用于建立过程控制系统中的维护路由的装置和方法与制造工艺

本文的公开整体涉及过程工厂中的过程控制系统，并且更具体而言涉及在具有基于网络拓扑的无线网络的过程控制系统中动态地生成并且更新维护路径。

背景技术：
在制造产品或者控制过程(例如化学制造、发电厂控制等等)的制造厂和/或工厂中广泛地使用过程控制系统。在自然资源的开采中例如石油天然气钻探和处理过程等等中也使用过程控制系统。事实上，通过一个或多个过程控制系统的应用，实际上可以自动化任意制造过程、资源开采过程等等。相信在农业中最终也将更广泛地使用过程控制系统。如在化学、石油或其他过程中使用的那些过程控制系统典型地包括一个或多个集中式或分布式过程控制器，其经由模拟、数字或组合模拟/数字总线被可通信地耦合到至少一个主机或操作员工作站并且耦合到一个或多个过程控制和仪表制造设备，如现场设备。可以例如是阀、阀定位器、开关、发射器和传感器(例如温度、压力和流速率传感器)的该场设备在过程中运作例如开启或关闭阀并且测量过程参数。过程控制器接收用于指示过程测量的信号或由现场设备产生或者与现场设备相关联的过程变量和/或涉及该现场设备的其他信息，使用该信息来实现控制例程并且随后生成控制信号，基于一个或多个总线向现场设备发送该控制信息以控制该过程的操作。典型地使得来自现场设备和控制器的信息对于由操作员工作站执行的一个或多个应用可用，以允许操作员执行关于该过程的希望的功能。如查看该过程的当前状态、修改该过程的操作等等。可以将过程工厂中的各种设备互连成物理和/或逻辑组群，以创建逻辑过程如控制环路。类似地，可以将控制环路与其他控制环路和/或设备互连，以创建子单元。可以将子单元与其他子单元互连，以创建单元，因而可以将该单元与其他单元互连以创建区域。过程工厂总体包括互连的区域，并且企业实体总体包括可能被互连的过程工厂。结果，过程工厂包括具有互连资产的层次的无数的等级，并且企业实体可以包括互连的过程工厂。换句话说，与过程工厂相关的资产或过程工厂自身可以组合在一起以形成更高等级的资产。用于实现过程工厂的方式在过去几年一直在发展。典型地使用专用的集中式硬件和硬线连接来实现老一代的过程控制系统。但是，典型地使用工作站、智能控制器、智能现场设备等等的高度分布式的网络来实现现代过程控制系统，它们中的一些可以执行总体过程控制策略或方案中的一部分。具体而言，最现代的过程控制系统包括智能现场设备和经由一个或多个数字数据总线被可通信地彼此耦合并且/或者被耦合到一个或多个过程工厂的其他过程控制组件。除了智能现场设备之外，现代过程控制系统还可以包括模拟现场设备例如与共享数字数据总线等等相反典型地被直接耦合到控制器4-20毫安培(mA)设备、0-10伏特直流(ADC)设备等等。在典型的工业或过程工厂中，使用分布式控制系统(DCS)来控制在该工厂处执行的许多工业过程。该工厂可以具有集中式控制室，该集中式控制室具有计算机系统，该计算机系统具有用户输入/输出(I/O)、盘片I/O和计算领域中已知的其他外围设备，其中一个或多个过程控制器和过程I/O子系统被可通信地连接到该集中式控制室。另外，一个或多个现场设备典型地被连接到该I/O子系统和该过程控制器，以实现该工厂中的控制和测量活动。虽然该过程I/O子系统可以包括被连接到遍及该工厂的各种现场设备的多个I/O端口，但是该现场设备可以包括各种类型的分析设备、硅压力传感器、电容式压力传感器、热阻温度计、热电偶、应变仪、限位开关、通/断开关、流量发射器、压力发射器、电容式等级开关、称量天平、变换器、阀定位器、阀控制器、致动器、螺线管、指示灯或在过程工厂中典型地使用的任意其他设备。如本文所使用的，术语“现场设备”包括这些设备以及用于执行控制系统中的功能的任意其他设备。在任意情况中，现场设备可以包括例如输入设备(例如诸如传感器的设备，该传感器提供状态信息，该状态信息用于指示过程控制参数如温度、压力、流速等等)以及用于响应于从控制器和/或其他现场设备接收的命令来执行导致的控制操作员或致动器。通常，由双绞线对电流环路将模拟现场设备连接到控制器，由单个双绞线对将每个设备连接到控制器。模拟现场设备能够响应于指定范围中的电气信号或者发射指定范围中的电气信号。在一个典型的配置中，通常使得该对的两个线之间的电压差近似20-25伏特，并且流经环路的电流4-20mA。用于向控制室发射信号的模拟现场设备调制流经电流环路的电流，其中电流与传感过程变量成正比。由经过该环路的电路的幅度来控制在控制室的控制之下执行动作的模拟现场设备，由受控制器控制的过程I/O系统的I/O端口调制该电流。具有活动电子的传统双线模拟设备还可以从该环路接收高达40毫瓦的功率。使用四条线将需要更大功率的模拟现场设备典型地连接到控制器，其中两条线向该设备传递功率。在本领域中将该设备称为四线设备并且典型而言不像双线设备那样受到功率限制。离散现场设备可以发射或响应于二进制信号。典型地，离散现场设备利用24伏特信号(要么AC要么DC)、210或240伏特AC信号或5伏特DC信号进行操作。当然，离散设备可以被设计为根据具体控制环境所需要的任意电气规范来进行操作。离散输入现场设备仅仅是产生或断开到控制器的连接的开关，而离散输出现场设备将基于来自该控制器的信号的出现或缺失来采取动作。历史上，大部分传统现场设备具有与由现场设备执行的主要功能直接相关的单个输入或单个输出。例如，由传统模拟热阻温度计实现的唯一的功能是通过调制流经双绞线对的电流来发射温度，而由传统模拟阀定位器实现的唯一功能是基于流经双绞线对的电流的幅度来在完全开启位置与完全闭合位置之间的一些地方定位阀。更具体而言，作为混合系统的一部分的现场设备变得可用，这在用于发射模拟信号的电流环路上添加了数字数据。在控制领域中一种该混合系统被称为可寻址远程传感器高速通道(HART)协议。HART系统使用电流环路中的电流的幅度来发送模拟控制信号或者接收所传感过程变量(如同在传统系统中)，但是也在电流环路信号上添加数字载波信号。HART协议利用贝尔202移频键控(FSK)标准来将低等级的数字信号添加到4-20mA模拟信号上。这允许发生双向现场通信，并且使其对于除了可用于向/从智能现场仪器的正常过程之外的附加信息可行。HART协议以1200bps进行通信而不干扰4-20mA信号，并且允许主机应用(主机)每秒钟从现场设备得到两个或更多个数字更新。由于数字FSK信号是相位连续的，所以与4-20mA信号不存在干扰。FSK信号相对缓慢并且因此可以提供次级过程变量或者速率为近似每秒钟2-3个更新的其他参数的更新。通常，数字载波信号用于发送次级和诊断信息并且不用于实现现场设备的主要控制功能。基于数字载波信号提供的信息的实例包括次级过程变量、诊断信息(包括传感器诊断、设备诊断、连线诊断和过程诊断)、操作温度、传感器温度、校准信息、设备ID号、构造的材料、配置或编程信息等等。因此，单个混合现场设备可以具有各种各样输入和输出变量并且可以实现各种各样的功能。最近，由美国仪器协会(ISA)定义了更新的控制协议。新协议总体被称为现场总线(Fieldbus)并且具体被称为SP50，它是标准和实践下属委员会50的首字母缩写。现场总线协议定义两个子协议。H1现场总线网络以高达31.25千比特每秒的速率发射数据并且向被耦合到网络的现场设备提供功率。H2现场总线网络以高达2.5兆比特每秒的速率发射数据，不向被连接到网络的现场设备提供功率，并且具备冗余传输介质。现场总线是非专属性开放式标准并且现在在工业中盛行，并且同样地，许多类型的现场总线设备已经被开发并且用于过程工厂。因为除了其他类型的现场设备如HART和4-20mA设备之外另外地使用现场总线设备，所以具有与这些不同类型的设备相关联的独立的支持和I/O通信结构。典型地具有全部数字的属性的更新的智能现场设备具有从更旧的控制系统不可服务或者与更旧的控制系统不兼容的维护模式和增强的性能。即使当分布式控制系统的全部组件追随相同的标准(如现场总线标准)时，一个制造商的控制设备可能不能访问由另一个制造商的现场设备提供的次级功能或次级信息。因此，过程控制系统设计的一个特别重要的方面涉及用于将现场设备可通信地彼此耦合、耦合到控制器和过程控制系统或过程工厂中的其他系统和设备的方式。总体而言，允许现场设备在过程控制系统之中运作的各种通信信道、链路和路径通常被统称为输入/输出(I/O)通信网络。特别是当I/O通信网络早上环境因素或与过程控制系统相关联的条件时，用于实现I/O通信网络的通信网络拓扑和物理连接或路径可能对于现场设备通信的鲁棒性和完整性具有实质性的影响。例如许多工业控制应用使现场设备和他们的相关I/O通信网络受到严酷的物理环境(例如高、低或高度变化的环境温度、振动、腐蚀性气体或液体等等)、不同的电气环境(例如高噪声环境、差的功率质量、瞬间电压等等)等等。在许多情况中，环境因素可能危及一个或多个现场设备、控制器等等之间的通信的完整性。在一些情况中，该受危及的通信可能阻止过程控制系统以有效的或合适的方式执行它的控制例程，这可能导致降低的过程控制系统效率和/或利益率、对于设备的过度磨损或损坏、可以损坏或毁坏设备、建筑结构、环境和人等等的危险条件。为了最小化环境因素的影响并且为了确保恒定的通信路径，在过程控制系统中使用的I/O通信网络在历史上是硬线为了，其中电线被装入受环境保护的材料如绝缘体、屏蔽体和管道中。并且，这些过程控制系统中的现场设备典型地被使用硬线分层次拓扑可通信地耦合到控制器、工作站和其他过程控制系统组件，其中在该硬线分层次拓扑中使用模拟接口例如4-20mA、0-10VDC等等硬件接口或I/O板，将非智能现场设备直接耦合到控制器。也经由硬线数字数据总线来耦合智能现场设备如现场总线设备，其中经由智能现场设备接口将硬线数字数据总线耦合到控制器。虽然硬线I/O通信网络可以最初提供鲁棒的I/O通信网络，但是由于环境压力(例如腐蚀性的气体或液体、振动、湿度等等)的结果，它们的鲁棒性可能随着时间严重降级。例如，与I/O通信网络配线相关联的接触电阻可以由于腐蚀、氧化等等而实质性地增加。另外，配线绝缘和/或屏蔽可能降级或失败，因而导致这样一种情况，在该情况之下环境电器干扰或噪声可能更容易破坏经由I/O通信网络电线发射的信号。在一些情况中，失败的绝缘可能导致短路情况，其中该短路情况导致相关I/O电线的完全失败。硬线I/O通信网络另外，特别是在I/O通信网络与分布在相对大的地理区域上的大型工业工厂或设施例如占用数英里的土地的炼油厂或化工厂相关联的情况中，硬线I/O通信网络典型而言安装昂贵。在许多实例中，与I/O通信网络相关联的配线必须跨越长的距离并且/或者遍历、基于或围绕许多结构(例如墙壁、建筑物、设备等等)。该长的走线典型地涉及实质性的人工、材料和花费数量。此外，由于可能导致不可靠的通信的配线阻抗和耦合电气干扰，该长的走线特别易受到信号降级。此外，当需要修改或更新时，通常难以识别该硬线I/O通信网络。增加新的现场设备典型地需要新现场设备与控制器之间的电线的绝缘。以该方式翻新过程工厂可能是非常困难并且昂贵的，因为在旧的过程控制工厂和/或系统中经常发现长的走线和空间局限。沿可用的配线路径穿插的管道、设备和/或结构之中的大数量的典型可能显著地增加与翻新现有系统或向现有系统增加现场设备相关联的困难。在必须安装更多的和/或不同的电线以适应新设备的情况中，与具有不同的现场配线要求的新设备交换现有现场设备可能造成一些困难。该修改通常导致显著的工厂停工期。已经使用无线I/O通信网络来减轻与硬线I/O为了相关联的一些困难，并且减小在过程控制系统中布置传感器和致动器的成本。已经对于过程控制系统以及它的对于硬线I/O通信网络而言相对不可接入或不适宜的部分建议无线I/O通信网络。例如Shepard等人2008年10月14日获得专利权的、标题为“WirelessArchitectureAndSupportForProcessControlSystems”的美国专利号7,436,797披露了相对便宜的无线网状网络可以单独地或者与点对点通信组合地布置在过程控制系统中以产生可以易于被建立、配置、改变并且监视的鲁棒的无线通信网络，以便因而使得无线通信网络更加鲁棒、更加便宜并且更加可靠，其中通过参考的方式将该专利的内容明确并入本文。无线网状网络(或网关网络拓扑)利用多个节点，每个节点可以不仅作为客户端来接收并且发送它自己的数据，而且还作为转发器或中继器来经过网络向其他节点传播数据。每个节点被连接到另一个相邻节点并且优选地被连接到多个相邻节点，其中每个相邻节点可以被连接到附加的相邻节点。其结果是这样一种节点网络，该节点网络提供从一个节点经过该网络到另一个节点的多个通信路径，从而创建即使当通信链路被破坏或阻塞时也允许连续的连接和重配置的相对便宜的、鲁棒的网络。在无线网状网络中，每个设备(节点)可以经由直接无线连接或者经由京广相邻设备的连接间接地连接到网关。每个设备具有信号强度，该信号强度将设备的物理接近与无线网关或相邻设备总体关联。在到无线网关的直接连接都不可用的情况中，每个设备经过具有到该网关或到另一个设备的连接的另一个对等设备连接到网关。用户将设备到网关的连接串连在一起的设备的数量被称为连接路径中的跳的数量。每个设备使用该连接路径，并且用于建立设备到设备的连接的次序被称为通信路由。不管过程系统中实现的网络的类型，维护人员的任务在于维护并且校准该网络中的设备。这意味着根据停止点的排序列表，一个设备接一个设备地物理意义上走过该过程工厂，以执行必要的数据收集、维护和校准活动。传统而言，基于路由的维护软件应用利用这样一种过程，其中该过程利用设备的物理位置的知识以及停止点沿定义的路由的位置的规定来建立维护路由。路由包括停止点的排序列表，其中工程师或其他维护人员走过该停止点以执行与收集数据、校准设备、在设备上执行维护或者执行设备的可视检查相关的任务。虽然定义的路由适用于提供最有效的路径以执行这些任务，但是其依赖于用决定沿该路由中的给定路径发生哪些任务的人工过程。即，虽然基于路由的维护软件应用生成用于维护人员的工作次序，但是通常依赖于设备和停止点的物理位置的知识。不仅特别是在设备和停止点的数量可能是数打或数百个的情况中这是维护人员的时间的无效率的使用，而且手工创建的路由不一定是最优的或有效的，并且有时候是特别次优的。

技术实现要素：
利用无线网络中的信号强度和通信路径来自动地建立维护路由，以便维护或其他工厂人员执行设备校准、数据收集、设备检查或如在该维护路由中定义的其他维护活动。用于建立维护路由的过程基于考虑到每个设备与无线网关和/或相对于相邻设备的接近度的一系列计算。从与无线网关和/或与相邻设备的信号强度，以及对于在该网络中通信的设备的给定集合的通信路径中发生的跳的数量，推断该接近度。考虑与无线网关要么直接地要么经由另一个设备通信的全部设备，创建在它们的通信路径中具有零跳(即直接与网关通信)的全部设备的排序列表，其中，通过与无线网关的信号强度来排序该设备。从该列表中的第一设备开始，创建直接与该第一设备通信的相邻设备的进一步排序列表，并且在该第一设备之后将该进一步排序列表追加到初始排序列表中。此后迭代地重复用于创建该进一步排序列表和追加该初始排序列表的该过程，每次考虑追加排序列表中紧接着前一个迭代的下一个设备，直到考虑了全部设备为止。在考虑了直接或经由另一个设备来与无线网关通信的全部设备之后，该列表中的设备对应于沿该路由的停止点，并且该列表中的设备的顺序对应于在停止点之间将要采用的路由。附图说明图1是根据本文的公开的分布式控制系统的组合方框和示意图；图2是根据本文的公开的过程环境的一部分之中的无线通信网络的组合方框和示意图；图3是一种无线通信环境的示意图，其中在该无线通信环境中无线网络包括与各种现场设备相对应的多个节点；图4A和4B是以表格形式呈现的图表，示出了节点和对应的按接近度顺序排序的相邻节点的无线网状网络和无线点对点地貌；图5是根据本文的公开的维护路由生成例程的流程图；图6A-6E示出了随着图5的例程执行用于无线网状网络的列表的各种重复，从图5的例程生成的排序列表的生成和进展；图7是来自图5的用于创建与网关直接通信的节点的排序列表的例程的流程图；图8是来自图5的用于迭代地创建与来自由图7的例程生成的列表的节点直接通信的节点的排序列表的例程的流程图，并且其后追加图9的流程图；图9是来自图5的用于追加从图7的例程生成的列表的例程的流程图，并且被追加到图5的例程的前一个迭代中；图10是用于显示经由如图5的例程所生成的图3的无线网状网络通信环境的维护路由的示意图；图11A-E示出了随着图5的例程执行对于无线点对点网络的列表的各种重复，从图5的例程生成的排序列表的生成和进展；以及图12是用于显示经由如图5的例程所生成的图3的无线点对点网络通信环境的维护路由的示意图。具体实施方式现在参考图1，硬线分布式过程控制系统10包括被连接到一个或多个主机工作站或计算机14(其可以是任意类型的个人计算机或工作站)的一个或多个过程控制器12。过程控制器12还可以被连接到输入/输出(I/O)设备组20、22，其中每个I/O设备依次被连接到一个或多个现场设备25-39。将仅作为示例而言可以是由Fisher-Rosemount系统公司销售的DeltaVTM控制器的控制器12经由例如以太网连接40或其他通信链路可通信地连接到主机计算机14。类似地，使用任意希望的硬件和与之相关联的软件例如标准4-20ma设备和/或任意智能通信协议如现场总线或HART协议，将控制器12可通信地连接到现场设备25-39。如通常所知的，控制器12实现或者监视存储在其中的或者如若不然与之相关联的过程控制例程，并且与设备25-39通信以按照任意希望的方式控制过程。现场设备25-39可以是任意类型的设备如传感器、阀、发射器、定位器等等，而组20和22之中的I/O卡可以是符合任意希望的通信或控制器协议如HART、现场总线、过程现场总线(Profibus)等等的任意类型的I/O设备。在图1中所示的实施方式中，现场设备25-27是在模拟线路上与I/O卡22A通信的标准4-20mA设备。将现场设备28-31示出为被连接到HART兼容I/O设备20A的HART设备。类似地，现场设备32-39是使用例如现场总线协议通信在数字总线42或44上与I/O卡20B或22B通信的智能设备如现场总线现场设备。当然现场设备25-39以及I/O组20和22能够符合除了4-20mA、HART或现场总线协议之外的任意其他希望的标准或协议，包括在未来开发的任意标准或协议。每个控制器12被配置为使用通常被称为功能块的东西实现控制策略，其中，每个功能块是总体控制例程的一部分(例如子例程)并且(经由被称为链路的通信)与其他功能块相结合地操作以实现过程控制系统10之中的过程控制环路。功能块典型地执行输入功能(如与发射器、传感器或其他过程参数测量设备相关联的输入功能)、控制功能(如与用于执行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相关联的控制功能)或用于控制一些设备(如阀)的操作的输出功能之中的一个，以执行过程控制系统10之中的一些物理功能。当然，存在混合以及其他类型的功能块。这些功能块的组群被称为模块。功能块和模块可以被存储在控制器12中并且被控制器12执行，当这些功能块用于或者与标准4-20mA设备和一些类型的智能现场设备相关联时这是典型的情况，或者功能块和模块可以被存储在现场设备自身中并且由现场设备自身实现，具有现场总线设备时可以是该情况。虽然将图1中的控制系统10描述为使用功能块控制策略，但是也可以使用其他惯例例如梯形逻辑、顺序流程图等等并且使用任意希望的专用或非专用编程语言来实现或设计该控制策略。此外，一个或多个工作站14可以按照已知的方式包括用户接口应用，以允许用户例如操作员、配置工程师、维护人员等等与工厂之中的过程控制网络10接口。具体而言，工作站14可以包括一个或多个用户接口应用，其中可以在工作站14之中的处理器上执行该用户接口应用以与数据库、控制模块或控制器12或I/O组20、22之中的其他例程通信，与现场设备25-39和这些现场设备之中的模块等等通信，以从该工厂获得信息例如与过程控制系统10的现行状态相关的信息。用户接口应用可以在与一个或多个工作站14相关联的显示器设备上处理并且/或者显示该收集信息。所收集、处理并且/或者显示的信息可以是例如过程状态信息、在工厂之中生成的警报和警告、维护数据等等。类似地，可以在工作站14中存储并且执行一个或多个应用，以执行配置活动如创建或者配置将要在工厂之中执行的模块，以执行控制操作员活动例如改变工厂之中的设置点或其他控制变量等等。当然，例程的数量和类型不受本文提供的描述的限制，并且如果希望则可以在工作站14中存储并且实现其他数量和类型的与过程控制相关的例程。还可以经由例如英特网、外联网、总线、以太网40等等将工作站14连接至企业WAN以及允许远程监视来自远程位置的工厂10或者与来自远程位置的工厂10通信的计算机系统。如从图1的讨论显然可见，利用包括HART、现场总线和4-20mA硬线通信连接中的一个或多个的硬线通信连接来实现主机工作站14与控制器12之间的通信以及控制器12与现场设备25-39之间的通信。但是，如上所示，在图1的过程环境中，可以按照这样一种方式用无线通信来替代或者加强该硬线通信连接，其中该方式是可靠的、是容易建立并且配置的并且向操作员或其他用户提供分析或者查看无线网络等等的运作能力的能力。如上文通过参考的方式合并的美国专利号7,436,797中所公开的，可以在过程控制系统中遍布无线网络。结果，可以是由硬线技术、无线技术或它们的组合来配置过程控制系统之中的一些或全部I/O设备如传感器和致动器并且将过程控制系统之中的一些或全部I/O设备如传感器和致动器可通信地耦合到过程控制系统。可以例如在控制器12、工作站14和现场设备32-39中的一些之间或之中维持硬线通信，而在控制器12、工作站14和现场设备32-39中的其他之间或之中建立无线通信。无线技术可以包括但不限于ZigBee、WiFi、蓝牙、超宽带(UWB)等等或者任意其他短距离无线技术，以及卫星、Wi-Max和其他长距离无线传输。具体而言，无线技术可以包括用于发射过程控制数据的任意商用现货供应的无线产品。可以在无线技术上实现网络协议，或者可以对于无线通信开发新的过程控制标准。在一个实例中，可以实现网状技术如自愈/自组织自组(adhoc)无线网状技术。图2示出了可用于提供图1中所示的不同设备之间并且具体而言图1的控制器12(或相关I/O设备22)与现场设备25-39之间、控制器12与主机工作站14之间或者主机工作站14与图1的现场设备25-39之间的通信的无线通信网络60。但是，应该理解，图2的无线通信网络60可用于提供过程工厂或过程环境之中的任意其他类型的设备或设备集合之间的通信。将图2的通信网络60显示为包括各种通信节点，该通信节点包括一个或多个基本节点62、一个或多个中继器节点64、一个或多个环境节点66(在图2中被显示为节点66a和66b)以及一个或多个现场节点68(在图2中被显示为节点68a、68b和68c)。总体而言，无线通信网络60的节点作为网状型通信网络来运作...