CN110446990A - 启用互联网协议(ip)的智能换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种启用互联网协议(IP)的智能换能器(150)，该智能换能器包括：传感器(151)，该传感器用于生成关于与工业处理设施中的处理设备或装置(114)相关联的物理量的现场数据；以及信号调节电路(152)，该信号调节电路用于对该现场数据进行放大和滤波中的至少一者以提供经调节的现场数据。通信接口(155)耦接到该信号调节电路，该信号调节电路包括具有相关联的存储器(155b)的处理器(155a)以及用于根据经调节的现场数据生成IP数据的现场数据到IP数据转换算法(155c)，并且发射器(156)用于跨IP总线(132)将IP数据传输到与IP总线连接的至少一个应用。

Description

启用互联网协议(IP)的智能换能器
技术领域
所公开的实施方案涉及使用智能换能器的工业感测和过程控制。
背景技术
用于工业过程的过程控制系统(无论是分布式控制系统(DCS)还是监督控制和数据采集(SCADA)系统)通常包括一个或多个过程控制器，该一个或多个过程控制器通信地耦接到至少一个主机(例如，操作员工作站)以及耦接到被配置成经由模拟、数字或组合的模拟/数字通信信号和/或协议进行通信的一个或多个过程控制装置(例如，现场装置)。此类过程控制系统通常用于油和天然气、化学、制药、纸浆和造纸以及石油工艺。
现场装置可以包括装置控制器、阀、阀致动器或定位器、开关、发射器(例如，温度、压力、液位、流速或化学组成传感器)，该现场装置执行过程控制系统内的功能，诸如致动器打开和/或关闭阀以及仪表或传感器测量过程参数。过程控制器接收指示由现场装置进行的过程测量的信号和/或与现场装置有关的其他信息，使用该信息来实现控制例程，以及在总线和/或其他通信线路上生成控制信号到现场装置(诸如致动器)以控制过程控制系统的处理装置的操作。
为了提供改进的模块化和制造商间兼容性过程控制，制造商已经开始通过使用“智能”现场装置在过程内分散控制，这些“智能”现场装置通常使用串行协议(诸如CAN和Fieldbus(在下文中“Fieldbus”)协议)来进行通信。这些智能现场装置是基于微处理器的装置(诸如传感器)，其在一些情况下(诸如通过Fieldbus装置)也会执行传统上由分布式控制系统(DCS)控制器执行的控制回路功能。因为智能现场装置提供控制能力并使用开放协议来进行通信，所以来自各种不同制造商的智能现场装置通常可以经由公共数字数据总线彼此通信，并且可以互操作以执行控制回路而无需DCS控制器的干预。
一些工业自动化系统可以包括其根据开放过程控制(OPC)统一架构(UA)协议的通信的一部分。OPC UA是一种开放(非专有)标准，其用于制造商独立的数据通信，这些数据通信可以是机器对机器或应用之间。OPC UA主要用于工业自动化系统并由OPC基金会指定。例如，工业自动化系统可以包括网关装置，该网关装置将从现场装置接收的串行协议数据转换为耦接到OPC UA服务器的OPC UA数据，该OPC UA服务器也可以经由网络连接将该信息提供给在另一个位置处操作的一个或多个OPC客户端。OPC UA客户端可以通过网络连接利用OPC UA服务调用，以便将OPC UA数据发送到一个或多个OPC UA服务器并从该一个或多个OPC UA服务器接收OPC UA数据。
发明内容
提供本发明内容以介绍简化形式的公开概念的简要选择，其在下文包括附图的具体实施方式中被进一步描述。该发明内容不旨在限制所要求保护的主题的范围。
所公开的实施方案认识到工业自动化系统用户通常不能远程看到其位于车间或现场的处理设备或装置的状态、行为和/或环境。这是因为大多数可商购获得的现场装置(例如，传感器)不具有提供其感测的数据作为互联网协议(IP)数据的通信能力，并且现场装置也可能无法测量某些物理量，该物理量在整个过程中对于帮助用户改进产品质量、减少浪费和提高产量可能是有价值的。此类现场装置通常还提供非常有限的诊断数据，该诊断数据通常借助装置本身上显示的专有代码，并且一些现场装置需要附加装置来解释所发送的数据。通常使用串行数据连接。
所公开的启用IP的智能换能器(智能换能器)通过提供用于生成关于与处理设备或装置相关联的物理量的现场数据的传感器、连同生成IP数据的通信接口、以及将IP数据暴露给IP总线的发射器来提供对处理设备或装置的状态、行为和/或环境的这种所需直接可见性。通信接口包括具有相关联的存储器的处理器(数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU))，以及用于根据所接收的经调节的现场数据生成IP数据的现场数据到IP数据转换算法，并且发射器通常跨IP总线将IP数据传输到与IP总线连接的多个应用。
制造此类智能换能器的供应商可以选择支持哪种传输，这取决于IP数据通信将是在局域网(LAN)、私有云、还是公共云(即广域网(WAN))上。接收IP数据的一个或多个应用可以分析IP数据并作为响应执行涉及工业过程的各种活动。例如，内部物流(测量在带上，在货车、叉车、位置中移动的部件的加速度和温度)、泄漏测试、压力测试、热处理(温度)、钻孔和铣削(旋转、振动)、扫描(代码)、包装(重量)、几何测量(长度、尺寸)、流量控制(流量、粘度)、结合过程(力、距离)、深拉(力、距离)、电气测试(电压、电流、电阻)、喷涂(流量、颜色)、组装(接触、相机检查)、拧紧(扭矩、角度)和焊接(电力、焊丝消耗)。
IP数据可以符合开放数据连接标准(诸如OPC UA)。使用OPC UA标准来暴露的IP数据允许所公开的智能换能器用于可能缺少测量/感测特定物理量(例如，压力、温度或振动)的能力的第三方过程设备或装置，并且传送感测的现场数据作为IP数据。所公开的智能换能器因此“本地地”传送IP数据，诸如使用OPC UA，这意味着IP数据客户端或服务器是智能换能器中的软件或数字逻辑的一部分，而不是常规上使传感器首先生成原始数据读数并将它们传送到另一个外部部件(诸如网关装置)，该另一个外部部件装置然后使用开放数据连接标准(诸如OPC UA)来暴露数据作为IP数据。所公开的智能换能器不限于将生成的IP数据获取到诸如云或过程层位置的远程位置的任何特定方法。
附图说明
图1是根据示例性实施方案的用于工业过程设施的过程控制系统的框图表示，该过程控制系统被示为具有耦接到处理设备或装置的公开的智能换能器，其将生成的现场数据转换成IP数据，以及用于跨IP总线将IP数据传输到与IP总线连接的至少一个应用的发射器。
图2是根据示例性实施方案的公开的智能换能器的框图表示。
图3是示出根据示例性实施方案的从公开的智能换能器传送工业处理设施中感测的现场数据作为IP数据的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
参考附图描述了公开的实施方案，其中在所有附图中使用相同的附图标号来表示类似或等同元件。附图未按比例绘制，并且其仅提供用于说明某些公开的方面。下面参考用于说明的示例性应用来描述若干公开的方面。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开实施方案的完全理解。
然而，相关领域的普通技术人员将容易地认识到，可在没有一个或多个具体细节或其他方法的情况下实践本文公开的主题。在其他情况下，未详细示出公知的结构或操作以避免模糊某些方面。本公开不受所示出的动作或事件的顺序的限制，因为某些动作可以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，并非所有示出的动作或事件都是实现根据本文公开的实施方案的方法所必需的。
另外，如本文所用的没有进一步限定的术语“耦合到”或“与…耦合”(等等)旨在描述间接或直接电连接。因此，如果第一装置“耦合”到第二装置，则该连接可通过直接电连接，其中在通路中仅存在寄生；或者可通过经由包括其他装置和连接的中间项的间接电连接。对于间接耦合，中间项通常不修改信号的信息，但可调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。
图1是用于被示为工厂105的工业过程设施的过程控制系统100的框图表示，该过程控制系统具有公开的启用IP的智能换能器(被示为“智能换能器”150)。根据示例性实施方案，智能换能器150耦接到处理设备或装置114并将生成的现场数据转换成IP数据，并且具有用于跨IP总线132将IP数据发送到与IP总线连接的至少一个应用的发射器(参见下面描述的图2中的发射器156)。互联网连接使得能够在物理上广泛分开的位置之间进行快速数据互换。结合开放数据连接标准技术(例如，OPC UA)，因此可能使物理上非常广泛地彼此远离定位的不同系统、应用和装置简单且快速地彼此通信。
如本文所用，工业过程设施运行涉及所公开的实施方案适用的有形材料的工业过程。例如，油和天然气、化学、饮料、制药、纸浆和造纸、石油工艺、电气和水。工业过程设施不同于仅执行数据操纵的数据处理系统。
智能换能器150提供对处理设备或装置114的状态的实时观察，从而提供有价值的信息(诸如关于正在生产的产品的质量)，以及出于维护和效率原因而被监测的处理设备或装置的状态。处理设备或装置可以在装配线(诸如机器人臂、涡轮机、压缩机)上，或者包括罐区中的储罐。如通信中已知的，IP套件是互联网和类似计算机网络上使用的计算机联网模型和通信协议集，基于其最重要的协议而通常被称为TCP/IP，TCP和IP是在其开发期间限定的第一网络协议。由公开的智能换能器利用的IP通信可以包括但不限于称为MQTT的机器对机器(M2M)/IOT、高级消息传递队列协议(AMQP)和OPC UA。
图1中的示例所示的IP连接应用包括本地控制室185、处于装置层110中的智能装置118，该智能装置可以是另一个启用IP的智能换能器或具有智能换能器150的其他现场装置，以及包括处理器190a和相关联的存储器190b的云计算系统190。云计算系统190可以提供基于云的管理系统以及数据存档器(数据历史记录器)。还被示为耦接到处理设备或装置114的是缺少处理器和通信块的基本传感器单元112，以及致动器113。过程控制器130(DCS或可编程逻辑控制器(PLC))被示为耦接到基本传感器单元112和致动器113，诸如通过以太网电缆。
图2是根据示例性实施方案的公开的智能换能器150的框图表示，该智能换能器被示为全部安装在印刷电路板(PCB)160上。智能换能器150包括传感器151，该传感器用于生成关于与处理设备或装置114相关联的物理量的现场数据。如本领域中已知的，“传感器”是获取物理量(诸如热量、机械量、电量或磁量)并将其转换成适合于信号处理的信号的装置。热量可以包括温度、热导率，并且机械量可以包括速度、加速度、振动、力或压力、应变、应力、压力或扭矩。电量可以包括电荷、电压、电流、电场(幅度、相位、极化)、电导率、介电常数，并且磁量可以包括磁场(幅度、相位、极化)、磁通量或磁导率。
信号调节电路152耦接到传感器151的输出部以用于对现场数据进行放大和滤波中的至少一者(并且通常两者)以提供经调节的现场数据。通信接口155耦接到信号调节电路152的输出部并且包括具有相关联的存储器155b的处理器155a，该相关联的存储器被示为存储现场数据到IP数据转换算法软件115c以用于根据接收的经调节的现场数据生成IP数据。如本领域中已知的，算法(诸如所公开的现场数据到IP数据转换算法)可以由硬件实现或者由软件实现。
关于基于硬件的实施方式，算法方程可以被转换成数字逻辑门模式，诸如使用VHDL(硬件描述语言)，然后该VHDL可以使用可编程装置(诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用的专用集成电路(ASIC))来实现，以实现被示为包括数字逻辑155d的硬件的所需逻辑门模式。关于基于软件的算法实施方式，存储在相关联的存储器155b中的现场数据到IP数据转换算法代码115c可以由处理器155a实现。图2所示的现场数据到IP数据转换算法软件115c和包括数字逻辑155d的硬件中只有一者是需要的。
发射器156用于跨图1中被示为IP总线132的互联网连接将IP数据传输到与互联网连接的至少一个应用。对于无线应用，天线耦接到发射器156的输出部。
在一个特定应用中，工厂105可以是包括多个罐或管道计量站的罐区。尽管智能换能器在图1中被示为使用无线通信将IP数据传送到IP总线132，但也可以使用有线通信，诸如通过到IP总线132的以太网电缆和/或通过IP总线132。
通信接口155还可以包括通信算法，该通信算法包括仅向授权第三方提供对IP数据的安全访问的认证和授权特征。现场数据到IP数据转换算法155c还可以包括用于提供减少量的IP数据的边缘处理特征。边缘分析允许在更靠近创建数据的位置执行数据的预处理或滤波。板载(边缘)逻辑允许处理原始感测的数据读数。这可能有助于使数据更有意义并减少需要被发送的数据量，这使得智能换能器能够仅发送更丰富、更相关的数据。例如，温度读数可以变为给定时间段内的平均温度读数，使得传输的IP数据只是最大温度、最小温度和平均温度，而不是发送数千个单独的温度读数。对于大规模物联网(IoT)部署，由于生成了极大量的数据，边缘功能可能是重要的。
如上所述，处理设备或装置和与其相关联的智能发射器可能缺少感测物理量的能力并且缺少通过IP总线进行通信的能力。智能换能器还可以实现数据加密算法以使得IP数据包括加密的IP数据。加密允许用户保护其暴露的数据。
通信接口155还可以包括用于创建数据模型的算法，该数据模型用于表示与由智能换能器执行的现场数据和功能相关的数据层级，其中当生成现场数据的更新样本时，数据模型更新现场数据的值。所公开的智能换能器可以用于各种生产环境中。根据使用智能换能器的人员以及出于何种目的，可以通过修改来构建数据以最适合其用于的场景。一旦设置了数据结构，智能换能器然后可以用它生成的值填充该结构。例如，智能换能器可以具有根据附接到其的探针而进行各种测量(例如，压力、温度)的能力。当附接不同的探针时，探针进行的测量类型(例如，压力(因此最大压力、最小压力、平均值)、电流值和相关联的单元)可以被添加到可用地址空间。如果附接了温度探针，则可以使用单元和温度相关的值。
图3是示出根据示例性实施方案的从公开的智能换能器传送工业处理设施中感测的现场数据作为IP数据的方法300中的步骤的流程图。步骤301包括提供智能换能器，该智能换能器包括耦接到工业处理设施中的处理设备或装置的传感器；耦接到传感器的输出部的信号调节电路；耦接到信号调节电路的通信接口，该信号调节电路实现现场数据到IP数据转换算法；以及发射器。
步骤302包括传感器生成关于与处理设备或装置相关联的物理量的现场数据。步骤303包括信号调节电路提供对现场数据进行放大和滤波中的至少一者以提供经调节的现场数据。步骤304包括现场数据到IP数据转换算法根据经调节的现场数据生成IP数据。步骤305包括发射器跨IP总线将IP数据传输到与IP总线连接的至少一个应用，诸如传输到云计算系统。
所公开的实施方案通常可以应用于新装置或现有装置。例如，所公开的智能换能器收集传感器数据并将其暴露于IP总线(例如，经由OPC UA)的能力使其特别适用于现有装置安装(也称为布朗场地(Brown field s ite))，因为它增加了传统系统无法提供的数据可见性。
虽然上面已经描述了各种所公开的实施方案，但是应当理解，它们仅以示例而非限制的方式呈现。在不脱离本公开的实质或范围的情况下，可根据本公开对本文公开的主题进行许多改变。此外，虽然可使用仅关于若干实施方式中的一者来公开特定特征，但是此类特征可与其他实施方式的一个或多个其他特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望或有利的那样。
如本领域技术人员将理解的，本文公开的主题可体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开可采取完全硬件实施方案、完全软件实施方案(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式或者组合软件和硬件方面的实施方案，这些实施方案在本文中通常都可称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开可采用体现在任何有形表达介质中的计算机程序产品的形式，该有形表达介质具有体现在介质中的计算机可用程序代码。

Claims (12)

1.一种启用互联网协议(IP)的智能换能器(150)，包括：
传感器(151)，所述传感器用于生成关于与工业处理设施中的处理设备或装置(114)相关联的物理量的现场数据；
信号调节电路(152)，所述信号调节电路耦接到所述传感器的输出部以用于对所述现场数据进行放大和滤波中的至少一者以提供经调节的现场数据；
通信接口(155)，所述通信接口耦接到所述信号调节电路，所述信号调节电路包括具有相关联的存储器(155b)的处理器(155a)，以及用于根据所述经调节的现场数据生成IP数据的现场数据到IP数据转换算法(155c)，和
发射器(156)，所述发射器用于跨IP总线(132)将所述IP数据传输到与所述IP总线连接的至少一个应用。
2.根据权利要求1所述的智能换能器，其中所述IP数据包括开放数据连接标准数据，所述开放数据连接标准数据使得能在来自不同制造商和跨不同操作系统的装置之间进行数据交换。
3.根据权利要求1所述的智能换能器，其中所述通信接口还包括通信算法，所述通信算法包括仅向授权第三方提供对所述IP数据的安全访问的认证和授权特征。
4.根据权利要求1所述的智能换能器，其中所述现场数据到IP数据转换算法还包括边缘处理特征以用于提供减少量的所述IP数据。
5.根据权利要求1所述的智能换能器，其中所述处理设备或所述装置缺少感测所述物理量的能力并且缺少通过所述IP总线进行通信的能力。
6.根据权利要求1所述的智能换能器，其中所述通信接口还包括用于创建数据模型的算法，所述数据模型用于表示与由所述智能换能器执行的所述现场数据和功能相关的数据层级，其中当生成所述现场数据的更新样本时，所述数据模型更新所述现场数据的值。
7.一种传送在工业处理设施中感测的现场数据的方法(300)，包括：
提供(301)启用互联网协议(IP)的智能换能器(150)，所述智能换能器包括：耦接到所述工业处理设施中的处理设备或装置(114)的传感器(151)；耦接到所述传感器的输出部的信号调节电路(152)；
耦接到所述信号调节电路的通信接口(155)，所述信号调节电路包括现场数据到IP数据转换算法(155c)；以及发射器(156)，
所述传感器生成(302)关于与所述处理设备或所述装置相关联的物理量的所述现场数据；
所述信号调节电路提供(303)对所述现场数据进行放大和滤波中的至少一者以提供经调节的现场数据，
所述现场数据到IP数据转换算法根据所述经调节的现场数据生成(304)IP数据，以及
所述发射器跨IP总线将所述IP数据传输(305)到与所述IP总线连接的至少一个应用。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述IP数据包括开放数据连接标准数据，所述开放数据连接标准数据使得能在来自不同制造商和跨不同操作系统的装置之间进行数据交换。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述通信接口还包括通信算法，所述通信算法包括认证和授权特征，还包括使用所述认证和授权特征以仅向授权第三方提供对所述IP数据的安全访问。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述现场数据到IP数据转换算法还包括边缘处理特征，还包括使用所述边缘处理特征以用于提供减少量的所述IP数据。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述处理设备或所述装置缺少感测所述物理量的能力并缺少通过所述IP总线进行通信的能力。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述通信接口还包括用于创建数据模型的算法，所述数据模型用于表示与由所述智能换能器执行的所述现场数据和功能相关的数据层级，还包括当生成所述现场数据的更新样本时更新所述现场数据的值。
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