zeit variieren. In diesem Modus berechnet die Steuereinheit 22 ihre eigenen Terme und Koeffizienten, wie vorgesehen, für den Betrieb der Steuereinrichtung 52. In Alternative kann ein weiteres Kommando verursachen, daß die Steuereinheit 22 in einem Ausnahmemodus arbeitet, in dem sie mit der überwachenden Haupteinheit 10 nur kommuniziert, wenn die Prozeßvariablen spezifizierte Grenzwerte überschreiten. Ein Ausnahmemodus-Betrieb reduziert die Dialoge bzw. Kommunikationen zwischen Instrumenten der Tankanlage 1 und befreit die überwachende Haupteinheit 10 von einer kontinuierlichen Kommunikation mit der Rückkoppelschleife 14. Die sich daraus ergebende Abnahme der Kommunikationsüberlastung stellt die überwachende Haupteinheit 10 dafür frei, größere Anzahlen von Rückkoppelschleifen zu überwachen und mehr Aufgaben durchzuführen als vorher.
Prozeßsignale, die Befehlssätze teilweise oder insgesamt wiedergeben, werden zur Steuereinheit 22 gesendet, um den Betrieb der Steuereinrichtung 52 zu lenken. Teilweise Befehlssätze werden zur Steuereinheit 22 gesendet, wenn ein Untersatz eines Befehlssatzes benötigt wird, um den Befehlsausgang 58 einzustellen.
Ein typischer Befehlssatz stellt den Befehlsausgang 58 ein. Eine allgemeine Gleichung zur Steuerung ist gegeben durch:
Δqr = airi + biyi Gleichung 3
wobei qK der Befehlsausgang zum K-ten Zeitpunkt ist, ri und yi der Sollwert und die Prozeßvariablenwerte bei dem K-ten Zeitpunkt sind, i von 0 bis K variiert und ai und bi anwendungsspezifische Konstanten sind, die sich mit der Zeit ändern können. Viele Anwendungen benötigen eine Steuerung, die proportional zu einer im wesentlichen linearen Verknüpfung der Prozeßvariablen, des Zeitintegrals der Prozeßvariablen und der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Prozeßvariablen ist, was manchmal als Proportional- Integral-Differential(PID)-Betrieb bezeichnet wird. Die folgenden Gleichungen definieren Konstanten ai und bi aus der Gleichung 3 für den PID-Steuer- bzw. Regelbetrieb in geeigneter Weise. Die Konstante ai für die momentane Zeit und zwei vorhergehende Ermittlungen sind in den Gleichungen 3.1a-c definiert:
aK = Kp + KI, Gleichung 3.1a
wobei KP und KI als proportionaler bzw. integraler Verstärkungsfaktor definiert sind.
aK-1 = - KP, Gleichung 3.1b
aK-x = 0, wobei x ≥ 2 Gleichung 3.1c
Die Konstante bi für die momentane Zeit und die beiden vorherigen Ermittlungen ist durch die Gleichungen 3.2a-c definiert:
bK = {R/(1 - Q) - KP - KI} Gleichung 3.2a
wobei R = (KD TD N)/(TD + N h),
Q = TD/(TD + N h), KD ein differenzieller Verstärkungsfaktor, TD eine differenzielle Zeitkonstante, N ist eine geschwindigkeitsbegrenzende Konstante und h ein Maß für die Menge der benötigten Zeit zur Einstellung des Befehlsausgangs 58 sind. Weiterhin sind
bK-1 = {-2R/(1 - Q) + KP Gleichung 3.2b
bK-2 = R/(1 - Q) Gleichung 3.2c
und alle bK-x = 0, wobei x ≥ 3.
Das Substituieren der Gleichungen 3.1a-c und der Gleichungen 3.2a-c in die allgemeine Steuergleichung 3 führt zu einer PID-Steuergleichung 3.3 mit drei Termen, die eine PI- Gleichung wird, wenn der dritte Term auf 0 gesetzt wird:
ΔqK = ΔPK + ΔIK + ΔDK Gleichung 3.3
wobei ΔPK = KP{EK - EK-1}, ΔIK = KI EK und
ΔDK = {R/(1 - 0)}{YK - 2YK-1 + YK-2} und
EK = rK - yK ist die Differenz zwischen der Prozeßvariablen und dem Sollwert zum Zeitpunkt K und gibt den Fehler wieder.
Die Prozeßsteueranwendung verlangt nach einer geeigneten PI- oder PID-Steuergleichung. Wenn eine proportionale Verstärkung einer Steueranwendung relativ niedrig ist, über einen großen Bereich variiert und sich die gesteuerte Variable langsam ändert, wie es typischerweise in Durchfluß- und Flüssigkeitsdruckanwendungen der Fall ist, ist ein Integralsteuerbetrieb notwendig, während ein Differenzialsteuerbetrieb nicht notwendig ist. Eine solche Steuerung verwendet am besten einen PI-Steuerbetrieb. Der PID- Steuerbetrieb ist andererseits am besten für Anwendungen, zum Beispiel Temperatursteuerung, geeignet, wo eine Proportionalverstärkung niedrig ist, auf ein schmales Werteband begrenzt ist und die gesteuerte Variable sich langsam ändert.
Ein weiterer Typ des Prozeßsignals gibt die Koeffizienten für Terme eines Befehlssatzes wieder, der bereits in der Steuereinheit 22 gespeichert ist. Zum Beispiel, wenn Modifikationen des Rohrnetzwerks 4 erforderlich sind, sendet die überwachende Haupteinheit 10 einen neuen Wert von KP, vgl. Gleichung 3.1a, zur Steuereinheit 22.
Eine letzte Art von Prozeßsignal ist für die Nachfrage nach Informationen von der Steuereinheit 22 repräsentativ. Diese Nachfrage stammt von weiteren Steuereinheiten und von der überwachenden Haupteinheit 10, wie vorgesehen. Statusinformationen, zum Beispiel Prozeßsteuerstatistiken, gegenwärtige Betriebsmodi, Prozeßvariablenwerte und Seriennummern der Einheiten können überwacht werden.
Verschiedene Typen der entfernten Vorrichtung 26 können zusammen mit der Steuereinheit 22 verwendet werden. Wie erläutert wurde, ist die entfernte Vorrichtung 26 ein I/P- Wandler, der einen Befehlsausgang 58 empfängt, der einen Luftdruck 59 zum Einstellen bzw. Positionieren des Ventils 62 als Funktion des Befehlsausgangs 58 anlegt. Weiter Prozeßsteueranwendungen können den absoluten Druck, die Temperatur, die Leitfähigkeit, den pH-Wert, die Sauerstoffkonzentration, die Chlorkonzentration, die Dichte, die Kraft, die Trübheit, eine Bewegung und weitere Größen steuern. In diesen Anwendungen kann die entfernte Vorrichtung 26 einen Motor, ein Ventil für eine Druckmeßanwendung, einen Schalter und einen Kontakt, wie es in einer Temperatursteueranwendung erforderlich ist, ein Relais in einem pH-Wert oder Niveauanwendung oder weitere Implementierungsvorrichtungen aufweisen.
Die Steuereinheit 22 enthält in dem Gehäuse eine Erfassungsvorrichtung 100, die einen erfaßten Ausgang 112 von entweder einer Erfassungseinrichtung 102 oder einer Skalierungseinrichtung 104 hat. In dieser Anwendung ist der Durchfluß durch die Gleichung 1 gegeben, die nur eine Prozeßvariable erfordert, welche den Differenzdruck wiedergibt. In der Erfassungsvorrichtung 100 erfaßt die Erfassungseinrichtung 102 den Druck auf jeder Seite einer Öffnung 106, die in das Fluid 2 hineinreicht. Wenn erforderlich skaliert die Skalierungseinrichtung 104 erfaßte Prozeßvariablen gemäß vom Benutzer definierter bzw. definierbarer Konstanten, wie zum Beispiel den Bereich, den Nullwert und die Dämpfung. Bereichs- und Nullwerteinstellungen ermöglichen, daß bekannte Drücke auf die Bereichsextremwerte der Erfassungseinrichtung 102 bezogen werden können, während die Dämpfung die Antwortzeit der Einheit auf eine Änderung des Prozeßvariableneingangs beeinflußt. Verfahren zum Skalieren der Prozeßvariablen durch die Verwendung von Bereichs- und Nullwerteinstellungen sind in der U. S.- Anmeldung 112, 410 offenbart, die den Titel "Meßumformer mit magnetischem Null/Bereich-Stellglied" trägt, dem gleichen Anmelder wie die vorliegende Anmeldung gehört und die hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Der erfaßte Ausgang 112 der Erfassungseinrichtung 102 und der Skalierungseinrichtung 104 wird, wie vorgesehen, in der Steuereinrichtung 52 verwendet oder wird direkt mit der Verkabelung 57, wie gewünscht, gekoppelt. Wenn der erfaßte Ausgang 112 mit der Verkabelung 57 gekoppelt ist, ist das Signal auf der Verkabelung 57 repräsentativ für die erfaßte Prozeßvariable, wie von einem Meßumformer. Meßumformer erfassen Prozeßvariablen und geben ein Signal aus, das repräsentativ für die erfaßte Prozeßvariable ist. Meßumformer sind bekannt aus und offenbart in dem U. S. Patent Nr. 4,833, 922 von Frick usw. mit dem Titel "Modularer Meßumformer", das dem gleichen Anmelder gehört.
Die Steuereinheit 22, wie in der Fig. 2 gezeigt ist, ist in der Zweidraht-Schaltung 18 in der zweiten Konfiguration, wie vorstehend erläutert wurde, verbunden, kann aber auch in anderen Konfigurationen verbunden sein. Ein Anschluß der entfernten Vorrichtung 26 ist über ein Kabel 27 mit der Steuereinheit 22 verbunden, während der andere mit dem Haupt-Überwacher 10 durch die Zweidraht-Schaltung 18 verbunden ist.
Die Eigenschaft der Steuereinheit 22 als Meßumformer oder als ein Controller zu arbeiten, erlaubt es, daß verschiedene Typen von Prozeßsignalen verwendet werden. Unterschiedliche Optionen sind für Prozeßsignale verfügbar, die Prozeßvariablen wiedergeben.
Prozeßsignale 55, die eine Prozeßvariable wiedergeben und jene, die für einen Sollwert repräsentativ sind, werden über die Zweidraht-Schaltung 18 gesendet und von der Steuereinrichtung 52 zur Erzeugung des Befehlsausgangs 58 verwendet. Prozeßvariablen, die zur Steuereinheit 22 gesendet werden, sind typischerweise repräsentativ für sekundäre Prozeßvariablen wie, wenn die Gleichung 2 verwendet wird, zum Berechnen des Durchflusses und kompensieren typischerweise die primäre Prozeßvariable, die von der Erfassungsvorrichtung 100 erfaßt wird. In Alternative werden Prozeßsignale 55, die für eine redundant erfaßte primäre Prozeßvariable repräsentativ sind, über die Zweidraht-Schaltung 18 für eine erhöhte Zuverlässigkeit bei kritischen Anwendungen gesendet. Ein dritter Befehl sorgt für eine gleichzeitige Ausführung des Steuermodus und des Meßumformermodus. Bei diesem Dualmodus-Betrieb ist der Befehlsausgang 58 mit dem Kabel 57 in analoger Art und Weise gekoppelt und die Größe des Stroms auf dem Kabel 57 ändert sich als Befehlsausgang 58. Die entfernte Vorrichtung 26 stellt das Ventil 62 als Funktion der Höhe der Stromstärke auf dem Kabel 57 ein. Verschiedene Kommunikationsstandarts verändern die Stromhöhe als eine Funktion der gesendeten Information, zum Beispiel 4-20 mA und 10-50 mA Stromschleifenkommunikationsstandarts. In Alternative ist die Spannung am bzw. auf dem Kabel 57 repräsentativ in einem Spannungswert- Kommunikationsstandart, zum Beispiel 1-5 V. Gleichzeitig koppelt die Steuereinheit 22 die digital erfaßte Prozeßvariable 112 mit dem Kabel 57 in einer trägermodulierten Art und Weise. Zum Beispiel werden die Signale, die für einen Befehlsausgang repräsentativ sind, durch den 4-20 mA- Standart kodiert und Signale, die für eine Prozeßvariable repräsentativ sind, werden durch das trägermodulierte Format digital kodiert. Typische Trägermodulations- Kommunikationsstandarts, die verwendet werden können, sind Frequenzumschaltung (FSK = frequency shift key), Amplitu denmodulation (AM), Phasenmodulation (PM), Frequenzmodulation (FM), Quadraturamplitudenmodulation (QAM) und Quadraturphasenumschaltung (QPSK = Quadrature Phase Shift Key).
Der Haupt-Überwacher 10 überwacht die Prozeßvariablen, während die Steuereinheit 22 die entfernte Vorrichtung 26 gleichzeitig steuert, und zwar aufgrund der Serienverbindung von Haupt-Überwacher 10, Steuereinheit 22 und entfernter Vorrichtung 26 und da die entfernte Vorrichtung 26 den Strom in der Schaltung 18 aufgrund ihrer passiven Natur nicht ändern kann. Dieser Betrieb sorgt für Kosten- und Effizienzvorteile, da die Anzahl von Zweidraht-Schaltungen, die für die Prozeßsteuerung benötigt werden, von zwei Schaltungen auf eine Schaltung für jede Rückkoppelschleife reduziert wird. Wenn dieser Modus nicht verwendet wird, kommuniziert eine erste Zweidraht-Schaltung eine Frozeßvariable zwischen einem Meßumformer und einem Haupt- Überwacher 10 und eine zweite Zweidraht-Schaltung kommuniziert einen Befehlsausgang zwischen dem Haupt-Überwacher 10 und der entfernten Vorrichtung 26. Mit diesem Modus steuert eine einzelne Zweidraht-Schaltung, die den Haupt-Überwacher 10, die Steuereinheit 22 und die entfernte Vorrichtung 26 in Serie verbindet, den Prozeß. Verdrahtungskosten in Einsatzgebieten sind hoch, wobei jede Rückkoppelschleife- Verdrahtung ungefähr die gleiche Investition wie ein Meßumformer und eine entfernte Vorrichtung benötigt. Zweitens wählen die Prozeßsignale 55, die für die Kommandos repräsentativ sind, die über die Zweidraht-Schaltung 18 gesendet werden, zwischen den beiden Betriebsmodi aus. Dieser Befehl lenkt die Steuereinheit 22, die erfaßte Prozeßvariable 112 oder den Befehlsausgang 58 mit der Verkabelung 57 zu koppeln. In Abhängigkeit von diesem Befehl arbeitet die gleiche Steuereinheit 22 als Meßumformer oder als Controller. Während des Betriebs als Controller wird ein Befehl, der den Betrieb auf einer Ausnahmebasis lenkt, über die Schal tung 18 gesendet. Ein Ausnahme abhängiger Betrieb befiehlt der Steuereinheit 22, mit dem Haupt-Überwacher 10 nur zu kommunizieren, wenn die Prozeßvariablen, die von der Einheit empfangen oder erfaßt werden, nicht innerhalb bestimmter Grenzen sind. Diese Befehle vermeiden, daß der Haupt- Überwacher 10 den Betrieb der Steuereinheit 22 überwachen oder in diesen eingreifen muß, was in weniger Kommunikationen für die Aufrechterhaltung der Prozeßsteuerung resultiert. Ein weiterer Vorteil ist die erhöhte Zuverlässigkeit der Prozeßsteuerung, da das Kabel 12 unterbrochen werden kann, ohne daß der Prozeß in diesem Modus beeinflußt wird.
Drittens werden Prozeßsignale 55, die für geänderte Befehlssätze repräsentativ sind, zur Steuereinheit 22 wie geeignet für die Prozeßsteueranwendung gesendet, die zuvor erläutert wurde. Unterschiedliche Funktionalitäten in sich ändernden Applikationen werden erreicht. Zum Beispiel erfaßt die Steuereinheit 22 den Differenzdruck in einem Prozeß, der den Durchfluß steuert, wenn ein erster Befehlssatz die Steuereinrichtung 52 verwaltet, und erfaßt den Differenzdruck auf einem Prozeßsteuerniveau, wenn ein zweiter Befehlssatz die Steuereinrichtung 52 verwaltet. In Alternative stellt die Steuereinheit 22 den Befehlsausgang 58 für unterschiedliche Typen von entfernten Vorrichtungen 26 bereit, wobei dieser Befehlsausgang 58 als Funktion der Prozeßsignale 55 geändert wird.

Claims

1. Zweidraht-Steuereinheit zum Anbringen am Einsatzort, die aufweist:

ein Gehäuse;

eine Erfassungsvorrichtung (100) in dem Gehäuse, die eine Einrichtung zum Erfassen einer Prozeßvariablen und zum Erzeugen eines Prozeßvariablensignales (112) hat, das für die Prozeßvariable repräsentativ ist;

eine Eingangseinrichtung (54) in dem Gehäuse zum Koppeln mit einer Gleichstrom-Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (18) zum Empfangen von Energie von der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife (18), wobei die Eingangseinrichtung (54) aufweist eine Einrichtung (56) zum Empfangen von zumindest einem Prozeßsignal über die Zweidraht-Prozeßsteuerschleife und zum Speichern dieses Prozeßsignals; und

eine Steuereinrichtung (52) in dem Gehäuse, die mit der Erfassungsvorrichtung (100) und der Eingangseinrichtung (54) gekoppelt ist, zum Erzeugen eines Befehlsausgangs (58) für eine externe Steuervorrichtung (26), die einen Prozeß steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auch zum Speichern des Befehlsausgangs ist, wobei der Befehlsausgang eine Funktion des gespeicherten Prozeßsignals, des Prozeßvariablensignals und eines zuvor gespeicherten Werts des Befehlsausgangs ist; und

daß die Steuereinheit (22) dafür ausgelegt ist, ein digitales Ausgangssignal in einem trägermodulierten Format zu erzeugen, das dem Befehlsausgang überlagert ist.

2. System, das eine Zweidraht-Steuereinheit, wie in dem Anspruch 1 zitiert, eine externe Steuervorrichtung (26) und eine Haupteinheit (10) aufweist, die elektrisch in Serie verbunden sind.

3. Zweidraht-Steuereinheit, wie in Anspruch 1 zitiert, die einen Befehlssatz für den Betrieb der Steuereinrichtung adaptiv setzt.

4. Zweidraht-Steuereinheit, wie in Anspruch 1 zitiert, wobei das Prozeßsignal Befehle für den Betrieb der Steuereinrichtung aufweist.

5. Zweidraht-Steuereinheit, wie in Anspruch 1 zitiert, wobei das Prozeßsignal einen Sollwert aufweist und wobei die Steuereinrichtung dafür ausgelegt ist, den Befehlsausgang als eine Funktion der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Prozeßvariablensignal einzustellen.

6. Zweidraht-Steuereinheit, wie in Anspruch 1 zitiert, wobei die Steuereinrichtung dafür ausgelegt ist, den Befehlsausgang qk gemäß einer Gleichung

Δqk = airi + biyi

einzustellen, wobei qk der Befehlsausgang zu einem k-ten Zeitpunkt ist, ri und yi ein Sollwert bzw. ein Prozeßvariablensignalwert zum i-ten Zeitpunkt ist, wobei i zwischen 0 und k variiert und ai und bi applikationsspezifische Konstanten sind, die sich mit der Zeit ändern können.

7. Zweidraht-Steuereinheit, wie in Anspruch 1 zitiert, wobei der Befehlsausgang ausgelegt ist, in einer analogen Art und Weise mit der externen Steuereinrichtung (26) über die Zweidraht-Prozeßsteuerschleife gekoppelt zu sein.

8. Zweidraht-Steuereinheit, wie in Anspruch 7 zitiert, wobei das Format für das Koppeln des Befehlsausgangs mit der Zweidraht-Prozeßsteuerschleife einen 4-20 mA-Stromschleife- Kommunikationsstandart aufweist.

9. Zweidraht-Steuereinheit, wie in Anspruch 1 zitiert, wobei die Einrichtung zum Erfassen einen Sensor aufweist, der aus der Gruppe von Sensoren für die Erfassung des Drucks, der Temperatur, des Flusses, der Masse, der Leitfähigkeit, der Feuchtigkeit, des pH-Werts, der Sauerstoffkonzentration, der Chlorkonzentration, der Dichte, der Kraft und der Trübheit ausgewählt ist.