CN105607589A - 输入-输出设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用在过程控制系统中的输入-输出设备。该输入-输出设备包括：第一接口，其连接至低层级设备；第二接口，其连接至高层级设备；第三接口，其连接至外部设置设备；切换器，其在将第二接口连接至第一接口与将第三接口连接至第一接口之间进行切换；以及控制装置，当在通过切换器将第二接口连接至第一接口并且准许将第三接口连接至第一接口的第一状态下时，其控制切换器以当通过第三接口输入连接至第一接口的连接请求时使得转变至第三接口和第一接口连接的第二状态。

Description

输入-输出设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年11月13日提交的第2014-230695号日本专利申请的优先权，其内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明的实施例一般来说涉及用在过程控制系统中的输入-输出设备的领域。
背景技术
构建了如下的相关技术的过程控制系统：其控制工厂、制造厂等中的工业过程中的各种状态量(例如，压力、温度、流速等)，从而实现复杂的自动操作。这样的过程控制系统被配置成使得通常称为现场装置的原位装置(测量仪器、操作仪器)通过I/O模块连接至控制器。控制器响应于测量仪器(例如，传感器)的测量结果而控制操作仪器(例如，致动器)以控制上述的各种状态量。
这里，设置在工厂等中的现场装置的数量一般根据工厂的大小等增加或减少。大型工厂等可能采用高达几千、甚至几万台这样的装置。因此，能够高效地且在短时间内不仅设置现场装置而且还设置用在过程控制系统中的输入-输出设备以缩短发动和维护过程控制系统所需的时间和成本是重要的。来自现场装置的信号或送往现场装置的信号被输入至上述的输入-输出设备/从上述的输入-输出设备输出。除了上述控制器和I/O模块外，现场装置可以包括网络中继器、远程I/O装置、无线网关等。
JP2013-161199A公开了如下的系统：其中，维护端口设置在用在过程控制系统中的输入-输出设备中，并且作为用于实施维护的装置的设置装置可以连接至维护端口以使该系统甚至能够在系统操作期间执行各种类型的维护。JP2013-161199A公开了通过维护端口实施的各种类型的维护，包括装置状态的获取、对装置参数的改变、固件更新等。
现在，对于在JP2013-161199A中所公开的系统，设置装置可以连接至输入-输出设备中所设置的维护端口以甚至在系统操作期间实施维护从而提高维护的效率。然而，当设置了这样的维护端口时，恶意的第三方可能将设置设备连接至输入-输出设备，并且改变设置该装置的内容或者使得恶意软件被导入该过程控制系统中，从而可能导致安全水平降低。
这里，可以进行以下措施，来防止使用具有维护端口的输入-输出设备的过程控制系统安全水平的降低：
(1)将输入-输出设备容置于机柜(cabinet)中以对所容置的输入-输出设备进行锁定；
(2)为输入-输出设置的维护端口设置密码；以及
(3)设立用于通过高层级设备接入输入-输出设备的维护端口的准许系统。
将多个输入-输出设备物理地容置于机柜中的(1)中的措施几乎可以必定防止对多个输入-输出设备的维护端口的未授权接入。然而，将工厂等中设置的所有输入-输出设备容置于机柜中可能需要几百个以上的机柜，从而极大地增加了成本。另外，诸如搜索适合于特定机柜的钥匙以执行可靠锁定的任务可能需要非常繁重的任务。
(2)中的措施通过软件为输入-输出设备的维护端口设置密码。然而，要求设置密码的维护端口的数量大于或等于在(1)中的措施中所使用的机柜的数量，从而使得(2)中的措施要求比(1)中的措施更繁重的任务。使用公共密码会减轻任务的负担，但是在密码被泄露的情况下会大大地降低安全性。
在JP2013-161199A中所公开的(3)中的措施着眼于使高层级设备(操作监控设备)位于比控制器的层级高的层级。因此，当高层级设备没有工作时或者当无法实施与高层级设备的通信时，无法接入输入-输出设备维护端口。
这里，在发动或维护过程控制系统时，期望容易接入输入-输出设备的维护端口以有效地设置用在过程控制系统中的输入-输出设备。另一方面，从确保在过程控制系统操作期间的安全性的角度，期望严格地限制对输入-输出设备的维护端口的接入。
发明内容
鉴于上述状况，本发明的目的是提供如下的一种输入-输出设备：其能够在发动或维护过程控制系统时有效地进行各种设置并且能够在过程控制系统工作时确保高安全水平。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用在过程控制系统中的输入-输出设备，其包括：第一接口，其连接至低层级设备；第二接口，其连接至高层级设备；第三接口，其连接至外部设置设备；切换器，其在将第二接口连接至第一接口与将第三接口连接至第一接口之间进行切换；以及控制装置，当在通过切换器将第二接口连接至第一接口并且准许将第三接口连接至第一接口的第一状态下时，其控制切换器以当通过第三接口输入连接至第一接口的连接请求时使得转变至第三接口和第一接口连接的第二状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在使得转变至第二状态之后阻止与连接至第三接口的设置设备进行通信时，或者当存在来自设置设备的转变指令时，控制装置控制切换器以使得转变至第一状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第一状态下通过第二接口输入连接至第一接口的连接请求时，控制装置控制切换器以使得转变至第三状态，在该第三状态下，通过切换器，第二接口连接至第一接口并且第三接口连接至第一接口被禁止。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第三状态下通过第二接口输入指示准许将第三接口连接至第一接口的命令时，控制装置使得转变至第一状态。
根据本发明的一个实施例的输入-输出设备还包括：开关，其使得第三接口与控制装置之间的空间处于断开状态或闭合状态，其中，控制装置在使得转变至第三状态时控制开关处于断开状态而在使得转变至第一状态时控制开关处于闭合状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，切换器能够切换至第二接口和第三接口均不连接至第一接口的第四状态，并且当在使得转变至第二状态之后阻止与连接至第三接口的设置设备进行通信时或者当存在来自设置设备的转变指令时，控制装置控制切换器以使得转变至第四状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第四状态下通过第三接口输入连接至第一接口的连接请求时，控制装置控制切换器以使得转变至第二状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第四状态下通过第二接口输入连接至第一接口的连接请求时，控制装置控制切换器以使得转变至第三状态，在第三状态下第二接口和第一接口连接并且第三接口与第一接口之间的连接被禁止。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第三状态下通过第二接口输入指示准许将第三接口连接至第一接口的命令时，控制装置使得转变至第一状态。
根据本发明的一个实施例的输入-输出设备还包括：开关，其使得第三接口与控制装置之间的空间处于断开状态或闭合状态，其中，该控制装置在使得转变至第三状态时使得开关处于断开状态而在使得转变至第一状态时使得开关处于闭合状态。
根据本发明的一个实施例的输入-输出设备还包括：计时器，其测量预先定义的预定时间，其中，控制装置控制切换器以当第一状态持续了预定时间时使得转变至第四状态。
根据本发明的一个实施例，提供了一种输入-输出设备，其包括：第一接口；第二接口，其能够建立与第一接口的连接；第三接口，其能够建立与第一接口的连接；切换器，其在将第二接口连接至第一接口与将第三接口连接至第一接口之间进行切换；以及控制装置，在通过切换器将第二接口连接至第一接口并且准许将第三接口连接至第一接口的第一状态下，其控制切换器以当通过第三接口输入连接至第一接口的连接请求时使得转变至第三接口和第一接口连接的第二状态，其中，当在第一状态下通过第二接口输入连接至第一接口的连接请求时，控制装置控制切换器以使得转变至第三状态，在第三状态下，通过切换器，第二接口连接至第一接口并且第三接口连接至第一接口被禁止。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在使得转变至第二状态之后阻止与连接至第三接口的外部设置设备进行通信时，或者当存在来自设置设备的转变指令时，控制装置控制切换器以使得转变至第一状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第三状态下通过第二接口输入指示准许将第三接口连接至第一接口的命令时，控制装置使得转变至第一状态。
根据本发明的一个实施例的输入-输出设备还包括：开关，其引起第三接口和控制装置连接的断开状态以及第三接口和控制装置断开连接的闭合状态，其中，控制装置在使得转变至第三状态时控制开关处于断开状态而在使得转变至第一状态时控制开关处于闭合状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，切换器能够切换至第二接口和第三接口均不连接至第一接口的第四状态，并且当在使得转变至第二状态之后阻止与连接至第三接口的外部设置设备进行通信时或者当存在来自设置设备的转变指令时，控制装置控制切换器以使得转变至第四状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第四状态下通过第三接口输入连接至第一接口的连接请求时，控制装置控制切换器以使得转变至第二状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第四状态下通过第二接口输入连接至第一接口的连接请求时，控制装置控制切换器以使得转变至第二接口和第一接口连接并且第三接口与第一接口之间的连接被禁止的第三状态。
在根据本发明的一个实施例的输入-输出设备中，当在第三状态下通过第二接口输入指示准许将第三接口连接至第一接口的命令时，控制装置使得转变至第一状态。
根据本发明的一个实施例，提供了一种过程控制系统，其包括：一个或多个现场装置；控制器；上述输入-输出设备，其将一个或多个现场装置连接至控制器并且用在过程控制系统中；外部设置设备，其可以连接至输入-输出设备；操作监控终端；以及工程终端，其中，控制器、操作监控终端和工程终端连接至控制网络。
根据本发明的实施例，在切换器使得第二接口和第一接口连接的状态下，基本上禁止经由第三接口进行连接，从而当准许经由第三接口进行连接时经由第三接口输入连接至第一接口的连接请求使得转变至第三接口和第一接口连接的状态。因此，存在能够在发起或维护过程控制系统时进行各种设置并且在操作过程控制系统时保持高安全水平的有益效果。
附图说明
图1是示出使用根据本发明的第一实施例的输入-输出设备的过程控制系统的整体配置的框图；
图2是示出根据本发明的第一实施例的I/O模块的每种转变状态下的开关状态的图；
图3是根据本发明的第一实施例的针对I/O模块的工作模式被设置为“工程模式”的情况的状态转变图；
图4是根据本发明的第一实施例的针对I/O模块的工作模式被设置为“操作模式”的情况的状态转变图；
图5是示出根据本发明的第二实施例的输入-输出设备的主要部分的配置的框图；
图6是示出根据本发明的第二实施例的I/O模块的每种转变状态下的开关状态的图；
图7是根据本发明的第二实施例的针对I/O模块的工作模式被设置为“操作模式”的情况的状态转变图；以及
图8是示出包括多个控制器和I/O模块的过程控制系统的示例配置的框图。
具体实施方式
以下参照附图对根据本发明的一些实施例的输入-输出设备的详情进行描述。
(第一实施例)
图1是示出使用根据实施例的输入-输出设备的过程控制系统的整体配置的框图。如图1所示，过程控制系统1可以包括现场装置11、I/O模块(输入-输出设备)12、控制器13、操作监控终端14和工程终端15。响应于来自操作监控终端14的指令等，控制器13控制现场装置11，从而对在工厂(未示出)中实现的工业过程进行控制。所示出的以下描述其详情的设置设备16是用于在发动和维护过程控制系统1时对现场装置11和I/O模块12执行各种设置等的设备。
这里，现场装置11和I/O模块12通过传输线C1相连接，并且I/O模块12和控制器13通过线缆C2相连接。此外，控制器13、操作监控终端14和工程终端15连接至控制网络N。控制网络N可以是例如连接工厂现场和监控室的网络。
现场装置11可以包括例如传感器装置(诸如，流速计、温度传感器等)、阀装置(诸如，流速控制阀、开关阀等)、致动器装置(诸如，风扇、电机等)以及安装在工厂现场的其他装置。在本实施例中，为了便于理解，将以要控制的工业过程中的状态量为流体流速的情况作为示例。相应地，在安装在工厂的多个现场装置11之中，用于测量流体流速的一个传感器装置11a和用于控制(操作)流体流速的一个阀装置11b在图1中示出。
I/O模块12设置在现场装置11与控制器13之间，并且多个现场装置11可以连接至该I/O模块12。I/O模块12处理在所连接的现场装置11与控制器13之间输入和输出的信号。例如，I/O模块12执行将从现场装置11获取的信号转换为控制器13可以接收的信号的处理。I/O模块12将多个现场装置11连接至控制器13，并且也中继现场装置11输入和输出的信号以及控制器13输入和输出的信号。以下对I/O模块12的详情进行说明。
控制器13响应于来自操作监控终端14的指令等而与现场装置11进行通信以控制现场装置11。具体地，控制器13获取某一现场装置11(例如，传感器装置11a)测量的过程值，对另一现场装置11(例如，阀装置11b)的操作量进行操作以传送操作结果，从而控制其他现场装置11(例如，阀装置11b)。
操作监控终端14是例如工厂操作员操作的用于监控进程的终端。具体地，操作监控终端14从控制器13获取现场装置11的输入和输出数据以将构成过程控制系统1的现场装置11和控制器13的行为传达给操作员，并且基于来自操作员的指令对控制器13进行操作。
工程终端15基于作为过程控制系统1的设计信息的过程设计信息来生成要为现场装置11、I/O模块12和控制器13设置的信息。工程终端15生成的信息包括与在现场装置11和I/O模块12之间的输入和输出相关的信息。
在发动和维护过程控制系统1时，设置设备16连接至I/O模块12。设置设备16使用从工程终端15获取的信息来对现场装置11和I/O模块12进行各种设置。设置设备16可以用于甚至在控制器13没有连接至I/O模块12的状态或者控制器13即使连接至I/O模块12也不进行操作的状态下对现场装置11和I/O模块12进行设置和调整。
接下来，详细地说明I/O模块12的内部配置。如图1所示，I/O模块12包括低层级层接口21(第一接口)、高层级层接口22(第二接口)、维护端口23(第三接口)、开关24(切换器)、开关25、控制装置26和存储器27。
低层级层接口21包括连接至现场装置11(低层级设备)的多个I/O端口P，并且将各种信号发送至连接至I/O端口P的现场装置11以及从连接至I/O端口P的现场装置11接收各种信号。这里，I/O端口P可以使得模拟信号从现场装置11输入、模拟信号输出至现场装置11、数字信号从现场装置11输入(离散输入)以及数字信号输出(离散输出)至现场装置11。I/O端口P执行上述输入和输出中的哪一个是根据来自设置设备16的指令来设置的。
高层级层接口22通过线缆C2连接至控制器13(高层级设备)，并且将各种信号发送至控制器13以及从控制器13接收各种信号。维护端口23经由连接线缆(未示出)或者通过无线连接将各种信号发送至设置设备16以及从设置设备16接收各种信号。诸如USB(通用串行总线)、以太网(注册商标)等有线接口以及进行例如符合无线通信标准(诸如，Wi-Fi(注册商标)、蓝牙(注册商标)等)的无线通信的无线接口可以被用作维护端口23。
在控制装置26的控制下，开关24在将高层级层接口22连接至低层级层接口21与将维护端口23连接至低层级层接口21之间进行切换。具体地，开关24包括连接至高层级层接口22的端子(端子“O”，意味着“在线”)以及连接至维护端口23的端子(端子“M”，意味着“维护”)。当开关24连接至端子“O”时，高层级层接口22连接至低层级层接口21。当开关24连接至端子“M”时，维护端口23连接至低层级层接口21。
在控制装置26的控制下，开关25将维护端口23与控制器26之间的空间设置为接通状态(闭合状态)或关断状态(断开状态)。开关25被设置用于限制对维护端口23的接入(更确切地，通过维护端口23对I/O模块12的接入)。这里，从保持安全性的角度，期望开关24和25是硬件开关。
控制器26基于通过高层级层接口22输入的信号或通过维护端口23输入的信号来控制开关24和25。存储器27是例如非易失性存储器(诸如，闪速ROM(只读存储器)或EEPROM(电可擦除可编程ROM)，并且存储表示I/O模块12的工作模式和转变状态的信息。例如工程终端15或设置设备16可以参考存储在存储器27中的信息，以检查I/O模块12的工作模式和转变状态。
这里，I/O模块12的工作模式包括“工程模式”和“操作模式”。“工程模式”是为了当在控制器13等尚未被连接或运行的情况下未进行过程控制时设想在进行工程(发动)时使用的工作模式。“操作模式”是针对在进行操作时(在进行过程控制时)执行构成过程控制系统1的装置的维护的情况而设想的工作模式。在工厂出货时将I/O模块12的工作模式设置为“工程模式”。在将I/O模块12并入过程控制系统1中之后，基于来自工程终端15(或操作监控终端14)的指令来切换I/O模块12的工作模式。
I/O模块12在其工作模式被设置为“工程模式”时可以转变至以下两种状态(参见图3)：
在线状态ST11(第一状态)；以及
维护状态ST12(第二状态)。
此外，I/O模块12在其工作模式被设置为“操作模式”时可以转变至以下三种状态(参见图4)：
在线/M端口禁用状态ST13(第三状态)；
在线/M端口启用状态ST14(第一状态)；以及
维护状态ST12(第二状态)。
在线状态ST11是低层级层接口21和高层级层接口22可以相连接以在现场装置11与控制器13之间进行通信的状态。维护状态ST12是低层级层接口21与维护端口23可以相连接以在设置设备16与现场装置11之间进行通信的状态。
在线/M端口禁用状态ST13是低层级层接口21和高层级层接口22可以相连接以在现场装置11与控制器13之间进行通信、并且禁止接入维护端口23的状态。在线/M端口启用状态ST14是低层级层接口21和高层级层接口22可以相连接以在现场装置11与控制器13之间进行通信、并且允许接入维护端口23的状态。
上述的状态转变是通过控制装置26控制开关24和25来执行的。图2是示出根据本发明的第一实施例的I/O模块的每种转变状态下的开关状态的图。此外，图3是根据本发明的第一实施例的针对I/O模块的工作模式被设置为“工程模式”的情况的状态转变图。此外，图4是根据本发明的第一实施例的针对I/O模块的工作模式被设置为“操作”模式的情况的状态转变图。
如图2所示，当工作模式被设置为“工程模式”时，控制装置26的控制使得开关25处于常开状态(准许接入维护端口23的状态)。然后，控制装置26的控制使得开关24连接至端子“O”以转变至在线状态(图3中的在线状态ST11)，并且使得开关24连接至端子“M”以转变至维护状态(图3中的维护状态ST12)。
这里，如图3所示，当输入来自维护端口23的连接请求(从设置设备16连接至低层级层接口21的连接请求)时，进行从在线状态ST11到维护状态ST12的转变。此外，当阻止通过维护端口23与设置设备16的通信时，或者当存在来自设置设备16的转变指令(用以转变至在线状态ST11的指令)时，进行从维护状态ST12到在线状态ST11的转变。阻止与设置设备16的通信的示例包括：当设置设备16停止运行时、当从维护端口23移除设置设备16时等。
如图2所示，当工作模式被设置为“操作模式”时，控制装置26的控制使得开关25处于关断状态(禁止接入维护端口23的状态)，并且使得开关24连接至端子“O”，从而使得转变至在线/M端口禁用状态(图4中的在线/M端口禁用状态ST13)。此外，控制装置26的控制使得开关25处于接通状态，使得开关24连接至端子“O”，从而使得转变至在线/M端口启用状态(图4中的在线/M端口启用状态ST14)，以及使得开关24连接至端子“M”，从而转变至维护状态(图4中的维护状态ST12)。
这里，如图4所示，当输入准许命令(指示经由控制器13准许接入维护端口23的来自高层级层接口22的命令(或者来自工程终端15(或者操作监控终端14)的命令)时，进行从在线/M端口禁用状态ST13到在线/M端口启用状态ST14的转变。当输入来自维护端口23的连接请求(从设置设备16连接至低层级层接口21的连接请求)时，执行从在线/M端口启用状态ST14到维护状态ST12的转变。
此外，当阻止通过维护端口23与设置设备16的通信时，或者当做出来自设置设备16的转变指令(用以使得转变至在线/M端口启用状态ST14的指令)时，进行从维护状态ST12到在线/M端口启用状态ST14的转变。当输入来自高层级层接口22的连接请求(例如，从工程终端15连接至低层级层接口21的连接请求)时，进行从在线/M端口启用状态ST14到在线/M端口禁用状态ST13的转变。
接下来，对如上所述那样配置的I/O端口12的操作进行说明。以下，对在发动过程控制系统1时的操作(发动操作)进行说明，此后，对在对构成过程控制系统的装置进行维护时的操作(维护操作)进行说明。
(发动操作)
在发动过程控制系统1时，工厂运送的现场装置11和I/O模块12安装在现场(工厂现场)，被接上电源线，并且通过传输线C1相连接。在过程控制系统1的初始发动阶段期间，I/O模块12和控制器13并未连接。一旦完成上述接线，设置设备16连接至I/O模块12的维护端口23以对现场装置11和I/O模块12执行各种设置。
这里，如上所述，I/O模块12使得在工厂发货时的工作模式被设置为“工程模式”，并且其开关25被设置为接通状态(参见图2)。因此，当输出从连接至维护端口23的设置设备16连接至低层级层接口21的连接请求时，连接请求按顺序通过维护端口23和开关25输入至控制装置26。然后，控制装置26的控制使得开关24连接至端子“M”。这样，I/O模块12从在线状态ST11转变至维护状态12，如图3所示。
I/O模块12转变至维护状态ST12使得在设置设备16与现场装置11之间可以进行通信。因此，操作员操作设置设备16以对现场装置11和I/O模块12执行各种设置、调整等。当完成这样的设置并且操作员停止设置设备16的运行时，或者当操作员从维护端口23移除设置设备16时，I/O模块12从维护状态ST12转变至在线状态ST11，如图3所示。当存在来自设置设备16的转变指令时，I/O模块12还从维护状态ST12转变至在线状态ST11。
这样，I/O模块12使得在工厂发货时的工作模式设置为“工程模式”，使得准许接入维护端口23(开关25处于接通状态)。相应地，设置设备16可以连接至I/O模块12的维护端口23，并且提出连接至低层级层接口21的连接请求以使得I/O模块12从在线状态ST11转变至维护状态ST12。因此，可以高效地执行在发动过程控制系统1时需要进行的对现场装置11和I/O模块12的各种设置。
(维护操作)
在过程控制系统1执行过程控制时，I/O模块12的工作模式被设置为“操作模式”。I/O模块12的状态基本上是在线/M端口禁用状态ST13(参见图4)。换言之，低层级层接口21和高层级层接口22可以连接以使得在现场装置11与控制器13之间可以进行通信并且禁止接入维护端口23(开关25处于关断状态)。
当对构成过程控制系统1的装置进行维护时，首先，从工程终端15(或从操作监控终端14)向I/O模块12发送准许命令(指示准许接入I/O模块12的维护端口23的命令)。该准许命令通过控制器13和I/O模块12的高层级层接口22输入至控制装置26。然后，控制装置26的控制使得开关25处于接通状态。I/O模块12因而从在线/M端口禁用状态ST13转变至在线/M端口启用状态，如图4所示。
这里，当设置设备16连接至I/O模块12的维护端口23并且从设置设备16输出连接至低层级层接口21的连接请求时，控制装置26的控制使得开关24连接至端子“M”。这样，I/O模块12从在线/M端口启用状态ST14转变至维护状态ST12，如图4所示。
转变至维护状态ST12的I/O模块12使得在设置设备16与现场装置11之间可以进行通信。因此，操作员操作设置设备16以对现场装置11、I/O模块12等执行各种设置、调整等。一旦完成这样的设置等并且操作员阻止设置设备16运行或者从维护端口23移除设置设备16，I/O模块12从维护状态ST12转变至在线/M端口启用状态ST14，如图4所示。来自设置设备16的转变指令还可以使得从维护状态ST12转变至在线/M端口启用状态ST14。
当在I/O模块12处于在线/M端口启用状态ST14的同时从高层级层接口22输入连接请求(例如，从工程终端15连接至低层级层接口21的连接请求)时，I/O模块12从在线/M端口启用状态ST14转变至在线/M端口禁用状态ST13，如图4所示。如果I/O模块12从在线/M端口禁用状态ST13转变至在线/M端口启用状态ST14，则即使当在输入来自设置设备16的连接请求(连接至低层级层接口21的请求)之前输入来自高层级层接口22的连接请求时，I/O模块12也从在线/M端口启用状态ST14转变至在线/M端口禁用状态ST13。
这样，在过程控制系统1执行过程控制时，I/O模块12使得工作模式被设置为“操作模式”并且基本上处于在线/M端口禁用状态ST13，在此期间禁止接入维护端口23。因此，即使有恶意的第三方将对应于设置设备16的设备连接至I/O模块12的维护端口23，也无法改变现场装置11等的设置内容。另外，无法将恶意软件导入过程控制系统1中。从而，可以确保高安全水平。
另一方面，当对构成过程控制系统1的装置进行维护时，来自工程终端15(或操作监控终端14)的准许命令使得I/O模块12转变至允许接入维护端口23的在线/M端口启用状态ST14。因此，设置设备16可以连接至I/O模块12的维护端口23并且可以做出连接至低层级层接口21的请求以使得I/O模块12从在线/M端口启用状态ST14转变至维护状态ST12。因而，可以高效地进行对在维护过程控制系统1时所需的对现场装置11和I/O模块12的各种设置。
此外，当在I/O模块12处于在线/M端口启用状态ST14的同时输入来自高层级层接口22的连接请求(例如，从工程终端15连接至低层级层接口21的连接请求)时，I/O模块12转变至在线/M端口禁用状态ST13。因而，可以有意地禁止通过来自高层级层接口22的连接请求对维护端口23的接入，从而提高安全水平。
例如，工程终端15通过控制器13参考I/O模块12的存储器27的内容，以测量在线/M端口启用状态ST14持续的时间，并且当所测量出的时间大于或等于预定义的时间量(例如，一小时)时，可发送上述连接请求以使得I/O模块12转变至在线/M端口禁用状态ST13。这样，可以防止准许接入维护端口23的不必要延长状态并且可以提高安全水平。
(第二实施例)
图5是示出根据本发明的第二实施例的输入-输出设备的主要部分的配置的框图。在图5中，相同的附图标记被赋予与图1中的块相同的块。此外，尽管在图5中省略了图1所示的控制器13、操作监控终端14和工程终端15，但是作为类似于图1所示的I/O模块12，作为根据本实施例的输入-输出设备的I/O模块30在此设置在现场装置11与控制器13之间。
图5所示的I/O模块30不同于图1所示的I/O模块12之处在于，设置了开关31(切换器)作为开关24的替代物，并且已添加了计时器32。除了用于连接至高层级层接口22的端子“O”和用于连接至维护端口23的端子“M”之外，开关31还包括中性端子(中性端子“N”，意味着中性)。将开关31连接至中性端子“N”导致了高层级层接口22和维护端口23均不连接至低层级层接口21的中性状态。计时器32在控制装置26的控制下测量预定义的时间(例如，一小时)。
这里，类似于图1所示的I/O模块12，I/O模块30包括作为工作模式的“工程模式”和“操作模式”。I/O模块30的“操作模式”不同于图1所示的I/O模块12的“操作模式”之处在于，其能够转变至以下所示的四种状态(参见图7)。
在线状态ST21(第三状态)，
M端口启用状态ST22(第一状态)，
维护状态ST23(第二状态)，以及
在线等待状态ST24(第四状态)。
类似于图3所示的在线状态ST11，在在线状态ST21下，禁止接入维护端口23，该在线状态ST21是低层级层接口21和高层级层接口22连接以使得在现场装置11与控制器13之间可以进行通信的状态。类似于图4所示的在线/M端口启用状态ST14，M端口启用状态ST22是低层级层接口21和高层级层接口22连接以使得在现场装置11与控制器13之间可以进行通信并且准许接入维护端口23的状态。M端口启用状态ST22是转变至维护状态ST23的过渡状态。
类似于图3和图4所示的维护状态ST12，维护状态ST23是低层级层接口21和维护端口23连接以使得在设置设备16与现场装置11之间可以进行通信的状态。在线等待状态ST24是高层级层接口22和维护端口23均不连接至低层级层接口21但准许接入维护端口23的中性状态。在线等待状态ST24是在完成维护任务(维护)之后转变至在线状态ST21或维护状态ST23的过渡状态。
通过控制装置26控制开关25和开关31来进行上述状态转变。图6是示出本发明的第二实施例中的I/O模块的每种转变状态下的开关状态的图。此外，图7是本发明的第二实施例中针对I/O模块的工作模式被设置为“操作模式”的情况的状态转变图。针对I/O模块的操作模式被设置为“工程模式”的情况的开关状态和状态转变类似于针对第一实施例所描述的开关状态和状态转变，从而省略了重复说明。
如图6所示，当工作模式被设置为“操作模式”时，控制装置26的控制使得开关25处于关断状态(禁止接入维护端口23的状态)并且使得开关31连接至端子“O”以使得转变至在线状态(图7所示的在线状态ST21)。此外，控制装置26的控制使得开关25处于接通状态并且使得开关31连接至端子“O”以使得转变至M端口启用状态(图7所示的M端口启用状态ST22)，使得开关31连接至端子“M”以使得转变至维护状态(图7所示的维护状态ST23)，以及使得开关31连接至端子“N”以使得转变至在线等待状态(图7所示的在线等待状态ST24)。
这里，如图7所示，当从高层级层接口22输入准许命令(指示准许接入维护端口22的来自工程终端15(或者操作监控终端14)的命令)时，进行从在线状态ST21到M端口启用状态ST22的转变。当输入来自维护端口23的连接请求(从设置设备16连接到低层级层接口21的连接请求)时，进行从M端口启用状态ST22到维护状态ST23的转变。
此外，当阻止通过维护端口23与设置设备16的通信时，或者当存在来自设置设备16的转变指令(使得转变至在线等待状态ST24的指令)时，执行从维护状态ST23到在线等待状态ST24的转变。此外，当从转变至M端口启用状态ST22时开始在M端口启用状态ST22期间经过了预定义时间时(当计时器32测量预定义时间时)，进行从M端口启用状态ST22到在线等待状态ST24的转变。此外，针对处于在线等待状态ST24的情况，当从维护端口23输入连接请求时使得转变至维护状态ST23，而当输入来自高层级层接口22的连接请求时，使得转变至在线状态ST21。
接下来，对如上所述那样配置的I/O模块30的操作进行说明。用于发动过程控制系统的操作(发动操作)类似于第一实施例的该操作，从而以下对针对进行构成过程控制系统1的装置的维护的情况的操作(维护操作)进行说明。
(维护操作)
在过程控制系统执行时间过程控制期间，I/O模块30的工作模式被设置为“操作模式”，并且I/O模块30所处于的状态基本上是在线状态ST21(参见图7)。换言之，I/O模块30所处于的状态是低层级层接口21和高层级层接口22连接以使得在现场装置11与控制器13之间可以进行通信并且禁止接入维护端口23(开关25处于关断状态)的状态。
当进行对构成过程控制系统的装置的维护时，类似于第一实施例，准许命令(指示准许接入I/O模块30的维护端口23的命令)通过控制器13被从工程终端15(或操作监控终端14)发送至I/O模块30。当准许命令被输入至I/O模块30的控制装置26时，控制装置26的控制使得开关25处于接通状态，从而使得I/O模块30从在线状态ST21转变至M端口启用状态ST22，如图7所示。在转变至M端口启用状态ST22时，计时器32开始测量时间。
当设置设备16连接至I/O模块30的维护端口23时，并且在针对计时器32的时间测量而经过了预定义时间之前输出从设置设备16连接到低层级层接口21的连接请求的情况下，控制装置26的控制使得开关31连接至端子“M”。如图7所示，这使得I/O模块30从M端口启用状态ST22转变至维护状态ST23。
I/O模块30可以转变至维护状态ST23以使得在设置设备16与现场装置11之间可以进行通信。因此，操作员操作设置设备16以对现场装置11和I/O模块30执行各种设置、调整等。控制装置26检测何时完成这样的设置并且操作员停止设置设备16的运行或者从维护端口23移除设置设备16，以及如图7所示，I/O模块30从维护状态ST23转变至在线等待状态ST24。即使存在来自设置设备16的转变指令，I/O模块30也能从维护状态ST23转变至在线等待状态ST24。
如果在I/O模块30转变至M端口启用状态ST22之后计时器32完成了时间测量，则I/O模块30的控制装置26使得从M端口启用状态ST22转变至在线等待状态ST24，如图7所示。
当I/O模块30处于在线等待状态ST24时，如果输入来自维护端口23的连接请求(从设置设备16连接至低层级层接口21的连接请求)，则I/O模块30从在线等待状态ST24转变至维护状态ST23，如图7所示。另一方面，当I/O模块30处于在线等待状态ST24时，当输入来自高层级层接口22的连接请求(例如，从工程终端15连接至低层级层接口21的连接请求)时，I/O模块30从在线等待状态ST24转变至在线状态ST21，如图7所示。
这样，类似于第一实施例的I/O模块12，在过程控制系统执行过程控制时，I/O模块30使得工作模式被设置为“操作模式”并且基本上处于禁止接入维护端口23的状态(在线状态ST21)。因此，即使有恶意的第三方将对应于设置设备16的设备连接至I/O模块30的维护端口23，无法改变现场装置11的设置内容。另外，无法将恶意软件导入过程控制系统1。从而，能够确保了高安全水平。
另一方面，类似于第一实施例，当对构成过程控制系统1的装置进行维护时，I/O模块30根据来自工程终端15(或操作监控终端14)的准许命令而转变至准许接入维护端口23的状态(M端口启用状态ST22)。因此，设置设备16可以连接至I/O模块30的维护端口23，并且可以做出连接至低层级层接口21的请求以使得I/O模块30从M端口准许状态ST22转变至维护状态ST23。因而，可以高效地执行在维护过程控制系统时所需要的对现场装置11和I/O模块30的各种设置。
此外，当从转变至M端口启用状态ST22起经过了预定时间时，或者当阻止通过维护端口23与设置设备16的通信时(或者当存在来自设置设备16的转变指令时)，I/O模块30转变至在线等待状态ST24。这样，可以防止在低层级层接口21和高层级层接口22连接的同时准许接入维护端口23的不必要延长状态。从而，可以提高安全水平。
为了简化上述对第一实施例和第二实施例的说明，对使用在过程控制系统中设置的控制器13和I/O模块12中的每一个的示例进行说明。如图8所示，多个控制器13和I/O模块12(I/O模块30)一般设置在过程控制系统1中。图8是示出具有多个控制器和I/O模块的过程控制系统的示例配置的框图。
在这样的过程控制系统中，来自工程终端15(或操作监控终端14)的准许命令(指示准许接入维护端口23的命令)仅被发送至需要维护的I/O模块12(I/O模块30)。然后，如图8所示，设置设备16连接至需要维护的I/O模块12(I/O模块30)的维护端口23以对现场装置11和I/O模块12进行各种设置、调整等。这样，多个设置设备16用于对多个I/O模块12(I/O模块30)同时进行维护。当I/O模块30设置在图8所示的过程控制系统中时，如果设置设备16在预定义的时间段内没有连接至准许接入的I/O模块30，则I/O模块30转变至在线等待状态。从而，确保了安全性。
尽管以上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并且不认为是对其的限制。在不背离本发明的范围的情况下，可以进行添加、省略、替换和其他修改。因此，不认为本发明由上述描述限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。例如，虽然在上述实施例中对使用I/O模块12(I/O模块30)作为输入-输出设备的示例进行了说明，但是本发明的实施例还可以应用于输入-输出设备，诸如控制器、网络中继器、远程I/O设备、无线网关等。

Claims (20)

1.一种用在过程控制系统中的输入-输出设备，包括：
第一接口，其连接至低层级设备；
第二接口，其连接至高层级设备；
第三接口，其连接至外部设置设备；
切换器，其在将所述第二接口连接至所述第一接口与将所述第三接口连接至所述第一接口之间进行切换；以及
控制装置，当在通过所述切换器将所述第二接口连接至所述第一接口并且准许将所述第三接口连接至所述第一接口的第一状态下时，其控制所述切换器以当通过所述第三接口输入连接至所述第一接口的连接请求时使得转变至所述第三接口和所述第一接口连接的第二状态。
2.根据权利要求1所述的输入-输出设备，其中，当在使得转变至所述第二状态之后阻止与连接至所述第三接口的所述设置设备进行通信时，或者当存在来自所述设置设备的转变指令时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至所述第一状态。
3.根据权利要求1所述的输入-输出设备，其中，当在所述第一状态下通过所述第二接口输入连接至所述第一接口的连接请求时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至第三状态，在所述第三状态下，通过所述切换器，所述第二接口连接至所述第一接口并且将所述第三接口连接至所述第一接口被禁止。
4.根据权利要求3所述的输入-输出设备，其中，当在所述第三状态下通过所述第二接口输入指示准许将所述第三接口连接至所述第一接口的命令时，所述控制装置使得转变至所述第一状态。
5.根据权利要求3所述的输入-输出设备，还包括：开关，其使得所述第三接口与所述控制装置之间的空间处于断开状态或闭合状态，其中，所述控制装置在使得转变至所述第三状态时控制所述开关处于断开状态而在使得转变至所述第一状态时控制所述开关处于闭合状态。
6.根据权利要求1所述的输入-输出设备，其中，所述切换器能够切换至所述第二接口和所述第三接口均不连接至所述第一接口的第四状态，并且当在使得转变至所述第二状态之后阻止与连接至所述第三接口的所述设置设备进行通信时或者当存在来自所述设置设备的转变指令时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至所述第四状态。
7.根据权利要求6所述的输入-输出设备，其中，当在所述第四状态下通过所述第三接口输入连接至所述第一接口的连接请求时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至所述第二状态。
8.根据权利要求6所述的输入-输出设备，其中，当在所述第四状态下通过所述第二接口输入连接至所述第一接口的连接请求时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至第三状态，在第三状态下，所述第二接口和所述第一接口连接并且所述第三接口与所述第一接口之间的连接被禁止。
9.根据权利要求8所述的输入-输出设备，其中，当在所述第三状态下通过所述第二接口输入指示准许将所述第三接口连接至所述第一接口的命令时，所述控制装置使得转变至所述第一状态。
10.根据权利要求8所述的输入-输出设备，还包括：开关，其使得所述第三接口与所述控制装置之间的空间处于断开状态或闭合状态，其中，所述控制装置在使得转变至所述第三状态时使得所述开关处于断开状态而在使得转变至所述第一状态时使得所述开关处于所述闭合状态。
11.根据权利要求6所述的输入-输出设备，还包括：计时器，其测量预先定义的预定时间，其中，所述控制装置控制所述切换器以当所述第一状态持续了所述预定时间时使得转变至所述第四状态。
12.一种输入-输出设备，包括：
第一接口；
第二接口，其能够建立与所述第一接口的连接；
第三接口，其能够建立与所述第一接口的连接；
切换器，其在将所述第二接口连接至所述第一接口与将所述第三接口连接至所述第一接口之间进行切换；以及
控制装置，当在通过所述切换器将所述第二接口连接至所述第一接口并且准许将所述第三接口连接至所述第一接口的第一状态下时，其控制所述切换器以当通过所述第三接口输入连接至所述第一接口的连接请求时使得转变至所述第三接口和所述第一接口连接的第二状态，其中，当在所述第一状态下通过所述第二接口输入连接至所述第一接口的连接请求时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至第三状态，在所述第三状态下，通过所述切换器，所述第二接口连接至所述第一接口并且所述第三接口连接至所述第一接口被禁止。
13.根据权利要求12所述的输入-输出设备，其中，当在使得转变至所述第二状态之后阻止与连接至所述第三接口的外部设置设备进行通信时，或者当存在来自所述设置设备的转变指令时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至第一状态。
14.根据权利要求12所述的输入-输出设备，其中，当在所述第三状态下通过所述第二接口输入指示准许将所述第三接口连接至所述第一接口的命令时，所述控制装置使得转变至所述第一状态。
15.根据权利要求12所述的输入-输出设备，还包括：开关，其引起所述第三接口和所述控制装置连接的断开状态以及所述第三接口和所述控制装置断开连接的闭合状态，其中，所述控制装置在使得转变至所述第三状态时控制所述开关处于断开状态而在使得转变至所述第一状态时控制所述开关处于闭合状态。
16.根据权利要求12所述的输入-输出设备，其中，所述切换器能够切换至所述第二接口和所述第三接口均不连接至所述第一接口的第四状态，并且当在使得转变至所述第二状态之后阻止与连接至所述第三接口的外部设置设备进行通信时或者当存在来自所述设置设备的转变指令时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至所述第四状态。
17.根据权利要求16所述的输入-输出设备，其中，当在所述第四状态下通过所述第三接口输入连接至所述第一接口的连接请求时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至所述第二状态。
18.根据权利要求16所述的输入-输出设备，其中，当在所述第四状态下通过所述第二接口输入连接至所述第一接口的连接请求时，所述控制装置控制所述切换器以使得转变至所述第二接口和所述第一接口连接并且所述第三接口与所述第一接口之间的连接被禁止的所述第三状态。
19.根据权利要求18所述的输入-输出设备，其中，当在所述第三状态下通过所述第二接口输入指示准许将所述第三接口连接至所述第一接口的命令时，所述控制装置使得转变至所述第一状态。
20.一种过程控制系统，包括：
一个或多个现场装置；
控制器；
根据权利要求12所述的输入-输出设备，其将所述一个或多个现场装置连接至所述控制器并且用在所述过程控制系统中；
外部设置设备，其能够连接至所述输入-输出设备；
操作监控终端；以及
工程终端，
其中，所述控制器、所述操作监控终端和所述工程终端连接至控制网络。
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