CN104155949A - 用于过程控制系统的柔性输入/输出设备 - Google Patents

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Abstract

在此公开用于过程控制系统的柔性输入/输出设备。在此还公开在过程控制系统中提供柔性输入/输出设备通信的方法、设备及制造件。在一个范例中，一种过程控制系统控制多个现场设备。所述过程控制系统包括一个控制设备及一个通信协议组件。所述通信协议组件有至少一个通信频道，所述通信频道可以选择性地配置成使用至少一个第一或第二通信协议，及与所述现场设备的其中至少一个现场设备进行通信。

Description

用于过程控制系统的柔性输入/输出设备
本申请是申请日为2007年9月26日、申请号为200710151696.8且名称为“用于过程控制系统的柔性输入/输出设备”的发明的分案申请。
技术领域
本公开总体上涉及过程控制系统，尤其涉及用于过程控制系统的柔性输入/输出设备。
背景技术
过程控制系统广泛地用于制造产品或控制过程(例如化学品制造、发电厂控制等等)的工厂及/或车间。过程控制系统也用于自然资源的开采，比如石油及天然气钻探及处理过程等等。实质上，任何制造过程、资源开采过程等等，都可以通过一个或多个过程控制系统的应用而得以自动化。
过程控制系统的实施方式经过多年，已经有了进展。旧时的过程控制系统典型地以专用、集中式的硬件来实施。然而，现代的过程控制系统却是典型地以高度分布的工作站、智能控制器、智能现场设备及类似设备的网络来实施，这些设备的其中一些或全部设备可以执行一个整体过程控制策略或方案的一部分。明确地说，大多数过程控制系统包括智能现场设备及其他过程控制组件，这些智能现场设备及其他过程控制组件通过一个或多个数字数据总线，彼此通信连接及/或通信连接到一个或多个控制器。当然，许多这些现代的过程控制系统也可以包括非智能现场设备，比如4-20mA设备、0-10伏特直流电(VDC)设备等等，这些非智能现场设备典型地直接连接到控制器，而不是通过共用数字数据总线或同类物连接到控制器。
无论如何，现场设备包括输入设备(例如传感器之类的设备，它们提供指示过程控制参数的状况信号，比如提供温度信号、压力信号、流率信号等等)，以及控制操作器或执行器，它们响应接收自控制器及/或其他现场设备的命令而执行操作。例如，控制器可以发送信号到过程控制系统中的一个阀以增高压力或流率、发送信号到其中的一个加热器或冷却器以改变温度、发送信号到其中的一个搅拌器以搅拌配料等等。
过程控制系统设计的一个特别重要的方面涉及现场设备彼此之间、现场设备与控制器及过程控制系统中的其他系统或设备之间的通信连接的方式。一般地，使所述现场设备能够在所述过程控制系统中发挥功能的多种通信频道、链路及路径通常总称为输入/输出(I/O)通信网络。
传统上，许多通信协议及总线已经用于将智能现场设备连接到一个控制器或其他控制设备。所述控制设备(例如一个控制器)典型地包括或连接到一个输入/输出设备，该输入/输出设备带有一个通信协议组件(一般称为“主”组件)，其起动所述智能现场设备(一般称为“从”设备)，并与所述智能现场设备交换数据。在这些已知的系统中，所述主组件必须被配置成符合所述现场设备的设备规格(例如所述现场设备使用的特定通信协议)。因此，这些已知的系统要求用户必须选择一个特定协议或始终选择由所述输入/输出设备的制造商支持的设备组合，及/或这些已知的系统要求，用户必须为与所使用的多种现场设备进行通信而需要的所述每个特定通信协议，使用不同的输入/输出设备或卡。
发明内容
根据一方面，控制多个现场设备的一种过程控制系统包括控制设备及通信协议组件。所述通信协议组件有至少一个通信频道，所述通信频道可以选择性地被配置成使用第一和/或第二通信协议来与至少一个所述现场设备进行通信。
根据另一方面，用于过程控制系统的一种输入/输出设备包括至少一个通信频道，以便为多个现场设备中的至少一个现场设备与控制设备之间建立通信。所述通信是以第一可用通信协议和/或第二可用通信协议来建立。
根据再另一方面，一种控制多个现场设备的方法包括初始化输入/输出(I/O)设备，该输入/输出(I/O)设备包括通信协议组件，该通信协议组件带有至少一个通信频道。所述方法进一步包括将所述至少一个通信频道配置成使用第一可用通信协议和/或一个第二可用通信协议。此外，所述方法包括通过使用所述第一通信协议和/或第二通信协议的所述至少一个通信频道，与所述现场设备的其中之一进行通信。
根据再另一方面，一种使用过程控制系统中的输入/输出设备来以多个通信协议来进行通信的方法，包括将所述输入/输出设备上的多个通信频道中的至少一个第一通信频道配置成使用第一通信协议来与多个现场设备中的至少一个现场设备进行通信。所述方法进一步包括将所述输入/输出设备上的所述多个通信频道中的至少一个第二通信频道配置成使用第二通信协议来与所述多个现场设备中的至少另一个现场设备进行通信。
附图说明
图1为一框图，其图示一个范例过程控制系统，该范例过程控制系统使用在此描述的柔性输入/输出设备及方法。
图2为一更详细的框图，其图示图1所示的范例过程控制系统的一部分。
图3为一详细框图，其图解在此描述的一个范例配置工具的各个方面。
图4为一流程图，其图示一个范例过程，该范例过程用于控制图1所示的范例过程控制系统中的现场设备。
图5为一流程图，其图示一个选择性范例过程，该选择性范例过程用于控制图1所示的范例过程控制系统中的现场设备。
图6为一原理图，其图解一个范例系统，该范例系统可以用于及/或编程来实施在此描述的范例设备及方法。
具体实施方式
虽然以下描述范例设备及系统除了其他组件之外还包括在硬件上执行的软件及/或固件，但应该注意的是，这种系统纯粹属于原理性而不应被视为限制本发明包括的范围。例如，预期任何或所有这些硬件、软件及固件组件可以单独实施于硬件、单独实施于软件、或实施于硬件及软件的任何组合。因此，虽然以下描述范例设备及系统，本领域的普通工程技术人员将可以理解，在此提供的范例并非实施这些设备及系统的唯一途径。
如在此使用的定义，所述短语“输入/输出设备”(即“I/O设备”)包括用于将一个或多个现场设备通信连接到一个过程控制器的任何硬件及/或软件。在有些实施例中，所述输入/输出设备可以是单独的、通过一个总线连接到所述控制器的一个卡(例如一个输入/输出卡)。在其他的实施例中，所述输入/输出设备的一些或所有功能可以与所述控制器并为一体。因此，所述短语“输入/输出设备”及“输入/输出卡”可以在此内提供的描述中互换地使用。
典型地，输入/输出设备或输入/输出卡被编程或配置，以至一个过程控制器可以通过一个单一指定的通信协议与现场设备进行通信。这些已知的输入/输出卡使得能够与使用所述指定协议的多个现场设备进行通信。如果需要使所述控制器能够与使用不同通信协议的多种现场设备进行通信，所述被使用的每个不同通信协议典型地需要一个单独的输入/输出卡。然而，这会显著增加使用多种通信协议来与多个不同现场设备进行通信的系统涉及的安装、配置、操作及维护成本。
在有些这类的系统中，(例如)所述输入/输出设备及/或所述输入/输出卡的使用可能相对较低，而许多输入/输出卡中的每个输入/输出卡可能需要用于与相对较少的使用一个特定通信协议的现场设备进行通信。换句话说，虽然每个输入/输出卡可能有能力与较大数目的现场设备进行通信，但实际上数目小得多的现场设备与每个输入/输出卡进行通信，这是由于所述现场设备使用的每个类别的通信协议需要使用一个单独的输入/输出卡。此外，添加一个或多个现场设备、及/或以一个或多个使用与那些由一个输出/输出设备中的所述输入/输出卡支持的通信协议中的任何通信协议不同的通信协议的现场设备来替换一个或多个现场设备，需要安装及配置另一个输入/输出卡来支持该进一步的通信协议。
与已知的系统及方法不同，在此描述的范例系统及方法可以通过一个单一的输入/输出设备或输入/输出卡，将一个控制器通信连接到使用多种协议的一个或多个现场设备。更明确地说，如此内描述，可以用于控制多个现场设备的一个范例过程控制系统包括一个输入/输出设备或输入/输出卡，该输入/输出设备或输入/输出卡带有一个主组件或通信协议组件。所述通信协议组件包括多个可配置组件，其中每个可配置组件相应于一个输入/输出端口。每个可配置组件可以配置成使用多个通信协议的其中之一，视所述控制器通过该输入/输出端口与其进行通信的相关现场设备的规格而定。因此，照这样，不同通信协议可以通过所述相同的输入/输出卡或输入/输出设备，同时用于与不同现场设备进行通信。在需要更改连接到一个输入/输出端口的所述现场设备时，与所述输入/输出端口有关的可配置组件可以(如果需要)重新配置成使用一个不同通信协议来与所述新现场设备进行通信。因此，所述通信协议可以基于单个连接(例如输入/输出端口)，在所述输入/输出设备或输入输出卡中选择。因此，所述输入/输出设备或输入输出卡为所述过程控制系统提供灵活性，这是由于通过多个不同通信协议来进行通信的许多现场设备可以通过一个单一的输入/输出设备或输入输出卡连接到所述过程控制系统。
所述通信协议组件的所述可配置组件可以使用一个与所述过程控制系统有关的配置应用程序来配置。所述配置应用程序可以以一个(即一个单一的)工具来创建，比如以一个配置成需要通过一个工作站执行的应用程序来创建。此外，所述配置应用程序可以提供有利特性，这些有利特性包括所述配置应用程序并入一个面向对象的数据库中，而且自动产生文件。所述配置应用程序也可以通过一个输入/输出设备或输入/输出卡提供涉及所述现场设备的传感的信息，可以配置成分配地址给所述现场设备及/或清除所述现场设备的地址分配，而且可以配置成使用一个设备定义来描述与一个特定现场设备有关的一个输入、一个输出或一个参数。此外，所述配置应用程序可以配置成以涉及所述设备定义的标号来产生信号标记，可以基于每个现场设备、为用于与所述现场设备进行通信的多个通信协议的任何其中之一产生设备告警，而且可以支持来自一个基于工作站的设备配置应用程序的穿越通信。此外，手携式配置工具可以用于分配地址给所述现场设备。
现在参看图1，一个范例分布式控制系统或过程控制系统10使用在此描述的柔性输入/输出(I/O)设备及方法。如图1所示，所述过程控制系统10包括一个控制设备或控制器12及一个工作站(例如一个配置工程师或操作员站14)，该操作员站14可以通过一个总线或网络(比如一般称为应用程序控制网络(ACN)的一个局域网(LAN)20)，连接到所述控制器12。所述操作员站14可以使用一个或多个工作站或任何其他合适的计算机系统或处理单元来实施。例如，所述操作员站14可以使用单处理器个人计算机、单处理器或多处理器工作站等等来实施。此外，所述局域网(LAN)20可以基于固定或无线以太网的通信方案，而由于基于固定或无线以太网的通信方案广为人知，在此不作更详细的描述。然而，本领域的普通工程技术人员将可以理解，任何其他合适的通信媒介及协议可以被使用。
所述操作员站14包括一个存储器26，该存储器26用于存储一个过程控制配置系统52，所述过程控制配置系统52亦称过程控制配置例程、应用程序或工具52，一如以下所作有关图3-5的更详细描述。所述操作员站14也包括一个处理器16，该处理器16执行所述配置工具52。所述配置工具52可以由一个或多个操作员、工程师或其他用户用于(例如)记录所述过程控制系统10中使用的现场设备的类别及位置及/或审查或更改所述过程控制系统10的配置。所述配置工具52也可以在运行时间期间用于记录有关单独控制元件的信息，比如记录与所述控制器12、一个输入/输出设备或输入/输出卡30、所述系统10中使用的一个或多个现场设备及所述过程控制例程中的任何功能或子例程、或需由所述控制器12及/或所述现场设备执行的过程控制软件等有关的信息。此外，所述配置工具52可以与所述控制器12进行通信，以便在所述过程控制系统10的操作期间下载配置信息及/或接收及显示有关所述过程的信息。
所述操作员站14也可以包括一个过程控制配置数据库18，以存储所述配置工具52使用的过程控制配置信息。所述数据库18可以存储在所述存储器26或存储在任何其他期望的、与所述过程控制系统10通信连接的存储器。
所述控制器12可以通过多个通信链路或频道28(其可以实施为数字数据总线)及所述输入/输出卡或输入/输出设备30(其可以称为柔性输入/输出设备、卡或界面卡)，连接到多个智能现场设备22。如以下所作有关图2的更详细描述那样，所述柔性输入/输出设备或界面卡30提供多个连接或端口48，其中每个连接或端口48相应于所述通信频道28的其中之一。每个所述连接48或通信频道28都可以分别地配置成使用多个可用通信协议中的任何一个通信协议。例如，每个所述通信频道28可以分别配置成使用Fieldbus、Profibus、Honeywell DE、Foxboro的其中之一或任何其他通信协议。因此，在操作中，所述柔性输入/输出设备30可以同时使用不同通信协议的结合，通过所述通信频道28与所述现场设备22进行通信。此外，应该理解，每个所述通信频道28可以连接到与使用相同通信协议来与所述输入/输出设备30进行通信的多个所述现场设备22。例如，所述智能现场设备22中的一些智能现场设备可以是符合Fieldbus协议的阀、起动器、传感器等等，在这种情况下，这些智能现场设备22通过配置成使用所述广为人知的Fieldbus协议的一个或多个所述通信频道28进行通信。当然，其他类别的智能现场设备及通信协议可以被使用来替代那些使用Fieldbus协议的现场设备，或除了那些使用Fieldbus协议的现场设备之外，其他类别的智能现场设备及通信协议也可以被使用。例如，所述智能现场设备22可以包括符合Profibus或协议、通过配置成使用所述广为人知的Profibus及通信协议的所述通信频道28进行通信的设备。此外，附加的输入/输出设备及冗余输入/输出设备(与所述输入/输出设备30相似或相同)可以连接到所述控制器12，以使附加的智能现场设备组合(其可以是Fieldbus设备、设备等等)能够与所述控制器12进行通信。
除了将多个输入/输出设备30(其可以配置成使用不同的通信协议组合)连接到所述控制器12之外，所述范例输入/输出设备30及任何附加的输入/输出设备也可以使用在此提及的通信协议中任何种类数目的通信协议及/或使用在此提及的通信协议的任何组合、及/或使用任何其他已知或随后开发的通信协议，通过所述通信频道28进行通信。
因此，所述柔性输入/输出设备30允许不同现场设备的混合搭配；这些现场设备可以是由不同制造商制造及/或在所述输入/输出设备30的端口、连接或通信频道上使用不同通信协议。这种灵活性能够允许最佳的实施(例如能够基于所述设备的性能/成本特征，选择现场设备的组合，而不需要选择悉数使用一个单一通信协议的设备)及能够容易地以通过不同通信协议来进行通信的现场设备替换一个或多个所述现场设备22，而不需要招致额外成本或安装不同或附加的输入/输出设备。例如，所述柔性输入/输出设备30可以配置成同时在几个频道或端口上支持Honeywell DE协议及在其他频道或端口上支持协议。同样地，所述输入/输出设备30可以配置成同时在几个频道或端口上支持Foxboro协议及在其他频道或端口上支持协议。此外，如果需要，所述范例过程控制系统10允许使用模拟通信(例如模拟4-20mA)与所述现场设备通信，以及允许使用混合模拟及数字通信(如果在所述频道28的其中之一上实施的协议支持混合模拟及数字通信)。
此外，如以上所述及以下更详细的描述，除了在所述多个不同通信频道28或相关端口48上支持多个通信协议之外，所述柔性输入/输出设备30使得每个所述通信频道28或端口48能够独立地重配置。因此，配置成使用一个通信协议的一个通信频道28可以随后编程为使用一个不同的第二通信协议。因此，在所述现场设备22的其中之一失效时、需要拆除以进行维修时、或被替换时，所述失效的现场设备可以从所述过程控制系统10分离或拆除，而一个替换现场设备可以通过所述相同的通信频道28连接到所述过程控制系统10，即连接到所述输入/输出设备30上的相同端口。在所述替换现场设备22使用一个与所述被替换、失效的现场设备所使用的通信协议不同的通信协议的情况下，所述替换现场设备与所述输入/输出设备进行通信使用的所述通信频道28可以重配置成使用所述替换现场设备使用的通信协议。例如，一个系统操作员、配置工程师或其他用户可以使用所述配置工具52来重配置所述通信频道28，以便与所述替换现场设备进行通信。所述通信频道28中的任何通信频道的重配置不影响所述通信频道28中的任何另一个通信频道的操作。
除了所述智能现场设备22之外，一个或多个非智能现场设备32及34也可以通信连接到所述控制器12。所述非智能现场设备32及34可以是(例如)传统4-20mA或0-10VDC设备，它们通过各自的固定链路36及38，与所述控制器12进行通信。
所述控制器12可以是(例如)由费舍·柔斯芒特系统有限公司(FisherRosemount System，Inc.)及艾默生过程管理(Emerson Process ManagementTM)公司出售的一个DeltaVTM控制器。然而，可以改为使用任何其他控制器。此外，虽然图1中只显示一个控制器，但任何期望类别或结合类别的附加控制器可以连接到所述局域网(LAN)20。在操作中，所述控制器12可以执行已经由使用所述操作员站14的系统工程师或其他系统操作员产生、而且已经下载到所述控制器12及已经在所述控制器12中初始化及/或已经下载到所述现场设备22及已经在所述现场设备22初始化、与所述过程控制系统10有关的一个或多个过程控制例程。
图1也显示所述范例过程控制系统10可以包括一个远程操作员站或通信设备50，该远程操作员站或通信设备50可以是(例如)一个手携式配置工具，其支持涉及所述现场设备22的安装及/或维护的服务。所述范例手携式配置工具50可以使用一个执行器传感器接口(AS-i，Actuator Sensor Interface)总线及/或任何其他硬件平台、通信协议等等来实施。此外，在使用有些通信协议(比如所述协议)时，所述手携式配置工具50可以有附加的功能能力，比如扮演一个次主或通信协议组件的角色的能力。
此外，如以下更详细的描述那样，在操作中，所述手携式配置工具50可以用于分配地址给所述现场设备22。典型地，由制造商提供的现场设备22带有分配的默认地址。因此，可能由相同或不同的制造商生产的两个现场设备(例如图2所示的现场设备22a及22b)最初可能有相同地址。在通信连接到所述控制器12的两个现场设备有相同地址的情况下，所述控制器12不能正常地与两个设备进行通信，这是由于发送信息到一个设备的一个尝试可能导致所述信息在第二设备被无意接收。此外，在所述两个相同地址的设备没有使用相同的通信协议时，所述通信协议可能不适当地配置。解决这个问题的一种方法是，在将所述现场设备22连接到所述过程控制系统10时使用所述手携式配置工具50来远程地重分配地址给所述现场设备22。
如以上所述，在一个现场设备22被添加到所述过程控制系统10时或在任何其他期望时间，地址可以分配或重分配给所述现场设备22。分配地址给所述现场设备22的操作可以离线执行，例如，以所述手携式配置工具50离线执行，或自动由所述过程控制系统10通过(例如)所述配置工具52及所述控制器12执行。所述配置工具52也可以提供清除所述现场设备22的其中任何之一的地址的能力。所述手携式配置工具50可能不需要分配/清除地址，这是由于所述过程控制系统10及(尤其是)所述配置工具52可以清除所述现场设备22的地址及/或分配地址给所述现场设备22。然而，如以上所述，所述手携式配置工具50也利于现场操作，比如利于例程维护、故障测定或检修。
一个现场设备的地址并入一个信号标记，所述信号标记可以由所述配置工具52产生，以便同有效输入及输出一起使用。因此，一个现场设备的信号标记可以包括一个地址，比如“T101”。此外，所述信号标记可以包括一个标号。所述标号是一个说明项或说明短语，通过说明项或说明短语，操作员或配置工程师、维护人员或其他用户可以容易地识别设备、特定设备的类别、或由所述信号有关的设备进行的测量或读数的类别。因此，一个标号例如可以是“Boiler FeedwaterTemperature”(锅炉给水温度)。此外，所述信号标记也可以包括与所述现场设备22有关的定义。这些设备定义提供有关一个现场设备的附加信息。例如，所述设备定义可以描述与所述特定现场设备22中的每个现场设备有关的至少一个输入、一个输出及一个参数。这些设备定义可以以批量格式输入到所述配置数据库18，或用户可以在每个所述现场设备22被添加到所述系统10时或在任何其他时间，根据产品描述来创建设备定义。有利于所述设备定义的创建或产生(即定义所述输入、输出及参数)的暗示、提示等等，可以基于所述现场设备22的通信规程(其包括与所述现场设备22进行通信而需要的通信协议)，通过所述操作员站14提供给所述用户。附加地，所述配置工具52可以使用所述设备定义来描述所述现场设备22的输入、输出及参数。这些设备定义的使用消除用户配置错误。此外，所述范例过程控制系统10可以根据(至少是部分地根据)所述信号标记(即所定义的输入及输出、所述标号及所述设备定义)，提供所述网络设备的一个层级视图。所述层级视图可以自动地产生。
在此描述的范例系统及方法也提供其他好处。例如，用户可以获得基于每个设备的、有关特定现场设备的多种状态或操作情况的告警，不论用于与所述设备进行通信的通信协议的类别。例如，如果由一个现场设备测量的某个参数达到不安全水平，所述操作员获得有关所述现场设备的状态的告警及/或获得有关需采取的特定行动的告警。此外，所述操作员可以获得有关一个现场设备的缺乏的告警。例如，在配置期间(以下对其进行更详细的描述)，操作员可以在向一个现场设备发送一个特定消息之后预期来自所述现场设备的响应。在所述操作员没有接收到所述预期的响应时，所述操作员可以获得有关所述现场设备已经失效、所述现场设备未正确地配置而导致所述现场设备不理解该通信、或所述现场设备缺乏或不可用的告警。
此外，所述系统10支持来自一个基于工作站设备配置应用程序的穿越通信。这种应用程序的一个范例是由费舍·柔斯芒特系统有限公司(Fisher RosemountSystem，Inc.)及艾默生过程管理(Emerson Process ManagementTM)公司提供的Asset Management Solutions()系列的软件编程，其为实施所述范例过程控制系统10的制造厂人员提供多方面(包括设备配置、校准及设备问题诊断方面)的支持。这使得能够在不需要受所述主体过程控制系统的实施的制约的情况下，处理设备的配置及管理(比如所述现场设备22中的变化)。
所述范例过程控制系统10也可以支持其他取代模拟网络(例如那些使用4-20mA模拟信号的网络)的数字通信网络。这些网络可以是用于链接隔离的现场设备(例如控制器、变换器、执行器及传感器)的数字通信网络、双向通信网络、多点通信网络、串行总线通信网络。这些网络可以包括(例如)Profibus PA。这些其他网络可以基于每个频道被支持，以使现场设备可较容易地迁移到这些高速、全数字的通信协议。所述方法也可以延伸到远程终端单元(RTU)或独立控制器，比如费舍·柔斯芒特系统有限公司的远程操作控制器(Fisher Remote OperationsControllers，ROC)，这些远程操作控制器是设计来用于多种测量及控制应用程序的通用远程终端单元(RTU)，或类似的设备。
现在参看图2，其显示图1所示的范例过程控制系统10的一个更详细部分。如图2所示，在一个DeltaVTM分布式控制系统中，一个通信协议组件24(其也可以被称为“主”)位于所述输入/输出设备30上，而所述输入/输出设备30通信连接到所述控制器12。通信频道28a、28b、28c及28n的配置(也在以下更详细地描述)可以通过一个工作站(比如所述操作员站14)执行，而所述配置信息可以通过所述网络20传输到所述控制器12及所述输入/输出设备30。所述输入/输出设备30可以包括一个直接的人界面(比如按钮或类似物)，所述直接的人界面允许所述通信协议组件24的本地配置。在所述输入/输出设备30不存在人界面的情况下，可以通过(例如)扩大所述操作员站14的所述已知DeltaVTM Explorer软件的功能，使用与所述范例控制系统10有关的所述配置工具52来配置所述通信协议组件24，如以下所述的那样。
所述范例输入/输出设备30包括一个控制器界面40(通过该控制器界面40，所述输入/输出设备30与所述控制器12进行通信)、一个处理器42及一个存储器44，所述处理器42及存储器44的操作与图1中图解的所述处理器16及所述存储器26的操作类似。所述范例输入/输出设备30也包括所述通信协议组件24，而所述通信协议组件24有多个可重配置通信端口或模块46a、46b、46c及46n。所述可重配置通信模块46a-n依次相应于所述通信频道28a-n及/或端口48a-n。
虽然图中显示四个可重配置通信端口或模块(即46a-n)及四个相应的通信频道或链路(即28a-n)，但可以改为使用较多或较少的可重配置通信端口或模块。附加地，与所述输入/输出设备30相似或相同的多个输入/输出设备或输入/输出卡可以连接到所述控制器12，及/或多个现场设备可以连接到所述通信频道28a-n的每个或任何组合。
如以下更详细的描述那样，在所述现场设备22的其中之一通过所述通信频道28a-n、通信端口48a-n及通信模块46a-n的其中之一连接到所述输入/输出设备30时，所述配置工具52可以用于配置或重配置所述现场设备22连接到的、所述通信模块46a-n的所述其中之一，以便使用由该现场设备使用的通信协议，从而允许所述控制器12与所述现场设备22进行通信。
所述配置工具52可以提供一个单一或集成软件工具，其允许所述通信协议组件24的配置，包括其中包含的所述可配置通信模块46a-n。此外，所述配置工具52可以是在一个或多个工作站(比如所述操作员站14)上运行的一个直观应用程序(以上已描述)。更明确地说，所述配置工具52可以(例如)实施为用在个人计算机上的、与上述软件相似的一个软件编程。所述过程控制系统10的配置(图1)及所述设备网络20被并入所述数据库18及以所述数据库18管理，而所述数据库18可以是一个单一的对象导向数据库。在一个单一的面向对象的数据库被实施时，跨越多个配置数据库来管理及同步化配置数据的需要被消除。然而，如果需要，可以以所述输入/输出设备30来包括一个选择性或二次数据库。
如以上所述，所述网络20的配置可以显示成一个容易理解的层级，而所述配置应用程序52能自动产生文件。由于所述网络20的配置能自动产生文件，涉及所述过程控制系统10的信息可容易由用户获得，而且在由不同的视图或部门(即维护、操作等等)使用时，不需要转换。例如，在有些已知系统中，为一个特定现场设备配置一个通信频道的一名操作员可以分析所述现场设备，并参考二次原料(比如业务手册)以确定使用什么通信协议来与所述现场设备进行通信，以及存取多种其他信息，比如为所述设备存取维护记录等等。
所述范例过程控制系统10能自动产生文件，因此，每个所述现场设备22适合通过所述通信频道或链路28，提供有关其本身的信息。因此，在一个自动传感机制与所述配置应用程序或工具52结合时，所述现场设备22可以直接被存取或自动被传感(如以下有关图5的描述)。无论如何，涉及所述现场设备22的信息可以容易地通过所述配置工具52向用户显示。这些信息可以包括一个设备标记、维护信息(比如最新校准)、修订或自测试信息、或其他操作信息及/或指令(比如用于与所述设备进行通信的、适当的通信协议)。
图3为一框图，其图解在此描述的配置工具或应用程序52的各个方面。图3所示的功能块可以使用任何期望的软件、固件及硬件组合来实施。例如，一个或多个微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)等等可以存取存储在机器或处理器可存取存储媒介上的指令及/或数据，以执行所述方法及实施在此描述的设备。
如图3所示，所述配置工具52包括一个文件自动产生器54，该文件自动产生器54用于记录涉及连接到所述过程控制系统10的现场设备(例如所述现场设备22)的配置的多种信息、统计、事实等等。所述配置工具52也有一个现场设备传感器56，该现场设备传感器56可以传感连接到所述过程控制系统10的一个或多个所述现场设备22的存在，并提供有关信息。此外，所述配置工具52有一个输入器58，该输入器58用于输入设备定义及/或与将设备定义创建到所述数据库18中有关的信息。所述输入器58可以以一个批量格式或通过一个用户初始化创建来输入这些信息。
所述配置应用程序52也包括一系列的产生器60、62及64。明确地说，一个定义产生器60使用产品描述来产生设备定义，其可以是由所述输入器58输入的信息。一个标记产生器62以涉及所述设备定义的标号来产生信号标记。最后，一个告警产生器64根据所述相关现场设备22的操作状态，为一个或多个所述现场设备22产生告警。所述设备告警可以基于每个现场设备产生。
所述配置应用工具52也包括几个其他组件，包括但不限于一个冗余管理器66(该冗余管理器66可以用于支持冗余输入/输出设备30)及一个穿越通信管理器68(该穿越通信管理器68使得操作员或现场工程师能够管理所述过程控制系统10的多个方面，包括设备配置及管理，不论所述主体过程控制系统10的实施)。
图4及5描绘范例方法的流程图，这些范例方法可以用于配置过程控制系统(例如图1及2所示的过程控制系统10)中的可重配置模块(例如模块46a-n)、端口(例如端口48a-n)及通信链路(例如通信频道28a-n)。在一个实施例中，图4及5所示的流程图代表范例机器可读及可执行指令，这些指令用于实施图1-3所示的范例配置工具52。在所述实施例中，所述机器可读指令包含由一个处理器(比如图6的范例处理器系统210中所示的处理器212)执行的一个编程。所述编程可以实施在存储在一个有形媒介(比如光盘只读存储器(CD-ROM)、软盘、硬盘、多功能数字光盘(DVD)或与所述处理器212有关的存储器)上的软件，及/或以广为人知的方式实施在固件或专用硬件。例如，所述配置工具52(图1-3)、所述输入/输出设备、所述控制器等等可以使用软件、硬件及/或固件来实施。此外，虽然所述范例编程的描述以图4及5所示的流程图为参考，本领域的普通工程技术人员将可以理解，许多其他实施所述配置工具52的方法可以被选择使用。例如，流程块的执行顺序可以更改，及/或在此描述的有些流程块可以更改、消除或结合。
图4勾画一个范例过程，该范例过程可以由所述配置工具52执行，以便通过所述柔性输入/输出设备30来控制多个现场设备22。如这里所述，可以基于每个频道或每个连接，为所述多个现场设备22中的每个现场设备22灵活地选择所述通信协议。在一个工作站(例如所述操作员站14)工作并实施所述配置工具52的配置工程师或操作员可能有关于所述过程控制系统10的层级及/或结构的信息。换句话说，所述操作员可能具备有关哪些现场设备被安装，及某现场设备是否已经被拆除及/或替换，及/或某现场设备在何时已经被拆除及/或替换等方面的认知或信息。典型地，一个现场设备只是在一个工作准证或命令的签发时才被添加、拆除、替换等等。在需要这一工作准证或命令的情况下，所述操作员典型地具备有关所述过程控制系统10的状况、配置及布局等方面的认知或信息。根据这个认知或信息，所述操作员能够充分肯定地确定，通过多个通信链路(例如所述通信频道28a-n)与连接到一个输入/输出设备(例如所述输入/输出设备30)的多个现场设备(例如所述设备22a-n)中的每个现场设备进行通信使用的是什么通信协议。在有些实施例中，所述操作员可能准确地知道什么类别的现场设备(以及其通信协议)连接到一个特定通信频道，而在其他时候，所述操作员可能没有任何有关所述过程控制系统10的配置细节方面的认知或信息。无论如何，所述频道配置工具52可以用于为所述操作员提供有关为使得能够适当配置所述通信频道28而需要的信息。
如图4所示，对每个通信频道28，操作员选择一个通信协议，以便在所选择的通信频道28上进行通信(流程块70)。这也可以随机完成，或使用由所述配置工具52选择的一个预置序列的通信协议来完成。一旦为所述通信频道28选择了一个通信协议，所述配置工具52使用所选择的通信协议，在所选择的通信频道上发送一个信息(流程块72)。所述信息可以是(例如)一个命令，该命令要求通信连接到所述通信频道28的一个现场设备22的响应——如果所述现场设备22理解(即能够处理及判读)所述信息。因此，如果所述现场设备22理解所述信息，则一个响应被接收到(流程块74)，这可以(例如)提供信号标记及设备专用信息，而所述配置工具52将通信频道28(包括所述相关端口48及可重配置模块46)配置成使用该通信协议来进行通信，这使得所述控制器12能够使用所述现场设备22理解的通信协议与所述现场设备22进行通信(流程块76)。一旦所述通信频道28已经适当地配置，则所述配置工具52可以通过将控制返回到流程块70来进行评估另一个通信频道28(流程块78)。
在以所选择的通信协议在所选择的通信频道28上发送一个通信之后，如果所述配置工具52或操作员没有接收到一个响应(流程块74)，所述配置工具52或操作员确定是否预期从该通信频道28接收到响应(流程块80)。如果已预期接收到响应，即所述配置工具52或所述操作员已预知一个现场设备是(或应该)连接到该通信频道28或已预先获得相关信息而因此预期从该现场设备接收到一个响应，所述配置工具52或操作员也可以确定没有现场设备连接到该通信频道28，或确定连接到该通信频道28的所述现场设备22(若有)并未使用所述已选择的通信协议。因此，所述配置工具52或操作员可以再次开始所述过程，以尝试配置一个不同的通信频道28或以一个不同的通信协议尝试再次配置所述相同的通信频道28(流程块78)。
如果所述配置工具52或操作员预期在使用所述通信协议的所述通信频道28上发送一个信息之后在所述通信频道28上接收到一个响应(流程块80)，则所述配置工具52或所述操作员预期一个现场设备22应通信连接到使用所选择的通信协议的该通信频道28。这个情况可能导致产生一个告警(以上已描述)，以指示结果并未如同预期。此外，这个情况可能指示，没有现场设备连接到该通信频道28；或可选择地，如果有一个现场设备22连接到该通信频道28，这个情况可能指示，所述现场设备22使用一个与在流程块74时在该通信频道28上用于通信的所述通信协议不同的通信协议来进行通信。
此外，所述配置工具52或所述操作员可以再次以所述相同的通信协议，对所述相同的通信频道28进行任何次数的配置尝试(流程块82)，例如直到接收到一个预期结果(例如一个现场设备响应)为止。可选择地，所述配置工具52或所述操作员可以选择使用另一个通信协议(流程块84)来在所述通信频道28上进行通信，以确定连接到该通信频道28的一个现场设备是否使用另一个通信协议来进行通信。在以另一个通信协议来尝试所述相同的通信频道28(流程块84)之后，所述过程随即再次开始(流程块70)。
图5为一流程图，其显示可以由所述配置工具52执行的一个选择性自动适应配置过程86。在图5中，所述配置工具52操作来自动适应现场设备及所述相关通信协议。在所述自动适应配置过程86期间，所述配置工具52选择一个通信频道(例如通信频道a)，以用于配置(流程块88)。所述配置工具52也选择一个专用通信协议(例如通信协议x)，以便以该专用通信协议来尝试在所选择的通信频道(a)上进行通信(流程块90)。一旦选择了所述通信频道(a)及所述通信协议(x)，所述配置工具52使用所述通信协议(x)并通过所述通信频道(a)发送一个通信(流程块92)。所述配置工具52接着确定是否已经接收到一个响应(流程块94)。
如果已经接收到一个响应(流程块94)，则所述配置工具52确定连接到所述通信频道(a)的所述现场设备使用的是所述通信协议(x)，而所述配置工具52将所述通信频道(a)配置成使用该通信协议(x)(流程块96)。在配置所述通信频道(a)之后，所述配置工具52随即确定是否还需要配置更多通信频道(流程块98)。如果不需要配置更多通信频道，则所述过程86结束及/或返回到一个调用过程或例程(流程块102)。
另一方面，如果还需要配置更多通信频道，则所述配置工具52进行配置另一个通信频道，例如通信频道a+1(流程块100)(所述配置工具52通过为通信频道a+1选择一个通信协议(流程块90)并使用所述通信协议(x)及通过所述通信频道(a+1)发送一个通信来配置该频道(a+1))。如以上所述，所述配置工具52接着确定是否已经接收到一个响应(流程块94)。
如果在所述通信频道(a)上发送一个通信之后，在流程块94时没有接收到一个响应，所述配置工具52确定在使用所述通信协议(x)并在所述通信频道(a)上获得响应的最新近尝试的次序数是否大于或等于或小于一个预定尝试次数(n)(流程块104)。如果所述最新近尝试的次序数小于所述预定尝试次数(n)，则尝试次数计数器将增加1(流程块106)，而所述配置工具52将再次使用所述通信协议(x)并通过所述通信频道(a)发送一个通信，以尝试获得响应(流程块92)。然而，如果使用所述通信协议(x)并通过所述通信频道(a)来发送通信的所述尝试的次序数大于或等于所述预定尝试次数(n)(流程块104)，则所述配置工具52将中止使用所述通信协议(x)并通过所述通信频道(a)来发送通信的尝试。典型地，所述尝试次数计数器将不会超过所述预定尝试次数(n)。然而，如果发生可能导致所述配置工具52尝试进行n+1次或更多次的通信的系统超越或其他中断，则所述配置工具52有能力在没有接收到响应时中止尝试使用所述相同的通信协议来配置所述相同的通信频道。
在至少n次尝试使用所述通信协议(x)来对所述通信频道(a)进行通信之后，所述配置工具52确定是否还需要尝试更多通信协议(流程块108)，这是由于连接到所述通信频道(a)的所述现场设备可能使用不同于所述通信协议(x)的通信协议。如果还需要尝试更多通信协议，所述配置工具52选择另一个通信，例如通信协议x+1(流程块110)，并再次使用所述不同的通信协议(x+1)，通过所述通信频道(a)发送一个通信。所述配置工具52可以为任何数目的通信协议重复这个过程。在至少n次尝试使用所述通信协议(x)并通过所述通信频道(a)发送进行通信及在确定不需要尝试更多通信协议(流程块108)之后，所述配置工具52确定是否还需要配置更多频道(流程块98)。如果不需要配置更多通信频道，如以上所述，所述过程86结束或返回到一个调用过程或例程(流程块102)。如果还需要配置更多通信频道，则所述配置工具52进行配置另一个通信频道，例如通信频道a+1(流程块100)(所述配置工具52通过为通信频道a+1选择一个通信协议(流程块90)，使用所述通信协议(x)并通过所述通信频道(a+1)发送一个通信来配置该频道(a+1))，并继续完成所述过程86。
图4及5所示的方法可以周期性地实施，以检查所述过程控制系统10中的更改。然而，如以上所述，所述操作员通常预知所述过程控制系统10的配置或预先获得相关信息，因此所述操作员知道一个特定通信频道28应在什么时候配置或重配置。此外，所述配置工具52可以包括一个命令，以重配置所有所述通信频道28。这一个命令要求为所述过程控制系统10中的每个通信频道28实施参考图4及5来进行描述的任一方法。
图6为一框图，其图示一个范例处理器系统，该范例处理器系统可以用于实施在此参考图1-5来进行描述的范例设备、方法及制造件。如图6所示，所述处理器系统210包括一个处理器212，该处理器212连接到一个互连总线214。所述处理器212包括一个寄存器或寄存空间216，该寄存器或寄存空间216在图6中被描绘为完全在芯片内，但其可以选择性地为完全位于芯片外或部分在芯片外、及通过专用电气连接及/或通过所述互连总线214直接连接到所述处理器212。所述处理器212可以是任何合适的处理器、处理单元或微处理器。虽然图6中未显示，但所述系统210可以是一个多处理器系统，因此可以包括一个或多个与所述处理器212相同或相似、而且通信连接到所述互连总线214的附加处理器。
图6所示的处理器212连接到一个芯片组218，该芯片组218包括一个存储器控制器220及一个输入/输出(I/O)控制器222。广为人知的是，一个芯片组典型地提供输入/输出管理功能及存储器管理功能、以及多个可以由连接到所述芯片组218的一个或多个处理器存取或使用的通用及/或专用寄存器、计时器等等。所述存储器控制器220执行功能，使得所述处理器212(或多个处理器——如果有多个处理器)能够存取一个系统存储器224及一个大容量存储器225。
所述系统存储器224可以包括任何期望类别的易失性存储器及/或非易失性存储器，比如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、闪速存储器、只读存储器(ROM)等等。所述大容量存储器225可以包括任何期望类别的大容量存储设备，包括硬盘驱动器、光驱动器、磁带存储设备等等。
所述输入/输出控制器222执行功能，使得所述处理器212能够通过一个输入/输出总线232，与外围输入/输出(I/O)设备226及228以及一个网络界面230进行通信。所述输入/输出设备226及228可以是任何期望类别的输入/输出设备，比如键盘、视频显示器或监控器、鼠标等等。所述网络界面230可以是(例如)以太网设备、异步传输模式(ATM)设备、802.11设备、数字用户线路(DSL)调制解调器、线缆调制解调器、蜂窝调制解调器等等，其使得所述处理器系统210能够与另一个处理器系统进行通信。
虽然所述存储器控制器220及所述输入/输出控制器222在图6中被描绘为所述芯片组218中的单独功能块，但这些块执行的功能可以在一个单一的半导体线路中集成，或可以使用两个或多个单独的集成电路来实施。
虽然在此已经描述某些范例方法、设备及制造件，但本发明包括的范围并未受其限制。相反地，本发明包括所有根据字面意义或等效原则正当地属于附此的权利要求范围的方法、设备及制造件。

Claims (37)

1.一种用于过程控制系统的输入/输出设备，所述输入/输出设备至少包括第一通信频道，以便利用第一可用通信协议或第二可用通信协议中的至少一个在多个现场设备中的至少一个现场设备与控制设备之间建立通信。
2.根据权利要求1所述的输入/输出设备，进一步包括第二通信频道，其中所述第一通信频道使用所述第一通信协议，所述第二通信频道利用所述第二通信协议在所述多个现场设备中的至少一个现场设备与所述控制设备之间通信。
3.根据权利要求2所述的输入/输出设备，其中所述第一频道和所述第二频道同时分别使用所述第一通信协议和所述第二通信协议。
4.根据权利要求2所述的输入/输出设备，其中所述第一通信频道连接到所述多个现场设备中的第一现场设备，所述第二通信频道连接到所述多个现场设备中的第二现场设备。
5.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中所述第一通信协议或第二通信协议可以被选择来用于所述多个现场设备中的每一个。
6.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中所述输入/输出设备可远程配置。
7.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中所述输入/输出设备被配置为自动传感所述现场设备。
8.一种用于控制多个现场设备的方法，所述方法包括：
初始化输入/输出设备，该输入/输出设备包括通信协议组件，该通信协议组件有至少一个通信频道；
将所述至少一个通信频道配置成使用第一可用通信协议和/或第二可用通信协议；以及
通过使用所述第一通信协议和/或第二通信协议的所述至少一个通信频道，与所述现场设备的其中之一进行通信。
9.一种机器可存取媒介，其上存储数据，这些数据在被存取时促使机器通过以下步骤控制多个现场设备中的至少一个现场设备：
初始化输入/输出设备，该输入/输出设备包括通信协议组件，该通信协议组件有至少一个通信频道；
将所述至少一个通信频道配置成使用第一可用通信协议和/或第二可用通信协议；以及
通过使用所述第一通信协议和/或第二通信协议的所述至少一个通信频道，与所述现场设备的其中之一进行通信。
10.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器配置第二通信频道，以通过使用所述第一通信协议的所述第一通信频道及通过使用所述第二通信协议的所述第二通信频道，与所述现场设备进行通信。
11.如权利要求10所述的机器可存取媒介，其中所述第一频道和所述第二频道同时分别使用所述第一通信协议和所述第二通信协议。
12.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器为所述多个现场设备中的每个现场设备选择所述第一通信协议或所述第二通信协议。
13.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述第一通信频道使得能够与第一现场设备进行通信，所述第二通信频道使得能够与第二现场设备进行通信。
14.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器使用控制设备来为所述现场设备分配地址。
15.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器与手携式配置工具通信，以在控制系统离线时向所述现场设备分配地址。
16.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器通过扩展与控制系统有关的配置应用程序来配置所述通信协议组件。
17.如权利要求16所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器使用单一工具来创建所述配置应用程序。
18.如权利要求17所述的机器可存取媒介，其中所述工具是在工作站上运行的应用程序。
19.如权利要求16所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器将所述配置应用程序合并到单一的面向对象的数据库中。
20.如权利要求16所述的机器可存取媒介，其中所述配置应用程序是能自动产生文件。
21.如权利要求16所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器使用所述配置应用程序来通过界面卡提供涉及所述现场设备的传感的信息。
22.如权利要求16所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器使用所述配置应用程序来清除所述现场设备的地址分配。
23.如权利要求16所述的机器可存取媒介，其中所述配置应用程序使用用于描述与所述现场设备中的特定现场设备有关的输入、输出或参数的设备定义。
24.如权利要求23所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器通过与用户交互来将所述设备定义以批量格式输入到配置数据库中。
25.如权利要求24所述的机器可存取媒介，其中所述设备定义是用户根据产品描述产生的。
26.如权利要求23所述的机器可存取媒介，其中所述用户在所述特定现场设备被添加到所述过程控制系统时，创建所述设备定义。
27.如权利要求23所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器基于与所述现场设备中的所述特定现场设备进行通信的通信协议，向用户提供用于创建所述设备定义的暗示。
28.如权利要求23所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器使用所述配置应用程序以涉及所述设备定义的标号来产生信号标记。
29.如权利要求16所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器使用所述配置应用程序基于每个现场设备为多个通信协议的任何一个产生设备告警。
30.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器支持冗余界面卡。
31.如权利要求9所述的机器可存取媒介，其中所述存储在其上的数据在被存取时促使所述机器支持来自一个基于工作站的设备配置应用程序的穿越通信。
32.一种使用过程控制系统中的输入/输出设备来以多个通信协议来进行通信的方法，所述方法包括：
将所述输入/输出设备的多个通信频道中的至少一个第一通信频道配置成使用第一通信协议来与多个现场设备中的至少一个现场设备进行通信；以及
将所述输入/输出设备的所述多个通信频道中的至少一个第二通信频道配置成使用第二通信协议来与所述多个现场设备中的至少另一个现场设备进行通信。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一通信频道和所述第二通信频道同时分别使用所述第一通信协议和所述第二通信协议。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一通信频道连接到所述多个现场设备中的第一现场设备，所述第二通信频道连接到所述多个现场设备中的第二现场设备。
35.根据权利要求32所述的方法，进一步包括基于每个连接为所述多个现场设备中的任意现场设备选择所述第一通信协议或第二通信协议。
36.根据权利要求32所述的方法，进一步包括远程配置所述输入/输出设备。
37.根据权利要求32所述的方法，其中所述输入/输出设备被配置为自动传感所述现场设备。
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