專利名稱：帶有冗余的現(xiàn)場設(shè)備和總線的過程控制網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及過程控制網(wǎng)絡(luò)，特別是涉及使用如現(xiàn)場設(shè)備和通訊總線那樣的冗余功能單元，以分布方式實現(xiàn)過程控制功能的過程控制網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
諸如化學(xué)、汽油和其它制造與精煉過程之類的過程包括眾多位于各種位置的現(xiàn)場設(shè)備來測量和控制過程參數(shù)以實現(xiàn)過程的有效控制。這些現(xiàn)場設(shè)備例如可以是諸如溫度、壓力和流速傳感器之類的傳感器和諸如閥門和開關(guān)之類的控制元件。過程控制業(yè)過去借助于手工操作(類似于手工讀取液面和壓力計，開啟閥門輪等)來測量和控制過程中的現(xiàn)場設(shè)備。20世紀(jì)初，過程控制開始采用本地氣動控制，其中將本地氣動控制器、傳送器和閥門定位器放置在過程工廠內(nèi)各位置上以實現(xiàn)對某些工廠元件的控制。隨著70年代基于微處理器的分布控制系統(tǒng)(DCS)的出現(xiàn)，分布式電子過程控制在過程控制業(yè)中日益占據(jù)主導(dǎo)地位。
正如所知的那樣，DCS包括一臺模擬或數(shù)字計算機(例如可編程邏輯控制器)，它與諸如電子傳感器、傳送器、電流-壓力換能器、閥門定位器之類分布整個過程線上的眾多電子監(jiān)控設(shè)備相連。DCS計算機存儲并實現(xiàn)集中式并且常常是復(fù)雜的控制方案以測量和控制過程中的設(shè)備，從而根據(jù)某些總體控制方案控制過程參數(shù)。但是通常情況下，DCS實現(xiàn)的控制方案都是DCS控制器制造商的專利，由于DCS提供方必然牽涉到系統(tǒng)擴展、升級、重新編程和服務(wù)等各個方面，所以其業(yè)務(wù)難度大并且價格昂貴。而且由于DCS控制器的專利屬性以及實際情況中DCS控制器提供商有可能不支持其它供應(yīng)商制造的某些設(shè)備或功能的緣故，特定DCS使用或連接的設(shè)備種類都受到一定的限制。
為了克服在使用擁有專利權(quán)的DCS中存在的固有問題，過程控制業(yè)界研制了大量標(biāo)準(zhǔn)的開放通信協(xié)議，例如包括HART、PROFIBUS、WORLDFIP、LONWORKS、Device-Net和CAN協(xié)議，這些協(xié)議可以使不同制造商提供的現(xiàn)場設(shè)備在同一過程控制回路內(nèi)使用。實際上，即使現(xiàn)場設(shè)備是由DCS控制器制造商以外的制造商提供，也能夠采用任何遵守其中一個這類協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備在過程內(nèi)完成與DCS控制器或其它支持協(xié)議的控制器之間的通信并受它們控制。
此外，在過程控制業(yè)中現(xiàn)在有一種分散化過程控制的趨勢，它簡化了DCS控制器或者在很大程度上減少了對DCS控制器的需求。通過使諸如閥門定位器、傳送器之類的過程控制設(shè)備完成一種或更多的過程控制功能并隨后通過在由其它過程控制設(shè)備使用的總線結(jié)構(gòu)上交換數(shù)據(jù)實現(xiàn)了分散化控制。為了實現(xiàn)這些控制功能，每個過程控制設(shè)備包括能實現(xiàn)一種或更多基本控制功能并利用標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)的通信協(xié)議與其它過程控制設(shè)備進(jìn)行通信的微處理器。這樣，不同制造商提供的現(xiàn)場設(shè)備就可以在一個過程控制回路內(nèi)互聯(lián)起來，互相進(jìn)行通信并完成構(gòu)成控制回路的一種或多種過程控制功能而無需DCS控制器的干預(yù)。由現(xiàn)場總線基金會制訂的稱為FOUNDATION現(xiàn)場總線(以下稱為“Fieldbus”)的全數(shù)字雙線回路總線協(xié)議是一種開放的通信協(xié)議，它允許不同制造商的設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)總線互相操作和通信以在一個過程內(nèi)實現(xiàn)分散化控制。
無論用什么通訊協(xié)議，諸如流體控制閥那樣的過程控制單元一般被用于溫度和壓力變化范圍很大的苛刻的過程控制環(huán)境中。苛刻環(huán)境下的流體控制閥的應(yīng)用包括油、氣管線的應(yīng)用，核能電站和各種過程控制的應(yīng)用。在這樣環(huán)境下，主要的維護(hù)一般包括周期性預(yù)紡性維護(hù)、由于閥破損的維持和驗證閥是否運轉(zhuǎn)正常的測試。
在這些苛刻環(huán)境下控制單元疲勞或故障必須不定期地更換。無論是控制單元的故障或更換控制單元，通常需要關(guān)閉過程控制系統(tǒng)，那需要很高的花費和時間，因為關(guān)閉以后再使過程控制系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)需要很長時間。
因此，需要提供一種裝置和操作方法，允許過程控制網(wǎng)絡(luò)使用如雙線，環(huán)路供電，雙向數(shù)字通訊協(xié)議或其他任何分布式過程功能協(xié)議，盡管在網(wǎng)絡(luò)中功能單元故障或更換過程中仍然保持運行。
發(fā)明概要按照本發(fā)明，在一個過程控制系統(tǒng)，如雙線、環(huán)路供電、雙向數(shù)字通訊環(huán)境中的功能單元，使用選擇性冗余連接和選擇性冗余功能單元相互連接。在原始的過程環(huán)路單元發(fā)生故障時冗余功能單元和冗余連接提供從原始過程環(huán)路單元運行到輔助的過程環(huán)路單元的平滑過渡。
按照本發(fā)明的一個方面，冗余是使用兩組通訊手段實現(xiàn)的，包括一對冗余總線，一個原始總線和一個冗余總線。按照本發(fā)明的另一個方面，冗余是使用單組通訊手段(如單個通信總線)可選地實現(xiàn)的，而且實現(xiàn)設(shè)備冗余，如現(xiàn)場設(shè)備冗余，因而當(dāng)設(shè)備或如功難模塊那樣的功能單元故障時得以恢復(fù)，但不適于通訊手段故障。在一個實施例中，如數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)控制器或現(xiàn)場設(shè)備那樣的環(huán)路控制器控制著具有冗余功能單元的單個通訊環(huán)路的冗余操作。在此實施例中，環(huán)路控制器連接到單個通訊總線，單個通信總線連到如設(shè)備那樣功能單元的冗余對上。所選功能單元，如控制邏輯，檢測故障狀態(tài)，并將此狀態(tài)通知控制器，或者控制器檢測從冗余功能單元中故障單元的通訊中止，然后自動重新配置通訊環(huán)路，由此恢復(fù)通訊狀態(tài)。
按本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，冗余是使用通訊手段的冗余組，并使用其他的冗余功能單元，如設(shè)備選擇地實現(xiàn)的，既可對故障設(shè)備又可對故障通訊手段獲得恢復(fù)。根據(jù)本發(fā)明，如數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)或現(xiàn)場設(shè)備那樣的控制器控制具有連接到冗余設(shè)備的冗余總線的通訊環(huán)路冗余對的冗余操作。環(huán)路控制器連接到通信環(huán)路冗余對的原始總線和冗余總線，冗余設(shè)備連接到冗余總線上，原始設(shè)備連到原始環(huán)路，冗余設(shè)備連到冗余環(huán)路上。所選的功能單元檢測故障狀態(tài)，并將此環(huán)路控制器，或者環(huán)路控制器檢測從故障的功能單元來的通訊的中止。在發(fā)生故障時，如當(dāng)控制器或控制邏輯檢測到有故障的功能單元(總線或設(shè)備)，或者環(huán)路控制器檢測到從一個單元來的通訊中止時，環(huán)路控制器自動地重新配置通訊環(huán)路的冗余對，以恢復(fù)通訊狀態(tài)。
按照本發(fā)明的更進(jìn)一步的方面，冗余是使用連接到單個設(shè)備的通訊手段的冗余組選擇地實現(xiàn)的，因而獲得對故障通訊手段，而不是對故障設(shè)備的恢復(fù)。按照本發(fā)明，如數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)控制器或現(xiàn)場設(shè)備那樣的環(huán)路控制器控制冗余通訊手段的冗余操作。環(huán)路控制器連到通訊手段冗余對的原始總線和冗余總線上，而許多其他功能單元(如設(shè)備)連接到通訊手段的冗余對上。所選的功能單元檢測壞的通訊狀態(tài)，而環(huán)路控制器檢測通訊中止。在這樣的配置中，當(dāng)功能單元檢測到壞的通訊狀態(tài)或環(huán)路控制器檢測到從一個單元來的通訊中止時，環(huán)路控制器自動重新配置通訊手段的冗余對，由此恢復(fù)通訊狀態(tài)。
借助于上述的過程控制系統(tǒng)和操作方法，可以取得許多優(yōu)越性。例如其優(yōu)點是當(dāng)一個過程設(shè)備或通訊總線發(fā)生問題時，可以避免關(guān)閉一條過程控制線。還有的優(yōu)點是在過程控制系統(tǒng)中功能單元的自診斷功能得以利用，自動地斷開故障單元并替換功能單元。類似的優(yōu)點是可利用過程控制系統(tǒng)的雙向通訊協(xié)議，在原始功能單元故障時自動激活冗余功能單元。
附圖的簡單描述

圖1是使用Fieldbus協(xié)議的過程控制網(wǎng)絡(luò)例子的示意方塊圖；圖2是具有功能模塊的三個Fieldbus設(shè)備的示意方塊圖；圖3是一個示意方塊圖，說明圖1的過程控制網(wǎng)絡(luò)的某些設(shè)備中的功能模塊；圖4是圖1的過程控制網(wǎng)絡(luò)中過程控制環(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)的一個總線段的宏周期的時序示意圖；圖6是一個示意方塊圖，說明了使用單組通信手段連到冗余設(shè)備實現(xiàn)冗余的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；圖7是一張示意方塊圖，說明了使用冗余通訊手段連到冗余設(shè)備實現(xiàn)冗余的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；圖8是一張示意方塊圖，說明了使用冗余通訊手段連到單個設(shè)備上實現(xiàn)冗余的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；圖9是一張示意方塊圖，說明了具有兩個連到單個雙線環(huán)路上的功能單元的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
圖10是一張示意方塊圖，說明了具有兩個連接到單個雙線環(huán)路的變送器(transmitter)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；圖11是一張示意方塊圖，說明了具有冗余功能模塊配置的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；圖12是一張示意方塊圖，說明了按照本發(fā)明實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備冗余的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；圖13是一張示意方塊圖，表示了一個具有雙線、環(huán)路供電、雙向數(shù)字通信定位器的數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備，用于本發(fā)明的過程控制網(wǎng)絡(luò)；圖14是一張方塊圖，說明用于圖13控制數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備的適合的現(xiàn)場設(shè)備控制器。
最佳實施例的描述當(dāng)具有本發(fā)明的冗余現(xiàn)場設(shè)備和總線的過程控制網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)描述為使用一組現(xiàn)場總線設(shè)備以分散或分布方式實現(xiàn)過程控制功能的過程控制網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)該注意具有本發(fā)明冗余特性的過程控制網(wǎng)絡(luò)可以是這樣的過程控制網(wǎng)絡(luò)，它使用其他類型的現(xiàn)場設(shè)備和通訊協(xié)議完成分布式控制功能，通訊協(xié)議包括基于非二線總線的協(xié)議和支持模擬量和數(shù)字量通訊的協(xié)議。于是，具有本發(fā)明冗余和特征的過程控制網(wǎng)絡(luò)可以是完成分布式控制功能的過程控制網(wǎng)絡(luò)，無論此過程控制網(wǎng)絡(luò)使用HART,PROFIBUS等通訊協(xié)議，或任何其他的現(xiàn)有的或?qū)戆l(fā)展出來的協(xié)議。
在討論本發(fā)明的調(diào)試和調(diào)整方法及設(shè)備的細(xì)節(jié)前，將對Fieldbus協(xié)議、依據(jù)該協(xié)議構(gòu)成的現(xiàn)場設(shè)備以及在使用Fieldbus協(xié)議的過程控制網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生通信的方式進(jìn)行總體描述。然而，應(yīng)理解，雖然Fieldbus協(xié)議是一個為用于過程控制網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的相對新的全數(shù)字通信協(xié)議，該協(xié)議在本領(lǐng)域內(nèi)是公知的，且在其中之一Fieldbus Foundation(一個總部設(shè)在德克薩斯州奧斯汀市的非盈利性組織)出版、分發(fā)和提供的大量文章、小冊子和說明書中有詳細(xì)描述。尤其是，在公知的來自Fieldbus Foundation的通信技術(shù)說明書和用戶層技術(shù)說明書這類手冊中詳細(xì)地描述了Fieldbus協(xié)議以及使用該Fieldbus協(xié)議進(jìn)行通信及把數(shù)據(jù)存儲在裝置中的方式，從而在這里通過引用把其全部內(nèi)容作為參考。
Fieldbus協(xié)議是一種全數(shù)字串行雙向通信協(xié)議，它為位于例如工廠或車間的設(shè)備或過程控制環(huán)境中的諸如傳感器、制動器、控制器、閥門等雙線回路或總線互連“現(xiàn)場”設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化物理接口。實際上，F(xiàn)ieldbus協(xié)議為位于過程裝置中的現(xiàn)場設(shè)備(現(xiàn)場設(shè)備)提供了局域網(wǎng)絡(luò)，這樣使這些現(xiàn)場設(shè)備在分布于整個過程中的各個位置處進(jìn)行控制功能并在進(jìn)行這些控制功能前后相互通信以實現(xiàn)整個控制策略。由于Fieldbus協(xié)議使控制功能分布于整個過程控制網(wǎng)絡(luò)中，所以它減少了中央處理控制器(通常與DCS相連)的復(fù)雜性，或完全不需要此控制器。
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、另一個主機裝置15和一組現(xiàn)場設(shè)備16、18、20、22、24、26、28、30和32等許多其它裝置的主機12?？偩€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，因為它們中的每一個都包括能進(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)場設(shè)備連到總線34、什么時候把現(xiàn)場設(shè)備從總線34上除去，接收現(xiàn)場設(shè)備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12或以任何方式連到主機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)場設(shè)備16-32等與其相連的任何或所有裝置提供功率信號。或者，裝置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)由隔離的導(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、34bh 34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)由隔離的雙線對連到控制器或主機(類似于典型的4-20mA模擬DCS系統(tǒng))的點到點連接、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)場設(shè)備中的連接盒或端接區(qū))中的公共點的樹型或“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、總線功率選項等來確定。
Fieldbus協(xié)議把可連到總線34的裝置分成三類，即基本裝置、鏈路主控(linkmaster)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處理獲取的或經(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)場設(shè)備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)場設(shè)備包括存儲某些數(shù)據(jù)的資源塊。
功能塊定義和實行與現(xiàn)場設(shè)備相關(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(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。
變換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。變換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。單個變換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)程計算機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)報文格式經(jīng)由Fieldbus總線34與同一或不同現(xiàn)場設(shè)備中的其它塊進(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)場設(shè)備中的PID功能塊可經(jīng)由總線34連接到接收第二現(xiàn)場設(shè)備中的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)，并且因為這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)場設(shè)備中。
除了包含和實行塊目標(biāo)以外，每個現(xiàn)場設(shè)備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)、警報目標(biāo)和觀察目標(biāo)。鏈接目標(biāo)定義了現(xiàn)場設(shè)備內(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)報告給其它裝置或功能塊。警報目標(biāo)在總線34上報告警告和事件。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)場設(shè)備16-28中的任一個，它們包括資源塊48、功能塊50、51或52和變換器塊53和54。在第一裝置中，功能塊50(可以是輸入功能塊)通過變換器塊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)通過變換器塊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)場設(shè)備中可提供其它數(shù)目和類型的塊目標(biāo)、鏈接目標(biāo)、警報目標(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。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現(xiàn)對AO功能塊63的適當(dāng)控制。當(dāng)然，可以在現(xiàn)場設(shè)備內(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)場設(shè)備(例如，定位器/閥門16)內(nèi)，或者通過雙線通信總線34，運用標(biāo)準(zhǔn)的Fieldbus同步通信，可以實現(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現(xiàn)其它控制回路。
為了實現(xiàn)和執(zhí)行通信和控制活動，F(xiàn)ieldbus協(xié)議運用標(biāo)為物理層、通信“堆棧(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)場設(shè)備內(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。物理層和通信堆棧必須運用雙線總線34以標(biāo)準(zhǔn)化方法來影響在不同現(xiàn)場設(shè)備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)場設(shè)備和總線中，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)場設(shè)備的通信堆棧運用的消息。物理層可被認(rèn)為是總線34，而且在現(xiàn)場設(shè)備的輸入端和輸出端，電磁信號出現(xiàn)在總線34上。
出現(xiàn)在每個Fieldbus裝置中的通信堆棧包括與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報文規(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。在通信堆棧中的每個層負(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，通信堆棧中的每一層都附加或去除某些Fieldbus信號，諸如報頭、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)場設(shè)備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頭，并可以運用接收到的報頭來使現(xiàn)場設(shè)備的內(nèi)部時鐘與進(jìn)入Fieldbus信號同步。同樣，數(shù)據(jù)鏈路層將在通信堆棧上的消息轉(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)報頭。在解碼處理過程中，數(shù)據(jù)鏈路層認(rèn)識在報頭內(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)行檢驗和來驗證從總線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堆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報文規(guī)范層運用標(biāo)準(zhǔn)消息格式集來允許用戶層(即，現(xiàn)場設(shè)備的功能塊、目標(biāo)等)通過總線34進(jìn)行通信，并描述建立要設(shè)置在通信堆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報文規(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報文規(guī)范通信業(yè)務(wù)。例如，F(xiàn)ieldbus報文規(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報文規(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報文規(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報文規(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)計學(xué)、鏈路現(xiàn)行調(diào)度器時間表(link active 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，運用標(biāo)準(zhǔn)Fieldbus報文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對VFD中的信息有一擴充了解。一般必須標(biāo)示有供主機使用的裝置說明以在裝置的VFD中存儲使主機能理解數(shù)據(jù)意義所需的信息。
應(yīng)理解，為了運用在處理控制網(wǎng)絡(luò)中所述的功能塊來實現(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)場設(shè)備(和在現(xiàn)場設(shè)備中的不同塊)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)實現(xiàn)通信，LAS(例如總線段34b上的LAS16)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)送強迫數(shù)據(jù)命令。在接收到強迫數(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)行在塊安排接收強制數(shù)據(jù)命令之前進(jìn)行，所以響應(yīng)強迫數(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。為了實現(xiàn)異步通信，LAS向特定的現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送通過令牌報文。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備接收到通過令牌報文時，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)送異步報文(例如報警報文、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)、操作者設(shè)定點變化等)直到報文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)送通過令牌報文。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)送強制命令數(shù)據(jù)以實現(xiàn)同步通信。當(dāng)然，根據(jù)報文業(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)接收通過令牌報文的。
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)場設(shè)備(field device)利用各裝置堆棧的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、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)場設(shè)備從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來實現(xiàn)操作者始發(fā)請求，例如設(shè)定點變化、調(diào)整參數(shù)存取和變化、報警確認(rèn)和裝置上載和下載。
對于排隊、非預(yù)定、用戶始發(fā)、一對多的通信，可以采用報告分布VCR。例如，當(dāng)具有事件或轉(zhuǎn)向報告的現(xiàn)場設(shè)備從LAS接收通過令牌時，該現(xiàn)場設(shè)備將其消息發(fā)送到該裝置通信堆棧的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告。Fieldbus裝置通常采用報告分布VCR類型來將報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迫數(shù)據(jù)消息時，“出版者”現(xiàn)場設(shè)備利用出版者/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)場設(shè)備。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)場設(shè)備通信堆棧的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)場設(shè)備，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，獨立地維持每個裝置中的時鐘時間。時鐘同步允許現(xiàn)場設(shè)備對整個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)點消息傳送到不在運轉(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。事實上，在每個LAS完成將通過令牌消息傳送到運轉(zhuǎn)清單中所有現(xiàn)場設(shè)備的循環(huán)后，需要它對至少一個地址進(jìn)行探查。如果有一個現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)在被探查的地址上并接收探查節(jié)點消息，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將該裝置增加到運轉(zhuǎn)清單中并通過將節(jié)點激活消息傳送到被探查的現(xiàn)場設(shè)備而確認(rèn)。只要現(xiàn)場設(shè)備對通過令牌消息作出適當(dāng)應(yīng)答該現(xiàn)場設(shè)備便維持在運轉(zhuǎn)清單上。然而，如果在經(jīng)過三次成功嘗試后現(xiàn)場設(shè)備既沒有采用該記號又沒有立即將該記號返回給LAS，那么該LAS將現(xiàn)場設(shè)備從運轉(zhuǎn)清單中排除。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備被增加到運轉(zhuǎn)清單中或者從運轉(zhuǎn)清單中排除時，LAS將運轉(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)制的運轉(zhuǎn)清單。
如上所述，現(xiàn)場設(shè)備及其功能塊之間的通信互連是由用戶確定的并利用位于例如主機12中的配置應(yīng)用程序在處理控制網(wǎng)絡(luò)10中實現(xiàn)。然而，在配置后，處理控制網(wǎng)絡(luò)10的操作無需考慮裝置或處理診斷，因此與主機12接口，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)I/O功能，但不進(jìn)行診斷功能。
參照圖6，方塊圖說明了一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200，其中按本發(fā)明的冗余是使用在單個通訊環(huán)路202中單組通訊介質(zhì)有選擇地實現(xiàn)的，它帶有冗余功能單元，包括一個原始現(xiàn)場設(shè)備204和一個冗余現(xiàn)場設(shè)備206。如數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)控制器或現(xiàn)場設(shè)備那樣的環(huán)路控制器連到單個通訊環(huán)路202上，且單個通訊環(huán)路連到冗余的一對現(xiàn)場設(shè)備204和206?，F(xiàn)場設(shè)備204和206任意地檢測和通告故障狀態(tài)。環(huán)路控制器208使用雙線數(shù)字通訊連續(xù)地監(jiān)測控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200中的設(shè)備運行，并檢測故障現(xiàn)場設(shè)備通訊中止。對于由原始現(xiàn)場設(shè)備204故障的情況控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)200可以恢復(fù)運行，但對由于單組通訊介質(zhì)202故障則不行。環(huán)路控制器208與冗余現(xiàn)場設(shè)備204、206一起控制單個通訊環(huán)路202的運行的冗余，并檢測功能單元的故障，或者通過接受象設(shè)備中控制邏輯那樣的一個或多個功能單元的故障狀態(tài)信息，或者通過檢測從一個或多個功能單元來的信息的中止。例如，如過程控制閥那樣的現(xiàn)場設(shè)備包括一個傳感器和指示傳感器狀態(tài)的反饋信號，該信號又是過程控制閥運行狀態(tài)的指示。閥運行狀態(tài)可以包括故障狀態(tài)、操作狀態(tài)或指示功能性變化程序的狀態(tài)的指定。過程控制閥和其他所選功能單元較好地使用通訊環(huán)路202的雙線通訊環(huán)路控制器208發(fā)送狀態(tài)信息。
環(huán)路控制器借助于撤消故障的設(shè)備，如原始現(xiàn)場設(shè)備204，并激活相應(yīng)的替代設(shè)備，如圖示的冗余現(xiàn)場設(shè)備206，來自動地重新配置冗余對通訊環(huán)路。功能單元可以包括如變送器那樣的傳感單元和如閥或馬達(dá)那樣的控制單元，以及過程中其他現(xiàn)場設(shè)備和控制設(shè)備。對傳感單元，從有故障變送器發(fā)生的信息被忽略。對故障的控制單元，環(huán)路控制器發(fā)出命令撤消故障控制單元使其成為失效保護(hù)模式。
參照圖7，方塊圖表示一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它的冗余是使用通訊介質(zhì)冗余組來選擇地實現(xiàn)的，其中包括連接一個原始現(xiàn)場設(shè)備304和一個冗余現(xiàn)場設(shè)備306的一個原始通訊總線302和冗余通訊總線303。如數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)控制器或現(xiàn)場設(shè)備那樣的環(huán)路控制器連接原始通訊總線302和冗余通訊總線303，構(gòu)成一個通訊環(huán)路冗余對。原始現(xiàn)場設(shè)備304和冗余現(xiàn)場設(shè)備306可選地檢測和通知故障狀態(tài)。環(huán)路控制器308使用雙線數(shù)字通訊借助于連續(xù)監(jiān)測控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備運行控制冗余通訊環(huán)路的冗余操作，并且或借助于接收從功能單元來的故障狀態(tài)信息，或借助于檢測從功能單元來的信號的中止來檢測功能單元(可以是一個總線或一個設(shè)備)的故障。環(huán)路控制器308在總線302或原始設(shè)備304故障時撤消如原始通訊總線302的環(huán)路或原始環(huán)路中一個或多個單元，并然后激活相應(yīng)的替代環(huán)路(如冗余通訊總線303)和/或一個或多個如冗余現(xiàn)場設(shè)備306那樣的總線303上的功能設(shè)備，以此來自動地重新配置冗余通訊環(huán)路對。這樣，既對故障的功能單元又對故障的通訊介質(zhì)情況得到恢復(fù)。
參照圖8，方塊圖表示一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)400，其中冗余是使用包括一個原始通始總線402和一個冗余通訊總線403的冗余通訊介質(zhì)，連接一個單獨的如現(xiàn)場設(shè)備404的功能單元來可選地實現(xiàn)的?，F(xiàn)場設(shè)備404包含兩組接口電子線路(未示出)來使用冗余介質(zhì)。環(huán)路控制器408連接到原始通訊總線402和冗余通訊總線403構(gòu)成的一個通訊環(huán)路冗余對。設(shè)備402有到原始通訊總線402的第一輸入連接和第一輸出連接，并有到冗余通訊總線403的第二輸入連接和第二輸出連接。其結(jié)果是設(shè)備404連接到通訊環(huán)路的冗余對上。單個現(xiàn)場控制器408可選地檢測和通告故障狀態(tài)。環(huán)路控制器408借助于使用雙線數(shù)字通訊連接監(jiān)測控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)400，控制冗余通訊環(huán)路的冗余操作，并且或借助于接收從功能單元來的故障狀態(tài)，或檢測從功能單元來的信息中止來檢測功能單元的故障。環(huán)路控制器408在原始通訊總線402故障時撤消如原始通訊總線402那樣的總線，并激活相應(yīng)的替代冗余通訊總線403，借此自動地重新配置通訊環(huán)路的冗余對。但是，在這樣的配置中環(huán)路控制器在現(xiàn)場設(shè)備404故障時不能夠恢復(fù)。其結(jié)果是，具有冗余通訊介質(zhì)但只有單一設(shè)備或其他功能單元的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對于一個故障的通訊介質(zhì)能進(jìn)行恢復(fù)，但在設(shè)備或其他功能單元故障的情況下不能恢復(fù)。
參照圖9，方塊圖說明了一個具有二個功能單元的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)500，一個原始過程控制閥502和一個接入過程液體流512的冗余過程控制閥504。在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)500中，原始過程控制閥502和冗余過程控制閥504連接到單個由環(huán)路控制器508控制的雙線通訊環(huán)路506中。環(huán)路506從環(huán)路控制器起包括位于控制閥504和506末端的變送器510。
典型地，原始過程控制閥502運行而冗余過程控制閥504處于備用或旁路狀態(tài)。環(huán)路506使用雙線數(shù)字通訊，所以控制閥504和506和變送器510均接受信息并向環(huán)路控制器508發(fā)送信息。結(jié)果，環(huán)路控制器508接受指示控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)500內(nèi)功能單元精確狀態(tài)的信息。
在收到指示一個功能單元故障或其他不正常狀態(tài)的信息以后，環(huán)路控制器508發(fā)出一個響應(yīng)，撤除故障的功能單元并激活一個可能存在的冗余單元。環(huán)路控制器借助于將被選的功能單元置于失效保護(hù)運行方式來撤消該功能單元。
在某些實施例中，控制閥504和506在旁路方式設(shè)有半容量(Half-Capacity)狀態(tài)，對單個閥故障的響應(yīng)是撤消故障的閥并全容量(full-capacity)激活功能閥。此外，閥504和506可以串行連接，當(dāng)其中一個控制流量時另一個保持打開。
參照圖10，方塊圖表示一個包括連在過程液體流612中兩個功能單元，一個原始發(fā)送器602和一個冗余變送器604的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)600。在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)600中原始變送器602和冗余變送器604連接到由環(huán)路控制器608控制的單個雙線環(huán)路606中。原始變送器602是現(xiàn)用的，冗余變送器604是在備用或旁路狀態(tài)。環(huán)路606使用雙路數(shù)字通訊，所以變送器604和606均接受信息并向環(huán)路控制器608發(fā)送信息。其結(jié)果是，環(huán)路控制器接受表示在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)600中功能單元精確狀態(tài)的信息。
在收到表示一個發(fā)送器故障或不正常狀態(tài)的信息時，環(huán)路控制器簡單地忽略從功能不正常的變送器來的信息。
參照圖11，表示了一個使用如現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)中的那樣冗余功能模塊實現(xiàn)分布式控制功能的過程控制環(huán)路700的方塊圖?？梢詫崿F(xiàn)如圖4那樣簡單地反饋閥控制環(huán)路的環(huán)路700包括一個單一的AI功能模塊702，連接到一對冗余PID功能模塊704和706，后者又通過一個錯誤檢測模塊708連結(jié)到一對冗余AO功能模塊710和712。在運行過程中，AI功能模塊702，PID功能模塊704或706中的一個和AO功能模塊710和712中的一個與錯誤檢測功能模塊708聯(lián)合運行實現(xiàn)簡單的反饋控制回路。從圖11明白，AI功能模塊將其輸出傳至PID功能模塊704和706，其中之一產(chǎn)生一個控制信號，它通過錯誤檢測功能模塊708送到AO功能模塊710或712之一。同樣的PID功能模塊704或706還通過錯誤檢測功能模塊708，經(jīng)由反饋線714或716之一從AO功能模塊710或712之一接受反饋信號。這樣，在正常運行時，環(huán)路700可以用PID功能模塊704和通過錯誤檢測功能模塊708連接的AO功能模塊710運行。錯誤檢測功能模塊708分析模塊704和710(和706及712)的模式，或分析從模塊704和710來的信號檢測這些功能模塊是否出錯。如果錯誤檢測模塊708檢測到模塊704或710的一個錯誤狀態(tài)，錯誤檢測模塊708立即起用一個冗余的功能模塊，或者是冗余PID功能模塊(或PID功能模塊704出錯)，或者是冗余A功能模塊(若AO功能模塊710出錯)在環(huán)路700中運行，并將出錯功能模塊切換出環(huán)路700，使環(huán)路得以繼續(xù)運行而不必關(guān)閉環(huán)路700或關(guān)閉700所連接的過程。
當(dāng)然，錯誤檢測功能模塊708可以用任意需要的方式進(jìn)行切換，包括當(dāng)功能模塊704或710出錯時切換功能模塊706和712共同運行；當(dāng)AO功能模塊出錯時切換環(huán)路700，使PID功能模塊704和AO功能模塊712共同運行；當(dāng)PID功能模塊704故障，切換環(huán)路700使冗余PID功能模塊706和AO功能模塊710共同運行。類似地，錯誤檢測功能模塊708可以在任何冗余功能模塊組與單個功能模塊之間進(jìn)行連結(jié)或者在過程控制環(huán)路中在兩組冗余功能模塊之間連接，以便提供冗余。在一個環(huán)路中若對每一個功能模塊至少提供一個冗余功能模塊就可以達(dá)到進(jìn)一步的冗余，在圖11的環(huán)路700中加一個冗余AI功能模塊就是那樣。也可以理解，錯誤檢測模塊708可以以任何希望的方式連接，并放在過程控制系統(tǒng)中任何設(shè)備中，只要該錯誤檢測功能模塊在通訊上通過如現(xiàn)場總線通訊總線在冗余環(huán)路上與其他功能模塊相連接。
冗余功能模塊，如模塊704和706或模塊710和712也可以放在同一個或不同的設(shè)備中。
更進(jìn)一步，若需要的話，PID功能模塊704和706的輸出可以直接連到圖11中的AO功能模塊710和712(以及錯誤檢測功能模塊708)，而從AO功能模塊710和712的反饋可以直接連接到PID功能模塊704和706(以及錯誤檢測模塊708)。在這樣的配置中，錯誤檢測功能模塊708檢測在功能模塊704和706或710和712中的錯誤，并使出錯的功能模塊從環(huán)路上切換掉，同時使相應(yīng)地冗余功能模塊切換入環(huán)路，而在環(huán)路700中實際上沒有在PID和AO功能模塊之間通過信號。
參照圖12，此方塊示意圖表示了使用圖6-11中任何的或全部冗余連結(jié)和任何其他冗余連續(xù)實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備冗余的一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100。該圖示的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100包括一個計算機102，如個人計算機或工作站，它借助如數(shù)字控制系統(tǒng)那樣的控制器106和一對冗余通訊線107連接到網(wǎng)絡(luò)總線104上。網(wǎng)絡(luò)總線104包括一個原始環(huán)路112和冗余環(huán)路113，每個都按照現(xiàn)場總線協(xié)議或任何有關(guān)具有分布式控制功能的過程控制系統(tǒng)相關(guān)的其他通訊協(xié)議應(yīng)用雙線，環(huán)路供電，雙向數(shù)字通訊。借助于網(wǎng)絡(luò)總線104在節(jié)點115的連接，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100與外界網(wǎng)路114通訊?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100包括多個現(xiàn)場設(shè)備116，它們直接連到網(wǎng)絡(luò)總線104，或者通過橋接設(shè)備118和當(dāng)?shù)乜偩€120連到網(wǎng)絡(luò)104上。在圖示的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100中當(dāng)?shù)乜偩€120(標(biāo)記成122)借助于具有一個原始環(huán)呼126和一個冗余環(huán)路128的外部網(wǎng)絡(luò)冗余總線124連接到節(jié)點115上。
借助一個原始現(xiàn)場設(shè)備(標(biāo)記為130)和一個冗余現(xiàn)場設(shè)備(標(biāo)記為132)可以選擇地實現(xiàn)冗余，它們通過一個冗余連接136接到當(dāng)?shù)乜偩€138再連到第一個橋接設(shè)備(標(biāo)記為134)上；又通過冗余連接142連到當(dāng)?shù)乜偩€122再接到第二個橋接設(shè)備(標(biāo)記為140)。一個完全冗余的功能單元具有與相應(yīng)的原始功能單元相同的功能組成或功能模塊能力。一個局限的冗余功能單元具有的功能集之中至少忽略相應(yīng)的原始功能單元中的一個功能或特征。
圖示的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100在雙線、環(huán)路供電、雙向數(shù)字通訊環(huán)境，在4線通訊環(huán)境或在任何其他使用分布式控制功能的過程控制環(huán)境下實現(xiàn)多級冗余。首先，計算機102使用冗余的線107連接到控制器106。第二，網(wǎng)絡(luò)總線104包括一個原始環(huán)路112和一具冗余環(huán)路113。第三，橋接設(shè)備118和直接連接的現(xiàn)場設(shè)備116用冗余連接連到網(wǎng)絡(luò)總線104。第四，原始現(xiàn)場設(shè)備130和冗余現(xiàn)場設(shè)備132借助冗余連接連到當(dāng)?shù)乜偩€138再連到第一個橋接設(shè)備134。第五，原始現(xiàn)場設(shè)備130和冗余現(xiàn)場設(shè)備132用一個冗余連接136連到當(dāng)?shù)乜偩€138再接到第一個橋接設(shè)備134，又用一個冗余連接142連到當(dāng)?shù)乜偩€122再接到第三個橋接設(shè)備140。第六，當(dāng)?shù)乜偩€122使用網(wǎng)絡(luò)總線104和外部網(wǎng)絡(luò)冗余總線124在節(jié)點115處冗余地連接到外部網(wǎng)絡(luò)114。第七，外部網(wǎng)絡(luò)冗余總線124是冗余總線。第八，冗余功能模塊放在與網(wǎng)絡(luò)100相連的設(shè)備(如設(shè)備116)中。
在一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的其他實施例中，冗余可選擇地只對網(wǎng)絡(luò)總線實現(xiàn)，或者對可選的現(xiàn)場設(shè)備116，所有的現(xiàn)場設(shè)備116實現(xiàn)，或者沒有現(xiàn)場設(shè)備116。類似地，當(dāng)?shù)乜偩€120連接到節(jié)點115的冗余和功能模塊的冗余是可選的。
應(yīng)用現(xiàn)場設(shè)備冗余的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100對于雙線、環(huán)路供電、雙向數(shù)字通訊可以運行，也可以用4線環(huán)路或其他以分布方式實現(xiàn)過程控制功能的環(huán)路，包括實現(xiàn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)(Fieldbus fundation,Austin,Texas),WORLDFIP標(biāo)準(zhǔn)，LONWORKS標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)，任何其他SP-50通訊標(biāo)準(zhǔn)等的環(huán)路。實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備冗余的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)100對于應(yīng)用包括HART標(biāo)準(zhǔn)等的混合模/數(shù)協(xié)議的環(huán)路也能運行。
現(xiàn)參照圖13，圖示的方塊圖說明一個雙線、環(huán)路供電、雙向數(shù)字通訊定位器/閥組合的(圖12中的)數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備116。該數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備116包括一個現(xiàn)場設(shè)備控制器1102，一個I/P變送器，一個氣動中繼器1106，一個執(zhí)行機構(gòu)1108和一個閥1109，它們用各種氣和由的線路互相連接。
現(xiàn)場設(shè)備116通過按照現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的雙線總線122以數(shù)字形式接收操作信號，發(fā)送信息及數(shù)據(jù)，因而是雙線定位器。類似地，現(xiàn)場設(shè)備116接受電源，主要通過雙線連續(xù)環(huán)路總線段120驅(qū)動設(shè)備控制器1102和I/P敏感器1104，因而是環(huán)路供電設(shè)備。
如圖13說明，I/P敏感器1104經(jīng)過一個I/P敏感器控制器1110與調(diào)和控制器1102電氣連接，并且在說明的實施例中使用模擬控制信號與設(shè)備控制器1102通訊。
I/P敏感器1104產(chǎn)生一個氣動信號使得閥1109動作，它將電信號轉(zhuǎn)換成氣動定位器的氣壓，在機電設(shè)備中是十分有用的。執(zhí)行機構(gòu)控制閥1109的閥件1114(可以是閥軸)，而位置傳感器1116感覺閥件1114的位置，并產(chǎn)生一個反饋信息，經(jīng)由信號線1117傳到設(shè)備控制器1102。位置信號可以被設(shè)備1102用于控制現(xiàn)場設(shè)備116的操作，以致于I/P敏感器1104驅(qū)動氣動壓力，引起閥件1114移到希望的位置。位置及其他反饋信息可以儲存在存儲器或設(shè)備控制器1102的內(nèi)存中，并可通過如120的總線被外部存取，以便檢測設(shè)備116的錯誤狀態(tài)。
類似于標(biāo)準(zhǔn)的情況，現(xiàn)場設(shè)備116通過連接到I/P敏感器1104和氣動中繼器1106的氣動管線1118接受從外部來源(圖中未示出)提供的受壓空氣。一個輸入傳感器1120典型的放置在外部空氣源和I/P敏感器1104之間測量在氣動管線1118中的輸入氣動供應(yīng)壓力，并將測量值送給設(shè)備控制器1102。I/P敏感器1104通過氣動控制線1122連到氣動中繼器1106，一個I/P傳感器1124放在I/P敏感器1104和氣動中繼器1106之間，來測量在管線1122中的氣動供應(yīng)壓力。類似地，氣動中繼器1106通過一根氣動驅(qū)動管線1126連接執(zhí)行部件1108，中繼傳感器1128放置在氣動中繼器1106和執(zhí)行部件1108之間，測量在管線1126中的氣動供應(yīng)壓力。氣動線1118,1122和1126看作是互相連結(jié)變換器1104和閥1109的單個氣動管線。
在運行過程中設(shè)備控制器1102通過控制I/P敏感器1104控制閥1109的動作，設(shè)置在氣動控制管線1126中被控閥的運行壓力。設(shè)備控制器1102通過I/P敏感器控制管線1110發(fā)送一個控制信號到I/P敏感器1104，控制I/P敏感器1104和中繼器1106組合體的輸出壓力在約3-100psi(0.21-7.6kscm)之間，加到執(zhí)行部件1108的控制輸入處。執(zhí)行部件1108產(chǎn)生一個輸出壓力用于操作閥1109。
于是I/P敏感器1104將電信號轉(zhuǎn)變成氣動空氣壓力信號。一個合適的I/P敏感器1104的例子在名為“電子-氣動轉(zhuǎn)換器”(“Electro-Pneumatic Converter”)1995年8月8日B.J.Burlage等人發(fā)表的美國專利NO.5,439,021上予以敘述，該專利在此作為整體予以參考。類似地，作為氣動放大器的氣動中繼器1106在設(shè)備控制器1102的操縱下由I/P敏感器1104控制增加氣動執(zhí)行信號管線1126空氣壓力一個控制的量。因此，一般來說氣動中繼器1106響應(yīng)從設(shè)備控制器1102來的控制信號，提供一個控制的輸出壓力到一個負(fù)載或類似執(zhí)行部件或活塞那樣的使用設(shè)備。一個合適的中繼器在名為“四模式氣動中繼器”(Four Mode PneumaticRelay)1990年12月4日S.B.Paullus等人發(fā)表的美國專利No.4,974,625中予以描述，該專利在此作為整體予以參考。在圖示的實施例中中繼器1106是多功能四模式氣動中繼器，它可以配置成正變/開關(guān)、正變/比例、逆變/開關(guān)、逆變/比例中的任意組合。在比例模式中，氣動中繼器1106發(fā)出的壓力輸出正比于壓力或力的輸入。在開關(guān)模式中，氣動中繼器1106產(chǎn)生一般等于施加的提供壓力的定常壓力，以響應(yīng)確定范圍的力或壓力控制輸入的施加。在正變運行模式，氣動中繼器106的輸出壓力隨著增加的輸入信號而增加。在逆變運行模式，中繼器輸出壓力隨增加的輸入信號而降低。
輸入傳感器1120，I/P傳感器1124，和中繼傳感器1128是壓力傳感器，它包含一個壓力到電的信號轉(zhuǎn)換，將壓力信號轉(zhuǎn)換成電的信號并通過線1130將反饋信號提供給設(shè)備控制器1102。I/P傳感器1124在診斷上可用于檢測I/P敏感器1104故障以及氣動中繼器1106故障，并確定故障是機械故障或是電氣故障。I/P傳感器1124對檢測某些系統(tǒng)問題也有用，包括確定輸入到數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備16的空氣壓力是否足夠。其結(jié)果是I/p傳感器1124允許很快地診斷I/P敏感器1104和氣動中繼器1106的狀態(tài)，以便這些設(shè)備在必要時迅速替代；以便一個過程控制器能夠在可能時靈活地切換到使用不同的冗余設(shè)備。
在一個實施例中，用于數(shù)字現(xiàn)場設(shè)備116的合適的閥1109是一個閥和在一個滑動軸閥上使用一個彈簧和隔膜執(zhí)行部件的執(zhí)行部件組件。它在模擬量設(shè)備中應(yīng)用，在名為“流體控制閥的診斷儀器和方法”1990年12月11日W.V.Fitzgerald發(fā)表的美國專利NO.4,976,144中予以描述，該專利在此作為整體予以參考。在此示例性實施例中，約3psi(0.21kscm)的壓力信號提供給執(zhí)行機構(gòu)1108，以響應(yīng)由設(shè)備控制器1102提供給I/P敏感器1104的約4mA信號，導(dǎo)致在氣動執(zhí)行信號管線1126上相應(yīng)的壓力，此壓力不足以移動全開位置的閥1109。若現(xiàn)場設(shè)備控制器1102將加到I/P敏感器1104的電流改變到約20mA，I/p敏感器1104在氣動執(zhí)行管線1126中產(chǎn)生約15psi(1.6kscm)的壓力，此壓力將閥1109推到全關(guān)閉的位置。通過設(shè)備控制器1102的操作在4mA 20mA范圍由控制加到I/P敏感器1104的輸入電流，可以達(dá)到閥1109在全開位置到全關(guān)位置之間的各種位置。
設(shè)備控制器1102通過總線120完成相當(dāng)高速的數(shù)字通訊，從過程控制網(wǎng)絡(luò)中的外部處理器或工作站接收控制信號并發(fā)送位置及壓力信號。設(shè)備控制器1102包括存儲器或內(nèi)存，儲存多個診斷試驗的結(jié)果，使正確的數(shù)據(jù)用于分析。如設(shè)備診斷那樣的診斷操作一般是以軟件程序碼的方式，且典型地在現(xiàn)場設(shè)備116的設(shè)備控制器1102中編碼、儲存和執(zhí)行。
閥1109的一個設(shè)備診斷估計可以通過設(shè)備控制器1102控制加到I/P敏感器1104的輸入電流的操作試驗閥1109全開到全閉的范圍來完成。在設(shè)備診斷估計中，借助于設(shè)備控制器1102來監(jiān)控輸入傳感器1120，I/P傳感器1124，和中繼器傳感器1128的輸出，未感知分別在氣動管線1118,1122和1126中的氣動壓力，用于分析。還監(jiān)控位置傳感器1116的輸出，以便檢測閥軸的位置與運動，這相應(yīng)于閥1109中閥栓的位置與運動。
在設(shè)備控制器1102的控制下，借助于加一個控制的變化的電流到I/P敏感器1104，在氣動管線1118,1122和1126中測量壓力，并利用位置傳感器1116測量閥軸1114的位置就能完成閥1109的試驗運行周期。以這種方式，設(shè)備控制器1102同時接受指示圖示位置上壓力的隨時間變化的電信號和閥1109的位置，并可以使用這些信號以任何已知的及希望的方式確定任何個數(shù)的設(shè)備診斷參數(shù)。
在一個實施例中，I/P敏感器1104和氣動中繼器1106使用一個診斷試驗步驟進(jìn)行測試，試驗過程是驅(qū)動I/P敏感器1104全開，測量提供給閥1109的全空氣壓力。當(dāng)I/P敏感器1104被驅(qū)動打開，I/P傳感器1124不斷地測量在氣動控制管線1122中的壓力。若壓力開始降低，試驗就指出空氣供應(yīng)不足。供氣充足度的進(jìn)一步診斷試驗是將振蕩的信號加到I/P敏感器1104中抽吸閥1109，使閥1109對于空氣供應(yīng)開始吸氣動作，然后使用I/P傳感器1124測量最大流量和最大壓力值。
如圖14所示，設(shè)備控制器1102包括一個微處理器1140，一個接口1142，一個總線隔離電路1144，許多存儲設(shè)備，如隨機存儲內(nèi)存(RAM)1146，一個只讀存儲器(ROM)1148和一個非揮發(fā)性隨機存儲內(nèi)存)NVRAM(1150，和許多信號處理設(shè)備如A/D轉(zhuǎn)換器1152，一個D/A轉(zhuǎn)換器1154和一個多路轉(zhuǎn)換器1156。接口1142(是總線連接器)是一個電路，它完成串口到并口的協(xié)議轉(zhuǎn)換和并口到串口的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并用于按照如現(xiàn)場總線那樣的任何希望的協(xié)議確定打包信息到數(shù)據(jù)包中?？偩€隔離電路1144是這樣的電路，它用于將總線120上的一具雙線介質(zhì)通訊信號轉(zhuǎn)換成通信信號的數(shù)字表述，并將從總線120收到的電源供應(yīng)送到設(shè)備控制器1102中的其他電路和I/P敏感器1104?？偩€隔離電路1144也可以在總線120上完成波形整形和發(fā)信號。
A/D轉(zhuǎn)換器1152被連接到如圖13的位置傳感器1116和壓力傳感器1120，1124和1128的位置和壓力變換器那樣的變換器上，也連到任何其他希望的模擬量輸入設(shè)備。雖然A/D轉(zhuǎn)換器具有有限的輸入通道，可以使用多路轉(zhuǎn)換器1156采樣許多信號。如果需要，多路轉(zhuǎn)換器1156可以包括一排放大器連接在信號線1117和1130之間(圖13)放大位置、壓力和其他提供的反饋信號。D/A轉(zhuǎn)換器1154對微處理器1140發(fā)出的信號完成數(shù)字到模擬量的轉(zhuǎn)換，再提供給如I/P敏感器1104那樣的模擬量器件。
實現(xiàn)冗余的一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的圖示實施例有利地為一個應(yīng)用雙線，環(huán)路供電，雙向數(shù)字通訊或其他通訊提供安全性，盡管功能單元故障仍維持控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行。當(dāng)過程控制線關(guān)閉的損失十分巨大時此優(yōu)越性在過程控制系統(tǒng)中是重要的。
當(dāng)然，具有冗余單元的過程控制網(wǎng)絡(luò)當(dāng)希望時在其他配置下也可以使用冗余性。此外，雖然具有冗余單元的過程控制網(wǎng)絡(luò)在這里描述成為包括變送器和定位器/閥設(shè)備，應(yīng)該注意此網(wǎng)絡(luò)能包括其他類型的設(shè)備，如具有如氣流調(diào)節(jié)器、風(fēng)扇那樣可動單元的設(shè)備，及控制器、橋接設(shè)備、傳感器等。
此外，雖然具有此處描述的冗余單元的過程控制網(wǎng)絡(luò)切換邏輯最好以儲存在過程控制設(shè)備或控制器中的軟件實現(xiàn)，若希望，也可以換成或加上用硬件、固件等來實現(xiàn)。若以軟件實現(xiàn)，此邏輯可以存在任何計算機的可讀記憶裝置中，如在一個磁盤上，在一個激光盤，或其他存儲介質(zhì)中，在一個計算機的RAM或ROM中等等。類似地，此軟件可以通過任意已知的或希望的提高方法，包括如電話線，因特網(wǎng)的通訊通道等提供給用戶或設(shè)備。因此，雖然本發(fā)明參照特定的例子進(jìn)行描述，此例只是作為說明而不是發(fā)明的限止而此，對該專業(yè)具有一般技巧的人很明顯，不背離本發(fā)明的精神與范圍可以對揭示的實施例作出改變、增加或刪減。
權(quán)利要求
1．一種以分布方式在過程中執(zhí)行過程控制功能的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括在所述過程中執(zhí)行通訊過程功能的通訊總線；通訊連接在所述通訊總線上的多個設(shè)備，每個設(shè)備在過程中執(zhí)行不同的過程功能；包括原始冗余單元和輔助冗余單元的一對冗余單元，它們適應(yīng)于在過程中執(zhí)行相同過程功能；和連接該冗余單元對的控制器，檢測該冗余單元之一的故障，在檢測到冗余單元之一的故障時操縱連接到過程控制系統(tǒng)中的另一個冗余單元。
2．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于通訊總線執(zhí)行雙線、雙向、環(huán)路供電通信協(xié)議。
3．如權(quán)利要求2所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于所述通訊協(xié)議是Fieldbus通訊協(xié)議。
4．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于所述通訊總線執(zhí)行四線通訊協(xié)議。
5．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于所述通訊協(xié)議執(zhí)行雙線、雙向、環(huán)路供電、數(shù)?；旌贤ㄓ崊f(xié)議。
6．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于原始冗余單元包含所述通訊總線，而輔助冗余單元包含另一通訊總線。
7．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于原始冗余單元包含多個設(shè)備之一，輔助冗余單元包含與所述通訊總線相連的另一個設(shè)備。
8．如權(quán)利要求7所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于原始冗余設(shè)備和輔助冗余設(shè)備是在過程中互相平行地操作連結(jié)的閥。
9．如權(quán)利要求7所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于原始冗余設(shè)備和輔助冗余設(shè)備是在過程中互相串行地操作連結(jié)的變送器。
10．如權(quán)利要求7所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于原始冗余單元包含執(zhí)行特定過程功能的第一功能模塊，輔助冗余單元包含執(zhí)行所述特定過程功能的第二功能模塊。
11．如權(quán)利要求10所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于第一和第二功能模塊位于多個現(xiàn)場設(shè)備的不同設(shè)備中。
12．如權(quán)利要求10所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制器包括與第一及第二功能模塊通信連結(jié)的另一功能模塊，它檢測第一和第二功能模塊之一的出錯。
13．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于原始冗余單元包括一環(huán)路，它包括與設(shè)備之一相連的通訊總線，輔助冗余單元包括一冗余環(huán)路，它包括與冗余設(shè)備相連的冗余通訊總線。
14．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，它進(jìn)一步包括在與冗余單元相關(guān)的功能單元中運行的控制邏輯，該控制邏輯適合于檢測冗余單元之一的運行狀態(tài)，并將運行狀態(tài)通告給控制器。
15．如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于控制器包括一個檢測器，檢測從冗余單元對之一來的通訊的終止，以此檢測該冗余單元對之一的故障。
16．一種過程控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含一個環(huán)路控制器，它包括執(zhí)行雙線、雙向、環(huán)路供電數(shù)字通訊協(xié)議的控制邏輯；包括一原始通訊環(huán)路及一冗余通訊環(huán)路的與所述環(huán)路控制器耦合的一對雙向通訊環(huán)路冗余對；與雙向通訊環(huán)路耦合的多個設(shè)備。
17．如權(quán)利要求16所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，多個設(shè)備包括邊到原始通訊環(huán)路的第一冗余設(shè)備和連到冗余通訊環(huán)路的第二冗余設(shè)備。
18．如權(quán)利要求16所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，多個設(shè)備之一連到原始通訊環(huán)路和冗余通訊環(huán)路。
19．如權(quán)利要求16所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于環(huán)路控制器執(zhí)行Fieldbus通訊協(xié)議。
20．一種過程控制系統(tǒng)，包含一個環(huán)路控制器，它包括執(zhí)行雙線、雙向、環(huán)路供電數(shù)字通訊協(xié)議的控制邏輯；連到所述環(huán)路控制器的雙向通訊環(huán)路；和一個冗余功能單元對，它包括一個連結(jié)所述通訊環(huán)路的原始功能單元和一個連結(jié)所述通訊環(huán)路的冗余功能單元。
21．一種配置過程控制系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)以分布方式完成過程中的控制功能，其特征在于，該方法包括下列步驟提供在過程控制系統(tǒng)中執(zhí)行通訊過程功能的通訊總線；將多個設(shè)備通訊連結(jié)在所述通訊總線上，使每個設(shè)備在過程中執(zhí)行不同的過程功能；使用包括原始冗余單元和輔助冗余單元的冗余單元對，它們在過程中執(zhí)行同樣的過程功能；和檢測冗余單元之一的故障；和響應(yīng)于該冗余單元之一的故障，實現(xiàn)與過程控制系統(tǒng)中另一冗余單元的操作連接。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于原始冗余單元包含所述通訊總線，而輔助冗余單元包含另一通訊總線，且進(jìn)一步包括將所述通訊總線和另一通訊總線連到同一設(shè)備上的步驟。
23．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于原始冗余單元包含多個設(shè)備之一，輔助冗余單元包含另一設(shè)備，并進(jìn)一步包括將多個設(shè)備之一和另一設(shè)備連到所述通訊總線的步驟。
24．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于原始冗余單元包含執(zhí)行特定過程功能的第一功能模塊，輔助冗余單元包含執(zhí)行該特定過程功能的第二功能模塊，并進(jìn)一步包括在過程的過程控制環(huán)路中交替地與第一或第二功能模塊通訊連接的步驟。
25．如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將第一或第二功能模塊放置在多個現(xiàn)場設(shè)備的不同設(shè)備中的步驟。
26．如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將控制器功能模塊連到第一和第二功能模塊上，檢測第一和第二功能模塊之一的故障的步驟。
27．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于原始冗余單元包含一個包括連到設(shè)備之一的通訊總線的原始環(huán)路，而輔助冗余單元包含一個連到冗余設(shè)備的冗余通訊總線的冗余環(huán)路，且另外包括在特定時刻在過程控制系統(tǒng)中操作上僅連結(jié)到原始環(huán)路或冗余環(huán)路之一的步驟。
全文摘要
在雙線、環(huán)路供電、雙向數(shù)字通訊環(huán)境中功能單元使用選擇的冗余連結(jié)和選擇的冗余功能單元互相連結(jié)。冗余功能單元和冗余連結(jié)在原始過程環(huán)路單元故障時,平滑地從一個原始過程環(huán)路單元操作與過渡到第二個過程環(huán)路單元。使用現(xiàn)場設(shè)備的冗余對或具有原始總線和冗余總線的冗余總線對可選擇地實現(xiàn)冗余。在第一種情況使用如單個通訊環(huán)路那樣的單給通訊介質(zhì),但應(yīng)用如現(xiàn)場設(shè)備那樣的冗余功能單元選擇地實現(xiàn)冗余,所以當(dāng)功能單元故障時得以恢復(fù),而通訊介質(zhì)故障時則不能。在第二種情況,除了使用冗余設(shè)備以外還使用通訊介質(zhì)的冗余組來實現(xiàn)冗余,所以設(shè)備故障和通訊介質(zhì)故障均得以恢復(fù)。在第三種情況,使用通訊介質(zhì)的冗余組但使用單個設(shè)備選擇地實現(xiàn)冗余,所以對故障的通訊介質(zhì)得以恢復(fù),但對故障的設(shè)備則不能。
文檔編號G06F15/177GK1232556SQ97198540
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H·A·伯恩斯, B·H·拉森, L·K·布朗 申請人:費希爾控制國際公司