KR101139624B1

KR101139624B1 - 2-선식 기기 장치 버스에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 버스 기기 및 방법

Info

Publication number: KR101139624B1
Application number: KR1020117004861A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 엠. 맨스필드; 크라이그 비. 맥카날리; 폴 제이. 해이스
Original assignee: 마이크로 모우션, 인코포레이티드
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2012-04-27
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: PL2321813T3; CA2731949C; JP2011529601A; WO2010014102A1; DK2321813T3; JP5086476B2; CN102113036B; AU2008360025A1; BRPI0822967A2; EP2321813A1; KR20110039367A; AR072612A1; BRPI0822967B1; MX2011000784A; EP2321813B1; CN102113036A; AU2008360025B2; US20110121794A1; CA2731949A1; US8595519B2

Abstract

전력 소비를 예측하여 제한하도록 구성되고 2-선식 기기 장치 버스와 함께 사용하기 위하여 적응된 버스 기기(10)가 제공된다. 버스 기기(10)는 센서(13), 분로 조절기(14), 및 제어기(20)를 포함한다. 제어기(20)는 루프 전류(I_L)의 변화 후 버스 기구(10)에 이용 가능할 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 생성하고, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)으로 구성된 현재 시간 전력(P_t0)과 비교하고, 그리고 만약 총 이용 가능한 전력(P_available)이 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합보다 작으면 센서 전력(P_sensor)을 감소시키도록 구성된다.

Description

2-선식 기기 장치 버스에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 버스 기기 및 방법{BUS INSTRUMENT AND METHOD FOR PREDICTIVELY LIMITING POWER CONSUMPTION IN A TWO-WIRE INSTRUMENTATION BUS}

본 발명은 2-선식(two-wire) 기기 장치(instrumentation) 버스에 대한 버스 기기(instrument) 및 방법에 관한 것이고, 구체적으로 2-선식 기기 장치 버스에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 버스 기기 및 방법에 관한 것이다.

버스 루프들은 예를 들어 산업적 세팅들에서처럼 일반적으로 다양한 기기들을 접속하기 위하여 사용된다. 버스 루프는 전기 전력을 버스 기기들에 제공할 수 있다. 버스 루프는 버스 기기 및 외부 디바이스(들) 사이의 통신들을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 버스 루프는 일반적으로 버스 기기 측정들의 리포팅(reporting)을 위해 사용되고 추가로 버스 기기의 제어를 가능하게 할 수 있다.

하나의 버스 루프 프로토콜은 고유 전력 제한들로 인해 때때로 4-20 밀리암페어(mA)라 지칭되는 2-선식 버스 프로토콜이다. 이런 버스 프로토콜은 단지 2 선들만을 사용하는 버스에 기기들의 접속 단순성을 위해 이용될 수 있고, 여기서 2 선들은 전기 전력 및 전자 통신들 둘 다를 제공한다. 이런 버스 프로토콜은 예를 들어 전기 전력이 안전 이유들 때문에 제한되는, 위험하거나 폭발하기 쉬운 환경들에서 사용될 수 있다.

공통 2-선식 버스 프로토콜에서 측정값들의 통신은 4 내지 20mA 사이 같은 미리 결정된 범위로 전류 발생(draw)을 제어 및 가변시키는 것을 포함한다. 이런 버스 프로토콜에서, 영의 흐름 조건은 버스 루프의 루프 전류를 4mA이도록 제어함으로써 표시된다. 4mA 미만의 버스 루프 전류는 2-선식 버스 프로토콜에 따라 유효 측정이 이루어지지 않고, 버스 기기의 작동(power-up) 단계 또는 몇몇 다른 방식의 시그널링을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 최대 흐름 양은 버스 기기가 버스 루프 전류를 약 20mA이도록 제어하게 할 수 있다.

호스트 시스템은 2-선식 버스 루프에 접속되고 조절된 전기 전력을 제공하고 모든 접속된 버스 기기들로부터 통신 시그널링을 수신한다. 호스트 시스템은 전류 양(즉, 측정값)을 해석하고 상기 측정값을 모니터링 컴퓨터 같은 외부 디바이스에 전달한다.

제한된 전기 전류 및 제한된 전기 전력은 문제일 수 있다. 버스 기기는 전류 제한들을 초과하지 않고 정확하고 신뢰성 있게 동작하여야 한다. 버스 기기에서 증가된 전력 수요는 기기의 전기 전류 요구 조건들이 적용 가능한 프로토콜에 의해 규정된 양을 초과하게 할 수 있다. 게다가, 최소 흐름 조건들에서, 2-선식 버스 기기는 4mA 초과의 전기 전류를 소비할 수 없다. 이런 낮은 전류 레벨은 문제일 수 있고 전기 전류가 버스 기기를 동작시키기에 충분하지 않을 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 전력 소비가 이용 가능한 전력 제한에 도달하거나 초과하면, 에러 조건이 유발될 수 있다. 몇몇 실시예들에서 에러 조건은 버스 기기의 잘못된 동작이나 신뢰성 없는 동작을 유발할 수 있다. 몇몇 실시예들에서 에러 조건은 버스 기기 내의 프로세서 또는 프로세서들의 리셋을 유발할 수 있다.

그러므로, 만약 모두 가능하다면 버스 기기의 전력 소비가 허용 가능한 전력 제한 아래에 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양상에서, 전력 소비를 예측하여 제한하도록 구성되고 2-선식 기기 버스와 함께 사용하기 위해 적응된 버스 기기는:

센서;

초과 전기 전류를 분로시키기 위하여 구성된 분로 조절기; 및

분로 조절기 및 센서에 결합된 제어기 ? 상기 제어기는 루프 전류(I_L)의 변화 후 버스 기기에 이용 가능한 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 생성하고, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합으로 구성된 현재 시간 전력(P_t0)과 비교하고, 그리고 만약 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)이 제어 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합보다 작으면 센서 전력(P_sensor)을 감소시키도록 구성됨 ? 를 포함한다.

바람직하게, 제어기는 센서로부터 측정값을 수신하고 측정값으로부터 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 생성하도록 추가로 구성되고, 여기서 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 사용하여 생성된다.

바람직하게, 센서 전력(P_sensor)을 감소시키는 것은 센서에 제공된 센서 전류(I_sensor)를 감소시키는 것을 포함한다.

바람직하게, 제어기는 루프 저항(R_L) 및 공급 전압(V_S)을 결정하도록 추가로 구성된다.

바람직하게, 루프 저항(R_L) 및 공급 전압(V_S)을 결정하는 것은 미리 결정된 제 1 루프 전류(I_L1)에서 제 1 루프 전압(V_L1)을 측정하는 예비 단계, 미리 결정된 제 2 루프 전류(I_L2)에서 제 2 루프 전압(V_L2)을 측정하는 예비 단계, 및 제 1 및 제 2 루프 전압들(V_L1, V_L2) 및 제 1 및 제 2 루프 전류들(I_L1 및 I_L2)로부터 루프 저항(R_L)을 결정하는 예비 단계를 포함한다.

본 발명의 일 양상에서, 2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비스를 예측하여 제한하기 위한 방법은:

루프 전류(I_L)의 변화 후 버스 기기에 이용 가능한 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 생성하는 단계;

상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 제어 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합으로 구성된 현재 시간 전력(P_t0)과 비교하는 단계; 및

만약 상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)이 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합보다 작으면 센서 전력(P_sensor)을 감소시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 센서로부터 측정값을 수신하는 단계 및 상기 측정값으로부터 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 생성하는 단계를 더 포함하고, 여기서 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 사용하여 생성된다.

바람직하게, 센서 전력(P_sensor)을 감소시키는 단계는 센서에 제공된 센서 전류(I_sensor)를 감소시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 루프 저항(R_L) 및 공급 전압(V_S)을 결정하는 예비 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 루프 저항(R_L)을 결정하는 단계는 미리 결정된 제 1 루프 전류(I_L1)에서 제 1 루프 전압(V_L1)을 측정하는 예비 단계, 미리 결정된 제 2 루프 전류(I_L2)에서 제 2 루프 전압(V_L2)을 측정하는 예비 단계, 및 제 1 및 제 2 루프 전압들(V_L1 및 V_L2) 및 제 1 및 제 2 루프 전류들(I_L1 및 I_L2)로부터 루프 저항(R_L)을 결정하는 단계를 포함한다.

동일한 참조 번호는 도면들 상에서 동일한 엘리먼트를 나타낸다. 도면들이 반드시 실제 치수를 나타내는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버스 루프 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어기를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법의 흐름도이다.

도 1 - 도 3 및 다음 상세한 설명은 본 발명을 만드는 방법 및 가장 우수한 모드를 사용하는 방법을 당업자에게 가르치기 위하여 특정 예들을 도시한다. 본 발명의 원리들의 가르침을 위해, 몇몇 통상적인 양상들은 단순화되었거나 생략되었다. 당업자는 본 발명의 범위 내에 속하는 이들 예들로부터 적당한 변화들을 인식할 것이다. 당업자는 하기에 기술된 특징들이 본 발명의 다수의 변화들을 형성하기 위하여 다양한 방식으로 결합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 본 발명은 하기에 기술된 특정 예들로 제한되지 않고, 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해서만 제한된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버스 루프 시스템(100)을 도시한다. 버스 루프 시스템(100)은 호스트 시스템(1), 2-선식 버스 루프(4) 및 상기 2-선식 버스 루프(4)에 접속된 버스 기기(10)를 포함한다. 호스트 시스템(1)은 전원(2), 시그널링 저항기(R_S), 및 상기 시그널링 저항기(R_S)에 결합된 측정 디바이스(3)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서 버스 루프 시스템(100)은 본질적 안전(intrinsically safe)(I.S.) 장벽(점선으로 도시됨)을 포함할 수 있다. I.S. 장벽은 예를 들어 위험한 환경을 보호하기 위하여 설계된 물리적 장벽을 포함할 수 있다.

호스트 시스템(1)은 2-선식 버스 루프(4)를 통해 루프 전압(V_L) 및 루프 전류(I_L)를 생성한다. 루프 전압(V_L)은 본질 안전(I.S.) 프로토콜 또는 다른 위험하거나 폭발-방지 프로토콜에 의한 것과 같이 실질적으로 정의되거나 제한될 수 있다. 몇몇 2-선식 버스 루프 시스템들(100)에서, 루프 전압(V_L)은 16 내지 36 볼트(V)로 설정된다. 루프 전압(V_L)은 전원 전압(V_S) 및 루프 전류(I_L)에 좌우된다. 루프 전류(I_L)는 제어기(20)에 의해 설정되지만 적용 가능한 버스 또는 I.S. 프로토콜에 의해 제한된다. 결과적으로, 제어기(20)는 루프 전류(I_L)를 제한된 방식으로 변화시킬 수 있다. 루프 전류(I_L)는 그런 프로토콜들에서 측정값을 호스트 시스템(1)에 통신하기 위하여 단지 24mA로 제한될 수 있고 그리고 통상적으로 4mA 내지 20mA(또는 10mA 내지 20mA) 범위이다. 그러나, 다른 루프 전류 값들은 고려되고 상세한 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다. 게다가, 전원(2)에 의해 제공된 루프 전압(V_L)은 고정되지 않을 수 있고 전력을 결정하기 위하여 측정될 필요가 있을 수 있다. 루프 전압(VL)은 전원 전압(V_S)으로부터 벗어날 수 있다.

루프 전류(I_L)는 시그널링 저항기(R_S)를 통하여 흐르고 가변 전압을 생성한다. 측정 디바이스(3)는 시그널링 저항기(R_S) 양단에 생성된 전압을 측정하여 상기 전압을 측정 신호로 전환한다. 결과적으로, 루프 전류(I_L)는 센서(13) 및 제어기(20)로부터 측정값을 호스트 시스템(1) 및 궁극적으로 외부 디바이스(들)에 전달한다. 게다가, 디지털 통신 시그널링은 만약 원하면 루프 전류(I_L) 상에 중첩될 수 있다.

버스 기기(10)는 임의의 방식의 기기를 포함할 수 있다. 도시를 위해, 버스 기기(10)는 유량계(flowmeter)를 포함할 수 있다. 버스 기기(10)가 코리올리 유량계 또는 진동 밀도계(vibratry densimeter)를 포함하는 유량계인 경우, 센서(13)는 진동 구동기를 포함한다.

버스 기기(10)는 센서(13), 제어기(20) 및 분류 조절기(14)를 포함한다. 게다가, 버스 기기(10)는 센서(13) 및 제어기(20)에 대한 루프 전류 제어기(23) 및 전압 컨버터들(24 및 25)을 포함할 수 있다. 센서(13)는 몇몇 실시예들에서 버스 기기(10)에 결합된 별개의 컴포넌트(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 센서(13)는 예를 들어 유량계 같은 임의의 방식의 센서를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 센서들은 고려되고 상세한 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.

제어기(20)는 센서(13)에 결합되고 루프 전류(I_L)를 제어한다. 제어기(20)는 센서(13)를 동작시킬 수 있고 측정값을 2-선식 버스 루프(4)에서 흐르는 가변 루프 전류(I_L) 형태인 아날로그 출력 전류로서 변환하기 위하여 센서(13)로부터 수신된 신호들을 프로세싱할 수 있다.

도면에서 도시될 수 있는 바와 같이, 버스 기기(10)에 공급된 루프 전류(I_L)는 제어기(20)에서 흐르는 제어기 전류(I_controller), 센서(13)에서 흐르는 센서 전류(I_sensor), 및 분로 조절기(14)에서 흐르는 분로 전류(I_shunt)를 포함한다. 루프 전류(I_L)가 고정되지 않는 것이 이해되어야 한다.

루프 시스템(10)에 만들어진 측정 통신 프로토콜 및 전력 제한들로 인해, 버스 기기(10)는 호스트 시스템(1)에 의해 공급되는 모든 전기 전력을 소비할 수 있다(또는 이용 가능한 전력보다 많이 요구할 수 있다). 결과적으로, 버스 기기(10)는 2-선식 버스 루프(4)에 접속된 유일한 기기일 수 있다.

루프 전류(I_L)가 제한되기 때문에, 버스 기기(10)는 이용 가능한 전기 전류만을 소비할 수 있다. 그러므로, 만약 버스 기기(10)에 의해 생성된 측정값이 10mA의 루프 전류(I_L)에 대응하고 버스 기기가 측정값을 생성하기 위하여 단지 8mA만을 요구하면, 버스 기기(10)는 호스트 시스템(1)으로부터 10mA를 끌어당기기 위하여 초과 2mA를 싱킹(sink)하거나 소비하여야 한다. 분로 조절기(14)는 전기 전류의 초과 2mA를 싱킹하도록 구성된다.

전원(2)은 루프 전류(I_L)에 의해 곱셈되는 루프 전압(V_L)으로 구성되는 총 이용 가능한 전력(P_available)을 제공한다. 총 이용 가능한 전력(P_available)은 버스 기기(10)의 컴포넌트들에 의해 소비되는 전력을 더 포함한다, 즉

. 제어기 전력(P_controller)은 비교적 고정적이다. 결과적으로, 총 이용 가능한 전력(P_available)을 초과하는 것을 회피하기 위하여 센서 전력(P_sensor)을 가변시키는 것이 원해질 수 있다.

버스 기기(10)는 2-선식 기기 장치 버스와 함께 사용할 때 전력 소비를 예측하여 제한하도록 구성된다. 버스 기기(10)는 루프 전류(I_L)의 변화 후 버스 기기(10)에 이용 가능한 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 생성하고, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)으로 구성된 현재 시간 전력(P_t0)에 비교하고, 그리고 만약 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)이 제어 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합보다 작으면 센서(13)의 센서 전력(P_sensor)을 감소시키도록 구성된다. 이런 방식으로, 전력은 전력이 감소될 수 있기 전에 제한을 초과할 수 없다.

유리하게, 본 발명에 따른 버스 기기 및 방법은 적용 가능한 버스 또는 I.S.를 초과하지 않도록 전력 소비를 예측하여 제어할 수 있다. 게다가, 버스 기기 및 방법은 전압 저하(brown-out), 리셋, 잘못된 측정값들, 또는 버스 기기가 이용 가능한 전력을 다 소비할 때 발생할 수 있는 다른 문제들을 방지하는 사전 전력 조절들을 수행한다. 게다가, 버스 기기 및 방법은 실질적으로 전력 제한으로부터 간격 또는 버퍼(buffer)를 유지할 수 있고, 여기서 예상되지 않은 전력 수요 스파이크들(spike)은 전력 제한을 초과할 수 없다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어기(20)를 도시한다. 제어기(20)는 인터페이스(201), 프로세싱 시스템(203), 전류 미터(meter)(250), 및 전압 미터9252)를 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(204)은 분로 조절기(14), 인터페이스(201), 전류 미터(250), 및 전압 미터(252)에 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 제어기(20)는 인터페이스(201)를 통하여 센서(13)에 결합된다.

제어기(20)는 인터페이스(201)를 통하여 센서(13)로부터 센서 신호들을 수신한다. 제어기(20)는 데이터를 얻기 위하여 센서 신호들을 프로세싱한다. 인터페이스(201)는 임의의 방식의 포맷팅, 증폭, 버퍼링, 등등 같은 임의의 필요하거나 원해지는 신호 컨디셔닝(conditioning)을 수행할 수 있다. 대안적으로, 신호 컨디셔닝의 일부 또는 모두는 프로세싱 시스템(203)에서 수행될 수 있다. 게다가, 인터페이스(201)는 제어기(20) 및 외부 디바이스들 사이의 통신들을 가능하게 할 수 있다.

분로 조절기(14)는 초과 전기 전류를 분로시키기 위하여 구성된다. 제어기(20) 또는 센서(13)에 의해 소비되지 않은 모든 전기 전류는 분로 조절기(14)에 의해 소비된다.

전류 미터(250)는 전기 전류를 측정하도록 구성되고 상기 측정값을 프로세싱 시스템(203)에 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 전류 미터(250)는 분로 전류(I_shunt)를 측정할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전류 미터(250)는 센서 전류(I_sensor)를 측정할 수 있다.

전압 미터(252)는 버스 루프 전압(V_L)을 측정하고 측정값을 프로세싱 시스템(203)에 제공하도록 구성된다. 루프 전압(V_L)은 버스 기기(10)에서 이용 가능한 전압을 포함할 수 있다.

프로세싱 시스템(203)은 제어기(20)의 동작들을 관리하고 센서(13)로부터 수신된 측정값들을 프로세싱한다. 프로세싱 시스템(203)은 범용 컴퓨터, 마이크로프로세싱 시스템, 로직 회로, 또는 몇몇 다른 범용 또는 주문형 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 다중 프로세싱 디바이스들 사이에 분배될 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 저장 시스템(204) 같은 임의의 방식의 일체형이거나 별개의 전자 저장 매체를 포함할 수 있다.

저장 시스템(204)은 파라미터들 및 데이터, 소프트웨어 루틴들, 상수 값들, 및 변수 값들을 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장 시스템(204)은 프로세싱 루틴(240), 제어기 전력(241), 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)(242), 측정값(243), 루프 전압(V_L)(244), 루프 저항(R_L)(245), 공급 전압(V_S)(246), 예측된 루프 전류(I_L _- _next)(247), 루프 전류(I_L)(248), 및 센서 전력(P_sensor)(249)을 저장할 수 있다.

제어기 전력(241)은 제어기(20)에 의해 소비되는 전기 전력이다. 제어기 전력(241)은 예측된 이용 가능한 전력(P_available) 마이너스 양쪽 센서 전력(P_sensor) 및 분로 전력(P_shunt)으로서 결정될 수 있다. 제어기 전력(241)은 제어기 전력(P_controller)이 시간에 따라 거의 변화하지 않을 것이기 때문에, 주기적으로만 결정될 필요가 있을 수 있다.

예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)(242)은 특정 측정값(243)에 대해 예측된 전력 소비이다. 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)(242)은 만약 측정값(243)이 버스 기기(10)로 하여금 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)(249)의 합을 초과하는지를 결정하기 위하여 사용된다. 상기 결정은 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)(247)가 총 이용 가능한 전력을 초과하는 전력 소비를 유도하지 않도록 전력 소비를 감소시키기 위하여 사용될 수 있다.

측정값(243)은 센서(13)로부터 수신된 측정값을 포함한다. 몇몇 실시예들에서 측정값(243)은 새로운 측정값들이 수신될 때 계속하여 업데이트된다.

루프 전압(V_L)(244)은 버스 기기(10)에서의 전압의 측정값 또는 다른 결정값을 포함한다. 루프 전압(V_L)(244)은 루프 전류(I_L)(248)가 가변할 때 가변할 수 있다.

루프 저항(R_L)(245)은 2-선식 버스 루프(4)에 고유한 전기 저항의 측정값 또는 다른 결정값을 포함한다(하기에 방정식 1로 도시됨). 루프 저항(R_L)(245)은 표준 값이도록 설계될 수 있고 통상적으로 실질적으로 일정할 것이다.

공급 전압(V_S)(246)은 결정 전압 값을 포함한다. 공급 전압(V_S)(246)은 방정식(2)(하기에 도시됨)에 따라 결정될 수 있다.

예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)(247)는 (새로운) 측정값(243)을 기초로 미래 루프 전류의 예측값을 포함한다. 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)(247)는 현재 루프 전류(I_L)(248)와 동일하거나, 크거나, 작을 수 있다. 그러므로, 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)(247)는 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)(247)(실제 루프 전류 I_L(248)로서)의 적용이 총 이용 가능한 전력(P_available)(241)을 초과할지를 보기 위하여 먼저 검사된다.

루프 전류(I_L)(248)는 예를 들어 유량(flow rate) 측정 같은 측정값(243)에 따라 결정된다. 측정값(243)은 루프 전류(I_L)(248)를 가리키고 그러므로 루프 전류(I_L)(248)는 공지된다.

센서 전력(P_sensor)(249)은 센서(13)에 의해 소비되는 전력을 포함한다. 센서 전력(P_sensor)(249)은 공지된 내부적으로 조절된 전압에 의해 곱셈된 센서 전류(I_sensor)를 포함한다. 센서 전류(I_sensor)는 전류 미터(250)에 의해 측정될 수 있다.

동작시, 프로세싱 루틴(24)은 프로세싱 시스템(203)에 의해 실행된다. 프로세싱 루틴(240)은 이전에 논의된 바와 같이 하나 이상의 유량 측정값들 같은 하나 이상의 측정값들을 생성하기 위하여 버스 기기(10)를 제어한다. 게다가, 프로세싱 루틴(240)은 전력 소비를 예측하여 제한하도록 버스 기기(10)를 동작시킬 수 있다. 프로세싱 루틴(24)은 하기에 논의된 바와 같이 다양한 전력-제한 알고리즘을 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법의 흐름도(300)이다. 이 방법은 실질적으로 항상 총 이용 가능한 전력을 소비한다. 단계(301)에서, 공급 전압(V_S) 및 루프 저항(R_L)은 결정된다. 이것은 예를 들어 시동(startup) 또는 리셋 같은 센서의 동작 이전에 행해질 수 있다. 공급 전압(V_S) 및 루프 저항(R_L)은 동작 이전에 얻어진 루프 전압(V_L) 및 루프 전류(I_L)로부터 결정될 수 있고 추후 버스 기기의 동작시 사용될 수 있다.

루프 저항(R_L)은 몇몇 실시예들에서 버스 루프 시스템(10)의 특성들로부터 결정된다. 예를 들어, 루프 저항(R_L)은 하기 방정식에 따른 전압 및 전류 측정값들의 두 개의 세트들로부터 결정될 수 있다.

(1)

공급 전압(V_S)은 측정된 루프 전압(V_L), 결정된 루프 저항(R_L), 및 공지된 루프 전류(I_L)로부터 결정될 수 있다. 사전동작 루프 측정값들(V_L1, I_L1) 또는 (V_L2, I_L2)의 하나의 세트는 사용될 수 있다. 공급 전압(V_S)은 하기 방정식에 따라 결정될 수 있다.

(2)

단계(302)에서, 분로 전류(I_shunt) 및 루프 전압(V_L)은 버스 기기의 실제 동작 동안 측정된다. 이들 두 개의 값들은, 그들이 원래는 변화할 것으로 예상되지 않기 때문에, 매 측정 사이클 상에서 측정될 수 있거나 주기적으로 측정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

단계(303)에서, 제어기(P_controller)에 의해 소비된 전력은 계산된다. 버스 루프 시스템(P_available)에서 이용 가능한/소비되는 총 전력은 하기 방정식을 포함한다.

(3)

개별적인 전력 양은 개별 전류들(I_shunt, I_controller, 및 I_sensor)에 의해 곱셈된 루프 전압으로부터 결정될 수 있다.

결과적으로, 제어기 전력(P_controller)은 하기 방정식을 포함한다.

(4)

총 이용 가능한 전력(P_available)은 공지되고 상기 방법에 따라 실질적으로 제어/제한된다. 제어기 전력(P_controller)은 실질적으로 고정된다. 그러나 몇몇 실시예들에서 센서 전력(P_sensor)은 조절될 수 있고 그러므로 총 이용 가능한 전력(P_available)이 버스 또는 I.S. 프로토콜을 초과하지 않는 것을 보장하기 위하여 사용될 수 있다.

단계(304)에서, 다음 측정값은 센서로부터 수신되고 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 생성하기 위하여 사용된다. 그러나, 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)는 아직 구현되지 않았다. 대신, 전력 소비에 대한 효과는 먼저 평가된다. 이런 방식으로, 상기 방법은 루프 전류의 미래 변화를 보상함으로써 과도한 전력 소비를 회피할 수 있다.

단계(305)에서, 예측된 루프 전압(V_L _- _next) 및 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 생성된다. 예측된 루프 전압(V_L _{_} _next)은 공지된 전원 전압(V_S) 및 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)에 따라 버스 기기에서 전압의 예측을 포함한다. 예측된 루프 전압(V_L _{_} _next)은 그러므로 루프 전압(V_L)에 대한 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)의 효과의 예측을 포함한다. 예측된 루프 전압(V_L _{_} _next)은 하기 방정식에 따라 결정될 수 있다.

(5)

예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 기초로 버스 기기에 제공될 총 전력의 예측을 포함한다. 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 하기 방정식에 따라 결정된다.

(6)

단계(306)에서, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 현재 전력 소비와 비교된다. 이용 가능한 전력이 버스 기기에서 항상 소비되기 때문에, 분로 전류(I_shunt)는 만약 버스 기기에 이용 가능한 전기 전류가 센서 및 제어기에 의해 소비되는 전류보다 크면 존재할 것이다. 그러나, 전력 이용이 임계적이 되고 센서 전력(P_sensor)이 이용 가능한 전력에 접근할 때, 분로 조절기에서 소비되는 전력은 필연적으로 영이 될 것이다, 즉, 모든 전력은 센서 및 제어기에 의해 소비되어, 현재 시간에서 전력 소비(P_to)는

를 포함한다. 그러므로, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 제어기 전력(P_controller) 및 센서 전력(P_sensor)에 비교된다. 만약 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)이 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합보다 작으면, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 불충분하고 센서 전력(P_sensor)은 전력 소비 결함을 회피하기 위하여 감소될 것이다.

단계(307)에서, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)이

에 의해 표현된 이용 가능한 전력을 초과할 것이기 때문에, 센서 전력(P_sensor)은 감소된다. 몇몇 실시예들에서, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted) 및 이용 가능한 전력 사이의 버퍼는 안전팩터(SafetyFactor)를 통하여 유지된다. 일 실시예에서, 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 이에 따라 센서 전력(P_sensor)을 감소시키고 감소된 센서 전력(P_sensor _{_} _reduced)을 생성하기 위하여 사용된다. 예를 들어, 감소된 센서 전력(P_{sensor_reduced})은 하기 방정식에 따라 생성될 수 있다.

안전팩터) (7)

감소된 센서 전력(P_sensor _{_} _reduced)은 전체 전력 감소를 달성할 수 있다. 예를 들어, 전력 감소는 센서 전류(I_sensor)를 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 센서 양단 전압(V_sensor)은 감소될 수 있거나, 둘 다 감소될 수 있다.

단계(308)에서, 새로운 루프 전류(I_L)(즉, I_L _{_} _next)는 측정값으로부터 생성된다. 센서 전력(P_sensor)은 측정값을 보상하도록 이미 변화되었기 때문에, 필요할 때 루프 전류(I_L)의 변화는 버스 기기의 동작에 악영향을 끼치지 않아야 하고 2-선식 버스 루프(4)에서 전력 제한을 초과하지 않아야 한다. 그 다음 상기 방법은 단계(302)로 다시 루핑(loop)될 수 있어서, 반복적으로 측정값들을 프로세싱한다.

Claims

전력 소비를 예측하여 제한하도록 구성되고 2-선식 기기 장치 버스(two-wire instrumentation bus)와 함께 사용하기 위하여 적응된 버스 기기(instruement)(10)로서,
센서(13);
초과 전기 전류를 분로시키기 위하여 구성된 분로 조절기(14); 및
상기 분로 조절기(14) 및 상기 센서(13)에 결합된 제어기 ? 상기 제어기(20)는 루프 전류(I_L)의 변화 후 상기 버스 기기(10)에 이용 가능할 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 생성하고, 상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합으로 구성되는 현재 시간 전력(P_t0)과 비교하고, 그리고 만약 상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)이 상기 제어기 전력(P_controller)과 상기 센서 전력(P_sensor)의 합보다 작으면 상기 센서 전력(P_sensor)을 감소시키도록 구성됨 ?
를 포함하는,
버스 기기.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기(20)는 상기 센서(13)로부터 측정값을 수신하고 상기 측정값으로부터 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 생성하도록 추가로 구성되고, 상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 상기 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 사용하여 생성되는,
버스 기기.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 전력(P_sensor)을 감소시키는 것은 상기 센서(13)에 제공된 센서 전류(I_sensor)를 감소시키는 것을 포함하는,
버스 기기.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기(20)는 루프 저항(R_L) 및 공급 전압(V_S)을 결정하도록 추가로 구성되는,
버스 기기.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기(20)는 미리 결정된 제 1 루프 전류(I_L1)에서 제 1 루프 전압(V_L1)을 측정하고, 미리 결정된 제 2 루프 전류(I_L2)에서 제 2 루프 전압(V_L2)을 측정하고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 루프 전압들(V_L1 및 V_L2) 및 상기 제 1 및 제 2 루프 전류들(I_L1 및 I_L2)로부터 상기 루프 저항(R_L)을 결정하도록 추가로 구성되는,
버스 기기.
2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법으로서,
루프 전류(I_L)의 변화 후 상기 버스 기기에 이용 가능할 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 생성하는 단계;
상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)을 제어기 전력(P_controller)과 센서 전력(P_sensor)의 합으로 구성된 현재 시간 전력(P_to)과 비교하는 단계; 및
만약 상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)이 상기 제어기 전력(P_controller)과 상기 센서 전력(P_sensor)의 합보다 작으면 상기 센서 전력(P_sensor)을 감소시키는 단계
를 포함하는,
2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법은,
상기 센서로부터 측정값을 수신하는 단계; 및
상기 측정값으로부터 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 생성하는 단계 ? 상기 예측된 이용 가능한 전력(P_predicted)은 상기 예측된 루프 전류(I_L _{_} _next)를 사용하여 생성됨 ?
을 더 포함하는,
2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 센서 전력(P_sensor)을 감소시키는 단계는 상기 센서에 제공된 센서 전류(I_sensor)를 감소시키는 단계를 포함하는,
2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법은 루프 저항(R_L) 및 공급 전압(V_S)을 결정하는 예비 단계를 더 포함하는,
2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 루프 저항(R_L)을 결정하는 단계는,
미리 결정된 제 1 루프 전류(I_L1)에서 제 1 루프 전압(V_L1)을 측정하는 예비 단계;
미리 결정된 제 2 루프 전류(I_L2)에서 제 2 루프 전압(V_L2)을 측정하는 예비 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 루프 전압(V_L1 및 V_L2) 및 상기 제 1 및 제 2 루프 전류들(I_L1 및 I_L2)로부터 상기 루프 저항(R_L)을 결정하는 예비 단계
를 포함하는,
2-선식 기기 장치 버스의 버스 기기에서 전력 소비를 예측하여 제한하기 위한 방법.