无线工业过程监控器和无线监控系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 所述图像捕获设备被配置为捕获热图像。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 所述存储器被配置为存储多个参考图像。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 所述周围环境传感器包括声学传感器。
[0018] 所述声学传感器包括超声传感器。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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
[0026] 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】
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 图3是示出了图2中现场设备的组件的更详细的方框图。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035] 图9是示出边界栅栏（fence)的幅度-频率图。
【具体实施方式】
[0036] 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。
[0037] 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"。
[0038] 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 \￥丨代^5丨仏丨(_丨项协议。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。
[0039] 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WircIcssHART?协议）发射信息。
[0040] 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。
[0041] 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IXD显示器56。
[0042] 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。
[0043] 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