專利名稱：在高速以太網(wǎng)上的面向塊控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。尤其是，本發(fā)明涉及一個在高性能網(wǎng)絡環(huán)境中的開放、交互操作的分布式控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自動控制系統(tǒng)對于諸如工藝控制、離散控制、批處理控制(組合的過程和離散)、機床控制、傳動控制以及機器人等的工業(yè)的所有部分是決定性的。在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中強烈需要的是開發(fā)和使用″開放″和″交互操作″的系統(tǒng)。開放、交互操作的系統(tǒng)允許由不同的制造商制造的控制設備在相同的系統(tǒng)中相互通信和工作，而無需自定義編程?！艾F(xiàn)場總線()”是用于描述這些控制系統(tǒng)的通常的術(shù)語。
朝著開放、交互操作的現(xiàn)場總線系統(tǒng)方向的變化是由設備制造商和終端用戶推動的。制造商想要開放、交互操作的系統(tǒng)，因為它允許他們在降低開發(fā)費用的同時去銷售他們的產(chǎn)品給更多的終端用戶。終端用戶想要開放、交互操作的系統(tǒng)，以便可以不考慮設備制造商而選擇最好的控制設備用于他們的系統(tǒng)。
也有一種傾向?qū)⒖刂乒δ芊植歼M入智能設備之內(nèi)。在集中控制系統(tǒng)中，中央控制器實施所有的控制功能。
在分布式控制系統(tǒng)中，工作在系統(tǒng)中多于一個的控制裝置在控制功能中承擔能動的作用。雖然集中和分布兩者都使用通信網(wǎng)絡，分布式系統(tǒng)通過降低或者消除在控制設備和人機接口之間的集中控制器的功能來降低整個系統(tǒng)的成本。
為了使分布式控制系統(tǒng)真正地開放和交互操作，通信系統(tǒng)和用戶層(在通信系統(tǒng)層之上)兩者都必須進行規(guī)定和開放。一種真正的開放和交互操作的分布式系統(tǒng)是由現(xiàn)場總線基金會(FieldbusFOUNDATION)提供的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線用戶層被例如在1997，8月21日申請的，標題為″面向塊的控制系統(tǒng)″的美國專利申請08/916,178(此后稱為″’178″申請)中描述，并且轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
由基金會現(xiàn)場總線使用的現(xiàn)場總線(H1)31.25千位/秒低速在國際電氣技術(shù)委員會(IEC)標準IEC 61158部分描述，因此其整體合并在此處作為參考。
雖然基金會現(xiàn)場總線提供開放和交互操作解決H1控制能力的方法，在一般地被稱為現(xiàn)場總線″骨干″網(wǎng)的很高性能的通信系統(tǒng)上存在巨大的需要，即提供一種開放和交互操作解決分布式控制的方案。骨干網(wǎng)從例如H1及其他控制設備的低速控制設備中集合信息，用于監(jiān)控和超前控制應用。該骨干網(wǎng)也需要綜合控制信息進入到企業(yè)的管理信息系統(tǒng)(MIS)之內(nèi)。
一種廣泛接受的、用于高性能通信信令的標準是以太網(wǎng)。由Xerox在20世紀70年代發(fā)明的以太網(wǎng)已經(jīng)從每秒10兆位的起始速度發(fā)展到每秒100兆位，每秒十億比特及其更高。以太網(wǎng)信令在電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)標準(IEEE 802.3)中規(guī)定。以太網(wǎng)信令是由因特網(wǎng)使用的基礎技術(shù)。網(wǎng)際協(xié)議是由因特網(wǎng)(IETF)工程工作小組規(guī)定的，并且作為征求意見(RFC)說明規(guī)范頒布。
雖然以太網(wǎng)/因特網(wǎng)技術(shù)提供基本服務用于高性能現(xiàn)場總線骨干網(wǎng)，但是它不提供在分布式控制系統(tǒng)中需要使用的所有功能。尤其是，IEEE和IETF不具有適當?shù)拈_放和交互操作，來解決綜合分布式控制系統(tǒng)(例如H1子系統(tǒng))、系統(tǒng)時間同步和故障容忍的方法。
由諸如Open DeviceNetTMVendor Association，Inc.(″以太網(wǎng)/IP″)和PROFIBUS International(″PROFINet″)機構(gòu)使用的從低速現(xiàn)場總線傳送信息給以太網(wǎng)的方法是不宜在高性能環(huán)境中使用，因為他們在以太網(wǎng)幀中壓縮低速協(xié)議數(shù)據(jù)分組。被稱為″隧道″的這種方法在集中控制系統(tǒng)中是常用的，但是對于高性能分布式控制系統(tǒng)是不適當?shù)摹ｋm然更加簡化了規(guī)定，但是在連接于現(xiàn)場總線骨干網(wǎng)的設備上隧道將要求太多傳送控制協(xié)議(TCP)連接，使用結(jié)果中斷處理和存儲器開銷。此外，隧道浪費許多的以太網(wǎng)帶寬，因為低速協(xié)議數(shù)據(jù)分組(例如H1數(shù)據(jù)分組)是很小的，并且在多數(shù)情況下開銷的以太網(wǎng)信息包將大于低速協(xié)議數(shù)據(jù)分組。
連接于以太網(wǎng)的設備必須有一個用于時間戳和功能塊程序表(控制)目的的一般常識的系統(tǒng)時間。對于高性能分布式控制，系統(tǒng)時間常常需要精確到在小于1毫秒之內(nèi)。迄今為止，使用商業(yè)現(xiàn)貨(commercial off-the-shelf，COTS)的以太網(wǎng)設備沒有已知的方法提供這種精確度。
高性能分布式控制應用，需要以太網(wǎng)通信媒質(zhì)和連接于以太網(wǎng)的設備的故障容忍。沒有已知的方法使用標準COTS以太網(wǎng)設備提供需要的故障容限。在提供需要的故障容忍中所有的在先的嘗試需要專門的以太網(wǎng)/因特網(wǎng)電子硬件和/或軟件，和/或增加給以太網(wǎng)的非標準的″冗余管理″設備。
因此，需要一種開放、交互操作的用于在高性能現(xiàn)場總線骨干網(wǎng)中綜合分布式控制系統(tǒng)及其他控制設備的優(yōu)化方案。
也需要一種開放、交互操作的方案，提供適用于經(jīng)高性能現(xiàn)場總線骨干網(wǎng)交互操作的分布式控制操作的系統(tǒng)時間同步。
也需要一種開放、交互操作的方案，提供故障容忍的高性能現(xiàn)場總線骨干網(wǎng)以及連接于現(xiàn)場總線骨干網(wǎng)的故障寬容的設備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服如上所述的缺點，并且提供一個新的和改進的分布式控制系統(tǒng)，它在例如標準COTS以太網(wǎng)和因特網(wǎng)技術(shù)的高性能骨干網(wǎng)上運行。
本發(fā)明的一種在分布式控制系統(tǒng)中的裝置，包括一個第一網(wǎng)絡接口，用于和具有通信協(xié)議棧的第一網(wǎng)絡通信；和一個設備訪問代理代理，用于將所述分布式控制系統(tǒng)的至少一種傳統(tǒng)格式業(yè)務服務消息映射為與所述通信協(xié)議棧兼容的網(wǎng)絡格式消息，所述網(wǎng)絡格式消息被傳輸?shù)脚c所述第一網(wǎng)絡相連的第二裝置，其中所述裝置和所述第二裝置各自控制在所述分布式控制系統(tǒng)中所執(zhí)行的動作。
本發(fā)明的一種開放、交互操作的分布式控制系統(tǒng)，包括至少一個具有通信協(xié)議棧的第一網(wǎng)絡；和至少一個與所述至少一個第一網(wǎng)絡通信的設備，所述至少一個設備具有一個訪問代理，用于將所述開放交互操作的分布式控制系統(tǒng)的至少一個傳統(tǒng)格式服務消息映射為與所述通信協(xié)議棧兼容的網(wǎng)絡格式消息，所述網(wǎng)絡格式消息被傳輸?shù)脚c所述第一網(wǎng)絡相連的第二設備，其中所述設備和所述第二設備各自控制在所述分布式控制系統(tǒng)中所執(zhí)行的動作。
本發(fā)明的實施例總起來說在此處被稱為″高速以太網(wǎng)″(HighSpeed Ethernet，HSE)。HSE包含由’178申請和FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線(Fieldbus)規(guī)范(它被作為參考集1列出在附錄A中)，并且進一步包含在其支持的規(guī)范中描述的三個新的協(xié)議，它被作為參考集2列出在附錄A中。尤其是，涉及在此處新的協(xié)議如HSE現(xiàn)場設備訪問(FieldDevice Access)FDA代理(Agent)，HSE系統(tǒng)管理內(nèi)核(SystemManagement Kernel，SMK)以及HSE局域網(wǎng)冗余實體(LAN RedundancyEntity，LRE)。
HSE FDA代理允許由H1設備使用的系統(tǒng)管理(SM)和現(xiàn)場總線消息規(guī)范(FMS)服務，經(jīng)以太網(wǎng)使用標準因特網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(UDP)和傳送控制協(xié)議(TCP)被傳送。這允許在以太網(wǎng)上的HSE設備去與經(jīng)″HSE鏈接設備″連接的H1設備通信。HSE FDA代理也被在HSE設備或者HSE鏈接設備中的局部功能程序塊應用過程(FBAP)使用。因此，HSE FDA代理能使通過公用接口遠程操作去訪問HSE設備和/或H1設備。
HSE SMK確保在每個設備中的系統(tǒng)級功能被協(xié)調(diào)。這些功能包含系統(tǒng)定時、從網(wǎng)絡添加和移去設備，以及功能塊程序表。HSE SMK使用起保持本地時間作用的本地時鐘，并且保持在本地時間和由時間服務器提供的系統(tǒng)時間之間、在由時間同步分類(見在此處附錄A的參考集1)指定的值內(nèi)的差值。本地時間用于為事件加時間戳，使得來自設備的事件消息可以通過該系統(tǒng)相關(guān)。本地時間也用于局部功能塊執(zhí)行的程序表。
HSE故障容忍通過操作的透明度獲得，即冗余操作對于HSE應用是看不見的。這是必要的，因為HSE應用需要與標準MIS應用共存。HSE LRE協(xié)調(diào)冗余功能。每個HSE設備周期性地發(fā)送一個表示其網(wǎng)絡視圖的診斷消息，給在其以太網(wǎng)接口(通常被稱為以太網(wǎng)″端口″)上的其它HSE設備。每個設備使用該診斷消息去保持網(wǎng)絡狀態(tài)列表(NST)，用于故障檢測和以太網(wǎng)發(fā)送端口選擇。沒有中央″冗余管理″。代之以，每個設備確定其應該如何運轉(zhuǎn)響應其檢測的故障。


從下面參考附圖的說明中本發(fā)明的特點和優(yōu)點對那些本領域技術(shù)人員來說將變得顯而易見，其中圖1是一個方框圖，示出一個按照本發(fā)明的原理的高性能分布式控制系統(tǒng)示范的實施例；圖2是一個方框圖，示出一個按照本發(fā)明的原理的高性能分布式控制系統(tǒng)的設備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示范的實施例；圖3是一個方框圖，示出一個在圖2中示出的設備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高速以太網(wǎng)管理信息數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)的示范的實施例；圖4是一個方框圖，示出一個在圖2中示出的設備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示范的實施例，示出高速以太網(wǎng)現(xiàn)場設備訪問代理的各種各樣的本機接口；圖5是一個方框圖，示出一個按照本發(fā)明的原理，在時間同步過程中涉及的高性能分布式控制系統(tǒng)的有關(guān)的部分的示范的實施例；圖6是一個流程圖，說明按照本發(fā)明的原理的一個實施例的時間同步過程的示范的實施例；圖7A是一個時序圖，說明按照本發(fā)明的原理的一個實施例，在時間同步過程之前開始時間偏移量；圖7B是一個時序圖，說明按照本發(fā)明的原理的一個實施例，在時間同步過程之后開始時間偏移量；和圖8是一個方框圖，示出一個按照本發(fā)明的原理的高性能分布式控制系統(tǒng)的冗余拓撲結(jié)構(gòu)的示范的實施例。
具體實施例方式
為簡單起見和說明的目的，通過主要地參考示范的實施例描述本發(fā)明的原理，尤其是以在以太網(wǎng)中特定的分布式控制系統(tǒng)示范的實施。然而，一個普通的本領域技術(shù)人員將不難理解，同樣的原理同樣適用于和可以實施于其他的使用任何其他的高速網(wǎng)絡的實施和設計中，而且在這樣的改進內(nèi)的任何這樣的變化不脫離本發(fā)明的實際的精神和范圍。
AHSE分布式控制系統(tǒng)概述參考圖1，示出了一個高性能控制系統(tǒng)100的例子，這里標準COTS以太網(wǎng)設備130用來相互連接HSE鏈接設備110和HSE設備120到以太網(wǎng)140。HSE鏈接設備110依次連接使用H1網(wǎng)絡150的H1設備170。諸如個人計算機(PC)160的其他類型的設備也可以連接到以太網(wǎng)140。
實際的以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和COTS以太網(wǎng)設備配置將取決于特定的應用需要。然而，可以使用除在圖1示出的示范的拓撲結(jié)構(gòu)以外的任何使用標準COTS以太網(wǎng)設備的以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)或者配置，并且這樣的變化將在不脫離本發(fā)明的實際的精神和范圍的這樣的改進之內(nèi)。
A.1HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照本發(fā)明的原理的一個實施例的HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在圖2中示出。HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被設計成能滿足分配制造和工藝控制環(huán)境的高性能的實用需求，例如在高速以太網(wǎng)中。允許由不同的賣主根據(jù)各種各樣的控制和制造的測量設備而建造去分配自動化系統(tǒng)。HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過已用于H1和HSE環(huán)境兩者的特定地結(jié)構(gòu)部件描述。
在下文中公開的引用各種各樣的協(xié)議和標準被在此處的附錄A中列出的手冊和規(guī)范中詳細描述，它來自現(xiàn)場總線FOUNDATION是可用的，一個非營利組織總部設立在德克薩斯州的奧斯汀，并且作為本發(fā)明所有的申請日期相應的常用型，因此所有的這些合并在其整體中作為引用?，F(xiàn)在將更詳細地描述HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(在圖2中示出的)的每個結(jié)構(gòu)部件。
A.2功能塊應用過程虛擬現(xiàn)場設備(FBAP VFD)應用過程(AP)是一個由國際標準組織(ISO)定義的開放系統(tǒng)相互連接(OSI)參考模型(RM)術(shù)語，ISO 7498，去描述在單個設備中駐留的分布式應用部分。在下文說明書中使用的該術(shù)語是指在設備內(nèi)實施相關(guān)功能設置諸如功能塊過程、網(wǎng)絡管理和系統(tǒng)管理的實體。
虛擬現(xiàn)場設備(virtual field device，VFD)是一個由現(xiàn)場總線基金會(見此處在附錄A中列出的參考集1的現(xiàn)場總線消息規(guī)范FF-870)定義的術(shù)語。VFD使AP的參數(shù)對于通信網(wǎng)絡是直觀的。
按照本發(fā)明的原理，HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(在圖2中示出的)支持功能塊應用過程虛擬現(xiàn)場設備(FBAP VFD)260。FBAP VFD 260提供一個公用的裝置，用于限定自動化系統(tǒng)的輸入、輸出、算法、控制變量和行為。在一個設備中為了滿足一個應用特定的需要可能有多個FBAP VFD 260，例如如圖所示n個FBAP VFD。FBAP VFD可以或者可以不必存在于一個HSE設備或者HSE鏈接設備中。如果存在HSE FBAP VFD，該設備時常也被稱為″HSE現(xiàn)場設備.″。然而在下面的說明書中，即使未使用術(shù)語″HSE現(xiàn)場設備″，將假設為FBAP VFD存在于HSE設備和HSE鏈接設備中。
一個標準的功能塊分類和參數(shù)的設置是由現(xiàn)場總線基金會限定的，例如，此處在附錄A中列出的一個或更多詳細說明。控制設備的制造商可以添加他們自己的參數(shù)到參數(shù)的標準設置中，去作為新的需要和作為技術(shù)發(fā)展提供附加功能塊限定。可以找到功能塊分類和參數(shù)的更詳細的說明，例如在附錄A此處的參考集1中FF-890列出的功能塊應用過程部分1說明。
A.3H1接口附著于HSE鏈接設備110(在圖1中示出的)的每個H1網(wǎng)絡150需要一個H1接口240。橋路250用來直接在同一的HSE鏈接設備110(在圖1中示出的)內(nèi)其他的H1接口240之間傳送H1網(wǎng)絡消息。一個HSE鏈接設備可以包括，例如一個包含至少一個H1接口240的HSE設備120(在圖1中示出)。
在現(xiàn)場總線消息詳細說明FF-870、現(xiàn)場總線訪問底層詳細說明FF-821、數(shù)據(jù)鏈路服務和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議詳細說明FF-821，822，以及用于橋路操作附錄的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議詳細說明FF-806中可以找到H1接口的更詳細的說明，所有的這些在此處附錄A的參考集1中列出。
A.4以太網(wǎng)/因特網(wǎng)組HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用標準COTS以太網(wǎng)/因特網(wǎng)(″組″)280用于在以太網(wǎng)140上和其他的設備通信。由HSE使用的以太網(wǎng)/因特網(wǎng)組由分配的主機控制協(xié)議(DHCP)285、簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議(SNTP)286以及簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)287構(gòu)成，它們依次使用傳送控制協(xié)議(TCP)283和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(UDP)284服務。
TCP 283和UDP 284依次使用標準網(wǎng)際協(xié)議(IP)282服務，其使用標準IEEE以太網(wǎng)802.3媒體存取控制(MAC)和物理(PHY)層281。在281中的PHY層連接于一個或多個以太網(wǎng)140。
因特網(wǎng)DHCP、SNTP、SNMP、TCP、UDP以及IP協(xié)議是由Internet工程任務組征求意見(RFC)說明規(guī)范規(guī)定的。IETF RFC此處在附錄B中列出，因此通過引用在它們的全部而結(jié)合于此。電氣與電子工程師協(xié)會標準(IEEE 802.3)描述以太網(wǎng)MAC和PHY層，因此所有的這些整體引用結(jié)合于此。每個層和協(xié)議的具體的使用在此處附錄A的參考集2 FF-586列出的以太網(wǎng)存在規(guī)范中詳述。
通過保留以太網(wǎng)/因特網(wǎng)組的標準使用，HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確保在不同的組制造商之中的互操作性。
A.5HSE管理代理再次參考圖2，通常HSE管理代理270使用DHCP 285用于獲得一個用于該設備的IP地址，使用SNTP 286用于保持和時間服務器的時間同步，以及使用SNMP 287用于管理TCP、UDP和IP協(xié)議層。HSE管理代理定期的使用DHCP、SNTP和SNMP，并且遵守為那些熟悉的網(wǎng)際協(xié)議所知的標準操作規(guī)程，例如按照IEEE 802.3。
HSE管理代理使用SNMP 287用于管理Internet層協(xié)議。具體地，HSE管理代理270提供在RFC 1213和RFC 1643(見附錄B)中由SNMPv2定義的以太網(wǎng)訪問標準管理信息庫II(MIB II)，以及也通過此處附錄A的參考集2 FF-586列出的以太網(wǎng)存在定義的。
按照本發(fā)明的一個實施例，為了遵守ISO標準，HSE管理信息數(shù)據(jù)庫(HSE MIB)271包括一個標準部分和一個HSE特定部分，標準部分是MIB-II的第二版，在RFC 1213定義，特定部分(它是在專用企業(yè)水平上定義的)。為理解方便起見，HSE MIB 271的詳細結(jié)構(gòu)在圖3中示出。HSE MIB 271的標準化結(jié)構(gòu)提供了概貌，允許互操作使得設備作為性質(zhì)良好的節(jié)點。
BHSE內(nèi)核再次參考圖2，HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的HSE內(nèi)核部分200標識了按照本發(fā)明的原理的新的HSE能力。HSE內(nèi)核200提供需要實現(xiàn)高性能分布式控制基本的能力和集成，使用HSE設備、HSE鏈接設備和標準COTS以太網(wǎng)設備。
B.1網(wǎng)絡管理代理虛擬現(xiàn)場設備該HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含一個用于每個HSE設備和每個HSE鏈接設備的網(wǎng)絡管理代理VFD(NMA VFD)210。NMA VFD提供用于從網(wǎng)絡配置、控制和監(jiān)控HSE設備及HSE鏈接設備操作的手段。
管理信息被包含在網(wǎng)絡管理信息庫(NMIB)213和系統(tǒng)管理信息庫(SMIB)212中。利用NMA VFD的配置管理能力，參數(shù)被設置在NMIB和SMIB中去支持在該系統(tǒng)中與其他設備的數(shù)據(jù)交換。這個過程包括定義在設備之間的傳送，然后選擇期望的通信特性去支持該傳送。
NMA VFD還可以被配置為收集性能和相關(guān)的故障信息，以用于選擇傳送。這個信息在運行時間期間是可訪問的，這使查看和分析設備通信的性狀成為可能。如果檢測到問題，性能需要被優(yōu)化或裝置通信需要被改變，那么當該設備仍然運行時，可以動態(tài)地實施重新配置。
NMA VFD參數(shù)和性狀，進一步在此處附錄A的參考集2中FF-803列出的HSE網(wǎng)絡管理規(guī)范中定義。
B.2HSE現(xiàn)場設備訪問代理現(xiàn)在將參考圖4描述HSE現(xiàn)場設備訪問(FDA)代理，除了示出的用于HSE現(xiàn)場設備訪問(FDA)代理290的局部交互作用(291-299)之外，它是與圖2的圖一樣的?，F(xiàn)在將通過這些局部交互作用描述HSE FDA代理的操作。
HSE FDA代理290的一個主要功能是映射已經(jīng)定義用于FoundationTM現(xiàn)場總線系統(tǒng)管理(SM)(見此處附錄A的參考集1 FF-880列出的)的服務和現(xiàn)場總線消息規(guī)范(FMS)(見此處附錄A的參考集1 FF-870列出的)往返于標準的COTS以太網(wǎng)/因特網(wǎng)280部件。
通常，HSE FDA代理290模擬由Foundation現(xiàn)場總線定義的映射現(xiàn)場總線訪問底層規(guī)范(見此處附錄A的參考集1 FF-875列出的)。HSEFDA代理290提供公用接口，其使遠程應用能夠訪問在H1網(wǎng)絡150和HSE網(wǎng)絡140上任何類別的設備。
因此，按照本發(fā)明的原理的HSE FDA代理290，允許根據(jù)由特定的終端用戶應用的需要系統(tǒng)，其中控制布在各種各樣的HSE設備和/或H1設備以及任何其組合的系統(tǒng)中。
B.2.1HSE FDA代理本機接口B.2.1(a)本機接口291TCP-TCP本機接口291允許HSE FDA代理290使用TCP 283去發(fā)送和/或接收FMS消息。TCP 283提供作為套接口(socket)的接口，經(jīng)由它HSE FDA代理290提交包含一個或多個消息的緩沖器。
B.2.1(b)本機接口292UDP-UDP本機接口292允許HSE FDA代理290使用UDP 284去發(fā)送和/或接收SM消息和某些FMS消息。UDP 284提供作為套接口的接口，經(jīng)由它HSE FDA代理290提交包含一個或多個消息的緩沖器。
B.2.1(c)本機接口293HSE NMIB-HSE FDA代理290提供一個本機接口給在NMA VFD 210中的HSE NMIB 213。HSE FDA代理經(jīng)HSENMIB本機接口293能夠提供配置和只讀存取給NMA VFD 210。
B.2.1(d)本機接口294HSE SMIB-HSE FDA代理290提供一個本機接口給在NMA VFD 210中的HSE SMIB212。HSE FDA代理290經(jīng)HSESMIB本機接口294能夠提供配置和只讀存取給NMA VFD 210。
B.2.1(e)本機接口295HSE SMK-HSE FDA代理290經(jīng)由HSE SMK本機接口295傳送HSE SM服務往返于HSE SMK 220。按照本發(fā)明的一個實施例，在HSE鏈接設備中，HSE SMK 220在本地與每個H1接口240通信，并且不使用HSE FDA代理290。
B.2.1(f)本機接口296HSE LRE-HSE FDA代理290經(jīng)由HSELRE本機接口296保持與該設備的HSE LAN冗余實體(HSE LRE)230本地連接。稍后將更詳細地描述HSE LRE本機接口296的使用。
B.2.1(g)本機接口297H1接口-僅有HSE鏈接設備的HSE FDA代理290與H1接口(s)240進行交互以訪問H1網(wǎng)絡150。H1本機接口經(jīng)由HSE SMK 220提供HSE FDA代理FMS和SM訪問。
HSE FDA代理轉(zhuǎn)發(fā)FMS請求，并且經(jīng)由H1接口(s)240將從TCP交互作用291和UDP交互作用292接收的回覆給H1網(wǎng)絡150。HSE FDA代理也轉(zhuǎn)發(fā)H1請求，并且使用TCP交互作用291和UDP交互作用292經(jīng)由H1接口交互作用297將從H1網(wǎng)絡接收的回覆給以太網(wǎng)140。
因此，在H1網(wǎng)絡中以和任何其他應用程序同樣的方法，HSE FDA代理290通常將與H1網(wǎng)絡的服務相互作用。
B.2.1(h)本機接口298FBAP VFD-HSE FDA代理290使用FBAPVFD本機接口298去訪問FBAP VFD 260。FMS和SM消息兩者都使用FBAPVFD本機接口298進行通信。
B.2.1(i)本機接口299HSE管理代理-HSE FDA代理290保持HSE管理代理本機接口299和HSE管理代理270去訪問某些與其UDP/TCP連接有關(guān)的服務質(zhì)量參數(shù)。由HSE FDA代理290使用的這些參數(shù)對于特定的UDP/TCP實施是局部的。
B.2.2HSE FDA代理輸入/輸出操作再次參考圖4，在系統(tǒng)配置期間，HSE SMK 220使用本機接口295用于添加HSE和/或H1設備給分布式系統(tǒng)，以及從該分布式系統(tǒng)刪除HSE和/或H1設備。一個SM消息的交換用來標識在該系統(tǒng)中新的(或者去刪除)HSE和/或H1設備。
例如，在新的HSE設備接收一個網(wǎng)際協(xié)議(IP)地址以后，該新的HSE設備周期性地公布其在以太網(wǎng)140上的存在。HSE鏈接設備也公布在其H1網(wǎng)絡150上檢測的變化。以同樣的方法，HSE SMK使用本機接口295去確定功能塊″tags″的位置，功能塊″tags″可以存在于HSE設備和/或H1設備中。
在系統(tǒng)輸入/輸出操作期間，一般在連接到以太網(wǎng)140的個人計算機(PC)上執(zhí)行的數(shù)據(jù)獲取、顯示和監(jiān)視控制功能將需要在連接到H1網(wǎng)絡150的HSE設備、HSE鏈接設備和/或H1設備中訪問數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存取一般使用″客戶/服務器″和/或″發(fā)行者/用戶″消息實施。這些數(shù)據(jù)存取方式對那些精通現(xiàn)場總線消息的人是公知的。
對于客戶/服務器和發(fā)行者/用戶消息在HSE設備和/或HSE鏈接設備中開始或者終止，HSE FDA代理290在本機接口291上發(fā)送和接收以太網(wǎng)140消息，如先前如上所述提供適當?shù)挠成浣oFMS服務，并且使用本機接口293、294、296、298和299分別去訪問HSE NMIB 213、HSE SMIB212、HSE LRE 230、FBAP VFD(s)260以及HSE管理代理270。如先前描述的，因為有其自己的SM消息，HSE SMK 220未被訪問。
對于客戶/服務器、發(fā)行者/用戶和/或SM消息在H1網(wǎng)絡150中開始或者終止，HSE FDA代理290使用本機接口297去從H1接口(s)240發(fā)送和/或接收消息。
如果來自H1網(wǎng)絡150的消息是到/來自以太網(wǎng)140，以及被客戶/服務器或者發(fā)行者/用戶消息，HSE FDA代理290使用FMS映射和本機接口291。如果到/從以太網(wǎng)140的H1消息是SM消息，HSE FDA代理使用SM映射和本機接口292。
如果到/從H1網(wǎng)絡150的消息是到/來自HSE鏈接設備，以及是客戶/服務器或者發(fā)行者/用戶消息，HSE FDA代理將使用FMS映射和適當?shù)谋緳C接口(除本機接口291和292之外)。
如果到/從H1網(wǎng)絡150的消息是到/來自HSE鏈接設備，以及是SM消息，HSE FDA代理將使用SM映射和適當?shù)谋緳C接口(除本機接口291和292之外)。
B.3HSE系統(tǒng)管理內(nèi)核再次參考圖2，HSE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含一個用于每個HSE設備和/或每個HSE鏈接設備的系統(tǒng)管理內(nèi)核(SMK)220。HSE SMK 220保持信息和協(xié)調(diào)水平，提供用于FBAP VFD 260的執(zhí)行和互操作的綜合網(wǎng)絡環(huán)境。
如先前討論的，HSE SMK 220在設備運行之前提供某些基本系統(tǒng)信息的例行配置。例如為此目的，HSE SMK通過一組預先確定的階段啟動接受一個設備。在這個過程期間，系統(tǒng)配置設備確認在網(wǎng)絡上存在該設備，并且配置基本信息進入HSE SMIB 212。一旦該設備接收它的基本配置信息，它的HSE SMK使得其至一個操作的狀態(tài)，而不會影響在該網(wǎng)絡上其他設備的操作。也能使HSE FDA代理290使用在該設備中的其他功能。
B.3.1HSE SMK系統(tǒng)時間同步現(xiàn)在參考圖5，在HSE鏈接設備110中的HSE管理代理270使用SNTP286去與在時間控制500中的遠程SNTP服務器510相互作用，去使在HSEMIB 271’中的系統(tǒng)時間501’與在時間控制500中的系統(tǒng)時間501同步。當系統(tǒng)時間501’是和系統(tǒng)時間501同步時，在HSE MIB中的同步標識(F)510被由標準SNTP協(xié)議設置為真。使用標準COTS以太網(wǎng)設備130，時間控制和HSE鏈接設備被相互連接。這個同步協(xié)議被在IETF RFC 2030中定義。
無論什么時候，在HSE SMIB 212中的本地時間502可以或者可以不必與系統(tǒng)時間501’同步。為了協(xié)調(diào)在分布式系統(tǒng)中的功能塊的執(zhí)行，以及為了提供恰當?shù)墓δ軌K警告的時間戳，本地時間502必須與系統(tǒng)時間501’同步。
所有的功能塊與在HSE SMIB 212中的Macrocycle的起始″To″520同步。在系統(tǒng)中的每個HSE鏈接設備和HSE設備具有相同的值To。當HSESMK 220在本地發(fā)出一個功能塊(FB)起始221消息用于程序塊時，執(zhí)行功能塊?；趤碜訲o的偏移量產(chǎn)生每個FB起始消息。
在macrocycle的起始To，以及對每個程序塊的偏移量是以本地時間502為基準的。因此每個設備必須調(diào)整其本地時間502以等于用于系統(tǒng)系統(tǒng)時間501’，以正常工作。然而，因為每個設備有一個非理想的硬件時鐘振蕩器，本地時間502將最終漂移出與系統(tǒng)時間501’的同步。
圖6示出按照本發(fā)明的一個實施例用于校正漂移的過程。尤其是，當在步驟601 macrocycle結(jié)束時，HSE SMK 220將在步驟602測試在HSEMIB 271’中的同步標識510。如果F 510不為真，該過程在步驟606結(jié)束。
另一方面，如果在上述的步驟602確定F 510成立，在步驟603 HSESMK 220計算在本地時間502和系統(tǒng)時間501’之間的偏移量，并且在步驟604設置本地時間502等于系統(tǒng)時間501’，并且在期望時間同步分類中指定的值內(nèi)(見此處附錄A的參考集1)。
在步驟605，一旦本地時間502同步，開始時間(To)520(在圖5中示出的)被使與其他設備的開始時間一致。
現(xiàn)在參考圖7A和7B描述開始時間校準。圖7A示出設備的macrocycle偏移量，例如設備N，在時間同步之前，其中偏移量720表示在HSE設備N中必須進行校正的誤差。如圖所示，HSE設備N現(xiàn)在具有正確的本地時間，但是系統(tǒng)Macrocycle 700’的開始時間(To)520’不與在分布式系統(tǒng)中其他的設備對準。
圖7B示出例如設備N在時間同步以后，設備的macrocycle偏移量。設備N的HSE SMK 220利用偏移量720延遲系統(tǒng)Macrocycle 700’的開始時間(To)520’，使得系統(tǒng)Macrocycle在相同的時間(To)520開始，例如在HSE裝置1中的系統(tǒng)Macrocycle 700。HSE設備N系統(tǒng)Macrocycle現(xiàn)在與系統(tǒng)時間同步，并且在步驟606(在圖6中示出)結(jié)束同步過程。
B.4局域網(wǎng)冗余實體參考圖4，每個HSE設備和HSE鏈接設備具有一個HSE局域網(wǎng)(LAN)冗余實體(HSE LRE)230。HSE LRE通過使用冗余提供單一故障的故障容忍。
HSE LRE經(jīng)本機接口296周期性地發(fā)送和接收冗余診斷消息。HSEFDA代理290在本機接口291和292上(見此處在附錄A的參考集2 FF-593列出的用于冗余診斷消息格式的HSE冗余規(guī)范)映射診斷消息。
冗余診斷信息被同時在以太網(wǎng)140和以太網(wǎng)140’上發(fā)送。每個設備在以太網(wǎng)140和以太網(wǎng)140’上接收冗余診斷消息，并且構(gòu)成一個本地網(wǎng)絡狀態(tài)列表(NST)231。NST針對每個連接于以太網(wǎng)140和以太網(wǎng)140’的HSE設備的狀況提供詳細的狀態(tài)。HSE LRE 230控制哪個以太網(wǎng)140或者140’HSE設備將被用作消息傳輸。
借助于此方法，所有的網(wǎng)絡傳輸和設備切換決定，被分發(fā)到HSE設備和使用標準COTS以太網(wǎng)設備系統(tǒng)。
圖8舉例說明由本發(fā)明的冗余方面支持的一般的拓撲結(jié)構(gòu)。示出的拓撲結(jié)構(gòu)僅是一個例子，示出了許多可能的拓撲結(jié)構(gòu)的一個。只要提供以太網(wǎng)140和140’的設備是標準COTS以太網(wǎng)設備，任何拓撲結(jié)構(gòu)都可以使用。
HSE冗余既支持以太網(wǎng)冗余又支持HSE鏈接設備冗余。
B.4.1以太網(wǎng)冗余參考圖8，HSE設備對120’和HSE鏈接設備對110’兩者都聯(lián)接于以太網(wǎng)140和以太網(wǎng)140’。在這個例子中，以太網(wǎng)140由COTS以太網(wǎng)設備130提供，以及以太網(wǎng)140’由COTS以太網(wǎng)設備130’提供。在HSE設備上任何一個以太網(wǎng)或者以太網(wǎng)接口的一個的單一故障將導致先前描述的HSE LRE通信轉(zhuǎn)移到其它的工作網(wǎng)絡。
B.4.2HSE鏈接設備冗余HSE LRE 230支持HSE鏈接設備冗余。冗余HSE鏈接設備對160包括主用的HSE鏈接設備110和備用的HSE鏈接設備110’。H1設備170由H1網(wǎng)絡150連接于冗余HSE鏈接設備對160。如果主用的HSE鏈接設備110出故障，備用的HSE鏈接設備110將承擔控制。除了在HSE設備中不存在H1接口(s)之外，HSE設備120’可以以和HSE鏈接設備110同樣的方法進行冗余。
本發(fā)明提供必要的診斷消息格式去允許一個開放和交互操作的高速以太網(wǎng)冗余切換和/或HSE鏈接設備(或者HSE設備)冗余。
用于每個H1網(wǎng)絡備份的冗余方法在’178申請中以及由此處附錄A的參考集1列出的規(guī)范中描述。
可以理解的，在上述說明書中的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了一個在高性能骨干網(wǎng)中開放、交互操作的優(yōu)化方案用于綜合分布式控制系統(tǒng)及其他控制設備的方法，提供了一個開放、交互操作的方案適合于經(jīng)高性能骨干網(wǎng)交互操作的分布式控制應用的系統(tǒng)時間同步的方法，以及提供一個開放、交互操作的方案，用于提供故障容忍的高性能骨干網(wǎng)以及連接于該骨干網(wǎng)的故障容忍的設備的方法。
上面提出的優(yōu)選實施例是舉例說明本發(fā)明，并不打算限制本發(fā)明。在本發(fā)明要求的范圍內(nèi)附加的實施例和優(yōu)點對普通的本領域技術(shù)人員是顯而易見的。
此外，雖然參考示范的實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，那些本領域技術(shù)人員將能對于描述的本發(fā)明的實施例進行各種各樣的改進而不脫離本發(fā)明的真實精神和范圍。此處使用的術(shù)語和說明僅作為舉例提出，不意味著限制。尤其是，雖然本發(fā)明的方法已經(jīng)舉例描述，但是該方法的步驟除舉例說明的之外可以以不同的順序或者同時實施。那些本領域技術(shù)人員將認識到這些及其他的變化可以在如在本發(fā)明權(quán)利要求和其等效所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在分布式控制系統(tǒng)中開放的交互操作的裝置，包括本地時間時鐘，用于提供在所述裝置內(nèi)使用的本地時間；系統(tǒng)時間時鐘，用于提供覆蓋整個所述分布式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)時間；和系統(tǒng)管理內(nèi)核，用于使所述本地時間時鐘和所述系統(tǒng)時間時鐘同步。
2.如權(quán)利要求1的開放的交互操作的裝置，包括同步標識，指示是否系統(tǒng)時間時鐘與分布式控制系統(tǒng)的時間控制器的通用時間相同步。
3.如權(quán)利要求1或2的開放的交互操作的裝置，包括管理信息數(shù)據(jù)庫，其包括系統(tǒng)時間時鐘和同步標識，以及系統(tǒng)管理信息數(shù)據(jù)庫，其包括本地時間時鐘。
4.如權(quán)利要求1或3的開放的交互操作的裝置，包括網(wǎng)絡接口，用于和具有通信協(xié)議棧的一個網(wǎng)絡通信；一個設備訪問代理，用于將所述分布式控制系統(tǒng)的至少一種傳統(tǒng)格式業(yè)務消息映射為與所述通信協(xié)議棧兼容的網(wǎng)絡格式消息；和一個系統(tǒng)管理內(nèi)核本機接口，經(jīng)由它所述設備訪問代理與所述系統(tǒng)管理內(nèi)核進行通信。
5.如前述權(quán)利要求中任一項的開放的交互操作的裝置，其中所述網(wǎng)絡包括商用現(xiàn)貨以太網(wǎng)。
6.如權(quán)利要求5的開放的交互操作的裝置，包括配置為生成通用時間的時間控制器，其中每一個開放的交互操作的裝置的系統(tǒng)時間時鐘被周期地與時間控制器的通用時間同步。
7.一種通過冗余方式在一個開放的交互操作的分布式控制系統(tǒng)中提供對信號故障的故障容忍的方法，該系統(tǒng)包括向所述分布式控制系統(tǒng)中的多個控制裝置發(fā)送及從所述分布式控制系統(tǒng)中的多個控制裝置接收診斷信息；從所述診斷信息生成每一個所述多個控制裝置的運行狀態(tài)；以及根據(jù)每一個所述多個控制裝置的運行狀態(tài)確定所述多個控制裝置中哪一個將在所述分布式控制系統(tǒng)中使用。
8.如權(quán)利要求7的通過冗余方式在一個開放的交互操作的分布式控制系統(tǒng)中提供對信號故障的故障容忍的方法，其中所述對診斷信息的發(fā)送和接收是發(fā)生在至少一個具有通信協(xié)議棧的網(wǎng)絡中。
9.如權(quán)利要求7或8的通過冗余方式在一個開放的交互操作的分布式控制系統(tǒng)中提供對信號故障的故障容忍的方法，其中所述至少一個網(wǎng)絡包括商用現(xiàn)貨以太網(wǎng)。
10.一種通過冗余方式在一個開放的交互操作的分布式控制系統(tǒng)中提供對信號故障的故障容忍的方法，包括通過多個具有通信協(xié)議棧的網(wǎng)絡向所述分布式控制系統(tǒng)中的多個控制裝置發(fā)送及從所述分布式控制系統(tǒng)中的多個控制裝置接收診斷信息；從所述診斷信息生成每一個所述多個控制裝置的運行狀態(tài)；以及根據(jù)每一個所述多個控制裝置的運行狀態(tài)確定所述多個網(wǎng)絡的哪一個將被用于網(wǎng)絡傳送。
11.如權(quán)利要求7、8、9或10任一項的通過冗余方式在一個開放的交互操作的分布式控制系統(tǒng)中提供對信號故障的故障容忍的方法，其中至少一個所述多個網(wǎng)絡包括商用現(xiàn)貨以太網(wǎng)。
12.一種在開放交互操作的分布式控制系統(tǒng)中使多個設備特定的本地時間和系統(tǒng)時間同步的方法，所述多個設備特定的本地時間與在所述開放交互操作的分布式控制系統(tǒng)中相應的一個設備有關(guān)，所述方法包括檢測先前的操作周期的一個端；為每一個所述多個設備的下一個操作周期提供開始時間；計算在所述多個設備的每一個的特定的本地時間和所述系統(tǒng)時間之間的偏移量；使用所述計算的偏移量，使所述多個設備的每一個的特定的本地時間和所述系統(tǒng)時間同步；以及相對于彼此校準所述多個設備特定的本地時間，使得所述多個設備的所述開始時間一致。
13.如權(quán)利要求12的使多個設備特定的本地時間和系統(tǒng)時間同步的方法，進一步包括在所述開放交互操作的分布式控制系統(tǒng)中提供一個時間控制器，所述時間控制器保持通用的時間；確定是否所述系統(tǒng)時間和所述通用的時間同步；以及如果確定所述系統(tǒng)時間是和所述通用的時間同步的，設置一個同步標識。
14.如權(quán)利要求12或13的使多個設備特定的本地時間和系統(tǒng)時間同步的方法，其中所述校準所述多個設備特定的本地時間的步驟包括計算在所述多個設備的每一個的特定的本地時間相對于彼此之間的偏移量；以及增加時間延遲給至少所述多個設備的一個，使得所述多個裝置每一個的開始時間相對于彼此一致。
全文摘要
分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(HSE)提供了一個在高性能骨干網(wǎng)中開放、交互操作的優(yōu)化用于綜合分布式控制系統(tǒng)及其他控制設備的方法，提供了一個開放、交互操作的提供適合于經(jīng)高性能骨干網(wǎng)交互操作的分布式控制應用的系統(tǒng)時間同步的方法，以及提供一個開放、交互操作的提供故障容忍的高性能骨干網(wǎng)以及連接于該骨干網(wǎng)的故障容忍的設備的方法。分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括一個高速以太網(wǎng)現(xiàn)場設備訪問(HSE FDA)代理，它映射例如現(xiàn)場總線系統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)的服務往返于標準的、商業(yè)現(xiàn)貨的(COTS)以太網(wǎng)/因特網(wǎng)部件。分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也包括一個起保持本地時間作用以及保持由時間服務器提供的在由時間同步分類指定的值內(nèi)的在本地時間和系統(tǒng)時間之間差值的高速以太網(wǎng)系統(tǒng)管理內(nèi)核(HSE SMK)。本地時間用于時間戳事件，使得來自設備的事件消息可以通過該系統(tǒng)相關(guān)。該分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進一步包括一個高速以太網(wǎng)局域網(wǎng)冗余實體(HSE LRE)，在該系統(tǒng)上提供對于運行的應用透明的冗余。每個設備的HSE LRE周期性地發(fā)送一個表示其網(wǎng)絡視圖的診斷消息給在該系統(tǒng)上的另一個設備。每個設備使用該診斷消息去保持網(wǎng)絡狀態(tài)列表(NST)，用于故障檢測和從冗余的資源進行選擇。
文檔編號H04L12/24GK1652517SQ20051005158
公開日2005年8月10日 申請日期2000年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月21日
發(fā)明者D·A·格蘭策, C·R·科利斯, S·K·博爾德曼, W·M·霍金斯, M·D·赫斯特, T·J·科茲利克, L·A·奈策爾, R·D·索耶, J·I·蒂格內(nèi)爾 申請人:菲爾德巴士基金