CN1881121A - 用于过程控制系统的无线架构和载体 - Google Patents

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Abstract

一种用在过程环境中的无线通信系统，利用网状通信以及可能的网状通信与点对点通信的结合，来生成一个易于建立、设置、改变和监控的无线通信网络，从而使得无线通信网络更低廉、更鲁棒且更可靠。该无线通信系统允许建立实际通信路径，并以独立于在加工工厂内不同的无线发送和接收设备之间发送无线信号的方式用在过程控制系统中，从而以独立于加工工厂内的特定消息或实际通信路径的方式工作。更进一步，提供通信分析工具以使用户或操作者监视该无线通信系统的工作，从而对该无线通信网络中的无线通信的当前工作作出分析。

Description

用于过程控制系统的无线架构和载体
技术领域
本发明公开了一种用于在分布式过程控制系统中提供无线通信的方法和装置，该方法和装置可在过程控制系统中的各种远程设备和基地计算机之间建立并保持稳定的无线通信连接。
背景技术
过程控制系统广泛地应用于进行产品制造或过程控制的车间和/或工厂，例如化学制造、电厂控制等。过程控制系统还应用于自然资源的获取，例如，石油和天然气的钻取与加工处理等。事实上，几乎所有的制造过程、资源获取过程等都可以通过应用一或多个过程控制系统来实现自动化。可以确信，过程控制系统最终也将会更广泛地应用于农业。
过程控制系统的实现方式已经过多年的发展。早前的过程控制系统通常利用专用的、集中的硬件及硬布线连接来实现。
然而，现代的过程控制系统通常利用工作站、智能控制器、智能现场设备等的高度分布式网络来实现，这些设备中的一部分或者全部可执行整个过程控制策略或方案的一部分。具体地，大多数现代过程控制系统都包括智能现场设备和其它过程控制部件，它们通过一根或多根数字数据总线彼此相互通信连接和/或通信连接到一或多个过程控制器。除智能现场设备之外，现代过程控制系统还可包括模拟现场设备，例如4～20毫安培(mA)的设备、0～10伏特的直流电压(VDC)设备等，与共享的数字数据总线等形成对照，这些设备通常直接连接到控制器。
在典型的工业工厂或加工工厂中，应用分布式控制系统(DCS)以便对在工厂内进行的众多工业化过程进行控制。工厂可设立具有计算机系统的集中式控制室，该计算机系统具有用户输入/输出(I/O)、磁盘I/O以及其它计算机领域内公知的外部设备，并且一或多个过程控制器和过程I/O子系统通信连接到该集中式控制室。另外，一或多个现场设备典型地连接到I/O子系统和过程控制器，以便在工厂内进行控制和测量活动。当过程I/O子系统可包括连接到遍及工厂内的各种现场设备的多个I/O端口时，这些现场设备可包括各种类型的分析装置、硅压力传感器、电容压力传感器、电阻温度探测器、热电耦、应变仪、限位开关、开/关闸、流量传送仪、压力传送器、电容电平)开关(capacitance level switches)、重量秤、变换器、阀门定位器、阀门控制器、执行器、电磁管、指示灯或任何其它典型地用在加工工厂的设备。
这里用到的术语“现场设备”既包括所提及的设备，也包括任何一个在控制系统中执行某一功能的其它设备。无论如何，现场设备可包括，例如，输入设备以及响应于从控制器和/或其它现场设备接收到的命令而执行动作的控制操作器或执行器，其中输入设备例如提供指示诸如温度、压力、流速之类的过程控制参数的状态信号的传感器等设备。
传统上，模拟现场设备通过两线双绞线电流环连接到控制器，且各个设备都通过单独的两线双绞线连接到控制器。模拟现场设备能够在特定范围之内响应或传送电信号。在典型的结构中，双绞线的两根线之间通常具有大约20～25伏特的电压差，并且会有4～20mA的电流流过电流环。传输信号到控制室的模拟现场设备对流过电流环的电流进行调制，使得此电流与测量到的过程变量成比例。
在控制室控制下执行操作的模拟现场设备由通过电流环的电流强度来控制，此电流由被控制器顺序控制的过程I/O系统的I/O端口进行调制。具有有源电子(active electronics)的传统双线模拟设备也能从此电流环接收高达40千瓦的电能。需要更高电能的模拟现场设备典型地利用四线连接到控制器，其中四线中的两根线输送电能给设备。这种设备在现有技术中已知为四线设备，并且不像典型的双线设备那样具有电能限制。
离散现场设备可传送或响应于二进制信号。典型地，离散现场设备在24伏特的交流(AC)或直流(DC)信号、110伏特或240伏特AC信号，或5伏特DC信号下工作。当然，离散设备可设计为根据由特定控制环境要求的电气性能工作。离散输入的现场设备可以仅为使该设备与控制器接通或断开的开关，而离散输出的现场设备会根据是否存在来自控制器的信号来执行操作。
从历史上看，多数传统的现场设备具有与现场设备所执行的主要功能直接相关的单一输入或单一输出。比如，由传统的模拟电阻温度传感器实现的唯一功能是通过调制流过两线双绞线的电流来传送温度，由传统的模拟阀门定位器实现的唯一功能是根据流过两线双绞线的电流量来将阀门定位到处于全开位置和全闭位置之间的某个位置上。
近年来，作为混和系统一部分的现场设备已经可以在用于传送模拟信号的电流环上叠加数字数据。这种混和系统在控制领域内的一种公知技术是高速可寻址远程传感器(HART)的协议。HRAT系统利用电流环中的电流量来发送模拟控制信号或接收测量到的过程变量，这一点类似传统的系统，但是其还在电流环信号上叠加数字载波信号。HART协议利用Bell 202频移键控(FSK)标准，以便在4～20mA模拟信号之上叠加低电平的数字信号。这使得双向现场通信得以出现，并且使得普通过程变量之外的附加信息可以发送到/接收自智能现场仪器。HART协议在不干扰4～20mA信号的情况下以每秒1200比特的速率通信，并且允许主机应用程序，即主控制器，每秒从现场设备获得两次或更多次数的数字更新。由于数字FSK信号是相位连续的，因此它与4～20mA的信号间没有干扰。
由于FSK信号相对较慢，因此，可以以每秒大约2～3次更新的速率提供二级过程变量或其它参数的更新。一般来说，数字载波信号用来发送二级信息和特征信息，并且不用于实现现场设备的主要控制功能。提供在数字载波信号之上的信息的示例包括：二级过程变量、包括传感器特征、设备特征、线路特征和过程特征在内的特征信息、工作温度、传感器温度、校验信息、设备ID号、结构材料、构造或设计信息等。因此，单个混和现场设备可具有多个输入和输出变量，并可实现多种功能。
近年来，美国仪表学会(ISA)已经规定了更新的控制协议。此新协议通常指的是现场总线(Fieldbus)，更具体地指的是SP50，即标准和应用小组委员会50的缩写。Fieldbus协议定义了两个子协议。H1 Fieldbus网络以高达每秒31.25千比特的速率传输数据，并向连接到该网络的现场设备供电。H2 Fieldbus网络以高达每秒2.5兆比特的速率传输数据，不向连接到该网络的现场设备供电，并且具有冗余的传输介质。现场总线是非专有的开放标准并在当前广泛应用在工业中，同样地，多种类型的现场总线设备已经得到发展并应用在加工工厂中。由于现场总线设备除可在HRAT与4～20mA设备中使用之外，还可用于其它类型的现场设备，所以现场总线具有与这些不同类型设备中每一设备相关的独立载体和I/O通信结构。
较新的智能现场设备本质上是全数字的，并具有不便于与较早的控制系统衔接或相容的维护模式和增强功能。即便分布式控制系统的所有部件都符合同一标准，例如现场总线标准，但是一家制造商的控制设备也可能无法访问由另一家制造商的现场设备提供的二级功能和二级信息。
因此，过程控制系统设计的一个尤为重要的方面涉及现场设备与现场设备、与控制器以及与过程控制系统中或加工工厂内其它系统或设备之间的通信连接方式。一般来说，使现场设备能够在过程控制系统中运行的各种通信信道、链路和路径，通常被统称为输入输出(I/O)通信网络。
用以实现I/O通信网络的通信网络拓扑和物理连接或路径，对现场设备通信的鲁棒性或完整性有实质性的影响，尤其是在I/O通信网络受到与过程控制系统相关的环境因素或状况影响时。例如，许多工业控制应用经常使现场设备及相关I/O通信网络经受苛刻的物理环境以及恶劣的电环境，其中苛刻的物理环境例如高、低或多变的环境温度、震动、腐蚀性气体或液体等，而恶劣的电环境例如高噪声环境、不良的功率品质、瞬时电压等。不管怎样，环境因素能够损害在一或多个现场设备、控制器等之间的通信完整性。在某些情况下，这些受损的通信会妨碍过程控制系统以有效或正确的方式执行自身的控制程序，这会导致过程控制系统的效率和/或效益降低、过度磨损或损坏设备，以及可能损坏或破坏设备、建筑结构、环境和/或人员的危险状况。
为使环境因素的影响降至最低并确保稳定的通信路径，用于过程控制系统的I/O通信网络曾经是硬布线网络，且布线包裹在诸如绝缘、屏蔽和管道之类的环境防护材料中。而且，这些过程控制系统中的现场设备曾经典型地利用硬布线分级拓扑结构通信连接到控制器、工作站和其它过程控制系统部件，其中在分级拓扑结构中非智能现场设备利用诸如4～20mA、0～10VDC等硬布线接口或I/O板之类的模拟接口直接连接到控制器。诸如Fieldbus设备之类的智能现场设备也通过硬布线数字数据总线进行连接，它们经智能现场设备接口连接到控制器。
虽然硬布线I/O通信网络最初能提供鲁棒的I/O通信网络，但是其鲁棒性会因为环境的压力，例如腐蚀性气体或液体、震动、湿度等，而随着时间严重退化。例如，与I/O通信网络线路关联的接触电阻可能会由于腐蚀、氧化等大幅增加。另外，线路绝缘和/或屏蔽可能会退化或失效，从而产生环境电干扰或噪声能够更容易地使经I/O通信网络线路传输的信号劣化的状况。在某些情况下，失效的绝缘会导致短路的情形，这种情形会引起关联的I/O通信线路的完全失效。
另外，安装硬布线I/O通信网络通常很昂贵，尤其在I/O通信网络与分布在较大地理区域中的大型工厂或设施相关联的情况下，比如，占用数英亩土地的炼油厂或化工厂。在许多情况下，与I/O通信网络相关联的布线必须跨越长距离和/或穿过、埋线于或围绕许多结构，例如墙壁、建筑物、设备等。如此长的布线距离通常要牵扯相当大量的劳动力、材料及费用。进一步，如此长的布线距离极易因线路阻抗以及连接电干扰而引起信号劣化，并且这两种情况都能够引起通信不可靠。
而且，这种硬布线I/O通信网络在需要改造或更新时通常难于重新设置。增加新的现场设备通常需要在新的现场设备和控制器之间安装线路。由于长布线距离以及经常在以前的过程控制工厂和/或系统中遇到的空间限制问题，所以以这种方式改造加工工厂会非常困难和昂贵。沿可用布线路径置入的管道、设备和/或结构内的大量线路数目，会明显地增加改造现有系统或者在现有系统中增加现场设备的困难。在这种情况下，以具有不同现场布线要求的新的现场设备替换现有现场设备，也存在同样的困难，这是因为必须安装更多和/或不同的线路以便与新设备适配。这些改造一般也会导致大规模的工厂停工。
已有建议使用无线I/O通信网络以减轻与硬布线I/O网络相关的困难。比如，泰普生(Tapperson)等人的美国专利申请序列号No.09/805,124公开了一种提供在控制器和现场设备之间的无线通信以作硬布线通信的增加和补充之用的系统。但是，在当前的加工工厂内使用的无线I/O通信网络，即便不是全部也是其中的大部分都利用相对昂贵的硬件设备来实现，例如无线使能路由器、集线器、开关等，它们中的大多数消耗相对大量的电能。进一步，诸如卡车、火车的经行之类的断续干扰、环境或相关状况等，都使得无线通信网络不可靠并因此而容易出现问题。
另外，已知的包括硬件和相关软件在内的无线I/O通信网络，通常使用点对点通信路径，这些路径在安装期间被仔细地选择出并在后续系统工作期间被固定。在这些无线I/O通信网络中建立固定的通信路径通常包括动用一或多名专家来进行昂贵的现场勘测，现场勘测能让专家确定收发器和其它通信设备的类型和/或位置。进一步，一旦通过现场勘测结果选择出固定的点对点通信路径，这些专家中的一或多名就必须在随后设置设备、调谐天线等。虽然一般选择点对点路径来确保满足要求的无线通信，但是随着车间的变迁，比如移动或增加设备、墙壁或其它构造，会降低最初选择的路径的可靠性，从而导致不可靠的无线通信。
虽然无线I/O通信网络能够，例如降低与硬布线通信路径相关的长期的鲁棒性问题，但由于无线I/O通信网络相对不太灵活，且在过程控制工业中多数被认为无法可靠地执行关键的或者必需的过程控制功能。例如，目前没有简便的方式可以指示出无线通信在何时工作不当，或者在何时已经退化到无线链路上的通信不太可靠的程度，或者在何时完全地停止。因此，在实现关键或者必需的过程控制功能时，当前的过程控制操作对无线通信网络的信任度很低。
因此，由于安装无线I/O通信网络相关的成本，例如现场勘测、专家设置等，以及当前的过程控制系统的操作员对无线通信的相对较低的信任度，所以无线I/O通信网络的价格通常令其客户望而却步，尤其对于诸如典型地用在工业应用之类的相对大型的过程控制系统而言更是如此。
发明内容
本发明公开了一种用在过程控制系统中的无线通信架构，包括利用网状通信以及可能的网状通信与点对点通信的结合，来生成一个易于建立、设置、改变和监控的更为鲁棒的无线通信网络，从而使得无线通信网络更鲁棒、更低廉且更可靠。该无线通信架构以这样一种方式实现，即独立于加工工厂内的特定消息或实际通信路径，事实上，该无线通信网络被实现为允许建立实际通信路径，并以独立于在加工工厂内的不同无线发送和接收设备之间发送的无线信号的方式用在过程控制系统中。
优选情况下，采用一或多个环境节点来控制和优化无线通信网络的工作。环境节点链接到现场“环境”设备，该现场“环境设备”提供指示诸如温度、大气压力、湿度、降雨量和无线电频率(RF)环境噪声、能够改变网络的工作的其它环境因素之类的一或多个环境因素的信号。
在另一优选情况下，该网络包括链接到无线卡的主控制器。该无线卡与中继节点通信，中继节点反过来与现场节点通信。现场节点链接到多个现场设备。在另一优选情况下，可以删除中继节点。在另一优选情况下，上面提到的环境节点和环境检测设备可包括也可不包括一或多个中继节点。在进一步的优选情况下，现场节点和环境节点包括多个用于与现场设备通信的端口。
在优选情况下，建立无线通信网络以便在加工工厂内的不同设备之间传输HART通信信号，从而使得鲁棒的无线通信网络被应用在加工工厂或其它兼容HART设备的环境中。
在一个实施例中，公开了一种过程控制无线通信网络，包括基节点、现场节点、环境节点和主机。基节点通信连接到主机。基节点、现场节点以及环境节点中的各个节点都包括无线转换单元和无线收发器。基节点、现场节点以及环境节点的无线收发器实现基节点、现场节点以及环境节点之间的无线通信。现场节点包括至少一个提供过程控制数据的现场设备。环境节点包括至少一个提供与可影响无线通信网络工作的环境因素相关的数据的现场设备。
在优选情况下，该网络还包括中继节点，该中继节点包括无线转换单元和无线收发器。该中继节点实现基节点、现场节点以及环境节点之间的无线通信。
在另一优选情况下，环境节点包括多个现场设备，这各个现场设备提供从包括温度、大气压力、湿度、降雨量和无线电频率环境噪声的组中选择的数据。
在另一优选情况下，现场设备中的至少一些是HART协议设备。在另一优选情况下，现场设备中的至少一些是FieldbusTM协议设备。
在另一优选情况下，该网络包括多个策略地布置在过程区域周围的环境节点，以便向该过程区域内的不同位置传送环境数据。
在一种优选情况下，基节点、现场节点以及环境节点形成网状通信网络，提供任意两个无线节点之间的多条通信路径。在另一优选情况下，基节点、现场节点以及环境节点形成点对点通信网络。在再一优选情况下，该网络包括开关设备，该开关设备把基节点、现场节点以及环境节点从网状通信网络转换成点对点通信网络，并且反之亦然。
还公开了通信工具，以使操作者能够监视无线通信系统的图示，从而方便地确定建立在加工工厂中的真实无线通信路径、确定任意特定路径的品质并确定或监视经过无线通信网络从发送器传送到接收器的信号的性能，从而使用户或操作者可以评估无线通信网络的整体工作特性。
在优选情况下，通信工具包括一或多个示出节点之间的连通性的图形拓扑图、示出连通性矩阵和跳数的列表、以及示出硬件设备的位置和连通性的实际图。示出网络的基节点、现场节点和环境节点之间的无线通信的监控器可以与基节点或者主机相连。在另一优选情况下，拓扑屏幕显示还示出了基节点、现场节点和环境节点设置在其中的过程区域或环境的结构特性。在另一优选情况下，主机被编程为提供表形屏幕显示，列出网络的各种节点之间的通信的跳数。
在另一优选情况下，设置无线通信网络以便在加工工厂内的不同设备之间传输现场总线通信信号，从而使得鲁棒的无线通信网络在加工工厂或者在兼容现场总线的设备与兼容HART的设备相结合或取代兼容HART设备的环境中使用。
在优选情况下，公开了一种用于控制过程的方法，包括接收来自至少一个现场设备的现场数据，将现场数据从现场节点无线地发送到基节点，将现场数据转换到不同的协议，将不同协议的现场数据传输到路由节点，在路由节点处确定用于接收不同协议的现场数据的目标设备，发送不同协议的现场数据到目标设备。
在另一优选情况下，公开了一种监控无线过程控制网络的方法，包括接收来自环境节点的一或多个环境现场设备的环境数据，无线地传输环境数据到基节点，传输环境数据到主机，在主机处解析环境数据，从主机向基节点发送命令以便根据环境数据调整该无线网络的至少一个工作参数，将该命令从基节点传输到包括至少一个现场设备的至少一个现场节点以执行所述命令。
通过阅读下述详细说明和独立权利要求并参考附图，其它优点和特征将变得清楚。
附图说明
为更完整地理解本发明，参考在附图中详尽示出并在下文中通过示例方式进行说明的实施例。在附图中：
图1是传统的硬布线分布式控制系统的组合方框和示意图；
图2是根据本发明设计的过程环境的部分中的无线通信网络的组合方框和示意图；
图3是示出网状无线通信和点对点无线通信的过程环境中的无线通信网络的图；
图4是可用于在图3的通信网络中的网状通信和点对点通信之间切换的网状和点对点使能通信设备的方框图；
图5是由无线网络分析工具创建的几何拓扑屏幕显示的示例，示出根据本发明设计的无线通信系统中的不同设备之间的无线通信；
图6是以表形呈现并由所公开的无线网络分析工具创建的拓朴屏幕显示的示例，示出在所公开的无线通信系统中各个无线通信设备之间的跳数目或跳数；
图7是由所公开的无线网络分析工具创建的拓扑屏幕显示的示例，示出工厂布局的图形内的无线通信，以使操作者或其它用户监视无线通信网络中发生的特定通信以及由工厂布局带来的潜在物理障碍；
图8是由所公开的无线网络分析工具创建的屏幕显示的示例，使得用户或操作者能够在无线通信网络中指定通道路由和标示；
图9是由无线网络分析工具创建的的屏幕显示的示例，示出与无线通信系统中不同设备之间的无线通信相关的信息的图形化显示，使用户或操作者能够分析该无线通信网络的工作性能和参数；以及
图10是利用例如EMBER协议这样的第二通信协议无线地实现HART通信协议的无线通信设备的框图；
应理解，附图并不按比例，并且通过图形符号、虚线、图形表示和局部视图来显示实施例。在某些情况下，为便于理解所公开的实施例和方法，省略了不必要的细节或者导致其它细节难以被理解的地方。本发明并不限于所示出的特定实施例。
具体实施方式
图1示出了一个典型的硬布线分布式过程控制系统10，该系统包括连接到一或多个主工作站或主计算机14的一或多个过程控制器12，其中主工作站或主计算机14可以是任何类型的个人计算机或工作站。过程控制器12还连接到输入/输出(I/O)设备20、22的存储区，反过来，I/O设备20、22连接到一或多个现场设备25～39。仅就示例而言，控制器12可以是Fisher-Rosemount系统有限公司出售的DeltaVTM控制器，其通过例如以太网连接40或其它通信链路通信连接到主计算机14。同样，控制器12利用任何所需的硬件和相关的软件通信连接到现场设备25～39，例如，标准4～20mA设备和/或诸如Fieldbus协议或HART协议之类的智能通信协议。正如通常所知，控制器12执行或管理自身存储的或者与其相关的过程控制程序，并且与设备25～39通信，以便以所需方式对过程进行控制。
现场设备25～39可以是任何类型的设备，例如传感器、阀门、传送器、定位器等。存储区20、22中的I/O卡可以是遵循诸如HART、Fieldbus、过程现场总线(Profibus)之类的所需通信或控制器协议的任何类型的I/O设备。在图1所示实施例中，现场设备25～27是在模拟线路上与I/O卡22A通信的标准4～20mA设备。现场设备28～31是连接到与HART兼容的I/O设备20A的HART设备。同样，现场设备32～39是诸如Fieldbus现场设备之类的智能设备，它们在数字总线42或44上利用例如Fieldbus通信协议与I/O卡20B或22B通信。当然，现场设备25～39以及I/O卡20和22的存储区也可遵循除4～20mA、HART或Fieldbus协议之外的任何其它所需标准或协议，其中包括在未来开发出的任何标准或协议。
各个控制器12被设置为执行通常被称之为功能块的控制策略，其中各个功能块是整个控制程序的一部分，例如是子程序，并且通过称之为链路的通信工具与其它功能块协同工作，以便在过程控制系统10中执行过程控制环。功能块典型地实现输入功能、控制功能或输出功能中的一项功能，以实现过程控制系统10中的某些物理功能，其中输入功能例如与传送器、传感器或其它过程参数检测设备相关的功能，控制功能例如与实现PID、模糊逻辑等控制的控制程序相关的功能，输出功能控制诸如阀之类的某些设备的工作。当然，也存在混合类型或其它类型的功能块。这些功能块的组群称之为模块。在功能块用于4～20mA设备和某些类型的智能现场设备或与这些设备相关的情况下，这些功能块和模块可存储在控制器12中并由控制器12来执行，或者，在功能块用于Fieldbus设备或与Fieldbus设备相关的情况下，这些功能块和模块可存储在现场设备中并由现场设备来执行。尽管图1所示控制系统10被描述为利用功能块控制策略，但是控制策略也可利用其它规则来执行或设计，比如梯形逻辑图、顺序流程图等，以及利用任意的专用或非专用编程语言来执行或设计。
正如从对图1的描述中看出的，主工作站14和控制器12之间的通信以及控制器12与现场设备25～39之间的通信通过硬布线通信连接实现，其中包括HART、Fieldbus和4～20mA硬布线通信连接中的一或多个。然而，如前所述，人们期望用这样一种方式的无线通信替代或增强图1中过程环境中的硬布线通信连接，即一种可靠、易于建立和设置、向操作者或其它用户提供分析或检查该无线网络的功能性能的能力等的无线通信网络。
图2示出了用于提供在图1所示不同设备之间的通信的无线通信网络60，更特别地，该无线通信网络用于提供图1中的控制器12或相关I/O设备22与现场设备25～39之间、控制器12与主工作站14之间、或主工作站14与图1中的现场设备25～39之间的通信。然而，应理解，图2中的无线通信网络60可用于提供加工工厂或加工环境中任意其它类型或款式的设备之间的通信。
图2的通信网络60被示出为包括一或多个基节点62、一或多个中继节点64、一或多个环境节点66以及一或多个现场节点68的各类通信节点，其中环境节点66在图2中示出为节点66a和66b，现场节点68在图2中示出为节点68a、68b和68c。一般来说，无线通信网络60的节点以网状通信网络工作，其中各个节点接收信息，判断该信息的目的地是否为本节点，如果不是，则在通信范围之内将该信息转发或传送到其它节点。正如所知，网状网络中的任何节点可在范围内与其它节点通信，以便在网络中传送信息，特定的通信信号在到达目的地之前经过多个节点。
如图2所示，基节点62包括或通信连接到工作站或主计算机70，工作站或主计算机70可以是例如图1的主机或工作站14中任何一个。尽管基节点62被示出为通过硬布线以太网连接72连接到工作站70，但也可代之以使用其它通信链路。正如下文的详述，基节点62包括无线转换或通信单元74和无线收发器76，以实现在网络60上的无线通信。特别地，无线转换单元74从工作站或主机70获取信号，并把这些信号编码为随后通过收发器76的发送器部分在网络60上发送的无线通信信号。相反地，无线转换单元74对通过无线收发器76的接收器部分接收到的信号进行解码，以判断该信号的目的地是否为基节点62，如果是，则进一步解码该信号以拆除无线编码，从而产生由位于网络60中的不同节点64、66或68处的发送器所生成的原始信号。
正如将会被理解的，按照类似方式，包括中继节点64、环境节点66和现场节点68在内的其它通信节点中的各个节点包括通信单元74和无线收发器76，通信单元74和无线收发器76用于编码、发送和解码通过无线网状网络60发送的信号。尽管通信网络60中的不同类型节点64、66、68在某些重要方面有所区别，但是这些节点通常地工作以接收无线信号，解码该信号以确定该信号的目的地是否为节点自身或者连接到自身的位于无线通信网络60外部的设备，并在该信号的目的地并非自身且之前并未由自身传送过时转发或中继传送该信号。如此，信号从源节点发送到无线通信范围内的所有节点，并且非目标节点的范围内的各个节点随后将该信号转发到该节点范围内的其它所有节点，此过程一直持续到该信号已经传送到至少一个其它节点范围内的所有节点。
然而，中继节点64工作以便仅在通信网络60中转发信号，从而使信号从一个节点经中继节点64转发到第二节点62、66或68。基本上，中继节点64的功能是充当两个不同节点之间的链路，以便在一节点不在另一节点的直接无线通信范围之内时，确保信号可以在这两个不同节点之间传送。由于中继节点64通常不依赖于该节点处的其它设备，所以中继节点64只需要对接收到的信号进行解码，以确定该信号是否是之前已经由中继节点转发过的信号，也就是，由该中继节点在之前发送过、并且由于通信网络60中不同节点的转发功能而仅在中继节点被回收的信号。如果中继节点之前没有收到特定信号，则中继节点64仅工作为通过中继节点64的无线收发器76来转发信号以中继发送该信号。
另一方面，各个现场节点68通常连接到加工工厂环境中的一或多个设备，一般来说，连接到图2所示现场设备80～85中的一或多个现场设备。现场设备80～85可以是任意类型的现场设备，其中包括例如四线设备、两线设备、HART设备、Fieldbus设备、4～20mA设备、智能设备或非智能设备等。为达到示例的目的，图2的现场设备80～85示出为遵循HART通信协议的HART现场设备。当然，设备80～85可以是任意类型的设备，比如传感器/发送器设备、阀门、开关等。另外，设备80～85可以是不同于传统现场设备的现场设备，比如控制器、I/O设备、工作站或其它类型的设备。
无论如何，现场节点68a、68b、68c包括连接到对应现场设备80～85的信号线，以接收来自现场设备80～85和发送到现场设备80～85的信息。当然，这些信号线可直接地连接到设备80～85，例如，直接连接到HART设备，或连接到已经连接到现场设备80～85的标准HART通信线路。如有需要，现场设备80～85可连接到其它设备，例如图1中的I/O设备20A或22A，或者在连接到现场节点68a、68b、68c之外通过硬布线通信线路连接到任意其它所需设备。另外，如图2所示，任一特定现场节点68a、68b、68c可连接到多个现场设备，例如现场节点68c被示出为连接到四个不同的现场设备82～85，并且现场节点68a、68b、68c中的每一现场设备工作，以发送信号到与其连接的现场设备80～85并从现场设备80～85接收信号。
为协助管理通信网络60的操作，采用环境节点66。这样的话，环境节点66a和66b包括设备或传感器90～92，或者通信连接到设备或传感器90～92，传感器90～92测量诸如湿度、温度、大气压力、降雨量之类的环境参数，或者可影响在通信网路60中进行的无线通信的其它环境参数。如下面将详细说明的，由于无线通信中的很多中断至少一部分是由环境状况引起的，所以这些信息可用于分析和预测该通信网络中的问题。有需要的话，环境传感器90～92可以是任意类型的传感器，并且可包括例如HART传感器/发送器、4～20mA传感器、或者是任意设计或构造的板上传感器。当然，各个环境节点66a、66b可包括一或多个环境传感器90～92，并且有需要的话，不同的环境节点可包括相同或不同类型或种类的环境传感器。同样，有需要的话，节点66a、66b中的一或多个可包括电磁环境噪声测量设备93以测量环境电磁噪声级别，尤其是通信网络60所使用的用以传送信号的波长下的环境电磁噪声级别。当然，如果通信网络60采用无线电频率(RF)频谱之外的频谱，则一或多个环境节点66可包括不同类型的噪声测量设备。更进一步地，尽管图2的环境节点66可描述为包括环境测量设备或传感器90～93，但是任何其它节点68也可包括这些测量设备，从而使分析工具在分析通信网络60的操作时，可以确定每个节点处的环境状况。
利用图2所示通信系统60，在工作站70上运行的应用程序可发送数据包到基节点62处的标准控制器75具有的无线基卡(base card)74，并从无线基卡74接收无线数据包。该控制器75可以是，比如DeltaV控制器，并且其通信与通过以太网连接到DeltaV控制器的标准I/O卡的通信相同。尽管就控制器和个人电脑(PC)应用程序而论，这种情况下的I/O卡包括无线基卡74，但是其看起来就像是标准HART I/O卡。
在这种情况下，基节点62处的无线卡74编码用于无线传输的数据包，并且基节点62处的无线收发器76传输信号。尽管图2示出了被传输的信号可直接到达诸如68a之类的现场节点，但是很多被传输的信号也可经中继节点64传送到诸如68b和68c之类的其它现场节点。在同样的方式下，在现场节点68处产生并由现场设备68传送的信号可直接到达基节点62和其它现场节点66，或者在传送到基节点62之前经过诸如中继节点64或另外的现场节点之类的其它节点。因此，无线网络60上的通信路径可能通过中继节点，也可能不通过中继节点64，特定情况下，可在到达目标节点之前经过多个节点。如果发送节点与基节点62是直接通信可达的，则将会直接交换数据。数据包是否通过中继节点64传输对于最终用户或者甚至对于卡固件来说都是透明的。
应注意，图2是示意性视图，并且环境节点66a、66b相对于现场节点68a～68c的位置，并非确定为相对于它们在实际过程控制区域中的真实位置。更确切地说，环境节点66a、66b以及其它未示出的环境节点或单一环境节点，被确定为按照图7所示逻辑和策略方式布置在过程控制区域周围。换句话说，环境节点66应布置在间隔开的位置上，例如，大型障碍物的相对端或设备的各个部分或存在来自机动车的干扰的马路附近。并且，如果可行的话，环境节点应同时布置在室内和室外。环境节点66的网络被确定为利用基节点62和主机70，基节点62和主机70作为通过增加或降低信号强度、增益和频率等监控和修正无线网络60的工作的工具。
应注意，现场节点68布置在或接近于各种过程站。节点68可以是重要的安全设备，或可能用来监控和/或控制各种过程。进一步，使用多于一个中继节点64，事实上，图2只是一个例子，它是由仅需要一个环境节点66这一情况决定的，会有必要使用多于一个或不使用中继节点64，并且三个或更多环境节点68是必要的。
转向图3和图4，可预见图2的无线网络60可在网状通信模式和点对点通信模式之间来回地切换。图3示出了具有与中继节点102a、102b、102c通信的基节点101的网络100。中继节点102a～102c依次与如在104处示出的多个或者成群的环境节点、现场节点或这二者的组合通信。用于图3的点对点无线通信系统以实线示出，而可选的网状结构以虚线示出。
转向图4，除了图中未示出的无线和收发器之外，示意性示出了可设置在基节点101中的开关设备105。开关105用于将网络100从图3中的虚线所示的网状无线网络，转换为以图3所示实线的示例地示出的点对点无线网络。当然，点对点通信可按照很多方式设置，图3所示实线仅是一个示例。图4所示的开关设备105可包括电子开关元件106，其将设备105在网状无线收发器76a和点对点无线收发器76b之间切换。
如上所述，所公开的网络60包括可进行编程以提供对于操作者来说有用的多种图形界面的基节点62和主机70。这些图形界面的示例如图5～9所示。转向图5，公开了示出基节点BA和多个其它节点之间的无线网络的几何拓扑屏幕图110，其中其它节点可以是图5中按照03、04、05、06、07、08、09、10(0A)和11(0B)进行编号的一或多个中继节点、现场节点和环境节点。图5的拓扑图110以黑实线示出了两个节点之间的成功通信，比如，基节点BA与节点7之间的通信这样的示例。一个方向的成功通信以带叉号的较轻线表示，这种线的一个示例是节点03和节点10(0A)之间的线。不成功的通信以破折线或虚线表示，缺少通信的一个示例如节点05和节点11(0B)之间的虚线。图5还示出了节点之间的“跳数”。例如，参见节点04和07，图5的节点04和07之间的破折线或虚线表示节点04和07之间没有直接的无线通信，但是在节点04与05之间存在通信，并且在节点05和07之间存在单向通信。因此，对于节点04和07之间的单向通信来说，其跳数为2，即从节点04到05并从节点05到07。可选地，节点04和07之间的双向通信，其跳数也为2，即从节点07到03并从节点03到04。明显地，跳数越少，通信质量越高并越可靠。
图5所示网络的跳数在图6中以表方式显示。图5中标示为10和11的节点在图6中用0A和0B表示。由于基节点BA与从03到0B的所有节点直接通信，所以基节点BA与从03到0B的任一节点之间的跳数为1，如图6所示的表的第一行所表示的。转向图6的表的第二行，由于图5的节点03不包括从自身发出的虚线，所以节点03与其它所有节点间的跳数为1。但是，转向图6的表的第三行并参见图5，会注意到节点04包括延伸在节点04和07之间的虚线，因此节点04和07之间不可能有直接通信。由此，为将节点04连接到节点07，经过节点05的通信的跳数为2。再进一步，由于图5中节点04和节点09之间存在颜色较轻的带叉号的线，所以这两个节点之间不可能有直接双向通信。结果，为实现节点04和09之间的双向通信，必须如图6的表所示通过节点08进行通信。包括在图6中的所有条目表示跳数为2。
转向图7，与图5所示类似的拓朴图示出为针对实际过程环境的图的覆层。具体地，各个点是在图5中示出并列在图6的表中的节点1～9的位置。图7为操作者提供了监视真实操作环境的背景中的无线连接度的机会。全局设置系统的参考点以111、112来表示，以便确定节点之间的实际距离。
转向图8，现场设备80～85以及90～93可看起来是作为标准HART设备的节点62或主机70。这使得诸如AMS软件之类的应用程序可以无缝地运行在无线网络60之上。为使用AMS软件时，无线现场节点66和68需要知道如何路由消息。这可利用图8所示路由图120来实现。图120存储在基单元62的非易失性存储器中，也可存在主机70的存储器中。实际的路由利用合并等价于8通道HART卡的基卡。该路由工具随后将8路虚拟HART通路映射到远程现场节点及其通道。图8示出了用于8个不同设备的映射设置。各个现场类型的无线节点可包括4个不同的HART通道，但是现场设备只有一个唯一的ID号。实际目标通道嵌入在无线包中。各个无线单元的ID基于2字节。第一字节是网络号并与无线接口中的实际无线电通道相关。第一字节的数字在为从1到12的范围内变化。第二字节是节点在网络中的标志，并且在从1到15的范围内变化。当节点首次被初始化时，其默认地址是010F，这表示网络为1，地址为15。这种地址设置中的例外是基单元，其第一字节通常是BA，而第二字节代表该设备所在的网络。
转向图9，示出了用于在图1的主机70上显示的另一图形图示130。其中示出了4幅图，一幅图紧邻另一幅图，而在x轴上绘出时间。最上的图131绘出了针对整个系统的总跳数，如图所示，跳数平均为72或稍小。跳数的增加会向操作者告警。图9中的其它图提供了来自图2所示环境节点66的环境信息。图132提供了大气压力的读出值；图133提供了湿度的读出值；而图134提供了在工作频率段的整体RF背景噪声的读出值。未在图9中示出的其它环境指示可以是温度和降雨量。
转向图10，会注意到图2所示设备80～85中的很多设备会是HART现场设备，并且因此现场节点68会向中继节点64发送HART信号，或直接向在图10所示实施例中可能是分离元件或可能包含基节点62的部分的转换节点140发送HART信号。HART信号也可能从所示环境节点66发送出。转换节点140包括软件以便将HART信号转换到不同协议，比如用于低功耗无线网络软件和无线技术的EMBER协议。参见http://www.ember.com/。当然，其它协议也是可用的，并且对于本领域技术人员来说是清楚的。转换节点140把HART信号转换为141处的EMBER数据包。该数据包包括源标志142和目标标志143，这些标志由基节点62中或转换节点140中的软件来确定。HART消息144被夹在源数据142和目标数据143之间。该信号随后发送到路由节点145，该节点根据目标信息143确定待将数据发送到的目标设备146。路由节点145随后通过一或多个中继节点64和/或现场节点68把数据传输到目标设备146。可用于将现场设备信号从一种协议，例如HART，转换到另一种协议的软件的一类是由Acugen，http://www.acugen.com/jts.htm，出售的GTS软件。
尽管本发明已参照优选实施例进行了说明，但是本领域技术人员将会承认，在不背离本发明精神和范围的前提下可在形式和细节上作出改变。

Claims (25)

1、一种过程控制无线通信网络，包括：
基节点、现场节点、环境节点和主机，
所述基节点通信连接到所述主机，
所述基节点、现场节点和环境节点中的各个节点包括无线转换单元和无线收发器，
所述基节点、现场节点和环境节点的无线收发器实现所述基节点、现场节点和环境节点之间的无线通信，
所述现场节点包括至少一个提供过程控制数据的现场设备，
所述环境节点包括至少一个提供与可影响无线通信网络的工作的环境因素相关的数据的现场设备。
2、如权利要求1所述的网络，进一步包括包含无线转换单元和无线收发器在内的中继节点，该中继节点实现所述基节点、现场节点和环境节点之间的无线通信。
3、如权利要求1所述的网络，其中所述环境节点包括多个现场设备，所述多个现场设备中的各个现场设备提供从包括温度、大气压力、湿度、降雨量和无线电频率环境噪声的组中选择的数据。
4、如权利要求1所述的网络，其中所述现场节点的各个现场设备是高速可寻址远程传感器HART协议设备。
5、如权利要求1所述的网络，其中所述现场节点的各个现场设备是现场总线FieldbusTM协议设备。
6、如权利要求1所述的网络，进一步包括多个策略地布置在过程区域周围的环境节点，以便向该过程区域内的不同位置传送环境数据。
7、如权利要求1所述的网络，其中所述基节点、环境节点和现场节点形成网状通信网络。
8、如权利要求1所述的网络，其中所述基节点、环境节点和现场节点形成点对点通信网络。
9、如权利要求1所述的网络，进一步包括开关设备以便将所述基节点、环境节点和现场节点从网状通信网络转换为点对点通信网络，并将所述基节点、环境节点和现场节点从点对点通信网络转换为网状通信网络。
10、如权利要求1所述的网络，其中所述主机包括监控器，所述主机被编程为在该监控器上提供拓扑屏幕显示，示出所述网络的基节点、现场节点和环境节点中各个节点之间的无线通信。
11、如权利要求10所述的网络，其中所述拓扑屏幕显示还示出所述基节点、现场节点和环境节点设置在其中的过程区域的结构特征。
12、如权利要求1所述的网络，其中所述主机包括监控器，所述主机被编程为在该监控器上提供表形屏幕显示，列出所述网络的现场节点、环境节点和基节点中各个节点之间的跳数。
13、如权利要求1所述的网络，其中所述现场设备中的至少一个现场设备按照HART协议进行通信，并且所传送的数据由所述主机或所述基节点中的一个从HART协议转换到不同的协议。
14、一种过程控制无线通信网络，包括：
基节点、现场节点、环境节点和主机，
所述基节点通信连接到所述主机，
所述基节点、现场节点和环境节点中的各个节点包括无线转换单元和无线收发器，
所述基节点、现场节点和环境节点的无线收发器实现所述基节点、现场节点和环境节点之间的网状无线通信和点对点无线通信，
所述网络进一步包括开关设备，以便将所述基节点、环境节点和现场节点从网状通信网络转换为点对点通信网络，并将所述基节点、环境节点和现场节点从点对点通信网络转换为网状通信网络。
15、如权利要求14所述的网络，其中
所述现场节点包括至少一个提供过程控制数据的现场设备，
所述环境节点包括至少一个提供与可影响所述网络的无线通信的环境因素相关的数据的现场设备。
16、如权利要求14所述的网络，进一步包括包含无线转换单元和无线收发器在内的中继节点，该中继节点实现所述基节点、现场节点和环境节点之间的无线通信。
17、如权利要求14所述的网络，其中所述主机包括监控器，所述主机被编程为在该监控器上提供拓扑屏幕显示，示出所述网络的基节点、现场节点和环境节点之间的无线通信。
18、如权利要求17所述的网络，其中所述拓扑屏幕显示还示出所述基节点、现场节点和环境节点设置在其中的过程区域的结构特征。
19、如权利要求18所述的网络，其中所述主机还被编程为在所述监控器上提供表形屏幕显示，列出所述网络的基节点、现场节点和环境节点中各个节点之间的跳数。
20、一种过程控制无线通信网络，包括：
基节点、现场节点、环境节点和主机，
所述基节点通信连接到所述主机，
所述基节点、现场节点和环境节点中的各个节点包括无线转换单元和无线收发器，
所述基节点、现场节点和环境节点的无线收发器实现所述基节点、现场节点和环境节点之间的无线通信，
所述现场节点包括至少一个提供过程控制数据的现场设备，
所述环境节点包括至少一个提供与可影响所述网络的无线通信的环境因素相关的数据的现场设备，
其中所述现场设备中的至少一个现场设备按照HART协议进行通信，并且所传送的数据中的至少一些由转换节点从HART协议转换到不同的协议，
经转换的数据被传送到路由节点，以确定待接收经转换的数据的目标设备并发送经转换的数据到所述目标设备。
21、如权利要求20所述的网络，其中所述转换节点是所述基节点的一部分。
22、如权利要求20所述的网络，其中所述转换节点是所述主机的一部分。
23、一种利用无线通信网络控制过程的方法，该方法包括：
接收来自至少一个现场设备的现场数据，
将所述现场数据从现场节点无线地传输到基节点，
将所述现场数据转换到不同的协议，
将所述不同协议的现场数据传输到路由节点，
在所述路由节点处确定用于接收所述不同协议的现场数据的目标设备，
发送所述不同协议的现场数据到目标设备。
24、一种用于监控无线过程控制网络的方法，包括：
接收来自环境节点的一或多个环境现场设备的环境数据，
无线地传输所述环境数据到基节点，
传输所述环境数据到主机，
在所述主机处解析所述环境数据，
从所述主机向所述基节点发送命令，以便根据所述环境数据调整所述无线网络的至少一个工作参数，
将所述命令从基节点传输到包括至少一个现场设备的至少一个现场节点。
25、如权利要求24所述的方法，其中所述环境数据是从包括温度、大气压力、湿度、降雨量和无线电频率环境噪声的组中选择的数据。
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