专利名称：用于通过区别网络进行无线过程通信的系统和方法
用于通过区别网络进行无线过程通信的系统和方法
背景技术：
在工业设置中，控制系统用于监视和控制工业和化学过程等。典型地，控制系统使 用在工业过程中的关键位置处分布的、通过过程控制环(process control loop)耦合至控 制室中的控制电路的现场设备来执行这些功能。现场设备一般在分布式控制或过程监视系 统中执行诸如对参数进行感测或对该过程进行操作之类的功能。一些现场设备包括换能器。换能器被理解为表示基于物理输入产生输出信号的 设备；或者基于输入信号产生物理输出的设备。典型地，换能器将输入变换为具有不同形式 的输出。换能器的类型包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变仪、流量变 送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯等等。典型地，每个现场设备还包括通信电路，用于通过过程控制环与过程控制室或其 他电路进行通信。在一些安装中，过程控制环还用于向现场设备传送整流电流和/或电压， 以给现场设备供电。过程控制环还以模拟或数字格式承载数据。传统地，已经通过两线过程控制电流环将模拟现场设备连接至控制室，其中，每个 设备通过单个两线控制环而连接至控制室。在一些安装中，已经开始使用无线技术来与现 场设备进行通信。无线操作简化了现场设备的布线和设置。一个无线过程通信技术标准已知为WirelessHART标准。WirelessHART标准由 HART通信基金会在2007年9月发布。WirelessHART规范的相关部分包括HCF_Spec 13， 版本7. 0 ；HART规范65-无线物理层规范；HART规范75-TDMA数据链路层规范(TDMA是指 时分多址)；HART规范85-网络管理规范；HART规范155-无线命令规范；以及HART规范 290-无线设备规范。在ISA100. Ila中阐述了另一无线过程通信标准(预计标准发布是2009年8月)。 该技术提出了根据IEEE 802. 15. 4-2006、使用无线电路以2. 4GHz频率进行无线通信。 ISA100. Ila标准由国际自动化协会(ISA)保持。尽管这些无线网络通信技术使用相同的频带、无线电路，并被配置为在彼此 存在并且2. 4GHz频率处存在其他无线技术的情况下共存，但是共存并不是互操作 (interoperability)。例如，ISA100. Ila标准指示了 共存是无线网络在存在可能不基于 相同标准的其他无线网络的环境中执行其任务的能力。如本文使用的，不基于相同标准的 两个网络将被视为“区别(distinct)”网络。
发明内容
提供了一种用于在多个区别无线过程通信网络上传送过程通信分组的双模路由 器。所述路由器包括无线通信电路以及与所述无线通信电路耦合的控制器。所述无线通信 电路被配置为与来自所述多个区别无线过程通信网络中的每一个的信号进行交互。所述控 制器被配置为使来自第一区别无线过程通信网络的过程通信分组适于在第二区别无线过 程通信网络上传输。还提供了用于对区别无线过程通信网络进行配置和通过区别无线过程 通信网络对过程分组进行中继的方法。
图1是示意了根据本发明实施例，WirelessHART设备通过ISA100. Ila网络与 WirelessHART网关进行通信的示意图。图 2 是示意了 WirelessHART 和 ISA100. Ila 网关通过 ISA100. Ila 连接至 ISA100. Ila网络的示意图。图3是WirelessHART MAC首部的示意图。图4是ISA100. Ila MAC首部的示意图。图5是WirelessHART DLL首部的示意图。图6是ISA100. Ila DLL首部的示意图。图7是WirelessHART网络首部的示意图。图8是ISA100. Ila未分段网络首部的示意图。图9是ISA100. Ila分段网络首部的示意图。图10是示意了根据本发明实施例，中继功能如何使用包含在WirelessHART首部 中的信息来构造ISA100. Ila MAC、DLL和网络层首部的示意图。图11是示意了由根据本发明实施例的双模路由器接收中继分组的示意图。图12是示出了双模路由器栈中的中继功能的示意图。图13是示出了根据本发明实施例，中继首部包含当分组离开ISA100. Ila网络时 重构WirelessHART首部所需的信息的示意图。图14是根据本发明实施例，完整的中继分组示出中继首部以及WirelessHART分 组在ISA100. Ila UDP有效载荷中的中继部分的示意图。图15是根据本发明实施例的双模路由器的示意图。
具体实施例方式ISA100. Ila和WirelessHART均已将共存特征(在存在其他网络的情况下允许 该其他网络进行操作)设计到其规范中。然而，共存不是互操作，共存并不产生协作的 ISA100. Ila和WirelessHART网络可提供的相同效率和性能。本发明实施例一般提供使用 公共网络基础设施对WirelessHART和ISA100. Ila设备进行部署的能力，该公共网络基础 设施高效地利用射频频谱和时隙、避免传输冲突并提供对联合网络的协调系统管理。本文 阐述的实施例可以允许用户在统一的网络基础设施中对WirelessHART和ISA100. Ila设备 进行部署，其承担着选择无线设备和无线标准的风险。根据一个实施例(在说明书后续部分更详细描述)，公开了一种能够接收和发送 WirelessHART和ISA100. Ila分组的双模路由器。该双模路由器具有将分组的有效载荷从 一个网络协议传送至另一网络协议的中继功能。该双模路由器可以获取WirelessHART分 组，除去WirelessHART协议首部的一部分，并将有效载荷置于如同任何ISA100. Ila分组那 样穿过网络的ISA100. Ila分组中。对于反向操作，该双模路由器辨认WirelessHART中继 分组，除去ISA100. Ila首部的一部分，并重新形成WirelessHART分组，该WirelessHART分 组然后在WirelessHART网络上传输。中继功能在网络和传输层处工作，以便能够构造通过 ISA100. Ila路由器而透明地路由的分组。优选地，该双模路由器在ISA100. Ila网络看来是路由类型设备。优选地，双模路由器和中继功能的操作还对WirelessHART设备和应用透 明。本发明实施例大体上促使在物理层、MAC层和DLL层中WirelessHART和 ISA100. Ila之间已存在的相似性的改变。由于商业可用的芯片以及对未许可频谱的全球 可接入性，这两个标准都选择了相同的无线电和ISM工作频带。它们还从IEEE802. 15.4 标准中选择了它们以相同方式使用的相同MAC层。尽管这两个标准针对DLL具有不同首 部，但是它们具有相似的基本能力。它们均支持基于时隙超帧的、对无线网络的网状网络接 入。它们还共享相同的信道跳技术、图形和源路由概念、以及DLL安全方案。通过选择现有 ISA100. Ila参数的WirelessHART兼容值，这两个标准可以协调它们对无线网络的使用，并 统一无线基础设施。定义这两个标准的文档共享许多概念以及用于命名这些概念的术语。这些共享的术 语包括超帧、时隙、链路、图形、源路由和网关。本文档中使用的语言来自ISA100，还应用 WirelessHART (除非此处另有具体说明)。接入点 通过骨干网将无线网络与WirelessHART网关相连接的设备的 WirelessHART术语。接入点是可选的。如果没有接入点，则WirelessHART网关直接连接至 无线网络。WirelessHART接入点在功能上与ISA100. Ila骨干路由器类似。ASN 绝对时隙号——从网络形成起对时隙数目进行计数的WirelessHART参数。 其在每个设备中被存储为5个八比特组字段。双模设备根据本发明实施例的、在WirelessHART网络与ISA100. Ila网络之间 以分组的格式传送消息的设备。在一个描述的实施例中，优选地，其在ISA100. Ila系统看 来是路由类型设备。网络管理器对网络进行配置和监视的管理功能的WirelessHART术语。在 ISA100. Ila和本文档中，该管理功能被称作“系统管理器”。PAN标识符IEEE802. 15. 4标准使用术语PAN(个域网)标识符，作为无线网络的 数字标识。WirelessHART和ISA100. Ila常取代术语网络ID。中继功能 根据本发明实施例的、在WirelessHART与ISA100. Ila网络之间转 换协议栈的双模设备的角色。优选地，中继功能是在双模路由器中实现的，并且，如果 WirelessHART网关包括ISA100. Ila网络栈的一部分，则中继功能也可以在WirelessHART 网关中实现。网络配置图1示出了根据本发明实施例，WirelessHART设备10通过ISA100. Ila网络与 WirelessHART网关14进行通信。WirelessHART设备10可以形成与双模路由器12相连接 的WirelessHART网络区域，或者，WirelessHART设备10可以直接连接至双模路由器12。 在图1中，WirelessHART网关14不支持ISA100. Ila协议栈，因此，其如WirelessHART现场 设备10那样通过双模路由器12进行连接。两个网络的系统管理功能可以组合或分离。在 图1中，它们被示作具有对组合网络的管理进行协调的通信协议的分离功能。用户的网络 管理员决定何时使用常规的ISA100. Ila路由设备或根据本发明实施例的双模路由器。所 有IS100. Ila路由设备16都可以被配置为或以其他方式适配用于提供双模路由器12的功能，在这种情况下，WirelessHART设备10能够在ISA100. Ila网络中的任何地方连接。如图1所示，本发明实施例提供了能够在网络上传输WirelessHART分组的 ISA100. Ila网络。这一般由根据本发明实施例的双模路由器12的与两个网络相连接并在 其间传送分组的功能来实现。优选地，双模路由器实现中继功能，该中继功能通过转换低层 分组首部并封装高层首部和该分组的有效载荷来进行传送。双模路由器及其中继功能使 WirelessHART设备10能够在所有ISA100. Ila网络拓扑上进行操作。图 2 示意了 WirelessHART 14 和 ISA100. Ila 18 网关通过 ISA100. Ila 连接至 ISA100. Ila网络。网关14、18可以使用任一个骨干路由器，这是由于网关14、18均连接至 本地网络。具有WirelessHART有效载荷的ISA100. Ila中继分组以与常规ISA100. Ila分组 相同的方式通过本地骨干路由器网络进行通信，这是由于两者均使用ISA100. Ila网络层。区别无线网络的兼容性问题以下讨论ISA100. Ila与WirelessHART之间的各种兼容性问题。这些问题一般与 以下各项有关无线电；MAC操作；DLL操作；网络层操作；中继层操作；系统管理；安全性； 以及网关功能。依次解决这些问题如下。无线电WirelessHART和ISA100. Ila均使用在IEEE802. 15. 4标准的章节中规定的相同无 线电在2. 4GHz频带中工作。因此，兼容性涉及选择具有对WirelessHART有效的无线电参 数的ISA100. Ila简档。两个标准均将无线电的需求扩展为规定诸如改变频率所需的时间之类的附加参 数。必须对这些扩展的参数进行调整，以使这两种类型的设备的操作兼容。工作传输功率电平在两个标准中均可配置。必须针对ISA100. Ila与 WirelessHART之间的兼容性而配置的无线电参数中的一些包括但不限于传输功率、最大 无线电开启时间、在信道之间进行切换的时间、信道数目、IEEE802. 15.4信道数量、以及纯 fWM (clear channel) 入MAC 操作两个标准均规定了对IEEE802. 15. 4MAC首部的使用，并使用如图3和4所示的相 同结构选项来规定。因此，WirelessHART和ISA100. Ila均能够对彼此的MAC层的字段进行 解析。在这两个标准的MAC层中仅存在两个差异。WirelessHART使用MAC版本字段中针对 IEE802. 15. 4-2003 的值，而 ISA100. Ila 使用针对 IEEE802. 15. 4-2006 的值。两个值都有效， 这是由于通过每个标准而选择的MAC格式与这两个IEEE版本中的任一个都兼容。MAC中的 另一差异在于用于序列号字段的值。WirelessHART使用每IOms递增的绝对时隙号(ASN) 的最低有效八比特组，而ISA100. Ila使用Ims分辨率的TAI时钟。双模路由器可以在两种 使用之间容易地切换。在下表中总结了 IEEE802. 15. 4MAC比较。ISA代表ISA100. 11a，而 WH 代表 WirelessHART。字段大小 (八比 特组)比特WH使用ISA注释11帧控制帧控制#1帧(两个标准均 将该八比特组值 固定为0x41)7未使用(0)预留(0)被802.15.4预留6一个 PAN ID (1) 目的地PAN ID被选择一个 PAN ID (1) 目的地PAN ID被选择PAN ID选择器 如果选择了源和 目的地地址，贝U 使用目的地PAN ID字段大小 (八比 特组)比特WH使用ISA注释5无 MAC ACK (0) 使用DLL ACK无 MAC ACK (0) 使用DLL ACK标记或请求 802.15.4 ACK (未被任一个标 准所使用)4无帧 挂起(0)无帧 挂起(0)帧挂起标记， (未被任一个标 准所使用)3无MAC 安全性(0)无MAC 安全性(0)802.15.4 标记 (每个标准使用 其自身的DLL 安全性，因此关 闭 15.4 MAC 安 全性。0-2数据类型 (001)数据类型 (001)两个标准仅使用 802.15.4数据类 型21地址分类符帧控制#27源地址(1)源地址(1)两个标准均使用 源地址， 1=存在6源地址大小 2或8个八比 特组源地址大小 2或8个八比 特组大小标记0=2 个八比特组， 1=8个八比特组4-5设置为0x00设置为0x01帧版本802.15.4 将其设置为 0x00=2003 0x01 =20063目的地地址 (1)目的地地址 (1)两个标准均使用 目的地地址， 1=存在2目的地地址大 小2或8个八 比特组目的地地址大 小2或8个八 比特组大小标记0=2 个八比特组， 1=8个八比特组0-1设置为0x00设置为0x00被802.15.4预留 (0x00)31绝对时隙号 (ASN)的 8 LSB1 msTAI时间 的 8 LSB802.15.4 序列号
权利要求
1.一种用于在多个区别无线过程通信网络上传送过程通信分组的双模路由器，包括无线射频通信电路，被配置为与来自所述多个区别无线过程通信网络中的每一个的信号进行交互；控制器，与所述无线射频通信电路相连，所述控制器被配置为对来自第一区别无线过 程通信网络的过程通信分组进行适配，以便在第二区别无线过程通信网络上进行传输。
2.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述第一区别无线过程通信网络是 WirelessHART。
3.根据权利要求2所述的双模路由器，其中，对过程通信分组进行适配包括将 WirelessHART分组的有效载荷封装在ISA100. Ila分组中。
4.根据权利要求3所述的双模路由器，其中，对过程通信分组进行适配包括将 WirelessHART分组首部信息转换为ISA100. Ila首部。
5.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述控制器还被配置为协调对所述多个 区别无线过程通信网络的系统管理。
6.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述第二区别无线过程通信网络是 ISA100. 11a。
7.根据权利要求6所述的双模路由器，其中，所述控制器被配置为基于所封装的 WirelessHART分组产生ISA100. Ila有效载荷，使得当WirelessHART分组离开ISA100. Ila 网络时能够重构完整的WirelessHART分组。
8.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述控制器被配置为通过所述第二区别 无线过程通信网络，提供所述第一区别无线过程通信网络的设备之间的通信。
9.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述双模路由器是本质安全的。
10.一种基于第二区别无线过程通信网络对区别第一无线过程通信网络进行配置的方 法，所述方法包括从所述第二区别无线过程通信网络获得时基；以及基于从所述第二区别无线过程通信网络获得的时基，设置所述第一区别无线过程通信 网络中的时基。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一区别无线过程通信网络是 WirelessHART。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二区别无线过程通信网络是 ISA100. 11a。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述第一区别无线过程通信网络和所述 第二区别无线过程通信网络上提供过程分组冲突避免。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述第一区别无线过程通信网络和所述 第二区别无线过程通信网络之间中继过程分组。
15.一种通过区别无线过程通信网络传送过程通信分组的方法，所述方法包括从第一区别无线过程通信网络接收第一无线过程通信分组；修改所述第一无线过程通信分组，以形成修改后的过程通信分组；以及通过第二区别无线过程通信网络来发送修改后的过程通信分组。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，接收和发送是使用相同的射频通信电路来完成的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法是使用双模路由器来执行的。
18.一种与多个区别无线过程通信网络进行交互的方法，所述方法包括通过无线射频通信电路来接收过程分组；检查分组，以确定所述过程分组所源自的区别无线过程通信网络；以及基于该检查，选择性地传送分组。
19.一种过程通信系统，包括第一区别无线过程通信网络；第一系统管理器，被配置为提供对所述第一区别无线过程通信网络的配置、控制和监 视中的至少一个；第二区别无线过程通信网络；第二系统管理器，被配置为提供对所述第二区别无线过程通信网络的配置、控制和监 视中的至少一个；以及其中，所述第一系统管理器和所述第二系统管理器被配置为彼此通信，以协调所述过 程通信系统的操作。
20.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系 统管理器被配置为提供所述第一区别无线过程通信网络和所述第二区别无线过程通信网 络之间的冲突避免。
21.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一无线过程通信网络是 ISA100. 11a。
22.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一无线过程通信网络是 WirelessHART。
23.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系 统管理器被配置为协调现场设备的16比特地址指派，使得IEEE802. 15.4 MAC首部中的地 址能够用于标识多个区别无线过程控制网络之一上的分组。
24.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系 统管理器被配置为针对每一区别无线过程控制网络，协调对多个唯一 PAN标识符的选择， 使得IEEE802. 15. 4 MAC首部中的PAN标识符能够用于标识区别无线过程控制网络。
25.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系 统管理器被配置为在所述第一区别无线过程通信网络和所述第二区别无线过程通信网络 中的每一个上协调图形ID。
26.一种组合无线过程通信系统，所述系统包括多个区别无线过程通信网络；具有双模路由器功能的多个设备；至少一个现场设备，被配置为在区别无线过程通信网络中的至少一个上进行通信；以及协调系统管理器，适于提供对所述多个区别无线过程通信网络的配置、控制和监视中 的至少一个功能。
27.根据权利要求沈所述的组合无线过程通信系统，其中，所述系统支持从第一区别无线过程通信网络上的现场设备、通过第二区别无线过程通信网络、而通信至所述现场设 备的过程控制系统的主机应用的通信。
28.根据权利要求沈所述的组合无线过程通信系统，其中，所述系统支持从第一区别 无线过程通信网络上的现场设备、通过第二区别无线过程通信网络、而通信至也在所述第 一区别无线过程通信网络上的现场设备的通信。
29.根据权利要求沈所述的组合无线过程通信系统，其中，第一区别无线过程控制网 络是 WirelessHART。
30.根据权利要求沈所述的组合无线过程通信系统，其中，第二区别无线过程控制网 络是 ISA100. 11a。
全文摘要
提供了一种用于在多个区别无线过程通信网络上传送过程通信分组的双模路由器(50)。所述路由器(50)包括无线通信电路(52)以及与所述无线通信电路(52)耦合的控制器。所述无线通信电路(52)被配置为与来自所述多个区别无线过程通信网络中的每一个的信号进行交互。所述控制器(58)被配置为使来自第一区别无线过程通信网络的过程通信分组适于在第二区别无线过程通信网络上传输。还提供了用于对区别无线过程通信网络进行配置和通过区别无线过程通信网络对过程分组进行中继的方法。
文档编号H04W88/06GK102124700SQ200980132326
公开日2011年7月13日 申请日期2009年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者何塞·A·古铁雷斯, 弗雷德里克·恩斯, 马丁·杰林斯基 申请人:爱默生过程管理电力和水力解决方案有限公司