CN101606012B - 用于对阀进行监控的设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对设施中的阀进行监控的网络系统，该网络系统包括：(a)多个阀监控设备-VMD(11)，每个监控设备(11)均固定到阀(1)并且包括：(a.1)传感器，用于感测阀的状态；(a.2)短程无线通信单元，用于传送传感器所感测到的状态，以及用于将所感测到的状态连同设备的标识一起传送到位于短程内的一个或多个阀设备读取器-VDR(18)；(a.3)用于以不扰乱所述阀的正常操作的方式将设备固定到所监控的阀的机构；以及(a.4)一个或多个VDR，用于接收从VMD传送的阀状态和VMD标识，并用于通过以太网通信(25)将阀状态和VMD标识转发给服务器(21)。

Description

用于对阀进行监控的设备和系统
技术领域
本发明涉及用于对流体流(特别是工业企业生产设施中的流体流)进行监控和/或控制的设备和系统的领域。更特别地，本发明涉及对工业企业生产设施中的阀的状态进行监控的设备和系统。
背景技术
在当今的工业环境中，系统和设备必须以十年前难以想像的水平运行。全球竞争正迫使工业持续改进处理操作、产品质量、生产力、以及利用比以往更少的人力进行生产。在工厂管理者寻求降低操作和支持成本以及消除或最小化资金总额的方式时，生产设备必须提供空前的可靠性水平、可利用性水平、以及可维护性水平。简而言之，工业必须借助新措施来改善生产性能和安全性同时使成本最小化并延长新老设备的工作寿命。
发现在每条处理线中都有大量的传感器和传动装置。它们中的各个和每一个都需要数据传送和电力电缆。电缆的使用对于工程师和安装来说不仅成本高，而且还是处理线中最频繁的故障源之一，其中，相当大量的传感器和传动装置处于移动状态或暴露于恶劣的环境条件。因此，在现场设备水平下，对于用户来说真正存在与配线有关的问题。
在过去十年中已经找到其在大多数工业应用中的使用方式的各种现场总线没有改变这种状况。传感器和传动装置仍经由电线以星状拓扑典型地连接到总线集中器，或者以雏菊花环结构连接至总线。然而，随着电线老化，它们会破裂或有故障。检查、测试、故障查找、维修、及替换电线需要相当的时间、劳动力及材料。如果电线故障导致生产停工，则成本会迅速上升。
流体线(fluid line)被广泛用于几乎每个工业企业生产设施中。在这些线中流动的流体一般通过阀设备来控制。由于球阀的简单结构和相对低的成本，球阀是流体控制中的关键元件。尽管在本申请中使用了术语“球阀”，并且给出的实例全都具体涉及到球阀，但是本发明并不仅仅局限于与该类型阀一起使用，而是可与任意类型的工业阀一起使用。估计单在2004年中在世界范围内就卖出了7000万个尺寸在1/2”至4”的工业球阀。有许多具有多于1000个球阀的典型的处理设施。尽管处理操作者有对球阀进行监控的非常强的愿望和需求，但是鉴于配线和维护所涉及的成本和复杂性，工业企业生产设施中的约80％的球阀仍未受到电监控。
如果可提供设施中全部或大多数球阀状态的远程监控，则处理上的控制会显著提高。然而，如所说的那样，安装用来监控每个阀的状态的有线监控盒是非常昂贵的。由于牵连到在处理线设施中布线，用于每个受监控有线球阀的估计成本都处于上千美元的范围。当球阀监控设备的线缆经过输送管时，或当球阀监控设备的线缆需要受不锈钢覆盖层保护时，成本甚至变得更高。有时候，这种不锈钢覆盖层保护会将成本提高10倍。这是工业倾向于牺牲监控率的主要结果的原因，即，通过只监控设施中一小部分球阀，一般只监控被看作在处理中关键的那些球阀。
因此，本发明的一个目的在于提供一种低成本的用于球阀的监控设备。
本发明的另一目的在于提供一种消除对非常昂贵的配线和维护的需求的监控设备。
本发明的又一目的在于提供一种易于安装到已安装阀以及新阀上并对它们进行现场维护的用于球阀的监控设备。
本发明的再一目的在于提供一种相比于现有技术中的有线球阀监控设备来说更可靠的监控设备。
本发明的再一目的在于提供一种能够在多个类似设备的大网络内工作和操作的用于球阀的无线监控设备。
本发明的再一目的在于提供一种具有低电流消耗并因此相对少地需要更换电池的用于球阀的无线监控设备。
本发明的再一目的在于提供一种允许操作者检索阀设备数据(诸如，阀标识及状态、软件版本、配置、阀加工商、维护信息、以及在操作期间接收到的任意存储的数据)并从短程通过手持设备将该设备数据插入到该阀设备中的装置。
本发明的再一目的在于提供一种当启动手控阀时将操作者标识插入到阀设备的能力。
本发明的再一目的在于提供一种对阀设备进行本地安装并校准而无需与控制室进行通信的选项。
本发明的再一目的在于提供一种即使在有噪声的且被阻塞的链路处仍产生非常可靠的无线通信的自恢复性能的网状无线网络。
本发明的另一实施例在于提供一种证实球阀状态上所期望的改变已经被正确执行的装置。
本发明的其他目的和优点将随着后续描述而变得显而易见。
发明内容
本发明涉及一种用于对设施中的阀进行监控的网络系统，该网络系统包括：(a)多个阀监控设备-VMD，每个监控设备均被固定到阀并包括：(a.1)传感器，用于感测阀的状态；(a.2)短程无线通信单元，用于传送传感器所感测到的状态，以及用于将所感测到的状态连同设备的标识一起传送到位于短程内的一个或多个阀设备读取器-VDR；(a.3)用于以不扰乱阀的正常操作的方式将设备固定到所监控的阀的机构；以及(a.4)一个或多个VDR，用于接收从VMD传送的阀状态和VMD标识，并用于通过以太网通信将阀状态和VMD标识转发给服务器。
优选地，短程通信使用从蓝牙、WiFi、及ZigBee中选出的协议。
优选地，该系统进一步包括：一个或多个手持操作者设备-OD，用于当手持操作者设备邻近于所选VMD时触发到所选VMD的短程通信，从而从所选VMD接收状态和标识消息，用于从多个VMD可选地收集这种消息，并用于稍后将所收集的一个或多个消息下载到控制站服务器，或经由短程通信将这种消息传送到一个或多个VDR。
优选地，VMD进一步包括：极短程通信单元，极短程通信单元利用了低频(LF)收发器和协议，该低频收发器和协议用于接收来自放置在距VMD位置非常近范围的一个或多个工业处理传感器的状态和测量信息，并且用于将所接收到的工业处理传感器的状态和测量信息包括在到一个或多个VDR的VMD传送中。
优选地，低频极短程单元是双向通信单元，并且其中，该系统进一步包括：一个或多个手持操作者设备-OD，用于当手持操作者设备邻近于所选VMD时触发所选VMD的低频极短程通信，从而从所选VMD接收状态和标识信息，OD从一个或多个VMD中收集这种消息，并稍后将所收集的一个或多个消息下载到控制站服务器。
优选地，每个VMD均是电池操作的。
优选地，附加机构包括U形轮廓。
优选地，传感器是基于光学的传感器。
优选地，传感器基于电位计。
优选地，传感器基于可变电容器。
优选地，传感器基于固定到阀杆的磁体和VMD内部的霍尔设备，霍尔设备通过测量磁体旋转时该磁体变化的磁通来测量角坐标。
优选地，周期性地、或在事件时、或通过经由VDR来自控制中心或来自操作者设备OD的短程的请求时，执行VMD的状态传送。
优选地，OD用作单跳认证中心(Single HOP Trust Center)，允许一VMD进入到系统中或允许第三方设备进入到设施网络中。
优选地，OD用作单跳认证中心，允许选自VMD、VDR、OD或处理传感器的第三方设备进入到系统中。
优选地，OD经由非安全的、低传送功率的单跳消息允许VMD进入到网络中，该消息包括网络的密钥。
优选地，OD经由非安全的极短程的低频传送允许VMD进入到网络中，该传送包括网络的密钥。
优选地，OD经由一组极短程变化口令关键字允许第三方设备进入到网络中，这些关键字中的最后一个关键字是网络的密钥。
优选地，除非被用作单跳认证中心的OD批准，否则没有设备能被允许进入到网络中。
优选地，VDR经由LAN或无线LAN直接连接到以太网。
优选地，利用与ZigBee网络地址相对应的给定IP地址经由以太网通过服务器访问每个VDR。
本发明进一步涉及一种用于对球阀的状态进行监控的设备，该设备包括：(a)传感器，用于感测阀的状态；(b)短程无线通信单元，用于接收传感器所感测到的状态，并用于将所感测到的阀的状态连同设备的标识一起传送到位于短程内的一个或多个接收设备；以及(c)用于以不扰乱球阀的正常操作的方式将设备附加到所监控的球阀的机构。
附图说明
在附图中：
图1示出了典型的现有技术球阀；
图2a和2b示出了根据本发明实施例的包括阀监控设备(ValveMonitoring Device，简称VMD)的典型球阀；
图3示出了VMD的框图；
图4示出了测量具有IR LED和光电二极管的阀杆的角坐标的概念；
图5示出了根据本发明实施例的用于监控球阀的系统；
图6示出了根据本发明实施例的操作者设备；
图7示出了利用附加于阀杆的转动式磁铁以及测量磁通并因此测量阀的角坐标的霍耳设备进行的非接触式方法；
图8示出了各种无线传感器利用LF通信与VMD进行通信的微型网络布局；
图9示出了VMD的流程图；
图10示出了LF通信的示例性顺序表。
具体实施方式
图1示出了典型的球阀1(诸如，广泛用于控制流体流的工业中的球阀)的结构。这种典型的球阀一般尺寸在1/2”到4”。球阀安装在流体线的两个部分之间，并主要用作打开/关闭流开关。球阀1主要具有空心部2、入口3及出口4、用于手动打开和关闭阀的把手5。如所说的，现有技术还没有提供可靠的且易于安装和维护的用于对球阀状态进行监控的无线的且低成本的设备。而且，现有技术还没有提供任何以低成本、易于安装和维护并且可靠的方式来对大量工业球阀进行监控的无线装置。
本发明提供了一种球阀监控设备，其解决了主要对电监控设施球阀状态的工业形成重大负担的现有技术中的绝大部分不足。
根据本发明的一个实施例，短程无线球阀监控设备(下文中“MD”)被安装在位于工业设施内的流体线上的球阀上。优选地，该监控设备是附加设备，即使当现存的典型球阀在运转时，该监控设备仍适于容易地安装在所述球阀上。图2a和2b示出了这种附加设备的两种不同的视图。最初，U形支撑元件通过一个或多个螺丝13被附加于球阀的现有主体上。监控设备11通过任意传统装置被附加于支撑元件12的顶部。以这种方式，支撑单元12和监控设备11不会扰乱球阀的正常运转。阀监控设备(下文中VMD)11包括用于读取球阀状态的传感器(图2a和2b中未示出)，和通信单元(未示出)，通信单元用于周期性地或在请求或事件时将球阀状态和VMD的标识号传送到处于该VMD的传送范围内的另一设备。该另一短程设备可以是阀设备读取器(Valve Device Reader)——VDR，这将在后续描述中详细阐述。
根据本发明，多个这种监控设备被安装在设施内的球阀上以形成网络。每个监控设备被提供有无线的短程通信单元，通信单元利用诸如蓝牙、ZigBee、或WiFi的短程无线协议与其他设备、或者一个或多个中央单元进行通信。
下表总结了这三个协议的一些主要特性：
  WiFi   蓝牙   ZigBee
  范围   ～100m   ～10m-30m   ～10m-100m
  数据率   2-11Mbps   1Mbps   0.25Mbps
  调制   DSSS   跳频   DSSS
  功耗   中间   低   超低
  尺寸   较大   较小   最小
  成本/复杂性   较高   中间   非常低
已经发现对于本发明的目的来说，ZigBee协议是最优选的。ZigBee是无线个人局域网以868MHz、902-928MHz、及2.4GHz操作的规范。利用ZigBee，该网络中的设备可以以高达250Kbps的速度进行通信而同时在典型环境中以高达100米的距离且在理想环境中更大的距离在物理上分开。ZigBee基于电气和电子工程师标准化委员会(IEEE-SA)批准的802.15.4规范。ZigBee在占空比低的应用中提供了高数据吞吐量。这使得ZigBee对于用于监控球阀的本发明设备来说是理想的。因此本发明的监控设备可以在低功率水平下工作，并且这与低占空比结合起来转化为较长的电池寿命。ZigBee还与大多数拓扑(包括对等网、星状网、及网状网)兼容并可以在单个网络中处理高达65,000个设备。
存在多种可以通过本发明的VMD执行球阀状态读取的方式。在图2b的示例性实施例中，小阀监控设备(VMD)11被外部固定于阀标准ISO法兰113。VMD是电池供电的(典型地约5年的电池寿命)并利用无线802.15.4/ZigBee 2.4GHz协议将消息无线发送到VMD 11或接收来自VMD的消息。VMD轴115通过U形支架17被紧固于阀杆16以将杆16的旋转传递给VMD 11。与VMD 11相关联的传感器测量VMD轴115的角坐标，即，其测量杆16在角度上相对于阀法兰113的角坐标。
在VMD感测到控制杆15的移动之后，以及还可能每隔预定时间(例如，15分钟)，VMD报告阀的状态。额外的传感器也可以包括在VMD设备11中。以这种方式，VMD温度、VMD电池状态、及其他功能参数可以利用每条VMD消息被传送。
图3披露了VMD 11的示例性框图。角坐标传感器111测量阀杆115的角坐标。处理器123接收角坐标传感器111所测量到的角坐标，并且处理器还可以可选地接收其他数据，诸如来自温度传感器(未示出)的阀温度、电池剩余能量115、及来自包括LF收发器501(下文中，“LFT”，图3中未示出)的LF通信单元125的其他感测数据，这将在下文中更详细地阐述。处理器123将所要无线传送的数据传递到ZigBee协议管理器116，该管理器接下来以适当顺序安排数据、如该领域中通常那样地添加协议内务处理字节、并且它还利用ZigBee阀设备读取器(VDR)(未示出)管理双向通信。ZigBee收发器117如所安排的接收信号，并经由天线118发送RF信号。一个接收到的信号可以是经由天线118接收到收发器117的，该收发器检测该信号，然后该信号经由协议管理器116被传送到处理器123。
仍然参照图2b，可以以多种方式完成阀杆16的角坐标的感测。在第一实例中，轴115被直接地或通过齿轮驱策附加到电位计，并且该电位计的位置提供了到阀杆16的角坐标的指示。
在又一实施例中，控制杆15的状态读取可以按照图4中所示的那样可选地执行。例如，发光二极管150通过狭缝130向鼓127发射光，并且通过光电二极管151检测来自鼓127的反射光(该反射光也通过狭缝130)。鼓127具有逐渐改变宽度的反射表面128。相对于感测设备的反射表面128的宽度影响了来自鼓127的反射光的量，并因此指示的控制杆15的角坐标α。可替换地，不改变反射表面128的宽度，逐渐改变灰度等级的该表面可以指示位置。在又一实施例中，可以通过中轴附加于轴115的可变电容器来测量该角坐标。
在图7中，示出了一种测量阀杆的角坐标的非接触式配置。在该配置中，盘状磁体301被固定于转动的阀杆302上。霍尔效应设备303被安装在VMD内部。转动该磁体导致与霍尔设备表面共面以使磁通306随着该磁体的旋转而改变。这允许具有正确磁电路的霍尔效应设备303解码从0至360度的绝对旋转(角度)位置。霍尔效应设备将信号304传递到处理器，该信号与阀杆302相对于阀体的角坐标成比例。这种霍尔设备在该工业中是普通的并可以从许多经销商获得。由于这种磁通穿透塑料，所以不需通过VMD体305的接触就完成了该测量。
图5披露了整个系统的框图。阀监控设备(VMD)11将数据广播给安装在处理线中的阀设备读取器(VDR)18。
图5披露了根据本发明实施例的用于监控球阀状态的系统的一般结构。该系统包括多个无线VMD 11，它们被附加于各个球阀。每个VMD周期性地、或者在请求时或事件时以ZigBee协议将其状态传送给阀读取设备18(下文中VDR)，阀读取设备位于距VMD不超过50米的范围中。VDR 18可以利用ZigBee协议与一个或多个VMD 11进行通信。在该设施内可以有多个VDR 18，每个VDR彼此通信或经由以太网与网关/个人网络协调器(PAN)25进行通信。每个VDR 18通过配线，或利用无线LAN，或利用将接收到的消息转发给又一VDR 18的另一VDR 18作为路由器，，连接到现场网络。
一个VDR 18和另一个之间的距离优选地不超过100m。VDR至VDR通信的扩展范围是由于相比于收发器VMD类似元件，VDR发射器的更高RF功率、VDR接收器的更好噪声系数、及VDR上的更高增益天线。一个或多个VDR 18经由以太网(LAN或无线LAN)连接到设施的监控站20以及经由网关/协调器25和网络集线器19连接到服务器21。
ZigBee协议限定了两种类型的设备，全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD包含一整套的ZigBee服务并因此最适于网络网关/协调器25或VDR 18。VMD优选地采用RFD，RFD包含了一套精简的服务，事实上这可以显著地降低每个VMD的成本。
根据本发明可以使用可利用ZigBee的各种拓扑。可用的第一拓扑是星状的，该拓扑用额外FFD或RFD的集合围绕一个全功能设备(FFD)来形成，其中，全功能设备(FFD)指定用作网络集线器的网关/PAN协调器25，额外的FFD或RFD将所接收到的消息传递给系统服务器。在这点上，网关/PAN协调器25通过无线ZigBee信道接收消息并通过以太网信道将消息转发给系统的服务器21。如果VDR 18通过线缆或通过WiFi连接到网络集线器(在这种情况下，网关/协调器25)，每个VDR都可以以该模式在网络上工作。然而，只有一个VDR 18可以用作存储所有网络路由表的PAN协调器25。
尽管在网络中的某处需要PAN协调器25来存储路由表，但是可以使用的第二拓扑使得能够进行对等通信而不直接涉及指定的网络协调器25。该拓扑允许在难以布置网络线缆的地方安装无线VDR18(然而，DC功率必须从本地源传递给读取器)，并且VDR 18利用ZigBee无线信道根据路由表将其从各种VDM 11接收到的消息转发给一个或多个其他VDR 18(它们有线连接到网络集线器19)。
不管所采用的网络类型如何，根据本发明每个网络设备优选地采用载波侦听多路访问-碰撞避免(CSMA-CA)协议以当不同地多个同时传送发生时避免浪费的碰撞。
CSMA-CA协议基于ZigBee RF信道的共享属性。无论何时当两个或多个发送者在信道上同时起作用时，由于碰撞和它们的相互干扰，它们中的任一个成功发送消息的概率降低。在ZigBee RF环境中，大量的实际干扰依赖于多个竞争的发送机的位置，但是对于发送设备来说位置信息不是可得的。避免信道中的碰撞的一个方式是首先监听并只在信道畅通的情况下才传送。载波侦听确保了对畅通信道的访问，从而降低了碰撞的概率。以这种方式，更加全面利用了信道能力。
ZigBee采用了简单的完全握手协议以确保可靠的数据转移和良好的服务质量。除了广播帧和确认帧之外，可以对所接收到的每个帧进行确认以使发送设备确信其消息真的被接收到。如果发送设备未接收到所请求的确认帧，则重复所发送的整个帧。为了检测消息是否已被正确接收到，优选地利用循环冗余检验(CRC)。该消息比特被当作长二进制数对待并被相对较大的素数除。该除法的商被丢弃，并且在接收机处执行利用该素数的除法的余数，并且匹配表示未破坏通信的高概率。
该系统中所采用的通信利用自恢复性能技术。如果因为任何原因特定VMD 11通过某些VDR到网关25之间的通信链路恶化，则系统将选择从该VMD到网关的另一路由，通过其他VDR 18以采用更好的通信水平以确保可靠地将数据从VMD 11传递到网关。
本发明的系统可以进一步包括一个或多个操作者设备31(下文中OD)。图6示出了根据本发明实施例的操作者设备。操作者设备31可以是例如PDA，或类似的具有显示器、处理单元、存储器、及用于诸如ZigBee协议的短程通信或低频(LF)极短程磁性通信的通信单元的手持设备。
在本发明的又一实施例中，VMD 11可以进一步包括LF通信单元125(图3中所示)。LF通信单元125允许OD 31和VMD 11之间的极短程(几米)双向通信。此外，该通信可以用于接收来自如图8所示的VMD附近所放置的处理传感器的数据。假设该通信在处理传感器中以及在VMD中消耗非常小的功率。由于LF通信是磁性通信，其随1/R3(R是范围)衰减，LF通信的范围是几米，因此与其他VMD产生非常小的干涉。
OD 31被设施的操作者所使用，用于接收任务、存储它们、并用于通过与VDR 18进行通信向主系统报告更新。以下是操作者设备31的操作方式的实例。
阶段1
-在控制室中发起命令-“关闭阀#C24”。
-该命令通过ZigBee发送到OD 31并被显示在OD的显示器上。OD 31发送接收的技术确认。
-操作者必须通过按下ACK在其OD 31上确认接收。
阶段2
-操作者将其OD 31带到阀#C24附近并按下VD按钮(以将操作者ID转移至VD)。该消息也被VDR接收并被存储。
-操作者断开阀#C24。
-阀设备31将状态改变发送给包括操作者ID的VDR/控制室。
通过按下滚动按钮，操作者可以通过他最后的动作滚动他的OD 31显示器。
OD还可以用于监控阀的精确状态而无需处于控制室，以监控阀的位置。
OD还可选地用作安装和校准工具。在VMD被安装在阀上(在现场)之后，阀被设置到0度而OD也被设置到0度并且该信息被反馈给VMD。在90度处重复同一处理。
OD可以用于使特定的VMD与其所附加到的阀相关联。操作者必须将阀的ID记录(punch)到其OD上并且该信息被反馈至VMD。从这点上，VMD报告其ID以及其所附加到的阀的ID。
在本发明的另一变化中，OD 31用作“单跳认证中心”。
OD 31可以用于允许特定VMD进入到ZigBee网络中。可以通过ZigBee发送或优选地通过LF消息直接提供准入口令。在最后的情况中，不可牺牲工厂ZigBee网络口令。
OD还可以用于允许第三方设备(下文中“TPD”)进入到ZigBee网络中。可以直接地或优选地按照以下方式通过一组变化的随机口令提供准入口令：
1.OD在同一网络物理信道中建立私有安全网络，允许不安全的加入；
2.TPD加入OD私有网络并接收网络关键字；
3.OD向TPD发送私有消息，请求TPD将其网络口令改为新的随机选择的口令；
4.TPD切换(toggle)到新的随机网络关键字；
5.OD切换到新的随机网络关键字；
6.步骤3至步骤5被重复若干次；
7.OD通过向TPD发送工厂网络关键字而允许TPD进入到工厂网络。
在本发明的又一实施例中，本发明的VMD可以将命令传递给传动装置，接下来传动装置附加到阀。这种传动装置在本领域是已知的。VMD和中央计算机之间的双向通信允许通过沿着PC向VMD的链路发送命令之后命令被传递给传动装置来实现该功能性。在这种情况下，VMD被用于确定远程传动阀的状态，因此传动阀和网关之间的整个通信是无线的。
在本发明的又一实施例中，本发明的VMD被安装在任意传动阀上，通过配线从控制室命令该传动设备，然而，通过无线链路来提供该传动阀状态的监控。这通过消除监控配线而部分简化了安装。
在本发明的又一实施例中，OD和VMD之间的LF通信采用微型网络来提供VMD附近的传感器和VMD之间的短程通信。图8示出了阀1，该阀顶部上有VMD 11，VMD与阀附近的各个传感器201进行通信。VMD 11和传感器201之间的通信是双向低频通信203。OD 31也是与VMD 11进行通信的设备之一。OD(31)也具有ZigBee通信模块202，该通信模块使得OD能与该网络底层结构通信。每个传感器201通过其物理传感器收集数据(温度、压力、流等)，并在预定时隙将其数据发送给VMD 11。该LF传送203唤醒VMD 11电子器件，接下来电子器件对接收到的LF数据进行处理并通过ZigBee链路202将其转发给网络底层结构。
图9中示出了示例性的VMD 11流程图。该VMD流程图的总的循环开始于休眠模式400。可以通过以下方式之一来中断该休眠：
1.预定定时器中断；
2.来自VDR收发器的服务请求(必须之前经由来自OD 31的LF命令使能该收发器)；
3.在低频收发器LFT通电的同时从LFT的进入消息。
预定定时器中断可以以下之一：
1.阀状态需要被检查401；
2.从系统服务器接收到的预定事件405，诸如：
a.改变网络口令；
b.开始软件升级；
c.发送启动命令。
一旦检查了阀状态401，则VMD基于以下三个选择进行确定：
1.如果阀状态改变，则ZigBee消息被编译(如之前提到的，该消息包括阀角度、温度、电池状态等)并立即发送402。
2.如果阀状态未改变，则VMD 11检查从最后的阀状态消息起是否已经过了预定时间。如果是，则内务处理消息被编译并被立即发送。
3.只要从最后的阀状态起未经过预定时间，则不发送状态消息。
VMD现在检查LFT状态是否要改变(低频无线电以低占空比工作以保存电池寿命)，并且如果是这样的话，则其相应地将电能切换到LFT 403。
一旦执行了这些步骤，则VMD 11回到休眠。
VMD还可以通过来自VDR的服务请求被唤醒。典型地，这意味着收发器所接收到的进入消息等待处理。VMD对该服务请求进行处理405，并且一旦完成，就回到休眠。
VMD还可以被来自LFT 406的进入传送所唤醒。VMD接收该消息，处理该消息，如果必要的话回复该消息，并回到休眠。
VMD还可以被预定事件所唤醒。预定事件以消息的形式进入，该消息是从网络服务器或该网络中的任意其他设备或该微型网络上的任意传感器或传动装置发送来的。该消息被处理并且将定时器事件分配给该消息。一旦所设置的定时器时间过去，则VMD就被唤醒以执行它407。一旦执行完，VMD 11就回到休眠。
图10中示出了描述LF通信的示例性顺序表，包括外部设备510(诸如处理传感器201或OD 31)、LFT 501、及处理器123之间的交互。LFT 501被以低占空比启动以保存电池电力。一旦通过VMD通电502，LFT就以接收模式等待进入的传送。
任何进入的传送必须经过使能滤波器(enabling filter)503。一旦传送经过了使能滤波器503，则VMD就接收用于进入消息的中断504；否则，传送被忽略。
一旦接收到LF传送，VMD就检查消息的CRC。如果CRC失败，则编译“CRC失败消息”，否则，VMD对进入的消息进行处理并编译相关回复。
在发送回复之前，VMD检查CCAS 505(畅通信道评估——意味着当前没有其他的在传送)。如果信道畅通，则VMD发送回复506。否则，VMD等待随机短时期并重新尝试。
在“通电时间”计数器过去之后，VMD将LFT断电507。在接收到每个进入传送时，重新启动“通电时间”计数器，以确保持续连接到当前与VMD通信的任意设备。
在“断电时间”计数器过去之后，VMD将LFT通电。在断电时间期间，VMD不能接收任何进入的LF消息。因此指示外部设备重新尝试发送同一消息预定时间。
该微型网络可以包括以下功能
1.PDA功能：
a.执行VMD的初始设置、校准、ZigBee传送使能(使得一旦设备未安装则可以保存相当大的电池电力)；
b.分配一个设备-发送“LED闪光”命令；
c.执行LF链路质量检查；
d.启动该微型网络中的外部传感器和传动装置；
2.传感器功能：
a.将收集到的数据发送给VMD，以经由ZigBee网络进一步发送到网络服务器；
b.接收来自VMD的实时时钟；
c.接收预定事件；
3.传动装置功能：
a.将状态发送给VMD，以经由ZigBee网络进一步发送给网络服务器；
b.接收来自VMD的实时时钟；
c.接收预定事件；
d.接收用于执行的在线命令；
如所示，本发明提供了一种系统，通过该系统可以监控设施内的多个球阀的状态以及本地物理传感器。该系统包括无线元件，诸如成本相对低且能容易地适于与现存的典型球阀一起工作的VDR和VMD。本发明的系统可以容易地安装在现有的典型工业企业设施内，易于维护，包括低成本元件，并且非常可靠。

Claims (20)

1.一种用于对工业企业设施中的多个球阀进行监控的网络系统，每个所述球阀安装在流体线的两个部分之间，所述球阀用于分别控制流体在流体线中的流动，所述网络系统包括：
a.多个电池操作的附加阀监控设备-附加VMD，每个所述VMD均被外部地固定到现有球阀上，并包括：
-传感器，用于感测所述球阀的角坐标；
-短程无线通信单元，用于将状态消息传送至位于所述短程内的一个或多个阀设备读取器-VDR，每个状态消息包括由所述传感器感测到的所述球阀的角坐标和所述VMD的标识，其中，所述状态消息周期性地或者根据请求或事件而被传送；以及
-用于以不扰乱所述球阀的正常操作的方式将所述附加VMD中的每个固定到相应的所监控的所述球阀上的机构；以及
b.一个或多个VDR，用于从所述VMD接收所述状态消息传送，并用于通过以太网通信将所述状态消息转发给服务器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述短程无线通信单元使用从蓝牙、WiFi、及ZigBee中选出的协议。
3.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：一个或多个手持操作者设备-OD，用于当所述手持操作者设备邻近于所选VMD时触发所选VMD以发起短程状态消息通信，从而通过所述OD接收所述短程状态消息，用于通过所述OD从多个VMD可选地收集所述短程状态消息，并用于稍后将所收集的一个或多个所述短程状态消息下载到控制站服务器，或经由所述短程无线通信单元将所述短程状态消息传送到一个或多个VDR。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述VMD进一步包括：极短程通信单元，所述极短程通信单元利用低频(LF)收发器和协议，所述低频收发器和协议用于接收来自放置在距所述VMD位置非常近范围的一个或多个工业处理传感器的状态和测量信息，并且用于进一步将所接收到的工业处理传感器的状态和测量信息包括在到所述一个或多个VDR的VMD的状态消息中。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述极短程通信单元是双向通信单元，并且其中，所述系统进一步包括：一个或多个手持操作者设备-OD，用于：(a)当所述手持操作者设备邻近于所选VMD时触发所选VMD的所述极短程通信单元；(b)通过所述OD接收所述VMD的状态消息；以及(c)通过所述OD从一个或多个所述VMD收集所述状态消息；(d)将所收集的一个或多个所述状态消息下载到控制站服务器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，进一步包括用于将所述VMD固定到所述球阀的附加机构，所述附加机构包括U形轮廓。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器是基于光学的传感器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器基于电位计。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器基于可变电容器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器基于固定到所述球阀的杆的磁体和所述VMD内部的霍尔设备，所述霍尔设备通过测量所述磁体旋转时磁体的变化磁通来测量角坐标。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，周期性地、或依靠经由VDR从控制中心接收或从手持操作者设备OD接收的短程传送来接收请求时，通过所述VMD进一步执行状态消息的传送。
12.根据权利要求3所述的系统，其中，所述OD用作单跳认证中心，允许一VMD进入到所述系统中或允许第三方设备进入到所述工业企业设施的网络中。
13.根据权利要求3所述的系统，其中，所述OD用作单跳认证中心，允许选自VMD、VDR、OD或工业处理传感器的第三方设备进入到所述系统中。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述OD经由非安全的低传送功率的单跳消息来允许所述VMD进入到所述网络中，
所述单跳消息包括所述网络的密钥。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述OD经由非安全的极短程的低频传送来允许所述VMD进入到所述网络中，所述传送包括所述网络的密钥。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述OD经由一组极短程变化口令关键字来允许第三方设备进入到所述网络中，所述关键字中的最后一个关键字是所述网络的密钥。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，除非被用作单跳认证中心的OD批准，否则没有设备可以被允许进入到所述网络中。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述VDR经由LAN或无线LAN直接连接到以太网。
19.根据权利要求1所述系统，其中，利用与ZigBee网络地址相对应的给定IP地址经由以太网通过所述服务器访问每个VDR。
20.一种附加电池操作的阀监控设备-VMD，其被外部地固定到现有的球阀上，用于监控工业企业设施中球阀的状态，所述球阀安装在流体线的两个部分之间，所述球阀用于控制流体在所述流体线中的流动，所述阀监控设备包括：
-传感器，用于感测所述球阀的角坐标；
-短程无线通信单元，用于将状态消息传送至位于所述短程内的一个或多个阀设备读取器-VDR，每个状态消息周期性地或者根据请求或事件而被传送，每个状态消息包括由所述传感器感测到的所述球阀的角坐标和所述VMD的标识；以及
-用于以不扰乱所述球阀的正常操作的方式将所述阀监控设备附加到所监控的球阀上的机构。
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