CN102460320A - 自动生成用于无线控制环路的时隙分配的计算机实现的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的计算机实施的方法，所述工业过程具有至少一个控制任务(C1-C5，TC101-103，FC104-105)和多个无线使能现场设备(S1-S7，A1-A8)。该方法包括导入至少一个所述控制环路(21-25，111-114)的至少两个所述现场设备之间的相关性信息，将相关性信息自动地转换成通信调度表并至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系向至少一个控制环路的一个或多个所述现场设备分配所述通信调度表中的时隙。还公开了一种系统和计算机程序产品。

Description

自动生成用于无线控制环路的时隙分配的计算机实现的方法和系统
技术领域
本发明涉及工业自动化背景下的无线通信。特别地，其涉及用于在由过程控制系统来监视和/或控制的一个或多个无线使能的控制环路中自动生成时隙分配的方法和系统。
背景技术
常常由作为包括一个或多个闭环控制过程的许多控制环路的过程控制系统来监督和调节用于工业自动化过程或工业自动化设备的过程控制。使用闭环控制时的传统方法是测量过程输出的值并将测量值与参考值相比较。还存在控制环路控制的其它目的，包括设定点调节、跟踪(时变参考路径)、路径沿行(独立于时间的变化的参考)、干扰衰减等。最常见的控制形式是用于反馈控制的比例、积分、微分(PID)控制。在PID控制中，使用传感器测量结果作为用于反馈控制环路的输入，并由控制器来确定测量的传感器值与参考(设定点)值或信号之间的任何差。控制器然后又向被连接到讨论中的控制环路的致动器发送信号，对过程进行修改，使得感测值随着时间的推移接近参考值。
传统闭环反馈系统包括硬接线通信链路。硬接线通信链路存在的缺点是闭环中的任何组件或现场设备(诸如传感器或致动器)的位置变化常常要求生产停止或全面的停工，尤其是在模拟有线连接和/或数字有线连接的情况下。可替换地，必须延迟此类变化，直至可以对过程停工进行计划。另外，硬接线可能替换起来是昂贵的，并且有时要进行替换还在技术上具有挑战性。
无线技术在提高生产率和灵活性方面为工业自动化提供了多个优点。工业场地常常是对电缆的类型和质量具有严格要求的恶劣环境。此外，大型场地常常要求数以万计的电缆，并且可能难以在已经拥挤的场地安装或设计附加导线。因此，无线通信能够在安装阶段期间节省成本和时间。同时，无线通信能够通过提供多个分集机制(诸如空间分集、频率分集和时间分集)相对于有线解决方案提高可靠性。此外，无线网络的点对点(ad-hoc)性质允许在网络在尺寸方面增加时进行容易的设定和重配置。然而，当诸如传感器和/或致动器的现场设备是闭环控制系统的一部分时，工业应用将要求对在通信期间允许的最大延迟的严格限制，因此，必须应用并一致地实现严格的定时要求。
另一要求是具有其它设备和竞争无线系统的网络的共存。已经开发了WirelessHART标准以满足这些需求。WirelessHART是用于过程自动化应用的无线网状网络通信协议，包括过程测量、控制和资产管理应用。其基于HART协议，但是其添加了使得用户能够在保持与现有HART设备、工具和命令的兼容性的同时获得无线技术的益处的无线能力。WirelessHART网络可以通过网关连接到工厂自动化网络。工厂自动化网络可以是基于TCP的网络、远程I/O系统或诸如PROFIBUS的总线。诸如现场设备的所有网络设备和接入点传送并接收WirelessHART分组并执行支持网络形成和维护所需的基本功能。
可以以星状拓扑结构、亦即，其中所有设备与网关相距一跳，以支持高性能应用，或者以用于减少需要的应用的多跳网状拓扑结构或其中间的任何拓扑结构来部署设备。这些可能性向WirelessHART技术提供使得各种应用(高和低性能两者)能够在同一网络中操作的灵活性。WirelessHART指定在2.4GHz ISM(工业、科学和医学)无线电波段中操作的IEEE STD 802.15.4-2006可兼容收发机的使用。使用允许通信链路活动的调度的TDMA(时分多址)来仲裁网络设备之间的通信。
WirelessHART使用TDMA和信道跳跃来控制对网络的访问和协调网络设备之间的通信。基本度量单位是时隙，其为被网络中的所有网络设备共享的固定持续时间的单位。时隙的持续时间足以发送或接收每个信道一个分组和伴随的确认，包括用于网络范围同步的保护频段时间。WirelessHART标准指定时隙的持续时间是10ms。TDMA数据链路层建立指定其中在设备之间发生1.3.WirelessHART标准通信的时隙和频率的链路。这些链路被组织成周期性地重复以支持循环和非循环通信业务的超帧。
WirelessHART标准不指定将被用于调度WirelessHART网络中的通信的特定调度算法。然而，对于通过WirelessHART网关访问的所有网络设备而言，用户必须配置每个测量值多长时间被传送到网关一次。为了支持用于不同速率下的过程测量结果的传输的多个超帧，超帧的尺寸应在所有时段应彼此相除、特别是应将扫描速率配置为网络设备将支持的最快更新时间的整数倍的意义上遵循谐波链。过程控制系统行为的正确性不仅取决于在每个控制器中执行的计算的逻辑结果，而且还取决于产生该结果的物理时刻，换言之，其为具有明确确定性(或概率)定时要求的系统。
因此，构造用于控制环路中的通信链路的调度表的任务可能遭受许多条件和约束。另外，在典型的过程安装中，几百或者甚至几千个控制环路可能要求超帧的通信调度和形成。这对于安装者或工程师而言是个耗时的过程，并且还在安装者手动地构造时间调度表或基于用于控制图或P&I图(管道和仪器)的信息来构造用于控制环路的超帧时呈现出将产生的错误的机会。授予Fisher-RosemountSystems公司的题为Self-configuring communication networks for usewith process control systems的US 7,460,865公开了用于向第一现场设备自动地分配第一和第二无线链路的方法，其中，第一无线链路将第一现场设备无线地耦合到第二现场设备，并且其中第二无线链路将第二无线现场设备无线地耦合到控制器；该分配取决于至少一个第一预定信号标准。
发明内容
本发明的目的是补救上述问题中的一个或多个。用权利要求1所表征的方法来获得此目的和其它目的。
在本发明的第一方面，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括导入至少一个所述控制环路的至少两个所述现场设备之间的相关性信息，以及至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系向至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备分配所述通信调度表中的时隙。
根据本发明的实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括导入至少一个所述控制环路的至少两个所述现场设备之间的相关性信息，以及向两个或更多所述控制环路中的一个或多个所述现场设备分配所布置的所述无线通信调度表中的时隙。
根据本发明的另一实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括向至少一个所述控制环路中的一个或多个所述现场设备分配被布置为超帧的所述无线通信调度表中的时隙，其中，该超帧包括所述无线通信调度表和控制器的控制任务执行调度表二者。
根据本发明的实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括向两个或更多所述控制环路中的一个或多个所述现场设备分配被布置为多个超帧的两个或更多所述无线通信调度表中的时隙。
根据本发明的另一实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括从无线网络中的无线网关向所述控制环路的控制器发送时间戳或时钟信号并使控制器的控制循环的执行同步至所述无线通信的时隙。
根据本发明的实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括为作为网状网络进行操作的扩展频谱无线网络分配一个或多个TDMA大纲(schema)中的时隙并使用跳频来分配信道。
根据本发明的另一实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括为与WirelessHART兼容的无线网络分配一个或多个TDMA大纲中的时隙或者为与ISA 100标准兼容的无线网络分配一个或多个TDMA大纲中的时隙。
根据本发明的另一实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括将用于至少一个所述控制环路的所述现场设备的相关性信息转换成相关性关系的图表。
在本发明的另一实施例中，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括在多个超帧中的一个中为一个或多个控制环路中的现场设备分配时隙，该分配至少取决于两个或更多现场设备和/或两个或更多控制环路之间的相关性的信息。
根据本发明的另一实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括将一个或多个TDMA大纲或超帧存储在被配置为安全地连接到网络管理器应用或设备的无线网关或无线节点中。
根据本发明的另一实施例，公开了一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的方法，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，其中，所述方法包括从以下各项中的任何一个导入关于一个或多个控制环路的每个所述现场设备之间的相关性的相关性信息：CDA文件、任何形式的P&I图、电子文件形式的过程逻辑图、扩展XML文件形式的P&I图、一个或多个操作员过程图形、控制系统中的控制器配置。
当使用诸如最新发行的WirelessHART标准HART 7规范的工业无线标准来调度用于无线控制的网络通信时，在一个配置步骤中一起调度用于单独控制器任务的传感器和致动器通信是有利的。为了能够实现这一点，必须具有属于同一任务的传感器和致动器的描述。可以将此相关性表示为非循环有向图。在本公开中，描述了如何可以基于CAD过程和仪器图(P&I D)或基于在分布式控制系统(DCS)中或在其中创建的控制器配置来自动地生成此相关性图。
然而，对于具有几百个控制环路的实际过程控制示例而言，在手动操作中一起调度用于单独控制器任务的传感器和致动器通信可能是耗时但更重要地容易产生错误的。本公开的提议是自动地生成相关性图。如果是电子上可用的，这可以从P&I图完成，或者从存在于DCS中的配置或过程图形完成。
从P&I图或其它现有过程控制大纲直接自动地创建相关性图的第一优点是从过程消除了手动误差。第二优点是虽然自动相关性图转换可能耗费更多的建立时间，但在其中将存在要求用于通信的调度表的几百个控制环路的更实际示例中，在超帧中，节省了大量的时间，因为每个控制环路需要较少的时间来自动地转换和创建相关性图。
在本发明的另一方面，公开了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，由无线网络管理器根据所述通信调度表中的至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系分配给至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备的时隙来控制无线网络。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，由无线网络管理器根据所述通信调度表中的至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系分配给至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备的时隙来控制无线网络。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，无线网络管理器根据所述无线通信调度表中的至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系分配给至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备的时隙来控制无线网络。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，所述无线通信调度表被作为超帧布置给至少一个所述控制环路中的一个或多个所述现场设备，其中，所述超帧包括所述无线通信调度表和控制器的控制任务执行调度表两者。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，无线网络中的至少一个无线网关被布置为可配置为用于与一个或多个所述控制环路的控制器时钟同步。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，网络管理器被布置为使用安全连接被连接到无线网络中的至少一个无线网关(60)。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，网络管理器被布置为被结合在无线网络中的无线网关中。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，手持式无线配置设备被布置为配置网络管理器、网关或无线使能现场设备中的任何一个。
在本发明的另一实施例中，描述了一种用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制器和多个无线使能现场设备，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表通信的多个无线节点，其中，用于执行本发明的一个或多个方法的一个或多个计算机程序被存储在连接到控制系统或DCS的存储器存储设备上。
在本发明的另一方面，公开了一种用于配置用于工业过程的控制环路的监视和控制的无线设备的便携式设备。
在本发明的另一方面公开了计算机程序以及记录在计算机可读介质上的计算机程序。
附图说明
通过参考结合附图进行的以下详细说明，可以具有对本发明的方法和系统的更全面理解，在附图中：
图1示出用于一系列控制环路的示意图，特别是示出了根据根据图4的本发明的实施例的一个或多个控制环路中的两个或更多现场设备之间的相关性关系的相关性图；
图2示出了图1的实施例的示意图，并且特别地用于在图4中参考的一系列控制环路，其中，图2示出根据本发明的实施例的方法中的用于每个控制环路的更新时间或周期时间；
图3示出图4的实施例的开发的示意图并特别地示出根据本发明的实施例的方法中的其中向控制环路中的一个或多个无线使能现场设备分配TDMA超帧中的一系列时隙的超帧的图；
图4示出根据本发明的优选实施例的用于一个或多个方法的开发的简化流程图，其中，示出了用于根据现场设备之间的相关性来自动地生成用于控制环路的无线通信时隙分配大纲的方法的步骤；
图5(现有技术)示出了包含包括一个或多个无线使能现场设备的一系列控制环路的工业设备中的过程控制系统的示意图；
图6示出用于图4的优选实施例的方法的另一实施例的流程图，其中，更特别地示出了用于根据现场设备之间的相关性来自动地生成用于控制环路的无线通信时隙分配大纲的可选步骤；
图7示出用于根据图4的优选实施例的方法的流程图，其中，在本发明的优选实施例中示出了用于根据控制环路之间的相关性自动地生成用于控制环路的无线通信时隙分配大纲的方法的步骤；
图8是用于图4或图7的优选实施例的开发的流程图，其中，更特别地自动地生成取决于控制环路之间的相关性的用于控制环路中的控制器的一个或多个控制任务调度表时隙以及多个无线通信时隙分配；
图9示出用于示例性过程的示意性过程和仪器(P&I)图，该示例性过程包括可以从其提取控制信息以描述一个或多个过程控制相关性关系的反应器容器，所述过程控制相关性关系可以被使用根据图4或图7的实施例自动地转换成时隙分配大纲；
图10是用于图4的实施例且特别是用于包括用于配置过程控制系统或DCS的应用的显示的实施例的示意图；
图11示出图4或图7的实施例的第二示意图，其特别地示出图9所示的控制环路的现场设备之间的相关性关系，以及
图12示出用于两个超帧的示意图，其中，TDMA超帧中的一系列时隙被分配给诸如图4的根据本发明的优选实施例的方法的图9部分的那些的控制环路的一个或多个无线使能现场设备以及控制任务。
具体实施方式
在本公开中描述了如何自动地生成用于控制环路的相关性图。该相关性图基于包含在例如CAD过程和仪器图(P&I D)中的现有过程说明或基于在分布式控制系统(DCS)中产生的过程逻辑配置或详述用于过程的过程控制逻辑的另一大纲。该相关性图又被用来分配TDMA(时分多址)大纲中的时隙以便配置过程的控制环路的无线通信链路。
借助于图1-3示出了示例，其中，控制器被配置为与用于图3中的三个不同扫描时间的无线通信调度表联合地执行控制任务，所述三个调度表对应于WirelessHART调度表中的不同超帧。在图1中描绘了示出一个控制环路与另一个之间的相关性的相应相关性图并在图3中示出了超帧。对于此尺寸的简单示例，简单地手动构造和/或输入相关性并分配超帧中的时隙当然是直接且快速的。在包括更多复杂关系和更多控制环路的更实际的示例中，自动地构造相关性关系和超帧节省许多时间。
图1示出五个控制环路21-25。每个控制环路包括无线使能现场设备，例如传感器S1-S7和致动器A1-A6。每个控制环路包括通常在可编程逻辑控制器(PLC)或其它工业控制器中执行的一个或多个控制任务C1-C5。可选地，可以由同一控制器来执行两个或更多不同的控制任务。图1示出具有来自传感器S4的一个输入的简单控制环路23，该输入被发送到控制器，其中，控制器执行控制任务C3，并且然后向致动器A4发送输出信号。控制环路可以具有不止一个输入和/或输出。控制环路21被示为具有来自两个传感器S1和S2的两个输入。由控制器执行的控制任务C1然后导致到致动器A1的单个输出。
在控制器中的一个控制任务可以要求来自另一控制环路的输入以便完成控制任务的意义上，在典型过程中的某些控制环路之间存在相关性。因此，在图1中，控制环路21要求来自环路22的控制任务C2的控制输出以及来自两个传感器S1、S2的输入作为输入以便完成其控制任务。在图3中还可以看到控制环路之间的相关性。图3示出控制任务执行调度表36。调度表显示控制器在控制器执行其控制任务C1(包括来自其它控制器C2的输出)之前执行其控制任务C2(包括来自S3的输入)。
图2示出用于五个不同控制环路21-25的周期时间或更新速度。最快控制环路23具有60ms的更新时间、扫描时间或周期；两个最缓慢的环路，即具有最大周期240ms的两个环路是环路21、22。两个其它环路24、25具有在60ms与240ms之间的120ms的时间段的第三值。用于每个类型的现场设备的扫描速率是预先已知的。用于每个控制环路的扫描速率是在控制逻辑、60ms、120ms等中基于用于控制环路中的每个现场设备的已知更新速率指定的。关于扫描速率的该信息例如在控制系统配置中是可用且指定的。
图3示出三个超帧30、32、34，在这里从顶部具有60ms扫描或更新开始描述。如上所述，在WirelessHART中，为了支持用于以不同的速率传输过程测量结果的多个超帧，超帧的尺寸应遵循谐波链。这意味着所有周期应彼此相除，特别地，应将扫描速率配置为网络设备将支持的最快更新时间的整数倍。因此，240ms周期包括多个60ms和120ms。
因此，在第一无线通信调度表、超帧30中，存在每个相隔60ms的四个循环。请注意，在此控制环路中的现场设备之间存在相关性，因为传感器S4应在控制器在控制循环中执行其控制任务C3并然后将其信号传送到致动器A4之前向控制器发送其信号。一个传感器输入S4在超帧中循环四次，如到致动器A4的一个输出一样。同样地，可以在第二超帧32中向以120ms循环的两个控制环路24、25分配时隙。三个单独的传感器输入S5、S6、S7在超帧中循环两次；如两个致动器输出A5、A6所做的一样。(请注意，在所示的示例中，控制环路23具有两个传感器输入S6、S7。)第三超帧是用于感兴趣的控制环路组中的最慢循环，也就是说，感兴趣的无线网络中的最慢周期240ms。此超帧包括仅用于两个控制环路21、22中的每一个的一个240ms循环。超帧具有用于来自传感器S1、S2、S3中的每一个的单个输入的时隙和用于来自A1、A2、A3中的每一个的单个输出的时隙。请注意，此超帧被布置为服从环路22上的控制环路21的相关性；即控制环路22在可以由控制器来执行环路21的控制任务C1之前完成，导致在此超帧中的到致动器A1的单个输出。
图3示出布置在超帧中的控制器任务调度表36。可以与控制器任务调度表36联合地执行无线通信调度表30、32、34。
图4示出用于基于控制环路中的两个现场设备之间的相关性自动地生成无线通信调度表的方法的流程图，可以将其表示为相关性图表或相关性图。该图示出：
40从CAD文件和/或P&I图和/或在控制系统或控制系统工具中配置的过程控制逻辑、布置在一个或多个操作员过程图形中或在另一电子大纲中的过程逻辑导入用于所选一个或多个控制环路中的现场设备的相关性信息；
46至少根据两个现场设备(在本示例中现场设备是传感器或致动器)之间的相关性信息来分配至少一个超帧中的用于一个或多个控制环路中的现场设备的时隙，并可选地至少根据两个或更多现场设备之间和/或两个或更多控制环路之间的相关性信息来为在控制器中执行的控制任务分配控制任务调度表36中的时隙。
图6示出用于替换方法的流程图。该流程图示出步骤：
40从CAD文件和/或P&I图和/或在控制系统或控制系统工具中配置的过程控制逻辑、在一个或多个操作员过程图形中或在另一电子大纲中表示的过程逻辑导入用于所选一个或多个控制环路中的现场设备的相关性信息；
42可选地自动地或半手动地将关于现场设备之间的相关性的信息转换成诸如相关性图的相关性关系；
44可选地识别包括所有较短时间段(扫描速率或更新速率)的整数倍的最长时间段；
46至少根据两个现场设备(传感器或致动器)之间的相关性信息来分配至少一个超帧(30-34)中的用于一个或多个控制环路中的现场设备的时隙，并可选地至少根据两个现场设备之间和/或两个控制环路之间的相关性信息来为控制器分配控制任务调度表(36)中的时隙。
图7示出用于根据优选实施例的方法的流程图。该流程图示出步骤：
50：从CAD文件和/或P&I图和/或在控制系统或控制系统工具和/或过程图形或在另一电子大纲中配置的过程控制逻辑导入用于一个第一控制环路和另一第二控制环路之间的相关性的信息；
56：至少根据相关性信息来分配至少一个超帧和/或控制任务调度表中的用于至少一个控制环路中的现场设备的时隙，并可选地至少根据两个现场设备之间和/或两个控制环路之间的相关性信息来为控制器分配控制任务调度表(36、37)中的时隙。
除上述10ms的分配时隙之外，诸如WirelessHART标准的标准还允许时隙可以被两个或更多设备或节点共享。在上述标准内，存在应对时隙中的数据冲突的方法，使得可以分配共享时隙。例如，当预期数据业务量是低的时，可以共享时隙，留下诸如随机时间规避(back off)的冲突避免机制来负责不那么频繁地发生的冲突，例如在安装时或过程中的配置任务或最优化程序期间。为了利用用于网络中的某些通信的低业务量，可以将被已知具有低使用率的一个或多个时隙配置为共享时隙。这具有增加带宽使用效率的优点。可以使用随机规避时间，或者适合于测量或估计冲突发生的自适应方法。还可以使用固定规避时间或一系列预定等待时间或保障时隙(GTS)。
优选地将相关性信息导入DCS的应用或函数中。用于相关性信息的一个可选源来自控制系统中的控制器配置，或者在DCS中创建的此类配置。可以从被连接到DCS的任何终端(诸如操作员终端、工程师终端或工作站、便携式或手持式设备等)运行将检查、编辑或创建控制器配置的程序。无论是控制器配置还是导入P&I图、CAD文件或其它格式的形式，相关性信息优选地被DCS的应用或函数自动地转换成一个或多个时隙分配方案或超帧。这样创建的一个或多个超帧的拷贝优选地被存储在正在讨论中的无线网络的无线网关60中，在那里，其被网络管理器应用或函数用来控制无线网络中的节点51-57、60、62、64、65之间的无线通信(参见下图5)。
图5(现有技术)示出用于WirelessHART网络的典型图。该图示出许多无线使能现场设备或节点51-57、路由器62、一个或多个网络访问点64、无线网关60和工业自动化或工厂自动化网络50。无线网关60是处理到和/或从现场设备到过程控制系统的所有无线通信的网关。指示了手持式设备65，其被用于网络中或相对于特定节点的配置、诊断和类似任务。
网络管理器应用或设备(未示出)被布置在网关60中或直接被安全连接所连接到网关。在本说明中，安全地连接意味着无线网关与网络管理器之间的通信路径是安全通信信道，通常是硬接线连接。在诸如WirelessHART网络的无线网络中，网络管理器单元或应用负责网络的配置、调度网络设备之间的通信、路由表的管理和监视WirelessHART网络的健康。
图9示出用于化学反应器容器90的过程和仪器(P&I)图。该图示出具有搅拌器92和冷却夹套94的反应器容器。反应器容器90还进一步布置有由流量控制阀FV103控制的用于冷却剂96的进口。由传感器、温度传送器TT103来监视反应器容器内部的温度，并且冷却夹套94同样地布置有温度传感器并被作为温度传送器TT102监视。出口98被布置为允许冷却剂离开冷却夹套。此外，使用加热阀FV101和冷却阀FV102来单独地控制由温度传送器TT101测量的冷却剂温度。
由流量控制阀FV104来控制组分A到反应器容器的流入。在本示例性实施例中，根据比例来引入组分A和B。比例站RS将由流量传送器FT104给出的A的流量与期望比例相乘并随后经由流量控制阀FV104来控制B(FT105)经由流量控制器FC105进入反应器的流量。
本示例举例说明4个控制环路111-114，每个由用虚线示出的方框指示，布置在被搅拌的化学反应器94周围，并且如果传感器和致动器两者被无线地连接到控制器，则可以调度如何通信以及控制任务。在图9中示出了用于本示例的P&I图，并且在下表1中给出了所有仪器和阀的列表。
  TT101   冷却剂温度
  TT102   反应器温度
  TT103   夹套温度
  FT104   进给流组分A
  FT105   进给流组分B
  FV101   加热阀
  FV102   冷却阀
  FV103   冷却剂流量阀
  FV104   进给阀组分A
  FV105   进给阀组分B
表1：仪器和阀列表
如从P&I图可以看到的，存在冷却剂温度和冷却液流量的单独控制环路111和112。由分离范围控制器TC101来控制温度，其在冷却剂温度低于设定点的情况下打开加热阀FV101并在温度在设定点之上时打开冷却阀FV102。
然后使用级联控制结构使用冷却剂流量来控制反应器的温度。这里，在控制环路112中，在主控制器TC102中使用反应器温度，其向从属控制器TC103提供控制夹套温度的设定点，从属控制器TC103又命令阀打开FV103。虽然其在结构上被描绘成两个控制器，但通常将级联的执行作为需要两个过程测量结果作为输入的一个计算来执行。因此，在调度中，将两个控制器共同地表示为TC102-3.
最后，在这里假设存在被馈送到反应器中的两个主要组分；组分A和B，并且其流量需要相互之间处于某个比例。因此，仅存在由FC104来控制的一个独立流动环路113，该设定点间接地确定总进给流量。组分B的流量则由比例控制结构来控制。类似于级联控制器，比例站RS和流量控制器FC105的执行通常作为一个联合控制任务来完成(在调度表中仅表示为FC105)。
控制器配置
准确地说，在控制系统中如何配置此组的4个控制器(或5个控制器，如果单独地计算级联的主和从控制器的话)当然可以根据所使用的特定系统而变。然而，如果使用图形用户界面和诸如拖放的方法来以图形方式完成配置，则通常应看起来类似于图10。
调度
为了本小示例，我们假设所有控制环路都使用相同的循环时间100ms运行。这可能不必要地快，但是将服务于仅允许用于WirelessHART调度表的10个时隙的超帧的教授目的(因为时隙为10ms长度)，其意外地刚好是我们需要的用于单跳调度表的数目。
假设可以在一个时隙内完成控制任务，在图12中示出了提供感测与致动之间的最小等待时间的最优化通信和控制超帧的示例。
优选地，基于CAD过程和仪器(P&I)图或基于在控制系统或分布式控制系统(DCS)中的控制器配置来自动地生成相关性图。可替换地，可以在没有同样地构造相关性图表或相关性图的中间步骤的情况下计算或直接从相关性信息确定时隙。
图10表示用于配置过程控制系统或DCS的应用100的简化屏幕显示。该图示出被标记为TC101、TC102、TC103、FC104、FC105的五个控制任务对象。这些对象已被布置为构造用于图9所示的反应器的过程控制。因此，表示流量控制器FC105的控制对象105具有输入103，其对于此控制对象105而言是流量传送器FT105(组分B的流量)、第二流量传送器FT104(组分A的流量)和具有表示用于B∶A的期望比例的预定设置比例的比例站。控制任务对象105在这种情况下具有到致动器的一个输出107，其为流量控制阀FC105，控制B到反应器中的流入。其它四个控制任务对象同样地配置有输入和输出以表示在图9中用图表示的过程流程和控制。
图11示出用于图9所示的过程的相关性图。相关性图示出4个控制环路111-114。该相关性图示出例如控制环路112，其控制流量控制阀FV103，流量控制阀FV103如下控制到反应器中的冷却剂流量。来自传感器的温度输入TT102(反应器温度)和TT103(冷却夹套温度)被输入到控制器。在这种情况下，控制器被指示为TC102-3，因为通常将这些主/从属控制任务作为一个联合CPU任务一起执行。控制器输出转到致动器流量控制阀FV103以调整到冷却夹套中的冷却剂流量。可以通过转换图9的P&I图或如图10所示的控制系统或分布式控制系统(DCS)中的过程控制器配置来自动地产生相关性图。替换地或同样地，可以从过程图形、特别是从操作员过程图形提取控制环路中的对象之间的相关性关系。以与图3的通信时隙分配30、32、34和控制时隙分配36相同的方式，可以使用相关性图来自动地生成一个或多个超帧或通信时隙分配。替换地，可以从诸如图9的P&I图或诸如图10的控制应用配置大纲自动地产生时隙分配，而实际上不产生图11所示类型的相关性图输出。
图12示出具有用于图9的过程的控制环路111-114的通信时隙分配的帧。每个控制环路包括无线使能现场设备，例如图9的传感器TT101-TT103和FT104-105和表示致动器阀FV101-FV105的致动器。应注意的是，例如一个或多个致动器的控制环路的一个或多个现场设备可以具有到控制器的有线连接而不是无线连接。在任何情况下，每个控制环路包括表示控制器TC101-TC103、FC105-FC105的控制任务，其通常在一个或多个可编程逻辑控制器(PLC)或其它工业控制器中执行。在单个控制器中可以执行不止一个控制任务。通信超帧35包括传感器循环TT101-103、FT104-105和致动器(FV101-FV105)循环，每个100毫秒。控制器时隙分配或控制器超帧37示出用于每个控制器任务TC101、TC102-3、FC104-105的每个超帧一个时隙分配，假设其将全部在同一控制器CPU中执行。
在本发明的有利应用中，使无线使能控制环路中的时间同步化基于从无线网关到控制器的信号与来自工业控制器的时钟的时钟信号同步。这保证当发送和/或接收是准确的且保持无线服务的质量时，一个或多个控制器的控制循环与具有用于现场设备的通信时隙的一个或多个基于TDMA的超帧同步。
已经相对于与WirelessHART标准兼容的无线网络描述了本发明，但在适当修改的情况下，可以用与诸如被已知为“现场总线(Fieldbus)”的工业标准兼容的其它基于TDMA的网络来实施，并且将其具体地称为SP50(其为标准与实践小组委员会50的缩写)或ISA 100标准。
执行诸如流量控制105、主控制TC102或从属控制TC104的控制任务的无线控制器的微处理器(或处理器)包括执行根据本发明的方面的方法步骤的中央处理单元CPU。例如，执行一个或多个控制任务C1-C5。在一个或多个计算机程序的帮助下执行这些步骤，其被至少部分地存储在可被处理器访问的存储器中。应理解的是计算机程序还可以在一个或多个通用工业微处理器或计算机而不是特殊修改的计算机上运行。
计算机程序包括计算机程序代码元件或软件代码部分，其使得计算机使用先前例如相对于图4、6-8描述的等式、算法、数据和计算来执行方法。可以如上所述地将程序的一部分存储在处理器中，还可以存储在ROM、RAM、PROM或EPROM芯片或类似存储器存储设备中。还可以将程序部分地或整体地存储在其它适当计算机可读介质上或中，诸如磁盘、CD-ROM或DVD盘、硬盘、磁光存储器存储装置、在易失性存储器中、在闪速存储器中、作为固件或存储在数据服务器上。可移动存储介质诸如USB记忆棒、闪速驱动器等。
应注意的是虽然上文描述了本发明的示例性实施例，但存在在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下对公开的解决方案进行许多变更和修改。

Claims (25)

1.一种用于提供用于监视和控制工业过程中的控制环路的无线通信调度表中的时隙分配的计算机实施的方法，所述工业过程具有至少一个控制任务(C1-C5，TC101-103，FC104-105)和多个无线使能现场设备(S1-S7，TT101-103，FT104-105，A1-A8，FV101-105)，其特征在于导入至少一个所述控制环路(21-25，111-114)的至少两个所述现场设备之间的相关性信息，以及
至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系向至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备分配所述通信调度表中的时隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于向两个或更多所述控制环路中的一个或多个所述现场设备分配所布置的所述无线通信调度表中的时隙。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于向至少一个所述控制环路中的一个或多个所述现场设备分配被布置为超帧的所述无线通信调度表中的时隙，其中，所述超帧包括所述无线通信调度表(30-35)和控制器的控制任务执行调度表(36，37)二者。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于向两个或更多所述控制环路中的一个或多个所述现场设备分配被布置为多个超帧的两个或更多所述无线通信调度表中的时隙。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从无线网络中的无线网关(60)向所述控制环路的控制器发送时间戳或时钟信号并使控制器的控制循环的执行与所述无线通信的时隙同步。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于为作为网状网络操作并使用跳频来分配信道的扩展频谱无线网络分配一个或多个TDMA大纲中的时隙。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于为与WirelessHART兼容的无线网络分配一个或多个TDMA大纲中的时隙。
8.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于为与ISA 100标准兼容的无线网络分配一个或多个TDMA大纲中的时隙。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将至少一个所述控制环路的所述现场设备之间的相关性信息转换成一个或多个相关性关系。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将至少一个所述控制环路的所述现场设备之间的相关性信息转换成一个或多个相关性关系并至少基于至少两个所述现场设备之间的相关性关系向一个或多个所述现场设备分配所述通信调度表中的时隙，所述相关性信息被包括在过程逻辑格式中。
11.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于在多个超帧之一中为一个或多个控制环路中的现场设备分配时隙，该分配至少取决于两个或更多现场设备和/或两个或更多控制环路之间的相关性信息。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将一个或多个TDMA大纲或超帧存储在被配置为被安全地连接到网络管理器应用或设备的无线网关(60)或无线节点(64，62)中。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从CAD文件、电子文件形式的P&I图、电子文件形式的过程逻辑图、扩展XML文件形式的P&I图、过程图形、控制系统中的控制器配置(100)中的任何一个导入关于一个或多个控制环路(21-25，111-114)的每个所述现场设备之间的相关性的相关性信息。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在多个超帧中的至少一个中为一个或多个控制环路中的现场设备分配至少一个共享时隙。
15.一种用于监视和控制工业过程的控制环路的无线通信系统，所述工业过程具有至少一个控制任务(C1-C5，TC101-103，FC104-105)和多个无线使能现场设备(S1-S7，TT101-103，FT104-105，A1-A8，FV101-105)，所述无线通信系统包括根据无线通信调度表进行通信的多个无线节点(51-57，60)，其特征在于由无线网络管理器根据所述通信调度表中的至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系分配给至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备的时隙来控制无线网络。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于无线网络管理器根据所述无线通信调度表中的至少根据至少两个所述现场设备之间的相关性关系分配给至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备的时隙来控制无线网络。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于无线网络管理器根据所述无线通信调度表中的至少根据至少两个所述现场设备和/或两个或更多控制回路之间的相关性关系分配给至少一个所述控制环路的一个或多个所述现场设备的时隙来控制无线网络。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述无线通信调度表被布置为到至少一个所述控制环路中的一个或多个所述现场设备的超帧，其中，该超帧包括所述无线通信调度表(30-35)和控制器的控制任务执行调度表(36，37)两者。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于无线网络中的至少一个无线网关(60)被布置为可配置为用于与一个或多个所述控制环路(21-25，111-114)的控制任务(C1-C5)的时钟同步。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述网络管理器被布置为使用安全连接被连接到无线网络中的至少一个无线网关(60)。
21.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述网络管理器被布置为被结合在无线网络中的无线网关(60)中。
22.根据权利要求15所述的系统，其特征在于手持式无线配置设备(65)被布置为配置网络管理器、网关(60)或无线使能现场设备(S1-S7，A1-A8)中的任一个。
23.根据权利要求15所述的系统，其特征在于一个或多个现场设备通过硬接线连接被连接到工业过程的所述控制环路。
24.根据权利要求15所述的系统，其特征在于基于计算机的系统中的处理单元，该处理单元具有内部存储器，加载在其中的、包括用于执行根据权利要求1所述的方法的软件代码部分的计算机程序产品被存储在被连接到控制系统或DCS的存储器存储设备上。
25.一种数据载体上的计算机程序产品，包括计算机程序代码，该计算机程序代码被配置为当所述程序代码被加载到计算机(81，82)或连接到过程控制系统(50)的终端中时执行权利要求1-14中的任一项的方法步骤。
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