CN104995574B - 油田过程控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种油田过程控制系统包括现场多功能控制网关组件，该现场多功能控制网关组件使用范围广泛的硬连线和无线协议与多个现场装置连接，从而提供现场监测和对每个现场装置的控制，并且与远程中央控制室通信，从而使用多路复用协议在控制室和现场装置之间交换数据，多路复用协议提供高数据速度和带宽，从而能够显著减少原本会由于这样的高度可靠的通信系统而产生的布线、导管和其它基础设施费用的数量。

Description

油田过程控制系统
相关申请
本申请要求2013年3月12日提交的美国临时专利申请第61/777,142号的权益，其公开的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及经由高速数字通信网络将多路复用的过程控制和安全信号从石油化工厂或气/油分离站的中央控制室路由到现场装置；以及本发明还涉及现场安装控制接口，该现场安装控制接口提供用于一套多样化的油田控制装置的现场控制或现场逻辑。
背景技术
传统的设计实践是将各个过程控制和安全信号从过程接口建筑物(PIB)和/或中央控制室(CCR)路由到包括传感器和最终元件的现场装置。传感器可包括压力开关和传输器、液位(level)开关和传输器、温度开关和传输器、位置和限位开关、振动监测器，还有其它仪器。最终元件可包括电磁螺线管、致动器和定位器，用于控制电动机的起动和停止、这样的电动机的速度、阀完全打开和关闭或者阀打开和关闭到特定位置等等。在现场装置需要单独电力的情况下，传统上还从PIB或CCR提供该单独电力。这些现有技术的设计需要在PIB或CCR处的众多控制系统输入/输出(I/O)机架、和进出油田的大量的电缆和导管。现场总线基础(Fieldbus Foundation，FF)H1技术的引入提供了现场级别的“多点(multi-drop)”仪器的能力。然而，由于31.25千比特/秒的通信速度，导致由于在用FF H1系统时现场布线的减少而使通过主石油化工项目实现的净成本节省有限，这限制了可有效共享公共FF H1段的现场装置的数量。另外，FF H1系统和其它传统控制系统需要在CCR或PIB内有大系统机架，以提供现场控制系统接口。现有的传统“远程I/O”技术达不到提供完全独立式端子、电源、基于状态的逻辑和信号转换能力。
需要一种系统，该系统使得能够转换仪器和控制信号，以将其转换成“现场”而非CCR或PIB中的售卖方I/O机架内的高速数字通信。这样的系统将大大减少当前必须在现场安装的接线盒与PIB或CCR之间路由的互连的硬连线电缆、导管、电缆托架和其它管道的数量，以及减少CCR或PIB内所需的机架机柜的数量。工厂硬件和基础设施要求的这种显著减少将提供大量的成本节省。
这样的系统将向终端用户提供更大的灵活性以通过公共的高速数字通信网络与一套多样化的现场装置进行通信。
另外包含一种现场安装控制接口，其中，安装在智能接线盒(SJB)内的现场多功能控制网关(field versatile control gateway，FVCG)允许在一套多样化的油田控制装置(诸如，部署在油/气井位处的传感器和阀)的单个外壳内的连接。FVCG/SJB提供了监测关键输入、针对可允许的限制来检查参数、并且执行所需动作以提供安全且可靠的油/气井位操作的现场完全控制功能。FVCG/SJB包括对于在工业中使用的众多现场通信协议的转换的规定、识别装置级别的“健康”诊断指示符并且应用基于本地状态的逻辑以基于用户定义的标准(考虑到诸如所需的风险降低、对故障的适当响应和安装的装置冗余之类的标准)来增强整体安全仪表功能(SIF)的可靠性和安全性的能力。经由通过FVCG/SJB启用的高速通信来进行返回到中央控制室的通信。
为了方便起见，下面是在讨论现有技术和描述本发明时使用的术语缩写的列表：
CCR：中央控制室
CPU：中央处理单元
DCS：分布式控制系统
EI：以太网接口
ESD：紧急停机
FF：现场总线基础
FVCG：现场多功能控制网关
I/O：输入/输出
ISA100：国际自动化协会(ISA)的无线协议
HSL：使用单模光纤、多模光纤和以太网的高速链路
ISCI：智能安全和控制积分器
JB：接线盒
PIB：过程接口建筑物
PRC：工厂路由控制器
SIF：安全仪表功能
SJB：智能接线盒
发明内容
本发明包含一种过程控制系统，该过程控制系统用于将现场和控制室中的各种工厂仪器和系统互连，同时使互连布线、CCR或PIB接口设备、电力/电源模块以及相关联的导管、电缆托架和管道、和其它基础设施要求最小化。该系统的一个关键要素是，它提供了现场级别的(1)现场装置接口、(2)本地控制和(3)信号转换技术的组合。该系统支持并启用现场控制和现场逻辑、现场装置电力和布线接口、以及信号转换(对于硬连线和无线传感器及最终元件二者)。本发明的系统允许以快速采样和控制响应时间进行多变量现场控制。
通过使用现场多功能控制网关(FVCG)使得可以减少从现场到CCR或PIB的布线。FVCG提供了与传统现场装置的接口，并且进行通过高速数字通信网络输出过程控制和安全信息所需的信号转换。为了增强可靠性，可经由硬连线通信、无线通信、或硬连线通信和无线通信二者，在FVCG之间、和在单个FVCG与多个现场装置之间传递数据。
分布在整个过程设施内的预定位置处的FVCG与驻留在CCR或PIB内的多功能控制接口进行通信。多功能控制接口从FVCG收集已经经由高速数字通信而传输的过程控制和安全信号，并且将这些过程控制和安全信号路由到中央多功能控制开关。中央多功能控制开关执行具有智能能力的完全集成的过程控制和安全系统到具有自适应逻辑和模拟以及工厂路由控制器功能的网络的高级路由能力。
在FVCG和分布式控制系统(DCS)之间共享用于操作控制的逻辑。该系统可被配置为使得：对于某些控制应用，DCS具有主控制并且FVCG具有次控制，然而对于其它控制应用，FVCG具有主控制并且DCS具有次控制。类似地，在FVCG和工厂的中央逻辑解算器之间共享用于紧急停机控制的逻辑，其中，对于某些应用，FVCG具有主控制，而对于其它应用，FVCG具有次控制。在所有情况下，如果主控制装置存在失效，则控制将转向次控制装置。如本文中使用的，术语“中央逻辑解算器”是指在传统紧急停机系统中用于管理与安全隔离功能相关联的所有输入和输出的专用可编程控制系统。“中央逻辑解算器”通常被设置为与监管控制系统(被称为DCS)完全分开和独立的系统。本申请引入的构思是经由通过FVCG启用的高速数字通信，根据需要将与“中央逻辑解算器”的通信限制到协调级别，并且本地管理与井口装置(wellhead)相关联的完全安全功能。
在一个实施例中，DCS监测FVCG(诸如，监测FVCG的健康状况、监测与FVCG有关的临界报警、并且测量FVCG的CPU执行时间)，从而允许DCS确定FVCG是否超载或劣化。如果进行了这样的确定，则控制功能的责任从FVCG转移到DCS，并且FVCG将充当纯通信和中继模块，而不充当控制模块。因此，FVCG可在两种模式下操作：在模式1下，作为通信装置进行操作，其中信息通过装置进行传递；而在模式2下，作为控制和通信装置进行操作。
在另一个实施例中，FVCG提供了如下能力：基于与特定安全仪器功能(SIF)相关联的风险和智能现场装置自诊断，配置在安全系统表决内使用的用户定义的安全系统劣化状态。
在另一个实施例中，FVCG利用与整个工厂ESD系统同步的时钟提供了每个智能现场装置自诊断故障的时间戳；将检测到的故障的存在传送到中央ESD系统、DCS和/或本地控制面板；以及收集存在装置故障的逝去时间，并且其中，FVCG可被配置为在装置(或装置的组合)处于劣化或故障状态的所定义的时间长度之后，使相关过程达到安全状态。
在另一个实施例中，该系统监测由FVCG经历的温度、湿度、负载水平和振动。如果这些参数超过预定标准，则常见故障信号被发送到DCS，并且一般由FVCG进行的控制功能将转向DCS，而一般由FVCG进行的紧急停机功能将转向ESD控制器。
在又一个实施例中，当油/气井远离主处理工厂时，本地FVCG将提供用于控制功能、测试、维修和设备升级的现场逻辑。
FVCG/SJB可取代现有技术的现场安装接线盒(JB)。FVCG/SJB用于下面的功能：(1)用于多个现场装置的接口，(2)信号和协议转换，(3)用于现场装置的电源和电力调节，优选地，为每个FVCG提供冗余电源，(4)用于FF H1段和端子块的布线端子，其中，对现场传感器和最终元件进行短路保护。
FVCG用作与每个现场装置(即，各个过程传感器和最终元件)的连接点。来自每个现场装置的布线端子与FVCG端子模块(提供了被隔离的传统4-20mA端子和FF H1支线连接两者)连接。FVCG端子模块提供了现场装置布线的物理端子，并且执行连接的FF H1支线和其它传统控制信号布线所需的短路和开路检测。另外，经由FVCG端子模块提供用于现场装置的电源和电力调节。对于FF H1电路，FVCG端子模块组合了现有FF H1装置耦合器和FF H1段电源和电力调节器的功能。
各个“对”或各个FF“支线”端接于取代传统FF装置耦合器并且消除了对FF段“干线”端子的需要的端子模块的被隔离部分、以及在FF H1主机接口处的系统机柜内的诊断和电源模块。本发明的系统完全消除了现在在FF装置耦合器、FF电源和调节器、以及FF H1主机接口之间所需的“干线”电缆。FVCG提供了智能无线中继模块的功能，并且用作高速数字通信和现场信号布线环境之间的接口。
另外，每个FVCG提供了对每个硬连线H1支线的状态和与其它FVCG的高速数字通信的诊断。在控制系统接口端，中央多功能控制开关从工厂路由控制器接收命令，以确保通过硬连线高速通信链路或无线通信网可得到FVCG信号。以这种方式，系统提供了用于将控制信息传递到现场装置和更高级别控制系统以及从现场装置和更高级别控制系统传递控制信息的高度可靠的装置。如本领域中已知的，网络通常具有中央路由器和外围路由器。在本申请中，工厂路由控制器是用于路由跨过程控制系统的数据的中央路由器，而FVCG提供外围路由功能。如本领域中所理解的，工厂路由控制器包括处理器、存储器和用于提供操作者界面的监测器，从而允许操作者监测并且诊断整个工厂路由的已有状态。工厂路由控制器还允许用户输入特定路由的规则或替代路线。在本发明的上下文中，工厂路由控制器确保跨FVCG和中央多功能控制开关的路由表被调准，而不与路由规则相抵触。
新FVCG端子模块监测主硬连线通信信号和使用国际自动化协会(ISA)ISA100协议的无线通信信道的健康状况。例如，如果通过健康的无线信道检测到硬连线现场装置信号的故障，则新接口将切换到ISA 100无线通信路径，从而提供与多功能控制接口和中央多功能控制开关的无缝通信。如果在任何时间，FVCG端子模块例如通过健康的硬连线H1干线检测到无线通信信道中的故障，则错误消息将被发送到中央控制系统，以警告操作者，装置的无线通信存在问题。FVCG包含智能逻辑并且被编程为当与CCR的连接中断时起作用，从而允许子系统的连续操作。
每个FVCG包括大容量电源，该大容量电源优选地由源自于CCR、PIB或这二者的n个冗余主电力电路馈送。在替代实施例中，由CCR或PIB馈送电源，其中，由具有太阳能充电器的电池系统提供冗余。在尤其适于远程区域(诸如，监测远程油或气井)的替代实施例中，可从具有相关联的太阳能充电器的单个(即，非冗余)电池馈送电源。FVCG经由电源分配系统将电力分配给内部FVCG模块。
FVCG从硬连线和无线仪器接收信号并且将它们多路复用，使得许多信号可通过单个高速数字通信输出进行传递。这允许增加数量的现场安装装置的过程控制和安全数据在工厂环境内在单个(冗余)的一对布线上进行路由。本发明将新无线技术的应用与信号转换和高速通信相组合，以提供现场布线和管道的显著减少，从而导致大型项目的显著成本节省。
FVCG装配有基于状态的通信逻辑，以监测与每个装置的硬连线和无线链路二者，并且在通信丢失或劣化时执行用户定义的动作。在通过引用合并于此的美国专利7,869,889内描述了该基于状态的通信逻辑。该扩展的监测和补救动作能力向仪器/控制系统设计者提供了使用现有技术的系统不可能有的灵活性。
本发明还通过将FVCG与主工厂DCS相集成来提供对智能油田(I油田)的增强控制。在FVCG失效的情况下，主工厂DCS可提供对受影响井的备用控制。对于通常由多个油和气井组成的I油田，生产水平和类型是在确定设施的盈利和使存储要求最小化时使用的两个重要变量。例如，为了实现合同要求和/或使盈利最大化，可能需要多种碳氢化合物产品(每个具有特定百分比)。主DCS系统可确定每个井所需的生产水平和类型并且将该信息发送到每个井的FVCG，FVCG将按照从DCS接收到的要求来控制该井的现场装置。该过程本质上可以是动态的，并且每天可以多次进行修改或调节。现有技术的系统和方法需要人工调节每个井的生产水平和类型，从而导致对生产水平和类型的次优调整。相比之下，在每个井处使用FVCG将允许基于高采样速率进行快速且准确的控制。这提供了更动态的过程控制、更高的收益、过量存储容量的最小化、和增加的盈利。在公共链路的通信失效的情况下，该系统包括现场接线盒级别的冗余信号转换器的安装、FVCG之间的冗余通信链路、和使用工厂路由控制器对通信进行重新路由的提高的能力。
非关键的控制装置(例如，监测仪器或传感器)可例如仅使用无线连接在没有冗余的情况下与FVCG进行通信。FVCG连续地监测无线通信的整体健康状况，并且在检测到无线通信故障的情况下，接口将警报发送到过程控制系统。因为一些控制电路本质上是关键的，所以在FVCG中包括冗余信号转换功能。关键服务控制装置可仅使用硬连线通信或者经由无线和硬连线通信两者以双冗余方式与FVCG进行通信，从而利用基于内部FVCG状态的逻辑。如果在FVCG之间的硬连线通信路径上检测到故障并且健康的无线路径可用，则接口将切换到无线路径，并且警告工厂路由控制器：在主硬连线链路上检测到故障。FVCG内的内部FVCG通信逻辑允许终端用户定义当在现场装置至FVCG接口内检测到故障时该装置将如何做出反应。以这种方式，如果需要，可选地，在现场装置与连接的信号转换器之间以及在各个现场多功能控制网关(FVCG)之间，双重冗余通信路径是可用的。
FVCG组合了已有的传统通信协议(例如，FF H1或模拟信号)、新兴的ISA 100无线通信技术、和通过引用合并于此的美国专利7,869,889内描述的新无线使能的智能安全仪器的应用。当与无线或硬连线现场安装仪器进行所需的或单纯的通信时，由新颖的系统和设备提供的灵活性提供了现场级别的双重冗余通信接口，有助于与现场装置电缆的安装相关联的成本的额外降低。
新颖的FVCG接口包括用于执行过程控制和多变量控制的逻辑。FVCG逻辑有助于以快速采样和控制响应时间来更容易地实现现场的多变量控制。在DCS暂时停止服务、在重负荷下操作、或在升级的情况下，FVCG充当集中式DCS的备用。在现有技术中，如果集中式DCS停止服务，则工厂不得不停机。为了实现真实的冗余和分布式控制系统，本发明提供了将过程的主控制从本地FVCG转移到中央DCS所需的消息传送，反之亦然。
与依赖于第三方软件包从智能现场装置收集装置诊断、然后在控制室中进行分析的现有技术相比，FVCG中的输入/输出卡能够从智能现场仪器接收诊断并且基于诊断进行现场决策。这是内置到输入/输出卡中并且通过诸如HART和现场总线基础的协议可商业获得的芯片级/基于软件的特征。例如，现在的智能阀可检测何时电磁阀无法操作、何时主阀杆折断、何时主阀冻住、何时致动器压力过低，还有其它功能。与现有技术中的可能情况相比，这允许当多个阀处于同一生产线时更复杂的现场表决逻辑替代方案以保持安全和可操作性。在另一个示例中，在现有技术的安全系统设计中，本地现场控制可被设计成具有三取二表决逻辑，仅具有离散诊断输入，使得来自一个压力传输器的“故障”信号将不触发保护性动作，而是将导致降级的二取二表决布置。利用这种新设计和FVCG从智能现场仪器接收诊断的能力，FVCG不仅可以发现“故障”信号，而且可以发现受影响的压力传输器正指示的实际压力。因此，FVCG可被编程为基于特定的安全应用来采用二取一或二取二的表决布置中的剩余的“健康的压力传输器”。
在一个实施例中，保护流水线的智能阀受FVCG控制，FVCG使用三取一表决逻辑来监测智能阀。如果在智能阀之一中检测到故障，则FVCG将识别该故障并且将报警信号传输到控制室内的操作者。FVCG将命令保护该流水线的其它智能阀关断(trip)，或者在开始流水线的关断之前等候该流水线上的智能阀的第二次失效(例如，三取二表决逻辑)。可在现场实现FVCG的配置，包括确定是否按照三取一逻辑、三取二逻辑等进行动作的能力。在现在的已有技术中，这种装置级诊断的现场级自适应使用是不可用的。
利用本发明的系统，过程传感器和最终元件可以更容易地与诸如自适应逻辑和模拟、ESD控制器、和DCS的辅助应用相集成，从而导致新的系统集成水平。该系统还可经由ISCI(智能安全和控制积分器)、中央多功能控制开关和工厂路由控制器与DCS和ESD控制器相集成。
本发明的系统和方法提供了现在因传统的集中式控制系统的能力而受到限制的现场级的多变量控制和过程控制增强。
每个现场安装的FVCG之间的冗余和多样化的通信路径的这种独特组合将提供提高的通信吞吐量，而不损失可靠性。
附图说明
以下，在本文中参照附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出现有技术的油田过程控制系统；
图2示出新的油田过程控制系统；
图3示出现场多功能控制网关内的组件；
图4示出对FVCG的电力分配；
图5示出多功能控制接口内的组件；
图6示出将控制从FVCG转移到DCS的方法；
图7示出中央多功能控制开关；以及
图8示出DCS和ESD控制器之间的推荐的连接。
具体实施方式
图1示意性示出现有技术的油田过程控制系统100。经由布线115(通常，高速以太网)将主工厂DCS 110与紧急停机(ESD)控制器120相集成。DCS经由电缆117连接到传统的输入/输出集线柜140，并且经由电缆116连接到现场总线基础电源和集线柜130。DCS 110、ESD控制器120和集线柜130、140可位于PIB或CCR190中。
利用在集线柜140与JB150之间路由的电缆145和在JB 150与现场装置160之间路由的电缆155，经由JB 150将传统的I/O集线柜140连线到众多传统的现场装置160。这些电缆145和155通常包括用于模拟信号(诸如，来自压力传输器的4-20mA信号和通往比例控制阀的4-20mA信号)的屏蔽双绞线和用于离散控制信号(诸如，来自位置开关、限制开关、扭矩开关等的输入，以及通往阀控制器的“打开”和“关闭”信号)的非屏蔽线。
利用在集线柜130与JB 170之间路由的H1干线电缆和在JB170与FF现场装置180之间路由的H1支线，经由JB 170将FF电源和集线柜130连线到众多FF现场装置175。
图2示意性示出新发明的新油田过程控制系统200的实施例。该系统由四个主要部分组成：FVCG 270，与现场装置连接；多功能控制接口250，收集传输到FVCG 270并且从FVCG270传输的数据；工厂路由控制器230；和中央多功能控制开关220。中央多功能控制开关220支持双重或三重冗余，使得如果主电路失效，则次冗余电路将接管，或者在三重冗余的情况下，使得如果主电路和次电路二者都失效，则第三冗余电路将接管。虽然在图2中示出了三个多功能控制接口250，但装置的具体数量取决于用于处理消息的中央多功能控制开关220的电力限制和容量。如有需要，可添加额外的中央多功能控制开关220来支持额外的多功能控制接口250。在FVCG级的传统通信和无线ISA 100通信方法、以及现场级的高速数字通信的转换和路由二者的布置中，新的系统配置是唯一的，从而消除了对现有技术中存在的各种布线柜的需要。使用“一流(best in class)”现场仪器并且将它们全都连接在公共FVCG/SJB内以适合于井位控制和安全性要求的灵活性是本发明的关键要素。本发明涵盖了一种本地现场接口，该本地现场接口具有如下灵活性：根据需要以任何组合形式使用硬连线模拟信号、硬连线(多点(multi-drop))现场总线基础信号、离散(接通/断开)信号、无线信号(ISA100、HART等)，以提供“自备(self-contained)本地控制系统”，该自备本地控制系统能够监测和管理井位的控制、安全和功能测试要求，并且将状态信号与主站(诸如，气/油分离站(GOSP))的中央控制室进行通信。
经由布线215将主工厂DCS 210连接到中央多功能控制开关220。DCS通过中央多功能控制开关220连接到工厂路由控制器230(经由布线225)，连接到自适应逻辑和模拟单元240(经由布线226)，并且连接到多功能控制接口250(经由布线225)。DCS210、中央多功能控制开关220、工厂路由控制器230、自适应逻辑和模拟单元240、以及多功能控制接口250位于PIB或CCR 295中。DCS 210还经由布线227通过中央多功能控制开关连接到ISCI 280。ISCI280位于现场。
多功能控制接口250与众多现场装置290连接。可利用在多功能控制接口250与JB260之间路由的电缆255和在JB 260与现场装置290之间路由的电缆265，经由现有技术的传统(现有技术)的JB260进行这些连接。多功能控制接口250还可经由本发明的FVCG270与现场装置290连接。多功能控制接口250与FVCG 270之间的通信可包括硬连线路径257和无线路径258。FVCG 270可经由硬连线路径274或无线路径278直接与现场装置290通信。FVCG还可经由硬连线路径276或无线路径279与其它FVCG通信。FVCG还可经由硬连线路径275与现有技术的JB 260通信。本发明的额外的新颖特征包括通过引入工厂路由控制器和中央多功能控制开关而变得可能的新功能，该工厂路由控制器和中央多功能控制开关允许紧急停机逻辑和自适应逻辑的新的集成水平。
图3示意性示出现场多功能控制网关(FVCG)300内的代表性组件的组件，这些组件包括中央处理单元(CPU)325，该中央处理单元例如具有提供现场控制能力的基于窗口的操作系统。另外还包括路由数据库330和路由模块340。路由模块340将来自现场装置的数据路由进出CPU 325，并且还提供进出其它FVCG和进出CCR或PIB的数据的路由。路由模块340还通过M+1条链路提供同一数据分组的多播。这个指定意味着，一条链路是主链路，而另外的“M”条链路用作热冗余备用链路。如果原始指定的主链路失效，例如由于连续的CCR失效，则第一指定冗余链路将变成新的主链路，而失效的主链路将被指定为暂停服务的链路。M+1条链路设计确保了关键数据被准确地通过连接FVCG与CCR的链路进行传送。路由数据库330包含主路线和替代路线、仪器地址和相邻地址，并且由工厂路由控制器(PRC)进行动态更新。
FVCG 300还包括报警模块335、电力管理和调节模块310、以及电力端子块315。电力管理和调节模块310不仅为FVCG 300的内部电子器件供电，而且向现场装置供应调节后的电力。熔丝或断路器、和瞬态电压浪涌抑制器件(TVSS)也被包括在FVCG 300的外壳内。通过公共电缆将电力和通信从FVCG 300提供到现场装置。报警模块335监测与现场装置的无线通信的健康状况。诊断包括：对传输器的过程信号健康状况(诸如，温度、压力、液位等)的诊断、装置电子器件的健康状况、电力波动、进出中央控制室的通信的健康状况等。由用户来配置FVCG 300内的逻辑，以基于与井位控制功能、检测到的失效类型和提供的冗余相关联的风险，在识别到诊断出的故障时采取适当的动作。
FVCG 300还包括上行链路接口卡345、数据总线350和电力电缆320、以及转换器/协议转换器355。转换器/协议转换器355提供例如从4-20mA、H1、EI、串行、无线或HSE到HSL格式的协议转换/封装。HSL格式是基于将向CCR或PIB提供上行链路的单模光纤、多模光纤和以太网通信。
可使用多个接口卡，包括无线接口卡380、4-20mA接口卡375、H1接口卡370、EI卡390、串行接口卡365和接通/断开接口卡360。HSL上行链路接口卡345可被配置为具有1Gbps数据速率的标准以太网(IEEE 802.3)或被配置为现场总线基础HSE。虽然现有技术的系统一般包括HSE和H1链路，但可预料到的是，H1连接将被具有100Mbps链路的标准以太网(IEEE802.3)取代，而HSE连接将被具有1Gbps数据速率的标准以太网(IEEE 802.3)取代。
从可根据特定过程应用所需的接口类型而添加各种类型(HDL、HSE、H1、4-20mA)的接口卡的意义上来说，FVCG 300是模块化的。存在用于冗余的4对连线卡的8个槽，其中，每个卡能够与32个现场装置连接。卡的数量是随着安装而变化的，所示出的数量只是出于例示的目的。所有卡被作为冗余对提供。
另外，存在由支持用于高达256个现场装置的星形/网状拓扑的两个接口组成的冗余无线卡(在图中仅示出一个无线卡)。
最后，存在将FVCG 300连接到CCR或PIB的一个冗余接口；或者，可供选择地，存在将FVCG连接到与CCR或PIB相连接的中间FVCG的一个冗余接口。上行链路接口卡通过经由M条冗余链路将同一数据分组多播至多功能控制接口(VCI)以实现任务关键高可靠通信，支持M条冗余高速数据链路。因此，FVCG与CCR或PIB之间的通信可通过有线的M条冗余链路来进行，或者替选地通过冗余无线链路来进行，或者替选地通过有线的M条冗余链路和冗余无线链路两者来进行。
因此，每个FVCG 300可支持128条有线输入、256个无线连接和M条冗余高速数据链路(例如，通向CCR或PIB的上行链路)。
图4示出用于本发明的系统的电力分配设计的实施例。电力外壳405包括冗余电力调节单元420和UPS 430。另外包括两个或更多个电力分配节点，其中，实施例示出四个电力分配节点440、450、460和470。电力调节单元420从诸如外部电源(例如，公用电源)和本地应急发电机(例如，柴油或天然气单元)的冗余电源接收电力。每个电力分配节点440、450、460和470从外部电源获得其主电力；然而，在这个电力被中断的情况下，则UPS 430将提供电力，直到紧急发电机启动或者外部电源恢复为止。
优选地，现场的每个FVCG 480被供应来自至少两个电力调节单元(N+1)的电力，以确保非常高水平的可靠性和任务关键电力的可用性。在示出的实施例中，每个FVCG 480分别从电力分配节点440、450、460和470通过电缆445、455、465和475来供电。FVCG 480接收N+1条电力电缆(即，主电缆和“N”条冗余电缆)，以为FVCG内部子系统供电并且向相关联的现场装置供电。通过N+1条链路从CCR或PIB接收到的电力被N+1条电缆共享。因此，这N+1条之中的一条电缆的损失不会对FVCG和相关联的现场装置的操作所需的电力的可用性产生立即的不利影响。
图5示意性示出包括电力管理和调节模块510、电力分配节点515和电力电缆560的代表性多功能控制接口500的组件。另外还包括：路由表520，合并有处理器和存储器(数据库)，包含路线和用于路由的算法；路由模块530，执行实际的路由，由此，从端口接收到的分组或消息基于路由表520的路线和算法被传递到其输出端口；数据总线535；和转换器/协议转换器540。另外还包括用于与FVCG通信的上行链路接口卡525、通向DCS的上行链路接口卡550和无线接口卡545。
FVCG具有两种模式的操作：
1.模式一是作为实现DCS的功能的工厂控制系统的一部分的智能控制器。在这种模式下，FVCG提供多种功能：
a.用于与FVCG相关联的本地装置或单元的本地过程控制器，包括执行“现场控制”的能力。
b.跨本地单元或设备进行路由，并且路由进出CCR。
c.跨各种现场过程装置和接口进行协议转换。
d.对与FVCG相关联的本地装置进行电力管理和馈送。
e.在DCS失效的情况下，用作冗余备用。
f.对于各种协议的多接口能力。
g.与CCR的高速连接。
2.模式二是作为实现ESD控制器的功能的工厂安全和停机系统的一部分的智能安全控制器。
a.充当用于与FVCG相关联的本地装置或单元的本地安全逻辑解算器或控制器，包括执行“现场逻辑”的能力。
b.跨本地单元或设备进行路由，并且路由进出CCR。
c.跨各种现场安全装置和接口进行协议转换。
d.对与FVCG相关联的本地装置进行电力管理和馈送。
e.在ESD控制器失效的情况下，用作冗余备用。
f.对于各种协议的多接口能力。
g.与CCR的高速连接。
FVCG可用作用于工厂控制系统的智能控制器和通信接口/路由管理器，或者FVCG可用作安全控制器和通信接口/路由管理器以作为整个工厂安全系统的一部分。然而，同一FVCG不能并且不应该用作这两者，以便确保工厂内的安全和控制系统的分离。
比例-积分-微分控制器(PID控制器)是广泛用于工业和过程控制系统中的控制回路反馈机构(控制器)。PID控制器计算“误差”值作为测得的过程变量与期望的设定点之间的差。控制器尝试通过调节过程控制输出使误差最小化。PID控制器算法涉及三个单独的恒定参数，并且因此有时被称为三项控制：被标注为P、I和D的比例、积分和微分值。简单地说，这些值可依据时间来解释：基于当前变化速率，P取决于当前误差，I取决于过去误差的累积，而D是对未来误差的预测。使用这三个动作的加权和，经由诸如控制阀的位置、阻尼器、或供应到加热元件的电力的控制元素来调节过程。通过现场总线基础引入了“现场控制”的构思，以允许在正用作其它多点装置的“主装置”的现场装置内发生经典的“PID”型控制。换句话讲，这允许PID控制迁移到现场级，以不是在DCS或CCR内被处理。在本发明中，“现场控制”用于表示捕获“总线上”的信息，并且使用它在FVCG内添加值或进行决策。
类似地，本文中使用术语“现场逻辑”来表示取得因果型输入和输出(C&E)并且将它们彼此相关，以经由诸如FVCG的总线架构或本地控制器基于对于智能“主”现场安装装置可用的输入来进行决策。在这个上下文内，FVCG将以本地/现场级而不是使用中央ESD控制器来管理I/O模块的多个数字输入/输出或模拟输入/输出。替选地，FVCG可充当用于主和中央逻辑解算器的冗余或备用“逻辑解算器”。图7示出合并有电力管理和调节单元710、路由表720、路由处理器和逻辑单元730、以及HSL接口卡740的中央多功能控制开关700。
图6示出方法600，在方法600中，交换一系列消息，从而反映例如在确定了FVCG超载或劣化时将过程控制响应从FVCG转移到DCS。在步骤605中，将“请求控制转移”消息从DCS发送到FVCG。请求消息包括下面的数据：
命令类型(1)可以是将过程控制从DCS转移到FVCG或者将过程控制从FVCG转移到DCS的命令。在图6中示出的示例中，控制正从FVCG转移到DCS。
控制转移的原因(2)可包括DCS失效、FVCG失效、DCS与FVCG之间的通信的失效、FVCG环境状况，例如，过热、湿度、振荡、加载水平、不能受FVCG控制的过程中断、主动决策(诸如，为了维护或测试要求而进行的)、或操作者的干涉。不能受FVCG控制的过程中断的示例将会是来自气油分离站的用于减少或停止来自单个井的生产的信号。FVCG控制和DCS控制二者都是需要的，从而在本地控制丢失或停机的情况下提供冗余，在这种情况下，可实现远程控制或停机。另外，在中央控制室中的DCS处可能能检测在FVCG处不可能本地检测的一些事故，诸如，远离井的管道泄漏。
如果存在完全的FVCG失效，则每个现场装置的失效模式将取决于所使用的单个装置配置。例如，如用户所配置的，经由具有HART诊断的4-20mA模拟或基础现场总线传达到FVCG的传统智能阀控制器将无法打开或关闭。因为所有通信都丢失了，所以用户将保守地配置这个失效-安全状态，以降低风险暴露(exposure to risk)。然而，如果FVCG保持健康，当在阀或过程传感器内检测到装置级故障时，用户可选择基于本地状态的逻辑内限定的附加选项，以提高整体安全性和可靠性。
在本示例中，时间TD(3)是诸如13:45.351的时间，在该时间，控制应该由FVCG转移并且由DCS承担。
消息临界性(4)可以是正常、临界、或紧急级别。消息临界性概述了从DCS向FVCG转移什么功能。对于“正常”状态，FVCG将监测过程状况，进行报警，并且保持诊断日志。对于“临界”状态，FVCG将另外执行诸如闭环控制和开关控制的功能。对于“紧急”状态，FVCG将另外执行紧急停机功能。
涉及的组成(5)将是系统、组件和仪器，在该示例中，将针对其将控制从FVCG转移到DCS。
在步骤610中，将“控制转移的确认”消息从FVCG发送到DCS。确认消息包括下面的数据：
目的地地址 源地址 消息开销 确认类型(1)
确认类型(1)可以是对控制转移请求的确认、对请求的停止控制时间的确认、对临界级的确认、对系统参数状态的确认、对系统参数更新消息的确认、或对停止控制消息的确认。
在步骤610中，将“控制转移的确认”消息从FVCG发送到DCS。确认消息包括下面的数据：
目的地地址 源地址 消息开销 确认类型(1)
确认类型(1)可以是对控制转移请求的确认、对请求的转移时间的确认、对临界级的确认、对接收到的系统参数的确认、对接收到的系统更新消息的确认、或对停止控制消息的确认。
类似地，在步骤615中，将“对转移时间的确认”消息被从FVCG发送到DCS。在步骤620中，将“对临界级的确认”消息被从FVCG发送到DCS。
在步骤625中，将“系统参数状态”消息从FVCG发送到DCS。系统参数状态消息和相关系统参数更新消息包括下面的数据：
系统参数状态消息(1)提供在控制的转移中涉及的每件设备或仪器的当前状态。系统参数更新消息(2)在特定仪器或设备的状态变化时提供通知。
时序同步检查提供本地时间到目的地装置和源装置的交换，以确保控制交换的正确时序。
在步骤630中，将“对系统参数状态的确认”消息从FVCG发送到DCS。以上已经在步骤610中描述了确认消息。
在步骤635中，将“在转移之前更新”消息从DCS发送到FVCG。
在步骤640中，将“确认在转移之间更新”消息从DCS发送到FVCG。
在步骤645中，将“要停止控制”消息从FVCG发送到DCS。这是控制交换消息，控制交换消息包括下面的数据：
交换模式(1)可以是“要停止控制”消息(如步骤645的情况一样)、指示次装置已经取得了控制的“取得控制”消息、或指示主装置已经将控制让与给次装置的“停止控制”消息。
如之前描述的，时序同步检查(2)提供本地时间到目的地装置和源装置的交换，以确保控制交换的正确时序。
在步骤650中，将“取得控制”消息从DCS发送到FVCG，这表明DCS已经取得了控制。注意，在预定时间TD发送这个消息。在步骤655中，将“停止控制”消息从FVCG发送到DCS，从而确认FVCG不再进行控制。
在步骤660中，将“对停止控制的确认”消息从DCS发送到FVCG。对于步骤610，之前描述了确认消息。
因此，步骤625、630和635描述了传达系统参数状态的消息、对此的确认的消息和“在转移之前更新”消息。这些旨在依据最新参数将DCS系统和FVCG系统同步。步骤645的“要停止控制”消息指示FVCG将在时间TD并且在指示DCS取得控制的功能的执行之后将控制转移到DCS。然后，接收到关于DCS知道FVCG将在时间TD停止控制功能的确认。因此，步骤645确保平滑切换。在步骤650中，DCS通知FVCG，DCS已在时间TD取得了控制，然后，并且FVCG然后才会停止控制功能，如步骤655中描述的。也就是说，FVCG不能停止控制功能，直到DCS取得控制功能为止，因为控制功能不能无人管理。相反地，本发明保证不会有两个控制器管理一个过程。
一种另外类型的消息是可能的。图6中示出的示例中未示出的这个消息是“转移控制变化请求的时间”消息，该“转移控制变化请求的时间”消息包括下面的数据：
这个消息请求之前被选择用来转移控制功能的时间变化。该时间变化可早于或晚于之前选择的时间。例如，FVCG可能想要在特定时间发生控制的转移，而DCS可能由于诸如系统更新、下载补丁等其它动作而优选不同的时间。
如之前描述的，时序同步检查(2)提供本地时间到目的地装置和源装置的交换，以确保控制交换的正确时序。
图8示意性示出控制系统800与紧急停机系统835之间的连接。在控制系统800中，DCS 815连接到中央多功能控制开关820，中央多功能控制开关820还连接到工厂路由控制器805、自适应逻辑和模拟单元810、多功能控制接口825、以及智能安全和控制积分器(ISCI)830。在紧急停机系统835中，ESD控制器855连接到中央多功能控制开关850，中央多功能控制开关850还连接到工厂路由控制器840、自适应逻辑和模拟单元845、多功能控制接口860、以及智能安全和控制积分器(ISCI)865。美国专利第8,645,888号以引用方式并入，公开了控制系统和ESD系统之间的互连的某些方面。
虽然本文中已经示出和描述了本发明的优选实施例，但清楚的是，这些实施例只是以举例方式提供的。在不偏离本发明的情况下，本领域的技术人员还清楚众多的变型形式、变化形式和替代形式，本发明的范围将由下面的权利要求书确定。

Claims (21)

1.一种现场多功能控制网关FVCG，可操作以与远程中央控制室CCR和/或过程接口建筑物PIB内的控制设备通信并且适于与构成过程控制系统的多个现场装置连接，所述FVCG包括微处理器、存储器、路由数据库、路由模块、协议转换器、无线接口卡和天线；
其中，所述FVCG提供现场控制能力，
其中，所述FVCG使用从由4-20mA、现场总线基础H1、接通/断开接口、无线、串行和以太网接口EI组成的组中选择的一个或多个协议与现场装置通信，
其中，所述FVCG经由硬连线高速链路HSL协议、无线连接、或硬连线HSL协议和无线连接中的一个或多个提供FVCG与CCR和/或PIB之间的数据的多路复用通信，
其中，所述路由数据库和所述路由模块在所述现场装置与所述FVCG的微处理器之间以及在所述FVCG的微处理器与远程CCR和/或PIB之间路由数据，
其中，所述协议转换器将现场装置数据从4-20mA、现场总线基础H1、串行、EI和接通/断开接口协议转换成用于与远程CCR和/或PIB通信的HSL协议，
其中，所述FVCG监测智能现场装置自诊断并且将监测到的诊断应用于所述FVCG的现场控制能力，以及
其中，所述CCR和/或PIB内的控制设备监测所述FVCG的状态，并且确定是否允许所述FVCG继续进行现场控制、或者是否将控制功能转移回到所述CCR和/或PIB内的控制设备。
2.根据权利要求1所述的FVCG，其中，由多个电力分配节点供应用于所述FVCG的操作的电力，
从具有备用不间断电源UPS的电力调节单元向所述电力分配节点供电，以及
从具有来自现场发电机的备用电的公用电源向所述电力调节单元供电。
3.根据权利要求1所述的现场多功能控制网关FVCG，其中，所述FVCG提供了基于智能现场装置自诊断和与特定安全仪器功能SIF相关联的风险来配置在安全系统表决内使用的用户定义的安全系统劣化状态的能力。
4.根据权利要求1所述的现场多功能控制网关FVCG，
其中，所述FVCG利用与整个工厂紧急停机ESD系统同步的时钟来提供每个智能现场装置自诊断故障的时间戳，
其中，所述FVCG将检测到的故障的存在传送给中央ESD系统、所述分布式控制系统DCS和/或本地控制面板，
其中，所述FVCG收集存在装置故障的逝去时间，并且其中，所述FVCG能被配置成在装置或装置的组合处于劣化或故障状态达所定义的时间长度之后，使相关过程达到安全状态。
5.一种过程控制系统，所述过程控制系统包括：
a)多个根据权利要求1至4中任一项所述的现场多功能控制网关FVCG；
b)多个多功能控制接口，位于所述CCR和/或PIB，收集向所述FVCG传输和从所述FVCG传输的数据；
c)中央多功能控制开关，位于所述CCR和/或PIB，收集向所述多功能控制接口传输和从所述多功能控制接口传输的数据，并且与分布式控制系统连接；
d)工厂路由控制器，位于所述CCR和/或PIB，提供对所述过程控制系统内的数据的路由的监管控制；以及
e)与分布式控制系统DCS和紧急停机ESD控制器的接口。
6.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述多个FVCG中的一个或多个经由HSL或无线协议与一个或多个其它FVCG通信。
7.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述多个FVCG中的每个包括报警模块，所述报警模块监测在所述FVCG与每个现场装置之间以及在所述FVCG与相关联的多功能控制接口之间的通信信道的健康状况，以及将检测到的任何故障报告给CCR和/或PIB并且分派替代的可用健康通信路径以用于数据传递。
8.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述多个FVCG中的正与相关联的FVCG通信的一个或多个包括报警模块，所述报警模块监测所述FVCG之间的一个或多个通信信道的健康状况，将任何故障报告给CCR和/或PIB并且分派所述FVCG之间的可用健康通信路径以用于数据传递，以及如果所分派的主通信路径健康质量劣化，则分派所述FVCG之间的替代健康通信路径以用于数据传递。
9.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述中央多功能控制开关经由映射的智能安全和控制积分器ISCI接口来访问并且共享紧急停机和DCS数据。
10.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述现场控制能力包括使用FVCG执行本地控制功能，所述本地控制功能包括本地紧急停机功能。
11.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述DCS是主控制系统，并且在所述DCS失效或者失灵的情况下或者在所述DCS上的通信失效或劣化的情况下，所述FVCG被激活为主控制系统。
12.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述FVCG是主控制系统，并且在所述FVCG上的通信失效或劣化的情况下，所述DCS被激活为主控制系统。
13.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，中央逻辑解算器是主紧急停机控制系统，并且在所述中央逻辑解算器失效或者所述中央逻辑解算器与所述FVCG之间的通信劣化的情况下，所述FVCG被激活为主紧急停机控制系统。
14.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述FVCG是主紧急停机控制系统，并且在所述FVCG失效或者中央逻辑解算器与所述FVCG之间的通信劣化的情况下，所述中央逻辑解算器提供次紧急停机控制。
15.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述中央多功能控制开关支持双重或三重冗余。
16.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述ESD控制器根据需要执行紧急停机功能，并且其中，所述多个FVCG中的一个或多个对于在地理上远离工厂控制室的设备执行现场逻辑功能。
17.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述ESD控制器根据需要执行紧急停机功能，并且其中，所述多个FVCG中的一个或多个执行现场逻辑功能，以在由于通信失效或劣化而没有执行所述ESD控制器的紧急停机功能的情况下提供冗余。
18.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述DCS包括报警模块，所述报警模块监测所述FVCG的健康状况，将任何故障报告给所述CCR和/或PIB，以及如果所述FVCG健康质量劣化，则将所述FVCG的现场控制功能转移回到所述DCS。
19.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述ESD控制器包括报警模块，所述报警模块监测所述FVCG的健康状况，将任何故障报告给所述CCR和/或PIB，以及如果所述FVCG健康质量劣化，则将所述FVCG的现场控制功能转移回到所述ESD控制器。
20.根据权利要求5所述的过程控制系统，其中，所述现场控制能力包括多个FVCG，以对于多个设备执行顺序的本地紧急停机功能。
21.一种将控制功能的责任从根据权利要求1至4中任一项所述的现场多功能控制网关FVCG转移到分布式控制系统DCS的方法，所述方法包括：
将“请求控制转移”消息从所述DCS传输到所述FVCG，所述“请求控制转移”消息指定责任将被转移的装置和转移将发生的时间，
在所述DCS内设置倒计时时钟，以反映所预期的转移时间，
在所述FVCG处接收所述“请求控制转移”消息，并且在所述FVCG内设置倒计时时钟，以反映所预期的转移时间，
将确认消息从所述FVCG传输到所述DCS，该确认消息确认接收到所述“请求控制转移”消息和所请求的转移时间，
将“系统参数状态”消息从所述FVCG传输到所述DCS，所述“系统参数状态”消息包括责任将被转移的装置的参数和在所述FVCG处识别的本地时间，
在所述DCS处接收所述“系统参数状态”消息，并且调节所述DCS中的倒计时时钟，以反映在所述FVCG处识别的本地时间与在所述DCS处识别的本地时间之间的任何偏差，
将确认接收到所述“系统参数状态”消息的确认消息从所述DCS传输到所述FVCG，
将“在转移之前更新”消息从所述FVCG传输到所述DCS；
将确认接收到所述“在转移之前更新”消息的确认消息从所述DCS传输到所述FVCG；
将“要停止控制”消息从所述FVCG传输到所述DCS；
在指定时间将对指定装置的控制转移到所述DCS，并且所述DCS将“取得控制”消息传输到所述FVCG；
在完成控制转移之后，所述FVCG将“停止控制”消息传输到所述DCS；以及
将确认消息从所述DCS发送到所述FVCG，该确认消息确认接收到所述FVCG已转移了对所述指定装置的控制的消息。
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