СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПОТРЕБЛЯЕМЫХ РЕСУРСОВ В ПОЛЕВОМ УСТРОЙСТВЕ
RESOURCE OPTIMIZATION IN FIELD DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области полевых устройств для промышленных технологических процессов, а более конкретно касается системы планирования операций для промышленного полевого устройства.
Уровень техники
Термин «полевое устройство» охватывает широкий диапазон устройств для управления технологическим процессом, используемых для измерения и управления такими параметрами как давление, температура и расход потока. Многие полевые устройства представляют собой передатчики, действующие в качестве ретрансляторов связи между преобразователем, осуществляющим непосредственное измерение или изменение какого-либо параметра промышленного технологического процесса, и удаленными средствами управления или контроля, например, компьютером, расположенным в центре управления. Например, выходной сигнал датчика обычно не может быть эффективно передан в удаленное устройство управления или контроля. Передатчик позволяет преодолеть такой разрыв путем приема передачи от датчика, преобразования полученного сигнала в форму, более приспособленную для передачи на большие расстояния (например, в модулированный сигнал токовой петли с силой тока 4-20 мА или в сигнал протокола беспроводной связи), и передачи преобразованного сигнала в удаленное устройство управления или контроля.
Беспроводные сети полевых устройств используются для управления и контроля разнородных технологических процессов и систем. Единая сеть полевых устройств может содержать полевые устройства, предназначенные для измерения или изменения технологических параметров в пределах обширной области, например, нефтяного месторождения или завода. В системе беспроводной сети, разработанной для приложений на основе датчиков и/или приводов, многие из подключенных к сети полевых устройств должны иметь локальные источники питания в связи с отсутствием близлежащих средств подачи электропитания, таких как источники переменного напряжения 120 В или силовые шины передачи данных, или недопустимостью их использования в опасных зонах, в которых необходимо обеспечить размещение приборов, датчиков, приводов и средств контроля безопасности или элементов интерфейса пользователя без значительных затрат на их установку. «Локальное питание» означает питание от локального источника, например, автономного электрохимического источника питания (например, батарей с длительным сроком службы или топливных ячеек) или энергособирающего источника питания низкой мощности (например, вибрационного, солнечного или термоэлектрического). Общей характеристикой локальных источников питания является их ограниченная энергоемкость или ограниченная мощность, как в случае накопления энергии, например, в батареях с длительным сроком службы, так и в случае ее производства, например, в солнечных элементах. Экономическая потребность в снижении стоимости установки часто порождает необходимость использования оборудования с питанием от батарей, осуществляющего связь в рамках беспроводной сети полевых устройств. Эффективное использование ограниченного источника питания, например, гальванической батареи, не приспособленной для перезарядки, жизненно важно для качественной работы беспроводного полевого устройства. Расчетная длительность срока службы батарей должна быть более пяти лет и предпочтительно составлять существенную часть срока службы изделия.
В целях экономии энергии и пропускной способности сети некоторые протоколы беспроводных сетей ограничивают объем трафика, обрабатываемого каждым узлом или устройством в течение какого-либо периода времени, путем включения приемопередатчиков устройства лишь на ограниченные отрезки времени для прослушивания возможных сообщений. Так, для уменьшения средней мощности протокол может применять циклический режим работы датчиков с их попеременным переключением между включенным и выключенным состояниями. Некоторые протоколы беспроводных сетей могут использовать для экономии энергии глобальный циклический режим работы сети, в котором вся сеть может быть одновременно во включенном или выключенном состоянии. Другие протоколы (например, протоколы на основе TDMA) могут использовать локальный циклический режим работы, в котором только пары связанных между собой узлов, осуществляющие связь, синхронно переводятся во включенное или выключенное состояние в заранее определенные в соответствии с расписанием моменты времени. Как правило, соединение определено заранее путем назначения каждой паре осуществляющих между собой связь узлов сети конкретного периодического отрезка времени (таймслота) для осуществления связи в конкретном радиочастотном канале. В процессе ввода в эксплуатацию каждому полевому устройству назначается свой временной отрезок, и устройство периодически включается с заранее заданной частотой. Как правило, полевые устройства, предназначенные для измерения технологических параметров, производят такие измерения при помощи датчиков незадолго до включения приемопередатчиков устройств. Как обеспечение питания приемопередатчиков, так и проведение измерений при помощи датчиков связано со значительным энергопотреблением, а связь между устройствами вызывает заполнение пропускной способности сети. В общем случае каждое из полевых устройств многократно выполняет с заранее заданной частотой по меньшей мере одну ресурсоемкую операцию (например, периодическую беспроводную связь, периодические измерения или изменения технологического процесса и т.д.).
Индивидуальные приложения полевых устройств могут требовать выполнения ресурсоемких операций с высокой частотой в течение определенных периодов и их выполнения с меньшей частотой или их полной остановки в течение других периодов. Известные сети полевых устройств либо предусматривают постоянную работу таких полевых устройств с высокой частотой выполнения операций, необходимой в периоды повышенной нагрузки, либо осуществляют повторный ввод полевых устройств в эксплуатацию в режимах высокой и низкой нагрузки центральным сервером управления или контроля. В первом случае постоянная работа с высокой частотой выполнения операций приводит к необоснованному расходу энергии и пропускной способности в периоды низкой нагрузки. В последнем случае повторный ввод устройств в эксплуатацию приводит к расходу энергии и пропускной способности, а также может вызывать потерю пакетов во время повторного ввода в эксплуатацию.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается полевое устройство, содержащее первый технологический датчик, беспроводной приемопередатчик и процессор. Первый технологический датчик выполнен с возможностью регистрации первого технологического параметра. Беспроводной приемопередатчик выполнен с возможностью осуществления беспроводной связи с диспетчером сети. Процессор выполнен с возможностью обработки зарегистрированного первого технологического параметра и управления беспроводным приемопередатчиком и первым технологическим датчиком с целью выполнения первой ресурсоемкой операции в соответствии с первым установленным при вводе в эксплуатацию адаптивным расписанием, при этом частота выполнения ресурсоемкой операции изменяется во времени и/или на основании зарегистрированных событий.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается способ работы промышленного полевого устройства. Способ включает ввод полевого устройства в эксплуатацию с адаптивным расписанием, выполнение ресурсоемкой операции с запланированной частотой, изменяющейся во времени на основании установленного при вводе в эксплуатацию внутреннего расписания, и изменение запланированной частоты в ответ на регистрируемые события, указанные заранее заданным внутренним расписанием.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема беспроводной технологической сети, содержащей несколько полевых устройств.
На фиг. 2 представлена упрощенная схема одного из полевых устройств по фиг. 1.
На фиг. 3 представлена диаграмма, иллюстрирующая способ работы по расписанию полевого устройства по фиг. 2.
Осуществление изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается система планирования для оптимизации потребления ресурсов в полевых устройствах промышленного технологического процесса. Полевые устройства вводят в эксплуатацию с динамическими расписаниями, указывающими изменяемые частоты выполнения ресурсоемких операций, например, приема и передачи беспроводных сигналов, регистрации технологических параметров, калибровки датчиков и изменения технологических параметров. Каждое из полевых устройств изменяет частоту проведения таких ресурсоемких операций в соответствии со своим собственным динамическим расписанием без необходимости повторного ввода в эксплуатацию.
На фиг. 1 представлена схема одного из вариантов осуществления беспроводной технологической сети 10, представляющей собой сеть измерительных и/или приводных полевых устройств с централизованным управлением и/или контролем. Беспроводная технологическая сеть 10 содержит шлюз 12, полевые устройства 14 (в число которых входят полевые устройства 14а, 14b и 14с), центральный компьютер 16, обслуживающую сеть 18 и диспетчер 20 сети. Шлюз 12 представляет собой маршрутизатор с поддержкой беспроводной связи, расположенный между центральным компьютером 16 и полевыми устройствами 14. Полевые устройства 14 представляют собой технологические передатчики с поддержкой беспроводной связи, которые могут быть выполнены, например, с возможностью приема, обработки и передачи сигналов от одного или более преобразователей, предусмотренных для регистрации параметров технологического процесса, например, расхода потока, высоты уровня, температуры или давления текучей среды. В альтернативном варианте полевые устройства 14 могут представлять собой беспроводные контроллеры, выполненные с возможностью управления технологическими приводными средствами, например, клапанами и насосами, в соответствии с сигналами, получаемыми через шлюз 12. Хотя в конфигурации, представленной на фиг. 1, шлюз 12 осуществляет прямую беспроводную связь с каждым из полевых устройств 14, в беспроводной технологической сети 10 может быть использована любая сетевая архитектура. В некоторых вариантах осуществления шлюз 12 образует концентратор сети звездчатого типа, обслуживающий все полевые устройства 14. В других вариантах осуществления полевые устройства 14 могут быть организованы в ячеистую сеть, в которой связь между шлюзом 12 и полевым устройством (например, полевым устройством 14а) осуществляется через одно или более промежуточных полевых устройств (например, полевые устройства 14b, 14с). Центральный компьютер 16 образует по меньшей мере часть системы управления или контроля, принимающей от полевых устройств 14 показания датчиков и/или передающей им команды управления приводными средствами через шлюз 12. Центральный компьютер 16 может представлять собой, например, терминал оператора или автоматический контроллер. Центральный компьютер 16 осуществляет сбор и обработку показаний датчиков, получаемых от полевых устройств 14.
В проиллюстрированном варианте центральный компьютер 16 соединен со шлюзом 12 через обслуживающую сеть, которая может представлять собой, например, вторичную проводную или беспроводную сеть, отличную от звездчатой или ячеистой сети полевых устройств 14. В альтернативных вариантах осуществления центральный компьютер 16 может непосредственно осуществлять беспроводную связь со шлюзом 12. В некоторых вариантах осуществления центральный компьютер и шлюз 12 могут быть выполнены в составе единого устройства без промежуточной обслуживающей сети 18.
Диспетчер 20 сети представляет собой программное обеспечение, которое обрабатывает информацию, поступающую от полевых устройств 14, формируя беспроводные соединения, управляющие сообщения, расписания связи и запросы на получение данных в соответствии с требованиями текущей ситуации и данного приложения. Хотя на представленной схеме диспетчер 20 сети расположен в шлюзе 12, в альтернативных вариантах осуществления диспетчер 20 сети может быть расположен на удаленном компьютере, соединенном со шлюзом 12, например, на центральном компьютере 16 или на другом компьютере, подключенном к обслуживающей сети 18.
Диспетчер 20 сети передает каждому из полевых устройств 14 информацию ввода в эксплуатацию в соответствии с параметрами, заданными центральным компьютером 16 или введенными в полевое устройство 14 локально, как описано ниже со ссылками на фиг. 2 и 3. Информация ввода в эксплуатацию включает информацию о соединении, указывающую протокол сети (например, WirelessHART, Fieldbus или другой соответствующий протокол) и определяющую каждое полевое устройство 14 в качестве составного элемента беспроводной технологической сети 10. Кроме того, информация ввода в эксплуатацию включает адаптивное расписание, указывающее изменяющуюся частоту выполнения операций регистрации, приведения в действие, диагностики, передачи, приема и других ресурсоемких операций для каждого полевого устройства 14. Такие частоты могут изменяться со временем в соответствии с адаптивным расписанием, которое может, например, указывать более высокую частоту проведения измерений и передачи/приема данных для критических периодов (например, по утрам, во время запуска установки) и более низкую частоту для некритических периодов (например, с прекращением измерений или передачи данных на выходные дни, в которые предприятие закрыто, и установка не работает). Каждое из полевых устройств 14 работает в соответствии со своим собственным адаптивным расписанием и осуществляет переключение между различными частотами проведения ресурсоемких операций в соответствии с таким расписанием без необходимости повторного ввода в эксплуатацию. Кроме того, адаптивное расписание каждого из полевых устройств 14 может указывать условия событий, вызывающих изменения частоты проведения ресурсоемких операций. Например, полевое устройство, предназначенное для регистрации и передачи измерений разности давления, может передавать измерения давления с более высокой частотой в течение пяти минут после регистрации разности давления, превышающего пороговое значение, указанное в адаптивном расписании. Фиксированные (т.е. безусловные) элементы адаптивного расписания могут быть введены в процессе ввода в эксплуатацию диспетчером 20 сети, в результате чего они известны как диспетчеру 20 сети, так и полевому устройству 14. Изменения частоты передачи данных, вызванные заданными условиями событий, могут быть сообщены диспетчеру 20 сети вместе с соответствующим запросом на выделение пропускной способности.
На фиг. 2 представлена упрощенная схема полевого устройства 14 и шлюза 12, в котором выполняется диспетчер 20 сети, в беспроводной технологической сети 10. Полевое устройство 14 содержит корпус 100, антенну 102, приемопередатчик 104, процессор 106, формирователь 108 сигналов, преобразователь 110, память 112, источник 114 питания и средства 116 хронометража.
В данном варианте осуществления корпус 100 представляет собой жесткий, прочный корпус, в котором приемопередатчик 104, процессор 106, формирователь 108 сигналов, память 112 и источник 114 питания могут быть загерметизированы для их защиты от экстремальных температур и агрессивной внешней среды. Хотя представленный на схеме преобразователь 110 расположен вне корпуса 100, в некоторых вариантах осуществления полевого устройства 14 корпус 100 также может содержать и преобразователь 110.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения приемопередатчик 104 представляет собой передатчик/приемник сигналов, осуществляющий передачу и прием беспроводных сигналов через антенну 102. Процессор 106 представляет собой логический блок обработки данных, например, микропроцессор. Формирователь 108 сигналов содержит цифровой и/или аналоговый фильтр, обрабатывающий сигналы, поступающие в преобразователь 110 и/или от него. В некоторых вариантах осуществления формирователь 108 сигналов может дополнительно содержать аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью оцифровки сигналов датчиков, поступающих от преобразователя 110, или преобразования цифровых инструкций в аналоговые команды для преобразователя 110.
Преобразователь 110 может представлять собой датчик, передающий показания датчика в полевое устройство 14 для обработки и передачи центральному компьютеру 16 системы управления или контроля, или приводное средство, вызывающее изменения промышленного технологического процесса в соответствии с сигналами, принимаемыми от компьютера 16 или диспетчера 20 сети. Хотя нижеследующее описание относится к варианту осуществления, в котором преобразователь 16 содержит датчик, специалисту в данной области должно быть понятно, что настоящее изобретение равным образом применимо и к системам приводных средств. Хотя на фиг. 2 представлен всего один преобразователь 110, в некоторых вариантах осуществления полевое устройство 14 может обслуживать несколько преобразователей 110. В некоторых вариантах осуществления преобразователь 110 может представлять собой многофункциональный преобразователь, выполненный с возможностью работы в и в качестве приводного средства и в качестве датчика или регистрации нескольких параметров.
Память 112 представляет собой модуль памяти, выполненный с возможностью машинного чтения и записи. Источник 114 питания представляет собой источник энергии, обеспечивающий питание преобразователя 110, процессора 106, формирователя 108 сигналов и памяти 112. В некоторых вариантах осуществления источник 114 питания также может обеспечивать питание приемопередатчика 110. В некоторых вариантах осуществления источник 114 питания может представлять собой источник энергии ограниченной мощности, например, локальный энергособирающий источник (например, солнечную панель или накопитель вибрационной энергии с ограниченным выходом) или накопительное устройство (например, химическую батарею или суперконденсатор с ограниченным зарядом).
Для минимизации потребления энергии от источника 114 питания и минимизации использования пропускной способности беспроводной технологической сети 10 процессор 106 приводит в действие приемопередатчик 104 и/или преобразователь 110 в соответствии с адаптивным расписанием (описанным выше), сохраненным в памяти 112. Адаптивное расписание поступает от центрального компьютера 16 через диспетчер 20 сети, или же локальное устройство конфигурации в процессе ввода в эксплуатацию задает различные частоты включения или проведения операций для разных временных периодов (например, в зависимости от времени суток, дня недели, конкретных праздничных дней и т.д.) и/или в ответ на идентифицированные условия (например, попадания значений, зарегистрированных преобразователем 110 в пределы или за пределы конкретного диапазона, разового или в течение установленного периода). В более общем случае процессор 106 может включать или выключать любые ресурсоемкие функции полевого устройства 14 в соответствии с адаптивным расписанием, как описано ниже со ссылками на фиг. 3. В памяти 112 также могут быть сохранены прошлые показания датчика из преобразователя 110, протоколы диагностики преобразователя 110 и приемопередатчика 104 и/или команды управления приводным средством для преобразователя 110.
Средства 116 хронометража по одному из вариантов осуществления изобретения представляют собой часы реального времени, выполненные с возможностью предоставления процессору 106 текущего времени и даты. Такие время и дата сопоставляются с адаптивным расписанием, сохраненным в памяти 112, для определения необходимости обновления частоты проведения ресурсоемких операций (см. ниже фиг. 3 и сопровождающее ее описание). Например, в адаптивном расписании могут быть заданы конкретные режимы работы с большей и меньшей частотой проведения ресурсоемких операций в зависимости от календарной даты, времени по часам или дня недели, предоставленных средствами 116 хронометража. Хотя на фиг. 2 приемопередатчик 104, процессор 106, формирователь 108 сигналов, память 112 и средства 116 хронометража представлены в виде отдельных элементов, в некоторых вариантах осуществления полевое устройство 104 может содержать некоторые или все из этих элементов в составе одного физического компонента, например, многофункциональной электронной печатной платы.
На фиг. 3 представлена диаграмма, иллюстрирующая способ 200 работы с использованием расписания. Способ 200 работы с использованием расписания описывает работу полевого устройства 14 в соответствии с вышеописанным адаптивным расписанием. Прежде всего, пользователь (человек или машина) конфигурирует адаптивное расписание, задавая частоты проведения ресурсоемких операций, например, включения приемопередатчика 104 и циклов диагностики или измерений преобразователя 110 (шаг S1). Такое адаптивное расписание сохраняется в памяти 112, как описано выше, причем оно может управлять проведением нескольких разных типов ресурсоемких операций, для каждой из которых могут быть назначены разные частоты для разных временных периодов. Например, адаптивное расписание может предусматривать регистрацию технологического параметра (например, давления или температуры) преобразователем 110 раз в секунду с 8:00 до 9:00 по вторникам с включением приемопередатчика 102 раз в минуту для передачи данных, накопленных в памяти 112. В некоторых вариантах осуществления в адаптивном расписании могут быть указаны условия событий и соответствующие ресурсоемкие операции, которые должны быть выполнены в ответ на такие условия. В число возможных условий событий входят попадание или нахождение значений измерения технологического параметра, полученных от преобразователя 110, выше или ниже пороговых значений, а также поступление команд или сигналов данных от внешних устройств (например, шлюза 12 или других полевых устройств 14). Например, полевое устройство 14а может увеличить частоту регистрации первого параметра (например, давления), производимой преобразователем 110, в ответ на прием от полевого устройства 14b сообщения о необычно высоком значении второго параметра (например, расхода потока). В другом примере полевое устройство 14 может увеличить частоту регистрации или запустить диагностику датчика преобразователя 110 в случае выхода показаний датчика преобразователя 110 за пределы ожидаемого диапазона. Аналогичным образом, в вариантах осуществления полевого устройства 14 с несколькими или многофункциональными преобразователями 110 частота измерений одного из параметров может быть увеличена, уменьшена или сведена к нулю в зависимости от результатов измерений другого параметра. В некоторых вариантах осуществления полевое устройство 14 может содержать резервные преобразователи 110, пребывающие в пассивном состоянии (т.е. не задействованные для регистрации) вплоть до возможного отказа или возникновения отклонений в работе основного преобразователя 110.
После ввода в эксплуатацию процессор 106 выдает приемопередатчику 102 и преобразователю 110 команду на включение в соответствии с запланированными в данный момент частотой и временным графиком (шаг S2). Этот процесс продолжается вплоть до его прерывания запланированным переключением режима (шаг S4), переключением в режим, определенный событием (шаг S5), или переключением режима, вызванным вмешательством пользователя (шаг S6). Процессор 104 периодически сравнивает текущее время и дату, полученные от средств хронометража, с адаптивным расписанием, сохраненным в памяти 112, и производит переключение в новый режим с большей или меньшей частотой выполнения операций, если этого требует адаптивное расписание (шаг S4). Период такого сравнения выбирается так, чтобы он не превышал минимальной частоты, предусмотренной адаптивным расписанием для любой из операций. Аналогичным образом, процессор 104 сравнивает данные, поступающие от преобразователя 110 и приемопередатчика 104, с флагами событий, указанными в адаптивном расписании, и производит переключение в режим, определенный событием, если это предусмотрено адаптивным расписанием (шаг S5). Режимы, определенные событиями, могут иметь приоритет перед временными режимами, заданными на шаге S4, а также могут иметь собственные временные рамки или ограничения, определенные адаптивным расписанием и применяемые путем сравнения со средствами 116 хронометража. В отсутствие вмешательств пользователя работа полевого устройства 14 полностью основана на адаптивном расписании, исходно установленном при вводе в эксплуатацию и сохраненном в памяти 112, без необходимости повторного вода в эксплуатацию шлюзом 12 (шаг S6). Любой сигнал прерывания, принятый через шлюз 12 от оператора (человека или машины, например, от пользователя центрального компьютера 16 или от диспетчера 20 сети) обеспечивает возможность загрузки в память 112 нового или измененного адаптивного расписания (шаг S1).
Способ 200 работы с использованием расписания позволяет полевому устройству 14 поддерживать стационарную работу с выполнением разнообразных запланированных и/или определенных событиями операций без повторного ввода в эксплуатацию. Тем самым, способ 200 позволяет полевому устройству 14 выполнять операции, требующие повышенного расхода энергии или пропускной способности, с частотой, не превышающей требуемую для данного приложения или данной ситуации, что обеспечивает снижение потребления энергии источника 114 питания и нагрузки на беспроводную технологическую сеть 10. Возможность переключения полевого устройства, использующего адаптивное расписание в рамках способа 200 работы с использованием расписания, как описано выше, из одного режима работы в другой без повторного ввода в эксплуатацию позволяет минимизировать уровень потери пакетов и простоев сети, вызванных задержками на повторный ввод в эксплуатацию. Определяемые адаптивным расписанием переключения по событиям позволяют полевому устройству 14 и беспроводной технологической сети 10 быстро реагировать на изменения условий технологического процесса, неисправности оборудования и расхождения в показаниях датчиков.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто в вышеприведенном описании со ссылками на один или несколько конкретных примеров вариантов его осуществления, специалисту в данной области должно быть ясно, что в него могут быть внесены различные изменения, а его элементы могут быть заменены на эквивалентные, не выходящие за пределы сущности изобретения. Кроме того, для адаптации решения по изобретению к конкретным ситуациям или материалам могут быть предусмотрены различные модификации, не выходящие за пределы сущности изобретения. Таким образом, изобретение следует считать не ограниченным описанными частными вариантами его осуществления, но охватывающим все варианты осуществления, определенные прилагаемыми пунктами формулы изобретения.