專利名稱：用于控制自動(dòng)化過程的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的自動(dòng)化過程 的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今的大多數(shù)工廠設(shè)置有控制系統(tǒng)，用于經(jīng)由包括傳感器、檢測(cè)器、
PLC、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元等的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制并監(jiān)視多個(gè)功能、過程、生 產(chǎn)步驟等。因此，需要在工廠中設(shè)置通信架構(gòu)，使得可以在控制系統(tǒng)的不 同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息通信。控制系統(tǒng)協(xié)助負(fù)責(zé)工廠的人員保證 其工作并且使過程優(yōu)化。在這些類型的系統(tǒng)中，經(jīng)常使用閉環(huán)控制，從而 控制系統(tǒng)向例如驅(qū)動(dòng)單元發(fā)送信號(hào)以改變其電fcl^L，傳感器感測(cè)該電機(jī) 速度，并且將實(shí)際的速度信號(hào)發(fā)送回控制系統(tǒng)。
使用例如ABB的系統(tǒng)800xA的過程控制系統(tǒng)可以進(jìn)行通信。這種通 信包含可以連接并控制大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的有線總線架構(gòu)。該系統(tǒng)可以使用例 如Foundation Fieldbus、 HART和Profibus的多個(gè)總線通信協(xié)議。
在多年間，通信的趨勢(shì)從有線通信系統(tǒng)J^到無線通信系統(tǒng)，而且近 來在過程應(yīng)用中也有類似的趨勢(shì)。已經(jīng)開發(fā)了幾種無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制單 元，還開發(fā)了過程通信協(xié)議來處理無線通信。
即使許多應(yīng)用中的無線通信由于需要更少的配線而簡(jiǎn)化了過程控制 系統(tǒng)的配置，而且不需要在現(xiàn)有系統(tǒng)中適配新的配線來增加現(xiàn)場(chǎng)i殳備也更 簡(jiǎn)單，但是無線通信對(duì)用于自動(dòng)化應(yīng)用的工程工具和方法也有更高的要 求。 一方面無線通信經(jīng)常劣于有線通信?？赡艽嬖谟绊憻o線信號(hào)品質(zhì)的多 個(gè)干擾和衰減源，導(dǎo)致包丟失、可變時(shí)間延遲、無線電干擾和其它直接影 響受控過程的品質(zhì)和穩(wěn)定性的隨機(jī)行為。
關(guān)于對(duì)過程的控制，信號(hào)干擾可能是所謂的下行信號(hào)和上行信號(hào)，其 中下行信號(hào)是從控制器到例如調(diào)節(jié)子過程的致動(dòng)器的數(shù)據(jù)，而上行信號(hào)可 能是來自能夠在閉環(huán)控制過程中感測(cè)受調(diào)節(jié)的子過程的影響的傳感器的數(shù)據(jù)。因此，容易理解數(shù)據(jù)的延遲或者甚至數(shù)據(jù)的丟失導(dǎo)致控制器接收不 到來自傳感器的任何信息，或者致動(dòng)器接收不到調(diào)節(jié)指令，從而可能對(duì)控 制過程產(chǎn)生非常負(fù)面的影響。因此，控制過程可能非常不穩(wěn)定或者甚至失 效。專利申請(qǐng)WO 2006/064362公開了一種用于過程的無線通信系統(tǒng)，其 一個(gè)目的是減小無線系統(tǒng)中由于信息的丟失而產(chǎn)生的不良過程控制的風(fēng)險(xiǎn)。該發(fā)明涉;sj^視在受控過程中發(fā)生的無線通信并且向控制器反饋信息，該信息例如可以通過控制算法包含在控制動(dòng)作中。包括的信息可以取 決于例如包丟失、延遲、延遲變化。這意味著例如可以直接從一個(gè)或多 個(gè)通信層獲取信息，并且還可以包括通信參數(shù)的趨勢(shì)。該信息同樣可以是 時(shí)變(timing-varying)的。該發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)無線通信的監(jiān)視提供可以用于改進(jìn)過程控 制的附加信息，和/或?qū)σ粋€(gè)或多個(gè)自動(dòng)化^t備提供控制。因此，僅僅通 過以新穎并且有創(chuàng)造性的方式從現(xiàn)有源中提取信息，然后處理該信息并且 以選擇的方式應(yīng)用該信息，來提供更多信息以便控制過程和/或設(shè)備，而 不需要增加專用傳感器或者測(cè)量裝置。然而，以上描述的方法在無線網(wǎng)絡(luò)上需要更多的信令，其一方面與要 通過有限的帶寬傳輸?shù)钠渌鼣?shù)據(jù)竟?fàn)?，這同樣可能引起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)延遲，另 一方面該附加信息還易受由于千擾的影響而導(dǎo)致的延遲和丟失。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是減輕伴隨無線網(wǎng)絡(luò)，尤其在過程應(yīng)用中的上述問題。根據(jù)本發(fā)明通過獨(dú)立專利權(quán)利要求的特征達(dá)到該目的。本發(fā)明的優(yōu)選 特征形成從屬專利權(quán)利要求的主題。根據(jù)本發(fā)明的主要方面，其特征在于一種用于控制過程的系統(tǒng)，其包 括控制單元，所述控制單元包括控制器，所述控制器能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到 至少一個(gè)致動(dòng)器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程；至少一個(gè)傳 感器，其能夠測(cè)量所述過程的^，并且能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到所述控制器， 其中所述控制單元被配置為通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，以及其中所述控 制器和所述至少 一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少 一個(gè)傳感器中的 一個(gè)是共置的， 使得其間的通信通過除了無線網(wǎng)絡(luò)以外的其它通信方式來發(fā)送。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，將所述控制器和所述至少一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少一個(gè)傳感器布置在公共印刷電路板上。作為選擇，將所述控制器和 所述至少 一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少 一個(gè)傳感器布置在/〉共^t控制器上。才艮據(jù)本發(fā)明的又一方面，當(dāng)所述控制器與所述至少 一個(gè)致動(dòng)器共置 時(shí)，對(duì)所述至少一個(gè)傳感器布置用于處理測(cè)得的數(shù)據(jù)的裝置，所述用于處 理測(cè)得的數(shù)據(jù)的裝置能夠僅當(dāng)在測(cè)得的數(shù)據(jù)中發(fā)生重要變化時(shí)將信息發(fā) 送到所述控制器。在這種情況下，所述用于處理測(cè)得的數(shù)據(jù)的裝置包括用于將測(cè)得的數(shù) 據(jù)和預(yù)設(shè)的范圍、限制、變化率進(jìn)行比較的軟件。優(yōu)選所述系統(tǒng)還包括操作員工作站，所述JMt員工作站能夠通過無線 網(wǎng)絡(luò)從所述控制單元接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到所述控制單元。使用本發(fā)明有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。近來用于過程應(yīng)用的通信系統(tǒng)的趨勢(shì)是利用 相對(duì)于有線系統(tǒng)拔 洪更少限制的無線系統(tǒng)。然而，如7>知的，無線系統(tǒng)更 易于受到擾動(dòng)、干擾和帶寬限制影響。對(duì)于任意過程，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域在控制單元的控制環(huán)內(nèi)。根 據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橹聞?dòng)器或者傳感器是與控制器共置的，所以將控制單元的 部件之間的數(shù)據(jù)銜洛中的一個(gè)布置在無線通信系統(tǒng)外。以這種方式，共置 的部件之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)幾乎不受任何擾動(dòng)或干擾，整個(gè)控制單元更不易受 到攻擊。優(yōu)選地，"共置"意為將控制器和其它部件布置在同一印刷電路板或 者^t控制器上，這提供了經(jīng)濟(jì)并且節(jié)省空間的方案。當(dāng)控制器與致動(dòng)器共置時(shí)，通it^"傳感器設(shè)置用于僅當(dāng)傳感器測(cè)得重 要的變化時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器的裝置，可以減少控制環(huán)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 以這種方式，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，發(fā)送的數(shù)據(jù)的量大大減小，這是在無線 通信網(wǎng)絡(luò)中的附加優(yōu)點(diǎn)。在這種情況下，對(duì)傳感器設(shè)置一些"智能"，使 得傳感器本身能夠決定何時(shí)變化足夠重要，以便將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。優(yōu)選地，還對(duì)系統(tǒng)設(shè)置操作員工作站，使得操作員能夠監(jiān)視過程并且 在需要時(shí)改變過程^t。經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作員工作站和控制單元之間 的通信，這不是太關(guān)鍵并且通常不會(huì)占用太多帶寬。從以下詳細(xì)的描述和附圖，本發(fā)明的這些和其它方面以及使用本發(fā)明 的優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。


在以下對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中，將參考附圖，其中
圖1是閉環(huán)及J統(tǒng)的示意圖2《一才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案的示意圖；以及
圖3是才艮據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方案的示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，主要目的是減小無線通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量。該目的 有幾個(gè)理由。 一個(gè)是如果通過網(wǎng)絡(luò)持續(xù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，將導(dǎo)致一些數(shù) 據(jù)延遲，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)越多， 一些數(shù)據(jù)由于干擾而丟失、損壞或者 延遲的風(fēng)險(xiǎn)越大。包丟失和延遲經(jīng)常導(dǎo)致請(qǐng)求重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這進(jìn)一步增 加了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量。
使用傳統(tǒng)的有線現(xiàn)場(chǎng)總線等系統(tǒng)，以一定的時(shí)間間隔周期性地傳送例 如從傳感器到控制器和/或^作員工作站的數(shù)據(jù)，而不管數(shù)據(jù)是否相關(guān)或 者冗余。這也可以應(yīng)用在控制器和致動(dòng)器之間，總之在系統(tǒng)中傳輸大量信 息。
嘗試減小無線通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的另一個(gè)原因是每一個(gè)無線 鏈路易受通信錯(cuò)誤和延遲的影響，其中一些炮咯比其它鏈路更關(guān)鍵。
圖1示出一個(gè)過程的常規(guī)閉環(huán)控制配置包括控制器10，基于控制器 的控制M和算法并且基于來自傳感器14的數(shù)據(jù)控制致動(dòng)器12，傳感器 14測(cè)量致動(dòng)器的變化對(duì)過程產(chǎn)生的影響。
此外，將來自該控制配置的不同部件的關(guān)于控制過程的數(shù)據(jù)發(fā)送到操 作員工作站16。此外，將用于控制過程的關(guān)于例如值、范圍等的設(shè)置的 數(shù)據(jù)從操作員工作站發(fā)送到不同的部件。
容易理解，如果所有通信路徑使用無線通信鏈路，則存在一些信息丟 失、延遲或者損壞的4艮大的風(fēng)險(xiǎn)。即使不是所有通信5^圣使用無線通信鏈 路，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量冗余或者不重要的數(shù)據(jù)，也導(dǎo)致進(jìn)一步的延遲。
還容易理解，上述系統(tǒng)最關(guān)鍵的M是控制環(huán)。如果對(duì)于控制器來自 傳感器的關(guān)于過程狀態(tài)的信息丟失或者延遲，控制器沒有信息以便進(jìn)行用 于控制致動(dòng)器改變過程的動(dòng)作或者動(dòng)作延遲，則4艮容易對(duì)過程產(chǎn)生負(fù)面影響。如果在控制器和致動(dòng)器之間數(shù)據(jù)丟失或者延遲，也可能對(duì)過程產(chǎn)生負(fù) 面影響。
根據(jù)本發(fā)明，限制無線通信系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一個(gè)特征是去除控制
環(huán)中的無線銜洛中的至少一個(gè)。根據(jù)圖2，這是通過共置控制器和致動(dòng)器 而獲得的，以便對(duì)于致動(dòng)器而言使通信成本最小化。優(yōu)選地并且最經(jīng)濟(jì)地， 將控制器和致動(dòng)器布置在同一個(gè)印刷電路板上或者同一個(gè)微控制器20 中。當(dāng)然，它們也可以以一個(gè)單元或者分立的單元放置在不同的電5^板上。 至少在位置上將它們布置得足夠近，使得可以通過短距離無線技術(shù)以及例 如近場(chǎng)通信技術(shù)的有線連接來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，短距離無線技術(shù)以及例如近 場(chǎng)通信技術(shù)的有線連接在本領(lǐng)域中是公知的，因此不進(jìn)行詳細(xì)地描述。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，可以將控制器和致動(dòng)器布置在印刷電路板以外的其 它裝置中，例如一個(gè)或者幾個(gè)芯片或者其它半導(dǎo)體基片、封裝組件等中。
使用這種方案的優(yōu)點(diǎn)是一方面控制器和致動(dòng)器之間的通信幾乎不受 任何干擾或者帶寬限制的影響，另一方面來自作為控制環(huán)的一部分的傳感 器的通信更不易于受到干擾，這是因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)過程，傳感器和致動(dòng)器 一般在位置上布置得彼此相當(dāng)近，在這種情況下，控制器也是如此。這與 控制器通常布置在更中央的位置并且在控制器和致動(dòng)器以及傳感器之間 分別有更長(zhǎng)的距離的傳統(tǒng)配置的有線系統(tǒng)相反。因此， 一方面直接在控制 器和致動(dòng)器之間直接傳輸用于處理控制應(yīng)用的所有實(shí)時(shí)通信，另一方面?zhèn)?感器和控制器之間的距離比在使用傳統(tǒng)的系統(tǒng)的情況下的距離短。
相反，由于操作員工作站不是控制環(huán)的一部分并且通常不需要實(shí)時(shí)通 信，因此關(guān)于數(shù)據(jù)丟失或者延遲與^Mt員工作站的通信不是關(guān)鍵的。通常 到操作員工作站的數(shù)據(jù)、上行通信可能是傳感器信息，例如傳感器測(cè)得的 過程的實(shí)際溫度、儲(chǔ)存罐的實(shí)際液面水平，這僅僅是過程的幾個(gè)例子。來 自致動(dòng)器的信息可能是致動(dòng)器的當(dāng)前位置，例如閥的開度、加熱元件是接 通還是斷開。該上行數(shù)據(jù)可以延遲，而沒有影響過程的任何立即的風(fēng)險(xiǎn)， 更多的是可以不經(jīng)常更新操作員信息，或者操作員信息不是當(dāng)前的精確信 息。
另一方面，來自操作員的數(shù)據(jù)、下行通信可以包括用于配置傳感器范 圍值的數(shù)據(jù)、控制器的控制算法等，由于配置值的變化或者更新控制算法 經(jīng)常在一種情況下進(jìn)行，然后在過程的操作期間不發(fā)生變化，因此這些信 息的發(fā)送通常是非常不規(guī)律的。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，為了限制用于過程應(yīng)用的通過無線通信網(wǎng)絡(luò)
的通信，不必以一定的時(shí)間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，傳統(tǒng)的具有i/o的傳感
器設(shè)備例如每10 ~ 100毫秒周期性地從傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，這是相當(dāng)頻繁
的。這進(jìn)行而不管來自傳感器的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，因此發(fā)送對(duì)于控制過 程不重要的大量信息。
相反，根據(jù)本發(fā)明，僅當(dāng)來自傳感器的重要的數(shù)據(jù)或者至少對(duì)于過程 的控制重要的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)發(fā)送信息。然后，僅將該數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送 到控制器。通過這種方法，大大減少了發(fā)送的lt據(jù)量。
在這種情況下，需要對(duì)傳感器配置某種"智能"，這是因?yàn)樵趥鞲衅?處要進(jìn)行"決策"數(shù)據(jù)是否應(yīng)當(dāng)被發(fā)送。因此，優(yōu)選對(duì)傳感器配置某種微 控制器并且存儲(chǔ)軟件算法、濾波器、范圍、變化率和諸如此類的數(shù)據(jù)，傳 感器能夠評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)或者將測(cè)得的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。取決于 傳感器的類型、過程的類型和其它控制因素，軟件以及決策算法或多或少 可能會(huì)復(fù)雜一些。然而，總之需要在傳感器和控制器之間的絲上發(fā)送更 少的數(shù)據(jù)。
作為共置致動(dòng)器和控制器的可選方案，當(dāng)然共置控制環(huán)的控制器和傳
感器是可行的，如圖3所示，其主要目的仍然是減少控制環(huán)的部件之間的 無線通信。
應(yīng)當(dāng)理解，上面描述并且在附圖中示出的實(shí)施例僅僅^L視為是本發(fā)明 的非限制性示例，可以在專利權(quán)利要求的范圍內(nèi)以許多方式進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1. 一種用于控制過程的系統(tǒng)，其包括控制單元，所述控制單元包括-控制器，其能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到-至少一個(gè)致動(dòng)器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程，-至少一個(gè)傳感器，其能夠測(cè)量所述過程的M,并且能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā) 送到所述控制器，其中所述控制單元被配置為通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通 信，以及其中所述控制器和所述至少一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少一個(gè)傳感器中 的一個(gè)《_共置的，使得其間的通信通過除了無線網(wǎng)絡(luò)以外的其它通信方式 來發(fā)送。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至少一個(gè) 致動(dòng)器或者所述至少一個(gè)傳感器布置為可以使用近場(chǎng)通信技術(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至 少 一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少 一個(gè)傳感器布置在z〉共印刷電i^板上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至 少 一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少 一個(gè)傳感器布置在7>共微控制器中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至 少一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少一個(gè)傳感器布置在一個(gè)或幾個(gè)芯片或者其它 半導(dǎo)體基片或者封裝組件中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，當(dāng)所述控制器與所述至少一個(gè)致動(dòng) 器共置時(shí)，對(duì)所述至少一個(gè)傳感器布置用于處理測(cè)得的數(shù)據(jù)的裝置，所述 用于處理測(cè)得的數(shù)據(jù)的裝置能夠僅在測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)生重要變化時(shí)將信息 發(fā)送到所述控制器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或者5所述的系統(tǒng)，其中所述用于處理測(cè)得的數(shù) 據(jù)的裝置包括用于將測(cè)得的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的范圍、限制、變化率進(jìn)行比較的 軟件。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包 括操作員工作站，所述操作員工作站能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)從所述控制單元接 收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到所述控制單元。
9. 一種用于控制過程的控制器設(shè)備，所述控制器被配置為能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到-至少一個(gè)致動(dòng)器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程，-至少一個(gè)傳感器，其能夠測(cè)量所述過程的M，并且能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā) 送到所述控制器，其中所述控制單元被配置為通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通 信，以及其中所述控制器和所述至少一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少一個(gè)傳感器中 的 一個(gè)是共置的，4吏得其間的通信通過除了無線網(wǎng)絡(luò)以外的其它通信方式 來發(fā)送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制過程的系統(tǒng)，其包括控制單元，所述控制單元包括控制器，所述控制器能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到至少一個(gè)致動(dòng)器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程；至少一個(gè)傳感器，其能夠測(cè)量所述過程的參數(shù)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到所述控制器，其中所述控制單元被配置為通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，以及其中所述控制器和所述至少一個(gè)致動(dòng)器或者所述至少一個(gè)傳感器中的一個(gè)是共置的，使得其間的通信不通過無線網(wǎng)絡(luò)來發(fā)送。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101311863SQ20081010860
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2008年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月22日
發(fā)明者阿爾夫·伊薩克松, 馬丁·斯特蘭德 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司