CN114761760A - 用于优化现场设备的测量速率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于优化测量系统(1)中的第一现场设备(11)的测量速率的方法。为了使用该方法，除了第一现场设备(11)之外，测量系统(1)还必须包括至少一个第二现场设备(12)，其中至少所述第一现场设备(11)的测量变量(L)与所述第二现场设备(12)的测量变量(f)相关。该方法是基于以在学习阶段中测得的测量值为基础确定第一测量变量(L)和第二测量变量(f)之间的相应特定相关模式。根据本发明，这使得可以在正常测量操作期间针对相关模式至少检查来自第二现场设备(12)的测量值，并且可以在相应的时间窗(Δt)期间改变第一现场设备(11)的测量速率。这使得特别是在电池供电的现场设备(11、12、13)的情况下可以延长过程设施的使用寿命和/或可用性，从而可以避免过程设施的停机时间。

Description

用于优化现场设备的测量速率的方法
技术领域
本发明涉及一种用于优化测量系统中现场设备的测量速率的方法。
背景技术
在自动化技术中，特别是对于过程自动化，经常使用用于检测各种测量变量的现场设备。待确定的测量变量例如可以是过程工厂中介质的料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位、电导率或介电值。为了检测相应的测量值，现场设备各自包括合适的传感器或基于合适的测量原理。Endress+Hauser集团公司生产和销售各种此类现场设备。
在相应的过程设施中，各个现场设备通常被连接在一起以形成测量系统，以便能够将相应的过程变量与合适的致动器协调，所述合适的致动器诸如用于入口和出口的加热元件、搅拌器、阀门或泵等。因此，过程设施的各个现场设备的测量变量也可能相互关联。对于测量系统内的通信，现场设备可以直接地或者也可以经由控制单元(诸如过程控制站)集中地相互连接。主要在现场设备被布置在难以接近的过程设施位置的情况下，优选实施无线传输协议，诸如无线HART或WLAN等，用于测量系统内的通信。在这些情况下，这些现场设备的能量供应相应地经由电池进行。单个现场设备的潜在使用持续时间取决于电池容量和测量速率，即每个时钟周期的计时和测量时间，在此期间现场设备测量测量值。
然而，在这种情况下，测量速率不能设置得太低，以便可以充分监控过程。结合电池的有限容量，因此，在定期维护周期中，相应的现场设备必须停止运行以更换电池。结果，在这些维护周期期间，过程设施内的过程也必须停止，因为在没有相应监控的情况下，这些过程通常不能以受控方式运行。这对工厂操作员来说是不利的，因为过程设施的任何停机时间都会损害其效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法，借助于该方法可以提高电池供电的现场设备的可用性。
本发明借助于一种用于优化测量系统中第一现场设备的测量速率的方法来实现该目的。为了使用该方法，除了第一现场设备之外，测量系统在此有必要包括至少一个第二现场设备，其中所述至少两个现场设备各自以特定的测量速率测量相应测量变量的测量值，并且其中至少第一现场设备的测量变量与第二现场设备的测量变量相关。该方法包括以下方法步骤：
-在定义的学习阶段期间，在每种情况下都以预设的测量速率测量所述至少两个现场设备的测量变量，
-基于在学习阶段中测得的测量值确定第一测量变量和第二测量变量之间的相关模式。
这样做时，在测量操作期间针对相关模式至少检查第二现场设备的测量值，
其中，在测量操作期间，至少在时间窗期间改变第一现场设备的测量速率，其中在第二测量变量的测量值中识别出相关模式。
可以借助于自动化机器学习算法来确定最佳相关模式，诸如皮尔逊或偏相关。
因此，本发明基于检查各个测量变量彼此之间的相关性。如果该方法识别出测量变量之间的强相关性，则将其评估为测量系统的功能性的证据。否则，假定测量系统发生故障，则将测量值分类为不正确或至少不可信。
在测量操作期间，至少在时间窗期间，可以降低第一现场设备的测量速率，其中在第二测量变量的测量值中识别出相关模式。结果，可以降低各个设备的功耗。这主要在第一现场设备和/或第二现场设备包括用于能量供应的电池时是有利的，这是因为这样延长了电池寿命并且因此增强了过程设施中的可用性。
为了减少任何计算工作并且因此加快相关模式的创建，可以例如借助于无监督聚类法从学习阶段有利地滤除冗余测量值，以便确定相关模式。
适合于执行根据前述设计变形之一的方法的相应测量系统必须至少包括以下部件：
-第一现场设备，该第一现场设备被设计用于以可调节的测量速率测量第一测量变量，
-第二现场设备，该第二现场设备被设计用于测量第二测量变量，
-控制单元，该控制单元被设计用于
ο基于在学习阶段中测得的测量值确定第一测量变量和第二测量变量之间的相关模式，
ο在测量操作期间针对相关模式至少检查第二现场设备的测量值，
ο在测量操作期间，至少在时间窗期间至少改变第一现场设备的测量速率，其中在第二测量变量的测量值中识别出相关模式。
在这种情况下，第一现场设备和/或第二现场设备可以借助于例如无线接口连接到控制单元。
在本发明的上下文中，术语“单元”原则上是指被设计为适合于计划的预期目的的任何电子电路。因此，根据需要，它可以是用于生成或处理相应模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是与程序交互的数字电路，诸如FPGA或存储介质。在这种情况下，程序被设计用以执行相应的方法步骤或用以应用相应单元的必要计算操作。在此上下文中，本发明意义上的料位测量设备的各种电子单元也可以潜在地访问共同的物理存储器或借助于相同的物理数字电路来操作。
附图说明
参考以下附图更详细地解释本发明。示出如下：
图1：具有在过程设施中的三个现场设备的测量系统，以及
图2：现场设备的测量变量之间的相关性。
具体实施方式
为了大体了解根据本发明的方法，图1示出了示例性测量系统1，该测量系统1用于监控过程设施2，诸如化学反应器。为此，示例性测量系统1包括在反应器2的入口处的流量计12、反应器2本身上的料位测量设备11和在反应器2出口处作为现场设备的温度测量设备13。现场设备11、12、13在每种情况下都以单独可调节的测量速率(例如，在每分钟1次测量和每秒1000次测量之间)测量相应的测量值L、f、T。
例如，可以经由反应器2的入口供应反应物，其中供应反应物的流量f借助于流量计12来检测。
料位测量设备11测量反应器2中的料位L并且因此例如通过反应或通过供应反应物来监测是否超过或低于临界料位值L。因此，示例性过程设施2中的料位测量设备11的测量值与流量计12的测量值相关，这是因为反应器2中的料位L在时间间隔Δt期间随时间线性增加，其中在入口处恒定的流量f占优势。因此，料位L相对于流量f的示例性相关性可以以函数进行描述，这是因为料位是由流量的反导数形成的：
Figure BDA0003677147670000051
在图2的图表中示意性地示出了测得的料位值与流量计12的值的这种相关性。
例如，在图1所示的示例性实施例中，反应器2的出口处的温度测量设备13又可以用于测量在反应器2的排空期间反应产物的温度T，以便相应地调整后续过程步骤。如果过程设施2中的任何化学反应吸热地进行并且因此导致反应器2中的冷却，则温度测量设备13根据环境温度记录在相应的时间间隔Δt2期间温度T的至少短暂下降，在时间间隔Δt2期间，反应器2被清空。因此，在料位L(随时间)(线性)下降的情况下，温度测量设备13的测量值也与料位测量设备11的测量值相关。该示例性上下文也示意性地在图2的图表中加以显示。
在图1所示的设计变形中，测量系统1包括控制单元14，现场设备11、12、13连接到该控制单元14。控制单元14例如可以是过程设施的过程控制系统。例如，“PROFIBUS”、“HART”、“无线HART”或“以太网”可以经由现场设备11、12、13连接到控制单元14而实现为接口。尤其是在接口的无线设计的情况下，现场设备11、12、13可以借助于电池相应地操作，从而为此目的不需要额外的电缆。
由现场设备11、12、13测得的测量值f、L、T可以经由接口传输。通过相应的设计，这使得控制单元4可以确定在定义的学习阶段期间测得的料位值与流量计12的测量值f或测得的温度值与测得的料位值之间的前述相关模式。例如，为了找到合适的相关类型，诸如皮尔逊或偏相关，控制单元14可以应用自动化机器学习算法。
在检测到相关模式之后，根据本发明的测量系统1或控制单元14可以转变为正常测量操作。
这意味着，在测量操作期间，控制单元14针对先前确定的相关模式至少检查流量计12的测量值f。具体来说，检查当前是否存在(恒定)流量f。如果这被识别，则由此导出，由于先前识别的相关模式，料位L也必须相应地改变。
因为由于这种类型的相关性的料位变化是可预见的，因此料位测量设备11的测量速率可以在测量操作期间至少在时间窗Δt期间(在其中在测得的流量值f中识别出相关模式)被减小，而不会预计相对于料位L的不可预测的突然料位变化。在料位测量设备11由电池供电的情况下，其使用寿命以及因此其可用性可以由此被优化。
类似于流量计12的测量流量值f，控制单元14还可以在测量操作期间针对温度测量设备13的先前相对于测得的料位值L定义的相关模式检查料位测量设备11的测量值L。一旦检测到料位下降，这又被识别为相关模式的存在，并且预料到温度测量设备13处的温度T的相应(短暂)下降。因此，温度测量设备13的测量速率也可以在测量操作期间至少在时间窗Δt2期间(在其中在料位值L中识别出相关模式)被减小，而不会预计意料之外的温度变化。以此方式，在电池运行的情况下，温度测量设备13的使用寿命或可用性因此也可以增加。
在所示的图示中，控制单元14被示出为单独的上级单元。然而，在本发明的范围内，也可以设想不将控制单元4设计为外部设备，而是设计为现场设备11、12、13之一的部件。
附图标记列表
1 测量系统
2 过程设施
11 料位测量设备
12 流量计
13 温度测量设备
14 控制单元
f 流量
L 料位
T 温度
Δt 时间窗

Claims (7)

1.一种用于优化测量系统(1)中的第一现场设备(11)的测量速率的方法，其中，除了所述第一现场设备(11)之外，所述测量系统(1)还包括至少一个第二现场设备(12)，其中所述至少两个现场设备(11-13)在每种情况下都以特定测量速率测量对应测量变量(f、L、T)的测量值，并且其中至少所述第一现场设备(11)的测量变量(L)与所述第二现场设备(12)的测量变量(f)相关，所述方法包括以下方法步骤：
-在定义的学习阶段期间，在每种情况下都以预设的测量速率测量所述至少两个现场设备(11、12)的测量变量(f、L)，
-基于在所述学习阶段中测得的测量值确定所述第一测量变量(L)和所述第二测量变量(f)之间的相关模式，
其中在测量操作期间针对所述相关模式至少检查所述第二现场设备(12)的测量值，并且其中所述第一现场设备(11)的测量速率在测量操作期间至少在时间窗(Δt)期间改变，其中在所述第二测量变量(f)的测量值中识别出所述相关模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相关模式是借助于自动化机器学习算法来确定的。
3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中至少在所述时间窗(Δt)期间降低所述第一现场设备(11)在所述测量操作期间的测量速率，在所述时间窗(Δt)期间在所述第二测量变量(f)的测量值中识别出所述相关模式。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其中，特别是借助于无监督聚类方法从所述学习阶段滤除冗余测量值以便确定所述相关模式。
5.一种用于执行根据前述权利要求中的一项所述的方法的测量系统，所述测量系统包括：
-第一现场设备(11)，所述第一现场设备(11)被设计用于以可调节的测量速率测量所述第一测量变量(L)，
-第二现场设备(12)，所述第二现场设备(12)被设计用于测量所述第二测量变量(f)，
-控制单元(4)，所述控制单元(4)被设计用于
○基于在所述学习阶段中测得的测量值确定所述第一测量变量(L)和所述第二测量变量(f)之间的相关模式，
○在所述测量操作期间针对所述相关模式至少检查所述第二现场设备(12)的测量值，
○在所述测量操作期间，至少在时间窗(Δt、Δt2)期间，至少改变所述第一现场设备(11)的测量速率，在所述时间窗(Δt、Δt2)期间在所述第二测量变量(f)的测量值中识别出所述相关模式。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其中，所述第一现场设备(11)和/或所述第二现场设备(12)包括用于能量供应的电池。
7.根据权利要求5或6所述的测量系统，其中，所述第一现场设备(11)和/或所述第二现场设备(12)借助于无线接口被连接到所述控制单元(14)。
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