CN103728930B - 过程控制系统及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于控制在工厂中实施的工业过程的过程控制系统及其管理方法。该过程控制系统可以包括：设置在工厂中的网络；包括第一检测器和第二检测器中的至少一个的网络装置，第一检测器被配置为检测网络装置与网络的连接状态，第二检测器被配置为检测网络装置的连接状态，网络装置被配置为将表示第一检测器检测到的第一检测结果的连接信息和表示第二检测器检测到的第二检测结果的装置状态信息中的至少一个输出至网络。

Description

过程控制系统及其管理方法

相关申请的交叉引用

本发明要求于2012年10月15日提交的日本专利申请No.2012-227845的优先权，其内容通过引用方式并入本申请中。

技术领域

本发明涉及在车间、工厂等中建造的过程控制系统及其管理方法。

背景技术

为了更加全面地描述本发明所涉及的现有技术，在本申请的下文中将要引用或标记的所有专利、专利申请、专利公开、科技文章等将通过引用方式整体并入本文。

以往，过程控制系统被建造于车间、工厂等（在下文中统称为“工厂”），并且该过程控制系统控制工业过程中的各种状态量（例如，压力、温度、流量等），从而实现高度自动化。过程控制系统包括通过通信装置连接的被称为现场装置的位于现场的装置（测量装置和操作装置）、用于控制这些现场装置的操作的控制器、以及管理和控制现场装置和控制器的更高等级的管理设备。

在这样的过程控制系统中，控制器采集由现场装置获取的过程值（例如，压力、温度、流量等的测量值），并且在上级管理设备的管理下，根据控制器所采集的过程值，通过操作现场装置来控制各种状态量。上级管理设备采集表示控制器等的状态的信息，并且基于所采集的信息来管理过程控制系统。

到目前为止，在大多数的过程控制系统中，具有模拟通信功能的控制器和现场装置通过模拟传输线（例如，用于4至20mA的传输信号的传输线）连接。相反，在很多最近的过程控制系统中，为了实现高功能性，数字化的现场装置和控制器通过有线或无线网络（例如，现场网络）连接。

日本专利（已授权）公开No.4326768公开了一种用于诊断安装在电厂等中的工厂网络的稳健性的技术。具体来讲，在日本专利（已授权）公开No.4326768中公开的技术中，通过以下步骤来诊断工厂网络的稳健性：将数据采集装置和测试装置连接至与控制装置连接的工厂网络，在数据采集装置中采集在工厂网络上传输的所有帧，以及通过将在正常周期中传输的帧与预先存储的帧基准信息进行比较，而在测试装置中测试各帧。

在上述传统的过程控制系统中，由于现场装置和控制器基本上通过模拟传输线一对一地连接，因此现场装置和控制器之间的连接简单。因此，若过程控制系统在某些方面发生故障（例如，若现场装置和控制器之间存在通信故障），则容易识别故障的位置。

相反，在上述最近的过程控制系统中，现场装置和控制器通过网络连接。该网络例如由级联的多个网络交换机来配置，由于网络的规模随着现场装置和控制器的数量而增加，因此现场装置和控制器的连接比传统系统中的连接更为复杂。也可以将从各个厂商供应的装置（现场装置、控制器等）连接至该网络。

当连接现场装置和控制装置的网络变复杂，并且从各个厂商供应的装置以该方式连接至该网络时，很难管理包括网络和构成过程系统的装置在内的整个过程控制系统。这导致这样的问题：当网络中或构成过程控制系统的装置中出现故障时，会存在故障未被检测到以及基于错误的过程值来执行控制的危险。

即使检测到网络中或构成过程控制系统的装置中的故障，由于以下原因，仍存在很难识别故障的位置和原因的问题：

（1）信息编码系统的非一致性

由于装置由多厂商供应等，针对每个类型的装置，用于表示构成过程控制系统的装置的状态的信息的编码系统可能不同。因此，即使在不同类型的装置中检测到相同的故障，由于表示故障的信息代码不同，仍需要对它们进行译码的词典等。以往，上位装置使用词典等来执行该译码过程，但由于代码的每个改变或扩展都需要改变/添加词典等，因此要顺畅地确定故障的类型也有相当大的障碍。

（2）路由信息不足

以往，构成网络的很多装置（例如，网络交换机、网关、连接装置等）不能传输它们的路由信息和状态。此外，即使装置包含该功能，当存在由于过程控制系统的旧式架构等的限制时，不可能获得网络的足够的路由信息，并且不能充分地利用该功能，或者该功能不容易利用，以及很难准确地识别网络中出现的故障。

发明内容

本发明提供了一种可以容易地识别故障的位置和原因的过程控制系统及其管理方法。

一种用于控制在工厂中实施的工业过程的过程控制系统可以包括：设置在工厂中的网络；网络装置，其包括第一检测器和第二检测器中的至少一个，第一检测器被配置为检测该网络装置与网络的连接状态，第二检测器被配置为检测该网络装置的状态，该网络装置被配置为将表示第一检测器检测到的第一检测结果的连接信息和表示第二检测器检测到的第二检测结果的装置状态信息中的至少一个输出至网络。

网络可以包括多个层，所述多个层包括其他网络装置。所述网络装置的第一检测器被配置为检测所述网络装置与相邻的高级别层中和相邻的低级别层中的其他网络装置的连接状态。

所述网络装置可以被配置为接收来自相邻的高级别层和相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一的连接信息和装置状态信息中的至少一个。所述网络装置可以被配置为将已接收到的连接信息和装置状态信息中的至少一个，连同作为所述第一检测器检测到的检测结果而获取的连接信息和作为第二检测器检测到的检测结果而获取的装置状态信息中的至少一个一起输出至相邻的高级别层和相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一。

所述网络装置还可以包括标准化单元，该标准化单元被配置为将连接信息和装置状态信息转换为预定的格式。

过程控制系统可以还包括高级别管理设备，其被配置为从所述网络装置采集连接信息和装置状态信息，以管理网络。

所述网络装置可以被配置为将具有包括头部区、信息存储区、和尾部区的帧的信息传输至高级别管理设备。信息存储区可以被配置为存储与设在网络的低级别层中的低级别层网络装置相关的信息、与所述网络装置相关的信息、以及与设在网络的高级别层中的高级别层网络装置相关的信息。

第一检测器可以被配置为检测所述网络装置与相邻的高级别层和相邻的低级别层中的其他网络装置的物理连接状态和逻辑连接状态两者。

一种包括在网络中的网络装置，该网络设置在工厂中且包括多个层，所述多个层逐层连接且包括其他网络装置，所述网络装置可以包括：高级别层连接检测器，其被配置为检测所述网络装置和高级别层网络装置之间的连接状态，高级别层网络装置设在网络的高级别层中并且与所述网络装置直接连接，从而高级别层连接检测器将表示检测结果的连接信息输出至标准化单元；低级别层连接检测器，其被配置为检测所述网络装置和低级别层网络装置之间的连接状态，低级别层网络装置设在网络的低级别层中并且与所述网络装置直接连接，从而低级别层连接检测器将表示检测结果的连接信息输出至标准化单元；装置状态检测器，其被配置为检测所述网络装置的状态，以将表示检测结果的装置状态信息输出至标准化单元；低级别层信息采集单元，其被配置为采集从低级别层的网络装置输出的连接信息和装置状态信息中的至少一个，以输出至所述标准化单元；标准化单元，其被配置为将来自低级别层信息采集单元的连接信息和装置状态信息中的至少一个、来自高级别层连接检测器和低级别层连接检测器的连接信息、和来自装置状态检测器的装置状态信息转换为预定的格式；以及通信单元，其被配置为与高级别层网络装置和与低级别层网络装置进行通信。

所述网络装置可以还包括：确定单元，其包括存储器，该存储器被配置为存储从标准化单元输出的连接信息和装置状态信息，确定单元被配置为将先前从标准化单元输出并预先存储在存储器中的连接信息和装置状态信息与最新从标准化单元输出的连接信息和装置状态信息进行比较，以确定连接信息和装置状态信息的内容是否已改变。

所述通信单元可以被配置为经由该网络向高级别管理设备传输具有包括头部区、信息存储区、和尾部区的帧的信息。信息存储区被配置为存储与低级别层网络装置相关的信息、与所述网络装置相关的信息、以及与高级别层网络装置相关的信息。

连接信息可以包括物理连接状态和逻辑连接状态两者。

一种用于过程控制系统的管理方法，该过程控制系统用于控制工厂中实施的工业过程，所述管理方法可以包括步骤：检测与设在工厂中的网络连接或者形成该网络的一部分的网络装置与该网络的连接状态、以及所述网络装置的状态中的至少一个；输出表示与网络的连接状态的检测结果的连接信息和表示所述网络装置的状态的检测结果的装置状态信息中的至少一个；以及采集已输出的连接信息和装置状态信息，以管理网络。

网络可以包括多个层，所述多个层包括其他网络装置。所述管理方法可以还包括：检测所述网络装置与相邻的高级别层和相邻的低级别层中的其他网络装置的连接状态。

所述管理方法可以还包括：接收来自相邻的高级别层和相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一的连接信息和装置状态信息中的至少一个，以及将已接收到的连接信息和装置状态信息中的至少一个，连同作为检测结果而获取的连接信息和作为检测结果而获取的装置状态信息中的至少一个输出至在相邻的高级别层和相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一。

所述管理方法可以还包括：将连接信息和装置状态信息转换为预定格式。

所述管理方法可以还包括：从所述网络装置采集连接信息和装置状态信息，以管理网络。

所述管理方法可以还包括：将具有包括头部区、信息存储区、和尾部区的帧的信息传输至高级别管理设备，其中，在信息存储区中存储有与设在网络的低级别层中的低级别层网络装置相关的信息、与所述网络装置相关的信息、和与设在网络的高级别层中的高级别层网络装置相关的信息。

所述管理方法可以还包括：检测所述网络装置与设在相邻的高级别层和相邻的低级别层中的其他网络装置的物理连接状态和逻辑连接状态两者。

所述管理方法可以还包括：将已经输出的连接信息和装置状态信息存储在存储器中；以及将先前已输出并预先存储在存储器中的连接信息和装置状态信息与最新输出的连接信息和装置状态信息进行比较，以确定连接信息和装置状态信息的内容是否已改变；并且如果确定内容已经改变，则输出最新输出的连接信息和装置状态信息。

根据本发明的优选实施例，与网络连接或形成网络的一部分的网络装置检测与网络的连接状态和该网路装置本身的状态中的至少一个，并且将表示与网络的连接状态的确定结果的连接信息和表示网络装置本身的状态的确定结果的装置状态信息中的至少一个输出至网络。本发明因此具有能够容易地识别故障的位置和原因的有益效果。

附图说明

根据结合附图对某些优选实施例进行的以下描述，本发明的以上特征和优点将更加清晰，其中：

图1是根据本发明的第一优选实施例的过程控制系统的整体配置的框图；

图2是根据本发明的第一优选实施例的过程控制系统中所提供的网络交换机的主要部件的配置的框图；

图3是从根据本发明的第一优选实施例的网络交换机传输的信息的一个示例的图；

图4是形成根据本发明的第一优选实施例的过程控制系统的网 络交换机的操作的流程图；

图5是根据本发明的第二优选实施例的过程控制系统中所提供的网络交换机的主要部件的配置的框图；

图6是从根据本发明的第二优选实施例的网络交换机传输的信息的一个示例的图；

图7是形成根据本发明的第二优选实施例的过程控制系统的网络交换机的操作的流程图；以及

图8是根据本发明的第三优选实施例的过程控制系统的整体配置的框图。

具体实施方式

现在这里将参照说明性优选实施例来描述本发明。本领域技术人员将认识到，可以使用本发明的教导来实现很多可替代的优选实施例，以及本发明不限制于本文中示出的用于说明目的的优选实施例。

将参照附图来描述根据本发明的优选实施例的过程控制系统及其管理方法。

第一优选实施例

图1是根据本发明的第一优选实施例的过程控制系统的整体配置的框图。如图1所示，第一优选实施例的过程控制系统1包括现场网络N1（网络）、控制网络N2（网络）、多个现场装置10（网络装置）、控制器组20（网络装置）、操作-监控设备30、以及装置-管理设备40（上级管理设备）。在具有该配置的过程控制系统1中，控制器组20在操作-监控设备30的监督下控制多个现场装置10，从而控制工厂（未示出）中实施的工业过程。

现场网络N1是安装在例如工厂现场中的网络，并且通过以树型级联连接多个网络交换机SW11、SW21、SW22、以及SW31至SW34（网络装置）来配置。在现场网络N1中，网络交换机SW11设在最高的第一层L1中，网络交换机SW21和SW22设在中间第二层L2中，以及网络交换机SW31至SW34设在最底部的第三层L3中，使得设在这些层 中的网络交换机构成可以被称为层间连接的网络。

控制网络N2例如将工厂现场连接至监控室，并且由网络交换机SW0（网络装置）配置。现场网络N1和控制网络N2可以是有线网络或无线网络，或者它们可以是有线网络和无线网络的混合。稍后将详细描述形成现场网络N1的网络交换机SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34，以及形成控制网络N2的网络交换机SW0。

现场装置10例如是诸如流量计和温度传感器之类的传感器、诸如流量控制阀和开-关阀之类的阀装置、诸如风机和电机之类的致动装置、或安装在工厂现场的其它装置，现场装置10连接至现场网络N1。在图1中，为了便于理解，仅示出了安装在工厂中的现场装置10中的用于测量液体的流量的传感器装置11和用于控制（操纵）液体流量的阀装置12。为了简化说明，包括一个传感器装置11和一个阀装置12的一对被连接至形成现场网络N1的各个网络交换机SW31至SW34。

控制器组20包括在操作-监控设备30的监督下控制工业过程中的状态量（例如，液体流量）的至少一个控制器，并且连接至现场网络N1和控制网络N2。具体来讲，控制器组20在操作-监控设备30的监督下从传感器装置11采集测量数据，根据其采集的测量数据来确定阀装置12的控制值，从而控制阀装置12。控制器组20也将通过现场网络N1获取的各种类型的信息（管理过程控制系统1所需的信息）发送至装置-管理设备40。

操作-监控设备30与控制网络N2连接，并且监视和控制与现场网络N1连接的现场装置10和控制器组20。具体来讲，操作-监控设备30通过控制网络N2将各种参数发送至控制器组20以及从控制器组20接收各种参数，并且监控现场装置10。例如，它从控制器组20获取现场装置10中所设置的参数，以及确定当前的测量条件；此外，它通过使控制器组20在现场装置10中设置新的参数来改变测量条件。

操作-监控设备30包括诸如键盘和定点装置之类的输入设备、以及诸如液晶显示器之类的显示设备。操作-监控设备30在显示设备 上显示现场装置10和控制器组20的监控结果，从而将表示工厂的状态的信息提供给操作员（工厂操作员）等；此外，操作-监控设备30根据操作输入设备的操作员等输入的命令来控制控制器组20。

装置-管理设备40与控制网络N2连接，并且采集通过控制网络N2发送给其的各种信息，或通过现场网络N1和控制网络N2发送给其的各种信息，以及管理过程控制系统1（具体来讲，现场装置10、控制器组20、现场网络N1、和控制网络N2）。装置-管理设备40包括诸如液晶显示器之类的显示设备，并且在需要时将通过控制网络N2等采集到的信息通过将其显示在显示设备上提供给操作员等。

随后，将详细地描述形成现场网络N1的网络交换机SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34，以及形成控制网络N2的网络交换机SW0。图2是根据发明的第一优选实施例的过程控制系统中所提供的网络交换机的主要部件的配置的框图。在以下说明中，由于网络交换机SW0、SW11、SW21、SW22、以及SW31至SW34具有相似的配置，因此将以形成现场网络N1的一部分的网络交换机SW21作为代表。

如图2所示，网络交换机SW21包括高级别层连接检测器51a（第一检测器）、低级别层连接检测器51b（第一检测器）、装置状态检测器52（第二检测器）、低级别层信息采集单元53、标准化单元54、确定单元55、以及通信单元56。网络交换机SW21设在图1所示的现场网络N1的第二层L2中，并且与设在第一层L1中的网络交换机SW11以及设在第三层L3中的网络交换机SW31和SW32连接（链接）。

高级别层连接检测器51a布置在高级别层中，其检测网络交换机本身（网络交换机SW21）和与其直接连接的网络交换机（网络交换机SW11）之间的连接状态；高级别层连接检测器51然后将表示检测结果的连接信息输出至标准化单元54。类似地，低级别层连接检测器51b布置在低级别层中，其检测网络交换机本身（网络交换机SW21）和直接连接的网络交换机（网络交换机SW31和SW32）之间的连接状态；低级别层连接检测器51b然后将表示检测结果的连接信息输出至标准化单元54。

具体来讲，高级别层连接检测器51a和低级别层连接检测器51b 检测物理连接状态和逻辑连接状态两者。例如，它们通过诊断以下内容来检测与其他网络交换机的连接状态：

电缆或连接器是否已断开；

网络交换机类型（标识符、型号名称等）的确认；

是否已经建立物理连接（链路）；

比特误码率和信号幅度；以及

当已传输诊断数据时响应是否正常。

装置状态检测器52检测网络交换机本身（网络交换机SW21）的状态（内部状态、运行状态等），以及将表示检测结果的装置状态信息输出至标准化单元54。例如，它检测以下内容：

网络交换机本身内部的组件和模块中是否存在故障；

中央处理器（CPU）、存储器等的使用率；

网络交换机本身内部的组件的温度、周围环境的温度、电源电压；以及

在网络交换机本身内部运行的功能的自诊断。

低级别层信息采集单元53布置在低级别层中，其采集从网络交换机本身（网络交换机SW21）和直接连接的网络交换机（网络交换机SW31和SW32）输出的连接信息和装置状态信息，并且输出至标准化单元54。当从低级别层中的网络交换机中输出连接信息和装置状态信息中的仅一种信息时，低级别层信息采集单元53仅采集连接信息和装置状态信息中的这一种信息。

标准化单元54将来自高级别层连接检测器51a和低级别层连接检测器51b的连接信息、来自装置状态检测器52的装置状态信息、和来自低级别层信息采集单元53的连接信息和装置状态信息转换为预定的格式。例如，标准化单元54转换连接信息和装置状态信息，使得它们匹配预定的基准编码系统。执行该转换以统一连接信息和装置状态信息的编码系统，使得每个装置以相同的方式处理连接信息和装置状态信息。

标准化单元54转换的连接信息例如包含以下信息：

网络交换机本身的端口号；

与该网络交换机本身直接连接的网络交换机的标识符；

直接与该网络交换机本身连接的网络交换机的端口号；以及

表示连接的稳健性的信息。

标准化单元54转换的装置信息例如包含以下信息：

表示网络交换机本身的状态的信息；

表示检测网络交换机本身的状态的时间的信息；

当异常或故障出现时，表示异常类型等的信息；以及

表示检测到异常等的组件或模块的信息。

当低级别层信息采集单元53所采集的连接信息和装置状态信息中丢失一些信息时，标准化单元54可以使用其他连接信息和装置状态信息来补偿这些丢失的信息。例如，若低级别层信息采集单元53所采集的装置状态信息不包含表示检测到网络交换机SW31的装置状态信息的时间的信息时，这可以通过使用从网络交换机SW21的装置状态检测器52检测到其装置状态信息的时间返回预定时间而得到的时间来补偿。

确定单元55确定从标准化单元54输出的连接信息和装置状态信息的内容是否已经改变；若确定其内容已改变，则确定单元55输出连接信息和装置状态信息。确定单元55用于减少连接信息和装置状态信息的量。具体地讲，确定单元55包括用于存储从标准化单元54输出的连接信息和装置状态信息的存储器，并且通过将先前从标准化单元54输出并预先存储在存储器中的连接信息和装置状态信息与最新从标准化单元54输出的连接信息和装置状态信息进行比较，来确定连接信息和装置状态信息的内容是否已改变。当没有必要减少高级别层中输出的连接信息和装置状态信息的量时，可以省去确定单元55。

通信单元56与直接与网络交换机本身（网络交换机SW21）连接的高级别层网络交换机（网络交换机SW11）通信，以及与直接与网络交换机本身（网络交换机SW21）连接的低级别层网络交换机（网络交换机SW31和SW32）通信，将数据从控制器组20传输至现场装置10以及从现场装置10传输至控制器组20。通信单元56也将从确定单元55输出的连接信息和装置状态信息传输至装置-管理设备40。

图3是从根据本发明的第一优选实施例的网络交换机传输的信息的一个示例。图3中的信息从网络交换机SW21的通信单元56传输至装置-管理设备40。如图3所示，该信息的单元是包括头部区R1、信息存储区R2、和尾部区R3的帧。

在头部区R1中，存储目的地址（装置-管理设备40的地址）、源地址（网络交换机SW21的地址）、帧长度等。在信息存储区R2中，存储了与设在现场网络N1的第三层L3中的网络交换机SW31和SW32相关的信息A1、与网络交换机SW21相关的信息A2、和与设在现场网络N1的第一层L1中的网络交换机SW11相关的信息A3。

具体来讲，信息A1包含包括从网络交换机SW31获取的连接信息和装置状态信息的信息A11、以及包括从网络交换机SW32获取的连接信息和装置状态信息的信息A12。信息A2是作为设在网络交换机SW21中的装置状态检测器52的检测结果而获取的装置状态信息。信息A3是作为网络交换机SW21中的高级别层连接检测器51a的检测结果而获取的连接信息（表示网络交换机SW21和网络交换机SW11的连接状态的信息）。

在尾部区R3中，存储帧校验序列（FCS：差错控制信息）等。在图3的示例中，从网络交换机SW21传输至装置-管理设备40的信息包含在单个帧内。然而，在例如要传输大量信息的情况下，可以根据需要将传输至装置-管理设备40的信息分割为多个帧。

在以上提到的现场装置10（传感器装置11和阀装置12）中也提供了与网络交换机SW21的高级别层连接检测器51a、装置状态检测器52、标准化单元54、和通信单元56的配置类似的配置。针对控制器组20中的每个控制器，提供了与网络交换机SW21的高级别层连接检测器51a、低级别层连接检测器51b、装置状态检测器52、低级别层信息采集单元53、标准化单元54、确定单元55和通信单元56的配置类似的配置。

随后，将描述具有上述配置的过程控制系统的操作。图4是形成根据本发明的第一优选实施例的过程控制系统的网络交换机的操作的流程图。形成现场网络N1的网络交换机SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34以及形成控制网络N2的网络交换机SW0均同样地执行根据图4的流程图的操作。为此，以下说明以形成现场网络N1的一部分的网络交换机SW21的操作作为示例。图4所示的处理例如以固定的周期执行。

当图4中的流程图的处理开始时，执行处理以检测布置在低级别层中的网络交换机（布置在第三层L3中的网络交换机SW31和SW32）的连接状态以及获取连接信息（步骤S11：第一步）。具体来讲，网络交换机SW21的低级别层连接检测器51b诊断连接网络交换机SW31和SW32所使用的电缆是否已断开、网络交换机SW31和SW32之间是否已建立链接等，以及获取根据该诊断结果的连接信息。

基于在步骤S11中获取的连接信息，网络交换机SW21确定是否可以与布置在低级别层中的网络交换机（网络交换机SW31和SW32）通信（步骤S12）。若确定可以进行通信，则网络交换机SW21的低级别层信息采集单元53执行从低级别层网络交换机（网络交换机SW31和SW32）采集连接信息和装置状态信息的处理。若在步骤S12中确定不能进行通信，则不执行步骤S13的处理。

然后执行处理以检测网络交换机SW21的状态以及获取装置状态信息（步骤S14：第一步骤）。具体来讲，装置状态检测器52检测设在网络交换机SW21内部的组件和模块中是否存在故障、设在网络交换机SW21内部的组件的温度、周围环境的温度、电源电压等，从而获取装置状态信息。

网络交换机SW21然后执行检测布置在高级别层（第一层L1）中的网络交换机（网络交换机SW11）的连接状态的处理以及获取连接信息（步骤S15：第一步）。具体的讲，网络交换机SW21的高级别层连接检测器51a以类似于步骤S11的方式，诊断连接网络交换机SW11所使用的电缆是否已断开、是否已与网络交换机SW11建立链接等，并且获取根据该诊断结果的连接信息。

当以上处理结束时，网络交换机SW21的标准化单元54执行对在步骤S11和步骤S15中获取的连接信息、在步骤S14中获取的装置 状态信息、和在步骤S13中获取（采集）的连接信息和装置状态信息进行标准化的处理（步骤S16）。具体来讲，例如，标准化单元54执行转换连接信息和装置状态信息的处理，使得连接信息和装置状态信息的编码系统匹配预定的基准编码系统。

当对连接信息和装置状态信息进行标准化的处理结束时，确定单元55确定从标准化单元54输出的连接信息和装置状态信息的内容是否已改变（步骤S17和S18）。具体来讲，确定单元55通过将存储在确定单元55中所提供的存储器（未示出）中的连接信息和装置状态信息与最新从标准化单元54获取的连接信息和装置状态信息进行比较，来确定连接信息和装置状态信息是否已改变（步骤S18）。

当连接信息和装置状态信息中至少一个信息已改变时，步骤S18的判定结果为是，网络交换机SW21的通信单元56执行将改变后的连接信息和装置状态信息（最新从标准化单元54获取的连接信息和装置状态信息）输出至高级别层（步骤S19：第二步）的处理。具体地，通信单元56执行将连接信息和装置状态信息输出至在布置有网络交换机SW21的第二层L2之上的网络交换机SW11。相反，当连接信息和装置状态信息没有改变时，步骤S18的判定结果为否，从而省去步骤S19的处理。

形成现场网络N1的网络交换机SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34、形成控制网络N2的网络交换机SW0、以及现场装置10和形成控制器组20的每个控制器执行与以上描述的处理类似的处理。从这些装置获取的连接信息和装置状态信息由此依次传输至较高级别层，最终被采集到装置-管理设备40中。基于所采集的连接信息和装置状态信息，装置-管理设备40管理过程控制系统1（现场装置10、控制器组20、现场网络N1、以及控制网络N2）（第三步）。

如上所述，在第一优选实施例中，在形成现场网络N1的网络交换机SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34的每一个中以及在形成控制网络N2的交换机SW0中，设有检测与网络的连接状态并且获取连接信息的高级别层连接检测器51a和低级别层连接检测器51b、和检测网络交换机本身的状态并且获取装置状态信息的装置状态检测器 52。在与现场网络N1连接的现场装置10中以及在形成与现场网络N1和控制网络N2连接的控制器组20的控制器中，也设有与高级别层连接检测器51a、低级别层连接检测器51b、和装置状态检测器52相似的单元。由这些装置获取的连接信息和装置状态信息顺序地传输至高级别层侧并且被装置-管理设备40采集。因此，可以容易地识别故障的位置和原因，并且可以在短时间内修复故障。

此外，第一优选实施例包括标准化单元54，其对高级别层连接检测器51a和低级别层连接检测器51b所获取的连接信息、由装置状态检测器52获取的装置状态信息、以及低级别层信息采集单元53所采集的连接信息和装置状态信息进行标准化。因此，即使例如与现场网络N1连接的各现场装置10具有不一致的信息编码系统或者由不同的厂商供应，仍可以不考虑层别而以相同的方式来处理连接信息和装置状态信息。这使得可以通过自动切换至预定的辅助路由等来处理通信路径上的故障。

通过标准化连接信息和装置状态信息，可以无遗漏地确定修复故障所需的所有信息，例如，故障发生的时间、位置、以及故障的类型（是装置故障还是通信路径故障等）。因此例如可以在开展维修工作之前决定对策（是维修装置还是标准化通信路径等），并且可以在短时间内修复故障。

同样，由于连接信息和装置状态信息的标准化，可以删去设在操作-监控设备30和装置-管理设备40中的词典数据（对从下级装置获取的信息进行译码所需的数据），并且可以减少使用词典数据对该信息进行译码的处理负荷。以往，需要为在操作-监控设备30和装置-管理设备40的控制下的所有装置准备词典数据，以及在对信息进行译码时需要切换词典数据。相反，在第一优选实施例中，由于连接信息和装置状态信息被标准化，仅需为对紧接在下的装置（网络交换机SW0）进行译码准备词典数据，而不需要在对信息进行译码时切换词典数据。

第一优选实施例包括确定单元55，其用于确定从标准化单元54输出的连接信息和装置状态信息是否已改变；当确定内容没有改变 时，不输出连接信息和装置状态信息，而当确定内容已改变时，将连接信息和装置状态信息输出。这可以避免输出至高级别层的连接信息和装置状态信息的量的膨胀，以防止由于通信资源的浪费使用而导致抑制了过程控制的实时特性，以及有效地采集连接信息和装置状态信息。

同样，在第一优选实施例中，由于当确定单元55确定从标准化单元54输出的连接信息和装置状态信息的内容已改变时输出连接信息和装置状态信息，因此当添加或删除构成现场网络N1和控制网络N2的网络交换机时，表示添加/删除的信息立即被采集到装置-管理设备40中。类似地，当添加或删除现场装置10以及连接至现场网络N1和控制网络N2的形成控制器组20的控制器时，表示添加/删除的信息立即被采集到装置-管理设备40中。

第一优选实施例包括高级别层连接检测器51a和低级别层连接检测器51b，其获取网络交换机本身以及布置在比网络交换机本身更低级别层中的网络交换机等的连接信息，也获取网络交换机本身和布置在比网络交换机本身更高级别层中的网络交换机等的连接信息。因此，即使多个网络交换机等布置在高级别层并且与网络交换机本身直接连接，如在无线网络等中通常使用的网状拓扑结构那样，仍可以确定每一个的通信路径。例如通过根据需要切换通信路径，可以平衡网络负荷并且可以实现在发生异常时使用的回避路由。

可以以冗余的布置来配置第一优选实施例的现场网络N1和控制网络N2。在这样的配置中，例如当作为网络交换机SW21的高级别层连接检测器51a的检测结果而获取的连接信息（表示网络交换机SW21和网络交换机SW11的连接状态的信息）异常时，连接信息和装置状态信息可以通过冗余现场网络N1的另一路由输出至网络交换机SW11。可替代地，例如当低级别层中的网络交换机SW21在高级别层中的网络交换机SW11中已检测到改变（异常）时，其可以避开检测到异常的网络交换机SW11，而将连接信息和装置状态信息输出至另一上位装置。

在第一优选实施例中，可以通过使用现场网络N1的层单元或网 络交换机中的连接单元等来识别故障的位置。这可以在无需停止过程控制系统1的整体操作的情况下，切断故障发生的区域，从而将对过程控制系统1的操作的影响最小化。

第二优选实施例

随后，将描述根据本发明的第二优选实施例的过程控制系统及其管理方法。如图3所示，在上述第一优选实施例中，信息以包含连接信息和装置状态信息的帧格式依次传输至高级别层侧。相反，在第二优选实施例中，信息以包含附加到过程控制中所使用的数据（例如，来自传感器装置11的测量数据）中的表示当前稳健性的标志信息的帧格式依次传输至高级别层侧，从而使布置在高级别层侧上的其他网络交换机等能够实时地确定该信息的可靠性。

尽管第二优选实施例的过程控制系统的整体配置与如图1所示的过程控制系统1的整体配置类似，但设在过程控制系统内的网络交换机等的内部配置与图2中示出的那些稍有不同。图5是根据本发明的第二优选实施例的过程控制系统中所提供的网络交换机的主要部件的配置的框图。如上，在第二优选实施例中，由于网络交换机SW0、SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34具有类似的配置，因此将形成现场网络N1的一部分的网络交换机SW21作为代表并进行描述。

如图5所示，在第二优选实施例的过程控制系统中提供的网络交换机SW21包括通信单元56内部的标志操作单元57。标志操作单元57对从布置在低级别层中的网络交换机输出的数据附加标志信息。当已对来自确定单元55的连接信息和装置状态信息附加标志信息时，标志操作单元57对标志信息进行确定。

表示例如“正常”、“异常”、和“不确定”的值可以用作标志信息。“正常”表示连接信息和装置状态信息的内容可靠，“异常”表示内容不可靠，以及“不确定”表示不清楚内容是可靠还是不可靠。

图6是从根据本发明的第二优选实施例的网络交换机传输的信息的一个示例的图。图6所示的信息从网络交换机SW21的通信单元56传输至装置-管理设备40。如图6所示，该信息的单元是除了包括 头部区R11、数据存储区R12、和尾部区R13外，还包括用于存储标志信息的标志信息存储区R14的帧。数据存储区R12用于存储从布置在低级别层中的网络交换机输出的数据。在图6的示例中，标志信息存储区R14设在头部区R11和数据存储区R12之间。

随后，将描述具有以上配置的过程控制系统的操作。图7是形成根据本发明的第二优选实施例的过程控制系统的网络交换机的操作的流程图。如在第一优选实施例中那样，以下的说明以形成现场网络N1的一部分的网络交换机SW21的操作为示例。图7所示的处理例如在固定的周期中执行。

当图7中的流程图的处理开始时，如在第一优选实施例中那样，依次执行以下处理：检测布置在低级别层中的网络交换机（布置在第三层L3中的网络交换机SW31和SW32）的连接状态以及获取连接信息的处理（步骤S11）；对连接信息和装置状态信息进行标准化的处理（步骤S16）。然后执行处理以确定标准化的连接信息和装置状态信息的内容是否已改变（步骤S17和S18）。

当在步骤S18中确定连接信息和装置状态信息中的至少一个已改变时（判定结果为是），网络交换机SW21的通信单元56执行将（从标准化单元54最新获得的）改变后的连接信息和装置状态信息输出至高级别层的处理（步骤S19）。标志操作单元57然后执行对从布置在低级别层中的网络交换机（网络交换机SW31和SW32）输出的数据附加标志信息的处理，以及网络交换机SW21的通信单元56执行将附加有标志信息的数据输出至高级别层的处理（步骤S20）。可以在步骤S18的处理之前执行步骤S20的处理。

另一方面，当在步骤S18中确定连接信息和装置状态信息没有改变时（判定结果为否），省去步骤S19的处理，执行步骤S20的处理。也就是，对从布置在低级别层中的网络交换机（网络交换机SW31和SW32）输出的数据附加标志信息，然后将附加有标志信息的数据输出至高级别层。

如上所述，在第二优选实施例中，除了包括连接信息和装置状态信息以外还包括表示当前稳健性的标志信息的帧格式中的信息被 依次传输至高级别层侧。布置在高级别层侧的其他网络交换机等由此可以实时地确定信息的可靠性。在第二优选实施例中，如在第一优选实施例中那样，从装置获取的连接信息和装置状态信息被依次传输至高级别层侧并且被装置-管理设备40采集。因此，可以容易地识别故障的位置和原因，并且在短时间内修复故障。

尽管在第二优选实施例的描述中，标志操作单元57对传输至高级别层的数据附加标志，但也可以对传输至低级别层的数据附加标志。当对传输至低级别层的数据附加标志时，若例如现场装置接收到附加有除“正常”以外的标志的数据，则该现场装置销毁该数据从而不执行异常的操作。

第三优选实施例

图8是根据本发明的第三优选实施例的过程控制系统的整体配置的框图。在第一和第二优选实施例的过程控制系统1中提供的现场网络N1通过以树型级联的方式连接多个网络交换机SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34来配置。相反，第三优选实施例的现场网络N1通过以线型级联的方式连接IO节点60a、60b、…（网络装置）来配置。

IO节点60a、60b、…是用于将各种类型的信息输入至现场装置10以及从现场装置10输出各种类型的信息的装置。IO节点60a、60b、…的每一个均包括中继器功能，并且以线型级联的方式连接至现场网络N1。IO节点60a、60b、…具有与图1所示的网络交换机SW11、SW21、SW22、和SW31至SW34的高级别层连接检测器51a、低级别层连接检测器51b、装置状态检测器52、低级别层信息采集单元53、标准化单元54、确定单元55、和通信单元56的配置类似的配置。因此，在第三优选实施例中，如在第一优选实施例中那样，从各个装置（节点）获取的连接信息和装置状态信息被依次发送至高级别层侧并且被装置-管理设备40采集。因此，可以容易地识别故障的位置和原因，并且可以在短时间内修复故障。

尽管以上描述了根据本发明的优选实施例的过程控制系统及其 管理方法，但本发明不限制与这些优选实施例并且可以在本发明的范围内自由地修改。例如，在上述优选实施例中，每个网络交换机包括高级别层连接检测器51a、低级别层连接检测器51b、和装置状态检测器52，并且将高级别层连接检测器51a和低级别层连接检测器51b的检测结果作为连接信息输出；此外，网络交换机将装置状态检测器52的检测结果作为装置状态信息输出。然而，若每个网络交换机包括高级别层连接检测器51a和低级别层连接检测器51b中的仅一个，则输出连接信息和装置状态信息之一也是可接受的。

尽管在上述优选实施例中，装置-管理设备40与控制网络N2连接，它也可以与现场网络N1或除现场网络N1和控制网络N2以外的外部网络连接。装置-管理设备40可以设在操作-监控设备30中或者设在形成控制器组20的各个控制器中。也就是，装置-管理设备40可以布置在被监控的装置的最上层中。

在上述优选实施例中，确定能否与布置在低级别层中的网络交换机进行通信，若可以，则来自布置在低级别层中的网络交换机的连接信息和装置状态信息在低级别层信息采集单元52中被采集。然而，不管是否能够与布置在低级别层中的网络交换机进行通信，当不能与布置在高级别层中的网络交换机进行通信时，可以命令布置在低级别层中的网络交换机执行预定的紧急临时操作（例如，继续给定操作的保持操作）。这可以在紧急状况期间防止执行异常操作。

除了在第一和第二优选实施例中描述的网络交换机外，本发明的过程控制系统中的网络装置可以是集线器、交换机、路由器、连接装置、网关、接入点等。此外，除了在第三优选实施例中描述的IO节点外，具有上述网络装置的功能的装置可以是控制器、装置-管理设备、操作-监控设备等。

本文中所使用的以下方向性术语“向前、向后、上方、向下、左、右、垂直、水平、以下、横向、行和列”以及任何其他类似的方向性术语指代装备有本发明的设备的那些方向。因此，用于描述本发明的这些术语应该解释为相对于装备有本发明的设备。

术语“配置为”用于描述包括硬件以及被构建和/或编程来执行 期望功能的软件的装置的组件、单元或部件。

此外，在权利要求中表达为“装置加功能”的术语应该包括可被用来执行本发明的部件的功能的任何结构。

术语“单元”用于描述硬件以及被构建和/或编程来执行期望功能的软件的组件、单元或部件。硬件的典型示例可包括但不限于装置和电路。

尽管以上已经描述并示出了本发明的优选实施例，但是应该理解，这些是本发明的示例而不应被看作限制。在不背离本发明范围的情况下可以进行添加、省略、替代、以及其他改变。因此，本发明不应被看作由前述说明书限制，而是仅由权利要求书的范围限制。

Claims (18)

1.一种用于控制在工厂中实施的工业过程的过程控制系统，包括：

设置在工厂中的网络；

网络装置，其包括第一检测器和第二检测器中的至少一个，所述第一检测器被配置为检测所述网络装置与网络的连接状态，所述第二检测器被配置为检测所述网络装置的状态，所述网络装置被配置为将表示所述第一检测器检测到的第一检测结果的连接信息和表示所述第二检测器检测到的第二检测结果的装置状态信息中的至少一个输出至所述网络，其中

所述网络包括多个层，所述多个层包括其他网络装置；

所述网络装置的第一检测器被配置为检测所述网络装置与相邻的高级别层中和相邻的低级别层中的其他网络装置的连接状态。

2.如权利要求1所述的过程控制系统，其中：

所述网络装置被配置为接收来自相邻的高级别层和相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一的连接信息和装置状态信息中的至少一个，以及

所述网络装置被配置为将已接收到的连接信息和装置状态信息中的至少一个，连同作为所述第一检测器检测到的检测结果而获取的连接信息和作为所述第二检测器检测到的检测结果而获取的装置状态信息中的至少一个一起输出至相邻的高级别层和相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一。

3.如权利要求1所述的过程控制系统，其中所述网络装置还包括标准化单元，所述标准化单元被配置为将所述连接信息和所述装置状态信息转换为预定的格式。

4.如权利要求1所述的过程控制系统，其中：

所述第一检测器被配置为检测所述网络装置与相邻的高级别层和相邻的低级别层中的其他网络装置的物理连接状态和逻辑连接状态两者。

5.一种用于控制在工厂中实施的工业过程的过程控制系统，包括：

设置在工厂中的网络；

网络装置，其包括第一检测器和第二检测器中的至少一个，所述第一检测器被配置为检测所述网络装置与网络的连接状态，所述第二检测器被配置为检测所述网络装置的状态，所述网络装置被配置为将表示所述第一检测器检测到的第一检测结果的连接信息和表示所述第二检测器检测到的第二检测结果的装置状态信息中的至少一个输出至所述网络；以及

高级别管理设备，其被配置为从所述网络装置采集所述连接信息和所述装置状态信息，以管理所述网络。

6.如权利要求5所述的过程控制系统，其中：

所述网络装置被配置为将具有包括头部区、信息存储区、和尾部区的帧的信息传输至所述高级别管理设备，以及

所述信息存储区被配置为存储与设在所述网络的低级别层中的低级别层网络装置相关的信息、与所述网络装置相关的信息、以及与设在所述网络的高级别层中的高级别层网络装置相关的信息。

7.一种包括在网络中的网络装置，所述网络设置在工厂中且包括多个层，所述多个层逐层连接且包括其他网络装置，所述网络装置包括：

高级别层连接检测器，其被配置为检测所述网络装置和高级别层网络装置之间的连接状态，所述高级别层网络装置设在所述网络的高级别层中并且与所述网络装置直接连接，从而所述高级别层连接检测器将表示检测结果的连接信息输出至标准化单元；

低级别层连接检测器，其被配置为检测所述网络装置和低级别层网络装置之间的连接状态，所述低级别层网络装置设在所述网络的低级别层中并且与所述网络装置直接连接，从而所述低级别层连接检测器将表示检测结果的连接信息输出至所述标准化单元；

装置状态检测器，其被配置为检测所述网络装置的状态，以将表示检测结果的装置状态信息输出至所述标准化单元；

低级别层信息采集单元，其被配置为采集从所述低级别层的网络装置输出的连接信息和从所述装置状态检测器输出的装置状态信息中的至少一个，以输出至所述标准化单元；

所述标准化单元，其被配置为将来自所述低级别层信息采集单元的连接信息和装置状态信息中的至少一个、来自所述高级别层连接检测器和所述低级别层连接检测器的连接信息、和来自所述装置状态检测器的装置状态信息转换为预定的格式；以及

通信单元，其被配置为与所述高级别层网络装置和与所述低级别层网络装置进行通信。

8.如权利要求7所述的网络装置，还包括：

确定单元，其包括存储器，所述存储器被配置为存储从所述标准化单元输出的连接信息和装置状态信息，所述确定单元被配置为将先前从所述标准化单元输出并预先存储在所述存储器中的连接信息和装置状态信息与最新从所述标准化单元输出的连接信息和装置状态信息进行比较，以确定连接信息和装置状态信息的内容是否已改变。

9.如权利要求7所述的网络装置，其中：

所述通信单元被配置为经由所述网络向高级别管理设备传输具有包括头部区、信息存储区、和尾部区的帧的信息，以及

所述信息存储区被配置为存储与所述低级别层网络装置相关的信息、与所述网络装置相关的信息、以及与所述高级别层网络装置相关的信息。

10.如权利要求7所述的网络装置，其中：

所述连接信息包括物理连接状态和逻辑连接状态两者。

11.一种用于过程控制系统的管理方法，该过程控制系统用于控制工厂中实施的工业过程，所述管理方法包括步骤：

检测与设在所述工厂中的网络连接或者形成所述网络的一部分的网络装置与所述网络的连接状态、以及所述网络装置的状态中的至少一个；

输出表示与所述网络的连接状态的检测结果的连接信息和表示所述网络装置的状态的检测结果的装置状态信息中的至少一个；以及

采集已输出的连接信息和装置状态信息，以管理所述网络。

12.如权利要求11所述的管理方法，其中：

所述网络包括多个层，所述多个层包括其他网络装置，以及

所述管理方法还包括：

检测所述网络装置与相邻的高级别层和相邻的低级别层中的其他网络装置的连接状态。

13.如权利要求11所述的管理方法，还包括：

将所述连接信息和所述装置状态信息转换为预定格式。

14.如权利要求11所述的管理方法，还包括：

从所述网络装置采集所述连接信息和所述装置状态信息，以管理所述网络。

15.如权利要求11所述的管理方法，还包括：

将具有包括头部区、信息存储区、和尾部区的帧的信息传输至高级别管理设备，其中，在所述信息存储区中存储有与设在所述网络的低级别层中的低级别层网络装置相关的信息、与所述网络装置相关的信息、和与设在所述网络的高级别层中的高级别层网络装置相关的信息。

16.如权利要求11所述的管理方法，还包括：

将已经输出的所述连接信息和所述装置状态信息存储在存储器中；以及

将先前已输出并预先存储在所述存储器中的连接信息和装置状态信息与最新输出的连接信息和装置状态信息进行比较，以确定连接信息和装置状态信息的内容是否已改变；以及

如果确定内容已经改变，则输出最新输出的连接信息和装置状态信息。

17.如权利要求12所述的管理方法，还包括：

接收来自所述相邻的高级别层和所述相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一的连接信息和装置状态信息中的至少一个，以及

将已接收到的连接信息和装置状态信息中的至少一个，连同作为检测结果而获取的连接信息和作为检测结果而获取的装置状态信息中的至少一个输出至所述相邻的高级别层和所述相邻的低级别层中的一个层中的其他网络装置之一。

18.如权利要求12所述的管理方法，还包括：

检测所述网络装置与设在所述相邻的高级别层和所述相邻的低级别层中的其他网络装置的物理连接状态和逻辑连接状态两者。