CN101893866B - 用于现场设备的控制设备、现场设备及控制现场设备的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于现场设备的控制设备、包括该控制设备的现场设备以及用于控制现场设备的方法。用于现场设备(10)的控制设备(22)包括：控制单元(28)，用于控制现场设备，以及监视单元(30)，其与控制单元(28)分离，其中，控制单元(28)被设计用于选择性地切换到工作模式或休眠模式；其中，控制单元(28)被设计为，在采取休眠模式之前将去活信号传输给监视单元(30)；其中，监视单元(30)被设计为，在接收到激活信号之后，将控制单元(28)切换到工作模式；并且其中，控制设备(22)被设计用于通过将控制单元(28)与电源(36、38、40)断开来将控制单元(28)切换到休眠模式。

Description

用于现场设备的控制设备、现场设备及控制现场设备的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年5月20日提交的欧洲专利申请09160824.0和2009年5月20日提交的美国专利申请12／469091号的优先权，将这些申请的公开内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及技术设施中的测量系统，例如用于测量料位、界限、压力或流。特别地，本发明涉及用于现场设备的控制设备、包括控制的现场设备、用于控制现场设备的方法、用于控制的程序单元、以及计算机可读介质。

背景技术

作为过程监视系统的部件的现场设备在技术设施中工作，例如用于测量容器中的料位、界限或压力，或用于测量通过管道的流。为此，许多现场设备包括传感器，通过传感器实现实际测量过程。过程监视系统还可以包括现场设备，其例如用于将所获取的测量值转发和处理到中央设施。每个现场设备包括控制，通过控制例如能够操作传感器，或者通过控制还能够处理或转发传感器测量的结果。

为了提供能量，每个单独的现场设备连接到电流源。单独的现场设备例如能够连接到电网(例如通过线)，或者例如如果它们位于难以达到的位置，则它们能够连接到电池或蓄电池。

虽然许多测量过程可能每天只需要进行几次，用于测量的现场设备可消耗相对大量的能量。此外，如果现场设备是电池供电的，则需要经常更换用尽的电池。这引入了维护劳动和开销。

发明内容

根据本发明的一个实施例，例如设计用于测量料位、界限、压力或流的现场设备的控制设备包括用于控制该现场设备的控制单元，以及单独的监视单元，其中控制单元被设计用于选择性地采用(即，切换到或采取)工作模式或休眠模式，其中控制单元被设计为在采用(即，进行或采取)休眠模式之前将去活信号传输给监视单元，其中监视单元被设计为在接收到激活信号之后将控制单元切换到工作模式。

现场设备的控制单元包括监视单元，该监视单元与用于控制现场设备的控制单元分离，当控制单元处于休眠模式时，该监视单元等待激活信号以便将控制单元改变或切换回工作模式。

因此，控制单元能够关于其工作模式的能力得到优化，并且监视单元能够被优化为在等待激活信号时使用尽可能少的能量。这样，可以降低控制的能耗。

控制单元可以被用于控制电气和／或电子部件，例如现场设备的测量单元和／或通信单元。在此设置中，测量单元用来控制连接到现场设备的传感器，或者说用来确定测量值。通信单元被设计为将测量单元确定的测量值传输给接收器。可以通过线或无线电进行传输。接收器可以是过程监视系统和／或过程控制系统的另外的现场设备或中央设施，其中该现场设备是该过程监视系统和／或过程控制系统的部件。

由于控制包括与控制单元分离的监视单元，控制单元和监视单元被设计为控制单元的不同部件，并且能够关于其功能并尤其关于它们的能耗被优化。在工作模式下，其中控制单元有效并且可执行计算并且／或者可以与现场设备的其它部件通信，与其休眠模式相比，控制单元消耗相对大量的能量。然而，在用于现场设备的控制的情况下，控制单元处于工作模式的时间阶段与其处于休眠模式的阶段相比相对较短。例如，控制单元可以每天只处在工作模式几秒钟，在这段时间内，例如，其命令测量单元测量容器的料位，然后使这些测量值进一步被控制单元处理并通过通信设备传输到中央监视单元。

在其余的时间里，控制单元处于休眠模式，在该模式下控制单元能够例如甚至被关闭，在该模式下其消耗很少的能量。

监视单元被优化为以节能方式等待激活信号或预定事件，以便在接收到激活信号之后或在预定事件发生之后将控制单元切换到工作模式。

例如，控制单元和监视单元可以是处理器，该处理器的任务被选择为用于控制。控制单元可以是鉴于其控制现场设备的部件的能力而选择的高功率CPU。为此，控制单元还可以包括其自己的存储器和到控制的各个部件的多个接口。

与以上相反，监视单元可以是微控制器，例如鉴于其能耗而选择的低功率μC，并且其被设计为仅执行某些功能，例如将控制单元切换到工作模式，以及等待激活信号。

许多微处理器芯片和存储器芯片包括节能模式，其已经由制造商实现以用于降低能耗。在该设置中，例如，它们中的各种电流消耗装置可以较慢地运行或者被关闭。虽然具有相对较高的功耗，高功率CPU可以只具有受限的范围以用于降低电流消耗，或者处于节能模式。小的微控制器在待命状态下可以消耗很少的电流。为此，特殊的微控制器是商业上可获得的(例如德州仪器的MSP430)。然而，它们可能具有较小的存储器并且可能不适合用于计算密集应用，例如控制完整的现场设备。

尽管有已经实现的节能模式，具有高输出CPU的现场设备的电流消耗不能被降低到使得其能够例如使用电池工作并且不需要时常更换电池的程度。

使用根据本发明的一个方面的解决方案，用于现场设备的控制设备的电流消耗可以被降低到一小部分，因此电池的使用寿命可以被显著延长。然而，在预定事件(例如定义的时间网格或某种其它事件，例如低电池充电状态)之后传输测量值是可能的。例如，如果高输出CPU被完全关闭，与已知系统相比，功耗可以被显著降低。

根据本发明的一个实施例，监视单元被设计成在接收到去活信号之后将控制单元切换到休眠模式。以这种方式可以由监视单元执行对控制单元的完全关闭。当监视单元完全去活控制单元时，控制单元在休眠模式下的功耗或能耗可以被降低到0。

作为其可替选方案，在将去活信号传输到监视单元之后，控制单元可以自动将其自己关闭。

根据本发明的一个实施例，控制设备包括为控制单元和监视单元供电的电源，其中，监视单元被设计成通过将控制单元连接到电源来将控制单元切换到工作模式。

以这种方式可以达到这种情况，其中控制单元在休眠模式下与电源断开并且不能消耗任何电流。这样，与控制单元在节能模式下的能耗相比，控制单元的能耗可以被更进一步地降低。

根据本发明的一个实施例，可以对监视单元与控制单元单独地供电。为此，电源例如可以包括针对控制的单独部件的可自动切换的供电单元，其中控制的单独部件例如控制单元、监视单元、测量单元和通信单元。

根据本发明的一个实施例，监视单元还可以被设计成通过将控制单元与电源断开来将控制单元切换到休眠模式。

根据本发明的一个实施例，电源可以包括例如线的电源连接，其连接到电网。

根据本发明的一个实施例，电源可以包括能量存储设备，例如电池或蓄电池。

根据本发明的一个实施例，控制设备还包括能量监视器，其中，能量监视器被设计成当能量存储设备的充电状态超过预定值时将激活信号传输到监视单元。例如，可以通过现场设备的太阳能模块将能量充到能量存储设备。监视单元仅在能量存储设备已达到这样的充电状态的情况下才激活控制单元，在该充电状态下足够的能量被存储在能量存储设备中以用于所要激活的控制、用于所要确定的测量值、以及用于例如所要被传输到接收器的该测量值，从而控制单元可以完成上述功能。随后，控制单元再次切换到休眠模式，并且能量存储单元能够被再充电。

根据本发明的一个实施例，能量监视器被设计成当能量存储设备的放电状态落到预定值以下时将激活信号传输到监视单元。在这种情况下，控制单元例如能够将消息传输到中央监视单元，意思是例如电池或蓄电池的能量存储设备需要被更换。然而，也可以选择预定的充电状态，使得作为附加或替代，在不再有足够的能量以用于确定测量值和用于将其发送到中央监视设备之前能够确定最后的测量值。

根据本发明的一个实施例，控制设备包括定时器，其中，定时器被设计成在预定的时间或在预定的时间段过去之后将激活信号传输到监视单元。例如，控制单元可以在一个小时过去之后被唤醒，或者控制单元可以在这个小时被唤醒，以确定测量值并转发该测量值。

根据本发明的一个实施例，控制单元被设计成将预定时间告知定时器，或将预定时间编程到定时器中。

控制单元可以被设计成启动定时器。例如，控制单元在发送去活信号之前启动定时器。随后，在预定时间或在预定时间过去之后由监视单元重新激活控制单元。

根据本发明的一个实施例，控制设备包括开关，其中，通过对开关的手动触发来将激活信号传输到监视单元。

以这种方式，也可以在服务技术人员想要检查控制的状态或整个现场设备的状态的情况下将控制激活。

根据本发明的一个实施例，监视单元被设计成在接收到去活信号之后将现场设备的其它部件关闭，或者将它们切换到休眠状态。通过对例如测量单元或通信单元的其它部件的去活，控制的能耗可以被更进一步地降低。

根据本发明的一个实施例，监视单元被设计成在接收到激活信号之后开启其它部件或将它们切换到工作状态。

根据本发明的一个实施例，控制也可以被设计成在传输去活信号之前将现场设备的其它部件关闭或将它们切换到休眠状态。

根据本发明的一个实施例，控制单元也可以被设计成在激活控制单元之后开启其它部件或将它们切换到工作模式。

例如，可以通过对电源的可自动切换供电单元进行切换来进行其它部件的开启或关闭。因此，在控制单元的休眠模式期间，其它部件的功耗也能被降低到0。

根据本发明的一个实施例，监视单元被设计成在关闭控制单元之后改变到节能模式，并且在接收到激活信号之后结束节能模式。这样，有可能例如使用由制造商实现的节能模式，以便进一步降低控制的能耗。

本发明还涉及具有根据本发明的一个方面的控制设备的现场设备。这种现场设备例如可以是料位测量系统或料位雷达。该现场设备可以包括传感器，该传感器例如被设计成测量容器中的料位、界限或压力，或者用于测量通过管道的流。

这种现场设备可以以非常低的电流消耗工作，如果需要可以是电池驱动或蓄电池驱动的。在这种设置中，可以通过节能单元或监视单元来控制高功率CPU，以便当某时间发生时由所述单元开启该高功率CPU。监视单元也能够关闭通信接口(GSM、以太网等)以及关闭测量单元或传感器已达到现场设备的非常低的待机电流。

本发明还涉及使用单独的监视单元以用于去活现场设备的控制单元。

本发明还涉及用于控制现场设备的方法。根据本发明的一个实施例，该方法包括步骤：由控制单元切换到休眠模式；在切换到休眠模式之前将去活信号从控制单元传输到监视单元；由监视单元接收激活信号；在接收到激活信号之后由监视单元将控制单元切换到工作模式。

根据本发明的一个实施例，该方法还包括步骤：在接收到去活信号之后由监视单元将控制单元切换到休眠模式。

根据本发明的一个实施例，该方法还包括步骤：在预定时间或在预定时间段过去之后将激活信号从定时器传输到监视单元。

本发明还涉及用于控制现场设备的程序单元，当该程序单元被控制执行时执行根据本发明的方法。

本发明还涉及计算机可读介质，其上存储有该程序单元。

术语“计算机可读介质”可以指软盘、硬盘、CD或DVD、USB(通用串行总线)存储设备、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)或EPROM(可擦除可编程只读存储器)。术语“计算机可读介质”还可以指例如因特网的数据通信网络，其使得可以下载程序代码。

下面参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

附图说明

图1示意地示出根据本发明的一个示例性实施例的现场设备。

图2示出描述根据本发明的一个示例性实施例的现场设备的控制方法的流程图。

图3示意地示出根据本发明的一个示例性实施例的控制单元的结构。

图4示意地示出根据本发明的另一个示例性实施例的控制单元的设计。

图5示意地示出根据本发明的另一个示例性实施例的控制的设计。

具体实施方式

附图中的图解是示意性的并且不是按比例的。在以下对附图的说明中，对于相同或相似的单元使用相同的附图标记。

图1示出附连到容器12的现场设备10，并且现场设备10例如被设计为料位雷达。现场设备10例如通过安装盘14附连到容器的开口16，具有伸出并穿过所述开口16并进入容器12内的传感器18。与传感器18关于安装盘14相对地，有外壳20，现场设备10的控制22被设置在外壳20内。在容器12的外部区域中的控制22可以连接到天线24以通过无线电连接与接收器交换数据。另外，可以通过线26连接控制22以用于数据通信和／或用于提供能量。

控制22包括控制单元28和与其分离的监视单元30。

图2示出图解用于控制图1的现场设备10的方法的流程图。

在步骤S10中，图1所示的料位雷达10处于节能模式，在该模式下，控制22的能耗被非常显著地降低。在节能模式期间，控制单元28处于休眠模式并且被关闭。监视单元30等待来自定时器的激活信号。

在步骤S12中，监视单元30接收定时器的激活信号。

在步骤S14中，控制单元28被单独的监视单元30唤醒，控制单元28连接到现场设备10的能量供应26。

在步骤S16中，控制单元28执行用于现场设备10的各种控制功能。所述控制单元28例如命令现场设备10的测量单元通过喇叭天线18将无线电信号发射到容器12内部并获取反射信号。控制单元28处理出现在传感器18中的信号，并通过无线电连接和天线24将所确定的测量值传输到中央计算机。

在步骤S18中，控制单元28将定时器编程为下一个工作模式所要开始的时间点，并将去活信号传输到监视单元30。

在步骤S20中，监视单元30将控制单元28切换回休眠模式，在休眠模式下控制单元28从控制22的能量供应26断开。该方法在步骤S10中继续。

图3示意性地示出控制设备22a的设计，如同控制22，控制设备22a能够被设置在现场设备10中。控制22a包括控制单元28，控制单元28包括具有存储器和接口的CPU。控制单元28能够通过信号线32将去活信号传输给监视单元30，在本实施例中，监视单元30为低功率微控制器30。

控制22a包括电源34a，电源34a包括电池或蓄电池形式的能量存储设备36，以及通过共享的电源线42或DC总线42连接到能量存储设备36的两个供电单元38和40。由供电单元38通过电源线44为监视单元30提供电流。由供电单元40通过电源线46为控制单元28提供电流。

供电单元40是可自动切换的。在关闭状态或去活状态下，从DC总线42到电源线46的电力供应被中断。在供电单元40的开启状态或激活状态下，能够通过电源线46从DC总线42向控制单元28传输电流。通过信号线48，监视单元30能够将关闭信号或开启信号传输到供电单元40，之后，在每种情况下后者切换或转换到开启或关闭状态。

控制22a包括测量单元50和通信接口52，测量单元50和通信接口52通过信号线54和56均与控制单元28进行双向数据通信。与控制单元28相似，测量单元50和通信单元52通过电源线58或60连接到供电单元40。与电源线46的情况相同，在供电单元40的关闭状态下，电源线58和60从DC总线42断开。在供电单元40的开启状态下，能够通过线58和60向测量单元50和通信单元52提供电流。因此，通过经由线48传输开启或关闭信号，能够同时开启或关闭或者断开或连接电源、控制单元28、测量单元50和通信单元52。

控制22a包括实时时钟62形式的定时器，能够由供电单元38通过电源线64为实时时钟62提供电流。控制28能够通过信号线66对实时时钟62编程，并且在此过程中能够在实时时钟62中设置警报或预定时间。通过信号线68，实时时钟62能够将实时时钟警报或激活信号传输到监视单元30。

控制22a按以下方式工作：在已经通过通信单元52传输了消息之后，控制单元28编程针对下一个计划的消息传输的警报时间，该编程发生在实时时钟62中。在该消息中，例如，能够对先前刚刚测量的值进行编码。此后，通过使用去活信号，通过信号线32，控制单元28向监视单元30发信号，指示能够激活节能模式或休眠模式。通过关闭信号，通过信号线48，监视单元30关闭通信单元52、测量单元50和控制单元28的供电单元40，并且可选地关闭其它部件(例如外部闪存和RAM)。此后，只有实时时钟62、监视单元30和其供电单元38仍然有效。在此时间点，监视单元30本身切换到节能模式并等待通过信号线68来自实时时钟62的警报信号或激活信号。该警报信号或激活信号首先唤醒监视单元30，由此并稍后，通过信号线48将开启信号传输到供电单元40，并因此开启或激活控制单元28、以及测量单元50、以及通信单元52的供电单元40，并可选地开启或激活诸如外部闪存或RAM的其它部件。在此时间点，主CPU28或控制单元28能够在再次相继被切换到休眠模式之前再次传输消息。

控制22a还可以包括按钮或按钮开关70和／或比较器72。通过信号线74，按钮开关70和比较器72能够将激活信号传输到监视单元30。

为了使得有可能在除了接收到由实时时钟62触发的激活信号之外的时间激活控制22a，可以不只由来自实时时钟62的警报、而也由其它信号激活监视单元30。在此设置中，当按钮开关70被手动激活时，监视信号从按钮开关70传输到监视单元30，然后导致来自通信单元52的消息的传输的手动触发，或者当比较器测量蓄电池36中的最小充电电压时，其在达到该最小充电电压时导致消息的触发。

除了作为要由控制单元28执行的活动的消息发送之外，可以执行现场设备10的任何其它需要高功率CPU28的活动。否则，高功率CPU处于休眠模式以优化控制22a的总能量需求。

图4示意性地示出可替选的示例性实施例的控制22b的设计，其也可以与控制22a类似地结合到现场设备10中。图4中所示的具有与图3所示的单元相同附图标记的单元可以具有参照图3描述的特性和功能。

相对于控制22a，控制22b包括连接到DC总线42的三个单独的电力供应单元40a、40b和40c以代替供电单元40。与供电单元40的情况相同，供电单元40a、40b和40c是可自动切换的。在此设置中，供电单元40b可以与图3的供电单元40类似地通过线48接收来自监视单元30的开启信号或关闭信号。

然而，在控制22b中，通过控制单元28通过经由信号线80和82将开启信号或关闭信号传输到供电单元40a或40c来执行对供电单元40a和40c的开启和关闭。控制单元28首先确定在监视单元30将控制单元28和其它部件(例如外部闪存和RAM)与电源34b断开之前将外部部件(例如测量单元50或通信单元52)与电源断开。

在此设置中，控制22b的电源34b包括能量存储设备36、供电单元38和供电单元40a、40b和40c。

图5示出能够与控制22a类似地安装在现场设备10中的控制22c的另一个示例性实施例。图5中所示的具有与图3和图4中所示的单元相同的参考标记的单元可以具有参照图3和图4描述的特性和功能。

在图5所示的控制22c的情况下，控制28和监视单元30之间的双向通信可以通过信号线32进行。

一方面这可以被用于将休眠模式传达给监视单元30的控制单元28。然后控制单元28可以通过经由信号线84将关闭信号传输到供电单元40b来将其自己关闭。在能够由实时时钟62或者由控制22c的其它部件70、72触发事件的情况下，监视单元30通过信号线48将开启信号传输给供电单元40b，从而监视单元30再次开启控制单元28。

另一方面，例如在监视单元30能够执行附加的测量任务或获取的情况下，可以使用双向通信将监视单元30中产生的数据传输到控制单元28。如果需要，监视单元30本身能够产生或触发事件。控制单元28的状态或者整个系统22c的状态能够被存储在监视单元30中。监视单元30还能够被控制单元28参数化或校准。

控制单元28和监视单元30可以包括EPROM，在其上存储程序，通过该程序执行参照附图描述的方法，在该方法中由控制单元28和监视单元30执行该程序。

另外，应该指出“包括”不排除其它单元或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数。此外，应该指出，参照以上示例性实施例之一描述的特性和步骤也可以与上述其它示例性实施例的另外的特性或步骤结合使用。权利要求中的参考标记不应被理解为限定。

Claims (11)

1.一种用于现场设备(10)的控制设备(22)，所述控制设备包括：

控制单元(28)，用于控制所述现场设备，以及

监视单元(30)，其与所述控制单元(28)分离，

其中，所述控制单元(28)被设计用于选择性地切换到工作模式或休眠模式；

其中，所述控制单元(28)被设计为，在采取所述休眠模式之前将去活信号传输给所述监视单元(30)；

其中，所述控制单元(28)被设计为在传输所述去活信号之前关闭所述现场设备的电气和/或电子部件(50、52)；

其中，所述监视单元(30)被设计为，在接收到激活信号之后，将所述控制单元(28)切换到所述工作模式；

其中，所述控制单元(28)被设计为在激活所述控制单元(28)之后开启所述电气和/或电子部件(50、52)；并且

其中，所述控制设备(22)被设计用于通过将所述控制单元(28)与电源(36、38、40)断开来将所述控制单元(28)切换到休眠模式。

2.根据权利要求1所述的控制设备(22)，

其中，所述监视单元(30)被设计为在接收到所述去活信号之后将所述控制单元(28)切换到休眠模式。

3.根据权利要求1所述的控制设备(22)，还包括：

为所述控制单元(28)和所述监视单元(30)供电的电源(36、38、40)，

其中，所述监视单元(30)被设计为通过将所述控制单元连接到所述电源(36、38、40)来将所述控制单元(28)切换到工作模式。

4.根据权利要求1所述的控制设备，

其中，所述电源包括能量存储设备(36)。

5.根据权利要求4所述的控制设备，还包括：

能量监视器(72)，

其中，所述能量监视器(72)被设计为当所述能量存储设备(36)的充电状态超过预定值时将所述激活信号传输到所述监视单元(30)，

其中，所述能量监视器(72)被设计为当所述能量存储设备(36)的放电状态落到预定值以下时将所述激活信号传输到所述监视单元(30)。

6.根据权利要求1所述的控制设备(22)，还包括：

定时器(62)，

其中，所述定时器(62)被设计为在预定时间或在预定时间段过去之后将所述激活信号传输到所述监视单元(30)，

其中，所述控制单元(28)被设计为将所述预定时间告知所述定时器(62)。

7.根据权利要求1所述的控制设备(22)，还包括：

开关(70)，

其中，通过手动触发所述开关(70)将所述激活信号传输到所述监视单元(30)。

8.根据权利要求1所述的控制设备(22)，

其中，所述监视单元(30)被设计为在接收所述去活信号之后关闭所述现场设备的电气和/或电子部件(50、52)，

其中，所述监视单元(30)被设计为在接收所述激活信号之后开启所述电气和/或电子部件(50、52)。

9.一种现场设备(10)，包括根据权利要求1至权利要求8中任一权利要求所述的控制设备(22)。

10.一种用于控制现场设备(10)的方法，包括步骤：

由控制单元(28)切换到休眠模式；

在切换到所述休眠模式之前将去活信号从所述控制单元(28)传输到与所述控制单元(28)分离的监视单元(30)；

在传输所述去活信号之前由所述控制单元关闭所述现场设备的电气和/或电子部件(50、52)；在接收到所述去激活信号之后由所述监视单元通过将所述控制单元(28)与电源(36、38、40)断开来将所述控制单元(28)切换到休眠模式；

由所述监视单元(30)接收激活信号；

在接收到所述激活信号之后由所述监视单元(30)将所述控制单元(28)切换到工作模式；以及

在激活所述控制单元(28)之后由所述控制单元开启所述电气和/或电子部件(50、52)。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括步骤：

在接收到所述去活信号之后由所述监视单元(30)将所述控制单元(28)切换到所述休眠模式。