專利名稱：具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的制作方法
相關申請的交叉引用本申請要求于2003年11月17日遞交的申請為60/520,849的美國臨時申請的優(yōu)先權，并參照引用此申請將該臨時申請60/520,849包括在此。
背景工業(yè)自動化控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制器，它是用于控制工業(yè)過程和按實時制造設備的專用計算機。在所存儲的程序的指示下，工業(yè)控制器檢查一組反映受控過程的狀態(tài)的輸入并改變一組控制工業(yè)過程的輸出。這些輸入和輸出可以是二進制或模擬的。通常，模擬信號被轉換成用于處理的二進制數(shù)。
工業(yè)控制器與傳統(tǒng)計算機的不同之處在于它們的硬件配置在各應用中變化很大，反映了它們的使用范圍廣。此可變性可以通過在具有可根據(jù)受控過程而容納不同數(shù)量的輸入和輸出點的可拆卸輸入和輸出(I/O)模塊的模塊化基礎上構成工業(yè)控制器來適應。將I/O模塊直接連接到可在空間上分離的相鄰的或不同的機器的需求導致取不同形式的分布式I/O系統(tǒng)的開發(fā)。在一個例子中，單個離散的或“塊”I/O模塊被定位在所期望之處。塊I/O模塊通常包含數(shù)字或模擬I/O電路或兩者的組合，內(nèi)置式電源和用于與工業(yè)控制器通信的內(nèi)置式網(wǎng)絡適配器。在另一個例子中，分布式I/O裝置在下列意義上是模塊化的單個網(wǎng)絡適配器模塊在遠離工業(yè)控制器的點處與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接，并按需要通過該單個網(wǎng)絡適配器模塊將一個或多個I/O模塊連接至用于與工業(yè)控制器通信的網(wǎng)絡適配器模塊。
在這些模塊化分布式I/O產(chǎn)品中，單個I/O模塊通過底板與網(wǎng)絡適配器模塊通信。在某些情況下，預先構成底板，以具有各適用于接收一I/O模塊的有限數(shù)量的槽，且I/O模塊(或無功能的填充模塊)被插入該底板的槽中。在其它情況下，底板沒有預定結構并且通過將I/O模塊相互直接或用電纜互連來構造。
在兩種情況下，發(fā)現(xiàn)用于分布式I/O應用的現(xiàn)有模塊化產(chǎn)品有時對特定安裝是欠佳的。當分布式I/O系統(tǒng)具有可用于接收I/O模塊的有限數(shù)量的槽時，槽的數(shù)量有時可能不足。隨著和在I/O模塊被互連時構成底板的情況下，I/O系統(tǒng)的物理尺寸能變成所不希望的大并可能超過受控的機器和/或機殼上可用于安裝的空間。
在某些情況下，電纜被用于將底板從第一安裝位置擴展至第二安裝位置，例如，從第一固定長度底板擴展至第二底板，或第一機殼擴展至第二機殼，以允許各種I/O模塊通過單個網(wǎng)絡適配器與工業(yè)控制器通信。雖然此底板擴展技術常常是有效的，但它確實有許多缺點，包括電纜和電纜-底板接口的較高的成本、有限的距離(約1米)、電信號的退化、電線擁擠、電纜-底板連接處環(huán)境污染的可能性。同樣，在某些情況下，由于移動機器部件或其它不良條件而不能使用電纜。
按照上述論點和其它，發(fā)現(xiàn)在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中需要用于分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的無線底板擴展器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)包括適用于被有效地連接至相關聯(lián)的工業(yè)控制器的主無線設備。副無線設備從主無線設備物理地斷開連接。副無線設備通過主無線底板鏈接與主無線設備有效地連接。至少一個輸入/輸出模塊與副無線設備有效連接。一個相關領域設備能通過副無線設備、主無線底板鏈接和主無線設備連接至用于與相關聯(lián)的工業(yè)控制器通信的至少一個輸入/輸出模塊。
附圖簡要說明本發(fā)明包括組件和組件的設置、和/或各種步驟和步驟的設置，其較佳實施例包括在說明書中并在形成說明書的一部分的附圖中示出，其中

圖1(現(xiàn)有技術)是具有在底板上與一個或多個可拆卸的I/O模塊通信的網(wǎng)絡適配器(適配器)的分布式模塊I/O系統(tǒng)的簡化的剖視立體圖；圖2(現(xiàn)有技術)是示出適配器通過底板數(shù)據(jù)導線和槽地址信號與I/O模塊的適配器互連的圖1的分布式I/O系統(tǒng)的方框圖；
圖3(現(xiàn)有技術)是示出作為從工業(yè)過程接收輸入并將輸出發(fā)送至工業(yè)過程的整個工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的一部分的圖1的分布式模塊I/O系統(tǒng)的簡化的圖解；圖4(現(xiàn)有技術)包括按照本發(fā)明形成的具有傳統(tǒng)底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的示意圖；圖5為包括按照本發(fā)明形成的具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的示意圖；圖5A圖解地示出圖5的分布式模塊輸入/輸出系統(tǒng)的主無線模塊和副無線模塊；圖6示意地示出包括按照本發(fā)明形成的具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的第二實施例的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)；圖6A示出按照本發(fā)明形成的具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的另一實施例；圖7示出按照本發(fā)明形成的具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的示例混合環(huán)境應用；圖8圖示出主無線設備與各種副無線設備通信的示例方法；圖9A和9B分別示出主無線和副無線設備M和S1-S6的例子。
詳細說明參見圖1，用工業(yè)控制器使用的示例I/O系統(tǒng)10包括提供到工業(yè)網(wǎng)絡16的連接14的網(wǎng)絡適配器模塊12。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡16可以是任何一種工業(yè)控制或I/O網(wǎng)絡，包括但不限于控制網(wǎng)(CONTROLNET)、設備網(wǎng)(DEVICENET)、以太網(wǎng)/IP、RIO、ASi、PROFIBUS、PROFInet、Foundation Fieldbus等，如在工業(yè)自動化網(wǎng)絡的領域中所熟知的。適配器模塊12在網(wǎng)絡16上與工業(yè)控制器通信以從工業(yè)控制器接收輸出數(shù)據(jù)或向工業(yè)控制器提供輸入數(shù)據(jù)，以按照控制程序處理。網(wǎng)絡16可以是有線的或無線的。
適配器模塊12與底板電路18(通常簡稱為“底板”)通信以將其連接至一個或多個I/O模塊20。I/O模塊20通過I/O線(例如，電纜、光纜等)24與受控過程26(可以是機器或其它設備或過程)或幾個受控制過程或其部分連接。如在本領域理解的，I/O模塊20將在底板18上從適配器模塊12接收到的數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成適于輸入到工業(yè)過程26的形式的輸出信號(數(shù)字或模擬)。I/O模塊20通常還從工業(yè)過程26接收數(shù)字或模擬信號并將其轉換成適于在底板上傳送到適配器模塊12，然后傳送至工業(yè)控制器的數(shù)字數(shù)據(jù)。
I/O系統(tǒng)10的模塊性是通過各I/O模塊20上的連接器28提供的，連接器28與從底板18擴展的多個連接器30相匹配。各連接器30與提供用于另外緊固I/O模塊20的“槽”相關聯(lián)。如在其它更模塊化的設置中所示，I/O模塊20相互互連以按“隨意安裝”的方式形成底板18，其中底板18通過模塊20本身。
在所示的并行總線實施例中，連接器30接收其上能讀取和寫入數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)總線導線32和使之能一次指示槽，進而指示數(shù)據(jù)總線導線32的數(shù)據(jù)所預期的或請求數(shù)據(jù)的特定I/O模塊20的槽地址信號34。數(shù)據(jù)總線導線32還包括控制線，該控制線包括指示根據(jù)本領域熟知的技術的數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩〞r的時鐘和讀/寫線。在未示出的另選的串行總線實施例中，槽地址信號被附加至在串行數(shù)據(jù)總線連接器上發(fā)送的數(shù)據(jù)塊上或隱含在被發(fā)送的數(shù)據(jù)塊的定序或定時中。
參見圖2，適配器模塊12包括與連接器14通信的網(wǎng)絡接口35，以解碼和編碼與網(wǎng)絡16交換的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡接口35依次與將網(wǎng)絡接口35連接至處理器38和存儲器40的內(nèi)部總線36通信。存儲器40包括緩沖器42(分成輸入和輸出部分)和操作程序44，該程序允許處理器38按照本發(fā)明的下述方法對在內(nèi)部總線36上傳送的數(shù)據(jù)進行操作。適配器模塊12還包括電源PS，或外部電源能向模塊供電。
內(nèi)部總線36還與底板數(shù)據(jù)接口46和底板地址解碼器48連接。I/O模塊20a-20c(通常由圖1中的20指示)，在與底板18連接時，分別通過底板接口50a-50c與數(shù)據(jù)總線導線32和槽地址信號34通信。通常，各I/O模塊20a-20c包括I/O電路C(i)通過I/O線24與受控過程26連接；(ii)將在底板18上從適配器模塊12接收到的數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成適于連接到工業(yè)過程26的形式的輸出信號(數(shù)字或模擬)；和/或，(iii)從工業(yè)過程26接收數(shù)字或模擬信號并將其轉換成適于在底板上傳送至適配器模塊12的數(shù)字數(shù)據(jù)。
更具體來說，在各I/O模塊20a-20c中，底板接口50a-50c(各元件表示成a-c以反映特定I/O模塊)依次與內(nèi)部總線52a-52c通信，而內(nèi)部總線52a-52c又與內(nèi)部處理器54a-54c和存儲器56a-56c通信，后者包括緩沖器部分58a-58c和操作程序60a-60c。內(nèi)部總線52a-52c還與向受控過程提供接口所需的電平移動、轉換和濾波的I/O電路62a-62c通信。各個I/O模塊20的處理器54a-54c和存儲器56a-56c能用狀態(tài)機來代替。
圖3示出作為用于控制工業(yè)過程26的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的一部分的圖1和2的傳統(tǒng)模塊化I/O系統(tǒng)10(包括適配器模塊12和5個I/O模塊20，即20a-20e)。更具體來說，工業(yè)控制器IC包括與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡16相連的掃描器S。如本領域通常已知的，掃描器S在與網(wǎng)絡16連接的設備和工業(yè)控制器IC的PLC之間提供接口。模塊化I/O系統(tǒng)10通過網(wǎng)絡適配器12與網(wǎng)絡16連接并遠離控制器IC(如圖所示模塊化I/O系統(tǒng)10在過程26上或與其相鄰，例如直接被安裝至受控機器)。如上所述，模塊化I/O系統(tǒng)10包括通過底板18與適配器12通信的多個I/O模塊20a-20e。模塊20a-20e的I/O電路C(圖2)通過諸如電纜之類的I/O線24分別與受控過程26的輸入或輸出相關領域(field)設備連接。I/O電路C將通過網(wǎng)絡適配器12從控制器IC接收到的數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成輸出信號(數(shù)字或模擬)，用于通過線24和與其連接的相關領域設備(例如，閥門、馬達、驅動器、視頻顯示器、音頻設備等)輸入到工業(yè)過程26。同樣，I/O電路C通過線24和相關領域設備(例如，傳感器、開關、檢測器、定時器等)從工業(yè)過程26接收數(shù)字或模擬信號并將其轉換成適于通過網(wǎng)絡適配器12輸入到控制器IC的數(shù)字數(shù)據(jù)。
如上簡述，在某些情況中，電纜已被用于將底板18從第一安裝位置擴展到第二安裝位置，以允許各種I/O模塊20與同一網(wǎng)絡適配器12通信。圖4示出這樣的設置，其中傳統(tǒng)的模塊化I/O系統(tǒng)10被分成安裝到機器26的第一部分26A(或，另選地，第一機殼或其它位置中)的第一部分10A和安裝到機器26的第二部分26B(或，另選地，第二機殼或其它位置中)的第二部分10B。系統(tǒng)的第一部分10A包括適配器模塊12和通過第一底板部分18A與適配器模塊12通信的I/O模塊20a、20b。系統(tǒng)的第二部分10B包括被連接到第二底板部分10B的和/或相結合形成第二底板部分18B的I/O模塊20c、20d、20e。電纜18E在I/O模塊20b、20c之間延伸，并將底板部分18A、18B電互連，用于在其間傳送數(shù)據(jù)。然而，如上所述，諸如電纜18E之類的底板延伸電纜具有幾個所不期望的特征，例如，較高的成本、受限制的距離(約1米)、電信號的衰減、電線擁擠、電纜-底板連接點處的環(huán)境污染和與移動機器零件或其它環(huán)境因素干擾的可能性。
圖5示出按照本發(fā)明形成的具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)。除非另外示出和/或說明，模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100與上述系統(tǒng)10相同，同樣，用比圖1-4中使用的大100的標號來標識相同的元件。模塊化輸入/輸出系統(tǒng)形成用于控制具有第一和第二部分26A、26B(過程26A和26B不必相關)的工業(yè)過程26的工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡的一部分。更具體來說，工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡包括其中包括與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡16連接的掃描器S的工業(yè)控制器IC。模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100通過網(wǎng)絡適配器112與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡16連接并通信，并遠離控制器IC。模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100包括通過網(wǎng)絡適配器112與工業(yè)控制器IC通信的多個I/O模塊120a-120e。各模塊120a-120e的I/O電路通過諸如電纜之類的I/O線與受控過程26的輸入或輸出設備連接，并且(i)將通過網(wǎng)絡適配器112從控制器IC接收到的數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成輸出信號(數(shù)字或模擬)，用于通過線24輸入到工業(yè)過程26；以及，(ii)通過線24從工業(yè)過程26接收數(shù)字或模擬信號并將其轉換成適于通過網(wǎng)絡適配器112輸入到控制器IC的數(shù)字數(shù)據(jù)。
繼續(xù)參見圖5，模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100包括被安裝到機器26的第一部分26A的第一部分100A和被安裝到機器26的第二部分26B的第二部分100B。模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100的第一部分100A包括適配器模塊112和通過由模塊112、120a、120b預定義或定義的第一(主)底板部分118A與適配器模塊112通信的I/O模塊120a、120b。模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100的第二部分100B包括被連接到和/或相結合形成第二(副)底板部分118B的I/O模塊120c、120d、120e。模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100還包括由無線主設備170m(又稱為主要無線設備170m)和無線副設備170s(以稱為輔助無線設備170s)定義的無線底板擴展器170。無線主設備170m形成模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100的第一部分100A并有效連接至或部分定義用于其間的數(shù)據(jù)和電力通信的第一底板部分118A。無線副設備170s形成模塊化輸入/輸出系統(tǒng)100的第二部分100B的一部分并與第二底板部分118B有效連接或部分定義第二底板部分118B用于其間的數(shù)據(jù)和電力連接。系統(tǒng)100的第一部分100A通過將適配器模塊112(如圖所示)和/或一個或多個I/O模塊120a、120b和/或無線主設備170m與電源Pm連接來接收電力。系統(tǒng)100的第二部分100B通過將無線副設備170s(如圖所示)和/或一個或多個I/O模塊120c、120d、120e與電源Ps連接來接收電力。應承認為了在掃描器S和網(wǎng)絡適配器112之間去除圖5中所示的網(wǎng)絡適配器112和網(wǎng)絡連接16、14，無線主設備170m能形成掃描器S的一部分。在這樣一個例子中，工業(yè)控制網(wǎng)絡可以是諸如艾倫-布拉德利控制邏輯平臺之類的工業(yè)控制平臺(ICP)且無線主設備170m與控制邏輯底板直接連接。
無線主設備170m和無線副設備170s適于在其間建立形成用于第一和第二底板部分118A、118B之間的無縫雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信路徑的無線底板鏈接118W。在該較佳實施例中，無線底板鏈接118W包括無線主和副設備170m、170s之間的射頻(RF)連接，這樣，這些設備被顯示成包括發(fā)送和接收RF信號的各個天線172m、172s。
無線底板鏈接118W能根據(jù)任何合適的RF信號協(xié)議建立，但最好是根據(jù)基于IEEE802.11的協(xié)議，例如802.11b或另一類，例如藍牙、超寬帶(UWB)、跳頻擴展頻譜(FHSS)、直接排序擴展頻譜(DSSS)、正交頻分多路復用(OFDM)。本發(fā)明不旨在限制于特定的無線協(xié)議并且能使用其它協(xié)議而不偏離本發(fā)明的整個范圍和主旨。無線底板鏈接118W也不限于RF信號；也可以采用其它合適的手段，例如紅外線和其它光線波長、超聲波鏈接等而不偏離本發(fā)明的整個范圍和主旨。另外，無線設備170m、170s之間的主-副關系能變?yōu)閷Φ汝P系而不偏離本發(fā)明。在這樣的情況下，無線設備170m或170s能在無線底板鏈接118W上啟動相互通信，且本文使用的術語“主”和“副”沒有將本發(fā)明限制于只有主設備170m才能啟動無線底板鏈接118W上的通信的主-副設置(有時又稱為“主-從”關系)。
不論無線底板鏈接118W用于主和副設備170m、170s之間的底板數(shù)據(jù)的無線通信的協(xié)議是什么，在有線底板部分118A、118B上實施的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議也通過封裝在無線底板鏈接118W上實施，使得無線鏈接是完全透明的。如圖5A中所示，有線底板部分118A、118B按照任何合適的已知協(xié)議(例如，DeviceNet、ControlNet。POINTBus等)用于傳輸數(shù)據(jù)。無線主設備170m和無線副設備170s包括各自的用于封裝從有線底板部分118A、118W接收的數(shù)據(jù)和解封裝要發(fā)送至有線底板部分118A、118W的數(shù)據(jù)的封裝/解封裝模塊174m、174s。以此方式，無線底板鏈接118W和底板擴展器電纜(如圖4的118E所示)一樣地工作。
在工業(yè)自動化環(huán)境中，例如圖5中所示的網(wǎng)絡，無線底板鏈接118W被建立并維持在最佳信號長度很重要。所以，無線主設備170m和各無線副設備170s包括各自的無線信號鏈接質(zhì)量指示器176m、176s(圖5A)，該指示器提供用于建立無線底板鏈接118W的RF或其它無線信號的質(zhì)量的可視標記。在所示實施例中，指示器176m、176s各包括多個LED或其它指示燈178，178允許觀察者判定在由主或副無線設備170m、170s接收到的RF信號是否具有足夠的強度在用于所有I/O模塊120a-120e與適配器模塊112進而工業(yè)控制器IC的有效互連的無線底板鏈接118W上發(fā)送和接收底板數(shù)據(jù)。
圖5只示出根據(jù)本發(fā)明形成的分布式模塊化I/O系統(tǒng)100的一個實施例。更通俗地說，按照本發(fā)明形成的具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)包括至少一個適用于通過有線/無線連接14、16連到工業(yè)控制器IC的有效連接的網(wǎng)絡適配器模塊112、通過主底板部分118A與網(wǎng)絡適配器模塊112(單獨或與一個或多個I/O模塊120a-120e一起)電連接的無線主設備170m、一個或多個通過無線底板鏈接118W與無線主設備170m有效連接的無線副設備170s、和至少一個通過副底板部分118B與各副無線模塊170s電或其它有效連接的I/O模塊120a-120e。由此可見，系統(tǒng)100的主要優(yōu)點在于可以在網(wǎng)絡適配器12和終端I/O模塊(例如圖3中的模塊20e)之間任何期望的點處中斷并用無線鏈接118W取代傳統(tǒng)的模塊化分布式輸入/輸出系統(tǒng)10的底板18。
圖6示出包括按照本發(fā)明形成的具有無線底板擴展器的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的另選設置的一個例子，它用于將數(shù)據(jù)輸入到工業(yè)機器/過程26A、26B、26C(可以是相同或不同的機器/過程并被總稱為工業(yè)過程26)或從26A、26B、26C輸出數(shù)據(jù)作為包括與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡16連接的工業(yè)控制器IC和掃描器S的工業(yè)控制網(wǎng)絡的一部分。模塊化I/O系統(tǒng)100包括通過有線和/或無線網(wǎng)絡連接14、16與工業(yè)控制器IC和掃描器S有效連接的網(wǎng)絡適配器112(網(wǎng)絡適配器雖顯示成遠離控制器IC，但也可與控制器IC相鄰，與控制器IC集成和/或直接與控制器IC連接)。模塊化I/O系統(tǒng)100還包括多個通過網(wǎng)絡適配器112與工業(yè)控制器IC通信的I/O模塊120a-120f。各I/O模塊120a-120f的I/O電路通過諸如電纜之類的I/O線24A、24B、24C與受控過程26的輸入或輸出設備連接并且(i)將通過網(wǎng)絡適配器112從控制器IC接收到的數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成用于通過線24輸入到工業(yè)過程26的輸出信號(數(shù)字的或模擬的)；且(ii)通過線24從工業(yè)過程26接收數(shù)字或模擬信號并將其轉換成適于通過網(wǎng)絡適配器112輸入到控制器IC的數(shù)字數(shù)據(jù)。
繼續(xù)參見圖6，模塊化I/O系統(tǒng)100包括主部分100M和多個分別安裝到/鄰接過程26A、26B、26C的副部分100A、100B、100C。在圖示的實施例中，主部分100M只包括適配器模塊112和與適配器模塊112有效連接的無線主設備170m，該設備用于通過主底板118M傳輸數(shù)據(jù)和/或電力。另選地，主部分100M還可包括物理上通常位于網(wǎng)絡適配器模塊112和主無線模塊170m之間的一個或多個I/O模塊120a-120f。主部分100M也與電源Pm連接。
系統(tǒng)100的副部分100A包括I/O模塊120a、120b、120c和無線副設備170s1，它們都有效互連，用于通過副底板118A傳輸數(shù)據(jù)和/或電力。I/O模塊120a、120b、120c通過I/O線24A向過程26A提供輸入數(shù)據(jù)到過程26A和/或從過程26A接收輸出數(shù)據(jù)。副部分100A與電源Pa連接。
系統(tǒng)100的副部分100B包括單個I/O模塊120d和無線副設備170s2，相互有效互連用于通過副底板118B傳輸數(shù)據(jù)和/或電力。I/O模塊120d通過I/O線24B向過程2B提供輸入數(shù)據(jù)和/或從過程26B接收輸出數(shù)據(jù)。副部分100B與電源Pb連接。
系統(tǒng)100的副部分100C包括I/O模塊120e、120f和無線副設備170s3，它們均相互有效互連用于通過副底板118C傳輸數(shù)據(jù)和/或電力。I/O模塊120e、120f通過I/O線24C向過程26C提供輸入數(shù)據(jù)和/或從過程26C接收輸出數(shù)據(jù)。副部分100C與電源Pc連接。
模塊化I/O系統(tǒng)100還包括由無線主設備170m(又稱為主無線設備170m)和所有無線副設備170s1、170s2、170s3(又稱為副無線設備170s1、170s2、170s3)定義的無線底板擴展器170。無線主設備170m和無線副設備170s1、170s2、170s3適用于在其間建立各無線底板鏈接118W1、118W2、118W3，這些鏈接定義用于主底板部分118M和各副底板部分118A、118B、118C之間的底板數(shù)據(jù)的無縫雙向傳輸?shù)臒o繩數(shù)據(jù)通信路徑。這里，又如上所述，無線底板鏈接118W1、118W2、118W3最好包括無線主設備170m和無線副設備170s1、170s2、170s3之間使用發(fā)送和接收RF信號的天線172m、172s1、172s2、172s3的射頻(RF)連接。無線底板鏈接118W1、118W2、118W3可按照任何合適的RF信號協(xié)議來建立，但最好按照基于IEEE 802.11的協(xié)議(例如802.11b)或另一些，例如藍牙、超寬帶(UWB)、跳頻擴展頻譜(FHSS)、直接排序擴展頻譜(DSSS)、正交頻分多路復用(OFDM)來實現(xiàn)。本發(fā)明不旨在限于特定的無線協(xié)議，也可以使用其它協(xié)議而不偏離本發(fā)明整個范圍和主旨。通常，在RF信號的情況中，無線底板鏈接118W1、118W2、118W3是通過源自或由已知用于共享部分RF譜一部分的方法和系統(tǒng)定義的多個通信路徑建立的，包括但不限于例如，頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、空間劃分多址存取(SDMA)和包括跳頻擴展頻譜(FHSS)、直接排序擴展頻譜(DSSS)在內(nèi)的擴展頻譜技術，以及它們的組合。無線底板鏈接118W1、118W2、118W3不旨在限于RF信號；可以利用其它合適的手段(例如紅外線和其它光線波長、超聲波鏈接等)而不偏離本發(fā)明的整個范圍和主旨。
可以將圖6的系統(tǒng)100修改為圖6A中的100’，其中無線主設備170m和第一無線副設備170s1通過RF或其它無線通信手段在其間建立第一無線底板鏈接118W1。無線主設備170m和第二無線副設備170s2在其間建立第二RF無線底板鏈接118W2。無線主設備170m和第三無線副設備170s3在其間建立第三RF無線底板鏈接118W3。為了建立更安全或防故障的通信，則建立備用通信路徑。例如，無線主設備170m和第三無線副設備170s3在其間建立第四RF無線底板鏈接118R4。然后，無線副設備170s3和無線副設備170s1在其間建立第五RF無線底板鏈接118R5。此組合118R4+118R5提供鏈接118W1的備用路徑。同樣建立諸如副模塊170s2和170s3之間的118R6和在副模塊170s1、170s2之間的無線鏈接118R7之類的副-副無線鏈接，以提供代替無線主設備170m和特定副設備170s1、170s2、170s3之間的直接通信路徑的備選的通信路徑。預計作為默認條件，除了主無線鏈接118W1、118W2、118W3之外使用這些冗余的無線鏈接118R4、118R5、118R6、118R7來使通信失敗的可能性最小化。作為選擇，只有在檢測到與主無線鏈接118W1、118W2、118W3有關的超時或其它故障時才使用冗余的無線鏈接118R4、118R5、118R6、118R7。還預期冗余的無線鏈接118R4、118R5、118R6、118R7是與主無線鏈接118W1、118W2、118W3不同類型的(例如不同的RF協(xié)議、不同的RF頻率、非RF等)，以使主和冗余無線鏈接上同時通信失敗的可能性最小化。以上提供了簡單的無線底板鏈接冗余的示例實施例。可以通過這些感受的合適應用來提供多個等級的冗余。
如結合圖5所述，無線設備170m、170s1、170s2、170s3之間的關系可以是主從或對等關系。此這種情況下，任何無線設備170m、170s1、170s2、170s3都能在各自的主無線底板鏈接118W1、118W2、118W3上啟動與另一個的通信，且這里使用的術語“主”和“副”不旨在將本發(fā)明限制于主-副或“主-從”關系，其中只有主無線設備170m才能在無線底板鏈接118W1、118W2、118W3啟動與副無線設備170s1、170s2、170s3的通信。
圖7示出簡化了形式的系統(tǒng)100的高度期望的應用。在所示例子中，系統(tǒng)100包括通過如上所述的有線和/或無線網(wǎng)絡連接14，16與工業(yè)控制器IC和掃描器S有效連接的網(wǎng)絡適配器112。通常，系統(tǒng)100包括無線主設備M和多個無線副工作設備S1-S6，其中各無線副工作設備包括必須通過無線主設備的網(wǎng)絡適配器112與工業(yè)控制器IC通信的一個或多個I/O模塊和/或領域設備。如所示的，副工作設備S1包括位于機殼C1中的IP-20模塊化I/O設備；副工作設備S2只是一個安裝于機器的傳感器領域設備；副工作設備S3是NEMA 4X(IP-65)模塊化I/O設備；副工作設備S4包括一個馬達或其它驅動器領域設備；副工作設備S5由安裝于機器的IP-67兼容塊(非模塊化)I/O設備定義或位于惡劣的環(huán)境中；副工作設備S6是位于暴露環(huán)境中的本征安全的模塊化I/O。如上所述，無線主設備M包括無線主設備170m而工作設備包括各自的無線副無線設備170s1-170s6。
可見副工作設備S1-S6屬于混合的類型并位于混合的環(huán)境中，在該環(huán)境中有線連接可能是所不期望或不可行的。這樣，系統(tǒng)100為模塊化輸入/輸出系統(tǒng)提供無線底板擴展器(其中所有的工作設備都能與無線主設備M的主底板118M通信)用于通過各自的無線鏈接118W1-118W6和有效地通過上述結合圖6A所述的冗余無線鏈接與工業(yè)控制器IC通信。
在某些環(huán)境或應用中，在某一確定時間確保各副工作設備與工業(yè)控制器的通信鏈接很重要?，F(xiàn)參見圖8，可見分別在無線主設備M和副工作設備S1-S6之間建立的無線鏈接118W1-118W6由無線主設備根據(jù)預定時隙T1-T6啟動。這樣的系統(tǒng)從而要求唯一地標識各副工作設備S1-S6。在一個較佳實施例中，無線主模塊M和各副無線模塊S1-S6包括用戶可選擇的配置設備，例如雙列直插式開關、跨接線和/或其它用于建立主設備和用于存儲各副設備的唯一標識符的其它可配置裝置(例如可編程存儲器)。除了在時隙T1-T6中傳送的時敏或“實時”數(shù)據(jù)外，預期在時間和/或容量方面時隙T1-T6將超過所要求的帶寬并且此過剩帶寬被用于發(fā)送時敏的數(shù)據(jù)，例如性能數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)等。在另選的實施例中，例如當實施擴展頻譜無線協(xié)議時，根據(jù)時間和/或頻分/跳頻方案(其中無線鏈接118W1-118W6專用于特定頻率或在選擇的時隙中被分配了一個特定頻率以減少不同頻率的數(shù)量和使用的時隙)建立無線鏈接118W1-118W6并分配給無線主設備M和副工作設備S1-S6使用。通過示例，在兩個時隙T1和T2期間可以分配頻率F1、F2、F3以按照118W1＝F1@T1，118W2＝F2@T1，118W3＝F3@T1，118W4＝F1@T2，118W5＝F2@T2和118W6＝F3@T2來建立6個示例無線鏈接。
圖9A和9B分別示出主無線和副無線設備M和S1-S6的例子。其中，外殼的一部分被斷開以顯示無線主設備M包括用戶可選擇的配置設備，例如用于由用戶配置成主設備的雙列直插式開關D，并且還包括向用戶提供模塊已被配置成主設備的視覺反饋的視覺顯示V，例如符號“M”等。類似地，如圖9B中所示，其中外殼的一部分被斷開，無線副模塊S1-S6包括用戶可選擇的配置設備，例如用于配置成副S1-S6中特定的一個的雙列直插式開關D，并且還包括向用戶提供此結果的視覺反饋的視覺顯示V，例如符號“S2”等。
無線主設備M包括與主底板118M連接或直接與網(wǎng)絡適配器112連接的電連接器MC。主底板可以被集成到無線主設備M或者可以是一個或多個其它設備的一部分。無線副模塊S1-S6包括用于沿一個或多個I/O模塊120a-120f與副底板118S連接的電連接器SC和或諸如傳感器、馬達之類的必須通過無線主設備M與工業(yè)控制器IC通信的其它領域設備。
如圖9A和9B中所示，主設備M和副模塊S1-S6還可包括接口I，它可以是電纜接口(例如USB，RS-232)或無線接口(IR，RF)，通過接口這些設備能與諸如臺上電腦、膝上電腦、手提電腦或包括視頻顯示器的其它設備之類的用戶接口設備PC(見圖7)通信。當用戶接口設備PC與無線主設備或副模塊M，S1-S6連接時，模塊與PC通信，以提供描述由用戶在視頻顯示器上觀看的系統(tǒng)100的整個拓樸的數(shù)據(jù)，包括各種模塊M，S1-S6的物理位置、諸如各種無線鏈接118W1-118W6的類型和質(zhì)量之類的設備的操作參數(shù)、I/O模塊120a-102f的類型和數(shù)量或與特定無線主設備或副設備M，S1-S6連接的和/或在整個系統(tǒng)100中的其它設備。用戶接口設備PC還能用于將無線模塊M，S1-S6配置成代替跨接線或雙列直插式開關D的選擇。當用戶接口設備PC直接或通過網(wǎng)絡16與無線主設備M或無線副設備S1-S6中任何一個連接時，它可以用于選擇和配置監(jiān)視器和/或與系統(tǒng)的任何其它M，S1-S6相互作用。最好與用戶接口設備PC通信的特定設備M，S1-S6通過指示器176m、176s或視覺顯示V或聲頻揚聲器K提供視頻和/或音頻輸出信號，以確認其與用戶接口設備PC的有效通信。
本領域的普通技術人員可想到一些修改和變型。旨在按字面理解和/或等效物的原理來理解權利要求，以在法律許可的最大范圍內(nèi)包圍所有這些修改和變型。
權利要求
1.一種分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)包括主無線設備，適于被可操作地連接至相關聯(lián)的工業(yè)控制器；副無線設備，它在物理上與所述主無線設備不相連接，所述副無線設備通過主無線底板鏈接與所述主無線設備可操作地連接；至少一個輸入/輸出模塊，它與所述副無線設備可操作地連接，其中與所述至少一個輸入/輸出模塊連接的相關領域設備適于通過所述副無線設備、所述主無線底板鏈接和所述主無線設備與相關聯(lián)的工業(yè)控制器通信。
2.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，包括多個在物理上與所述主無線設備不相連接的所述副無線設備且各包括一個或多個與其可操作地連接的所述輸入/輸出模塊，各所述副無線設備通過相應的多個主無線底板鏈接與主無線設備可操作地連接。
3.如權利要求2所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述多個副無線設備中每一個被唯一地標識，并且用射頻譜的共享部分建立所述多個主無線底板鏈接。
4.如權利要求3所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述主無線底板鏈接分別由所述副無線設備用于將時敏和非時敏數(shù)據(jù)傳送至所述主無線設備。
5.如權利要求3所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述多個副無線設備中的每一個包括唯一地標識所述副無線設備中每一個的用戶可選擇的配置設備。
6.如權利要求2所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個冗余無線底板鏈接，所述冗余無線底板鏈接各包括從第一個所述副無線服務設備到第二個所述副無線設備或從所述主無線設備到一個所述副無線設備的無線通信鏈接，其中所述冗余無線底板鏈接在各副無線設備和所述主無線設備之間建立至少一個可選的無線通信路徑。
7.如權利要求6所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，各副無線設備通過同時使用所述主無線底板鏈接之一和所述冗余無線底板鏈接之一與所述主無線設備通信。
8.如權利要求2所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述多個副無線設備中至少有一些處于與其它副無線設備不同的環(huán)境。
9.如權利要求8所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述不同環(huán)境包括IP-20、IP-65、IP-67中至少兩個。
10.如權利要求9所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述副無線設備中至少一個是位于暴露環(huán)境中的本征安全設備。
11.如權利要求3所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，各副無線設備包括視覺顯示，所述視覺顯示提供唯一地標識所述副無線設備的唯一標識符的視覺指示。
12.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述副無線設備包括提供主無線底板鏈接的質(zhì)量的可視標記的無線鏈接質(zhì)量指示器。
13.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，與所述第二無線模塊在物理上和可操作地連接的所述至少一個輸入/輸出模塊包括下列之一(i)塊輸入/輸出模塊；(ii)多個互連的模塊化輸入/輸出模塊。
14.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述主無線底板鏈接包括射頻信號。
15.如權利要求6所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述冗余無線底板鏈接在通信類型、頻率和協(xié)議中至少一個方面與所述主無線底板鏈接不相似。
16.如權利要求2所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，還包括可與所述主無線設備或所述副無線設備之一選擇性地連接的用戶接口設備，所述用戶接口設備包括輸出包括所述主無線設備和所述多個副無線設備的模塊化輸入/輸出系統(tǒng)的整個拓樸的視覺顯示，且在與所述用戶接口設備通信時所述主無線設備和所述副無線設備各輸出視頻或音頻信號。
17.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述副無線設備包括底板且所述至少一個輸入/輸出模塊在物理上與所述底板連接。
18.如權利要求2所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述多個副無線設備各包括一底板，且各所述副無線設備的所述一個或多個輸入/輸出模塊在物理上與其相對應的副無線設備的所述底板連接。
19.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述主無線設備可操作地連接的網(wǎng)絡適配器模塊，其中所述網(wǎng)絡適配器模塊和主無線設備遠離所述相關聯(lián)的工業(yè)控制器并適合于通過有線或無線網(wǎng)絡連接與所述相關聯(lián)的工業(yè)控制器連接。
20.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述主無線設備和副無線設備按照主-從關系通過所述主無線底板鏈接相互通信，其中所述主無線設備啟動它本身和所述副無線設備之間的所有通信。
21.如權利要求1所述的分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)，其特征在于，所述主無線設備和副無線設備按照對等關系通過所述主無線底板鏈接相互通信，其中兩種設備中的任一種均適合于啟動與另一個的通信。
全文摘要
一種分布式模塊化輸入/輸出系統(tǒng)包括主無線設備，適合于被有效地連接至相關聯(lián)的工業(yè)控制器。副無線設備在物理上與所述主無線設備不相連接。所述副無線設備通過主無線底板鏈接與所述主無線設備有效地連接。至少一個輸入/輸出模塊與所述副無線設備有效連接。相關領域設備能與所述至少一個用于通過第二副無線設備、主無線底板鏈接和主無線設備與相關聯(lián)的工業(yè)控制器通信的輸入/輸出模塊連接。通常，多個副無線設備在物理上與主無線設備斷開且各包括一個或多個與其可操作地連接的輸入/輸出模塊。各副無線設備通過相應多個主無線底板鏈接與主無線設備有效連接。
文檔編號G06F13/00GK1882925SQ200480033646
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月16日 優(yōu)先權日2003年11月17日
發(fā)明者G·M·希奇納, R·J·克雷特斯奇曼, J·R·英格達爾, R·派, 莊建國, 賈青, D·D·勃蘭特 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司