智能现场设备代理的制作方法

本发明涉及现场设备的领域，尤其涉及一种智能现场设备代理。本发明还涉及一种现场设备系统及其用途。

背景技术：

1、在许多情况下，现场设备通常不仅包含前端传感器，还包含大量的额外逻辑组件（例如，用于处理前端传感器的数据，用于诊断部件、用于支持高级协议）和/或更多组件。这不仅会增加现场设备的复杂性（例如，导致数十万行代码），还会增加其功耗，和/或需要定期更新现场设备的代码。因此，用于降低现场设备复杂性的部件十分必要。

技术实现思路

1、本公开的目的是提供一种降低了复杂度的现场设备。

2、此目的通过独立权利要求的主题来实现。更多实施例可以从从属权利要求和以下描述而变得明显。

3、一个方面涉及一种用于将值来自前端设备的值进行变换并发送到服务器的现场设备代理，其中前端设备不具有用于功能更新的部件。该现场设备代理包括：第一接口，其支持现场设备代理与前端设备之间的第一通信线路；第二接口，其支持现场设备代理与服务器之间的第二通信线路；以及虚拟化模块。该虚拟化模块包括沙盒组件、转换器组件以及更新组件。

4、通过提供该现场设备代理，能够显著降低前端设备的复杂性。因此，前端设备可以仅包含传感器、将传感器的模拟值变换为数字值的adc（模数转换器）、以及用于支持传输数字值的协议的部件。由于其简单性（或：复杂性降低），前端设备不具有用于功能更新的部件。换句话说，在前端设备的操作期间，无法改变所述前端设备内部的任何内容——特别是存储器中的任何条目。唯一的例外情况可能是在前端设备首次安装时执行的更新，例如，用于对worm存储器（worm：一次写入多次读取）进行编程，该存储器例如可以包含前端设备的序列号、mac地址等。不允许甚至不可能进行的“功能更新”可以包括的更新是用于：校正传感器的经变换的数字值（例如，以补偿老化效应）、改变传输协议的具体细节、移除前端设备的固件中的错误等。不具有用于功能更新的部件并不妨碍向前端设备“写入”命令，例如，以用于请求数据传输。

5、需要注意，下文主要针对包括传感器的前端设备描述了现场设备代理。但是，前端设备的另一个实施例可以包括执行器。以下大多数考虑因素可以以相似或类似的方式适用于这样的“执行器前端设备”。

6、现场设备代理是前端设备与服务器之间的“中间”设备。例如，服务器可以是plc（可编程逻辑控制器）或工业自动化工厂中的别的类型的控制设备。服务器可以是pc、企业级计算机、和/或所谓的“云”的一部分。现场设备代理可以是独立的设备，或者可以被集成在服务器中。通常情况下，现场设备代理与前端设备在物理上是分离的。

7、现场设备代理与前端设备之间的通信部件通常支持简单的通信方式（例如，简单的串行总线），但不限于此。现场设备代理的第一接口支持现场设备代理与前端设备之间的第一通信线路（或通信部件）。基本上，现场设备代理的第一接口可以支持多种协议，以供前端设备和现场设备代理从中进行选择。在一些实施例中，第一接口可以被设计为自适应接口，使得可以以自动的方式选择至少一些协议。第一接口可以被配置用于接收来自前端设备的数字值（例如，测量值）。此外，第一接口还可以被配置用于向前端设备发送“请求（例如，数据请求）”命令。例如，通信线路可以通过加密部件进行保护。第一接口可以包括用于接收来自第一通信线路的数据的第一缓冲区。

8、现场设备代理还包括第二接口。第二接口支持现场设备代理与服务器之间的第二通信线路。第二接口可以包括第二缓冲区（“后端缓冲区”）。第二接口可以支持或被配置为支持高级协议，诸如opc ua（开放平台通信统一架构）。

9、现场设备代理包括虚拟化模块。假使多个前端设备被连接到现场设备代理，现场设备代理可以包括多个彼此隔离的虚拟化模块。“隔离”可以包括虚拟化模块之间的逻辑隔离。为确保虚拟化模块之间的隔离，每个虚拟化模块可以包括沙盒组件。虚拟化模块内的虚拟化功能可以由所谓的“平台即服务（paas）”组件来完成，该组件例如由docker软件提供，其提供了所谓的“容器”，这些容器彼此隔离并捆绑了其自己的软件、库以及配置文件。主机资源（例如，cpu、存储器、网络访问）可以供所有设备代理使用。容器可以通过定义明确的通道进行通信。每个设备代理都可通过其自身的ip地址进行寻址。虚拟化模块之间的隔离例如可以带来一个优势，即，错误的影响被限制在发生错误的容器中。主机内可以配置额外的虚拟网络，设备代理可以经由该虚拟网络进行通信。这使得集中诸如profinet通信之类的功能成为可能。这并非是强制性的。每个容器也可以独立实现，或者可以使用混合形式。

10、现场设备代理包括转换器组件，该转换器组件可以被配置用于将来自第一接口的数字值变换为第二接口可以评估的值和协议。例如，当前端设备被配置用于借助ptc（正温度系数）传感器（例如，借助“pt100”传感器）进行温度测量时，前端设备的adc可以向现场设备代理的第一接口发送数字值“130.3”（例如，欧姆）。然后，转换器组件可以将此数字值变换为78.5℃的数字温度值，使得第二接口可以将此值以及服务器所需和/或有用的更多值发送给所述服务器。

11、现场设备代理包括更新组件。该更新组件可以支持前端设备无法执行的所有的功能更新，例如，错误纠正、适配等。

12、此方案提供了一种降低了复杂性的现场设备（确切地说是一种前端设备）的部件，因为现场设备的所有的复杂性都被转移到了现场设备代理中。那么，“现场设备”包括前端设备和现场设备代理。前端设备有意设计得不具备灵活性，并且组件数量极少。因此，前端设备可以是一款低成本、低能耗的设备。此外，由于前端设备不具有用于功能更新的部件，因此这个概念可以作为高安全性现场设备的基础。要实现完整的安全概念，可能还需要更多的部件。

13、在各种实施例中，虚拟化模块还包括以下中的至少一个：加密机；协议引擎；数据处理单元；数据分析单元；用于测量和诊断测量的数据存储单元；访问权限管理单元；自诊断单元；和/或过程诊断单元。自诊断单元可以构建和/或检查校验和或crc（循环冗余校验），以用于检查数据完整性。另外或作为替代，设备健康状态可以由前端设备执行的额外辅助测量（并由现场设备代理触发）构成。例如，这有助于改善有效信号噪声、有效信号幅度、和/或有效抖动等。术语“有效”可以被解释为在现场设备代理输出处所提供的内容。为此，过程诊断单元可以分析来自前端设备的初级和次级测量，以检测过程状况，诸如通过检测密度瞬变来检测管道中流动流体中的气泡，或在储罐中检测流体上的泡沫。这可能会导致激光束的反射信号减弱，例如，激光束可能从罐顶向下照射到待测量的流体上。

14、在各种实施例中，第一通信线路是安全通信线路。这可以确保或提高第一通信线路的数据完整性。

15、在各种实施例中，前端设备被配置用于定期和/或按需向现场设备代理发送值。定期发送的频率可以在制造工厂或初始安装时被确定。当允许按需发送值时，通信线路（和/或协议）可以使能进行双向通信，但不允许通过此双向通信改变任何内容（例如，前端设备中的存储器条目）。

16、在各种实施例中，发送频率具有上限和/或下限。上限和/或下限可以适用于定期发送，例如，以用于以精确的方式确定通信量。上限和/或下限也可以适用于按需发送。在这种情况下，上限（即，最大频率）的选择方式可以避免ddos攻击和/或考另一准则。下限（即，最小频率）的选择方式可以实现“保持活跃”功能。

17、在各种实施例中，第一通信线路和/或第二通信线路可以是有线和/或无线的。

18、在一些实施例中，第一通信线路和第二通信线路可以仅被实现为一条线路，例如，通过使用以太网apl。

19、在各种实施例中，第一通信线路支持以下协议中的至少一项：高速公路可寻址远程传感器（hart）协议；modbus协议；消息队列遥测传送（mqtt）协议；（简单的）串行总线协议，例如，rs-232、dali、spi、can总线、i2c、uni/o、1-wire；或者专有协议。现场设备代理可以支持多种协议。

20、在各种实施例中，现场设备代理与前端设备物理分离。在这些实施例中，现场设备代理可以运行在性能更高和/或能源需求更高的设备上。现场设备代理可以被连接到常规能源网络，而前端设备则不被连接常规能源网络、甚至可以是自主运行的设备。

21、在各种实施例中，现场设备代理被物理地集成到服务器设备中。这对于工业工厂中的场景可能是特别有利的，因为服务器可以被集成到控制器设备中，例如，集成到plc中。

22、在各种实施例中，第二接口被配置用于支持以下中的至少一项：开放平台通信统一架构（opc ua）、profinet协议、任何以太网和/或ip协议、或modbus协议。

23、一方面涉及一种现场设备系统，该系统包括前端设备和根据前述权利要求中任一项所述的现场设备代理。

24、在一些实施例中，前端设备是以下中的一项：温度测量设备；填充水平测量设备；流量测量设备；压力测量设备；或者ph值或电导率测量设备。另外或作为替代，前端设备可以不是测量前端，而仅用于转发例如经由通信部件（例如，蓝牙）接收的值。

25、在各种实施例中，现场设备代理被配置用于组合来自多个前端设备的值。该现场设备代理可以支持多个前端设备的功能组合，例如，以用于冗余和/或用于组合功能。示例可以是两个ptc的组合，或者ptc和ntc的组合以用于温度测量。

26、一方面涉及一种用于将来自服务器的值进行变换并发送到前端设备的现场设备代理，其中前端设备不具有用于功能更新的部件，该现场设备代理包括：第三接口，其支持服务器与现场设备代理之间的第三通信线路；第四接口，其支持现场设备代理与前端设备之间的第四通信线路；以及虚拟化模块。该虚拟化模块包括：沙盒组件；转换器组件；以及更新组件。该实施例尤其适用于类似执行器的前端设备。

27、一方面涉及一种现场设备代理，用于将从前端设备发送的值（特别是测量值）变换为适合于服务器的值格式。

28、为进一步阐明，将借助附图中所示的实施例对本公开进行描述。这些实施例仅作为示例，而非限制。