CN111580088B - 具有通信接口的雷达传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工厂自动化和/或物流自动化的雷达测量装置、其操作方法和用途。所述雷达测量装置包括：供给单元，其用于向下游单元供给能量；通信单元，其用于接收来自上级单元的数据并且用于将所述雷达测量装置的数据传输到所述上级单元；评估和控制单元，其用于控制下游的高频单元并且用于评估由所述高频单元确定的测量数据，其中所述通信单元设计成单滴接口。其能够显示出高雷达分辨率和非常好的波束聚焦，并且可以以适中的价格提供。

Description

具有通信接口的雷达传感器

技术领域

本发明涉及一种雷达测量装置、其操作方法和用途，特别地，涉及具有通信接口的雷达传感器。

背景技术

根据现有技术，雷达传感器是众所周知的，并且例如频繁地用在过程自动化领域中。近年来，由于雷达测量技术的众多优势，所以基于雷达的液位计已经在过程自动化领域中得到广泛使用。

术语“自动化技术”是指以下的技术方面，其包括无需人工干预就可操作机器和系统的所有措施，因此过程自动化方面可以理解为最低程度的自动化。过程自动化的目标是使化学、石油、纸业、水泥、海上航行或采矿等领域中的生产设施的各个部件之间的交互自动化。为此，已知多种传感器，这些传感器特别适合于过程业的特殊要求，如机械稳定性、对污染物的不敏感性、极端温度和极端压力。这些传感器的测量值通常被传输到控制室，在控制室中，对诸如料位、流量、压力或密度等过程参数进行监控，并且可以手动或自动地更改整个生产系统的设置。

图1示出了这种装置101的示例。

图1示出了两个过程测量装置102,103作为示例，其使用雷达波束来检测两个容器104,105的料位。使用专用的通信连接件106,107将测量值传输到控制室108。为了经由通信连接件106,107传输测量值，使用有线和无线通信标准，这些标准已针对过程测量技术的特殊要求进行了优化。对于此类通信连接件的典型要求是，例如，信号传输形式要能经受住故障、长距离传输、低数据速率，并且由于需要防爆保护而通常能量密度较低。

为此，过程测量装置102,103包括至少一个通信单元，用于支持满足过程业要求的通信标准。此类通信标准的示例有诸如4～20mA接口等纯模拟标准，也有诸如HART、Wireless HART或PROFIBUS等数字标准。

在控制室108中，输入的数据由过程控制系统110进行处理，并可视地显示在监控系统109上。过程控制系统110和使用者111都可以基于该数据对设置进行更改，从而可以优化整个系统101的操作。在简单的情况下，例如，如果容器104,105有空转的风险，则向外部供给商收集交货单。由于与整个装置101相比，在过程业领域中的过程传感器102,103的成本不是很重要，所以这里可以接受更高的成本以最佳地实现需求，如耐热性或机械强度。因此，过程传感器102,103具有诸如由不锈钢制成的雷达天线112等价格昂贵的部件。这种过程传感器102,103的平常价格通常在几千欧元的范围内。在过程业中使用并且在现有技术中已知的基于雷达的过程传感器102,103使用在6GHz、24GHz或80GHz范围内的雷达信号，由此根据FMCW程序对在上述指定频率范围内的雷达信号进行频率调制。

自动化技术的另一个领域涉及物流(logistics)自动化。在物流自动化领域中，借助于距离和角度传感器，在建筑物内或单个物流系统内使工作流程自动化。典型的应用是用于机场的行李和货物处理领域、交通监控领域(收费系统)、零售、包裹分发或建筑物安全(访问控制)领域的物流自动化的系统。上面列出的示例的共同点是，需要基于相应的应用结合物体的尺寸和位置的精确测量来检测存在。现有技术的雷达系统还不能满足这些要求，这就是为什么目前在使用激光、LED、2D相机或3D相机的光学测量方法(其根据飞行时间(ToF)原理来测量距离)的基础上应用不同的传感器的原因。

图2示出了物流自动化系统的示例。

应该通过包裹分拣系统201内的分拣起重机204来对包裹202,203进行分拣。在这种情况下，包裹在输送带205上行进而进入分拣系统中。借助于一个或多个激光传感器206和/或相机传感器206，在不需要触摸的情况下计算出包裹203的位置和尺寸，并通过高速数据线207传输到控制器208，例如，PLC，这通常是系统201的一部分。由于经由数据线207传输测量值是限时的，而要行进的距离仅在几米的范围内，所以诸如Profinet、Ethercat或IO链路等高速数字协议经常用作通信信道207的传输标准，与过程自动化的已知协议相比，该高速数字协议以实时模式操作，即，使得数据在预定时间内的传输得到保证。可以通过有线和无线通信标准实现的实时数据传输能力是经由控制线209控制分拣起重机204的基础。与已知的雷达测量装置相比，光学传感器206允许精确地确定物体包裹203的尺寸和位置，原因是，在光学器件的区域内构造具有极小的波束张角的小型传感器在技术上毫无问题。另外，与过程测量装置相比，这种系统也可以非常合理地生产。

自动化技术的第三个领域涉及工厂自动化。可以在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业等大多数不同的领域中或者一般在包装领域中找到应用。工厂自动化的目标是使通过机器、生产线和/或机器人的货物生产自动化，即，允许在没有人工干预的情况下进行操作。此处使用的传感器以及当记录物体的位置和尺寸时对测量精度的特殊要求与上述物流自动化的示例中的那些相当。通常，基于光学测量方法的传感器也广泛地用在工厂自动化领域中。

迄今为止，光学传感器在物流自动化领域以及工厂自动化和安全技术领域中均占据主导地位。它们是快速且不太昂贵的，并且在相关测量中由于相对容易地聚焦光辐射的能力而可以可靠地确定物体的位置和/或距物体的距离。然而，光学传感器的显著缺点是它们的维护需求增加，如在先前列出的领域中，在几千个工作小时之后，当可以观察到传感器的污染时，这严重损害了测量。另外，尤其是当在生产线中使用时，测量可能会因油蒸汽或形成雾的其他气溶胶而受损，于是导致光学传感器的额外污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种雷达测量装置，其克服了光学系统的缺点，以小型化设计结合实时通信接口显示出高雷达分辨率和非常好的波束聚焦，并且可以以适中的价格提供。

该目的通过下述的雷达测量装置、其操作方法和用途来实现。优选实施方案示出了有益的进一步发展。

根据本发明的用于工厂自动化和/或物流自动化的雷达测量装置包括：供给单元，其用于向下游单元供给能量；通信单元，其用于接收来自上级单元的数据并且用于将数据从所述雷达测量装置传输到所述上级单元；评估和控制单元，其用于控制下游的高频单元并且用于评估由所述高频单元确定的测量数据，其中所述通信单元设计成单滴接口(single-drop interface)。

在优选的实施方案中，所述单滴接口可以构造成IO链路接口。

术语“IO链路”是指一种通信系统，用于按照标准IEC 61131-9(自09/2013起)将智能传感器和致动器连接到自动化系统，该标准以用于小型传感器和致动器的单滴数字通信接口(SDCI)而为人所知。标准包括电连接数据和数字通信协议，传感器和致动器经由该协议与自动化系统交换数据。以IO链路命名的通信系统是串行双向点对点连接，用于信号传输和供电。

IO链路系统由IO链路主站和一个或多个IO链路装置(即，传感器或致动器)组成。IO链路主站将接口设置到叠加控制单元(PLC)，并控制与连接的IO链路装置的通信。

根据本申请，雷达测量装置与IO链路主站的连接优选包括三引线标准线缆。

优选地，根据本申请的高频单元具有大于50GHz的测量频率，优选为80GHz以上。由于频率在该范围内，所以可以实现很好的波束聚焦，从而可以进行精确的测量。对于工厂和物流自动化，优选100GHz以上的频率。在具体实施方案中，可以使用120GHz或240GHz的频率。高于100GHz的频率还允许整个雷达测量装置的非常小巧和紧凑的设计。

为了避免由其他装置的电气或电磁效应引起的本雷达测量装置的不希望的故障或由本雷达测量装置引起的其他装置的故障，本申请的雷达测量装置优选包括输入电路，从而确保电磁兼容性。

为了实现甚至更紧凑的设计和尽可能低的制造成本，所述供给单元优选集成到所述通信单元中。通过将标准IO链路部件与集成供给单元一起使用，确保了可以使用有利的部件。通过使用经过大幅度优化和大批量生产的这些标准部件，除了有利的价格之外，还可以确保紧凑的设计。

特别地，由于高频单元具有增加的能量需求，而该能量需求在连续操作中不能被集成在标准部件中的供给单元所覆盖，所以雷达测量装置可以包括中间蓄能器。使用这种中间蓄能器，例如，合适尺寸的电容器或电池，可以暂时存储能量以进行后续测量，并在测量时使能量可用，例如，在测量的评估过程中。

集成到标准部件中的供给系统允许大约100mW的最大输出，这对于高频单元的操作(例如，距离测量)而言是不够的。这种高频单元具有大约500mW的功耗，从而需要其他措施来确保操作。

另外和/或可选择地，所述雷达测量装置的评估和控制单元可以包括能量管理装置。通过适当的能量管理，通常可以例如在具有减少的能量需求的节能模式下操作高频单元，并且仅当需要测量值时，例如，才通过例如IO链路主站从节能模式转换为测量模式。例如，如果集成电源能够在短期内供给增加的能量消耗以进行测量，但在连续操作中却不能，则这是可行的。

结合中间蓄能器，可以实现：可以更快地获得在测量模式下进行测量所需的能量。

在本申请中，节能模式应被理解为与正常操作相比具有减少的能量需求的高频单元的操作状态。特别地，节能模式包括待机模式以及完全停用。还应包括能耗降低的其他状态，由此在正常操作中必须始终减少能耗。特别地，这意味着未进行测量的正常操作状态不应被理解为节能模式。

可选择地，代替仅根据请求进行测量，也可以周期性地(例如，定期)将高频单元从节能模式切换到测量模式，以进行测量。当然，如上所述，可以将周期性操作与根据请求的操作相结合。

根据本发明的雷达测量装置的操作方法，所述雷达测量装置包括：供给单元，其用于向下游单元供给能量；通信单元，其用于接收来自上级单元的数据并且用于将所述雷达测量装置的数据传输到所述上级单元；评估和控制单元，其用于控制下游的高频单元并且用于评估由所述高频单元确定的测量数据，其中所述通信单元构造成单滴接口，其中，所述高频单元以节能模式操作，在上级单元的请求下和/或周期性地被激活以进行测量，并且在完成测量之后返回到节能模式。

如果雷达测量装置具有中间蓄能器，则至少在测量模式下，可以至少部分地从中间蓄能器向高频单元供给能量。以这种方式，可以使用中间蓄能器来满足高频单元的额外能量需求，以进行测量。当高频单元以节能模式进行操作时，可以对中间蓄能器进行充电。

如果评估和控制单元包括能量管理装置，则通过能量管理装置来执行能量管理，该能量管理是指，例如，启用和禁用高频单元，或者将高频单元从节能模式转换为测量模式，反之亦然。除了高频单元之外，雷达测量装置的其他部件也可以通过能量管理进行记录。

根据本发明，本申请的雷达测量装置用在IO链路网络中。例如，其可以用在工厂自动化或物流自动化领域中。

附图说明

在下文中，基于示例性实施方案并参照附图来更详细地解释本发明。

在附图中：

图1是过程自动化系统的示例(已经讨论过)，

图2是物流自动化系统的示例(已经讨论过)，

图3是根据本申请的雷达测量装置的第一示例性实施方案，

图4是根据本申请的雷达测量装置的第二示例性实施方案，

图5是具有中间蓄能器的根据图4的雷达测量装置的变型，和

图6是根据图5的雷达测量装置的操作方法的流程图。

具体实施方式

图3示出了根据本申请的雷达测量装置301的第一示例性实施方案。示出了雷达测量装置301的基本结构以及操作原理，在本示例性实施方案中该雷达测量装置被设计成适用于工厂和/或物流自动化的三引线雷达测量装置。

雷达测量装置301的基本部件是输入侧的EMC电路302、设计为数字IO链路接口的通信单元304、评估和控制单元305以及高频单元306。经由供给单元303向评估和控制单元305以及高频单元306供给能量，该供给单元连接到EMC输入电路302下游。在本示例性实施方案中，出于成本优化的目的，通信单元304被设计成市售的IO链路通信单元。在本示例性实施方案中，提供了具有3引线接口的实施方案，由此连接件L+和L-构造成用于以24V的额定电压进行电压供给，并且C/Q连接件构造成数据输入/输出端子。

这里，对于工厂和物流自动化中的应用，M12插入式连接件307对于连接线和非常紧凑的传感器壳体308是典型的。其有利地由不锈钢制成。高频单元306包括至少一个集成的雷达芯片，其可以产生和发射频率在80GHz以上范围的高频雷达信号309。雷达信号309穿透在预定位置处的微波窗口310上的雷达传感器301的壳体，其中传感器301的壳体至少在所产生的雷达信号的穿透区域中是可穿透的。特别地，对于工厂和物流自动化中的雷达系统，高于100GHz的频率是令人关注的。辐射的电磁波在图3所示的物体311上反射，由高频单元306接收和评估。例如，距离和/或速度信息可以确定为过程信息，其由评估和控制单元305供给到IO链路通信单元304。

使用IO链路通信单元304，可以将过程信息转发到IO链路主站或上级自动化系统。评估和控制单元305以及高频单元306都由外部供给单元303馈送和供给能量。这里，由于通信单元304的内部供给单元不能提供足够的功率来操作评估和控制单元305以及高频单元306，所以需要单独设计的供给单元303。

图4示出了雷达测量装置401的第二示例性实施方案。

该传感器的核心部件是带有集成电源403的IO链路通信单元402。这种集成产生了如下显著的优势：可以直接从通信单元402向评估和控制单元404以及高频单元405供电。因此，可以省略单独的供给单元303，从而提供具有IO链路性能的紧凑且不太昂贵的雷达测量装置401。然而，具有集成电源403的市售的通信单元402不能提供足够的能量来供给所有的电路部件，即，特别是评估和控制单元404以及高频单元405。特别地，高频单元405需要很多能量。

为了仍然实现使用集成供给单元403的益处，在根据图4的示例性实施方案中实施了智能功率管理。为了妥善利用由内部供给单元403提供的能量，高频单元405以节能模式操作。仅当IO链路主站请求和要求当前测量值时，才在测量期间使高频单元405激活，并且在测量之后使高频单元立即返回到节能模式。仅通过适当的功率管理，就可以使用通信单元402的内部供给单元403，从而减小了空间并降低了成本。

如果内部供给单元403提供的能量不足以用于在正常操作中高频单元405的测量，则可以额外设置能量中间存储单元，以便当高频单元405处于节能模式时存储能量，并在测量时供给此能量。

图5示出了根据图4的雷达测量装置，其中该雷达测量装置还包括中间蓄能器406，其与IO链路通信单元402的集成供给单元403连接，并且还与评估和控制单元404以及高频单元405连接。评估和控制单元404也与高频单元405连接。在本示例性实施方案中，中间蓄能器被设计为具有当高频单元405以节能模式操作时暂时存储附加能量的容量，并且将该能量供给到高频单元405以进行测量。

图6示出了根据图5的雷达测量装置401的操作方法的流程图。高频单元405最初以节能模式操作，这意味着根据本示例性实施方案，高频单元被评估和控制单元404禁用。虽然高频单元405被禁用并因此不消耗任何能量，但是中间蓄能器406由IO链路通信单元402的集成供给单元403进行充电。

当IO链路主站请求测量信号时，高频单元405被激活，即，从节能模式切换到工作模式。进行测量；除了来自供给单元403的能量之外，为此还向高频单元405供给来自中间蓄能器406的能量。以这种方式，仍然可以提供不能仅由供给单元403覆盖的高频单元405的增加的能量需求。

在完成测量之后，高频单元405返回到节能模式，并且对中间蓄能器406进行充电，直到需要另一个测量值。

附图标记列表

101 装置

102 过程测量装置

103 过程测量装置

104 容器

105 容器

106 专用的通信连接件

107 专用的通信连接件

108 控制室

109 监控系统

110 过程控制系统

111 使用者

112 由不锈钢制成的雷达天线

201 包裹分拣系统

202 包裹

203 包裹

204 分拣起重机

205 输送带

206 激光传感器和/或相机传感器

207 数据线

208 控制器

209 控制线

301 雷达测量装置

302 输入电路EMC电路

303 供给单元

304 通信单元

305 评估和控制单元

306 高频单元

307 M12插入式连接件

308 传感器壳体

309 雷达信号

310 微波窗口

311 物体

401 雷达测量装置

402 IO链路通信单元

403 集成电源

404 评估和控制单元

405 高频单元

406 中间蓄能器

Claims (12)

1.一种用于工厂自动化和/或物流自动化的雷达测量装置(301,401)，包括：

供给单元，其用于向下游单元供给能量，

通信单元，其用于接收来自上级单元的数据并且用于将所述雷达测量装置(301,401)的数据传输到所述上级单元，

评估和控制单元(305,404)，其用于控制下游的高频单元(306,405)并且用于评估由所述高频单元(306,405)确定的测量数据，

其中所述通信单元构造成单滴接口，

其特征在于

所述供给单元集成到所述通信单元中，并且所述雷达测量装置(301,401)包括中间蓄能器(406)，所述中间蓄能器(406)连接到所述通信单元所集成的所述供给单元并且还连接到所述评估和控制单元以及所述高频单元，其中，在所述高频单元(306,405)被禁用且因此不消耗任何能量的同时，所述中间蓄能器(406)由所述通信单元所集成的所述供给单元进行充电。

2.根据权利要求1所述的雷达测量装置(301,401)，

其特征在于

所述单滴接口构造成IO链路接口。

3.根据权利要求1或2所述的雷达测量装置(301,401)，

其特征在于

所述高频单元(306,405)的测量频率大于50GHz。

4.根据权利要求3所述的雷达测量装置(301,401)，

其特征在于

所述高频单元(306,405)的测量频率大于80GHz。

5.根据权利要求4所述的雷达测量装置(301,401)，

其特征在于

所述高频单元(306,405)的测量频率为100GHz以上。

6.根据权利要求1或2所述的雷达测量装置(301,401)，

其特征在于

所述雷达测量装置(301,401)包括用于确保电磁兼容性的输入电路(302)。

7.根据权利要求1或2所述的雷达测量装置(301,401)，

其特征在于

所述评估和控制单元(305,404)包括能量管理装置。

8.一种雷达测量装置(301,401)的操作方法，所述雷达测量装置包括：供给单元，其用于向下游单元供给能量；通信单元，其用于接收来自上级单元的数据并且用于将所述雷达测量装置(301,401)的数据传输到所述上级单元；评估和控制单元(305,404)，其用于控制下游的高频单元并且用于评估由所述高频单元(306,405)确定的测量数据，其中所述通信单元构造成单滴接口，其中所述供给单元集成到所述通信单元中，并且所述雷达测量装置(301,401)包括中间蓄能器(406)，

其特征在于

所述高频单元(306,405)以节能模式操作，在上级单元的请求下和/或周期性地被激活以进行测量，并且在完成测量之后返回到节能模式，

其中，所述中间蓄能器(406)连接到所述通信单元所集成的所述供给单元并且还连接到所述评估和控制单元以及所述高频单元，

其中，在所述高频单元被禁用且因此不消耗任何能量的同时，所述中间蓄能器(406)由所述通信单元所集成的所述供给单元进行充电。

9.根据权利要求8所述的方法，

其特征在于

所述雷达测量装置包括中间蓄能器(406)，并且经由所述中间蓄能器(406)向所述高频单元(405)至少部分地供给能量。

10.根据权利要求8或9所述的方法，

其特征在于

所述评估和控制单元(404)包括能量管理装置，通过所述能量管理装置来激活和禁用所述高频单元(405)。

11.根据权利要求1～7中任一项所述的雷达测量装置(301,401)在IO链路网络中的用途。

12.根据权利要求11所述的用途，其用在工厂自动化或物流自动化中。