Управление энергосбережением в низковольтных беспроводных сетях

Управление энергосбережением в низковольтных беспроводных сетях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к беспроводным сетям. В частности, настоящее изобретение относится к ячеистой беспроводной сети, в которой сообщения управления процессом циркулируют между главным компьютером и полевыми устройствами в узлах беспроводной ячеистой сети.

Во многих промышленных установках системы управления используются для контроля и управления материальными запасами, процессами и т.п. Часто такие системы управления имеют централизованную диспетчерскую с главным компьютером, который осуществляет связь с полевыми устройствами, удаленными от диспетчерской на большие расстояния. Вообще, в состав каждого полевого устройства входит преобразователь, который может выдавать выходной сигнал на основе физического ввода или выдавать физический выходной сигнал на основе входного сигнала. К типам преобразователей, используемых в полевых устройствах, относятся различные аналитические приборы, датчики давления, термисторы, термопары, тензодатчики, расходомеры, устройства позиционирования, приводы, соленоиды, индикаторы и т.п. Традиционно аналоговые полевые устройства подключались к технологическим подсистемам и диспетчерской через двужильный токовый контур типа витой пары, при этом каждое устройство подключалось к диспетчерской через одиночный двужильный токовый контур типа витой пары. Обычно разность напряжений между двумя жилами контура поддерживается на уровне около 20-25 Вт, а ток составляет от 4 до 20 мА. Аналоговое полевое устройство передает сигнал в диспетчерскую путем модуляции тока, проходящего по контуру, до тока, пропорционального измеренному технологическому параметру. Аналоговое полевое устройство, которое работает под управлением диспетчерской, управляется величиной тока в контуре, которая модулируется портами технологической подсистемы под управлением контроллера.

В то время как исторически полевые устройства были способны выполнять только одну функцию, позже в распределенных системах управления применялись гибридные системы, в которых на сигнал токового контура накладываются цифровые данные. С помощью протокола HART (Highway Addressable Remote Transducer) на сигнал токового контура накладывается сигнал цифрового потока. Сигнал цифрового потока может использоваться для передачи вторичной и диагностической информации. Примерами информации, передаваемой с цифровым потоком, могут служить вторичные технологические параметры, диагностическая информация (например, диагностика датчиков, диагностика устройств, диагностика проводки, технологическая диагностика и т.п.), рабочие температуры, температуры датчиков, данные калибровки, идентификационные номера устройств, информация по конфигурации и т.д. Соответственно, у отдельного полевого устройства могут быть различные входные и выходные переменные, и оно может выполнять разные функции.

Для подключения множества полевых устройств к главному компьютеру в диспетчерской в цифровом канале связи используется другой подход. Примеры протоколов цифровой связи, используемых с полевыми устройствами, подключенными к цифровым каналам, включают Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus и DeviceNet. Передача сообщений по каналам двусторонней цифровой связи между главным компьютером и множеством полевых устройств может быть обеспечена по той же самой двужильной проводке, по которой на полевые устройства подается напряжение.

Обычно удаленные устройства подключаются к системе управления путем прокладки кабелей от диспетчерской до удаленного устройства. Если удаленное устройство находится на расстоянии, например, полумили, издержки на прокладку кабеля могут быть большими. Если к удаленным устройствам нужно прокладывать множество кабелей, издержки становятся еще выше. Беспроводная связь предлагает искомую альтернативу, и беспроводные ячеистые сети были предложены для использования в промышленных системах управления технологическим процессом. Однако для минимизации издержек желательно также поддерживать существующие системы управления и протоколы связи, уменьшать издержки, связанные с заменой существующих систем на беспроводную связь.

В системах беспроводных ячеистых сетей, намеченных для низковольтных датчиков/приводов, многие сетевые устройства должны быть снабжены батареями с большим ресурсом работы или низковольтными источниками питания, получающими энергию из окружающей среды. Выходные разъемы для питания переменным током, например 120 В, располагаются, обычно, вдали от опасных зон, там где должны располагаться приборы (датчики) и приводы и при этом не должно быть больших издержек на установку. Необходимость в низких издержках на установку приводит к использованию устройств с питанием от батарей, связанных между собой в рамках беспроводной ячеистой сети. Эффективное использование источника тока с ограниченным ресурсом, например батареи гальванических элементов, не способной подзаряжаться, является жизненно важным для хорошо функционирующего беспроводного устройства. Как ожидается, батареи будут работать больше 5 лет и желательно в течение срока службы изделия.

Каждый узел беспроводной ячеистой сети должен быть способен направлять сообщение самому себе, а также другим узлам ячеистой сети. Концепция сообщений, проходящих через всю сеть от одного узла к другому, выгодна потому, что можно использовать менее мощную радиосвязь, при этом ячеистая сеть может охватывать существенную физическую область с передачей сообщения с одного ее конца на другой. В отличие от линий прямой связи, в которых используются удаленные узлы, передающие сообщение непосредственно основной централизованной станции, ячеистой сети не нужна мощная радиосвязь.

Протокол ячеистых сетей позволяет создавать альтернативные маршруты прохождения сообщений между узлами и между узлами и системой сбора данных, или мостом, или шлюзом по некоторой более скоростной шине данных более высокого уровня. Наличие дополнительных резервных маршрутов для радиосообщений увеличивает надежность данных, гарантируя, что для передачи сообщения существует хотя бы один резервный маршрут, который будет использован, если другой маршрут будет блокирован, или по нему ухудшится сообщение из-за плохих условий внешней среды или из-за помех.

Некоторые протоколы ячеистой сети направляются детерминированно таким образом, что у каждого узла имеется приписанный ему родитель и, по крайней мере, один альтернативный родитель. Согласно иерархии в ячеистых сетях в большей степени, чем в человеческих семьях, у родителей имеются дети, у детей свои дети (внуки) и т.д. Каждый узел передает через сеть сообщение для своих потомков в пункт конечного назначения, например на межсетевой интерфейс. Родительские узлы могут питаться от батарей или от энергоустройств с ограниченным ресурсом. Чем больше у узла потомков, тем больший поток он может пропустить, что, в свою очередь, увеличивает его энергопотребление и сокращает ресурс его батарей.

В целях энергосбережения некоторые протоколы позволяют ограничивать трафик, проходящий через узел в единицу времени, путем включения радиосвязи в течение ограниченного временного интервала только для прослушивания сообщений. Таким образом, для уменьшения средней мощности протокол может обеспечить циклический режим работы радиосвязи в интервале между состояниями «включено» и «выключено». Применение некоторых протоколов обеспечивает глобальный рабочий цикл, позволяющий сберегать энергию, при этом в состоянии «включено» и «выключено» находится вся сеть одновременно. Применение других протоколов (например, на основе TDMA) позволяет организовать локальный рабочий цикл, при котором связь осуществляется только между парой связанных друг с другом узлов, планово синхронно включаемых и выключаемых в заданный момент времени. Обычно, канал передачи данных задается путем назначения для пары узлов временного сегмента для передачи данных, радиочастотного канала для радиосвязи, при этом эти узлы должны принимать (Rx) и передавать (Тх) информацию в данный момент времени.

В некоторых протоколах применяется концепция приписывания каналов передачи данных к узлам на регулярной плановой основе, что обеспечивает регулярную доставку обновлений и сообщений от устройств сети. В некоторых перспективных протоколах на основе TDMA могут применяться концепции множества рабочих графиков, при этом данные графики используются одновременно или некоторые из них могут включаться/отключаться контроллером глобальной сети по мере необходимости. Например, графики медленной работы обеспечивают передачу сообщений между узлами с более длинными интервалами между сообщениями (большая продолжительность цикла) с целью обеспечения низкого энергопотребления. Графики быстрой работы обеспечивают передачу сообщений между узлами более быстро с целью обеспечения повышенной пропускной способности и сокращения времени ожидания, что приводит к повышенному энергопотреблению узлов. В случае протоколов, позволяющих применять различные рабочие графики, некоторые графики могут быть оптимизированы под восходящий трафик, другие под нисходящий трафик, а остальные под функции управления сетью, например, для объединения и конфигурирования устройств. Путем глобального включения/отключения различных графиков по всей сети для удовлетворения различных требований в разные моменты времени обеспечивается гибкость работы, позволяющая достигать компромиссы между энергопотреблением и низким временем ожидания, при этом ко всем узлам применяется один график, и это не позволяет обеспечивать оптимизацию на местном уровне.

В синхронизированной системе перед тем, как пропустить через себя сообщения, узлы должны будут ожидать режима передачи до следующего заданного включения. Ожидание увеличивает время задержки, что может быть очень вредно во многих случаях, если его не ограничивать и не управлять им должным образом. Если два узла, которые связаны вместе, не синхронизированы должным образом, они не смогут пропускать через себя сообщения потому, что радиосвязь будет включаться в несоответствующий период времени или в неверном режиме (Rx или Тх). Если единственный график работы имеет большую продолжительность цикла, интервал времени между намеченными сеансами связи будет большим, и это будет влиять на время задержки. Если используется график быстрой работы, интервал времени между намеченными сеансами связи будет коротким, но ресурс работы батареи будет в известной мере сокращаться через какое-то время.

Некоторые протоколы позволяют применять график медленной работы в фоновом режиме и глобально включать/отключать дополнительный график быстрой работы. Так как для глобального включения всей сети в график быстрой работы и приема подтверждения от узлов, что они слышали глобальную команду, требуется время, во время переходного периода сеть или подсеть работает в режиме пониженной чувствительности. Кроме того, при глобальном включении в график быстрой работы всех родительских узлов сети мощность расходуется впустую, даже в тех узлах, потомкам которых не выгодно работать по графику быстрой работы. Эти невосприимчивые родительские узлы должны чаще прослушивать глобальный график быстрой работы (то есть включать свою радиосвязь в режим Rx более часто), даже если их потомки не могут отправить дополнительное сообщение о том, что график регулярной работы в этой части сети выполняется неудовлетворительно.

Некоторые протоколы могут ограничивать число потомков узла, сокращая, таким образом, нагрузку на узел. В других протоколах для снижения потребляемой мощности может применяться сочетание всех этих мер. Все эти меры по энергосбережению уменьшают готовность узлов сети выполнять работу по пропуску через них сообщений, увеличивая, таким образом, время задержки передаваемых через сеть сообщений. Цикличность работы радиосвязи увеличивает время задержки. Пересылка сообщений с одного узла на другой увеличивает время задержки. Увеличение числа переходов (числа пересылок) путем ограничения числа потомков увеличивает время задержки. Применение графика медленной работы (период длинного цикла) увеличивает время задержки. Даже глобальное включение графика быстрой работы занимает время. Вероятно, что ценность информации уменьшается со временем, поэтому чем больше время задержки, тем менее ценной может быть информация.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Главный компьютер системы управления взаимодействует с полевыми устройствами через беспроводную ячеистую сеть. На основе сообщений от главного компьютера, которые адресованы отдельным полевым устройствам, сеть определяет, какие узлы должны быть активными для того, чтобы сообщения могли направляться на эти отдельные полевые устройства. Когда сеть переходит в активное состояние, узлы, необходимые для осуществления связи с отдельными полевыми устройствами, остаются включенными, в то время как остальные узлы могут возвратиться в неактивное состояние. После прекращения связи между главным компьютером и отдельными полевыми устройствами вся сеть возвращается в неактивное состояние. Определение узлов, которые должны выборочно поддерживаться в активном состоянии, может быть основано на адресах отдельных полевых устройств и топологии связи беспроводной ячеистой сети, или это может определяться в динамическом режиме по тем узлам, которые активно участвуют в передаче и приеме сообщений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая систему управления, в которой беспроводная ячеистая сеть направляет радиосообщения по маршрутам между главным компьютером и полевыми устройствами.

На фиг.2 представлена блок-диаграмма части системы управления, изображенной на фиг.1, включая главный компьютер, шлюзовой узел и беспроводный узел с полевым устройством.

На фиг.3 представлена схема, иллюстрирующая формат радиосообщений, передаваемых по беспроводной сети.

На фиг.4 показан формат управляющего сообщения главного компьютера для полевого устройства на основе протокола системы управления.

На фиг.5 представлен один вариант осуществления управляющего сообщения, измененного таким образом, чтобы сформировать полезную нагрузку радиосообщения, показанного на фиг.3.

На фиг.6 представлен другой вариант осуществления управляющего сообщения, измененного с помощью замыкающего блока данных таким образом, чтобы сформировать полезную нагрузку радиосообщения, показанного на фиг.3.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг.1 показана система управления 10, в состав которой входит главный компьютер 12, высокоскоростная сеть 14 и беспроводная ячеистая сеть 16, в состав которой входит шлюз 18 и беспроводные узлы 20, 22, 24, 26, 28 и 30. Шлюз 18 является местом сопряжения ячеистой сети 16 с главным компьютером 12 через высокоскоростную сеть 14. Сообщения могут передаваться от главного компьютера 12 на шлюз 18 по сети 14, а затем передаваться на отдельный узел ячеистой сети 16 по одному из нескольких путей. Точно так же сообщения от отдельных узлов ячеистой сети 16 маршрутизируются по ячеистой сети 16 с одного узла на другой по одному из нескольких путей, пока они не достигнут шлюза 18, и затем они по высокоскоростной сети 14 передаются на главный компьютер 12.

В системе управления 10 могут применяться полевые устройства, которые предназначены для использования в проводных распределенных системах управления, а также полевые устройства, которые специально разработаны как беспроводные передатчики для использования в беспроводных ячеистых сетях. Узлы 20, 22, 24, 26, 28, и 30 являются примерами беспроводных узлов, в состав которых входят обычные полевые устройства.

В состав беспроводного узла 20 входят радио 32, беспроводный маршрутизатор (WDR) 34 и полевые устройства FD1 и FD2. Узел 20 является примером узла, имеющего один уникальный беспроводный адрес и два уникальных адреса полевых устройств.

Узлы 22, 24, 26 и 28 являются примерами узлов, имеющих один уникальный беспроводный адрес и один уникальный адрес полевого устройства. В состав узла 22 входят радио 36, беспроводный маршрутизатор 38 и полевое устройство FD3. Точно так же в состав полевого устройства 24 входят радио 40, беспроводный маршрутизатор 42 и полевое устройство FD4; в состав узла 26 входят радио 44, беспроводный маршрутизатор 46 и полевое устройство FD3, и в состав узла 28 входят радио 48, беспроводный маршрутизатор 50 и полевое устройство FD6.

Узел 30 имеет один уникальный беспроводный адрес и три уникальных адреса полевых устройств. В его состав входят радио 52, беспроводный маршрутизатор 54 и полевые устройства FD7, FD8 и FD9.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения беспроводная сеть 16 является низковольтной, в которой многие узлы питаются от батарей с большим ресурсом работы или от низковольтных источников, получающих энергию из окружающей среды. Связь по беспроводной сети 16 может осуществляться в соответствии с конфигурацией ячеистой сети, в которой осуществляется передача сообщений с одного узла на другой через сеть 16. Это позволяет использовать низковольтную высокочастотную радиосвязь, при этом для передачи сообщения с одного конца сети на другой сеть 16 может охватывать большую физическую область.

В низковольтной беспроводной сети, в состав которой входят полевые устройства, энергосбережение может осуществляться путем перевода всей сети и полевых устройств в состояние низкого энергопотребления (в состояние отключения или ожидания). Сеть переводится в состояние высокого энергопотребления (состояние включения или активное состояние) для того, чтобы главный компьютер мог взаимодействовать с полевыми устройствами. Например, беспроводная сеть может быть включена глобально в рабочий цикл, который определяет момент включения всех узлов для приема и передачи сообщений.

Неэкономно при активизации беспроводной сети включать все полевые устройства, если планируется использовать только часть из них во время периода включения или активного периода беспроводной сети. Энергия, которая расходуется на включение полевых устройств, которые не участвуют в осуществлении связи, напрасно расходуется в узлах, что может отрицательно влиять на ресурс работы батарей.

Кроме того, если в обеспечении связи участвует ограниченное число полевых устройств, по крайней мере, некоторые из узлов беспроводной сети не будут нужны, так как они находятся не на самых вероятных путях связи, проходящих через беспроводную сеть между полевыми устройствами и главным компьютером. При поддержании радио во включенном состоянии на прием сообщений, когда не принято ни одно из них, энергия расходуется напрасно и сокращается ресурс работы батарей.

Система управления 10 может работать в микрорежиме на включение и выключение полевых устройств и на включение и выключение беспроводных узлов для того, чтобы на полную мощность работали только те узлы и полевые устройства, которые необходимы для обеспечения связи. В то же время система управления 10 может гарантировать, что те полевые устройства и узлы, которые должны работать на полной мощности, остаются в состоянии включения, при этом обеспечивается требуемая связь с главным компьютером 12.

В системе управления 10 бывает так, что главный компьютер 12, возможно, должен связаться в течение достаточно длинного периода с конкретным полевым устройством. Например, при запуске системы управления 10 главный компьютер 12 может обнаружить наличие каждого полевого устройства и получить все хранимые параметры и данные конфигурации от каждого полевого устройства. Во время этого процесса между главным компьютером 12 и каждым из отдельных полевых устройств FD1-FD9 будут пересылаться многочисленные сообщения. В другом примере главному компьютеру 12 необходимо конфигурировать одно из полевых устройств FD1-FD9.

Количество данных по конфигурированию, которые нужно переместить, превращается в многочисленные сообщения между главным компьютером 12 и конкретным полевым устройством, которое конфигурируется.

В любом из этих случаев было бы неэффективно включать все полевые устройства FD1-FD9 при включенной беспроводной сети 16, если в осуществлении связи может участвовать только одно полевое устройство. Система управления 10 справляется с этой проблемой путем поддержания всех полевых устройств в режиме ожидания или выключенном состоянии до тех пор, пока от главного компьютера 12 не будет принято управляющее сообщение, адресованное конкретному полевому устройству. Тогда на этот узел в адрес полевого устройства беспроводный маршрутизатор направляет электроэнергию. Например, в ответ на принятое управляющее сообщение от главного компьютера 12, адресованное полевому устройству FD3, беспроводный маршрутизатор 38 узла 22 включает подачу электроэнергии на полевое устройство FD3.

В случае беспроводных узлов, включающих более одного полевого устройства, при включении одного полевого устройства может потребоваться включение всех полевых устройств данного узла. Например, если полевые устройства FD1 и FD2 в узле 20 установлены на общей силовой и коммуникационной шине с беспроводным маршрутизатором 34, при подаче питания на шину будет включено как полевое устройство FD1, так и полевое устройство FD2.

Как только на полевое устройство будет подано питание, желательно, пока главный компьютер 16 осуществляет связь с этим полевым устройством, обеспечить работу этого устройства на полной мощности. Даже если беспроводная сеть 16 работает в циклическом режиме «включено/выключено» согласно плановому рабочему циклу, желательно обеспечить работу полевого устройства, осуществляющего связь с главным компьютером 12, на полной мощности, пока поддерживается связь. В зависимости от типа полевого устройства, может потребоваться от нескольких секунд до 60 секунд для того, чтобы полевое устройство заработало на полной мощности в ответ на управляющее сообщение от главного компьютера 12.

При приеме от главного компьютера 12 управляющего сообщения с требованием включить адресуемое полевое устройство в управляющем сообщении может быть команда на включение в работу полевого устройства на полную мощность на определенный период времени, задаваемый главным компьютером 12, как необходимый для завершения планируемой связи. В другом случае это команда, которую полевое устройство выполняет в состоянии включения до того момента, пока не прекратится его взаимодействие с главным компьютером 12. Это может задаваться беспроводным маршрутизатором, связанным с полевым устройством, который принимает управляющие сообщения от главного компьютера 12 и направляет их на полевое устройство, а также принимает ответы от полевого устройства, которые отправляются назад на главный компьютер 12. Во время отсутствия сообщений беспроводный маршрутизатор автоматически выключает полевое устройство.

При индивидуальном управлении подачей питания на отдельные полевые устройства FD1-FD9 система управления 10 уменьшает общее потребление энергии беспроводной сети 16, в частности потребление энергии в отдельных узлах 20-30 сети 16. При возвращении полевого устройства в состояние низкого энергопотребления после того, как связь с главным компьютером 12 завершилась, увеличивается способность сохранять активное состояние между главным компьютером 12 и конкретным полевым устройством. Нежелательные переходы полевого устройства от состояния работы на полной мощности до состояния низкого энергопотребления исключаются.

Другой способ, с помощью которого обеспечивается энергосбережение в узлах 20-30 беспроводной сети 16, состоит в том, чтобы переключить узлы, не участвующие в осуществлении связи, в состояние низкого энергопотребления, а узлы, участвующие в осуществлении связи, оставить в состоянии длительного высокого энергопотребления так, чтобы главный компьютер 12 имел возможность завершить свою связь с отдельным полевым устройством.

Обычно, в беспроводной ячеистой сети сообщения переходят с одного узла на другой. В других случаях для радиосообщений предусматриваются резервные пути. При отправке сообщения на определенное полевое устройство беспроводной ячеистой сети 16 в процесс приема и передачи сообщения в пункт конечного назначения может быть вовлечено несколько узлов. Например, рассмотрим сообщение, намеченное для полевого устройства FD7 узла 30. Путь радиосообщения на узел 30 может проходить от шлюза 18 через узлы 20 и 22 на узел 30. В другом случае сообщение может проходить через узел 26 на узел 30 или через узлы 24 и 28 на узел 30. Такой же обратный путь может быть предусмотрен для ответного сообщения от полевого устройства FD7, которое отправляется от узла 30 на шлюз 18, а затем на главный компьютер 12. Если связь между главным компьютером 12 и полевым устройством FD7 осуществляется по пути от шлюза 18 через узел 26 на узел 30 и назад по тому же самому пути, то другие узлы 20, 22, 24 и 28 не нужны до тех пор, пока связь будет осуществляться только между главным компьютером 12 и полевым устройством FD7.

Шлюз 18 принимает сообщения, которые готовятся к отправке с главного компьютера 12 по беспроводной сети 16. В случае перехода беспроводной сети 16 в режим высокого энергопотребления (включен подвод питания) шлюз 18 может отправить сообщение каждому узлу, который будет участвовать в приеме и передаче сообщений от главного компьютера 12, и может передать команду этим узлам оставаться во включенном состоянии в течение определенного периода или до концов связи. Шлюз 18 может идентифицировать участвующие в связи узлы путем сохранения информации о маршрутах сигнала в сети 16. Шлюз 18 может периодически опрашивать каждый узел с целью определения каналов связи, которые узел установил с соседними узлами для передачи и приема сообщений. На основе этой информации шлюзом 18 может быть идентифицирован вероятный путь (или пути) прохождения сообщений от главного компьютера 12, который затем может использоваться для отправки команды на соответствующие узлы. Те узлы, которые не получили сообщение от шлюза 18 после того, как они получили команду оставаться во включенном состоянии, автоматически отключаются в конце состояния нормального высокого энергопотребления (включен подвод питания) в цикле работы связи. Оставшиеся устройства, которые получили команду остаться во включенном состоянии, остаются в состоянии высокого энергопотребления (включен подвод питания), пока главный компьютер 12 продолжает осуществлять связь, по крайней мере, с одним полевым устройством.

В другом случае шлюз 18 может направлять сообщения на каждый из узлов, которые не будут принимать активного участия в запланированном осуществлении связи, путем передачи на эти узлы команды на отключение. Каждый узел, который не получил команду на отключение, остается во включенном состоянии. Этот подход, однако, может привести к тому, что какой-то узел окажется включенным, даже при том, что он не участвует в осуществлении связи, просто потому, что он не получил сообщение на отключение.

Другой способ определения, какой узел оставить включенным, а какой отключить, состоит в том, чтобы любое устройство, которое приняло и передало сообщение во время состояния нормального высокого энергопотребления (включен подвод питания) рабочего цикла связи, оставлять во включенном состоянии, пока оно либо не примет сообщение от шлюза 18 с командой на отключение, либо до истечения времени без какого-либо сообщения, принимаемого или передаваемого этим узлом. Таким образом сеть 16 динамически конфигурирует сама себя, чтобы оставлять включенными те узлы, которые необходимо сохранять в этом состоянии, чтобы сообщения могли направляться на целевые полевые устройства и от них. Те узлы, которые не принимают участия в осуществлении связи, автоматически отключаются в конце части режима высокого энергопотребления (включен подвод питания) рабочего цикла.

Обеспечение непрерывной связи с продлением включенного состояния только тех узлов, которые активно участвуют в осуществлении связи, означает, что время задержки может быть уменьшено, а связь улучшена, и при этом нет необходимости прибегать к тому, чтобы беспроводная сеть 16 постоянно оставалась во включенном состоянии. Когда связь прекращается, узлы, включенное состояние которых было продлено, будут синхронизироваться повторно с нормальным рабочим циклом связи беспроводной сети 16 включено/выключено.

В проводной системе управления взаимодействие между главным компьютером и полевыми устройствами происходит с использованием известных управляющих сообщений согласно протоколу управляющего сообщения типа HART, Fieldbus, Profibus и т.п. В полевых устройствах, применяемых в проводных системах управления (типа полевых устройств FD1-FD9, показанных на фиг.1), используются управляющие сообщения согласно одному из известных протоколов управляющего сообщения. Беспроводные узлы 20-30, которые являются частью беспроводной сети 16, не могут непосредственно обмениваться этими известными управляющими сообщениями с главным компьютером 12 потому, что беспроводная связь по сети 16 осуществляется согласно беспроводному протоколу, что является общим принципом.

Вместо того чтобы требовать от главного компьютера 12 и полевых устройств FD1-FD9 обмениваться сообщениями с использованием протокола беспроводной связи, может быть предложен способ отправки и приема известных управляющих сообщений для полевых устройств между главным компьютером 12 и полевыми устройствами FD1-FD9 по беспроводной сети 16. Известные управляющие сообщения для полевых устройств вкладываются в общий протокол беспроводной связи так, чтобы происходил обмен управляющими сообщениями между главным компьютером 12 и полевыми устройствами FD1-FD9 для осуществления управляющего взаимодействия с полевыми устройствами FD1-FD9. В результате беспроводная сеть 16 и ее протокол беспроводной связи абсолютно прозрачны как для главного компьютера 12, так и для полевых устройств FD1-FD9. Хотя изобретение может применяться и к другим протоколам управляющего сообщения (например, Foundation Fieldbus, Profibus и т.д.), в следующем описании в качестве примера известного протокола управляющего сообщения будет использоваться протокол HART.

Подобная проблема относится к адресам, используемым главным компьютером 12, для того, чтобы направлять сообщения на полевые устройства FD1-FD9. В проводных системах главный компьютер обращается к каждому полевому устройству, обладающему уникальным полевым адресом устройства. Адрес определяется как часть конкретного используемого протокола связи и обычно составляет часть управляющих сообщений, отправляемых главным компьютером в адреса полевых устройств.

Когда беспроводная сеть, например сеть 16, представленная на фиг 1, используется для маршрутизации сообщений с главного компьютера на полевые устройства, адреса полевых устройств, используемые главным компьютером, оказываются не совместимыми с беспроводными адресами, используемыми в соответствии с протоколом связи беспроводной сети. Кроме того, с отдельным узлом может быть связано множество полевых устройств, как показано на фиг.1 (беспроводные узлы 20 и 30). В состав беспроводного узла 20 входят два полевых устройства FD1 и FD2, в то время как беспроводный узел 30 включает три полевых устройства FD7-FD9.

Один из способов обращения с адресами состоит в том, чтобы требовать от главного компьютера 12 использовать адреса беспроводной связи, а не адреса полевых устройств. Этот подход, однако, требует, чтобы главный компьютер 12 был запрограммирован по-разному в зависимости от того, сообщается ли он с полевыми устройствами по проводной связи, или сообщается ли он, по крайней мере, частично, по беспроводной сети. Кроме того, остается вопрос множества полевых устройств, обычно, разного назначения, к которым нужно обращаться индивидуально.

В альтернативном подходе для перевода адресов полевых устройств, выдаваемых главному компьютеру 16, в соответствующие адреса беспроводной связи используется шлюз 18. Радиосообщение отправляется в адрес беспроводной связи, и в его состав входит также адрес полевого устройства так, чтобы узел, принимающий это сообщение, мог направить сообщение на соответствующее полевое устройство. При переводе адресов полевых устройств в соответствующие адреса беспроводной связи главный компьютер 12 может функционировать в его родном домене полевых адресов при взаимодействии с полевыми устройствами. Беспроводная сеть 16 прозрачна как для главного компьютера 12, так и для полевых устройств FD1-FD9.

Еще одной проблемой, возникающей при использовании беспроводной сети 16 с целью обеспечения связи между главным компьютером 12 и полевыми устройствами FD1-FD9, является проблема неготовности полевых устройств из-за энергосбережения. В проводной системе управления главный компьютер взаимодействует с полевыми устройствами, как будто они находятся в состоянии готовности по требованию. Предполагается, что полевые устройства всегда получают питание и находятся в состоянии готовности.

В низковольтной беспроводной сети дело обстоит не так. В целях энергосбережения полевые устройства в низковольтной беспроводной сети находятся большую часть времени в состоянии неготовности, или в режиме ожидания. Периодически беспроводная сеть выходит из состояния ожидания, и в это время сообщения могут отправляться на полевые устройства и полевыми устройствами. По истечении некоторого времени беспроводная сеть снова переводится в состояние ожидания с низким энергопотреблением.

Если главный компьютер пытается установить связь в то время, когда беспроводная сеть находится в режиме ожидания, или когда какое-либо отдельное полевое устройство находится в режиме ожидания с низким энергопотреблением, неспособность этого полевого устройства реагировать немедленно может интерпретироваться главным компьютером как отказ связи. Главный компьютер не определяет специфический маршрут, по которому проходят сообщения в беспроводной сети, и не контролирует циклы повышенного и пониженного энергопотребления беспроводной связи. В результате главный компьютер может интерпретировать отсутствие реакции полевых устройств как отказ устройства, когда отсутствие реакции вызвано внутренними причинами путей системы связи в низковольтной беспроводной сети.

Для того чтобы сделать беспроводную сеть 16 прозрачной для главного компьютера 12, шлюз 18 прерывает передачу сообщений с полевых устройств между главным компьютером 12 и беспроводной сетью 16. Шлюз 18 определяет текущее состояние беспроводной сети 16 и отслеживает ее циклы «источник тока подключен»/«источник тока отключен». Кроме того, он сохраняет информацию на время отклика каждого включаемого полевого устройства с последующей передачей сообщения в ответ на управляющее сообщение, принятое от главного компьютера 12.

При отправке сообщения с главного компьютера 12 на шлюз 18 на основе адреса полевого устройства определяется ожидаемое время отклика. Это ожидаемое время отклика передается на главный компьютер 12, чтобы до истечения ожидаемого времени отклика отсутствие ответного сообщения не обрабатывалось как отказ связи. В результате главный компьютер 12 обрабатывает полевые устройства FD1-FD9, как если бы они были в состоянии готовности по требованию, в то время как, фактически, беспроводная сеть 16 и полевые устройства FD1-FD9 находятся в состоянии неготовности по требованию.

На фиг.2 представлена блок-диаграмма части системы управления 10, представленной на фиг.1. На фиг 2 показаны главный компьютер 12, высокоскоростная сеть 14, шлюз 18 и беспроводный узел 22.

На фиг.2 главный компьютер 12 выполняет роль главной распределенной системы управления, выполняющей прикладные программы, что облегчает отправку сообщений на полевые устройства FD1-FD9, а также получение и анализ данных, содержащихся в сообщениях от полевых устройств FD1-FD9. В качестве прикладной программы главный компьютер 12 может использовать AMS (tm), Device Manager, что позволяет пользователям контролировать полевые устройства FD1-FD9 и взаимодействовать с ними.

Главный компьютер 12 поддерживает связь со шлюзом 18 с помощью формата на языке XML (расширяемый язык разметки)