專利名稱：運(yùn)用于過程控制網(wǎng)絡(luò)中的維護(hù)接口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過程控制網(wǎng)絡(luò)，特別是運(yùn)用于具有分布式控制功能的過程控制網(wǎng)絡(luò)中的維護(hù)接口裝置。
相關(guān)技術(shù)的說明象化學(xué)，石油，以及其它制造和提煉過程一樣的大型過程包括安置在不同位置的許多現(xiàn)場裝置來測量和控制過程參數(shù)從而影響過程的控制。這些現(xiàn)場裝置例如是溫度傳感器，壓力傳感器，流速傳感器以及閥門和開關(guān)等控制部件。過去，過程控制工業(yè)采用人工操作例如靠人來讀出水位計(jì)和壓力計(jì)，閥門旋轉(zhuǎn)等來操作過程中的測量和控制現(xiàn)場裝置。從20世紀(jì)開始，過程控制工業(yè)開始采用局部空氣控制，其中，局部空氣控制器，發(fā)送器和閥門定位器安置在過程工廠的不同地方來影響特定工廠位置的控制。隨著70年代基于微處理器的分布式控制系統(tǒng)(DCS)的出現(xiàn)，分布式電子過程控制在過程控制工業(yè)中流行起來。
眾所周知，DCS包括一個模擬或數(shù)字計(jì)算機(jī)，例如可編程邏輯控制器，連接到很多電子監(jiān)測和控制裝置，象電子傳感器，發(fā)送器，電流-壓力換能器和閥門定位器等安裝在整個過程中。DCS計(jì)算機(jī)頻繁地儲存和執(zhí)行集中和復(fù)雜的控制計(jì)劃來影響過程中的裝置的測量和控制進(jìn)而根據(jù)全局的控制計(jì)劃控制過程參數(shù)。通常，由DCS執(zhí)行的控制計(jì)劃所有權(quán)屬于DCS控制器制造商，而DCS控制器制造商使DCS的擴(kuò)展，升級，重新編程和服務(wù)變得困難和昂貴，因?yàn)镈CS供應(yīng)商必須卷入到用一個完整的方法來完成這些行動。另外，由于DCS控制器的所有權(quán)屬性和DCS控制器供應(yīng)商不支持由其它賣主制造的裝置或裝置功能的事實(shí)，被采用或連接到特殊DCS的設(shè)備會受到限制。
為了克服對所有權(quán)DCSs的應(yīng)用內(nèi)在的問題，過程控制工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了許多標(biāo)準(zhǔn)，開放的通信協(xié)議例如包括HART,PROFIBUS,WORLDFIP,Device-Net和CAN協(xié)議。這些協(xié)議使由不同制造商生產(chǎn)的現(xiàn)場裝置能在同一過程控制網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合使用。事實(shí)上，即使現(xiàn)場裝置是由不同的制造商生產(chǎn)的而非DCS制造商生產(chǎn)的，任何與這些協(xié)議中的一個相一致的現(xiàn)場裝置都能在過程中被用來與DCS控制器或其它支持協(xié)議的控制器通信及被它們所控制。
再得，現(xiàn)在在過程控制工業(yè)中有一種將過程控制非中央化的行動，極大地簡化DCS控制器或消除對DCS控制器的需求。非中央化控制由安裝在現(xiàn)場的過程控制裝置諸如閥門定位器，發(fā)送器等來實(shí)現(xiàn)一個或多個過程控制功能，接著使數(shù)據(jù)通過總線結(jié)構(gòu)由實(shí)現(xiàn)其它控制功能的其它過程控制裝置利用。執(zhí)行這些控制功能，每個過程控制裝置包括具有實(shí)現(xiàn)控制功能以及與用標(biāo)準(zhǔn)和開放通信協(xié)議的其它過程控制裝置進(jìn)行通信能力的微處理器。在這種方式下，由不同的制造商生產(chǎn)的現(xiàn)場裝置可以在過程控制網(wǎng)絡(luò)中相互連接，相互通信，在不需要DCS控制器干涉的情況下，實(shí)現(xiàn)組成控制環(huán)路的一個或多個過程控制功能。現(xiàn)在FieldbusFoundation正在發(fā)表全數(shù)字，雙線總線協(xié)議，被稱為FOUNDATIONTMFieldbus(以下稱為“Fieldbus”)協(xié)議，該協(xié)議是一個開放的通信協(xié)議，它使不同的制造商生產(chǎn)的裝置在過程中通過標(biāo)準(zhǔn)總線交互操作和通信來影響非中央化控制。
然而，技術(shù)進(jìn)展導(dǎo)致了更為先進(jìn)的解決方案。例如，模擬通信協(xié)議向數(shù)字通信協(xié)議轉(zhuǎn)變已成為一種潮流。伴隨著優(yōu)點(diǎn)，問題也就出現(xiàn)了。例如，在采用模擬通信的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中，只需簡單的測試工具如便宜的數(shù)字伏特表或萬用表測量被測電路的導(dǎo)通性能從而完成基本的排錯和分析功能。隨著通信系統(tǒng)向數(shù)字通信演變，只能用昂貴的并且苯重的測試工具如邏楫分析儀和通信系統(tǒng)來分析數(shù)字裝置和通信線路的功能，因?yàn)橛脗鹘y(tǒng)的伏特表和萬用表測量數(shù)字裝置和通信線路的導(dǎo)通性能可能非常有用然而表示裝置出錯的數(shù)字信號還是不能檢測到。
在苛刻的環(huán)境中，例如，油氣管，核能發(fā)生站或工廠，利用控制閥或其它裝置通常很困難。找出插座通常也是非常麻煩的。因此，希望用一種簡單的工具或技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對連接在采用數(shù)字通信協(xié)議的過程控制系統(tǒng)內(nèi)的周邊現(xiàn)場裝置的功能進(jìn)行基本分析。
發(fā)明概述本發(fā)明是指用于數(shù)字，環(huán)路供電過程控制網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)接口裝置。它包括，到現(xiàn)場裝置的雙線輸入-輸出口或到雙線通信媒介的接口，確定現(xiàn)場裝置或通信環(huán)路的簡單狀態(tài)的控制邏輯，顯示該狀態(tài)的顯示器。維護(hù)接口裝置可用于故障分析來檢測現(xiàn)場裝置是否在工作。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在數(shù)字，環(huán)路供電過程控制網(wǎng)絡(luò)中采用維護(hù)接口裝置來確定裝置或通信媒介是否在操作，裝置或通信媒介是否接通電源，裝置或通信媒介是否產(chǎn)生或攜帶有效數(shù)字信號。維護(hù)接口裝置適合于實(shí)現(xiàn)在包括環(huán)路控制器，數(shù)字控制系統(tǒng)，操作臺，操作站，個人計(jì)算機(jī)和檢測總線上裝置功能的橋路的過程控制網(wǎng)絡(luò)上的多個裝置的簡單功能測試。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在數(shù)字，環(huán)路供電過程控制網(wǎng)絡(luò)中采用的維護(hù)接口裝置是可以選擇用自供電的方式(典型的是用電池)，由在服務(wù)的裝置供電或由雙線，環(huán)路供電媒介供電。
所述的維護(hù)接口裝置和操作方法實(shí)現(xiàn)了很多優(yōu)點(diǎn)。例如，維護(hù)接口裝置可攜帶，可由雙線媒介，在測試的裝置或電池供電使維護(hù)接口裝置適用于電力無效的不友好或不方便的環(huán)境中。
附圖簡述

圖1是采用Fieldbus協(xié)議的過程控制網(wǎng)絡(luò)的一個例子的方框示意圖。
圖2是擁有功能塊的Fieldbus裝置的方框示意圖。
圖3是圖1的過程控制網(wǎng)絡(luò)的一些裝置內(nèi)的功能塊的方框示意圖。
圖4是圖1的過程控制網(wǎng)絡(luò)的一個過程控制環(huán)路的控制環(huán)路示意圖。
圖5是圖1的過程控制網(wǎng)絡(luò)的總線的一個段的宏周期的時序示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明描述在過程控制網(wǎng)絡(luò)中的維護(hù)接口裝置的方框示意圖。
圖7是描述包括由圖6所描述的維護(hù)接口裝置所測試的功能部件和裝置的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的方框示意圖。
圖8是描述在本發(fā)明的維護(hù)接口裝置的一個實(shí)施例中運(yùn)行的狀態(tài)和故障分析程序的操作的流程圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的維護(hù)接口裝置的一個實(shí)施例中運(yùn)行的狀態(tài)和故障分析程序所分析的數(shù)字通信信號的一個例子的圖示描述。
較佳實(shí)施例描述當(dāng)本發(fā)明的維護(hù)接口裝置與采用一系列Fieldbus裝置的用非中央化和分散的方法執(zhí)行過程控制功能的過程控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來詳細(xì)描述時，必需指出本發(fā)明的維護(hù)接口裝置可以與采用其它類型的現(xiàn)場裝置和包括依靠除支持模擬和數(shù)字通信的雙線總線和協(xié)議的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制功能的過程控制網(wǎng)絡(luò)一起使用。因此，例如，本發(fā)明的遠(yuǎn)端維護(hù)接口裝置可用于實(shí)現(xiàn)分散控制功能的任何過程控制網(wǎng)絡(luò)，即使過程控制網(wǎng)絡(luò)采用HART,PROFIBUS等通信協(xié)議或現(xiàn)已存在或?qū)硪_發(fā)的任何其它通信協(xié)議。同樣，如果希望的話，本發(fā)明的維護(hù)接口裝置可以用于沒有分散控制功能，而是采用中央控制器或控制方案來控制所述裝置的過程控制網(wǎng)絡(luò)中。
在詳細(xì)討論本發(fā)明的維護(hù)接口裝置之前，總體描述Fieldbus協(xié)議，根據(jù)這協(xié)議設(shè)計(jì)的現(xiàn)場裝置和采用Fieldbus協(xié)議的過程控制網(wǎng)絡(luò)中的通信方法。然而，必須認(rèn)識到當(dāng)Fieldbus協(xié)議在過程控制網(wǎng)絡(luò)中是開發(fā)采用的相對新的全數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時，在這一領(lǐng)域中的此協(xié)議是眾所周知的，并被詳細(xì)地描述在總部設(shè)在德克薩斯州Austin的非贏利組織Fieldbus Foundation等所出版，分發(fā)的有效的文章，冊子和說明書上。特別是，F(xiàn)ieldbus協(xié)議，用Fieldbus協(xié)議在裝置中通信和存儲數(shù)據(jù)的方法在Fieldbus Foundation的名為“通信技術(shù)規(guī)格書和用戶層技術(shù)規(guī)格書”的冊子中有詳細(xì)描述，在這里作為完整的參考。
Fieldbus協(xié)議是一個全數(shù)字，串行的，雙向的通信協(xié)議。它為雙線環(huán)路或例如傳感器，調(diào)節(jié)器，控制器，閥門等安置在例如工廠或車間的儀器或過程控制環(huán)境的總線相連的現(xiàn)場設(shè)備提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的物理接口。Fieldbus協(xié)議，在過程中為現(xiàn)場設(shè)備(現(xiàn)場裝置)提供有效的局域網(wǎng)，在這些控制功能執(zhí)行整個控制策略進(jìn)行的前后，在分布于過程設(shè)施的不同位置使這些現(xiàn)場裝置實(shí)現(xiàn)控制功能并相互通信。因?yàn)樵谝粋€過程控制網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)ieldbus協(xié)議使控制功能分散，它降低了或完全除去了與DCS相連的典型的中央過程控制器的工作負(fù)載和必要性。
參考圖1，使用Fieldbus協(xié)議的過程控制網(wǎng)絡(luò)10可包括經(jīng)由雙線Fieldbus回路或總線34連到諸如程序邏輯控制器(PLC)13、許多控制器14、另一個主機(jī)裝置15和一組現(xiàn)場裝置16、18、20、22、24、26、28、30和32等許多其它裝置的主機(jī)12。總線34包括由橋接裝置30和32分開的不同部分或段34a、34b和34c。每個部分34a、34b和34c互連接在總線34上的裝置的子集，使得在這些裝置子集按以下所述的方式進(jìn)行通信。當(dāng)然，圖1的網(wǎng)絡(luò)只是示意性的，還有可以使用Fieldbus協(xié)議來構(gòu)成過程控制網(wǎng)絡(luò)的許多其它方法。一般，配置器位于諸如主機(jī)12等一個裝置中，且負(fù)責(zé)設(shè)置或配置每個裝置(這些裝置是“智能型”裝置，因?yàn)樗鼈冎械拿恳粋€都包括能進(jìn)行通信和控制功能(在某些情況下)的微處理器)，以及識別什么時候把新的現(xiàn)場裝置連到總線34、什么時候把現(xiàn)場裝置從總線34上除去，接收現(xiàn)場裝置16-32產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并與一個或多個用戶終端相接，這些用戶終端位于主機(jī)12或以任何方式連到主機(jī)12的任何其它裝置中。
總線34支持或允許雙向的純數(shù)字通信，且還可給諸如現(xiàn)場裝置16-32等與其相連的任何或所有裝置提供功率信號?；蛘撸b置12-32中的任何或所有裝置可具有它們自己的電源，或者可以經(jīng)由獨(dú)立的導(dǎo)線(未示出)連到外部電源。雖然在圖1中示出裝置12-32以標(biāo)準(zhǔn)總線型連接連到總線34，其中多個裝置連到構(gòu)成總線段34a、34b和34c的同一對導(dǎo)線，但Fieldbus協(xié)議還允許其它的裝置/導(dǎo)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括每個裝置經(jīng)由獨(dú)立的雙線對連到控制器或主機(jī)(類似于典型的4-20mA模擬DCS系統(tǒng))的點(diǎn)到點(diǎn)連接、每個裝置連到雙線總線(可以是例如過程控制網(wǎng)絡(luò)的一個現(xiàn)場裝置中的連接盒或端接區(qū))中的公共點(diǎn)的樹型或“星型”連接。
依據(jù)Fieldbus協(xié)議，可以相同或不同的通信波特速率或速度在不同的總線段34a、34b和34c上發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，F(xiàn)ieldbus協(xié)議提供了所示被圖1中的總線段34b和34c所使用的31.25Kbit/s的通信速率(H1)，以及1.0Mbit/s和/或2.5Mbit/s(H2)通信速率，這兩個速率通常用于高級過程控制、遠(yuǎn)程輸入/輸出和高速工廠自動設(shè)備且示出被圖1的總線段34a所使用。同樣，依據(jù)Fieldbus協(xié)議，可使用電壓模式信令或電流模式信令在總線端34a、34b和34c上發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)然，總線34每一段的最大長度沒有嚴(yán)格的限制，而是由該段的通信速率、電纜類型、線的尺寸、總線功率選項(xiàng)等來確定。
Fieldbus協(xié)議把可連到總線34的裝置分成基本的三類，即基本裝置、鏈路主控(link master)裝置和橋接裝置?；狙b置(諸如圖1的裝置18、20、24和28)可進(jìn)行通信，即來往于總線34發(fā)送和接收通信信號，但它們不能控制總線34上所發(fā)生的通信的順序或定時。鏈路主控裝置(諸如圖1中的裝置16、22和26以及主機(jī)12)是在總線34上進(jìn)行通信的裝置，它們能控制總線34上通信信號的流量和定時。橋接裝置(諸如圖1中的裝置30和32)是在Fieldbus總線的各段或分支上進(jìn)行通信并把它們互連來產(chǎn)生較大的過程控制網(wǎng)絡(luò)的裝置。如果需要，橋接裝置可在總線34的不同段上所使用的不同數(shù)據(jù)速度和/或不同數(shù)據(jù)信令格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可放大在總線34的段之間傳播的信號，可對在總線34的不同段之間流動的信號進(jìn)行濾波且只讓指定將由橋路耦合到的總線段上的裝置接收的那些信號通過，和/或可采取鏈接總線34的不同段所需的其它動作。連接以不同速度操作的總線段的橋接裝置在橋路的較低速度段一側(cè)必須具有鏈路主控容量。主機(jī)12和15、PLC13和控制器14可以是任何類型的fieldbus裝置，但它們通常是鏈路主控裝置。
裝置12-32中的每一個都能在總線34上進(jìn)行通信，重要的是，它們能使用該裝置從過程獲取的或經(jīng)由總線34上的通信信號從不同裝置獲取的數(shù)據(jù)獨(dú)立地進(jìn)行一個或多個過程控制功能。因此，F(xiàn)ieldbus裝置能直接實(shí)行整個控制策略的一部分，這些部分在過去是由DCS的中央數(shù)字控制器來進(jìn)行的。為了進(jìn)行控制功能，每個Fieldbus裝置包括在該裝置內(nèi)的微處理器中實(shí)行的一個或多個標(biāo)準(zhǔn)化“塊”。尤其是，每個Fieldbus裝置包括一個資源塊、零個或多個功能塊以及零個或多個變換器(transducer)塊。這些塊叫做塊目標(biāo)。
資源塊存儲和傳送屬于Fieldbus裝置的某些特性的裝置特定數(shù)據(jù)，例如包括裝置類型、裝置修改指示和是否可在裝置的存儲器內(nèi)獲得其它裝置特定信息的指示。雖然不同的裝置制造商可在現(xiàn)場裝置的資源塊中存儲不同類型的數(shù)據(jù)，但符合Fieldbus協(xié)議的每個現(xiàn)場裝置包括存儲某些數(shù)據(jù)的資源塊。
功能塊定義和實(shí)行與現(xiàn)場裝置相關(guān)的輸入功能、輸出功能或控制功能，于是，功能塊一般被叫做輸入、輸出和控制功能塊。然而，將來還存在或開發(fā)出諸如混合功能塊等其它類型的功能塊。每個輸入或輸出功能塊產(chǎn)生至少一個過程控制輸入(諸如來自過程測量裝置的過程變量)或過程控制輸出(諸如發(fā)送到制動裝置的閥位置)，同時每個控制功能塊使用算法(實(shí)際上可以是專用的)從一個或多個過程輸入和控制輸入中產(chǎn)生一個或多個過程輸出。標(biāo)準(zhǔn)功能塊的例子包括模擬輸入(AI)、模擬輸出(AO)、偏置(B)、控制選擇器(CS)、離散輸入(DI)、離散輸出(DO)、手動裝載機(jī)(ML)、比例/微分(PD)、比例/積分/微分(PID)、比率(RA)和信號選擇器(SS)功能塊。然而，存在其它類型的功能塊，也可定義或產(chǎn)生在Fieldbus環(huán)境下操作的新功能塊。
換能器塊把一功能塊的輸入和輸出耦合到諸如傳感器和裝置制動器等本地(local)硬件裝置，以使這些功能塊可讀取本地傳感器的輸出并命令本地裝置進(jìn)行諸如移動閥門部件等一個或多個功能。換能器塊通常包含解釋由本地裝置所傳遞的信號以及對本地硬件裝置進(jìn)行適當(dāng)控制所需的信息，例如包括識別本地裝置類型的信息、與本地裝置有關(guān)的校準(zhǔn)信息等。單個換能器塊通常與每個輸入或輸出功能塊相連。
大多數(shù)功能塊能根據(jù)預(yù)定判據(jù)來產(chǎn)生警告或事件指示并能以不同的模式進(jìn)行不同的操作。總的來說，功能塊可以其中例如功能塊的算法自動操作的自動模式進(jìn)行操作；功能塊可以其中手動地控制例如功能塊的輸入或輸出的操作者模式進(jìn)行操作；功能塊可以其中塊不操作的退出服務(wù)模式進(jìn)行操作；功能塊可以其中塊的操作受到不同塊的輸出的影響(確定)的級聯(lián)模式進(jìn)行操作；以及功能塊可以其中一遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)確定塊模式的一個或多個遠(yuǎn)程模式進(jìn)行操作。然而，在Fieldbus協(xié)議中存在其它操作模式。
重要的是，每個塊能使用由Fieldbus協(xié)議所定義的標(biāo)準(zhǔn)信息格式經(jīng)由Fieldbus總線34與同一或不同現(xiàn)場裝置中的其它塊進(jìn)行通信。結(jié)果，功能塊(位于同一或不同裝置中)的組合可相互通信，以產(chǎn)生一個或多個分散控制回路。于是，例如，一個現(xiàn)場裝置中的PID功能塊可經(jīng)由總線34連接到接收第二現(xiàn)場裝置中的AI功能塊的輸出，以及接收AO功能塊的輸出作為反饋以產(chǎn)生與任何DCS控制器分開的過程控制回路。這樣，功能塊的組合把控制功能移出中央DCS環(huán)境，這樣使得CDS多功能控制器可進(jìn)行監(jiān)督或協(xié)調(diào)功能或把它們一起排除。此外，功能塊為簡化過程配置提供了圖解的面向塊的結(jié)構(gòu)，并且因?yàn)檫@些塊使用一致的通信協(xié)議所以這些功能可分布于不同供應(yīng)商的現(xiàn)場裝置中。
除了包含和實(shí)行塊目標(biāo)以外，每個現(xiàn)場裝置還包括一個或多個其它的目標(biāo)，包括鏈接目標(biāo)、轉(zhuǎn)向目標(biāo)、警報(bào)目標(biāo)和觀察目標(biāo)。鏈接目標(biāo)定義了現(xiàn)場裝置內(nèi)部和跨Fieldbus總線34的塊(諸如功能塊)的輸入和輸出之間的鏈路。
轉(zhuǎn)向目標(biāo)使功能塊參數(shù)局部轉(zhuǎn)向，以被諸如圖1的主機(jī)12或控制器14等其它裝置所訪問。轉(zhuǎn)向目標(biāo)保留屬于某些例如功能塊參數(shù)的短時期歷史數(shù)據(jù)并以異步方式經(jīng)由總線34把該數(shù)據(jù)報(bào)告給其它裝置或功能塊。警報(bào)目標(biāo)在總線34上報(bào)告警告和事件。這些警告或事件可相應(yīng)于在一裝置或一裝置的一個塊內(nèi)所發(fā)生的任何事件。觀察目標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)入/機(jī)聯(lián)系中所使用的塊參數(shù)的預(yù)定分組，觀察目標(biāo)可被發(fā)送到其它裝置以便隨時觀察。
現(xiàn)在參考圖2，示出三個Fieldbus裝置，它們可以是例如圖1的現(xiàn)場裝置16-28中的任一個，它們包括資源塊48、功能塊50、51或52和換能器塊53和54。在第一裝置中，功能塊50(可以是輸入功能塊)通過換能器塊53耦合到傳感器55，傳感器55可以是例如溫度傳感器，設(shè)定點(diǎn)指示傳感器等。在第二裝置中，功能塊51(可以是輸出功能塊)通過換能器塊54耦合到諸如閥門56等輸出裝置。在第三裝置中，功能塊52(可以是控制功能塊)具有與其相連的轉(zhuǎn)向目標(biāo)57，用以使功能塊52的輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)向。
鏈接目標(biāo)58定義了每個有關(guān)塊的塊參數(shù)，警報(bào)目標(biāo)59為每個有關(guān)塊提供了警告或事件通知。觀察目標(biāo)60與每個功能塊50、51和52相連且包括或集中了與其相連的功能塊的數(shù)據(jù)清單。這些清單包含用于一組所定義的不同觀察中每一個觀察所需的信息。當(dāng)然，圖2的裝置只是示意性的，在任何現(xiàn)場裝置中可提供其它數(shù)目和類型的塊目標(biāo)、鏈接目標(biāo)、警報(bào)目標(biāo)、轉(zhuǎn)向目標(biāo)和觀察目標(biāo)。
現(xiàn)在參照圖3，處理控制網(wǎng)絡(luò)10的方框圖還示出與定位器/閥門(positioner/valve)16、發(fā)射機(jī)20和橋路30相關(guān)的功能塊，其中將裝置16、18和24示為定位器/閥門裝置而將裝置20、22、26和28示為發(fā)射機(jī)。如圖3所示，定位器/閥門16包括資源(RSC)塊61、傳感器(XDCR)塊62和大量功能塊，它包括模擬輸出(AO)功能塊63、兩個PID功能塊64和65以及信號選擇(SS)功能塊69。發(fā)射機(jī)20包括資源塊61、兩個傳感器塊62和兩個模擬輸入(AI)功能塊66和67。此外，橋路30包括資源塊61和PID功能塊68。
應(yīng)理解，圖3的不同功能塊可以在多個控制回路中一起操作(通過沿著總線34進(jìn)行通信)，而且由回路識別塊識別其中設(shè)有所示控制回路中定位器/閥門16、發(fā)射機(jī)20和橋路30的功能的控制回路，其中所述功能識別塊與這些功能塊中的某個功能塊相連(如圖3所示)。于是，如圖3所示，在標(biāo)為LOOP1的控制回路中，將定位器/閥門16的AO功能塊63和PID功能塊64以及發(fā)射機(jī)20的AI功能塊66相連，同時在標(biāo)為LOOP2的控制回路中將定位器/閥門16的SS功能塊69、發(fā)射機(jī)20的AI功能塊67以及橋路30的PID功能塊68相連。在標(biāo)為LOOP3的控制回路中，連接定位器/閥門16的其它PID功能塊65。
在如圖4所示的這個控制回路的示意圖中，詳細(xì)示出構(gòu)成標(biāo)為圖3中LOOP1的控制回路的相互連接的功能塊。從圖4可見，由在定位器/閥門16的AO功能塊63和PID功能塊64以及發(fā)射機(jī)20的AI功能塊66(圖3)之間的通信鏈路完全形成控制回路LOOP1。圖4的控制回路示出運(yùn)用附著這些功能塊的處理和控制輸入及輸出的線路，在這些功能塊之間的通信相互連接關(guān)系。于是，通過總線段34b，包括處理測量或處理參數(shù)信號的AI功能塊66的輸出與PID功能塊64的輸入通信聯(lián)絡(luò)地耦合，其中所述PID功能塊64具有包括與AO功能塊63的輸入通信聯(lián)絡(luò)耦合的控制信號的輸出。包括例如表示閥門16位置的反饋信號的AO功能塊63的輸出與PID功能塊64的控制輸入相連。PID功能塊64運(yùn)用這個反饋信號以及來自AI功能塊66的處理測量信號來自實(shí)現(xiàn)對AO功能塊63的適當(dāng)控制。當(dāng)然，可以在現(xiàn)場裝置內(nèi)執(zhí)行由圖4的控制回路圖中的線路表示的連接，當(dāng)帶有AO和PID功能塊63和64的情況下，功能塊在相同現(xiàn)場裝置(例如，定位器/閥門16)內(nèi)，或者通過雙線通信總線34，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的Fieldbus同步通信，可以實(shí)現(xiàn)這些連接。當(dāng)然，可由在其它結(jié)構(gòu)中用通信相互連接的其它功能塊來實(shí)現(xiàn)其它控制回路。
為了實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行通信和控制活動，F(xiàn)ieldbus協(xié)議運(yùn)用標(biāo)為物理層、通信“棧(stack)”和用戶層的大致三種技術(shù)。用戶層包括以在任一特定處理可控制裝置或現(xiàn)場裝置內(nèi)的塊(諸如功能塊)和目標(biāo)的形式提供的控制和組態(tài)功能。一般由裝置制造商以適當(dāng)?shù)姆椒▉碓O(shè)計(jì)用戶層，但是必須能夠根據(jù)由Fieldbus協(xié)議限定的標(biāo)準(zhǔn)消息格式來接收和傳輸消息，以及能夠由用戶以標(biāo)準(zhǔn)方法來配置。物理層和通信棧必須運(yùn)用雙線總線34以標(biāo)準(zhǔn)化方法來影響在不同現(xiàn)場裝置的不同塊之間的通信，而且可由已知的開放系統(tǒng)互連(OSI)分層通信模型來建立它們的模型。
與OSI層1相對應(yīng)的物理層嵌入在某個現(xiàn)場裝置和總線中，并進(jìn)行操作以將從Fieldbus傳輸媒體(雙線總線34)接收到的電磁信號轉(zhuǎn)換成能供現(xiàn)場裝置的通信棧運(yùn)用的消息。物理層可被認(rèn)為是總線34，而且在現(xiàn)場裝置的輸入端和輸出端，電磁信號出現(xiàn)在總線34上。
出現(xiàn)在每個Fieldbus裝置中的通信棧包括與OSI層2相對應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈路層、Fieldbus訪問子層和與OSI層6相對應(yīng)的Fieldbus信息規(guī)范層。在Fieldbus協(xié)議中沒有對于OSI層3-5的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。然而，F(xiàn)ieldbus裝置的應(yīng)用包括層7，同時用戶層是層8，這在OSI協(xié)議中沒有規(guī)定。在通信棧中的每個層負(fù)責(zé)編碼或解碼在Fieldbus總線34上傳輸?shù)囊徊糠窒⒒蛐盘?。結(jié)果，通信棧中的每一層都附加或去除某些Fieldbus信號，諸如報(bào)頭、起始定界符和結(jié)束定界符，以及在一些情況下，解碼Fieldbus信號的剝?nèi)?stipped)部分以識別應(yīng)把剩余信號或消息送到哪里去，或者例如由于信號包括了沒有用于在接收現(xiàn)場裝置中的功能塊的消息或數(shù)據(jù)，是否應(yīng)丟棄該信號。
數(shù)據(jù)鏈路層控制在總線34上傳輸消息并根據(jù)下面將要描述的被稱為鏈路現(xiàn)行調(diào)度器(link active scheduler)的確定的集中總線定標(biāo)器，管理對總線34的訪問。數(shù)據(jù)鏈路層在傳輸媒體上從信號中去除報(bào)頭，并可以運(yùn)用接收到的報(bào)頭來使現(xiàn)場裝置的內(nèi)部時鐘與進(jìn)入Fieldbus信號同步。同樣，數(shù)據(jù)鏈路層將在通信棧上的消息轉(zhuǎn)換成物理Fieldbus信號，而且用時鐘信息對這些信號進(jìn)行編碼以產(chǎn)生“同步序列”信號，它具有用于在雙線總線34上傳輸?shù)倪m當(dāng)報(bào)頭。在解碼處理過程中，數(shù)據(jù)鏈路層認(rèn)識在報(bào)頭內(nèi)的特定代碼，諸如，起始定界符和結(jié)束定界符，以識別特定Fieldbus消息的開始和結(jié)束，而且可以執(zhí)行檢驗(yàn)和來驗(yàn)證從總線34接收到的信號或消息的完整性。同樣，數(shù)據(jù)鏈路層通過將起始和結(jié)束定界符加到在通信棧上的消息并在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑦@些信號設(shè)置在傳輸媒體上，來在總線34上傳輸Fieldbus信號。
Fieldbus信息規(guī)范層運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)消息格式集來允許用戶層(即，現(xiàn)場裝置的功能塊。目標(biāo)等)通過總線34進(jìn)行通信，并描述建立要設(shè)置在通信棧上的消息并向用戶層提供所需的通信服務(wù)、消息格式和協(xié)議行為。由于Fieldbus信息規(guī)范層提供用于用戶層的標(biāo)準(zhǔn)化通信，所以對于上述每種目標(biāo)限定了專用Fieldbus信息規(guī)范通信業(yè)務(wù)。例如，F(xiàn)ieldbus信息規(guī)范層包括目標(biāo)目錄(dictionary)業(yè)務(wù)，它允許用戶讀取裝置的目標(biāo)目錄。目標(biāo)目錄存儲描述或識別裝置的每個目標(biāo)(諸如，功能塊)的目標(biāo)說明。Fieldbus信息規(guī)范層還提供上下文管理業(yè)務(wù)，它允許用戶讀取和改變與裝置的一個或多個目標(biāo)相關(guān)的被稱作為虛擬通信關(guān)系(VCR)(如下所述)的通信關(guān)系。另外，F(xiàn)ieldbus信息規(guī)范層提供各種訪問業(yè)務(wù)、事件業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)上載和數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)以及程序調(diào)用業(yè)務(wù)，在Fieldbus協(xié)議中所有這些都是已知的，因而這里不再詳細(xì)描述。Fieldbus訪問子層將Fieldbus信息規(guī)范層映射在數(shù)據(jù)鏈路層中。
為了允許或使得能夠操作這些層，每個Fieldbus裝置包括管理信息庫(MIB)，它是一個數(shù)據(jù)庫，用于存儲VCR、動態(tài)變量、統(tǒng)計(jì)學(xué)、鏈路現(xiàn)行調(diào)度器時間表(linkactive scheduler timing schedule)、功能塊執(zhí)行時間表和裝置標(biāo)記和地址信息。當(dāng)然，可在任何時刻，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)Fieldbus信息或命令來訪問或改變在MIB內(nèi)的信息。此外，一般每個裝置設(shè)有裝置說明以使用戶或主機(jī)對VFD中的信息有一擴(kuò)充了解。一般必須標(biāo)示有供主機(jī)使用的裝置說明以在裝置的VFD中存儲使主機(jī)能理解數(shù)據(jù)意義所需的信息。
應(yīng)理解，為了運(yùn)用在處理控制網(wǎng)絡(luò)中所述的功能塊來實(shí)現(xiàn)任何控制策略，相對于在特定控制回路中的其它功能塊的執(zhí)行，必須精確地安排功能塊的執(zhí)行時間表。同樣，必須精確地安排在總線34上執(zhí)行的在不同功能塊之間的通信，從而在該塊執(zhí)行之前，向每個功能塊提供適當(dāng)數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，參照圖1描述其中不同現(xiàn)場裝置(和在現(xiàn)場裝置中的不同塊)通過Fieldbus傳輸媒體進(jìn)行通信的方法。對于發(fā)生的通信，在總線34中的每段上的一個鏈路主控裝置(例如，裝置12、16和26)作為鏈路現(xiàn)行調(diào)度器(LAS)進(jìn)行操作，它現(xiàn)場調(diào)度和控制在總線34的相關(guān)段上的通信。用于總線34的每段的LAS存儲和更新通信時間表(鏈路現(xiàn)行時間表)，它包括調(diào)度每個裝置的每個功能塊以起始在總線34上的周期性通信活動的時間，以及發(fā)生這種通信活動的時間長度。雖然在總線34的每段上有一個并且只有一個現(xiàn)行LAS裝置，但是其它鏈路主控裝置(諸如，在段34b上的裝置22)可以用作備份LAS，而且例如當(dāng)當(dāng)前LAS出故障時，它變成現(xiàn)行的。在任何時刻，基本裝置都沒有變成LAS的能力。
廣義而言，總線34上的通信活動被劃分為重復(fù)的宏循環(huán)，每個包含一個用于總線34任一特定段上每個激活功能塊的同步通信和用于總線34某一段上一個或多個激活功能塊或設(shè)備的一個或多個異步通信。即使設(shè)備物理通過總線34上橋路和LASs的協(xié)同操作連接總線34不同的段，設(shè)備也可以是激活的，即發(fā)送數(shù)據(jù)并接收來自總線34任一段上的數(shù)據(jù)。
在每個宏循環(huán)內(nèi)，每個在總線34特定段上激活的功能塊通常在不同但是精確安排的時序(同步)上執(zhí)行，并且以另一精確安排的時序在總線34的該段上發(fā)布其輸出數(shù)據(jù)以響應(yīng)合適LAS生成的強(qiáng)迫數(shù)據(jù)命令。比較好的是，每個功能塊在功能塊執(zhí)行周期結(jié)束后不久發(fā)布其輸出數(shù)據(jù)。而且不同功能塊的數(shù)據(jù)發(fā)布時序都依次安排好從而在總線34特定段上沒有兩個功能塊在同一時刻發(fā)布數(shù)據(jù)。在未進(jìn)行同步通信期間，允許每個現(xiàn)場設(shè)備利用令牌驅(qū)動的通信，以異步模式發(fā)射報(bào)警數(shù)據(jù)。查看數(shù)據(jù)等。完成每個功能塊所需的執(zhí)行時間和時間長度存儲在駐留功能塊的設(shè)備的管理信息庫(MIB)內(nèi)，如上所述，向總線34某一段上每個設(shè)備發(fā)送強(qiáng)迫數(shù)據(jù)命令的時刻存儲在該段LAS設(shè)備的MIB內(nèi)。由于這些功能塊執(zhí)行或發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻標(biāo)明了相對“絕對鏈接安排開始時刻”(對于連接在總線34上的所有設(shè)備來說它都是已知的)起點(diǎn)的偏離，所以它們一般作為偏離時間存儲。
為了在每個宏循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信，LAS(例如總線段34b上的LAS 16)根據(jù)存儲在鏈接激活時間表內(nèi)的發(fā)送時刻列表向總線段34b上的每個設(shè)備發(fā)送強(qiáng)迫數(shù)據(jù)命令。在接收到強(qiáng)迫數(shù)據(jù)命令后，設(shè)備的功能塊在特定時間內(nèi)于總線34上發(fā)布它的輸出數(shù)據(jù)。由于每個功能塊一般是按照排定時刻執(zhí)行的，從而使得塊的執(zhí)行在塊安排接收強(qiáng)制數(shù)據(jù)命令之前進(jìn)行，所以響應(yīng)強(qiáng)迫數(shù)據(jù)命令而發(fā)布的數(shù)據(jù)應(yīng)該是功能塊最近的輸出數(shù)據(jù)。但是如果功能塊執(zhí)行緩慢并且在接收到強(qiáng)迫數(shù)據(jù)使未鎖存新的輸出，則功能塊發(fā)布在其最后運(yùn)行期間生成的輸出數(shù)據(jù)并利用時間戳記指示發(fā)布的數(shù)據(jù)是舊數(shù)據(jù)。
在LAS向總線34特定段上每個功能塊發(fā)送強(qiáng)迫數(shù)據(jù)命令之后并在功能塊執(zhí)行期間，LAS可以進(jìn)行異步通信活動。為了實(shí)現(xiàn)異步通信，LAS向特定的現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送通過令牌信息。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備接收到通過令牌信息時，現(xiàn)場設(shè)備對總線34(或者它的一段)具有完全訪問能力并且可以發(fā)送異步信息(例如報(bào)警信息、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)、操作者設(shè)定點(diǎn)變化等)直到信息完成或者最大分配的“令牌保持時間”到期。隨后現(xiàn)場設(shè)備釋放總線34(或者其任一段)并且LAS向另一設(shè)備發(fā)送通過令牌信息。重復(fù)這樣的過程直到宏循環(huán)結(jié)束或者直到LAS被安排發(fā)送強(qiáng)制命令數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)同步通信。當(dāng)然，根據(jù)信息業(yè)務(wù)量和耦合至總線34任一特定段上的設(shè)備和塊的數(shù)量，并不是每個設(shè)備都可以在每個宏循環(huán)內(nèi)接收通過令牌信息的。
圖5示出時序圖，表示圖1中總線段34b上功能塊在總線段34b的每次宏循環(huán)期間執(zhí)行的時間和與總線段34b相關(guān)的每次宏循環(huán)期間出現(xiàn)同步通信的時間。在圖5的時序表中，水平軸表示時間，垂直軸表示與圖3中定位器/閥門16和發(fā)射機(jī)20的不同功能塊相關(guān)的活動。圖5中以下腳標(biāo)表示每個功能塊操作的控制回路。因此，AILOOP1指發(fā)射機(jī)20的AI功能塊，PIDLOOP1指定位器/閥門16的PID功能塊，等等。圖5中，以斜劃線的方框表示每個所示功能塊的塊執(zhí)行周期，而以垂直條表示每個預(yù)定的同步通信。
因此，根據(jù)圖5的時序表，在(圖1)總線段34b的任何特定宏循環(huán)期間，AILOOP1功能塊首先在方框70指定的時間周期中執(zhí)行。然后，在垂直條72表示的時間周期中執(zhí)行，響應(yīng)于總線段34bLAS的強(qiáng)迫數(shù)據(jù)命令在總線段34b上公布AILOOP1功能塊的輸出。同樣，方框74、76、78、80和81分別表示功能塊PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3的執(zhí)行時間(對于每一個不同的功能塊，時間是不同的)，而垂直條82、84、86、88和89分別表示PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3功能塊在總線段34b上公布數(shù)據(jù)的時間。
顯然，圖5的時序圖還示出可供進(jìn)行異步通信活動的時間，它們可以出現(xiàn)在任何功能塊的執(zhí)行時間中以及宏循環(huán)結(jié)束時沒有功能塊在執(zhí)行和在總線段34b上不發(fā)生同步通信的時間中。當(dāng)然，如果需要的話，可以有意識地安排不同的功能塊在相同時間上執(zhí)行，例如，如果沒有其它裝置訂購功能塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，不必讓所有的功能塊在總線上公布數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場裝置(field device)利用各裝置棧的Fieldbus存取子層中所定義的三種虛擬通信關(guān)系(VCR)中的一種關(guān)系能夠在總線34上公布或發(fā)送數(shù)據(jù)和消息。對于在總線34上裝置之間排隊(duì)、非預(yù)定、用戶始發(fā)、一對一的通信，可采用客戶/服務(wù)器VCR。根據(jù)這種排隊(duì)消息的優(yōu)先級，按照提交進(jìn)行發(fā)送的次序?qū)λ鼈冞M(jìn)行發(fā)送和接收，而不改寫以前的消息。因此，當(dāng)現(xiàn)場裝置從LAS接收一條通過令牌消息，將請求消息在總線34上發(fā)送到另一個裝置時，它可以采用客戶/服務(wù)器VCR。將請求者稱為“客戶”，將接收請求的裝置稱為“服務(wù)器”。當(dāng)服務(wù)器從LAS接收通過令牌消息時它發(fā)出一個應(yīng)答。例如，采用客戶/服務(wù)器VCR來實(shí)現(xiàn)操作者始發(fā)請求，例如設(shè)定點(diǎn)變化、調(diào)整參數(shù)存取和變化、報(bào)警確認(rèn)和裝置上載和下載。
對于排隊(duì)、非預(yù)定、用戶始發(fā)、一對多的通信，可以采用報(bào)告分布VCR。例如，當(dāng)具有事件或轉(zhuǎn)向報(bào)告的現(xiàn)場裝置從LAS接收通過令牌時，該現(xiàn)場裝置將其消息發(fā)送到該裝置通信棧的Fieldbus存取子層中所定義的“組地址”。為在該VCR上收聽而配置的裝置將接收該報(bào)告。Fieldbus裝置通常采用報(bào)告分布VCR類型來將報(bào)警通知傳送給操作者控制臺。
對于緩沖、一對多通信，采用出版者/訂購者VCR類型。緩沖通信是僅存儲和傳送最新版本數(shù)據(jù)的通信，因此新的數(shù)據(jù)完全改寫以前的數(shù)據(jù)。功能塊的輸出例如包括緩沖數(shù)據(jù)。當(dāng)出版者裝置從LAS或從訂購者裝置接收強(qiáng)迫數(shù)據(jù)消息時，“出版者”現(xiàn)場裝置利用出版者/訂購者VCR類型將消息發(fā)布或播放給總線34上所有的“訂購者”現(xiàn)場裝置。預(yù)先確定出版者/訂購者關(guān)系并將其限定和存儲在各現(xiàn)場裝置通信棧的Fieldbus存取子層中。
為了保證總線34上的適當(dāng)?shù)耐ㄐ呕顒?，各LAS周期性地將時間分布消息傳送到與總線段34連接的所有現(xiàn)場裝置，使得接收裝置將它們的局部應(yīng)用時間調(diào)節(jié)為相互同步。在這些同步消息之間，根據(jù)每個裝置自身的內(nèi)部時鐘，獨(dú)立地維持每個裝置中的時鐘時間。時鐘同步允許現(xiàn)場裝置對整個Fieldbus網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)加時間印記，表示例如數(shù)據(jù)是何時產(chǎn)生的。
此外，每個總線段上的各LAS(和其它鏈路主控裝置)存儲“運(yùn)轉(zhuǎn)清單(livelist)”，這是一張列有與該總線段34連接的所有裝置，即對通過令牌消息作出適當(dāng)響應(yīng)的所有裝置的清單。LAS通過周期性地將探查節(jié)點(diǎn)消息傳送到不在運(yùn)轉(zhuǎn)清單上的地址，對增加到總線段上的新裝置進(jìn)行連續(xù)識別。事實(shí)上，在每個LAS完成將通過令牌消息傳送到運(yùn)轉(zhuǎn)清單中所有現(xiàn)場裝置的循環(huán)后，需要它對至少一個地址進(jìn)行探查。如果有一個現(xiàn)場裝置出現(xiàn)在被探查的地址上并接收探查節(jié)點(diǎn)消息，那么該裝置立即返回一個探查應(yīng)答消息。在接收探查應(yīng)答消息時，LAS將該裝置增加到運(yùn)轉(zhuǎn)清單中并通過將節(jié)點(diǎn)激活消息傳送到被探查的現(xiàn)場裝置而確認(rèn)。只要現(xiàn)場裝置對通過令牌消息作出適當(dāng)應(yīng)答該現(xiàn)場裝置便維持在運(yùn)轉(zhuǎn)清單上。然而，如果在經(jīng)過三次成功嘗試后現(xiàn)場裝置既沒有采用該令牌又沒有立即將該令牌返回給LAS，那么該LAS將現(xiàn)場裝置從運(yùn)轉(zhuǎn)清單中排除。當(dāng)現(xiàn)場裝置被增加到運(yùn)轉(zhuǎn)清單中或者從運(yùn)轉(zhuǎn)清單中排除時，LAS將運(yùn)轉(zhuǎn)清單中的變化廣播給總線34特定一段上的所有其它鏈路主控裝置，允許每個鏈路主控裝置維持當(dāng)前復(fù)制的運(yùn)轉(zhuǎn)清單。
如上所述，在現(xiàn)場裝置和其中的功能塊之間的通信互連由用戶所決定并在過程控制網(wǎng)絡(luò)10中執(zhí)行，過程控制網(wǎng)絡(luò)10采用安裝在例如主機(jī)12的結(jié)構(gòu)應(yīng)用軟件。然而，在設(shè)置后，不需要考慮裝置或過程診斷，過程控制網(wǎng)絡(luò)10工作并因此與主機(jī)12接口來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的I/O功能，但不是診斷功能。
參考圖6，圖中的方塊示意圖描述了維護(hù)接口裝置100，維護(hù)接口裝置100被用在任何過程控制系統(tǒng)，例如，執(zhí)行一個SP-50通信協(xié)議，例如一個Fieldbus或Profibus協(xié)議或被用在任何其它的數(shù)字的，雙線的，或環(huán)路供電通信系統(tǒng)。維護(hù)接口裝置100有一個雙線終端塊102，它連接到一個通信環(huán)路如一個Fieldbus系統(tǒng)的雙線媒體，或連接到一個測試中裝置的通信連接終端。當(dāng)然，維護(hù)接口裝置可以被連接到和與使用維護(hù)接口所指定的通信協(xié)議的裝置的任何類型一起使用。包括，例如任何傳送器，閥門，閥門定位器，傳感器，攀墻板等。
維護(hù)接口裝置100包括一個微處理器104，一個通信接口106，一個媒體訪問單元108，多個存儲裝置如一個隨機(jī)訪問存儲器(RAM)110，一個只讀存儲器(ROM)112和一個非易失性隨機(jī)存取存儲器(NVRAM)114，一個信號處理裝置如一個模擬一數(shù)字變換器116，一個供電單元120和一個多位LED顯示器122。接口106是一個實(shí)現(xiàn)串一并協(xié)議轉(zhuǎn)換和并一串協(xié)議轉(zhuǎn)換的電路，被用來根據(jù)任何想要的協(xié)議定義如Fieldbus協(xié)議將幀信息加到數(shù)據(jù)包。媒體訪問單元108是用來在總線34上例如將雙線媒體通信信號轉(zhuǎn)換到通信信號的數(shù)字表示。媒體訪問單元108還包括電源耦合器將從總線34或(如果電源難以從這些來源獲得)從電池120上接受的電源供給維護(hù)接口裝置100中的其他電路。媒體訪問單元108還執(zhí)行雙線媒體上的波形和信令，接口106在媒體訪問單元108與微處理器104之間組成一個接口。
存儲裝置110,112和114提供存儲器到維護(hù)接口裝置110，與微處理器104直接接口。在所描述的實(shí)施例中，RAM110可以是一個128K字節(jié)的存儲單元，ROM112可以是一個256K字節(jié)的存儲單元和NVRAM114可以是一個32K字節(jié)的非易失性存儲單元。如圖6所描述的，A/D轉(zhuǎn)換器116被連接到雙線終端塊102來接受從雙線媒體或被測裝置上來的數(shù)字信號。
維護(hù)接口裝置100根據(jù)存儲在存儲裝置110,112，或114中一個或多個程序代碼執(zhí)行微處理器104中的指令來實(shí)現(xiàn)一個功能性裝置的功能性測試，并采用LED顯示器122來顯示功能性測試的結(jié)果。LED顯示器122或者包括多個單獨(dú)LED燈或者用一個或多個多色LED燈來顯示一個功能性裝置的一個狀態(tài)條件。在一些實(shí)施例中，LED顯示器122包括一種燈或燈顏色來顯示(1)到一個裝置的電力是否有效，(2)是否有短路情況發(fā)生，(3)是否有開路情況發(fā)生，(4)數(shù)字通信信號是否正在發(fā)生，(5)響應(yīng)于由維護(hù)接口裝置100所發(fā)送的信號，數(shù)字通信信號是否正在發(fā)生，(6)維護(hù)接口裝置100所接收的數(shù)字通信信號是否具有合適的質(zhì)量。
現(xiàn)在參考圖7，該方塊示意圖描述了一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200，包括由維護(hù)接口裝置100測試的裝置和功能性部件。所描述的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200包括一臺計(jì)算機(jī)202，如一臺個人計(jì)算機(jī)或一臺操作站，通過控制器206被連接到一個網(wǎng)絡(luò)總線204諸如一個數(shù)字控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200通過在節(jié)點(diǎn)210的網(wǎng)絡(luò)總線204的一個連接與一個外部網(wǎng)絡(luò)208進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200包括多個現(xiàn)場裝置216，它們直接與網(wǎng)絡(luò)總線204連接或在橋218上連接到網(wǎng)絡(luò)總線204?，F(xiàn)場裝置216每個通過橋218被連接到網(wǎng)絡(luò)總線204，并采用一局部總線220A,220B或220C連接到橋218中的一個。每個橋118主要用于在一個Fieldbus網(wǎng)絡(luò)中從較高頻總線傳送數(shù)據(jù)到較低頻總線。
維護(hù)接口裝置100描述性地示出按二種連接方法的連接。第一種維護(hù)接口裝置(標(biāo)為230)被直接連接在不與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200相連但可以以任何想要的方式進(jìn)行連接的一個現(xiàn)場裝置232。第二種維護(hù)接口裝置(標(biāo)為240)被連接到局部總線220C中的一個，用來直接測試橋218和與總線220C相連的現(xiàn)場裝置216和用來直接測試控制器206和計(jì)算機(jī)202。維護(hù)接口裝置100可以在計(jì)算機(jī)202和控制器206之間通過直接連接到總線207對計(jì)算機(jī)202進(jìn)行交替測試。同樣，維護(hù)接口裝置100可以被連接到網(wǎng)絡(luò)總線204來直接測試控制器206。因此，維護(hù)接口裝置230和240(在結(jié)構(gòu)上與圖6的裝置100相同)可以被連結(jié)到不同位置的不同總線來測試多個不同裝置類型的電力和數(shù)字通信。
在一些實(shí)施例中，維護(hù)接口裝置230或240簡單地讀出由在總線204,207,220等上的不同功能性裝置產(chǎn)生的數(shù)字通信信號。在另一些實(shí)施例中，維護(hù)接口裝置100不僅監(jiān)視數(shù)字通信還產(chǎn)生數(shù)字通信來引起從總線204,207和220上的一個功能性裝置來的相應(yīng)。
例如，一個橋218可以被操作成一個鏈結(jié)主裝置(在一個Fieldbus系統(tǒng)中)和產(chǎn)生能被維護(hù)接口裝置100所分析的數(shù)字通信信號來確定橋218是否功能正確。然而，在一些操作條件下，橋218只是間斷性地產(chǎn)生數(shù)字通信信號。故障測試只是由產(chǎn)生數(shù)字通信信號的維護(hù)接口裝置100用來喚引橋218的相應(yīng)，橋218允許維護(hù)接口裝置讀出和測試橋218的響應(yīng)。
網(wǎng)絡(luò)總線204和局部總線220是供電環(huán)路以致于將工作電力加到連接總線的裝置。在一些實(shí)施例中，維護(hù)接口裝置230或240采用總線供應(yīng)的電力并利用提供的電力操作。在這些實(shí)施例中，維護(hù)接口裝置230或240還較佳地有一個電池備件(電池120)，即使當(dāng)總線上的電力被中斷時，也能夠測試現(xiàn)場裝置。在另一些實(shí)施例中，維護(hù)接口裝置100經(jīng)常在電池供電的情況下操作。
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200包括由維護(hù)接口裝置230或240所測試的裝置和功能部件，它們使環(huán)路實(shí)現(xiàn)例如，雙線的，環(huán)路供電的，雙向的數(shù)字通信，包括執(zhí)行一個Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)(FieldBus Foundation，奧斯丁，得克薩斯州)，一個WORLDFIP標(biāo)準(zhǔn)，一個LONWORKS標(biāo)準(zhǔn)，一個Profibus標(biāo)準(zhǔn)，一個DeviceNET標(biāo)準(zhǔn)等的環(huán)路?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200包括由維護(hù)接口裝置230和240所測試的裝置和功能部件，它們對執(zhí)行混合的包括一個HART標(biāo)準(zhǔn)的模擬/數(shù)字協(xié)議的環(huán)路是有操作性的。
結(jié)合圖6參考圖8，一張流程圖描述了在維護(hù)接口裝置100,230或240(為了方便標(biāo)為裝置100)的一個實(shí)施例上實(shí)現(xiàn)狀態(tài)和故障分析程序300的操作。盡管描述的操作是根據(jù)存儲在存儲裝置110,112和114中一個或多個的一段程序代碼在微處理器104中執(zhí)行的，還可采用其它的控制邏輯，模擬的或數(shù)字的來控制和實(shí)現(xiàn)操作。
在步驟310中，電力被總線隔離電路108所監(jiān)視來確定電力是否被供應(yīng)在裝置或通信環(huán)路。對一個裝置或雙線媒體來說，缺電表示雙線媒體斷開或中斷。在一些實(shí)施例中，如果電力無效，維護(hù)接口裝置100在步驟312重新建立或提供電力給測試下的裝置只要維護(hù)接口裝置100具有充足的電力供應(yīng)。在步驟314，如果電力是充足的，維護(hù)接口裝置100設(shè)置LED顯示器122的一個LED，否則使LED單元不動作。值得注意的是，在另一個實(shí)施例，LED可能被點(diǎn)亮來表示電力不足，那個LED和其它顯示器可以被用來以任何希望的方式向用戶顯示狀態(tài)信息。在另一實(shí)施例中，兩個LEDs可以被采用，一個顯示電力充足，一個顯示電力不足。在這種情況下，二個LEDs中只有一個被點(diǎn)亮來清楚地顯示測試下的裝置狀態(tài)。在不能提供電力或沒有充足電池在測試條件下提供電力的維護(hù)接口裝置100的實(shí)施例中，維護(hù)接口裝置100監(jiān)視電力電平但不提供電力。
在步驟316中，裝置或通信環(huán)路的短路狀態(tài)通過將電力信號電壓與處理器104中的最大允許電壓進(jìn)行比較檢測而出的。處理器104在這里包括一個失效電路檢測電路。如果電力信號范圍大于最大允許值，產(chǎn)生一個短路狀態(tài)。在步驟318，維護(hù)接口裝置100在LED顯示器122的指定LED上顯示狀態(tài)。相同地，在步驟320中，裝置或通信環(huán)路的開路狀態(tài)通過將電力信號電壓與處理器104中的最小允許電壓進(jìn)行比較檢測而出的。處理器104在這里包括一個失效電路檢測電路。如果電力信號范圍小于最小允許值，產(chǎn)生一個開路狀態(tài)。在步驟322，維護(hù)接口裝置100在LED顯示器122的指定LED上顯示狀態(tài)。
在步驟330中，由A/D轉(zhuǎn)換器116所感受到的信號數(shù)據(jù)被取樣來進(jìn)行分析。A/D轉(zhuǎn)換器116產(chǎn)生一個一定比例的，基于加到雙線終端塊102的電壓的數(shù)值。在步驟332，取樣的信號數(shù)據(jù)被分析來確定數(shù)字信號的質(zhì)量，指示出數(shù)字通信是否為有效的數(shù)字通信信號。參考圖9，圖介的示意圖顯示出在狀態(tài)和故障分析程序的步驟332中分析的一個數(shù)字通信信號的例子。參考振幅，數(shù)字脈寬，時序和形態(tài)由A/D轉(zhuǎn)換器116所采樣的波形被分析來確定數(shù)字通信信號是否合適或有效。不合適的數(shù)字通信信號表示許多可能的問題，例如，不合適的數(shù)字通信信號可以由在媒體的鄰近或連接到媒體的裝置中的噪聲源產(chǎn)生。不合適的數(shù)字通信信號還可以由雙線媒體和其它條件的重壓或間斷毀損產(chǎn)生。在步驟334，維護(hù)接口裝置100在LED顯示器122的指定LED上顯示數(shù)字信號質(zhì)量的狀態(tài)。當(dāng)然，如果希望的話，維護(hù)接口裝置可以包括一個通信?；蚱渌鼘?shí)際需要用來測試和讀出總線上的信息內(nèi)容的硬件和軟件來確定這些信息是否有意義。
在步驟350中，維護(hù)接口裝置100產(chǎn)生一個被過程控制網(wǎng)絡(luò)所使用的在通信協(xié)議中的數(shù)字通信信號和將這一信號發(fā)送到所選地址上的裝置。在步驟352，維護(hù)接口裝置100等待一個從所選地址上的裝置來的用作響應(yīng)的預(yù)定時間。如果時間到且沒有響應(yīng)，對所選地址上的裝置產(chǎn)生一個響應(yīng)狀態(tài)的失敗。在步驟354，維護(hù)接口裝置100在LED顯示器122的指定LED上顯示響應(yīng)狀態(tài)的失敗。
當(dāng)然，維護(hù)接口裝置100可以實(shí)現(xiàn)所希望的其它測試并可以任何所想要的等級實(shí)現(xiàn)任何一種測試組合。另外，當(dāng)維護(hù)接口裝置在這里被描述成正在靠(或采用)定位器/閥門裝置實(shí)現(xiàn)診斷時，需要注意這個接口裝置可以被用來靠(或采用)其他類型的裝置實(shí)現(xiàn)診斷，如那些具有可移動部件的裝置，象節(jié)氣閘，鼓風(fēng)機(jī)等，和控制器，橋裝置，傳感器等。
況且，盡管在這里描述的維護(hù)接口裝置最好由存儲在，例如，一個過程控制裝置的軟件所實(shí)現(xiàn)，但它也可以選擇性地或附加性地按需要在硬件，固件等中實(shí)現(xiàn)。如果由軟件實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的維護(hù)接口裝置可以被存儲在任何計(jì)算機(jī)可讀存儲器如在一個磁盤，一個光盤，或其他存儲媒體，在一臺計(jì)算機(jī)的RAM或ROM等中。同樣，這軟件可以通過任何已知的或希望的傳送方法包括例如通過象電話線，因特網(wǎng)等通信信道被傳送到用戶或裝置。更進(jìn)一步，盡管維護(hù)接口在這里被描述成包括一個LED顯示器，它還能選擇性地采用其他類型的顯示器，包括例如一個CRT屏幕，一個氣體-等離子體顯示器等。
因此，當(dāng)參考特定的例子描述本發(fā)明時，只是在于描述而不是限制本發(fā)明，非常明顯那些本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的范圍和主題的情況下可以對披露的實(shí)施例進(jìn)行改變，添加或刪除。
權(quán)利要求
1．在一個過程控制系統(tǒng)中采用的一種維護(hù)接口裝置，包括為連接到過程控制系統(tǒng)中的一個部件而實(shí)現(xiàn)雙線的，雙路的，環(huán)路供電的數(shù)字通信協(xié)議的一個接口；耦合到為檢測部件中的一個工作電力是否存在的接口的一個電力檢測電路；和耦合到電力檢測電路的一個顯示器，它基于部件中存在工作電力時顯示工作電力的一個狀態(tài)。
2．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置。還包括耦合到檢測部件中的一個數(shù)字通信信號是否存在的接口的一個數(shù)字通信信號檢測電路，其中，顯示器被耦合到數(shù)字通信信號檢測電路，并顯示部件中數(shù)字通信信號的存在狀態(tài)。
3．如權(quán)利要求2所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到產(chǎn)生和傳送一個查詢數(shù)字通信信號到部件來引起一個應(yīng)答數(shù)字通信信號的接口的一個通信信號產(chǎn)生電路。
4．如權(quán)利要求2所述的維護(hù)接口裝置，其中，數(shù)字通信信號檢測電路檢測部件中的數(shù)字通信信號的品質(zhì)，且顯示器顯示部件中的數(shù)字通信信號的品質(zhì)狀態(tài)。
5．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到從部件接收一個工作電力的接口的一個電力耦合器。
6．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到產(chǎn)生一個工作電力的接口的電源。
7．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到產(chǎn)生一個自工作電力和為該部件產(chǎn)生進(jìn)一步電力的接口的一個電源，在那里當(dāng)電力檢測電路檢測到部件中的工作電力不存在時，提供進(jìn)一步的電力到部件。
8．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，其中，電力檢測電路還包括一個失效電路檢測電路，它檢測部件的短路電力狀態(tài)和部件的開路電力狀態(tài)。
9．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，其中，過程控制系統(tǒng)中的部件是現(xiàn)場裝置。
10．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，其中，過程控制系統(tǒng)中的部件是一個雙線控制媒體，維護(hù)接口裝置被連接到雙線控制媒體，用來檢測在一組部件中所選的一個部件的一個電力信號狀態(tài)，該組部件包括環(huán)控制器，數(shù)字控制系統(tǒng)，操作員控制臺，工作站，個人計(jì)算機(jī)，和橋路。
11．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，其中，雙線的，雙路的，環(huán)路供電的數(shù)字通信協(xié)議是一個SP-50通信協(xié)議。
12．如權(quán)利要求1所述的維護(hù)接口裝置，其中，雙線的，雙路的，環(huán)路供電的數(shù)字通信協(xié)議是一個Fieldbus通信協(xié)議。
13．一種維護(hù)接口裝置，包括為連接到過程控制系統(tǒng)中的部件而實(shí)現(xiàn)雙線的，雙路的，環(huán)路供電的數(shù)字通信協(xié)議的一個接口；耦合到為檢測部件中的工作電力是否存在的接口的一個電力檢測電路；耦合到為連接到過程控制系統(tǒng)中的部件和獲得數(shù)字通信信號的接口的一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；耦合到電力檢測電路和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個控制器，包括分析部件的工作電力的第一控制邏輯；和分析數(shù)字通信信號來檢測部件中的數(shù)字通信信號是否存在的第二控制邏輯；和耦合到電力檢測電路和控制器的一個顯示器，基于部件中的工作電力的存在顯示工作電力的一個狀態(tài)和顯示部件中數(shù)字通信信號的存在狀態(tài)。
14．如權(quán)利要求13所述的維護(hù)接口裝置，其中，第二控制邏輯分析數(shù)字通信信號來檢測數(shù)字通信信號的品質(zhì)，顯示器顯示數(shù)字通信信號的品質(zhì)狀態(tài)。
15．如權(quán)利要求13所述的維護(hù)接口裝置，其中，控制器包括處理器，耦合到處理器的存儲單元和存儲在存儲單元的程序代碼，在處理器上執(zhí)行實(shí)現(xiàn)第一和第二控制邏輯功能。
16．如權(quán)利要求13所述的維護(hù)接口裝置，還包括連接到接口來接收來自部件的工作電力的電力耦合器。
17．如權(quán)利要求13所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到接口用來產(chǎn)生工作電力的電源。
18．如權(quán)利要求13所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到產(chǎn)生自工作電力和為該部件產(chǎn)生進(jìn)一步電力的接口的電源，其中，其中，當(dāng)電力檢測電路檢測到部件中的工作電力不存在時，提供進(jìn)一步的電力到部件。
19．如權(quán)利要求13所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到傳送一個查詢數(shù)字通信信號到部件來引起一個應(yīng)答數(shù)字通信信號的接口的通信信號產(chǎn)生電路。
20．在一個過程控制系統(tǒng)中采用的一種維護(hù)接口裝置包括為連接到過程控制系統(tǒng)中的部件而安現(xiàn)雙線的，雙路的，環(huán)路供電的數(shù)字通信協(xié)議的一個接口；耦合到為檢測部件中的數(shù)字通信信號是否存在的接口的數(shù)字通信信號檢測電路，和耦合到數(shù)字通信信號檢測電路的顯示器，它顯示部件中的數(shù)字通信信號的存在狀態(tài)。
21．如權(quán)利要求20所述的維護(hù)接口裝置，還包括耦合到產(chǎn)生和傳送一個查詢數(shù)字通信信號到部件來引起一個應(yīng)答數(shù)字通信信號的接口的一個通信信號產(chǎn)生電路。
22．如權(quán)利要求20所述的維護(hù)接口裝置，其中，數(shù)字通信信號檢測電路檢測部件中的數(shù)字通信信號的品質(zhì)，顯示器顯示部件中的數(shù)字通信信號的品質(zhì)狀態(tài)。
全文摘要
用于一個數(shù)字的,環(huán)路供電的過程控制網(wǎng)絡(luò)中的一種維護(hù)接口裝置,包括要么到一個現(xiàn)場裝置的雙線輸入/輸出端口,要么到雙線通信媒體的一個接口,用來確定現(xiàn)場裝置或通信環(huán)路的簡單狀態(tài)的控制邏輯,和顯示簡單狀態(tài)的顯示器(122)。維護(hù)接口裝置可以被用來進(jìn)行故障分析來檢測現(xiàn)場裝置或通信環(huán)路是否具有可操作性,是否有電和是否產(chǎn)生一個有效通信信號。維護(hù)接口裝置適合于在包括環(huán)路控制器,數(shù)字控制系統(tǒng),操作員控制臺,工作站,個人計(jì)算機(jī)和一個橋的過程控制網(wǎng)絡(luò)中在多個裝置上進(jìn)行簡單功能性測試,從而檢測通信線上那些裝置的功能性。維護(hù)接口裝置可以自供電,可由正在服務(wù)的裝置供電,或由通信媒體,如總線供電。
文檔編號G05B19/418GK1232559SQ97198544
公開日1999年10月20日 申請日期1997年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月4日
發(fā)明者L·K·布朗, B·H·拉森, H·A·伯恩斯 申請人:費(fèi)希爾控制國際公司