CN101828155B - 具有大量智能传感器的过程自动化系统以及用于标定传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有大量智能传感器(2.1……2.n)的过程自动化系统，其中每一传感器(2.1……2.n)用于确定或监控介质(6)的一个物理或化学过程变量并且各自具有一个初级侧插塞连接件(3.1……3.n)和一个带有传感元件的次级侧插塞连接件(4.1……4.n)，其中两个插塞连接件(3.1……3.n；4.1……4.n)之间通过可释放的插塞联接器(7.1……7.n)实现能量供应和数据通信，其中为每一传感器(2.1……2.n)分配一个网络服务接口(8.1……8.n)，传感器(2.1……2.n)通过该网络服务接口可连接至广域网(WAN)或局域网(LAN)，其中提供控制单元(10)或服务器，其提供至少一个用于生成虚拟变送器(VM)的软件，并且其中虚拟变送器(VM)和传感器(2.1……2.n)之间的通信是通过网络服务接口(8.1……8.n)实现的。

Description

具有大量智能传感器的过程自动化系统以及用于标定传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种具有大量智能传感器的过程自动化系统，以及一种用于标定智能传感器的方法，其中每一传感器用于确定或监控介质的一个物理或化学过程变量。常用的现场设备包括：传感元件，其提供与待确定或监控的过程变量的值相对应的测量信号；和变送器，其控制传感器的测量并且处理及分析由传感器提供的测量信号。
背景技术
物理或化学过程变量可以例如是介质的pH值、电导率、浊度、成分浓度、介质的物位、压力、温度、密度、粘度或体积或质量流量。可以从Endress+Hauser公司集团得到大量不同的适用于确定相应过程变量的测量仪表。
DE 102 18 606 A1公开了一种现场设备，其具有电位传感器(特别是pH传感器或氧化还原传感器)和变送器，其中一部分智能以微控制器的形式从变送器移至传感器中。微控制器的任务是获取测量结果、监控多种相关参数、以及通过接口同变送器通信。电位传感器包括：基本传感器或传感元件，其检测介质的pH值或氧化还原电位；和接口，依赖于电位变量的测量信号通过该接口发送至与传感器相连的变送器。另外，数字数据存储器与基本传感器牢固连接；传感器特定的数据(特别是设备数据、过程数据和历史数据)存储在数据存储器中并且因而与传感器不可分离地耦合。由此，一方面可以在为了每一测量目的而在过程中的使用位置使用传感器之前预标定传感器；另一方面传感器可以毫无问题地连接至另一变送器，而不必一定重新标定。
DE 102 18 606 A1中描述的传感器由两个可松开地彼此连接的部件构成：插头，基本传感器和数据存储器利用该插头而不可分离地相连；和插塞联接器或传感器电缆，传感器经与变送器耦合。插头和插塞联接器之间的双向数字数据传输通过电感耦合接口而无接触地进行。通过非接触电感接口的能量传输是从变送器到传感器单向的。可以从申请人处以MEMOSENS商标得到相应的电位传感器。应当注意，Memosens技术不仅可应用于电化学传感器；它原则上还可以应用于任何用于确定和监控不同过程变量的传感器。
WO 00/077592A2公开了一种带有智能现场控制设备的控制系统，其由传感器和变送器构成，该控制系统提供用于运行Java字节代码的虚拟机环境。通信通过以太网进行。用于控制各个现场控制设备的软件存储在虚拟机中。
已知技术方案的一个缺点是，在线控制现场控制设备需要较高的硬件开销。在传感器中直接提供用于控制现场控制设备的接口，从而现场设备只限于在控制系统内的相应位置本地使用。通过网络服务器访问现场控制设备，这个网络服务器直接集成在系统中。进一步，各个现场控制设备集成在现场总线中；现场总线通过控制器连接至以太网。
由于必须对于虚拟机中的每一单独的现场控制设备实现控制软件，已知的系统非常复杂。另外，正如已经提到的，属于各个现场控制设备的传感器只限于应用于限定的现场总线中。不可能在之后更换网络或变送器，而这例如在传感器必须被从过程移走并在实验室中得到标定时是必需的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种包括大量智能传感器的系统以及一种用于标定智能传感器的方法，其中可以通过现存的通信系统全球访问传感器。特别地，无论传感器是在测量操作中位于过程中还是为了标定而处于实验室中，传感器的数据都可以被全球使用而无需额外开销。
通过以下方式实现发明目的：每一智能传感器各自具有一个初级侧插塞连接件和一个带有传感元件的次级侧插塞连接件，其中两个插塞连接件之间的能量供应和数据通信通过可释放的插塞联接器实现。另外，为每一传感器分配一个网络服务接口，传感器通过该接口可以连接至任何用户网络，该网络可以是广域网WAN或局域网LAN。另外，提供控制单元或服务器，其提供至少一个用于生成虚拟变送器的软件，其中虚拟变送器和传感器之间的通信通过网络服务接口进行。在本发明的技术方案中省去了迄今必需的物理变送器。术语“网络服务接口”应当理解为用于访问虚拟变送器的接口。然而，也可以在传感器上实现独立于制造者的网络服务接口，以创建开放系统。
传感器优选地是电化学传感器，然而，根据本发明，所有可能的传感器类型都可以集成在本发明的系统中。广域网优选地是因特网，而局域网例如是快速以太网，其能够快速实现以太网标准。
通过本发明的技术方案，可以在全球使用传感器并且因而访问传感器，而与传感器是否被通过PC或传统的变送器在公司内部LAN或WAN网络中编址无关。通过网络服务接口和所配属的IP地址，传感器可例如为了标定或查询而被直接寻址及达到。
根据本发明，具有Memosens接口的传感器以及具有流电耦合接口的传感器都可以直接与任何网络相连；通过以太网，实际上优选通过用户的网络浏览器访问各个传感器。数据的传输率可以轻易地达到1Gbit/sec。
根据本发明，可以通过因特网得到传感器数据。另外，仅仅还需要一个软件变送器，即，所谓的虚拟变送器，这显著降低了生产成本。虚拟变送器实现了对传感器的控制，它可以安装在任何位置。唯一的限制是，在该位置必须有网络连接。本发明的系统的另一优点在于，由于不存在物理的变送器，所以实验室装备显著简化。一个主要的简化是，现存的网络基础结构可以用于本发明的系统。
为了保护系统不被未授权匿名访问，用户必须首先登录系统。登录的用户有机会根据访问授权来选择读访问和/或写访问。在用户已经定位到期望页之后，用户可以从可用传感器列表中选择期望的传感器。然后所选择的传感器的测量值或其他可用的传感器数据显示给用户。在连续测量操作期间特别是为了标定而改变传感器明显变得容易。同样，在连续操作期间可以将有故障的传感器替换为功能正常的传感器。
当网络服务接口集成在次级侧插塞连接件中时，特别具有优点。根据本发明的系统的具有优点的进一步发展，可以通过所配属的网络地址而自动且唯一地达到插塞连接件上的网络服务接口。网络服务接口优选地是用于连接至广域网WAN或局域网LAN的串行接口。在另一实施例中，为各个网络提供网关或协议转换器，代替集成的网络服务接口。
控制单元优选地是PC、手提电脑、带有因特网浏览器的智能手机或者使用相应服务器的电话。虚拟变送器提供合适的接口。
正如上面已经提到的，当在每一次级插塞连接件中提供数据存储器时，特别具有优点，该数据存储器包含传感器特定的数据，特别是用于识别、参数化或标定的数据以及可能还有最后测量的测量数据。这些数据永久地配属于所匹配的传感器。于是，这里，一部分智能从当前虚拟存在的变送器转移到传感器中。
在本发明的系统的一个优选实施例中，提供输入单元，用户可以通过该输入单元直接访问虚拟变送器。输入单元是网络服务器，其可通过网络浏览器而达到。
正如在权利要求1～10中所限定的，本发明的用于标定系统的传感器的方法包括以下方法步骤：
-为了维护和/或标定，将一个或多个传感器从通过第一网络所连接的系统中移出并且在实验室中与实验室网络相连；
-通过网络地址在网络中对传感器进行寻址，并且自动平衡传感器的标定数据与虚拟变送器中存储的数据；
-然后由用户通过网络服务接口标定传感器；
-经标定的传感器从实验室网络中移出并且在随后的标定之后再集成回到系统和第一网络中，其中标定数据存储在配属于次级插塞连接件的数据存储器中。
在本发明的方法的具有优点的进一步发展中，在次级侧插塞连接件的数据存储器中存储的传感器特定的实际数据被记录在公司内部数据库中并且与所存储的期望数据相比较。
另外，在实际数据与期望数据之间的偏差超过预定公差范围的情况，生成并输出警报或错误报告。
另外，在存在错误报告的情况中，使用SAP连接器通过虚拟变送器的相应API接口(应用编程接口)来预定新的传感器。虚拟变送器提供应用接口，任何应用都可以通过该应用接口链接至系统。可以通过不同物理接口利用接口PI。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明，附图中：
图1示意性显示了本发明的系统的第一实施例；
图2示意性显示了本发明的系统的第二实施例；和
图3表示了在本发明的系统中如何访问传感器。
具体实施方式
图1示意性显示了本发明的系统1的第一实施例，其中集成了n个传感器2.1……2.n。传感器2.1……2.n是装备了Memosens技术的传感器2.1……2.n：初级侧插塞连接件3.1……3.n或传感器电缆通过插塞联接器7.1……7.n可释放地与带有集成的传感元件5.1……5.n的次级侧插塞连接件4.1……4.n或插头联接。优选地，插塞联接器7.1……7.n是流电隔离的接口，其实现双向的通信以及从初级侧插塞连接件3.1……3.n到次级侧插塞连接件4.1……4.n的单向能量传输。当然，插塞联接器7.1……7.n也可以实施为流电接口。关于这一点，参考以INDUCON为商标的数字传感器。这样选择传感元件5.1……5.n，使得它最优匹配待确定或待监控的过程变量。从Endress+Hauser集团公司可以获得大量用于确定不同物理或化学过程变量的传感器。
为每一传感器2.1……2.n分配一个网络服务接口8.1……8.n。在图1所示的系统1的实施例中，网络服务接口8.1……8.n在传感器2.1……2.n之外；而在图2所示的实施例中，网络服务接口集成在初级侧插塞连接件3.1……3.n中。
通过控制单元10和集线器9，所选择的传感器2.1……2.n被经由LAN寻址并且传感器数据被读出或写入传感器2.1……2.n。为此使用输入单元11。在控制单元10中实现虚拟变送器VM，其负责控制所有传感器2.1……2.n以及处理并分析传感器数据，只要这些功能还没有由次级侧插塞连接件3.1……3.n中集成的微控制器完成。
传感器2.1……2.n集成在用户网络LAN中并且由集成在控制单元10(这里是PC)中的虚拟变送器VM控制。为了能够访问各个传感器2.1……2.n，每一传感器2.1……2.n都具有一个网络服务接口8.1……8.n。通过这个网络服务接口8.1……8.n，传感器2.1……2.n可以连接至任何特定的WAN或LAN用户网络。在所示情况中，LAN用户网络是以太网网络，而WAN用户网络是因特网。
虚拟变送器VM执行迄今要由配属于各个传感器2.1……2.n或传感器2.1……2.n的限定组的各个变送器来执行的所有功能。根据本发明，省略了这些物理的变送器。各个传感器2.1……2.n集成在哪一网络中也不再重要，因为每一传感器2.1……2.n都可被通过其IP地址而唯一地识别及寻址。通过本发明的技术方案，可以通过网络服务接口8.1……8.n将传感器2.1……2.n集成在任一LAN或WAN网络中。
正如图3示出的，可以通过因特网(WAN)和以太网(LAN)全球访问传感器2.1……2.n。为了保护公司内部用户网络LAN不被未授权访问，需要对于读访问和/或写访问的用户访问授权12。只有当证实用户经过授权时，用户才可以访问传感器2.1……2.n。在WO 03/023541A2中描述了对于全球访问现场设备数据的多种安全机制。
由于传感器2.1……2.n可以集成在任何LAN或WAN网络中，所以通常不是在过程中在线进行而是在实验室中进行的对传感器2.1……2.n的标定大大简化。在实验室中连接至LAN网络的传感器2.1……2.n可以在集成在过程中的LAN网络中之后立即通过控制单元10a、10b中集成的虚拟变送器VM而标定，其中标定数据存储在传感器2.1……2.n的数据存储器14.1……14.n中。如果经标定的传感器2.1……2.n随后再次放入过程中，那么它可以被通过网络服务接口8.1……8.n而通过LAN以及通过WAN直接访问。
控制单元10可以是PC 10a、手提电脑13a、带有因特网浏览器的智能手机或者使用相应服务器的电话13b。
附图标记
1本发明的系统
2.1……2.n传感器
3.1……3.n初级侧插塞连接件
4.1……4.n次级侧插塞连接件
5.1……5.n传感元件
6介质
7.1……7.n插塞联接器
8.1……8.n网络服务接口
9开关/集线器
10控制单元
11输入单元
12访问保护
13a手提电脑
13b智能手机

Claims (15)

1.具有大量智能传感器(2.1……2.n)的用于过程自动化的系统，其中每一传感器(2.1……2.n)用于确定或监控介质(6)的一个物理或化学过程变量并且各自具有一个初级侧插塞连接件(3.1……3.n)和一个带有传感元件的次级侧插塞连接件(4.1……4.n)，其中两个插塞连接件(3.1……3.n；4.1……4.n)之间的能量供应和数据通信是通过可释放的插塞联接器(7.1……7.n)实现的；其中为每一传感器(2.1……2.n)分配一个网络服务接口(8.1……8.n)，传感器(2.1……2.n)通过该网络服务接口能够连接至广域网(WAN)或局域网(LAN)；其中提供控制单元(10)或服务器，其提供至少一个用于生成虚拟变送器(VM)的软件；并且其中虚拟变送器(VM)和传感器(2.1……2.n)之间的通信是通过所述网络服务接口(8.1……8.n)实现的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，网络服务接口(8.1……8.n)集成在初级侧插塞连接件(3.1……3.n)中。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述初级侧插塞连接件(3.1……3.n)上的网络服务接口(8.1……8.n)能够被通过所配属的网络地址(IP)而自动且唯一地达到。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，控制单元(10)是PC(10a)、带有因特网浏览器的智能手机(13b)或者利用服务器的电话。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，传感器(2.1……2.n)是电化学传感器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，插塞联接器(7.1……7.n)是流电的接口或者流电隔离的接口。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述流电的接口或者流电隔离的接口是电感接口。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，在每一次级侧插塞连接件(4.1……4.n)中提供一个数据存储器(14.1……14.n)，该数据存储器包含传感器特定的数据，该特定的数据是用于识别、参数化或标定的数据以及还有最后测量的测量数据。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，网络服务接口(8.1……8.n)是用于连接至广域网(WAN)或局域网(LAN)的串行接口。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，提供输入单元(11)，用户通过该输入单元直接访问虚拟变送器(VM)。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，输入单元(11)是网络服务器，通过网络浏览器能够达到该网络服务器。
12.用于标定根据权利要求1、2、4-11之一所述的系统(1)的传感器的方法，
其中，为了维护及标定，将传感器(2.1……2.n)中的一个或多个从通过第一网络(LAN)所连接的系统(1)中移出并且在实验室中与实验室网络(LAN)相连；
其中，通过网络地址(IP)对每一相应传感器(2.1……2.n)进行寻址，并且自动平衡传感器(2.1……2.n)的标定数据与虚拟变送器(VM)中存储的数据；
其中，由用户通过网络服务接口(8.1……8.n)标定传感器(2.1……2.n)；以及
其中，将经标定的传感器(2.1……2.n)从实验室网络中移出并且在完成标定之后再集成到系统(1)中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将在次级侧插塞连接件(4.1……4.n)的数据存储器中存储的传感器特定的实际数据记录在公司内部数据库中并且与所存储的期望数据相比较。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在偏差超过预定公差范围的情况，发出错误报告。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在存在错误报告的情况中，利用SAP连接器通过虚拟变送器(VM)的相应API接口来预定新的传感器。
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