有线现场装置与控制系统组件间的无线通信的系统与方法.pdf

用于在现场装置与控制系统组件之间传递信号的通信系统包括现场链接单元(104，110)和系统网关(118，120)。现场链接单元(104，110)电耦合到现场装置(102A-102C，108A-108C)，使用第一协议在这二者之间传递信号。系统网关(118，120)电连接到控制系统组件，使用第二协议在这二者之间传递信号。现场链接单元(104，110)和系统网关(118，120)无线通信。现场链接单元(104，110)和系统网关(118，120)之一可在发送前加密信号，而另一个可根据接收解密信号。系统还可包括至少一个中间节点(114，116)，且现场链接单元(104，110)和系统网关(118，120)可经中间节点(114，116)无线通信。

1.  用于在现场装置与控制系统组件之间传递信号的通信系统，包括：
现场链接单元(104，110)，电耦合到现场装置(102A-102C，108A-108C)，且可操作成使用第一协议在所述现场装置(102A-102C，108A-108C)与所述现场链接单元(104，110)之间传递信号；
系统网关(118，120)，电耦合到控制系统组件，且可操作成使用第二协议在所述系统网关(118，120)与所述控制系统组件之间传递所述信号；
其中，所述现场链接单元(104，110)和所述系统网关(118，120)可操作成进行无线通信，且所述第一协议和所述第二协议是相关协议。

2.  如权利要求1所述的通信系统，其中：
所述现场链接单元(104，110)和所述系统网关(118，120)之一可操作成对所述信号进行加密，然后无线发送所述加密信号；以及
所述现场链接单元(104，110)和所述系统网关(118，120)的另一个可操作成根据接收对所述加密信号进行解密。

3.  如权利要求1所述的通信系统，还包括：
第二现场链接单元(104，110)，电耦合到第二现场装置(102A-102C，108A-108C)，且可操作成使用第三协议在所述第二现场装置(102A-102C，108A-108C)与所述第二现场链接单元(104，110)之间传递第二信号；
第二系统网关(118，120)，电耦合到第二控制系统组件，且可操作成使用第四协议在所述第二系统网关(118，120)与所述第二控制系统组件之间传递所述第二信号；
其中，所述第二现场链接单元(104，110)和所述第二系统网关(118，120)可操作成进行无线通信，且所述第三协议和所述第四协议是相关协议。

4.  如权利要求1所述的通信系统，还包括：
至少一个中间节点(114，116)，其中，所述现场链接单元(104，110)和所述系统网关(118，120)可操作成经所述至少一个中间节点(114，116)进行无线通信。

5.  如权利要求4所述的通信系统，其中：
所述现场链接单元(104，110)是多个现场链接单元之一；
所述系统网关(118，120)是多个系统网关之一；以及
在每个现场链接单元和所述系统网关之一之间存在至少两条通信路径。

6.  一种在现场装置与控制系统组件之间传递信号的方法，包括：
在现场链接单元(104，110)中以第一协议从现场装置(102A-102C，108A-108C)接收信号，其中，所述现场装置(102A-102C，108A-108C)和所述现场链接单元(104，110)电耦合；
在所述现场链接单元(104，110)和系统网关(118，120)之间无线通信所述信号；以及
以第二协议从所述系统网关(118，120)向控制系统组件传送所述信号，其中，所述系统网关(118，120)与所述控制系统组件电耦合，以及其中，所述第一协议和第二协议是相关协议。

7.  如权利要求6所述的方法，其中，在所述现场链接单元(104，110)和所述系统网关(118，120)之间无线通信所述信号包括：
在所述现场链接单元(104，110)中对所述信号进行加密；以及
在所述系统网关(118，120)中对所述加密信号进行解密。

8.  如权利要求6所述的方法，还包括：
在第二现场链接单元(104，110)中以第三协议从第二现场装置(102A-102C，108A-108C)接收第二信号，其中，所述第二现场装置(102A-102C，108A-108C)和所述第二现场链接单元(104，110)电耦合；
在所述第二现场链接单元(104，110)和第二系统网关(118，120)之间无线通信所述第二信号；以及
以第四协议从所述第二系统网关(118，120)向第二控制系统组件传送所述第二信号，其中，所述第二系统网关(118，120)与所述第二控制系统组件电耦合，以及其中，所述第三协议和第四协议是相关协议。

9.  如权利要求6所述的方法，其中，向所述系统网关无线通信所述信号包括：
在所述现场链接单元(104，110)和中间节点(114，116)之间无线通信所述信号；以及
在所述中间节点(114，116)和所述系统网关(118，120)之间无线通信所述信号。

10.  如权利要求9所述的方法，其中：
所述现场链接单元(104，110)是多个现场链接单元之一；
所述系统网关(118，120)是多个系统网关之一；以及
在每个现场链接单元和所述系统网关之一之间存在至少两条通信路径。

有线现场装置与控制系统组件间的无线通信的系统与方法
技术领域
本公开通常涉及控制系统，尤其涉及用于有线现场装置与控制系统组件之间的无线通信的系统与方法。
背景技术
过程控制系统一般包括现场装置和控制系统组件。现场装置可包括测量过程变量的值或者过程组件的状态的传感器。现场装置还可包括用于控制诸如阀的过程设备的制动器(actuator)以及用于控制诸如发动机的过程设备的继电器(relay)。
控制系统组件可包括过程控制器、安全和报警应用、资产管理工具、配置工具以及过程历史记录应用。现场装置和控制系统组件一般使用通信协议经由有线连接相互通信。
在某些通信协议中，例如高速可寻址远程传感器(HighwayAddressable Remote Transducer：HART)协议，独立的导线对把各个现场装置连接到控制系统。此类导线对可承载表征过程变量或者所需制动器位置的模拟控制电流。低电压的频移键控(frequency shift keying：FSK)数字信号可叠加到模拟控制电流，以能够在HART现场装置与控制系统之间进行其它信息的通信。此类其它信息可包括配置信息、其它过程变量信息以及装置状态信息。
可使用HART多路复用器以便简化此类系统的连线。多路复用器单元可使用上述的组合的模拟和FSK数字通信协议与各个HART现场装置通信。然后，可使用串行数字链路来利用相关数字通信协议在多路复用器单元和控制系统之间通信。
在其它通信协议中，控制系统可通过承载串行数字信号的导线对与一个或多个现场装置通信。基金会现场总线(Foundation Fieldbus：FF)H1和Profibus是此类协议的两种示例。可由单个导线对支持的现场装置的数量有限。H1和Profibus都具有允许控制系统通过单个连接与更多数量的现场装置通信的相关协议(分别为FF HSE和Profinet)。
但是，此类控制系统仍然要求系统所有者在控制系统组件和现场装置之间安装一种或其它种有线连接。这种要求显著增加了过程控制系统的初始安装和扩展的成本和复杂度。
发明内容
本公开提供用于有线现场装置与控制系统组件之间的无线通信的系统与方法。
在第一实施例中，用于在现场装置与控制系统组件之间传送信号的系统包括现场链接单元和系统网关。现场链接单元与现场装置电耦合，在这二者之间使用第一协议传送信号。系统网关与控制系统组件电耦合，在这二者之间使用第二协议传送信号。现场链接单元和系统网关无线通信。第一和第二协议是相关协议。在特定实施例中，第一和第二协议是同一协议。
在其它特定实施例中，现场链路单元和系统网关之一对信号加密，然后无线发送加密信号。同样，现场链路单元和系统网关的另一个根据接收对加密信号解密。
在又一别的特定实施例中，系统还包括第二现场链路单元和第二网关。第二现场链接单元与第二现场装置电耦合，在这二者之间使用第三协议传送信号。第二系统网关与第二控制系统组件电耦合，在这二者之间使用第四协议传送信号。第二现场链接单元和第二系统网关无线通信。第三和第四协议是相关协议，或者在其它特定实施例中为同一协议。
在其它特定实施例中，系统还包括中间节点。现场链接单元和系统网关经中间节点无线通信。在又一别的特定实施例中，系统还包括多个中间节点，现场链接单元和系统网关经两个或两个以上的中间节点无线通信。
在第二实施例中，用于在现场装置与控制系统组件之间传送信号的方法包括在现场链接单元中以第一协议从与现场链接单元电耦合的现场装置接收信息。该方法还包括在现场链接单元和系统网关之间对信号进行无线通信。该方法还包括以第二协议从系统网关向与系统网关电耦合的控制系统组件传送信号。第一协议和第二协议是相关协议。在特定实施例中，第一和第二协议是同一协议。在其它特定实施例中，信号在现场链接单元和系统网关之间直接或经由一个或多个中间节点无线通信。
从以下附图、说明和随附权利要求书，其它技术特征就可对本领域技术人员显而易见了。
附图说明
为了该公开的更完整理解，现结合附图进行以下描述，其中：
图1依照该公开的一种实施例示出用于在有线现场装置与控制系统组件之间的有线通信的示例系统；以及
图2依照该公开的一种实施例示出用于在有线现场装置与控制系统组件之间的有线通信的示例方法。
具体实施方式
图1依照该公开的一种实施例示出用于在有线现场装置与控制系统组件之间的有线通信的示例系统100。图1所示的系统100的实施例仅是示例性的。在不脱离该公开的范围的情况下，可使用系统100的其它实施例。
如图1所示，系统100包括现场装置102A-102C。在该示例中，现场装置102A和102C是传感器，现场装置102B是制动器。现场装置102A-102C可分别通过有线连接106A-106C连接到现场链接单元104。同样，系统100包括现场装置108A-108C。在该示例中，现场装置108A-108C都是传感器。现场装置108A-108C可分别通过有线连接112A-112C连接到现场链接单元110。
在图1的系统100中，现场装置102A-102C可使用HART通信协议与现场链接单元104通信。相反，现场装置108A-108C可使用基金会现场总线(FF)H1通信协议与现场链接单元110通信。
现场链接单元104和110可与系统网关118和120无线通信。无线通信可是直接的，如由无线链路132所示。无线通信也可经由中间节点114和116是间接的，如由无线链路126-130和134-138所示。因此，可在现场链接单元104、110与系统网关118、120之间建立冗余的无线路径。
在该示例中，现场链接单元104可通过两条路径与系统网关118无线通信。第一路径包括无线链路126、中间节点114和无线链路134。第二路径包括无线链路128、中间节点116和无线链路136。同样，现场链接单元110可经无线链路132直接地或者经无线链路130、138与中间节点116间接地与系统网关120无线通信。这样，如果无线链路之一中断了或者中间节点之一出了故障，那么现场链接单元与系统网关之间的通信可通过备选路径继续。
由系统网关118和120之一所接收到的无线消息可经由有线连接140被发送到另一个。有线连接140可为以太网连接或者其它串行链路。为说明起见，由现场链接单元110所发送的消息可只被系统网关120经直接无线链路132接收，但是耦合到系统网关118的控制系统组件可要求所述消息。在这种情况下，来自现场链接单元110的信息可经连接140从系统网关120转发到系统网关118。在另一实施例中，系统网关118和120可经无线通信链路140相互进行无线通信。
在图1的系统100中，系统网关118可由有线连接142耦合到控制系统122的一个或多个组件。所述组件可为过程控制器、安全与警报监视应用、资产管理工具、配置工具、过程历史记录应用或者其它任意或附加装置或系统。同样，系统网关120可经有线连接140耦合到控制系统124的一个或多个组件。
在该示例中，链路142可为以太网连接，系统网关118可使用基金会现场总线高速以太网(FF HSE)通信协议与控制系统122中的警报监视组件通信。相反，链路144可为RS-485连接，系统网关120可使用HART MUX协议与控制系统124中的过程控制组件通信。在另一实施例中，链路144可为各自与HART现场装置102A-102C对应的多个导线对，使用带FSK数字信令的HART模拟通信协议可进行链路144上的通信。
尽管图1示出在有线现场装置与控制系统组件之间的无线通信的示例系统100的一种示例，但是可对图1进行各种改变。例如，系统100可包括任意数量的现场装置、现场链接单元、中间节点、系统网关和控制系统。此外，分离示出的各个单元可组合。现场链接单元可支持多种通信协议，例如HART和FF H1。系统网关可支持多种协议，例如HART MUX和FF HSE。
另外，虽然把系统100的现场装置和控制系统描述为使用某些协议(HART，FF H1，HART MUX和FF HSE)，但是系统100的其它实施例可使用任意其它或者附加的通信协议。例如，可使用Profibus、Profinet、Modbus串行、Modbus远程终端单元(Remote Terminal Unit：RTU)、Modbus传输控制协议(TCP)或者其它协议。
图2依照该公开的一种实施例示出用于在有线现场装置与控制系统组件之间的无线通信的示例方法200。虽然图2描述从现场装置到控制系统组件的通信，但是要明白可执行相似步骤以进行从控制系统组件到现场装置的通信。
在步骤202，现场链接单元可用第一协议从现场装置接收信号。例如，对于图1的系统100，现场链接单元104可用HART通信协议从现场装置102A接收信号。现场链接装置可在步骤204对信号进行加密，并在步骤206无线传送信号。对信号进行加密给无线通信提供更高的安全性，并使接收装置能够为干预和合理性而检测所述信号。
一旦现场链接单元已传送加密信号，则该加密信号可由系统网关接收，或者如参考图1所述，可由中间节点接收并被转发到系统网关。在某些实施例中，中间节点不能对信号进行解密而仅仅将其如初始加密的那样转发。如参考图1所述，如果信号是耦合到另一系统网关的控制系统组件所想要的，那么接收系统网关可将信号转发到该另一系统网关。例如，对于图1的系统100，系统网关118可接收由现场链接单元104所传送的加密信号，并将接收信号经通信链路140转发到系统网关120。
一旦系统网关接收到加密信号，它就在步骤208解密该信号。在步骤210，该系统网关接着可用其初始通信协议向控制系统组件传送解密信号。但是，在图1示出的系统100的实施例中，在系统网关120中从现场装置102A所接收到的HART信号可在被向控制系统124传送之前被转换成相关HART MUX协议。在系统100的另一实施例中，现场链接单元104可把从现场装置102A所收到的HART信号转换为相关HART MUX协议，然后再对用于向系统网关118发送的信号进行加密。
在特定实施例中，以一种通信协议所接收的信号可在加密和无线传送之前被转换为相关协议。在其它特定实施例中，可在无线接收和解密之后执行所述转换。
为了阐述系统100的特定实施例的操作，又参考图1，并描述在控制系统122中的警报监视应用和现场装置108C之间所发送的示例信号簇。可执行相似的动作序列以在例如控制系统124中的过程控制器与现场装置102A-102C之一之间进行无线通信。
最初系统操作员可使用配置工具来配置系统网关118和现场链接单元104。配置工具可与系统网关118和现场链接单元104处于有线或无线通信。配置工具可使用由现场装置108C的制造商所创作的装置描述符文件来用命令集、消息格式和其它与现场装置108C有关的信息配置无线装置。
控制系统122中的警报监视应用可向现场装置108C发送命令，例如对由现场装置108C所监视的过程变量设置允许值范围的命令。警报监视应用可用FF HSE通信协议经以太网链路142向系统网关118发送该命令。系统网关118可还以FF HSE协议对消息进行加密，并将其经无线链路136、中间节点116和无线链路130转发到现场链接单元110。备选地，系统网关118可把该消息以FF HSE协议经有线链路140、系统网关120和无线链路132转发到现场链接单元110。现场链接单元110可接着对该消息进行解密，把该消息转换到FF H1协议并将其经有线链路112C转发到现场装置108C。
如果现场装置108C检测到指示范围以外的过程变量值，那么它可用FF H1协议经有线连接112C向现场链接单元110发送警报信号。现场链接单元110接着可把该信号转换到FF HSE协议，对信号进行加密，附上把它自身和现场装置108C标识为信号来源并把控制系统122中的警报监视应用标识为预期接收者的附加信息，且向中间节点116和系统网关120无线发送产生的消息。
中间节点116可把消息经无线链路136转发到系统网关118。系统网关120可把该消息经通信链路140转发到系统网关118。系统网关118可从该消息中的其它附加信息识别从中间节点116和系统网关120所收到的消息是同一消息的两个副本，并只保留一个副本用于处理。系统网关118接着可解密该消息以恢复信号，并将其以FF HSE协议经有线链路142传送到控制系统122中的警报监视应用。控制系统122可通过用于发送设置允许值范围的命令的相同步骤集合发布警报消息的应答。
本文所用的术语“无线”通信表示经例如空气的周围介质的数据传输。非无线通信包括通过经非无线通信的物理导管、信道或其它通信路径的数据传输所实现的通信。非无线通信的此类物理通信路径的示例包括铜或其它导线、光纤、同轴或其它电缆以及任意众多的已知或要开发的通信或传输线。任一术语(有线或非无线)不暗示特定结构，也不暗示特定频率波段、波长、比特率或调制协议的使用。
在某些实施例中，由计算机可读程序代码构成并设置在计算机可读媒介中的计算机程序实现或支持上述各种功能。短语“计算机可读程序代码”包括任意类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读媒介”包括能够由计算机访问的任意类型的媒介，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、压缩盘(CD)、数字视频盘(DVD)或者任意其它类型的存储器。
提供本专利文档到处使用的某些词和短语的定义是有利的。术语“耦合”及其派生词是指两个或两个以上单元之间的任意直接或间接连通(communication)，不管这些单元是否相互物理接触。术语“应用”和“程序”是指一个或多个适合于用合适计算机代码(包括源代码、目标代码和可执行代码)实现的计算机程序、软件组件、指令集、流程、功能、对象、类、实例、相关数据或其部分。术语“包含”和“包括”及其派生词表示非限制性的包含。术语“或”和“或者”是包容性的，表示和/或。短语“与关联”和“与其关联”及其派生词可表示包括、被包括于、与互联、容纳、被容纳于、连接到(与连接)、耦合到(与耦合)、与可通信、与协作、交织、并列、近似于、一定要(一定与)、具有、具有属性等。术语“控制器”表示控制至少一个操作的任意装置、系统或其部分。控制器可用硬件、固件、软件或其至少两种的某些组合。与任意特定控制器关联的功能可为本地或远程集中式的或者分布式的。
既然本公开已经描述了某些实施例和通常关联的方法，那么这些实施例和方法的改变和置换对本领域技术人员将是显而易见的。因此，示例实施例的上述说明不定义或限制本公开。在没有脱离如由随附权利要求书定义的本发明的精神和范围的情况下，其它变化、替代和改变是可能的。