CN102356366B - 无线现场设备改进的检测和定位 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了对可能位置(30)进行评估的方法(60)，用于向具有多个现有无线现场设备(10)的现有网络添加无线现场设备(32)。该方法(60)包括将手持现场维护工具(52)放置(62)在可能位置(30)中，并使得该手持现场维护工具(52)识别在该可能位置(30)的通信范围内的无线现场设备(10)。查看与该可能位置(30)处的无线通信有关的信息。本发明还提供了用于使用手持现场维护工具(52)来识别过程设施中的所选现场设备的方法(70、250)。

Description

无线现场设备改进的检测和定位
技术领域
背景技术
在工业设置中，使用控制系统来监视和控制工业和化学过程等。典型地，过程控制系统使用现场设备来执行这些功能，现场设备分布在工业过程的关键位置处并且通过过程控制环路连接到控制室中的控制电路。现场设备一般执行分布式控制或过程监视系统中的功能，例如，检测参数或者对过程进行操作。
一些现场设备包括换能器。将换能器理解为指的是基于物理输入产生输出信号的设备，或者基于输入信号产生物理输出的设备。典型地，换能器将输入变换为不同形式的输出。换能器的类型包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻器、热电偶、应变仪、流变送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯等。
一些过程设施可能涉及高度挥发性或者甚至爆炸性环境。相应地，现场设备或者与这种现场设备一起使用的手持现场维护工具符合本质安全要求常常是有好处的，或者甚至是所要求的。这些要求有助于确保符合其的电子设备即使在故障条件下也不产生点火源。由Factory MutualResearch在1998年10月发布的APPROVAL STANDARDINTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUSFOR USE IN CLASS I，II and III，DIVISION NUMBER 1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS NUMBER 3610中阐述了本质安全要求的一个示例。符合本质安全要求的手持现场维护工具的示例包括Austin，Texas的Emerson Process Management出售的具有商业名称Model375 Field Communicator和Model 475 Field Communicator的那些。
典型地，每个现场设备还包括用于通过过程控制环路与过程控制室或者其他电路通信的通信电路。传统上，已经通过双线过程控制电流环路将模拟现场设备连接到控制室。在一些设施中，已经开始使用无线技术与现场设备通信。无线操作简化了现场设备布线和建立。
一个无线过程通信技术标准被称为WirelessHART标准。WirelessHART标准由HART Communication Foundation在2007年9月公布。Wireless规范的相关部分包括：HCF_Spec 13，修订7.0；HART规范65-无线物理层规范；HART规范75-TDMA数据链路层规范(TDMA指的是时分多址接入)；HART规范85-网络管理规范；HART规范155-无线命令规范；以及HART规范290-无线设备规范。
另一无线网络通信技术在ISA100.11a中阐述。该技术提出根据IEEE802.15.4-2006的使用无线电电路在2.4GHz频率处的无线通信。ISA100.11标准由国际自动化协会(ISA)维护。
虽然这些无线通信技术向过程控制和通信领域提供了重要的优势，用于维护和配置使用这种通信的无线现场设备的传统技术有时显得没有效率。
发明内容
本发明提供了对可能位置进行评估的方法，用于向具有多个现有无线现场设备的现有网络添加无线现场设备。该方法包括将手持现场维护工具放置在可能位置中，并使得该手持现场维护工具识别在该可能位置的通信范围内的无线现场设备。查看与该可能位置处的无线通信有关的信息。本发明还提供了用于使用手持现场维护工具来识别过程设施中的所选现场设备的方法。
附图说明
图1是无线过程控制环境的概略图，在该无线过程控制环境中，本发明的实施例特别有用。
图2是无线过程控制环境的概略图，在该无线过程控制环境中添加新的无线现场设备。
图3是无线过程控制环境的概略图，根据本发明的实施例在该无线过程控制环境中添加新的无线现场设备。
图4是根据本发明的实施例的对新的无线现场设备的可能位置进行评估的方法的流程图。
图5是根据本发明的实施例的手持现场维护工具的概略系统框图。
图6是根据本发明的实施例的使用手持现场维护工具对所选现场设备定位的方法的概略图。
图7是根据本发明的实施例的使用手持现场维护工具对所选现场设备定位的方法的流程图。
图8是根据本发明的另一实施例的对所选现场设备定位的方法的概略图。
图9是根据本发明的另一实施例的对所选现场设备定位的方法的流程图。
具体实施方式
图1是无线过程控制环境的概略图，在该无线过程控制环境中，本发明的实施例特别有用。如图1中所示出的，经由无线通信，将多个无线现场设备10直接或间接的通信性地连接到无线网关20。将无线现场设备10一般性地示出为无线过程变量变送器，例如Emerson ProcessManagement，of Chanhassen，Minnesota出售的具有商业名称Model 3051S无线压力变送器的无线过程变量变送器。然而，本领域技术人员将认识到，无线现场设备10可以包括其他类型的无线过程变量变送器，以及无线致动器、阀门定位器等等。无线网关20被配置为使用已知的无线过程通信协议(例如上面讨论的WirelessHART协议)与无线现场设备10通信。无线网关的一个示例是Emerson Process Management，of Chanhassen，Minnesota出售的具有商业名称Model 1420的无线网关。无线网关20包括一个或多个被配置为连接到局域网的有线端口，例如以引用标号22示出的以太局域网。依靠其有线连接，无线网关20可以向连接到本地网络22的任何设备(例如，工作站24和26)提供信息或从其接收信息。
可以将图1中示出的无线现场设备网络视为网格网络，在该网格网络中，一些现场设备与其他现场设备通信，以将其通信最终传递到无线网关20。从而，距离无线网关20太远以至于不能直接通信的现场设备仍然可以依靠通过一个或多个其他无线现场设备的通信来提供无线过程通信。
图2是无线过程控制环境的概略图，在该无线过程控制环境中正在添加新的无线现场设备。当要求安装新的无线现场设备时，过程当前是非常繁琐的。对于无线现场设备，现场设备的物理位置通常非常重要。这是因为设备的物理位置将影响到其与网格网络中的其他设备的临近度，以及与网关的临近度。此外，在一个位置处，与另一位置相比，电磁干扰源或者物理屏障可能更显著地影响到现场设备。从而，当用户计划在无线现场设备的现有网络中安装新的无线现场设备时，用户将一般执行与新设备的物理位置有关的很多任务和评估。
典型地，用户将评估所提出的安装位置(在图2中以引用标号30示出)与其他连接点10(在自组织网络中可以是网络的任何成员)之间的距离，并决定该距离是否在新无线现场设备的所期望的有效通信范围内。
为了详细地研究位置30，用户将常常步入位置30的现场，并将无线测试设备放置在位置30处。然后，用户将返回工作站24、26之一，并访问无线网关20和等待无线测试设备加入无线网络。无线测试设备可以要求多达10分钟来加入网络。一旦测试设备真的加入网络，用户通过无线网关提供的用户界面查看与测试设备有关的通信特征信息。然后，如果所提出的位置30是令人满意的，用户返回到位置30，并将测试设备替换为新的无线现场设备。然而，如果位置30不令人满意，针对备选位置重复整个过程。如果用户正在探索甚至少数的可能位置，该过程也可以快速地消耗大量的时间。
图3是无线过程控制环境的概略图，根据本发明的实施例在该无线过程控制环境中正在添加新的无线现场设备。通过图3示出的实施例利用(leverage)了手持现场维护工具的新能力，以改进将新的无线现场设备添加到现有无线网络的过程。与向所提出的位置30部署测试设备不同，使用手持现场维护工具52。工具52具有允许工具52侦听并直接与现场设备10通信的无线过程通信模块(在图5中示出)。相应地，当将工具52放置在位置30处时，用户可以选择工具52提供的功能，以使得工具52识别位置30的通信范围内的所有无线现场设备10。然后，工具52显示位置30的范围内的无线现场设备10。该显示可以简单地包括工具52在位置30处可以通信的现场设备的数目。然而，显示可以是更复杂的，包括设备标签或MAC地址的列表以及在位置30处的信号强度。此外，工具52还可以测量和报告其他连接问题(例如存在电磁干扰)、其他过程通信网络、通信错误或者部署新的无线现场设备的技术人员感兴趣的其他任何适合的参数。通过图3描述的实施例被相信特别适用于WirelessHART，然而可以使用其他任何适合的无线过程通信协议。此外，虽然关于手持现场维护工具52示出了通过图3描述的实施例，然而可以使用可与无线传感器网络通信并向技术人员或用户提供有用信息的任何设备。从而，简单地，工具52可以是插入到膝上计算机或其他适合的移动设备中的模块或设备。然而，由于设备在至少一些时间位于现场中，优选地，工具52符合至少一项本质安全规范，例如以上列出的规范。
此外，或者备选地，可以评估位置30处的信号质量随着时间的变化。从而，如果位置30容易受到周期性的电磁干扰影响，这样的研究可以检测到这种干扰，从而解决了可能间歇性的通信困难。可以使用驻留在一个或多个现场设备10、网关20或者优选地在工具52上的软件应用来进行对位置30的研究，以连续地或周期性地监视每个网络成员的信号强度随着时间的变化。优选地，存储监视到的信号强度信息，并将其与地理信息(例如，网络的地图)合并，以向用户提供无线过程网络中的信号质量根据位置变化的直观图形描述。该地图被称为网络热地图(network heat map)，并且可以被用来以图形方式描述了到位置30的区域中的1、2、3、4......等设备的信号强度的过去历史。此外，在一些实施例中，应用示出了到1、2、3、4......等无线现场设备的最低信号强度。此外，在一些实施例中，软件应用可以推荐新的现场设备应该加入到哪个无线传感器网络，以及提供针对新的无线现场设备的预期通信可靠性的指示。
图4是根据本发明的实施例的对新的无线现场设备的可能位置进行评估的方法的流程图。方法60开始于步骤62，其中，将手持现场维护工具放置在所提出的新的无线现场设备的位置处。接下来，在步骤64处，手持现场维护工具识别该手持现场维护工具的范围内的至少一些无线现场设备。优选地，手持现场维护工具在步骤64期间识别范围内的所有无线现场设备。在步骤66处，手持现场维护工具经由该手持现场维护工具的显示器向用户提供与无线通信有关的信息。该信息可以是所发现的现场设备的个数；现场设备的设备标签；与每个现场设备有关的信号强度等。
图5是根据本发明的实施例的手持现场维护工具的概略系统框图。优选地，工具52符合至少一个本质安全规范(例如上面列出的规范)，以有助于在可能爆炸的环境中确保安全。
手持现场维护工具52包括至少一个无线过程通信模块120。无线过程通信模块120的适合示例包括根据已知的无线通信协议(例如，上述的WirelessHART协议)产生和/或接收正确信号的模块。另一适合的无线过程通信协议是上述在ISA100.11a中阐述的协议。虽然图5示出了单个无线过程通信模块120，明显预期到，可以根据现在存在的或者以后开发的各种无线过程通信协议，使用任何适合数目的无线过程通信模块进行通信。
手持现场维护工具52还包括至少一个辅助无线通信协议模块122。无线通信协议模块122可以根据图5中的虚线中示出的一个或多个选项进行通信。特别地，无线通信协议模块122可以根据Bluetooth规范124；Wi-Fi规范126；已知的RFID规范128；蜂窝通信技术130；和/或卫星通信132进行通信。这些通信技术和方法允许手持现场维护工具52经由直接的无线通信与无线网关20直接通信，或者使用无线网关一般连接的互联网来直接与无线网关20通信。虽然在图5中示出了一个无线通信协议模块122，然而可以使用任何适合的数目。无线过程通信协议模块120和无线通信协议模块122中的每一个连接到控制器130，控制器130也连接到有线过程通信模块138。控制器130优选地是执行指令序列以执行手持现场维护任务的微处理器。有线过程通信模块138允许手持现场维护工具经由端子142、144处的有线连接以物理方式连接到现场设备。适合的有线过程通信的示例包括高速可寻址远程传感器协议、FOUNDATIONTM Fieldbus协议等。
手持现场维护工具52可以包括很多促进本发明的附加实施例的可选项。具体地，工具52可以包括位置检测模块，例如GPS模块150。可以将GPS模块150配置为附加使用广域增强系统(WAAS)以得到提高的精确度和/或配置为根据需要使用差分GPS技术进行操作。模块150连接到控制器130，以向控制器130提供对工具52的地理位置的指示。此外，工具52还优选地包括连接到控制器130的罗盘模块152，以使得工具52可以指示其所指向的方向。最后，工具52还可以包括连接到控制器130的倾斜模块154，以向控制器130提供关于工具52相对于重力的倾角的指示。然而，附加的检测轴也是所预期的。
工具52的可选组件在本发明的实施例中特别有用，其中，手持现场维护工具有助于技术人员或者工程师找到无线现场设备在现场的物理位置。石油精炼厂常常是将很多现场设备定位在各个位置处的非常大型的过程设施，该现场设备位于各个位置处，这些现场设备中的一些可能不容易被看到。当技术人员或工程师需要对现场设备进行物理定位以执行工程任务、设置任务和维护任务时，该技术人员或工程师可能需要提前执行以下任务之一。技术人员或工程师可能被迫基于记忆或者口头指导来搜索现场设备。备选地，技术人员或工程师可能在工程图中查找现场设备，工程图中常常没有包含与设备的物理位置有关的详细信息。然后，基于该通常有限的信息，技术人员或工程师可能尝试在车间或者过程设施中以物理方式发现设备。
图6是根据本发明的实施例的寻找无线现场设备的过程的概略图，该过程使用手持现场维护工具对所选现场设备定位。手持现场维护工具100可以与上述通过图5描述的工具52相同。然而，使用不同的引用标号是因为其不需要是相同的。工具100包括用户界面(具有键区、导航按钮和显示器的形式)，用户界面允许技术人员或工程师选择要定位的特定现场设备。这种选择将一般是以选择设备标签或者标识符的形式，然而可以采用任何适合的形式。在图6中示出的示例中，技术人员在设备200、202、204和206中已选择了无线现场设备206。虽然示出了四个现场设备，实际上，现场设备数以百计，同时现场设备遍布车间和过程设施。优选地，手持现场维护工具100包含过程设施的地图，该地图是预先加载到手持现场维护工具中或者通过任何适合的装置以无线方式传送到工具100的。此外，在手持现场维护工具100之前已经与所选现场设备交互过的情况下(例如，在现场设备的安装期间)，手持现场维护工具100可能已经获得涉及设备的位置的信息(由GPS模块在之前交互时指示的)。可以将该位置信息写到现场设备中，存储在手持现场维护工具100中，或者两者都进行。还预期手持现场维护工具100或者不同的手持现场维护工具可以使用任何适合的无线通信来访问无线现场设备，并从无线现场设备接收指示该无线现场设备的位置的位置信息。一旦识别到设备标签，手持现场维护工具获得与工具100的位置有关的位置信息，优选地，从GPS模块150获得。一旦工具100知道其自身位置，其产生有助于技术人员或者工程师行进到现场设备206的物理位置的指示、矢量、路线或者其他适合的指导。优选地，地图包括对工具100在地图上的指示，因此用户可以测量(gauge)至目的地(现场设备206)的进展。此外，由于技术人员通常在步行，并且GPS行进方向信息基于移动，即使在技术人员或者工程师静止站立的时候，工具100也可以使用其可选的罗盘来向用户提供将技术人员或者工程师指向或者导向所选现场设备206的方向指示208。最后，由于至少一些过程设施(例如，精炼厂)可能具有位于地面以上几十或者几百英尺的现场设备，工具100可以使用倾斜模块154来使得技术人员或工程师将工具100倾斜为使得工具实质上对准现场设备206的角度。从而，如果用户到达假定现场设备206所在的位置，然而现场设备206实际上位于头顶很高的位置，工具100可以指示可将用户的注意力导向正确仰角的倾斜角度，以定位现场设备。
图7是根据本发明的实施例的使用手持现场维护工具对所选现场设备定位的方法的流程图。方法70开始于步骤72，在步骤72处，手持现场维护工具获得对所选现场设备的物理位置的指示。这可以通过访问手持现场维护工具内的内部预先装载的数据库来进行，该数据库将过程设施中的所有设备标签与物理位置相关。备选地，手持现场维护工具可以基于所选设备标识向资产管理系统中适合的服务器或计算设备产生查询，以接收与所选设备有关的位置信息。如上所述，由于手持现场维护工具有丰富的无线通信能力，该查询可以当用户在现场中时提交。接下来，在步骤74，手持现场维护工具确定其当前位置。这可以通过任何适合的方式进行，然而优选地，包括访问内部GPS模块，例如模块150。然后，手持现场维护工具的控制器处理所选现场设备的物理位置和手持现场维护工具的当前位置，以向用户提供将用户指引到所选无线现场设备的物理位置的指示。
通过图8示出了对技术人员或工程师搜索无线现场设备的另一帮助。具体地，一旦用户已经选择了要定位的现场设备，手持现场维护工具100可以在无线传感器网络上通信，在无线传感器网络中，对现场设备定位，以使得现场设备产生有助于捕获用户的注意力的本地通告。该本地通告210可以是可听到的警报或汽笛声(siren)的形式、闪光或闪动的指示符的形式、或者两种形式都有。从而，当技术人员或工程师步行靠近现场设备时，该现场设备的声音和光将有助于技术人员或工程师关注到所期望的现场设备。
图9是根据本发明的另一实施例的对所选现场设备定位的方法的流程图。方法250开始于步骤252，在步骤252处，用户使用手持现场维护工具选择无线现场设备。接下来，在步骤254处，手持现场维护工具产生适合的无线通信，优选地，无线过程通信，以使得所选现场设备产生本地通告。
虽然可以分别实现通过图6和图8描述的每个实施例，实施例的组合也是有用的。例如，用户可以获得并跟随地图，以到达所选现场设备的大致上的区域。然后，一旦手持现场维护工具检测到对现场设备的邻近度高于特定阈值，该手持现场维护工具可以通过无线传感器网络与现场设备自动交互，以使得现场设备产生本地通告并确认现场设备的位置。此外，如果用户到达所选现场设备的位置，并且不能够发现该现场设备，用户还可以使用手持现场维护工具获得附加的位置协助信息。例如，用户可以下载位于现场设备位置中的现场设备的图像。然后，用户可以查看该图像并将该图像与用户的物理现实相比较，以发现现场设备。
虽然已经参照特定实施例对本发明进行了描述，本领域的技术工人将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。

Claims (9)

1.一种使用手持现场维护工具在过程设施中定位所选现场设备的方法，所述方法包括：
获得对所选现场设备的物理位置的指示；
获得对所述手持现场维护工具的当前位置的指示；以及
向所述手持现场维护工具的用户产生指示，该指示将所述用户从当前位置指引到所选现场设备的物理位置，
其中，如果所述手持现场维护工具检测到对所选现场设备的邻近度高于特定阈值并且依然不能够发现所选现场设备，则所述方法还包括：
下载位于所选现场设备位置中的所选现场设备的图像；以及
将所述图像与物理现实相比较，以发现所选现场设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，获得对所选现场设备的物理位置的指示是经由所述手持现场维护工具的无线通信模块来获得的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，由所选现场设备提供对所选现场设备的物理位置的指示。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述用户产生指示包括：向所述用户呈现地图，该地图指示了所述当前位置和所选现场设备的物理位置。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所选现场设备处自动产生本地通告。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述当前位置在所选现场设备的物理位置的阈值邻近度内时，自动产生所述本地通告。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述手持现场维护工具符合至少一个本质安全规范。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述指示包括行进方向。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述指示包括仰角。
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