CN107807698A - 具有集成光学传感的过程控制器 - Google Patents

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威廉·博林格
约翰·贝尔根
斯坦顿·霍普金斯·布雷特洛
詹姆斯·亨吉斯
杰森·霍曾加
吉尔·拉莫斯
库尔特·彼得森
拉里·沃尔特斯
达里尔·詹姆斯
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Abstract

本发明内容大体上涉及一种过程控制器，特别是涉及一种具有集成光学传感的过程控制器。

Description

具有集成光学传感的过程控制器
分案申请说明
本申请是2015年10月16日进入中国国家阶段的PCT申请的分案申请，其PCT申请的国际申请日为2014年4月16日，国际申请号为PCT/US2014/034330，其进入中国国家阶段的申请号为201480021923.3。
技术领域
本发明内容大体上涉及过程控制器与光学传感。
背景技术
本节陈述仅仅提供关于本发明内容的背景信息，可能不构成现有技术。
许多工业过程需要能在超高压环境中提供精确并可复验的温度控制的过程控制***。通常应用于测量过程变量的传统电子传感器由于受到高压的电磁干扰的不利影响，并不能充分适应高压环境。
发明内容
在一种形式中，用于过程控制的***包括具有多个过程输入的过程控制器，多个通信端口，以及集成到该过程控制器中的至少一个光学传感器，其中该光学传感器的数据驻留于该过程控制器中。控制部件与上述多个通信端口以及上述至少一个光学传感器通信。
在另一种形式中，集成的过程控制装置包括控制器，多个通信端口，以及多个光学传感器。上述多个通信端口和上述光学传感器与上述控制器通信，上述控制器被配置为从上述多个光学传感器接收第一光信号和第二光信号，并对应于该第一光信号或该第二光信号传送至少一个控制信号至受控装置。
从此处提供的说明中，更多领域的适用性显而易见。应理解，说明和具体示例只是为了解释，并不限制本发明的范围。
附图说明
为了使本发明内容能被更好地理解，在此描述其通过示例的方式参照附图给出的各种形式，在附图中：
图1为根据本发明内容介绍的具有用于光学温度传感器的集成控制的过程控制器的框图；
图2为根据本发明内容介绍的具有用于光学传感器的集成控制的过程控制器的框图；
图3为根据本发明内容介绍的通过具有用于光学传感器的集成控制的过程控制器来执行PID控制的方法的流程图；
图4为根据本发明内容介绍而构造的具有用于光学传感器的集成控制的封闭式过程控制器的立体图；
图5为根据本发明内容介绍而构造的具有开放板结构的、具有用于光学传感器的集成控制的过程控制器的主视图；
图6为根据本发明内容介绍而构造的具有集成光学传感的封闭式过程控制器的另一个实施方式的立体图；以及
图7为根据本发明内容介绍而构造的具有集成光学传感的封闭式过程控制器的再一个形式的立体图。
在此描述的附图仅出于解释的目的，并不以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
以下说明本质上仅为示范性的，并不限制本发明内容、应用或使用的范围。应理解，遍及附图中的相应参考标号表明类似或相应部件与特征。
参见图1，显示了具有对于光学传感器、例如示例光学温度传感器的集成控制的用于过程控制的***101的框图。***101大体上包括控制器102，控制器102包括多个光学传感器104。每个光学传感器104包括光源106和光检测器108。在该示例中，每个光学传感器104通过光纤电缆110连接至光探头112，以便检测加热室118的第一区114和第二区116的温度。该实施可使集成***101能从每个光探头112测量温度信号，并通过各种闭环过程控制方法，包括比例控制、积分控制以及微分(PID)控制，来控制加热室118的温度。
***101特别是有助于在无线电频率(RF)活跃性升高的环境中测量温度。一些环境可包括需要超高电压的过程，例如举例来说，等离子体增强化学与物理反应、高压变压器、高场强医疗设备、工业加热器、电子业、发动机，以及其它产生增强RF水平的高压设备。由于附近的、高场强部件、电线以及传感器(电导)造成的电磁(EM)干扰，这些环境对传统电子测量装置的运转有不利的影响。传统控制器依赖电气连接，由于RF干扰，电气连接可能不能精确地测量温度。由于光学传感器的集成，公开的控制器102可提供需要在高场强环境中测量环境因素的不同过程的精确的、可复验的测量与控制。光学传感器104的集成可通过光学传感器进一步提供原本不可能的高级信息的整合。
与传统的电子温度测量装置不同，光学传感器104不受上文提出的电场或磁场的影响。该***101可提供连续的温度测量，这是用其它***不可能做到的。通过经由光纤电缆110按路线发送光，由于光纤电缆不导电，可在实际环境中建立温度信号。
为了测量每个光探头112的温度，光学传感器可通过光纤电缆110从每个光源106(例如抽运光或LED)应用光脉冲。接着，脉冲光沿着光纤电缆110来到光探头112。光探头112可包括温度敏感性材料，例如凝胶或晶体，其能基于其温度吸收并反射脉冲光。光接着被吸收并通过光纤电缆被再发射到光检测器108，返回光轮廓在这里由控制器判断。判断通过算法完成，其取决于应用和控制器设计可有很大的区别。本领域技术人员很容易地领会并理解如此算法的应用详情，不在此详细说明。
根据检测器的具体运行，来自光检测器108的电信号可包括各种数字或模拟信号。接着，温度可被应用于确定在温度区114、116的每一个的温度，并被应用于控制加热器120或过程、装置或对象的温度。
参见图2，根据本发明内容显示了具有集成的光学传感的过程控制器202的框图。过程控制器202可被应用于在极大升高的无线电频率(RF)环境中集成光学传感作为用于温度控制的输入。过程控制器202大体上包括控制器204，多个光学传感器206，以及用于各种过程的控制的多个通信电路(I/O)208。如关于图1中描述的，每个光学传感器可包括光源210和光检测器212。每个光学传感器206可进一步包括被配置为连接至光纤电缆的电缆接口214。控制器202可类似于专利号为7,636,615、名称为“电源控制***”美国专利中公开的，其基本上包含于本申请，其内容在此通过引用全部并入本申请。
光学传感器206可被应用以提供并检测环境中的电子温度信号，从而避免与高强度电磁场有关的不利影响。光学传感器206可被应用以测量各种有关温度的过程，并且在一些实施方式中，可通过应用有关光学装置进一步在其它条件下，例如腐蚀条件下，被应用于测量压力和应力，或气体浓度。通过将光学传感器206结合到环境中，过程控制器202通过改进可由光学传感器206测量的各种光信号的监控提供改进的光学传感。例如，改进的传感可包括合理化的数据路径、采样率、改进的速度与精确度，以及管理可靠性。由于额外的过程信息可通过集成光学传感器206被记录，改进的监控从而导致改进的过程控制。
控制器204大体上可包括处理装置，并且在一些情况下可包括微控制器或通过各种电路进行集成的多个处理器。控制器204可被配置以控制并从光学传感器206取样温度信号。由于控制器204从光学传感器206取样测量值，这种情况下温度测量值，测量值可被存储在可并入控制器204中的存储器中。温度测量值接着可被应用于计算并调整通过I/O电路208的至少一个输出。至少一个输出接着可被发送至加热器或作为过程控制输入受控(受控***)的任何其它***。
在一个示范性实施方式中，温度测量值可由PID控制方法通过时间得到判断。PID控制方法可通过将温度测量值与受控***中的目标温度相比来计算误差。误差可被按比例地基于当前误差、整体上地基于以往误差的积累监控，并衍生地预测将来的误差。在该实施方式中，过程可被配置以监控温度测量值，并为多个光学传感器206从目标温度计算误差。根据计算误差，控制器可输出一个或多个控制信号到受控***，以便修正误差并继续监控温度测量值并计算将来的控制信号。
过程控制器202可被进一步配置为传达控制性能、测量数据以及统计信息至报表服务器。报告功能可提供应用过程控制器202的额外好处。通过报告关于一个或多个受控***的信息，可监控控制器的性能。特定过程或操作中的故障可通过I/O电路208被提供给监察或安全***。这样的安全***可被应用以避免受控***的不当操作。
在一些情况下，光学传感器和电气测量源的结合可作为输入被提供给控制器202。测量源的数量，电气和光学，可通过模块电路设计被调整。过程控制器可提供宽范围的控制应用，各应用需要不同的处理和通信需求。根据被监控和受控的过程，来自光学传感器206的数据的控制器的具体采样率也可有很大区别。在此讨论的存储器可包括随机存取存储器(RAM)、易失存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪速存储器和/或存储数字信息的任何装置。
在此讨论的I/O电路208可包括多种通信标准。控制器可通过多种方法监控、控制并报告过程操作，其中一些例子可包括：RS-232或RS-485收发器，串行通信(FPGA，ASIC)，控制器局域网总线,Modbus通信协议，CIP，CC-Link和BAC网，本地总线，PCI，以太网，无线802.1(a，b，g，n)，实时以太网，设备网，蓝牙，和/或DALI，或其它已知或将来的通信标准。应理解，这些通信协议仅为示范性的，并不构成本发明内容的范围的限制。
参见图3，显示了根据本发明内容的通过过程控制器来执行PID控制的方法302的流程图。根据PID控制304的初始化，与图2中介绍的类似的过程控制器可被应用以测量并控制具有升高的无线电频率活跃性的环境的温度。在该实施方式中，过程控制器被应用于测量两个独立的加热区域308的温度。响应PID控制的初始化，每个光学传感器310、312可被激活以通过电缆接口发送光的脉冲。通过电缆接口，控制器可被连接至光纤电缆，光的脉冲通过光纤电缆可行进并反射或被从每个光探头再发送返回。接着对于每个区域反射脉冲可被判断314以便提供每个区域的温度。
借由温度数据，过程控制器可计算测得的温度与期待温度的设定值相比316的误差。响应温度误差，来自过程控制器的第一热控制输出318和第二热控制输出320可对于第一区域322和第二区域324被调整，以便对于第一区域322和第二区域324独立补偿温度误差。当PID温度控制是激活的326，该方法可通过每个光学传感器继续测量每个区域308的温度。通过集成应用光学传感器的功能，控制器对集成过程控制器提供了安全地、精确地控制处于极大升高无线电频率(RF)的环境中的过程的温度,除此外还监控并作用于如上所述的其它过程/环境信息。其它形式中，可在控制器中采用附加电路，以便从除了光学传感器之外的装置，包括通过例如热电偶、电阻式温度检测器以及热敏电阻，来接收输入。
参见图4，根据本发明内容的一种形式显示了具有集成光学传感的封闭式过程控制器402的立体图。机械外壳404可罩住具有典型电路和电气部件的一个或多个印刷电路卡。在机械外壳404中罩住的电气部件的一些示例可包括为温度感应和加热器运行控制配置的电子温度控制器，以及用于与受控***内的其它电子器件通信的通信I/O模块或电路。在该实施方式中，过程控制器402包括集成到过程控制器中的多个光学传感器406。光学传感器406可被应用于通过光纤电缆通信，以便测量四个温度区域的温度。
过程控制器可进一步具有多种端口，包括串行通信端口408，多个并行端口410,以太网端口412以及USB端口414。I/O端口可被应用于从过程控制器402传达指令至多个受控装置或***。各种通信端口可进一步报告***性能，测量数据以及统计信息给报表服务器。通过报告有关一个或多个受控***的运行的信息，***和控制器402的性能得到监控。此外，特定过程或操作中的故障可被控制器402检测到，并报告给被应用以避免不当操作的监督或安全***。
参见图5，根据本发明内容的另一形式显示了具有开放板结构的、具有集成光学传感的过程控制器502的主视图。在该实施方式中，过程控制器502包括没有封闭的开放板结构504。过程控制器502可被应用以各种选项，取决于受控的过程或***。类似于图5中介绍的实施方式，过程控制器包括集成到过程控制器中的多个光学传感器506。在该实施方式中，光学传感器506可被应用于通过光纤电缆通信，以便测量两个温度区域的温度。
过程控制器502可进一步具有多种通信(I/O)端口，包括串行通信端口508，多个并行端口510,以太网端口512以及USB端口514。在该实施方式中，过程控制器进一步包括微型USB端口516和设备地址拨号(dials)518，以便识别受控***的一个或多个装置之中的通信频道。I/O端口还可被应用于从过程控制器402传达指令至多个受控装置或***，类似于图4中介绍的过程控制器402。
参见图6，阐明了具有集成光学传感的封闭式过程控制器602的另一形式，总体上用参考标号602表示。类似于上述图4中的实施方式，控制器602包括机械外壳604，机械外壳604罩住具有用于温度感应与加热器运行控制的电气部件的一个或多个印刷电路卡，以及用于与受控***内的其它电子器件通信的通信I/O模块或电路。过程控制器602包括集成到过程控制器中的多个光学传感器606。此外，过程控制器可进一步包括各种通信(I/O)端口，如之前论述的，包括例如并行端口610。
图7中还显示了一种形式，为具有集成光学传感的封闭式过程控制器702。类似于上述图5中的实施方式，控制器702包括机械外壳704，机械外壳604罩住具有用于温度感应与加热器运行控制的电气部件的一个或多个印刷电路卡，以及用于与受控***内的其它电子器件通信的通信I/O模块或电路。(应理解，温度感应与加热器控制仅为示范性的，并不应理解为限制本发明内容的范围。)过程控制器702包括多个集成光学传感器706。此外，过程控制器702可进一步包括各种通信(I/O)端口，包括例如并行端口710，以太网端口712以及USB端口714。过程控制器可进一步包括设备地址拨号718，以便识别受控***的一个或多个装置之中的通信频道。I/O端口还可被应用于从过程控制器702传达指令至多个受控装置或***，类似于图4中介绍的过程控制器402。
应注意，在此描述的各种模块和/或电路(例如控制器，微控制器，处理器等等)可为单一处理装置或多个处理装置。这样的处理装置可为微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或基于操作指令操纵信号(模拟的和/或数字的)的任何装置。操作指令可存储于存储器中。存储器可为单一存储器或多个存储器。这样的存储器可为只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、易失存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪速存储器和/或存储数字信息的任何装置。还应注意，当处理模块通过状态机、模拟电路、数字电路、和/或逻辑电路执行一个或多个其功能时，存储相应操作指令的存储器可被嵌入有包括状态机的电路、模拟电路、数字电路、和/或逻辑电路。在这样的实施例中，存储器存储并由与其联接的处理模块执行与在此阐述和/或描述的步骤和/或功能中的至少一些对应的操作指令。
本发明内容的描述实质上仅为示范性的，因此，不脱离于本发明内容的主旨的变体应属于本发明内容公开的范围内。这样的变体不应视为脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种过程控制器，包括：
至少一个光学传感器，其中所述至少一个光学传感器具有可操作以接收电信号的光检测器；以及
设置有所述至少一个光学传感器并与其通信的控制单元，其中所述控制单元基于所述至少一个光学传感器接收到的所述电信号来控制受控装置。
2.根据权利要求1所述的过程控制器，其中所述控制单元解译所述电信号以确定一个或多个与温度有关的过程的温度并基于确定的所述温度来控制所述受控装置。
3.根据权利要求1所述的过程控制器，其中所述光检测器接收到的所述电信号表示对象的温度。
4.根据权利要求1所述的过程控制器，其中所述至少一个光学传感器中的每一个进一步包括被配置为连接至光纤电缆的电缆接口，且其中所述光检测器通过连接至所述电缆接口的所述光纤电缆来接收所述电信号。
5.根据权利要求1所述的过程控制器，进一步包括通信端口，其中所述控制单元通过所述通信端口可通信地耦合连接至所述受控装置。
6.根据权利要求1所述的过程控制器，进一步包括外壳，其中所述至少一个光学传感器和所述控制单元收容于所述外壳中。
7.一种集成的过程控制装置，包括：
至少一个光学传感器，其中所述至少一个光学传感器中的每一个包括光源和光检测器，所述光源被配置以朝着对象发射电信号，所述光检测器被配置以接收所述对象反射的返回电信号；以及
设置有所述至少一个光学传感器并与其通信的控制单元，其中所述控制单元基于来自所述至少一个光学传感器的所述返回电信号来确定所述对象的状况并且基于确定的所述状况来控制受控装置。
8.根据权利要求7所述的集成的过程控制装置，其中所述状况是温度、压力、应变、气体浓度和腐蚀中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的集成的过程控制装置，其中所述至少一个光学传感器中的每一个进一步包括被配置为连接至光纤电缆的电缆接口，且其中所述至少一个光学传感器中的每一个可操作以通过所述光纤电缆来与所述对象通信。
10.根据权利要求7所述的集成的过程控制装置，其中所述至少一个光学传感器选自由压力、应变、气体浓度和腐蚀组成的群组。
11.根据权利要求7所述的集成的过程控制装置，进一步包括多个通信端口，其中所述控制单元通过所述多个通信端口可通信地耦合连接至所述受控装置。
12.根据权利要求7所述的集成的过程控制装置，其中所述至少一个光学传感器为光学温度传感器。
13.根据权利要求7所述的集成的过程控制装置，其中所述控制单元确定所述对象的温度，如确定所述对象的所述状况一样基于所述返回电信号来确定。
14.用于在无线电频率(RF)升高的环境中的过程控制的***，所述***包括：
过程控制器，所述过程控制器包括至少一个光学传感器和与所述至少一个光学传感器通信的控制单元，
其中所述至少一个光学传感器放置于所述无线电频率升高的环境中并且包括被配置以接收所述对象反射的返回电信号的光检测器，以及
所述控制单元解译所述返回电信号以确定状况并基于确定的所述状况来控制受控装置。
15.根据权利要求14所述的***，进一步包括报表服务器，其中所述过程控制器与所述报表服务器通信，并且传输表示所述受控装置的性能的数据至所述报表服务器。
16.根据权利要求14所述的***，其中所述过程控制器的所述控制单元确定所述对象的温度，如确定所述状况一样基于所述返回电信号来确定。
17.根据权利要求14所述的***，其中所述过程控制器进一步包括一个或多个通信端口，且其中所述控制单元通过所述一个或多个通信端口可通信地耦合连接至所述受控装置。
18.根据权利要求14所述的***，其中所述过程控制器进一步包括外壳，所述外壳***述光学传感器和所述控制单元。
19.根据权利要求14所述的***，其中所述过程控制器的所述至少一个光学传感器中的每一个进一步包括光源和被配置为连接至光纤电缆的电缆接口，且其中所述光源通过连接至所述电缆接口的所述光纤电缆朝着所述对象发射所述电信号，所述光检测器通过连接至所述电缆接口的所述光纤电缆从所述对象接收所述返回电信号。
20.根据权利要求14所述的***，其中所述至少一个光学传感器为光学温度传感器。
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