現場設備中的資源優(yōu)化的制作方法
【專利摘要】一種現場設備組件包括：第一過程傳感器、無線收發(fā)器以及處理器。所述第一過程處理器被部署用于感測第一過程參數。所述無線收發(fā)器被配置為與網絡管理器進行無線通信。所述處理器被配置為：處理所感測到的第一過程參數，以及命令所述無線收發(fā)器和第一過程傳感器根據所約定的第一自適應調度表來執(zhí)行第一資源密集型活動，由此所述資源密集型活動的速率隨著時間改變和/或基于感測到的事件改變。
【專利說明】現場設備中的資源優(yōu)化

【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及工業(yè)過程現場設備，并且更具體地涉及用于工業(yè)現場設備的活動調度系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]術語“現場設備”涵蓋較寬范圍的用于測量和控制如壓力、溫度和流速之類的參數的過程管理設備。許多現場設備是充當在用于感測或致動工業(yè)過程變量的變換器與遠程控制或監(jiān)視設備(諸如控制室中的計算機)之間的通信中繼的變送器。例如，傳感器的輸出信號通常不足以與遠程控制或監(jiān)視設備進行有效的通信。變送器通過下述方式彌補這種缺陷:從傳感器接收通信，將該信號轉換成對于長距離通信更有效的形式(例如，調制的4-20mA的電流環(huán)路信號，或者無線協(xié)議信號)，以及將轉換后的信號發(fā)送給遠程控制或監(jiān)視設備。
[0003]無線現場設備網絡被用于控制和監(jiān)視不同的過程和環(huán)境。單個現場設備網絡可以包括部署用于在較廣區(qū)域(如油田或工廠)上感測或致動過程參數的現場設備。在針對基于傳感器/致動器的應用所設計的無線網絡系統(tǒng)中，網絡中的許多現場設備必須本地供電，因為電力設施(諸如120VAC電力設施或供電數據總線)不位于附近或者在危險位置是不被允許的，所述危險位置是必須安放儀器、傳感器和致動器以及安全監(jiān)視器或人機接口設備且不造成大的安裝費用的位置?！氨镜毓╇姟币馕吨芍T如自包含的電化學電源(如長壽命的電池或燃料電池)之類的本地能源或者由低功率能量提取能源(如，振動、太陽能、或者熱電)來供電。本地電源的共同特性是其有限的能量容量或者有限的功率容量，無論是存儲的(如在長壽命電池的情況下)，還是產生的(如在太陽能板的情況下)。低安裝成本的經濟需求常常驅動了對作為無線現場設備網絡的一部分進行通信的電池供電設備的需求。對有限能源(如不能再充電的原電池)的有效利用對于良好的無線現場設備是至關重要的。期望電池能夠持續(xù)五年以上，并且優(yōu)選地持續(xù)達產品壽命的主要部分。
[0004]為了節(jié)約功率和網絡帶寬，一些無線網絡協(xié)議通過僅在有限的時間量內打開設備收發(fā)器以偵聽消息，對任何節(jié)點或設備在任何時間段期間能夠處理的業(yè)務量進行了限制。因此，為了減少平均功率，協(xié)議可以允許收發(fā)器在“開”狀態(tài)和“關”狀態(tài)之間的占空比。一些無線網絡協(xié)議可以使用全局占空比來節(jié)省功率，使得整個網絡同時處于“開”和“關”。其他協(xié)議(例如，基于TDMA的協(xié)議)可以使用局部占空比，其中僅將鏈接在一起的進行通信的節(jié)點對調度為以同步方式在預定時間打開和關閉。通常，該鏈接是通過下述方式預先確定的:向進行通信的每個網絡節(jié)點對分派特定的周期性時隙以用于在指定的RF頻率信道上進行通信。在約定(commissioning)期間向每個現場設備分派時隙，以及每個現場設備以所約定的速率周期性地激活。過程感測現場設備通常僅在打開設備收發(fā)器之前的短期內執(zhí)行傳感器測量。對收發(fā)器供電和執(zhí)行傳感器測量都消耗相當多的功率，并且設備與設備的通信消耗了網絡帶寬。一般而言，每個現場設備以所約定的速率重復執(zhí)行至少一個資源密集型功能(例如，周期性的無線通信、周期性的過程感測或致動)。
[0005]特定的現場設備應用可能需要在一些時間段期間以高速率執(zhí)行資源密集型功能，而在其他時間段期間僅需要低速率或者無活動。傳統(tǒng)的現場設備網絡或者持續(xù)地以高要求時間段期間所需的較高的工作速率來操作這種現場設備，或者針對高要求時間段和低要求時間段從中央控制或監(jiān)視服務器重新約定現場設備。在前一情況下，以高工作速率的持續(xù)操作在低要求時間段期間不必要地消耗了功率和帶寬。在后一情況下，重新約定消耗了功率和帶寬，并且在重新約定過程期間可能導致分組丟失。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明涉及一種現場設備組件，所述現場設備組件包括:第一過程傳感器、無線收發(fā)器以及處理器。所述第一過程處理器被部署用于感測第一過程參數。所述無線收發(fā)器被配置為與網絡管理器進行無線通信。所述處理器被配置為:處理所感測到的第一過程參數，以及命令所述無線收發(fā)器和第一過程傳感器根據所約定的第一自適應調度表來執(zhí)行第一資源密集型活動，由此所述資源密集型活動的速率隨著時間改變和/或基于感測到的事件改變。
[0007]在另一實施例中，本發(fā)明涉及一種操作工業(yè)現場設備的方法。所述方法包括:對所述現場設備約定自適應調度表；基于所約定的內部調度表，以隨時間改變的調度速率執(zhí)行資源密集型活動；以及響應于由所述預設的內部調度表指定的感測事件，改變所述調度速率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是包括多個現場設備的無線過程網絡的示意系統(tǒng)圖；
[0009]圖2是圖1的一個現場設備的簡化示意圖；
[0010]圖3是示出針對圖2的現場設備的調度操作的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明是用于工業(yè)過程現場設備中的資源優(yōu)化的調度系統(tǒng)。對現場設備約定動態(tài)調度表，所述動態(tài)調度表指定用以從事資源密集型活動的改變的速率，所述資源密集型活動諸如是無線信號發(fā)射和接收、過程參數感測、傳感器校準、以及過程參數致動。每個現場設備根據各自的動態(tài)調度表改變這些資源密集型活動的速率，而不需要重新約定。
[0012]圖1是無線過程網絡10的一個實施例的示意圖，無線過程網絡10是由中央控制和/或監(jiān)視的傳感器以及/或者致動器現場設備構成的網絡。無線過程網絡10包括網關
12、現場設備14(包括現場設備14a、14b和14c)、主計算機16、設備網絡18以及網絡管理器20。網關12是部署在主計算機16與現場設備14之間的具有無線能力的路由器?，F場設備14是具有無線能力的過程變送器，并且例如可被配置為接收、處理、和發(fā)射來自部署用于感測諸如流體流速、液面、溫度或壓力之類的過程參數的一個或多個變換器的信號。備選地，現場設備14可以是無線控制器，所述無線控制器配置為響應于經由網關12接收的信號來命令諸如閥或者泵之類的過程致動器。圖1描述了網關12與每個現場設備14進行直接無線通信，但是無線過程網絡10可以采用任何網絡架構。在一些實施例中，網關12形成為所有現場設備14提供服務的輻射狀網絡的中心。在其他實施例中，現場設備14可以布置在網狀網中，使得網關12與現場設備(如現場設備14a)之間的通信經由一個或多個中間現場設備(如現場設備14b、14c)而進行。主計算機16形成控制或監(jiān)視系統(tǒng)的至少一部分，所述控制或監(jiān)視系統(tǒng)經由網關12接收來自現場設備14的傳感器讀數和/或向現場設備14發(fā)送致動器命令。主計算機16例如可以是操作員終端或自動化的控制器。主計算機16收集并且處理來自現場設備14的傳感器讀數。
[0013]主計算機16被描述為經由設備網絡18連接到網關12，設備網絡18例如可以是不同于現場設備14的輻射狀網絡或網狀網的二次有線或無線網絡。在備選實施例中，主計算機16可以與網關12直接無線通信。在一些實施例中，主計算機和網關12可被并入單個設備，無需中間設備網絡18。
[0014]網絡管理器20是軟件程序，其處理來自現場設備14的信息，從而生成與情況和應用適宜的無線鏈接、控制消息、通信調度表以及數據查詢。盡管網絡管理器20被示出為位于網關12上，但是網絡管理器20可以備選地位于遠程連接到網關12的計算機(例如，主計算機16或者連接到設備網絡18的另一計算機)上。
[0015]網絡管理器20根據主計算機16設置的或者本地應用到現場設備14的參數，提供針對每個現場設備14的約定信息，如下面參考圖2和3所描述的那樣。約定信息包括鏈接信息，所述鏈接信息指定網絡協(xié)議(例如，WirelessHART'Fieldbus或者其他合適的協(xié)議)，并且將每個現場設備14構建為無線過程網絡10中的成員。在該約定信息中還包括自適應調度表，所述自適應調度表指定針對每個現場設備14的執(zhí)行感測、致動、診斷、發(fā)射、接收和其他資源密集型活動的改變的速率。這些速率根據自適應調度表而隨時間改變，所述自適應調度表例如可以指定在關鍵時間段(例如，在早晨，在工廠開動時)期間的較高的感測速率和數據發(fā)射/接收速率，以及在非關鍵時間段期間的較低的速率(例如，在工廠關閉不工作的假期中無感測或數據發(fā)射)。每個現場設備14根據其自己的自適應調度表進行操作，并且根據該調度表在資源密集型活動的各個速率之間切換，而無需重新約定。另外，每個現場設備14的自適應調度表可以指定事件條件作為資源密集型活動速率改變的觸發(fā)。例如，根據自適應調度表，部署用于感測和發(fā)射差壓測量的現場設備可以在感測到高于閾值的差壓后的五分鐘內更頻繁地發(fā)射壓力測量。在網絡管理器20進行的約定期間提供自適應調度表中的固定(即，無條件的)元素，因此該固定元素是網絡管理器20和現場設備14都知道的。由特定事件條件觸發(fā)的數據發(fā)射速率改變與伴隨的針對帶寬的請求一起被傳送給網絡管理器20。
[0016]圖2是無線過程網絡10中的現場設備14和運行網絡管理器20的網關12的簡化示意描繪。現場設備14包括外殼100、天線102、收發(fā)器104、處理器106、信號調節(jié)器108、變換器110、存儲器112、電源114和記時器116。
[0017]在該實施例中，外殼100是剛性的耐用的主體，其可被密封以保護收發(fā)器104、處理器106、信號調節(jié)器108、存儲器112和電源114對抗極端溫度和危險環(huán)境。盡管變換器110被示出為安放在外殼100外部，但是在現場設備14的一些實施例中外殼100可以包圍變換器110。
[0018]根據一個實施例，收發(fā)器104是信號發(fā)射器/接收器，其經由天線102發(fā)射和接收無線信號。處理器106是能夠執(zhí)行邏輯的數據處理器，如微處理器。信號調節(jié)器108包括數字和/或模擬濾波器，其對去往和/或來自變換器110的變換器信號進行操作。在一些實施例中，信號調節(jié)器108還可以包括模/數轉換器，所述模/數轉換器部署用于對來自變換器110的傳感器信號進行數字化或者將數字指令轉換成用于變換器110的模擬命令。
[0019]變換器110可以是傳感器或者致動器，所述傳感器向現場設備14提供傳感器讀數，以供處理和發(fā)送給控制或監(jiān)視系統(tǒng)主計算機16，所述致動器響應于接收自計算機16或網絡管理器20的信號來激勵工業(yè)過程的改變。盡管下面的描述將聚焦于變換器16包括傳感器的實施例，但是本領域技術人員將理解本發(fā)明同樣可以應用于致動器系統(tǒng)。盡管在圖2中僅描繪了一個變換器110,但是現場設備14的一些實施例可以服務多個變換器110。在一些實施例中，變換器110可以是多功能變換器，其能夠執(zhí)行致動和感測二者，或者能夠感測多個參數。
[0020]存儲器112是可機器讀寫的存儲器組。電源114是為收發(fā)器104、處理器106、信號調節(jié)器108和存儲器112供電的能源。在一些實施例中，電源114還可以驅動變換器110。在一些實施例中，電源114可以是諸如本地能量收集器(如，具有有限輸出的太陽能板或振動能量收集器)之類的有限容量的能源或者存儲設備(如，化學電池或具有有限電荷的超級電容器)。
[0021]為了最小化電源114上的能量消耗以及對無線過程網絡10的帶寬使用，處理器106根據存儲器112中存儲的自適應調度表(如上文所解釋的)激勵收發(fā)器104和/或變換器110。該自適應調度表是在約定期間經由網絡管理器20從主計算機16接收的或者是從本地配置設備接收的，并且針對不同時間段(例如，一天中的不同時刻，一個星期中的不同日子、特定的假日)，和/或響應于所識別出的條件(例如，瞬時的或者在一持續(xù)時間段中，變換器110的感測值落在特定范圍外)，指定不同的激活或活動速率。更一般地，處理器106可以根據自適應調度表激活或去激活現場設備14的任何資源密集型功能，這將在下文參考圖3進行描述。存儲器112還可以存儲來自變換器110的歷史傳感器讀數、用于變換器110和收發(fā)器104的診斷協(xié)議、和/或用于變換器110的致動器命令。
[0022]在一個實施例中，記時器116是實時時鐘，其配置用于向處理器106提供當前時間和日期。相對于存儲器112中存儲的自適應調度表來檢查該時間和日期，以確定何時應該更新資源密集型活動的速率(參見圖3和下文所附的說明)。該自適應調度表例如可以基于記時器116提供的日歷日期、時鐘時間或者星期幾來指定資源密集型活動的較高或較低速率的具體操作模式。盡管收發(fā)器104、處理器106、信號調節(jié)器108、存儲器112和記時器116被描述為圖2中的分離的單元，但是現場設備14的一些實施例可以將這些單元中的一些或者全部并入公共的物理單元(如多功能印刷電路板)。
[0023]圖3是示出調度操作方法200的流程圖。調度操作方法200描述了現場設備14根據上文介紹的自適應調度表的操作。首先，人員或機器用戶配置自適應調度表，從而規(guī)定資源密集型活動(諸如收發(fā)器104的“開”狀態(tài)以及變換器110的診斷或測量運行)的速率(步驟SI)。該自適應調度表被存儲在存儲器112中(如上文所述)，并且能夠管理多個不同的資源密集型活動，其中每個資源密集型活動在不同的時間可被分派不同的速率。該自適應調度表例如可以指定變換器110在星期二早晨8點到9點之間每秒鐘感測一次過程參數(例如，壓力、溫度)，在該時間段期間收發(fā)器102僅每分鐘開關一次以傳送存儲器112中累積的數據。在一些實施例中，自適應調度表可以指定事件條件和響應于那些事件條件的對應的資源密集型活動?？赡艿氖录l件包括:來自變換器110的過程測量值落在或保持在閾值之上或之下，或者來自遠程設備(例如，網關12或者其他現場設備14)的命令或數據信號到達。例如，響應于接收到來自現場設備14b的指示第二參數(例如，流速)出奇的高的報告，現場設備14a可以提高變換器110針對第一參數(如壓力)的感測速率。作為另一示例，響應于來自變換器110的傳感器讀數落在期望范圍之外，現場設備14可以提高感測速率或者啟動對變換器110的傳感器診斷。類似地，具有多個變換器110或多功能變換器110的現場設備14的實施例可以基于其他測量值而增加、減少或者中止對一個參數的測量。在一些實施例中，現場設備14可以包括備用變換器110，備用變換器110保持休眠(即，未被激活以進行感測)，直到或除非主變換器110故障或者行為異常。
[0024]在約定之后，處理器106指示收發(fā)器102和變換器110按照當前調度的速率和時間進行激活(步驟S2)。該過程繼續(xù)，直到被所調度的模式切換中斷(步驟S4)，被事件驅動的模式切換中斷(步驟S5)，或者被用戶越權控制(override)輸入中斷(步驟S6)。處理器104周期性地將記時器116指定的當前時間和日期與存儲器112中存儲的自適應調度表進行比較，并且如果自適應調度表指示，則切換到具有較高的活動速率的新模式，則切換到具有較高的活動速率的新模式(步驟S4)。該比較周期被選擇為不大于自適應調度表針對任何活動所指定的最小速率。類似地，處理器104將來自變換器110和收發(fā)器104的輸入數據與自適應調度表指定的事件標志(flag)進行比較，并且切換到自適應調度表所指示的事件驅動模式(步驟S5)。事件驅動模式可以越權控制步驟S4中指定的基于時間的模式，并且自身可以具有由自適應調度表指定的且通過與記時器116的比較而確定的持續(xù)時間或期滿時間。在無用戶越權控制的情況下，現場設備14完全基于存儲器112中存儲的最初約定的自適應調度表進行操作，不需要網關12進行重新約定(步驟S6)。經由網關12從人員或機器操作員(例如，來自主計算機16處的網絡管理器20或者人類操作員)接收的任何越權控制信號允許將新的或改變的自適應調度表裝載進存儲器112中(步驟SI)。
[0025]調度操作方法200允許現場設備14以各種各樣的調度的和/或時間驅動的活動速率來處理持續(xù)的操作，而不需要重新約定。由此，方法200允許現場設備14僅以當前應用或情況所需的頻繁程度來執(zhí)行帶寬密集型或功率密集型任務，從而降低了對電源114的功率汲取以及無線過程網絡10中的擁塞。因為如在調度操作方法200中描述的利用自適應調度表的現場設備不需要重新約定就能夠從一個模式切換到另一個模式，所以最小化了由于重新約定延遲造成的丟包和網絡停用。自適應調度表所指定的事件驅動的切換允許現場設備14和無線過程網絡10快速地對出現的過程條件、設備故障和傳感器不一致做出響應。
[0026]盡管已經參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員應該理解可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下做出各種改變并且可以用等價物替代其中的單元。另外，在不偏離本發(fā)明的基本范圍的情況下，可以做出許多修改以適應具體的情形或本發(fā)明的教導的材料。因此，旨在表明本發(fā)明不限于所公開的具體實施例，而是本發(fā)明將包括落在所附權利要求的范圍內的所有實施例。
【權利要求】
1.一種現場設備組件，包括: 第一過程傳感器，部署用于感測第一過程參數； 無線收發(fā)器，配置為與網絡管理器進行通信；以及 處理器，配置為處理所感測到的第一過程參數，以及配置為命令所述無線收發(fā)器和第一過程傳感器根據所約定的第一自適應調度表來執(zhí)行第一資源密集型活動，由此所述資源密集型活動的速率隨著時間改變和/或基于所感測到的事件改變。
2.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述收發(fā)器是配置為與所述網絡管理器無線通信的無線收發(fā)器。
3.根據權利要求1所述的現場設備，其中與網絡管理器無線通信包括經由無線網狀網進行通信。
4.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述處理器還配置為根據所約定的第二自適應調度表執(zhí)行第二資源密集型活動，其中所約定的第二自適應調度表不同于第一內部調度表。
5.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述第一資源密集型活動是帶寬密集型活動。
6.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述第一資源密集型活動是功率密集型活動。
7.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述第一資源密集型活動包括利用所述無線收發(fā)器發(fā)射和/或接收數據。
8.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述第一資源密集型活動包括利用所述第一過程傳感器執(zhí)行傳感器測量。
9.根據權利要求1所述的現場設備，其中所述第一資源密集型活動包括執(zhí)行對所述第一過程傳感器的傳感器診斷。
10.根據權利要求1所述的現場設備，其中所感測到的事件是由所述第一過程傳感器感測到的。
11.根據權利要求1所述的現場設備，還包括:第二過程傳感器，部署用于感測第二過程參數，以及其中所感測到的事件是由所述第二過程傳感器感測到的。
12.根據權利要求1所述的現場設備，其中所感測到的事件是經由所述無線收發(fā)器接收的。
13.根據權利要求1所述的現場設備，還包括:有限容量的電源。
14.根據權利要求13所述的現場設備，其中所述有限容量的電源是有限電荷的電池或超級電容器，或者是有限輸出的本地能量收集器。
15.根據權利要求1所述的現場設備，還包括記時器。
16.根據權利要求1所述的現場設備，其中根據所述約定的第一自適應調度表的資源密集型活動的速率基于記時器提供的日歷日期、時鐘時間和/或星期幾而改變。
17.一種操作工業(yè)現場設備的方法，所述方法包括: 對所述現場設備約定所約定的自適應調度表； 基于所約定的自適應調度表，以隨著時間改變的調度速率執(zhí)行資源密集型活動；以及 響應于由預設的內部調度表指定的感測事件，改變所述調度速率。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述資源密集型活動包括操作無線收發(fā)器。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述資源密集型活動包括執(zhí)行對過程參數的傳感器測量。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述感測事件包括所述過程參數的傳感器測量落在事件范圍內。
21.根據權利要求17所述的方法，其中所約定的自適應調度表規(guī)定:針對所述資源密集型活動的高要求時間段，增加所述調度速率；以及針對所述資源密集型活動的低要求時間段，降低所述調度速 率。
【文檔編號】G05B19/418GK104049571SQ201310325516
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年7月30日 優(yōu)先權日:2013年3月15日
【發(fā)明者】埃里克·拉塞爾·勒弗格倫, 羅伯特·邁克爾·溫伯格 申請人:羅斯蒙德公司