[发明专利]具有通过无线网络的预测现场设备响应时间的控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络。特别地，本发明涉及一种无线网状网络， 其中，在主机和无线网状网络节点处的现场设备之间传送过程控制消 息。

背景技术

在许多工业环境中，控制系统被用来监测和控制存货、过程等。 通常，这种控制系统包括具有主机计算机的集中式控制室，该主机计 算机与和控制室分离的或地理上有距离的现场设备通信。

一般地，每个现场设备包括换能器，该换能器基于物理输入产生 输出信号或基于输入信号产生物理输出。现场设备中所使用的换能器 的类型包括各种分析仪、压力传感器、热敏电阻、热偶、应变仪、流 传感器、定位器、致动器、螺线管、指示器等等。传统上，模拟现场 设备由两线双绞线电流回路连接至过程子系统和控制室，每个设备由 单个两线双绞线回路连接至控制室。典型地，在两线之间保持大约为 20-25伏特的电压差，以及经过回路的4-20毫安(mA)的电流。模拟现 场设备通过把经过电流回路的电流调制为与感测到的过程变量成比例 的电流，向控制室发送信号。在控制器的控制下，过程子系统的端口 调整经过回路的电流的大小，由此来控制模拟现场设备在控制室的控 制下执行动作。

然而历史上现场设备仅能执行一种功能，近年来，在电流回路上 叠加数字数据的混合系统已经应用于分布式控制系统。高速可寻址远 程换能器(HART)在电流回路信号上叠加数字载波信号。数字载波信号 能被用来发送次级和诊断信息。载波信号上提供的信息的示例包括次 级过程变量、诊断信息(如传感器诊断、设备诊断、配线诊断、过程 诊断等)、操作温度、传感器温度、校准数据、设备ID号码、配置信息 等。因此，单个现场设备可包括多种输入和输出变量以及可实现多种 功能。

另一方法使用数字通信总线把多个现场设备连接至控制室中的 主机。把现场设备连接至数字总线所使用的数字通信协议的示例包括 Foundation Fieldbus、Profibus、Modbus和DeviceNet。能够在与向 现场设备供电的同一双线线路上提供主机计算机与多个现场设备之间 的双向数字消息通信。

典型地，通过从控制室到远程应用铺设很长的干线电缆(homerun cable)，向控制系统增加远程应用。例如，如果远程应用有半英里远， 铺设这样一条长电缆涉及的成本会较高。如果需要铺设到远程应用的 多条干线电缆，则成本变得甚至更高。无线通信提供了一种理想的选 择，而且在工业过程控制系统中已经提出使用无线网状网络。然而， 为了把成本减到最小，也希望保留现存控制系统和通信协议，从而减 小与改变现存系统以适应无线通信相关联的成本。

在为基于低功率传感器/致动器的应用设计的无线网状网络系统 中，网络中的许多设备必须由长寿命电池或低功率能量采集 (energy-scavenging)电源来供电。电源插口，比如120伏特交流电， 典型地不是位于危险区域附近，或允许进入危险区域，仪器(传感器) 和致动器必须位于没有带来巨大安装费用的区域。低安装成本的要求 促使需要把电池供电设备通信作为无线网状网络的一部分。有效地利 用有限的电源，如不能再充电的原电池，对于良好运转的无线设备来 说是至关重要的。期望电池支持不少于5年，而且优选地与产品寿命一 样长。

在一个真实的无线网状网络中，每个节点必须能够为本身以及网 状网络中的其它节点路由消息。消息经由网络从节点到节点跳跃的概 念是有用的，原因是能使用低功率RF无线电装置，并且网状网络能跨 越很大的物理区域，把消息从一端传送至另一端。在网状网络中不必 使用大功率无线电装置，相反是使用点对点系统，该系统采用与集中 式基站直接对话的远程节点。

网状网络协议允许在节点之间以及节点与数据采集器、桥路或某 些更高级别的更高速数据总线的网关之间形成消息传送的备选路径。 提供备选、冗余的路径用于无线消息，通过保证至少有一条备选路径 顺畅，即使其它路径由于环境影响或由于干扰变得拥塞或恶化，也能 够提高数据的可靠性。

某些网状网络协议的路由是确定的，使得每个节点被分配父亲 (parent)和至少一个备选父亲。在网状网络的层级中，很像一个家 庭，父亲有子女，子女有孙子女等。每个节点经由网络把其后代 (descendant)的消息中继至某个最终目的地，如网关。父亲节点可 以是电池供电或有限能量供电的设备。节点的后代越多，其需要路由 的通信量就越多，这直接增加了其本身的功耗，并缩减了其电池的寿 命。