專利名稱：用于使用無線設(shè)備進(jìn)行過程控制的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總的涉及過程控制系統(tǒng)，更具體地涉及用于使用無線設(shè)備進(jìn)行過程控制的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
處理設(shè)施通常是使用過程控制系統(tǒng)來管理。處理設(shè)施的例子包括制
造設(shè)備(plant)、化工設(shè)備、原油精煉設(shè)備、以及礦石處理設(shè)備。在其他的操作中，過程控制系統(tǒng)通常管理處理設(shè)施中的發(fā)動機(jī)、閥門和其他工業(yè)設(shè)備的使用。
先進(jìn)的控制與優(yōu)化技術(shù)一般都是受到能夠提供給控制應(yīng)用的信息的數(shù)量和質(zhì)量的限制。通常，如果額外的儀器被添加到控制系統(tǒng)的話，則更多或更高的質(zhì)量信息能夠提供給該控制應(yīng)用。然而，在控制保真度與成本之間的權(quán)衡往往結(jié)果是與增加硬連線儀器相關(guān)的高的開銷。反過來， 一些關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)問題，不一定與控制的魯棒性相關(guān)，被排除在控制優(yōu)化問題之外，導(dǎo)致次優(yōu)的經(jīng)濟(jì)形勢。
此外，在一些典型情況中，信息必須通過復(fù)雜的計算或以其他方式來推斷，因為使用典型儀器直接觀察是不切實際的或不可能的?？傊?，由于缺乏可操作的信息，真正的過程優(yōu)化往往是無法實現(xiàn)的，即使當(dāng)采用先進(jìn)的控制策略時也是如此。

發(fā)明內(nèi)容
本公開提供了用于使用無線設(shè)備進(jìn)行過程控制的系統(tǒng)和方法。在第一個實施例中，設(shè)備包含至少一個過程元件和被配置為與至少一個過程元件通信的第一收發(fā)信機(jī)。該設(shè)備還包括第二收發(fā)信機(jī)，其被配置與第 一 收發(fā)信機(jī)進(jìn)行無線通信和與過程控制系統(tǒng)通信。
在特定實施例中，過程控制系統(tǒng)通過第一收發(fā)信機(jī)和第二收發(fā)信機(jī)傳輸數(shù)據(jù)到至少一個過程元件。在其他特定實施例中，過程控制系統(tǒng)通過第 一收發(fā)信機(jī)和第二收發(fā)信機(jī)接收來自至少 一個過程元件的數(shù)據(jù)。在又一些其他的特定實施例中，該設(shè)備還包括至少一個第二過程元件和被配置與至少 一 個第二過程元件進(jìn)行通信的第三收發(fā)信機(jī)。第二收發(fā)信機(jī)還被配置與第三收發(fā)信機(jī)進(jìn)行無線通信。
在第二實施例中，過程控制系統(tǒng)包含至少 一 個控制器和能夠由該至少 一個控制器控制的至少 一個過程元件。該系統(tǒng)還包括被配置與至少一個過程元件通信的第一收發(fā)信機(jī)和被配置與第一收發(fā)信機(jī)進(jìn)行無線通信的第二收發(fā)信機(jī)。第二收發(fā)信機(jī)還被配置與至少 一 個控制器進(jìn)行通信。
在第三實施例中，方法包括在第 一收發(fā)信機(jī)處接收來自至少 一個過程元件的數(shù)據(jù)，無線地傳送該數(shù)據(jù)到第二收發(fā)信機(jī)，并且將該數(shù)據(jù)從第二收發(fā)信機(jī)傳送到過程控制系統(tǒng)。該方法還可能包括在第二收發(fā)信機(jī)處接收來自過程控制系統(tǒng)的第二數(shù)據(jù)，并且無線地傳送該第二數(shù)據(jù)到第 一收發(fā)信機(jī)，并且將該第二數(shù)據(jù)從第 一收發(fā)信機(jī)傳送到至少 一個過程元件。
利要求可以很容易明白。


為了更完整地理解本公開，現(xiàn)在結(jié)合附圖參考以下說明，其中
圖1圖示了根據(jù)本公開的一個實施例的示例性過程控制系統(tǒng)；
圖2圖示了根據(jù)本公開的一個實施例的過程控制系統(tǒng)中包括無線部
分的示例性過程元件；以及
圖3圖示了根據(jù)本公開的一個實施例的使用無線設(shè)備進(jìn)行過程控制
的示例性方法。
具體實施例方式
圖1圖示了根據(jù)本公開的一個實施例的示例性過程控制系統(tǒng)100。如圖1所示的過程控制系統(tǒng)100的實施例只用于說明目的。在不背離這一公開的范圍的情況下，可以使用過程控制系統(tǒng)100的其他實施例。
在這個示例性實施例中，過程控制系統(tǒng)100包含一個或多個過程元件102a-102b。過程元件102a-102b代表可以執(zhí)行任何各種各樣功能的過程或生產(chǎn)系統(tǒng)中的部件。例如，過程元件102a-102b可以代表發(fā)動
5機(jī)、催化裂化裝置、閥門和生產(chǎn)環(huán)境中的其他工業(yè)設(shè)備。過程元件
102a-l02b可以代表在任何適當(dāng)?shù)倪^程或生產(chǎn)系統(tǒng)中的任何其他的或 額外的部件。每個過程元件102a-102b包括任何硬件、軟件、固件、 或其組合，用于執(zhí)行過程或生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個或多個功能。雖然在這 個例子中示出了^5l兩個過程元件102a-102b,在過程控制系統(tǒng)100的特 定實現(xiàn)中可以包括任何數(shù)量的過程元件。
兩個控制器104a-104b被耦合到過程元件102a-102b。控制器 104a-104b控制過程元件102a-102b的操作。例如，控制器104a-104b 可以能夠監(jiān)測過程元件102a-102b的操作，并且提供控制信號給過程 元件102a-102b?？刂破?04a-104b中的每個包括任何硬件、軟件、固 件、或其組合，用于控制過程元件102a-102b中的一個或多個?？刂?器104a-104b可以例如包括運(yùn)行GREEN HILLS INTEGRITY操作系統(tǒng)的 Power PC處理器系列的處理器或運(yùn)行微軟視窗操作系統(tǒng)的X8 6處理器系 列的處理器。
兩個服務(wù)器106a-106b耦合到控制器104a-104b。服務(wù)器106a-106b 執(zhí)行各種功能，以支持控制器104a-104b和過程元件102a-102b的操 作和控制。例如，服務(wù)器106a-106b可以記錄由控制器104a-104b所 收集或生成的信息，比如有關(guān)過程元件102a-102b操作的狀態(tài)信息。 服務(wù)器106a-106b還可以執(zhí)行應(yīng)用，所述應(yīng)用控制控制器104a-104b 的操作，從而控制過程元件102a-102b的操作。此外，服務(wù)器106a-106b 可以提供到控制器104a-104b的安全接入。服務(wù)器106a-106b中的每 個包括任何硬件、軟件、固件、或其組合，用于提供接入或控制控制 器104a-104b。服務(wù)器106a-106b可以例如代表執(zhí)行微軟視窗操作系統(tǒng) 的個人計算機(jī)(比如臺式計算機(jī))。作為另一個例子，服務(wù)器106a-106b 可以包括運(yùn)行GREEN HILLS INTEGRITY操作系統(tǒng)的PowerPC處理器系 列的處理器或運(yùn)行微軟視窗操作系統(tǒng)的x86處理器系列的處理器。
一個或多個操作者站108a-108b耦合到服務(wù)器106a-106b, —個或多 個操作者站108c耦合到控制器104a-104b。操作者站108a-108b代表 計算或通信設(shè)備，其提供到服務(wù)器106a-106b的用戶接入，然后該服 務(wù)器106a-106b可以提供到控制器104a-104b以及過程元件102a-102b 的用戶接入。操作者站108c代表計算或通信設(shè)備，其提供到控制器 104a-104b的用戶接入(不使用服務(wù)器106a-106b的資源)。作為具體實例，使用控制器104a-104b和/或服務(wù)器106a-106b所收集的信息， 操作者站108a-108c可以允許用戶審查過程元件102a-102b的工作歷 史。操作者站108a-108c還可以允許用戶調(diào)整過程元件102a-102b、控 制器104a-104b、或服務(wù)器106a-106b的操作。操作者站108a-108c中 的每個包括任何硬件、軟件、固件、或其組合，用于支持用戶接入和 控制系統(tǒng)100。操作者站108a-108c可能例如代表了具有顯示器和執(zhí)行 微軟視窗操作系統(tǒng)的處理器的個人計算機(jī)。
在這個例子中，至少一個操作者站108b遠(yuǎn)離服務(wù)器106a-106b。該 遠(yuǎn)程站通過網(wǎng)絡(luò)IIO耦合到服務(wù)器106a-106b。網(wǎng)絡(luò)IIG促進(jìn)了系統(tǒng) 100中的各個部件之間的通信。例如，網(wǎng)絡(luò)110可以在網(wǎng)絡(luò)地址之間傳 送互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)分組、幀中繼幀、異步轉(zhuǎn)移模式 (ATM)單元、 或其他適當(dāng)?shù)男畔?。網(wǎng)絡(luò)110可以包括一個或多個局域網(wǎng)(LAN)、城 域網(wǎng)(MAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、全部或部分的全J求網(wǎng)絡(luò)比如因特網(wǎng)、 或在一個或多個地點(diǎn)上的任何其他一個或多個通信系統(tǒng)。
在這個例子中，系統(tǒng)IOO還包括兩個額外的服務(wù)器112a-112b。服務(wù) 器112a-112b執(zhí)行各種應(yīng)用來控制系統(tǒng)100的整體操作。例如，該系 統(tǒng)100可以用于處理或生產(chǎn)設(shè)備或其他設(shè)施中，并且服務(wù)器112a-112b 可以執(zhí)行用于控制設(shè)備或其他設(shè)施的應(yīng)用。作為特定例子，服務(wù)器 112a-112b可以執(zhí)行應(yīng)用，比如企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)、或任何其他的或額外的設(shè)備或過程控制應(yīng)用。服務(wù)器 112a-112b中的每個包括任何硬件、軟件、固件、或其結(jié)合，用于控制 系統(tǒng)100的整體操作。
如圖1所示，系統(tǒng)100包括多種冗余網(wǎng)絡(luò)114a-114b和單一網(wǎng)絡(luò) 116a-116b,其支持系統(tǒng)100中的部件之間的通信。這些網(wǎng)絡(luò)114a-114b、 116a-116b中的每個代表任何適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，促進(jìn)系統(tǒng)100 中的部件之間的通信。網(wǎng)絡(luò)114a-114b、 116a-116b可能例如代表以太 網(wǎng)。過程控制系統(tǒng)100根據(jù)特定需要可以具有任何其他適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)拓 樸結(jié)構(gòu)。
在操作的一個方面中， 一個或多個過程元件102a-102b中的每個可 能包括無線部分，如下面參考圖2具體地加以描述的。過程元件的無 線部分允許其布置和用于其中常規(guī)有線過程元件將是不切實際、成本 高昂、甚至無法使用的位置。雖然下面僅描述了過程元件102a為包括
7無線部分，在過程控制系統(tǒng)100中的任何數(shù)量的過程元件可以包括無
線部分。
雖然圖1示例了過程控制系統(tǒng)100的一個例子，但是可以對圖1做
出各種改變。例如，控制系統(tǒng)可以包括任何數(shù)量的過程元件、控制器、 服務(wù)器、和操作者站。
圖2示例了根據(jù)本公開的一個實施例在過程控制系統(tǒng)100中包括無 線部分的過程元件102a的例子。圖2中示例的過程元件102a只用于 說明目的。在不背離本公開的范圍的情況下，其他過程元件可以用于 過程控制系統(tǒng)中。此外，為了便于解釋，圖2所示的過程元件102a關(guān) 于圖1的過程控制系統(tǒng)100進(jìn)行描迷。圖2所示的過程元件102a可以 用于任何其他適當(dāng)?shù)脑O(shè)備或系統(tǒng)。
在這個例子中，過程元件102a包含一個或多個實際的過程元件2 02 和由兩個收發(fā)信機(jī)204和206所形成的無線部分，它們通過無線鏈路 208進(jìn)行通信。 一個或多個過程元件202可以代表發(fā)動機(jī)、催化裂化裝 置、閥門、生產(chǎn)環(huán)境中的其他工業(yè)設(shè)備。過程元件202可以代表任何 適當(dāng)?shù)奶幚砘蛏a(chǎn)系統(tǒng)中的任何其他或額外的部件。每個過程元件202 包括任何硬件、軟件、固件、或其組合，用于執(zhí)行處理或生產(chǎn)系統(tǒng)中 的一個或多個功能。
在特定實施例中，過程元件202包括監(jiān)測儀器，其特別被配置以工 作在敵方環(huán)境中，比如在極端溫度或壓力或存在有毒物質(zhì)的地方。在 許多情況下，這些環(huán)境使得典型的硬連線儀器不切實際或不可能使用。
一個或多個過程元件202耦合到收發(fā)信機(jī)204。在一些實施例中，過 程元件202直接連接到收發(fā)信機(jī)204。在特定實施例中，收發(fā)信機(jī)204 與過程元件2 02集成或者集成到過程元件2 02中。收發(fā)信機(jī)2 04通過 無線鏈路2 08與收發(fā)信才幾2 06通信，收發(fā)信機(jī)2 06進(jìn)而又如上所述通 過網(wǎng)絡(luò)116b進(jìn)行通信。根據(jù)執(zhí)行情況，收發(fā)信機(jī)204可以支持單向或 雙向通信。例如，當(dāng)沒有任何指示或其他數(shù)據(jù)將發(fā)送到該過程元件202 時，收發(fā)信機(jī)204可以能夠傳輸并且不接收。
無線鏈路208能夠根據(jù)特定需要使用任何適當(dāng)?shù)臒o線技術(shù)來實現(xiàn)。 適當(dāng)?shù)臒o線技術(shù)可以包括但不僅限于模擬和數(shù)字射頻(RF)信號、以 及特別協(xié)議比如WiFi、藍(lán)牙、TDMA、 CDMA、 OFDMA、 RFID、光信令以及 其他。收發(fā)信機(jī)204和206能夠使用與所需要的無線技術(shù)一致的任何適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)信機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)。
雖然收發(fā)信機(jī)204可以通常位于非常接近過程元件202或與過程元 件202集成，但是收發(fā)信機(jī)206能夠根據(jù)需要位于靠近或遠(yuǎn)離收發(fā)信 機(jī)204,只要無線鏈路208可靠。在許多情況下，過程元件202和收發(fā) 信機(jī)204是電池供電的，收發(fā)信機(jī)206可以盡可能接近收發(fā)信機(jī)204, 以便最小化傳輸功耗。
在一些實施例中，收發(fā)信機(jī)206直接連接到網(wǎng)絡(luò)116b。在特定實施 例中，收發(fā)信機(jī)206是專用收發(fā)信機(jī)或?qū)崿F(xiàn)為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、控制器、 或其他設(shè)備或系統(tǒng)的 一部分。
結(jié)合先進(jìn)的過程控制和優(yōu)化技術(shù)的無線技術(shù)使得更多的信息能夠提 供給控制器或其他設(shè)備。這可能提供更好的控制保真度而無需與硬連 線設(shè)備相關(guān)的高成本安裝。它還允許從危險地區(qū)獲取傳感器數(shù)據(jù)，比 如其中有線安裝將需要部件停工(unit shutdown)的地方或在高溫作 業(yè)(hot work)中。根據(jù)本公開的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生來自先前無法到達(dá)的 地區(qū)(比如催化劑床內(nèi)部)的過程信息，并且減少或消除需要復(fù)雜計 算以推斷出相同的信息。其他實現(xiàn)可能包括放置過程元件在反應(yīng)堆內(nèi) 來測量靠近分裂蒸餾塔或者在分裂蒸餾塔內(nèi)的反應(yīng)堆。其他好處可以 包括用于直接地控制與過程經(jīng)濟(jì)學(xué)相聯(lián)系的參數(shù)的能力。
雖然圖2示例了在過程控制系統(tǒng)100中的包括無線部分的過程元件 102a的一個例子，但是可以對圖2做出各種變化。例如，收發(fā)信機(jī)204 可以集成到過程元件202中。此外，收發(fā)信才幾206可以;故配置與一個 或多個收發(fā)信機(jī)204連接，其中每個收發(fā)信機(jī)204與一個或多個過程 元件202相關(guān)聯(lián)。
圖3示例了根據(jù)本公開的一個實施例用于使用無線設(shè)備進(jìn)行過程控
制的方法例子300。
在步驟302中，在收發(fā)信機(jī)204處接收來自過程元件202的數(shù)據(jù)。 在步驟304中，數(shù)據(jù)被無線地從收發(fā)信機(jī)204傳送給收發(fā)信機(jī)206。 在步驟306中，數(shù)據(jù)優(yōu)選地通過網(wǎng)絡(luò)116b從收發(fā)信機(jī)206傳送給過
程控制系統(tǒng)100。
在步驟308中，在收發(fā)信機(jī)206處接收來自過程控制系統(tǒng)100的第 二數(shù)據(jù)。
在步驟310中，第二數(shù)據(jù)被從收發(fā)信機(jī)206無線地傳送給收發(fā)信機(jī)
9204。
在步驟312中，第二數(shù)據(jù)從收發(fā)信機(jī)204傳送給過程元件202。 雖然圖3示例了為過程元件使用無線通信的方法300的一個例子， 但是可以對圖3做出各種變化。例如，可能根據(jù)需要多次會出現(xiàn)所述 步驟的一個、 一些或者全部。另外，雖然圖3中的各個步驟作為步驟
利的。術(shù)語"耦合"及其派生詞是指兩個或更多元件之間的任何直接 或間接通信，不論這些元件是否相互物理上接觸。術(shù)語"應(yīng)用"是指 一個或多個計算機(jī)程序、指令集、程序、功能、對象、類、實例、或 相關(guān)數(shù)據(jù)(其適合于以適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)語言實現(xiàn))。術(shù)語"包括"和"包 含，，以及其派生詞，意味著包括而非限制。術(shù)語"或"具有包容性， 意味著和/或。短語"與…關(guān)聯(lián)"和"與其關(guān)聯(lián)"以及其派生詞，可能 意味著包括、被包括在其中、互連、包含、包含在其中、連接到或與 其相連、耦合到或與其耦合、與其通信、與其合作、交織、并列、接 近、約束到或者約束、具有、具有特性等等。術(shù)語"控制器"是指控 制至少一個操作的任何設(shè)備、系統(tǒng)、或其一部分?？刂破骺梢砸杂布?、 固件、軟件、或其至少兩個的某種組合來實現(xiàn)。與任何特定控制器相 關(guān)的功能可以集中或分散，無論是本地還是遠(yuǎn)程的。
雖然本公開已經(jīng)描述了某些實施例和 一般的關(guān)聯(lián)方法，但是對這些 實施例和方法的改變和置換對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是將顯而易 見的。因此，上述示例性實施例的描述沒有限定或限制本公開。在不 背離如由以下權(quán)利要求所限定的本公開的宗旨和范圍的情況下，也可 能有其他的變化、替換和改變。
權(quán)利要求
1. 一種設(shè)備，包括至少一個過程元件(202)；第一收發(fā)信機(jī)(204)，其被配置與至少一個過程元件(202)通信；以及第二收發(fā)信機(jī)(206)，其被配置與第一收發(fā)信機(jī)(204)進(jìn)行無線通信，該第二收發(fā)信機(jī)(206)進(jìn)一步被配置與過程控制系統(tǒng)(100)進(jìn)行通信。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中過程控制系統(tǒng)(100)能夠通 過第一收發(fā)信機(jī)(204 )和第二收發(fā)信機(jī)(206 )傳輸數(shù)據(jù)給至少一個 過程元件(202 )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中過程控制系統(tǒng)(100)能夠通 過第一收發(fā)信機(jī)(204 )和第二收發(fā)信機(jī)(206 )接收來自至少一個過 程元件(202 )的數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一收發(fā)信機(jī)(204 )集成到 至少一個過程元件(202 )之一中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一收發(fā)信機(jī)(204 )和第二 收發(fā)信機(jī)(206 )被這樣定位以致于它們之間的有線連接是不可能的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中多個過程元件(202 )連接到 第一收發(fā)信機(jī)(204 )。
7. —種過程控制系統(tǒng)，包括 至少一個控制器(104a-104b);至少一個過程元件(202 ),能夠由至少一個控制器(104a-104b) 控制；笫一收發(fā)信機(jī)(204 ),其被配置與至少一個過程元件(202 )通信； 以及第二收發(fā)信機(jī)(206 ),其被配置與第一收發(fā)信機(jī)(204 )進(jìn)行無線 通信，第二收發(fā)信機(jī)(206 )進(jìn)一步被配置與至少一個控制器 (104a-104b)通信。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的過程控制系統(tǒng)，其中至少一個控制器 (104a-104b)能夠通過第一收發(fā)信機(jī)(204 )和第二收發(fā)信機(jī)(206 )傳輸數(shù)據(jù)給至少一個過程元件(202 )。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的過程控制系統(tǒng)，其中至少一個控制器 (104a-104b)能夠通過第一收發(fā)信機(jī)(204 )和第二收發(fā)信機(jī)(206 )接收來自至少一個過程元件(202 )的數(shù)據(jù)。
10. —種方法，包括在第一收發(fā)信機(jī)(204 )處接收來自至少一個過程元件(202 )的數(shù) 據(jù)；無線地傳送數(shù)據(jù)給笫二收發(fā)信機(jī)(206 );以及 從第二收發(fā)信機(jī)(206 )傳送數(shù)據(jù)給過程控制系統(tǒng)(100)。
全文摘要
一種設(shè)備，包含至少一個過程元件(202)和被配置與至少一個過程元件(202)進(jìn)行通信的第一收發(fā)信機(jī)(204)。該設(shè)備還包括第二收發(fā)信機(jī)(206)，其被配置與第一收發(fā)信機(jī)(204)進(jìn)行無線通信并且與過程控制系統(tǒng)(100)進(jìn)行通信。過程控制系統(tǒng)(100)可以將數(shù)據(jù)通過第一收發(fā)信機(jī)(204)和第二收發(fā)信機(jī)(206)傳送給至少一個過程元件(202)。過程控制系統(tǒng)(100)也可以通過第一收發(fā)信機(jī)(204)和第二收發(fā)信機(jī)(206)接收來自至少一個過程元件(202)的數(shù)據(jù)。
文檔編號G05B19/042GK101467110SQ200780022011
公開日2009年6月24日 申請日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者C·J·韋布, D·A·小莫里森 申請人:霍尼韋爾國際公司