專利名稱：用于控制自動化過程的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于控制通過無線通信網(wǎng)絡進行通信的自動化過程 的系統(tǒng)。
背景技術：
現(xiàn)今的大多數(shù)工廠設置有控制系統(tǒng)，用于經(jīng)由包括傳感器、檢測器、
PLC、控制單元、驅動單元等的現(xiàn)場設備控制并監(jiān)視多個功能、過程、生 產(chǎn)步驟等。因此，需要在工廠中設置通信架構，使得可以在控制系統(tǒng)的不 同現(xiàn)場設備之間進行數(shù)據(jù)和信息通信?？刂葡到y(tǒng)協(xié)助負責工廠的人員保證 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)向例如驅動單元發(fā)送信號以改變其電fcl^L，傳感器感測該電機 速度，并且將實際的速度信號發(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)可以進行通信。這種通 信包含可以連接并控制大量現(xiàn)場設備的有線總線架構。該系統(tǒng)可以使用例 如Foundation Fieldbus、 HART和Profibus的多個總線通信協(xié)議。
在多年間，通信的趨勢從有線通信系統(tǒng)J^到無線通信系統(tǒng)，而且近 來在過程應用中也有類似的趨勢。已經(jīng)開發(fā)了幾種無線現(xiàn)場設備和控制單 元，還開發(fā)了過程通信協(xié)議來處理無線通信。
即使許多應用中的無線通信由于需要更少的配線而簡化了過程控制 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i殳備也更 簡單，但是無線通信對用于自動化應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線信號品質的多 個干擾和衰減源，導致包丟失、可變時間延遲、無線電干擾和其它直接影 響受控過程的品質和穩(wěn)定性的隨機行為。
關于對過程的控制，信號干擾可能是所謂的下行信號和上行信號，其 中下行信號是從控制器到例如調節(jié)子過程的致動器的數(shù)據(jù)，而上行信號可 能是來自能夠在閉環(huán)控制過程中感測受調節(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)的丟失導致控制器接收不 到來自傳感器的任何信息，或者致動器接收不到調節(jié)指令，從而可能對控 制過程產(chǎn)生非常負面的影響。因此，控制過程可能非常不穩(wěn)定或者甚至失 效。專利申請WO 2006/064362公開了一種用于過程的無線通信系統(tǒng)，其 一個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險。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或多 個通信層獲取信息，并且還可以包括通信參數(shù)的趨勢。該信息同樣可以是 時變(timing-varying)的。該發(fā)明的主要優(yōu)點在于對無線通信的監(jiān)視提供可以用于改進過程控 制的附加信息，和/或對一個或多個自動化^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 以選擇的方式應用該信息，來提供更多信息以便控制過程和/或設備，而 不需要增加專用傳感器或者測量裝置。然而，以上描述的方法在無線網(wǎng)絡上需要更多的信令，其一方面與要 通過有限的帶寬傳輸?shù)钠渌鼣?shù)據(jù)竟爭，這同樣可能引起數(shù)據(jù)業(yè)務延遲，另 一方面該附加信息還易受由于千擾的影響而導致的延遲和丟失。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是減輕伴隨無線網(wǎng)絡，尤其在過程應用中的上述問題。根據(jù)本發(fā)明通過獨立專利權利要求的特征達到該目的。本發(fā)明的優(yōu)選 特征形成從屬專利權利要求的主題。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，所述控制器能夠將數(shù)據(jù)發(fā)送到 至少一個致動器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程；至少一個傳 感器，其能夠測量所述過程的^，并且能夠將數(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)絡進行無線通信，以及其中所述控 制器和所述至少 一個致動器或者所述至少 一個傳感器中的 一個是共置的， 使得其間的通信通過除了無線網(wǎng)絡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致動器或者所述至少一個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 一個致動器或者所述至少 一個傳感器布置在/〉共^t控制器上。才艮據(jù)本發(fā)明的又一方面，當所述控制器與所述至少 一個致動器共置 時，對所述至少一個傳感器布置用于處理測得的數(shù)據(jù)的裝置，所述用于處 理測得的數(shù)據(jù)的裝置能夠僅當在測得的數(shù)據(jù)中發(fā)生重要變化時將信息發(fā) 送到所述控制器。在這種情況下，所述用于處理測得的數(shù)據(jù)的裝置包括用于將測得的數(shù) 據(jù)和預設的范圍、限制、變化率進行比較的軟件。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)明有多個優(yōu)點。近來用于過程應用的通信系統(tǒng)的趨勢是利用 相對于有線系統(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、干擾和帶寬限制影響。對于任意過程，數(shù)據(jù)業(yè)務的一個關鍵區(qū)域在控制單元的控制環(huán)內。根 據(jù)本發(fā)明，因為致動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)務幾乎不受任何擾動或干擾，整個控制單元更不易受 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)濟并且節(jié)省空間的方案。當控制器與致動器共置時，通it^"傳感器設置用于僅當傳感器測得重 要的變化時將數(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。 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)絡中的附加優(yōu)點。在這種情況下，對傳感器設置一些"智能"，使 得傳感器本身能夠決定何時變化足夠重要，以便將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。優(yōu)選地，還對系統(tǒng)設置操作員工作站，使得操作員能夠監(jiān)視過程并且 在需要時改變過程^t。經(jīng)由無線網(wǎng)絡進行操作員工作站和控制單元之間 的通信，這不是太關鍵并且通常不會占用太多帶寬。從以下詳細的描述和附圖，本發(fā)明的這些和其它方面以及使用本發(fā)明 的優(yōu)點將變得明顯。


在以下對本發(fā)明的詳細描述中，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)明的一個方案的示意圖；以及
圖3是才艮據(jù)本發(fā)明的另 一個方案的示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，主要目的是減小無線通信網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)業(yè)務量。該目的 有幾個理由。 一個是如果通過網(wǎng)絡持續(xù)發(fā)送大量數(shù)據(jù)業(yè)務，將導致一些數(shù) 據(jù)延遲，通過網(wǎng)絡發(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 延遲的風險越大。包丟失和延遲經(jīng)常導致請求重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這進一步增 加了網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)量。
使用傳統(tǒng)的有線現(xiàn)場總線等系統(tǒng)，以一定的時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)是否相關或 者冗余。這也可以應用在控制器和致動器之間，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)務量的另一個原因是每一個無線 鏈路易受通信錯誤和延遲的影響，其中一些炮咯比其它鏈路更關鍵。
圖1示出一個過程的常規(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)控制致動器12，傳感器 14測量致動器的變化對過程產(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于例如值、范圍等的設置的 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艮大的風險。即使不是所有通信5^圣使用無線通信鏈 路，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送大量冗余或者不重要的數(shù)據(jù)，也導致進一步的延遲。
還容易理解，上述系統(tǒng)最關鍵的M是控制環(huán)。如果對于控制器來自 傳感器的關于過程狀態(tài)的信息丟失或者延遲，控制器沒有信息以便進行用 于控制致動器改變過程的動作或者動作延遲，則4艮容易對過程產(chǎn)生負面影響。如果在控制器和致動器之間數(shù)據(jù)丟失或者延遲，也可能對過程產(chǎn)生負 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)務的一個特征是去除控制
環(huán)中的無線銜洛中的至少一個。根據(jù)圖2，這是通過共置控制器和致動器 而獲得的，以便對于致動器而言使通信成本最小化。優(yōu)選地并且最經(jīng)濟地， 將控制器和致動器布置在同一個印刷電路板上或者同一個微控制器20 中。當然，它們也可以以一個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以及例 如近場通信技術的有線連接來進行數(shù)據(jù)通信，短距離無線技術以及例如近 場通信技術的有線連接在本領域中是公知的，因此不進行詳細地描述。
當然，應當理解，可以將控制器和致動器布置在印刷電路板以外的其 它裝置中，例如一個或者幾個芯片或者其它半導體基片、封裝組件等中。
使用這種方案的優(yōu)點是一方面控制器和致動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，這是因為對于大多數(shù)過程，傳感器和致動器 一般在位置上布置得彼此相當近，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器以及傳感器之間 分別有更長的距離的傳統(tǒng)配置的有線系統(tǒng)相反。因此， 一方面直接在控制 器和致動器之間直接傳輸用于處理控制應用的所有實時通信，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時通 信，因此關于數(shù)據(jù)丟失或者延遲與^Mt員工作站的通信不是關鍵的。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，例如傳感器測得的 過程的實際溫度、儲存罐的實際液面水平，這僅僅是過程的幾個例子。來 自致動器的信息可能是致動器的當前位置，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險， 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用的通過無線通信網(wǎng)絡
的通信，不必以一定的時間間隔發(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)，這是相當頻繁
的。這進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)送對于控制過 程不重要的大量信息。
相反，根據(jù)本發(fā)明，僅當來自傳感器的重要的數(shù)據(jù)或者至少對于過程 的控制重要的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時發(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，需要對傳感器配置某種"智能"，這是因為在傳感器 處要進行"決策"數(shù)據(jù)是否應當被發(fā)送。因此，優(yōu)選對傳感器配置某種微 控制器并且存儲軟件算法、濾波器、范圍、變化率和諸如此類的數(shù)據(jù)，傳 感器能夠評價數(shù)據(jù)或者將測得的數(shù)據(jù)和存儲的參考數(shù)據(jù)進行比較。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 可能會復雜一些。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)。
作為共置致動器和控制器的可選方案，當然共置控制環(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。
應當理解，上面描述并且在附圖中示出的實施例僅僅^L視為是本發(fā)明 的非限制性示例，可以在專利權利要求的范圍內以許多方式進行變化。
權利要求
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，其能夠將數(shù)據(jù)發(fā)送到-至少一個致動器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程，-至少一個傳感器，其能夠測量所述過程的M,并且能夠將數(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)絡進行無線通 信，以及其中所述控制器和所述至少一個致動器或者所述至少一個傳感器中 的一個《_共置的，使得其間的通信通過除了無線網(wǎng)絡以外的其它通信方式 來發(fā)送。
2. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至少一個 致動器或者所述至少一個傳感器布置為可以使用近場通信技術。
3. 根據(jù)權利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至 少 一個致動器或者所述至少 一個傳感器布置在z〉共印刷電i^板上。
4. 根據(jù)權利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至 少 一個致動器或者所述至少 一個傳感器布置在7>共微控制器中。
5. 根據(jù)權利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中將所述控制器和所述至 少一個致動器或者所述至少一個傳感器布置在一個或幾個芯片或者其它 半導體基片或者封裝組件中。
6. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，當所述控制器與所述至少一個致動 器共置時，對所述至少一個傳感器布置用于處理測得的數(shù)據(jù)的裝置，所述 用于處理測得的數(shù)據(jù)的裝置能夠僅在測得的數(shù)據(jù)發(fā)生重要變化時將信息 發(fā)送到所述控制器。
7. 根據(jù)權利要求4或者5所述的系統(tǒng)，其中所述用于處理測得的數(shù) 據(jù)的裝置包括用于將測得的數(shù)據(jù)和預設的范圍、限制、變化率進行比較的 軟件。
8. 根據(jù)前述權利要求中的任意一項所述的系統(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備，所述控制器被配置為能夠將數(shù)據(jù)發(fā)送到-至少一個致動器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程，-至少一個傳感器，其能夠測量所述過程的M，并且能夠將數(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)絡進行無線通 信，以及其中所述控制器和所述至少一個致動器或者所述至少一個傳感器中 的 一個是共置的，4吏得其間的通信通過除了無線網(wǎng)絡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，所述控制器能夠將數(shù)據(jù)發(fā)送到至少一個致動器，其能夠影響由所述控制器控制的所述過程；至少一個傳感器，其能夠測量所述過程的參數(shù)，并且能夠將數(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)絡進行無線通信，以及其中所述控制器和所述至少一個致動器或者所述至少一個傳感器中的一個是共置的，使得其間的通信不通過無線網(wǎng)絡來發(fā)送。
文檔編號G05B19/418GK101311863SQ20081010860
公開日2008年11月26日 申請日期2008年5月21日 優(yōu)先權日2007年5月22日
發(fā)明者阿爾夫·伊薩克松, 馬丁·斯特蘭德 申請人:Abb研究有限公司