CN102315947A - 无线现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线现场设备，其通过减少向无线网络加入前的消耗电流，从而实现电池的长寿命化。在内置电池以及无线模块，经由网关与无线网络连接的无线现场设备中，在与所述无线网络连接时，所述无线模块在预先设定的时间内向所述网关进行连续访问，在该连续访问时间内无法接收到来自所述网关的响应的情况下，从所述无线模块间歇地进行向所述网关的访问。

Description

无线现场设备

技术领域

本发明涉及一种在现场设备中组装了无线通信单元的无线现场设备，详细地说涉及其电源控制。

背景技术

当前，例如在上下水道设施中无法埋设线缆配线这种场所中，例如在探井设备中，在水流过的管道安装具有无线功能的流量计，作为无线现场设备。

并且，操作者在收集数据或检查设备等时，将手持终端作为无线通信机而进行操作，在与探井内的流量计之间利用无线通信进行数据的发送接收。

在这里，所谓现场设备，是指压力计、差压计、温度计、水平计、流量计等各种传感器、以及阀位控制器等与生产过程直接连结并进行测定和控制(阀位控制器)的设备。另外，除了阀位控制器以外，也称为(工业用)信号发送器。

另外，将接受到来自上述现场设备的信号并进行指示、记录、控制等的指示计、记录计、调节计、分散型控制系统、报警器等称为系统设备，上述系统设备与上述称为信号发送器的概念相对应，也称为信号接收器。

另外，无线现场设备如上所述，以配置于通常配线困难的场所为前提，考虑采用利用电池进行动作的方式，为了可以进行长时间动作，作为电池而使用锂类电池。

图8是表示利用如上所述的无线现场设备的无线网络的一个例子的系统结构图。在图8中，无线网络拓扑1利用I/O设备2～6、路由设备7、8、网关9，构成星·网型。

I/O设备2～6是如上所述的差压/压力传感器和温度传感器等传感器，或者是阀位控制器等操作端，具有由IEEE802.15.4规定的无线通信功能。

路由设备7、8具有定期地向邻近设备发布通告(广告)的广告功能、以及进行路由信息或消息的传递的路径选择功能。另外，路径选择功能也可以搭载于差压/压力传感器和温度传感器等传感器、以及阀位控制器等操作端即I/O设备2～6中。

网关9具有将无线网络拓扑1和工厂网络10连接的功能，实现控制系统11和I/O设备2～6的结合。

在图8的例子中，I/O设备2、3可以经由路由设备8与网关9进行无线通信，I/O设备4～6可以经由路由设备7与网关9进行无线通信。

在这里，I/O设备12未接收到来自路由设备7、8的通告(advertisement)，处于无法加入无线网络拓扑1的状态。作为上述状态，例如相当于I/O设备12的电源在其它I/O设备2～6之后刚接通等。

图9是用于使I/O设备12加入无线网络拓扑1中的序列图，示出I/O设备12接收到路由设备7、8的通告，而加入例如作为使用IEEE802.15.4无线标准的ISA100.11a的无线网络拓扑1中的情况。

在图9中，路由设备8相对于周边设备，周期地发送用于催促向无线网络拓扑1中加入的通告SQ1。尚未加入无线网络拓扑1的I/O设备12，接收来自路由设备8的通告SQ1。

I/O设备12，在接收到通告SQ1后的SQ2中，向路由设备8发送向位于网关9内的系统管理器91以及安全管理器92的加入要求。

如果路由设备8接收到SQ2，则首先在SQ3中，向位于网关9内的系统管理器91传送向安全管理器92的加入要求。

并且，如果系统管理器91接收到SQ3，则在SQ4中，向位于网关9内的安全管理器92传送加入要求。另外，系统管理器91以及安全管理器92也可以与网关9分体设置。

另外，在SQ5中，路由设备8向系统管理器91传送向系统管理器91的加入要求。

如果安全管理器92接受I/O设备12的加入要求，则利用SQ6～SQ8，最终向I/O设备12通知安全加入许可。

并且，在系统管理器91接受I/O设备12的加入要求的情况下，利用SQ9～SQ10，最终向I/O设备12通知系统管理器加入许可。

在SQ11中，I/O设备12向系统管理器91发送安全确认要求。

系统管理器91通过SQ12，向安全管理器92通知安全确认要求。

然后，系统管理器91利用SQ13，向I/O设备12发送安全确认许可。

I/O设备12完成图9所示的一系列的加入手续之后，可以每隔一定周期向网关9发送差压、压力、温度等过程数据。发送周期可以是用户任意设定的时间间隔，例如1秒～1小时左右。

如上所述向网关9发送的过程数据，在控制系统11中进行处理，由用户进行监视，或者例如向作为控制阀等操作端的I/O设备，利用经由网关9的无线信号发送操作量，进行过程的控制。

上述I/O设备2～6、12，在加入后，为了抑制各自的内置电池的消耗而通常使内部电路休止，仅在上述每隔一定周期的过程数据发送时启动，进行过程数据的计算和发送，发送后至下一次计算/发送为止进行休止。

图10是I/O设备12中的加入前后的消耗电流特性例图，横轴表示时间，纵轴表示消耗电流。I/O设备12的电源接通后至以点划线示出的完成加入为止的时间Ta，是图9的序列处理执行期间。该期间，由于至加入完成为止连续地接收信号，所以I/O设备12始终处于工作状态，消耗电流始终为较大的值Ia。

在加入完成后的时间Tb中反复进行下述动作，即，仅在每个一定周期T的过程数据发送时启动并进行过程数据的计算和发送，发送后至下一次计算/发送为止进行休止。各周期T中的T1表示至下一次数据计算/发送为止的休止状态，消耗电流为较小的值Ib(＜Ia)。T2表示为了进行过程数据发送而起动的状态。tp表示I/O设备2～6、12利用无线通信向网关9发送过程数据。

根据图10可知，加入完成后，消耗电流为Ib的休止状态T1和消耗电流为Ia的起动状态T2每隔一定周期反复，但大半时间处于消耗电流为较小的Ib的休止状态T1。由此，通过延长一定周期T，可以使电池的消耗较少。

在专利文献1中记载了在现场设备中追加无线功能的技术，在专利文献2中记载了利用具有无线功能的现场设备的通信系统的技术。

专利文献1：日本特开2003-134030号公报

专利文献2：日本特开2003-134261号公报

发明内容

在构筑如图8所示的无线网络时，应该最先进行网关9的设置和起动，但由于机械材料的准备、工厂网络10和控制系统11的配置等的情况，有时在I/O设备2～6、12和路由设备7、8设置后进行。

另一方面，作为I/O设备2～6、12和路由设备7、8而使用的现场设备，通常大多在壳体外不具有用于电源断开/接通的开关。这是由于为了可以在危险气氛中使用上述现场设备而要求耐压防爆构造等，所以开关的安装变得困难。由此，通常大多是利用电池的装拆进行电源的断开/接通的构造。

另外，也考虑到在现场设备的壳体内部设置开关，但为了开关的断开/接通而将壳体的盖打开的动作，成为用户的负担。另外，在要求耐压防爆的场所下，不允许打开壳体。因此，是在即将将现场设备设置于现场之前将电源开关接通、或者插入电池。

其结果，在网关9不存在的状态下，作为I/O设备2～6、12和路由设备7、8而使用的现场设备，成为在电源接通的状态下持续等待图9的SQ1所示的通告的状态，在设置网关9并启动为止的期间，如图10所示，必须持续消耗电流为较大的Ia的Ta的状态。

根据实测例，处于图10中的Ta状态的消耗电荷量为Tb状态的消耗电流的数十倍，仅网关9的设置延迟一天，就消耗相当于数个月的电量。在利用电池进行动作的方式的无线现场设备中，电池的寿命是重要的课题之一，在图10的Ta状态下消耗电池成为较大的问题。

另外，在网关9故障的情况下也同样，直至完成网关9更换的期间，作为I/O设备2～6、12和路由设备7、8而使用的现场设备，各自电池消耗大量的电荷量。

在完成网关9的设置或者更换后将现场设备的电源接通，是不现实的。其原因在于，首先，在要求耐压防爆的场所中，不允许如上所述打开壳体。

另外，在较大的工厂中，有时配置数百至数千台现场设备，对于上述全部设备进行上述动作，使下述可能性增大，即，人工费用增加、以及例如由于壳体盖的卡住而导致事故、由于盖的不完全闭合而导致耐压区域处的危险性增加。

并且，即使在用户的工作台等安全的区域中，向现场设备中插入电池并将壳体的盖关闭，但直至正式地开始通信为止电池也浪费。

本发明就是用于解决上述课题而提出的，其目的在于，提供一种通过减少向无线网络加入之前的消耗电流，从而实现电池的长寿命化的无线现场设备。

另外，即使在无线现场设备设置后，也可以进行网关的设置/起动，从而用户的作业和更换顺序具有自由度。

并且，在网关的设置/起动后不需要利用无线现场设备的开关等的再起动功能等，可以自动地向网络加入，排除用户由于对工厂中的无线现场设备再起动而在工厂中移动和进行现场设备拆卸等作业。

为了实现上述课题，本发明的技术方案1所述的发明是一种无线现场设备，其内置电池以及无线模块，经由网关与无线网络连接，其特征在于，

在与所述无线网络连接时，所述无线模块在预先设定的时间内对所述网关进行连续访问，在该连续访问时间内无法接收到来自所述网关的响应的情况下，间歇地进行从所述无线模块向所述网关的访问。

技术方案2所述的发明的特征在于，

在技术方案1所述的无线现场设备中，

所述间歇访问的时间宽度，根据每个无线现场设备而不同。

技术方案3所述的发明的特征在于，在技术方案1或者2所述的无线网络设备中，所述间歇访问的时间宽度，基于向各无线现场设备分配的固有的地址而设定。

发明的效果

根据上述所示，可以减少向无线网络加入前内置于无线现场设备中的电池的消耗电流，实现电池的长寿命化。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施例的框图。

图2是图1的现场设备20中的加入前后的消耗电流特性例图。

图3是现场设备20的一系列的状态转换图。

图4是图3的状态说明图。

图5是图3的状态转换说明图。

图6是本发明的其它实施例的框图。

图7是图6的现场设备20中的加入前后的消耗电流特性例图。

图8是表示利用无线现场设备的无线网络的一个例子的系统结构图。

图9是用于I/O设备12加入无线网络拓扑1的序列图。

图10是I/O设备12中的加入前后的消耗电流特性例图。

具体实施方式

下面，利用附图，详细说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的一个实施例的框图。在图1中，无线现场设备20由天线21、无线模块22、MPU 23、传感器24、电源管理部25、电池26、红外通信部27、显示部28等构成。

红外发送接收器30例如是在现场设备设定工具中内置红外线发送/接收器的设备，在其与红外通信部27之间进行红外线通信。

无线模块22经由天线21，例如在其与图6的网关9之间进行无线信号的接收/发送。无线模块22的接收结果还可以向MPU 23传送。另外，也可以接收MPU 23的指令，将故障信息和过程值PV等向网关9发送。

MPU 23是中央处理装置，具有微处理器等运算单元、RAM、EEPROM等存储单元，对由传感器24检测出的未图示的配管内的过程压力、温度、流量等过程值PV进行变换或者校正，换算为用户指定的例如％值等换算值，并将上述运算结果向无线模块22传送。

另外，经由无线模块22，从用户通过无线接收例如设定变更要求而进行设定变更，或者进行现场设备内部各部分的控制或诊断，如果诊断结果中存在问题，则经由无线模块22向用户发送故障信息等。并且，通过将诊断结果或过程值PV的运算结果向显示部28发送，从而在显示部28中显示结果。

电源管理部25从电池26供给电源电压，进行电压管理，向MPU23供给必要的电压。

另外，按照用户指定的间歇动作周期时间，利用由MPU 23确定的接通/断开控制，进行电源电压的开关，每隔一定周期向现场设备内部各部分进行电源供给。

并且，还基于来自红外通信部27的接收信号，对现场设备内部各部分进行电源供给的接通/断开控制。

另外，电源管理部25的管理功能也可以位于MPU 23的中央处理部分。该电源管理部25的电源管理部分可以进行省电模式等的待机状态设定，在工作一定期间后，可以自己转换为待机状态。待机状态的解除，例如可以通过接收来自红外通信部27的外部中断信号等而进行。

电池26例如是锂电池，通过打开未图示的盖，可以向现场设备内部的规定部分进行拆装。

红外通信部27通过现场设备的未图示玻璃罩，接收来自红外发送接收器30的信号，并将接收结果向电源管理部25发送。

另外，红外通信部27也可以向红外发送接收器30发送信息，也可以取代无线模块22，发送MPU 23中的过程值PV的运算结果和故障诊断结果。另外，红外通信部27也可以位于显示部28上。

显示部28例如由LCD等的显示器组成。

在上述结构中，用户使用红外发送接收器30，发送用于将现场设备20的电源接通/断开的设定信号。红外通信部27接收该电源的设定信号并向电源管理部25输出。

电源管理部25通过接收来自红外通信部27的设定信号或外部中断信号等，如果处于待机状态则启动。如果处于启动中则接收设定信号。按照从红外通信部27接收到的信号，中止对无线模块22、MPU 23、传感器24以及显示部28的电源供给。对于红外通信部27，定期地例如每隔1秒周期进行电源供给的接通/断开，从而可以检测红外线。

无线模块22由于被中止来自电源管理部25的电源供给，从而电波的接收/发送完全停止。

另外，如上所述，通过从现场设备20中拔出电池26，从而切断向电源管理部25的电源供给，使向无线模块22、MPU 23、传感器24以及显示部28的电源供给中止。并且，也可以构成为，如果插入电源26，则电源管理部25无论有没有来自红外通信部27的接通/断开信号，均重新开始对无线模块22、MPU 23、传感器24以及显示部28的电源供给。

图2是图1现场设备20的加入前后的消耗电流特性例图，横轴表示时间，纵轴表示消耗电流。从现场设备20的电源接通后至由点划线表示的加入完成为止的时间Tc，是图9的序列处理执行期间。由于该期间至加入完成为止连续地进行信号接收，所以I/O设备12始终处于工作状态，消耗电流始终是较大的值Ic。

在加入完成后的时间Td中，与图10的加入完成后的时间Tb同样地，反复进行下述动作，即，仅在每隔一定周期的过程数据发送时启动而进行过程数据的计算和发送，发送后至下一次计算/发送为止休止。各周期T中的T6表示直至下一次数据计算/发送为止的休止状态，消耗电流为较小的值Id(＜Ic)。T7表示为了发送过程数据而起动的状态。tp表示现场设备20利用无线通信向网关9发送过程数据。

在直至加入完成为止的时间Tc中，在即使经过规定的时间T3也无法加入的情况下，MPU 23使无线模块22成为休止状态。在这里，规定的时间T3是用户例如可以利用红外发送接收器30等变更的值，与网关9的设置计划相对应，例如可以变更为1周至1个月这样的值，但根据需要，也可以设定为8～24小时的程度。

由于时间T4是无线模式22处于休止状态的时间，不进行接收作业，所以消耗电流可降低至Ic’，但由于在该期间无法接收到来自图6的路由设备7、8和网关9的通告，所以无法向网络1中加入。该时间T4例如是1小时左右，是可以由用户变更的值。

时间T5是在经过设定的时间T4后，利用MPU 23使无线模块22成为再次工作状态的期间，在该期间中无线模块22进行待机以等待通告的接收。该期间的消耗电流与时间T3同样地，成为比较大的Ic。时间T5例如是从5分钟至10分钟左右，是可以由用户变更的值。如果在该时间T5期间中，无线模块22无法接收到通告信号，则MPU23使无线模块22再次成为休止状态。

在时间Tc期间，如果设置网关9而开始工作，则至无线模块22可以接收通告信号为止，现场设备20反复处于时间T4和T5的状态。并且，在无线模块22接收到通告信号的时刻，时间Tc结束，成为与现有例的图10的时间Tb相同的时间Td的状态。

图3是现场设备20的一系列的状态转换图，图4是图3的状态说明图，图5是图3的状态转换说明图。

在上述各图中，“Deep Sleep”是现场设备20整体休止的状态。MPU 23处于待机状态，可以利用来自电源管理部25的外部中断信号启动。

“Start”是进行现场设备20的起动处理的状态，“Long Wait”对应于直至向网络1中加入完成为止的时间Tc中通告信号的接收时间T3。

“Sleep”是由于在“Long Wait”期间无法加入而使无线模块22休止的状态，与上述的时间Tc中的时间T4相对应。

“Short Wait”是将在“Long Wait”期间无法加入的无线模块22在短时间T5内从休止的“Sleep”状态唤醒，而可以接收通告信号的状态。

“Comm”是现场设备20向网络1中加入后进行通信的时间Td的状态。

状态S1是从“Deep Sleep”向“Start”的转换期间。通过将电池26接通，或者红外通信部27接收到来自红外发送接收器30的红外线信号并使电源管理部25进行动作，从而使无线模块22起动。

状态S2是从“Start”向“Long Wait”的转换期间。通过结束起动处理，使管理时间T3的计时器起动。

状态S3是从“Long Wait”向“Comm”的转换期间。通过无线模块22接收通告信号，从而无线模块22执行向网络1的加入处理。

状态S4是从“Long Wait”向“Sleep”的转换期间。在管理时间T3的计时器的设定时间内无线模块22无法接收到通告信号的情况下，使无线模块22休止，并且使管理时间T4的计时器启动。

状态S5是从“Sleep”向“Short Wait”的转换期间。如果管理时间T4的计时器的设定时间届满，则使管理时间T5的计时器启动，并且使无线模块22启动。

状态S6是从“Short Wait”向“Comm”的转换期间。通过无线模块22接收到通告信号，从而无线模块22执行向网络1的加入处理。

状态S7是从“Short Wait”向“Sleep”的转换期间。在管理时间T5的计时器的设定时间内无线模块22无法接收到通告信号的情况下，使无线模块22休止，并且使管理时间T4的计时器启动。

状态S8是从“Comm”向“Long Wait”的转换期间。如果判断为无线模块22从网络1脱离，则使管理时间T5的计时器启动。

状态S10表示“Deep Sleep”的持续状态。电池26保持断开，红外通信部27也不接收来自红外发送接收器30的红外线信号。

状态S11表示“Long Wait”的持续状态。无线模块22没有接收到通告信号，管理时间T3的计时器至设定时间届满为止，处于计数动作中。

状态S12表示“Sleep”的持续状态。管理时间T4的计时器至设定时间届满为止，处于计数动作中。

状态S13表示“Short Wait”的持续状态。无线模块22没有接收通告信号，管理时间T5的计时器至设定时间届满为止，处于计数动作中。

状态S 14表示现场设备20向网络1中加入的“Comm”的持续状态。按照发送定时，MPU 23进行规定的运算处理，无线模块22向网关9发送过程数据。

状态S20表示从不特定的某个状态向“Deep Sleep”转换的状态。如果在不特定的某个状态中电池26从接通变为断开，则现场设备20全体休止，向“Deep Sleep”转换。

状态S21表示从“Sleep”或者“Short Wait”状态向“Long Wait”转换的状态。如果在“Sleep”或者“Short Wait”的状态中红外通信部27接收到来自红外发送接收器30的红外线信号，则使管理时间T3的计时器启动。

如上所述，在无线模块22在时间Tc期间的规定的时间T3中无法接收到通告的情况下，通过反复进行无线模块22在规定的时间T4成为休止状态后在规定的时间T5成为工作状态，从而可以抑制电池的消耗，不必将现场设定的现场设备20的盖打开而对电源开关进行接通操作，在网关9设置后可以自动地向无线网络1追加现场设备20。

在实际的工厂中，大多设置多台现场设备而构筑无线网络。例如如果因检修或更换等，在网关9暂时与网络1脱离后再次连接时，设置于各现场设备中的无线模块的启动时间大致一定，则来自多个现场设备的向网关9的访问会集中。其结果，根据网关9的处理能力而无法连续处理，相当数量的现场设备会再次进入sleep状态，至无线网络完全恢复为止需要相当长的时间。

作为上述对策，只要将设置于各现场设备中的无线模块的启动时间稍微错开微小时间而使其分散，以不使向网关9的访问集中即可。

图6是表示实施了上述对策的本发明的其它实施例的框图，对于与图1相同的部分标注相同标号。在图6中，在电源管理部25上连接时间宽度控制部29。时间宽度控制部29按照从MPU 23接收的信号，在电源管理部25停止向无线模块22的电源供给时，向各个现场设备20赋予固有的规定的时间延迟。另外，在图6中时间宽度控制部29为独立的功能模块，但也可以向MPU 23和电源管理部25的内部嵌入。

图7是图6的现场设备20的加入前后的消耗电流特性例图，对于与图2相同的部分标注相同的标号。与图2不同点在于，在无线模块22成为休止状态的时间T4和无线模块22成为再次工作状态的时间T5之间，向各个现场设备20中施加由时间宽度控制部29设定的作为固有的规定时间延迟的时间宽度T4’。

该时间宽度T4’是时间宽度T4的10％左右的值，由时间宽度控制部29例如基于下述公式(1)运算。

$T{4}^{\′}=\frac{0.1T4}{63}\left(A_{\mathrm{EUI}64}\mathrm{MOD}63\right)---\left(1\right)$

在这里，MOD表示剩余。AEUI64是由现场设备20的EUI64地址确定的值，可以是EUI64地址本身，也可以是为了加快处理速度而由下述公式(2)得到的EUI64的下位4字节的字码列的总和。

即，向图8所示的I/O设备2～6、12中分别赋予由IEEE定义的EUI-64位地址。EUI-64位地址是用于唯一地识别由IEEE标准化的设备的64位地址，上位24bit是IEEE唯一分配给制造商的序号，剩余的下位40bit是由制造商对每个设备赋予的不同序号。

A_EUI64＝B₃+B₂+B₁+B₀   (2)

在公式(2)中，B₀、B₁、B₂、B₃分别是现场设备20的EUI64地址的最下位字节的值、从最下位开始第2字节的值、从最下位开始第3字节的值、及从最下位开始第4字节的值。

如上所述，由于利用时间宽度控制部29将对每个现场设备20均不同的时间宽度T4’与时间宽度T4相加，从而针对每个现场设备20设定不同的休止时间，所以图8所示的I/O设备4～6、12的启动定时针对每个设备均不同。

由此，可以防止从上述设备4～6、12向网关9的访问集中，可以分散减轻网关9的负荷。

另外，取代时间宽度T4’，利用由公式(3)表示的T3’，向时间T3附加时间宽度T3’，也可以得到与赋予时间宽度T4’相同的效果。

$T{3}^{\′}=0.1T4\frac{A_{\mathrm{EUI}64}\mathrm{MOD}63}{63}---\left(3\right)$

如上述说明所示，根据本发明，通过减轻向无线网络加入前的消耗电流，从而可以实现电池长寿命化的无线现场设备。

Claims (5)

1.一种无线现场设备，其经由网关(9)与无线网络(1)的其它现场设备(2-6)进行无线通信，其特征在于，具有：

电池(26)，其内置于所述现场设备内，使所述现场设备启动；以及

无线通信模块(22)，其构成为，为了与所述其它现场设备进行无线通信而与所述网关进行无线信号的发送接收，

在所述现场设备开始进行向所述无线网络中加入的手续时，首先，所述无线通信模块，为了从所述网关接收广告信号而在第1期间(T3)内对所述网关进行连续访问，在所述第1期间内无法接收到所述广告信号时，所述无线通信模块间歇地对所述网关进行访问，直至从所述网关接收到所述广告信号为止。

2.根据权利要求1所述的无线现场设备，其特征在于，

在所述无线通信模块在所述第1期间内无法从所述网关接收到所述广告信号时，所述无线通信模块在第2期间(T4)内成为非活动状态，然后在第3期间(T5)内成为活动状态，

所述第2期间(T4)和所述第3期间(T5)交互反复，直至所述无线通信模块从所述网关接收到所述广告信号为止。

3.根据权利要求2所述的无线现场设备，其特征在于，

所述无线通信模块，利用比由所述电池产生的阈值电流大的电流而成为活动状态，

在所述第2期间内向所述无线通信模块供给的电流比所述阈值电流小，

在所述第3期间内向所述无线通信模块供给的电流比所述阈值电流大。

4.根据权利要求2所述的无线现场设备，其特征在于，

在开始进行向所述无线网络中加入的手续的无线现场设备存在多个的情况下，

所述第3期间(T5)的开始点，对每个所述多个无线现场设备均不同。

5.根据权利要求4所述的无线现场设备，其特征在于，

所述第3期间(T5)的开始点，基于分配给所述多个无线现场设备的固有地址而设定。

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