CN103003773B - 无线过程控制系统中用于降低功耗的方法和控制器 - Google Patents

无线过程控制系统中用于降低功耗的方法和控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无线过程控制系统1中用于降低无线过程控制系统1的传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn的功耗的方法20。该无线过程控制系统1还包括与传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn进行无线通信的控制器2，其中传感器节点处于休眠模式。方法20包括步骤：基于误差信号预测21何时需要来自传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn的传感器测量数据并且基于其确定用于在控制器2和传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn之间进行通信的时刻；以及传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn重新进入休眠模式。本发明还涉及计算机程序产品和控制器。

Description

无线过程控制系统中用于降低功耗的方法和控制器
技术领域
本发明总体上涉及过程控制系统的领域，尤其涉及无线过程控制系统。
背景技术
在诸如石化、化学或制药处理系统、纸浆和纸张生产系统或发电厂之类的典型的包括自动化处理的工业生产中，使用过程控制系统以便监视各种过程变量并且相应地对过程进行控制。例如，诸如水槽的液体水平或处理步骤中的液体温度之类的过程变量会引起某种控制动作，例如打开阀门。使用了不同传感器装置和致动器以达到此目的并且传感器数据在硬连线通信网络中传送至对过程进行管理的控制器。若干个这样的控制器可以进行互连并且还连接至监管控制工作站，用户或操作人员可以在其中对过程进行监管和控制。
以上硬连线过程控制系统的设计涉及安装通信线缆，这是劳动密集且高成本的。此外，例如，如引入新的过程步骤，如在需要替换现有通信线缆的情况下一样需要安装笨重且昂贵的通信线缆，那么是否出现安装额外的传感器装置的需要。另外，通信接线在材料方面也是昂贵的并且可能会随时间而退化。
因此可以引入针对以上所描述的过程控制系统一种替换方式以在过程工业中引入无线控制。引入无线过程控制系统需要仔细考虑。一个问题是数据传输的可靠性，另一个问题则是过程控制系统的无线节点的电池电源。在这两个问题之间可以进行权衡，其中数据传输可靠性在一些情况下要求发送许多消息，这导致了高的业务负载并且因此缩短了无线装置的电池寿命。
可以作为特定示例提出的是，无线过程控制系统的若干部分通常并不是同步的。许多任务需要按顺序执行以便传感器数据到达预期控制应用，并且这些任务中的一些并不同步。已知解决方案包括使用从传感器装置到过程控制系统的信息的等距采样和定期传输。可以由控制应用使用时间标签信息对延迟进行补偿。其缺陷在于这样的准确时间标签需要频繁的同步消息，这增加了业务负载并耗费电池。可替换地，可以在无线传感器装置中使用昂贵的时钟电路，但是这会增加过程控制系统的整体成本。此外，即使不需要控制动作，等距采样也会在定期传输时的稳定状态期间导致高的业务负载。
发明内容
鉴于上文，本发明的总体目标是提供克服或至少缓解以上所提到的现有技术缺陷的改进的无线控制。
特别地，本发明的目标是提供一种无线控制方法，其在一方面的通信可靠性和另一方面的无线节点功耗之间具有平衡的权衡。
除其它之外，这些目标通过如所附独立权利要求中所要求保护的一种用于降低无线传感器节点的功耗的无线控制方法来实现。
根据本发明，提供了一种无线过程控制系统中用于降低该无线过程控制系统的传感器节点的功耗的方法。该无线过程控制系统还包括与传感器节点进行无线通信的控制器，并且该传感器节点处于休眠模式。该方法包括步骤：基于误差信号预测何时需要来自传感器节点的传感器测量数据并且基于其确定用于在控制器和传感器节点之间进行通信的时刻；以及指示传感器节点重新进入休眠模式。利用本发明，特别是通过经使能的休眠模式，至少无线传感器节点的功耗得以减少并且电池寿命相应增加。
根据本发明的另一个实施例，控制器执行预测步骤并且随后还向传感器节点提供与时刻相关的信息以便使得传感器节点能够及时执行所需的传感器测量。
根据本发明的又一个实施例，预测步骤包括将历史测量数据与所设置的基准数据相比较，由此提供误差信号。因此提供了一种获得所需误差信号的可靠而且易于实施的方式。该误差信号可以进行推断并且可以基于这样推断的误差信号来确定该时刻。
根据本发明的又一个实施例，无线通信包括使用时隙通信协议。因此可以使用常规调度的无线通信方案，其中时隙可以以可预测的方式而专用于特定传感器节点。由此为可靠通信提供了先决条件，因为传感器节点具有供数据传输使用的专用通信信道。
根据本发明的再一个实施例，向传感器节点提供时间信息的步骤包括控制器关于哪个时隙要被用于下一个到来的通信时机而通知传感器节点。在时隙方案中，特定传感器节点在基于预测的误差信号指示没有这样的需求的情况下跳过使用多个专用于其的时隙。因此获得了控制器和传感器节点之间有所减少的通信时机并且因此增加了电池寿命。
根据本发明的实施例，该方法包括另外的步骤：在传感器节点中确定已经超出阈值；以及在可用通信时机向控制器发送测量值。该功能提供了有所提高的过程控制安全性，因为可以更快地检测到干扰。可用通信时机可以包括时隙通信连接的未使用时隙。
根据本发明的实施例，指示传感器节点进入休眠模式的步骤包括传感器节点接收时间信息并且随即自动进入休眠模式。在传感器节点接收到时间信息后，其执行传感器测量并且随后自动进入休眠模式。
根据本发明的实施例，该方法包括另外的步骤：在控制器中获得与无线过程控制系统中的时延相关的信息；以及相应地调节该时刻。因此获得了有所提高的准确性。
本发明进一步涉及这样的无线过程控制系统中的控制器以及计算机程序产品，由此实现了对应于上文的优势。
另外的特征和优势将在阅读以下描述和附图后而变得清楚明了。
附图说明
图1图示了可以在其中实施本发明的无线过程控制系统。
图2图示了根据本发明的方法的步骤。
图3示意性图示了在本发明实施例中使用的时隙通信协议。
图4图示了过程随时间迁移的模型图。
具体实施方式
图1图示了可以从本发明获益并且可以针对其实施本发明的自动化系统中的无线过程控制系统1。无线过程控制系统1包括对该自动化系统内的一些过程进行控制的一个或多个控制器2(仅图示出一个)。控制器2可以是任意适当的控制器，例如过程控制器或可编程逻辑控制器(PLC)。
控制器2包括输入/输出装置8，其用于输入和输出过程相关的变量，以便对自动化系统进行控制。
控制器2还包括用于处理输入数据的处理部件3以及用于输出控制信号以便控制自动化系统内的过程的部件。处理部件3可以包括执行控制应用的指令并且具有用于存储指令和数据的中央处理器(CPU)。还被表示为控制程序的控制应用周期性地读取过程输入和外部变量(例如来自另一个控制器的值)的值，基于这些值而且还基于内部变量的值(例如，在处理或内部状态期间所获得的值)执行计算并且作为结果生成针对处理输出而且还针对外部变量的值。每个这样的执行被称作扫描周期或任务扫描。CPU3还负责与其它装置(未示出)进行通信以及控制应用的指令的执行。
控制器2还包括诸如收发器和天线的通信部件4或者与之相连接，以使得能够进行无线通信以及控制中所需数据的无线传输。这样的通信部件4可以进一步包括连接控制中心7的网关，控制中心7包括使得能够由用户进行监管的工作站。这样的网关进一步连接无线网络6并且包括以任意组合的必要硬件、软件和固件。
多个传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn被布置在所要控制的自动化系统中。特别地，传感器节点S1包括被配置为感测自动化过程的某个部分的温度的温度传感器。传感器节点的其它示例包括压力传感器、流量传感器、浓度测量传感器等，但这并非穷举。每个传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn还包括诸如收发器和天线的通信部件51、52、…、5i、…5n，以使得能够与控制器2进行无线通信。
该自动化系统还包括多个致动器A1、A2、…、Ai、…、An。传感器S1通常布置在所要控制的处理步骤而致动器A1则被配置为响应于所接收的控制信号执行某种动作。
作为示例，传感器节点执行水槽的液体水平测量并且将向控制器2发送该数据。控制器2进而对该数据进行处理并且确定是否需要任何控制动作。如果是，则控制器2就此向致动器传送控制信号，该致动器进而例如打开阀门以便调节水槽水平。该致动器例如可以包括阀门、泵、加热元件或电机等。
在一个实施例中，致动器A1、A2、…、Ai、…、An还包括能够利用其在控制器2和致动器A1、A2、…、Ai、…、An之间交互控制信令的通信部件91、92、…、9i、…9n。
使用传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn的通信部件51、52、…、5i、…5n，和/或控制器2的通信部件4和/或致动器A1、A2、…、Ai、…、An的通信部件91、92、…、9i、…9n消耗跟多电池电力，因此缩短了无线传感器节点和/或致动器和/或控制器2的电池寿命，并且因此应当被最小化。
根据本发明，基于预测确定需要测量值的时刻。特别地，根据本发明提供了一种方法，通过该方法使上述使得无线通信最小化并由此使得功耗最小化的期望成为可能。
现在参考图2，提供了无线过程控制系统1中用于降低传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn的功耗的方法20。传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn处于休眠模式。方法20包括预测21何时需要来自传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn的传感器测量数据的第一步骤。该步骤可以在控制器2中或者在传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn中执行。在控制器2执行该步骤的情况下，传感器节点可以被提供以较少的智能；在传感器节点执行该步骤的情况下，需要智能来实现它，即因此在传感器节点中需要一些处理部件。
该预测基于误差信号。该方法进一步包括基于预测确定控制器2和传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn之间进行通信的时刻。
在一个实施例中，在控制器2执行第一步骤的情况下，方法20包括从控制器2向传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn提供与第一步骤中所确定的时刻相关的信息的子步骤，由此使得传感器节点能够及时执行所需传感器测量。传感器节点被使得能够及时从其低功率的休眠模式被唤醒以便执行测量。
方法20包括指示22传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn重新进入休眠模式的第二步骤。传感器节点因此在大部分时间内处于低功耗模式，仅为了传递所需测量数据才唤醒。该步骤可以由控制器2来执行，但是并不需要如此。
该方法可以被视为自行触发方式并且在一个实施例中以时隙通信方案来实施。图3示意性图示了时隙通信协议。时间帧30例如可以包括100个时隙TS1,TS2,…TS100。在本发明的实施例中，自行触发模式包括调度通信，其中传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn在专用时隙中进行通信。例如，每隔12个时隙专用于供传感器节点S1进行通信，每隔12个时隙专用于供传感器节点S2进行通信，等等。专用于不同传感器节点的时隙的数目无需相等；高优先级的传感器节点可以被给予比较低优先级的传感器节点更多的时隙。
根据本发明，传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn并不必使用它们各自所有的专用通信时隙。相反，如果能够确定在某个时间段期间不需要来自传感器节点S1的新的测量数据，则该传感器节点S1能够进入休眠模式，由此节省电池电力。另外，控制器2的通信部件4在一些情况下也可以进入这样的休眠模式。特别地，控制器2向传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn提供22与时刻相关的信息的步骤从而可以包括要使用专用于特定传感器节点的时隙中的哪一个时隙相关的信息，或者等同地，包括能够跳过多少个接下来到来的专用时隙相关的信息。控制器2可以通知传感器节点例如在接下来五个专用时隙期间保持在休眠模式。
图4图示了以上方法能够如何实施的示例，特别示出了随时间迁移的过程的模型。所讨论的传感器节点S1例如可以包括温度感测装置，其在某个过程步骤之处或之中测量温度。图4图示了具有沿水平轴线的时间以及沿垂直轴线的温度的图形。提供了所要控制的随过程的模型，特别提供了随时间迁移的用于稳定状态操作的基准值。该基准值或者所讨论过程值的设置点在图中以图形Treference所指示。测量值以图形Tmeasured所指示。过程随时间迁移而发展的模型例如可以基于经验、理论模型、历史值、推断法、试探法、或者在控制会话期间所获得的实验数据或者其任意组合而获得，其中该过程在实际过程运行中被人工控制。
何时需要传感器节点的测量数据的预测可以由通过将历史测量数据与所设置的基准数据相比较而获得的误差信号来提供。随后可以对该误差信号进行推断以确定需要下一个测量数据的时刻。
作为示例，在时刻t1和t2，传感器节点S1执行测量。由于测量值，即所图示示例的温度，已经大幅增加并且越来越偏移模型图形Treference，所以针对执行测量的下一个到来时刻，基于误差信号的预测将是更为频繁设置的时刻。也就是说，将设置控制器2和传感器节点S1之间数量有所增加的通信时机。当测量值下降并且误差信号因此下降时，通信时机又会变得更少。
所注意到的是，以上示例仅作为描述本发明的一种方式而提供，并且可以使用其它误差信号。作为另一个示例，误差信号可以基于历史误差信号或其它历史数据。
以上实施例的优势包括控制器2和传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn之间的通信时机数量有所减少，并且由此减少了电池电力的使用而因此延长了电池寿命。该优势是由因为使用了经调度的通信时隙而允许传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn进入休眠模式的事实所带来的。
自行触发模式的另一个优势在于，智能能够事实上位于控制器2中，即被集中控制，而传感器节S1、S2、…、Si、…、Sn可以不包括或包括较少智能。然而，智能也可以被提供在传感器节点中，由此需要有所减少的通信，其中控制器2并不需要向传感器节点传输需要进行下一次测量的时刻。如之前所提到的，包括一些智能的传感器节点能够自己执行预测步骤。
以上所描述的自行触发方法的又一个优势在于，控制器2知晓与具体传感器节点相关联的下一个通信时机何时出现。在控制器2和传感器节点之间通信失败的情况下，即没有在控制器2接收到来自传感器的预期通信消息的情况下，控制器2能够采取适当动作。例如，可以提供警报信号，其关于该情形对操作人员进行警告，并且控制器2可能使用来自该特定传感器节点的未更新的测量值。
以下对再一个优势进行描述。在诸如WirelessHART的一些通信规范中，提到传感器节点应当能够向控制器2提供数据，这不是直接向控制器提供而是经由另一个传感器节点提供。该规范可以利用本发明的自行触发方法而得以被满足。特别地，在其中一个传感器节点Si通过另一个传感器节点Si+1与控制器2进行通信的多跳(multi-hop)控制情形中，可以轻易实施自行触发方法。发送并接收消息的传感器节点Si以及消息经由其被送至控制器2的传感器节点Si+1都知道何时预期通信时机并且因此能够在没有即将来临的通信时处于休眠模式。与之相比，例如在基于事件的系统中，进行传递的传感器节点Si+1将必须是被唤起的(awake)，因为其不知道其它传感器节点Si何时需要与控制器2进行通信。
在本发明的另一个实施例中，增加了基于事件的特征。传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn被提供以一些智能以使得其能够被唤醒并执行测量。测量结果与阈值进行比较并且在传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn中基于该比较作出是否要发起与控制器2的通信的决定。
该方法然后包括另外的步骤：在传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn中确定阈值已经被超出；并且在可用通信时机向控制器2发送测量值。在本发明的实施例中，这样的可用通信时机包括时隙通信方案的空白时隙。
基于事件的模式的优势包括传感器节点和控制器的通信部件进入休眠模式并且只要处理以稳定状态运行就处于休眠的可能性。另外，获得了有所提高的安全性，由于可以更快检测到过程中的可能干扰并且因此能够更快捷地采取应对该干扰的动作。
以上对传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn和控制器2之间的通信的描述可以以类似方式应用与控制器2和致动器A1、A2、…、Ai、…、An之间的通信。也就是说，致动器可以被无线控制。因此也可以在控制器和致动器之间省去通信连线，并且获得对应于上文的无线控制系统的优势。
本发明还包含存储在计算机可读存储介质16上的计算机程序产品15，其包括用于使得无线过程控制系统1的控制器2执行如所描述的方法的计算机可读程序代码。
本发明还包含如所描述的用于对包括传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn的自动化系统内的过程进行控制的控制器2。特别地，控制器2包括用于基于误差信号预测何时需要来自传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn的测量数据并且基于其确定用于在控制器2和传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn之间进行通信的时刻的部件3，以及用于指示传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn重新进入休眠模式的部件3、4。控制器2还可以包括用于向传感器节点S1、S2、…、Si、…、Sn提供关于该时刻的信息以使得传感器节点能够及时执行所需传感器测量的部件4。例如，应当在传感器节点是低智能装置时包括该部件。

Claims (8)

1.一种无线过程控制系统(1)中用于降低所述无线过程控制系统(1)的传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)的功耗的方法(20)，所述无线过程控制系统(1)还包括控制器(2)，该控制器包括用于使得能够与所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)进行无线通信的通信部件(4)，其中所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)处于休眠模式，所述方法(20)包括步骤：
-基于误差信号预测(21)何时需要来自所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)的传感器测量数据，并且基于其确定用于在所述控制器(2)和所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)之间进行通信的时刻，使得所述传感器节点能够被及时从其休眠模式唤醒，其中预测包括将历史测量数据与所设置的基准数据相比较，
-在所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)中执行所需的传感器测量，
-将所述传感器测量发送到所述控制器(2)，以及
-所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)重新进入所述休眠模式；
所述无线通信系统使用时隙通信协议，并且其中所述方法包括另外的步骤：
-执行测量并且将测量结果与阈值进行比较，
-在所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)中确定已经超出所述阈值，以及
-在所述时隙通信协议的空白时隙向所述控制器(2)发送测量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中预测(21)步骤在所述控制器(2)中执行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中预测(21)步骤基于所述历史测量数据与所述所设置的基准数据来推断误差信号，以确定需要下一个测量数据的时刻。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述向所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)提供时间信息的步骤包括所述控制器(2)关于哪个时隙要被用于下一个到来的通信时机而通知所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)重新进入休眠模式的步骤包括所述传感器节点获得所述时刻并且在完成了传感器测量后自动进入所述休眠模式。
6.根据权利要求1或2所述的方法，包括另外的步骤：在控制器(2)中获得与所述无线过程控制系统(1)中的时延相关的信息；并且相应地调节所述时刻。
7.一种用于对包括传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)的自动化系统内的过程进行控制的控制器(2)，所述控制器(2)包括用于使得能够与所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)进行无线通信的通信部件(4)，其中所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)处于休眠模式，所述控制器(2)包括：
-用于基于误差信号预测何时需要来自所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)的测量数据并且基于其确定用于在所述控制器(2)和所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)之间进行通信的时刻的部件(3)，使得所述传感器节点能够被及时从其休眠模式唤醒，其中预测包括将历史测量数据与所设置的基准数据相比较，和
-用于指示所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)重新进入所述休眠模式的部件(3，4)；
所述无线通信使用时隙通信协议，并且其中所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)包括：
-用于执行测量并且将测量结果与阈值进行比较的部件，
-用于在所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)中确定已经超出所述阈值的部件，以及
-用于在所述时隙通信协议的空白时隙向所述控制器(2)发送测量值的部件。
8.根据权利要求7所述的控制器(2)，还包括用于向所述传感器节点(S1、S2、…、Si、…、Sn)提供与所述时刻相关的信息以便使得所述传感器节点能够及时执行所需的传感器测量的部件(4)。
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