CN101135906A - 运用于过程控制网络中的维护接口装置 - Google Patents

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CN101135906A CNA2007101623300A CN200710162330A CN101135906A CN 101135906 A CN101135906 A CN 101135906A CN A2007101623300 A CNA2007101623300 A CN A2007101623300A CN 200710162330 A CN200710162330 A CN 200710162330A CN 101135906 A CN101135906 A CN 101135906A
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Abstract

用于一个数字的，环路供电的过程控制网络中的一种维护接口装置，包括要么到一个现场装置的双线输入/输出端口，要么到双线通信媒体的一个接口，用来确定现场装置或通信环路的简单状态的控制逻辑，和显示简单状态的显示器(122)。维护接口装置可以被用来进行故障分析来检测现场装置或通信环路是否具有可操作性，是否有电和是否产生一个有效通信信号。维护接口装置适合于在包括环路控制器，数字控制系统，操作员控制台，工作站，个人计算机和一个桥的过程控制网络中在多个装置上进行简单功能性测试，从而检测通信线上那些装置的功能性。维护接口装置可以自供电，可由正在服务的装置供电，或由通信媒体，如总线供电。

Description

运用于过程控制网络中的维护接口装置
本申请是申请日为1997年10月3日的、申请号为“97198544.8(PCT/US97/17861)”的、发明名称为“运用于过程控制网络中的维护接口装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及过程控制网络，特别是运用于具有分布式控制功能的过程控制网络中的维护接口装置。
背景技术
象化学，石油，以及其它制造和提炼过程一样的大型过程包括安置在不同位置的许多现场装置来测量和控制过程参数从而影响过程的控制。这些现场装置例如是温度传感器，压力传感器，流速传感器以及阀门和开关等控制部件。过去，过程控制工业采用人工操作例如靠人来读出水位计和压力计，阀门旋转等来操作过程中的测量和控制现场装置。从20世纪开始，过程控制工业开始采用局部空气控制，其中，局部空气控制器，发送器和阀门定位器安置在过程工厂的不同地方来影响特定工厂位置的控制。随着70年代基于微处理器的分布式控制系统(DCS)的出现，分布式电子过程控制在过程控制工业中流行起来。
众所周知，DCS包括一个模拟或数字计算机，例如可编程逻辑控制器，连接到很多电子监测和控制装置，象电子传感器，发送器，电流-压力换能器和阀门定位器等安装在整个过程中。DCS计算机频繁地储存和执行集中和复杂的控制计划来影响过程中的装置的测量和控制进而根据全局的控制计划控制过程参数。通常，由DCS执行的控制计划所有权属于DCS控制器制造商，而DCS控制器制造商使DCS的扩展，升级，重新编程和服务变得困难和昂贵，因为DCS供应商必须卷入到用一个完整的方法来完成这些行动。另外，由于DCS控制器的所有权属性和DCS控制器供应商不支持由其它卖主制造的装置或装置功能的事实，被采用或连接到特殊DCS的设备会受到限制。
为了克服对所有权DCSs的应用内在的问题，过程控制工业已经发展了许多标准，开放的通信协议例如包括HART，PROFIBUS，WORLDFIP，Device-Net和CAN协议。这些协议使由不同制造商生产的现场装置能在同一过程控制网络中结合使用。事实上，即使现场装置是由不同的制造商生产的而非DCS制造商生产的，任何与这些协议中的一个相一致的现场装置都能在过程中被用来与DCS控制器或其它支持协议的控制器通信及被它们所控制。
再得，现在在过程控制工业中有一种将过程控制非中央化的行动，极大地简化DCS控制器或消除对DCS控制器的需求。非中央化控制由安装在现场的过程控制装置诸如阀门定位器，发送器等来实现一个或多个过程控制功能，接着使数据通过总线结构由实现其它控制功能的其它过程控制装置利用。执行这些控制功能，每个过程控制装置包括具有实现控制功能以及与用标准和开放通信协议的其它过程控制装置进行通信能力的微处理器。在这种方式下，由不同的制造商生产的现场装置可以在过程控制网络中相互连接，相互通信，在不需要DCS控制器干涉的情况下，实现组成控制环路的一个或多个过程控制功能。现在FieldbusFoundation正在发表全数字，双线总线协议，被称为FOUNDATIONTMFieldbus(以下称为“Fieldbus″)协议，该协议是一个开放的通信协议，它使不同的制造商生产的装置在过程中通过标准总线交互操作和通信来影响非中央化控制。
然而，技术进展导致了更为先进的解决方案。例如，模拟通信协议向数字通信协议转变已成为一种潮流。伴随着优点，问题也就出现了。例如，在采用模拟通信的传统通信系统中，只需简单的测试工具如便宜的数字伏特表或万用表测量被测电路的导通性能从而完成基本的排错和分析功能。随着通信系统向数字通信演变，只能用昂贵的并且苯重的测试工具如逻楫分析仪和通信系统来分析数字装置和通信线路的功能，因为用传统的伏特表和万用表测量数字装置和通信线路的导通性能可能非常有用然而表示装置出错的数字信号还是不能检测到。
在苛刻的环境中，例如，油气管，核能发生站或工厂，利用控制阀或其它装置通常很困难。找出插座通常也是非常麻烦的。因此，希望用一种简单的工具或技术来实现对连接在采用数字通信协议的过程控制系统内的周边现场装置的功能进行基本分析。
发明内容
本发明是指用于数字，环路供电过程控制网络的维护接口装置。它包括，到现场装置的双线输入-输出口或到双线通信媒介的接口，确定现场装置或通信环路的简单状态的控制逻辑，显示该状态的显示器。维护接口装置可用于故障分析来检测现场装置是否在工作。
根据本发明的一个方面，在数字，环路供电过程控制网络中采用维护接口装置来确定装置或通信媒介是否在操作，装置或通信媒介是否接通电源，装置或通信媒介是否产生或携带有效数字信号。维护接口装置适合于实现在包括环路控制器，数字控制系统，操作台，操作站，个人计算机和检测总线上装置功能的桥路的过程控制网络上的多个装置的简单功能测试。
根据本发明的另一方面，在数字，环路供电过程控制网络中采用的维护接口装置是可以选择用自供电的方式(典型的是用电池)，由在服务的装置供电或由双线，环路供电媒介供电。
所述的维护接口装置和操作方法实现了很多优点。例如，维护接口装置可携带，可由双线媒介，在测试的装置或电池供电使维护接口装置适用于电力无效的不友好或不方便的环境中。
附图说明
图1是采用Fieldbus协议的过程控制网络的一个例子的方框示意图。
图2是拥有功能块的Fieldbus装置的方框示意图。
图3是图1的过程控制网络的一些装置内的功能块的方框示意图。
图4是图1的过程控制网络的一个过程控制环路的控制环路示意图。
图5是图1的过程控制网络的总线的一个段的宏周期的时序示意图。
图6是根据本发明描述在过程控制网络中的维护接口装置的方框示意图。
图7是描述包括由图6所描述的维护接口装置所测试的功能部件和装置的控制系统网络的方框示意图。
图8是描述在本发明的维护接口装置的一个实施例中运行的状态和故障分析程序的操作的流程图。
图9是根据本发明的维护接口装置的一个实施例中运行的状态和故障分析程序所分析的数字通信信号的一个例子的图示描述。
具体实施方式
当本发明的维护接口装置与采用一系列Fieldbus装置的用非中央化和分散的方法执行过程控制功能的过程控制网络结合起来详细描述时，必需指出本发明的维护接口装置可以 与采用其它类型的现场装置和包括依靠除支持模拟和数字通信的双线总线和协议的通信协议实现控制功能的过程控制网络一起使用。因此，例如，本发明的远端维护接口装置可用于实现分散控制功能的任何过程控制网络，即使过程控制网络采用HART，PROFIBUS等通信协议或现已存在或将来要开发的任何其它通信协议。同样，如果希望的话，本发明的维护接口装置可以用于没有分散控制功能，而是采用中央控制器或控制方案来控制所述装置的过程控制网络中。
在详细讨论本发明的维护接口装置之前，总体描述Fieldbus协议，根据这协议设计的现场装置和采用Fieldbus协议的过程控制网络中的通信方法。然而，必须认识到当Fieldbus协议在过程控制网络中是开发采用的相对新的全数字通信网络协议时，在这一领域中的此协议是众所周知的，并被详细地描述在总部设在德克萨斯州Austin的非赢利组织Fieldbus Foundation等所出版，分发的有效的文章，册子和说明书上。特别是，Fieldbus协议，用Fieldbus协议在装置中通信和存储数据的方法在Fieldbus Foundation的名为“通信技术规格书和用户层技术规格书”的册子中有详细描述，在这里作为完整的参考。
Fieldbus协议是一个全数字，串行的，双向的通信协议。它为双线环路或例如传感器，调节器，控制器，阀门等安置在例如工厂或车间的仪器或过程控制环境的总线相连的现场设备提供了一个标准的物理接口。Fieldbus协议，在过程中为现场设备(现场装置)提供有效的局域网，在这些控制功能执行整个控制策略进行的前后，在分布于过程设施的不同位置使这些现场装置实现控制功能并相互通信。因为在一个过程控制网络，Fieldbus协议使控制功能分散，它降低了或完全除去了与DCS相连的典型的中央过程控制器的工作负载和必要性。
参考图1，使用Fieldbus协议的过程控制网络10可包括经由双线Fieldbus回路或总线34连到诸如程序逻辑控制器(PLC)13、许多控制器14、另一个主机装置15和一组现场装置16、18、20、22、24、26、28、30和32等许多其它装置的主机12。总线34包括由桥接装置30和32分开的不同部分或段34a、34b和34c。每个部分34a、34b和34c互连接在总线34上的装置的子集，使得在这些装置子集按以下所述的方式进行通信。当然，图1的网络只是示意性的，还有可以使用Fieldbus协议来构成过程控制网络的许多其它方法。一般，配置器位于诸如主机12等一个装置中，且负责设置或配置每个装置(这些装置是“智能型”装置，因为它们中的每一个都包括能进行通信和控制功能(在某些情况下)的微处理器)，以及识别什么时候把新的现场装置连到总线34、什么时候把现场装置从总线34上除去，接收现场装置16-32产生的数据并与一个或多个用户终端相接，这些用户终端位于主机12或以任何方式连到主机12的任何其它装置中。
总线34支持或允许双向的纯数字通信，且还可给诸如现场装置16-32等与其相连的任何或所有装置提供功率信号。或者，装置12-32中的任何或所有装置可具有它们自己的电源，或者可以经由独立的导线(未示出)连到外部电源。虽然在图1中示出装置12-32以标准总线型连接连到总线34，其中多个装置连到构成总线段34a、34b和34c的同一对导线，但Fieldbus协议还允许其它的装置/导线拓扑结构，包括每个装置经由独立的双线对连到控制器或主机(类似于典型的4-20mA模拟DCS系统)的点到点连接、每个装置连到双线总线(可以是例如过程控制网络的一个现场装置中的连接盒或端接区)中的公共点的树型或“星型”连接。
依据Fieldbus协议，可以相同或不同的通信波特速率或速度在不同的总线段34a、34b和34c上发送数据。例如，Fieldbus协议提供了所示被图1中的总线段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，这两个速率通常用于高级过程控制、远程输入/输出和高速工厂自动设备且示出被图1的总线段34a所使用。同样，依据Fieldbus协议，可使用电压模式信令或电流模式信令在总线端34a、34b和34c上发送数据。当然，总线34每一段的最大长度没有严格的限制，而是由该段的通信速率、电缆类型、线的尺寸、总线功率选项等来确定。
Fieldbus协议把可连到总线34的装置分成基本的三类，即基本装置、链路主控(link master)装置和桥接装置。基本装置(诸如图1的装置18、20、24和28)可进行通信，即来往于总线34发送和接收通信信号，但它们不能控制总线34上所发生的通信的顺序或定时。链路主控装置(诸如图1中的装置16、22和26以及主机12)是在总线34上进行通信的装置，它们能控制总线34上通信信号的流量和定时。桥接装置(诸如图1中的装置30和32)是在Fieldbus总线的各段或分支上进行通信并把它们互连来产生较大的过程控制网络的装置。如果需要，桥接装置可在总线34的不同段上所使用的不同数据速度和/或不同数据信令格式之间进行转换，可放大在总线34的段之间传播的信号，可对在总线34的不同段之间流动的信号进行滤波且只让指定将由桥路耦合到的总线段上的装置接收的那些信号通过，和/或可采取链接总线34的不同段所需的其它动作。连接以不同速度操作的总线段的桥接装置在桥路的较低速度段一侧必须具有链路主控容量。主机12和15、PLC13和控制器14可以是任何类型的fieldbus装置，但它们通常是链路主控装置。
装置12-32中的每一个都能在总线34上进行通信，重要的是，它们能使用该装置从过程获取的或经由总线34上的通信信号从不同装置获取的数据独立地进行一个或多个过程控制功能。因此，Fieldbus装置能直接实行整个控制策略的一部分，这些部分在过去是由DCS的中央数字控制器来进行的。为了进行控制功能，每个Fieldbus装置包括在该装置内的微处理器中实行的一个或多个标准化“块”。尤其是，每个Fieldbus装置包括一个资源块、零个或多个功能块以及零个或多个变换器(transducer)块。这些块叫做块目标。
资源块存储和传送属于Fieldbus装置的某些特性的装置特定数据，例如包括装置类型、装置修改指示和是否可在装置的存储器内获得其它装置特定信息的指示。虽然不同的装置制造商可在现场装置的资源块中存储不同类型的数据，但符合Fieldbus协议的每个现场装置包括存储某些数据的资源块。
功能块定义和实行与现场装置相关的输入功能、输出功能或控制功能，于是，功能块一般被叫做输入、输出和控制功能块。然而，将来还存在或开发出诸如混合功能块等其它类型的功能块。每个输入或输出功能块产生至少一个过程控制输入(诸如来自过程测量装置的过程变量)或过程控制输出(诸如发送到制动装置的阀位置)，同时每个控制功能块使用算法(实际上可以是专用的)从一个或多个过程输入和控制输入中产生一个或多个过程输出。标准功能块的例子包括模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、偏置(B)、控制选择器(CS)、离散输入(DI)、离散输出(DO)、手动装载机(ML)、比例/微分(PD)、比例/积分/微分(PID)、比率(RA)和信号选择器(SS)功能块。然而，存在其它类型的功能块，也可定义或产生在Fieldbus环境下操作的新功能块。
换能器块把一功能块的输入和输出耦合到诸如传感器和装置制动器等本地(local)硬件装置，以使这些功能块可读取本地传感器的输出并命令本地装置进行诸如移动阀门部件等一个或多个功能。换能器块通常包含解释由本地装置所传递的信号以及对本地硬件装置进行适当控制所需的信息，例如包括识别本地装置类型的信息、与本地装置有关的校准信息等。单个换能器块通常与每个输入或输出功能块相连。
大多数功能块能根据预定判据来产生警告或事件指示并能以不同的模式进行不同的操作。总的来说，功能块可以其中例如功能块的算法自动操作的自动模式进行操作；功能块可以其中手动地控制例如功能块的输入或输出的操作者模式进行操作；功能块可以其中块不操作的退出服务模式进行操作；功能块可以其中块的操作受到不同块的输出的影响(确定)的级联模式进行操作；以及功能块可以其中一远程计算机确定块模式的一个或多个远程模式进行操作。然而，在Fieldbus协议中存在其它操作模式。
重要的是，每个块能使用由Fieldbus协议所定义的标准信息格式经由Fieldbus总线34与同一或不同现场装置中的其它块进行通信。结果，功能块(位于同一或不同装置中)的组合可相互通信，以产生一个或多个分散控制回路。于是，例如，一个现场装置中的PID功能块可经由总线34连接到接收第二现场装置中的AI功能块的输出，以及接收AO功能块的输出作为反馈以产生与任何DCS控制器分开的过程控制回路。这样，功能块的组合把控制功能移出中央DCS环境，这样使得CDS多功能控制器可进行监督或协调功能或把它们一起排除。此外，功能块为简化过程配置提供了图解的面向块的结构，并且因为这些块使用一致的通信协议所以这些功能可分布于不同供应商的现场装置中。
除了包含和实行块目标以外，每个现场装置还包括一个或多个其它的目标，包括链接目标、转向目标、警报目标和观察目标。链接目标定义了现场装置内部和跨Fieldbus总线34的块(诸如功能块)的输入和输出之间的链路。
转向目标使功能块参数局部转向，以被诸如图1的主机12或控制器14等其它装置所访问。转向目标保留属于某些例如功能块参数的短时期历史数据并以异步方式经由总线34把该数据报告给其它装置或功能块。警报目标在总线34上报告警告和事件。这些警告或事件可相应于在一装置或一装置的一个块内所发生的任何事件。观察目标是在标准人/机联系中所使用的块参数的预定分组，观察目标可被发送到其它装置以便随时观察。
现在参考图2，示出三个Fieldbus装置，它们可以是例如图1的现场装置16-28中的任一个，它们包括资源块48、功能块50、51或52和换能器块53和54。在第一装置中，功能块50(可以是输入功能块)通过换能器块53耦合到传感器55，传感器55可以是例如温度传感器，设定点指示传感器等。在第二装置中，功能块51(可以是输出功能块)通过换能器块54耦合到诸如阀门56等输出装置。在第三装置中，功能块52(可以是控制功能块)具有与其相连的转向目标57，用以使功能块52的输入参数转向。
链接目标58定义了每个有关块的块参数，警报目标59为每个有关块提供了警告或事件通知。观察目标60与每个功能块50、51和52相连且包括或集中了与其相连的功能块的数据清单。这些清单包含用于一组所定义的不同观察中每一个观察所需的信息。当然，图2的装置只是示意性的，在任何现场装置中可提供其它数目和类型的块目标、链接目标、警报目标、转向目标和观察目标。
现在参照图3，处理控制网络10的方框图还示出与定位器/阀门(positioner/valve)16、发射机20和桥路30相关的功能块，其中将装置16、18和24示为定位器/阀门装置而将装置20、22、26和28示为发射机。如图3所示，定位器/阀门16包括资源(RSC)块61、传感器(XDCR)块62和大量功能块，它包括模拟输出(AO)功能块63、两个PID功能块64和65以及信号选择(SS)功能块69。发射机20包括资源块61、两个传感器块62和两个模拟输入(AI)功能块66和67。此外，桥路30包括资源块61和PID功能块68。
应理解，图3的不同功能块可以在多个控制回路中一起操作(通过沿着总线34进行通信)，而且由回路识别块识别其中设有所示控制回路中定位器/阀门16、发射机20和桥路30的功能的控制回路，其中所述功能识别块与这些功能块中的某个功能块相连(如图3所示)。于是，如图3所示，在标为LOOP1的控制回路中，将定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射机20的AI功能块66相连，同时在标为LOOP2的控制回路中将定位器/阀门16的SS功能块69、发射机20的AI功能块67以及桥路30的PID功能块68相连。在标为LOOP3的控制回路中，连接定位器/阀门16的其它PID功能块65。
在如图4所示的这个控制回路的示意图中，详细示出构成标为图3中LOOP1的控制回路的相互连接的功能块。从图4可见，由在定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射机20的AI功能块66(图3)之间的通信链路完全形成控制回路LOOP1。图4的控制回路示出运用附着这些功能块的处理和控制输入及输出的线路，在这些功能块之间的通信相互连接关系。于是，通过总线段34b，包括处理测量或处理参数信号的AI功能块66的输出与PID功能块64的输入通信联络地耦合，其中所述PID功能块64具有包括与AO功能块63的输入通信联络耦合的控制信号的输出。包括例如表示阀门16位置的反馈信号的AO功能块63的输出与PID功能块64的控制输入相连。PID功能块64运用这个反馈信号以及来自AI功能块66的处理测量信号来自实现对AO功能块63的适当控制。当然，可以在现场装置内执行由图4的控制回路图中的线路表示的连接，当带有AO和PID功能块63和64的情况下，功能块在相同现场装置(例如，定位器/阀门16)内，或者通过双线通信总线34，运用标准的Fieldbus同步通信，可以实现这些连接。当然，可由在其它结构中用通信相互连接的其它功能块来实现其它控制回路。
为了实现和执行通信和控制活动，Fieldbus协议运用标为物理层、通信“栈(stack)”和用户层的大致三种技术。用户层包括以在任一特定处理可控制装置或现场装置内的块(诸如功能块)和目标的形式提供的控制和组态功能。一般由装置制造商以适当的方法来设计用户层，但是必须能够根据由Fieldbus协议限定的标准消息格式来接收和传输消息，以及能够由用户以标准方法来配置。物理层和通信栈必须运用双线总线34以标准化方法来影响在不同现场装置的不同块之间的通信，而且可由已知的开放系统互连(OSI)分层通信模型来建立它们的模型。
与OSI层1相对应的物理层嵌入在某个现场装置和总线中，并进行操作以将从Fieldbus传输媒体(双线总线34)接收到的电磁信号转换成能供现场装置的通信栈运用的消息。物理层可被认为是总线34，而且在现场装置的输入端和输出端，电磁信号出现在总线34上。
出现在每个Fieldbus装置中的通信栈包括与OSI层2相对应的数据链路层、Fieldbus访问子层和与OSI层6相对应的Fieldbus信息规范层。在Fieldbus协议中没有对于OSI层3-5的相应结构。然而，Fieldbus装置的应用包括层7，同时用户层是层8，这在OSI协议中没有规定。在通信栈中的每个层负责编码或解码在Fieldbus总线34上传输的一部分消息或信号。结果，通信栈中的每一层都附加或去除某些Fieldbus信号，诸如报头、起始定界符和结束定界符，以及在一些情况下，解码Fieldbus信号的剥去(stipped)部分以识别应把剩余信号或消息送到哪里去，或者例如由于信号包括了没有用于在接收现场装置中的功能块的消息或数据，是否应丢弃该信号。
数据链路层控制在总线34上传输消息并根据下面将要描述的被称为链路现行调度器(link active scheduler)的确定的集中总线定标器，管理对总线34的访问。数据链路层在传输媒体上从信号中去除报头，并可以运用接收到的报头来使现场装置的内部时钟与进入Fieldbus信号同步。同样，数据链路层将在通信栈上的消息转换成物理Fieldbus信号，而且用时钟信息对这些信号进行编码以产生“同步序列”信号，它具有用于在双线总线34上传输的适当报头。在解码处理过程中，数据链路层认识在报头内的特定代码，诸如，起始定界符和结束定界符，以识别特定Fieldbus消息的开始和结束，而且可以执行检验和来验证从总线34接收到的信号或消息的完整性。同样，数据链路层通过将起始和结束定界符加到在通信栈上的消息并在适当的时候将这些信号设置在传输媒体上，来在总线34上传输Fieldbus信号。
Fieldbus信息规范层运用标准消息格式集来允许用户层(即，现场装置的功能块、目标等)通过总线34进行通信，并描述建立要设置在通信栈上的消息并向用户层提供所需的通信服务、消息格式和协议行为。由于Fieldbus信息规范层提供用于用户层的标准化通信，所以对于上述每种目标限定了专用Fieldbus信息规范通信业务。例如，Fieldbus信息规范层包括目标目录(dictionary)业务，它允许用户读取装置的目标目录。目标目录存储描述或识别装置的每个目标(诸如，功能块)的目标说明。Fieldbus信息规范层还提供上下文管理业务，它允许用户读取和改变与装置的一个或多个目标相关的被称作为虚拟通信关系(VCR)(如下所述)的通信关系。另外，Fieldbus信息规范层提供各种访问业务、事件业务、数据上载和数据下载业务以及程序调用业务，在Fieldbus协议中所有这些都是已知的，因而这里不再详细描述。Fieldbus访问子层将Fieldbus信息规范层映射在数据链路层中。
为了允许或使得能够操作这些层，每个Fieldbus装置包括管理信息库(MIB)，它是一个数据库，用于存储VCR、动态变量、统计学、链路现行调度器时间表(linkactive scheduler timing schedule)、功能块执行时间表和装置标记和地址信息。当然，可在任何时刻，运用标准Fieldbus信息或命令来访问或改变在MIB内的信息。此外，一般每个装置设有装置说明以使用户或主机对VFD中的信息有一扩充了解。一般必须标示有供主机使用的装置说明以在装置的VFD中存储使主机能理解数据意义所需的信息。
应理解，为了运用在处理控制网络中所述的功能块来实现任何控制策略，相对于在特定控制回路中的其它功能块的执行，必须精确地安排功能块的执行时间表。同样，必须精确地安排在总线34上执行的在不同功能块之间的通信，从而在该块执行之前，向每个功能块提供适当数据。
现在，参照图1描述其中不同现场装置(和在现场装置中的不同块)通过Fieldbus传输媒体进行通信的方法。对于发生的通信，在总线34中的每段上的一个链路主控装置(例如，装置12、16和26)作为链路现行调度器(LAS)进行操作，它现场调度和控制在总线34的相关段上的通信。用于总线34的每段的LAS存储和更新通信时间表(链路现行时间表)，它包括调度每个装置的每个功能块以起始在总线34上的周期性通信活动的时间，以及发生这种通信活动的时间长度。虽然在总线34的每段上有一个并且只有一个现行LAS装置，但是其它链路主控装置(诸如，在段34b上的装置22)可以用作备份LAS，而且例如当当前LAS出故障时，它变成现行的。在任何时刻，基本装置都没有变成LAS的能力。
广义而言，总线34上的通信活动被划分为重复的宏循环，每个包含一个用于总线34任一特定段上每个激活功能块的同步通信和用于总线34某一段上一个或多个激活功能块或设备的一个或多个异步通信。即使设备物理通过总线34上桥路和LASs的协同操作连接总线34不同的段，设备也可以是激活的，即发送数据并接收来自总线34任一段上的数据。
在每个宏循环内，每个在总线34特定段上激活的功能块通常在不同但是精确安排的时序(同步)上执行，并且以另一精确安排的时序在总线34的该段上发布其输出数据以响应合适LAS生成的强迫数据命令。比较好的是，每个功能块在功能块执行周期结束后不久发布其输出数据。而且不同功能块的数据发布时序都依次安排好从而在总线34特定段上没有两个功能块在同一时刻发布数据。在未进行同步通信期间，允许每个现场设备利用令牌驱动的通信，以异步模式发射报警数据、查看数据等。完成每个功能块所需的执行时间和时间长度存储在驻留功能块的设备的管理信息库(MIB)内，如上所述，向总线34某一段上每个设备发送强迫数据命令的时刻存储在该段LAS设备的MIB内。由于这些功能块执行或发送数据的时刻标明了相对“绝对链接安排开始时刻”(对于连接在总线34上的所有设备来说它都是已知的)起点的偏离，所以它们一般作为偏离时间存储。
为了在每个宏循环内实现通信，LAS(例如总线段34b上的LAS 16)根据存储在链接激活时间表内的发送时刻列表向总线段34b上的每个设备发送强迫数据命令。在接收到强迫数据命令后，设备的功能块在特定时间内于总线34上发布它的输出数据。由于每个功能块一般是按照排定时刻执行的，从而使得块的执行在块安排接收强制数据命令之前进行，所以响应强迫数据命令而发布的数据应该是功能块最近的输出数据。但是如果功能块执行缓慢并且在接收到强迫数据使未锁存新的输出，则功能块发布在其最后运行期间生成的输出数据并利用时间戳记指示发布的数据是旧数据。
在LAS向总线34特定段上每个功能块发送强迫数据命令之后并在功能块执行期间，LAS可以进行异步通信活动。为了实现异步通信，LAS向特定的现场设备发送通过令牌信息。当现场设备接收到通过令牌信息时，现场设备对总线34(或者它的一段)具有完全访问能力并且可以发送异步信息(例如报警信息、转向数据、操作者设定点变化等)直到信息完成或者最大分配的“令牌保持时间”到期。随后现场设备释放总线34(或者其任一段)并且LAS向另一设备发送通过令牌信息。重复这样的过程直到宏循环结束或者直到LAS被安排发送强制命令数据以实现同步通信。当然，根据信息业务量和耦合至总线34任一特定段上的设备和块的数量，并不是每个设备都可以在每个宏循环内接收通过令牌信息的。
图5示出时序图，表示图1中总线段34b上功能块在总线段34b的每次宏循环期间执行的时间和与总线段34b相关的每次宏循环期间出现同步通信的时间。在图5的时序表中，水平轴表示时间，垂直轴表示与图3中定位器/阀门16和发射机20的不同功能块相关的活动。图5中以下脚标表示每个功能块操作的控制回路。因此，AILOOP1指发射机20的AI功能块，PIDLOOP1指定位器/阀门16的PID功能块，等等。图5中，以斜划线的方框表示每个所示功能块的块执行周期，而以垂直条表示每个预定的同步通信。
因此，根据图5的时序表，在(图1)总线段34b的任何特定宏循环期间，AILOOP1功能块首先在方框70指定的时间周期中执行。然后，在垂直条72表示的时间周期中执行，响应于总线段34bLAS的强迫数据命令在总线段34b上公布AILOOP1功能块的输出。同样，方框74、76、78、80和81分别表示功能块PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3的执行时间(对于每一个不同的功能块，时间是不同的)，而垂直条82、84、86、88和89分别表示PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3功能块在总线段34b上公布数据的时间。
显然，图5的时序图还示出可供进行异步通信活动的时间，它们可以出现在任何功能块的执行时间中以及宏循环结束时没有功能块在执行和在总线段34b上不发生同步通信的时间中。当然，如果需要的话，可以有意识地安排不同的功能块在相同时间上执行，例如，如果没有其它装置订购功能块所产生的数据，不必让所有的功能块在总线上公布数据。
现场装置(field device)利用各装置栈的Fieldbus存取子层中所定义的三种虚拟通信关系(VCR)中的一种关系能够在总线34上公布或发送数据和消息。对于在总线34上装置之间排队、非预定、用户始发、一对一的通信，可采用客户/服务器VCR。根据这种排队消息的优先级，按照提交进行发送的次序对它们进行发送和接收，而不改写以前的消息。因此，当现场装置从LAS接收一条通过令牌消息，将请求消息在总线34上发送到另一个装置时，它可以采用客户/服务器VCR。将请求者称为“客户”，将接收请求的装置称为“服务器”。当服务器从LAS接收通过令牌消息时它发出一个应答。例如，采用客户/服务器VCR来实现操作者始发请求，例如设定点变化、调整参数存取和变化、报警确认和装置上载和下载。
对于排队、非预定、用户始发、一对多的通信，可以采用报告分布VCR。例如，当具有事件或转向报告的现场装置从LAS接收通过令牌时，该现场装置将其消息发送到该装置通信栈的Fieldbus存取子层中所定义的“组地址”。为在该VCR上收听而配置的装置将接收该报告。Fieldbus装置通常采用报告分布VCR类型来将报警通知传送给操作者控制台。
对于缓冲、一对多通信，采用出版者/订购者VCR类型。缓冲通信是仅存储和传送最新版本数据的通信，因此新的数据完全改写以前的数据。功能块的输出例如包括缓冲数据。当出版者装置从LAS或从订购者装置接收强迫数据消息时，“出版者”现场装置利用出版者/订购者VCR类型将消息发布或播放给总线34上所有的“订购者”现场装置。预先确定出版者/订购者关系并将其限定和存储在各现场装置通信栈的Fieldbus存取子层中。
为了保证总线34上的适当的通信活动，各LAS周期性地将时间分布消息传送到与总线段34连接的所有现场装置，使得接收装置将它们的局部应用时间调节为相互同步。在这些同步消息之间，根据每个装置自身的内部时钟，独立地维持每个装置中的时钟时间。时钟同步允许现场装置对整个Fieldbus网络上的数据加时间印记，表示例如数据是何时产生的。
此外，每个总线段上的各LAS(和其它链路主控装置)存储“运转清单(livelist)”，这是一张列有与该总线段34连接的所有装置，即对通过令牌消息作出适当响应的所有装置的清单。LAS通过周期性地将探查节点消息传送到不在运转清单上的地址，对增加到总线段上的新装置进行连续识别。事实上，在每个LAS完成将通过令牌消息传送到运转清单中所有现场装置的循环后，需要它对至少一个地址进行探查。如果有一个现场装置出现在被探查的地址上并接收探查节点消息，那么该装置立即返回一个探查应答消息。在接收探查应答消息时，LAS将该装置增加到运转清单中并通过将节点激活消息传送到被探查的现场装置而确认。只要现场装置对通过令牌消息作出适当应答该现场装置便维持在运转清单上。然而，如果在经过三次成功尝试后现场装置既没有采用该令牌又没有立即将该令牌返回给LAS，那么该LAS将现场装置从运转清单中排除。当现场装置被增加到运转清单中或者从运转清单中排除时，LAS将运转清单中的变化广播给总线34特定一段上的所有其它链路主控装置，允许每个链路主控装置维持当前复制的运转清单。
如上所述，在现场装置和其中的功能块之间的通信互连由用户所决定并在过程控制网络10中执行，过程控制网络10采用安装在例如主机12的结构应用软件。然而，在设置后，不需要考虑装置或过程诊断，过程控制网络10工作并因此与主机12接口来实现标准的I/O功能，但不是诊断功能。
参考图6，图中的方块示意图描述了维护接口装置100，维护接口装置100被用在任何过程控制系统，例如，执行一个SP-50通信协议，例如一个Fieldbus或Profibus协议或被用在任何其它的数字的，双线的，或环路供电通信系统。维护接口装置100有一个双线终端块102，它连接到一个通信环路如一个Fieldbus系统的双线媒体，或连接到一个测试中装置的通信连接终端。当然，维护接口装置可以被连接到和与使用维护接口所指定的通信协议的装置的任何类型一起使用。包括，例如任何传送器，阀门，阀门定位器，传感器，攀墙板等。
维护接口装置100包括一个微处理器104，一个通信接口106，一个媒体访问单元108，多个存储装置如一个随机访问存储器(RAM)110，一个只读存储器(ROM)112和一个非易失性随机存取存储器(NVRAM)114，一个信号处理装置如一个模拟一数字变换器116，一个供电单元120和一个多位LED显示器122。接口106是一个实现串一并协议转换和并一串协议转换的电路，被用来根据任何想要的协议定义如Fieldbus协议将帧信息加到数据包。媒体访问单元108是用来在总线34上例如将双线媒体通信信号转换到通信信号的数字表示。媒体访问单元108还包括电源耦合器将从总线34或(如果电源难以从这些来源获得)从电池120上接受的电源供给维护接口装置100中的其他电路。媒体访问单元108还执行双线媒体上的波形和信令，接口106在媒体访问单元108与微处理器104之间组成一个接口.
存储装置110，112和114提供存储器到维护接口装置110，与微处理器104直接接口.在所描述的实施例中，RAM110可以是一个128K字节的存储单元，ROM112可以是一个256K字节的存储单元和NVRAM114可以是一个32K字节的非易失性存储单元。如图6所描述的，A/D转换器116被连接到双线终端块102来接受从双线媒体或被测装置上来的数字信号.
维护接口装置100根据存储在存储装置110，112，或114中一个或多个程序代码执行微处理器104中的指令来实现一个功能性装置的功能性测试，并采用LED显示器122来显示功能性测试的结果。LED显示器122或者包括多个单独LED灯或者用一个或多个多色LED灯来显示一个功能性装置的一个状态条件。在一些实施例中，LED显示器122包括一种灯或灯颜色来显示：(1)到一个装置的电力是否有效，(2)是否有短路情况发生，(3)是否有开路情况发生，(4)数字通信信号是否正在发生，(5)响应于由维护接口装置100所发送的信号，数字通信信号是否正在发生，(6)维护接口装置100所接收的数字通信信号是否具有合适的质量。
现在参考图7，该方块示意图描述了一个控制系统网络200，包括由维护接口装置100测试的装置和功能性部件。所描述的控制系统网络200包括一台计算机202，如一台个人计算机或一台操作站，通过控制器206被连接到一个网络总线204诸如一个数字控制系统。控制系统网络200通过在节点210的网络总线204的一个连接与一个外部网络208进行通信。控制系统网络200包括多个现场装置216，它们直接与网络总线204连接或在桥218上连接到网络总线204.现场装置216每个通过桥218被连接到网络总线204，并采用一局部总线220A，220B或220C连接到桥218中的一个。每个桥118主要用于在一个Fieldbus网络中从较高频总线传送数据到较低频总线。
维护接口装置100描述性地示出按二种连接方法的连接。第一种维护接口装置(标为230)被直接连接在不与控制系统网络200相连但可以以任何想要的方式进行连接的一个现场装置232。第二种维护接口装置(标为240)被连接到局部总线220C中的一个，用来直接测试桥218和与总线220C相连的现场装置216和用来直接测试控制器206和计算机202。维护接口装置100可以在计算机202和控制器206之间通过直接连接到总线207对计算机202进行交替测试。同样，维护接口装置100可以被连接到网络总线204来直接测试控制器206。因此，维护接口装置230和240(在结构上与图6的装置100相同)可以被连结到不同位置的不同总线来测试多个不同装置类型的电力和数字通信。
在一些实施例中，维护接口装置230或240简单地读出由在总线204，207，220等上的不同功能性装置产生的数字通信信号。在另一些实施例中，维护接口装置100不仅监视数字通信还产生数字通信来引起从总线204，207和220上的一个功能性装置来的相应。
例如，一个桥218可以被操作成一个链结主装置(在一个Fieldbus系统中)和产生能被维护接口装置100所分析的数字通信信号来确定桥218是否功能正确。然而，在一些操作条件下，桥218只是间断性地产生数字通信信号。故障测试只是由产生数字通信信号的维护接口装置100用来唤引桥218的相应，桥218允许维护接口装置读出和测试桥218的响应。
网络总线204和局部总线220是供电环路以致于将工作电力加到连接总线的装置。在一些实施例中，维护接口装置230或240采用总线供应的电力并利用提供的电力操作。在这些实施例中，维护接口装置230或240还较佳地有一个电池备件(电池120)，即使当总线上的电力被中断时，也能够测试现场装置。在另一些实施例中，维护接口装置100经常在电池供电的情况下操作。
控制系统网络200包括由维护接口装置230或240所测试的装置和功能部件，它们使环路实现例如，双线的，环路供电的，双向的数字通信，包括执行一个Fieldbus标准(FieldBus Foundation，奥斯丁，得克萨斯州)，一个WORLDFIP标准，一个LONWORKS标准，一个Profibus标准，一个DeviceNET标准等的环路。控制系统网络200包括由维护接口装置230和240所测试的装置和功能部件，它们对执行混合的包括一个HART标准的模拟/数字协议的环路是有操作性的。
结合图6参考图8，一张流程图描述了在维护接口装置100，230或240(为了方便标为装置100)的一个实施例上实现状态和故障分析程序300的操作。尽管描述的操作是根据存储在存储装置110，112和114中一个或多个的一段程序代码在微处理器104中执行的，还可采用其它的控制逻辑，模拟的或数字的来控制和实现操作。
在步骤310中，电力被总线隔离电路108所监视来确定电力是否被供应在装置或通信环路。对一个装置或双线媒体来说，缺电表示双线媒体断开或中断。在一些实施例中，如果电力无效，维护接口装置100在步骤312重新建立或提供电力给测试下的装置只要维护接口装置100具有充足的电力供应。在步骤314，如果电力是充足的，维护接口装置100设置LED显示器122的一个LED，否则使LED单元不动作。值得注意的是，在另一个实施例，LED可能被点亮来表示电力不足，那个LED和其它显示器可以被用来以任何希望的方式向用户显示状态信息。在另一实施例中，两个LEDs可以被采用，一个显示电力充足，一个显示电力不足。在这种情况下，二个LEDs中只有一个被点亮来清楚地显示测试下的装置状态。在不能提供电力或没有充足电池在测试条件下提供电力的维护接口装置100的实施例中，维护接口装置100监视电力电平但不提供电力。
在步骤316中，装置或通信环路的短路状态通过将电力信号电压与处理器104中的最大允许电压进行比较检测而出的。处理器104在这里包括一个失效电路检测电路。如果电力信号范围大于最大允许值，产生一个短路状态。在步骤318，维护接口装置100在LED显示器122的指定LED上显示状态。相同地，在步骤320中，装置或通信环路的开路状态通过将电力信号电压与处理器104中的最小允许电压进行比较检测而出的。处理器104在这里包括一个失效电路检测电路。如果电力信号范围小于最小允许值，产生一个开路状态。在步骤322，维护接口装置100在LED显示器122的指定LED上显示状态。
在步骤330中，由A/D转换器116所感受到的信号数据被取样来进行分析。A/D转换器116产生一个一定比例的，基于加到双线终端块102的电压的数值。在步骤332，取样的信号数据被分析来确定数字信号的质量，指示出数字通信是否为有效的数字通信信号。参考图9，图介的示意图显示出在状态和故障分析程序的步骤332中分析的一个数字通信信号的例子。参考振幅，数字脉宽，时序和形态由A/D转换器116所采样的波形被分析来确定数字通信信号是否合适或有效。不合适的数字通信信号表示许多可能的问题，例如，不合适的数字通信信号可以由在媒体的邻近或连接到媒体的装置中的噪声源产生。不合适的数字通信信号还可以由双线媒体和其它条件的重压或间断毁损产生。在步骤334，维护接口装置100在LED显示器122的指定LED上显示数字信号质量的状态。当然，如果希望的话，维护接口装置可以包括一个通信栈或其它实际需要用来测试和读出总线上的信息内容的硬件和软件来确定这些信息是否有意义。
在步骤350中，维护接口装置100产生一个被过程控制网络所使用的在通信协议中的数字通信信号和将这一信号发送到所选地址上的装置。在步骤352，维护接口装置100等待一个从所选地址上的装置来的用作响应的预定时间。如果时间到且没有响应，对所选地址上的装置产生一个响应状态的失败。在步骤354，维护接口装置100在LED显示器122的指定LED上显示响应状态的失败。
当然，维护接口装置100可以实现所希望的其它测试并可以任何所想要的等级实现任何一种测试组合。另外，当维护接口装置在这里被描述成正在靠(或采用)定位器/阀门装置实现诊断时，需要注意这个接口装置可以被用来靠(或采用)其他类型的装置实现诊断，如那些具有可移动部件的装置，象节气闸，鼓风机等，和控制器，桥装置，传感器等.
况且，尽管在这里描述的维护接口装置最好由存储在，例如，一个过程控制装置的软件所实现，但它也可以选择性地或附加性地按需要在硬件，固件等中实现。如果由软件实现，本发明的维护接口装置可以被存储在任何计算机可读存储器如在一个磁盘，一个光盘，或其他存储媒体，在一台计算机的RAM或ROM等中。同样，这软件可以通过任何已知的或希望的传送方法包括例如通过象电话线，因特网等通信信道被传送到用户或装置。更进一步，尽管维护接口在这里被描述成包括一个LED显示器，它还能选择性地采用其他类型的显示器，包括例如一个CRT屏幕，一个气体-等离子体显示器等。
因此，当参考特定的例子描述本发明时，只是在于描述而不是限制本发明，非常明显那些本领域技术人员在不偏离本发明的范围和主题的情况下可以对披露的实施例进行改变，添加或删除。

Claims (23)

1.在一个过程控制系统中采用的一种便携式维护接口装置，包括：
为连接到过程控制系统中的一个部件而实现双线的、双路的、环路供电的数字通信协议的一个接口；
耦合到所述接口的一个电力检测电路，该电路用于检测部件中的一个工作电力是否存在；和
耦合到电力检测电路的一个显示器，它基于部件中存在工作电力时显示工作电力的一个状态。
2.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的一个数字通信信号检测电路，该数字通信信号检测电路检测部件中的一个数字通信信号是否存在，其中，显示器被耦合到数字通信信号检测电路，并显示部件中数字通信信号的存在状态。
3.如权利要求2所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的一个通信信号产生电路，所述通信信号产生电路产生和传送一个查询数字通信信号到部件来引起一个应答数字通信信号。
4.如权利要求2所述的便携式维护接口装置，其特征在于，数字通信信号检测电路检测部件中的数字通信信号的品质，且显示器显示部件中的数字通信信号的品质状态。
5.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的一个电力耦合器，该电力耦合器从部件接收一个工作电力。
6.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的电源，所述电源产生一个工作电力。
7.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的一个电源，所述电源产生一个自工作电力和为该部件产生进一步电力，其中当电力检测电路检测到部件中的工作电力不存在时，提供进一步的电力到部件。
8.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其特征在于，电力检测电路还包括一个失效电路检测电路，它检测部件的短路电力状态和部件的开路电力状态。
9.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其特征在于，过程控制系统中的部件是现场装置。
10.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其特征在于，过程控制系统中的部件是一个双线控制媒体，维护接口装置被连接到双线控制媒体，用来检测在一组部件中所选的一个部件的一个电力信号状态，该组部件包括：
环控制器，数字控制系统，操作员控制台，工作站，个人计算机和桥路。
11.在一个过程控制系统中采用的一种便携式维护接口装置，包括：
为连接到过程控制系统中的一个部件而实现双线的、双路的、环路供电的数字通信协议的一个接口；
耦合到所述接口的一个电力检测电路，该电路用于检测部件中的一个工作电力是否存在；和
耦合到电力检测电路的一个显示器，它基于部件中存在工作电力时显示工作电力的一个状态，其中，所述双线的，双路的，环路供电的数字通信协议包括SP-50通信协议。
12.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其中，双线的，双路的，环路供电的数字通信协议还包括Profibus通信协议。
13.如权利要求1所述的便携式维护接口装置，其中，双线的，双路的，环路供电的数字通信协议还包括Fieldbus通信协议。
14.一种便携式维护接口装置，包括：
为连接到过程控制系统中的部件而实现双线的，双路的，环路供电的数字通信协议的一个接口；
耦合到所述接口的一个电力检测电路，用于检测部件中的工作电力是否存在；
耦合到所述接口的一个模拟-数字转换器，用于连接到过程控制系统中的部件和获得数字通信信号；
耦合到所述电力检测电路和所述模拟-数字转换器的一个控制器，包括：
分析部件的工作电力的第一控制逻辑；
分析数字通信信号来检测部件中的数字通信信号是否存在的第二控制逻辑；以及
耦合到电力检测电路和所述控制器的一个显示器，它基于部件中存在工作电力时显示工作电力的一个状态，并显示部件中数字通信信号的存在状态。
15.如权利要求14所述的便携式维护接口装置，其特征在于，第二控制逻辑分析数字通信信号来检测数字通信信号的品质，显示器显示数字通信信号的品质状态。
16.如权利要求14所述的便携式维护接口装置，其特征在于，控制器包括处理器，耦合到处理器的存储单元和存储在存储单元的程序代码，在处理器上执行实现第一和第二控制逻辑功能。
17.如权利要求14所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括连接到接口来接收来自部件的工作电力的电力耦合器。
18.如权利要求14所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到接口用来产生工作电力的电源。
19.如权利要求14所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的电源，所述电源产生自工作电力和为该部件产生进一步电力，其中，当电力检测电路检测到部件中的工作电力不存在时，提供进一步的电力到部件。
20.如权利要求14所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的通信信号产生电路，所述通信信号产生电路传送一个查询数字通信信号到部件来引起一个应答数字通信信号。
21.在一个过程控制系统中采用的一种便携式维护接口装置，其特征在于，包括：
为连接到过程控制系统中的部件而安现双线的、双路的、环路供电的数字通信协议的一个接口；
部件中的数字通信信号是否存在；和
耦合到数字通信信号检测电路的显示器，它显示部件中的数字通信信号的存在状态。
22.如权利要求21所述的便携式维护接口装置，其特征在于，还包括耦合到所述接口的一个通信信号产生电路，所述通信信号产生电路产生和传送一个查询数字通信信号到部件来引起一个应答数字通信信号。
23.如权利要求21所述的便携式维护接口装置，其特征在于，数字通信信号检测电路检测部件中的数字通信信号的品质，显示器显示部件中的数字通信信号的品质状态。
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