CN103535070A - 针对过程控制系统中的现场设备的带宽动态分配 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于作为过程控制系统（10）的一部分的无线网络（WN1）的无线网络管理设备（22）。该无线网络管理设备包括节点确定元件，其被配置为经由操作人员终端（12）接过程控制系统中的至少一个节点的收操作人员选择并且确定实施该节点的功能的现场设备（24），和带宽控制元件，其被配置为基于所接收的操作人员选择对在该无线网络所使用的通信结构的辅助数据分段中分配给所述至少一个现场设备的带宽进行调节以便提高系统的响应性。

Description

针对过程控制系统中的现场设备的带宽动态分配

技术领域

本发明总体上涉及针对无线网络中的现场设备的带宽分配。更具体地，本发明涉及一种用于向无线现场设备分配带宽的方法以及一种无线网络管理设备和实施无线网络管理设备的计算机程序产品。

背景技术

已知无线传感器网络在过程控制系统中被使用。这样的网络的示例是ZigBee和WirelessHart。

这些网络通常采用时分通信方案，其中现场设备可以使用在该方案中用于报告数据的报告数据分段中固定分配的带宽以及该方案中用于报告关于现场设备的功能或健康的状态的状态分段中的另一可能分配的带宽。

当前有意对现场设备的状态报告结构进行改变并且一些文献对此有所涉及。

例如，US7925249描述了一种无线传感器网络，其中用户能够进行多种重新配置，包括用于自动周期性连接和状态通知的间隔，该重新配置经由web端口来执行。

EP2019534描述了一种无线传感器网络，其能够针对任务的不同需求进行重新配置。所给出的有关需求的示例是在没有需求时使得传感器进入休眠状态。

US2006/0031426描述了对传感器网络中的节点进行编程。

然而，将令人感兴趣的是允许代表操作人员更为容易地做出这样的改变以便改善系统的响应性。本发明因此而针对于使得操作人员对通信结构中做出的带宽分配所进行的调节有所简化。

发明内容

本发明针对于改善向无线网络中的现场设备进行带宽分配的用户友好性以及整体系统响应性。

本发明的一个目标是提供一种用于在无线网络所使用的通信结构的辅助数据分段中向无线现场设备分配带宽的用户友好的方法。

根据本发明的第一方面，该目标通过一种用于在无线网络所使用的通信结构的辅助数据分段中向无线现场设备分配带宽的方法而实现，所述无线网络提供于过程控制系统中，该方法包括步骤：

-经由操作人员终端接收过程控制系统中的至少一个节点的操作人员选择，

-确定实施该节点的功能的现场设备，并且

-基于所接收的操作人员选择对在辅助数据分段中分配给所述至少一个现场设备的带宽进行调节。

本发明的另一个目标是提供一种用于作为过程控制系统的一部分的无线网络的无线网络管理设备，该设备提供了用户友好的带宽变化。

根据本发明的第二方面，该目标通过一种用于作为过程控制系统的一部分的无线网络的无线网络管理设备而实现，该无线网络管理设备包括：

-节点确定元件，其被配置为经由操作人员终端接收过程控制系统中的至少一个节点的操作人员选择并且确定实施该节点的功能的现场设备，和

-带宽控制元件，其被配置为基于所接收的操作人员的选择对在该无线网络所使用的通信结构的辅助数据分段中分配给所述至少一个现场设备的带宽进行调节。

本发明的另一个目标是提供一种用于无线网络的无线网络管理设备的计算机程序产品，该计算机程序产品提供了用户友好的带宽变化。

该目标通过一种用于作为过程控制系统的一部分的工业无线通信网络的无线网络管理设备的计算机程序产品而实现，该计算机程序产品包括具有计算机程序代码的数据载体，当在形成该无线网络管理设备的处理器上运行时，该计算机程序代码使得该无线网络管理设备：

-经由操作人员终端接收过程控制系统中的至少一个节点的操作人员选择，

-确定实施该节点的功能的现场设备，并且

-基于所接收的操作人员选择对在该无线网络所使用的通信结构的辅助数据分段中分配给所述至少一个现场设备的带宽进行调节。

本发明具有许多优势。由于在辅助数据分段中对现场设备所分配的带宽基于操作人员终端的操作人员选择而进行调节，所以获得了更为用户友好的改变。以这种方式，操作人员可以在不必亲自进行带宽变化的情况下针对其感兴趣的现场设备获得带宽变化。还能够看到，自动进行带宽变化以便改善操作人员的系统响应性。无线网络因此对在操作人员终端的操作人员活动作出动态反应。本发明还能够随现有现场设备和网关使用而并不需要任何附加的硬件。其还在不需要特殊设备的情况下向操作人员给出有所改进的操作。本发明还在来自许多不同供应商的设备上进行工作。

附图说明

以下将参考附图对本发明进行描述，其中

图1示意性示出了用于使用无线网络对过程进行控制的过程控制系统，

图2示出了连接至无线网络管理设备的无线网络的网关的示意性框图，

图3示意性示出了包括报告数据分段和状态分段的无线网络的通信结构的超帧，

图4示意性示出了可在过程控制系统的结构中进行选择的多个节点，该节点至少部分通过现场设备而提供，

图5示意性示出了已经被无线网络管理设备改变之后的通信结构，和

图6示意性示出了由无线网络管理设备所执行的多个方法步骤，

图7示意性示出了根据本发明第二实施例的过程控制系统，和

图8示意性示出了承载用于实施无线网络管理设备的程序代码的数据载体。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明优选实施例的详细描述。

图1示意性示出了用于过程的控制系统10，即过程控制系统。该过程可以是工业工程，并且此外可以是诸如制浆造纸过程、炼油过程、电力传输过程或电力分配过程之类的多个不同类型的过程中的任一个。控制系统10例如可以是用于对过程进行控制的基于对象的计算系统。

在图1中，过程控制系统10包括连接至第一总线B1的操作人员终端12和14。还存在有第二总线B2，并且在第一和第二总线之间连接有用于提供对过程的控制和监视的服务器16和数据库18，诸如与对过程的控制和监视相关的历史数据之类的数据存储在该数据库18之中。还有网关20连接至第二总线B2，该网关进而连接至第一无线网络WN1。无线网络可以是工业网络并且也可以是无线通信网络。更具体地，其可以是无线传感器网络并且因此可以是工业无线传感器网络。无线网络也可以是时分多址（TDMA）无线网络。在该第一无线网络WN1中，示出了三个示例性的无线现场设备，第一现场设备24、第二现场设备26和第三现场设备28。现场设备是与过程对接的设备并且它们与网关20进行无线通信。现场设备24、26、28通常可以负责执行该过程的一些类型的控制活动，诸如测量如过程的物理属性的过程参数或者在过程中提供控制活动，诸如致动阀门，操作泵、开关等。现场设备的实际控制由服务器16来执行。对无线现场设备进行管理的无线网络管理设备22也连接至网关20。该管理可以包括向现场设备分配带宽。

图2示出了网关20和无线网络管理设备22的示意性框图。网关包括控制单元30，其连接至通常包括无线电电路以及一个或多个天线的无线接口34以及用于使用第二总线B2进行通信的通信接口32。无线网络管理设备22在这里连接至控制单元30。无线网络管理设备22在这里包括节点确定元件35、映射表36和带宽分配元件37，其中映射表36和带宽分配元件37连接至节点确定元件35。

现场设备与无线网络的通信结构中的网关20进行通信。图3中示意性示出了该结构的一部分。该结构的这一部分是上行链路或上游部分，并且包括可以由多个时隙所组成的超帧SF。这里，该超帧的包括第一组时隙的第一段组成报告数据分段RDS，而该超帧的包括第二组时隙的第二段组成状态分段SS。作为示例，这里的报告数据分段RDS包括四个时隙TS1、TS2、TS3和TS4，而状态分段SS也包括四个时隙TS5、TS6、TS7和TS8。在该示例中，时隙进一步为相同大小并且分段也是相同大小。这里，标记出了第七时隙TS7，其是状态分段SS中的第三时隙。随后将更为详细地对其重要性进行描述。相同类型的超帧也在通信结构的下行链路或下游部分中使用。该部分将具有用于对针对现场设备的控制数据以及如设置和配置之类的其它数据的相对应分段。因此，不同分段可以被概括为过程控制数据分段和辅助数据分段，其中报告数据分段是专用于上行链路通信的过程控制数据分段而状态分段则是专用于上行链路通信的辅助数据分段。

图4示出了过程控制系统中的多个节点，该节点可以经由操作人员终端而呈现。该节点在这里提供在各个层级级别上。这里，在该结构中的第一高层级级别上存在第一高级别节点HLN1和第二高级别节点HLN2，并且在较低层级级别中存在第一、第二和第三低级别节点LLN1、LLN2和LLN3，并且它们连接至第二高级别节点HLN2，其中这些节点中的一些可以与现场设备相关联。这里，第一低级别节点LLN1与第一现场设备24相关联，第二低级别节点LLN2与第三现场设备26相关联而第三低级别节点LLN3与第三现场设备28相关联。这仅是一个示例并且可能存在其它关系。然而，这里可以看出，第一低级别节点LLN1得以被标记。其重要性也将在随后更为详细地进行描述。

图5示出了与图3中相同类型的通信结构，即具有相等大小的时隙的超帧SF。然而，这里的状态分段SS中的第七和第八时隙TS7和TS8得以被标记。

现在还将参考示出了在无线网络管理设备22中执行的多个方法步骤的流程图的图6对根据本发明第一实施例的本发明的功能进行描述。

如之前所描述的，现场设备24、26和28被分配以在此为报告数据分段RDS中的报告时隙形式的数据报告带宽以及被分配以状态分段SS中的状态报告带宽。该分配在这里以多个时隙的形式来进行，该时隙在这里为通信结构SF的时隙的形式。

作为与上行链路通信（即，从现场设备经由网关到服务器的通信）相关的示例，报告数据的多个现场设备在这里可以被分配以每个超帧的一个或多个时隙以便定期报告用于控制该过程的数据。它们还可以被分配以状态时隙以便报告状态数据，即与它们如何工作相关的数据，其也被称之为健康数据。在与下行链路通信（即，从服务器经由网关到现场设备的通信）相关的示例中，现场设备可以被分配以它们在其中接收控制命令的过程控制数据分段中的时隙并且还可以被分配以它们在其中接收例如新的配置数据的块数据的辅助数据分段中的时隙。

对同期的网络管理设备进行设置以针对无线网络中的动态行为进行调节，如根据无线网络的当前状态而改变链路和路线。它们因此是具有很少或没有操作人员交互的传统自治设备。与网络状态相关的信息通常在慢速间隙上被发送至服务器16以便使得功耗最小化。状态信息在这里通常可以包括与现场设备的功能或健康相关的信息。从服务器到现场设备通常的响应时间可以是3-7秒。

从每个现场设备具有1秒的响应时间经常对可用带宽造成浪费并且在大型无线传感器网络中也是不可行的。然而，存在着能够被用来提升网络性能的带宽。例如在Wireless HART中，仅有50%的可用带宽被用于过程数据（如该标准所推荐的）。如在图3和5中所看到的，其它的50%—状态分段SS—则用于网络管理和性能优化。

在这种情况下，状态时隙可以在现场设备之间等同分布，这使得它们定期但很少地偶尔报告状态数据，例如每15分钟报告一次。现场设备也可以根据一些基于争夺的方案来竞争时隙。这些原则对于可能想要执行一些与具体现场设备相关的活动（例如，向该现场设备下载一些类型的新软件）的操作人员而言都过于缓慢或过于延迟。然而，在其完成之前，与常规情形相比操作人员可能有兴趣获取更多健康数据，或者可能想要向现场设备提供更多数据，而这并不容易进行。

此外，应当在操作人员不必自行进行设置的情况下进行带宽调节。该调节因此应当是用户友好且自动执行的而并不要求操作人员深入了解潜在的传输方案或技术。

在这里所给出的示例中，现场设备最初以图3所示的时隙被分配以带宽。作为示例，更具体地，第一现场设备可以最初或作为缺省设置而被分配以第七时隙TS7，即用于状态报告用途（例如，用于报告健康数据）的状态分段SS的第三时隙。该现场设备因此在控制单元30的控制之下在所分配的时隙中与网关进行通信。

与此同时，图4的结构可以出现在操作人员的第一操作人员终端12上，该操作人员继续进行并选择该结构中的节点，并且这里是与第一现场设备24相关联的第一低级别节点LLN1。这意味着在该示例中，过程控制系统中的第一低级别节点LL1的功能通过第一现场设备24来提供。

在该层级结构中的操作人员选择在这里还从操作人员终端12发送至无线网络管理设备22，并且更具体地被发送至该设备22的节点确定元件35。操作人员终端12在这里可以被配置为将诸如所选择节点的名称之类的节点选择数据转发至无线网络管理设备22。网络管理设备22的节点确定元件35因此从操作人员终端接收操作人员节点选择，步骤38，其中所选择的节点在该示例中是在图4的视图中出现的第一低级别节点LLN1。此后，节点确定元件35查询映射表36以便获得与所选择节点对应于哪个现场设备相关的数据。该表格包含操作人员终端上所出现的系统控制节点和现场设备之间的映射。基于该表格36中的设置，节点确定元件35因此而确定对应于所选择节点的现场设备，步骤39，其在该示例中为第一现场设备24。

所选择现场设备的信息随后被转发至带宽调节元件37，其继续进行并且基于现场设备的选择而对状态分段SS中所分配的带宽进行调节，步骤40。带宽调节元件37因此基于所检测到的现场设备的选择而对分配给第一现场设备24的带宽进行调节。该变化在这里是增加带宽，并且作为示例，第一现场设备被分配以图5中所标记的带宽。在该示例中，带宽因此被加倍以使得第一现场设备24被分配以超帧的第七和第八时隙TS7和TS8，即状态分段SS中的第三和第四时隙。

因此，以这种方式能够看出，网络管理设备22基于操作人员终端的操作人员选择而对状态分段中分配给现场设备的带宽进行调节。以这种方式，操作人员可以针对其感兴趣的现场设备获得带宽的增加而无需其自己进行这样的带宽变化。还能够看出，带宽的变化基于操作人员的选择自动进行。无线网络因此对操作人员在操作人员终端处的互动做出动态反应。如果操作人员查看与某个现场设备相关联的具体节点，系统可以因此自动创建快速通信链接并对该现场设备的最新状态进行轮询。

本发明还具有多个另外的优势。其能够随已有现场设备和网关使用而并不需要任何附加的硬件。其还为操作人员给予了有所改进的操作而并不需要特殊设备。本发明还在来自许多不同供应商的设备上进行工作。

一种类型的带宽变化（这里是针对所选择现场设备有所增加）在这里可以与相反的带宽变化（这里是针对一个、两个、几个或全部其它现场设备有所减少）相结合以便保持状态分段的大小。

这里还可能的是，报告数据分段中的带宽分配并不被该变化所影响，而是仅状态分段受影响。

在以上示例中，在上行链路中使用的结构的一部分的状态分段中进行带宽调节。作为替换，可以在该结构的下行链路部分的辅助数据分段中进行相同类型的带宽调节。作为另一种替换，可能对上行链路和下行链路通信进行调节，即在该结构的上行链路和下行链路部分中进行调节。以上关于上行链路所描述的所有变化在这里当然也能够对下行链路进行。

这里，可能在选择中进行多种变化。所描述的带宽变化仅是示例性的。例如，在增加的情况下，可能比带宽的加倍更多或更少。带宽的变化也可能并不局限于时隙，而可能是任意类型的带宽变化。

作为另一种替换，操作人员可以在过程控制系统中选择一个分段，例如通过选择第二高级别节点HLN2，并且这可以改变在结构中与该高级别节点相关联或与之链接的所有低级别节点的带宽。在图4的示例中，选择第二高级别节点HLN2将会导致该分段的所有现场设备被选择并且还会导致与所有这些所链接的低级别节点LLN1、LLN2和LLN3相关联的现场设备的带宽变化，例如增加。并不与相同分段相关联的其它现场设备则将不会接收到相同类型的带宽变化。它们例如可以不受影响或者可能接收到相反的带宽变化，例如减少。

现场设备的带宽也可能基于其在控制结构中所出现的顺序而变化，即以它们在过程的控制中所使用的顺序进行变化。例如，如果与过程控制中的上游的阀门相关联的现场设备被选择，则所选择现场设备的下游的下一个现场设备也可能连同所选择现场设备上游的之前现场设备一起自动被选择。也可能仅之前的和所选择的现场设备的带宽得以进行改变。这里，现场设备也可能接收到逐渐的带宽增加和/或减少。所选择的现场设备例如可以具有比之前和下一个的现场设备更高的带宽，并且如果下一个现场设备随后被选择，则其将在之前所选择的现场设备的带宽降低的同时接收到高带宽。也可能的是，选择一种类型的现场设备使得无线网络中所有相同类型的现场设备的带宽都有所增加。

本发明可以以更多方式进行变化。例如，过程控制系统可能包括更多的无线传感器网络。图7中示意性示出了这种类型的情形，其示出了具有第一无线网络WN1而且还具有第二无线网络WN2的过程控制系统10，该第二无线网络WN2包括第四、第五和第六无线现场设备42、44和46。第二无线网络WN2的这些另外的现场设备经由第二网关41连接至过程控制系统。在这种情况下，网络管理设备22能够对两个无线网络进行管理。为此，在本发明的这一变化之中，其在过程控制系统中的另一位置提供。在该变化之中，网络管理设备22’因此连接至服务器16。

操作人员终端12可以包括用户输入单元、显示单元、显示控制单元，以及用于经由第一总线B1而与过程控制系统10的其它部分进行通信的接口。操作人员终端为系统的操作人员提供图形用户界面。

网络管理设备可以以离散组件的形式来实现，诸如应用特定集成电路（ASIC）。然而，无线网络管理设备的节点确定元件和带宽分配元件也可以通过具有相关联程序存储器的处理器来实现，该程序存储器包括用于在处理器上运行时执行这些元件的功能的计算机程序代码。映射表进而可以以存储器的形式来提供。该计算机程序产品可以作为数据载体来提供，诸如承载计算机程序代码的一个或多个CD ROM盘或者一个或多个记忆棒，该计算机程序代码在被所述处理器运行时提供了以上所描述的无线网络管理设备。图8中示意性示出了一种这样的具有计算机程序50的CD ROM盘的形式的数据载体48，该计算机程序50承载这样的计算机程序代码。

从以上讨论明显看出，本发明能够以多种方式进行变化。因此应当意识到的是，本发明仅由以下权利要求进行限定。

Claims (17)

1.一种用于在由无线网络（WN1,WN2）所使用的通信结构（SF）的辅助数据分段（SS）中向无线现场设备（24,26,28;42,44,46）分配带宽的方法，所述无线网络提供于过程控制系统（10）中，所述方法包括步骤：

-经由操作人员终端（12）接收（38）所述过程控制系统中的至少一个节点（LLN1）的操作人员选择，

-确定（39）实施所述节点的功能的现场设备，并且

-基于所接收的操作人员选择对在所述辅助数据分段中分配给所述至少一个现场设备（28）的带宽（TS7,TS8）进行调节（40）。

2.根据权利要求1的方法，其中所述带宽针对所选择的现场设备增加。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述操作人员选择是对所述过程控制系统的分段（HLN2）中的所有现场设备的选择。

4.根据之前任一项权利要求的方法，进一步包括根据所述现场设备在所述过程控制中被使用的顺序而对所选择现场设备之前和/或之后的现场设备的带宽进行调节。

5.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中所选择的现场设备为第一类型的并且相同类型的其它现场设备的带宽也被调节。

6.根据之前任一项权利要求的方法，其中所述现场设备在所述通信结构的过程控制数据分段（RDS）中被分配以过程控制带宽，所述过程控制带宽并不被所述操作人员选择所影响。

7.根据之前任一项权利要求的方法，其中所述调节在所述通信结构的上行链路部分中进行。

8.根据之前任一项权利要求的方法，其中所述调节在所述通信结构的下行链路部分中进行。

9.一种用于作为过程控制系统（10）的一部分的无线网络（WN1,WN2）的无线网络管理设备（22），所述无线网络管理设备包括：

-节点确定元件（35），其被配置为经由操作人员终端（12）接收所述过程控制系统中的至少一个节点（LLN1）的操作人员选择并且确定实施所述节点的功能的现场设备，和

-带宽控制元件（37），其被配置为基于所接收的操作人员选择对在由所述通信网络所使用的通信结构（SF）的辅助数据分段（SS）中分配给所述至少一个现场设备的带宽（TS7,TS8）进行调节。

10.根据权利要求9的无线网络管理设备，其中所述带宽控制元件（55）被配置为针对所选择的现场设备增加带宽。

11.根据权利要求9或10的无线网络管理设备，其中所述操作人员选择是对所述过程控制系统的分段（HLN2）中所有现场设备的选择。

12.根据权利要求9-11中任一项的无线网络管理设备（22），其中所述带宽控制元件被配置为根据所述现场设备在所述过程控制中被使用的顺序而对所选择现场设备之前和/或之后的现场设备的带宽进行调节。

13.根据权利要求9-11中任一项的无线网络管理设备（22），其中所选择的现场设备为第一类型的，并且所述带宽控制元件还被配置为对相同类型的其它现场设备的带宽进行调节。

14.根据权利要求9-13中任一项的无线网络管理设备（22），其中所述带宽控制元件被配置为向所述现场设备分配在所述通信结构的过程控制数据分段（RDS）中的过程控制带宽，所述过程控制带宽不被所述操作人员选择所影响。

15.根据权利要求9-14中任一项的无线网络管理设备（22），其中所述带宽控制元件被配置为对所述通信结构的上行链路部分中的带宽进行调节。

16.根据权利要求9-15中任一项的无线网络管理设备（22），其中所述带宽控制元件被配置为对所述通信结构的下行链路部分中的带宽进行调节。

17.一种用于作为过程控制系统（10）的一部分的无线网络（WN1,WN2）的无线网络管理设备（22）的计算机程序产品，

所述计算机程序产品包括具有计算机程序代码（68）的数据载体（66），当在形成所述无线网络管理设备的处理器上运行时，所述计算机程序代码使得所述无线网络管理设备：

-经由操作人员终端（12）接收所述过程控制系统中的至少一个节点（LLN1）的操作人员选择，

-确定实施所述节点的功能的现场设备，并且

-基于所接收的操作人员选择对在由所述无线网络所使用的通信结构（SF）的辅助数据分段（SS）中分配给所述至少一个现场设备的带宽（TS7,TS8）进行调节。

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