CN106020135A - 过程控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种过程控制系统，所述过程控制系统包括将被连接至冗余网络的PC。PC包括虚拟化单元和实时通信单元，所述实时通信单元被构造为作为独立于虚拟化单元的单独进程进行操作。

Description

过程控制系统
技术领域
本公开涉及一种过程控制系统，具体地，涉及对通过网络的通信的改进。
背景技术
在现有技术的过程控制系统中，具有操作监控功能等的PC组以及控制器通过独立的控制网络彼此连接，以实现实时特性和高可靠性。
图3描绘了现有技术的过程控制系统的示例的构造。在图3中，诸如传感器和致动器的现场装置1经控制器2连接至控制网络3。
现场装置1的传感器11被构造为对测量目标的物理量进行测量，并且致动器12被构造为控制所述测量目标的物理量。控制器2分布和排列在工厂中，并且具有可编程的计算处理功能，该功能用于与操作监控终端单元交换多种信息以及基于来自传感器11的信息将驱动信号发送至致动器12。
控制网络3具有双工构造，以提高系统的可靠性，并且PC 4也连接至控制网络3。PC 4具有提供应用软件的功能，例如：根据来自控制器2的信息将控制和监控整个过程控制系统所需的多种信息提供给操作者的功能、用于根据所述信息向各个系统构成元件做出合适指令和管理的操作监控功能以及用于管理各种装置的修复和维护状况等的装置管理功能。
PC 4设有作为硬件的用于连接至控制网络3的专用网络接口卡(下文中，也称作NIC)41、用于NIC的接口NIC I/F 42等。在PC 4中，存储有作为软件的OS 43、多种应用软件44等。
同时，控制网络3与多个PC 4连接以形成PC组。然而，在图3中，仅示出了一个PC 4。
从容易采购、低成本、技术革新等的角度来看，将普通PC用作构造PC组的PC 4，并且将具有高普遍性的MS-Windows(注册商标)等用作OS。
此外，已经努力通过通用Ethernet(注册商标)建立控制网络3。具体地说，采用双工构造的过程控制系统以确保高可靠性。
将要用于Ethernet的通用TCP/IP通信的传输标准不具有所述过程控制系统中需要的实时特性。
这里描述的‘实时特性’是确保预定处理在限定时间段中的安全实施。例如，
1)在相同网络上连接的多个站之间的通信响应在限定值(例如：5ms)内，以及
2)在双工网络中，从操作方至待命方的切换时间在限定值(例如：5ms)内。
因此，为了在Ethernet上执行实时通信，开发并使用了关于‘实时工厂网络系统Vnet/IP(注册商标)’的技术，其用于基于1Gbps的Ethernet的工艺自动化，如在非专利文献1中公开的那样。
[非专利文献1]：Koji Demachi等人，‘实时工厂网络系统Vnet/IP’，Yokogawa技术报告，Yokogawa电力公司，2005年4月20日，第49卷，No.2(2005)，第37-40页
需要用于Vnet/IP的专用接口卡以在通用PC中执行Vnet/IP通信。然而，由于用于安装在各个PC上的Vnet/IP的各个专用的接口卡具有切换冗余网络3的主属性，因此无法在相同的站地址上提供多个接口卡。
同时，每过几年就进行通用PC、其各种组件和诸如Windows(注册商标)的OS的换代，从而极大地增大了价格性能比。另一方面，在许多情况下停止供应上代产品。
同时，有必要要求过程控制系统在约30年的工厂使用期内连续工作。由于操作员的习惯和教育、技术诀窍的保留等，因此即使进行了OS等的换代，也需要诸如操作监控功能的应用软件在操作时间段中具有正常的操作性和功能。
图4描绘了应对以上需求的现有技术的过程控制系统的示例的构造，并且与图3相同的部件用相同标号指代。在图4中，虚拟化单元45设置在包括NIC 41和NIC I/F 42的硬件与OS 43之间。
虽然虚拟化单元45具有以软件方式模拟多种硬件的功能，但是会降低吞吐量。在极其注重实时特性的过程控制系统中，相对于吞吐量的下降进行测量是重要的。
另外，随着通用PC的技术创新，PC的通用I/F也进化了。随着通用I/F进化，难以购买对应于上代通用I/F的通用PC。为了应对新进化的通用I/F，在许多情况下有必要对应于PC的通用I/F的进化而再次发展专用接口卡，因为在工厂使用期中不会持续使用相同的专用接口卡。
另外，例如，当使用通用Ethernet卡时，必须在发生异常时在OS上执行切换处理等，从而无法满足诸如快速切换的实时处理的需要。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了一种过程控制系统，其能够确保过程控制系统所需的实时特性和高可靠性，并且应对工厂的漫长使用周期中的改变。
根据示例性实施例的一种过程控制系统包括：
PC，其将连接至冗余网络，
其中，所述PC包括虚拟化单元和实时通信单元，所述实时通信单元被构造为作为独立于所述虚拟化单元的单独进程进行操作。
所述实时通信单元可被构造为执行与网络的连接切换处理。
所述虚拟化单元和所述实时通信单元可分别专门分配有所述PC的CPU资源。
客户OS和应用软件可被构造为在所述虚拟化单元上操作。
所述过程控制系统可被构造为执行工厂控制和安全仪表控制中的至少一个。
通过以上构造，可实现能够确保实时特性和高可靠性，并且应对工厂的漫长使用周期中的改变的过程控制系统。
附图说明
图1描绘了本发明的示例性实施例的构造。
图2是描绘实时通信单元53B的特定功能构造的示例的框图。
图3描绘了现有技术的过程控制系统的示例的构造。
图4描绘了现有技术的过程控制系统的另一示例的构造。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。图1描绘了本发明的示例性实施例的构造。在图1中，用相同标号指代与图3中的相同的部分。
在图1中，PC 5设有作为硬件的用于连接至控制网络3的通用NIC 51和用于NIC的接口NIC I/F 52等。同时，PC 5也是通用产品，并且假设PC每几年换代，如上所述。另外，假设通用NIC 51可执行TCP/IP通信。
主机OS 53具有虚拟化单元53A、实时通信单元53B等。
虚拟化单元53A被构造为激活客户OS 54和应用软件55。不管硬件如何换代，都假设客户OS 55和应用软件55保持为一个套件。其原因是当客户OS改变(诸如进行Windows(注册商标)XP至Windows8的换代)时，在许多情况下也要求更新应用软件。
根据本发明，例如，诸如Linux(注册商标)的主机OS 53设置在硬件(通用NIC 51、用于NIC的接口NIC I/F 52等)与软件(客户OS 54、应用软件55等)之间。
在主机OS 53上，设置有虚拟化单元53A和实时通信单元53B，它们被构造为作为完全独立于彼此的单独进程进行操作。
在PC 5中执行多种通信。然而，假设实时通信单元53B仅负责与控制网络3的通信。
例如，过程控制系统被构造为每约一秒就经控制网络3从诸如控制器的其它站获取一次数据，并且将关于应用软件的计算处理结果发送至诸如控制器的其它站。
用于NIC的接口NIC I/F 52被要求在发生异常的情况下在几十ms或更短的时间内实现丢失数据的重新获取以及冗余网络切换，从而使得以上操作不受到干扰。
图2是描绘实时通信单元53B的特定功能构造的示例的框图。在图2中，实时通信单元53B具有数据检查单元53B1、数据重发请求单元53B2、数据输入/输出单元53B3、路径诊断单元53B4、冗余网络切换单元53B5等。
数据检查单元53B1被构造为通过控制网络3检查从其它站接收的数据，并且确认数据是否丢失、奇偶校验是否错误等。
数据重发请求单元53B2促使传输源在数据检查单元53B1检测到数据丢失等时基于来自数据检查单元53B1的指令重新发送数据。
数据输入/输出单元53B3被构造为将由数据检查单元53B1确认无数据丢失等的来自控制网络3的输入/输出数据传递至虚拟化单元53A。各个数据经虚拟化单元53A输入/输出至客户OS 54和应用软件55。
路径诊断单元53B4被构造为：通过确定发送至与控制网络3连接的其它站/从所述其它站接收的诊断包的响应是否在限定时间段内(例如，5ms以内)，来感知网络路径的状态。
当在冗余网络总线的操作方检测到异常时，冗余网络切换单元53B5迅速地(例如，10ms内)将网络从操作方切换至待命方。
实时通信单元53B仅具有保持和检查网络通信路径所必需的功能，如上所述。因此，实时通信单元53B被构造为安装在通用网卡和主机OS上的软件模块，并且其可在不使用专用网卡的情况下确保高速并排除其它功能的影响。
通过这种方式，虚拟化单元53A和实时通信单元53B布置在完全独立的进程上，从而可防止数据丢失等，而不受应用软件和客户OS的状态/中断情况的影响。
另外，即使发生网络异常等，也可通过迅速的网络切换继续控制实时通信。因此，应用软件和客户OS可继续其操作，而不用注意网络异常的发生。
实时通信单元53B布置在主机OS上，从而可使用通用NIC。因此，可以总是享受最新一代PC和NIC的技术革新的成就感，并且解决不能获取上代产品以及上代产品极其昂贵的采购问题。
与实时通信单元53B分离的虚拟化单元53A布置在主机OS上，并且客户OS和应用软件布置在虚拟化单元53A上，从而可持续使用例如上代客户OS和应用软件。因此，可在较长的时间段持续地提供相同的可操作性等。
例如，诸如无线网络之类的网络的技术革新带来了大的改变。同样在该情况下，可仅仅通过更新实时通信单元53B来适应网络的技术革新而不影响应用软件和客户OS。同时，所述应用可为网关、工程工具等。
同时，作为独立于虚拟化单元53A的进程，实时通信单元53B可专门设有PC 5的CPU资源。另外，就多核CPU而言，可将独立CPU核分配给实时通信单元53B。
因此，实时通信单元53B可执行更加独立的操作，并且更加难以受到其它部分的操作的影响。
另外，诸如防火墙、病毒检查等的安全保障单元可设置在实时通信单元53B与虚拟化单元53A之间。因此，可保护作为上代OS的客户OS不受到安全威胁。
此外，在过程控制系统中，运用了除控制数据以外的包括装置保留数据等的大量数据。因此，需要适于各种数据属性的处理调度。
例如，当双工NIC的一方故障时，NIC切换操作是应该主要执行的处理。因此，在这种情况下，实时通信单元可被构造为具有诸如优先级控制和带控制的功能，并且被构造为执行实现QoS所需的处理，这对于过程控制系统是非常合适的。
如上所述，根据本发明，可实现能够确保实时特性和高可靠性并且应对工厂的漫长使用周期中的改变的过程控制系统。

Claims (8)

1.一种过程控制系统，包括：
PC，其将连接至冗余网络，
其中，所述PC包括虚拟化单元和实时通信单元，所述实时通信单元被构造为作为独立于所述虚拟化单元的单独进程进行操作。
2.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述实时通信单元被构造为执行与网络的连接切换处理。
3.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述虚拟化单元和所述实时通信单元分别专门分配有所述PC的CPU资源。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的过程控制系统，其中，客户OS和应用软件被构造为在所述虚拟化单元上操作。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的过程控制系统，其中，所述过程控制系统被构造为执行工厂控制和安全仪表控制中的至少一个。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的过程控制系统，其中，所述虚拟化单元和所述实时通信单元布置在主机OS上。
7.根据权利要求4所述的过程控制系统，其中，所述过程控制系统被构造为执行工厂控制和安全仪表控制中的至少一个。
8.根据权利要求4所述的过程控制系统，其中，所述虚拟化单元和所述实时通信单元布置在主机OS上。
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