WO2009087016A2 - Verfahren zur integration eines teilnehmers in ein drahtloses kommunikations-netzwerk der prozessautomatisierung - Google Patents

Verfahren zur integration eines teilnehmers in ein drahtloses kommunikations-netzwerk der prozessautomatisierung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for integrating a new subscriber in a wireless communication network of
  • the invention has for its object to provide a method for quick and energy-efficient integration of a new subscriber in an existing wireless communication network.
  • the object is achieved in that at least one node is selected at least on the basis of a predetermined criterion, and that the at least one selected node in a
  • Integration mode is set, which allows the integration of the new subscriber in the network.
  • the network points in particular several, at least two knots up.
  • at least two nodes are selected and placed in the integration mode.
  • An embodiment includes that the at least one node is selected based at least on the basis of data behind the position of the node. The same applies to the selection of at least two nodes or exactly two or exactly one node.
  • An embodiment provides that the at least one node is selected according to that its geographical and / or radio distance to the new subscriber is smaller than the distances of the other nodes of the network to the new subscriber. It is only in the nodes that are near the new subscriber, temporarily reserved a channel for the integration of other participants. This results in the direct advantage that the power supply of the remaining nodes is not charged.
  • An embodiment includes that at least two nodes are selected after that their geographical and / or radio distances to the new subscriber are smaller than the distances of the other nodes of the network to the new subscriber. That the two nodes with the shortest distances to the new participant are selected for the integration mode.
  • An embodiment provides that the at least one selected node is put into the integration mode only for a predefinable period of time. The same applies to the at least two selected nodes.
  • An embodiment includes resuming the integration mode once the new subscriber has been integrated into the network. An embodiment provides that in the integration mode, the at least one selected node for a predeterminable period of time is able to receive signals of the new subscriber.
  • An embodiment includes that at least one information about the position of the new subscriber is transmitted.
  • the wireless communication network is a self-organizing radio network.
  • Fig. 1 a schematic representation of a network of process automation.
  • FIG. 1 illustrates the method according to the invention for integrating an additional subscriber 4 into an existing wireless communication network 1 of the process automation technology.
  • the network 1 is formed here by five nodes 2, as well as by a network manager 3.
  • the nodes 2 are, for example, field devices (eg measuring devices or sensors or actuators), which are designed for radio communication. That is, each node 2 may be a stand-alone device.
  • at least a part of the nodes 2 consists of radio communication units, which take over the radio communication for a totality of field devices or equipment units.
  • the network manager 3 is, for example, a computer which communicates with the network 1 and on which data are stored and / or algorithms or programs can run.
  • the network manager 3 for example, connected via the Ethernet with a process control room.
  • the individual nodes 2 are here provided with designations: A, B, C, D, and E. Between them there is a radio link ⁇ represented by dotted lines).
  • the time-synchronized mesh protocol time-synchronized mesh protocol, TSMP
  • TSMP time-synchronized mesh protocol
  • a new subscriber 4 can be included in an existing self-organizing wireless communication network 1.
  • the problem is that the new subscriber 4 must know or make the frequency hopping behavior and the timeslot of the already existing node 2.
  • the existing nodes 2 each have a time range open in which they listen to the radio signals of possible new participants.
  • the new subscriber 4 must listen to the radio traffic and conclude from this which timeslot or which frequency hopping is optimal for him, so that he can integrate himself into the existing network 1.
  • the invention provides an energy-saving and fast method: the network manager 3, the positions of the individual nodes 2 and the location of the new subscriber 4 are known. For this purpose, the data is transmitted, for example during the installation to the manager 3. Based on this situation, the network manager 3 determines those nodes 2 or those nodes 2 which are located in the vicinity of the new subscriber 4. In this case, neighborhood can be determined by the geometric distance. However, the neighborhood can also be defined by a low-energy radio link possible.
  • the node 2 adjacent to the new subscriber 4 (F) is these are nodes C and E. After this selection! or determining the existing nodes C and E, the network manager 3 places the adjacent or selected nodes C and E in a so-called integration mode.
  • This integration mode is such that the integration of a new subscriber 4 into the network 1 is enabled by the nodes C and E. For example, this is a time window within which nodes C and E listen only to the signals from transmitting units and, if the identifier is suitable, integrate the new subscriber 4, ie transmit the appropriate integration data to it.
  • the other nodes 2, ie the non-selected and thus also not adjacent nodes 2 ⁇ here: A, B and D) are not put into the integration mode. Thus, these nodes A, B and D are unable to accept a new subscriber 4.
  • the advantages of the method according to the invention are thus the following:
  • the integration is carried out only by the nodes 2 which are located in the vicinity of the new subscriber 4. This makes it possible to reduce the energy requirements for radio communication.
  • the integration is made only if it should really take place by the presence of a new participant 4, and moreover, it is performed only by a very limited number of nodes 2. Thus, it is generally not necessary to keep open spaces or freedoms for possible integration.
  • the network manager 3 In order to implement the method according to the invention, the network manager 3 must in particular be designed in such a way that it has a database with regard to the locality of the individual nodes 2, that it can also deduce the distance or the property of the neighborhood from the available data, that it is possible to introduce new position data into him and that he is also able to selectively address individual nodes and put in the integration mode.
  • the data about the new subscriber 4 becomes the network manager 3 directly via a control room or via a manual input.
  • the network manager 3 has the geographical data of the components present and installed in the system or in the network 1, so that the new user 4 can be easily located via the association with the installed component.
  • the neighborhood can be calculated from the knowledge of the position of the tank.
  • the specialist who introduces the new subscriber 4 into the system has a suitable field device for determining his position, eg via GPS, and for transmitting the associated data to the network manager 3.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Integration eines neuen Teilnehmers (4) in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk (1 ) der Prozessautomatisierungstechnik, wobei das Netzwerk (1 ) mindestens einen Knoten (2) aufweist. Die Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Knoten (2) mindestens anhand eines vorgebbaren Kriteriums ausgewählt wird, und dass der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) in einen Integrationsmodus gesetzt wird, welcher die Integration des neuen Teilnehmers (4) in das Netzwerk ( 1 ) ermöglicht.

Description

Verfahren zur Integration eines Teilnehmers in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk der Prozessautomatisierung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Integration eines neuen Teilnehmers in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk der
Prozessautomatisierungstechnik, wobei das Netzwerk mindestens einen Knoten aufweist.
In modernen Anlagen der Prozessautomatisierung findet die Kommunikation zwischen Feldgeräten, wie Sensoren oder Aktoren, und Leitwarten oft über Funk statt, wobei zur Energieeinsparung ggf. selbstorganisierende Netzwerke erzeugt werden. Die Kommunikation findet dabei in vielen Fällen nur zu bestimmten Zeiten statt, da die Feldgeräte zur Energieeinsparung meist in einen Schlafmodus versetzt werden. Bei Mesh-Netzwerken ist es dabei üblich, dass zwei Knoten in einem schmalen Frequenzband miteinander kommunizieren, deren Mittenfrequenz sich nach einem vorgegebenen Muster ändert (Frequency hopping). Für die Integration von neuen Teilnehmern, d.h. neuen Knoten, ist es üblich, dass das Netzwerk dauernd in allen Knoten einen Kanal für die Integration weiterer Teilnehmer reserviert. Die Integration eines neuen Teilnehmers selbst dauert lange, weil das Zeitfenster und die Frequenz getroffen werden muss. Weiterhin haben die Teilnehmer, die ggf. nur batteriebetrieben sind, einen erhöhten Energiebedarf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnelien und energiesparenden Integration eines neuen Teilnehmers in ein bestehendes drahtloses Kommunikations-Netzwerk vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Knoten mindestens anhand eines vorgebbaren Kriteriums ausgewählt wird, und dass der mindestens eine ausgewählte Knoten in einen
Integrationsmodus gesetzt wird, welcher die Integration des neuen Teilnehmers in das Netzwerk ermöglicht. Das Netzwerk weist insbesondere mehrere, mindestens zwei Knoten auf. In einer weiteren Ausgestaltung werden von der Vielzahl der im Netzwerk bereits vorhandenen Knoten, mindestens zwei Knoten ausgewählt und in den Integrationsmodus versetzt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der mindestens eine Knoten mindestens anhand hinteriegter Daten über die Position des Knotens ausgewählt wird. Entsprechendes gilt für die Auswahl von mindestens zwei Knoten bzw. genau zwei bzw. genau einem Knoten.
Eine Ausgestaltung steht vor, dass der mindestens eine Knoten danach ausgewählt wird, dass sein geographischer und/oder funktechnischer Abstand zu dem neuen Teilnehmer kleiner ist als die Abstände der anderen Knoten des Netzwerks zu dem neuen Teilnehmer. Es wird nur in den Knoten, die in der Nähe des neuen Teilnehmers sind, vorübergehend ein Kanal zur Integration weiterer Teilnehmer reserviert. Daraus ergibt sich der direkte Vorteil, dass die Energieversorgung der restlichen Knoten nicht belastet wird.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens zwei Knoten danach ausgewählt werden, dass ihre geographischen und/oder funktechnischen Abstände zu dem neuen Teilnehmer kleiner sind als die Abstände der anderen Knoten des Netzwerks zu dem neuen Teilnehmer. D.h. es werden die beiden Knoten mit den kürzesten Abständen zum neuen Teilnehmer für den Integrationsmodus ausgewählt.
Eine Ausgestaltung steht vor, dass der mindestens eine ausgewählte Knoten nur für einen vorgebbaren Zeitraum in den Integrationsmodus versetzt wird. Entsprechendes gilt für die mindestens zwei ausgewählten Knoten.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Integrationsmodus zurückgenommen wird, sobald der neue Teilnehmer in das Netzwerk integriert worden ist. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass im Integrationsmodus der mindestens eine ausgewählte Knoten für einen vorgebbaren Zeitraum in der Lage ist, Signale des neuen Teilnehmers zu empfangen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Information über die Position des neuen Teilnehmers übermittelt wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem drahtlosen Kommunikations-Netzwerk um ein selbstorganisierendes Funknetzwerk handelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Netzwerks der Prozessautomatisierung .
Die Fig. 1 verdeutlicht das erfindungsgemäße Verfahren zum Integrieren eines zusätzlichen Teilnehmers 4 in ein bestehendes drahtloses Kommunikations- Netzwerk 1 der Prozessautomatisierungstechnik. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein selbst organisierendes Funknetz. Das Netzwerk 1 wird hier durch fünf Knoten 2, sowie durch einen Netzwerkmanager 3 gebildet. Die Knoten 2 sind beispielsweise Feldgeräte (z.B. Messgeräte bzw. Sensoren oder Aktoren), welche für die Funkkommunikation ausgelegt sind. D.h. bei jedem Knoten 2 kann es sich um ein eigenständiges Gerät handeln. In einer weiteren Ausgestaltung besteht zumindest ein Teil der Knoten 2 aus Funkkommunikationseinheiten, welche für eine Gesamtheit von Feldgeräten oder Anlageeinheiten die Funkkommunikation übernehmen. Der Netzwerkmanager 3 ist beispielsweise ein Rechner, welcher mit dem Netzwerk 1 kommuniziert und auf welchen Daten hinterlegt werden und/oder Algorithmen oder Programme ablaufen können. Hier ist der Netzwerkmanager 3 beispielsweise über das Ethernet mit einer Prozessleitwarte verbunden. Die einzelnen Knoten 2 sind hier mit Bezeichnungen versehen: A, B, C, D, und E. Zwischen ihnen besteht eine Funkverbindung {dargestellt durch gepunktgestrichelte Linien). Dabei wird beispielsweise das zeitsynchronisierte Mesh-Protokoll (time synchronized mesh protocol, TSMP) verwendet. Damit geht einher, dass die Knoten 2, welche miteinander kommunizieren, bezüglich des Timeslots, in weichem sie senden bzw. empfangen, und bezüglich des Frequenzhoppings, d.h. nach welchem Schema sie die Trägerfrequenz wechseln, miteinander abgeglichen sind.
Im Stand der Technik gibt es bereits mehrere Möglichkeiten, wie ein neuer Teilnehmer 4 in ein bestehendes selbstorganisierendes drahtloses Kommunikations-Netzwerk 1 aufgenommen werden kann. Das Problem besteht dabei darin, dass der neue Teilnehmer 4 das Frequenzhopping- Verhalten und den Timeslot der bereits vorhandenen Knoten 2 kennen oder treffen muss. In einer Ausgestaltung halten dafür die bestehenden Knoten 2 jeweils einen Zeitbereich offen, in welchem sie auf die Funksignale möglicher neuer Teilnehmer horchen. In einer weiteren Ausgestaltung muss der neue Teilnehmer 4 den Funkverkehr abhorchen und daraus schlussfolgern, welcher Timeslot bzw. welches Frequenzhopping für ihn optimal ist, damit er sich in das bestehende Netzwerk 1 integrieren kann.
Die Erfindung bietet ein energiesparendes und schnelles Verfahren: Dem Netzwerkmanager 3 sind dabei die Positionen der einzelnen Knoten 2 und auch die Lokalität des neuen Teilnehmers 4 bekannt. Hierfür werden die Daten beispielsweise bei der Installation an den Manager 3 übermittelt. Ausgehend von dieser Sachlage ermittelt der Netzwerkmanager 3 denjenigen Knoten 2 oder diejenigen Knoten 2, welche sich in der Nachbarschaft zum neuen Teilnehmer 4 befinden. Dabei kann Nachbarschaft durch den geometrischen Abstand bestimmt sein. Es kann die Nachbarschaft allerdings auch durch eine möglichst energiearme Funkverbindungsstrecke definiert sein. Bei den zu dem neuen Teilnehmer 4 (F) benachbarten Knoten 2 handelt es sich um die Knoten C und E. Nach dieser Auswah! oder Bestimmung der vorhandenen Knoten C und E, versetzt der Netzwerkmanager 3 die benachbarten bzw. ausgewählten Knoten C und E in einen so genannten Integrationsmodus. Dieser Integrationsmodus ist derartig beschaffen, dass die Integration eines neuen Teilnehmers 4 in das Netzwerk 1 durch die Knoten C und E ermöglicht wird. Dabei handelt es beispielsweise um ein Zeitfenster, innerhalb dessen die Knoten C und E nur auf die Signale von sendenden Einheiten horchen und bei passender Kennung eine Integration des neuen Teilnehmers 4 vornehmen, d.h. ihm die passenden Integrationsdaten übermitteln. Dabei werden insbesondere die anderen Knoten 2, d.h. die nicht ausgewählten und somit auch nicht benachbarten Knoten 2 {hier: A, B und D) nicht in den Integrationsmodus versetzt. Somit sind diese Knoten A, B und D nicht in der Lage, einen neuen Teilnehmer 4 aufzunehmen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind somit die folgenden: Die Integration wird nur von den Knoten 2 vorgenommen, welche sich in der Nachbarschaft zum neuen Teilnehmer 4 befinden. Dadurch ist es möglich, die Energieanforderungen für die Funkkommunikation zu reduzieren. Weiterhin wird die Integration nur dann vorgenommen, wenn sie wirklich durch die Anwesenheit eines neuen Teilnehmers 4 stattfinden sollte, und sie wird überdies nur von einer sehr beschränkten Anzahl an Knoten 2 durchgeführt. Somit ist es im Allgemeinen nicht notwendig, für eine mögliche Integration Freiräume oder Freizeiten offen zu halten.
Der Netzwerkmanager 3 muss wiederum für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere derartig ausgestaltet sein, dass er über eine Datenbank bezüglich der Lokalität der einzelnen Knoten 2 verfügt, dass er überdies anhand der vorhandenen Daten auf die Entfernung bzw. auf die Eigenschaft der Nachbarschaft schließen kann, dass es möglich ist, neue Positionsdaten in ihn einzubringen und dass er überdies in der Lage ist, gezielt einzelne Knoten anzusprechen und in den Integrationsmodus zu versetzen. Die Daten über den neuen Teilnehmer 4 werden beispielsweise dem Netzwerkmanager 3 direkt über eine Leitwarte bzw. über eine manuelle Eingabe übermittelt. In einer weiteren Ausgestaltung verfügt der Netzwerkmanager 3 über die geographischen Daten der in der Anlage bzw. in dem Netzwerk 1 vorhandenen und installierten Komponenten, so dass der neue Teilnehmer 4 über die Assoziierung mit der installierten Komponente leicht lokalisiert werden kann. Ist also beispielsweise bekannt, an welchem Tank ein neues Feldgerät als neuer Teilnehmer 4 angebracht werden muss, so kann aus dem Wissen über die Position des Tanks die Berechnung der Nachbarschaft erfolgen. In einer weiteren Ausgestaltung verfügt die Fachperson, welche den neuen Teilnehmer 4 in die Anlage einbringt, über ein passendes Feldgerät zur Bestimmung seiner Position, z.B. über GPS, und zur Übermittlung der zugehörigen Daten an den Netzwerkmanager 3.
Bezugszeichenliste
Netzwerk
Knoten
Netzwerkmanager
Neuer Teilnehmer
Ethernet

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Integration eines neuen Teilnehmers (4) in ein drahtloses Kommunikations-Netzwerk (1 ) der Prozessautomatisierungstechnik, wobei das Netzwerk (1 ) mindestens einen Knoten (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Knoten (2) mindestens anhand eines vorgebbaren Kriteriums ausgewählt wird, und dass der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) in einen Integrationsmodus gesetzt wird, welcher die Integration des neuen Teilnehmers (4) in das Netzwerk (1 ) ermöglicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Knoten (2) mindestens anhand hinterlegter Daten über die Position des Knotens (2) ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Knoten (2) danach ausgewählt wird, dass sein geographischer und/oder funktechnischer Abstand zu dem neuen Teilnehmer (4) kleiner ist als die Abstände der anderen Knoten (2) des Netzwerks (1 ) zu dem neuen Teilnehmer (4).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Knoten (2) danach ausgewählt werden, dass ihre geographischen und/oder funktechnischen Abstände zu dem neuen Teilnehmer (4) kleiner sind als die Abstände der anderen Knoten (2) des Netzwerks (1 ) zu dem neuen Teilnehmer (4).
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) nur für einen vorgebbaren Zeitraum in den integrationsmodus versetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der integrationsmodus zurückgenommen wird, sobald der neue Teilnehmer (4) in das Netzwerk (1 ) integriert worden ist.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Integrationsmodus der mindestens eine ausgewählte Knoten (2) für einen vorgebbaren Zeitraum in der Lage ist, Signale des neuen Teilnehmers (4) zu empfangen.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Information über die Position des neuen Teilnehmers (4) übermittelt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem drahtlosen Kommunikations-Netzwerk (1 ) um ein selbstorganisierendes Funknetzwerk handelt.
PCT/EP2008/067482 2008-01-09 2008-12-15 Verfahren zur integration eines teilnehmers in ein drahtloses kommunikations-netzwerk der prozessautomatisierung Ceased WO2009087016A2 (de)

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