CN101261518A - 基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，包括多个局部过程控制子系统、交换机和中心监控计算机，局部过程控制子系统包括一个无线现场控制器、多个无线传感器和多个无线执行器，无线传感器和无线执行器位于以无线现场控制器为中心的正方形区域内，无线现场控制器通过包含两个信道的无线个域网分别连接无线传感器和无线执行器。本发明采用无线个域网连接节约了电缆成本和安装成本，采用双无线信道并行传输方法和基于消息优先级的预测调度协议，提高了通信实时性。本发明还提供了轮空模式和交叠模式两种信道规划方法，保证相邻局部过程控制子系统所使用的信道集不相同，减少了各子系统之间的无线干扰。

Description

基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统

技术领域

本发明涉及工业过程控制技术领域，特别是提供了一种基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统。

背景技术

近十几年来，随着嵌入式微处理器技术、嵌入式操作系统技术、计算机网络技术及自动测控技术的快速进步，生产过程控制系统的体系架构逐渐地由经典的集散控制系统DCS向网络控制系统NCS转变(现场总线控制系统FCS可以归入网络控制系统NCS)。在目前所使用的网络控制系统NCS中，现场控制器与相应传感器及执行器，通过现场总线或工业以太网用数据电缆连接。工业以太网与现场总线相比，数据传输速度更快，更容易与上层信息网络集成，被认为更有潜力。当前，关于工业以太网的国际标准有9个，我国的EPA标准为其中之一。

由于无线网络在设备布线安装、运行维护及自由移动等方面具有相当的优势，近年来国内外许多机构和组织就无线网络技术应用于工业测控领域展开了一轮研发竞争。2004年，由美国能源部发起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司参与成立了无线工业控制网络联盟(WINA)，致力于解决无线技术在工业控制领域应用的难点问题。2005年，欧洲包括ERICSSON、UCL、LIPPERT在内的25个组织制定了一个名为RUNES计划、未来10年内无线技术在工业控制和自动化发展应用的路线图。2007年，我国在“十一五”863计划先进制造技术领域中专门设立了“工业无线技术及网络化测控系统研究与开发”重点项目，攻克无线技术在工业测控应用中的技术难点，以推动“测量、控制用无线通信技术”国家标准体系的建立。

目前，可应用于工业测控领域的无线通信技术标准/协议有：IEEE802.15.4(无线个域网国际标准，对物理层和媒介访问控制子层进行了定义)，

IEEE802.11a/b/g(无线局域网国际标准，对物理层和媒介访问控制子层进行了定义)

IEEE1451.5(无线局域网、蓝牙和ZigBee间的互操作协议)；

SP100.11(低功率无线传感器设备的标准-面向现场控制)；

SP100.14(高带宽无线基础设备和骨干网的标准-面向监控)；

ZigBee协议(一种主流的无线传感器网络标准)；

WirelessHA(无线HART协议)。

生产过程控制系统，作为工业测控领域一类特殊应用，它对现场控制器与相应传感器及执行器之间的无线连网技术提出了一些更高的要求：一是很强的抗干扰能力，网络中众多的传感器节点、执行器器节点与少量的现场控制器节点进行无线通信时能克服外界噪声、阴影衰落、多径干扰、节点间干扰等各种不良影响，网络中端到端数据包成功传输的概率可达95％；二是苛刻的通信实时性，从传感器到现场控制器再到执行器的回路响应时间一般为10ms～500ms，并且对于某一具体回路，应确保该回路各部分的通信时延达到给定要求；三是很低的能耗，传感器与执行器这些外围设备用于无线通信的能耗很低，对它们用电池供电提供有效的支持。ZigBee技术虽然满足低功耗的要求，并有较强的抗干扰能力，但通信实时性却无法保证。IEEE802.11无线局域网技术虽然满足通信实时性要求，也有很强的抗干扰能力，但功耗很高。

根据实际生产过程控制系统的分布式特点，本发明将整个过程控制系统分解成若干个局部过程控制子系统，每个局部过程控制子系统包含一个现场控制器，现场控制器除了可以对子系统的控制性能进行决策外，还具有强大的无线个域网和工业以太网通信功能。现场控制器通过无线个域网与所属局部过程控制子系统中的所有传感器及执行器建立通信连接，通过工业以太网与其它局部过程控制子系统建立通信连接。在本发明中，所有局部过程控制子系统的无线个域网，通过信道复用技术和功率控制技术构成了一个无线蜂窝网络系统，任一无线个域网内，现场控制器利用先进的多天线MIMO技术和多信道访问技术与相关联的传感器及执行器高效地进行无线通信。在本发明中，所有局部过程控制子系统的现场控制器通过工业以太网完成子系统间的信息交互，实现整个过程控制系统的全局沟通。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，提高通信实时性，降低功率消耗，减小了成本。

本发明的另一目的在于提供两种用于上述分布式过程控制系统的信道规划方法，减少了各子系统之间的无线干扰。

本发明提供的一种基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，包括多个局部过程控制子系统、交换机和中心监控计算机，各局部过程控制子系统通过工业以太网连接交换机，交换机通过工业以太网连接中心监控计算机，所述局部过程控制子系统包括一个无线现场控制器、多个无线传感器和多个无线执行器，无线传感器和无线执行器位于以无线现场控制器为中心的正方形区域内，无线现场控制器一端通过工业以太网连接交换机，另外一端通过包含两个信道的无线个域网连接无线传感器和无线执行器。

所述工业以太网符合用于工厂自动化的以太网标准即EPA标准，所述无线个域网符合无线个域网IEEE802.15.4标准。

所述无线个域网的两个无线信道均周期性产生信标帧，且两信道的信标帧首次出现时刻相差8个时隙。

所述无线现场控制器与所述无线执行器或无线传感器采用如下信道时隙分配方式进行消息传输：无线现场控制器将所有可能来自无线传感器或无线执行器的消息按照重要性划分为四个等级，并把该消息等级配置给每个无线传感器和无线执行器，无线现场控制器将超帧中非信标帧时段划分为五个时隙段，各时隙段传送指定方向和指定等级的消息，各时隙段的位置信息由超帧中的信标帧给出；无线现场控制器、无线传感器或无线执行器根据自身待发送消息的等级和方向选择相应的时隙段进行消息发送；无线现场控制器根据各无线传感器和无线执行器的周期性等级消息在超帧中的理论出现次数和一段观测时间内这些消息实际出现次数，动态调整超帧中各时隙段包含的时隙数。

本发明的技术效果体现在以下几个方面：

1.在基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统中，现场控制器与无线传感器及无线执行器通过无线个域网连接，避免了一般分布式过程控制系统中需要的布线连接，节约了电缆成本和安装成本，拓宽了应用领域。

2.无线传感器或执行器可在所属微小区中以较低速率移动进入其它微小区，主动接入新微小区，此时原微小区的局部控制子系统通过远程托管请求方式向新微小区获取该无线传感器或执行器的测控状态，本发明对无线传感器与执行器移动性的支持是一般有线分布式过程控制系统所不具有的。

3.无线传感器或执行器所使用的无线收发单元符合IEEE802.15.4标准，这类无线收发单元属短程低功耗芯片，在电池供电情况下，至少可工作三个月，在采用了适当的休眠机制后，甚至可达3年之久，具有很好的节电性能。

4.采用双无线信道并行传输方法和基于消息优先级的预测调度协议，提高了通信实时性。将一个时隙取为(1*60*4b)/(250kbps)＝0.96ms；单无线信道的超帧周期为16个时隙，其中第1个时隙为信标帧占用，并假设信标间隔等于超帧周期；若双无线信道的超帧周期均为16个时隙，其中第1个时隙为信标帧占用，假设一信道的信标帧在时序上比另一第二信道落后8个时隙，信标间隔都等于超帧周期，两信道均允许分配给传感器和执行器；单无线信道原来要经过6个超帧(即6*16*0.96ms＝92.16ms)才能完成的控制行为，而双无线信道在经过3个多超帧(即3*16*0.96ms+8*0.96ms＝53.76ms)之后，就可完成。每个现场控制器对相关传感器和执行器的现场级数据流量限制在250kbps*2＝500kbps，可通过工业以太网在现场控制器之间快速实时地传递。

5.在局部过程控制子系统内，无线传感器和无线执行器使用改进的信到反转功控法对其发射功率进行控制，很好地克服了小区内的远近效应和多址干扰。

6.通过使用无线信道通信技术使得网络容量加倍，具体来说，在一个微小区内，每个无线信道在一个超帧内最多可接入传感器或执行器节点15个，按50％的节点接入几率，总的接入点数为[15/50％]+[15/50％]+1＝61；在一个标准小区簇内，基于上述计算，总的接入点数为61*8＝488；在两个标准小区簇内，基于上述计算，总的接入点数为488*2＝976。

本发明提供的用于上述基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统的信道规划方法，具体为：

步骤C1：将整个待监控区域划分为若干个正方形微小区块，再将每一个微小区块按照3*3方式划分为9个微小区；

步骤C2：假定各微小区块正中间微小区为空微小区，对其它微小区自上而下从左至右依次预分配信道集G(1)、G(2)、...、G(8)；

步骤C3：若微小区被分布式过程控制系统中的某局部过程控制子系统所覆盖，保留其预分配的信道集，否则收回其预分配的信道集；若空微小区被分布式过程控制系统中的某局部过程控制子系统所覆盖，将任意一个收回的信道集分配给空微小区；

步骤C4：在各微小区块内调整信道集，使得任意相邻两微小区块中同信道微小区的复用距离尽可能最大。

本发明还提供了另一种用于上述基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统的信道规划方法，具体为：

步骤D1：将待监控区域划分为若干个正方形微小区块，再将各将微小区块按2*2方式分为4个正方形子块，自上往下从左向右依次为子块X₁、X₂、X₃和X₄，最后将各子块按2*2方式划分为4个微小区；

步骤D2：在子块X₁中，自上而下从左向右对4个微小区依次分配信道集G(1)、G(2)、G(3)和G(4)；在小区块X₃中，自上而下从左至右对4个微小区依次分配信道集G(5)、G(6)、G(7)、G(8)；子块X₄的信道集分配与子块X₁相同，子块X₂的信道集分配与子块X₃相同。

本发明提供的两种信道规划方法保证相邻局部过程控制子系统所使用的信道集不相同，显著地减少了各子系统之间的无线干扰。

附图说明

图1是本发明系统总体结构示意图；

图2是本发明局部过程控制子系统的结构示意图；

图3是本发明无线现场控制器的硬件组成方框图；

图4是本发明无线现场控制器的中央处理单元结构示意图；

图5是本发明无线现场控制器的双无线信道超帧时隙分配示意图；

图6是本发明无线传感器/无线执行器的发射功率控制流程图；

图7是本发明一种信道复用方式示意图；

图8是本发明另一种信道复用方式示意图。

具体实施方式

本发明涉及到的一些帧、报文及分组的含义如下：

信标帧：是IEEE802.15.4媒介访问控制子层规范定义的一种MAC帧。在本发明中，局部过程控制子系统中的无线现场控制器、无线传感器及无线执行器以信标帧进行时间同步，该信标帧中同时携带了无线现场控制器的发射功率值和超帧各子段的时隙位置信息。

命令帧：是IEEE802.15.4媒介访问控制子层规范定义的一种MAC帧。在本发明中，同一个无线个域网中的无线现场控制器、无线传感器及无线执行器支持连接请求命令、连接响应命令、断开连接通知命令、数据请求命令，另外还特别支持自适应功率门限加载命令、发射功率调整命令、发送消息等级配置命令、信道切换请求命令、信道切换应答命令。(上述自适应功率门限加载命令包含自适应功率上限和自适应功率下限两方面信息，发射功率调整命令包括发射功率过高和发射功率过低两种)。

数据帧：是IEEE802.15.4媒介访问控制子层规范定义的一种MAC帧。在本发明中，无线现场控制器与无线传感器之间、无线现场控制器与无线执行器之间通过数据帧交换与无线个域网自身无关的数据信息。

应答帧：是IEEE802.15.4媒介访问控制子层规范定义的一种MAC帧。用于对数据帧和命令帧的应答。

节点测控状态帧：该帧中的数据是某个无线传感器发送给无线现场控制器的物理测量值，或者是某个无线执行器发送给无线现场控制器的执行结果。

节点执行指令帧：该帧中的数据是无线现场控制发送给某个无线执行器的切换输出指令，或者是无线现场控制发送给某个无线传感器的工作参数设置指令。

节点网络维护帧：该帧中的数据有如下几种：无线现场控制器对某个无线传感器的无线个域网接入设置、无线现场控制器对某个无线执行器的无线个域网接入设置、无线现场控制器对自身的发射功率设置、无线现场控制器的无线信道频率设置、无线现场控制器对某个无线传感器的自适应功率门限设置、无线现场控制器对某个无线执行器的自适应功率门限设置、无线现场控制器对某个无线传感器的发射功率调整指令、无线现场控制器对某个无线执行器的发射功率调整指令、无线现场控制器对某个无线传感器的发送消息等级设置、无线现场控制器对某个无线执行器的发送消息等级设置、无线现场控制器对信标帧各时隙子段的设置等。(上述的无线个域网接入设置包含了在每个无线信道上的接入允许情况)。

节点网络状态帧：该帧中的数据有如下几种：某个无线传感器的电子设备描述符、某个无线执行器的电子设备描述符、某个无线传感器的在线状态、某个无线执行器的在线状态、无线现场控制器自身的功耗状态、某个无线传感器的功耗状态、某个无线执行器的功耗状态、无线现场控制器接收到的某个无线传感器的平均信号功率、无线现场控制器接收到的某个无线执行器的平均信号功率等。

个域网测控状态报文：每条个域网测控状态报文包含局部过程控制子系统中某个控制回路的所有节点测控状态帧的有效信息。

个域网执行指令报文：每条个域网执行指令报文包含局部过程控制子系统中某个控制回路的所有节点执行指令帧的有效信息。

个域网网络配置报文：该报文有如下几种：本地无线个域网的信道频率设置指令、本地无线个域网的网络协调器地址设置指令、本地无线个域网预分配无线传感器和无线执行器地址集通告指令、本地无线个域网的连网指令、本地无线个域网的撤网指令、本地无线个域网的动态添加无线传感器或无线执行器指令、本地无线个域网的动态删除无线传感器或无线执行器指令、本地无线个域网所有设备的功率参数设置指令、本地无线个域网所有设备的消息等级设置指令等。(上述本地无线个域网所有设备指该无线个域网的无线现场控制器、无线传感器和无线执行器的全体)。

个域网网络状态报文：该报文有如下几种：本地无线个域网所有设备的电子设备描述符列表、本地无线个域网所有设备的在线状态列表、本地无线个域网所有设备的功耗状态列表。

远程托管请求报文：该报文用于触发本地局部过程控制子系统立即向其它局部过程控制子系统返回本地无线个域网中某个或某几个无线传感器和无线执行器的测控状态数据。

子系统测控状态分组：包含本地局部过程控制子系统中所有控制回路的个域网测控状态报文的有效信息。该分组携带了本地局部过程控制子系统发送给中心监控计算机的一部份现场过程状态。

子系统执行指令分组：包含本地局部过程控制子系统中所有控制回路的个域网执行指令报文的有效信息。该分组携带了本地局部过程控制子系统发送给中心监控计算机的另一部份现场过程状态。

个域网网络管理分组：包含一条或多条个域网网络配置报文的有效信息。该分组携带了中心监控计算机发送给本地局部过程控制子系统的网络参数配置指令。

个域网网络状态分组：包含一条或多条个域网网络状态报文的有效信息。该分组携带了本地局部过程控制子系统发送给中心监控计算机的网络运行状态。

远程托管请求分组：该分组有两种：一种用于其它局部过程控制子系统向本地局部过程控制子系统请求“已在本地无线个域网之中的”某个或某几个无线传感器和无线执行器的测控状态数据，另一种用于其它局部过程控制子系统向本地局部过程控制子系统请求“将在本地无线个域网之中的”某个或某几个无线传感器和无线执行器的测控状态数据。

远程托管状态分组：该分组包含本地局部过程控制子系统向其它局部过程控制子系统返回的某个或某几个无线传感器和无线执行器的测控状态数据。

过程任务请求分组：该分组用于中心监控计算机或其它局部过程控制子系统立即触发或立即终止或条件触发或条件终止本地局部过程控制子系统的一项或多项控制子功能。该分组包含了中心监控计算机发送给本地局部过程控制子系统的过程任务调用指令，或其它局部过程控制子系统发送给本地局部过程控制子系统的子系统协作指令。

过程任务应答分组：该分组用于本地局部过程控制子系统向中心监控计算机或其它局部过程控制子系统反馈过程任务请求执行的结果。

EPA设备管理分组：该分组由如下几种：用于设置本无线现场控制器的IP地址的请求分组、用于读取本无线现控制器的EPA电子设备描述符的请求分组、用于与其它局部过程控制子系统的无线现场控制器建立EPA链路连接的请求分组等。

EPA设备应答分组：该分组由如下几种：IP地址设置结果分组、EPA电子设备描述符读取结果分组、EPA链路连接结果分组等。

图1是本发明系统总体结构示意图，分布式过程控制系统包括多个局部过程控制子系统LPCS、交换机和中心监控计算机。

所有局部过程控制子系统LPCS及中心监控计算机均通过工业以太网连接交换机。中心监控计算机是各局部过程控制子系统LPCS传送的工作状态数据的接收终点，也是控制指令的发出点。工作状态数据包括现场过程状态和网络运行状态两类。现场过程状态包括无线传感器检测状态、无线执行器切换输出、无线传感器的工作参数，无线执行器的执行结果等，可分为测控状态和执行指令两类，网络运行状态包括无线传感器在线列表、无线执行器在线列表、无线传感器功耗状态、无线执行器功耗状态等。控制指令包括过程任务调用和网络参数配置两类指令。过程任务调用指令一般针对多项控制子功能，有立即执行指令、立即终止指令、条件执行指令、条件终止指令几种，网络参数配置指令具体为无线个域网信道频率设置指令、无线个域网网络地址设置指令、功率参数设置指令、消息等级设置指令等。

局部过程控制子系统LPCS通过交换机接收中心监控计算机的控制指令和其它局部过程控制子系统的子系统协作指令，内部通过无线个域网完成本区域生产过程状态的实时检测和控制、负责本地无线个域网的运行维护，并将本地工作状态数据实时反馈给中心监控计算机，一些远程托管状态反馈给其它局部过程控制子系统，此外还可接收其它局部过程控制子系统发出的子系统协作指令，进行系统间的测控任务合作。上述局部过程控制子系统之间的子系统协作指令一般只针对一项控制子功能，有立即执行指令、立即终止指令、条件执行指令、条件终止指令几种，子系统协作指令的执行优先级低于过程任务调用指令。上述反馈给其它局部过程控制系统的远程托管状态指受托管的一个或多个无线传感器和无线执行器的状态，包括无线传感器的测量值、无线执行器的执行结果两类。

交换机是工作状态数据、控制指令、子系统协作指令和远程托管状态的中间存储转发设备，并为各局部过程控制子系统LPCS提供电源。

图2给出了局部过程控制子系统LPCS的具体组成情况，局部过程控制子系统LPCS由一个无线现场控制器C、若干个相关联的无线传感器S及无线执行器A组成。在物理空间上，局部过程控制子系统LPCS内的所有无线传感器S和无线执行器A，位于以无线现场控制器C为中心的正方形区域内(在现实中它可能是一个工地的一处或一个厂房的一角或一个相对独立的舱室等)，该正方形区域称为一个微小区。

在局部过程控制子系统LPCS内，无线现场控制器C通过双信道无线个域网与无线传感器S及无线执行器A连接。在每个微小区内，本地无线个域网使用包括两个无线信道G(p-s)和G(p-a)的信道集G(p)，p的可能取值为1、2、...、8)。G(p-s)和G(p-a)是IEEE802.15.4标准2.4GHz ISM频段规定的16个物理信道中的两个，G(p-s)和G(p-a)合称为信道集G(p)。这16个物理信道的载波频率可表示为Fc(x)＝2400+5x MHz(x的取值为1、2、...、16)，例如G(1-s)和G(1-a)的载波频率分别为Fc(1)和Fc(5)，G(p-a)的载波频率比G(p-s)高20MHz。

信道集G(p)的设定由用户对整个分布式过程控制系统进行总体规划后确定，并由中心监控计算机通过工业以太网分配给各个无线现场控制器。相邻局部过程控制子系统LPCS所使用的信道集不相同，无线现场控制器C同时使用所分配信道集G(p)中的两个信道G(p-s)和G(p-a)进行通信。无线传感器S在初次接入无线现场控制器C所在的本地无线个域网时，依次在信道G(1-s)、G(2-s)、...、G(8-s)上发送连接请求，直至在某个信道被无线现场控制器C接纳，如果不能被接纳，再在G(1-a)、G(2-a)、...、G(8-a)上发送连接请求，直至在某个信道被无线现场控制器C接纳，该信道即为其最初工作信道。无线执行器A采取与无线传感器相同的方式接入无线个域网。无线传感器S和无线执行器A在接入本地无线个域网后，为了竞争比较紧张的信道时隙或回避强的无线干扰，无线传感器S和无线执行器A可在这两个无线信道之间进行切换。

无线现场控制器C的功能如下：

(1)充当无线个域网与工业以太网网关。

例如：无线现场控制器C需要把从本地无线个域网获取的所有无线传感器和无线执行器的现场过程状态，首先进行层层转换得到子系统测控状态分组和子系统执行指令分组，然后经过层层打包得到IP报文，最后由以太网硬件发送给中心监控计算机。又如：无线现场控制器C需要把中心监控计算机通过以太网硬件发送给它的IP报文，先进行层层解包得到个域网网络管理分组，然后进行层层转换，最终生成可应用于某个无线传感器或无线执行器的节点网络维护帧。

(2)构建与正确配置本地无线个域网。

无线现场控制器C根据中心监控计算机发送的网络参数配置指令，设置本地无线个域网的工作信道、本地无线个域网的网络协调器地址，记录本地无线个域网预分配无线传感器的MAC地址集、本地无线个域网预分配无线执行器的MAC地址集等。无线现场控制器C为无线个域网协调器设备，它在获取到本地无线个域网的工作信道集G(p)后，在无线信道G(p-s)和G(p-a)上周期性地连续发出信标帧，为无线传感器S和无线执行器A数据帧及命令帧的收发提供同步时钟(无线传感器S或无线执行器A的应答帧一般跟随无线现场控制器C的数据帧/命令帧立即返回)。无线现场控制器C需要根据本地无线个域网预分配无线传感器和无线执行器的MAC地址集、以及本地无线个域网的网络协调器地址，完成本微小区内无线传感器S和无线执行器A的网络构建。在无线个域网设备组态期间，根据中心监控计算机发送的消息等级分配指令，给无线传感器S和无线执行器A的每条收发消息分配消息等级。在无线个域网动态运行期间，可能需要完成单个无线传感器S或无线执行器A的网络接入/拆除。

(3)优化本地无线个域网的通信性能

无线现场控制器C需要根据局部过程控制子系统LPCS的控制子功能对每条相关消息的传输等级的要求，对无线传感器S和无线执行器A的信道访问时隙进行合理调度，提高信道的带宽利用率，保证高等级实时消息的优先传输。另外，实时监测无线传感器S和无线执行器A的电池能耗及每条无线链路上的信道质量，参与无线传感器S和无线执行器A在发送数据帧和命令帧时的发射功率控制。

(4)及时完成本地的测量控制任务。

无线现场控制器C根据来自中心监控计算机的过程任务调用指令，其它局部过程控制子系统的子系统协作指令，通过无线个域网接收无线传感器S检测到的生产过程的测控状态，构造执行指令，并传送给无线执行器A。

(5)汇聚本地现场过程和网络运行状态。

无线现场控制器C需要将局部过程控制子系统LPCS内无线传感器S和无线执行器A对生产过程的测控状态和执行指令、本地无线个域网中无线传感器S和无线执行器A的网络运行状态汇聚起来，进而可通过工业以太网传递给中心监控计算机和其它局部过程控制子系统。

无线传感器S为智能无线传感器，它采集生产过程中某个/某几个检测点的状态数据，是工作于信标模式的无线个域网精简功能设备。它支持主动接入所在微小区的无线个域网，可接受无线现场控制器C对其发送消息等级的配置，并采用本发明的基于消息优先级的预测调度协议进行消息的收发时间控制，可接受无线现场控制器C对其自适应功率门限的加载，并采用本发明提供的改进的信道反转功控法进行发射功率控制。它也支持主动离开所在微小区的无线个域网。

无线执行器A为智能无线执行器，它执行生产过程中某个/几个控制点的流程切换指令，是工作于信标模式的无线个域网精简功能设备。它支持主动接入所在微小区的无线个域网，可接受无线现场控制器C对其发送消息等级的配置，并采用本发明的基于消息优先级的预测调度协议进行消息的收发时间控制，可接受无线现场控制器C对其自适应功率门限的加载，并采用本发明提供的改进的信道反转功控法进行发射功率控制。从工业控制的角度讲，无线执行器需要向无线现场控制器C返回执行结果信息；根据IEEE802.15.4媒介访问控制子层规范中规定的数据传输模式，无线执行器A应按照如下方式获取无线现场控制器C将发送给它的数据帧：首先，无线现场控制器C在信标帧的待发送地址域发布该无线执行器A的地址，之后该无线执行器A向无线现场控制器C发送数据请求命令帧，当现场控制器C应答后，该无线执行器A等待接收无线现场控制器C发送给它的数据帧。它也支持主动离开所在微小区的无线个域网。

无线现场控制器C是一个高性能的通用控制器，能有效地支持本地控制性能决策和其它复杂处理计算，同时它也应该是一个强大的通信控制器，能全面地支持双无信道无线个域网和工业实时以太网。这对其硬件构成提出了较高的要求，我们提出了一种基于嵌入式微处理器架构的硬件组成方案，如图3所示，其包括：天线1、天线2、无线收发单元3、无线收发单元4、逻辑控制单元5、中央处理单元6、以太网媒介访问控制单元7、以太网物理收发单元8、以太网隔离转换器9、网络接插口10、电源单元11、时钟单元12几部分。网络接插口10为RJ-45接口，符合IEEE802.3af标准，现场控制器C通过该接口，与交换机进行数据交换，同时还从交换机处获取直流供电。电源单元11把从网络接插口10处得到的直流供电电压，转换成硬件系统其它部分所要求的多种等级电压。时钟单元12用于给硬件系统中需要基准时钟的其它部分提供多种频率的工作时钟。中央处理单元6为32位嵌入式微处理器，用于运行同时支持无线个域网和EPA的软件模块堆栈。以太网媒介访问控制单元7是符合IEEE802.3媒介访问控制子层规范的10/100M自适应快以太网媒介访问控制器。逻辑控制单元5为FPGA芯片，内嵌了两个符合IEEE802.15.4媒介访问控制子层规范的控制部件(分别用MAC-CtrlS和MAC-CtrlA表示，它们分别与信道G(p-s)和G(p-a)相对应)以及一个双信道时序逻辑控制部件；逻辑控制单元5中的MAC-CtrlS和MAC-CtrlA可分别控制一个IEEE 802.15.4无线收发器收发IEEE 802.15.4MAC帧，同时实现两个信道的时隙CSMA/CA接入控制；逻辑控制单元5中的双信道时序逻辑控制部件负责在两个信道上产生周期性的信标帧，并使这两个信道的相邻信标帧在时间上总相差8个时隙。中央处理单元6和以太网媒介访问控制单元7以及逻辑控制单元5之间是地址数据读写总线接口。以太网物理收发单元8是符合IEEE 802.3物理层规范的10/100M自适应快以太网收发器，它与以太网媒介访问控制单元7之间的接口为MII接口(MII接口即媒介独立接口)。以太网隔离转换器9给以太网物理收发单元8提供电气隔离保护，它与以太网物理收发单元8以及网络接插口10之间以数字差分电平接口。无线收发单元3和无线收发单元4是两个符合IEEE802.15.4物理层规范的2.4GHz无线收发器，分别实现一个信道上的物理层数据收发，它们与逻辑控制单元5之间均为SPI接口和数字电平接口(SPI接口即串行外设接口)。天线1和天线2各提供一个信道上数据收发的空中接口，它们分别与无线收发单元3和无线收发单元4之间为高频模拟电平接口。

无线现场控制器C，从网络接插口10获得直流供电后，电源单元11和时钟单元12首先开始工作，产生硬件系统其它各部分工作所必须的电压和时钟，之后中央处理单元6的软件模块堆栈的各功能块自底向上依次加载运行(中央处理单元6的软件模块堆栈结构见图4)，在局部过程控制子系统的无线个域网和工业以太网参数配置成功后，无线现场控制器C就可以通过无线个域网和工业以太网进行数据收发，并运行面向具体测控应用的顶层功能块-无线EPA功能块。

无线现场控制器C通过工业以太网接收数据的实例：来自中心监控计算机或其它局部过程控制子系统的比特流级数据以数字差分电平形式到达网络接插口10；经以太网隔离转换器9电压隔离变换后进入以太网物理收发单元8；以太网物理收发单元8对上述比特流数据进行曼切斯特Manchester解码、串/并转换，产生四比特并行数据流和监听到载波、接收数据有效及接收错误侦测等状态信号，传递给以太网媒介访问控制单元7；以太网媒介访问控制单元7将接收的数据转化以字节为单位的数据，去除以太网MAC帧头后，如果接收帧的目的地址字节段与本站地址相匹配，就将接收帧的载荷字节存放在接收缓冲区中，同时对接收到的字节进行计数，并进行CRC校验，若接收到的数据无错，就对中央处理单元6发出接收中断；中央处理单元6通过以太网设备驱动程序(对以太网媒介访问控制单元7进行硬件接口的驱动程序，常把它和以太网媒介访问控制单元7看成一体)，将以太网媒介访问控制单元7接收缓冲区中的数据帧读出，得到上行IP报文，并递交给它的EPA通信调度管理功能块。

无线现场控制器C通过无线个域网发送数据的实例：中央处理单元6的无线个域网数据功能块，通过双信道无线个域网驱动程序(对逻辑控制单元5进行硬件接口的驱动程序，常把它和逻辑控制单元5看成一体)，把节点网络维护帧写入逻辑控制单元5的某一信道的发送缓冲区中(即MAC-CtrlA的发送缓冲区或MAC-CtrlB的发送缓冲区)；之后逻辑控制单元5将接收到的数据封装成IEEE802.15.4MAC命令帧，在该命令帧的发送时隙子段，如果监听到用于发送当前帧的信道状态为空闲，就将当前帧传递给无线收发单元3或无线收发单元4；无线收发单元3或无线收发单元4将接收的帧加上IEEE802.15.4物理层包头(由前导码域、帧定界域和帧长度域组成)，然后对待发送数据进行调制、扩频、功率放大，变换成高频模拟信号，经天线1或天线2发送到空中去。

无线现场控制器C的中央处理单元6的软件模块堆栈的结构，如图4所示。

无线个域网数据功能块13用于接收来自所述逻辑控制单元5的节点测控状态帧和节点网络状态帧，对节点测控状态帧进行汇聚得到个域网测控状态报文并传送给无线EPA功能块17，将节点网络状态帧传送给无线个域网管理功能块14；接收来自无线EPA功能块17的个域网执行指令报文，对个域网执行指令报文分解得到节点执行指令帧并传送给逻辑控制单元5；接收来自无线个域网管理功能块14的节点网络维护帧并传送给所述逻辑控制单元5。

无线个域网管理功能块14用于接收来自无线个域网数据功能块13的节点网络状态帧，对该帧进行汇聚得到个域网网络状态报文并传送给EPA管理代理功能块15；接收来自EPA管理代理功能块15的个域网网络配置报文，根据节点网络状态帧和个域网网络配置报文产生节点网络维护帧，并传送给无线个域网数据功能块13。在无线个域网管理功能块14中有四个组件，即设备管理组件、接入管理组件、功率控制组件和实时调度组件用来生成节点网络维护帧。其中设备管理组件的功能是设置本地无线个域网的工作信道和本地无线个域网的网络协调器地址，启动/终止无线现场控制器C的无线个域网协调器功能等。其中接入管理组件的功能是根据本地无线个域网预分配无线传感器S和无线执行器A的MAC地址集接纳/拒绝本地微小区内无线传感器S和无线执行器A的接入，给允许接入的无线传感器S和无线执行器A分配网络地址，强制本地无线个域网内已接入的无线传感器S和无线执行器A离开网络，接受本地无线个域网内已接入的无线传感器S和无线执行器A主动离开网络，没收刚离开的无线传感器S和无线执行器A的网络地址，负责本地无线个域网内无线传感器S和无线执行器A在两个无线信道上的均衡分布，受理本地无线个域网内无线传感器S和无线执行器A的信道切换要求等。其中功率控制组件的功能是控制无线现场控制器C自身的发射功率，根据对本地无线个域网内每个无线传感器S和无线执行器A的接收信噪比范围要求，给它们加载相应的自适应功率门限，对本地无线个域网内实际接受信噪比太大或太小的无线传感器S和无线执行器A，发出相应的功率调整命令等。其中实时调度组件的功能是给本地无线个域网内每个无线传感器S和无线执行器A的每条发送消息配置消息传输等级，按照本发明的基于消息优先级的预测调度协议，在每个超帧中控制无线传感器S和无线执行器A的消息的收发等。

EPA管理代理功能块15用于接收来自无线个域网管理功能块14的个域网网络状态报文，对个域网网络状态报文进行转换得到个域网网络状态分组，并传送给EPA应用访问功能块16；接收来自EPA应用访问功能块16的个域网网络管理分组和远程托管请求分组，分别对个域网网络管理分组和远程托管请求分组进行解包和转换得到个域网网络配置报文和远程托管请求报文，将个域网网络配置报文传送给无线个域网管理功能块14，将远程托管请求报文传送给EPA数据代理功能块16。EPA管理代理功能块15是本地无线个域网管理信息库的维护者，当本地无线个域网管理信息库中保存的某些个域网设备的网络状态发生改变时，它会主动构造个域网网络状态分组，并传送给EPA应用访问功能块；它接收到个域网网络管理分组后，发现本地无线个域网管理信息库中保存的某个设备的网络配置参数与当前的要求不符合，它会主动构造相应的网络配置报文传送给无线个域网管理功能块14；当它接收到远程托管请求分组请求后，如果被托管的一个或多个无线传感器S和无线执行器A已存在或刚进入本地无线个域网，它会主动给EPA数据代理功能块16发送相应的远程托管请求报文。

EPA数据代理功能块16用于截取来自无线个域网数据功能块13的个域网测控状态报文和无线EPA功能块17的个域网执行指令报文，接收来自EPA管理代理功能块15的远程托管请求报文，对个域网测控状态报文和个域网执行指令报文进行转换和打包得到子系统测控状态分组和子系统执行指令分组，从子系统测控状态分组和子系统执行指令分组中提取与远程托管请求报文相对应的数据并生成远程托管状态分组，将子系统测控状态分组、子系统执行指令分组和远程托管状态分组传送给EPA应用访问功能块18。EPA数据代理功能块16是本地无线个域网变量数据库的维护者，它从截取的个域网测控状态报文和个域网执行指令报文中提取本地无线无线个域网设备的现场过程状态，当一些现场过程状态与本地无线个域网变量数据库中的对应状态不符时，它会实时更新本地无线个域网变量数据库，并主动构造相应的子系统测控状态分组和子系统执行指令分组发送给EPA应用访问功能块18；当接收到远程托管请求报文后，它会定期地从本地无线个域网变量数据库中，提取相应无线传感器S和无线执行器A的现场过程状态，并构造出对应的远程托管状态分组传送给EPA应用访问功能块18。

无线EPA功能块17用于接收来自EPA应用访问功能块18的过程任务请求分组和来自无线个域网数据功能块13的个域网测控状态报文，生成个域网执行指令报文，将个域网执行指令报文传送给无线个域网数据功能块13，根据个域网测控状态报文构造表征以前的执行指令报文指定操作执行情况的过程任务应答分组，将其传送给EPA应用访问功能块18。无线EPA功能块17可以从过程任务请求分组中，提取出来自中心监控计算机的过程任务调用指令和来自其它局部过程控制系统的子系统协作指令，以一定先后顺序启动/终止面向具体测控应用的控制子功能。

EPA应用访问功能块18用于接收来自无线EPA功能块17的过程任务应答分组，将其传送给EPA系统管理功能块19；接收来自EPA数据代理功能块16的子系统测控状态分组、子系统执行指令分组和远程托管状态分组，以及来自EPA管理代理功能块15的个域网网络状态分组，将这五种分组传送给EPA套接字映射功能块20；接收来自EPA套接字映射功能块20的个域网网络管理分组和远程托管请求分组，将个域网网络管理分组传送给EPA管理代理功能块15，将远程托管请求分组传送给无线EPA功能块17；接收来自EPA系统管理功能块19的过程任务请求分组，将其传送给无线EPA功能块17。EPA应用访问功能块18遵循EPA标准，给EPA数据代理功能块16和EPA管理代理功能块15提供变量访问服务，给无线EPA功能块17提供事件管理服务。

EPA系统管理功能块19用于将来自EPA套接字映射功能块20的过程任务请求分组传送给EPA应用访问功能块18，将来自EPA应用访问功能块18的过程任务应答分组传送给EPA套接字映射功能块20；接收来自EPA套接字映射功能块20的EPA设备管理分组，从中提取出用于设置本无线现场控制器的IP地址的请求分组、用于读取本无线现控制器的EPA电子设备描述符的请求分组、用于与其它局部过程控制子系统的无线现场控制器建立EPA链路连接的请求分组，构造表征IP地址设置结果、EPA电子设备描述符读取结果、EPA链路连接结果的EPA设备应答分组并传送给EPA套接字映射功能块20。EPA系统管理功能块19遵循EPA标准，负责管理无线EPA功能块17的调用管理，并实时维护本地的EPA管理信息库。

EPA套接字映射功能块20用于接收来自EPA系统管理功能块19的过程任务应答分组和EPA设备应答分组，来自EPA应用访问功能块18的子系统测控状态分组、子系统执行指令分组、个域网网络状态分组和远程托管状态分组，将这六种分组传送给UDP/TCP功能块21；接收来自UDP/TCP功能块21的过程任务请求分组、EPA设备管理分组、个域网网络管理分组和远程托管请求分组，将过程任务请求分组和EPA设备管理分组传送给EPA系统管理功能块19，个域网网络管理分组和远程托管请求分组传送给EPA应用访问功能块18。EPA套接字映射功能块20遵循EPA标准，实现EPA实时通信服务(包括变量访问服务)、EPA管理服务(包括事件管理服务)与UDP/TCP功能块21之间的接口。

UDP/TCP功能块21用于接收来自EPA套接字映射功能块20的过程任务应答分组、EPA设备应答分组、子系统测控状态分组、子系统执行指令分组、个域网网络状态分组和远程托管状态分组，将这六种分组进行打包得到下行UDP/TCP报文，并传送给IP功能块22；接收来自IP功能块22的上行UDP/TCP报文，从上行UDP/TCP报文中解包得到过程任务请求分组、EPA设备管理分组、个域网网络管理分组和远程托管请求分组，并传送给EPA套接字映射功能块20。UDP/TCP功能块21用于实现UDP和TCP两种传输协议。

IP功能块22用于接收来自UDP/TCP功能块21的下行UDP/TCP报文，对下行UDP/TCP报文进行打包得到下行IP报文，将其传送给EPA通信调度管理功能块23；接收来自EPA通信调度管理功能块23的上行IP报文，对上行IP报文进行解包得到上行UDP/TCP报文，将其传送给UDP/TCP功能块21。IP功能块22用于实现IP通信协议。

EPA通信调度管理功能块23用于将来自IP功能块22的下行IP报文传送给所述以太网媒介访问控制单元7；将来自以太网媒介访问控制单元7的上行IP报文传送给IP功能块22。EPA通信调度管理功能块23遵循EPA标准，用于调度和管理工业以太网中实时通信IP报文和非实时通信IP报文的传输。

图5是局部过程控制子系统LPCS无线现场控制器C的双无线信道超帧时隙使用图。对局部过程控制子系统LPCS，其无线现场控制器C和无线传感器S及无线执行器A在进行无线数据收发时，除了要按信标帧进行同步外，还需要合理地使用无线信道G(p-s)和G(p-a)上超帧的各个时隙。在本发明中，将整个超帧全部规划为活动部分，并且活动部分的时隙中除信标帧占用的时隙外，全部划归竞争接入时段CAP。

在本发明中，将无线现场控制器C和无线传感器S及无线执行器A之间的发送消息，按传输实时性要求高低分为四个等级，即1、2、3、4，其中等级1对应的实时性要求最高，等级2、3、4对应的实时性要求依次降低。(在这里，消息传输等级与消息传输优先级一一对应，传输等级为1的消息传输优先级最高，传输等级为4的消息传输优先级最低)。对于一个无线传感器S或无线执行器A而言，可能会有多条传输等级不同的测控消息(与无线测控应用相关但与无线个域网自身无关的消息，在无线个域网中与之相对的消息是网络消息)，本发明约定只要无线传感器S或无线执行器A能在传输高等级测控消息的时隙内可以搭载传输较低等级的测控消息，本发明认为最初具有较低传输等级的测控消息实际上具有较高的传输等级，因而在划分测控消息等级时，应以数据包为单位，尽量将小数据量测控消息合并到等级适当的数据包中去，以充分利用无线传感器S或无线执行器A在一个时隙内的传输能力。本发明的无线传感器S或无线执行器A的测控消息等级是基于数据包的。在无线现场控制器C和无线传感器S及无线执行器A之间的测控消息可分为四类：无线传感器S发往无线现场控制器C的测控消息、无线现场控制器C发往无线执行器A的测控消息、无线现场控制器C发往无线传感器S测控消息(一般用作工作参数设置)以及无线执行器A发往无线现场控制器C的测控消息(一般用来返回执行结果)。由于无线现场控制器C发往无线传感器S的测控消息和无线执行器A发往无线现场控制器C的测控消息一般最不常用，相对于系统性能的快速稳定控制而言不太重要，将这两种测控消息也归为等级4。在无线传感器S发往无线现场控制器C的测控消息和无线现场控制器C发往无线执行器A的测控消息中，有周期性测控消息和非周期性测控消息，本发明认为周期性测控消息的优先级比非周期性测控消息的优先级高，周期性测控消息的传输等级使用等级1、2、3，而非周期性测控消息的传输等级使用等级4。只要无线现场控制器C和无线传感器S及无线执行器A之间的网络连接已经建立，并且重要链路基本上不中断，本发明认为无线个域网上传输的关于一般网络消息，是传输级别很低的消息，其等级相当于等级4；而与功率调整命令相对应的网络消息，传输级别应较高，但这种消息传输的几率一般较低，暂把这种消息的等级当作等级4看待。

本发明约定，在无线现场控制器C和无线传感器S及无线执行器A之间的本地无线个域网构建后，将无线现场控制器C的信道G(p-s)上的每个超帧中除去信标帧之外的部分以时隙为单位分为5子段：M0、M1、M2、M3、M4；同样，也将信道G(p-a)上的每个超帧中除去信标帧之外的部分以时隙为单位分为5子段：N0、N1、N2、N3、N4；其中M0子段和N0子段专用于传输无线现场控制器C发送给无线执行器A和无线传感器S的测控消息，M1子段和N1子段专用于传输无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级为1的测控消息，M2子段和N2子段用于传输无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级在2以上的测控消息，M3子段和N3子段用于传输无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级在3以上的测控消息，M4子段和N4子段用于传输无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级在4以上的测控消息、无线执行器A发送给无线现场控制器C的测控消息以及用于维护本地无线个域网的网络消息；其中M2和N2又常称为等级2消息的允许发送子段，M3和N3又常称为等级3消息的允许发送子段，M4和N4又常称为等级4消息的允许发送子段。图7给出了信道G(p-s)和G(p-a)上连续两个超帧内时隙的子段规划情况。

基于上述消息优先级的预测调度协议协议是一个交互式协议，同时涉及到无线现场控制器C和无线传感器S及无线执行器A，其中无线现场控制器C是消息调度的主导者，无线传感器S及无线执行器A消息调度的从属者。下面以信道G(p-s)具体说明：

1).无线现场控制器C在信道G(p-s)的每个超帧的信标帧中发布该信道上无线传感器S和无线执行器A的消息对该超帧中各个非信标帧时隙的使用情况。在信标帧的待发送地址子域中给出无线现场控制器C将发送测控消息的目标无线执行器A和目标无线传感器S的地址数目和具体地址，地址数目对应于M0子段的时隙数。在信标帧的净载荷子域用4个4比特单元分别表示无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级1测控消息专用的时隙数，无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级2以上测控消息共同使用的时隙数，无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级3以上测控消息共同使用的时隙数，无线传感器S发送给无线现场控制器C的等级4以上测控消息、无线执行器A发送给无线现场控制器C的测控消息以及用于维护本地无线个域网的网络消息等共同使用的时隙数，它们的取值分别对应M1、M2、M3、M4子段的时隙数。根据M1、M2、M3、M4子段的时隙数，也就知道了它们的起始时隙位置信息。

2).通过信道G(p-s)接入本地无线个域网的无线执行器A，在捕获信标帧并与信标帧同步后，从当前超帧的信标帧中获取M0子段和M4子段的时隙位置信息。如果在当前超帧的信标帧的待发送地址子域中有该无线执行器A的地址，则在信道G(p-s)的当前超帧的M0子段，向无线现场控制器C发送数据请求命令帧，在无线现场控制器C应答后，等待接收无线现场控制器C给它发送的测控消息；如果该无线执行器A有测控消息或网络消息发给无线现场控制器C，则在信道G(p-s)的当前超帧的M4子段向无线现场控制器C发送相应消息；如果无线现场控制器C有网络信息发给该无线执行器A，则在信道G(p-s)的当前超帧的M4子段直接向该无线执行器A发送相应消息。

3).通过信道G(p-s)接入本地无线个域网的无线传感器S，在捕获信标帧并与信标帧同步后，从当前超帧的信标帧中获取M0、M1、M2、M3及M4子段的时隙位置信息。如果在当前超帧的信标帧的待发送地址子域中有该无线传感器S的地址，则在信道G(p-s)的当前超帧的M0子段，向无线现场控制器C发送数据请求命令帧，在无线现场控制器C应答后，等待接收无线现场控制器C给它发送的测控消息；如果该无线传感器S有等级1的测控消息发给无线现场控制器C，则它在信道G(p-s)的当前超帧的M1子段向无线现场控制器C发送相应消息；如果该无线传感器S有等级2的测控消息发给无线现场控制器C，则它在信道G(p-s)的当前超帧的M2子段向无线现场控制器C发送相应消息；如果该无线传感器S有等级3的测控消息发给无线现场控制器C，则它在信道G(p-s)的当前超帧的M3子段向无线现场控制器C发送相应消息；如果该无线传感器S有等级4的测控消息或网络信息发给无线现场控制器C，则它在信道G(p-s)的当前超帧的M4子段向无线现场控制器C发送相应消息；如果该无线传感器S的高等级测控消息在信道G(p-s)的当前超帧发给无线现场控制器C时，出现发送失败，它可以在信道G(p-s)的当前超帧中的低等级消息允许发送子段继续向无线现场控制器C发送该高等级测控消息；如果该无线传感器S有网络信息发给无线现场控制器C，则在信道G(p-s)的当前超帧的M4子段直接向无线现场控制器C发送相应消息；如果无线现场控制器C有网络信息发给该无线传感器S，则在信道G(p-s)的当前超帧的M4子段直接向该无线传感器S发送相应消息。

4).无线现场控制器C根据信道G(p-s)上无线传感器S和无线执行器A的各等级周期性测控消息在信道G(p-s)超帧中的理论出现次数，和一段观测时间内这些消息实际出现的次数，动态调整信道M0、M1、M2、M3、M4子段在G(p-s)随后超帧中的时隙数。

图6是局部过程控制子系统LPCS无线传感器S/执行器A的发射功率控制流程图。在局部过程控制子系统LPCS内，无线传感器S/执行器A发送的IEEE802.15.4MAC帧有数据帧、命令帧及应答帧三种，其中应答帧简短而重要(这是因为：以同样发射功率发送数据帧、命令帧及应答帧，应答帧消耗的能量少，而应答帧一但丢失，势必引起数据帧/命令帧的重发，造成更大的能量消耗)。在本发明的改进的信道反转功控法中，假定无线现场控制器C发射的IEEE802.15.4MAC帧功率足够强，总可以使本地微小区中的无线传感器S/执行器A接收到，同时假定无线传感器S/执行器A对应答帧总以最大发射功率发送，只对数据帧/命令帧的发射功率进行控制。无线传感器S/执行器A在一个超帧周期的数据帧/命令帧的发射功率控制流程如图所示。具体步骤如下：

步骤T1：设定数据帧/命令帧发送成功次数Cr为0，数据帧/命令帧发送失败次数Cw为0，功率连续调整标志Fa为0，功率异动因子δ＝0.5；

步骤T2：捕获无线现场控制器发送的信标帧，检测该信标帧的有效信号功率Pr，提取无线现场控制器的发射功率Pm；

步骤T3：计算发射功率Pt＝Pm+Pd+δ(Pu-Pd)-Pr，Pu和Pd分别为自适应门限功率上下限Pu和Pd，δ是功率异动因子；

步骤T4：如果在当前超帧内有数据帧或命令帧发送，进入步骤T5，否则进入步骤T20；

步骤T5：将发射功率Pt转变为标称发射功率，并以该标称功率向无线现场控制器发送数据帧或命令帧；

步骤T6：若收到来自无线现场控制器的应答帧，进入步骤T7，否则进入步骤T17；

步骤T7：若收到无线现场控制器的功率调整命令，进入步骤T8，否则进入步骤T11；

步骤T8：若功率调整命令为减小功率，进入步骤T9，功率调整命令为增大功率，进入步骤T10；

步骤T9：置功率连续调整标志Fa＝1，功率异动因子δ降低一级，进入步骤T15；

步骤T10：置功率连续调整标志Fa＝1，功率异动因子δ提高一级，进入步骤T15；

步骤T11：读取功率连续调整标志Fa，判断Fa是否为0，若否转步骤T16；

步骤T12：数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝Cr+1；

步骤T13：若数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝10，进入步骤T14，否则转入步骤T4；

步骤T14：功率异动因子δ降低一级；

步骤T15：更新发射功率Pt＝Pm+Pd+δ(Pu-Pd)-Pr，转入步骤T4；

步骤T16：置功率连续调整标志Fa＝0，数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝0，转入步骤T4；

步骤T17：数据帧/命令帧发送失败次数Cw＝Cw+1；

步骤T18：若数据帧/命令帧发送失败次数Cw＝2，进入步骤T19，否则若转入步骤T5；

步骤T19：数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝0，功率异动因子δ提高一级，更新发射功率Pt＝Pm+Pd+δ(Pu-Pd)-Pr，转入步骤T5；

步骤T20：终结当前超帧内命令帧或数据帧的发送。

实际的分布式过程控制系统，在物理空间具体部署众多传感器和执行器时，往往会出现一些大的空白区域，此时应以轮空模式的小区块进行信道集分配复用时，具体步骤如下：

步骤S7-1：将整个待监控区域划分为若干个正方形微小区块，再将每一个微小区块按照3*3方式划分为9个微小区。对于每个微小区块，有9个微小区，但只有8个信道集可供分配，因而必然有一个微小区分配不到信道集，轮空于一个标准小区簇，成为一个空微小区。在各微小区块中，假定正中间微小区为空微小区，对其它微小区总体上自上而下每排从左至右依次预分配信道集G(1)、G(2)、...、G(8)。

步骤S7-2：若微小区被某局部过程控制子系统所覆盖，保留其预分配的信道集，否则收回；若空微小区被某局部过程控制子系统所覆盖，将任意一个收回的信道集分配给空微小区；

设正方形微小区的边长为A，每个微小区内无线现场控制器的信号覆盖半径R的取值范围常为：0.5A≤R≤0.707A。按步骤S7-1和步骤S7-2进行信道集分配复用，虽然可以使得相邻两小区块中大多数的同信道小区的复用距离为3A，甚至更大，但也可能使一些同信道小区的复用距离较小，为2.828A或2.236A，甚至为2A。

步骤S7-3：从全局出发，根据分布式过程控制系统的无线蜂窝系统的具体部署，采取适当的措施，对任意相邻两小区块中同信道小区的复用距离(两个正方形微小区中心之间的距离)进行优化，使其总体上最大。这些措施有：相邻微小区信道集互换、重试其它回收的信道集等。

各微小区的信道分配完成后，由中心监控计算机通过工业以太网下发给无线现场控制器C，并由无线个域网通信调度管理实体的信道参数设置功能将其设置为工作信道。

图7给出了包含81个微小区的空间区域中信道集的具体分配复用情况，该空间区域由9个3*3微小区组成，每个3*3微小区用加黑的边界分开，总计有11个空微小区，其中正常微小区的中间标出了对应的局部过程控制子系统LPCS(图中的LPCS(1)～LPCS(70))和所使用的信道集G(p)，空微小区的区域填充了斜线。如果按照步骤S7-1和步骤S7-2，LPCS(1)分配的信道集原来为G(1)，LPCS(4)分配的信道集原来为G(2)，LPCS(4)原来与LPCS(23)为同信道小区，复用距离为2A，但采取步骤S7-3中的相邻微小区信道集互换措施后，即将LPCS(1)和LPCS(4)的信道集互换，如图中所示，当前LPCS(4)和LPCS(26)为同信道小区，复用距离为3A。如果按照步骤S7-1和步骤S7-2，LPCS(20)分配的信道集原来为G(3)，LPCS(20)原来与LPCS(33)及LPCS(41)为同信道小区，复用距离分别为2.828A和2.236A，但采取步骤S7-3中的重试其它回收的信道集，即LPCS(20)使用信道集G(7)，如图中所示，当前LPCS(20)与其它同信道小区的复用距离都大于3A。

一些分布式过程控制系统，在物理空间具体部署众多传感器和执行器时，不允许留出一些大的空白分布区域。在将整个分布式过程控制系统划分为多个局部过程控制子系统，采用正方形微小区部署包含无线现场控制器、无线传感器及无线执行器的无线蜂窝系统时，要做到全空间覆盖，此时应以采用交叠模式的小区块进行无线信道集的空间复用，具体步骤如下：

步骤S8-1：将待监控区域划分为若干个正方形微小区块，再将各将微小区块按2*2方式分为4个正方形子块，自上往下从左向右依次为子块X₁、X₂、X₃和X₄，最后将各子块按2*2方式划分为4个微小区；

步骤S8-2：在子块X₁中，自上而下从左向右对4个微小区依次分配信道集G(1)、G(2)、G(3)和G(4)；在小区块X₃中，自上而下从左至右对4个微小区依次分配信道集G(5)、G(6)、G(7)、G(8)；子块X₄的信道集分配与子块X₁相同，子块X₂的信道集分配与子块X₃相同。

图8给出了包含64个微小区的空间区域中信道集的具体分配复用情况，该空间区域由4个4*4微小区组成，每个4*4微小区用加黑的边界分开)，其中每个微小区的中间标出了对应的局部过程控制子系统(图8中的LPCS(1)～(64)))和所使用的信道集G(p)。

设正方形微小区的边长为A，每个微小区内无线现场控制器的信号覆盖半径R的取值范围常为：0.5A≤R≤0.707A。对于小区块内的同信道小区或小区块之间的同信道小区，复用距离为2.828A，甚至更大。

Claims (9)

1、一种基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，包括多个局部过程控制子系统、交换机和中心监控计算机，各局部过程控制子系统通过工业以太网连接交换机，交换机通过工业以太网连接中心监控计算机，其特征在于，

所述局部过程控制子系统包括一个无线现场控制器、多个无线传感器和多个无线执行器，无线传感器和无线执行器位于以无线现场控制器为中心的正方形区域内，无线现场控制器一端通过工业以太网连接交换机，另外一端通过包含两个信道的无线个域网连接无线传感器和无线执行器。

2、根据权利要求1所述的基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，其特征在于，所述工业以太网符合用于工厂自动化的以太网标准即EPA标准，所述无线个域网符合无线个域网IEEE802.15.4标准。

3、根据权利要求2所述的基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，其特征在于，所述无线个域网的两个无线信道均周期性产生信标帧，且两信道的信标帧首次出现时刻相差8个时隙。

4、根据权利要求1或2所述的基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，其特征在于，所述无线现场控制器与所述无线执行器或无线传感器采用如下信道时隙分配方式进行消息传输：

无线现场控制器将所有可能来自无线传感器或无线执行器的消息按照重要性划分为四个等级，并把该消息等级配置给每个无线传感器和无线执行器，无线现场控制器将超帧中非信标帧时段划分为五个时隙段，各时隙段传送指定方向和指定等级的消息，各时隙段的位置信息由超帧中的信标帧给出；

无线现场控制器、无线传感器或无线执行器根据自身待发送消息的等级和方向选择相应的时隙段进行消息发送；

无线现场控制器根据各无线传感器和无线执行器的周期性等级消息在超帧中的理论出现次数和一段观测时间内这些消息实际出现次数，动态调整超帧中各时隙段包含的时隙数。

5、根据权利要求1或2所述的基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，其特征在于，所述无线传感器/无线执行器按照以下方法确定发射功率：

步骤T1：设定数据帧/命令帧发送成功次数Cr为0，数据帧/命令帧发送失败次数Cw为0，功率连续调整标志Fa为0；

步骤T2：捕获无线现场控制器发送的信标帧，检测该信标帧的有效信号功率Pr，提取无线现场控制器的发射功率Pm；

步骤T3：计算发射功率Pt＝Pm+Pd+δ(Pu-Pd)-Pr，Pu和Pd分别为自适应功率上限和自适应功率下限，δ是功率异动因子；

步骤T4：如果在当前超帧内有数据帧或命令帧发送，进入步骤T5，否则进入步骤T20；

步骤T5：将发射功率Pt转变为标称发射功率，并以该标称功率向无线现场控制器发送数据帧或命令帧；

步骤T6：若收到来自无线现场控制器的应答帧，进入步骤T7，否则进入步骤T17；

步骤T7：若收到无线现场控制器的功率调整命令，进入步骤T8，否则进入步骤T11；

步骤T8：若功率调整命令为减小功率，进入步骤T9，功率调整命令为增大功率，进入步骤T10；

步骤T9：功率连续调整标志Fa＝1，功率异动因子δ降低一级，进入步骤T15；

步骤T10：功率连续调整标志Fa＝1，功率异动因子δ提高一级，进入步骤T15；

步骤T11：读取功率连续调整标志Fa，判断Fa是否为0，若否转步骤T16；

步骤T12：数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝Cr+1；

步骤T13：若数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝10，进入步骤T14，否则转入步骤T4；

步骤T14：功率异动因子δ降低一级；

步骤T15：更新发射功率Pt＝Pm+Pd+δ(Pu-Pd)-Pr，转入步骤T4；

步骤T16：置功率连续调整标志Fa＝0，数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝0，转入步骤T4；

步骤T17：数据帧/命令帧发送失败次数Cw＝Cw+1；

步骤T18：若数据帧/命令帧发送失败次数Cw＝2，进入步骤T19，否则若转入步骤T5；

步骤T19：数据帧/命令帧发送成功次数Cr＝0，功率异动因子δ提高一级，更新发射功率Pt＝Pm+Pd+δ(Pu-Pd)-Pr，转入步骤T5；

步骤T20：终结当前超帧内命令帧或数据帧的发送。

6、根据权利要求1或2所述的基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，其特征在于，所述无线现场控制器包括：与各用电设备相连的电源单元(11)，网络接插口(10)一端连接所述交换机，另一端依次通过以太网隔离转换器(9)、以太网物理收发单元(8)、以太网媒介访问控制单元(7)连接中央处理单元(6)的一端，中央处理单元(6)的另一端通过逻辑控制单元(5)分别连接无线收发单元(3)和无线收发单元(4)，无线收发单元(3)连接第一天线(1)，无线收发单元(4)连接第二天线(2)，逻辑控制单元(5)、无线收发单元(3)及无线收发单元(4)还分别与时钟单元(12)相接。

7、根据权利要求6所述的基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统，其特征在于，所述中央处理单元(6)包括：

无线个域网数据功能块(13)用于接收来自所述逻辑控制单元(5)的节点测控状态帧和节点网络状态帧，对节点测控状态帧进行汇聚得到个域网测控状态报文并传送给无线EPA功能块(17)，同时将节点网络状态帧传送给无线个域网管理功能块(14)；接收来自无线EPA功能块(17)的个域网执行指令报文，将个域网执行指令报文分解得到节点执行指令帧并传送给逻辑控制单元(5)；接收来自无线个域网管理功能块(14)的节点网络维护帧并传送给所述逻辑控制单元(5)；

无线个域网管理功能块(14)用于接收来自无线个域网数据功能块(13)的节点网络状态帧，对该帧进行汇聚得到个域网网络状态报文并传送给EPA管理代理功能块(15)；接收来自EPA管理代理功能块(15)的个域网网络配置报文，根据节点网络状态帧和个域网网络配置报文产生节点网络维护帧，并传送给无线个域网数据功能块(13)；

EPA管理代理功能块(15)用于接收来自无线个域网管理功能块(14)的个域网网络状态报文，对个域网网络状态报文进行转换得到个域网网络状态分组，并传送给EPA应用访问功能块(16)；接收来自EPA应用访问功能块(16)的个域网网络管理分组和远程托管请求分组，分别对个域网网络管理分组和远程托管请求分组进行解包和转换得到个域网网络配置报文和远程托管请求报文，将个域网网络配置报文传送给无线个域网管理功能块(14)，将远程托管请求报文传送给EPA数据代理功能块(16)；

EPA数据代理功能块(16)用于截取来自无线个域网数据功能块(13)的个域网测控状态报文和无线EPA功能块(17)的个域网执行指令报文，接收来自EPA管理代理功能块(15)的远程托管请求报文，对个域网测控状态报文和个域网执行指令报文进行转换和打包得到子系统测控状态分组和子系统执行指令分组，从子系统测控状态分组和子系统执行指令分组中提取与远程托管请求报文相对应的数据并生成远程托管状态分组，将子系统测控状态分组、子系统执行指令分组和远程托管状态分组传送给EPA应用访问功能块(18)；

无线EPA功能块(17)用于接收来自EPA应用访问功能块(18)的过程任务请求分组和来自无线个域网数据功能块(13)的个域网测控状态报文，生成个域网执行指令报文，将个域网执行指令报文传送给无线个域网数据功能块(13)，根据个域网测控状态报文构造表征以前的执行指令报文指定操作执行情况的过程任务应答分组，将其传送给EPA应用访问功能块(18)；

EPA应用访问功能块(18)用于接收来自无线EPA功能块(17)的过程任务应答分组，将其传送给EPA系统管理功能块(19)；接收来自EPA数据代理功能块(16)的子系统测控状态分组、子系统执行指令分组和远程托管状态分组，以及来自EPA管理代理功能块(15)的个域网网络状态分组，将这五种分组传送给EPA套接字映射功能块(20)；接收来自EPA套接字映射功能块(20)的个域网网络管理分组和远程托管请求分组，将个域网网络管理分组传送给EPA管理代理功能块(15)，将远程托管请求分组传送给无线EPA功能块(17)；接收来自EPA系统管理功能块(19)的过程任务请求分组，将其传送给无线EPA功能块(17)；

EPA系统管理功能块(19)用于将来自EPA套接字映射功能块(20)的过程任务请求分组传送给EPA应用访问功能块(18)，将来自EPA应用访问功能块(18)的过程任务应答分组传送给EPA套接字映射功能块(20)；接收来自EPA套接字映射功能块(20)的EPA设备管理分组，从中提取出用于设置本无线现场控制器的IP地址的请求分组、用于读取本无线现控制器的EPA电子设备描述符的请求分组、用于与其它局部过程控制子系统的无线现场控制器建立EPA链路连接的请求分组，构造表征IP地址设置结果、EPA电子设备描述符读取结果、EPA链路连接结果的EPA设备应答分组并传送给EPA套接字映射功能块(20)；

EPA套接字映射功能块(20)用于接收来自EPA系统管理功能块(19)的过程任务应答分组和EPA设备应答分组，来自EPA应用访问功能块(18)的子系统测控状态分组、子系统执行指令分组、个域网网络状态分组和远程托管状态分组，将这六种分组传送给UDP/TCP功能块(21)；接收来自UDP/TCP功能块(21)的过程任务请求分组、EPA设备管理分组、个域网网络管理分组和远程托管请求分组，将过程任务请求分组和EPA设备管理分组传送给EPA系统管理功能块(19)，个域网网络管理分组和远程托管请求分组传送给EPA应用访问功能块(18)；

UDP/TCP功能块(21)用于接收来自EPA套接字映射功能块(20)的过程任务应答分组、EPA设备应答分组、子系统测控状态分组、子系统执行指令分组、个域网网络状态分组和远程托管状态分组，将这六种分组进行打包得到下行UDP/TCP报文，并传送给IP功能块(22)；接收来自IP功能块(22)的上行UDP/TCP报文，从上行UDP/TCP报文中解包得到过程任务请求分组、EPA设备管理分组、个域网网络管理分组和远程托管请求分组，并传送给EPA套接字映射功能块(20)；

IP功能块(22)用于接收来自UDP/TCP功能块(21)的下行UDP/TCP报文，对下行UDP/TCP报文进行打包得到下行IP报文，将其传送给EPA通信调度管理功能块(23)；接收来自EPA通信调度管理功能块(23)的上行IP报文，对上行IP报文进行解包得到上行UDP/TCP报文，将其传送给UDP/TCP功能块(21)；

EPA通信调度管理功能块(23)用于将来自IP功能块(22)的下行IP报文传送给所述以太网媒介访问控制单元(7)；将来自以太网媒介访问控制单元(7)的上行IP报文传送给IP功能块(22)。

8、一种用于权利要求1所述基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统的信道规划方法，具体为：

步骤C1：将整个待监控区域划分为若干个正方形微小区块，再将每一个微小区块按照3*3方式划分为9个微小区；

步骤C2：假定各微小区块正中间微小区为空微小区，对其它微小区自上而下从左至右依次预分配信道集G(1)、G(2)、...、G(8)；

步骤C3：若微小区被分布式过程控制系统中的某局部过程控制子系统所覆盖，保留其预分配的信道集，否则收回其预分配的信道集；若空微小区被分布式过程控制系统中的某局部过程控制子系统所覆盖，将任意一个收回的信道集分配给空微小区；

步骤C4：在各微小区块内调整信道集，使得任意相邻两微小区块中同信道微小区的复用距离尽可能最大。

9.一种用于权利1所述基于无线个域网和工业以太网的分布式过程控制系统的信道规划方法，具体为：

步骤D1：将待监控区域划分为若干个正方形微小区块，再将各将微小区块按2*2方式分为4个正方形子块，自上往下从左向右依次为子块X₁、X₂、X₃和X₄，最后将各子块按2*2方式划分为4个微小区；

步骤D2：在子块X₁中，自上而下从左向右对4个微小区依次分配信道集G(1)、G(2)、G(3)和G(4)；在小区块X₃中，自上而下从左至右对4个微小区依次分配信道集G(5)、G(6)、G(7)、G(8)；子块X₄的信道集分配与子块X₁相同，子块X₂的信道集分配与子块X₃相同。

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