CN101374092A - 虚拟现场总线设备 - Google Patents

Abstract

虚拟现场总线设备模块是能够使其它普通的现场总线设备变成复杂现场总线设备的软件或固件模块，其能够为一个或多个“虚拟”现场总线设备注册并维持多个现场总线网络地址。每个虚拟现场总线设备具有一个或多个传感器输入端，并且在现场总线网络中作为单独的物理现场总线设备，尽管复杂现场总线设备仅具有到现场总线网络的一个物理连接。虚拟现场总线设备模块可被整合入设备的固件，或可被包含于可移动的存储器插件中。复杂现场总线设备的通信分组处理运行虚拟现场总线设备模块，包括通过现场总线网络接收通信分组，确定和该包相关的地址是否与由复杂现场总线设备注册的任意地址匹配，并处理匹配的任何分组。

Description

虚拟现场总线设备

技术领域

本发明涉及数据传送设备和方法。更特别地，本发明涉及从现场总线网络的单个设备传送数据的设备和方法，该单个设备在网络中作为多个的、独立的“虚拟”设备以多个网络地址响应网络。

背景技术

在工艺环境中，例如工厂或生产车间，会使用各种类型的机器。通常将机器的每个部件地理上、策略上地分布在整个工艺环境中，以便使工艺效率最大化。在大多数工艺中，都需要测量环境和工艺条件，例如温度、压力、流动速率等，以便保证正确的工艺特性，以及判断工艺机器是否需要预防性的或现状的维护。另外，在工艺控制系统中，会将通常基于测量条件的控制信号通信到各种现场设备。

通常，测量设备会测量某个条件，例如温度或压力。可将测量设备物理地、逻辑地整合到该机器中以创造出“智能”设备。该智能设备参与到控制协议网络中，例如HART或FOUNDATION^TM现场总线网络，以便将机器条件数据通信到该控制协议网络。该控制协议网络或者是工艺控制系统的一部分，或者是对该工艺控制系统的补充。在优选实施例中，在设备上执行机器故障确定，并将可能包括有原始测量数据的结果通信到中央处理器。该中央处理器利用询问形式的信息作出可能包括预防性或补救性的维护的调度和/或操作决定。如果必须在相同的或不同的机器上测量多个不同的条件，则通常使用多个测量设备。该多个测量设备通过占用有限地映射的网络地址分别地与该控制协议网络进行通信。

测量各种条件的单独的物理测量设备的使用需要通过配线将每个测量设备连接到单独的网络链路。一些设备仅使用一个地址，即可将与多个机器相关的数据通信到控制协议网络。通过一个地址通信多个机器的状况会引发多个问题，包括对数据的分类以使其精确地对应于适当的机器或设备。此外，如果测量设备读取条件并将表示该条件的数据通信到该控制协议设备，则必须将该数据通信到该中央工作站进行分析。如果确定该测量条件需要进一步的行动，则必须通过该控制协议网络将控制信号发送到适当的受控设备，这将在预防性的维护和/或停止命令中导致潜在地严重的延时。

早先的现场设备会试图报告多个不同的机器状况，如作为单个现场总线设备的泵、电机、涡轮等的状况。就是说，现场设备仅占据该现场总线网络上的一个“插槽”，但响应于仅一个机器或多个机器上的多个不同的测量发送数据。在一些情况下，这种现场设备会导致对于警报源和该多个机器的全面状况的混淆。

Bouse等人申请的公开号为No.2006/0101111的美国专利申请以参引的方式完全合并于此，如其中所讨论的，使用“插槽”和“令牌网(token ring)”的时分复用方法，通常会对现场总线网络带宽进行分配。因此，用于在整个宏-周期内传送任意“不定期的”数据的可用时间被限制。

发明内容

因此，需要一种现场总线设备，能够接受从多个测量工具中获得的表示测量的信号，并在控制协议网络上作为以多地址响应于控制协议网络的多个、独立的“虚拟”设备以响应于该信号将数据通过该控制协议网络发送出去。

还需要一种机器-侧网络集线器(machine-side hub)，用于接受来自多个机器设备的信号，包括测量工具，分析该信号，并将控制信号通信到与网络集线器连接的其它机器设备，而不需要通过控制协议网络进行通信，就是说，这种在现场总线设备之间或之中的通信不是必须通过现场总线网络通信的。

通过一种虚拟现场总线设备模块来满足上述及其它需求，该模块是在物理现场总线设备、例如复杂现场总线设备上运行的软件或固件模块，使得该现场总线设备能够进行注册，并为与该复杂现场总线设备相关的虚拟总线设备保存多个现场总线网络地址。该虚拟现场总线设备减少了与配线相关的花费，并通过作为具有不同网络地址的多个简单设备，而不是带有表示多个值的单个网络地址的单个复杂设备，简化了与控制系统相连的接口，其导致了该数值和正确的监控机器的匹配的不确定。在现场中可以配置该虚拟现场总线设备，以接受输入的变化的数字和类型，并将现场总线网络上的多个这样的输入描绘成一个或多个虚拟现场总线设备。

附图说明

当结合附图进行考虑时，通过参考详细说明，本发明的更多优点将显现出来，附图没有按比例绘制以致更清晰地图示出这些细节，其中在多个视图中同样的参考数字表示同样的元件，并且其中：

图1A是具有标准配置的现场总线网络的附图。

图1B是表示由普通的现场总线设备执行的通信分组处理的流程图，该普通的现场总线设备在具有标准配置的现场总线网络中运行，并且由超级设备执行该通信分组处理在现场总线网络中运行。

图1C是现场总线设备的附图。

图2A是使用点对点连接结构的具有代理设备配置的现场总线网络的附图。

图2B是使用多点连接(multi-drop)结构的具有代理设备配置的现场总线网络的附图。

图2C是表示由代理设备执行的通信分组处理的流程图，该代理设备在具有代理设备配置的现场总线网络中运行。

图3是具有超级设备配置的现场总线网络的附图。

图4A是具有复杂现场总线设备的现场总线网络的附图。

图4B是表示由复杂现场总线设备执行的通信分组处理的流程图，该复杂现场总线设备具有虚拟现场总线设备模块。

具体实施方式

虚拟现场总线设备模块为复杂解析物理现场设备提供灵活的网络寻址。特别是，“子设备”，例如电机监视器、齿轮监视器、泵监视器或类似监视器，具有连接到该物理现场设备的多个传感器。该虚拟现场总线设备模块使得该物理现场设备在现场总线网络中作为一个控制监控设备呈现，它的每个子设备都会在现场总线网络中作为单独的附加监视和控制设备呈现，而不管为每个子设备提供了多少传感器。

现在参见图1A，示出了标准现场总线配置8。工艺控制系统10连接到分布于整个工艺环境的现场总线现场网络12。在一些实施例中，工艺控制系统10包括连接到骨干网络(例如至少与一个主机或中央工作站或服务器连接的工厂内部的以太网)的工艺控制器。该现场总线现场网络12具有到现场设备，例如流发送器16、压力发送器18、温度发送器20和阀控制器22的多个物理连接14。例如这样的配置，其中每个现场设备单独地物理连接到现场总线现场网络12，即称为多点配置。在这种配置中，每个现场设备需要单独并且不同的网络地址以及到每个设备的单独配线。在简单条件下，现场总线网络12为每个单独的现场设备分配网络地址，并且每个单独的现场设备以所分配的地址在现场总线网络上通信。

在不同的现场设备之间通信，例如在压力发送器18和阀控制器22之间，需要通过物理连接14和现场总线现场网络12进行传送。这种传送可能延迟重要的控制信号的传送或其它重要的通信。例如，当压力发送器18在工艺系统的管道中发现压力超出预定的压力阈值时，该压力发送器18构造能够指示压力级并且具有由网络地址指定的预定接收器的通信分组。在这个例子中，压力发送器18被编程以通过现场总线网络发送临界的压力信息，该信息带有指定阀控制器22的网络地址的标签。一旦通过压力发送器18上传该通信分组，则在现场总线现场网络上通信该通信分组，直到阀控制器22接收到该通信分组，该阀控制器22在通信分组上执行通信堆栈处理。

参见图1B，示出了标准现场总线配置8(图1A)的通信堆栈处理26。首先，通过现场设备接收通信分组，例如上述实例中由压力发送器18上传的通信分组，如由块28表示。接着，该现场设备确定该通信分组是否被识别为要发送到该特定现场设备相应的网络地址，如由判定模块30表示。如果该现场设备确定所接收的通信分组不是打算发送给该现场设备(由箭头38表示)相应的网络地址，则对于通信分组，通信堆栈处理24继续监视现场总线现场网络12，如由箭头32表示。如果现场设备确定该通信分组是打算发送给该现场设备(由箭头34表示)相应的网络地址，则现场设备处理通信分组，如由块36表示。一旦处理该通信分组36，则对于通信分组，现场设备继续监视现场总线现场网络，如由箭头32表示。

参见图1C，示出了现场总线现场设备、也被称为现场设备40的一个实施例的方框图。通常地，现场设备40具有连接到存储器44的处理器42，该存储器存储了各种软件和固件算法，其中包括现场设备的现场总线网络的通信协议和通信堆栈处理指令。处理器42也可连接到现场总线通信模块46，该模块接收和发送现场总线现场网络12(图1A)上的信息。监视设备输入模块48连接到处理器42和监视设备输入端50。在一些实施例中，该监视设备输入模块具有多个输入端50。该监视设备输入端50从监视设备中接收监视信号，该监视设备例如是流传感器、压力传感器、温度传感器等。在参考图1B的上述讨论的实例中，压力发送器18是如图1C所示的现场设备40。该压力发送器18(图1A)在其监视设备输入模块48的输入端50处接收来自放置在管道上的压力传感器的压力信号。处理器42确定该压力读取需要基于存储器44中存储的压力发送器的预编程指令在现场总线现场网络12上(图1A)进行传送。构造通信分组，并且与现场总线现场网络12(图1A)接口连接的现场总线通信模块46通过现场总线网络12(图1A)通信该通信分组，该通信分组指示压力级和预定的接收器现场设备的网络地址。

接下来，阀控制器22(图1A)执行如图1B所示的通信堆栈处理26，并基于其预编程指令和所接收的通信分组控制阀。

现在参见图2A，示出了带有多点连接结构56的代理或网关设备现场总线配置52A(这里称为“代理现场总线配置”)。图2B示出了带有点对点或星状58连接结构的代理现场总线配置。在这里共同讨论图2A和2B，两个配置之间唯一的不同是它们各自的连接结构。在这些实施例中，单个物理现场设备或代理设备54通过物理连接14与现场总线网络12多点连接，并且单个物理现场设备或代理设备54充当集线器、网关、或用于多个单独现场设备的协议转换器，如流发送器16、压力发送器18和温度发送器20。代理地址表在每个单独的设备在扩展或远程网络上联机时存储每个远程现场设备16、18和20的现场总线地址。

在这些实施例中，现场设备16、18和20有时看作是现场总线网络的远程设备，而有时候称为“菊花链”设备，因为它们正如多点配置那样，不是与现场总线网络12直接连接的。连接56或58以及通过代理设备54与现场总线网络12分离的远程现场设备16、18和20被称为扩展网络59。远程现场设备16、18和20可使用一个或多个现场总线协议，且该代理设备54与各个现场设备16、18和20进行通信，并为每个分离的远程现场设备16、18和20存储所有的网络地址。代理设备54中网络地址的存储此处也可称为“注册”地址。

参见图2C，示出了代理设备54的通信堆栈处理64。当代理设备54通过现场总线网络12(由块28表示)接收通信分组时，该代理设备54将与通信分组相关的地址与存储在其代理地址表(由判定块60表示)中的网络地址作比较。如果该地址对应于代理地址表中的任意地址，则该代理设备54将该通信分组转发到具有匹配地址(由块62表示)的现场设备。一旦经由扩展网络59转发该通信分组，则对于通信分组(由箭头32表示)，代理设备54继续监视现场总线网络12。返回参考判定块60，如果接收到的通信分组的地址与代理地址表中存储的任意地址都不匹配，则对于通信分组(由箭头32表示)，代理设备54继续监视现场总线网络12，而不经由扩展网络59转发该通信分组。

在如图2A、2B和2C的实施例中，各个现场设备16、18和20之间的通信需要通过物理配线例如56、58或14进行传送。然而，在图2B的配置中，可将该通信限制在多点配置的扩展网络59中，而不经过代理设备54。在图2A所示的点对点配置56中，现场设备之间、例如流发送器16和压力发送器18之间的通信需要通过代理设备54进行通信。

现在参见图3，示出了超级现场总线设备配置66。在这个配置中超级设备68是通过连接14多点脱离现场总线网络12的单个物理现场设备。通过单个现场总线网络地址来识别该超级设备68，且该超级设备不为任何子设备如16、18和20存储独立的地址。因此，每个现场设备16、18和20不被识别，也不需要独立的、单独的现场总线地址。

在该实施例中，执行如在图1B中所示的通信堆栈处理。返回参考图1B，当如块28表示超级设备68接收通信分组时，它确定与通信分组相关的现场总线地址是否与超级设备的地址相匹配，如判定块30表示。如果该通信分组与该超级设备的现场总线地址匹配，则超级设备68处理通信分组，如块36表示。如果不匹配，则对于通信分组，超级设备68继续监视现场总线网络，如箭头32表示。

返回参考图3，在多个子设备之间、如流发送器16和压力发送器18之间的通信，不需要通过物理网络连接如14或现场总线网络12进行传送。

现在参见图4A，示出了包括复杂解析现场设备101(这里称为复杂现场设备)的虚拟现场总线设备配置100。该复杂现场设备101多点脱离现场总线网络12。与参考图2的上述所讨论中的代理设备54相似，该复杂现场设备101具有一个或多个现场总线地址，其中之一是用于复杂现场设备101自身的第一地址。如图4A所示，除了该第一地址之外，该复杂现场设备101存储由子设备如电机监视器102、齿轮监视器104和泵监视器106使用的地址。通过将传感器分组为子设备来简化对多种应用的适应。每个子设备被分配独立的现场总线地址，就像它是独立的标准现场设备。然而，该复杂现场设备101仅具有到现场总线网络12的一个物理连接14，因此减少了为多个设备配线的相关花费。

每个子设备102、104和106此处称为虚拟设备，因为它是整个物理复杂现场设备101的感测和/或计算资源的子集。例如，在一个实施例中，该复杂现场设备101为传感器提供八(8)个物理输入端。电机监视器虚拟子设备102使用该传感器输入端中的四(4)个，泵监视器虚拟子设备104使用该传感器输入端中的两(2)个，及齿轮监视器虚拟子设备106使用两(2)个传感器输入端。因此，在该虚拟子设备中对这八(8)个传感器输入端进行分配。复杂现场设备101需要它自己的现场总线网络地址。此外，电机监视器102、齿轮监视器104和泵监视器106中的每个各自占用一(1)个现场总线网络地址。因此，由复杂现场设备101和它的虚拟子设备102、104和106使用全部四(4)个现场总线网络地址。

在该实施例的另一个实例中，电机监视器102使用五(5)个传感器输入端，泵监视器106使用三(3)个传感器输入端，而齿轮监视器104不可用，因而其不使用任何传感器输入端。在一些实施例中，多个虚拟子设备监视器物理设备互相耦合或相互作用。在一个实施例中，电机和泵在工艺系统中互相耦合。在这种情况下，对于全部三(3)个现场总线网络地址来说，复杂现场设备101使用一(1)个现场总线网络地址，电机监视器102和泵监视器106各自使用一(1)个现场总线网络地址。

参见图4B，示出了复杂现场设备101的通信堆栈处理110。当复杂现场设备接收通信分组时，如块28表示，则其确定与该通信分组相关的地址是否对应于复杂现场设备101使用的地址或者是否对应于与它的任意虚拟子设备相关的任意现场总线网络地址，如判定块60表示。如果该与通信分组相关的地址和与复杂现场设备101相关的任意地址匹配(如箭头34表示)，则复杂现场设备101处理通信分组，如块36表示。如果该与通信分组相关的地址和与复杂现场设备101相关的任意地址都不匹配(如箭头30表示)，则对于通信分组，复杂现场设备101继续监视现场总线网络，如箭头32表示。

在图4B的实施例中，多个虚拟子设备之间和之中的通信被限制在复杂现场设备101中，并且该通信不需要通过该复杂现场设备101之外的任何物理配线进行传送。

在优选实施例中，通过在存储器44(图1C)中存储的固件模块来控制该复杂现场设备101，或者否则可通过复杂现场设备101访问该存储的固件模块。固件模块，这里称为虚拟现场总线设备模块，允许任一现场总线模块作为现场总线网络上的多个现场总线设备。通过虚拟现场总线设备模块来管理上述的通信分组处理和在复杂现场总线设备101与现场总线网络之间的现场总线协议的交互。使用虚拟现场总线设备模块，其它普通的现场总线设备，例如图4A中示出的复杂现场总线设备101，可作为“智能”设备运行，而不需要额外的物理集成电子设备。此外，如上所述，虚拟现场总线设备模块允许复杂现场总线设备101作为扩展网络59中的一个或多个现场设备的代理而运行。在这种情况下，每个设备、每个设备的一部分、或设备的组合在现场总线网络中作为具有自己的现场总线网络地址的独立的智能设备。因此，复杂现场设备101执行虚拟现场总线设备模块，可被配置来将它自己展现为任意数量和类型的“虚拟”现场总线设备，例如图4A中的电机监视器102、齿轮监视器104和泵监视器106。

可将虚拟现场总线设备模块存储在其它普通的现场总线设备的存储器中，以此构造能够在现场总线网络上注册多个现场总线地址并且管理如上所述的多种“虚拟”现场总线设备或子设备的复杂现场总线设备。可选择地，可将虚拟现场总线设备模块整合入复杂现场总线设备的固件中，从而复杂现场总线设备能够注册和维持多个现场总线网络地址并处理从现场总线网络中接收到的匹配任一注册的现场总线地址的通信分组，而无需将通信分组转送到另一个现场总线设备。

出于解释和说明的目的，已经将本发明优选实施例在上述说明中呈现出来。不应将本发明完全对应地或限制于公开的确切形式上。根据上面所教导的，明显的改变或变化是可能的。选择和描述这些实施例，是为提供对于本发明的原理来说最好的说明和实际的应用，并因此使得现有技术中的普通技术人员可以在多个实施例中，及在和特定预期的用途相称的多种改变下，使用本发明。当公平地、合法地、公正地依照宽度进行解释时，作为由附加的权利要求确定的，所有上述的改变和变化都包括在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种用于在现场总线网络中传送数据的方法，该现场总线网络包括具有存储器、处理器及至少一个附加子设备的现场总线设备，其中该现场总线设备仅具有单个物理网络连接，该方法包括如下步骤:

(a)为该现场总线设备注册第一现场总线网络地址；

(b)为所述至少一个附加子设备注册至少一个附加现场总线网络地址，以使该至少一个附加子设备在现场总线网络中表现为另一个物理设备，尽管它实际上是现场总线设备的一部分并且被放置在所述单个物理网络连接之上；

(c)从现场总线网络中接收具有相关的现场总线网络地址的通信分组；

(d)确定该通信分组的相关的现场总线网络地址是否包含指示与第一现场总线网络地址匹配的信息；

(e)如果该通信分组的相关的现场总线网络地址包含指示与第一现场总线网络地址匹配的信息，则处理该通信分组；

(f)确定该通信分组的相关的现场总线网络地址是否包含指示与所述至少一个附加现场总线网络地址匹配的信息；

(g)如果该通信分组的相关的现场总线网络地址包含指示与所述至少一个附加现场总线网络地址匹配的信息，则处理该通信分组。

2.如权利要求1所述的方法，其中该现场总线设备具有第二附加子设备，且该方法进一步包括步骤:独立于现场总线网络上的通信，在第一子设备和第二子设备之间进行通信。

3.如权利要求1所述的方法，其中基于由在现场总线设备的存储器中存储的现场总线设备固件模块提供的指令，执行一个或多个步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其中基于由在可移动存储器设备中存储的现场总线设备软件模块提供的指令，执行一个或多个步骤，且该方法进一步包括:将该可移动存储器设备可移动连接到现场总线设备，以使现场总线设备的处理器执行在该可移动存储器设备中存储的现场总线设备软件模块的指令。

5.一种复杂现场总线设备，用于在现场总线网络上传送多个通信分组，每个通信分组具有相应的相关现场总线网络地址，该复杂现场总线设备用于连接一个或多个附加物理现场总线设备，该复杂现场总线设备包括:

存储器，用于存储与该复杂现场总线设备相关的复杂现场总线设备网络地址、以及与该一个或多个附加物理现场总线设备相关的一个或多个附加现场总线网络地址；

现场总线通信模块，用于在现场总线网络上发送和接收所述多个通信分组；

处理器，用于确定所接收的通信分组的网络地址是否包含指示与一个或多个附加物理现场总线网络地址中的任意一个匹配的信息；和

与处理器连接的输入/输出模块，具有至少一个端口，用于当所接收的通信分组的相关网络地址包含指示与一个或多个附加物理现场总线网络地址匹配的信息时，与该一个或多个附加物理现场总线设备传送输入/输出信号。

6.如权利要求5所述的复杂现场总线设备，其中该复杂现场总线设备还用于连接一个或多个其它附加物理现场总线设备，且其中注册的附加现场总线网络地址与表示一个或多个子设备的虚拟现场总线设备相关。

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