CN107340751A - 过程控制系统用专用现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及过程控制系统用专用现场设备。一种供过程控制系统之用的现场设备，所述现场设备具有保存在非易失性存储器中的嵌入式固件。所述固件包括用于执行固定行为和/或标准测量，以及运行时解释器的计算机可执行指令。所述解释器执行下载到现场设备的专用代码。当被执行时，所述专用代码执行定制的现场设备功能。

Description

过程控制系统用专用现场设备

背景技术

过程控制(例如，工厂自动化)系统中使用的仪器(比如变送器和其他现场设备)提供预先确定的固定功能，所述预先确定的固定功能限制设备满足客户特定应用需求的能力。换句话说，设备常常需要定制，以满足过程控制系统的特定需求。例如，如果涡街流量计位于叶轮基本泵附近，那么在某些状况下，所述流量计会把泵叶轮脉动错误地检测为流动。由于这种特定条件并不典型，因此生成错误报警需要更改嵌入所述流量计中的固件。换句话说，对于所述流量计，需要编写特定应用。传统的基于现场的变送器等运行需要漫长开发和测试的嵌入式固件。因而，为了定制解决方案而变更固件既困难，又不可取。即使更改变送器的固件能够提供定制解决方案，也会使所述变送器是该特定状况特有的，导致备件(spare part)问题。

发明内容

本发明的各个方面通过可向现场设备增加新的专用行为而不影响其嵌入式固件的可下载机制，克服了现有技术的各种限制，改进了过程控制和自动化领域。这种机制允许在需要专用行为的应用中使用所述现场设备，而不更改设备的标准测量和行为。

在一个方面，一种供过程控制系统之用的现场设备包含处理器和非易失性存储器。所述存储器保存具有计算机可执行指令的嵌入式固件，当由所述处理器执行时，所述计算机可执行指令进行固定行为和测量中的至少一个，以实现所述现场设备的预定功能。所述固件还包括执行运行时解释器的计算机可执行指令。所述解释器执行与嵌入式固件分离地下载到所述存储器的专用代码，以进行所述现场设备的定制功能。

计算机实现的操作供过程控制系统之用的现场设备的方法具体体现本发明的更多方面。所述方法包括在嵌入式固件中执行固定行为和测量中的至少一个，以实现所述现场设备的预定功能。所述方法还包括在嵌入式固件中执行运行时解释器。所述解释器执行与嵌入式固件分离地下载到现场设备的存储器的专用代码，以进行所述现场设备的定制功能。

在另一个方面，过程控制系统包括通信基础结构，生成传感器数据的传感器，和耦接到通信基础结构及传感器的变送器。所述变送器被配置成接收传感器数据，包括处理器和非易失性存储器。所述存储器保存执行随接收的传感器数据而变的标准测量和运行时解释器的嵌入式固件。所述解释器执行经通信基础结构与嵌入式固件分离地下载到所述存储器的专用代码，以实现所述变送器的定制功能。例如，由所述专用代码实现的定制功能包括定制测量功能，所述解释器响应从传感器接收的信息，以生成定制测量。

提供本发明内容部分是为了简化地介绍下面在具体实施方式部分中进一步说明的一系列概念。本发明内容部分既不意图识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，又不意图用于帮助确定要求保护的主题的范围。

其他特征将部分是明显的，部分在下面指出。

附图说明

图1图解说明其中可具体体现本发明的各个方面的例证工业过程系统。

图2是按照本发明的一个实施例的供工业过程系统之用的现场设备的方框图。

图3图解说明图2的现场设备的例证处理循环。

图4是图解说明图2的现场设备的处理器的操作的例证流程图。

图5是图解说明图2的现场设备的输出的映射的例证流程图。

附图中，对应的附图标记指示对应的部分。

具体实施方式

图1图解说明其中可具体体现本发明的一个实施例的例证系统100。系统100包括通信基础结构104，和例证设施，比如流体处理系统106。如图所示，流体处理系统106包括过程控制器108、罐110、阀门112、现场设备114和泵116。在一个实施例中，通信基础结构104、过程控制器108和现场设备114构成过程控制系统。在系统100中，过程控制器108、罐110、阀门112、现场设备114和泵116经通信基础结构104通信耦接。

本发明的各个方面通过可向现场设备114中的一个或多个增加新的专用行为而不影响所述一个或多个现场设备的嵌入式固件的可下载机制(例如，经由通信基础结构104)，克服了现有技术的各种限制，并改进了过程控制和自动化领域。

通信基础结构104能够便利系统100的各个组件(包括流体处理系统106的各个组件(例如，过程控制器108、阀门112、现场设备114等))之间的数据的交换。图1的实施例中的通信基础结构104包括局域网(LAN)，所述LAN可连接到其他电信网络，包括其他的LAN，或者因特网或企业内部网的各个部分。通信基础结构104可以是便利数据的交换的任意电信网络，比如按照IEEE 802.3(例如，以太网)和/或IEEE 802.11(例如，Wi-Fi)协议工作的那些网络。在另一个实施例中，通信基础结构104是允许通过串行或并行通信通道(例如，铜线、光纤、计算机总线、无线通信信道等)，物理传送数据(比如呈4-20mA、1-5V直流、和/或脉冲输出信号形式的数据)的任意介质。

现场设备114包括(但不限于)测量设备，比如：压力变送器；温度变送器、传感器和温度计套管(thermowell)；液体、气体和蒸汽用流量和/或密度变送器；在线液体分析测量用传感器、分析仪和变送器；和液位测量用智能浮力变送器和雷达解决方案。现场设备114还包括(但不限于)仪器设备，比如：阀门定位器；与测量设备一起使用的记录器、控制器和配置器；和测量、记录和控制用气动仪器。在一个实施例中，现场设备114被配置成利用PROFIBUS^TM、FOUNDATION^TM FIELDBUS等，按照4-20mA、1-5V直流(低功率)、脉冲输出或数据通信中的一种或多种进行通信。

仍然参见图1的例子，流体处理系统106适合于改变或提炼原材料，从而产生最终产品。对本领域的技术人员来说，显然本发明的各个方面能够优化各种过程和除流体处理系统106外的各种过程系统，系统106只是出于举例说明的目的给出的。另外的例证过程包括(但不限于)化学、油气、食品和饮料、制药、水处理和电力行业中的那些过程。例如，过程可包括传送机、配电系统和/或不能被中断的过程或操作。在一个实施例中，过程控制器108提供流体处理系统106的各个组件(例如，阀门112、现场设备114、泵116)和系统100的其他组件之间的接口或通路(gateway)。

图1的过程控制器108适合于控制和/或监视流体处理系统106的各个方面。在一个实施例中，过程控制器108是控制流体处理系统106的各个方面及从所述各个方面收集数据的可编程逻辑控制器(PLC)。在另一个实施例中，过程控制器108适合于执行从分段数据库102接收配置数据值和实时数据值的实时应用，如本文中进一步所述。

在另一个方面，过程控制系统100适合于控制改变或提炼原材料以产生最终产品的过程中的变量。过程包括(但不限于)化学、油气、食品和饮料、制药、水处理和电力行业中的那些过程。例如，系统100控制诸如一种成分与另一种成分的比例、材料的温度、混合各种成分的程度和保存材料的压力之类的各种因素。

现在参见图2，具体体现本发明的各个方面的现场设备114包括其中嵌入固件204的存储器202。固件204包括计算机可执行指令，当由处理器206执行时，所述计算机可执行指令实现一种或多种标准或固定行为210(例如，诊断、检错、通信等)，和/或进行一种或多种测量功能212(例如，计算流率、密度、粘度、雷诺数、质量流量等)。如图所示，固件204的计算机可执行指令还包括嵌入存储器202中的运行时解释器214。

在一个实施例中，解释器214直接执行可通过线路下载并保存在非易失性存储器(例如，存储器202)中的代码218，以进行现场设备114的一种或多种专用功能。解释器214优选地是灵活并且存储器高效的，代码218在它自己的受保护存储器空间中运行。由于解释器214是在开发过程中已被充分测试的固件204的一部分，因此解释器214同样已被充分测试。有利的是，解释器214不会影响现场设备114的测量212和/或行为210的标准处理时间。在一个实施例中，解释器214增加源于设备的标准输出的新测量和/或行为，不被允许更改设备的标准测量和行为。

例如，关于上面说明的涡街流量计变送器的专用插件被下载到所述变送器，以提供期望的行为。在这个例子中，专用行为包含如果发现特殊的涡旋频率(比如当所述流量计错误地把泵叶轮脉动检测为流动时)则设定报警：

MxUserValue0＝0.0f；

//超过300Hz是不正常的，是由泵导致的

if(VortexFreq>300.0f)

{

MxUserValue0＝1.0f；//用于设定报警；

}

操作中，解释器214不影响标准测量212更新的速率。参见图3，处理器206首先执行所有的标准操作，即，固定行为210和测量212。在所有的标准变送器测量被更新之后，处理器206调用解释器214，以便执行。解释器214被允许运行预定的最大一段时间。如果在分配的时间内不能完成专用代码218，那么解释器214暂停，而不是延迟现场设备114的标准操作。在处理器206执行标准操作之后，解释器214从专用代码218被停止之处，恢复运行专用代码218。在本实施例中，解释器214可能需要几个标准处理循环才能完成，不过确保标准处理循环被维持。一旦解释器214完成专用代码218，它就再次从头运行。在一个实施例中，专用代码218包括数学运算和/或程序流程指令，可被配置成访问更加复杂的预定内部函数。有利的是，解释器214记录它为进行这些操作所用的时间，以确保最大分配时间不会被超过。

按照本发明的各个方面，解释器214可被配置成产生新的用户定义的测量。这些测量可具有和标准测量相同的属性，比如数值、工程单位代码、或状态。图4是图解说明现场设备114的处理器206的操作的例证流程图。开始于402，处理器206开始标准处理循环。在这种情况下，处理器206执行测量212，以计算测量Mx，所述测量Mx代表任意测量。在完成该处理循环的标准部分之后，处理器206进入404，在404处，处理器206调用运行时解释器214，以运行专用代码218。在图解所示的例子中，解释器处理计算新的用户定义的专用测量，即，MxUser。在完成其处理之后，解释器214公布测量MxUser。在406处，现场设备114的处理器206把各个测量映射成各种输出，比如把Mx或MxUser映射成mA输出，把Mx或MxUser映射成脉冲输出，把Mx或MxUser映射成数字输出，把Mx或MxUser映射成报警输出，等等。

解释器214包含许多枚举操作。这些操作允许对于其中输出是预定用户测量的数目有限的预定内部数据字段的读访问。用户具有按照能够映射标准测量的相同方式，把用户定义的测量映射成输出的选择权。这适用于诸如mA、脉冲、报警、数字之类的输出。输出并不明确地由解释器214控制，以确保对于输出行为的可见性和控制。

图5进一步图解说明按照和标准测量相同的方式，用户定义的测量到输出的例证映射。这使用户测量可被用于控制例如经数字链路(例如，通信接口104)回送给控制系统的mA输出、脉冲输出、报警IO和/或测量命令。在一个实施例中，当由处理器执行时，计算机可执行指令进行标准测量和定制测量中的至少一个到输出的映射。进一步就本实施例来说，专用代码实现到下述输出中的至少一个的用户定义映射：mA、脉冲、报警和数字。

按照本发明的各个方面，在解释器循环的最后，处理器206利用例如“Publish(公布)”和“Publish Post(公布贴出)”指令来确保结果的原子(atomic)公布。最后的指令是“END”指令，它指示解释器214已完成运行专用代码218，可以重新开始下一个循环。

下面是解释器214执行的可作用于各种数据类型(单精度型、短整型、字节等)的指令的例子：

1 Load Constant

2 Load Source

3 Load Source Partial

4 Publish Post

5 Publish

6 Add(加)

7 Multiply(乘)

8 Divide(除)

9 Subtract(减)

10 Power(幂)

11 if<goto X

12 if>goto X

13 if<＝goto X

14 if>＝goto X

15 if＝＝goto X

16 if！＝goto X

17 Goto X(到X)

18 end(结束)

19 And(与)

20 or(或)

21 not(非)

22 Shift Left(左移)

23 Shift Right(右移)

24 InternalFunction1()

下面是利用上述指令的专用代码218的例子：

例1：

例2：

本发明的实施例可包含包括各种计算机硬件的专用计算机，如下更详细所述。

本发明的范围内的实施例还包括用于携带或保存计算机可执行指令或数据结构的计算机可读介质。这样的计算机可读介质可以是能够由专用计算机访问的任何可用介质，包括易失性介质和非易失性介质、可拆卸介质和不可拆卸介质。例如(但不限于)，计算机可读存储介质包括用任何方法或技术实现的，用于诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据之类信息的存储的易失性和非易失性、可拆卸和不可拆卸介质。计算机存储介质是非临时性的，包括(但不限于)随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程ROM(EEPROM)、闪存、铁电RAM(FRAM)、光盘ROM(CD-ROM)、数字通用光盘(DVD)或其他光盘存储器、固态驱动器(SSD)、盒式磁带、磁带、磁盘存储器或其他磁存储设备，或者可用于携带或保存呈计算机可执行指令或数据结构形式的期望程序代码装置，并且能够被通用或专用计算机访问的任何其他介质。当信息通过网络或另一个通信连接(硬连线、无线、或者硬连线或无线的组合)被传送或提供给计算机时，计算机适当地把所述连接视为计算机可读介质。从而，任何这样的连接被适当地称为计算机可读介质。上述的各种组合也应被包含在计算机可读介质的范围内。计算机可执行指令例如包含使通用计算机、专用计算机或专用处理设备执行某种功能或一组功能的指令和数据。

下面的讨论意图提供其中可实现本发明的各个方面的适当计算环境的简要概述。尽管不需要，不过将在由网络环境中的计算机执行的计算机可执行指令(比如程序模块)的一般语境下，说明本发明的各个方面。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。计算机可执行指令、关联的数据结构、和程序模块代表用于执行本文中公开的方法的各个步骤的程序代码装置的例子。这样的可执行指令或关联的数据结构的特定序列代表用于实现记载在所述步骤中的功能的对应动作的例子。

本领域的技术人员会意识到可在具有许多种类的计算机系统构形(包括个人计算机、手持设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机等)的网络计算环境中，实践本发明的各个方面。也可在分布式计算环境中，实践本发明的各个方面，在分布式计算环境中，任务由通过通信网络(或者用硬连线链路、无线链路、或者用硬连线链路或无线链路的组合)链接的本地和远程处理设备进行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器设备两者中。

用于实现本发明的各个方面的例证系统包括呈常规计算机形式的通用计算设备，包括处理器、系统存储器、和把包括系统存储器在内的各个系统组件耦接到处理器的系统总线。系统总线可以是利用各种总线架构任意之一的几种总线结构任意之一，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线和局域总线。系统存储器包括非易失性和易失性存储器类型。包含比如在启动期间帮助在计算机内的元件之间传送信息的基本例程的基本输入/输出系统(BIOS)可被保存在ROM中。此外，计算机可包括能够往来于因特网无线接收或传送IP地址的任意设备(例如，计算机、膝上型计算机、平板电脑、PDA、蜂窝电话机、移动电话机、智能电视机等)。

计算机还可包括用于读写硬磁盘的硬磁盘驱动器、读写可拆卸磁盘的磁盘驱动器和读写诸如CD-ROM之类的可拆卸光盘或者其他光学介质的光盘驱动器。硬磁盘驱动器、磁盘驱动器和光盘驱动器分别通过硬盘驱动器接口、磁盘驱动器接口和光盘驱动器接口，连接到系统。驱动器及其相关的计算机可读介质为计算机提供计算机可执行指令、数据结构、程序模块和其他数据的非易失性存储。尽管这里描述的例证环境采用硬磁盘、可拆卸磁盘和可拆卸光盘，不过可以使用用于保存数据的其他种类的计算机可读介质，包括盒式磁带、闪存卡、数字视频光盘、Bernoulli盒式磁带、RAM、ROM、SSD等。

通信介质一般把计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据包含在诸如载波之类的调制数据信号或者其他传输机构中，且包括任何信息输送介质。

本发明的一个或多个方面可用保存在系统存储器或非易失性存储器中的计算机可执行指令(即，软件)、例程或函数，具体体现为应用程序、程序模块和/或程序数据。或者，软件可被远程保存，比如保存在具有远程应用程序的远程计算机上。通常，程序模块包括当由计算机或其他设备中的处理器执行时，执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。计算机可执行指令可被保存在一个或多个有形的非临时性计算机可读介质(例如，硬盘、光盘、可拆卸存储介质、固态存储器、RAM等)上，可由一个或多个处理器或其他设备执行。本领域的技术人员会意识到，在各个实施例中，可以按照需要组合或散布程序模块的功能。另外，所述功能可以整个或部分用固件或硬件等同物(比如集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)等)体现。

通过利用与一个或多个远程计算机的逻辑连接，计算机可在网络化环境中工作。远程计算机可以是另一台个人计算机、平板电脑、PDA、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其他常见网络节点，一般包括上面关于计算机描述的许多或全部的元件。逻辑连接包括这里举例而非限制地介绍的局域网(LAN)和广域网(WAN)。这样的连网环境在办公室或企业计算机网络、企业内部网和因特网中随处可见。

当用在LAN连网环境中时，计算机通过网络接口或适配器，连接到局域网。当用在WAN连网环境中时，计算机可包括调制解调器、无线链路或其他装置，以通过广域网(比如因特网)建立通信。可在内部或外部的调制解调器经串行端口接口，连接到系统总线。在网络化环境中，关于计算机或其各个部分描述的程序模块可被保存在远程存储器存储设备中。要意识到所示的网络连接是例证性的，可以使用通过广域网建立通信的其他手段。

计算机可执行指令优选被保存在存储器(比如硬盘驱动器)中，并由计算机执行。有利的是，计算机处理器具有实时进行所有操作(例如，执行计算机可执行指令)的能力。

本文中例示和说明的本发明的各个实施例中的操作的执行或完成顺序不是必需的，除非另有说明。即，可按照任意顺序进行所述操作，除非另有说明，并且本发明的实施例可包括比本文中公开的操作更多或更少的操作。例如，可以预见的是在另一个操作之前，与另一个操作同时，或者在另一个操作之后执行或完成特定操作也在本发明的各个方面的范围之内。

本发明的实施例可用计算机可执行指令实现。计算机可执行指令可被组织成一个或多个计算机可执行组件或模块。本发明的各个方面可以用任意数目的所述组件或模块，或者所述组件或模块的任意组织来实现。例如，本发明的各个方面不限于例示在附图中和记载在本文中的特定计算机可执行指令或特定组件或模块。本发明的其他实施例可包括具有比例示和记载在本文中的功能更多或更少的功能的不同计算机可执行指令或组件。

当介绍本发明的各个方面或其实施例的元件时，单数形式意图表示存在一个或多个所述元件。用语“包含”、“包括”和“具有”是开放性的，意味存在除列举的元件以外的其他元件。

上面详细说明了本发明的各个方面，显然各种修改和变化也是可能的，而不脱离如在附加权利要求中限定的本发明的各个方面的范围。由于在上述结构、产品和方面中可以作出各种变化，而不脱离本发明的各个方面的范围，因此包含在上述说明中的和在附图中表示的所有内容应被理解成是例证性的，而不是限制性的。

Claims (14)

1.一种供过程控制系统之用的现场设备，包括：

处理器；和

非易失性存储器，所述非易失性存储器保存嵌入式固件，所述固件包含计算机可执行指令，当由所述处理器执行时，所述计算机可执行指令执行：

固定行为和测量中的至少一个，以实现所述现场设备的预定功能；和

运行时解释器，所述解释器执行专用代码，以执行所述现场设备的定制功能，其中所述专用代码与所述嵌入式固件分离地被下载到所述存储器。

2.按照权利要求1所述的现场设备，其中所述解释器被配置成在处理器在处理循环内完成进行至少一个固定行为或测量的处理之后执行。

3.按照权利要求2所述的现场设备，其中当下载的专用代码的处理超过在所述处理循环内分配给所述解释器的预定处理时间时，所述处理器暂停所述解释器。

4.按照权利要求1所述的现场设备，其中所述处理器被配置成接收来自传感器的信息，以及对接收的信息作出响应，以执行现场设备的测量功能，从而产生标准测量。

5.按照权利要求1所述的现场设备，其中所述固件还包含当由所述处理器执行时进行定制功能的公布的计算机可执行指令。

6.按照权利要求1所述的现场设备，其中利用专用代码实现的定制功能包括定制行为。

7.按照权利要求1所述的现场设备，其中所述解释器被配置成执行所述专用代码，以进行定制功能，以致定制功能不能更改至少一个固定行为或测量。

8.一种计算机实现的操作供过程控制系统之用的现场设备的方法，包括：

在嵌入式固件中执行固定行为和测量中的至少一个，以实现所述现场设备的预定功能；和

在嵌入式固件中执行运行时解释器，其中所述解释器执行专用代码，以进行所述现场设备的定制功能，以及其中所述专用代码与嵌入式固件分离地被下载到现场设备的存储器。

9.按照权利要求8所述的方法，还包括在处理循环内完成进行至少一个固定行为或测量的处理之后，由解释器执行所述专用代码。

10.按照权利要求8所述的方法，还包括：当下载的专用代码的执行超过在所述处理循环内分配给所述解释器的预定处理时间时，暂停所述解释器。

11.按照权利要求8所述的方法，还包括：接收传感器数据，以及响应于接收的数据，执行现场设备的测量功能，以产生标准测量。

12.一种过程控制系统，包括：

通信基础结构；

生成传感器数据的传感器；

耦接到通信基础结构及传感器的变送器，所述变送器被配置成接收传感器数据，所述变送器包括：

处理器；和

保存嵌入式固件的非易失性存储器，所述固件包含计算机可执行指令，当由处理器执行时，所述计算机可执行指令执行：

随接收的传感器数据而变的标准测量；和

运行时解释器，所述解释器执行专用代码，以实现所述变送器的定制功能，其中所述专用代码经通信基础结构与嵌入式固件分离地被下载到所述存储器。

13.按照权利要求12所述的系统，其中所述解释器被配置成在处理器在处理循环内完成进行所述标准测量的处理之后执行，以及其中当下载的专用代码的处理超过在所述处理循环内分配给所述解释器的预定处理时间时，所述处理器暂停所述解释器。

14.按照权利要求12所述的系统，其中在所述处理器完成进行标准测量的处理之后，所述处理器恢复所述解释器，以继续下载的专用代码的处理。