具有大量智能傳感器的過程自動化系統以及用於標定傳感器的方法

2023-09-17 23:16:35

專利名稱：具有大量智能傳感器的過程自動化系統以及用於標定傳感器的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有大量智能傳感器的過程自動化系統，以及一種用於 標定智能 傳感器的方法，其中每一傳感器用於確定或監控介質的一個物理或化學過程變量。常用的 現場設備包括傳感元件，其提供與待確定或監控的過程變量的值相對應的測量信號；和 變送器，其控制傳感器的測量並且處理及分析由傳感器提供的測量信號。
背景技術：
物理或化學過程變量可以例如是介質的pH值、電導率、濁度、成分濃度、介質的物 位、壓力、溫度、密度、粘度或體積或質量流量。可以從Endress+Hauser公司集團得到大量 不同的適用於確定相應過程變量的測量儀表。DE 102 18 606 Al公開了一種現場設備，其具有電位傳感器(特別是pH傳感器或 氧化還原傳感器)和變送器，其中一部分智能以微控制器的形式從變送器移至傳感器中。 微控制器的任務是獲取測量結果、監控多種相關參數、以及通過接口同變送器通信。電位傳 感器包括基本傳感器或傳感元件，其檢測介質的PH值或氧化還原電位；和接口，依賴於電 位變量的測量信號通過該接口發送至與傳感器相連的變送器。另外，數字數據存儲器與基 本傳感器牢固連接；傳感器特定的數據(特別是設備數據、過程數據和歷史數據)存儲在數 據存儲器中並且因而與傳感器不可分離地耦合。由此，一方面可以在為了每一測量目的而 在過程中的使用位置使用傳感器之前預標定傳感器；另一方面傳感器可以毫無問題地連接 至另一變送器，而不必一定重新標定。DE 102 18 606 Al中描述的傳感器由兩個可鬆開地彼此連接的部件構成插頭， 基本傳感器和數據存儲器利用該插頭而不可分離地相連；和插塞聯接器或傳感器電纜，傳 感器經與變送器耦合。插頭和插塞聯接器之間的雙向數字數據傳輸通過電感耦合接口而無 接觸地進行。通過非接觸電感接口的能量傳輸是從變送器到傳感器單向的。可以從申請人 處以MEM0SENS商標得到相應的電位傳感器。應當注意，Memosens技術不僅可應用於電化 學傳感器；它原則上還可以應用於任何用於確定和監控不同過程變量的傳感器。WO 00/077592A2公開了一種帶有智能現場控制設備的控制系統，其由傳感器和變 送器構成，該控制系統提供用於運行Java字節代碼的虛擬機環境。通信通過乙太網進行。 用於控制各個現場控制設備的軟體存儲在虛擬機中。已知技術方案的一個缺點是，在線控制現場控制設備需要較高的硬體開銷。在傳 感器中直接提供用於控制現場控制設備的接口，從而現場設備只限於在控制系統內的相應 位置本地使用。通過網絡伺服器訪問現場控制設備，這個網絡伺服器直接集成在系統中。進 一步，各個現場控制設備集成在現場總線中；現場總線通過控制器連接至乙太網。由於必須對於虛擬機中的每一單獨的現場控制設備實現控制軟體，已知的系統非 常複雜。另外，正如已經提到的，屬於各個現場控制設備的傳感器只限於應用於限定的現場 總線中。不可能在之後更換網絡或變送器，而這例如在傳感器必須被從過程移走並在實驗室中得到標定時是必需的。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種包括大量智能傳感器的系統以及一種用於標定智 能傳感器的方法，其中可以通過現存的通信系統全球訪問傳感器。特別地，無論傳感器是在 測量操作中位於過程中還是為了標定而處於實驗室中，傳感器的數據都可以被全球使用而 無需額外開銷。通過以下方式實現發明目的每一智能傳感器各自具有一個初級側插塞連接件和 一個帶有傳感元件的次級側插塞連接件，其中兩個插塞連接件之間的能量供應和數據通信 通過可釋放的插塞聯接器實現。另外，為每一傳感器分配一個網絡服務接口，傳感器通過該 接口可以連接至任何用戶網絡，該網絡可以是廣域網WAN或區域網LAN。另外，提供控制單 元或伺服器，其提供至少一個用於生成虛擬變送器的軟體，其中虛擬變送器和傳感器之間 的通信通過網絡服務接口進行。在本發明的技術方案中省去了迄今必需的物理變送器。術 語「網絡服務 接口」應當理解為用於訪問虛擬變送器的接口。然而，也可以在傳感器上實現 獨立於製造者的網絡服務接口，以創建開放系統。傳感器優選地是電化學傳感器，然而，根據本發明，所有可能的傳感器類型都可以 集成在本發明的系統中。廣域網優選地是網際網路，而區域網例如是快速乙太網，其能夠快速 實現乙太網標準。通過本發明的技術方案，可以在全球使用傳感器並且因而訪問傳感器，而與傳感 器是否被通過PC或傳統的變送器在公司內部LAN或WAN網絡中編址無關。通過網絡服務 接口和所配屬的IP位址，傳感器可例如為了標定或查詢而被直接尋址及達到。根據本發明，具有Memosens接口的傳感器以及具有流電耦合接口的傳感器都可 以直接與任何網絡相連；通過乙太網，實際上優選通過用戶的網絡瀏覽器訪問各個傳感器。 數據的傳輸率可以輕易地達到lGbit/sec。根據本發明，可以通過網際網路得到傳感器數據。另外，僅僅還需要一個軟體變送 器，即，所謂的虛擬變送器，這顯著降低了生產成本。虛擬變送器實現了對傳感器的控制，它 可以安裝在任何位置。唯一的限制是，在該位置必須有網絡連接。本發明的系統的另一優 點在於，由於不存在物理的變送器，所以實驗室裝備顯著簡化。一個主要的簡化是，現存的 網絡基礎結構可以用於本發明的系統。為了保護系統不被未授權匿名訪問，用戶必須首先登錄系統。登錄的用戶有機會 根據訪問授權來選擇讀訪問和/或寫訪問。在用戶已經定位到期望頁之後，用戶可以從可 用傳感器列表中選擇期望的傳感器。然後所選擇的傳感器的測量值或其他可用的傳感器數 據顯示給用戶。在連續測量操作期間特別是為了標定而改變傳感器明顯變得容易。同樣， 在連續操作期間可以將有故障的傳感器替換為功能正常的傳感器。當網絡服務接口集成在次級側插塞連接件中時，特別具有優點。根據本發明的系 統的具有優點的進一步發展，可以通過所配屬的網絡地址而自動且唯一地達到插塞連接件 上的網絡服務接口。網絡服務接口優選地是用於連接至廣域網WAN或區域網LAN的串行接 口。在另一實施例中，為各個網絡提供網關或協議轉換器，代替集成的網絡服務接口。控制單元優選地是PC、手提電腦、帶有網際網路瀏覽器的智慧型手機或者使用相應伺服器的電話。虛擬變送器提供合適的接口。正如上面已經提到的，當在每一次級插塞連接件中提供數據存儲器時，特別具有優點，該數據存儲器包含傳感器特定的數據，特別是用於識別、參數化或標定的數據以及可 能還有最後測量的測量數據。這些數據永久地配屬於所匹配的傳感器。於是，這裡，一部分 智能從當前虛擬存在的變送器轉移到傳感器中。在本發明的系統的一個優選實施例中，提供輸入單元，用戶可以通過該輸入單元 直接訪問虛擬變送器。輸入單元是網絡伺服器，其可通過網絡瀏覽器而達到。正如在權利要求1 10中所限定的，本發明的用於標定系統的傳感器的方法包括 以下方法步驟-為了維護和/或標定，將一個或多個傳感器從通過第一網絡所連接的系統中移 出並且在實驗室中與實驗室網絡相連；-通過網絡地址在網絡中對傳感器進行尋址，並且自動平衡傳感器的標定數據與 虛擬變送器中存儲的數據；_然後由用戶通過網絡服務接口標定傳感器；-經標定的傳感器從實驗室網絡中移出並且在隨後的標定之後再集成回到系統和 第一網絡中，其中標定數據存儲在配屬於次級插塞連接件的數據存儲器中。在本發明的方法的具有優點的進一步發展中，在次級側插塞連接件的數據存儲器 中存儲的傳感器特定的實際數據被記錄在公司內部資料庫中並且與所存儲的期望數據相 比較。另外，在實際數據與期望數據之間的偏差超過預定公差範圍的情況，生成並輸出 警報或錯誤報告。另外，在存在錯誤報告的情況中，使用SAP連接器通過虛擬變送器的相應API接口 (應用編程接口)來預定新的傳感器。虛擬變送器提供應用接口，任何應用都可以通過該應 用接口連結至系統。可以通過不同物理接口利用接口 PI。


現在根據附圖詳細解釋本發明，附圖中圖1示意性顯示了本發明的系統的第一實施例；圖2示意性顯示了本發明的系統的第二實施例；和圖3表示了在本發明的系統中如何訪問傳感器。
具體實施例方式圖1示意性顯示了本發明的系統1的第一實施例，其中集成了 η個傳感器2. 1…… 2. η。傳感器2. 1……2. η是裝備了 Memosens技術的傳感器2. 1……2. η 初級側插塞連接 件3. 1……3. η或傳感器電纜通過插塞聯接器7. 1……7. η可釋放地與帶有集成的傳感元件 5. 1……5. η的次級側插塞連接件4. 1……4. η或插頭聯接。優選地，插塞聯接器7. 1…… 7. η是流電隔離的接口，其實現雙向的通信以及從初級側插塞連接件3. 1……3. η到次級側 插塞連接件4. 1……4. η的單向能量傳輸。當然，插塞聯接器7. 1……7. η也可以實施為流 電接口。關於這一點，參考以INDUC0N為商標的數字傳感器。這樣選擇傳感元件5.1……5. n,使得它最優匹配待確定或待監控的過程變量。從Endress+Hauser集 團公司可以獲得 大量用於確定不同物理或化學過程變量的傳感器。為每一傳感器2.1……2. n分配一個網絡服務接口 8. 1……8. n。在圖1所示的系 統1的實施例中，網絡服務接口 8. 1……8. n在傳感器2. 1……2.n之外；而在圖2所示的 實施例中，網絡服務接口集成在初級側插塞連接件3. 1……3.n中。通過控制單元10和集線器9，所選擇的傳感器2. 1……2. n被經由LAN尋址並且 傳感器數據被讀出或寫入傳感器2.1……2.n。為此使用輸入單元11。在控制單元10中實 現虛擬變送器VM，其負責控制所有傳感器2. 1……2. n以及處理並分析傳感器數據，只要這 些功能還沒有由次級側插塞連接件3. 1……3. n中集成的微控制器完成。傳感器2.1……2. n集成在用戶網絡LAN中並且由集成在控制單元10 (這裡是PC) 中的虛擬變送器VM控制。為了能夠訪問各個傳感器2. 1……2. n，每一傳感器2. 1……2.n都 具有一個網絡服務接口 8. 1……8.n。通過這個網絡服務接口 8. 1……8. n，傳感器2. 1…… 2. n可以連接至任何特定的WAN或LAN用戶網絡。在所示情況中，LAN用戶網絡是乙太網網 絡，而WAN用戶網絡是網際網路。虛擬變送器VM執行迄今要由配屬於各個傳感器2. 1……2. n或傳感器2. 1……2. n 的限定組的各個變送器來執行的所有功能。根據本發明，省略了這些物理的變送器。各個傳 感器2. 1……2. n集成在哪一網絡中也不再重要，因為每一傳感器2. 1……2. n都可被通過 其IP位址而唯一地識別及尋址。通過本發明的技術方案，可以通過網絡服務接口 8. 1…… 8. n將傳感器2. 1……2. n集成在任一 LAN或WAN網絡中。正如圖3示出的，可以通過網際網路(WAN)和乙太網(LAN)全球訪問傳感器2. 1…… 2. n。為了保護公司內部用戶網絡LAN不被未授權訪問，需要對於讀訪問和/或寫訪問的用 戶訪問授權12。只有當證實用戶經過授權時，用戶才可以訪問傳感器2.1……2.n。在TO 03/023541A2中描述了對於全球訪問現場設備數據的多種安全機制。由於傳感器2.1……2. n可以集成在任何LAN或WAN網絡中，所以通常不是在過程 中在線進行而是在實驗室中進行的對傳感器2. 1……2. n的標定大大簡化。在實驗室中連 接至LAN網絡的傳感器2. 1……2. n可以在集成在過程中的LAN網絡中之後立即通過控制 單元10a、10b中集成的虛擬變送器VM而標定，其中標定數據存儲在傳感器2. 1……2.n的 數據存儲器14. 1……14. n中。如果經標定的傳感器2. 1……2. n隨後再次放入過程中，那 麼它可以被通過網絡服務接口 8. 1……8. n而通過LAN以及通過WAN直接訪問。控制單元10可以是PC 10a、手提電腦13a、帶有網際網路瀏覽器的智慧型手機或者使 用相應伺服器的電話13b。附圖標記1本發明的系統2.1……2.n傳感器3.1……3.n初級側插塞連接件4. 1……4. n次級側插塞連接件5.1......5. n 傳感元件6 介質7.1……7. n插塞聯接器
8.1……8. n網絡服務接口9開關/集線器
10控制單元11輸入單元12訪問保護13a手提電腦13b智慧型手機
權利要求
具有大量智能傳感器(2.1……2.n)的用於過程自動化的系統，其中每一傳感器(2.1……2.n)用於確定或監控介質(6)的一個物理或化學過程變量並且各自具有一個初級側插塞連接件(3.1……3.n)和一個帶有傳感元件的次級側插塞連接件(4.1……4.n)，其中兩個插塞連接件(3.1……3.n；4.1……4.n)之間的能量供應和數據通信是通過可釋放的插塞聯接器(7.1……7.n)實現的；其中為每一傳感器(2.1……2.n)分配一個網絡服務接口(8.1……8.n)，傳感器(2.1……2.n)通過該網絡服務接口能夠連接至廣域網(WAN)或區域網(LAN)；其中提供控制單元(10)或伺服器，其提供至少一個用於生成虛擬變送器(VM)的軟體；並且其中虛擬變送器(VM)和傳感器(2.1……2.n)之間的通信是通過所述網絡服務接口(8.1……8.n)實現的。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，網絡服務接口(8.1……8.η)集成在次級側插塞 連接件(3.1……3. η)中。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中，插塞連接件(3.1……3.η)上的網絡服務接 口(8. 1……8. η)能夠被通過所配屬的網絡地址(IP)而自動且唯一地達到。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，控制單元(10)例如是PC(IOa)、手提電腦(13a)、 帶有網際網路瀏覽器的智慧型手機(13b)或者利用伺服器的電話。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，傳感器(2.1……2. η)是電化學傳感器。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，插塞聯接器(7.1……7.η)是流電的接口或者流 電隔離的接口，特別是電感接口。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，在每一次級插塞連接件(4.1……4.η)中提供一 個數據存儲器(14. 1……14. η)，該數據存儲器包含傳感器特定的數據，特別是用於識別、參 數化或標定的數據以及可能還有最後測量的測量數據。
8.根據權利要求1或3所述的系統，其中，網絡服務接口(8.1……8.η)是用於連接至 廣域網(WAN)或區域網(LAN)的串行接口。
9.根據前述權利要求之一所述的系統，其中，提供輸入單元(11)，用戶通過該輸入單 元直接訪問虛擬變送器(VM)。
10.根據前述權利要求之一所述的系統，其中，輸入單元(11)是網絡伺服器，通過網絡 瀏覽器能夠達到該網絡伺服器。
11.用於標定根據權利要求1-10之一所述的系統(1)的傳感器的方法，其中，為了維護及標定，將傳感器(2. 1……2. η)中的一個或多個從通過第一網絡 (LAN)所連接的系統(1)中移出並且在實驗室中與實驗室網絡(LAN)相連；其中，通過網絡地址(IP)對每一相應傳感器(2. 1……2. η)進行尋址，並且自動平衡傳 感器(2. 1……2. η)的標定數據與虛擬變送器(VM)中存儲的數據；其中，由用戶通過網絡服務接口(8.1……8. η)標定傳感器(2.1……2. η)；以及其中，將經標定的傳感器(2. 1……2. η)從實驗室網絡中移出並且在完成標定之後再集 成到系統(1)中。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，將在次級側插塞連接件(4.1……4. η)的數據 存儲器中存儲的傳感器特定的實際數據記錄在公司內部資料庫中並且與所存儲的期望數 據相比較。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，在偏差超過預定公差範圍的情況，發出錯誤報告。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，在存在錯誤報告的情況中，利用SAP連接器通 過虛擬變送器(VM)的相應API接口來預定新的傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種具有大量智能傳感器(2.1……2.n)的過程自動化系統，其中每一傳感器(2.1……2.n)用於確定或監控介質(6)的一個物理或化學過程變量並且各自具有一個初級側插塞連接件(3.1……3.n)和一個帶有傳感元件的次級側插塞連接件(4.1……4.n)，其中兩個插塞連接件(3.1……3.n；4.1……4.n)之間通過可釋放的插塞聯接器(7.1……7.n)實現能量供應和數據通信，其中為每一傳感器(2.1……2.n)分配一個網絡服務接口(8.1……8.n)，傳感器(2.1……2.n)通過該網絡服務接口可連接至廣域網(WAN)或區域網(LAN)，其中提供控制單元(10)或伺服器，其提供至少一個用於生成虛擬變送器(VM)的軟體，並且其中虛擬變送器(VM)和傳感器(2.1……2.n)之間的通信是通過網絡服務接口(8.1……8.n)實現的。
文檔編號G05B19/418GK101828155SQ200880111744
公開日2010年9月8日 申請日期2008年10月8日 優先權日2007年10月15日
發明者託比亞斯·米特, 斯文-馬蒂亞斯·沙伊貝, 斯特凡·布施納科斯基 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾測量及調節技術分析儀表兩合公司