CN110703638A - 现场仪表和仪器控制方法 - Google Patents

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新井崇
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佐藤秀一
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

本公开提供了一种现场仪表，包括：多个传感器；转换器，所述转换器获取所述传感器的测量结果并将所述测量结果转换为测量信息，所述测量信息是物理量；和处理器，所述处理器向连接到所述现场仪表的控制目标仪器输出控制指令，所述控制指令基于所述测量信息控制所述控制目标仪器。

Description

现场仪表和仪器控制方法
相关申请的交互引用
本申请主张2018年7月10日提交的日本第2018-130597号专利申请的优先权，其内容通过援引加入本文。
技术领域
本发明涉及一种现场仪表和仪器控制方法。
背景技术
传统上，在工厂或类似场所等处，使用被称为现场仪表(测量仪器、操作仪器)的路旁设备。现场仪表执行例如测量目标(例如，流体等)的测量以及将测量值(例如，流量、压力、温度等)发送到外部仪表。然后，外部仪表基于从现场仪表接收的测量值执行异常诊断等(例如，参见专利文献1)。
在传统测量系统中通过各种类型的路旁设备进行测量的情况下，每个路旁设备需要与传输线连接以发送由该路旁设备测量的测量值。以这种方式，在传统的测量系统中，由于每个路旁设备需要与传输线连接，因此增加了布线工作的成本。
为此，传统上，提出了一种现场仪表，其具有各种类型的路旁设备和服务器功能。通过与各种类型的路旁设备一体地设置并且还具有服务器功能，一个这样的现场仪表可以记录各种测量值。这使得布线工作的成本降低，因为每个路旁设备不需要与传输线连接。
专利文献
专利文献1JP 5049956 B2
然而，具有各种类型的路旁设备的上述现场仪表仅获取数据并将结果发送到外部终端设备。因此，具有各种类型的路旁设备的现场仪表不能被有效地使用。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的一个或多个实施例提供了一种技术，该技术可以有效地使用具有各种类型的路旁设备的现场仪表。
本发明的一个或多个实施例提供了一种现场仪表，其具有多种类型的传感器、获取多种类型传感器的测量结果并将测量结果转换为测量信息(物理量)的转换器、以及控制单元，所述控制单元向连接的控制目标仪器输出用于基于测量信息控制控制目标仪器的操作的控制指令。
上述配置向控制目标仪器输出用于使用由各种类型的传感器获得的测量结果来控制控制目标仪器的操作的控制指令。这使得现场仪表能够控制控制目标仪器的操作而不依赖于主机系统。这样，可以有效地使用具有各种类型的测量仪器的现场仪表。
本发明的一个或多个实施例提供上述现场仪表，其中控制单元通过使用测量信息计算控制目标仪器的操作量并向控制目标仪器输出包括所计算的操作量的控制指令来控制控制目标仪器的操作。
上述配置使得现场仪表能够监视从多种类型的传感器获得的测量信息，并计算控制目标仪器的必要操作量。然后，现场仪表将包括所计算的操作量的控制指令输出到控制目标仪器。这使得控制目标仪器的操作能够被控制。
本发明的一个或多个实施例提供了上述现场仪表，还具有用于直接连接到控制目标仪器的端口，其中现场仪表和一个控制目标仪器通过该端口经由一条信号线连接。
通过上述配置，现场仪表经由信号线将控制指令输出到控制目标仪器，该信号线以一对一的连接将现场仪表和控制目标仪器直接连接起来。这使得控制目标仪器能够通过现有的仪器来控制，而无需特殊的仪器。
本发明的一个或多个实施例提供了上述现场仪表，还设置有可连接到外部仪器的外部输入单元，该外部仪器获取由不直接连接到现场仪表的外部测量仪器测量的测量值，其中控制单元使用测量信息和从外部仪器获得的测量值向多个控制目标仪器中的每一个输出控制指令。
上述配置使得能够通过不仅包括基于由现场仪表本身配备的传感器测量的测量值的测量信息而且还包括例如从外部仪器获取的测量信息来计算控制目标仪器的操作量。这使得现场仪表能够基于使用从各种类型的传感器获得的测量信息而获得的操作量来控制控制目标仪器，并且基于使用从外部仪器获得的测量信息而获得的操作量来控制另一个控制目标仪器。也就是说，现场仪表可以控制多个控制目标仪器。这样，可以有效地使用具有各种类型的测量仪器的现场仪表。
本发明的一个或多个实施例提供一种仪器控制方法，具有获取现场仪表配备的多种传感器的测量结果的获取步骤、将测量结果转换为测量信息(物理量)的转换步骤、以及向连接的控制目标仪器输出用于基于测量信息控制控制目标仪器的操作的控制指令的控制步骤。
本发明的一个或多个实施例能够有效地使用具有各种类型的路旁设备的现场仪表。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个或多个实施例的测量系统的示意性配置的示意图。
图2是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表的示意性配置的示意图。
图3是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表的功能配置的框图。
图4是示出根据本发明的一个或多个实施例的信号获取单元的配置的图。
图5是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表的处理流程的流程图。
图6是示出根据本发明的一个或多个实施例的测量系统的示意性配置的示意图。
图7是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表的功能配置的框图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的实施例。
下面参考附图描述本发明的一个或多个实施例的测量系统1。
图1是示出根据本发明的一个或多个实施例的测量系统1的示意性配置的示意图。测量系统1设置有现场仪表10和控制目标仪器80。此外，现场仪表10被配置为包括传感器30和传输线70。
现场仪表10是执行与测量目标有关的测量的测量仪器。在本实施例中，现场仪表10是测量仪器，其主体单元具有内置流量传感器，该流量传感器测量在管道(未示出)中流动的流体的流量。现场仪表10安装在铺设于例如工厂或类似场所中的管道上。
传感器30是与上述流量传感器不同类型的传感器，并且例如是温度传感器、压力传感器、电导率传感器、pH传感器等。
现场仪表10的主体单元和传感器30通过传输线70连接。注意，虽然在图1中传输线70布线在现场仪表10的主体单元和传感器30的外部，但传输线70不限于此。传输线70可以布线在诸如现场仪表10的仪器内。
传输线70包括例如用于传输“4至20mA”的模拟信号的传输线、用于传输“0至1kHz”的脉冲信号的传输线、和用于通过接通/断开设置在现场仪表10内部的触点(未示出)来发送高信号/低信号的传输线。注意，现场仪表10可以连接用于通过例如符合HART(注册商标)、现场总线等有线工业网络或符合ISA100.11a、无线HART(注册商标)等无线工业网络进行通信。
现场仪表10可以存储基于所测流量的测量值的测量结果信息和基于从传感器30获取的测量值(例如，温度值、压力值、电导率值、pH值等)的测量结果信息。此外，现场仪表10通过使用存储的测量结果信息计算控制目标仪器80的操作量并将计算的操作量输出到控制目标仪器80来控制控制目标仪器80的操作。
控制目标仪器80是安装在工厂或类似场所中并由现场仪表10控制的仪器。控制目标仪器80例如是阀门等的致动器、Patlite(注册商标)、蜂鸣器、门、泵、加热器等。注意，控制目标仪器80不限于上述示例，并且可以是另一种仪器，只要它是安装在工厂或类似场所中并且由现场仪表10控制的仪器即可。现场仪表10和控制目标仪器80经由信号线连接，该信号线以一对一的连接方式连接现场仪表10和控制目标仪器80。也就是说，连接现场仪表10和控制目标仪器80的信号线不同于进行诸如总线(例如，现场总线)的一对多连接的信号线。控制目标仪器80根据从现场仪表10输出的操作量执行操作。
例如，在控制目标仪器80是阀并且从现场仪表10输出与阀的开度相关的操作量的情况下，控制目标仪器80根据操作量打开或关闭阀的开度。例如，在控制目标仪器80是Patlite并且从现场仪表10输出指示Patlite点亮的控制指令的情况下，Patlite根据控制指令点亮灯。
图2是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表的示意性配置的示意图。现场仪表10设置有转换器20，转换器20设置有一个或多个转换器(20a，20b和20c)、传感器30(30a，30b和30c)、传感器安装单元40(40b和40c)、以及服务器主板100。
转换器20由具有将传感器30测量的测量值转换为测量结果信息(物理量)的功能的板构成。转换器20具有例如A/D(模/数)转换器的功能。注意，转换器20可以是这样的配置，其中分别对应于每个转换器20a，20b和20c的多个A/D转换器设置在一个板上，或者是这样的配置，其中对应于转换器20a，20b和20c的一个A/D转换器设置在一个板上。
此外，转换器20可以由A/D转换器和处理器(计算设备)配置，并且处理器中计算A/D转换器的输出值并将其转换为测量结果信息，该测量结果信息是物理量。在这种情况下，配置可以是其中提供分别对应于每个转换器20a，20b和20c的多个处理器或者提供与转换器20a，20b和20c对应的一个处理器的配置。
传感器30(30a，30b和30c)是各种类型的传感器，其测量在管道(未示出)中流动的流体(测量目标)。图2中所示的三个传感器30分别是流量传感器30a、温度传感器30b和压力传感器30c。由流量传感器30a、温度传感器30b和压力传感器30c测量的测量值分别由转换器20a、转换器20b和转换器20c转换为作为物理量的测量结果信息。
传感器安装单元40b和传感器安装单元40c是用于将传感器30b和传感器30c分别安装到现场仪表10的主体单元的构件。注意，传感器安装单元40不必是专门设置用于安装传感器30的构件。例如，各种类型的传感器30可以安装到连接到流量计的主体单元的接地环等。
服务器板100是电子电路板(母板)，其配备有CPU(中央处理单元)并且具有控制控制目标仪器80的功能。服务器板100存储由转换器20转换的测量结果信息。服务器板100通过使用存储的测量结果信息计算控制目标仪器80的操作量并将计算出的操作量输出到控制目标仪器80来控制控制目标仪器80的操作。
图3是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表的功能配置的框图。现场仪表10设置有信号获取单元15、转换器20(20a，20b，20c，20d和20e)、服务器板100、流量传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e。此外，服务器板100被配置为包括控制单元101、定时器102和存储单元103。此外，控制单元101被配置为包括测量单元1011、设置单元1012、控制量计算单元1013和仪器控制单元1014。
控制单元101使用诸如CPU和存储器的处理器来配置。控制单元101通过执行程序而用作测量单元1011、设置单元1012、控制量计算单元1103和仪器控制单元1014。
测量单元1011基于来自定时器102的信号周期性地(例如，每“50毫秒”)操作，并且基于由各种类型的传感器30(流量传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e)测量的测量值获取来自转换器20(20a，20b，20c，20d和20e)的测量结果信息。然后，测量单元1011使存储单元103存储所获取的测量结果信息。注意，测量单元1011可以具有基于来自定时器102的信号同时获取多种类型的传感器的测量结果的配置。
设置单元1012执行与各种类型的传感器30(流速传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e)测量测量目标(流体)所需的各种类型的设置有关的处理——例如，设置用于测量的参数，更新固件等。
控制量计算单元1013使用存储在存储单元103中的测量结果信息来计算用于控制控制目标仪器80的操作量。
仪器控制单元1014通过向控制目标仪器80输出包括由控制量计算单元1013计算的操作量的控制指令来控制控制目标仪器80的操作。由仪器控制单元1014执行的控制目标仪器80的操作控制例如是打开或关闭旋转警告灯、打开或关闭蜂鸣器、打开或关闭门、打开或关闭阀门、旋转泵、打开或关闭加热器等。
信号获取单元15获取从传感器30(流量传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e)获得的测量值。信号获取单元15例如设置有用于获取包括由传感器30输出的测量值的信号的大量格式的接口的端子。由信号获取单元21获取的信号通常是电信号。信号获取单元15经由信号获取单元15和转换器20之间的信号线将获取的信号提供给转换器20。
信号获取单元15使用诸如图4中所示的板来配置。图4是示出根据一个或多个实施例的信号获取单元15的配置的图。如图4所示，端子块111设置在构成信号获取单元15的板的上表面(表面)上。端子块111具有以2×4(垂直×水平)配置的总共八个端子。这八个端子中的每一个都由金属制成并且设有螺钉。信号线可以连接到每个终端。注意，端子块111本身由合成树脂制成。
信号获取单元15、转换器20和服务器板100被配置为控制控制目标仪器80的控制设备。控制设备通过层叠三个板来配置。从顶部开始，这三块板是配置信号获取单元15的板(“信号获取板”)、配置转换器20的板(“信号转换板”)和服务器板100。即，这些电路板按上述顺序堆叠。每个螺栓112，113和114穿过信号获取板、信号转换板和服务器板100。
此外，服务器板100设置有端口105(诸如连接器)，用于直接连接到控制目标仪器80。这以一对一的连接方式直接连接现场仪表和控制目标仪器80。
转换器20具有转换器20a、转换器20b、转换器20c、转换器20d和转换器20e中的任何一个的功能。转换器20a从流量传感器30a获取由现场仪表10提供的流量传感器30a测量的测量值。然后，转换器20a将获取的测量值转换为作为物理量的测量结果信息，并将其输出到服务器板100。
同样地，转换器20b、转换器20c、转换器20d和转换器20e分别从每个传感器30获取由现场仪表10提供的每个传感器30(温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e)测量的测量值。然后，转换器20b、转换器20c、转换器20d和转换器20e各自将获取的测量值转换为作为物理量的测量结果信息，并将其分别输出到服务器板100。
流量传感器30a测量在管道(未示出)中流动的流体(测量目标)的流量，并且经由信号获取单元15将作为测量结果的测量值输出到转换器20。
同样，温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e分别测量在管道(未示出)中流动的流体(测量目标)的温度、压力、电导率和pH值，并且经由信号获取单元15将作为测量结果的测量值输出到转换器20。
注意，在本实施例中，将由安装在现场仪表10中的各种类型的传感器30(流量传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e)测量的测量值转换为作为物理量的测量结果信息的转换器20(20a，20b，20c，20d和20e)由现场仪表的主体单元提供。然而，转换器20不限于此。转换器20(20a，20b，20c，20d和20e)可以具有这样的配置，例如由每个传感器30(流量传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e)提供。
定时器102通过周期性地(例如，每“50毫秒”)产生信号并将该信号输出到测量单元1011来周期性地操作测量单元1011。此外，定时器102可以保持当前时间。
存储单元103存储由测量单元1011获取的测量结果信息。存储单元103使用诸如磁性硬盘设备或半导体存储设备的存储设备来配置。
图5是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表10的处理流程的流程图。
测量单元1011确定是否感测到从定时器102周期性地输出的信号的输入(步骤S101)。在没有感测到从定时器102周期性地输出的信号的输入的情况下(步骤S101-否)，测量单元1011于步骤S101处结束处理。
同时，在感测到从定时器102周期性地输出的信号的输入的情况下(步骤S101-是)，测量单元1011从转换器20收集基于由各种类型的传感器30测量的测量值的测量结果信息(步骤S102)。
测量单元1011使存储单元103存储所获取的测量结果信息(步骤S103)。控制量计算单元1013使用存储在存储单元103中的测量结果信息来计算用于控制控制目标仪器80的操作量(步骤S104)。仪器控制单元1014通过向控制目标仪器80输出包括由控制量计算单元1013计算的操作量的控制指令来控制控制目标仪器80的操作(步骤S105)。
根据如上配置的现场仪表10，使用由各种类型的传感器30获得的测量值来计算控制目标仪器80的操作量，并且将计算的操作量作为控制指令输出到控制目标仪器80。这使得现场仪表10能够控制控制目标仪器80的操作而不依赖于主机系统。这样，可以有效地使用具有各种类型的测量仪器的现场仪表。
此外，传统上，可以通过使用FieldBus FF(FOUNDATION注册商标FieldBus)功能来控制致动器。然而，这种技术需要FieldBus的特殊仪器。相反，本发明的一个或多个实施例中的现场仪表10经由现有信号线将控制指令输出到控制目标仪器80，该现有信号线以一对一的连接方式直接连接现场仪表10和控制目标仪器80。这使得控制目标仪器80能够通过现有的仪器来控制，而无需特殊的仪器。
<变化例>
尽管本实施例示出了在输入从定时器102输出的信号的情况下测量单元1011从转换器20获取测量结果信息的配置，但是测量单元1011可以被配置为在另一个时间获取测量结果信息。该另一时间是输入指令的时间，并且可以是例如输入来自外部设备的指令的时间。
下面参考附图描述本发明的一个或多个实施例的现场仪表10a。注意，在第二实施例中，与第一实施例类似的功能用与第一实施例类似的附图标记来标记，并且省略这些功能的描述。
图6是示出根据本发明的一个或多个实施例的测量系统1a的示意性配置的示意图。测量系统1a设置有现场仪表10a、多个控制目标仪器80(80-1和80-2)和外部仪器90。
外部仪器90是获取由不直接连接到现场仪表10a的外部测量仪器(例如，外部传感器)测量的测量值的仪器。外部仪器90基于所获取的测量值将测量结果信息输出到现场仪表10a。
现场仪表10a是执行与测量目标有关的测量的测量仪器。现场仪表10a与现场仪表10的不同之处在于，前者使用从外部仪器90输入的测量结果信息来控制控制目标仪器80。现场仪表10a在其他方面与现场仪表10类似地配置。
图3是示出根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表10a的功能配置的框图。注意，其配置与第一实施例的现场仪表10中的功能块相同的功能块用相同的附图标记来标记，并且省略其描述。
现场仪表10a具有信号获取单元15、转换器20(20a，20b，20c，20d和20e)、服务器板100a、流量传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e。此外，服务器板100a被配置为包括控制单元101a、定时器102、存储单元103和外部输入单元104。此外，控制单元101a被配置为包括测量单元1011、设置单元1012、控制量计算单元1013a和仪器控制单元1014a。
现场仪表10a的配置与现场仪表10的不同之处在于设置有控制量计算单元1013a和仪器控制单元1014a，而不是控制量计算单元1013和仪器控制单元1014，并且新设置有外部输入单元104。其它方面与现场仪表10类似地配置。因此，仅描述不同之处。
外部输入单元104获取基于从一个外部仪器90或多个外部仪器90输出的测量值的测量结果信息。外部输入单元104是用于连接到外部仪器90以进行通信的通信接口。
控制单元101a使存储单元103存储由外部输入单元104获取的测量结果信息。
控制量计算单元1013a使用存储在存储单元103中的测量结果信息来计算用于控制控制目标仪器80的操作量。更具体地，控制量计算单元1013a使用存储在存储单元103中的、从各种类型的传感器30获得的测量结果信息来计算用于控制控制目标仪器80的操作量。此外，控制量计算单元1013a使用存储在存储单元103中的、从外部仪器90获得的测量结果信息来计算用于控制控制目标仪器80的操作量。
仪器控制单元1014a通过向控制目标仪器80输出包括由控制量计算单元1013a计算的操作量的控制指令来控制控制目标仪器80的操作。具体地，仪器控制单元1014a向控制目标仪器80-1输出包括使用从各种类型的传感器30获得的测量结果信息计算的操作量的控制指令，并向控制目标仪器80-2输出控制包括使用从外部仪器90获得的测量结果信息计算的操作量的指令。由此，仪器控制单元1014a控制多个控制目标仪器80的操作。
如上所述，根据本发明的一个或多个实施例的现场仪表10a，可以通过不仅包括基于由设置在现场仪表10a本身中的传感器30(流量传感器30a、温度传感器30b、压力传感器30c、电导率传感器30d和pH传感器30e)测量的测量值的测量结果信息，也可以通过包括例如从各种类型的外部仪器90获取的测量结果信息，来计算控制目标仪器80的操作量。这使得现场仪表10a能够基于使用从各种类型的传感器30获得的测量结果信息获得的操作量来控制控制目标仪器80-1，并且基于使用从外部仪器90获得的测量结果信息所获得的操作量来控制控制目标仪器80-2。也就是说，现场仪表10a可以控制多个控制目标仪器80。因此，可以有效地使用具有各种类型的测量仪器的现场仪表。
此外，通过控制多个控制目标仪器80，现场仪表10a可以监视和控制每个控制目标仪器80的操作。这使得能够在不依赖于主机系统的情况下对多个控制目标仪器80进行闭环控制。
<变化例>
控制量计算单元1013a可以使用从各种类型的传感器30获得的测量结果信息和存储在存储单元103中的、从外部仪器90获得的测量结果信息来计算用于控制控制目标仪器80的操作量。
尽管仅关于有限数量的实施例描述了本公开，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计出各种其他实施例。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求限定。
参考符号列表
1,1a......测量系统；10,10a......现场仪表；15......信号获取单元15；20,20a,20b,20c,20d,20e......转换器；30......传感器；30a......流量传感器；30b......温度传感器；30c......压力传感器；30d......电导率传感器；30e......pH传感器；80......控制目标仪器；90......外部仪器；100,100a......服务器板；101,101a......控制单元；102......定时器；103......存储单元；104......外部输入单元；1011......测量单元；1012......设置单元；1013,1013a......控制量计算单元；1014,1014a......仪器控制单元。

Claims (5)

1.一种现场仪表，包括：
多个传感器；
转换器，所述转换器获取所述传感器的测量结果并将所述测量结果转换为测量信息，其中，所述测量信息为物理量；和
处理器，所述处理器向连接到所述现场仪表的控制目标仪器输出控制指令，所述控制指令基于所述测量信息控制所述控制目标仪器。
2.根据权利要求1所述的现场仪表，其中，所述处理器通过以下方式控制所述控制目标仪器：
使用所述测量信息计算所述控制目标仪器的操作量，以及
向所述控制目标仪器输出包括所计算的操作量的所述控制指令。
3.根据权利要求1所述的现场仪表，还包括：
将所述现场仪表直接连接到所述控制目标仪器的端口，其中，
所述现场仪表和所述控制目标仪器利用信号线以一对一的连接方式连接。
4.根据权利要求1所述的现场仪表，还包括：
连接到外部仪器的通信接口，所述外部仪器获取由未直接连接到所述现场仪表的外部测量仪器测量的测量值，其中，
所述处理器使用所述测量信息和所述测量值将所述控制指令输出到多个控制目标仪器中的每一个。
5.一种仪器控制方法，包括：
从现场仪表的多个传感器获取测量结果；
将所述测量结果转换为测量信息，其中，所述测量信息是物理量；以及
向连接到所述现场仪表的控制目标仪器输出控制指令，所述控制指令基于所述测量信息控制所述控制目标仪器。
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