專利名稱：用于過程控制系統(tǒng)的無線架構和載體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明公開了一種用于在分布式過程控制系統(tǒng)中提供無線通信的方法和裝置，該方法和裝置可在過程控制系統(tǒng)中的各種遠程設備和基地計算機之間建立并保持穩(wěn)定的無線通信連接。
背景技術：
過程控制系統(tǒng)廣泛地應用于進行產(chǎn)品制造或過程控制的車間和/或工廠，例如化學制造、電廠控制等。過程控制系統(tǒng)還應用于自然資源的獲取，例如，石油和天然氣的鉆取與加工處理等。事實上，幾乎所有的制造過程、資源獲取過程等都可以通過應用一或多個過程控制系統(tǒng)來實現(xiàn)自動化?？梢源_信，過程控制系統(tǒng)最終也將會更廣泛地應用于農業(yè)。
過程控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式已經(jīng)過多年的發(fā)展。早前的過程控制系統(tǒng)通常利用專用的、集中的硬件及硬布線連接來實現(xiàn)。
然而，現(xiàn)代的過程控制系統(tǒng)通常利用工作站、智能控制器、智能現(xiàn)場設備等的高度分布式網(wǎng)絡來實現(xiàn)，這些設備中的一部分或者全部可執(zhí)行整個過程控制策略或方案的一部分。具體地，大多數(shù)現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)都包括智能現(xiàn)場設備和其它過程控制部件，它們通過一根或多根數(shù)字數(shù)據(jù)總線彼此相互通信連接和/或通信連接到一或多個過程控制器。除智能現(xiàn)場設備之外，現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)還可包括模擬現(xiàn)場設備，例如4～20毫安培(mA)的設備、0～10伏特的直流電壓(VDC)設備等，與共享的數(shù)字數(shù)據(jù)總線等形成對照，這些設備通常直接連接到控制器。
在典型的工業(yè)工廠或加工工廠中，應用分布式控制系統(tǒng)(DCS)以便對在工廠內進行的眾多工業(yè)化過程進行控制。工廠可設立具有計算機系統(tǒng)的集中式控制室，該計算機系統(tǒng)具有用戶輸入/輸出(I/O)、磁盤I/O以及其它計算機領域內公知的外部設備，并且一或多個過程控制器和過程I/O子系統(tǒng)通信連接到該集中式控制室。另外，一或多個現(xiàn)場設備典型地連接到I/O子系統(tǒng)和過程控制器，以便在工廠內進行控制和測量活動。當過程I/O子系統(tǒng)可包括連接到遍及工廠內的各種現(xiàn)場設備的多個I/O端口時，這些現(xiàn)場設備可包括各種類型的分析裝置、硅壓力傳感器、電容壓力傳感器、電阻溫度探測器、熱電耦、應變儀、限位開關、開/關閘、流量傳送儀、壓力傳送器、電容電平)開關(capacitance level switches)、重量秤、變換器、閥門定位器、閥門控制器、執(zhí)行器、電磁管、指示燈或任何其它典型地用在加工工廠的設備。
這里用到的術語“現(xiàn)場設備”既包括所提及的設備，也包括任何一個在控制系統(tǒng)中執(zhí)行某一功能的其它設備。無論如何，現(xiàn)場設備可包括，例如，輸入設備以及響應于從控制器和/或其它現(xiàn)場設備接收到的命令而執(zhí)行動作的控制操作器或執(zhí)行器，其中輸入設備例如提供指示諸如溫度、壓力、流速之類的過程控制參數(shù)的狀態(tài)信號的傳感器等設備。
傳統(tǒng)上，模擬現(xiàn)場設備通過兩線雙絞線電流環(huán)連接到控制器，且各個設備都通過單獨的兩線雙絞線連接到控制器。模擬現(xiàn)場設備能夠在特定范圍之內響應或傳送電信號。在典型的結構中，雙絞線的兩根線之間通常具有大約20～25伏特的電壓差，并且會有4～20mA的電流流過電流環(huán)。傳輸信號到控制室的模擬現(xiàn)場設備對流過電流環(huán)的電流進行調制，使得此電流與測量到的過程變量成比例。
在控制室控制下執(zhí)行操作的模擬現(xiàn)場設備由通過電流環(huán)的電流強度來控制，此電流由被控制器順序控制的過程I/O系統(tǒng)的I/O端口進行調制。具有有源電子(active electronics)的傳統(tǒng)雙線模擬設備也能從此電流環(huán)接收高達40千瓦的電能。需要更高電能的模擬現(xiàn)場設備典型地利用四線連接到控制器，其中四線中的兩根線輸送電能給設備。這種設備在現(xiàn)有技術中已知為四線設備，并且不像典型的雙線設備那樣具有電能限制。
離散現(xiàn)場設備可傳送或響應于二進制信號。典型地，離散現(xiàn)場設備在24伏特的交流(AC)或直流(DC)信號、110伏特或240伏特AC信號，或5伏特DC信號下工作。當然，離散設備可設計為根據(jù)由特定控制環(huán)境要求的電氣性能工作。離散輸入的現(xiàn)場設備可以僅為使該設備與控制器接通或斷開的開關，而離散輸出的現(xiàn)場設備會根據(jù)是否存在來自控制器的信號來執(zhí)行操作。
從歷史上看，多數(shù)傳統(tǒng)的現(xiàn)場設備具有與現(xiàn)場設備所執(zhí)行的主要功能直接相關的單一輸入或單一輸出。比如，由傳統(tǒng)的模擬電阻溫度傳感器實現(xiàn)的唯一功能是通過調制流過兩線雙絞線的電流來傳送溫度，由傳統(tǒng)的模擬閥門定位器實現(xiàn)的唯一功能是根據(jù)流過兩線雙絞線的電流量來將閥門定位到處于全開位置和全閉位置之間的某個位置上。
近年來，作為混和系統(tǒng)一部分的現(xiàn)場設備已經(jīng)可以在用于傳送模擬信號的電流環(huán)上疊加數(shù)字數(shù)據(jù)。這種混和系統(tǒng)在控制領域內的一種公知技術是高速可尋址遠程傳感器(HART)的協(xié)議。HRAT系統(tǒng)利用電流環(huán)中的電流量來發(fā)送模擬控制信號或接收測量到的過程變量，這一點類似傳統(tǒng)的系統(tǒng)，但是其還在電流環(huán)信號上疊加數(shù)字載波信號。HART協(xié)議利用Bell 202頻移鍵控(FSK)標準，以便在4～20mA模擬信號之上疊加低電平的數(shù)字信號。這使得雙向現(xiàn)場通信得以出現(xiàn)，并且使得普通過程變量之外的附加信息可以發(fā)送到/接收自智能現(xiàn)場儀器。HART協(xié)議在不干擾4～20mA信號的情況下以每秒1200比特的速率通信，并且允許主機應用程序，即主控制器，每秒從現(xiàn)場設備獲得兩次或更多次數(shù)的數(shù)字更新。由于數(shù)字FSK信號是相位連續(xù)的，因此它與4～20mA的信號間沒有干擾。
由于FSK信號相對較慢，因此，可以以每秒大約2～3次更新的速率提供二級過程變量或其它參數(shù)的更新。一般來說，數(shù)字載波信號用來發(fā)送二級信息和特征信息，并且不用于實現(xiàn)現(xiàn)場設備的主要控制功能。提供在數(shù)字載波信號之上的信息的示例包括二級過程變量、包括傳感器特征、設備特征、線路特征和過程特征在內的特征信息、工作溫度、傳感器溫度、校驗信息、設備ID號、結構材料、構造或設計信息等。因此，單個混和現(xiàn)場設備可具有多個輸入和輸出變量，并可實現(xiàn)多種功能。
近年來，美國儀表學會(ISA)已經(jīng)規(guī)定了更新的控制協(xié)議。此新協(xié)議通常指的是現(xiàn)場總線(Fieldbus)，更具體地指的是SP50，即標準和應用小組委員會50的縮寫。Fieldbus協(xié)議定義了兩個子協(xié)議。H1 Fieldbus網(wǎng)絡以高達每秒31.25千比特的速率傳輸數(shù)據(jù)，并向連接到該網(wǎng)絡的現(xiàn)場設備供電。H2 Fieldbus網(wǎng)絡以高達每秒2.5兆比特的速率傳輸數(shù)據(jù)，不向連接到該網(wǎng)絡的現(xiàn)場設備供電，并且具有冗余的傳輸介質?，F(xiàn)場總線是非專有的開放標準并在當前廣泛應用在工業(yè)中，同樣地，多種類型的現(xiàn)場總線設備已經(jīng)得到發(fā)展并應用在加工工廠中。由于現(xiàn)場總線設備除可在HRAT與4～20mA設備中使用之外，還可用于其它類型的現(xiàn)場設備，所以現(xiàn)場總線具有與這些不同類型設備中每一設備相關的獨立載體和I/O通信結構。
較新的智能現(xiàn)場設備本質上是全數(shù)字的，并具有不便于與較早的控制系統(tǒng)銜接或相容的維護模式和增強功能。即便分布式控制系統(tǒng)的所有部件都符合同一標準，例如現(xiàn)場總線標準，但是一家制造商的控制設備也可能無法訪問由另一家制造商的現(xiàn)場設備提供的二級功能和二級信息。
因此，過程控制系統(tǒng)設計的一個尤為重要的方面涉及現(xiàn)場設備與現(xiàn)場設備、與控制器以及與過程控制系統(tǒng)中或加工工廠內其它系統(tǒng)或設備之間的通信連接方式。一般來說，使現(xiàn)場設備能夠在過程控制系統(tǒng)中運行的各種通信信道、鏈路和路徑，通常被統(tǒng)稱為輸入輸出(I/O)通信網(wǎng)絡。
用以實現(xiàn)I/O通信網(wǎng)絡的通信網(wǎng)絡拓撲和物理連接或路徑，對現(xiàn)場設備通信的魯棒性或完整性有實質性的影響，尤其是在I/O通信網(wǎng)絡受到與過程控制系統(tǒng)相關的環(huán)境因素或狀況影響時。例如，許多工業(yè)控制應用經(jīng)常使現(xiàn)場設備及相關I/O通信網(wǎng)絡經(jīng)受苛刻的物理環(huán)境以及惡劣的電環(huán)境，其中苛刻的物理環(huán)境例如高、低或多變的環(huán)境溫度、震動、腐蝕性氣體或液體等，而惡劣的電環(huán)境例如高噪聲環(huán)境、不良的功率品質、瞬時電壓等。不管怎樣，環(huán)境因素能夠損害在一或多個現(xiàn)場設備、控制器等之間的通信完整性。在某些情況下，這些受損的通信會妨礙過程控制系統(tǒng)以有效或正確的方式執(zhí)行自身的控制程序，這會導致過程控制系統(tǒng)的效率和/或效益降低、過度磨損或損壞設備，以及可能損壞或破壞設備、建筑結構、環(huán)境和/或人員的危險狀況。
為使環(huán)境因素的影響降至最低并確保穩(wěn)定的通信路徑，用于過程控制系統(tǒng)的I/O通信網(wǎng)絡曾經(jīng)是硬布線網(wǎng)絡，且布線包裹在諸如絕緣、屏蔽和管道之類的環(huán)境防護材料中。而且，這些過程控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備曾經(jīng)典型地利用硬布線分級拓撲結構通信連接到控制器、工作站和其它過程控制系統(tǒng)部件，其中在分級拓撲結構中非智能現(xiàn)場設備利用諸如4～20mA、0～10VDC等硬布線接口或I/O板之類的模擬接口直接連接到控制器。諸如Fieldbus設備之類的智能現(xiàn)場設備也通過硬布線數(shù)字數(shù)據(jù)總線進行連接，它們經(jīng)智能現(xiàn)場設備接口連接到控制器。
雖然硬布線I/O通信網(wǎng)絡最初能提供魯棒的I/O通信網(wǎng)絡，但是其魯棒性會因為環(huán)境的壓力，例如腐蝕性氣體或液體、震動、濕度等，而隨著時間嚴重退化。例如，與I/O通信網(wǎng)絡線路關聯(lián)的接觸電阻可能會由于腐蝕、氧化等大幅增加。另外，線路絕緣和/或屏蔽可能會退化或失效，從而產(chǎn)生環(huán)境電干擾或噪聲能夠更容易地使經(jīng)I/O通信網(wǎng)絡線路傳輸?shù)男盘柫踊臓顩r。在某些情況下，失效的絕緣會導致短路的情形，這種情形會引起關聯(lián)的I/O通信線路的完全失效。
另外，安裝硬布線I/O通信網(wǎng)絡通常很昂貴，尤其在I/O通信網(wǎng)絡與分布在較大地理區(qū)域中的大型工廠或設施相關聯(lián)的情況下，比如，占用數(shù)英畝土地的煉油廠或化工廠。在許多情況下，與I/O通信網(wǎng)絡相關聯(lián)的布線必須跨越長距離和/或穿過、埋線于或圍繞許多結構，例如墻壁、建筑物、設備等。如此長的布線距離通常要牽扯相當大量的勞動力、材料及費用。進一步，如此長的布線距離極易因線路阻抗以及連接電干擾而引起信號劣化，并且這兩種情況都能夠引起通信不可靠。
而且，這種硬布線I/O通信網(wǎng)絡在需要改造或更新時通常難于重新設置。增加新的現(xiàn)場設備通常需要在新的現(xiàn)場設備和控制器之間安裝線路。由于長布線距離以及經(jīng)常在以前的過程控制工廠和/或系統(tǒng)中遇到的空間限制問題，所以以這種方式改造加工工廠會非常困難和昂貴。沿可用布線路徑置入的管道、設備和/或結構內的大量線路數(shù)目，會明顯地增加改造現(xiàn)有系統(tǒng)或者在現(xiàn)有系統(tǒng)中增加現(xiàn)場設備的困難。在這種情況下，以具有不同現(xiàn)場布線要求的新的現(xiàn)場設備替換現(xiàn)有現(xiàn)場設備，也存在同樣的困難，這是因為必須安裝更多和/或不同的線路以便與新設備適配。這些改造一般也會導致大規(guī)模的工廠停工。
已有建議使用無線I/O通信網(wǎng)絡以減輕與硬布線I/O網(wǎng)絡相關的困難。比如，泰普生(Tapperson)等人的美國專利申請序列號No.09/805,124公開了一種提供在控制器和現(xiàn)場設備之間的無線通信以作硬布線通信的增加和補充之用的系統(tǒng)。但是，在當前的加工工廠內使用的無線I/O通信網(wǎng)絡，即便不是全部也是其中的大部分都利用相對昂貴的硬件設備來實現(xiàn)，例如無線使能路由器、集線器、開關等，它們中的大多數(shù)消耗相對大量的電能。進一步，諸如卡車、火車的經(jīng)行之類的斷續(xù)干擾、環(huán)境或相關狀況等，都使得無線通信網(wǎng)絡不可靠并因此而容易出現(xiàn)問題。
另外，已知的包括硬件和相關軟件在內的無線I/O通信網(wǎng)絡，通常使用點對點通信路徑，這些路徑在安裝期間被仔細地選擇出并在后續(xù)系統(tǒng)工作期間被固定。在這些無線I/O通信網(wǎng)絡中建立固定的通信路徑通常包括動用一或多名專家來進行昂貴的現(xiàn)場勘測，現(xiàn)場勘測能讓專家確定收發(fā)器和其它通信設備的類型和/或位置。進一步，一旦通過現(xiàn)場勘測結果選擇出固定的點對點通信路徑，這些專家中的一或多名就必須在隨后設置設備、調諧天線等。雖然一般選擇點對點路徑來確保滿足要求的無線通信，但是隨著車間的變遷，比如移動或增加設備、墻壁或其它構造，會降低最初選擇的路徑的可靠性，從而導致不可靠的無線通信。
雖然無線I/O通信網(wǎng)絡能夠，例如降低與硬布線通信路徑相關的長期的魯棒性問題，但由于無線I/O通信網(wǎng)絡相對不太靈活，且在過程控制工業(yè)中多數(shù)被認為無法可靠地執(zhí)行關鍵的或者必需的過程控制功能。例如，目前沒有簡便的方式可以指示出無線通信在何時工作不當，或者在何時已經(jīng)退化到無線鏈路上的通信不太可靠的程度，或者在何時完全地停止。因此，在實現(xiàn)關鍵或者必需的過程控制功能時，當前的過程控制操作對無線通信網(wǎng)絡的信任度很低。
因此，由于安裝無線I/O通信網(wǎng)絡相關的成本，例如現(xiàn)場勘測、專家設置等，以及當前的過程控制系統(tǒng)的操作員對無線通信的相對較低的信任度，所以無線I/O通信網(wǎng)絡的價格通常令其客戶望而卻步，尤其對于諸如典型地用在工業(yè)應用之類的相對大型的過程控制系統(tǒng)而言更是如此。

發(fā)明內容
本發(fā)明公開了一種用在過程控制系統(tǒng)中的無線通信架構，包括利用網(wǎng)狀通信以及可能的網(wǎng)狀通信與點對點通信的結合，來生成一個易于建立、設置、改變和監(jiān)控的更為魯棒的無線通信網(wǎng)絡，從而使得無線通信網(wǎng)絡更魯棒、更低廉且更可靠。該無線通信架構以這樣一種方式實現(xiàn)，即獨立于加工工廠內的特定消息或實際通信路徑，事實上，該無線通信網(wǎng)絡被實現(xiàn)為允許建立實際通信路徑，并以獨立于在加工工廠內的不同無線發(fā)送和接收設備之間發(fā)送的無線信號的方式用在過程控制系統(tǒng)中。
優(yōu)選情況下，采用一或多個環(huán)境節(jié)點來控制和優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡的工作。環(huán)境節(jié)點鏈接到現(xiàn)場“環(huán)境”設備，該現(xiàn)場“環(huán)境設備”提供指示諸如溫度、大氣壓力、濕度、降雨量和無線電頻率(RF)環(huán)境噪聲、能夠改變網(wǎng)絡的工作的其它環(huán)境因素之類的一或多個環(huán)境因素的信號。
在另一優(yōu)選情況下，該網(wǎng)絡包括鏈接到無線卡的主控制器。該無線卡與中繼節(jié)點通信，中繼節(jié)點反過來與現(xiàn)場節(jié)點通信?，F(xiàn)場節(jié)點鏈接到多個現(xiàn)場設備。在另一優(yōu)選情況下，可以刪除中繼節(jié)點。在另一優(yōu)選情況下，上面提到的環(huán)境節(jié)點和環(huán)境檢測設備可包括也可不包括一或多個中繼節(jié)點。在進一步的優(yōu)選情況下，現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點包括多個用于與現(xiàn)場設備通信的端口。
在優(yōu)選情況下，建立無線通信網(wǎng)絡以便在加工工廠內的不同設備之間傳輸HART通信信號，從而使得魯棒的無線通信網(wǎng)絡被應用在加工工廠或其它兼容HART設備的環(huán)境中。
在一個實施例中，公開了一種過程控制無線通信網(wǎng)絡，包括基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和主機?；?jié)點通信連接到主機?；?jié)點、現(xiàn)場節(jié)點以及環(huán)境節(jié)點中的各個節(jié)點都包括無線轉換單元和無線收發(fā)器?；?jié)點、現(xiàn)場節(jié)點以及環(huán)境節(jié)點的無線收發(fā)器實現(xiàn)基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點以及環(huán)境節(jié)點之間的無線通信?，F(xiàn)場節(jié)點包括至少一個提供過程控制數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備。環(huán)境節(jié)點包括至少一個提供與可影響無線通信網(wǎng)絡工作的環(huán)境因素相關的數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備。
在優(yōu)選情況下，該網(wǎng)絡還包括中繼節(jié)點，該中繼節(jié)點包括無線轉換單元和無線收發(fā)器。該中繼節(jié)點實現(xiàn)基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點以及環(huán)境節(jié)點之間的無線通信。
在另一優(yōu)選情況下，環(huán)境節(jié)點包括多個現(xiàn)場設備，這各個現(xiàn)場設備提供從包括溫度、大氣壓力、濕度、降雨量和無線電頻率環(huán)境噪聲的組中選擇的數(shù)據(jù)。
在另一優(yōu)選情況下，現(xiàn)場設備中的至少一些是HART協(xié)議設備。在另一優(yōu)選情況下，現(xiàn)場設備中的至少一些是FieldbusTM協(xié)議設備。
在另一優(yōu)選情況下，該網(wǎng)絡包括多個策略地布置在過程區(qū)域周圍的環(huán)境節(jié)點，以便向該過程區(qū)域內的不同位置傳送環(huán)境數(shù)據(jù)。
在一種優(yōu)選情況下，基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點以及環(huán)境節(jié)點形成網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡，提供任意兩個無線節(jié)點之間的多條通信路徑。在另一優(yōu)選情況下，基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點以及環(huán)境節(jié)點形成點對點通信網(wǎng)絡。在再一優(yōu)選情況下，該網(wǎng)絡包括開關設備，該開關設備把基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點以及環(huán)境節(jié)點從網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡轉換成點對點通信網(wǎng)絡，并且反之亦然。
還公開了通信工具，以使操作者能夠監(jiān)視無線通信系統(tǒng)的圖示，從而方便地確定建立在加工工廠中的真實無線通信路徑、確定任意特定路徑的品質并確定或監(jiān)視經(jīng)過無線通信網(wǎng)絡從發(fā)送器傳送到接收器的信號的性能，從而使用戶或操作者可以評估無線通信網(wǎng)絡的整體工作特性。
在優(yōu)選情況下，通信工具包括一或多個示出節(jié)點之間的連通性的圖形拓撲圖、示出連通性矩陣和跳數(shù)的列表、以及示出硬件設備的位置和連通性的實際圖。示出網(wǎng)絡的基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點之間的無線通信的監(jiān)控器可以與基節(jié)點或者主機相連。在另一優(yōu)選情況下，拓撲屏幕顯示還示出了基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點設置在其中的過程區(qū)域或環(huán)境的結構特性。在另一優(yōu)選情況下，主機被編程為提供表形屏幕顯示，列出網(wǎng)絡的各種節(jié)點之間的通信的跳數(shù)。
在另一優(yōu)選情況下，設置無線通信網(wǎng)絡以便在加工工廠內的不同設備之間傳輸現(xiàn)場總線通信信號，從而使得魯棒的無線通信網(wǎng)絡在加工工廠或者在兼容現(xiàn)場總線的設備與兼容HART的設備相結合或取代兼容HART設備的環(huán)境中使用。
在優(yōu)選情況下，公開了一種用于控制過程的方法，包括接收來自至少一個現(xiàn)場設備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)從現(xiàn)場節(jié)點無線地發(fā)送到基節(jié)點，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉換到不同的協(xié)議，將不同協(xié)議的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點，在路由節(jié)點處確定用于接收不同協(xié)議的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的目標設備，發(fā)送不同協(xié)議的現(xiàn)場數(shù)據(jù)到目標設備。
在另一優(yōu)選情況下，公開了一種監(jiān)控無線過程控制網(wǎng)絡的方法，包括接收來自環(huán)境節(jié)點的一或多個環(huán)境現(xiàn)場設備的環(huán)境數(shù)據(jù)，無線地傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)到基節(jié)點，傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)到主機，在主機處解析環(huán)境數(shù)據(jù)，從主機向基節(jié)點發(fā)送命令以便根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)調整該無線網(wǎng)絡的至少一個工作參數(shù)，將該命令從基節(jié)點傳輸?shù)桨ㄖ辽僖粋€現(xiàn)場設備的至少一個現(xiàn)場節(jié)點以執(zhí)行所述命令。
通過閱讀下述詳細說明和獨立權利要求并參考附圖，其它優(yōu)點和特征將變得清楚。


為更完整地理解本發(fā)明，參考在附圖中詳盡示出并在下文中通過示例方式進行說明的實施例。在附圖中圖1是傳統(tǒng)的硬布線分布式控制系統(tǒng)的組合方框和示意圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明設計的過程環(huán)境的部分中的無線通信網(wǎng)絡的組合方框和示意圖；圖3是示出網(wǎng)狀無線通信和點對點無線通信的過程環(huán)境中的無線通信網(wǎng)絡的圖；圖4是可用于在圖3的通信網(wǎng)絡中的網(wǎng)狀通信和點對點通信之間切換的網(wǎng)狀和點對點使能通信設備的方框圖；圖5是由無線網(wǎng)絡分析工具創(chuàng)建的幾何拓撲屏幕顯示的示例，示出根據(jù)本發(fā)明設計的無線通信系統(tǒng)中的不同設備之間的無線通信；圖6是以表形呈現(xiàn)并由所公開的無線網(wǎng)絡分析工具創(chuàng)建的拓樸屏幕顯示的示例，示出在所公開的無線通信系統(tǒng)中各個無線通信設備之間的跳數(shù)目或跳數(shù)；圖7是由所公開的無線網(wǎng)絡分析工具創(chuàng)建的拓撲屏幕顯示的示例，示出工廠布局的圖形內的無線通信，以使操作者或其它用戶監(jiān)視無線通信網(wǎng)絡中發(fā)生的特定通信以及由工廠布局帶來的潛在物理障礙；圖8是由所公開的無線網(wǎng)絡分析工具創(chuàng)建的屏幕顯示的示例，使得用戶或操作者能夠在無線通信網(wǎng)絡中指定通道路由和標示；圖9是由無線網(wǎng)絡分析工具創(chuàng)建的的屏幕顯示的示例，示出與無線通信系統(tǒng)中不同設備之間的無線通信相關的信息的圖形化顯示，使用戶或操作者能夠分析該無線通信網(wǎng)絡的工作性能和參數(shù)；以及圖10是利用例如EMBER協(xié)議這樣的第二通信協(xié)議無線地實現(xiàn)HART通信協(xié)議的無線通信設備的框圖；應理解，附圖并不按比例，并且通過圖形符號、虛線、圖形表示和局部視圖來顯示實施例。在某些情況下，為便于理解所公開的實施例和方法，省略了不必要的細節(jié)或者導致其它細節(jié)難以被理解的地方。本發(fā)明并不限于所示出的特定實施例。
具體實施例方式
圖1示出了一個典型的硬布線分布式過程控制系統(tǒng)10，該系統(tǒng)包括連接到一或多個主工作站或主計算機14的一或多個過程控制器12，其中主工作站或主計算機14可以是任何類型的個人計算機或工作站。過程控制器12還連接到輸入/輸出(I/O)設備20、22的存儲區(qū)，反過來，I/O設備20、22連接到一或多個現(xiàn)場設備25～39。僅就示例而言，控制器12可以是Fisher-Rosemount系統(tǒng)有限公司出售的DeltaVTM控制器，其通過例如以太網(wǎng)連接40或其它通信鏈路通信連接到主計算機14。同樣，控制器12利用任何所需的硬件和相關的軟件通信連接到現(xiàn)場設備25～39，例如，標準4～20mA設備和/或諸如Fieldbus協(xié)議或HART協(xié)議之類的智能通信協(xié)議。正如通常所知，控制器12執(zhí)行或管理自身存儲的或者與其相關的過程控制程序，并且與設備25～39通信，以便以所需方式對過程進行控制。
現(xiàn)場設備25～39可以是任何類型的設備，例如傳感器、閥門、傳送器、定位器等。存儲區(qū)20、22中的I/O卡可以是遵循諸如HART、Fieldbus、過程現(xiàn)場總線(Profibus)之類的所需通信或控制器協(xié)議的任何類型的I/O設備。在圖1所示實施例中，現(xiàn)場設備25～27是在模擬線路上與I/O卡22A通信的標準4～20mA設備?，F(xiàn)場設備28～31是連接到與HART兼容的I/O設備20A的HART設備。同樣，現(xiàn)場設備32～39是諸如Fieldbus現(xiàn)場設備之類的智能設備，它們在數(shù)字總線42或44上利用例如Fieldbus通信協(xié)議與I/O卡20B或22B通信。當然，現(xiàn)場設備25～39以及I/O卡20和22的存儲區(qū)也可遵循除4～20mA、HART或Fieldbus協(xié)議之外的任何其它所需標準或協(xié)議，其中包括在未來開發(fā)出的任何標準或協(xié)議。
各個控制器12被設置為執(zhí)行通常被稱之為功能塊的控制策略，其中各個功能塊是整個控制程序的一部分，例如是子程序，并且通過稱之為鏈路的通信工具與其它功能塊協(xié)同工作，以便在過程控制系統(tǒng)10中執(zhí)行過程控制環(huán)。功能塊典型地實現(xiàn)輸入功能、控制功能或輸出功能中的一項功能，以實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)10中的某些物理功能，其中輸入功能例如與傳送器、傳感器或其它過程參數(shù)檢測設備相關的功能，控制功能例如與實現(xiàn)PID、模糊邏輯等控制的控制程序相關的功能，輸出功能控制諸如閥之類的某些設備的工作。當然，也存在混合類型或其它類型的功能塊。這些功能塊的組群稱之為模塊。在功能塊用于4～20mA設備和某些類型的智能現(xiàn)場設備或與這些設備相關的情況下，這些功能塊和模塊可存儲在控制器12中并由控制器12來執(zhí)行，或者，在功能塊用于Fieldbus設備或與Fieldbus設備相關的情況下，這些功能塊和模塊可存儲在現(xiàn)場設備中并由現(xiàn)場設備來執(zhí)行。盡管圖1所示控制系統(tǒng)10被描述為利用功能塊控制策略，但是控制策略也可利用其它規(guī)則來執(zhí)行或設計，比如梯形邏輯圖、順序流程圖等，以及利用任意的專用或非專用編程語言來執(zhí)行或設計。
正如從對圖1的描述中看出的，主工作站14和控制器12之間的通信以及控制器12與現(xiàn)場設備25～39之間的通信通過硬布線通信連接實現(xiàn)，其中包括HART、Fieldbus和4～20mA硬布線通信連接中的一或多個。然而，如前所述，人們期望用這樣一種方式的無線通信替代或增強圖1中過程環(huán)境中的硬布線通信連接，即一種可靠、易于建立和設置、向操作者或其它用戶提供分析或檢查該無線網(wǎng)絡的功能性能的能力等的無線通信網(wǎng)絡。
圖2示出了用于提供在圖1所示不同設備之間的通信的無線通信網(wǎng)絡60，更特別地，該無線通信網(wǎng)絡用于提供圖1中的控制器12或相關I/O設備22與現(xiàn)場設備25～39之間、控制器12與主工作站14之間、或主工作站14與圖1中的現(xiàn)場設備25～39之間的通信。然而，應理解，圖2中的無線通信網(wǎng)絡60可用于提供加工工廠或加工環(huán)境中任意其它類型或款式的設備之間的通信。
圖2的通信網(wǎng)絡60被示出為包括一或多個基節(jié)點62、一或多個中繼節(jié)點64、一或多個環(huán)境節(jié)點66以及一或多個現(xiàn)場節(jié)點68的各類通信節(jié)點，其中環(huán)境節(jié)點66在圖2中示出為節(jié)點66a和66b，現(xiàn)場節(jié)點68在圖2中示出為節(jié)點68a、68b和68c。一般來說，無線通信網(wǎng)絡60的節(jié)點以網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡工作，其中各個節(jié)點接收信息，判斷該信息的目的地是否為本節(jié)點，如果不是，則在通信范圍之內將該信息轉發(fā)或傳送到其它節(jié)點。正如所知，網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的任何節(jié)點可在范圍內與其它節(jié)點通信，以便在網(wǎng)絡中傳送信息，特定的通信信號在到達目的地之前經(jīng)過多個節(jié)點。
如圖2所示，基節(jié)點62包括或通信連接到工作站或主計算機70，工作站或主計算機70可以是例如圖1的主機或工作站14中任何一個。盡管基節(jié)點62被示出為通過硬布線以太網(wǎng)連接72連接到工作站70，但也可代之以使用其它通信鏈路。正如下文的詳述，基節(jié)點62包括無線轉換或通信單元74和無線收發(fā)器76，以實現(xiàn)在網(wǎng)絡60上的無線通信。特別地，無線轉換單元74從工作站或主機70獲取信號，并把這些信號編碼為隨后通過收發(fā)器76的發(fā)送器部分在網(wǎng)絡60上發(fā)送的無線通信信號。相反地，無線轉換單元74對通過無線收發(fā)器76的接收器部分接收到的信號進行解碼，以判斷該信號的目的地是否為基節(jié)點62，如果是，則進一步解碼該信號以拆除無線編碼，從而產(chǎn)生由位于網(wǎng)絡60中的不同節(jié)點64、66或68處的發(fā)送器所生成的原始信號。
正如將會被理解的，按照類似方式，包括中繼節(jié)點64、環(huán)境節(jié)點66和現(xiàn)場節(jié)點68在內的其它通信節(jié)點中的各個節(jié)點包括通信單元74和無線收發(fā)器76，通信單元74和無線收發(fā)器76用于編碼、發(fā)送和解碼通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡60發(fā)送的信號。盡管通信網(wǎng)絡60中的不同類型節(jié)點64、66、68在某些重要方面有所區(qū)別，但是這些節(jié)點通常地工作以接收無線信號，解碼該信號以確定該信號的目的地是否為節(jié)點自身或者連接到自身的位于無線通信網(wǎng)絡60外部的設備，并在該信號的目的地并非自身且之前并未由自身傳送過時轉發(fā)或中繼傳送該信號。如此，信號從源節(jié)點發(fā)送到無線通信范圍內的所有節(jié)點，并且非目標節(jié)點的范圍內的各個節(jié)點隨后將該信號轉發(fā)到該節(jié)點范圍內的其它所有節(jié)點，此過程一直持續(xù)到該信號已經(jīng)傳送到至少一個其它節(jié)點范圍內的所有節(jié)點。
然而，中繼節(jié)點64工作以便僅在通信網(wǎng)絡60中轉發(fā)信號，從而使信號從一個節(jié)點經(jīng)中繼節(jié)點64轉發(fā)到第二節(jié)點62、66或68?；旧?，中繼節(jié)點64的功能是充當兩個不同節(jié)點之間的鏈路，以便在一節(jié)點不在另一節(jié)點的直接無線通信范圍之內時，確保信號可以在這兩個不同節(jié)點之間傳送。由于中繼節(jié)點64通常不依賴于該節(jié)點處的其它設備，所以中繼節(jié)點64只需要對接收到的信號進行解碼，以確定該信號是否是之前已經(jīng)由中繼節(jié)點轉發(fā)過的信號，也就是，由該中繼節(jié)點在之前發(fā)送過、并且由于通信網(wǎng)絡60中不同節(jié)點的轉發(fā)功能而僅在中繼節(jié)點被回收的信號。如果中繼節(jié)點之前沒有收到特定信號，則中繼節(jié)點64僅工作為通過中繼節(jié)點64的無線收發(fā)器76來轉發(fā)信號以中繼發(fā)送該信號。
另一方面，各個現(xiàn)場節(jié)點68通常連接到加工工廠環(huán)境中的一或多個設備，一般來說，連接到圖2所示現(xiàn)場設備80～85中的一或多個現(xiàn)場設備?，F(xiàn)場設備80～85可以是任意類型的現(xiàn)場設備，其中包括例如四線設備、兩線設備、HART設備、Fieldbus設備、4～20mA設備、智能設備或非智能設備等。為達到示例的目的，圖2的現(xiàn)場設備80～85示出為遵循HART通信協(xié)議的HART現(xiàn)場設備。當然，設備80～85可以是任意類型的設備，比如傳感器/發(fā)送器設備、閥門、開關等。另外，設備80～85可以是不同于傳統(tǒng)現(xiàn)場設備的現(xiàn)場設備，比如控制器、I/O設備、工作站或其它類型的設備。
無論如何，現(xiàn)場節(jié)點68a、68b、68c包括連接到對應現(xiàn)場設備80～85的信號線，以接收來自現(xiàn)場設備80～85和發(fā)送到現(xiàn)場設備80～85的信息。當然，這些信號線可直接地連接到設備80～85，例如，直接連接到HART設備，或連接到已經(jīng)連接到現(xiàn)場設備80～85的標準HART通信線路。如有需要，現(xiàn)場設備80～85可連接到其它設備，例如圖1中的I/O設備20A或22A，或者在連接到現(xiàn)場節(jié)點68a、68b、68c之外通過硬布線通信線路連接到任意其它所需設備。另外，如圖2所示，任一特定現(xiàn)場節(jié)點68a、68b、68c可連接到多個現(xiàn)場設備，例如現(xiàn)場節(jié)點68c被示出為連接到四個不同的現(xiàn)場設備82～85，并且現(xiàn)場節(jié)點68a、68b、68c中的每一現(xiàn)場設備工作，以發(fā)送信號到與其連接的現(xiàn)場設備80～85并從現(xiàn)場設備80～85接收信號。
為協(xié)助管理通信網(wǎng)絡60的操作，采用環(huán)境節(jié)點66。這樣的話，環(huán)境節(jié)點66a和66b包括設備或傳感器90～92，或者通信連接到設備或傳感器90～92，傳感器90～92測量諸如濕度、溫度、大氣壓力、降雨量之類的環(huán)境參數(shù)，或者可影響在通信網(wǎng)路60中進行的無線通信的其它環(huán)境參數(shù)。如下面將詳細說明的，由于無線通信中的很多中斷至少一部分是由環(huán)境狀況引起的，所以這些信息可用于分析和預測該通信網(wǎng)絡中的問題。有需要的話，環(huán)境傳感器90～92可以是任意類型的傳感器，并且可包括例如HART傳感器/發(fā)送器、4～20mA傳感器、或者是任意設計或構造的板上傳感器。當然，各個環(huán)境節(jié)點66a、66b可包括一或多個環(huán)境傳感器90～92，并且有需要的話，不同的環(huán)境節(jié)點可包括相同或不同類型或種類的環(huán)境傳感器。同樣，有需要的話，節(jié)點66a、66b中的一或多個可包括電磁環(huán)境噪聲測量設備93以測量環(huán)境電磁噪聲級別，尤其是通信網(wǎng)絡60所使用的用以傳送信號的波長下的環(huán)境電磁噪聲級別。當然，如果通信網(wǎng)絡60采用無線電頻率(RF)頻譜之外的頻譜，則一或多個環(huán)境節(jié)點66可包括不同類型的噪聲測量設備。更進一步地，盡管圖2的環(huán)境節(jié)點66可描述為包括環(huán)境測量設備或傳感器90～93，但是任何其它節(jié)點68也可包括這些測量設備，從而使分析工具在分析通信網(wǎng)絡60的操作時，可以確定每個節(jié)點處的環(huán)境狀況。
利用圖2所示通信系統(tǒng)60，在工作站70上運行的應用程序可發(fā)送數(shù)據(jù)包到基節(jié)點62處的標準控制器75具有的無線基卡(base card)74，并從無線基卡74接收無線數(shù)據(jù)包。該控制器75可以是，比如DeltaV控制器，并且其通信與通過以太網(wǎng)連接到DeltaV控制器的標準I/O卡的通信相同。盡管就控制器和個人電腦(PC)應用程序而論，這種情況下的I/O卡包括無線基卡74，但是其看起來就像是標準HART I/O卡。
在這種情況下，基節(jié)點62處的無線卡74編碼用于無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并且基節(jié)點62處的無線收發(fā)器76傳輸信號。盡管圖2示出了被傳輸?shù)男盘柨芍苯拥竭_諸如68a之類的現(xiàn)場節(jié)點，但是很多被傳輸?shù)男盘栆部山?jīng)中繼節(jié)點64傳送到諸如68b和68c之類的其它現(xiàn)場節(jié)點。在同樣的方式下，在現(xiàn)場節(jié)點68處產(chǎn)生并由現(xiàn)場設備68傳送的信號可直接到達基節(jié)點62和其它現(xiàn)場節(jié)點66，或者在傳送到基節(jié)點62之前經(jīng)過諸如中繼節(jié)點64或另外的現(xiàn)場節(jié)點之類的其它節(jié)點。因此，無線網(wǎng)絡60上的通信路徑可能通過中繼節(jié)點，也可能不通過中繼節(jié)點64，特定情況下，可在到達目標節(jié)點之前經(jīng)過多個節(jié)點。如果發(fā)送節(jié)點與基節(jié)點62是直接通信可達的，則將會直接交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包是否通過中繼節(jié)點64傳輸對于最終用戶或者甚至對于卡固件來說都是透明的。
應注意，圖2是示意性視圖，并且環(huán)境節(jié)點66a、66b相對于現(xiàn)場節(jié)點68a～68c的位置，并非確定為相對于它們在實際過程控制區(qū)域中的真實位置。更確切地說，環(huán)境節(jié)點66a、66b以及其它未示出的環(huán)境節(jié)點或單一環(huán)境節(jié)點，被確定為按照圖7所示邏輯和策略方式布置在過程控制區(qū)域周圍。換句話說，環(huán)境節(jié)點66應布置在間隔開的位置上，例如，大型障礙物的相對端或設備的各個部分或存在來自機動車的干擾的馬路附近。并且，如果可行的話，環(huán)境節(jié)點應同時布置在室內和室外。環(huán)境節(jié)點66的網(wǎng)絡被確定為利用基節(jié)點62和主機70，基節(jié)點62和主機70作為通過增加或降低信號強度、增益和頻率等監(jiān)控和修正無線網(wǎng)絡60的工作的工具。
應注意，現(xiàn)場節(jié)點68布置在或接近于各種過程站。節(jié)點68可以是重要的安全設備，或可能用來監(jiān)控和/或控制各種過程。進一步，使用多于一個中繼節(jié)點64，事實上，圖2只是一個例子，它是由僅需要一個環(huán)境節(jié)點66這一情況決定的，會有必要使用多于一個或不使用中繼節(jié)點64，并且三個或更多環(huán)境節(jié)點68是必要的。
轉向圖3和圖4，可預見圖2的無線網(wǎng)絡60可在網(wǎng)狀通信模式和點對點通信模式之間來回地切換。圖3示出了具有與中繼節(jié)點102a、102b、102c通信的基節(jié)點101的網(wǎng)絡100。中繼節(jié)點102a～102c依次與如在104處示出的多個或者成群的環(huán)境節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點或這二者的組合通信。用于圖3的點對點無線通信系統(tǒng)以實線示出，而可選的網(wǎng)狀結構以虛線示出。
轉向圖4，除了圖中未示出的無線和收發(fā)器之外，示意性示出了可設置在基節(jié)點101中的開關設備105。開關105用于將網(wǎng)絡100從圖3中的虛線所示的網(wǎng)狀無線網(wǎng)絡，轉換為以圖3所示實線的示例地示出的點對點無線網(wǎng)絡。當然，點對點通信可按照很多方式設置，圖3所示實線僅是一個示例。圖4所示的開關設備105可包括電子開關元件106，其將設備105在網(wǎng)狀無線收發(fā)器76a和點對點無線收發(fā)器76b之間切換。
如上所述，所公開的網(wǎng)絡60包括可進行編程以提供對于操作者來說有用的多種圖形界面的基節(jié)點62和主機70。這些圖形界面的示例如圖5～9所示。轉向圖5，公開了示出基節(jié)點BA和多個其它節(jié)點之間的無線網(wǎng)絡的幾何拓撲屏幕圖110，其中其它節(jié)點可以是圖5中按照03、04、05、06、07、08、09、10(0A)和11(0B)進行編號的一或多個中繼節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點。圖5的拓撲圖110以黑實線示出了兩個節(jié)點之間的成功通信，比如，基節(jié)點BA與節(jié)點7之間的通信這樣的示例。一個方向的成功通信以帶叉號的較輕線表示，這種線的一個示例是節(jié)點03和節(jié)點10(0A)之間的線。不成功的通信以破折線或虛線表示，缺少通信的一個示例如節(jié)點05和節(jié)點11(0B)之間的虛線。圖5還示出了節(jié)點之間的“跳數(shù)”。例如，參見節(jié)點04和07，圖5的節(jié)點04和07之間的破折線或虛線表示節(jié)點04和07之間沒有直接的無線通信，但是在節(jié)點04與05之間存在通信，并且在節(jié)點05和07之間存在單向通信。因此，對于節(jié)點04和07之間的單向通信來說，其跳數(shù)為2，即從節(jié)點04到05并從節(jié)點05到07?？蛇x地，節(jié)點04和07之間的雙向通信，其跳數(shù)也為2，即從節(jié)點07到03并從節(jié)點03到04。明顯地，跳數(shù)越少，通信質量越高并越可靠。
圖5所示網(wǎng)絡的跳數(shù)在圖6中以表方式顯示。圖5中標示為10和11的節(jié)點在圖6中用0A和0B表示。由于基節(jié)點BA與從03到0B的所有節(jié)點直接通信，所以基節(jié)點BA與從03到0B的任一節(jié)點之間的跳數(shù)為1，如圖6所示的表的第一行所表示的。轉向圖6的表的第二行，由于圖5的節(jié)點03不包括從自身發(fā)出的虛線，所以節(jié)點03與其它所有節(jié)點間的跳數(shù)為1。但是，轉向圖6的表的第三行并參見圖5，會注意到節(jié)點04包括延伸在節(jié)點04和07之間的虛線，因此節(jié)點04和07之間不可能有直接通信。由此，為將節(jié)點04連接到節(jié)點07，經(jīng)過節(jié)點05的通信的跳數(shù)為2。再進一步，由于圖5中節(jié)點04和節(jié)點09之間存在顏色較輕的帶叉號的線，所以這兩個節(jié)點之間不可能有直接雙向通信。結果，為實現(xiàn)節(jié)點04和09之間的雙向通信，必須如圖6的表所示通過節(jié)點08進行通信。包括在圖6中的所有條目表示跳數(shù)為2。
轉向圖7，與圖5所示類似的拓樸圖示出為針對實際過程環(huán)境的圖的覆層。具體地，各個點是在圖5中示出并列在圖6的表中的節(jié)點1～9的位置。圖7為操作者提供了監(jiān)視真實操作環(huán)境的背景中的無線連接度的機會。全局設置系統(tǒng)的參考點以111、112來表示，以便確定節(jié)點之間的實際距離。
轉向圖8，現(xiàn)場設備80～85以及90～93可看起來是作為標準HART設備的節(jié)點62或主機70。這使得諸如AMS軟件之類的應用程序可以無縫地運行在無線網(wǎng)絡60之上。為使用AMS軟件時，無線現(xiàn)場節(jié)點66和68需要知道如何路由消息。這可利用圖8所示路由圖120來實現(xiàn)。圖120存儲在基單元62的非易失性存儲器中，也可存在主機70的存儲器中。實際的路由利用合并等價于8通道HART卡的基卡。該路由工具隨后將8路虛擬HART通路映射到遠程現(xiàn)場節(jié)點及其通道。圖8示出了用于8個不同設備的映射設置。各個現(xiàn)場類型的無線節(jié)點可包括4個不同的HART通道，但是現(xiàn)場設備只有一個唯一的ID號。實際目標通道嵌入在無線包中。各個無線單元的ID基于2字節(jié)。第一字節(jié)是網(wǎng)絡號并與無線接口中的實際無線電通道相關。第一字節(jié)的數(shù)字在為從1到12的范圍內變化。第二字節(jié)是節(jié)點在網(wǎng)絡中的標志，并且在從1到15的范圍內變化。當節(jié)點首次被初始化時，其默認地址是010F，這表示網(wǎng)絡為1，地址為15。這種地址設置中的例外是基單元，其第一字節(jié)通常是BA，而第二字節(jié)代表該設備所在的網(wǎng)絡。
轉向圖9，示出了用于在圖1的主機70上顯示的另一圖形圖示130。其中示出了4幅圖，一幅圖緊鄰另一幅圖，而在x軸上繪出時間。最上的圖131繪出了針對整個系統(tǒng)的總跳數(shù)，如圖所示，跳數(shù)平均為72或稍小。跳數(shù)的增加會向操作者告警。圖9中的其它圖提供了來自圖2所示環(huán)境節(jié)點66的環(huán)境信息。圖132提供了大氣壓力的讀出值；圖133提供了濕度的讀出值；而圖134提供了在工作頻率段的整體RF背景噪聲的讀出值。未在圖9中示出的其它環(huán)境指示可以是溫度和降雨量。
轉向圖10，會注意到圖2所示設備80～85中的很多設備會是HART現(xiàn)場設備，并且因此現(xiàn)場節(jié)點68會向中繼節(jié)點64發(fā)送HART信號，或直接向在圖10所示實施例中可能是分離元件或可能包含基節(jié)點62的部分的轉換節(jié)點140發(fā)送HART信號。HART信號也可能從所示環(huán)境節(jié)點66發(fā)送出。轉換節(jié)點140包括軟件以便將HART信號轉換到不同協(xié)議，比如用于低功耗無線網(wǎng)絡軟件和無線技術的EMBER協(xié)議。參見http://www.ember.com/。當然，其它協(xié)議也是可用的，并且對于本領域技術人員來說是清楚的。轉換節(jié)點140把HART信號轉換為141處的EMBER數(shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包包括源標志142和目標標志143，這些標志由基節(jié)點62中或轉換節(jié)點140中的軟件來確定。HART消息144被夾在源數(shù)據(jù)142和目標數(shù)據(jù)143之間。該信號隨后發(fā)送到路由節(jié)點145，該節(jié)點根據(jù)目標信息143確定待將數(shù)據(jù)發(fā)送到的目標設備146。路由節(jié)點145隨后通過一或多個中繼節(jié)點64和/或現(xiàn)場節(jié)點68把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕嗽O備146。可用于將現(xiàn)場設備信號從一種協(xié)議，例如HART，轉換到另一種協(xié)議的軟件的一類是由Acugen，http://www.acugen.com/jts.htm，出售的GTS軟件。
盡管本發(fā)明已參照優(yōu)選實施例進行了說明，但是本領域技術人員將會承認，在不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下可在形式和細節(jié)上作出改變。
權利要求
1.一種過程控制無線通信網(wǎng)絡，包括基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和主機，所述基節(jié)點通信連接到所述主機，所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點中的各個節(jié)點包括無線轉換單元和無線收發(fā)器，所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點的無線收發(fā)器實現(xiàn)所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點之間的無線通信，所述現(xiàn)場節(jié)點包括至少一個提供過程控制數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備，所述環(huán)境節(jié)點包括至少一個提供與可影響無線通信網(wǎng)絡的工作的環(huán)境因素相關的數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備。
2.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，進一步包括包含無線轉換單元和無線收發(fā)器在內的中繼節(jié)點，該中繼節(jié)點實現(xiàn)所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點之間的無線通信。
3.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述環(huán)境節(jié)點包括多個現(xiàn)場設備，所述多個現(xiàn)場設備中的各個現(xiàn)場設備提供從包括溫度、大氣壓力、濕度、降雨量和無線電頻率環(huán)境噪聲的組中選擇的數(shù)據(jù)。
4.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述現(xiàn)場節(jié)點的各個現(xiàn)場設備是高速可尋址遠程傳感器HART協(xié)議設備。
5.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述現(xiàn)場節(jié)點的各個現(xiàn)場設備是現(xiàn)場總線FieldbusTM協(xié)議設備。
6.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，進一步包括多個策略地布置在過程區(qū)域周圍的環(huán)境節(jié)點，以便向該過程區(qū)域內的不同位置傳送環(huán)境數(shù)據(jù)。
7.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述基節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和現(xiàn)場節(jié)點形成網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡。
8.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述基節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和現(xiàn)場節(jié)點形成點對點通信網(wǎng)絡。
9.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，進一步包括開關設備以便將所述基節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和現(xiàn)場節(jié)點從網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡轉換為點對點通信網(wǎng)絡，并將所述基節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和現(xiàn)場節(jié)點從點對點通信網(wǎng)絡轉換為網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡。
10.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述主機包括監(jiān)控器，所述主機被編程為在該監(jiān)控器上提供拓撲屏幕顯示，示出所述網(wǎng)絡的基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點中各個節(jié)點之間的無線通信。
11.如權利要求10所述的網(wǎng)絡，其中所述拓撲屏幕顯示還示出所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點設置在其中的過程區(qū)域的結構特征。
12.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述主機包括監(jiān)控器，所述主機被編程為在該監(jiān)控器上提供表形屏幕顯示，列出所述網(wǎng)絡的現(xiàn)場節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和基節(jié)點中各個節(jié)點之間的跳數(shù)。
13.如權利要求1所述的網(wǎng)絡，其中所述現(xiàn)場設備中的至少一個現(xiàn)場設備按照HART協(xié)議進行通信，并且所傳送的數(shù)據(jù)由所述主機或所述基節(jié)點中的一個從HART協(xié)議轉換到不同的協(xié)議。
14.一種過程控制無線通信網(wǎng)絡，包括基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和主機，所述基節(jié)點通信連接到所述主機，所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點中的各個節(jié)點包括無線轉換單元和無線收發(fā)器，所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點的無線收發(fā)器實現(xiàn)所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點之間的網(wǎng)狀無線通信和點對點無線通信，所述網(wǎng)絡進一步包括開關設備，以便將所述基節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和現(xiàn)場節(jié)點從網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡轉換為點對點通信網(wǎng)絡，并將所述基節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和現(xiàn)場節(jié)點從點對點通信網(wǎng)絡轉換為網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡。
15.如權利要求14所述的網(wǎng)絡，其中所述現(xiàn)場節(jié)點包括至少一個提供過程控制數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備，所述環(huán)境節(jié)點包括至少一個提供與可影響所述網(wǎng)絡的無線通信的環(huán)境因素相關的數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備。
16.如權利要求14所述的網(wǎng)絡，進一步包括包含無線轉換單元和無線收發(fā)器在內的中繼節(jié)點，該中繼節(jié)點實現(xiàn)所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點之間的無線通信。
17.如權利要求14所述的網(wǎng)絡，其中所述主機包括監(jiān)控器，所述主機被編程為在該監(jiān)控器上提供拓撲屏幕顯示，示出所述網(wǎng)絡的基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點之間的無線通信。
18.如權利要求17所述的網(wǎng)絡，其中所述拓撲屏幕顯示還示出所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點設置在其中的過程區(qū)域的結構特征。
19.如權利要求18所述的網(wǎng)絡，其中所述主機還被編程為在所述監(jiān)控器上提供表形屏幕顯示，列出所述網(wǎng)絡的基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點中各個節(jié)點之間的跳數(shù)。
20.一種過程控制無線通信網(wǎng)絡，包括基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點、環(huán)境節(jié)點和主機，所述基節(jié)點通信連接到所述主機，所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點中的各個節(jié)點包括無線轉換單元和無線收發(fā)器，所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點的無線收發(fā)器實現(xiàn)所述基節(jié)點、現(xiàn)場節(jié)點和環(huán)境節(jié)點之間的無線通信，所述現(xiàn)場節(jié)點包括至少一個提供過程控制數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備，所述環(huán)境節(jié)點包括至少一個提供與可影響所述網(wǎng)絡的無線通信的環(huán)境因素相關的數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設備，其中所述現(xiàn)場設備中的至少一個現(xiàn)場設備按照HART協(xié)議進行通信，并且所傳送的數(shù)據(jù)中的至少一些由轉換節(jié)點從HART協(xié)議轉換到不同的協(xié)議，經(jīng)轉換的數(shù)據(jù)被傳送到路由節(jié)點，以確定待接收經(jīng)轉換的數(shù)據(jù)的目標設備并發(fā)送經(jīng)轉換的數(shù)據(jù)到所述目標設備。
21.如權利要求20所述的網(wǎng)絡，其中所述轉換節(jié)點是所述基節(jié)點的一部分。
22.如權利要求20所述的網(wǎng)絡，其中所述轉換節(jié)點是所述主機的一部分。
23.一種利用無線通信網(wǎng)絡控制過程的方法，該方法包括接收來自至少一個現(xiàn)場設備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)從現(xiàn)場節(jié)點無線地傳輸?shù)交?jié)點，將所述現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉換到不同的協(xié)議，將所述不同協(xié)議的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點，在所述路由節(jié)點處確定用于接收所述不同協(xié)議的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的目標設備，發(fā)送所述不同協(xié)議的現(xiàn)場數(shù)據(jù)到目標設備。
24.一種用于監(jiān)控無線過程控制網(wǎng)絡的方法，包括接收來自環(huán)境節(jié)點的一或多個環(huán)境現(xiàn)場設備的環(huán)境數(shù)據(jù)，無線地傳輸所述環(huán)境數(shù)據(jù)到基節(jié)點，傳輸所述環(huán)境數(shù)據(jù)到主機，在所述主機處解析所述環(huán)境數(shù)據(jù)，從所述主機向所述基節(jié)點發(fā)送命令，以便根據(jù)所述環(huán)境數(shù)據(jù)調整所述無線網(wǎng)絡的至少一個工作參數(shù)，將所述命令從基節(jié)點傳輸?shù)桨ㄖ辽僖粋€現(xiàn)場設備的至少一個現(xiàn)場節(jié)點。
25.如權利要求24所述的方法，其中所述環(huán)境數(shù)據(jù)是從包括溫度、大氣壓力、濕度、降雨量和無線電頻率環(huán)境噪聲的組中選擇的數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種用在過程環(huán)境中的無線通信系統(tǒng)，利用網(wǎng)狀通信以及可能的網(wǎng)狀通信與點對點通信的結合，來生成一個易于建立、設置、改變和監(jiān)控的無線通信網(wǎng)絡，從而使得無線通信網(wǎng)絡更低廉、更魯棒且更可靠。該無線通信系統(tǒng)允許建立實際通信路徑，并以獨立于在加工工廠內不同的無線發(fā)送和接收設備之間發(fā)送無線信號的方式用在過程控制系統(tǒng)中，從而以獨立于加工工廠內的特定消息或實際通信路徑的方式工作。更進一步，提供通信分析工具以使用戶或操作者監(jiān)視該無線通信系統(tǒng)的工作，從而對該無線通信網(wǎng)絡中的無線通信的當前工作作出分析。
文檔編號G05B23/02GK1881121SQ20061008670
公開日2006年12月20日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權日2005年6月17日
發(fā)明者約翰·R·謝波德, 喬·納爾遜 申請人:費舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司