Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СОСТАВЛЕНИЯ ВИЗУАЛЬНОЙ КАРТЫ МАРШРУТОВ СООБЩЕНИЙ ОТ ПОЛЕВЫХ УСТРОЙСТВ В БЕСПРОВОДНОЙ ЯЧЕИСТОЙ СЕТИ

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, которые отделены или географически удалены от диспетчерской.

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.

Обычно 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 к выполнению только одной функции, 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, температура датчика, 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 для использования в промышленных системах управления технологическим процессом были предложены беспроводные ячеистые сети. 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, 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 детерминировано 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.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Рабочие характеристики беспроводной ячеистой сети, состоящей из множества узлов, могут быть оценены с помощью визуального представления сети, на котором графически изображены положения узлов и каналов связи между узлами, используемых для маршрутизации сообщений по ячеистой сети. Визуальное представление основано на информации о расположении узлов и параметрах работы сети, поступающих с этих узлов.

Рабочие параметры сети могут включать, например, идентификацию других узлов, с которыми конкретный узел установил соединение, интенсивность радиосигнала по каждому из каналов связи, число потерянных сообщений или других ошибок каждого канала связи и как часто осуществляется связь по каждому из каналов. Визуальное представление позволяет пользователю инспектировать каналы передачи данных каждой сети, чтобы идентифицировать потенциальные проблемы и вносить изменения в сеть для улучшения рабочих характеристик связи.

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 схема последовательности операций в способе обеспечения графической визуализации маршрутизации сообщений и рабочих характеристик беспроводной ячеистой сети.

На фиг.3А и 3В представлена визуальная карта беспроводной ячеистой сети, изображенной на фиг.1, на которой показано расположение узлов и статистические данные по рабочим характеристикам, полученные от узлов беспроводной сети в разное время.

На фиг.4-6 показаны другие варианты визуальной карты сети.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

В настоящем изобретении предлагается способ графической визуализации маршрута, по которому следует сообщение во время своего прохождения между узлами беспроводной ячеистой сети. В обычной системе управления главный компьютер в центре управления взаимодействует с полевыми устройствами, расположенными в зоне физической установки, и отображает информацию, которую они должны передавать. Передача сообщений между главным компьютером и полевыми устройствами может осуществляться по проводным соединениям или по беспроводной ячеистой сети. В низковольтной ячеистой сети сообщение с устройства проходит не напрямую от главного компьютера до целевого полевого устройства; перед тем как достичь пункта назначения оно может проходить по множеству маршрутов в пределах беспроводной ячеистой сети. На практике желательно понимать маршруты, по которым проходят сообщения в беспроводной ячеистой сети, чтобы можно было корректировать топологию физической сети при необходимости, чтобы обеспечивать связь наиболее благоприятным способом. В настоящее время квалифицированный специалист не может инспектировать динамические характеристики беспроводной ячеистой сети и наблюдать за такой информацией с целью выполнения корректировок или идентификации потенциальных проблем. В изобретении предложен графический способ отображения маршрутов, по которым проходят сообщения от полевых устройств в беспроводной ячеистой сети на своем пути к пунктам назначения. Пользователю предлагается визуальное представление беспроводной сети (то есть визуальная карта сети) с изображением каждого узла сети. На пересечении линий изображены иконки, которые представляют каналы связи между беспроводными узлами. Графическое отображение может быть динамичным, при этом пути через сеть будут обновляться в режиме реального времени на основе данных о рабочих характеристиках сети, собранных с узлов.

На фиг.1 показана система управления 10, которая является примером системы, в которой может использоваться визуальная маршрутизация сигнала в беспроводной сети. В состав системы управления 10 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 служит интерфейсом для 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, а затем они передаются на главный компьютер 12 по высокоскоростной сети 14.

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

Узлы 22, 24, 26 и 28 являются примерами узлов, имеющих один уникальный беспроводной адрес и один уникальный адрес полевого устройства. В состав узла 22 входит радио 36, беспроводной маршрутизатор 38 и полевое устройство FD3. Точно так же в состав полевого устройства 24 входит радио 40, беспроводной маршрутизатор 42 и полевое устройство FD4; в состав узла 26 входит радио 44, беспроводной маршрутизатор 46 и полевое устройство FD5, и в состав узла 28 входит радио 48, беспроводной маршрутизатор 50 и полевое устройство FD6.

Узел 30 имеет один уникальный беспроводной адрес и три уникальных адреса полевых устройств. В его состав входит радио 52, беспроводной 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 системе управления 10 главный компьютер 12 взаимодействует с полевыми устройствами FD1-FD9 и отображает информацию, содержавшуюся в сообщениях, полученных от полевых устройств FD1-FD9. В беспроводной ячеистой сети 16 перед тем как достичь пункта назначения, сообщения от главного компьютера 12 на полевые устройства FD1-FD9 и сообщения от полевых устройств FD1-FD9 назад в главный компьютер 12 могут проходить в сети 16 по разным маршрутам. На фиг.1 изображена упрощенная система, в которой только шесть беспроводных узлов 20-30; однако в состав беспроводной ячеистой сети 16 может входить значительно больше узлов, и поэтому сообщение может проходить по многим потенциальным маршрутам.

На практике желательно понять маршруты, по которым проходят сообщения в беспроводной ячеистой сети, для того, чтобы при необходимости можно было откорректировать топологию физической сети с целью обеспечения эффективной связи в этой ячеистой сети. В прошлом у пользователей не было возможности инспектировать динамику беспроводной ячеистой сети с целью идентификации сильных и слабых сторон сети для ее диагностики и определения неполадок, регистрации изменений в работе сети, которые могут быть вызваны повреждением одного или нескольких узлов, или для регистрации изменений в работе из-за изменений на физической установке, в которой работает сеть, что может вызвать новые помехи в работе беспроводных каналов связи между узлами.

Способ 40, представленный на фиг.2, обеспечивает инструмент, с помощью которого пользователь может оценить рабочие характеристики беспроводной ячеистой сети, чтобы идентифицировать потенциальные проблемы и предпринять корректирующее действие. Визуальное представление беспроводной сети формируется (шаг 46) с помощью информации о расположении узлов, указывающей местоположение каждого узла (шаг 42), и информации о рабочих характеристиках, собранной по каждому узлу (шаг 44). Это визуальное представление может быть визуальной картой сети, в которой каждый узел сети изображен в виде иконки. С целью представления работы связи между узлами между иконками изображены линии. На карте могут отображаться и другие рабочие параметры сети, например интенсивность принимаемого каждым каналом связи радиосигнала, частота ошибок по отдельным каналам связи и суммарная работа каждого канала связи.

Для описания физического расположения объектов беспроводной сети при формировании визуального представления сети используется информация о расположении узлов. Информация о расположении узлов может быть собрана в течение установки беспроводной сети. Монтажная организация может предоставить информацию о расположении каждого устанавливаемого узла. Информация о расположении узлов может быть в форме координат GPS или может определяться положением узла относительно других структур в зоне расположения реальной установки. В другом случае некоторые или все узлы могут включать вмонтированные датчики GPS так, чтобы координаты GPS узла могли быть представлены как часть сообщений, посланных по беспроводной ячеистой сети. В другом случае устанавливается положение некоторых узлов в пределах беспроводной ячеистой сети, а затем с помощью метода триангуляции определяется местоположение других узлов.

Данные о расположении узлов собираются и хранятся в базе данных. При добавлении к сети новых узлов или при изменении положения существующих узлов информация о расположении узлов должна обновляться для того, чтобы положение узлов точно отображалось на визуальной карте сети.

Информация о расположении узлов позволяет точно показывать относительные положения узлов беспроводной ячеистой сети на визуальной карте сети. Кроме того, информация о расположении узлов может использоваться для нанесения карты расположения узлов на компоновку фактической установки. Эта информация может использоваться для показа местоположения узлов относительно других физических объектов реальной установки, которые могут, например, мешать осуществлению связи между отдельными узлами.

При первом срабатывании системы управления 10 данные о работе сети собираются по каждому узлу. Для данного узла данные о работе сети включают идентификационные номера узлов, с которыми у данного узла установлена связь. Данные о работе сети могут также включать число сигналов, переданных по каждому установленному каналу связи, число ошибок, прошедших по каждому каналу связи, и интенсивность сигналов, принятых по каждому каналу связи.

Эти данные о работе сети приводятся в сообщениях, отправленных на шлюз 18, и могут храниться в шлюзе 18 или отправляться на главный компьютер 12. В любом случае, поскольку от каждого узла приходят данные о работе сети, эти данные могут использоваться для создания визуальной карты сети. Карта может быть показана целиком сразу же после сбора данных со всех узлов.

В самом простом виде на визуальной карте сети представлено физическое местоположение каждого узла и каналы связи, установленные этим узлом с соседними узлами. При рассмотрении узлов и каналов связи можно определить пути, по которым сообщения направляются к конкретному узлу (и полевому устройству, расположенному в этом узле).

Поскольку сеть непрерывно работает, и собираются данные о работе сети, визуальная карта сети может обновляться в динамическом режиме. Сбор данных о работе сети, поступающих от узлов, может производиться регулярно в плановом порядке или может выполняться по требованию в ответ на команду, отправляемую каждому из узлов от шлюза 18. Сбор данных по требованию может инициироваться пользователем, взаимодействующим с главным компьютером 12.

Визуальные карты сети отображаются на главном компьютере 12, хотя они могут отображаться и в других местах. По требованию пользователя прикладная программа, работающая на главном компьютере 12, использует информацию о расположении узлов и данные о работе сети, хранимые в памяти компьютера, для создания визуальной карты сети в одном из нескольких форматов. По мере сбора новых данных из беспроводной сети 16 главный компьютер 12 с помощью приложения динамически обновляет визуальные карты сети.

На фиг.3А изображена визуальная карта сети 50, на которой представлена работа беспроводной ячеистой сети 16 в первый раз. В этом примере, на визуальной карте сети 50 узлы 20-30 показаны в виде квадратных блоков. Каналы связи L1-L10, установленные между различными узлами 20-30, представлены прямыми линиями.

В данном примере на карте 50 не показаны другие данные о работе сети типа частоты ошибок, интенсивности сигнала или частоты использования канала связи. Однако эта информацию может предоставляться в различных графических видах других версий визуальной карты сети. Кроме того, визуальная карта сети 50 позволяет пользователю путем перемещения стрелки или курсора выбирать определенный канал связи. После выбора определенного канала связи обеспечивается показ данных о работе сети применительно к данному каналу связи. Точно так же выбор конкретного узла может привести к отображению информации о работе сети, связанной с этим узлом. Помимо данных, рассмотренных выше, могут быть показаны и другие параметры, относящиеся к работе узлов. Например, с помощью такого отображения может проводиться частичная визуальная инспекция сети, например можно проверить ресурс работы батареи в каждом узле.

На фиг.3В изображена визуальная карта сети 50 в более поздний момент, когда больше нет связи между узлами 24 и 26. На фиг.3В отсутствует канал связи L6 (см. фиг.3А). Это может быть результатом повреждения или сбоя в работе на одном из узлов, или введения нового источника помех, например новой единицы оборудования на физической установке, где установлена сеть 16. Контролируя изменения в каналах связи, отображаемые на карте визуальной сети 50, пользователь может идентифицировать потенциальную проблему и определить, какое корректирующее действие, если таковое вообще существует, необходимо предпринять. Например, ввод дополнительного узла поблизости может обеспечить альтернативный путь и заменить прямой канал связи, которого больше нет между узлами 24 и 26. В другом случае один из узлов, возможно, придется переместить, чтобы восстановить канал связи.

На фиг.4-6 показаны другие форматы отображения с разным числом узлов. На фиг.4 визуальная карта сети 60 включает большое количество узлов N и каналы связи L показаны для системы, которая намного больше системы управления 10, изображенной на фиг.1, 3А и 3В. На карте 60 показано множество беспроводных сетей. На фиг.5 показана визуальная карта сети 70, в состав которой входят узлы N и каналы связи L, наложенные на план реальной установки Р. На фиг.6 показана карта 80, на которой представлены схемы интенсивности сигнала S. Для обеспечения пользователя информацией, необходимой для оценки рабочих характеристик беспроводной ячеистой сети, имеется большое разнообразие форматов отображения, в которых используются различные данные о работе сети.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные примеры осуществления, специалисты должны понимать, что возможны изменения как по форме, так и по содержанию, которые, однако, не являются отступлением от сущности и охвата настоящего изобретения.