CN204350309U - 无线工业过程监控器和无线监控系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种用于监控工业过程的无线工业过程监控器以及一种包括无线工业过程监控器的无线监控系统。该工业过程监控器包括被配置为控制工业过程监控器的操作的控制器。周围环境传感器被配置为感测设备附近的工业过程的周围环境，并响应地提供传感器输出信号。输出电路被配置为基于传感器输出信号提供输出。在传感器输出信号中检测到异常和/或可能异常时，控制器使周围环境传感器进入高功率模式。

Description

无线工业过程监控器和无线监控系统
技术领域
本发明涉及用于监控工业过程的无线工业过程监控器和包括无线工业过程监控器的无线监控系统。
背景技术
在工业设置中，系统用于监控和控制库存以及工业和化学过程的操作等。通常，执行这些功能的系统使用分布在工业过程重要位置的现场设备，现场设备通过过程控制环耦接至控制室内的控制电路。术语“现场设备”是指在分布式控制或过程监控系统中执行功能的任意设备，包括在工业过程测量、控制和监控中使用的所有设备。
通常，每个现场设备还包括用来在过程控制环上与过程控制器、其他现场设备或其他电路通信的通信电路。在一些设施中，过程控制环还用来传输调节电流和/或电压，以向现场设备供电。过程控制环还携带模拟或数字形式的数据。
在一些设施中，已开始使用无线技术与现场设备通信。无线操作简化了现场设备的连线和设置。目前，无线设施用在包括内部电源的现场设备中。然而，由于电源的限制，此类设备的功能通常会受到限制。
通常，现场设备用来感测或控制工业过程中的过程变量。然而，在一些设施中，可能需要监控现场设备的本地环境。
发明内容
一种用于监控工业过程的工业过程监控器，包括被配置为控制工业过程监控器的操作的控制器。周围环境传感器被配置为感测设备附近的工业过程的周围环境，并响应地提供传感器输出信号。输出电路被配置为基于传感器输出信号提供输出。在传感器输出信号中检测出异常和/或可能异常时，控制器使周围环境传感器进入高功率模式。
无线工业过程监控器包括时钟，所述时钟被配置为在高功率模式期间提供较高时钟速率。
无线工业过程监控器包括：内部电源，配置为对所述无线工业过程监控器供电。
所述周围环境传感器包括：图像捕获设备，被配置为从周围环境捕获图像。
所述图像捕获设备被配置为捕获热图像。
所述控制器被配置为基于所捕获图像内的像素的比较，检测异常。
无线工业过程监控器包括存储器，其中像素的比较基于存储在所述存储器中的参考图像。
所述存储器被配置为存储多个参考图像。
所述控制器被配置为基于传感器输出信号的简档的一部分中的尖峰，检测异常。
所述控制器被配置为基于传感器输出信号的变化，检测异常。
所述周围环境传感器包括：第一周围环境传感器，被配置为在低功率引导操作模式期间感测周围环境；以及第二周围环境传感器，被配置为在高功率模式期间感测环境。
所述周围环境传感器包括声学传感器。
所述声学传感器包括超声传感器。
所述控制器被配置为基于传感器输出信号的时域简档，检测异常。
所述控制器被配置为基于传感器输出信号的频域简档，检测异常。
所述周围环境传感器在高功率模式中时进入高分辨率模式。
所述周围环境传感器是指向性的，并被配置为在高功率模式中目标为异常。
所述周围环境传感器包括图像传感器，并且在高功率模式中放大所感测图像。
所述周围环境传感器被配置为在高功率模式中以高数据率操作。
一种无线监控系统，包括上述无线工业过程监控器，以及具有第二周围环境传感器的远程设备
提供本概述和摘要以简单的方式介绍了构思的选择，以下在详细描述中进一步描述构思的选择。概述和摘要并不意在标识要求保护的主题的重要特征或本质特征，也不意在用来帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
图1是示出了本发明使用的过程控制或监控系统的简化方框图。
图2是示出了本发明一个实施例的现场设备中的组件的方框图。
图3是示出了图2中现场设备的组件的更详细的方框图。
图4示出了在低功耗、低分辨率“引导(pilot)模式”操作期间捕获的工业过程图像。
图5是在低功耗、低分辨率引导操作模式中采集的工业过程图像，在图像中示出了异常。
图6是在高功率、高分辨率操作模式中捕获的工业过程图像。
图7是示出在低功率、低频谱分辨率引导操作模式期间捕获的声学信号的频域的图。
图8是示出在高功率、高频谱分辨率引导操作模式期间捕获的声学数据的频域的图。
图9是示出边界栅栏(fence)的幅度-频率图。
具体实施方式
使用监控技术的许多高价监控应用(例如视频、红外、超声波和音频的要求能够以高采样率和/或高分辨率获取信息的系统。例如，低分辨率红外监控系统能够监控总热简档(profile)。然而，为具体识别热异常的位置，要求高分辨率。需要捕获并分析高分辨率红外图像，以充分地表征异常，并将其与背景噪声或环境中的期望热变化相区分。然而，获取并处理该高分辨率图像要求相当大的功率。这会快速耗尽自身供电的现场设备(如无线现场设备)的电池。监控周围环境的其他技术(例如，音频或超声监控)也存在类似的问题。为正确地表征声学事件，需要高采样率来分析谱内容，以便将信号简档与已知声学标记比较，例如系统泄漏时出现的声学标记。
本发明提供用于解决以上问题的技术。提供一种用于监控周围环境的系统，使用能够以低分辨率和/或低采样率获取数据的低功率模式，以及仅当低功率(引导)模式检测到潜在感兴趣信号时才激活高功率模式。本发明提供一种用于监控工业过程周围环境的技术，并涉及在本地或内部供电的无线现场设备中实现的监控系统。无线工业过程监控器在现场设备中实现，并被配置为监控工业过程中的周围环境。可以通过任意合适的周围环境传感器(包括视频、红外、声学等)来进行监控。这样的传感器要求高采样频率和/或高分辨率，以表征并定位本地(周围)环境中的感兴趣事件，并将与这些事件有关的感测信号与背景噪声相区分。然而，由于高分辨率和/或高采样率要求功率量的增加，因此，在使用针对正常操作实现的低能耗“引导模式”的配置。在该“引导模式”中获得低分辨率初始测量。如果基于该低分辨率初始测量来检测到异常，则系统进入高分辨率、高功率模式。在高功率模式中，以高数据率和/或分辨率采集数据。然后，设备可以重新进入持续低功率操作的“引导模式”。
图1是示出了包括通过无线网关13与现场设备14、15通信的控制室12的示例过程控制或监控系统的简化图。网关13和控制室12之间的通信可以在有线或无线通信链路上。现场设备14示为耦接至过程管道18，现场设备16示为耦接至存储箱20。然而，设备14、16可以位于任意期望的位置。设备14、16分别包括用于发射和/或从与无线网关13关联的天线26接收信息的天线22、24。设备14、16使用无线射频(RF)通信链路28、29、30相互通信并与远程位置(例如网关13)通信。一个示例通信协议是根据IEC 62591的协议。现场设备14、16包括向设备提供本地(内部)电力的组件，而不要求额外的连线。例如，设备14、16可包括用于本地供电的太阳能电池。
由于现场设备14、16使用有限的电力进行操作，因此它们的处理能力和发送发射的数据量也是有限的。在一个方面中，本发明包括具有使用周围环境传感器监控周围环境能力的无线现场设备，如设备14、16。具有在远程位置操作能力的无线现场设备不要求外部电源，可以从例如，明尼苏达州的罗斯蒙特公司获得。这样的设备被配置为测量过程变量或获得其他过程信息，并使用无线通信技术(例如协议)发射信息。
图2是更详细地示出了图1所示现场设备14的简化方框图。根据该实施例，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单元，例如阀。无线通信电路32耦接至天线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能够使用从太阳能电池40接收的内部电力和/或从电池38接收的电力进行操作。可以使用不要求连线至远程电源的任意类型内部电源对电源电路36供电。电源电路36自身可以包含在现场设备14中，或者，在一些实施例中，位于现场设备外部并位于现场设备附近。例如，可以使用太阳能单元，通过二线式连接向发射器或其他现场设备供电，其中二线式连接也用于承载信息。在这样的配置中，电源电路还可以向远程位置提供无线通信。如果从太阳能电池40接收足够的电力，则还可以使用电源电路36对电池38充电。周围环境传感器74用于监控设备14的环境，下文将详细说明。
图3是示出了根据本发明一个实施例的过程现场设备14的更详细的方框图，并示出了被配置为可以用于测量过程变量(如压力、温度等)的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的外壳内或外壳的外部，如图3所示。测量电路52耦接至过程变量传感器31，并用于在向控制器34提供测量信号之前执行初始信号处理。图3中示出了可选用户输入54。类似地，示出了可选本地输出设备，例如LCD显示器56。
控制器34通常是基于微处理器的控制器，并耦接至存储器60和时钟62。时钟62确定现场设备14内数字电路的操作速度，存储器60用于存储信息。存储器60可以包括永久存储器和易失性存储器，并且可以用于存储处理期间使用的数据、编程指令、校准信息或其他信息、以及现场设备14使用的数据或指令。如这里所描述的，存储器60还存储来自传感器74的信息。
图3还示出根据一个示例实施例的周围环境传感器74。周围环境传感器74如下文更详细讨论地进行操作并被配置为感测现场设备14周围环境75的一些方面。例如，周围环境传感器74可以包括图像捕获设备。在这样的配置中，传感器74被配置为从周围环境75捕获图像。类似地，周围环境传感器可以包括被配置为从周围环境75捕获声学或超声信号的声学或超声传感器。在另一个示例中，传感器74是热检测器，被配置为从环境75捕获热图像，例如红外(IR)图像。在一个配置中，提供可选的高分辨率传感器74A。在这样的配置中，传感器74A可以用于捕获高分辨率图像或以比传感器74更高的数据率对环境进行采样。
如上文讨论的，在正常操作期间，设备14操作在“引导模式”中，从传感器74获得低分辨率/数据率的信息。传感器75可以监控广泛区域的环境。例如，如果传感器74是红外传感器，则传感器74A可包括周期性通电以捕获低分辨率图像的低功率红外相机，如图4所示。控制器34分析传感器74捕获的低分辨率图像，以确定当前是否存在准许捕获附加高分辨率和分析的热异常。该确定可以通过任意合适的技术来进行，例如，捕获图像与存储在存储器60中的参考图像的简单像素比较。该参考图像可以是在设备启用期间捕获的，或者基于通过电路32或本地输入54接收的输入。在另一个示例中，使用无线通信等将参考图像发送至设备14。系统在存储器60中可包括多个参考图像，参考图像全都描述了针对传感器74的特定视场的正常热简档。如果发现获取的图像与“正常”图像匹配，或者通过一些其他低能量分析技术发现当前不存在热异常，则系统可以进入待机模式，直至捕获下一个安排的低分辨率图像为止。然而，如果控制器34确定低分辨率捕获包括可能的热异常，如图5所示，则系统可以进入高分辨率模式。在一个配置中，在高分辨率模式中，传感器74进入高分辨率捕获模式。在另一个示例实施例中，使用第二高分辨率传感器74A来捕获高分辨率图像。在该模式中，现场设备14采集环境75的特定视场的一个或多个高分辨率图像，如图6所示。然后，可以进一步分析这些图像，以提供异常的附加特性，例如，包括异常的位置和温度。此外，可以将高分辨率图像发送至远程位置(例如控制室12)，以进一步分析并由操作员查看。
针对声学监控系统，可以使用类似的技术。例如，低功率引导模式可以用于使用传感器74以低采样率从环境75获取声学数据。可以用任意合适的方式快速分析低采样率数据，包括将低采样率数据与存储在设备14存储器60中的区域已知正常声学简档比较。图7是这种低采样率数据的图。如图7所示，该低谱分辨率声学数据示出异常。如果在引导模式期间检测到异常，则控制器34使系统进入高采样率模式，以获取环境的高分辨率带宽声学简档，如图8所示。可以使用相同的传感器74来获取数据，或者使用被配置为高数据率获取的不同传感器74A来获取。在获得高数据率数据后，可以表征简档。例如缩放(scale)简档并与已知声学事件(如泄漏，轴承磨损，起火)比较。
图9是示出一种用于在声学信号中检测异常的技术的图。图9是幅度-频率图。图形80示出感测到的声学信号的历史背景或边界“栅栏”。该栅栏是所存储简档的一个示例。可以通过学习技术或由设置特定频率和阈值的操作员进行编程。图9还示出接收的声学信号82，其违背了声学栅栏80。这指示在接收的声学信号中出现了异常，可以触发高分辨率捕获模式。针对RF或其他感测技术，可以使用类似的技术。
除了以较高采样率获得高分辨率数据或数据以外，现场设备14可以通过例如调整时钟62，以高时钟速度操作。这允许控制器34以较高速度操作，从而分析采集的数据。在一个方面中，例如，系统被配置为使用通信链路28无线地发送指示从电池38可获得的电力不足以持续操作的信息。例如，尽管系统具有持续“引导模式”操作的能力，但是存储的电力不足以使设备进入高功率模式任何相当长时段。在这种情况下，该系统可以自动地转变为备选操作模式。在触发时，系统将不会进入高谱分辨率模式，而是忽略该步骤并通过无线网络简单地警告用户检测到了未表征的异常。
可以使用合适的技术来检测异常。如上文所讨论的，可以将采集的数据与已知正常简档比较。其他的技术包括，在时域或频域中将采集的数据与阈值比较，在采集的数据中监控快速的变化或尖峰(spike)，在采集的数据中监控突降。可以在时域、频域或其组合中进行分析。这里使用的术语“周围环境传感器”是指被配置为感测设备14周围环境的一个方面的传感器。这些传感器可以是包括可见和红外辐射的图像传感器，以及包括可听和超声声学传感器二者的声学传感器。在一个配置中，周围环境传感器感测多于单个数据点，例如温度传感器提供的单个数据点。特定的传感器可以被配置为在两个操作模式中操作，用于获取低分辨率和/或低数据率信息的低功率“引导模式”，以及用于获取高分辨率和/或高数据率信息的高功率模式。在另一个配置中，针对高分辨率/高数据率数据采集，提供第二周围环境传感器。在另一个示例中，提供一个或多个设备14，用于在“引导模式”中监控环境。例如，通过通信链路28，将在“引导模式”监控期间采集的数据发送至另一个位置。可以在具有更大电源或耦接至线路电源的位置接收该信息。该数据可以用于触发高功率模式，在高功率模式中，由远程位置的传感器采集高分辨率/高数据率数据。在另一个示例配置中，可以在一个设备14中检测到异常，并使用第二设备(如图1所示的设备16)采集高数据率/高分辨率信息。类似地，如果传感器74是指向性的，在进入高数据获取状态时，该传感器可以目标为或“聚焦”(zoom)至检测到异常的区域。类似地，传感器74可以被配置为在“引导模式”或者高数据率模式中扫描该区域。
尽管参考优选实施例来描述本发明，但是本领域技术人员认识到在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以做出形式上或细节上的修改。这里使用的周围环境传感器优选被配置为提供具有简档的输出。简档可以是例如用于图像的多个像素、例如来自声学传感器采样输出的多个幅值或模值，以及例如来自声学或图像传感器的谱内容。在高功率模式中，时钟62可以在较高频率下操作，使得控制器34以较快处理速度操作。这里使用的术语“异常”包括实际异常，不确定的异常以及可能的异常。可能的异常包括比为没有发生更具可能的异常。然而，可以根据需要来选择构成“可能”的阈值。

Claims (20)

1.一种用于监控工业过程的无线工业过程监控器，包括：
控制器，被配置为控制所述工业过程监控器的操作；
周围环境传感器，被配置为感测所述过程监控器附近的工业过程的周围环境，并响应地提供传感器输出信号，其中所述周围环境传感器被配置在低功率引导模式和高功率模式中操作；
无线输出电路，被配置为基于传感器输出信号提供输出；
其中，在传感器输出信号中检测到异常时，所述控制器使所述周围环境传感器进入高功率模式。
2.根据权利要求1的无线工业过程监控器，包括时钟，其中所述时钟被配置为在高功率模式期间提供较高时钟速率。
3.根据权利要求1的无线工业过程监控器，包括：内部电源，配置为对所述无线工业过程监控器供电。
4.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述周围环境传感器包括：图像捕获设备，被配置为从周围环境捕获图像。
5.根据权利要求4的无线工业过程监控器，其中所述图像捕获设备被配置为捕获热图像。
6.根据权利要求4的无线工业过程监控器，其中所述控制器被配置为基于所捕获图像内的像素的比较，检测异常。
7.根据权利要求6的无线工业过程监控器，包括存储器，其中像素的比较基于存储在所述存储器中的参考图像。
8.根据权利要求7的无线工业过程监控器，其中所述存储器被配置为存储多个参考图像。
9.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述控制器被配置为基于传感器输出信号的简档的一部分中的尖峰，检测异常。
10.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述控制器被配置为基于传感器输出信号的变化，检测异常。
11.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述周围环境传感器包括：第一周围环境传感器，被配置为在低功率引导操作模式期间感测周围环境；以及第二周围环境传感器，被配置为在高功率模式期间感测环境。
12.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述周围环境传感器包括声学传感器。
13.根据权利要求12的无线工业过程监控器，其中所述声学传感器包括超声传感器。
14.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述控制器被配置为基于传感器输出信号的时域简档，检测异常。
15.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述控制器被配置为基于传感器输出信号的频域简档，检测异常。
16.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中，所述周围环境传感器在高功率模式中时进入高分辨率模式。
17.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述周围环境传感器是指向性的，并被配置为在高功率模式中目标为异常。
18.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述周围环境传感器包括图像传感器，并且在高功率模式中放大所感测图像。
19.根据权利要求1的无线工业过程监控器，其中所述周围环境传感器被配置为在高功率模式中以高数据率操作。
20.一种无线监控系统，包括根据权利要求1的无线工业过程监控器，以及具有第二周围环境传感器的远程设备。
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