[发明专利]用于现场设备的无线通信适配器

说明书

背景技术

在工业设置中，控制系统用来监测和控制工业和化学过程等的物料量。典型地，控制系统采用分布在工业过程中的关键位置处且通过过程控制回路连接至控制室中的控制电路的现场设备执行这些功能。术语“现场设备”涉及任何在分布式控制或过程监控系统中执行一定功能的设备，包括所有目前已知的设备，或还不知道的设备，用在工业过程的测量、控制和监测中。

一些现场设备包括换能器。换能器被理解为是指基于物理输入产生输出信号或基于输入信号产生物理输出的装置。典型地，换能器将输入转换成具有不同形式的输出。换能器的类型包括各种分析设备、压力传感器、电热调节器、热电偶、应变仪、流量变送器、数字阀控制器、流量计、流量计算器、定位器、传动装置、螺线管、指示灯以及其它的。

典型地，每个现场设备还包括用于与过程控制室或过程控制回路上其它电路系统通信的通信电路系统。在一些装置中，过程控制回路还用来向现场设备传送调节电流和/或电压，用来向现场设备供电。过程控制回路还传递模拟或数字格式的数据。

传统上，模拟现场设备已经由二线过程控制电流回路连接至控制室，每个设备由单个二线控制回路连接至控制室。典型地，将所述二线之间的电压差维持为，对模拟模式在12-45伏的范围内，对数字模式在9-50伏的范围内。一些模拟现场设备通过将在电流回路上传播的电流调整为与所感测的过程变量成比例的电流而将信号传递至控制室。其它现场设备可以在控制室的控制下，通过控制所述回路上的电流大小执行动作。除此之外，或作为替换，过程控制回路还可以传输用于与现场设备通信的数字信号。

在一些装置中，无线技术已经开始用来与现场设备通信。无线操作简化了现场设备配线和配置。然而，现场设备的主要部分硬接接至过程控制室，并且不采用无线通信技术。

工业过程工厂通常包含数百甚至数千个现场设备。这些现场设备中的多个都包含复杂的电子组件，且能够提供比传统模拟4-20mA测量更多的数据。由于多个原因，它们中的成本，多数工程不利用可有由这种现场设备提供的其它数据。这形成了对用于这种现场设备的无线适配器的需求，这种适配器能够连接至现场设备并经由无线网络将数据传递回控制系统或其它监控或诊断系统或应用。

为了使工业过程工厂运转，现场设备通常必须带有危险位置允许等级(hazardous location approval rating)。具有不同类型的等级，为了广泛采用，无线现场设备适配器应当能够连接至每一个这种现场设备，而不牺牲该现场设备的危险位置允许等级。

这些允许等级中的一种熟知为防爆等级。防爆外壳的目的是遏制可燃气体进入外壳并燃烧产生的爆炸。如果外壳不能遏制这种爆炸，则它会点燃周围的其它，导致灾难性的后果。无线设备厂商面临的一个挑战是如何通过能够承受爆炸压力的外壳传播无线信。这种外壳通常很大，并由诸如钢或铝之类的金属制成。目前可用的无线传输技术包括厚的玻璃天线屏蔽罩或具有能量限制电路并与相对易碎的“橡胶帆布”天线装配在一起的防爆同轴引线。单独的塑料天线屏蔽罩不被相信能够承受爆炸压力，它们也不被相信满足批准机构的化学、环境和抗冲击要求。

另一种类型的允许等级熟知为本质安全(IS)。通过限制电子组件中存在的电流的量并通过确保电子元件隔开的足够远而防止在电故障情况下出现的电弧，本质安全设备防止可燃气体点燃。还控制由电子元件产生的热量。使设备的电子组件本质上安全倾向于增加元件数量以及增加电路板尺寸。在必须最小化设备的形状因素时，这也提出了挑战。

为了使无线通信适配器用在防爆设备中，它本身必须是防爆的，并且它在两个设备之间的连接处提供防爆屏障。对于本质安全装置，无线通信电路系统必须也是本质安全的。将这种适配器连接至任何设备的能力也推动了形状因素。工业设备，如现场设备，可以以多种结构安装，并且通常设置在狭窄的空间中。这需要小且不显眼的设计。为了实现这种设计，有利的是天线与无线通信适配器一体形成，电路板尺寸最小化。这使得装置的设计更复杂，要求防爆鉴定或本质安全鉴定。

为现场设备提供一种相对小且不显眼并且还能够便于符合防爆鉴定和本质安全的无线通信适配器将推动无线过程通信技术。

发明内容