無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器和無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于監(jiān)控工業(yè)過(guò)程的無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器和包括無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控 器的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)設(shè)置中，系統(tǒng)用于監(jiān)控和控制庫(kù)存以及工業(yè)和化學(xué)過(guò)程的操作等。通常，執(zhí) 行這些功能的系統(tǒng)使用分布在工業(yè)過(guò)程重要位置的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)過(guò)程控制環(huán)耦 接至控制室內(nèi)的控制電路。術(shù)語(yǔ)"現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備"是指在分布式控制或過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)中執(zhí)行功 能的任意設(shè)備，包括在工業(yè)過(guò)程測(cè)量、控制和監(jiān)控中使用的所有設(shè)備。
[0003] 通常，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還包括用來(lái)在過(guò)程控制環(huán)上與過(guò)程控制器、其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或 其他電路通信的通信電路。在一些設(shè)施中，過(guò)程控制環(huán)還用來(lái)傳輸調(diào)節(jié)電流和/或電壓，以 向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。過(guò)程控制環(huán)還攜帶模擬或數(shù)字形式的數(shù)據(jù)。
[0004] 在一些設(shè)施中，已開(kāi)始使用無(wú)線技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信。無(wú)線操作簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 的連線和設(shè)置。目前，無(wú)線設(shè)施用在包括內(nèi)部電源的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。然而，由于電源的限制， 此類設(shè)備的功能通常會(huì)受到限制。
[0005] 通常，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用來(lái)感測(cè)或控制工業(yè)過(guò)程中的過(guò)程變量。然而，在一些設(shè)施中，可 能需要監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的本地環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 一種用于監(jiān)控工業(yè)過(guò)程的工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器，包括被配置為控制工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器的 操作的控制器。周圍環(huán)境傳感器被配置為感測(cè)設(shè)備附近的工業(yè)過(guò)程的周圍環(huán)境，并響應(yīng)地 提供傳感器輸出信號(hào)。輸出電路被配置為基于傳感器輸出信號(hào)提供輸出。在傳感器輸出信 號(hào)中檢測(cè)出異常和/或可能異常時(shí)，控制器使周圍環(huán)境傳感器進(jìn)入高功率模式。
[0007] 無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器包括時(shí)鐘，所述時(shí)鐘被配置為在高功率模式期間提供較高時(shí) 鐘速率。
[0008] 無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器包括：內(nèi)部電源，配置為對(duì)所述無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器供電。
[0009] 所述周圍環(huán)境傳感器包括：圖像捕獲設(shè)備，被配置為從周圍環(huán)境捕獲圖像。
[0010] 所述圖像捕獲設(shè)備被配置為捕獲熱圖像。
[0011] 所述控制器被配置為基于所捕獲圖像內(nèi)的像素的比較，檢測(cè)異常。
[0012] 無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器包括存儲(chǔ)器，其中像素的比較基于存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的參 考圖像。
[0013] 所述存儲(chǔ)器被配置為存儲(chǔ)多個(gè)參考圖像。
[0014] 所述控制器被配置為基于傳感器輸出信號(hào)的簡(jiǎn)檔的一部分中的尖峰，檢測(cè)異常。
[0015] 所述控制器被配置為基于傳感器輸出信號(hào)的變化，檢測(cè)異常。
[0016] 所述周圍環(huán)境傳感器包括：第一周圍環(huán)境傳感器，被配置為在低功率引導(dǎo)操作模 式期間感測(cè)周圍環(huán)境；以及第二周圍環(huán)境傳感器，被配置為在高功率模式期間感測(cè)環(huán)境。
[0017] 所述周圍環(huán)境傳感器包括聲學(xué)傳感器。
[0018] 所述聲學(xué)傳感器包括超聲傳感器。
[0019] 所述控制器被配置為基于傳感器輸出信號(hào)的時(shí)域簡(jiǎn)檔，檢測(cè)異常。
[0020] 所述控制器被配置為基于傳感器輸出信號(hào)的頻域簡(jiǎn)檔，檢測(cè)異常。
[0021] 所述周圍環(huán)境傳感器在高功率模式中時(shí)進(jìn)入高分辨率模式。
[0022] 所述周圍環(huán)境傳感器是指向性的，并被配置為在高功率模式中目標(biāo)為異常。
[0023] 所述周圍環(huán)境傳感器包括圖像傳感器，并且在高功率模式中放大所感測(cè)圖像。
[0024] 所述周圍環(huán)境傳感器被配置為在高功率模式中以高數(shù)據(jù)率操作。
[0025] 一種無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，包括上述無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器，以及具有第二周圍環(huán)境傳感 器的遠(yuǎn)程設(shè)備
[0026] 提供本概述和摘要以簡(jiǎn)單的方式介紹了構(gòu)思的選擇，以下在詳細(xì)描述中進(jìn)一步描 述構(gòu)思的選擇。概述和摘要并不意在標(biāo)識(shí)要求保護(hù)的主題的重要特征或本質(zhì)特征，也不意 在用來(lái)幫助確定要求保護(hù)的主題的范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是示出了本發(fā)明使用的過(guò)程控制或監(jiān)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖。
[0028] 圖2是示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的組件的方框圖。
[0029] 圖3是示出了圖2中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組件的更詳細(xì)的方框圖。
[0030] 圖4示出了在低功耗、低分辨率"引導(dǎo)（pilot)模式"操作期間捕獲的工業(yè)過(guò)程圖 像。
[0031] 圖5是在低功耗、低分辨率引導(dǎo)操作模式中采集的工業(yè)過(guò)程圖像，在圖像中示出 了異常。
[0032]圖6是在高功率、高分辨率操作模式中捕獲的工業(yè)過(guò)程圖像。
[0033]圖7是示出在低功率、低頻譜分辨率引導(dǎo)操作模式期間捕獲的聲學(xué)信號(hào)的頻域的 圖。
[0034]圖8是示出在高功率、高頻譜分辨率引導(dǎo)操作模式期間捕獲的聲學(xué)數(shù)據(jù)的頻域的 圖。
[0035] 圖9是示出邊界柵欄（fence)的幅度-頻率圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 使用監(jiān)控技術(shù)的許多高價(jià)監(jiān)控應(yīng)用（例如視頻、紅外、超聲波和音頻的要求能夠 以高采樣率和/或高分辨率獲取信息的系統(tǒng)。例如，低分辨率紅外監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)控總熱 簡(jiǎn)檔（profile)。然而，為具體識(shí)別熱異常的位置，要求高分辨率。需要捕獲并分析高分辨 率紅外圖像，以充分地表征異常，并將其與背景噪聲或環(huán)境中的期望熱變化相區(qū)分。然而， 獲取并處理該高分辨率圖像要求相當(dāng)大的功率。這會(huì)快速耗盡自身供電的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如無(wú) 線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）的電池。監(jiān)控周圍環(huán)境的其他技術(shù)（例如，音頻或超聲監(jiān)控）也存在類似的 問(wèn)題。為正確地表征聲學(xué)事件，需要高采樣率來(lái)分析譜內(nèi)容，以便將信號(hào)簡(jiǎn)檔與已知聲學(xué)標(biāo) 記比較，例如系統(tǒng)泄漏時(shí)出現(xiàn)的聲學(xué)標(biāo)記。
[0037] 本發(fā)明提供用于解決以上問(wèn)題的技術(shù)。提供一種用于監(jiān)控周圍環(huán)境的系統(tǒng)，使用 能夠以低分辨率和/或低采樣率獲取數(shù)據(jù)的低功率模式，以及僅當(dāng)?shù)凸β剩ㄒ龑?dǎo)）模式檢 測(cè)到潛在感興趣信號(hào)時(shí)才激活高功率模式。本發(fā)明提供一種用于監(jiān)控工業(yè)過(guò)程周圍環(huán)境的 技術(shù)，并涉及在本地或內(nèi)部供電的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)。無(wú)線工業(yè)過(guò)程監(jiān)控器 在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，并被配置為監(jiān)控工業(yè)過(guò)程中的周圍環(huán)境。可以通過(guò)任意合適的周圍環(huán) 境傳感器（包括視頻、紅外、聲學(xué)等）來(lái)進(jìn)行監(jiān)控。這樣的傳感器要求高采樣頻率和/或高 分辨率，以表征并定位本地（周圍）環(huán)境中的感興趣事件，并將與這些事件有關(guān)的感測(cè)信號(hào) 與背景噪聲相區(qū)分。然而，由于高分辨率和/或高采樣率要求功率量的增加，因此，在使用 針對(duì)正常操作實(shí)現(xiàn)的低能耗"引導(dǎo)模式"的配置。在該"引導(dǎo)模式"中獲得低分辨率初始測(cè) 量。如果基于該低分辨率初始測(cè)量來(lái)檢測(cè)到異常，則系統(tǒng)進(jìn)入高分辨率、高功率模式。在高 功率模式中，以高數(shù)據(jù)率和/或分辨率采集數(shù)據(jù)。然后，設(shè)備可以重新進(jìn)入持續(xù)低功率操作 的"引導(dǎo)模式"。
[0038] 圖1是示出了包括通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)13與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14、15通信的控制室12的示例過(guò) 程控制或監(jiān)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。網(wǎng)關(guān)13和控制室12之間的通信可以在有線或無(wú)線通信鏈路 上?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14示為耦接至過(guò)程管道18,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備16示為耦接至存儲(chǔ)箱20。然而，設(shè)備 14、16可以位于任意期望的位置。設(shè)備14、16分別包括用于發(fā)射和/或從與無(wú)線網(wǎng)關(guān)13 關(guān)聯(lián)的天線26接收信息的天線22、24。設(shè)備14、16使用無(wú)線射頻（RF)通信鏈路28、29、 30相互通信并與遠(yuǎn)程位置（例如網(wǎng)關(guān)13)通信。一個(gè)示例通信協(xié)議是根據(jù)IEC 62591的 \￥丨代^5丨仏丨(_丨項(xiàng)協(xié)議?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14、16包括向設(shè)備提供本地（內(nèi)部）電力的組件，而不 要求額外的連線。例如，設(shè)備14、16可包括用于本地供電的太陽(yáng)能電池。
[0039] 由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14、16使用有限的電力進(jìn)行操作，因此它們的處理能力和發(fā)送發(fā)射 的數(shù)據(jù)量也是有限的。在一個(gè)方面中，本發(fā)明包括具有使用周圍環(huán)境傳感器監(jiān)控周圍環(huán)境 能力的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如設(shè)備14、16。具有在遠(yuǎn)程位置操作能力的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不要求外部 電源，可以從例如，明尼蘇達(dá)州的羅斯蒙特公司獲得。這樣的設(shè)備被配置為測(cè)量過(guò)程變量或 獲得其他過(guò)程信息，并使用無(wú)線通信技術(shù)（例如WircIcssHART?協(xié)議）發(fā)射信息。
[0040] 圖2是更詳細(xì)地示出了圖1所示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14的簡(jiǎn)化方框圖。根據(jù)該實(shí)施例，現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備14包括可選的換能器31、無(wú)線輸入/輸出（通信）電路32、控制器34、電源電路36、 電池38以及太陽(yáng)能板40。換能器31可以是用于感測(cè)過(guò)程變量的傳感器或用于控制過(guò)程變 量的控制單元，例如閥。無(wú)線通信電路32耦接至天線22,以通過(guò)網(wǎng)關(guān)13的天線26與網(wǎng)關(guān) 13通信?？蛇x地，設(shè)備14直接與控制室12通信。電源電路36用于向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14內(nèi)的電 路供電。電源電路36能夠使用從太陽(yáng)能電池40接收的內(nèi)部電力和/或從電池38接收的 電力進(jìn)行操作?？梢允褂貌灰筮B線至遠(yuǎn)程電源的任意類型內(nèi)部電源對(duì)電源電路36供電。 電源電路36自身可以包含在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14中，或者，在一些實(shí)施例中，位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備外部并 位于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近。例如，可以使用太陽(yáng)能單元，通過(guò)二線式連接向發(fā)射器或其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 供電，其中二線式連接也用于承載信息。在這樣的配置中，電源電路還可以向遠(yuǎn)程位置提供 無(wú)線通信。如果從太陽(yáng)能電池40接收足夠的電力，則還可以使用電源電路36對(duì)電池38充 電。周圍環(huán)境傳感器74用于監(jiān)控設(shè)備14的環(huán)境，下文將詳細(xì)說(shuō)明。
[0041] 圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14的更詳細(xì)的方框圖，并示 出了被配置為可以用于測(cè)量過(guò)程變量（如壓力、溫度等）的過(guò)程變量傳感器的可選換能器 31。過(guò)程變量傳感器31可以位于設(shè)備14的外殼內(nèi)或外殼的外部，如圖3所示。測(cè)量電路 52耦接至過(guò)程變量傳感器31，并用于在向控制器34提供測(cè)量信號(hào)之前執(zhí)行初始信號(hào)處理。 圖3中示出了可選用戶輸入54。類似地，示出了可選本地輸出設(shè)備，例如IXD顯示器56。
[0042] 控制器34通常是基于微處理器的控制器，并耦接至存儲(chǔ)器60和時(shí)鐘62。時(shí)鐘62 確定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14內(nèi)數(shù)字電路的操作速度，存儲(chǔ)器60用于存儲(chǔ)信息。存儲(chǔ)器60可以包括永 久存儲(chǔ)器和易失性存儲(chǔ)器，并且可以用于存儲(chǔ)處理期間使用的數(shù)據(jù)、編程指令、校準(zhǔn)信息或 其他信息、以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備14使用的數(shù)據(jù)或指令。如這里所描述的，存儲(chǔ)器60還存儲(chǔ)來(lái)自傳 感器74的信息。
[0043] 圖3還示出根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施例的周圍環(huán)境傳感器74。周圍環(huán)境傳感器74如下 文更詳細(xì)討論地進(jìn)行操作并被配置