CN101472351A

CN101472351A - 同步的无线网络互联系统

Info

Publication number: CN101472351A
Application number: CNA2008101850116A
Authority: CN
Inventors: A·赫尔斯特罗姆
Original assignee: ABB Azipod Oy
Current assignee: ABB Azipod Oy; ABB Ltd Ireland
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2009-07-01
Also published as: EP2075657A1; US8229486B2; US20090168749A1; CA2647670A1

Abstract

本发明提供了用于在片材制造系统中时间同步信号的方法以及一种具有两个或者更多分离节点的片材制造系统，其中所述节点之一可以是扫描仪感测头部，以及所述另一节点可以是扫描仪末端列。每个节点具有无线系统并且接收来自公共AC源的电力。每个节点接收与所述无线系统相关联的事件数据。每个无线系统具有这样的电路，即所述电路从所述公共AC电力源来获取相关联的事件数据采集时钟，所述事件数据采集时钟对于全部无线系统是相同的，以便对所述两个或者更多节点的每个处的相关联事件数据信号彼此进行时间同步。中央计算机可以连接至所述两个或者更多节点。在计算机以及两个或者更多节点的每个之间的通信可以是无线的、或者通过LAN或者其他机制进行通信。

Description

同步的无线网络互联系统

技术领域

本发明涉及片材(sheet)制造工艺，以及更具体地，涉及从在此类工艺中使用的扫描仪上安装的传感器获取信息。

背景技术

在片材工艺中部署扫描测量，以便感测多个纸幅特性文件(webprofile)属性，诸如基本重量、湿度、厚度(caliper)、颜色以及涂层重量。在工艺中可以安装有一个或者多个扫描仪，以便在不同位置处测量纸幅，例如在造纸机中进行涂敷之前或者之后。每个扫描仪可以具有单侧或者双侧的测量头部。在美国专利No.5,479,720以及No.5,343,296中描述了对片材工艺进行的扫描测量的应用示例。

图1示意性地示出了在扁平片材工业(例如，造纸)中典型使用的扫描仪10。扫描仪10包括移动传感器头部12，其横跨过传感器头部12之间的纸幅24。每当头部12跨过纸幅24扫描时，则生成特性文件(profile)。现代造纸机或者转换设备提高的片材速度需要较高的扫描速度。例如，可能需要1m/sec的扫描速度，其中从纸幅24的一边至另一边的行进时间小于10秒。这对应于每年超过3百万的扫描周期。在扫描仪中移动部件的故障将导致昂贵的机器停止运行并且需要紧急修理。这对移动部件的长使用寿命提出了非常高的要求。

为了向移动头部12供给电力、信号、通信以及空气/水流体物质(utilities)，在扫描仪10内部通常利用弯曲电缆轨道14。图2示出了移动头部12以及弯曲电缆轨道14的工作细节。在电缆轨道14内部，可以存在各种管和电缆，诸如用于供给空气/水液体物质的挠曲管16；供电电缆、信号和通信电缆。信号电缆比电力电缆的构造更轻，由此相对于电力电缆来说，更倾向于出现疲劳故障或者外皮损坏。此外，作为设计选项，电力分配可以使用具有滑动接触汇流条(bus bar)的电气化轨道，来代替弯曲电缆。利用具有挤压共聚合物编织设计的柔性液体线路，其在挠曲模式中具有良好的长期可靠性。

已经提出了在扫描仪弯曲电缆中的多种数字通信方法，例如在US 6,071,382中所述。数字通信电缆还必须与模拟信号电缆弯曲相同数量的圈数。

基于流行标准协议的分布式远程无线数据采集已经涉及了制造领域，并且由此出现可以提供一种信号电缆的备选，但是这尚未在扫描应用中使用。将此类已知分布式远程无线数据采集应用于片材扫描仪的一个难点在于，扫描仪中的单位传感器数据率较高。由此，在扫描仪中使用这一技术将对已经密集的实时数据负载增加通信开销。用于扫描设施的数据率可以是来自每个传感器的每秒数千采样，并且该速率大大快于在传统工业传感器中的数据率。

将此类分布式远程无线数据采集应用于片材扫描仪的另一难点在于，需要在节点之间精确地定时同步。不同时钟在分布式系统中必须准确地同步，以便避免在不同节点之间的数据定时错误匹配。例如，传感器信号与头部位置信号之间的关系必须良好地定时，以便生成片材属性的准确的高度分辨率特性文件。由此，出于上文给出的原因，可以用于标准工业自动化的此类无线网络同步解决方案并不适用于扫描设施。

一种不同于上文所述的方案是，使用由节点共享的线来用于硬件时钟同步。在诸如造纸工业工艺中，使用针对这一任务的专用单独线是不切实际的。然而，用于硬件时钟同步的线可以是工厂内共享的AC电力线路。使用电力线路频率进行同步的每种已知方法都需要特定通信系统，并且不适用于当今最为广泛接受的高速无线网络(例如，IEEE 802.11)。这些特定通信方案没有得到标准以及流行的低成本无线网络的支持。

图3示出了连接到具有相关联操作者显示器的中央计算机18的扫描仪10，所述计算机以及显示器18典型地定位于过程控制室(未示出)中。扫描仪10使用标准LAN电缆20连接至控制室。中央计算机18以及扫描仪10接收来自共享AC电力的电力，有时候是经由专用隔离变压器(诸如图3中所示的变压器22)。

在扫描仪中，一个潜在的可靠性问题涉及将移动头部12连接至扫描仪的固定部分10a的挠曲电缆16。电缆16经受由于头部扫描的连续移动而导致的极大的弯曲应力、并易于疲劳和磨损。由于越来越快的扫描速度而使弯曲应力、疲劳性和磨损变得更为严重。电缆16的故障模式可以涉及在问题早期出现时开始的伴有连续间歇传导的疲劳性损坏。这种疲劳性损坏可以导致在模拟信号电缆中临时丢失测量数据或者数据不准确。对于挠曲数字通信电缆，疲劳机制类似于模拟电缆，这是由于它们必须经历相同次数的扫描。挠曲数字通信电缆的其他复杂性涉及机械设计中的折衷，这种折衷是由于将受控电阻抗与长寿命的弯曲属性相结合的需要。

在工艺期间扫描仪安装的另一考虑涉及，在扫描仪10与控制室或者类似远程位置之间安装数据电缆的成本。有必要将扫描测量信息提供至中央过程控制计算机以及操作者显示器18。电缆20有时必须通过机器障碍或者围绕机器障碍而布线，这就增加了安装扫描系统所需的成本和时间。

在工艺期间使用多个扫描仪10时可能出现的一个困难涉及在涂层重量计算、湿度测量补偿、或者其他测量计算中所包含的扫描仪之间的数据同步，在上述涂层重量计算、湿度测量补偿、或者其他测量计算中可能需要来自多个扫描仪的同步信息。已经提出了用于以可以观察纸幅上相同点的方式操作扫描仪10的方法。在日本专利JP 2000008291中描述了一个此类方法。然而，为了准确地实现这一点，要求所有扫描仪计算机18精确地实时同步。采用传统无线通信方法实现这一点非常复杂，因为传统通信方法将引入可变等待时间，并且甚至可能需要使用专用的硬连线离散信号。

为了诊断和维护现有技术的复杂工业测量扫描仪10，服务工具包括便携或者固定的服务工作站、笔记本计算机、个人数字助理、以及通信分析器。出于这一目的，已经提出了将无线通信应用于便携服务工作站的方法。在美国专利No.7,010,294中公开了用于过程自动化系统的无线服务工具的某些示例。

当处理扫描仪10中的问题时，加速解决这一问题以及服务人员的灵活性是重要的，这是由于扫描仪10在造纸控制中非常重要。例如，由于服务人员不能通过无线技术获得去往安装在扫描仪10上的传感器12的各种硬连线通信数据流，出于这一唯一目的而将无线技术添加至传统扫描仪将增加扫描仪成本，并其对于扫描仪的复杂性仅能提供有限的见解。

存在快速新兴的工业无线通信系统，例如IEEE 802.11、蓝牙、IRDA和UWB、以及在专用工业频带上操作的系统，所述工业无线通信系统在办公室或者住宅环境中建立了主流使用。此类通信系统利用分组通信方法，其中网络加载、由于噪声而产生的通信重试、来自其他设备的干扰以及类似实时失常引起了可变等待时间。在无线网络上实现来自不同数据采集节点处的信息同步是一项复杂的任务。为了适当地结合来自不同节点的传感器信息，扫描测量通常要求一毫秒或者更好的定时精度。

本发明通过使用从扫描仪感测传感器到控制室的无线网络来解决现有技术中的这些问题，所述无线网络对来自不同节点的传感器数据提供准确定时。本发明还适用于一般的工业自动化网络。

发明内容

一种用于在片材制造系统中时间同步信号的方法，所述片材制造系统具有两个或者更多彼此分离的节点，其中每个节点接收其中具有关于与两个或者更多节点中的每个相关联的片材制造事件的数据的信号。所述方法：

在两个或者更多节点中的每个处提供无线系统，用于在每个节点处获取具有相关联片材制造事件数据的信号；以及

在两个或者更多节点中的每个处将相关联片材制造事件数据信号的定时与连接以对所述两个或者更多无线片材制造事件数据采集系统的每个进行供电的电力线路的AC电压波形的定时进行比较，由此将两个或者更多节点中的每个处的相关联片材制造事件数据信号彼此进行时间同步。

在至少两个或者更多节点的每个处提供无线系统，用于在每个节点处采集具有相关联片材制造事件数据的信号，每个无线系统具有数据采集时钟；以及

使用连接以对所述两个或者更多无线片材制造事件数据采集系统中的每个进行供电的电力线路上的AC电力信号，作为用于所述两个或者更多无线片材制造事件数据采集系统数据采集时钟的全部的公共时钟源，以便对所述至少两个或者更多节点中的每个处的相关联片材制造事件数据信号彼此进行时间同步。

一种片材制造系统，具有：

两个或者更多彼此分离的节点；

所述两个或者更多节点中的每个包括无线系统，用于在每个节点处采集具有相关联事件数据的信号，每个无线系统接收其中具有关于与所述两个或者更多无线系统的每个的相应的一个相关联的事件的数据的信号，并且每个无线系统连接以从AC电力的公共源来接收AC电力；以及

所述两个或者更多无线系统的每个具有：

一种电路，所述电路从AC电力的公共源获取相关联事件数据采集时钟，所述事件数据采集时钟对于在所述两个或者更多节点处的全部无线系统是相同的，以便对在所述两个或者更多节点的每个处的相关联事件数据信号彼此进行时间同步。

附图说明

图1示意性示出了在扁平片材工业中使用的典型扫描仪；

图2示出了扫描仪的移动头部以及弯曲电缆轨道的细节；

图3示出了连接至中央计算机的扫描仪；

图4示出了根据本发明实现的无线远程数据采集系统；

图5示出了针对由AC信号的正弦波恢复的锁相环的框图；

图6示出了在存在噪声时正弦波恢复结果的模拟；

图7示出了根据本发明实现的无线远程数据采集系统，其适用于一个扫描头部、扫描仪末端列并且被无线网络互联至中央计算机；

图8示出了图7的系统的物理安装视图；

图9示出了本发明的实施方式，其中在扫描仪中使用无线通信，并且LAN电缆用以将所述扫描仪连接至中央计算机；

图10示出了本发明的实施方式，用于末端列使用视距(LOS)光学通信(诸如，红外数据组织(IrDA))的扫描头部通信；以及

图11示出了用于非扫描仪的通用无线目的数据采集和控制的本发明的实施方式。

具体实施方式

现在参考图4，其中示出了根据本发明实现的无线远程数据采集系统30。示出的系统30仅具有两个活跃远程节点32和34，尽管可以使用达到接口容量上限的任意数量的节点。每个远程节点32和34包括基于微处理器的远程数据采集系统36，其具有标准无线通信接口38和AC电力定时监控电路40，其可以是独立的硬件或者针对其他过程信号的数据采集功能的一部分。每个远程节点32和34在结构上可以是基本相同的，尽管针对特定需要可以定制传感器或者过程控制的I/O。

根据本发明，在用于测量信号的传统信道以外还使用数据采集系统36，以便利用额外的信道监控AC电力线路电压31的相位。对于物理上较大并且需要电力的设备(诸如，过程扫描仪)，AC通常是与靠近每个使用点处的分布式DC电源相结合的优选电力分配。由此，可以将在扫描仪10中对每个数据采集节点32、34的单独过程信号的定时与AC线路电压波形的定时进行比较。

由于工厂内的所有AC电力具有公共频率和预定义的、且具有相对精确的相位对相位关系，这种AC电力信号31被用作多个物理上分开的无线数据采集系统的公共时钟源，所述无线数据采集系统从该AC系统获取电力。最终结果是，每个无线数据采集节点32、34可以利用来自公共AC信号的定时参考对所采集的信号加上时间戳，并且由此支持对所有节点的定时同步。

AC电压31可能包含噪声和失真，所述噪声和失真可以使得传统零交叉定时确定变得不准确。这可以通过滤波器、或者基于正弦波恢复的锁相环来补救。在存在噪声时使用用于正弦波恢复的此类锁相环，这是现有技术中所公知的，但是为了为完整性起见，在图5中将其示出。经由积分反馈环44来调谐可变频率振荡器，直到余弦项与进入的噪声信号正弦项正交。所述积分可利用长时间常数，这是由于线路频率没有快速抖动(jitter)。可变振荡器42的正弦项表示噪声进入电力的基本相位。此方法可以针对数据采集模块36而以硬件或者软件实现。在图6中示出了在存在噪声情况下用于正弦波恢复的这一技术的模拟结果，其中在46处示出AC波形，而在48处示出所恢复的正弦项。

高速分组通信(例如IEEE 802.11)的典型等待时间以及接收延迟短于AC线路频率的一个周期，即，小于针对60Hz线路频率的16.66毫秒、或者小于针对50Hz线路频率的20毫秒。然而，在大网络环境中，或者当在较大距离处存在显著信号损失时，数据重传和分组延迟可以超过一个AC线路周期的时段。这潜在的会以整数个AC电力周期严格地基于仅AC零交叉使得同步发生混乱。

为了补救同步中的这种可能的混乱，本发明在启动时在一个AC周期内粗略地同步分布式数据采集时钟。这种同步包括在启动时的定时校准消息，所述定时校准消息从中央计算机节点发送至远程数据采集节点，响应返回到图3中所示出的计算机18或者在图7中示出的中央计算机50，以实现粗略的通信延迟校准测试。这种粗略同步可以是并不复杂的标准软件解决方案，因为其不需要高于一个AC电力周期的更好的精度。

通过针对每个线路周期的AC电力相位的过程信号，本发明实现最终的定时准确度。为了确保质量以及自动诊断，粗略校准消息可以在规则时间间隔处重复，例如每隔5分钟一次，而对于每个节点，其间只发生对AC频率时段的计数。

图7示出了一个系统56，在所述系统56中本发明的无线远程数据采集适用于一个扫描头部52以及扫描仪末端列54，并且以无线方式网络互联至中央计算机50。

中央计算机50例如可以定位在过程控制室中、在计算机服务室中、在电子装备室中、在纸张测试实验室中、或者定位在片材制造机器底板上的外壳中。

扫描头部单元52的任务是在每次扫描期间以高速收集传感器信号。扫描仪末端列单元54的主要任务是，控制头部移动以及以高速率提供头部位置信息。中央计算机50的主要任务是，显示所测量的纸幅质量。

由于节点50、52、54是完全网络互联的，在这三个节点的任何一个中可以进行将过程传感器信息以及扫描仪末端列头部位置信息结合到特性文件中。唯一的要求是，执行此计算的节点接收来自头部52以及末端列54两者的AC相位定时信息，该相位定时信息从分离的AC监控功能获取。此定时信息用以对来自两个单独节点52和54的波形进行时间偏移(time-skew)以便在时间上相符，而与无线分组通信或者单独节点数据处理延迟无关。这一结果特性文件是重新设置为x/y图形的这两个经时间同步波形(过程传感器测量和头部位置)最终结果的简化表示。

一个中央计算机50可以服务一个无线测量网络，其包括在数据率约束范围内的数个扫描仪10。通过针对所有节点的公共时间同步，来辅助将来自数个扫描仪10的信息准确地与一个信息(例如，为了获取涂层重量)相结合的任务。

图8从物理安装角度示出了图7的系统56，其中虚线58表示扫描仪10中以及在扫描仪和中央计算机50之间的无线通信，无需通信由标记“WLAN”所指示，其中“W”指示所述通信是无线通信。

图9示出了本发明的一个实施方式，其中在扫描仪10内部使用无线通信，如由虚线60所示出并且表示为标记“WLAN”，并且从扫描仪10到中央计算机50的连接是由实线示出的传统LAN电缆62表示。本发明的这一实施方式排除了信号电缆的挠曲。存在噪声情况下，在扫描仪10中的内部通信结构仍然使用正弦波恢复方法，诸如在图5中所示出的锁相环。由于此方法仅是短程(short-haul)的，此方法在内部无线通信中提供了灵活性。

图10示出了本发明的一个实施方式，其使用视距(LOS)光学通信(诸如，红外数据组织(IrDA))用于末端列至扫描头部的通信。在此实施方式中，标准IrDA通信端口和设备利用视线定向透镜或者反射器光学器件来增强，以便安全地具有覆盖最大长度扫描仪(通常是12米)的范围。本发明的这一实施方式的优势在于，IrDA的潜在低成本、4Mb/s的充分速度以及由于仅有非常小的“信号泄露”而具有高度数据安全性。在此变型中的基本定时关系仍然遵循正弦波恢复方法的规则，在图5中示出了一个示例。

图11示出了本发明的一个实施方式，该实施方式用于非扫描仪的通用无线目的数据采集和控制，其中节点之间的所采集事件的时间同步达到大约是1毫秒或者更好是重要的。在图11中示出的系统100具有n个节点，每个节点由参考数字102所标识。每个节点102中具有图4中示出和上文所述的无线数据采集系统。每个节点102接收I/O信号104，所述I/O信号104具有关于与系统100相关联的事件的数据。每个节点102接收来自相同电力系统的AC电力108，仅出于示出简易的目的而没有详细示出所述电力系统。系统100还具有中央计算机106，所述中央计算机106还具有通往所有节点102的无线通信链路。由此，图11示出的本发明并不局限于扫描过程测量。

在上述的基于无限频带的任何解决方案中，可以添加包括具有适合WLAM接口的笔记本PC或者PDA的服务工作站。此工作站可以利用适当软件提供访问、以及节点可见性，提供用于状态、原始数据流、所计算的值、命令、报警以及调谐信息的通信。这一任务通过以下流行趋势而便于实现，即提供内置无线LAN(如作为标准便携计算机或者PDA的一部分的IEEE 802.11b)。

应该理解，根据本发明，在过程扫描仪中的信号传送可以是从传感器头部52向扫描仪末端列54传送、或者自始至终从传感器头部52向控制室传送。应该进一步理解，在本发明中，扫描仪10不具有信号电缆来将传感器头部52连接至固定的末端列54，并且由此不必关心由往复扫描使得此类电缆挠曲而提高电缆故障的可能性。还应该理解，本发明通过使用AC线路同步而消除了可变分组/计算机延迟对由传感器头部进行的测量的准确性的影响。此外，应该理解，如上文所述，本发明适用于通用无线数据采集。

应该理解，上述的示例性实施方式的描述对于本发明仅仅是示意性的，而不是穷尽性的。本领域普通技术人员能够对所公开主题的实施方式做出特定的添加、删除和/或修改，而并不脱离如权利要求书所定义的本发明的精神或者其范围。

Claims

1.一种用于在片材制造系统中时间同步信号的方法，所述片材制造系统具有两个或者更多彼此分离的节点，其中每个节点接收其中具有关于与所述两个或者更多节点中的每个相关联的片材制造事件的数据的信号，所述方法包括：

在所述两个或者更多节点中的每个处提供无线系统，用于在每个所述节点处采集具有所述相关联的片材制造事件数据的所述信号；以及

在所述两个或者更多节点中的每个处将相关联的片材制造事件数据信号的定时与电力线路上的AC电压波形的定时进行比较，由此将所述两个或者更多节点中的每个处的所述相关联片材制造事件数据信号彼此进行时间同步，其中所述电力线路被连接来对所述两个或者更多无线片材制造事件数据采集系统的每个进行供电。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述两个或者更多节点的每个处确定所述电力线路上的所述AC电压波形的所述定时。

3.一种用于在片材制造系统中时间同步信号的方法，所述片材制造系统具有两个或者更多彼此分离的节点，其中每个节点接收其中具有关于与所述两个或者更多节点中的每个相关联的片材制造事件的数据的信号，所述方法包括：

在所述两个或者更多节点的每个处提供无线系统，用于在每个所述节点处采集具有所述相关联片材制造事件数据的所述信号，每个无线系统具有数据采集时钟；以及

使用被连接来对所述两个或者更多无线片材制造事件数据采集系统中每个进行供电的电力线路上的AC电力信号，来作为用于所述两个或者更多无线片材制造事件数据采集系统数据采集时钟的全部的公共时钟源，以对所述两个或者更多节点中的每个处的所述相关联的片材制造事件数据信号彼此进行时间同步。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：在所述两个或者更多节点的每个处，将所述相关联的片材制造事件数据信号的定时与所述AC电力信号的定时进行比较，由此从所述AC电力信号获取所述公共时钟。

5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：在所述具有两个或者更多彼此分离的节点的所述系统的启动时，将所述两个或者更多无线片材制造事件数据采集系统数据采集时钟粗略地同步在所述AC电力信号的一个周期内。

6.一种片材制造系统，包括：

两个或者更多彼此分离的节点；

所述两个或者更多节点中的每个包括无线系统，用于在每个所述节点处采集具有相关联事件数据的信号，每个所述无线系统接收其中具有关于与所述两个或者更多无线系统的每个的相应一个相关联的事件的数据的信号，并且每个所述无线系统被连接来从AC电力的公共源来接收AC电力；以及

所述两个或者更多无线系统的每个包括：

一种电路，所述电路从AC电力的所述公共源获取相关联的事件数据采集时钟，所述事件数据采集时钟对于在所述两个或者更多节点处的全部所述无线系统是相同的，由此对在所述两个或者更多节点的每个处的所述相关联事件数据信号彼此进行时间同步。

7.根据权利要求6所述的片材制造系统，进一步包括：与所述两个或者更多无线系统中的每个进行通信的计算设备。

8.根据权利要求7所述的片材制造系统，其中当所述片材制造系统启动时，所述计算设备使得所述两个或者更多无线系统的每个将所述两个或者更多片材制造事件数据采集系统数据采集时钟粗略地同步在所述AC电力信号的一个周期内。

9.根据权利要求7所述的片材制造系统，其中当所述片材制造系统处于操作中时，所述计算设备在预定义时间间隔使得所述两个或者更多无线系统的每个来将所述两个或者更多片材制造事件数据采集系统数据采集时钟粗略地同步在所述AC电力信号的一个周期内。

10.根据权利要求7所述的片材制造系统，其中所述计算设备与所述两个或者更多无线系统的每个之间的通信是无线通信、或者通过在所述计算设备和所述两个或者更多无线系统的每个之间连接的电缆来通信。

11.根据权利要求6所述的片材制造系统，进一步包括：跨过由所述系统制造的移动片材的扫描仪，所述扫描仪包括：可移动地安装在所述扫描仪上的一个或者多个传感器头部，所述移动片材在所述一个或者多个传感器头部之间，所述扫描仪使得所述一个或者多个传感器来往复横穿过所述移动片材，由此提供可以用以生成所述移动片材的特性文件的信号。

12.根据权利要求11所述的片材制造系统，其中所述扫描仪包括末端列，以及所述两个或者更多节点之一与所述传感器头部相关联，并且所述一个或者多个节点的另一个与扫描仪末端列相关联。