CN107533328A - 可互操作的远程终端单元 - Google Patents

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Abstract

在方面中，本发明公开一种用于使用远程终端单元与多个现场装置进行通信的方法。多个现场装置包含能够分别使用第一和第二无线通信协议进行通信的现场装置的第一集合和现场装置的第二集合。该方法包括扫描查找来自第一现场装置的信标消息，确定与第一现场装置关联的对应无线通信协议，基于配置模式文件和第一现场装置的对应无线通信协议来识别用于与第一现场装置进行通信的配置块的第一集合，并且使用配置块的第一集合来构建供与一个或多个无线电前端中的无线电前端一起使用的协议栈，以用于与多个现场装置中的第一现场装置进行通信。

Description

可互操作的远程终端单元
技术领域
本发明涉及控制系统和工业自动化。更具体来说，本发明涉及工业自动化中使用的通信和网络基础设施。
背景技术
由于电子传感器和无线通信的迅速进步，在工业车间（plant）和工厂中存在无线通信技术的增加的采用。这种增加的采用具体归因于无线通信技术在降低的布线、灵活性、与有线解决方案相比的低维护成本、易于部署等方面中的优点。根据这种增加的采用，大量无线标准和协议近些年来已经显现，以迎合特定工业应用。
由于这类各种各样无线标准和协议的存在，车间中的通信网络的设计和部署是复杂过程。另外，在其中现场装置和控制器的使用期限为多年的工业车间中，不适合在引入新协议时更换具有特定协议的装置。另外，在某些情形中，也不可能采用新协议或标准来升级装置，因为装置固件可能与其不兼容。
例如，在ZigBee、WirelessHART、ISA100等基于相同物理和链路层标准802.15.4技术时。在802.15.4标准中，新显现的变体是802.15.4g和802.15.4k，其将特定公用事业通信或关键基础设施网络作为目标。即使这些标准是802.15.4系列（family）的组成部分，但是它们仍然无法与ZigBee或WirelessHART系统和装置直接通信。
存在了尝试解决上述问题的若干方式。但是，存在对于解决上述问题的改进系统和方法的需要。
发明内容
本文解决上述缺陷、缺点和问题，其将通过阅读和理解以下说明书来理解。
本发明描述一种可互操作的网络装置，其能够与不同无线技术协议互操作，以提供与具有旧的和新显现的无线标准变体的不同IO或现场装置进行交互所需的必要灵活性。随着新标准变体显现，可互操作的网络装置足够灵活以采用新技术，并且同时能够与运行更老的无线技术变体的装置进行通信。
在一个方面中，本发明公开一种用于使用远程终端单元与多个现场装置进行通信的方法。多个现场装置包含能够使用第一无线通信协议进行通信的现场装置的第一集合以及能够使用第二无线通信协议进行通信的现场装置的第二集合。
该方法包括：扫描查找（scan for）来自多个现场装置中的第一现场装置的信标消息；基于信标消息的报头来确定与第一现场装置关联的对应无线通信协议；基于配置模式文件来识别用于与第一现场装置进行通信的配置块的第一集合；并且使用配置块的第一集合来构建供与一个或多个无线电前端中的无线电前端一起使用的协议栈，以用于与多个现场装置中的第一现场装置进行通信。配置块的第一集合关联于第一现场装置的对应无线通信协议；以及
在实施例中，该方法还包括将与第三无线通信协议关联的一个或多个附加配置块加载到远程终端单元上，并且在试运行能够使用第三无线通信协议与车间进行通信的现场装置时修改远程终端单元的配置模式文件。
在另一方面中，本发明公开一种远程终端单元，其配置用于与通过车间自动化网络的分布式控制系统的一个或多个服务器以及多个现场装置进行通信。远程终端单元包括用于传送和接收来自多个现场装置信号的一个或多个无线电前端、多个配置块和控制器。控制器配置成扫描查找来自多个现场装置的第一现场装置中的信标消息，基于信标消息的报头来确定与第一现场装置关联的对应无线通信协议，基于配置模式文件来识别用于与第一现场装置进行通信的配置块的第一集合，并且使用配置块的第一集合来构建供与一个或多个无线电前端中的无线电前端一起使用的协议栈，以用于与多个现场装置中的第一现场装置进行通信。
配置块的第一集合关联于第一现场装置的对应无线通信协议。
本文描述可变范围的系统和方法。除了本概述中所描述的方面和优点之外，通过参照附图以及参照下面详细描述，另外的方面和优点将会显而易见。
附图说明
图1图示按照本发明的各个实施例的基于一个或多个无线协议与多个装置进行通信的系统；
图2图示按照本发明的各个实施例的基于一个或多个无线协议与多个装置进行通信的方法；
图3图示按照本发明的各个实施例的示范远程终端单元；
图4图示按照本发明的实施例的在各种层处的多个配置块；以及
图5图示按照本发明的各个实施例的示范配置模式文件。
具体实施方式
在下面详细描述中，参照形成其部分的附图，并且附图中通过说明示出可实施的具体实施例。充分详细地描述这些实施例，以便使本领域的技术人员能够实施实施例，并且要理解，可利用其他实施例，并且可进行逻辑、机械、电气和其他改变，而没有背离实施例的范围。因此，下面详细描述并不是在限制的意义上进行的。
图1图示按照本发明的各个实施例的在工业车间中基于一个或多个无线协议与多个装置进行通信的系统100。系统100包含远程终端单元30，其配置用于与通过车间自动化网络20的分布式控制系统的一个或多个服务器(图1中示为服务器10和服务器15)以及多个现场装置(图1中示为现场装置40、现场装置45、现场装置50、现场装置53和现场装置56)进行通信。
多个现场装置包含用于测量工业车间中的各种过程参数的一个或多个传感器以及操作上连接到工业车间中的设备的一个或多个致动器。远程终端单元30通过将测量从传感器传送给服务器并且通过将命令从服务器传送给致动器来实现服务器与现场装置之间的通信。
多个现场装置包含现场装置的第一集合(例如现场装置40)，其使用第一无线通信协议与远程终端单元30进行通信。第一无线通信协议是本领域通常已知的标准工业通信协议，例如ISA 100、无线HART、Zigbee等。类似地，多个现场装置包含现场装置的第二集合(例如现场装置50、现场装置53和现场装置56)，其使用第二无线通信协议与远程终端单元30进行通信。第二通信协议和第一通信协议在物理层处是兼容的，而在上层的任何(即，链路层、网络层、传输层和应用层)中是不同的。第二无线通信协议也是本领域通常已知的标准工业通信协议，例如ISA 100、无线HART、Zigbee等。
远程终端单元30能够支持多个无线通信协议。如图3所示，远程终端单元30包含：一个或多个无线电前端320，其用于传送和接收来自多个现场装置的信号；以及控制器330，其用来构建供与无线电前端一起使用的一个或多个协议栈，以用于与多个现场装置进行通信。多个配置块存储在远程终端单元30内的存储器中，并且由控制器330用来构建一个或多个协议栈。
本文中的配置块表示要由远程终端单元30在协议栈中的特定层处所执行的、与通信相关的一个特定方面或功能(例如分组操控、差错操控、包含路由选择的网络管理等)。例如，在网络层处的配置块能够指示端对端路由选择技术要用于协议栈中。类似地，在数据链路层处的另一个配置块能够指示固定时隙长度跳频技术要用于协议栈中。图4图示能够由控制器330在构建协议栈中使用的、在各种层处的多个配置块。
配置块允许远程终端单元30支持第一和第二无线通信协议。在实施例中，在安装使用安装时由远程终端单元30不支持的第三无线通信协议进行通信的新现场装置(例如现场装置45)时，远程终端单元30能够配置成使用第三无线通信进行通信。在新现场装置(即，现场装置45)的试运行期间，对于创建协议栈以用于使用第三无线通信协议进行通信所必需的附加通信块使用配置工具(附图中未示出)来添加到远程终端单元30上存储的多个通信块。关于远程终端单元30的方面在图2的描述中进一步解释。
图2图示按照本发明的各个实施例的使用远程终端单元30在工业车间中基于一个或多个无线通信协议与多个现场装置进行通信的方法200。在步骤210处，远程终端单元30的控制器330扫描查找来自多个现场装置中的第一现场装置(例如现场装置40)的信标消息。第一现场装置来自现场装置的第一集合或者现场装置的第二集合。信标消息的报头包含协议标识符(PID)字段，其将向远程终端单元30指示与第一现场装置关联的第一无线通信协议。扫描步骤常常按照由诸如IEEE 802.15.4或IEEE 802.11等的标准所确立的规程进行。
在步骤220处，在接收来自第一现场装置40的信标消息时，远程终端单元30的控制器330基于信标消息的报头来确定与第一现场装置关联的对应无线通信协议。
在实施例中，远程终端单元30的控制器330从配置工具或者从控制系统接收指示第一现场装置的对应无线协议的输入。基于所接收的输入，控制器330确定与现场装置关联的对应无线协议。所接收的输入涉及各种网络和系统特性，例如系统配置、功率消耗、网络配置(tcp/udp)、拓扑(星形/网格)、范围、带宽等。
在步骤230处，控制器330基于配置模式文件和第一现场装置的对应无线通信协议的协议标识符来识别用于与第一现场装置进行通信的配置块的第一集合。配置模式文件提供多个协议标识符与多个通信块之间的多个映射。示出这类映射的示范配置模式文件在图5中示出。基于配置模式文件中指定的关系映射，控制器330识别配置块的第一集合，其与第一现场装置的对应无线通信协议关联，并且是构建协议栈所要求的。例如，如配置模式文件500的第1行所示，Wireless HART通信协议(其具有协议标识符1)要求物理层处的IEEE802.15.4配置块、链路层处的跳频配置块、网络层处的端对端路由选择配置块等。相应地，基于上述示范关系映射，控制器330将IEEE 802.15.4配置块、跳频配置块、端对端路由选择配置块等确定或识别为构建协议栈以用于与第一现场装置进行通信的配置块的第一集合。
在步骤240处，控制器330使用配置块的第一集合来构建供与一个或多个无线电前端320中的无线电前端一起使用的协议栈，以用于与多个现场装置中的第一现场装置进行通信。使用关于在步骤230中所识别的配置块的第一集合，控制器构建用于按照第一现场装置的对应无线通信协议进行通信的协议栈。
在实施例中，方法200还包含在安装和试运行新现场装置45(其能够使用在试运行时间之前不受远程终端单元30所支持的无线通信协议进行通信)时使用远程终端单元30上的配置工具35来加载一个或多个附加配置块。另外，配置工具35将新映射添加到配置模式文件。新映射包含新现场装置45的无线通信协议的协议标识符以及实现通信所要求的附加配置块。附加配置块使远程终端单元30能够支持先前不兼容的无线通信协议。在实施例中，配置块在新现场装置45的试运行期间询问新现场装置45并且接收附加配置块之后加载附加配置块。
在实施例中，当无线电前端320的数量少于活动的无线通信的数量时，控制器330按照时域共享模式来操作无线电前端320。当存在使用对应无线通信协议与远程终端单元30进行通信的多个现场装置中的一个或多个现场装置时，无线通信协议被认为是活动的。如图3所示，在存在各能够运行独立逻辑协议栈的多个无线电前端的情况下，控制器330进行时间共享，以便在特定时间启用或禁用任何协议栈。控制器确保时间共享在没有违反运行协议的要求(例如，确认、重试动作在控制切换到另一个协议之前完成)的情况下发生。控制器优先化时间共享协议之间的协议运行。
在实施例中，远程终端单元30配置成与具有不同于第一现场装置40的无线通信协议的第二现场装置50进行通信。在实施例中，在远程终端单元30具有两个无线电前端的情况下，控制器330将构建两个单独协议栈：第一协议栈，其用于与第一现场装置进行通信；以及第二协议栈，其用于与第二现场装置进行通信。由于远程终端单元30具有两个单独无线电前端和协议栈以用于与第一现场装置和第二第二现场装置进行通信，所以远程终端单元30充当多接入点。
在另一个实施例中，如先前所述，在远程终端单元30具有一个无线电前端的情况下，控制器330将构建两个单独协议栈：第一协议栈，其用于与第一现场装置进行通信；以及第二协议栈，其用于与第二现场装置进行通信。由于远程终端单元30仅具有一个无线电前端，所以控制器330将按照时间共享模式在两个协议栈之间操作无线电前端。
另外，远程终端单元30能够充当公用装置，其能够如上所述通过多个协议进行通信。例如，远程终端单元30能够通过ISA 100接收来自温度传感器的测量，将测量转发到适当控制装置，接收来自控制装置的命令，并且通过Wireless HART将其传送给致动器。
另外，在实施例中，远程终端单元能够作为桥接器和中继器进行工作，并且实现可能在通信上不兼容的两个装置之间的点对点通信。例如，使用第一无线电端和第一协议栈，远程终端单元30能够通过Bluetooth建立与移动操作员装置的通信，以及使用第二无线电端和第二协议栈，远程终端单元30能够通过ISA 100建立与现场装置40的通信。因此，经由远程终端单元30，移动操作员装置能够与现场装置40进行交互，以用于接收测量、发送命令等。
另外，在实施例中，控制器330配置成按照低功率模式或正常功率模式中的一个来设置协议栈。按照低功率模式所设置的协议栈在已知不活动周期期间转到待机或睡眠模式。这能够通过根据需要关断远程终端单元30中的关联无线电前端的不同部件或组件来实现。
本发明允许远程终端单元充当单个集成和灵活装置，其能够作为具有来自不同网络的输入和输出的接入点进行操作，因而它节省来自部署不同网络接入点的成本。这个集成解决方案仅要求软件更新后部署，因而允许简易和节省成本的改型。如本发明所公开的远程终端单元能够用于要求基于网络的操作的各种无线工业市场(例如石油和天然气、采矿等)中。
本书面描述使用包含最佳模式的示例来描述本主题，并且还使本领域的任何技术人员能够制作和使用本主题。本主题的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于使用远程终端单元30与多个现场装置(40，50，53，56)进行通信的方法，其中，所述多个现场装置(40，50，53，56)包含能够使用第一无线通信协议进行通信的现场装置的第一集合(40)以及能够使用第二无线通信协议进行通信的现场装置的第二集合(50，53，56)，所述方法包括：
i. 扫描查找来自所述多个现场装置(40，50，53，56)中的第一现场装置的信标消息，其中所述第一现场装置来自所述现场装置的所述第一集合(40)和现场装置的所述第二集合(50，53，56)中的一个；
ii. 基于所述信标消息的报头来确定与所述第一现场装置关联的对应无线通信协议；
iii. 基于配置模式文件来识别用于与所述第一现场装置进行通信的配置块的第一集合，其中配置块的所述第一集合关联于所述第一现场装置的所述对应无线通信协议；以及
iv. 使用配置块的所述第一集合来构建供与所述一个或多个无线电前端中的无线电前端一起使用的协议栈，以用于与所述多个现场装置(40，50，53，56)中的所述第一现场装置进行通信。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述信标消息的所述报头包含与所述第一现场装置的所述对应无线通信协议关联的协议标识符。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将与第三无线通信协议关联的一个或多个附加配置块加载到所述远程终端单元30上，并且在试运行能够使用所述第三无线通信协议与所述车间进行通信的现场装置45时修改所述远程终端单元30的所述配置模式文件。
4.如权利要求2所述的方法，其中，基于所述配置模式文件来识别用于与所述第一现场装置进行通信的配置块的所述第一集合包含基于所述协议标识符来确定所述配置方案文件中的映射。
5.一种远程终端单元（30），其配置用于与通过车间自动化网络20的分布式控制系统100的一个或多个服务器(10，15)以及包含能够使用第一无线通信协议进行通信的现场装置的第一集合(40)和能够使用第二无线通信协议进行通信的现场装置的第二集合(50，53，56)的多个现场装置(40，50，53，56)进行通信，所述远程终端单元30包括：
a. 一个或多个无线电前端320，其用于传送和接收来自所述多个现场装置(40，50，53，56)的信号；
b. 多个配置块；以及
c. 控制器330，配置成
i. 扫描查找来自所述多个现场装置(40，50，53，56)中的第一现场装置的信标消息；
ii. 基于所述信标消息的报头来确定与所述第一现场装置关联的对应无线通信协议；
iii. 基于配置模式文件来识别用于与所述第一现场装置进行通信的配置块的第一集合，其中配置块的所述第一集合关联于所述第一现场装置的所述对应无线通信协议；
iv. 使用配置块的所述第一集合来构建供与所述一个或多个无线电前端中的无线电前端一起使用的协议栈，以用于与所述多个现场装置(40，50，53，56)中的所述第一现场装置进行通信。
6.如权利要求1所述的远程终端单元30，其中，在试运行能够使用第三无线通信协议与所述工厂进行通信的现场装置45时，配置工具35配置成将与所述第三无线通信协议关联的一个或多个附加配置块加载到集成协议栈以用于使用所述第三无线通信协议。
7.如权利要求3所述的远程终端单元30，其中，所述控制器330配置成按照时域共享模式来操作所述一个或多个无线电前端320。
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