專利名稱：在過程控制環(huán)境下支持無線通信協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及過程控制環(huán)境下的無線通信，更具體地-說，涉及支 持無線通信協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)。
背景技術(shù)：
在過程控制行業(yè)中，已知的是，使用標準化通信協(xié)議使得由不同制造商 制出的設(shè)備能夠以易于使用和實現(xiàn)的方式與彼此通信。過程控制行業(yè)中使用
的一個眾所周知的通信標準是高速可尋址遠程傳感器(HART)通信基礎(chǔ)協(xié) 議，通常稱為HAIO^協(xié)議。 一般而言，HART⑧協(xié)議支持專用導(dǎo)線或?qū)Ь€組 上的數(shù)字和模擬混合信號，在專用導(dǎo)線或?qū)Ь€組上，在線過程信號(如控制 信號、傳感器測量結(jié)果等)作為模擬電流信號(例如范圍從4到20毫安) 被提供，并且諸如設(shè)備數(shù)據(jù)、對設(shè)備數(shù)據(jù)的請求、配置數(shù)據(jù)、報警以及事件 數(shù)據(jù)等等之類的其它信號，作為疊加或復(fù)用到與模擬信號相同的導(dǎo)線或?qū)Ь€ 組上的數(shù)據(jù)信號被提供。然而，HART協(xié)議當(dāng)前需要使用專用、硬線通信線 路，這導(dǎo)致需要在加工廠內(nèi)大量布線。
在過去幾年里，已經(jīng)存在一種將無線技術(shù)結(jié)合到以某些有限方式包括過 程控制行業(yè)的各種行業(yè)中的發(fā)展趨勢。然而，在過程控制行業(yè)中，存在限制 無線技術(shù)的完全結(jié)合、接受和使用的巨大障礙。具體來說，過程控制工業(yè)需 要十分可靠的過程控制網(wǎng)絡(luò)，因為信號的丟失失可能導(dǎo)致工廠失去控制，從 而導(dǎo)致突難性的后果，包括爆炸、致命化學(xué)制劑或氣體的釋放等等。例如， Tapperson等人的美國專利No. 6,236,334公開了在過程控制行業(yè)中將無線通 信作為副的或備用通信路徑使用或用于發(fā)送非關(guān)鍵性的或冗余的通信信號。
而且，在通?？梢赃m用于過程控制行業(yè)的無線通信系統(tǒng)的使用上已經(jīng)取得了許多進展，但是該無線通信系統(tǒng)尚未以在加工廠內(nèi)允許或提供可靠的并且在 某些情況下完全無線的通信網(wǎng)絡(luò)的方式應(yīng)用于過程控制行業(yè)。例如，美國專
利申請7>開No. 2005/0213612、 2006/0029060和2006/0029061 ^>開了與一船: 無線通信系統(tǒng)相關(guān)的無線通信技術(shù)的各個方面。
與有線通信類似，無線通信協(xié)議被期望提供高效、可靠和安全的信息交 換方法。當(dāng)然，由于介質(zhì)的共享和開放特征，在有線網(wǎng)絡(luò)中被開發(fā)以解決這 些重要問題的大多數(shù)方法并不適用于無線通信。進一步，除了在有線通信協(xié) 議之后的典型客觀事實外，無線協(xié)議還面臨關(guān)于使用無線電頻語的同 一部分 的若干網(wǎng)絡(luò)的干擾和共存的問題的其它要求。而且，某些無線網(wǎng)絡(luò)在無許可 證的或向公眾開放的頻段中運行。因此，為這種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的協(xié)議必須能夠檢 測或解決與頻率(信道)爭用、無線電資源共享和協(xié)商等等相關(guān)的問題。
在過程控制行業(yè)中，無線通信協(xié)議的開發(fā)者面臨另外的挑戰(zhàn)，例如，實 現(xiàn)與有線設(shè)備的向后兼容、支持協(xié)議的先前有線版本，為改裝了無線通信機 的設(shè)備提供轉(zhuǎn)變服務(wù)，并且提供可同時保證可靠性和有效性的路由技術(shù)。同 時，仍然存在相當(dāng)多的過程控制應(yīng)用，在這些過程控制應(yīng)用中存在即使有也 很少的原地測量。當(dāng)前，這些應(yīng)用依賴于觀測的測量結(jié)果(例如，水位正在 上升)或檢查(例如，空調(diào)單元、泵、風(fēng)機等等的周期性維護)來發(fā)現(xiàn)異常 情況。為了采取措施，操作員經(jīng)常需要面對面的討論。如果使用測量和控制 設(shè)備，這些應(yīng)用中的許多的應(yīng)用可能被大大筒化；然而，當(dāng)前的測量設(shè)備通 常需要電力、通信基礎(chǔ)設(shè)施、配置以及簡直是不可用的支持基礎(chǔ)設(shè)施。

發(fā)明內(nèi)容
無線網(wǎng)關(guān)包括至少兩個接口 ，并經(jīng)由第一接口與在過程控制環(huán)境下運行 的無線網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)一方面，無線網(wǎng)關(guān)經(jīng)由第二(或"主機，，)接口以有 線或無線方式與第二網(wǎng)絡(luò)通信，并執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，第二網(wǎng)絡(luò)可以是工廠自動 化網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)可包括在過程控制環(huán)境下提供測量和/或 控制功能的多個現(xiàn)場設(shè)備，并且無線網(wǎng)關(guān)可提供現(xiàn)場設(shè)備與工廠自動化網(wǎng)絡(luò)之間的雙向通信。根據(jù)又一方面，無線網(wǎng)關(guān)可與第二網(wǎng)關(guān)協(xié)同工作，以可操 作的方式將無線網(wǎng)關(guān)連接到第二網(wǎng)絡(luò)，該第二網(wǎng)絡(luò)也可以是無線網(wǎng)絡(luò)。在某
或更多不被支持的協(xié)議相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行分層來提供無線網(wǎng)絡(luò)與第二網(wǎng)絡(luò)
之間的隧道(tunnelling )功能。在另外的實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可支持無線網(wǎng) 絡(luò)與單機主機之間的隧道功能。在某些實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可提供對無線網(wǎng) 絡(luò)的時鐘控制。
根據(jù)再一方面，無線網(wǎng)關(guān)可為外部應(yīng)用提供對駐留于無線網(wǎng)絡(luò)上的現(xiàn)場 設(shè)備的無縫訪問權(quán)限，以便操作工廠自動化網(wǎng)絡(luò)中的工作站的用戶可與現(xiàn)場 設(shè)備直接通信，而無需使用額外的硬件或軟件。在某些特別有用的實施例中， 無線網(wǎng)關(guān)可通過將無線網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)有的工廠骨千(backbone)并支持在工 廠骨干中使用的一個或更多協(xié)議，來擴展該工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。在某些實施例 中，無線網(wǎng)關(guān)還可監(jiān)測從工廠自動化網(wǎng)絡(luò)到達第二接口并寄給無線網(wǎng)絡(luò)中的 多個現(xiàn)場設(shè)備中的一個或一些現(xiàn)場設(shè)備的命令，以檢測無線帶寬要求的變 化。在這些實施例中的某些實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可響應(yīng)于4僉測到這些變化， 自動向合適的實體(例如在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部或外部運行的網(wǎng)絡(luò)管理^f莫塊)請求 增加或減小帶寬分配。
進一步，無線網(wǎng)關(guān)可允許現(xiàn)場設(shè)備向外部主機報告過程數(shù)據(jù)、警報、報
警、事件、診斷信息等，而不管基于異常的報告是否被激活。在某些實施例
中，無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備可接收在無線網(wǎng)絡(luò)中有效的無線現(xiàn)場設(shè)備所報告的數(shù)據(jù)，
緩存所報告的數(shù)據(jù)，并基于請求向一個或更多客戶端(例如位于無線網(wǎng)絡(luò)外
部的主機)提供所緩存的數(shù)據(jù)。在特定實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可對所報告的數(shù)
據(jù)加時間戳，以便外部主機可評估數(shù)據(jù)有多近而不考慮這些主機接收到所緩
存的數(shù)據(jù)的實際時間。此外，無線網(wǎng)關(guān)可報告所緩存的數(shù)據(jù)或使所緩存的數(shù)
據(jù)可經(jīng)由任何標準接口^C外部主機訪問。在某些實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可經(jīng)由
IP網(wǎng)絡(luò)向客戶端發(fā)送所緩存的數(shù)據(jù)。在另外的實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可支持有
線過程自動化協(xié)議。在一個這樣的實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可使用有線HART 通信協(xié)議的命令報告所緩存的數(shù)據(jù)。
更進一步，無線網(wǎng)關(guān)可接收警報和報警，并為發(fā)起這些消息的現(xiàn)場設(shè)備 產(chǎn)生確認。以這種方式，無線網(wǎng)關(guān)可保證警報或報警沒有丟失，并且恰當(dāng)?shù)?向相應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備通知警報或報警已經(jīng)收到。無線網(wǎng)關(guān)然后可存儲、解析所 接收的警報和報警，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給恰當(dāng)?shù)目蛻舳恕?br> 根據(jù)另一方面，無線網(wǎng)關(guān)可具有在無線網(wǎng)絡(luò)上基本唯一的地址。在某些
實施例中，無線網(wǎng)關(guān)的地址可以是知名地址(well-known address),以筒化 在無線網(wǎng)絡(luò)中運行的獨立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置。在其它實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可包 括若干個分立的物理設(shè)備，各個物理設(shè)備都具有基本唯一的地址和單個虛擬 地址，該虛擬地址用于在無線網(wǎng)絡(luò)中在網(wǎng)關(guān)和多個現(xiàn)場i殳備中的各個現(xiàn)場設(shè) 備之間對數(shù)據(jù)進行有效路由。
在某些實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可包括容納第二(即主機)接口的主機接口 部件，并且以有線方式與連接到到主才幾接口部件的一個或更多無線4妾入點通 信。在某些特別有用的實施例中，若千個無線接入點」波此隔開，以1更在相對
某些實施例中，各個接入點都可具有與網(wǎng)關(guān)設(shè)備的地址不同的p眷一網(wǎng)絡(luò)地 址。
在某些實施例中，各個現(xiàn)場設(shè)備可沿?zé)o線網(wǎng)關(guān)的方向("上游")傳播 數(shù)據(jù)，并且無線網(wǎng)關(guān)可向下游向獨立的現(xiàn)場設(shè)備傳播數(shù)據(jù)。在另 一 實施例中， 無線網(wǎng)關(guān)可額外包括負責(zé)調(diào)度和路由無線網(wǎng)絡(luò)的配置的網(wǎng)絡(luò)管理器模塊。在 又一 實施例中，網(wǎng)絡(luò)管理器可駐留于與無線網(wǎng)關(guān)所駐留的物理主機相同的物 理主機中，但是具有與網(wǎng)關(guān)設(shè)備的地址不同的網(wǎng)絡(luò)地址。
在某些實施例中，無線網(wǎng)絡(luò)可通過與現(xiàn)有的有線HART通信協(xié)議共享
協(xié)議棧的至少應(yīng)用層，來支持HART通信協(xié)議的無線擴展。在這些實施例中
的某些實施例中，網(wǎng)關(guān)可通過將共享的應(yīng)用層與較低的層分離，并在第一接
口和第二接口之間以隧道方式傳送HART命令，來提供有線和無線HART
協(xié)議之間的雙向轉(zhuǎn)換。參與無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備可形成多節(jié)點網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并且無線網(wǎng)關(guān)可作為該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之一運行。在一個這樣的實施例中，該無線
網(wǎng)關(guān)被指派HART設(shè)備描述符(DD)。在某些實施例中，無線網(wǎng)關(guān)還符合 設(shè)備描述語言(DLL)格式。


圖1示意性地示出了通過本公開內(nèi)容的網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到工廠自動化網(wǎng) 絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)。
圖2是可在圖1中示出的無線網(wǎng)絡(luò)中使用的無線HART協(xié)議的各層的 示意圖。
圖3是示出使用多路復(fù)用器以支持與遺留現(xiàn)場設(shè)備的HART通信的結(jié) 構(gòu)圖。
圖4是示出使用無線HART適配器以支持與圖2中示出的遺留現(xiàn)場設(shè) 備的無線HART通信的結(jié)構(gòu)圖。
圖5示出提供油罐區(qū)中的現(xiàn)場設(shè)備之間的無線通信和使用本公開內(nèi)容 的無線網(wǎng)關(guān)從分布式控制系統(tǒng)訪問最后得到的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的特定示例。
圖6是示出根據(jù)在圖1中示出的無線網(wǎng)絡(luò)中使用的5字節(jié)無線HART 設(shè)備標識符構(gòu)造8字節(jié)地址的示例的結(jié)構(gòu)圖。
圖7-10示出根據(jù)各種網(wǎng)絡(luò)拓樸和先前存在的裝置實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的若干 示例。
圖11是這里論述的網(wǎng)關(guān)設(shè)備可遵守的示例性啟動順序。 圖12是示出與在網(wǎng)關(guān)設(shè)備處緩存突發(fā)模式數(shù)據(jù)相關(guān)的消息交換的示例 消息順序圖。
具體實施例方式
圖1示出示例性網(wǎng)絡(luò)10，在示例性網(wǎng)絡(luò)10中，可以使用這里所描述的 無線網(wǎng)關(guān)。具體來說，網(wǎng)絡(luò)IO可以包括與無線通信網(wǎng)絡(luò)14連接的工廠自動 化網(wǎng)絡(luò)12。工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12可以包括通過通信骨干20連接的一個或更多固定工作站16和一個或更多便攜式工作站18,其中通信骨干20可以利 用以太網(wǎng)、RS-485、 Profibus DP或利用適合的通信硬件和協(xié)議來實現(xiàn)。這 些工作站和形成工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12的其它裝置可以向工廠員工提供各種控 制和監(jiān)督功能，包括對無線網(wǎng)絡(luò)14中的設(shè)備的訪問。工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12和 無線網(wǎng)絡(luò)14可以經(jīng)由無線網(wǎng)關(guān)22進行連接。更為具體地，無線網(wǎng)關(guān)22可 以經(jīng)由第一 (或"主機，，)接口 23A采用有線方式連接到骨干20并且可以 利用任何適合的(例如已知的)通信協(xié)議與工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12進行通信。 無線網(wǎng)關(guān)22的第二 (或"無線，，)接口 23B可支持與在無線網(wǎng)絡(luò)14中運行 的一個或若干個設(shè)備的無線通信。
在運行中，可以采用任何其它想要的方式(例如，作為單機設(shè)備、可插 入主機工作站16或18的擴展槽的卡、作為基于PLC或基于DCS的系統(tǒng)的 輸入/輸出(I/O)子系統(tǒng)的一部分等等)來實現(xiàn)的無線網(wǎng)關(guān)22可以提供在網(wǎng) 絡(luò)12上運行且具有對無線網(wǎng)絡(luò)14的各種設(shè)備的訪問權(quán)限的應(yīng)用程序。在某 些實施例中，為網(wǎng)絡(luò)12和14提供服務(wù)的協(xié)議可共享各自的協(xié)議棧的一個或 更多上層，并且無線網(wǎng)關(guān)22在對協(xié)議棧的共享層或各層使用隧道技術(shù)的同 時，可為協(xié)議棧的下層提供路由、緩沖和定時服務(wù)(例如，地址轉(zhuǎn)換、路由、 包分段、區(qū)分優(yōu)先級等)。在其它情況下，無線網(wǎng)關(guān)22可轉(zhuǎn)換不共享任何 協(xié)議層的網(wǎng)絡(luò)12和14的協(xié)議之間的命令。
除了協(xié)議和命令轉(zhuǎn)換，無線網(wǎng)關(guān)22還可以提供與在網(wǎng)絡(luò)14中實現(xiàn)的無 線協(xié)議(這里稱為無線HART協(xié)議)相關(guān)聯(lián)的調(diào)度方案的時隙和超幀(在時 間上均勻分隔開的通信時隙組)所使用的同步時鐘控制。具體來說，網(wǎng)關(guān) 22可以預(yù)定間隔通過無線網(wǎng)絡(luò)14傳播同步數(shù)據(jù)。
在一些配置中，網(wǎng)絡(luò)10可以包^^多于一個無線網(wǎng)關(guān)22以^是高網(wǎng)《各10 的效率和可靠性。具體來說，多個網(wǎng)關(guān)設(shè)備22可以提供用于無線網(wǎng)絡(luò)14和 工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12以及外部世界之間的通信的額外帶寬。另一方面，網(wǎng)關(guān) 設(shè)備22可根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)14內(nèi)的網(wǎng)關(guān)通信需要向適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求帶寬。 可以駐留在無線網(wǎng)關(guān)22中的網(wǎng)絡(luò)管理器軟件模塊27可以在該系統(tǒng)在運行的同時進一步重新評價需要的帶寬。例如，無線網(wǎng)關(guān)22可以從駐留在無線網(wǎng) 絡(luò)14外部的主機接收請求以檢索大量的數(shù)據(jù)。然后，無線網(wǎng)關(guān)22可以請求
網(wǎng)絡(luò)管理器27分配另外的帶寬以適應(yīng)該事務(wù)。例如，無線網(wǎng)關(guān)22可以發(fā)出 適當(dāng)?shù)姆?wù)請求。然后，無線網(wǎng)關(guān)22可以在該事務(wù)完成時請求網(wǎng)絡(luò)管理器 27釋放該帶寬。
繼續(xù)參照圖1,無線網(wǎng)絡(luò)14可以包括一個或更多現(xiàn)場i殳備30-36。通常， 像那些在化工、石油或其它加工廠中使用的過程控制系統(tǒng)包括諸如閥、閥定 ^哭 異乂 z去咸哭f敘14『:S疳店力^fo-:右^Z去咸器、泰^ J5I 4n,答審夕主沾
現(xiàn)場設(shè)備。 一般而言，現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行該過程內(nèi)的物理控制功能，例如，開閥
或關(guān)閥或獲得過程參數(shù)的測量值。在無線通信網(wǎng)絡(luò)14中，現(xiàn)場設(shè)備30-36 為無線通信包的生成者和使用者。
設(shè)備30-36可以利用無線通信協(xié)議進行通信，該無線通信協(xié)議提供了類 似的有線網(wǎng)絡(luò)的功能，具有類似或改進的運行性能。具體來說，該協(xié)議可以 使得該系統(tǒng)能執(zhí)行過程數(shù)據(jù)監(jiān)測、關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測(具有更嚴格的性能要求)、 校準、設(shè)備狀態(tài)和診斷監(jiān)測、現(xiàn)場設(shè)備故障檢修、試運轉(zhuǎn)以及監(jiān)督過程控制。 然而，執(zhí)行這些功能的應(yīng)用程序通常要求無線網(wǎng)絡(luò)14支持的協(xié)議在必要時 提供快速更新，在需要時移動大量的數(shù)據(jù)，并且支持加入無線網(wǎng)絡(luò)14的網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備，即使僅僅暫時用于試運轉(zhuǎn)和修護工作。
如果想要的話，網(wǎng)絡(luò)14可包括非無線設(shè)備。例如，圖1的現(xiàn)場設(shè)備38 可以是遺留(legacy )4-20mA設(shè)備，并且現(xiàn)場設(shè)備40可以是傳統(tǒng)的有線HART 設(shè)備。為了在網(wǎng)絡(luò)14內(nèi)進行通信，現(xiàn)場設(shè)備38和40可以經(jīng)由無線HART 適配器(WHA ) 50或50A連接到無線HART網(wǎng)絡(luò)14。另外，WHA 50可以 支持其它通信協(xié)議，例如，F(xiàn)oundation Fieldbus、 PROFIBUS、 DeviceNet 等等。在這些實施例中，WHA50支持在協(xié)議棧的較下層上的協(xié)議轉(zhuǎn)換。另 外，預(yù)計單個WHA 50也可以充當(dāng)多路復(fù)用器并且可以支持多個HART或 非HART設(shè)備。
通常，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以負責(zé)使無線網(wǎng)絡(luò)14適應(yīng)不斷變化的狀況并且負責(zé)調(diào)度通信資源。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入和離開該網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以 更新它的無線網(wǎng)絡(luò)14的內(nèi)部模型并且使用這種信息產(chǎn)生通信調(diào)度表和通信
路由。另外，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以考慮無線網(wǎng)絡(luò)14的總體性能以及診斷信息， 以使無線網(wǎng)絡(luò)14適應(yīng)拓樸和通信需求的變化。 一旦網(wǎng)絡(luò)管理器27已經(jīng)產(chǎn)生 總體通信調(diào)度表，總體通信調(diào)度表的所有或各個部分可以通過一連串命令從 網(wǎng)絡(luò)管理器27傳輸?shù)竭@些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
為了進一步增加帶寬并提高可靠性，無線網(wǎng)關(guān)22可以在功能上被分成 虛擬網(wǎng)關(guān)24和一個或更多網(wǎng)絡(luò)接入點25，網(wǎng)絡(luò)接入點25可以是與無線網(wǎng) 關(guān)22進行有線通信的分立物理設(shè)備。然而，雖然圖1示出了物理上分離的 無線網(wǎng)關(guān)22和接入點25之間的有線連接26,但是可以理解的是，元件22-26 也可以是被提供為一體的設(shè)備。因為網(wǎng)絡(luò)接入點25可以與無線網(wǎng)關(guān)22物理 分離，接入點25可以在戰(zhàn)略上放置在網(wǎng)絡(luò)14的幾個不同的位置。除了增加 帶寬，多個接入點25可以通過利用其它接入點25補償一個接入點25處的 可能差的信號質(zhì)量來增加網(wǎng)絡(luò)14的總體可靠性。在一個或更多接入點25出 現(xiàn)故障的情況下，擁有多個接入點25還提供了冗余。
除了分配帶寬，要不然的話橋接網(wǎng)絡(luò)12和14,無線網(wǎng)關(guān)22還可^l行 無線網(wǎng)絡(luò)14中的一個或更多管理功能。如圖1中示出的，網(wǎng)絡(luò)管理器軟件 模塊27和安全管理器軟件模塊28可以存儲在無線網(wǎng)關(guān)22中并在無線網(wǎng)關(guān) 22中執(zhí)行?？商娲兀W(wǎng)絡(luò)管理器27和/或安全管理器28可以在工廠自動 化網(wǎng)絡(luò)12中的主機16或18之一上運行。例如，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以在主機 16上運行而安全管理器28可以在主4幾18上運^f亍。網(wǎng)絡(luò)管理器27可以負責(zé) 配置網(wǎng)絡(luò)14、調(diào)度無線設(shè)備之間的通信、管理與這些無線設(shè)備相關(guān)聯(lián)的路 由表、監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)14的總體健康、向工作站16和18才艮告無線網(wǎng)絡(luò)14的 健康，以及其它管理和監(jiān)督功能。雖然在網(wǎng)絡(luò)14中有單個有效網(wǎng)絡(luò)管理器 27運行可能就足夠了 ，但冗余網(wǎng)絡(luò)管理器27可以類似地被提供以保護無線 網(wǎng)絡(luò)免受意料之外的設(shè)備故障。同時，安全管理器28可以負責(zé)保護無線網(wǎng) 絡(luò)14不受到未被授權(quán)的設(shè)備的惡意或無意入侵。為了這個目的，安全管理器28可以管理鑒權(quán)代碼，驗證由嘗試加入無線網(wǎng)絡(luò)14的設(shè)備提供的授權(quán)信 息，更新諸如到期密鑰之類的暫時性安全數(shù)據(jù)以及執(zhí)行其它安全功能。
繼續(xù)參照圖1，無線網(wǎng)絡(luò)14可以包括一個或更多現(xiàn)場設(shè)備30-36。通常， 像那些在化工、石油或其它加工廠中使用的過程控制系統(tǒng)包括諸如閥、閥定 位器、開關(guān)、傳感器(例如溫度、壓力和流速傳感器)、泵、風(fēng)機等等之類 的現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行該過程內(nèi)的物理控制功能，例如，開閥或關(guān)閥或 獲取過程參數(shù)的測量值。在無線通信網(wǎng)絡(luò)14中，現(xiàn)場設(shè)備30-36為無線通 信包的生成者和使用者。
設(shè)備30-36可以利用無線通信協(xié)議進行通信，該無線通信協(xié)議提供了類 似的有線網(wǎng)絡(luò)的功能，具有類似或改進的運行性能。具體來說，該協(xié)議可以 使得該系統(tǒng)能執(zhí)行過程數(shù)據(jù)監(jiān)測、關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測(具有更嚴格的性能要求)、 校準、設(shè)備狀態(tài)和診斷監(jiān)測、現(xiàn)場設(shè)備故障檢修、試運轉(zhuǎn)以及監(jiān)督過程控制。 然而，執(zhí)行這些功能的應(yīng)用程序通常要求由無線網(wǎng)絡(luò)14支持的協(xié)議在必要 時提供快速更新，在需要時移動大量的數(shù)據(jù)，并且支持加入無線網(wǎng)絡(luò)14的 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即使僅僅暫時用于試運轉(zhuǎn)和修護工作。
在一個實施例中，支持無線網(wǎng)絡(luò)14的網(wǎng)絡(luò)i殳備30-36的無線協(xié)議是已 知有線HART協(xié)議的擴展，這是一種被廣泛接受的行業(yè)標準，其維護有線環(huán) 境的簡單工作流程和實踐。在這種意義上，網(wǎng)絡(luò)i殳備30-36可以被認為是無 線HART設(shè)備。通過簡單增加新的設(shè)備描述文件，用于有線HART設(shè)備的 相同工具可以容易地適用于無線設(shè)備30-36。以這種方式，該無線協(xié)議可以 借助利用有線HART協(xié)議獲得的經(jīng)驗和知識的杠桿作用來使培訓(xùn)最少并簡 化維護和支持。 一般而言，使協(xié)議適應(yīng)于無線應(yīng)用，以便在設(shè)備上運行的大 多數(shù)應(yīng)用程序沒有"注意到"從有線網(wǎng)絡(luò)到無線網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變可以是方便的。 顯然，這樣的透明性大大減小了升級網(wǎng)絡(luò)的成本，并且更為一般地，減小了 與開發(fā)和支持可以和這樣的網(wǎng)絡(luò)一起使用的設(shè)備相關(guān)的成本。對眾所周知的 HART協(xié)議進行無線擴展的一些另外的好處包括對用有線設(shè)備難以獲得或 需要昂貴的代價才能獲得的測量結(jié)果的訪問以及從可以安裝在膝上型電腦、
16手持機、工作站等等上的系統(tǒng)軟件配置和操作儀器的能力。另一個好處是有能力將診斷警告從無線設(shè)備返回通過通信基礎(chǔ)設(shè)施送到在集中放置的診斷中心。例如，加工廠中的每個熱交換器可能與無線HART設(shè)備安裝在一起并且當(dāng)交換器檢測到問題時，可以警告終端用戶和供應(yīng)商。又一好處是有能力
監(jiān)測呈現(xiàn)嚴重健康和安全問題的狀況。例如，無線HART設(shè)備可能放置在路上的洪水區(qū)并用于警告當(dāng)局或司機有關(guān)水位的情況。其它好處包括對寬范圍的診斷警告的訪問，和在無線HART設(shè)備處存儲趨勢值以及計算值的能力，以便當(dāng)建立了與該設(shè)備的通信時，可以將這些值傳輸?shù)街鳈C。在這種方式下，無線HART協(xié)議可以提供使主機應(yīng)用程序能夠無線訪問現(xiàn)有的HART使能現(xiàn)場設(shè)備的平臺，并且該無線HART協(xié)議可以支持電池供電的、僅限無線的HART使能現(xiàn)場設(shè)備的部署。該無線HART協(xié)議可以用于建立過程應(yīng)用的無線通信標準，并且可以進一步通過增強基本的HART技術(shù)以支持無線過程自動化應(yīng)用，來擴展HART通信的應(yīng)用以及該協(xié)議提供給過程控制行業(yè)的好處。
再次參見圖1,現(xiàn)場設(shè)備30-36可以是無線HART現(xiàn)場設(shè)備，每個現(xiàn)場設(shè)備30-36釆用整體單元的形式并且支持無線HART協(xié)議棧的所有層。例如，在網(wǎng)絡(luò)14中，現(xiàn)場設(shè)備30可以是無線HART流量計，現(xiàn)場設(shè)備32可以是無線HART壓力傳感器，現(xiàn)場設(shè)備34可以是無線HART閥定位器，現(xiàn)場設(shè)備36可以是無線HART壓力傳感器。重要的是，無線設(shè)備30-36可以支持用戶已經(jīng)從有線HART協(xié)議見到的所有的HART特征。如本領(lǐng)域:技術(shù)人員將會懂得的是，該HART協(xié)議的核心實力之一在于它的嚴格的協(xié)同工作能力要求。在一些實施例中，所有無線HART裝置包括核心的強制性能力以便允許(例如，由不同廠商制造的)同等的設(shè)備類型被互換而不會危及系統(tǒng)運行。而且，無線HART協(xié)議向后兼容諸如設(shè)備描述語言(DDL)之類的HART核心技術(shù)。在優(yōu)選實施例中，所有的無線HART設(shè)備應(yīng)該支持DDL,其確保終端用戶直接具有開始使用無線HART協(xié)議的工具。
如果想要的話，網(wǎng)絡(luò)14可以包括非無線設(shè)備。例如，圖1的現(xiàn)場設(shè)備38可以是遺留4-20mA設(shè)備，并且現(xiàn)場設(shè)備40可以是傳統(tǒng)的有線HART設(shè)備。為了在網(wǎng)絡(luò)14內(nèi)進行通信，現(xiàn)場設(shè)備38和40可經(jīng)由無線HART適配器(WHA) 50連接到無線HART網(wǎng)絡(luò)14。另外，WHA50可以支持其它通信協(xié)議，例如，F(xiàn)OUNDATION Fieldbus、 PROFIBUS、 DeviceNet等等。在這些實施例中，WHA50支持在協(xié)議棧的較下層上的協(xié)議轉(zhuǎn)換。另外，預(yù)計單個WHA 50也可以充當(dāng)多路復(fù)用器并且可以支持多個HART或非HART設(shè)備。
工廠員工另外可使用手持式設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安裝、控制、監(jiān)測和維
護。 一般而言，手持式設(shè)備是便攜式裝置，該便攜式裝置可以直接連接到無線網(wǎng)絡(luò)14或通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備22連接到無線網(wǎng)絡(luò)14作為工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12上的主機。如圖l示出的，連接無線HART的手持式設(shè)備55可以直接與無線網(wǎng)絡(luò)14進行通信。當(dāng)與形成的無線網(wǎng)絡(luò)14 一起運行時，手持式設(shè)備55可以只是作為另一無線HART現(xiàn)場設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)14。當(dāng)與沒有連接到無線HART網(wǎng)絡(luò)的目標網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一起運行時，手持式i殳備55可以通過與該目標網(wǎng)絡(luò)設(shè)備形成它自己的無線網(wǎng)絡(luò)，作為無線網(wǎng)關(guān)22和網(wǎng)絡(luò)管理器27的結(jié)合來運行。
連接工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的手持式設(shè)備(未示出)可以用于通過諸如Wi-Fi之類的已知組網(wǎng)技術(shù)連接到工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12。該設(shè)備釆用與外部工廠自動化服務(wù)器(未示出)或者工作站16和18與設(shè)備30-40的通信相同的方式，通過無線網(wǎng)關(guān)22與網(wǎng)絡(luò)i殳備30-40進行通信。
另外，無線網(wǎng)絡(luò)14可以包括路由器設(shè)備60,該路由器設(shè)備60是從一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備向另 一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。正在充當(dāng)路由器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用內(nèi)部路由表來指揮路由，即來決定特定的包應(yīng)該被發(fā)送給哪個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在那些無線網(wǎng)絡(luò)14上的所有設(shè)備都支持路由的實施例中，可以不需要諸如路由器60之類的單機路由器。然而，(例如為了擴展網(wǎng)絡(luò)，或為了節(jié)省該網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場設(shè)備的電力)添加一個或更多專用路由器60到網(wǎng)絡(luò)14可以是有益的。直接連接到無線網(wǎng)絡(luò)14的所有設(shè)備可以被稱為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。具體來說，
無線現(xiàn)場設(shè)備30-36、適配器50、路由器60、無線網(wǎng)關(guān)22、接入點25以及無線手持式設(shè)備55是為了路由和調(diào)度目的的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的每一個形成無線網(wǎng)絡(luò)14的節(jié)點。為了提供非常健壯的和容易擴展的無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的所有i殳備可以支持^各由并且每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以用諸如HART地址之類的實質(zhì)上唯一的地址來進行全局標識。網(wǎng)絡(luò)管理器27可以包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的完整列表，并且可以指派給每個設(shè)備短的、網(wǎng)絡(luò)唯一的16位(例如)別名。另外，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以存儲與更新("掃描")速率、連接會話以及設(shè)備資源相關(guān)的信息。簡而言之，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護與無線網(wǎng)絡(luò)14內(nèi)的路由和調(diào)度相關(guān)的最新信息。每當(dāng)新的設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)時或每當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理器27檢測到或發(fā)起無線網(wǎng)絡(luò)14的拓樸或調(diào)度的改變時，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以將該信息傳達到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
進一步，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以存儲并維護該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在偵聽操作期間已經(jīng)識別的鄰居設(shè)備的列表。 一般而言，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的鄰居是潛在能夠根據(jù)由相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)強制實行的標準建立與該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接的任何類型的另 一 個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在為無線HART網(wǎng)絡(luò)14的情況下，該連接是直接無線連接。然而，將會理解的是，鄰居設(shè)備還可以是以有線方式連接到特定設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如稍后將要討論的，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可通過廣告或在指定的時段發(fā)出的特殊消息來促進其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)現(xiàn)它們?？刹僮鞯剡B接到無線網(wǎng)絡(luò)14的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有一個或更多鄰居，這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以根據(jù)廣告信號的強度或根據(jù)一些其它準則選擇這些鄰居。
在如圖l示出的實例中，由直接無線連接65連接的一對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的每個設(shè)備將另一個識別為鄰居。無線網(wǎng)絡(luò)14的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以形成大量的設(shè)備間連接65。建立兩個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的直接無線連接65的可能性和愿望由諸如這些節(jié)點之間的物理距離、這些節(jié)點(設(shè)備)之間的障礙、這兩個節(jié)點中的每一個節(jié)點處的信號強度等等若干因素來確定。通常每個無線連接65由與發(fā)送頻率、接入無線電資源的方法等有關(guān)的一個大的參數(shù)組特征化。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到的是，通常，無線通信協(xié)議可以在指定頻率上運行，例如由美國的聯(lián)邦電信委員會(FCC)指派的那些頻率，或運行于無許
可ii的無線電頻段(例如，2.4GHz)。盡管這里討論的系統(tǒng)和方法可以應(yīng)用于在任何指定頻率或頻率范圍上運行的無線網(wǎng)絡(luò)，但是下面討論的示例性實施例涉及與運行于無線電頻譜上的無許可證的或者共享部分的無線網(wǎng)絡(luò)14。根據(jù)這個實施例，無線網(wǎng)絡(luò)14可以被容易地驅(qū)使或調(diào)整為根據(jù)需要在特定的無許可證的頻率范圍中運行。
繼續(xù)參照圖1,兩個或更多直接無線連接65可以形成在不能形成直接無線連接65的節(jié)點之間的通信路徑。例如，無線HART手持式設(shè)備55和無線HART設(shè)備36之間的直接無線連接65A,連同無線HART設(shè)備36和路由器60之間的直接無線連接65B，可以形成設(shè)備55和60之間的通信路徑。如以下更加詳細討i侖的，這些通信3各徑中的至少 一些可以是有向通信3各徑(即允許或定義一對設(shè)備之間沿僅僅一個方向傳輸數(shù)據(jù))。同時，無線HART設(shè)備36可以直接連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備55、 60、 32中的每一個，并且連接到網(wǎng)絡(luò)接入點25A和25B。 一般而言，在無線網(wǎng)絡(luò)14中運行的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以發(fā)起數(shù)據(jù)包、中繼由其它設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包或執(zhí)行這兩種類型的操作。如這里所使用的，術(shù)語"終端設(shè)備"指不中繼由其它設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而術(shù)語"路由設(shè)備"指中繼在其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳播的數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。當(dāng)然，路由設(shè)備還可以發(fā)起它自己的數(shù)據(jù)，或者在某些情況下為終端設(shè)備。因此， 一個或若干終端設(shè)備和路由設(shè)備，連同若干直接連接65，可以形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一部分。
因為加工廠可以具有成百或者甚至上千個現(xiàn)場設(shè)備，所以在該工廠中運行的無線網(wǎng)絡(luò)14可以包括大量的節(jié)點，并且在許多工作情況下包括更大量的節(jié)點對之間的直接連接65。結(jié)果，無線網(wǎng)絡(luò)14可能具有復(fù)雜的網(wǎng)狀拓樸，并且不共享直接連接65的一些設(shè)備對可能必須通過執(zhí)行這些設(shè)備之間的通信的許多中間跳來進行通信。因此，在數(shù)據(jù)包離開源設(shè)備之后到達目的設(shè)備之前，可能有時需要沿許多直接連接65進行傳播，并且每個直接連接65可能對該數(shù)據(jù)包的總傳遞時間添加一延遲。而且，這些中間設(shè)備中的某些中間 設(shè)備可以位于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的許多通信路徑的交叉點處。同樣，可能除了發(fā)起它 自己包之外，這些設(shè)備還可能要負責(zé)中繼由許多不同設(shè)備發(fā)起的大量的包。 因此，相對忙的中間設(shè)備可以不馬上轉(zhuǎn)發(fā)瞬變的數(shù)據(jù)包，而是在相應(yīng)的通信 路徑上向下一個節(jié)點發(fā)送該包之前，可以將該包排入隊列等待相對長的時 間。當(dāng)數(shù)據(jù)包最終到達該目的設(shè)備時，該目的設(shè)備可以用確認包進行回復(fù)， 該確認包也可能遇到類似的延遲。在該包傳播到目的設(shè)備以及相應(yīng)的確認包 從該目的設(shè)備傳播回到該發(fā)起設(shè)備期間，該發(fā)起節(jié)點可能不知道該數(shù)據(jù)是否 已經(jīng)成功到達該目的設(shè)備。而且，設(shè)備可能由于調(diào)度維護和升級或由于意外 故障而離開無線網(wǎng)絡(luò)14,從而改變了該網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的拓樸并破壞了這些通信
路徑中的某些^各徑。類似地，這些i殳備可以加入無線網(wǎng)絡(luò)14， /人而添加了 另外的直接連接65。如果不以高效且及時的方式進行處理的話，無線網(wǎng)絡(luò) 14的拓樸的這些或其它改變可能會大大影響節(jié)點對之間的數(shù)據(jù)發(fā)送。
然而，重要的是，傳遞數(shù)據(jù)包的效率可以在很大程度上決定工廠運行的 可靠性、安全性和總體質(zhì)量。例如，包括指示反應(yīng)器的過高溫度的測量值的 數(shù)據(jù)包應(yīng)該快速并可靠地到達另一節(jié)點，例如手持式設(shè)備55或甚至是工作 站16，以便操作員或控制器可以馬上采取適當(dāng)?shù)拇胧┎⑶胰绻匾脑捴?力于解決危險情況。為了高效利用可用的直接無線連接65并完全適應(yīng)頻繁 改變的網(wǎng)絡(luò)拓樸，網(wǎng)絡(luò)連接器27可以維護完整的網(wǎng)絡(luò)地圖(map) 68，定 義連接至少某些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對30-50的路由方案，并且將該路由方案的相關(guān)部 分傳達給參與該路由方案的每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
具體來說，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以定義包括一個或更多單向通信路徑的一 組有向圖(graph)，將圖標識符指派給每個定義的有向圖，并且可以將每 個圖定義的相關(guān)部分傳達給每個相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，每個相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而后 可以更新特定設(shè)備的、在本地存儲的連接表69。如以下更詳細的說明，網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備30-50接著可以基于包括在數(shù)據(jù)包的包頭、包尾等的圖標識符來路由 這些數(shù)據(jù)包。如果想要的話，每個連接表69可以僅僅存儲與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接相關(guān)的路由信息，這樣該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不知道包括該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的有向圖的 完整定義。換句話說，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能無法"看到"其直接鄰居之外的網(wǎng)絡(luò)， 并且在這種意義上，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能不知道無線網(wǎng)絡(luò)14的完整拓樸。例如，
在圖1中示出的路由器設(shè)備60可以存儲連接表69A，其可以僅僅指定與相 鄰網(wǎng)絡(luò)設(shè)備32、 36、 50和34相關(guān)的路由信息。同時，WHA50A可以存儲 連接表69B,其相應(yīng)地可以指定與WHA 50A的鄰居相關(guān)的^各由信息。
在某些情況下，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對之間定義雙重通信路 徑，以確保在主通信路徑的直接連接65之一變得不可用的情況下，數(shù)據(jù)包 仍然可以沿副通信路徑到達目的設(shè)備。然而，直接連接65中的一些可以在 特定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對的主路徑和副路徑之間被共享。而且，網(wǎng)絡(luò)管理器27在 某些情況下可以將要使用的整個通信路徑傳達給某一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 接著可以發(fā)起數(shù)據(jù)包并且將完整的路徑信息包括在該數(shù)據(jù)包的包頭和包尾 中。優(yōu)選地，針對無嚴格的等待時間要求的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用這種路由方 法。如下詳細討論的，該方法(這里稱為"源路由")可以不提供相同程度的 可靠性和靈活性，并且， 一般而言，可以具有傳遞延遲較長的特征。
無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的(并且特別是在無許可證的頻帶中運行的無線網(wǎng)絡(luò)的) 另一核心要求是以最小的擾亂性與使用同一頻帶的其它裝備共存。共存一般 定義為一個系統(tǒng)在共享環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的能力，在該共享環(huán)境中，其它系統(tǒng) 能夠類似地執(zhí)行它們的任務(wù)，同時遵照同一準則組或者不同(并且可能未知 的)的準則組。在無線環(huán)境中共存的一個要求是在該環(huán)境中出現(xiàn)干擾時該協(xié) 議維持通信的能力。另 一要求是該協(xié)議應(yīng)該對其它通信系統(tǒng)造成盡可能小的 干擾和擾亂。
換句話說，無線系統(tǒng)與周圍的無線環(huán)境共存的問題大體具有兩個方面。 共存的第一方面是該系統(tǒng)用以影響其它系統(tǒng)的方式。例如，特定系統(tǒng)的操作 員或開發(fā)者可以詢問一個發(fā)射器發(fā)送的信號對接近該特定系統(tǒng)運行的其它 無線電系統(tǒng)具有什么影響。更為具體地，該操作員可以詢問，每當(dāng)該發(fā)射機 開啟時該發(fā)射機是否擾亂某些其它無線設(shè)備的通信，或者該發(fā)射機是否在廣
22播上花費過多的時間從而有效地"獨占"(hogging)該帶寬。理想地，每個
發(fā)射機應(yīng)該是不被其它發(fā)射機注意到的"安靜鄰居"。盡管該理想特性(如果 有的話)很少能夠達到，但創(chuàng)造了其它無線通信系統(tǒng)可以在其中運行得相當(dāng) 好的共存環(huán)境的無線系統(tǒng)可以被稱為"好鄰居"。無線系統(tǒng)的共存的第二方面 是該系統(tǒng)在有其它系統(tǒng)或無線信號源的情況下運行得相當(dāng)好的能力。具體來 說，無線系統(tǒng)的健壯性可以取決于該無線系統(tǒng)防止在這些接收機處的干擾的
能力有多好，取決于這些接收機是否由于接近的RF能量源而容易超載，取 決于這些接收機對偶爾的位丟失的容忍度有多好，以及類似的因素。在某些 行業(yè)中，包括過程控制行業(yè)，有許多重要的經(jīng)常不允許數(shù)據(jù)丟失的潛在應(yīng)用。 能夠在嘈雜的或動態(tài)的無線電環(huán)境中提供可靠通信的無線系統(tǒng)可以被稱為 "寬容的鄰居"。
有效的共存(即，作為好鄰居和寬容的鄰居)部分地依賴于有效使用三 方面的自由時間、頻率和距離。當(dāng)通信在1 )在干擾源(或者其它通信系 統(tǒng))安靜的時候發(fā)生；2)以與干擾信號不同的頻率發(fā)生；或3)在足以遠 離該干擾源的位置發(fā)生時，該通信可能是成功的。盡管這些因素中的單個因 素可能用于在無線電頻譜的共享部分提供通信方案，但是這些因素中的兩個 或所有三個的結(jié)合可以提供高度的可靠性、安全性和速度。
仍然參見圖1,網(wǎng)絡(luò)管理器27或在網(wǎng)絡(luò)14或12上運行的另一應(yīng)用或 服務(wù)可以鑒于以上討論的這些因素定義無線通信網(wǎng)絡(luò)14的主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表 67。主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67可以為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備25和30-55指定將諸如時間段和無線 電頻率之類的資源的分配。具體來說，主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67可以指定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 25和30-55中的每一個何時發(fā)送過程數(shù)據(jù)、代表其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備路由數(shù)據(jù)、偵 聽從網(wǎng)絡(luò)管理器27傳播來的管理數(shù)據(jù)以及為了希望加入無線網(wǎng)絡(luò)14的設(shè)備 而發(fā)送廣告數(shù)據(jù)。為了以有效方式分配無線電資源，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以鑒 于無線網(wǎng)絡(luò)14的拓樸定義并更新主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67。更為具體地，網(wǎng)絡(luò)管理 器27可以根據(jù)在每個節(jié)點處標識的直接無線連接65來分配可用資源給無線 網(wǎng)絡(luò)14的節(jié)點中的每一個(即，無線設(shè)備30-36、 50以及60)。在這種意
23義上，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以鑒于在每個節(jié)點處的發(fā)送要求和路由可能性來定 義和維護網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67。
主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67可以將可用的無線電資源分成獨立的通信信道，并且 進一步以例如時分多址(TDMA)通信時隙為單位在每個信道上測量發(fā)送和 接收時片幾。具體來i兌，無線網(wǎng)絡(luò)14可以在某一頻帶內(nèi)運行，該頻帶在大多 數(shù)情況下可以安全地與若干截然不同的載波頻率相關(guān)聯(lián)，以便以一個頻率進 行的通信可以與以該頻帶內(nèi)的另 一頻率進行的通信同時發(fā)生。本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將會理解的是，在典型應(yīng)用中的載波頻率(例如公共無線電)被充分 地分隔開以防止相鄰載波頻率之間的干擾。例如，在2.4GHz頻帶中，IEEE 指派頻率2.455給信道號21，指派頻率2.460給信道號22,從而允許2.4GHz 頻帶的兩個相鄰段之間隔開5KHz。主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67可以因此將每個通信信 道與截然不同的載波頻率相關(guān)聯(lián)，該載波頻率可以是該頻帶的特定段的中心頻率。
同時，如使用TDMA技術(shù)的行業(yè)中通常所用的，術(shù)語"時隙，，指特定的 持續(xù)時間段，較大的時段被分成該特定的持續(xù)時間段以提供受控的共享方 法。例如， 一秒可以分成10等分的100毫秒時隙。雖然主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67優(yōu) 選地以單個固定持續(xù)時間的時隙分配資源，但是只要無線網(wǎng)絡(luò)14的每個相 關(guān)節(jié)點都被適當(dāng)?shù)赝ㄖ诉@種改變，那么改變這些時隙的持續(xù)時間也是可能 的。繼續(xù)10個100毫秒時隙的實例定義，兩個設(shè)備可以每秒交換一次數(shù)據(jù)， 在每秒的第一個100ms時段(即第一時隙)期間一個設(shè)備進行發(fā)送，在每秒 的第四個100ms (即第四時隙)期間，另一設(shè)備進行發(fā)送，而剩下的時隙未 被占用。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)14上的節(jié)點可以通過發(fā)送頻率以及相應(yīng)的設(shè)備 可以在其間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時隙來標識被調(diào)度的發(fā)送時機和接收時機。
作為定義有效的和可靠的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67的 一部分，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以 在將時隙在邏輯上組織成循環(huán)重復(fù)的組或超幀。如這里所使用的，超巾貞可以 被更為精確地理解為一連串相等的超幀循環(huán)，每個超幀循環(huán)對應(yīng)于形成連續(xù) 時間段的若干相鄰接的時隙的邏輯分組。在給定超幀內(nèi)的時隙的數(shù)目定義了超幀的長度并且確定了每個時隙多久重復(fù)一次。換句話說，超幀的長度與單 個時隙的持續(xù)時間相乘，指定了一個超幀循環(huán)的持續(xù)時間。另外，為了方便 起見，可以對每個幀循環(huán)內(nèi)的時隙進行連續(xù)編號。舉一個具體的實例，網(wǎng)絡(luò)
管理器27可以將時隙的持續(xù)時間固定在IO毫秒，并且可以定義長度為100 的超幀，以產(chǎn)生l秒幀循環(huán)(即，10毫秒乘以100)。在基于0的編號方案 中，該實例超幀可以包括編號為0， 1， ...99的時隙。
如以下更詳細的討論，網(wǎng)絡(luò)管理器27減少了等待時間并且另外通過將 多個不同大小的并發(fā)超幀包括在網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67中來優(yōu)化數(shù)據(jù)發(fā)送。而且， 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67的一些或所有超幀可以跨越多個信道或載波頻率。因此，主 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67可以指定各個超幀的各個時隙和可用信道之一之間的關(guān)聯(lián)。
因此，主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67可以對應(yīng)于獨立的設(shè)備調(diào)度表的集合。例如， 諸如閥定位器34之類的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以具有獨立的設(shè)備調(diào)度表67A。設(shè)備調(diào) 度表67A可以僅僅包括與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備34相關(guān)的信息。類似地，路由器 60可以具有獨立的設(shè)備調(diào)度表67B。相應(yīng)地，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備34可以根據(jù)設(shè)備調(diào) 度表67A發(fā)送和接收數(shù)據(jù)而不知道諸如該設(shè)備60的調(diào)度表69B之類的其它 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)度表。為了這個目的，網(wǎng)絡(luò)管理器27可管理總的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表 67和各個獨立的設(shè)備調(diào)度表67 (例如，67A和67B)，并且當(dāng)需要時將獨 立的設(shè)備調(diào)度表67傳達給相應(yīng)的設(shè)備。當(dāng)然，設(shè)備調(diào)度表67A和67B是總 體或主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67的子集，或者是從總體或主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67獲得的。在 其它實施例中，獨立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備25和35-50可以至少部分定義或協(xié)商設(shè)備 調(diào)度表67并將向網(wǎng)絡(luò)管理器27報告這些調(diào)度表。根據(jù)這個實施例，網(wǎng)絡(luò)管 理器27可以根據(jù)接收到的設(shè)備調(diào)度表67組合網(wǎng)絡(luò)調(diào)度表67，同時檢查資 源竟爭并解決潛在的沖突。
以上概括描述的支持無線網(wǎng)絡(luò)14的通信協(xié)議在這里被稱為無線HART 協(xié)議70,并且參照圖2更詳細地討論該協(xié)議的操作。如將會被理解的，直 接無線連接65中的每一 個可以根據(jù)無線HART協(xié)議70的物理和邏輯要求來 傳輸數(shù)據(jù)。同時，無線HART協(xié)議70可以高效地支持在時隙內(nèi)并且在與特圖2示意性地示出了無線HART協(xié)議70的一個示例性實施例的各層， 與眾所周知的通信協(xié)議的ISO/OSI7層模型的各層近似對齊。作為比較，圖 2另外示出現(xiàn)有的"有線"HART協(xié)議72的各層。將會理解的是，無線HART 協(xié)議70不一定要具有有線對等體。然而，如下面將要詳細討論的，無線HART 協(xié)議70可以通過與現(xiàn)有協(xié)議共享該協(xié)議棧的一個或更多上層來大大方便其 實現(xiàn)。如以上所指示的，如以上所指示的，與為類似網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的有線協(xié) 議72相比，無線HART協(xié)議70可以提供相同或更高程度的可靠性和安全性。 同時，通過消除安裝有線的需要，無線HART協(xié)議70可以提供若干重要的 優(yōu)點，例如降低與安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相關(guān)的成本。還將會理解的是，雖然圖2將 無線HART協(xié)議70表現(xiàn)為HART協(xié)議72的無線對等體，但這種特定的對 應(yīng)在這里僅僅是作為實例被提供。在其它可能的實施例中，無線HART協(xié)議 70的一或更多層可以對應(yīng)于其它協(xié)議，或如以上所提及的，無線HART協(xié) 議70可以不與任何現(xiàn)有協(xié)議共享甚至最上面的應(yīng)用層。
如圖2中示出的，HART4支術(shù)的無線擴展可以將至少一個新物理層(例 如，IEEE802.15.4無線電標準)和兩個數(shù)據(jù)鏈路層(例如，有線和無線網(wǎng)格) 添加給已知的有線HART實施。 一般而言，無線HART協(xié)議70可以是安全
個實施例中，無線HART協(xié)議70可以在一個事務(wù)接一個事務(wù)的基礎(chǔ)上利用 可兼容IEEE 802.15.4b的直接序列擴頻通信(DSSS )無線電和信道跳頻。 可以利用TDMA對該無線HART通信進行調(diào)停以調(diào)度《連路活動(塊76 )。 同樣，優(yōu)選地，所有通信在指定的時隙內(nèi)執(zhí)行。 一個或更多源設(shè)備和一個或 更多目的設(shè)備可以被調(diào)度以在給定時隙中進行通信，并且每個時隙可以專門 用于來自單個源設(shè)備的通信，或者這些源設(shè)備可以被調(diào)度為利用像 CSMA/CA那樣的共享通信接入模式進行通信。源設(shè)備可以發(fā)送消息到 一一個 或更多特定的目標設(shè)備或者可以將消息廣播到被指派時隙的所有目標設(shè)備。 因為這里描述的無線HART協(xié)議70允許部署網(wǎng)狀拓樸，所以也可以指定重要的網(wǎng)絡(luò)層78。具體來說，網(wǎng)絡(luò)層78可以使得單獨的設(shè)備之間能夠建 立直接無線連接65,并且使得無線網(wǎng)絡(luò)14的特定節(jié)點(例如設(shè)備34)和網(wǎng) 關(guān)22之間能夠通過一個或更多中間跳來路由數(shù)據(jù)。在某些實施例中，網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備對30-50可以建立包括一個或若干^^的通信^4圣，而在其它實施例中， 所有數(shù)據(jù)可以要么向上游傳播到無線網(wǎng)關(guān)22,要么從無線網(wǎng)關(guān)22向下游傳 播到特定的節(jié)點。
為了增強可靠性，無線HART協(xié)議70可以將TDMA與 一種將多個無線 電頻率與單個通信源相關(guān)聯(lián)的方法(例如，信道跳頻)相結(jié)合。信道跳頻提
供了最小化干擾并減少多徑衰落影響的頻率分集。具體來說，數(shù)據(jù)鏈路76 可以生成單個超幀和多個載波頻率之間的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)鏈路層76以受控的和 預(yù)定義的方式在所述多個載波頻率之間循環(huán)。例如，無線HART網(wǎng)絡(luò)14的 特定場合的可用頻帶可以具有載波頻率Fb F2, ... Fn。超幀S的相關(guān)幀R可 以被調(diào)度為，在循環(huán)Cn中以頻率F,出現(xiàn)，在接下來循環(huán)Cn+1中以頻率F5 出現(xiàn)，在循環(huán)Cn+2中以頻率F2出現(xiàn)，等等。網(wǎng)絡(luò)管理器27可以利用該信息 配置相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以便在超幀S中進行通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以根據(jù)超幀S 的當(dāng)前循環(huán)調(diào)整發(fā)送頻率或接收頻率。
無線HART協(xié)議70的數(shù)據(jù)鏈路層76可以提供另外的將信道列入黑名 單的特征，其限制這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用該無線電頻帶中的某些信道。網(wǎng)絡(luò)管理 器27可以響應(yīng)于檢測到信道上的過多干擾或其它問題，將無線電信道列入 黑名單。進一步，操作員或網(wǎng)管可以將信道列入黑名單以便保護使用無線電 頻帶的固定部分的無線服務(wù)，否則的話該無線服務(wù)要與無線HART網(wǎng)絡(luò)14 共享該固定部分。在一些實施例中，無線HART協(xié)議70以超幀為基礎(chǔ)控制 列黑名單，以便每個超幀具有獨立的被禁止信道的黑名單。
在一個實施例中，網(wǎng)絡(luò)管理器27負責(zé)分配、指派并調(diào)整與數(shù)據(jù)鏈路層 76相關(guān)聯(lián)的時隙資源。如果網(wǎng)絡(luò)管理器27的單個例子支持多個無線HART 網(wǎng)絡(luò)14，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以為無線HART網(wǎng)絡(luò)14的每個例子生成總體調(diào) 度表。該調(diào)度表可以被組織成包含相對于該超幀的起點進行編號的時隙的超幀。另外，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以維持全局性絕對時隙計數(shù)，該絕對時隙計數(shù)
可以反映自從無線HART網(wǎng)絡(luò)14啟動以來被調(diào)度的時隙的總數(shù)。該絕對時 隙計數(shù)可以用于同步目的。
無線HART協(xié)議70可以進一步定義鏈路或鏈路對象以便在邏輯上統(tǒng)一 調(diào)度和路由。具體來說，鏈路可以與具體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、具體的超幀、相對隙 數(shù)、 一個或更多鏈路選項(發(fā)送、接收、共享)以及鏈路類型(正常、廣告、 發(fā)現(xiàn))相關(guān)聯(lián)。如圖2中示出的，數(shù)據(jù)鏈路層76可以是頻率捷變的。更為 具體地，信道偏移量可以用于計算用于執(zhí)行通信的具體的無線電頻率。網(wǎng)絡(luò) 管理器27可以鑒于每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處的通信要求定義一組鏈路。然后，每個 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以;故配置以所定義的該組《連^各。所定義的該組《連^各可以確定該網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備何時需要醒來，以及該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否應(yīng)該在醒來后即進行發(fā)送、接收 或同時發(fā)送/接收。
繼續(xù)參照圖2，無線HART協(xié)議70的傳輸層80允許有效的盡力而為的 通信和可靠的、端到端確認式通信。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到的，盡力 而為的通信允許設(shè)備發(fā)送包而不進行端到端的確認，并且不保證目的設(shè)備處 的數(shù)據(jù)順序。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)是這種通信策略的一個眾所周知的實 例。在過程控制行業(yè)中，該方法可以對公布過程數(shù)據(jù)是有用的。具體來說， 因為設(shè)備周期性地傳播過程數(shù)據(jù)，所以端到端確認和重試已經(jīng)限制了效用， 特別是考慮到新數(shù)據(jù)是在定期的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。相反，可靠的通信允許設(shè)備 發(fā)送確認包。除了保證數(shù)據(jù)傳遞，傳輸層80還可以安排網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間發(fā)送的 包。對于請求/響應(yīng)業(yè)務(wù)，或者當(dāng)發(fā)送事件通知時，這種方法可以是優(yōu)選的。 當(dāng)使用傳輸層80的可靠模式時，通信可以變得同步。
可靠的事務(wù)可以被建模為發(fā)出請求包的主設(shè)備和用響應(yīng)包進行回復(fù)的 一個或多個從設(shè)備。例如，主設(shè)備可以產(chǎn)生某一請求并且可以將該請求廣播 到整個網(wǎng)絡(luò)。在某些實施例中，網(wǎng)絡(luò)管理器27可以使用可靠的廣播來告訴 無線HART網(wǎng)絡(luò)14中的每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備激活新的超幀?？商娲?，諸如傳感 器30之類的現(xiàn)場設(shè)備可以產(chǎn)生包并且將該請求傳播到另一現(xiàn)場設(shè)備，例如傳播到便攜式HART通信裝置55。作為另一實例，由現(xiàn)場設(shè)備34產(chǎn)生的警 報或事件可以作為指向無線網(wǎng)關(guān)22的請求被發(fā)送。響應(yīng)于成功接收到該請 求，無線網(wǎng)關(guān)22可以產(chǎn)生響應(yīng)包并且將該響應(yīng)包發(fā)送到{殳備34,以對接收 到該警報或事件通知進行確認。
再參見圖2,會話層82可以提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的基于會話的通信?？?以用會話在該網(wǎng)絡(luò)層上管理端到端通信。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以具有為給定對等網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備定義的多于一個會話。如果想要的話，幾乎所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以具有至 少兩個與網(wǎng)絡(luò)管理器27建立的會話 一個用于成對通信， 一個用于從網(wǎng)絡(luò) 管理器27進行的網(wǎng)絡(luò)廣播通信。另外，所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以具有網(wǎng)關(guān)會話 密鑰。這些會話可以通過指派給它們的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址來區(qū)分。每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 可以跟蹤該設(shè)備參與的每個會話的安全信息(加密密鑰、當(dāng)前計數(shù)器)以及 傳輸信息(可靠傳輸順序號、重試計數(shù)器等)。
最后，無線HART協(xié)議70和有線HART協(xié)議72可以支持公共HART 應(yīng)用層84。無線HART協(xié)議70的應(yīng)用層可以另外包括子層86，其支持大數(shù) 據(jù)組的自動分段傳輸。通過共享應(yīng)用層84，協(xié)議70和72允許對HART命 令和數(shù)據(jù)進行公共封裝并且消除了在協(xié)議棧的最上層中進行協(xié)議轉(zhuǎn)換的需 要。
圖3和4示出了建立或擴展過程控制網(wǎng)絡(luò)的無線HART方法的某些優(yōu) 勢。具體來說，圖3將用配置100示意性地表示的報告過程變量的遺留方法 與用配置102表示的有線HART方法進行對比。圖4進一步示出使用HART 的無線擴展的方法的某些附加優(yōu)勢。
參見圖3,硬線4-20毫安儀器102 (可以是科里奧利流量計)僅能經(jīng)由 通常經(jīng)過編組機拒108的有線連接106向分布式控制系統(tǒng)(DCS)報告單個 過程變量。例如，儀器102可向DCS 104報告流速測量值。通過HART標 準的引入，通過單對電線報告多個變量變得可能，并且此外，HART多路復(fù) 用器110的引入為4-20毫安設(shè)備提供支持。具體來說，HART多路復(fù)用器 110的若干個輸入中的每一個都可用于到獨立環(huán)路的獨立硬線連接112，以
29用于測量流速、密度、溫度等。HART多路復(fù)用器110然后可經(jīng)由有線連接 114向DCS 104報告這多個變量。然而，盡管諸如HART多路復(fù)用器110 之類的輸入模塊或多路復(fù)用設(shè)備可允許DCS 104使用單個連接112與若干個 遺留現(xiàn)場設(shè)備通信，但是對這種有遺留裝置進行改進可能是困難、昂貴且耗 時的。舉例來說，使用HART多路復(fù)用器110仍要求對編組機拒108進行重 新布線，并為各個環(huán)i 各添加硬線連接112。
另一方面，圖4示出可依賴于無線HART協(xié)議70的更有利的配置120。 如以上簡要指示的，無線HART適配器50可在提供對符合HART標準的過 程變量組的訪問權(quán)限的同時，與現(xiàn)有的儀器(例如定位器、變送器等)協(xié)同 工作，以支持4-20毫安信令標準。因此，配置IIO可被更新為配置120,同 時將編組機拒108保持完整無缺。更具體地說，無線HART適配器50可以 有線方式連接到現(xiàn)場設(shè)備102,并建立與網(wǎng)關(guān)122的無線連接，網(wǎng)關(guān)122也 可與一個或更多無線HART設(shè)備124通信。因此，無線HART現(xiàn)場設(shè)備、 適配器以及網(wǎng)關(guān)可允許工廠操作員以成本有效的方式升級現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)(即將 無線HART適配器添加到遺留設(shè)備)，并通過在與有線HART設(shè)備(未示 出)和諸如4-20毫安裝置之類的遺留設(shè)備相同的網(wǎng)絡(luò)中使用諸如設(shè)備124 之類的無線HART設(shè)備來擴展現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，有線工廠自動化網(wǎng)絡(luò)也可 包括使用諸如Foundation Fieldbus、 Profibus DP等之類的其它協(xié)議的設(shè)備， 并且應(yīng)當(dāng)注意到，部件50和122可類似地擴展和升級其它網(wǎng)絡(luò)。為了清楚 起見，所有這樣的網(wǎng)絡(luò)在這里都被稱為"遺留網(wǎng)絡(luò)"。
還應(yīng)當(dāng)注意到，具有內(nèi)置無線HART能力的儀器提供使這些設(shè)備能夠 自供電(例如電池供電、太陽能供電等)的額外優(yōu)勢。無線方法的其它優(yōu)勢 在于根據(jù)需要添加對獨立儀器的多變量數(shù)據(jù)訪問的能力、消除了對編組機拒 重新布線以適應(yīng)HART多路復(fù)用器的需要，以及在經(jīng)由無線HART適配器 50訪問副過程測量值的同時維護在4-20毫安信令線上的主測量值的可能 性。進一步，諸如工作站16(見圖1 )之類的主機可使用標準HART命令來 從無線連接到無線HART網(wǎng)絡(luò)14的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備讀取必需的過程值(通用命令)。更進一步，用戶可經(jīng)由包括例如診斷消息或遠程更新上傳和下載設(shè)備配置的
HART命令訪問所有可用的設(shè)備功能。
圖5提供在油罐區(qū)130中形成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的特定示例以進一步示出這 里所述的無線網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用。在該特定示例中，油罐區(qū)130可利用若干個無線 HART設(shè)備來進行油位監(jiān)測。更具體地說，油罐區(qū)130包含作為現(xiàn)有設(shè)施的 一部分的若干個油罐132。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到，為了給油罐區(qū)130 添加測量和監(jiān)測能力，并且使每個油罐132在DCS 134上可見，當(dāng)前已知的 解決方案需要將線纜延伸到每個油罐以連接新安裝的儀表或傳感器。若現(xiàn)有 的線纜長度范圍內(nèi)沒有充足的備用容量，則該操作可能是個昂貴且耗時的選 擇。另一方面，這里描述的無線解決方案可利用自己供電的儀器來報告新的 過程測量值。這些測量值可能例如來自容易安裝的無線接觸式溫度監(jiān)測設(shè)備 136。此外，由于為油罐區(qū)130提供服務(wù)的工程師、技術(shù)員和其它工廠操作 員可能不需要拉線纜或購買和安裝控制器輸入模塊，因此最后的成本節(jié)約可 能使得添加若干個過程測量點以改進過程可見性變得經(jīng)濟可行。例如，工廠 操作員可為每個油罐額外添加壓力傳感器138。壓力傳感器138、無線接觸 型溫度監(jiān)測設(shè)備136、無線網(wǎng)關(guān)137和未在圖5中示出的額外的無線設(shè)備由 此可形成無線網(wǎng)絡(luò)140。
如以上參照圖l一般討論的，重要的是，考慮每個庫132上的無線設(shè)備 的位置，以便無線網(wǎng)絡(luò)140可以形成高效和可靠的網(wǎng)狀布置。在某些情況下， 有必要在那些工廠裝置可能阻塞或嚴重影響無線連接的地方上添加路由器 60。因此在這種或類似情況下，期望無線網(wǎng)絡(luò)140是"自修復(fù)"的，即能夠 自動處理傳遞故障中的至少一些故障。為了滿足這種情況或其它設(shè)計要求， 無線網(wǎng)絡(luò)140可以定義冗余路徑和調(diào)度表以便響應(yīng)于檢測到一個或更多直 接無線連接65的故障，網(wǎng)絡(luò)14可以經(jīng)由備用路由對數(shù)據(jù)進行路由。而且， 可以在不會關(guān)斷或重啟無線網(wǎng)絡(luò)140的情況下添加和刪除這些路徑。因為在 許多工業(yè)環(huán)境中的這些障礙或干擾源中的 一些可以是暫時的或可移動的，因 此，無線網(wǎng)絡(luò)140可能夠自動重新組織自己。更為具體地，響應(yīng)于一個或更
31多預(yù)定的條件，現(xiàn)場設(shè)備對可以將彼此識別為鄰居，從而生成直接無線連接
65或者相反地，解除先前的直接無線連接65。另外，(在圖5中示出為駐 留于無線網(wǎng)關(guān)137中的)網(wǎng)絡(luò)管理器142可以額外地生成、刪去或暫時中止 非鄰居設(shè)備之間的路徑。
再參見圖1、 4和5,如果無線網(wǎng)絡(luò)14或140提供對參與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進一 步尋址的有效方法，則升級或擴展遺留網(wǎng)絡(luò)的方便性可進一步提高。特別期 望的是無縫擴展設(shè)備的現(xiàn)有尋址方案，以減少或甚至是消除重新配置遺留設(shè) 備的需要。此外，這種尋址方案可簡化用于訪問和監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)14的外部 應(yīng)用程序地開發(fā)，并且在至少某些預(yù)計的實施例中，可允許現(xiàn)有的應(yīng)用程序 使用單個、統(tǒng)一和向后兼容的方案訪問4-20毫安設(shè)備、有線HART設(shè)備和 無線HART設(shè)備。圖6示意性地示出一種可提供以上論述的某些或所有優(yōu)勢 的為各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備30-55、 136和138指派地址信息的方法。
再參見圖2,無線HART協(xié)議70的數(shù)據(jù)鏈路層76可使用8字節(jié)地址 200,如圖6所示。同時，網(wǎng)絡(luò)層78可使用在無線HART網(wǎng)絡(luò)14內(nèi)的唯一 5字節(jié)身份202。在一個實施例中，無線HART協(xié)議70支持兩種地址2字 節(jié)"別名，，204和8字節(jié)IEEE EUI-64tm地址200。與數(shù)據(jù)鏈^各76相關(guān)聯(lián)的 包或數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元(DLPDU )可包含指示DLPDU中包括的地址是 2字節(jié)別名204還是全8字節(jié)地址200的專用字段。在運行中，網(wǎng)絡(luò)地址 30-50、 136和138可使用兩種才各式中的任一種在無線網(wǎng)絡(luò)14或140內(nèi)路由 數(shù)據(jù)包。
在一個實施例中，網(wǎng)絡(luò)管理器27或142可為獨立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備30-55 、 136 和138指派2字節(jié)別名204,并在無線網(wǎng)絡(luò)14或140的運行期間管理別名 304。作為補充或替代地，其它實體或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可參與別名管理。特定網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備的別名204可以是^f又本地唯一的，即僅在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行于其中的網(wǎng)絡(luò) 14或140內(nèi)是唯一的。在大多數(shù)情況下，別名204指具體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。然 而，諸如OxFFFF之類的預(yù)定義值可對應(yīng)于廣播地址。
進一步，EUI-64地址200可包括由電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)指派的三字節(jié)組織唯一標識符(OUI) 206和由HART協(xié)議70或無線HART協(xié)議72控制的5字節(jié)唯一標識符202。在無線HART的情況下，全EUI-64地址200可以利用HART通信基金會(HCF)組織唯一標識符(OUI) 206與如6所示的40比特HART唯一標識符202的串接來構(gòu)造。
同時，唯一標識符202可以是2字節(jié)擴展設(shè)備類型代碼208與2字節(jié)設(shè)備標識符210的串接。優(yōu)選地，該擴展設(shè)備類型代碼208由諸如HCF之類的負責(zé)定義無線HART協(xié)議70的組織分配。優(yōu)選地，利用同一設(shè)備類型代碼208制造的各個設(shè)備具有不同的設(shè)備標識符210。進一步，由于IEEE802.15.4要求以LSB優(yōu)先的方式發(fā)送多字節(jié)字段("小端字節(jié)序，littleendian")，因此無線HART協(xié)議72可遵從LSB排序。因此，長地址200在DLPDU中以設(shè)備標識符210的最低有效位(LSB )開始發(fā)送，而以HCFOUI 306的MSB結(jié)束發(fā)送。在該實施例中，別名204也可以小端字節(jié)序(LSB優(yōu)先)的方式發(fā)送。
以上參照圖6描述的尋址方案可提供從支持有線HART協(xié)議72的有線環(huán)境到至少局部具有無線能力的無縫轉(zhuǎn)換。根據(jù)以上描述將認識到，由于所建立的HART尋址方案的無縫擴展和能夠?qū)⒏鞣N網(wǎng)絡(luò)連接到無線HART網(wǎng)絡(luò)14的無線網(wǎng)關(guān)的無縫擴展，將無線HART設(shè)備30、 32等逐步添加到硬線HART網(wǎng)絡(luò)而不徹底重建相應(yīng)的過程控制環(huán)境是可能的。無線網(wǎng)關(guān)22或137可以是用HART設(shè)備類型配置的無線HART設(shè)備。用更通俗的話說，無線網(wǎng)關(guān)22或137也可以是無線HART網(wǎng)絡(luò)14或10上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。另 一方面，無線網(wǎng)關(guān)22或137可向工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12提供服務(wù)接入點(SAP)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，服務(wù)接入點通常用作終點或進入各種服務(wù)或網(wǎng)絡(luò)的進入點。因此預(yù)計無線網(wǎng)關(guān)22或137除了隧道技術(shù)和協(xié)議轉(zhuǎn)換之外，還可提供針對大數(shù)據(jù)傳輸?shù)木彌_和本地存儲。
重要的是，無線網(wǎng)關(guān)22或137的第二接口 23B不需要被限制為任何特定協(xié)議。例如，以太網(wǎng)到無線式無線網(wǎng)關(guān)22或137可提供工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)與無線HART網(wǎng)絡(luò)14之間的雙向^各徑，Wi-Fi到無線式無線網(wǎng)關(guān)22或137可在802.1 la/b/g無線電鏈路上運行，以類似地將無線網(wǎng)絡(luò)14或140連4妻到工 廠網(wǎng)絡(luò)，而串行到無線式無線網(wǎng)關(guān)22或137可使能工廠自動化服務(wù)器與支 持串行接口的其它裝置之間的連接。最后，很多過程控制裝置的供應(yīng)商提供
私有的輸入/輸出(I/O)網(wǎng)絡(luò)，并且因此需要私有接口。在后者的情況下， 無線網(wǎng)關(guān)22可裝配有特定系統(tǒng)的私有接口 。
圖7-10連同圖1 一起示出在各種網(wǎng)絡(luò)拓樸中且鑒于不同的現(xiàn)存裝置和 環(huán)境狀況可能有用的無線網(wǎng)關(guān)的若干個實施例。在圖l所示的示例中，無線 網(wǎng)關(guān)22可經(jīng)由以太網(wǎng)或其它標準協(xié)議將無線HART網(wǎng)絡(luò)14連接到工廠自動 化網(wǎng)絡(luò)12。然而，無線網(wǎng)關(guān)22或127也可支持其它類型的連接。如圖7所 示，例如，網(wǎng)絡(luò)300可包括以可通信方式連接到工廠骨干305的DCS 302。 工作站306也可連接到工廠骨干20，并且可向操作員和工廠員工提供對DCS 302和網(wǎng)絡(luò)330的剩余部分的訪問權(quán)限。進一步，DCS 302可通過一組承載 4-20毫安范圍內(nèi)的可變DC電流的導(dǎo)線312與現(xiàn)場終端組件(FTA) 310通 信。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，F(xiàn)TA310主要用于在為DCS 302的特定商家 布線提供一定程度的靈活性的同時，維持與遺留4-20毫安設(shè)備320相同的 布線316。另外，F(xiàn)TA 310可經(jīng)由信令鏈路326連接到多路復(fù)用器324。類 似于前面論述的多路復(fù)用器110,多路復(fù)用器324可提供一個或更多輸入與 一個或更多輸出之間的信號轉(zhuǎn)換。在該特定示例中，多路復(fù)用器324可連接 到適配器328，適配器328可將RS232信令轉(zhuǎn)換成RS485信令，并且因此使 工作站306能夠經(jīng)由標準RS232串行端口與多路復(fù)用器324通信。最后， FTA 310的另一輸出可經(jīng)由鏈路332連接到無線網(wǎng)關(guān)330，接下來，該鏈路 332可連接到包括若干個無線設(shè)備336的無線HART網(wǎng)絡(luò)33。
根據(jù)一方面，無線網(wǎng)關(guān)330在網(wǎng)絡(luò)300中運行，以將網(wǎng)絡(luò)300的包括有 線現(xiàn)場設(shè)備320、 DCS 302以及多路復(fù)用器324的遺留部分無縫擴展為包括 無線HART網(wǎng)絡(luò)300的無線HART設(shè)備336。在該實施例中，無線網(wǎng)關(guān)330 和多路復(fù)用器324之間的鏈路326和332可都支持RS485連接。該布置可 允許無線網(wǎng)關(guān)330處理特定的RS485命令，并將所有其它命令作為HART命令傳到目標現(xiàn)場設(shè)備336之一。
在另一實施例中，無線網(wǎng)關(guān)可作為新無線網(wǎng)絡(luò)裝置的一部分被提供。再
參見圖1,無線網(wǎng)關(guān)22可連接到工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12。網(wǎng)絡(luò)管理器27和安全 管理器28可在無線網(wǎng)關(guān)22上運行，或在諸如工作站16之類的駐留于網(wǎng)絡(luò) 12的主才幾上運行。無線網(wǎng)關(guān)22可經(jīng)由諸如Profibus DP之類的任意總線連4妻 到工廠自動化網(wǎng)絡(luò)12。
在也與圖1的圖示"i兌明一致的另一實施例中，網(wǎng)關(guān)22可以是既包^^網(wǎng) 絡(luò)管理器27又包括安全管理器28的單機單元。在該實施例中，諸如資產(chǎn)管 理軟件之類的較高等級的應(yīng)用程序可在工作站16上運行，并于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 30-50通信。另外，手持式無線HART設(shè)備55可讀取主副過程測量值和警 報，周期性地將該數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)22并通過某種其它網(wǎng)絡(luò)類型，例如蜂窩網(wǎng) 絡(luò)，發(fā)送到主機應(yīng)用程序?？商娲?，該主機應(yīng)用程序可在工作站16或18 上運行，工作站16或18可通過工廠骨干20與網(wǎng)關(guān)22通信。
現(xiàn)在參見圖8,網(wǎng)絡(luò)360可包括無線網(wǎng)關(guān)362的另一實施例。具體來說， 無線網(wǎng)關(guān)362可用與個人計算機或工作站364的擴展槽相兼容的PC卡來實 現(xiàn)。在該實施例中，無線網(wǎng)關(guān)362可容易地支持諸如資產(chǎn)管理軟件之類的較 高等級的應(yīng)用程序。另外，主副測量值、警報等還可通過作為SAP運行的 無線網(wǎng)關(guān)362被訪問，并被本地處理或通過某種其它網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到另 一工廠應(yīng) 用程序。
最后，圖9示出一配置380,其中無線網(wǎng)關(guān)382被嵌入I/O系統(tǒng)384內(nèi)。 可替代地，系統(tǒng)380可以是基于DCS的系統(tǒng)。該配置可提供I/O測量以用 于監(jiān)測和控制系統(tǒng)380的應(yīng)用。另外，在主機386上運行的諸如資產(chǎn)管理軟 件之類的較高等級的應(yīng)用程序，可通過使HART命令以隧道方式通過駐留于 工廠骨干388上的控制網(wǎng)絡(luò)并經(jīng)由I/O系統(tǒng)384,來以該特定配置運行。
圖10提供一個實施例的更具體地圖示說明，在該實施例中，無線網(wǎng)關(guān) 分布在若干個網(wǎng)絡(luò)部件中。具體來說，網(wǎng)絡(luò)390可包括經(jīng)由網(wǎng)關(guān)396連接到 無線網(wǎng)絡(luò)394的工廠自動化網(wǎng)絡(luò)392，網(wǎng)關(guān)396包括駐留于網(wǎng)絡(luò)主片幾402上的虛擬網(wǎng)關(guān)400和兩個網(wǎng)絡(luò)4妻入點404和406。才艮據(jù)該實施例，可^辜^U也， 網(wǎng)關(guān)396可包括單個接入點404或406,或者也可相反地，包括多于兩個接 入點404或406。此外，網(wǎng)關(guān)396可在運行期間通過額外的接入點動態(tài)地擴 展。通常，接入點404或406的數(shù)目可取決于諸如無線網(wǎng)絡(luò)394運行于其中 的自動化工廠的物理布局(例如阻擋無線信號的障礙物、無線設(shè)備之間的相 對距離等)、無線網(wǎng)絡(luò)394的帶寬要求(例如向工廠自動化網(wǎng)絡(luò)392中運行 的主機發(fā)送數(shù)據(jù)的無線設(shè)備的數(shù)目、在每個設(shè)備處的發(fā)送頻率)之類的因素， 以及更多諸如成本和對各個獨立網(wǎng)絡(luò)接入點404和406進行布線的難度之類 的顯而易見的因素。優(yōu)選但并非必需的，接入點404和406彼此之間4是供至 少 一 些冗余，以便在例如網(wǎng)絡(luò)接入點404失效的情況下，網(wǎng)絡(luò)接入點406可 接管并補償至少損失的帶寬的一部分。
在運行中，虛擬網(wǎng)關(guān)400可與各個網(wǎng)絡(luò)接入點404和406通信，以建立 與在無線網(wǎng)絡(luò)394中運行的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備412-418中的至少某些無線網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備的無線連接、經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接入點404和406中的一者或兩者提供時鐘控制給 無線網(wǎng)絡(luò)394 、在網(wǎng)絡(luò)接入點404和406中的每一個處控制無線資源(例如 時隙和信道)的分配。另外，虛擬網(wǎng)關(guān)400可負責(zé)協(xié)議和地址轉(zhuǎn)換，以保證 無線網(wǎng)絡(luò)394與工廠自動化網(wǎng)絡(luò)392的無縫協(xié)作。
具體對于尋址，網(wǎng)關(guān)396可通過為虛擬網(wǎng)關(guān)400指派知名地址420來才是 高將來自和去往無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備412-418的數(shù)據(jù)的路由的有效性和可靠性。同 時，網(wǎng)紹4妻入點404和406中的每一個可分別具有單獨的地址424和426。 在運行中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備412-418可通過指定知名地址420來將數(shù)據(jù)路由至網(wǎng)關(guān) 396。在這個意義上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備412-418不需要知道有多少個網(wǎng)絡(luò)接入點404 和406作為網(wǎng)關(guān)396的一部分在運行，或者與網(wǎng)絡(luò)接入點404和406中的每 一個相關(guān)聯(lián)的地址是多少。此外，在某些實施例中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備412-418中的 每一個可具有至少一條到網(wǎng)絡(luò)_接入點404和406中的每一個的路徑(例如直 接連接或經(jīng)由一個或更多中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接)。以這種方式，即使所有網(wǎng) 纟各才妄入點中除了一個之外其它所有的網(wǎng)絡(luò)4妾入點404或406都失效，整個無
36線網(wǎng)絡(luò)394仍然可接入到網(wǎng)絡(luò)392中的主才幾。在^齊代實施例中，虛擬網(wǎng)關(guān) 400或?qū)?yīng)網(wǎng)絡(luò)管理器可響應(yīng)于檢測到網(wǎng)絡(luò)接入點404或406中的一個或更 多網(wǎng)絡(luò)接入點的狀態(tài)改變，添加或刪除網(wǎng)絡(luò)接入點404或406與無線網(wǎng)絡(luò) 394的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的無線連接。例如，網(wǎng)關(guān)400可向管理器報告網(wǎng)絡(luò)接入 點404的失效，而管理器接下來可添加直接連接430以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)410與網(wǎng)絡(luò) 接入點406之間的經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備412的路徑。
對于協(xié)議轉(zhuǎn)換，應(yīng)當(dāng)注意到，通常，無線網(wǎng)關(guān)396可支持任何在網(wǎng)絡(luò) 392和394上運行的協(xié)議。然而，在某些實施例中，網(wǎng)關(guān)396可識別各個協(xié) 議的一個或更多共享層，并在進行協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換時使一個或更多上層保持 完整無缺。在一個特別有用的實施例中，無線網(wǎng)絡(luò)394可4吏用無線HART 協(xié)議70 (見圖2 )運行，而主機402可經(jīng)由例如HART調(diào)制解調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備410-418發(fā)出HART命令。在這種情況下，網(wǎng)關(guān)396可在層74-82上進行 協(xié)議轉(zhuǎn)換，而無需修改與層84相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。
大體參見圖1、 4、 5、 7和8-10,無線網(wǎng)絡(luò)14、 140或394可進一步改 進對改變環(huán)境狀況的響應(yīng)性，并且作為補充，通過從網(wǎng)關(guān)設(shè)備開始逐步建立 無線網(wǎng)絡(luò)來改進設(shè)備間通信的可靠性。再參見圖1，無線HART網(wǎng)絡(luò)14可 最初從網(wǎng)絡(luò)管理器27和網(wǎng)關(guān)22形成。根據(jù)前面論述的各種實施例，網(wǎng)絡(luò)管 理器27和網(wǎng)關(guān)22可駐留于同一物理主機上，并且可以有線或無線方式通過 雙向連接相連。更具體地說，圖11示出可在無線HART網(wǎng)絡(luò)14初始化時運 ^f亍的示例啟動程序450。
如圖11所示，例程450包括第一步驟452，其間網(wǎng)關(guān)22啟動并初始化。 在步驟454中，網(wǎng)關(guān)22可生成網(wǎng)絡(luò)管理器27的實例。應(yīng)當(dāng)注意到，盡管示 例步驟454包括作為在與網(wǎng)關(guān)22所在的物理主機相同的物理主機上運行的 軟件實例的網(wǎng)絡(luò)管理器27的生成，但是網(wǎng)絡(luò)管理器27還可在工作站16或 18之一上運行，或者可分布于若干個硬件部件中。在替代實施例中，網(wǎng)絡(luò) 管理器27可先啟動，并且可生成虛擬網(wǎng)關(guān)24的實例。
然后，網(wǎng)關(guān)22或網(wǎng)絡(luò)管理器27可在塊456中生成安全管理器28的實例。在無線HART網(wǎng)絡(luò)14的運行期間，安全管理器28可與網(wǎng)絡(luò)管理器27 一起工作以保護HART網(wǎng)絡(luò)14免受各種對抗性威脅。具體來說，安全管理 器28可為網(wǎng)絡(luò)管理器27提供安全密鑰，該安全密鑰可用于無線HART網(wǎng)絡(luò) 14中的設(shè)備鑒權(quán)和數(shù)據(jù)加密。安全管理器28可產(chǎn)生和管理被無線HART網(wǎng) 絡(luò)14使用的加密材料，并且也可負責(zé)這些密鑰的產(chǎn)生、存儲和管理。在塊 458中，安全管理器28可建立與網(wǎng)絡(luò)管理器27的連接。在隨后的操作中， 安全管理器28可采用服務(wù)器-客戶端的架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)管理器27密切地一起工 作。在某些實施例中，安全管理器28的單個實例可為多于一個無線HART 網(wǎng)絡(luò)14提供服務(wù)。
接下來，網(wǎng)關(guān)22可在塊460中開始提供時鐘控制或同步。由于無線 HART網(wǎng)絡(luò)14可具有多于一個網(wǎng)關(guān)22，并且由于同步通常來自于單個源， 因此網(wǎng)絡(luò)管理器27可明確地指定同步的源。例如，網(wǎng)絡(luò)管理器27可執(zhí)行網(wǎng) 絡(luò)接入點25A作為時鐘控制源。如果需要的話，圖1的網(wǎng)絡(luò)接入點25A和 網(wǎng)絡(luò)接入點25B兩者均可提供同步時鐘信號。
繼續(xù)參見圖11,網(wǎng)絡(luò)管理器27可在塊462中生成無線HART網(wǎng)絡(luò)14 的第一超幀和第一網(wǎng)絡(luò)圖。然后在塊464中，無線HART網(wǎng)《備14可開始廣 告，以便現(xiàn)場設(shè)備30、 32等可處理這些廣告包，并且啟動對加入該網(wǎng)絡(luò)的 過程。如以上所論述的，網(wǎng)關(guān)22可駐留于無線HART網(wǎng)絡(luò)14上以作為網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備。因此，現(xiàn)場設(shè)備可使用與被這些設(shè)備用來與鄰居現(xiàn)場設(shè)備通信的命令 和程序相同的命令和程序與網(wǎng)關(guān)22通信。進一步，現(xiàn)場設(shè)備可從包括網(wǎng)關(guān) 22的任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收廣告包，并對這些廣告包作出響應(yīng)。
圖12通過在場景500中概括客戶端502、網(wǎng)關(guān)504與無線現(xiàn)場設(shè)備506 之間的消息的交換示出網(wǎng)關(guān)22的運行的又一方面。應(yīng)當(dāng)注意到，在該圖中， 網(wǎng)關(guān)504可對應(yīng)于以上參照圖l-10所論述的任何實施(例如網(wǎng)關(guān)22、 122、 137、 330、 362、 382、 396)，而客戶端502可以是在無線網(wǎng)絡(luò)14、 140、 334、 360、 380、 394外部并與對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)通信的任何應(yīng)用程序或?qū)嶓w。無 線現(xiàn)場設(shè)備506可以是以上論述的任何無線現(xiàn)場設(shè)備(例如圖1的現(xiàn)場設(shè)備32),優(yōu)選地，其支持對應(yīng)無線協(xié)議(例如無線HART協(xié)議70)的命令。 下面的論述將進一步示出網(wǎng)關(guān)504可并發(fā)地與駐留于同一或不同主才幾上的 若干個客戶端502進行交互，并且可支持各個客戶端502與一個或若干個無 線現(xiàn)場設(shè)備506的交互。
如圖12所示，客戶端502可產(chǎn)生對通知變化的請求510,該請求可列 出一個或若干個無線現(xiàn)場設(shè)備506。在該特定示例中，客戶端502可期望接 收關(guān)于現(xiàn)場設(shè)備A、 B、 C的更新。為了簡化起見，圖12示出這三個設(shè)備中 的僅一個設(shè)備和僅一個客戶端502, <旦是應(yīng)當(dāng)認識到，場景500可類似地包 括若干個并發(fā)的交互。在接收到請求510后，無線網(wǎng)關(guān)504可驗證設(shè)備A、 B、 C事實上例如在無線網(wǎng)絡(luò)中運行，并且用確認512回復(fù)該請求510。
接下來，無線網(wǎng)關(guān)504可更新內(nèi)部表或另一存儲結(jié)構(gòu)，以指示至少一個 外部客戶端現(xiàn)在監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備A、 B和C。在一個示例實施例中，無線網(wǎng)關(guān) 504可維護與至少一個監(jiān)測或相反交互外部應(yīng)用程序相關(guān)耳關(guān)的無線現(xiàn)場i殳備 的鏈表。該鏈表中的各個條目接下來可對應(yīng)于為這些更新而登記的客戶端的 鏈表。當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備506 (可以是現(xiàn)場設(shè)備B)產(chǎn)生周期性突發(fā)模式更新 (消息520)時，無線網(wǎng)關(guān)504可單步調(diào)試無線現(xiàn)場設(shè)備的鏈表以觀察該無 線現(xiàn)場設(shè)備506是否屬于該列表，在該示例中，無線現(xiàn)場設(shè)備506可定位指 示客戶端502已登記為接收過程數(shù)據(jù)、警報和/或其它信息的條目中。無線 網(wǎng)關(guān)504可另外對消息520中所包括的信息進行緩存和加時間戳(程序522 )。
接下來，無線網(wǎng)關(guān)504可為客戶端502產(chǎn)生變化通知530。在其他實施 例中，如果不需要實時或準實時通知的話，客戶端502可明確地建立通知調(diào) 度表(例如每小時一次，每天一次等)。在又一實施例中，客戶端502可請 求條件通知(例如如果數(shù)據(jù)指示溫度高于1000攝氏度)或指定無線網(wǎng)關(guān)504 應(yīng)當(dāng)將該變化通知530轉(zhuǎn)發(fā)給的操作員。在任一種情況下，無線網(wǎng)關(guān)504可 更新對應(yīng)的位或標志以指示該通知已被發(fā)送。這樣，另一突發(fā)模式更新520 將不必觸發(fā)新的變化通知530。
繼續(xù)參見圖12,同一客戶端502或另一客戶端可通過產(chǎn)生請求數(shù)據(jù)消息532在稍后請求與無線現(xiàn)場設(shè)備506相關(guān)的過程數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)關(guān)504可簡 單地執(zhí)行讀取高速緩存程序534并生成響應(yīng)536來凈艮告已緩存數(shù)據(jù)。由于無 線網(wǎng)關(guān)504優(yōu)選地對高速緩存(cache)中的數(shù)據(jù)加時間戳，并且將該時間 戳包括在響應(yīng)536中，因此客戶端502能夠正確解釋所緩存的數(shù)據(jù)。因此， 無線網(wǎng)關(guān)504可有利地通過管理突發(fā)模式數(shù)據(jù)將無線網(wǎng)絡(luò)14、 140、 334、 360、 380或39從過度的輪詢(polling)中解放出來(關(guān)于這一點，應(yīng)當(dāng)注 意到，無線現(xiàn)場設(shè)備506可在無需接收到針對每次更新的明確命令的情況下 公布突發(fā)數(shù)據(jù))。
應(yīng)當(dāng)認識到，除了支持突發(fā)模式數(shù)據(jù)之外，無線網(wǎng)關(guān)504可類似地接受 警報和報警。在這些情況下，無線網(wǎng)關(guān)504可在需要的情況下確認警報和/ 或報警以開啟(unblock)發(fā)起無線設(shè)備，并保證警報或報警信息不會丟失。 此外，報告多個變量的無線現(xiàn)場設(shè)備506可通過使用事件報告技術(shù)根據(jù)需要 (例如當(dāng)發(fā)生變化時)發(fā)送變量更新。在某些實施例中，客戶端502可向無 線網(wǎng)關(guān)504發(fā)送特定的命令，其可激活無線現(xiàn)場設(shè)備506中的特定類型的事 件報告。不像突發(fā)模式數(shù)據(jù)，事件數(shù)據(jù)可能相對不頻繁，并且可能不要求大 量帶寬。重要的是，無線網(wǎng)關(guān)504可類似地緩存事件數(shù)據(jù)，響應(yīng)于來自客戶 端502的請求，在接收到之后立即將該事件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端502。
盡管上述內(nèi)容詳細說明了多個不同的實施例，應(yīng)該理解本發(fā)明的范圍由 本專利的末尾處提出的權(quán)利要求書中的語句來限定。因為說明每一種可能的 實施例即使不是不可能的，也是不切實際的，所以上述詳細說明應(yīng)該;故解釋 為僅用于說明目的，但并沒有說明每一種可能的實施例。許多可替代實施例 可以用當(dāng)前的技術(shù)或本專利的申請日之后開發(fā)的技術(shù)來實施，這將仍然落入 這些權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種在過程控制環(huán)境下使用的無線網(wǎng)關(guān)，該無線網(wǎng)關(guān)包括無線接口，用于使用第一通信協(xié)議與第一無線網(wǎng)絡(luò)通信，其中所述第一通信協(xié)議是無線協(xié)議，并且其中所述無線網(wǎng)絡(luò)包括在所述過程控制環(huán)境下運行的多個現(xiàn)場設(shè)備；主機接口，用于使用第二通信協(xié)議與布置在所述無線網(wǎng)絡(luò)外部的外部主機通信；以及協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用于使能在所述第一接口與所述第二接口之間的數(shù)據(jù)交換。
2、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述外部主機與在所述過程控制 環(huán)境下運行的工廠自動化網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)；并且其中所述第二通信協(xié)議是有線通信 協(xié)議。
3、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述第一通信協(xié)議和所述第二通 信協(xié)議與共享的應(yīng)用層和不同的物理層相關(guān)聯(lián)；并且其中所述共享的應(yīng)用層在 所述第一通信協(xié)議和所述第二通信協(xié)議中的每一個的至少相應(yīng)的物理層之上成層。
4、 如權(quán)利要求3所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述應(yīng)用層與高速可尋址遠程變 送器(HART )標準相關(guān)聯(lián)。
5、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述無線網(wǎng)關(guān)包括容納至少所述 主機接口的第一物理設(shè)備；其中所述無線接口包括布置在第二物理設(shè)備中的第 一無線接入點，所述第二物理設(shè)備具有與所述第一物理設(shè)備的有線連接。
6、 如權(quán)利要求5所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述無線接口進一步包括布置在 第三物理設(shè)備中的第二無線接入點，所述第三物理設(shè)備具有與所述第 一物理設(shè) 備的有線連接；并且其中所述第一無線接入點和所述第二無線接入點中的每一 個都具有在所述無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)基本上唯一的地址。
7、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的各個現(xiàn)場 設(shè)備與符合所述無線網(wǎng)絡(luò)的第一尋址方案的基本上唯一的地址相關(guān)聯(lián)；其中所述外部主機與使用第二尋址方案的第二網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)；所述無線網(wǎng)關(guān)進一步包括 地址轉(zhuǎn)換器，用于將符合所述第二尋址方案的地址轉(zhuǎn)換成符合所述第一尋 址方案的地址，以允許所述外部主機使用所述第二尋址方案與所述多個現(xiàn)場設(shè) 備中的各個現(xiàn)場設(shè)備通信。
8、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，進一步包括為所述無線網(wǎng)絡(luò)提供同 步的時鐘控制源。
9、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，進一步包括負責(zé)管理所述無線網(wǎng)絡(luò) 中的路由和調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)管理器模塊。
10、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述第二接口是串行連接、以太 網(wǎng)或Wi-Fi中的一種。
11、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述無線網(wǎng)關(guān)適于響應(yīng)于^r測到 所述第二接口上的通信要求的變化，調(diào)整所述第 一接口上的通信帶寬。
12、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述無線網(wǎng)關(guān)是與計算機的擴展 槽相兼容的PC卡。
13、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述無線網(wǎng)關(guān)是可編程邏輯控制 器(PLC)系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)(DCS)之一的IO子系統(tǒng)的部件。
14、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述第二接口適于與現(xiàn)場終端組 件(FTA)通信。
15、 如權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)關(guān)，進一步包括存儲器高速緩存，用于存儲與所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的至少某些現(xiàn)場設(shè)備相 關(guān)聯(lián)的過程數(shù)據(jù)；其中所述無線網(wǎng)關(guān)從所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的某些現(xiàn)場設(shè)備接 收所述過程數(shù)據(jù)，并響應(yīng)于來自所述外部主機的命令，將所述過程數(shù)據(jù)發(fā)送到 所述外部主才幾。
16、 一種在過程控制環(huán)境下運行的混合通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括定義第 一多節(jié)點網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)的第 一多個無線現(xiàn)場設(shè)備，其中所述第 一多 個無線現(xiàn)場設(shè)備中的各個無線現(xiàn)場設(shè)備使用無線通信協(xié)議與所述第一多個無線 現(xiàn)場設(shè)備中的至少另 一無線現(xiàn)場設(shè)備通信；使用第二通信協(xié)議定義第二通信網(wǎng)絡(luò)的第二多個設(shè)備；以及 第一無線網(wǎng)關(guān)，與所述第一通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，并向至少所述第一多個無線現(xiàn)場設(shè)備提供協(xié)議和地址轉(zhuǎn)換，從而以可操作的方式將所述第一多節(jié)點網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)連接到所述第二通信網(wǎng)絡(luò)。
17、 如權(quán)利要求16所述的混合通信網(wǎng)絡(luò)，其中所述第二多個設(shè)備是定義 第二多節(jié)點網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)的多個無線現(xiàn)場設(shè)備，所述混合通信網(wǎng)絡(luò)進一步包括 與所述第二多節(jié)點網(wǎng)狀通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)且以可操作的方式連接到所述第 一 網(wǎng)關(guān) 設(shè)備的第二無線網(wǎng)關(guān)。
18、 如權(quán)利要求16所述的混合通信網(wǎng)絡(luò)，其中所迷第二多個設(shè)備包括至 少若千個4-20毫安設(shè)備；其中如權(quán)利要求17所述的混合通信網(wǎng)絡(luò)進一步包括 連接到所述至少若干個4-20毫安設(shè)備的現(xiàn)場終端組件(FTA);并且其中所述 第 一無線網(wǎng)關(guān)經(jīng)由第 一無線接口連接到所述第一多個無線現(xiàn)場設(shè)備中的至少一 個無線現(xiàn)場設(shè)備且經(jīng)由第二有線接口連接到所述FTA。
19、 一種在過程控制環(huán)境下使用的無線網(wǎng)關(guān)，該過程控制環(huán)境具有定義無 線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的多個無線現(xiàn)場設(shè)備，所述無線網(wǎng)關(guān)包括多個無線接入點，各個無線接入點包括無線接口 ，用于與所述多個無線現(xiàn)場設(shè)備中的至少一個無線現(xiàn)場設(shè)備 通信；以及主枳4妻口，用于與布置在所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)外部的外部主才幾通信；以及虛擬網(wǎng)關(guān)，以有線方式可通信地連接到所述多個網(wǎng)絡(luò)接入點中的各個網(wǎng)絡(luò) 接入點，所述虛擬網(wǎng)關(guān)包括用于在所述外部主機與所述多個無線現(xiàn)場設(shè)備中的 至少某些無線現(xiàn)場設(shè)備之間轉(zhuǎn)換命令的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。
20、 如權(quán)利要求19所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述外部主機在與所述過程控 制環(huán)境相關(guān)聯(lián)的工廠自動化網(wǎng)絡(luò)中運行；并且其中所述主機接口是有線接口。
21、 如權(quán)利要求19所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述虛擬網(wǎng)關(guān)是在包括所述外 部主機的外部網(wǎng)絡(luò)中運行的軟件模塊。
22、 如權(quán)利要求19所述的無線網(wǎng)關(guān)，進一步包括到負責(zé)管理所述無線 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理器模塊的安全接口 。
23、 如權(quán)利要求19所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中正好一個無線網(wǎng)關(guān)與所述無線 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相關(guān)耳關(guān)；其中所述虛擬網(wǎng)關(guān)在所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)外部運行；并且其中 所述虛擬網(wǎng)關(guān)和所述多個網(wǎng)絡(luò)接入點中的各個網(wǎng)絡(luò)接入點具有在所迷無線網(wǎng)狀 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)相關(guān)耳關(guān)的唯一地址。
24、 如權(quán)利要求23所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的各個現(xiàn) 場設(shè)備包括存儲所述虛擬網(wǎng)關(guān)的唯一地址的存儲單元。
25、 如權(quán)利要求19所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述多個網(wǎng)絡(luò)接入點中的各個 網(wǎng)絡(luò)接入點獨立于所述多個網(wǎng)絡(luò)接入點中的所有其它網(wǎng)絡(luò)接入點；并且其中所 述多個網(wǎng)絡(luò)接入點中的各個網(wǎng)絡(luò)接入點經(jīng)由零個或更多中間無線現(xiàn)場設(shè)備鏈接 到所述多個無線現(xiàn)場設(shè)備中的各個現(xiàn)場設(shè)備。
26、 如權(quán)利要求19所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中正好所述多個網(wǎng)絡(luò)接入點中的 一個網(wǎng)絡(luò)接入點為所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供時鐘控制。
27、 如權(quán)利要求19所述的無線網(wǎng)關(guān)，其中所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括連接到 多個有線設(shè)備的無線適配器；并且其中所述無線網(wǎng)關(guān)進一步包括存儲所述多個 有線設(shè)備中的各個有線設(shè)備的地址的表，用于在所述多個有線設(shè)備中的各個有 線設(shè)備與所述外部主機之間以隧道方式傳輸數(shù)據(jù)。
28、 一種與無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信的方法，該無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括多個現(xiàn)場設(shè)備， 且在過程控制環(huán)境下運行，該方法包括可通信地將所述多個現(xiàn)場設(shè)備經(jīng)由第一無線接口連接到無線網(wǎng)關(guān)，所述無 線網(wǎng)關(guān)具有所述第一無線接口、第二接口和存儲器高速緩存； 將外部主機連接到所述無線網(wǎng)關(guān)的第二接口 ； 在所述無線網(wǎng)關(guān)處從所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的第一現(xiàn)場設(shè)備接收數(shù)據(jù)； 將所述數(shù)據(jù)存儲在所述無線網(wǎng)關(guān)的存儲器高速緩存中；以及 響應(yīng)于檢測到報告條件而向所述外部主機報告所述數(shù)據(jù)。
29、 如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)是與所述過程控制環(huán)境的過程控制功能相關(guān)聯(lián)的過程數(shù)據(jù)；其中接收過程數(shù)據(jù)包括從所述多個現(xiàn)場設(shè) 備中的第一現(xiàn)場設(shè)備接收周期性更新；并且其中響應(yīng)于片企測到報告條件而向所 述外部主機報告所述過程數(shù)據(jù)包括響應(yīng)于從所述外部主機接收到數(shù)據(jù)請求而 報告所述過程數(shù)據(jù)。
30、 如權(quán)利要求28所述的方法，其中在所述無線網(wǎng)關(guān)處接收數(shù)據(jù)進一步 包括將與所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的第一現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可用性指示更新 為第一值；其中向所述外部主機報告所述過程控制數(shù)據(jù)包括將與所述多個現(xiàn) 場設(shè)備中的所述現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可用性指示更新為第二值；并且其中檢 測報告條件包括將所述數(shù)據(jù)可用性指示與所述第一值進行比較。
31、 如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)是與所述過程控制環(huán)境的 過程控制功能相關(guān)聯(lián)的過程數(shù)據(jù)；并且其中在所述無線網(wǎng)關(guān)處接收過程數(shù)據(jù)進 一步包括產(chǎn)生與所述過程數(shù)據(jù)的接收時間相關(guān)聯(lián)的時間戳；以及 將所述時間戳存儲在所述存儲器高速緩存中；該方法進一步包括 響應(yīng)于檢測到所述報告條件，連同所述過程數(shù)據(jù)一起報告與所述過程數(shù)據(jù) 相關(guān)聯(lián)的時間戳。
32、 如權(quán)利要求28所述的方法，進一步包括從所述外部主機接收對變化通知的請求，其中所述對變化通知的請求指定 所述多個現(xiàn)場設(shè)備的子集，該子集包括所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的第一現(xiàn)場設(shè)備；更新與所述第 一主機相關(guān)聯(lián)且存儲在所述存儲器高速緩存中的通知請求 指示；并且其中檢測報告條件包括檢查與所述第一主機相關(guān)聯(lián)的通知請求指示。
33、 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述子集進一步包括所述多個現(xiàn)場 設(shè)備中的第二現(xiàn)場設(shè)備；該方法進一步包括在所述無線網(wǎng)關(guān)處從所述多個現(xiàn) 場設(shè)備中的第 一現(xiàn)場設(shè)備接收數(shù)據(jù)。
34、 如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)是與所述多個現(xiàn)場設(shè)備中 的第 一現(xiàn)場設(shè)備相對應(yīng)的警報或報警數(shù)據(jù)中的至少 一種；其中接收過程控制數(shù)據(jù)包括從所述無線網(wǎng)關(guān)向所述多個現(xiàn)場設(shè)備中的第 一現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送與所述警報或報警數(shù)據(jù)相對應(yīng)的確認；并且其中向所述外部主機報告所述數(shù)據(jù)與來自所述外部主才幾的確認不相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
一種在過程控制環(huán)境下使用的無線網(wǎng)關(guān)包括用于使用第一通信協(xié)議與第一無線網(wǎng)絡(luò)通信的無線接口，使得所述無線網(wǎng)絡(luò)包括在所述過程控制環(huán)境下運行的多個現(xiàn)場設(shè)備。該無線網(wǎng)關(guān)進一步包括用于使用第二通信協(xié)議與布置在所述無線網(wǎng)絡(luò)外部的外部主機通信的主機接口以及用于使能在所述第一接口與所述第二接口之間的數(shù)據(jù)交換的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。
文檔編號H04L12/66GK101682587SQ200880019441
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者華萊士·A·普拉特, 埃里克·D·羅特沃爾德, 托馬斯·P·倫瓦爾, 羅賓·S·普羅馬尼克, 馬克·J·尼克松 申請人:Hart通信基金會