CN104516335A - 具有成像能力的无线工业过程现场设备 - Google Patents

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查德·迈克尔·麦克盖尔
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Abstract

一种在工业过程控制或监视系统中使用的无线现场设备包括被配置为控制所述无线现场设备的操作的控制器。无线通信电路被配置为与远程位置无线通信。内部电源向所述无线现场设备供电。图像捕获设备耦合到所述控制器，并被配置为捕获所述无线现场设备的环境的图像。所述控制器适于从所述图像捕获设备接收图像信息，以及向所述远程位置发送压缩图像信息。

Description

具有成像能力的无线工业过程现场设备
技术领域
本发明涉及工业过程控制或监视系统。更具体地，本发明涉及在这种系统中使用的无线过程现场设备。
背景技术
在工业设置中，系统用于监视和控制工业和化学过程等的库存和操作。通常，执行这些功能的系统使用在工业过程中关键位置处分布的现场设备，该现场设备通过过程控制环路耦合到控制室中的控制电路。术语“现场设备”指代在分布式控制或过程监视系统中执行功能的任何设备，包括在工业过程的测量、控制和监视中使用的所有设备。
通常，每个现场设备还包括用于通过过程控制环路与过程控制器、其他现场设备或其他电路通信的通信电路。在一些安装中，过程控制环路还用于向现场设备传输稳压电流/或电压，以向现场设备供电。过程控制环路还携带具有模拟或数字格式的数据。
在一些安装中，已开始将无线技术用于与现场设备通信。无线操作简化了现场设备配线和设置。然而，由于功率限制，这种设备的功能通常是受限的。此外，在一些实例中，现场设备位于难以视觉监视周围环境的远程位置处。通常，为了探测该地点，必须派遣具有维修人员的车辆。这可能是很多英里之外，且为了访问特定的远程位置，要求大量的行程时间。
发明内容
一种在工业过程控制或监视系统中使用的无线现场设备包括被配置为控制所述无线现场设备的操作的控制器。无线通信电路被配置为与远程位置无线通信。内部电源向所述无线现场设备供电。图像捕获设备耦合到所述控制器，并被配置为捕获所述无线现场设备的环境的图像。所述控制器适于从所述图像捕获设备接收图像信息，以及向所述远程位置发送压缩图像信息。还提供了方法。
附图说明
图1是示出了与本发明一起使用的过程控制或监视系统的简化框图。
图2是示出了本发明的一个实施例的现场设备中的组件的框图。
图3是示出了图2的现场设备的组件的更详细的框图。
图4A、4B和4C示出了可以进行本发明的图像捕获的示例远程环境。
图5是过程控制器监视系统的类似于图1的另一示例框图。
图6是根据本发明的实施例的图像捕获设备的简化图。
具体实施方式
图1是示出了示例过程控制或监视系统10的简化图，示例过程控制或监视系统10包括通过无线网关13与现场设备14和16通信的控制室12。网关13和控制室12之间的通信可以通过有线或无线通信链路。现场设备14被示出为耦合到过程管道18，且现场设备16被示出为耦合到存储箱20。然而，设备14、16可以位于任何所需位置。设备14和16分别包括天线22和24，用于从与无线网关13关联的天线26发送和/或接收信息。设备14和16使用无线射频(RF)通信链路28、29和30彼此通信且与远程位置(例如，网关13)通信。一个示例无线通信协议是根据IEC62591的协议。现场设备14和16包括用于在不要求附加电线的情况下向设备提供本地(内部)功率的组件。例如，设备14和16可以包括太阳能电池和/或用于本地功率的电池。
由于现场设备14和16使用受限功率来工作，其处理能力和它们能够发送的数据量是受限的。在一个方面中，本发明包括诸如设备14和16之类的无线现场设备，其包括用于使用图像捕获设备来捕获现场设备14、16所处环境的图像的能力。设备中的控制器接收所捕获的图像，并生成压缩图像信息。使用无线通信技术向远程位置发送该压缩图像信息。这减少了设备所要求的功率量，且还减少了发送图像信息所要求的带宽量。
图2是更详细示出了图1所示的现场设备14的简化框图。现场设备14包括可选的换能器31、无线输入/输出(通信)电路32、控制器34、电源电路36、电池38、以及太阳能板40。换能器31可以是用于感测过程变量的传感器或用于控制过程变量的控制元件，例如阀门。无线通信电路32耦合到天线22，以通过网关13的天线26与网关13通信。可选地，设备14直接与控制室12通信。电源电路36用于向现场设备14内的电路供电。电源电路36可以使用从太阳能电池40接收到的内部功率或从电池38接收到的功率来工作。电源电路36可以由不需要通向远程电源的配线的任何类型的内部电源来供电。电源电路36可以是现场设备14中自包含的，或者在一些实施例中，位于现场设备外部且靠近现场设备。例如，可以将太阳能供电单元用于通过两线连接向变送器或其他现场设备供电，该两线连接还用于承载信息。在这种配置下，电源电路还可以向远程位置提供无线通信。在于2004年5月21日提交的美国专利申请序号10/850,828，“WIRELESSPOWER AND COMMUNICATION UNIT FOR PROCES S FIELDDEVICE”中示出和描述了这种配置，且将该申请以全文引用的方式并入本文中。如果从太阳能电池40接收到充足的电量，电源电路36还可以用于向电池38充电。如下面更详细解释的，图像捕获设备74用于捕获环境的图像。
图3是根据本发明的实施例的过程设备14的更详细的框图，且示出了被配置为过程变量传感器的可选换能器31。过程变量传感器31可以位于设备14的外壳内，或位于图3所示的外壳外。测量电路52耦合到过程变量传感器31，且用于在向控制器34提供测量信号之前执行初始信号处理。可选的用户输入54被示出为图3中的操作员按钮。类似地，示出了可选的输出设备，例如LCD显示器56。
控制器34通常是基于微处理器的控制器，且耦合到存储器60和时钟62。时钟62确定现场设备14内的数字电路的操作速度，且存储器60用于存储信息。存储器60可以包括持久性和易失性存储器，且可以用于存储在处理期间使用的数据、编程指令、校准信息、或用于与过程设备14一起使用的其他信息、数据或指令。存储器60还存储如本文所述的图像信息。
图3还示出了根据本发明的一个示例实施例的图像捕获设备74。图像捕获设备74如下面更详细讨论的工作，且向控制器34提供了包含图像信息的图像输出。
如在背景技术节中所讨论的，在一些实例中，可能需要视觉监视远程现场设备周围的环境。通常，这种监视要求派遣具有维修人员的车辆，该维修人员必须驾驶到远程位置，以执行视觉探测。本发明提供了远程环境75的图像监视，该远程环境75可以包括过程元件，例如闪光、抽油机、泵、箱、或者在远程位置处的现场设备14、16附近的其他组件。这可以用于提供与以下各项相关的信息：该区域中的车辆或人员、设备(例如，泵或井)的正确操作、火或烟的存在性、漏出的过程流体等等。
能够在不要求外部电源的远程位置处工作的无线现场设备可从例如Chanhassen，MN的Rosemount Inc.获得。这种设备被配置为测量过程变量或获得其他过程信息，且使用无线通信技术(例如，)来发送信息。然而，由于功率和带宽限制，这种设备不适用于发送大量的数据，例如在图像数据中出现的大量数据。这种发送需要大的功耗，且将快速耗光设备的电池，由此缩短设备在现场可以不被维护的时间量。本发明提供了用于从这种无线现场设备提供图像信息的方法和装置。
在一个示例配置中，图像捕获设备74包括CCD或CMOS设备。图像捕获设备74可选地包括用于将周围环境75的所需区域聚焦到设备74上的镜头。可以提供可选的处理电路，其能够检测设备的单个像素或像素组中的改变(增量)。一个示例图像捕获设备74是光学鼠标传感器，例如Avago Technologies的ADNS-5090或OmnivisionTechnologies的OV7995。这是执行图像捕获以及检测图像改变(增量)的设备的示例，且被实现为单个集成电路。
图4A、4B和4C是工业过程环境75的说明图，且示出了本发明的一个示例实施例的操作。在图4A中，示出了石油钻机80的参考图像。在图4B中，示出了相同的参考图像，且太阳82也可见。在图4C中，除了太阳82之外，还可以看到一个人84接近石油钻机。可以由图像捕获设备74来获得并在存储器60中存储图4A所示的参考图像。可以为了在主机地点处的增强图像处理和分析，以高分辨率来获取参考图像。可以以慢数据速率向例如图1所示的控制室12之类的远程位置发送参考图像。在另一示例中，使用除了RF链路28、30之外的某种手段向远程位置传输参考图像，且将参考图像存储在远程位置作为参考图像。例如，可以将诸如存储器棒之类的物理存储器用于将图像移动到图1所示的控制室12。在随后的时间，由图像捕获设备74捕获第二图像，例如图4B所示。在4B中，该图像与图4A的参考图像的不同之处在于：太阳82可见。例如，可以间隔几分钟或甚至几小时来获取后续图像。通过识别两个图像之间的任何改变(增量)，控制器34仅需要存储已改变的这些部分(像素)。换言之，可以在存储器60中存储来自图像的与太阳82相关的信息，并通过天线22使用无线通信向远程位置发送。这既节约存储器，也节约发送带宽。
在图4C中示出了第二后续图像。在该图中，可以看到一个人84在石油钻机附近。同样地，图像捕获设备74捕获图像，且控制器34在存储器60中存储改变(增量)，用于后续无线发送。可以接近实时地发送增量信息，或可以在存储器60中存储增量信息，以供后续发送。例如，可以在无线网络28、30上的数据业务相对低时，或当附加功率可用于发送时，发送图像信息。
在存储器60中存储的和/或通过无线通信链路28发送的图像信息优选地以某种形式来压缩。该压缩可以使用无损或有损技术。在无损技术中，当压缩发生时不丢失信息。然而，有损图像压缩技术导致压缩图像具有比原始图像更少的信息。示例无损图像压缩技术包括运行长度编码(例如可用的PCX、BMP、PNG、TGA和TIFF标准)、预测性编码和差分脉冲编码调制、熵编码、自适应词典编码算法(例如，在GIF和TIFF格式中实现的LZW)、通缩码或链式码。有损图像压缩技术包括以下技术：减少颜色空间、色度次采样、变换编码(例如在JPG标准中实现的)以及分形压缩。然而，本发明不限于这些压缩技术。可以在图像捕获设备74本身内实现、在控制器34内实现、或由变送器14内其他电路来执行图像压缩。
在一个配置中，控制器34根据在存储器60中存储的指令来工作，该指令允许其被“训练”为观察已知的环境75并当特定事件在环境75中发生时发送事件消息。例如，如果在远程环境75的特定区域中检测到闪光或火焰，则可以无线发送带有该事件的消息。
在一些配置下，在特定事件期间图像捕获设备74以增加的帧速率来捕获图像，以提供远程环境75的附加图像细节。此外，所捕获的图像可以具有更高的分辨率。类似地，控制器34可以无线地接收指令，该指令增加了捕获图像的速率和/或捕获图像的分辨率。该命令可以由另一设备生成或可以由用户发送。
在另一示例图像压缩技术中，当检测到来自参考图像的改变时，控制器34仅发送与参考图像中改变发生的位置或区域相关的信息。当在图2所示的控制系统12处接收到该信息时，可以向操作员显示参考图像连同对环境中检测到改变的区域加以突出显示的信息。例如，如果突出显示的区域在燃烧器的位置处，该信息可以允许操作员确定已点燃或熄灭了火焰。可以在图像捕获设备74本身中，在控制器34中，或由变送器14中其他电路来检测所捕获图像相对于参考图像的改变。
图5是无线控制器监视系统10的另一示例实施例。控制室12被示出为包括PC12A，PC12A被配置为运行图像管理应用。示出了多个不同的设备16，其通过网关接收机13与控制室12通信。网关13和控制室12之间的通信可以通过有线或无线通信链路进行。现场设备14被示出，且其包括多个可选附加输入。例如，示出了温度传感器90和电流至电容接口92。可选的GPS模块94可以被实现为向微控制器34提供位置信息，微控制器34可以用于识别环境75图像。提供了可选的USB接口98，用于与微控制器34交互。在图5中，存储器60被示出为FRAM，FRAM是非易失性存储器的一个示例。
向远程位置发送的图像信息可以可选地包括附加信息，该附加信息包括与何时获得图像相关的实时信息、与在哪里获得图像相关的位置信息、与图像捕获设备所指向的方向相关的定位信息、其他传感器信息(例如，温度、过程变量等)、识别捕获了图像的过程设备14的信息、或其他信息。
图像捕获设备74可以被配置为在苛刻的环境中使用。例如，使用纳米涂层，以帮助确保图像光圈保持清洁。另一示例涂层是二氧化钛，其防止灰尘和污染物粘附至玻璃。图像捕获设备74可以本身记录与光圈的条件相关的信息。例如，可以获得具有清洁光圈的基线图像。这可以用于通过将当前图像与基线图像进行比较，来检测光圈何时变脏，并由此通过例如向控制室12发送信息向操作员告警。
变送器14的存储器可以基于其大小和可用功率来存储任何数目的图像或增量信息。一旦已发送了图像信息，可以从存储器60中移除它。在一个配置中，过程设备14接收指示已在远程位置处成功接收到图像的信号，并由此允许从存储器60中擦除所存储的图像。图像信息可以连续发送，或可以在多个不同分组中发送，例如通过块传输。图像改变(增量)信息通常要求较少的带宽。
在一个配置中，在PC12A上运行的图像处理和管理应用可以被配置为执行对象识别。例如，可以识别个人、车辆、火焰、蒸汽或气体、烟雾、泵位置等等。现场设备14可以周期性的、在图像中检测到充足增量时、或当接收到命令时获得和/或发送图像信息。存储的图像以及发送的图像可以包括时间信息。此外，设备可以被配置为基于来自远程位置的命令来存储任何数目的图像。主机可以请求：现场设备14以所需分辨率获得一系列图像并发送这些图像。类似地，如果图像捕获设备74包括用于对图像捕获设备74重新定位以执行摇摄和/或倾斜功能的致动器时，可以向设备发送命令，以控制图像捕获设备74的定位。在相关配置中，图像捕获设备74周期性地改变位置，以观察远程环境75的不同区域。如果向捕获设备74提供聚焦机制，这可以进一步在捕获图像时使用。在一些配置中，聚焦机制可以用于近场图像捕获，从而可以检测到镜头或传感器上的污染物。
图6是图像捕获设备74的一个示例配置的简化图。图像捕获设备74包括图像传感器120，例如CCD等。以二维阵列方式来布置图像传感器120，以捕获使用镜头122来聚焦的远程环境75的图像。如上所述，镜头122可以包括用于减少碎片积累的可选涂层。向图像处理器124提供来自传感器120的与检测到的图像相关的输出。图像处理器124被配置为处理来自传感器120的个体像素，并向上述微控制器34提供输出。同样如上所述，在一些配置中，处理器124仅提供与检测到的图像中的改变相关的输出。在另一可选配置中，分别提供摇摄和倾斜致动器126和128，它们可以由微控制器34来控制，使得图像传感器122根据需要获得来自远程环境75的不同区域的图像。移动可以响应于命令，以所需时间间隔周期性地发生，或响应于事件。例如，如果过程中的特定传感器正在给出异常读数，可以将图像捕获设备74定向，以观察过程的该特定区域。
在特定实施例中，本发明包括仅记录捕获图像中的改变，以减少存储器需求和发送带宽。在另一示例中，使用图像压缩技术来压缩捕获到的图像数据。这可以包括有损以及无损压缩技术。这还降低了存储和带宽要求。此外，一旦已从现场设备14发送了图像数据，可以从存储器60中移除任何存储的图像信息。如果达到存储器的存储限制，可以基于先入先出来删除较老的图像。可以使用通过无线通信链路发送的多个块或分组来传输大量的图像数据，例如参考图像。可以使用较少的分组来传输较少量的图像数据，例如图像增量信息。在一个配置中，仅发送与图像中改变发生的区域相关的信息。
PC12A可以操作图像管理应用，并使用，以组合基线参考图像和图像增量信息。这可以用于基于基线参考图像和图像增量信息为操作员重构图像。图像管理应用还可以被配置为执行对象识别，以识别远程环境75中的各种对象或动作。这种对象或动作包括识别人员、车辆、火焰、蒸汽/气体等。类似地，应用可以被配置为识别事件，例如闪光、人员或车辆进入区域、火焰或爆炸、液体排出等。在另一示例实施例中，应用可以被配置为在显示器上显示多个图像，以提供可由操作员查看的动画。例如，操作员可以使用选定的开始和结束时间来配置要顺序显示的选定数目的图像。可以采用其他图像显示技术，例如，提供针对图像的包含运动在内的那些区域的夸大。然后可以为了增加检测灵敏度对过程视频执行对象或动作识别。这允许图像管理应用在数学上夸大图像改变(增量)信息，以使得细微的改变更明显。Massachusetts Institute of Technology(MIT)已开发出一个示例技术，且在“MIT News，Researchers amplify variations in video，making theinvisible visible，Larry Hardesty，June22，2012，http://web.mit.edu/newsoffice/2012/amplifying-invisible0video-0622/html”中描述。
通过无线通信链路28传输的图像可以包括附加信息，例如时间戳、地理信息、与检测到的过程变量相关的信息、识别远程环境75被监视的部分的信息、与图像捕获设备指向的方向相关的信息等。通过无线网络发送压缩图像信息，作为信息分组。注意到：无线网络通常是包括多个无线设备在内的较大的网络的一部分。在很多实例中，其他过程相关信息(例如，过程变量)也在相同网络上发送。重要的是能够发送过程变量。然而，如果在网络上正在发送大量的图像数据，则网络带宽可以受到限制，由此减少了可用于过程变量发送的带宽量。从而，通过发送压缩图像数据而减少了发送图像所要求的带宽。此外，可以使用优先级信息来标记包含图像信息的数据分组，该优先级信息指示他们具有比与无线网络上的信息的其他分组(例如，包含与过程变量相关的信息在内的分组)更低的发送优先级。
在一些配置中，控制器34具有充足的处理能力，使得可以在现场设备14中执行图像处理。例如，设备可以监视本地环境75，并在观察到特定事件时发送事件消息，例如火焰的存在或不存在等等。在一个示例配置中，在存储器60中存储事件的图像。事件的发生可以通过比较存储的事件图像和来自图像捕获设备74的当前图像数据来检测。现场设备14可以周期性地、或仅当事件发生和检测时才发送事件状态信息。根据需要，现场设备可以仅发送事件状态信息，也可以包括图像信息，该图像信息包括图像增量信息。可以在存储器60中存储在事件期间获得的任何图像信息，包括时间戳信息。在另一示例配置中，当接收到事件状态时，图像管理应用12A可以控制现场设备14，以使得其收集用于后续发送的一系列图像。图像管理应用12A可以在通知操作员之前验证事件。
尽管已参考优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。如本文所使用的，术语“压缩图像信息”指代以包含比原始图像信息更少数据的方式来压缩的图像信息。压缩可以是无损的或有损的，且包括简体提供以下信息的技术：与图像中图像已改变的位置相关的信息，包括在该特定位置上图像已改变了多少。其不包括以下信息：简单指示图像中的某个东西已改变，而没有与位置相关的任何信息。此外，术语“图像改变信息”包括指示在图像中的至少某个部分存在改变的信息，且包括不一定具体指示图像中哪里发生改变的这种信息。压缩图像信息或图像改变信息的发送可以通过比较改变量与阈值来触发。如果超过阈值，则可以启用发送。图像捕获设备可以对于任何所需波长敏感，包括光、红外和紫外。在一个方面中，现场设备使用在内部电池等中存储的功率来工作。

Claims (24)

1.一种在工业过程控制或监视系统中使用的无线现场设备，包括：
控制器，被配置为控制所述现场设备的操作；
无线通信电路，被配置为与远程位置无线通信；
内部电源，被配置为向所述现场设备供电；以及
耦合到所述控制器的图像捕获设备，被配置为捕获所述现场设备的环境的图像；
其中，所述控制器适于从所述图像捕获设备接收图像信息，压缩所述信息以及向所述远程位置发送压缩图像信息。
2.根据权利要求1所述的无线现场设备，还包括：存储器，被配置为存储图像信息。
3.根据权利要求2所述的无线现场设备，其中，所存储的图像信息包括基线图像信息。
4.根据权利要求2所述的无线现场设备，其中，所存储的图像信息包括当前图像信息。
5.根据权利要求2所述的无线现场设备，其中，所存储的图像信息包括压缩图像信息。
6.根据权利要求2所述的无线现场设备，其中，所存储的图像信息包括图像改变信息。
7.根据权利要求1所述的无线现场设备，其中，响应于通过所述无线通信电路接收到的命令，所述压缩图像信息包括更高分辨率图像信息。
8.根据权利要求1所述的无线现场设备，其中，响应于检测到所述图像中的改变，所述压缩图像信息包括更高分辨率图像信息。
9.根据权利要求1所述的无线现场设备，其中，响应于通过所述无线通信电路接收到的命令，所述压缩图像信息包括更高帧速率图像信息。
10.根据权利要求1所述的无线现场设备，其中，响应于检测到所述图像中的改变，所述压缩图像信息包括更高帧速率图像信息。
11.根据权利要求1所述的无线现场设备，其中，所述压缩图像信息包括有损压缩图像信息。
12.根据权利要求1所述的无线现场设备，其中，所述压缩图像信息包括无损压缩图像信息。
13.根据权利要求1所述的无线现场设备，其中，所述压缩图像信息包括与所述图像中图像已改变的位置相关的位置信息。
14.一种无线监视系统，包括权利要求1所述的无线现场设备和在所述远程位置处被配置为接收压缩图像信息的图像管理应用。
15.根据权利要求14所述的无线监视系统，其中，所述图像管理应用包括基线图像。
16.根据权利要求14所述的无线监视系统，其中，所述图像管理应用被配置为识别所述图像中的对象。
17.根据权利要求1所述的无线现场设备，包括：致动器，被配置为重新定位所述图像捕获设备。
18.根据权利要求1所述的无线现场设备，还包括过程变量传感器，其中，由所述无线通信电路传送与检测到的过程变量相关的信息。
19.根据权利要求1所述的无线现场设备，包括：图像管理应用，被配置为以动画方式显示多个捕获到的图像。
20.根据权利要求1所述的无线现场设备，包括：图像管理应用，被配置为对图像改变信息加以夸大，以由此放大捕获到的图像中的改变。
21.一种无线监视系统，包括权利要求1所述的无线现场设备和第二无线现场设备，所述第二无线现场设备被配置为在与所述无线现场设备相同的无线网络上无线发送过程变量信息。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，以降低的优先级级别来发送压缩图像信息。
23.一种在工业过程控制或监视系统中的无线现场设备中的方法，包括：
从图像捕获设备接收图像，所述图像是所述现场设备的环境的图像；
使用所述无线现场设备中的控制器来处理所述图像，并生成压缩图像信息；
使用在所述现场设备内部的电源向所述现场设备供电；
使用在所述无线现场设备内的无线通信电路向远程位置无线传送所述压缩图像信息。
24.根据权利要求23所述的方法，包括：在存储器中存储所述压缩图像信息。
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