CN101233461A - 基于现场的资源管理设备和架构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种现场可安装的接口模块(120、302)。该智能接口模块包括被配置为与数据通信网络(118、122、314)相耦合的至少一个数据连接端口以及被配置为与现场设备总线(132、134、307A、307B、307C、307D)相耦合的至少一个过程通信连接端(124、126、128、130)。该智能接口模块(120、302)还包括控制器(320)和与该控制器(320)相耦合的存储器(324)。该控制器(320)被配置为提供关于一个或更多个现场设备和/或现场设备总线的较高级功能。较高级功能包括校准支持、复杂设备支持、诊断支持、分布式控制系统支持、以及虚拟现场设备功能。

Description

基于现场的资源管理设备和架构
背景技术
例如在化学过程、石油或其他类型的工业过程中所使用的过程监测和控制系统典型地包括集中式监测和控制系统，该系统经由模拟或数字通信路径可通信地耦合至操作员或用户的工作站以及一个或更多个现场设备。现场设备可以包括适于监测过程参数(例如温度、压力、流速等)的传感器，和/或适于对工业过程执行操作(例如打开和关闭阀门等)的致动器。
通常，集中式检测和控制系统经由输入/输出(IO)设备或模块(可以是模拟或数字的)来接收指示由现场设备进行的过程测量的信号和/或关于现场设备的信息。监测系统接收指示过程测量的信号，并基于所接收到的信号来监测过程的各个方面。监测系统可以适于把测量过程数据与预定界限进行比较，并在超过界限的情况下发起动作(例如产生警报信号)。
监测和控制系统的过程控制器可以使用测量和其他信息以监测过程并执行控制例程。过程控制器可以产生控制信号，可以通过总线或其他通信路径或信道、经由模拟或数字I/O设备把该控制信号发送至现场设备，以控制特定过程的操作。
工厂的控制是很复杂且严格的过程。有效的控制不仅取决于精确地感测所有有关的过程变量，而且取决于通过例如阀门致动器等的换能器而与过程进行有效的交互。给定的过程装置可以包括数十或甚至数百个协同工作以便于过程控制的现场设备。随着时间的变化，可能需要对各个现场设备执行例行维护、修理或校准，以确保这些设备能够有效地执行其过程测量和/或控制任务。
在过程控制的上下文中，资源管理是统称与现场设备有关的大量边缘(penumbra)功能的术语。资源管理包括对现场设备和/或其他过程控制资源的诊断和监测；对设备的配置管理；现场设备的校准；现场设备的文档(documentation)；以及企业整合。事实上，涉及资源管理的全系列的产品可以从Fisher-Rosemount Systems，Inc.ofAustin，Texas的AMSTM Suite中获得。AMSTM Suite包括的产品有AMSPortal、AMS Device Manager、以及AMS Optimizer。与这些产品有关的其他信息可以在http:∥www.emersonprocess.com/optimize/amssinde.htm找到。
为工业过程控制和管理中的现场设备提供更为有效的资源管理将会对技术领域有明显益处。
发明内容
提供了一种现场可安装的智能接口模块。该智能接口模块包括被配置为与数据通信网络相耦合的至少一个数据连接端口以及被配置为与现场设备总线相耦合的至少一个过程通信连接端口。该智能接口模块还包括控制器和与该控制器相耦合的存储器。该控制器被配置为提供关于一个或更多个现场设备和/或现场设备总线的较高级功能。较高级功能包括校准支持、复杂设备支持、诊断支持、分布式控制系统支持、以及虚拟现场设备功能。
附图说明
图1是根据现有技术的过程控制和测量装置的示意图。
图2是根据本发明实施例的过程控制和测量装置的示意图。
图3是根据本发明实施例的智能接口模块的框图。
图4是根据本发明实施例的智能接口模块所提供的用户接口的示意图。
图5是根据本发明实施例的智能接口模块所提供的另一用户接口的示意图。
图6是根据本发明实施例的智能接口模块所提供的另一用户接口的示意图。
图7是与多个现场设备进行交互、以提供关于复杂现场设备的高级诊断的智能接口模块的示意图。
具体实施方式
图1是根据现有技术的过程控制和测量装置的示意图。系统10包括通过例如以太网网络18的局域网而耦合在一起的多个工作站12、14、16。多个现场设备复用器20、22、24也耦合至以太网局域网(LAN)18。复用器20、22、24中的每一个均为能够接口连接在过程工业标准通信网络和局域网18之间的已知设备。例如，复用器20是能够接口连接在HART通信回路26和LAN 18之间的HART复用器。因此，经由接口设备20，工作站12、14、16可以访问与HART通信回路26相耦合的现场设备28A、28B、28C、28D。类似地，复用器设备22是LAN 18与H1 FOUNDATIONTM现场总线通信部分30之间的接口。因此，通过复用器22，工作站12、14、16可以以某种形式或另一种形式来访问现场设备32A、32B、32C、32D、32E和32F。
现场设备34A、34B和34C耦合至过程通信回路36，并根据ASI过程通信协议而通信。ASI回路/分段36耦合至复用器24，复用器24耦合至DeviceNet分段或回路38，而现场设备40A、40B和40C耦合至该DeviceNet部分或回路38。通过复用器20、22和24，工作站12、14和16中的任意或全部能够执行关于任意或全部现场设备的核心资源管理功能。该功能包括各个现场设备的诊断和监测、现场设备的配置管理、关于任意或全部现场设备的校准支持、文档(包括任意或全部现场设备的查账索引、注释和绘图)、以及企业整合。
根据本发明的实施例，通过采用智能接口模块来提供与一个或更多个现场设备的较高级交互，该智能接口模块类似于可从RosemountInc.Chanhassen，Minnesota获得的以商业标记型号3420而销售的那些智能接口模块。
图2是根据本发明实施例的过程测量和控制系统100的示意图。系统100包括工作站112和114，每一个工作站分别通过以太网网络118和ModBus网络122与智能接口模块120相耦合。智能接口模块120包括多个分段连接端口124、126、128和130。所示出的端口124和130与多个过程通信回路或分段(132和134)分别耦合。回路1 32被示出为HART通信回路，但是可以包括任意适合的过程通信协议。回路132可以耦合多达36个现场设备136A、136B、136C。类似地，回路134是FOUNDATIONTM现场总线过程通信分段。然而，针对根据本发明实施例的端口124、126、128和130可以是任意适合的过程工业通信协议。回路134耦合至现场设备138A、138B和138C，但是可以耦合任意适合数目的设备，这取决于过程通信协议。
端口124、126、128和130中的每一个被设计为耦合至具有特定的过程通信协议的特定的过程通信回路或分段。因此，可以把智能接口模块120定制为具有与一个或更多个指定的过程通信协议进行操作的任意4个端口。如图2进一步所示，本发明的实施例还包括采用多个智能接口模块，因为模块140和142也被示出为耦合至ModBus 122。智能接口模块120提供了对现场设备功能和/或较高级资源管理功能和控制和/或监测功能的访问，这将在下文更加详细地揭示。另外，智能接口模块120还优选地包括集成网络服务器，使得可以通过在工作站112或114上执行的商业可用浏览器软件进行与模块120提供的各种功能的交互。
当前，越来越多的现场设备制造商提供了在5到10年中或某些情况下更长时间中不需要校准的现场设备。这种现场设备通常包含足够的智能性和存储器，从而不仅在每次校准后在本地管理其自有的校准趋势，而且把校准数据在其存储器中维持若干年。由于这种现场设备的不断发展，使用一个或更多个智能接口模块的较高级现场设备功能的使用(例如资源管理)变得越来越重要。
图3是根据本发明实施例的过程监测和控制系统内的智能接口模块的框图。通常，智能接口模块302适于提供多个现场设备总线307A-307D与一个或更多个控制网络304和306之间的双向数据传输。智能接口模块302通常包括以太网输入/输出(I/O)模块(或以太网接口)316，而且可选地包括适于与控制网络304和306进行通信的一个或更多个网络I/O模块(或其他网络接口)318。控制器320可以包括处理器322、存储器324以及一个或更多个功率调节器336。控制器320耦合至多个I/O模块，例如部分I/O模块328，用于向多个现场设备供电并与多个现场设备进行通信。例如，I/O模块328可以是适于和现场设备分段307A进行通信的分段I/O模块。另一个模块可以是总线或网络I/O模块，用于与现场设备总线或网络307B进行通信。另一个模块可以是适于通过无线网络307C与一个或更多个适于无线通信的现场设备进行通信的无线收发机。最后，另一个模块可以是耦合至HART网络307D的4-20mAHARTI/O模块，现场设备耦合至该HART网络307D。
控制器320适于通过各个现场设备执行与工业过程有关的多种功能。控制器320(通过处理器322)可以对关于一个或更多个现场设备的已存储数据进行处理(以调节控制系统310所使用的信息)，和/或把测量与来自存储器324的已存储参考数据进行比较。控制器320可以以数字或组合的数字-模拟格式通过以太网电缆314与控制系统310和/或其他智能接口模块进行通信。另外，每一个现场设备和/或智能接口模块302可以适于执行次要功能，例如校准、识别、诊断等。
控制器320形成了智能接口模块302的基础。控制器320通常能够执行存储在其中的指令，和/或存储在存储器324中的指令，以执行多种适合的功能。便于较高级交互的一种功能是由控制器320所提供的网络服务器功能。这样，位于工作站112或114处的用户可以快速且容易地使用方便且普遍存在的浏览器软件而与智能接口模块302进行交互。较高级功能(将在下文更加详细地描述)包括但不限于：校准支持；复杂设备支持；中继设备诊断；以及分布式控制系统或资源管理程序包中的较高级功能的设备使能器(enabler)；以及提供关于控制回路或例如热交换器的特定过程设备的高级诊断。
图4是根据本发明实施例的智能接口模块120、302所提供的典型用户接口400的示意图。优选地，接口400由控制器320上运行的网络服务器软件响应于来自客户端浏览器(例如工作站112上的客户端浏览器)的请求而提供。接口400包括标题栏402，该标题栏402指示所列出的功能系列与校准有关。接口400包括用于接口单元404，当该单元被选择时，其允许远程用户定义测试方案。如这里所定义，“测试方案”是针对特定现场设备将要执行的一个或更多个校准操作的预先选择的集合。校准操作通常包括向现场设备施加已知的物理条件(例如温度或压力)，并观察现场设备对其做出的反应。相反地，校准操作还可以包括向现场设备施加已知的信号，并实际测量该信号的物理效果，例如阀门位移。通常，现场设备需要多个校准选项，并预先定义测试方案以存储在智能接口模块302中，这可以允许技术人员更加有效地执行整个校准。
当选择用户接口单元406时，允许远程用户定义路由。给定的过程装置可以使用多个现场设备。对于任何给定的技术人员，可能需要维护多个现场设备。定义路由允许远程用户生成针对特定工作、或在特定日期、技术人员处理需要维护的现场设备的顺序。
当选择用户接口单元408时，允许远程用户对现场设备校准进行调度。智能接口模块120、302将会揭示与其相耦合的所有现场设备的指示。智能接口模块120、302的远程用户可以针对任意或全部的所连接的现场设备而设置校准调度。校准调度可以包括：定义用于实现校准的特定时间间隔，和/或定义在之前或在当天应当执行校准的特定日期。
用户接口单元410允许其用户从归档校准器(documentingcalibrator)下载和/或向归档校准器上载数据。归档校准器是已知的设备，现场设备维护人员使用归档校准器向现场设备施加已知条件，根据这些已知条件来调节现场设备，并对该调节进行归档。向归档校准器下载数据包括但不限于下载由用户定义的一个或更多个测试方案、和/或下载维护工作期间技术人员应当采用的路由。上载数据包括但不限于上载指示对一个或更多个现场设备做出的调节的记录、以及归档校准器在维护工作期间可能已经获得的任何其他适合的信息。当用户通过工作站114与智能接口模块120、302进行交互时，这个上载/下载过程可以仅包括根据已知技术把归档校准器耦合至工作站112。然而，如上文所提出，智能接口模块120、302可以包括无线收发机。可以进一步设想，归档校准器还可以包括无线收发机，位于智能接口模块120、302的范围内的、拥有具有无线收发机的归档校准器的现场技术人员可能通过网络服务器接口与接口模块120、302以任意适合的方式直接进行交互。因此，可以在归档校准器和接口模块120、302之间实现上载/下载功能，而无需使用工作站112。
接口400还包括用户接口单元412，当用户选择该单元时，将会显示指示校准历史的数据。可以选择针对特定现场设备、或一组现场设备的校准历史，并且可以以任意适合的方式来分组、显示或报告。
图5是响应于用户选择接口单元412而提供的典型屏幕的示意图。如同用户接口400一样，用户接口500优选地由控制器320和其上执行的网络服务器软件来提供。接口500包括标题栏，该标题栏指示其中所显示的内容或信息是“校准历史”。校准历史可以以多种方式来观看或布置，优选地通过用户点击标签504、506、508或510而与之进行交互。点击标签504将会对与校准历史可用的现场设备的识别有关的信息进行布置或显示。点击标签506将会提供与一个或更多个所选现场设备有关的服务信息。点击标签508将会提供关于用于进行校准的测试设备而布置或显示的信息，而点击标签510将会显示校准期间出现的多个测试条件或其他因素。显示器500可以显示关于一个或更多个现场设备的asfound(找到的)/asleft(留下的)信息以及历史或摘要信息。具体地，图5示出了特定的现场设备，其中利用日期对误差进行缩放，而且所显示的误差类型为“最大”。的确，其他形式的缩放和误差类型落入本发明实施例的范围，并且可以通过与下拉框513、514分别进行交互而选择。图5示出了已经对特定现场设备进行了3次校准，第一校准以-1.3的百分比最大误差、并且大约为+0.3最大误差的as left值发现该设备(as found)。第二校准以大约-.6的百分比最大误差、且大约-0.3％的asleft最大误差发现该设备。最终的校准以大约为+0.6的百分比最大误差、且大约+0.3的asleft误差发现该现场设备。本领域的技术人员可以理解，根据本发明的实施例，可以使用大批的校准历史显示和报告选项。其带来的具体优点是，通过作为现场可安装单元的智能接口模块120、302来提供所显示和报告的该校准信息和可变的校准信息。因此，过程装置以及工作站112、114中的任意工作站所使用的数据网络会发生明显的改变。然而，通过在智能接口模块120、302的网络地址处指点任意工作站的浏览器，可以简单地使用校准信息。
智能接口模块120、302所提供的另一重要功能是对复杂现场设备的支持。复杂现场设备的示例包括但不限于：Rosemount Inc.of EdenPrairie，Minnesota以商业标记型号3095 MV而销售的多变量大流量变送器；以商业标记Mass ProBar而销售的Rosemount的产品；以及MassProFlateTM流量计。额外的复杂现场设备包括但不限于coriolis计和雷达电平变送器。该设备的复杂性之一来自如下事实：它们能够测量一个或更多个过程变量，但是可能提供附加的过程变量，该变量基于使用一个或更多个所测量的过程变量的计算。典型地，该计算的方面取决于特定应用的物理属性而有所变化，例如特定流体的密度或化学组成。在这方面，智能接口模块302在存储器324内包括过程流体(气体和液体两者)的物理属性数据库。使用任意适合的和/或已知的计算，智能接口模块120、302可以把一个或更多个所连接的现场设备所测量或接收的过程变量信息与存储器324中的物理属性数据库中存储的流体信息相结合，以动态地计算密度、可压缩性、粘性或任意其他适合的与流体有关的数据。
图6是由控制器320提供的、用于支持如上所述的复杂现场设备的一个典型用户接口的示意图。具体地，接口600允许其用户选择复杂现场设备暴露在哪种过程流体下。窗口602包括针对数据库的可能选择：流；数据库：气体；数据库：流体；定制：气体；定制：流体；以及天然气。如图6中所示，特定流体类型的选择(例如流603)将会使窗口604增加各种功能，这些功能可以由智能接口模块604来计算或以其他方式而提供。该功能的一个示例为饱和流跟踪605。最后，窗口606指示过程流体的名称。
根据本发明的实施例，智能接口模块120、302还可以提供增强的诊断支持。例如，智能接口模块120、302优选地监测并存储与所连接的每一个现场设备有关的信息。一个这种示例包括跟踪每一个现场设备所暴露于的最大温度和压力。通常，现场设备可以测量并存储与其所暴露于的最大温度和/或压力有关的信息。然而，如果出现灾难性的事故且现场设备无法挽回地被损坏，那么该信息可能丢失。相反，智能接口模块120、302存储该信息，优选地包括出现最大温度和/或压力的时间、远离实际现场设备的位置。因此，如果现场设备发生灾难性的事故，该数据不会丢失。
智能接口设备120还提供了对较大设备(例如泵、热交换器)的更高级的诊断以及控制回路诊断。泵诊断可以通过使用已知的泵曲线以及压力和差分压力测量而完成，该测量由位于泵的上游和下游的一个或更多个现场设备来观测。通过使用针对给定泵性能曲线的4点曲线拟合，与压力和/或差分压力测量相比较，可以容易地在智能接口模块120中复制泵曲线。关于泵诊断的其他细节可以在授予Fisher-Rosemount Systems，Inc的美国专利No.6,954,713中找到。
图7是智能接口模块120的示意图，其提供了关于相对复杂的设备(热交换器700)的高级诊断(污垢监测)。如图所示，现场设备702和704位于热交换器700的上游，而现场设备706和708位于其下游。例如，现场设备702和704可以测量上游温度和量规(gauge)压力，而下游现场设备706和708可以测量下游量规压力和温度。另外，现场设备710被配置为测量热交换器700上的差分压力。这些现场设备提供了与智能接口模块120相耦合的过程通信回路712的过程变量。智能接口模块120监测上游过程变量、下游过程变量、以及热交换器700上的差分压力，并且能够快速地诊断例如热交换器700变得堵塞或发生泄露的问题。
智能接口模块120、302所提供的诊断的另一重要功能涉及对与智能接口模块相连的一个或更多个过程通信回路上可用的诊断信息进行中继和/或处理。例如，可以对来自一个或更多个现场设备的诊断信息进行分析和/或概括，然后相应地在一个或更多个数据通信路径(例如以太网通信链路)上进行中继。备选地，现场设备诊断信息可以由智能接口模块120、302从现场过程控制回路简单地中继到数据通信网络。
智能接口模块120、302还提供了更高级的功能，对分布式控制系统(DCS)或资源管理程序包有所帮助。该设备使能器的示例包括：监测、存储并分析过程变量数据或其他适合的数据，从而提供已知的统计过程控制功能。统计过程控制是已知的技术，借此来研究过程可变性随时间的变化，使得能够对给定的过程进行特征化。另外，统计过程控制可以用于快速确定何时过程开始失去控制，并且能够帮助确定误差的潜在来源。
智能接口模块120、302借助于其复杂控制器以及与各个现场设备的耦合可以提供的另一重要功能是，智能接口模块120、302可以被配置为虚拟现场设备，或提供虚拟现场设备的功能。当作为虚拟现场设备操作时，可以通过易于使用的网络服务器接口来选择或以其他方式改变配置和/或控制技术和算法，而且可以把任何所连接的现场设备本质上映射为虚拟现场设备的输入或输出。也可以选择一个或更多个输入与一个或更多个输出(例如过程变量输出和/或警报输出)之间的关系。
尽管参考优选实施例描述了本发明，然而本领域的技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上做出改变。

Claims (19)

1.一种智能接口模块，包括：
至少一个数据网络连接端口，被配置为与数据通信网络耦合；
至少一个过程通信连接端口，被配置为与现场设备总线耦合；
控制器；
存储器，与所述控制器耦合；以及
其中，所述控制器被配置为：提供从包括校准支持；复杂设备支持；诊断支持；分布式控制系统支持；以及虚拟现场设备的组中选择的较高级功能。
2.根据权利要求1所述的智能接口模块，其中，所述控制器和存储器被配置为提供网络服务器功能。
3.根据权利要求2所述的智能接口模块，其中，所述较高级功能是校准支持，而所述校准支持是通过由网络服务器功能提供的用户接口来提供的。
4.根据权利要求3所述的智能接口模块，其中，所述校准支持包括允许用户定义关于至少一个现场设备的测试方案。
5.根据权利要求3所述的智能接口模块，其中，所述校准支持包括允许用户定义关于多个现场设备的路由。
6.根据权利要求3所述的智能接口模块，其中，所述校准支持包括允许用户从归档校准器下载信息，以把该信息存储在所述智能接口模块上。
7.根据权利要求3所述的智能接口模块，其中，所述校准支持包括允许用户向归档校准器上载信息。
8.根据权利要求3所述的智能接口模块，其中，所述校准支持包括通过用户接口提供对校准历史的显示。
9.根据权利要求1所述的智能接口模块，其中，所述较高级功能包括复杂设备支持，而且所述复杂设备支持是通过用户接口来提供的。
10.根据权利要求9所述的智能接口模块，其中，所述存储器存储有与物理属性数据库有关的信息。
11.根据权利要求10所述的智能接口模块，其中，所述控制器被配置为提供至少一个计算，该计算使用来自物理属性数据库的数据以及至少一个测量的过程变量。
12.根据权利要求1所述的智能接口模块，其中，所述较高级功能包括诊断，而且把至少一个现场设备总线上出现的诊断信息中继到至少一个数据网络。
13.根据权利要求1所述的智能接口模块，其中，所述较高级功能包括诊断支持，而且所述诊断支持包括对现场设备总线上的多个诊断数据进行处理。
14.根据权利要求13所述的智能接口模块，其中，所述控制器还被配置为：基于所述诊断处理，提供对至少一个数据网络连接上的诊断信息的摘要。
15.根据权利要求1所述的智能接口模块，其中，所述较高级功能包括复杂设备支持，而且所述智能接口模块可操作地耦合至多个现场设备，所述多个现场设备提供关于复杂设备的测量的变量。
16.根据权利要求1所述的智能接口模块，其中，所述较高级功能是分布式控制系统支持。
17.根据权利要求16所述的智能接口模块，其中，所述控制器被配置为：在至少一个数据网络连接上，提供统计过程控制(SPC)信息。
18.根据权利要求1所述的智能接口模块，其中，所述较高级功能是虚拟现场设备，而且所述智能接口通过至少一个现场设备总线耦合至多个现场设备。
19.根据权利要求18所述的智能接口模块，其中，通过所述控制器的网络服务器功能而提供的用户接口允许用户通过至少一个用户可改变的功能而对输入和输出进行映射。
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