DE102008003573A1

DE102008003573A1 - Verfahren zur Integration eines Teilnehmers in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk der Prozessautomatisierung

Info

Publication number: DE102008003573A1
Application number: DE102008003573A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Thoren; Jörg REINKENSMEIER; Ulrich Dr. Kaiser
Original assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Current assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-16
Also published as: US20110044242A1; US9131386B2; WO2009087016A2; WO2009087016A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Integration eines neuen Teilnehmers (4) in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk (1) der Prozessautomatisierungstechnik, wobei das Netzwerk (1) mindestens einen Knoten (2) aufweist. Die Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Knoten (2) mindestens anhand eines vorgebbaren Kriteriums ausgewählt wird und dass der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) in einen Integrationsmoduls gesetzt wird, welcher die Integration des neuen Teilnehmers (4) in das Netzwerk (1) ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Integration eines neuen Teilnehmers in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk der Prozessautomatisierungstechnik, wobei das Netzwerk mindestens einen Knoten aufweist.
In modernen Anlagen der Prozessautomatisierung findet die Kommunikation zwischen Feldgeräten, wie Sensoren oder Aktoren, und Leitwarten oft über Funk statt, wobei zur Energieeinsparung ggf. selbstorganisierende Netzwerke erzeugt werden. Die Kommunikation findet dabei in vielen Fällen nur zu bestimmten Zeiten statt, da die Feldgeräte zur Energieeinsparung meist in einen Schlafmodus versetzt werden. Bei Mesh-Netzwerken ist es dabei üblich, dass zwei Knoten in einem schmalen Frequenzband miteinander kommunizieren, deren Mittenfrequenz sich nach einem vorgegebenen Muster ändert (Frequency hopping). Für die Integration von neuen Teilnehmern, d. h. neuen Knoten, ist es üblich, dass das Netzwerk dauernd in allen Knoten einen Kanal für die Integration weiterer Teilnehmer reserviert. Die Integration eines neuen Teilnehmers selbst dauert lange, weil das Zeitfenster und die Frequenz getroffen werden muss. Weiterhin haben die Teilnehmer, die ggf. nur batteriebetrieben sind, einen erhöhten Energiebedarf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnellen und energiesparenden Integration eines neuen Teilnehmers in ein bestehendes drahtloses Kommunikations-Netzwerk vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Knoten mindestens anhand eines vorgebbaren Kriteriums ausgewählt wird, und dass der mindestens eine ausgewählte Knoten in einen Integrationsmodus gesetzt wird, welcher die Integration des neuen Teilnehmers in das Netzwerk ermöglicht. Das Netzwerk weist insbesondere mehrere, mindestens zwei Knoten auf. In einer weiteren Ausgestaltung werden von der Vielzahl der im Netzwerk bereits vorhandenen Knoten, mindestens zwei Knoten ausgewählt und in den Integrationsmodus versetzt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der mindestens eine Knoten mindestens anhand hinterlegter Daten über die Position des Knotens ausgewählt wird. Entsprechendes gilt für die Auswahl von mindestens zwei Knoten bzw. genau zwei bzw. genau einem Knoten.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine Knoten danach ausgewählt wird, dass sein geographischer und/oder funktechnischer Abstand zu dem neuen Teilnehmer kleiner ist als die Abstände der anderen Knoten des Netzwerks zu dem neuen Teilnehmer. Es wird nur in den Knoten, die in der Nähe des neuen Teilnehmers sind, vorübergehend ein Kanal zur Integration weiterer Teilnehmer reserviert. Daraus ergibt sich der direkte Vorteil, dass die Energieversorgung der restlichen Knoten nicht belastet wird.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens zwei Knoten danach ausgewählt werden, dass ihre geographischen und/oder funktechnischen Abstände zu dem neuen Teilnehmer kleiner sind als die Abstände der anderen Knoten des Netzwerks zu dem neuen Teilnehmer. D. h. es werden die beiden Knoten mit den kürzesten Abständen zum neuen Teilnehmer für den Integrationsmodus ausgewählt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der mindestens eine ausgewählte Knoten nur für einen vorgebbaren Zeitraum in den Integrationsmodus versetzt wird. Entsprechendes gilt für die mindestens zwei ausgewählten Knoten.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Integrationsmodus zurückgenommen wird, sobald der neue Teilnehmer in das Netzwerk integriert worden ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass im Integrationsmodus der mindestens eine ausgewählte Knoten für einen vorgebbaren Zeitraum in der Lage ist, Signale des neuen Teilnehmers zu empfangen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Information über die Position des neuen Teilnehmers übermittelt wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem drahtlosen Kommunikations-Netzwerk um ein selbstorganisierendes Funknetzwerk handelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Netzwerks der Prozessautomatisierung.
Die 1 verdeutlicht das erfindungsgemäße Verfahren zum Integrieren eines zusätzlichen Teilnehmers 4 in ein bestehendes drahtloses Kommunikations-Netzwerk 1 der Prozessautomatisierungstechnik. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein selbst organisierendes Funknetz. Das Netzwerk 1 wird hier durch fünf Knoten 2, sowie durch einen Netzwerkmanager 3 gebildet. Die Knoten 2 sind beispielsweise Feldgeräte (z. B. Messgeräte bzw. Sensoren oder Aktoren), welche für die Funkkommunikation ausgelegt sind. D. h. bei jedem Knoten 2 kann es sich um ein eigenständiges Gerät handeln. In einer weiteren Ausgestaltung besteht zumindest ein Teil der Knoten 2 aus Funkkommunikationseinheiten, welche für eine Gesamtheit von Feldgeräten oder Anlageeinheiten die Funkkommunikation übernehmen. Der Netzwerkmanager 3 ist beispielsweise ein Rechner, welcher mit dem Netzwerk 1 kommuniziert und auf welchen Daten hinterlegt werden und/oder Algorithmen oder Programme ablaufen können. Hier ist der Netzwerkmanager 3 beispielsweise über das Ethernet mit einer Prozessleitwarte verbunden.
Die einzelnen Knoten 2 sind hier mit Bezeichnungen versehen: A, B, C, D, und E. Zwischen ihnen besteht eine Funkverbindung (dargestellt durch gepunktgestrichelte Linien). Dabei wird beispielsweise das zeitsynchronisierte Mesh-Protokoll (time synchronized mesh protocol, TSMP) verwendet. Damit geht einher, dass die Knoten 2, welche miteinander kommunizieren, bezüglich des Timeslots, in welchem sie senden bzw. empfangen, und bezüglich des Frequenzhoppings, d. h. nach welchem Schema sie die Trägerfrequenz wechseln, miteinander abgeglichen sind.
Im Stand der Technik gibt es bereits mehrere Möglichkeiten, wie ein neuer Teilnehmer 4 in ein bestehendes selbstorganisierendes drahtloses Kommunikations-Netzwerk 1 aufgenommen werden kann. Das Problem besteht dabei darin, dass der neue Teilnehmer 4 das Frequenzhopping-Verhalten und den Timeslot der bereits vorhandenen Knoten 2 kennen oder treffen muss. In einer Ausgestaltung halten dafür die bestehenden Knoten 2 jeweils einen Zeitbereich offen, in welchem sie auf die Funksignale möglicher neuer Teilnehmer horchen. In einer weiteren Ausgestaltung muss der neue Teilnehmer 4 den Funkverkehr abhorchen und daraus schlussfolgern, welcher Timeslot bzw. welches Frequenzhopping für ihn optimal ist, damit er sich in das bestehende Netzwerk 1 integrieren kann.
Die Erfindung bietet ein energiesparendes und schnelles Verfahren: Dem Netzwerkmanager 3 sind dabei die Positionen der einzelnen Knoten 2 und auch die Lokalität des neuen Teilnehmers 4 bekannt. Hierfür werden die Daten beispielsweise bei der Installation an den Manager 3 übermittelt. Ausgehend von dieser Sachlage ermittelt der Netzwerkmanager 3 denjenigen Knoten 2 oder diejenigen Knoten 2, welche sich in der Nachbarschaft zum neuen Teilnehmer 4 befinden. Dabei kann Nachbarschaft durch den geometrischen Abstand bestimmt sein. Es kann die Nachbarschaft allerdings auch durch eine möglichst energiearme Funkverbindungsstrecke definiert sein. Bei den zu dem neuen Teilnehmer 4 (F) benachbarten Knoten 2 handelt es sich um die Knoten C und E. Nach dieser Auswahl oder Bestimmung der vorhandenen Knoten C und E, versetzt der Netzwerkmanager 3 die benachbarten bzw. ausgewählten Knoten C und E in einen so genannten Integrationsmodus. Dieser Integrationsmodus ist derartig beschaffen, dass die Integration eines neuen Teilnehmers 4 in das Netzwerk 1 durch die Knoten C und E ermöglicht wird. Dabei handelt es beispielsweise um ein Zeitfenster, innerhalb dessen die Knoten C und E nur auf die Signale von sendenden Einheiten horchen und bei passender Kennung eine Integration des neuen Teilnehmers 4 vornehmen, d. h. ihm die passenden Integrationsdaten übermitteln. Dabei werden insbesondere die anderen Knoten 2, d. h. die nicht ausgewählten und somit auch nicht benachbarten Knoten 2 (hier: A, B und D) nicht in den Integrationsmodus versetzt. Somit sind diese Knoten A, B und D nicht in der Lage, einen neuen Teilnehmer 4 aufzunehmen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind somit die folgenden: Die Integration wird nur von den Knoten 2 vorgenommen, welche sich in der Nachbarschaft zum neuen Teilnehmer 4 befinden. Dadurch ist es möglich, die Energieanforderungen für die Funkkommunikation zu reduzieren. Weiterhin wird die Integration nur dann vorgenommen, wenn sie wirklich durch die Anwesenheit eines neuen Teilnehmers 4 stattfinden sollte, und sie wird überdies nur von einer sehr beschränkten Anzahl an Knoten 2 durchgeführt. Somit ist es im Allgemeinen nicht notwendig, für eine mögliche Integration Freiräume oder Freizeiten offen zu halten.
Der Netzwerkmanager 3 muss wiederum für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere derartig ausgestaltet sein, dass er über eine Datenbank bezüglich der Lokalität der einzelnen Knoten 2 verfügt, dass er überdies anhand der vorhandenen Daten auf die Entfernung bzw. auf die Eigenschaft der Nachbarschaft schließen kann, dass es möglich ist, neue Positionsdaten in ihn einzubringen und dass er überdies in der Lage ist, gezielt einzelne Knoten anzusprechen und in den Integrationsmodus zu versetzen. Die Daten über den neuen Teilnehmer 4 werden beispielsweise dem Netzwerkmanager 3 direkt über eine Leitwarte bzw. über eine manuelle Eingabe übermittelt. In einer weiteren Ausgestaltung verfügt der Netzwerkmanager 3 über die geographischen Daten der in der Anlage bzw. in dem Netzwerk 1 vorhandenen und installierten Komponenten, so dass der neue Teilnehmer 4 über die Assoziierung mit der installierten Komponente leicht lokalisiert werden kann. Ist also beispielsweise bekannt, an welchem Tank ein neues Feldgerät als neuer Teilnehmer 4 angebracht werden muss, so kann aus dem Wissen über die Position des Tanks die Berechnung der Nachbarschaft erfolgen. In einer weiteren Ausgestaltung verfügt die Fachperson, welche den neuen Teilnehmer 4 in die Anlage einbringt, über ein passendes Feldgerät zur Bestimmung seiner Position, z. B. über GPS, und zur Übermittlung der zugehörigen Daten an den Netzwerkmanager 3.

1: Netzwerk
2: Knoten
3: Netzwerkmanager
4: Neuer Teilnehmer
5: Ethernet

Claims

Verfahren zur Integration eines neuen Teilnehmers (4) in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk (1) der Prozessautomatisierungstechnik, wobei das Netzwerk (1) mindestens einen Knoten (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Knoten (2) mindestens anhand eines vorgebbaren Kriteriums ausgewählt wird, und dass der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) in einen Integrationsmodus gesetzt wird, welcher die Integration des neuen Teilnehmers (4) in das Netzwerk (1) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Knoten (2) mindestens anhand hinterlegter Daten über die Position des Knotens (2) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Knoten (2) danach ausgewählt wird, dass sein geographischer und/oder funktechnischer Abstand zu dem neuen Teilnehmer (4) kleiner ist als die Abstände der anderen Knoten (2) des Netzwerks (1) zu dem neuen Teilnehmer (4).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Knoten (2) danach ausgewählt werden, dass ihre geographischen und/oder funktechnischen Abstände zu dem neuen Teilnehmer (4) kleiner sind als die Abstände der anderen Knoten (2) des Netzwerks (1) zu dem neuen Teilnehmer (4).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) nur für einen vorgebbaren Zeitraum in den Integrationsmodus versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrationsmodus zurückgenommen wird, sobald der neue Teilnehmer (4) in das Netzwerk (1) integriert worden ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Integrationsmodus der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) für einen vorgebbaren Zeitraum in der Lage ist, Signale des neuen Teilnehmers (4) zu empfangen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Information über die Position des neuen Teilnehmers (4) übermittelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem drahtlosen Kommunikations-Netzwerk (1) um ein selbstorganisierendes Funknetzwerk handelt.