CN112596470A

CN112596470A - 过程控制输入/输出设备中的多个通信物理层和协议的集成

Info

Publication number: CN112596470A
Application number: CN202010981963.XA
Authority: CN
Inventors: M·J·尼克松; G·K·劳; S·迪亚兹; C·法亚德
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2021-04-02
Also published as: GB202013796D0; GB2589434B; US20210081346A1; GB2589434A; GB2624111A; US11734213B2; JP2021057892A; DE102020124313A1

Abstract

一种过程控制输入/输出(I/O)设备采用与传统过程控制通信协议相关联的直接物理层或接口提供传统的I/O支持，而同时支持高级物理层或其它基于IP的物理层以及在它们之上运行的通信协议。此外，当诸如安全协议之类的协议需要附加的握手、确认等时，新的I/O设备能够将协议嵌套在其它协议内以供使用。更进一步，新的I/O设备包括硬件可配置能力，该硬件可配置能力使能使用多个不同物理层(包括由诸如HART和FOUNDATION Fieldbus协议之类的传统过程控制通信协议所使用的那些层)和更高级的物理层(包括由基于IP、基于以太网、基于分组和其它类型的高级通信协议使用的那些层)的过程控制系统的简易配置。

Description

过程控制输入/输出设备中的多个通信物理层和协议的集成

技术领域

本申请总体上涉及过程控制系统，并且更具体而言，涉及用于使用支持不同通信协议的多个物理层将现场设备通信地耦合到过程控制系统中的过程控制器的过程控制系统。

背景技术

分布式过程控制系统，如在化学、石油、工业或其它过程工厂中使用的用于制造、精炼、转换、生成或生产物理材料或产品的那些系统，通常包括经由物理层通信地耦合到一个或多个现场设备的一个或多个过程控制器，该物理层可以是模拟、数字或组合的模拟/数字总线，或者可以包括一个或多个无线通信链路或网络。可以是例如阀、阀定位器、交换机和变送器(例如，温度、压力、液位和流速传感器)的现场设备，位于过程环境内并且通常执行物理过程控制功能，诸如打开或关闭阀、测量过程和/或环境参数(例如，流量、温度或压力等)，以控制在过程工厂或系统内执行的一个或多个过程。智能现场设备(诸如符合公知的

Fieldbus协议的现场设备)也可以执行控制计算、报警功能和通常在控制器内实施的其它控制功能。通常还位于工厂环境中的过程控制器，接收指示由现场设备进行的过程测量的信号和/或与现场设备有关的其它信息，并且执行控制器应用，该控制器应用运行例如作出过程控制决策、基于所接收的信息生成过程控制信号，并且与在现场设备(诸如

现场设备、无线

现场设备和

Fieldbus现场设备)中执行的控制模块或块协调而生成过程控制信号。为了执行这种通信，过程控制器中的控制模块将控制信号发送到各种不同的输入/输出(I/O)设备，然后，这些输入/输出设备通过通信线路或链路(通信物理层)将这些控制信号发送到实际的现场设备，从而控制过程工厂或系统的至少一部分的操作，例如，以控制在工厂或系统内运行或执行的一个或多个工业过程的至少一部分。通常还位于工厂环境中的I/O设备通常被设置在过程控制器与一个或多个现场设备之间，并且例如通过将电信号转换为数字值以及将数字值转换为电信号来实现在其间的通信。提供不同的I/O设备以支持使用不同通信协议的现场设备。具体而言，在过程控制器与使用特定通信协议的现场设备中的每一个现场设备之间提供不同的I/O设备，使得第一I/O设备用于支持HART现场设备，第二I/O设备用于支持Fieldbus现场设备，第三I/O设备用于支持Profibus现场设备等。如本文所使用的，现场设备、控制器和I/O设备通常被称为“过程控制设备”，并且通常位于、设置或安装在过程控制系统或工厂的现场环境中。

更进一步，来自现场设备和过程控制器的信息通常通过数据高速通道或通信网络可用于一个或多个其它硬件设备，诸如操作员工作站、个人计算机或计算设备、数据历史记录机、报告生成器、集中式数据库或其它集中式管理计算设备，这些设备通常放置在控制室或远离工厂的更恶劣的现场环境的其它位置，例如，在过程工厂的后端环境中。这些硬件设备中的每一个都通常在整个过程工厂或过程工厂的一部分上集中。这些硬件设备运行应用，这些应用可以例如使操作员能够执行关于控制过程和/或操作过程工厂的功能，诸如改变过程控制例程的设置、修改控制器或现场设备内的控制模块的操作、查看过程的当前状态、查看由现场设备和控制器生成的警报、出于培训人员或测试过程控制软件的目的仿真过程的操作、保持并更新配置数据库等。硬件设备和过程控制器所使用的数据高速通道可以包括有线通信路径、无线通信路径、或有线和无线通信路径的组合，并且通常使用基于分组的通信协议和非时间敏感通信协议，诸如以太网或IP协议。

作为示例，由艾默生自动化解决方案(Emerson Automation Solutions)销售的DeltaV^TM控制系统包括存储在位于过程工厂内不同位置的不同设备中并由其执行的多个应用。驻留在过程控制系统或工厂的后端环境中的一个或多个工作站或计算设备中的配置应用，使用户能够创建或改变过程控制模块，并经由数据高速通道将这些过程控制模块下载到专用的分布式控制器。通常，这些控制模块由通信互连的功能块组成，这些功能块是面向对象的编程协议中的对象，它们基于对其的输入来执行控制方案内的功能，并且向控制方案内的其它功能块提供输出。配置应用还可以允许配置设计者创建或改变操作员接口，该操作员接口由查看应用使用来向操作员显示数据，并使操作员能够改变过程控制例程内的设置，诸如设定点。每一个专用控制器(以及在一些情况下，一个或多个现场设备)都存储并执行各自的控制器应用，该控制器应用运行分配并下载到专用控制器上的控制模块以实现实际的过程控制功能。可以在一个或多个操作员工作站上(或在与操作员工作站和数据高速通道通信连接的一个或多个远程计算设备上)执行的查看应用经由数据高速通道从控制器应用中接收数据，并使用用户接口向过程控制系统设计者、操作员或用户显示该数据，并且可以提供多个不同视图中的任何视图，诸如操作员视图、工程师视图、技术人员视图、维护视图等。数据历史记录应用通常存储在数据历史记录设备中并由其执行，该数据历史记录设备收集并存储一些或所有通过数据高速通道提供的数据，而配置数据库应用可以在附接到数据高速通道的另一个计算机中运行，以存储当前的过程控制例程配置和与之相关联的数据。替代地，配置数据库可以位于与配置应用相同的工作站中。

如上所述，过程控制系统可以包括多个现场设备，所述现场设备在工厂内提供许多不同的功能能力，并且这些现场设备使用各种不同类型的物理接口或通信接口的物理层中的一个通信地耦合到过程控制器。例如，通用过程控制通信物理接口使用双线接口，该双线接口建立在点对点布线连接布置(例如，仅一个现场设备通信地耦合到特定的线接口)或在多分支布线连接布置(例如，多个现场设备通信地耦合到线接口)中。然而，一些现场设备可以使用可以包括无线网关和发射机/接收机设备的无线通信物理层与控制器连接。更进一步，现场设备通常被配置为使用各种不同的通信协议中的一种与过程控制器通信。这些通信协议通常是数字信号协议，但也可以是模拟协议(例如，4-20ma协议)或组合的数字和模拟协议(例如，HART协议)。这些协议中的一些协议使用相对简单的命令和/或通信(例如，CAN协议中使用的ON命令和OFF命令)来操作，而其它协议更复杂，因为需要更多的命令和/或更多的通信信息，这些其它协议可以包括或不包括简单的命令。例如，更复杂的协议可以使用例如高速可寻址远程传感器

通信协议来传送模拟值，其中数字通信叠加在该模拟值上。其它现场设备可以使用提供许多类型的通信的完全数字通信(例如，

Fieldbus通信协议)。其它过程控制通信协议包括PROFIBUS通信协议，尽管已经开发并且也正在使用其它过程控制通信协议。这些通信协议中的每一个都要求或需要由特定的物理层支持，该物理层可以包括双线、四线等物理层、特定的交换机等。此外，物理层可以指定最大或最小的导线长度、导线厚度、导线类型、端接类型、其它电特性等。

由于这些不同的现场设备通信协议的发展，其中的每一个现场设备通信协议通常都使用不同的通信布线(物理层)和信令格式，各种不同的现场设备(例如，使用不同协议的现场设备)经由不同的输入/输出设备(I/O设备)通信连接到过程控制器，其中，每一个不同的I/O设备都符合过程控制协议中的一个不同的协议，并支持特定类型的物理层。也就是说，典型的工厂可以具有耦合到多个不同I/O设备的控制器，所述I/O设备包括Fieldbus I/O设备(其又经由符合FOUNDATION Fieldbus的两线或四线总线耦合到一个或多个FOUNDATION Fieldbus现场设备)、经由单独的两线或四线单分支连接耦合到一个或多个符合HART的现场设备中的每一个的HART I/O设备、经由符合CAN的布线连接耦合到一个或多个符合CAN的现场设备的CAN I/O设备等等。

附加地，将现场设备的通信端口耦合到I/O设备的端子排，并最终耦合到过程工厂中的过程控制器通常是复杂的过程。现场设备必须耦合到I/O卡，I/O卡将从现场设备接收的信号转换为可以由过程控制器处理的信号，并且将从控制器接收的信号转换为可以由现场设备处理的信号。因此，对应于特定现场设备的每一个I/O卡的每一个通道必须与适当的信号类型相关联(以便I/O卡适当地处理信号)，而且I/O卡必须通信地耦合到控制器或多个控制器，该控制器将最终从耦合到该I/O卡的现场设备接收信号和/或向耦合到该I/O卡的现场设备发送信号。

如上所述，每一个现场设备都经由I/O设备上的端子排使用特定的通信介质或物理层(例如，双线电缆、无线链路或光纤)耦合到I/O设备，并且还使用过程控制工业中已经开发的上述或其它专用过程控制通信协议(HART、CAN、WirelessHART、FOUNDATIONFieldbus、PROFIBUS等)中的一个。更进一步，I/O设备通常经由另一个总线或有线连接单独地连接到过程控制器。这些不同的输入/输出设备的使用意味着不同现场设备之间的物理和逻辑连接必须被精确地映射，以便连接到不同I/O设备的控制器可以跟踪哪些现场设备连接到每一个I/O设备的哪个端口，以便经由正确的“路径”将信号传送到该现场设备。这个问题在HART协议中特别麻烦，在HART协议中，每一个现场设备都连接到符合HART的I/O设备的不同输出端口。

为了减轻这种配置问题，已经开发了硬件可配置的I/O设备以与例如HART现场设备和HART物理层一起使用。硬件可配置的I/O设备包括将各种不同的HART现场设备(和/或使用与HART设备相同的物理层的4-20毫安设备)连接到控制器的硬件可配置的平台。该硬件可配置的I/O设备包括可移动的前端处理器，其经由第一外部总线与一个或多个过程控制器通信，并经由第二内部总线与多个不同的可配置的I/O插槽通信，其中的每一个插槽都连接到I/O设备的不同的终端端口(端子排)并与之相关联。此外，每一个输出端口或端子排都被配置为经由例如符合两线或四线HART的通信线路或物理层连接到不同的现场设备。硬件可配置的I/O设备还可以包括电源，其经由相同的内部总线或经由第二内部总线向I/O插槽中的每一个供电(用于符合HART的设备)。重要的是，每一个I/O插槽都适于接收硬件模块(在本文中称为电子编组部件(EMC))，当硬件模块被插入插槽时，该插槽将一侧(输入侧)上的模块与前端处理器(经由I/O设备内的内部通信总线)和电源(如果存在的话)连接，并且该插槽将另一侧(输出侧)上的模块与符合HART的现场设备可以连接到的I/O设备的输出端口或端子排中的一个连接。放置在I/O设备的每一个特定插槽中的硬件模块或EMC包括处理器和存储器，该存储器使用HART通信协议与经由输出端口连接的符合HART的现场设备进行通信，并且该模块操作以从所连接的HART现场设备获得配置信息和其它信息。硬件模块的处理器还将关于所检测的符合HART的现场设备的信息传送到I/O设备的前端处理器，前端处理器使用该信息来将I/O设备的特定硬件插槽与所检测的现场设备相关联。以这种方式，硬件模块的插入(连同其内部处理器的操作)使得任何符合HART的现场设备能够被耦合到I/O设备的输入/输出端口中的任一个，并且能够被自动检测和配置，而无需过程控制器在连接实际发生之前知道连接到哪个现场设备的特定硬件插槽/输出端口。在美国专利号7,684,875；8,332,567；8,762,618；8,977,851；9,083,548和9,495,313中详细描述了该硬件可配置的I/O设备的各种示例，其中每一个都通过引用的方式明确地并入本文。

使用通用IP或其它基于分组的通信协议来执行过程工厂内的某些其它设备之间的通信也是公知的。例如，通常在以太网总线上使用基于分组的或通用的IP协议，该以太网总线将一个或多个分布式过程控制器通信连接到后端工厂环境内的一个或多个用户接口、数据库(例如，配置数据库和历史记录数据库)、服务器等。这样，作为物理层并且部分作为数据链路层的以太网是用于自动化系统的重要通信平台。重要的是，尽管过程控制通信协议(诸如HART、4-20ma、FOUNDATION Fieldbus、CAN和PROFIBUS)目前被大多数已安装的基础使用以在现场设备级别执行通信，但是利用以太网的通信技术现在正作为用于实现现场设备通信的可能方式而出现。重要的是，以太网实现灵活性、可伸缩性和在自动化以前以未见到的方式的性能。为了帮助支持在自动化中采用以太网，正在设计高级物理层(APL)规范来支持远程和危险位置的现场设备的连接。APL之后是IEEE P802.3cg项目，其集中于对经由双绞线布线(10BASE-T1L)的以太网的现有IEEE802.3以太网标准(IEEE802.3)的增强的开发。这种开发是重要的，因为存在为各种目的开发的、可以在以太网物理层之上运行的长列的自动化协议。

为了支持过程控制中的基于这种新兴以太网的通信发展，FielComm Group已经标准化了HART-IP作为HART7版本的一部分。尽管HART-IP最初被设计成允许主机与网关高效地通信，但是现在它已经作为一种用于与I/O服务器和主机直接通信的设备的方法而出现。HART-IP如今已经用于监控控制应用、诊断应用和状况监控应用。因为HART-IP已经具有对其可用的设备的完整描述，所以它是在APL之上分层的良好协议。此外，在设备级得到广泛支持的另一个协议是OPC统一架构(OPC UA)。尽管OPC UA本身并不理解设备通信和类型，但是在这方面正在进行相当大的努力以提供某种级别的支持。尽管HART-IP和OPC UA可能相对快速地被市场采纳，但是它们在其使用中将不是单独的。诸如EthernetIP和PROFINET之类的其它协议已经在以太网上可用，并且当其可用时将能够在APL上运行。此外，诸如MQTT和AMQP之类的IT驱动协议将作为重要协议出现，因为工业物联网(IIoT)获得了接受。

然而，在已经包括严重依赖于更传统的现场设备(例如HART或FOUNDATIONFieldbus现场设备)的安装基础的过程工厂中，支持以太网或其它高级物理层，诸如与基于分组的或通用IP通信协议相关联的那些高级物理层，是困难的并且不是直接的，因为这些各种通信协议将需要在过程控制网络中的某个位置经由一个或多个电子编组柜或设备被合成或合并。目前尚不清楚如何将这些高级协议集成在典型的过程工厂架构中，以便以可靠和鲁棒的方式进行操作。

发明内容

一种新的I/O设备利用与传统或专用过程控制通信协议(诸如4-20mA、1-5v、HART、FOUNDATION Fieldbus等协议)相关联的直接物理层或接口提供传统I/O支持，而同时支持基于APL或其它以太网或通用IP的物理层以及在它们之上运行的通信协议。此外，当诸如安全协议之类的协议需要附加的握手、确认等时，新的I/O设备能够将协议嵌套在其它协议内以供使用。更进一步，新的I/O设备包括硬件可配置的能力，所述硬件可配置的能力使得使用多个不同物理层(包括传统过程控制通信协议所使用的那些层)和更高级的物理层(包括通用IP通信系统所使用的那些层)的过程控制系统的简易配置能够执行现场设备级(例如，在过程控制器和现场设备之间)处的通信。

更具体地，本文描述的I/O设备支持多种I/O类型，包括基于分组的、基于IP的或其它高级协议，诸如HART-IP、OPC UA、以太网等协议。该I/O设备包括混合物理层和多协议支持，其可以用于以导致改进的控制的方式在I/O设备处实现控制。附加地，本文描述的I/O设备能够支持请求/响应、发布/订阅、基于事件的通信和流传输通信，这将极大地帮助支持对测量和致动器数据、它们的能力、它们的诊断以及可以由这些测量、能力和诊断的组合确定的信息感兴趣的控制和工业物联网(IIoT)应用的组合(在本文中也统称为监控系统)。

附图说明

图1是示出示例性过程工厂的示意图，该过程工厂的至少一部分实现混合物理层和通信协议I/O架构。

图2描绘了连接到图1的工厂的以太网总线的、并用于支持与现场设备的直接基于IP的通信的示例性高级物理层网络的示意图。

图3描绘了支持使用多个不同的物理层和通信协议与现场设备的通信的硬件可配置的I/O或编组设备。

图4描绘了图3的硬件可配置的编组设备的部分电气示意图。

图5描绘了图3的、被配置为支持HART物理层和APL物理层以及使用APL层中的单独电源和现场交换机与其连接的设备两者的编组设备的示意图。

图6描绘了图3、被配置为支持HART物理层和APL物理层以及使用APL层中的组合APL电源和现场交换机与其连接的设备两者的编组设备的示意图。

图7描绘了图3的、被配置为通过利用高级物理层通信网络在另一个通用IP通信协议中隧道传输传统过程控制通信协议以经由APL物理层支持多个不同类型的现场设备通信网络的编组设备的示意图。

图8描绘了隧道传输到HART-IP通信协议的IP分组中的Fieldbus消息的分组配置。

图9描绘了图3的、被配置为使用高级物理层网络以经由一个或多个无线协议来支持无线设备通信的编组设备的示意图。

图10描绘了图3的、被配置为使用高级物理层网络以经由无线设备通信来支持高安全性应用的编组设备的示意图。

图11描绘了图3的、被配置为使用高级物理层以经由有线设备通信来支持高安全性应用的编组设备的示意图。

具体实施方式

图1描绘了示例性过程工厂、过程控制系统或过程控制环境5的示意图，其可以使用支持多个不同物理层以及使用这些不同物理层来提供与工厂中的现场设备的通信的不同通信协议的硬件可配置的编组或I/O设备。一般而言，图1的示例性过程工厂5包括一个或多个过程控制器，所述过程控制器接收指示由现场设备进行的过程测量的信号，处理该信息以实施控制例程，并且生成控制信号，所述控制信号通过有线或无线过程控制通信链路(物理层)发送到其它现场设备，以控制工厂5中的过程操作。典型地，现场设备中的每一个都执行物理功能(例如，打开或关闭阀、升高或降低温度、进行测量、感测状况等)以控制过程的操作。通常，现场设备使用I/O设备与过程控制器通信，并且过程控制器、现场设备、和I/O设备可以是有线的或无线的。此外，任何数量和组合的有线和无线过程控制器、现场设备和I/O设备可以被包括在过程工厂环境5中。

仅作为示例，图1示出过程控制器11，该过程控制器11经由标准或传统过程控制协议输入/输出(I/O)卡26和28通信地连接到有线现场设备15-22，并且经由高级或多协议I/O卡29(其在本文中将被称为混合或多协议I/O卡或设备、或者混合或多物理层I/O设备)通信地连接到有线现场设备23及24。在这种情况下，控制器11经由底板总线(未示出)通信地耦合到I/O设备26、28和29，该底板总线可以实现任何期望的通信协议，包括任何专有协议。控制器11还经由无线网关35和过程控制数据高速通道或干线10通信地连接到无线网络70中的无线现场设备40-46。可以被实现为以太网通信结构的过程控制数据高速通道10可以包括一个或多个有线和/或无线通信链路，并且可以使用任何期望的或适合的通用IP通信协议(例如以太网协议)来实现。在一些配置(未示出)中，控制器11可以使用不同于干线10的一个或多个通信网络通信地连接到无线网关35，诸如通过使用支持一个或多个通信协议的任何数量的其它有线或无线通信链路，所述通信协议例如是Wi-Fi或其它符合IEEE 802.11的无线局域网协议、移动通信协议(例如WiMAX、LTE或其它符合ITU-R的协议)、

Profibus、

Fieldbus等。更进一步，控制器11可以经由使用高级物理层(APL)或支持更传统的基于互联网或分组的通信协议的其它物理层的另外的现场设备网络80耦合到现场设备82。

控制器11(例如可以是由艾默生自动化解决方案(Emerson AutomationSolutions)销售的DeltaV^TM控制器)可以操作以使用现场设备15-24、40-46和82中的至少一些来实现批次处理或连续处理。除了通信地连接到过程控制数据高速通道10之外，控制器11使用与各种不同通信协议(诸如4-20mA、

Fieldbus协议、

协议、

协议等)相关联的任何期望的硬件和软件以经由I/O卡26、28和29通信地连接到现场设备15-24、40-46和82中的至少一些。在图1中，控制器11、现场设备15-24和82、及I/O卡26、28和29是有线设备，而现场设备40-46是无线现场设备。如将理解的，有线现场设备15-24和82以及无线现场设备40-46可以符合任何标准或可用的通信协议，诸如任何有线或无线协议，包括将来开发的任何标准或协议。

一般而言，图1的过程控制器11包括处理器30，其实现或监控一个或多个过程控制例程38(例如，存储在存储器32中的)。处理器30被配置为与现场设备15-24、82和40-46以及通信地连接到控制器11的其它节点进行通信。控制例程38可以以任何期望的软件格式来实现，诸如使用面向对象的编程、梯形逻辑、顺序功能图、功能框图，或者使用任何其它软件编程语言或设计范例。控制例程38可以被存储在任何期望类型的存储器32中，诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)。同样，控制例程38可以被硬编码到例如一个或多个EPROM、EEPROM、专用集成电路(ASIC)或任何其它硬件或固件元件中。因此，控制器11可以被配置为以任何期望的方式实施控制策略或控制例程。

在一个示例中，控制器11使用通常称为的功能块实施控制策略，其中每一个功能块都是对象或总体控制例程的其它部分(例如子例程)，并且与其它功能块结合(经由被称为链路的通信)操作，以实施过程控制系统5内的过程控制回路。基于控制的功能块通常执行以下之一：输入功能(诸如与变送器、传感器或其它过程参数测量设备相关联的输入功能)，控制功能(诸如与执行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相关联的控制功能)，或者输出功能(其控制诸如阀之类的一些设备的操作，以执行过程控制系统5内的一些物理功能)。当然，存在混合和其它类型的功能块。功能块可以存储在控制器11中并由其执行，这通常是在这些功能块用于标准4-20mA设备和诸如

设备的一些类型的智能现场设备、或与之相关联时的情况，或者该功能块可以存储在现场设备自身中并由其实施，这可以是

Fieldbus设备的情况。控制器11因此可以包括可以实施一个或多个控制回路的一个或多个控制例程38，其通过执行功能块中的一个或多个来执行。

有线现场设备15-24、82可以是任何类型的设备，诸如传感器、阀、变送器、定位器等，而I/O卡26和28可以是符合任何期望的通信或控制器协议的任何已知类型的I/O设备。在图1中，将现场设备15-18示出为通过模拟线路或组合的模拟和数字线路(HART或4-20物理层)与I/O卡26通信的标准4-20mA设备或

设备，而现场设备19-22是智能设备，诸如

Fieldbus现场设备，其使用

Fieldbus通信协议和物理层通过数字总线与I/O卡28通信。然而，在一些实施例中，有线现场设备15、16和18-22中的至少一些和/或I/O卡26、28中的至少一些可以替代地使用其它适合的控制系统协议(例如Profibus、DeviceNet、Foundation Fieldbus、ControlNet、Modbus、HART等)与控制器11通信。

此外，如图1中一般性地示出的，有线现场设备23和24经由各种不同的通信线路或总线通信地耦合到I/O设备29。具体地，如在本文将更详细地描述的，I/O设备29包括多个输出端口、管脚连接器或端子排，其各自可以适于接受与支持不同现场设备通信协议的不同物理层(例如，两线、三线、四线等物理层)相关联的物理层硬件(通信线路)。另外，I/O设备29支持使用不同的通信协议与连接到其端子排的不同设备通信。在一个示例中，I/O设备29可以支持并连接到符合HART的物理层(其可以用于使用HART通信协议与符合HART的现场设备23通信)，并且还可以支持并经由一个或多个高级物理层(诸如以太网总线或线组、APL物理层等)连接到一个或多个其它现场设备24，并且可以使用基于分组的协议(例如IP协议、以太网协议等)，例如通过高级物理层硬件与现场设备24通信。当然，现场设备23和24也可以是任何类型的设备，包括传感器、阀、变送器、定位器等，并且可以使用模拟和/或数字信号以及使用有线或无线物理层与I/O设备或I/O卡29通信。

尽管I/O设备29经由底板总线(图1中未显示)通信地连接到控制器11，如图1中的虚线10a所指示，并因此使控制器11能够与连接到I/O设备29的现场设备通信，但I/O设备29可以替代地或同样直接连接到总线或以太网连接10，并直接与在总线10上的应用及其它设备(甚至在工厂5外或外部的设备)通信，以提供对连接到I/O卡29的现场设备23、24的直接访问。如本文将更详细描述的，因为连接到I/O卡29的现场设备23、24中的一些现场设备可以包括IP地址，并且因此可以经由IP协议寻址(即，这些现场设备可以是IIoT系统或其它监控系统的一部分，或者可以经由IP通信协议可达)，所以I/O卡29还可以充当资产管理系统或IIoT系统内的到现场设备23、24的直接网关，使得这些系统不需要通过控制器(诸如控制器11)通信来从支持IP通信协议的现场设备获得信息。

在图1中描绘的示例性工厂5中，无线现场设备40-46使用无线协议(诸如

协议)，经由无线过程控制通信网络70进行通信。这种无线现场设备40-46可以直接与无线网络70的一个或多个其它设备或节点通信，其它设备或节点也被配置为无线地通信(例如，使用相同的无线协议或另一个无线协议)。为了与未被配置为无线通信的一个或多个其它节点进行通信，无线现场设备40-46可以利用连接到过程控制数据高速通道10或另一个过程控制通信网络的无线网关35。无线网关35提供对无线通信网络70的各种无线设备40-58的访问。特别地，无线网关35提供无线设备40-58、有线设备11-29和/或过程控制工厂5的其它节点或设备之间的通信耦合。例如，无线网关35可以通过使用过程控制数据高速通道10和/或通过使用过程工厂5的一个或多个其它通信网络来提供通信耦合。

类似于有线现场设备15-24，无线网络70的无线现场设备40-46执行过程工厂5内的物理控制功能，例如，打开或关闭阀，或进行过程参数的测量。然而，无线现场设备40-46被配置为使用网络70的无线协议进行通信。这样，无线现场设备40-46、无线网关35和无线网络70的其它无线节点52-58是无线通信分组的生产者和消费者。

在过程工厂5的一些配置中，无线网络70包括非无线设备。例如，在图1中，图1的现场设备48是旧式的4-20mA设备，并且现场设备50是有线

设备。为了在网络70内通信，现场设备48和50可以经由无线适配器52a、52b连接到无线通信网络70。无线适配器52a、52b支持诸如WirelessHART的无线协议，并且还可以支持诸如

Fieldbus、PROFIBUS、DeviceNet等的一个或多个其它通信协议。此外，在一些配置中，无线网络70可以包括一个或多个网络接入点55a、55b，其可以是与无线网关35有线通信的单独的物理设备，或者可以与无线网关35一起被提供作为集成设备。无线网络70还可以包括一个或多个路由器58，以将分组从一个无线设备转发到无线通信网络70内的另一个无线设备。在图1中，无线设备40-46和52-58彼此通信，并且通过无线通信网络70的无线链路60和/或经由过程控制数据高速通道10与无线网关35通信。

更进一步地，如以下将更详细描述的，过程工厂5包括高级物理层网络80，其使用基于分组的或IP通信协议将现场设备82直接连接到网络总线或干线10。具体地，网络80包括经由APL通信总线或线路88耦合到多个APL现场交换机86的APL电源交换机84。一般而言，APL电源交换机84包括电源，其经由线路或总线88(其可以在网络80中以实线所示的干线配置或以实线和点划线所示的环形配置来建立)向APL现场交换机86供电。现场设备82使用APL物理层(其可以是例如以太网物理层或支持基于分组的通信的任何其它物理层，包括非时间敏感或时间敏感网络)所支持的任何期望的协议与APL现场交换机86通信。此外，现场交换机86使用相同的协议和物理层通过线路88与交换机84通信，该交换机作为到干线10的网关操作。附加地，现场交换机86经由支线线路(如APL物理层所定义的)直接连接到一个或多个现场设备82，并使用干线88上所使用的相同通信协议与现场设备82进行通信。电源交换机84和现场交换机86操作以通过线路88在干线10和现场设备82之间传送分组。当然，如果需要，电源交换机84可以直接耦合到过程控制器，或者可以经由干线网络10间接耦合到过程控制器，诸如过程控制器11。

此外，如图1所示，过程控制系统5包括通信连接到数据高速通道10的一个或多个操作员和/或维护工作站71。使用操作员或维护工作站71，操作员或维护人员可以查看并监控过程工厂5的运行时间操作、设备状况和状态信息等，并且可以采取任何诊断、校正、维护和/或可能需要的其它操作。操作员或维护工作站71中的至少一些可以位于工厂5中或附近的各种受保护区域，并且在一些情况下，操作员或维护工作站71中的至少一些可以位于远处，但是仍然与工厂5通信连接。操作员和维护工作站71可以是有线或无线计算设备。

示例过程控制系统5还被示为包括配置应用72a和配置数据库72b，它们中的每一个也通信连接到数据高速通道10。配置应用72a的各种实例可以在一个或多个计算设备(未示出)上执行，以使用户能够创建或改变过程控制模块，并经由数据高速通道10将这些模块下载到控制器11，以及使用户能够创建或更改操作员接口，操作员经由该操作员接口能够查看数据并更改过程控制例程内的数据设置。配置数据库72b存储所创建的(例如，所配置的)模块和/或操作员接口。通常，配置应用72a和配置数据库72b是集中的，并且具有对于过程控制系统5的单一的逻辑外观，尽管配置应用72a的多个实例可以在过程控制系统5内同时执行，并且配置数据库72b可以在多个物理数据存储设备上实现。因此，配置应用72a、配置数据库72b和到其的用户接口(未示出)包括用于控制和/或显示模块的配置或开发系统72。通常但不是必须地，配置系统72的用户接口不同于操作员工作站71，因为配置系统72的用户接口被配置和开发工程师利用，而不管工厂5是否实时操作，而操作员和维护人员在过程工厂5的实时操作(此处也可互换地称为过程工厂5的“运行时间”操作)期间利用操作员和维护工作站71。此外，过程控制系统5可以包括资产管理系统77，其可以收集并处理现场设备和控制器数据，以便以已知的方式对过程控制系统5执行维护。资产管理系统77可以包括一个或多个数据库，用于存储和处理所收集的数据，和/或可以使用数据库72b和73b以及工厂内的其它数据库。资产管理系统77还可以直接与诸如控制器11、输入输出设备29、网关35、电源交换机84等设备通信。

示例性过程控制系统5还包括数据历史记录应用73a和数据历史记录数据库73b，它们中的每一个也都通信地连接到数据高速通道10。数据历史记录应用73a操作以收集通过数据高速通道10提供的一些或全部数据，并在历史记录数据库73b中历史记录或存储数据，以便长期存储。与配置应用72a和配置数据库72b类似，数据历史记录应用73a和历史记录数据库73b是集中式的，并且具有对于过程控制系统5的单一逻辑外观，尽管数据历史记录应用73a的多个实例可以在过程控制系统5内同时执行，并且数据历史记录73b可以在多个物理数据存储设备上实现。

在一些配置中，过程控制系统5包括一个或多个其它无线接入点74，其使用其它无线协议(诸如Wi-Fi或其它符合IEEE 802.11的无线局域网协议、移动通信协议(诸如WiMAX(全球微波接入互操作性)、LTE(长期演进)或其它符合ITU-R(国际电信联盟无线通信部门)的协议)、短波长无线电通信(诸如近场通信(NFC)和蓝牙)、或其它无线通信协议)与其它设备通信。典型地，这种无线接入点74允许手持或其它便携式计算设备(例如，用户接口设备75)通过相应的无线过程控制通信网络进行通信，该无线过程控制通信网络不同于无线网络70并且支持与无线网络70不同的无线协议。例如，无线或便携式用户接口设备75可以是过程工厂5中的操作员所使用的移动工作站或诊断测试设备(例如，操作员工作站71中的一个的实例)。

在一些配置中，过程控制系统5包括到当前过程控制系统5外部的系统的一个或多个网关76、78。典型地，这种系统是由过程控制系统5生成或操作的信息的消费者或提供者。例如，过程控制工厂5可以包括网关节点76，以将当前过程工厂5与另一个过程工厂通信地连接。附加地或替换地，过程控制工厂5可以包括网关节点78，以将当前过程工厂5与外部公共或专用系统(诸如实验室系统(例如，实验室信息管理系统或LIMS)、操作员巡回数据库、材料处理系统、维护管理系统、产品库存控制系统、生产调度系统、天气数据系统、装运和处理系统、包装系统、互联网、另一个提供者的过程控制系统或其它外部系统)通信地连接。

注意，尽管图1仅示出了包括在示例过程工厂5中的单个控制器11，其具有有限数量的I/O设备26、28、29、现场设备15-24、40-46和82、无线网关35、无线适配器52、接入点55、路由器58和无线过程控制通信网络70，但这仅是示例性和非限制性实施例。过程控制工厂或系统5中可以包括任何数量的控制器11，并且控制器11中的任一个可以经由任何数量的I/O设备26、28、29与任何数量的有线或无线设备和网络15-24、40-46、35、52、55、58、70和82通信，以控制工厂5中的过程。例如，过程工厂5可以包括各种物理区域，每一个物理区域都具有与该物理区域中的现场设备和网络15-24、40-46、35、52、55、58和70的相关集合进行通信的相关的一个或多个控制器11(以及相关的I/O设备26、28或29)。

此外，注意到图1的过程工厂或控制系统5包括现场环境122(例如，“过程工厂场地122”)和后端环境125，它们由数据高速通道10通信地连接。如图1所示，现场环境122包括物理部件(例如，过程控制设备、网络、网络元件等)，这些物理部件被设置、安装和互连在其中，以在运行时间期间操作以控制过程。例如，控制器11、I/O卡26、28和29、现场设备15-24、以及其它设备及网络部件40-46、35、52、55、58和70位于、设置在、或以其它方式包括在过程工厂5的现场环境122中。一般而言，在过程工厂5的现场环境122中使用设置在其中的物理部件接收和处理原材料，以生成一个或多个产品。

过程工厂5的后端环境125包括各种部件，诸如计算设备、操作员工作站、数据库或数据储存库等，其被屏蔽和/或保护以免受现场环境122的恶劣条件和材料的影响。参考图1，后端环境125包括例如操作员或维护工作站71、用于控制模块和其它可执行模块的配置或开发系统72、数据历史记录系统73、和/或其它集中管理系统、计算设备、和/或支持过程工厂5的运行时间操作的功能。在一些配置中，包括在过程工厂5的后端环境125中的各种计算设备、数据库及其它部件和设备可以物理地位于不同的物理位置，其中一些可以在过程工厂5本地，而其中一些可以是远程的。

如上所述，工厂环境5(特别是工厂5的现场环境122)包括对运行在高级物理层上的高级协议的支持，以执行现场设备与过程控制器之间的通信。作为这种支持的一个示例，图2更详细地描绘了图1的高级物理层(APL)网络80。APL网络80使用基于分组的或高级的(例如，基于通用IP的)通信协议来支持各种现场设备82与控制器11之间的通信。具体地，网络80包括APL电源交换机84，其经由例如以太网或其它总线10连接到控制系统(例如，图1的控制器11)和/或云或其它应用90。云应用90可以是或者可以包括图1的应用和设备71、72、73、74、75、76中的任一个或全部，以及经由接入点(诸如接入点74)连接到其的其它设备。云应用可以包括仿真应用、控制应用、数据存储和处理应用等。在任何情况下，APL电源交换机84包括通过APL物理层提供电力的APL电源设备，并且APL电源交换机84充当到APL网络80的网关，并且具体地，充当到经由符合APL物理层标准的总线或有线网络88连接到APL电源交换机84的各种APL现场交换机86的网关。如图1所示，总线或网络88可以是干线，或者可以是环形连接，如总线88的虚线部分所示。在任何情况下，总线88都是例如包括两线或四线有线网络的APL物理层，其将通信信号以及电力信号从APL电源交换机84提供到APL现场交换机86。此外，APL现场交换机86中的每一个都具有经由适当的APL物理层或链路92连接到其的一个或任何其它数量的现场设备82。作为示例，APL链路92可以符合APL规范，并且可以是两线或四线总线，其提供或使能要在APL现场交换机86与现场设备82之间发送的通信信号和电力信号。

当然，APL电源交换机84充当到总线10的网关，并且操作以使用为网络80建立的通信协议将来自外部源的信号(诸如来自干线总线10的信号)多路复用到链路88上。同样，电源交换机84可以操作以解码来自链路88上的并且寻址到网络80外部的目的地的现场交换机86中的任一现场交换机的消息(其可以是来自现场设备82的消息)，并且将这些消息发送到链路10上。同样，APL现场交换机86解码链路88上的消息，并且如果寻址到连接到现场交换机86的现场设备82中的一个，则现场交换机86将该消息放置在支线或链路92上，以便发送到该现场设备82。同样，现场交换机86经由链路92从现场设备82接收消息，并将这些消息放置在链路88上，以便传送到另一个现场交换机86或电源交换机84。一般而言，现场设备82都是符合APL的现场设备，因为它们使用APL物理层和由APL物理层支持的通信协议(例如，IP通信协议)以经由链路92和88进行通信。现场设备82还可以经由链路92接收电力，并且该电力从现场交换机86提供，并且最终从APL电源交换机84和与其相关联的电源通过总线88提供。

在一个示例中，图2的APL(物理层)可以是加固的、双线的、环路供电的以太网物理层，其使用10BASE-T1L加上用于在过程工厂的操作条件和危险区域内安装的扩展。在这种情况下，APL电源交换机84提供所有标准以太网网络与现场设备之间的连接，并且包括用于向APL现场交换机86和现场设备82供电的电源。通常，电源交换机84将位于控制室中或位于滑轨上的端子排中。同样，APL现场交换机86可以被设计用于在危险区域中安装和操作。现场交换机86由APL电源交换机84环路供电，并经由支线92将通信信号和电力分配给现场设备82。发起高级物理层(APL)项目以创建可以解决发现长距离以太网协议的问题的协议中性以太网。如本文所述，该物理层可以用于过程自动化和过程仪表中，以连接例如远程和危险位置的现场设备，并且操作以扩展通过单对电缆以10Mb/sec操作的以太网物理层。此外，APL扩展10BASE-T1L以用于危险领域，这使得能够开发与通用保护方法相关联的标准，尤其是固有安全。

这样，图2的网络80可以使用APL所支持的任何通信协议，例如以太网连接所支持的任何协议。这些协议包括但不限于网际协议(IP协议)、基于分组的协议、时间敏感和非时间敏感协议等。更具体地，这些协议可以包括HART-IP、OPC UA和为过程控制通信设计的任何其它期望协议。同样，这些协议可以包括在过程自动化中传统上不使用的协议，诸如通用IP协议，包括支持请求/响应、发布/订阅和基于事件的通信以及数据流的协议。

网络80的使用示出了一种在过程控制系统内实现APL物理层和所支持的通信协议的方法，以在现场设备(诸如现场设备82)与其它设备(诸如过程控制器11或图1的网络10上的其它设备)之间提供通信。当然，在其它情况下，诸如图1的过程控制器11之类的过程控制器可以直接连接到APL电源交换机84，以便使用APL物理层提供与该电源交换机的通信，并由此使用APL物理层执行现场设备82与控制器(例如，控制器11)之间的通信。此外，尽管电源可以被提供在APL电源交换机84中或与其相关联，并且可以经由总线88向现场交换机86发送电力，但是APL现场交换机86可以被单独供电，或者可以包括其自身的电源或源并为自身以及经由APL支线92为现场设备82供电。

一般而言，网络80提供了在过程控制系统内提供独立APL网络的方式的示例，以使用更传统的基于IP的通信协议在过程控制器与现场设备之间提供通信。当支持更传统的基于IP的通信协议的新现场设备被新添加到工厂或工厂的区域时，网络80可能是有益的。然而，也有可能在现有的工厂网络内集成APL物理层(和使用该层的IP通信协议)。更具体地，可以在工厂的现场环境中使用整个I/O系统来支持多种I/O类型，同时保持工厂的更传统的I/O架构。通常，新的I/O设备提供或支持混合物理层，该混合物理层可以支持多个不同的通信协议，包括传统的过程控制协议和更常用或通用的基于IP的协议。此外，该I/O设备提供在引起改进的控制的I/O设备处理器处控制，并且支持控制和IIoT应用(其通常对测量和致动器数据感兴趣)的组合、它们的能力以及它们的诊断。

图1的I/O设备29是示例性I/O设备，其提供混合物理层和通信协议平台，并且可以用于提供经由各种不同的物理层和各种不同的通信协议的过程控制器与多个不同的现场设备之间的通信。图3和图4更详细地示出混合物理层和协议设备140(其可以是图1的I/O设备29)。更具体地，图3描绘了示例性电子编组或I/O设备140的立体视图，该设备140支持使用多个不同物理层，以及如果需要，使用不同物理层上的不同通信协议，与多个不同现场设备的通信。一般而言，I/O设备140包括I/O卡基座或载体，该I/O卡基座或载体具有上部部分142(与I/O卡140的前端单元或控制器侧相关联)以及与I/O卡140的现场设备侧相关联的下部部分148。基座的上部部分142包括预配置的插槽(图3中未明确示出)，一个或多个I/O处理器模块145被放置或插入到该预配置的插槽中。I/O卡载体基座142可以支持多个不同的I/O处理器模块145，过程控制器(例如，图1的过程控制11)可以经由关于图1和图4所讨论的但在图3中没有明确示出的有线或无线连接而连接到这些I/O处理器模块。在图3的示例中，I/O基座142支持两个I/O处理器模块145，然而，在基座142中可以支持(插入)更多或更少的处理器模块145。此外，I/O处理器模块145可以与相同或不同的通信协议相关联，可以是针对一个或多个不同的通信协议执行相同功能的冗余I/O处理器模块，可以包括针对I/O设备140所支持的每一个不同的通信协议的单独I/O处理器模块，或者可以包括使用不同的物理层结构来支持多个不同的通信协议的处理器模块145。此外，处理器模块145中的一个可以是或可以包括用于一个或多个不同通信协议等的一个或多个电源。

如将理解的，处理器模块145执行与通信地连接在I/O设备140的一侧(例如，图1的过程控制器11)的过程控制器的通信，并执行与设置在I/O设备140上的各种不同的电子编组部件的通信，所述电子编组部件与I/O设备140的另一侧上的现场设备通信。处理器模块145可以包括专用或通用处理器和存储器，其被编程以执行各种通信功能，包括接收和向过程控制器发送通信信号，使用一个或多个通信协议解码和编码从现场设备接收和发送到现场设备的信号，使用适当的通信协议响应来自现场设备和过程控制器的消息以将信息和消息从控制器传送到现场设备，反之亦然，跟踪耦合到I/O设备的现场设备的标识和逻辑位置(即，确定、跟踪和存储用于与连接到I/O设备的现场设备通信的通信路径和通信协议)等等。在某些情况下，处理器模块还可以包括电源或到外部电源的连接，并向连接到I/O设备140的一个或多个现场设备通信网络供电。

附加地，下部编组基座148经由一个或多个内部总线(图3中未示出)电地并通信地连接到上部基座142(并且因此连接到I/O模块145)。尽管图3中仅示出了一个下部基座148，但是多个下部基座148可以串联地连接在一起以连接到上部基座142。基座148中的每一个(同样，在图3中仅示出了其中一个)都支撑多个单独可配置的通道，其中每一个通道都包括专用插槽149A、149B等，其耦合到设置在基座148上的专用导线端子排150A、150B等。每一个导线端子排150都包括导线端接点、连接器或任何期望类型的其它附接硬件，以将端子排150连接到一个或多个现场设备，并且每一个端子排150都可以被配置为接收或连接到与不同通信协议要求的各种不同物理层中的任一个相关联的导线或物理层硬件。在一些情况下，每一个端子排150都可以被配置为接受与多个不同类型的物理层相关联的布线或物理层结构。结果，每一个端子排150都可以包括用于两条、三条、四条等导线中的每一条的螺纹导线连接器、弹簧加载导线连接器等，这些导线可以用于或兼容各种不同类型的物理层(其又支持各种不同通信协议中的任一种)。仅作为示例，每一个端子排150都可以包括导线连接器集合，其可以接受和连接与HART物理层、FOUNDATION Fieldbus物理层、以太网物理层、APL物理层或任何其它期望的物理层中的一个或多个相关联的导线。

同样，每一个插槽149都适于或被配置为接受可移除的电子编组部件(EMC)152。不同的ECM 152可以可移除地插入每个不同的插槽149A、149B等中，并且当插入到插槽149中时，可以被牢固地接收并电子连接到与特定插槽149相关联的端子排150。尽管在图3中没有明确示出，但是每一个插槽149也都经由一个或多个内部总线(在基座148和142内)连接到I/O处理器模块145，以使得I/O处理器模块145能够与插入到插槽149中任一个的ECM 152中的每一个进行通信。每一个EMC 152还包括处理器和存储器，其中，处理器可以是通用处理器或专用处理器(例如，实现为ASIC或某个其它专用硬件或固件处理器)，并且被编程为使用特定通信协议和物理层来执行与连接到基座148的端子排150的一个或多个现场设备的通信功能。每一个EMC 152的处理器都可以检测连接到相关端子排的一个或多个现场设备，使用特定的通信协议(包括例如设备标识(identity)和配置信息)向(多个)现场设备轮询特定的设备信息，可以将该信息存储在EMC 152上的本地存储器中，并且可以将该信息以及设备通信路径信息传送到前端单元中的处理器模块145。更进一步地，每一个EMC 152的处理器都可以被编程为使用特定通信协议来配置消息并将消息从处理器模块145发送到连接到相关端子排150的一个或多个现场设备，并且接收和解码(如果需要的话)来自连接到相关端子排150的一个或多个现场设备的消息，并且如果需要的话，将这些消息(经由基本单元148和142中的内部总线中的一个)传送到处理器模块145以便于处理以及到过程控制器的通信。

图4示出了图3的I/O设备140的部分机械和部分电气示意图，以示出设置在I/O设备140的基座142和148内的总线。具体地，上部基座142上的插槽170集合接收I/O处理器模块145。第一总线160连接到插槽170中的每一个。该总线160的第一部分设置在上部基部142内，并在上部基部142的边缘处终止于端接点或连接器172。总线160的第二部分在基座142的外部，并且连接到端接点或连接器172，并且延伸到另一个设备，例如延伸到图1的过程控制器11中的一个。然而，总线160可以替代地或附加地将设备140直接连接到IIoT系统(或其它监控系统)、资产管理系统或任何其它外部系统，以提供对连接到卡140的端子排的现场设备中的一个或多个的直接访问(例如，经由IP寻址系统或方案的直接访问)。如果需要，设备140可以包括两个不同的总线160A和160B作为总线160的一部分，其中这些总线160A中的一个连接到控制器(其使用第一通信协议，例如专有的或非IP通信协议)，并且这些总线160B中的另一个连接到支持或使用IP协议的物理层(如图1中的连接10a所示)。在任何情况下，总线160(和/或组成总线160的子总线160A和160B)将插槽170(尤其是，当I/O处理器模块145被设置在插槽170中时)耦合到过程控制器(诸如耦合到图1的过程控制器11)，和/或耦合到资产管理系统(例如，图1的资产管理系统77)、耦合到IIoT系统或其它监控系统、或耦合到任何其它外部系统。更进一步，第二总线162和第三总线164设置在基座142和148内并经由端接点或连接器174横跨基座142和148。总线162和164(其可以是同一总线的子总线或者其可以是单独的总线)将基座142上的插槽170(并且因此将设置在插槽170内的I/O处理器模块145)连接到下部基座148上的插槽149(并且因此连接到设置在插槽149内的EMC152)。当基座142和148首先连接在一起时，连接器174通过提供总线162和164的电连接而使基座142和148能够模块化。同样，总线162和164延伸到基座148的底部或下部部分，并且终止于另外的端接点或连接器176的集合，这使得另外的基本单元148能够机械地和电气地附接到图4中所示的基座148。这种模块化特征增加了总线162和164可以连接的插槽的数量，并且使得多个下部基座148能够以串行方式连接到单个上部基座142，这扩展了插入上部基座142的插槽170中的I/O处理器模块145的I/O能力。

如将理解的，将电子编组部件152(EMC)中的各种不同电子编组部件插入到插槽149中操作以将EMC 152的内部处理器连接到EMC 152的一侧(例如，EMC 152的输入侧)上的总线162或164中的一个(或者，在一些情况下，连接到总线162和164两者)以及连接到与EMC152的另一侧(例如，EMC 152的输出侧)上的插槽149相关联的端子排150的适当的接线端子集合。结果，当插入到插槽149中时，EMC 152将经由总线162和164中的至少一个电连接到EMC 152的输入侧上的I/O处理器模块145，并且将经由I/O处理器模块145和总线160中的一个通信地耦合到过程控制器(和/或另一个外部系统)。更进一步，EMC 152将经由用于插入EMC 152的插槽149的端子排150和将端子排150连接到(多个)现场设备的物理层(例如，导线)，连接到模块152的输出侧上的一个或多个现场设备。如将理解的，EMC 152中的不同EMC可以被配置为使用不同的物理层和不同的通信协议来与一个或多个现场设备通信。更进一步，不同类型的EMC 152将具有不同地连接到总线162和164的连接结构。因此，使用一种类型的物理层或通信协议的EMC 152可以连接到总线162，而使用第二种类型的物理层或第二种不同的通信协议的EMC 152可以连接到总线164。

因此，可以将可移除硬件模块中的不同的可移除硬件模块或EMC 152插入到插槽149中的任一个中，以经由总线162和164中的一个或两个在EMC 152中的每一个与I/O处理器模块145中的一个或两个之间提供连接，以及提供到来自各种不同现场设备的电线可以连接到的端子排150中的一个的连接。在该特定示例中，端子排150中的每一个都可以接受与各种不同类型的物理层相关联的导线，包括例如2线物理层、4线物理层、指定导线的特定厚度、类型、最小和最大长度等的物理层、调用各种类型的交换机或其它物理结构的物理层、支持无线通信的物理层等，从而当将EMC 152插入到插槽149中的不同插槽中时将不同类型的物理层连接到不同的EMC 152。如果需要，端子排150中的一些可以支持第一类型的物理层(例如，HART或4-20ma物理层)，而端子排150中的其它端子排可以支持第二类型的物理层(例如，Fieldbus或Profibus物理层)，并且另外的端子排150可以支持第三类型的物理层(例如，IP、以太网或APL物理层)。在其它情况下，端子排150中的一个或多个可以具有被配置为支持两个、三个或更多个不同类型的物理层的连接结构。

当然，EMC 152包括电连接结构，当插入到插槽149中时，电连接结构电连接到总线162和164中的一个，并且如果需要，电连接到总线162和164两者，这取决于模块152的配置，以及将EMC 152电连接到与EMC 152插入到其中的插槽149相关联的端子排150的电连接结构。同样，每一个可移除硬件EMC模块152都包括某种类型的处理器(例如，通用处理器、诸如ASIC之类的专门配置的处理器等)以及在处理器上实施以使用特定通信协议(并且使用特定物理层)执行通信的软件或固件。因此，例如，EMC 152中的不同EMC可以与不同的通信协议(以及用于这些协议的物理层)相关联、被编程为实施或使用不同的通信协议。因此，EMC152中的一些可以是可以符合HART通信协议的HART协议模块，EMC 152中的一些可以符合或使用IP通信协议，其使用APL或以太网物理层，并且EMC 152中的一些可以是符合或实现FOUNDATION Fieldbus协议的FOUNDATION Fieldbus模块。在图4的示例性示意图中，I/O设备140支持至少两种不同的通信协议，因为该设备140包括设置在前端单元或I/O处理器模块145和单独的插槽149中的每一个之间的两个不同的总线162、164。这两个不同的总线162和164中的每一个都可以与不同的物理层相关联或符合不同的物理层，并且可以支持不同的通信协议，诸如使用HART物理层的HART通信协议和使用APL物理层的IP通信协议。对两种不同协议(和两种不同物理层)的支持使得不同配置的EMC 152(其支持不同的通信协议和潜在的不同物理层)能够被插入到插槽149中的不同插槽，并且被连接以与使用这些不同协议(和物理层)的不同现场设备通信。尽管图4中示出了两个总线162和164以支持两个不同的通信协议(和/或物理层)，但是设备140可以包括三个或更多个总线以支持三个或更多个不同的通信协议和物理层。

图5-11描绘了不同的(且非限制性的)方式，其中各种不同的通信协议和物理层可以被组合在诸如图3和图4的I/O设备140之类的单个I/O设备中，并由该单个I/O设备支持，从而提供在控制器与使用不同通信协议和物理层的各种不同现场设备之间的通信。参考图5，以示意性的形式示出了与图3和图4中所示的设备140类似配置(并且因此使用硬件可配置的EMC模块)的I/O设备200。具体地，I/O设备200包括电连接到基座213的前端单元210，在该基座上各种可移除的EMC模块可以被插入插槽(图5中未明确示出)。在图5的示例性系统中，前端单元210包括多个I/O处理模块213和214，其中处理模块213中的一个被配置为执行与使用HART或4-20ma物理层和(多个)通信协议的现场设备的通信，而I/O处理模块214中的另一个被配置为使用和支持APL物理层，以使用支持APL的通信协议(诸如IP协议、以太网协议等)来执行与现场设备的通信。然而，这些I/O处理模块213和214本质上是示例性的，并且可以符合和使用其它通信协议和其它类型的物理层，以用于与现场设备的通信。

更具体地，如图5所示，将可移除的EMC模块220插入基座212的插槽(未明确示出)中的一个，并经由4-20mA通信协议和物理层执行模拟输入(AI)信号处理，以支持与传统4-20mA现场设备230的通信，该传统4-20mA现场设备连接到与所插入的模块220相关联的基座212的端子排。同样，可移除的EMC模块222经由4-20mA协议和物理层执行模拟输出(AO)信号处理，以支持与现场设备232的通信。这些EMC模块220和222中的每一个都连接到基座212中的总线162，并且总线162将这些模块连接到前端单元210中的I/O处理模块212，其执行去往和来自可移除的模块220和222的AI和AO信号的处理或复用。如图3的设备140所示，前端单元210包括可移除的I/O处理模块213(其可以是图3的模块145中的一个)，其经由外部总线160与过程控制器、资产管理系统、IIoT系统等(未示出)通信，并且其操作以执行信号调节和信号在一侧的模块220和222与另一侧的过程控制器(或其它外部系统)之间的多路复用。

此外，I/O设备200包括离散或数字输出(DO)EMC模块240和离散或数字输入(DI)EMC模块242，它们分别对发送到和来自使用例如HART通信协议和物理层的现场设备244和246的信号执行离散输出和输入信号处理。EMC模块240和242还可以连接到总线162以与前端单元210内的I/O处理模块213通信，该I/O处理模块处理和复用通过总线162发送的信号。因此，在该示例中，AI EMC模块220、AO EMC模块222、DI EMC模块240和DO EMC模块242使用4-20mA或HART 2线物理层将阀、变送器和其它现场设备230、232、244和246与I/O设备200的前端单元210互连。这些通信可以以与在美国专利号7,684,875；8,332,567；8,762,618；8,977,851；9,083,548；及9,495,313中的任一个中讨论的相同的方式执行。

然而，如图5所示，I/O设备200还接受另一个类型的可移除的EMC模块，该可移除的EMC模块与另一个类型的物理层(在这种情况下为APL物理层)相关联，并且支持用于与现场设备通信的其它通信协议(诸如任何基于IP的通信协议)。具体地，可移除的EMC模块250插入基座212的插槽中的一个插槽，并且包括实现APL现场交换机(诸如图1和图2的APL现场交换机86中的一个)的功能的APL EMC模块。在这种情况下，可移除的EMC模块250连接在总线164和与插入EMC模块250的插槽相关联的端子排之间。此外，还如图5所示，前端单元210的I/O处理模块214包括安装或设置在其中的APL电源交换机，并且该电源交换机被配置为实现图1和图2的APL电源交换机84的功能。这样，APL电源交换机214可以包括电源，连接到总线164，并且以图1和图2的APL电源交换机84操作以在图1和图2的总线88上发送和接收信号的方式操作以通过总线164和现场交换机EMC模块250执行通信。这样，在这种配置中，总线164作为APL网络上的干线总线来操作。

同样如图5所示，可插入到I/O设备200的基座212上的插槽中的APL现场交换机EMC模块250连接到与其相关联的端子排，该端子排又连接到APL支线254(其可以类似于图1和2的支线92中的一个)。支线254是APL物理层的一部分，并且包括电源交换机214、总线164、现场交换机模块250和总线254的APL物理层可以实施或使用APL物理层所支持的任何通信协议，诸如以太网协议、HART-IP协议、OPC UA协议、传统通用IP协议等，以提供(连接到总线254的)各种现场设备256与前端单元210之间的通信。应当理解的是，APL电源交换机214可以是前端单元210的扩展(即，集成到前端单元210中)，或者APL电源交换机模块214可以插入前端210中。在任一情况下，APL电源交换机模块214都包含典型APL电源交换机的电子电路，因此可以包括电源，该电源通过总线164向APL现场交换机模块250提供电源和通信信号，该电源继而通过APL网络的支线总线254向现场设备256提供电源和通信信号。在这方面，总线164可以被配置为满足APL物理层干线的要求或规范。可以理解，现场设备256可以使用由模块214和250以及总线164和254提供的APL物理层上分层的通信协议。通常，这种通信协议将是基于IP或分组的协议，并且如将理解的，现场设备256不需要支持传统的过程控制通信协议，诸如HART、Profibus、FOUNDATION Fieldbus等协议。相反，现场设备256可以使用更传统的IP接口直接通信，或者可以使用为过程控制工业开发的更鲁棒的或基于分组的通信协议，诸如当前在传统过程控制器I/O网络中不支持的HART-IP或OPC UA通信协议。该网络还支持支持请求/响应、发布/订阅、基于事件的通信和流传输通信的通信协议，这极大地帮助支持对测量和致动器数据、其能力及其诊断感兴趣的控制和工业物联网(IIoT)应用的组合。

因此，I/O设备200建立一个或多个通信网络，所述通信网络使得能够使用至少两种不同类型的物理层和覆盖在那些物理层上的各种不同的通信协议与现场设备进行通信。具体地，模块220、222、240和242连同基座单元212内的总线162一起实现第一物理层(与作为相同物理层的HART或4-20mA物理层相关联)，并且使得能够使用4-20mA通信协议和/或HART通信协议形式的传统过程控制通信协议在该第一物理层上进行通信。EMC模块220、222、240和242被编程为以已知方式执行这些类型的通信。然而另外，APL电源交换机214和APL现场交换机250连同总线164和总线254一起以APL物理层的形式实现第二且不同的物理层，并且使能使用APL物理层所支持的任何通信协议与各种现场设备256的通信。这种通信协议可以包括以太网协议、基于IP或分组的协议、HART-IP协议、OPC UA协议等。此外，因为APL物理层可以在单个支线线路上支持多达50个设备，所以图5的APL现场交换机250在连接到支线线路254时可以支持50个现场设备，从而大大增强了I/O设备的通信能力，使其超过了通常与支持HART或4-20mA物理层和相关联的通信协议的I/O设备相关联的通信能力。此外，设备200的基本单元212的附加插槽可以接受附加的APL现场交换机EMC模块(诸如APL模块250)，并且这些附加的APL现场交换机EMC模块中的每一个都可以使用APL物理层来支持附加的现场设备。这种能力大大增强了I/O设备200支持通信的能力，从而为比以往可能的更多的现场设备提供了I/O支持。

图6描绘了支持多个不同物理层和在这些物理层上的潜在不同的通信协议的输入/输出设备300(其可以与图3和图4的I/O设备140相同或相似)的另一个实施例。更具体地，图6的输入/输出设备300与图5的I/O设备200的相似之处在于，它包括总线162和I/O处理模块313，它们支持AI EMC模块220和AO EMC模块222以及DI EMC模块240和DO EMC模块240，这些模块连接到附接到其的HART和4-20mA现场设备并使用第一类型的物理层与之通信。然而，在该示例中，I/O处理模块214是在I/O设备300的前端单元310处被组合为单个单元的APL现场交换机和电源交换机。APL现场和电源交换机314通过总线164通信，总线164可以是或可以支持例如APL物理层，并且因此可以类似于APL网络的图2的支线总线92。总线164因此可以将组合的APL现场和电源交换机模块314连接到设置在基座单元312上的各种其它EMC模块。在这种情况下，将APL模块350插入基座单元312上的插槽中，并且连接到总线164，以提供组合的现场和电源交换机314与附接到与APL EMC模块350相关联的端子排的APL物理层总线254之间的通信。APL模块350因此使能在组合的APL现场和电源交换机352与APL总线254上的多个不同的现场设备256之间的通信，并且可以简单地提供编组功能，以跟踪何时将新的现场设备256添加到总线254等。此外，在该示例中，组合的APL现场和电源交换机模块314可以包括现场交换机(诸如图1的现场交换机86)和电源交换机(例如图1的电源交换机84)的电路，从而可以包括电源或连接到外部电源。此外，APL处理模块314可以通过总线164向APL EMC模块350提供电力和通信，该模块又使用任何期望的或支持的通信协议、使用APL物理层或总线254与现场设备256通信。在该示例中，因为在设备300中使用单个现场交换机314来潜在地支持多个APL可插入模块350，所以设备300所支持的现场设备的最大数量限于单个现场交换机所支持的数量(例如，当使用APL物理层时，通常为50)。尽管该配置减少了I/O设备300上所支持的现场设备的总数，但它也简化了可插入APL模块350的设计。当然，APL模块314和350可以使用APL物理层所支持的任何期望的通信协议，包括以太网IP协议、HART-IP协议、OPC UA协议或任何其它基于分组的通信协议。

图7示出了连接图5的I/O设备200以经由单个APL物理层与使用多个不同通信协议的现场设备进行通信并支持该现场设备的又一种方式。具体地，与图5的I/O设备200类似配置的输入/输出设备400包括与图5的设备200相同的元件，包括APL电源交换机214、可插入APL现场交换机模块250、以及互连电源交换机214和现场交换机250的总线164。另外，现场交换机250被示出为连接到APL物理层总线254的支线线路，而基于IP通信的现场设备256的集合直接连接到APL支线线路254。现场设备256可以使用APL支持的通信协议(包括例如通用IP协议、以太网协议、HART-IP协议、OPC UA协议等)通过线路254进行通信。然而，在该实施例中，如图7中进一步所示，现场总线接口设备410、PROFIBUS接口设备412和HART接口设备414连接到APL支线线路254，并且在其接口处支持APL物理层。具体地，Fieldbus接口设备410、PROFIBUS接口设备412和HART接口设备414包括分别与现场设备418、422和424接口的Fieldbus、PROFIBUS和HART变送器设备块，以经由APL支线总线254将这些现场设备418、420、422与现场交换机250连接。因此，如图7所示，将Fieldbus接口设备410经由Fieldbus物理层(总线或线路)430连接到各种Fieldbus设备418，将PROFIBUS接口设备412经由PROFIBUS物理层(总线或线路)432连接到各种PROFIBUS设备422，并且将HART接口设备424经由HART物理层(线路)434连接到不同的HART(或4-20mA)现场设备424。在这种情况下，总线430是支持Foundation Fieldbus通信协议的Fieldbus物理层，总线432是支持PROFIBUS通信协议的符合PROFIBUS的物理层，并且HART线434是支持HART和4-20ma通信协议的符合HART的物理层。另外，接口设备410、412和414支持Fieldbus、PROFIBUS和HART(或4-20ma)通信协议，并且作为到使用这些协议的所附接的现场设备网络的网关进行操作。

此外，在图7的网络中，接口设备410、412和414使用与用于现场设备256的通信协议相同的通信协议，经由APL支线线路(物理层)254与APL现场交换机250通信。作为示例，可以在支线线路254(和总线164)上使用HART-IP协议。然而，可以在APL物理层254上使用任何其它期望的基于分组的协议，诸如以太网协议、OPC UA协议、传统IP协议(例如，支持HTML的协议)等。如已知的，HART-IP通信协议是非时间敏感的、基于分组的协议，其支持具有特定分组类型的IP分组。在这种情况下，现场设备256和接口设备410、412及414可以使用HART-IP协议直接与现场交换机模块250通信。然而，在接口设备410、412和414与交换机250之间发送的通信分组可以在其中隧道传输其它类型的协议分组，以使能使用在耦合到接口设备410、412和414的各种子网内的其它通信协议的通信。在一个示例中，可以由物理层254上的设备通过使用HART-IP分组格式被寻址到那些设备来发送各种不同的HART-IP分组。然而，HART-IP分组的有效载荷可以包括不同类型或格式的数据，这取决于分组发送到或发送自的设备。例如，发送到或发送自现场设备256的HART-IP有效载荷可以包括可以支持传统或通用IP通信协议的现场设备256直接使用的数据(例如，HTML数据)。然而，发送到或发送自接口设备410、412和414的HART-IP消息可以被寻址到各种接口设备410、412或414(或直接寻址到现场设备418、420、422中的一个)，在这种情况下，接口设备410、412和414作为网关操作以解码HART-IP消息并识别该消息用于(或寻址到)连接到子网的现场设备中的一个。在这些情况下，HART-IP分组的有效载荷可以包括根据在关联的子网中使用的不同通信协议(诸如Fieldbus协议、PROFIBUS协议、HART协议、CAN协议等)配置的另一通信分组。在这种情况下，接口设备410、412、414解码HART-IP消息或分组，并确定该消息是否用于其子网中的现场设备中的一个。为此，接口设备410、412、414可以解码HART-IP分组的头部以确定HART-IP消息是寻址到它还是寻址到其子网络中的现场设备，和/或可能需要解码HART-IP分组的有效载荷以确定HART-IP分组的有效载荷中的消息是否寻址到其子网络中的现场设备。如果是，则接口设备410、412、414可以将HART-IP分组的有效载荷作为子网中使用的通信协议中的消息放置到其子网物理层上。同样，接口设备410、412和414可以将来自现场设备中的一个(在子网中使用的协议中)的消息打包到HART-IP分组的有效载荷字段中，并将该分组寻址到预期接收方(例如，寻址到设备400的前端单元210或甚至是耦合到设备400的控制器)，并使用HART-IP协议将HART-IP分组放置在物理层254上。

图8中示出了该协议隧道传输概念的示例，其中，在通过APL物理层254发送的HART-IP分组内隧道传输Fieldbus协议分组(用于Fieldbus接口设备410的子网络)。具体地，如图8所示，HART-IP分组500的头部可以包括消息类型字段502、消息ID字段504、状态码字段506、序列号字段508、字节计数字段510和有效载荷字段512。如上所述，与设备256中的不同设备相关联、或寻址到设备256中的不同设备的、或寻址到接口设备410、412和414的各种HART-IP分组可以在HART-IP分组500的数据有效载荷字段512内隧道传输不同类型或格式的数据。因此，寻址到Fieldbus接口设备410的消息可以在HART-IP分组500的数据或有效载荷字段512中隧道传输Fieldbus协议分组。如图8所示，在HART-IP分组500的有效载荷字段512内隧道传输Fieldbus协议分组520。Fieldbus协议分组520包括定界符字段522、地址字段524、命令字段526、字节计数字段528、数据字段530和校验字节字段532，如FOUNDATIONFieldbus通信协议所要求的。因此，分组520的数据字段530内的数据可以包括用于接口设备410的子网内的特定现场设备418(如地址字段524所定义)的FOUNDATION Fieldbus数据，如Fieldbus协议所指定的。以这种方式，Fieldbus分组520在HART-IP分组500内通过APL物理层254被隧道传输，并且作为分组在Fieldbus物理层430上被直接发送。同样，Fieldbus接口设备410可以把从现场设备418发送的Fieldbus分组打包到HART-IP分组内，并且通过APL物理层254(交换机250和总线164)将这些消息发送到例如I/O设备400的前端单元210，其然后可以获得并解码Fieldbus分组，如通常在Fieldbus协议I/O设备内进行的那样，并且将设备数据传送到控制器11。另外，将理解的是，除了PROFIBUS分组将包括如PROFIBUS协议所指定的消息并且HART分组将包括如HART协议所定义的消息之外，可以以相同的方式在图8的HART-IP分组500内隧道传输PROFIBUS协议分组和HART协议分组。同样，设备256和物理层254上的其它设备和现场交换机250发送到的消息、从它们发送的消息或在它们之间发送的消息可以以任何期望的方式包括或使用HART-IP分组中的数据或有效载荷字段512，并且因此对于该数据可以例如使用更传统的IP数据协议，诸如HTML数据协议。

当然，在物理层254上可以使用其它类型的通信协议来代替HART-IP协议，诸如以太网协议、OPC UA协议或任何其它基于分组的协议，并且这些协议可以是时间敏感的或非时间敏感的协议。同样，可以在APL物理层254上使用的IP或其它基于分组的协议内隧道传输诸如其它过程控制协议之类的其它协议。更进一步地，可以在APL物理层254上使用的协议的分组内隧道传输任何数量的不同协议，使得APL物理层254可以支持多个不同的通信协议以及与多个不同的通信协议相关联的设备。

图9示出了与图5的输入/输出设备200类似的另一个输入/输出设备600，除了APL现场交换机250支持有线设备集合之外，APL现场交换机250支持无线网络(例如，WirelessHART网络)。在这种情况下，插入到设备600的基座212中的现场交换机模块250连接到无线发射机设备610，其向各种不同的无线发射机或现场设备620发射信号。无线发射机设备610可以是到无线网络(诸如无线网状网络，例如无线HART网络)的网关，或者可以是到任何其它类型的无线网络的网关。APL现场交换机250可以使用APL物理层来实现现场交换机250与网关设备610之间的有线连接622，并且可以使用任何期望的基于IP或分组的通信协议来引导物理层622上的通信。在一个示例中，现场交换机250可以使用HART-IP通信协议在总线622上进行通信，并且网关610可以以任何已知或期望的方式将HART-IP协议消息转换成WirelessHART消息。同样，网关610可以放置从无线现场设备620接收的分组或解码分组，并且将这些分组放置到要通过APL物理层622发送到现场交换机250的HART-IP通信协议或任何其它基于IP或基于分组的协议中(或以其它方式转换这些信号)，并且从那里经由总线164发送到电源交换机252和前端单元210。

图10示出了输入/输出设备700的另一个实施例，其非常类似于图9的设备600，除了APL现场交换机250支持连接到包括现场设备620的无线网络中的多个无线发射机610。无线接口设备610可以是冗余设备，因此现场交换机250可以发送相同的消息或从那些冗余设备接收相同的消息，以便在现场设备620的网状网络内提供冗余。图10的配置可以用在例如其中需要冗余的安全实现第二级(SIL2)应用中。当然，类似于图9的实施例的描述，现场交换机250可以在APL物理层622上使用任何期望的协议，以在无线网关设备610和前端单元210之间提供通信。此外，在图10的实施例中，诸如无线网状网络现场设备620的HART设备可以使它们的协议在SIL2适合的协议内被隧道传输。

图11示出了有线SIL 2应用，其中输入/输出设备800具有经由有线设备和有线链路连接到各种不同无线发射机或设备720的现场交换机模块250，这些无线发射机或设备可以是在输入/输出设备700不直接支持的无线网状网络内的现场设备，但是其中设备700可以用作到无线网络的冗余连接，或者可以用于从无线网络中的设备获得信息，而不影响该无线网络内的通信网络的操作。以这种方式，用户可以例如使用连接在回路中的常规硬接线设备来创建可寻址的烟火系统，同时仍然在使用SIL 2协议的SIL2实现内。

尽管本文描述的输入/输出设备通常被描述为使用APL物理层来支持更传统的基于IP的通信网络，但是这些I/O设备可以使用支持任何通用的基于IP的通信协议的任何其它物理层，诸如以太网物理层等。更进一步地，本文描述的I/O设备可以支持物理层和通信协议的任何期望的组合，包括一个或多个传统过程通信物理层(例如，HART、FOUNDATIONFieldbus、PROFIBUS、CAN等)与一个或多个通用IP物理层(例如，APL物理层、以太网物理层等)和协议(基于IP的协议、以太网协议、HART-IP协议、OPC UA协议)等的组合。此外，本文描述的I/O设备可以支持两个或更多传统过程控制物理层和通信协议(例如，HART和Fieldbus物理层和协议)的组合，或者两个或更多传统或通用IP物理层和协议的组合。

因此，可以看出，本文所描述的输入/输出设备使用单个输入/输出设备使能或提供对现场设备的支持，该单个输入/输出设备支持多个不同的物理层并且支持经由不同物理层对不同通信协议的使用。由此，该输入/输出设备使能在过程工厂内容易地和无缝地支持新类型的现场设备(例如，使用更传统的基于IP的通信进行通信的现场设备)。此外，该I/O设备使得不同类型的现场设备(即，使用不同物理层和不同通信协议的现场设备)能够集成在同一I/O设备之下并由其支持。另外，因为该I/O设备使用硬件可配置的模块将现场设备和现场设备网络连接到I/O设备，所以现场设备网络可以被实时配置，以便支持不同通信协议的不同物理层可以在I/O设备上的任何期望位置或端子排处连接到I/O设备，可以将适合于通信协议和物理层的适当硬件模块或EMC模块插入到与端子排相关联的插槽中，并且EMC模块可以自动检测现在经由物理层连接到EMC模块的现场设备的类型和标识。EMC模块然后可以将该配置信息提供给I/O设备的前端单元，其可以注册用于与检测到的现场设备通信的正确路径和通信协议，并且EMC模块可以将该配置信息提供给控制器，该控制器可以使用该路径和协议信息与现场设备通信。此外，控制器可以将该配置信息提供给配置数据库，并且当现场设备连接到I/O设备并且检测到配置信息时，该控制器用现场设备信息填充该数据库。更进一步，尽管将本文描述的示例I/O设备中的许多个示出为包括两个或更多个I/O处理模块，其中一个处理模块通常用于支持一种类型的物理层和通信协议，但本文描述的I/O设备可以具有与其相关联的单个处理模块，该单个处理模块经由两个或更多个内部总线连接到不同的现场设备，而且该单个I/O处理模块可以支持多个(两个、三个等等)不同的物理层和通信协议。

当以软件实现时，本文描述的应用、模块等中的任一个可以被存储在任何实体非暂时性计算机可读存储器中，诸如在磁盘、激光盘、固态存储器设备、分子存储器存储设备或其它存储介质上、计算机或处理器的RAM或ROM中等。尽管本文公开的示例性系统被公开为包括在硬件上执行的软件和/或固件以及其它部件，但是应当注意，这种系统仅仅是说明性的，并且不应当被认为是限制性的。例如，可以设想，这些硬件、软件和固件部件中任一个或全部可以专门以硬件、专门以软件或以硬件和软件的任何组合来实现。因此，尽管本文描述的示例性系统被描述为在一个或多个计算机设备的处理器上执行的软件中实现，但是本领域普通技术人员将容易理解，所提供的示例不是实现这种系统的唯一方式。

因此，尽管已经参考特定示例描述了本发明，但是这些示例仅旨在说明而不是限制本发明，对于本领域普通技术人员而言，将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所公开的实施例进行改变、添加或删除。

任何具体实施例的特定特征、结构和/或特性可以以任何适当的方式和/或以任何适当的组合与一个和/或多个其它实施例组合，包括使用所选择的特征而相应地使用或不使用其它特征。此外，可以进行许多修改以使特定应用、情况和/或材料适应本发明的实质范围或精神。应当理解的是，根据本文的教导，本文描述和/或示出的本发明的实施例的其它变化和/或修改是可能的，并且应当被认为是本发明的精神或范围的一部分。本发明的某些方面在本文中作为示例性方面进行描述。

Claims

1.一种输入/输出设备，所述输入/输出设备用于在过程控制系统使用以将多个现场设备通信地耦合到过程控制器，所述输入/输出设备包括：

前端单元，包括第一基本单元和设置在所述第一基本单元上的一个或多个处理器模块；

第一总线，设置在所述第一基本单元中并且通信地耦合到所述一个或多个处理器模块，所述第一总线连接到外部连接器，所述外部连接器适于通信地耦合到所述过程控制器；

第二基本单元，通信地耦合到所述第一基本单元，所述第二基本单元包括：

多个编组单元，设置在所述第二基本单元上，每一个编组单元都包括存储器和用于执行通信的处理器；以及

不同端子排，与所述编组单元中的每一个相关联，其中，每一个端子排都接受用于将所述端子排通信地耦合到所述现场设备中的一个或多个的布线；以及

第二总线和第三总线，设置在所述第一基本单元和所述第二基本单元上，其中，所述第二总线和所述第三总线将所述一个或多个处理器模块通信地耦合到所述多个编组单元；

其中，所述编组单元中的第一编组单元与一组一个或多个现场设备相关联，并且使用第一类型的物理层执行与所述一组一个或多个现场设备的通信，并且所述编组单元中的第二编组单元与不同组的一个或多个现场设备相关联，并且使用不同于所述第一类型的物理层的第二类型的物理层执行与所述不同组的一个或多个现场设备的通信，并且其中，与所述第一编组单元相关联的所述端子排接受所述第一类型的物理层，并且与所述第二编组单元相关联的所述端子排接受所述第二类型的物理层。

2.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述第一编组单元支持经由所述第一类型的物理层使用第一通信协议的通信，并且所述第二编组单元支持经由所述第二类型的物理层使用第二通信协议的通信，所述第二通信协议与所述第一通信协议不同。

3.根据权利要求2所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是通用IP通信协议，并且所述第二通信协议是过程控制通信协议。

4.根据权利要求3所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是以太网通信协议，并且所述第二通信协议是HART通信协议。

5.根据权利要求3所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是HART-IP通信协议或OPC UA通信协议。

6.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述第二总线支持使用所述第一物理层在所述第一编组单元与所述处理器模块之间的通信，并且所述第三总线支持使用所述第二物理层在所述第二编组单元与所述处理器模块之间的通信。

7.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括电源，所述电源用于为经由所述第一物理层使用第一通信协议的现场设备供电。

8.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括用于为经由所述第一物理层使用第一通信协议的现场设备供电的第一电源，并且包括用于为经由所述第二物理层使用第二通信协议的现场设备供电的第二电源。

9.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括符合所述第一物理层的第一交换机，并且所述编组单元包括符合所述第一物理层的第二交换机。

10.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括电源和符合所述第一物理层的交换机。

11.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述编组单元能够插入所述第二基本单元并且能够从所述第二基本单元中移除，并且其中，所述编组单元中的每一个编组单元在被插入到所述第二基本单元中时都通信地耦合到所述第二总线或所述第三总线中的一个并且仅一个总线，并且通信地耦合到相关联的端子排。

12.根据权利要求11所述的输入/输出设备，其中，所述第二基本单元包括多个插槽，可移除的编组单元中的每一个都可以插入所述插槽中。

13.根据权利要求12所述的输入/输出设备，其中，所述第二总线和所述第三总线中的每一个都通信地耦合到所述插槽中的每一个。

14.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述处理器模块支持使用不同通信协议在所述第二总线和所述第三总线两者上的通信。

15.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述处理器模块包括用于经由所述第二总线以及耦合到所述第二总线的一个或多个编组单元与现场设备通信的第一处理器单元，以及用于经由所述第三总线以及耦合到所述第三总线的一个或多个编组单元与现场设备通信的第二处理器单元。

16.根据权利要求1所述的输入/输出设备，其中，所述处理器模块包括用于使用第一通信协议经由所述第二总线以及耦合到所述第二总线的一个或多个编组单元与现场设备通信的第一处理器单元，以及用于使用不同于所述第一通信协议的第二通信协议经由所述第三总线以及耦合到所述第三总线的一个或多个编组单元与现场设备通信的第二处理器单元。

17.一种输入/输出设备，所述输入/输出设备用于在过程控制系统使用以将多个现场设备通信地耦合到过程控制器，所述输入/输出设备包括：

基座；

前端单元，设置在所述基座上，所述前端单元包括一个或多个处理器模块；

第一总线，设置在所述基座上并通信地耦合到所述一个或多个处理器模块，所述第一总线连接到所述基座上的外部连接器，所述外部连接器适于将所述第一总线通信地耦合到所述过程控制器；

多个插槽，设置在所述基座上；

多个端子排，其中每一个端子排都通信地耦合到所述多个插槽中的不同的插槽，并且其中，每一个端子排都接受用于将所述端子排通信地耦合到所述现场设备中的一个或多个的布线；

第二总线，设置在所述基座上，所述第二总线将所述一个或多个处理器模块通信地耦合到所述多个插槽中的每一个插槽；以及

多个编组单元，其中，所述多个编组单元中的每一个都包括存储器和用于执行通信的处理器，并且其中，所述多个编组单元中的每一个都能够插入到所述插槽中的任一插槽中，从而当插入到所述插槽中的一个插槽中时，一个编组单元通信地耦合到所述端子排中的一个端子排和所述第二总线；

其中，所述编组单元中的第一编组单元与所述现场设备中的一组一个或多个现场设备相关联并且使用第一类型的物理层执行与所述场设备中的一组一个或多个现场设备的通信，并且所述编组单元中的第二编组单元与所述现场设备中的不同组的一个或多个现场设备相关联并且使用不同于所述第一类型的物理层的第二类型的物理层执行与所述现场设备中的不同组的一个或多个现场设备的通信，并且其中，当所述编组单元中的所述第一编组单元被插入到所述插槽中的第一插槽中时，与所述插槽中的所述第一插槽相关联的所述端子排接受所述第一类型的物理层，并且其中，当所述编组单元中的所述第二编组单元被插入到所述插槽中的第二插槽中时，与所述插槽中的所述第二插槽相关联的所述端子排接受所述第二类型的物理层。

18.根据权利要求17所述的输入/输出设备，其中，所述第二总线包括耦合在所述一个或多个处理器模块与所述插槽中的每一个插槽之间的第一子总线，并且包括耦合在所述一个或多个处理器模块与所述插槽中的每一个插槽之间的第二子总线。

19.根据权利要求18所述的输入/输出设备，其中，所述第一子总线支持使用所述第一物理层的通信，并且所述第二子总线支持使用所述第二物理层的通信。

20.根据权利要求18所述的输入/输出设备，其中，所述一个或多个处理器模块包括经由所述第一物理层与耦合到所述输入/输出设备的所述现场设备通信的第一处理器单元，并且包括经由所述第二物理层与耦合到所述输入/输出设备的所述现场设备通信的第二处理器单元。

21.根据权利要求20所述的输入/输出设备，其中，所述第一处理器单元使用第一通信协议经由所述第一物理层与耦合到所述输入/输出设备的所述现场设备进行通信，并且其中，所述第二处理器单元使用不同于所述第一通信协议的第二通信协议经由所述第二物理层与耦合到所述输入/输出设备的所述现场设备进行通信。

22.根据权利要求21所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是通用IP通信协议，并且所述第二通信协议是过程控制通信协议。

23.根据权利要求18所述的输入/输出设备，其中，所述编组单元中的所述第一编组单元在被插入到所述多个插槽中的任一个插槽时与所述第一子总线通信地连接以支持所述第一物理层，并且所述编组单元中的所述第二编组单元在被插入到所述多个插槽中的任一个插槽时连接到所述第二子总线以支持所述第二物理层。

24.根据权利要求17所述的输入/输出设备，其中，所述第一编组单元支持经由所述第一类型的物理层使用第一通信协议的通信，并且所述第二编组单元支持经由所述第二类型的物理层使用第二通信协议的通信，所述第二通信协议不同于所述第一通信协议。

25.根据权利要求17所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括电源，所述电源用于为经由所述第一物理层使用第一通信协议的现场设备供电。

26.根据权利要求17所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括用于为经由所述第一物理层使用第一通信协议的现场设备供电的第一电源，并且包括用于为经由所述第二物理层使用第二通信协议的现场设备供电的第二电源。

27.根据权利要求17所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括用于在所述第一物理层上使用的第一交换机，并且所述编组单元中的一个编组单元经由所述第二总线通信连接到所述第一交换机，并包括用于所述第一物理层的第二交换机。

28.根据权利要求17所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括电源和符合所述第一物理层的交换机，并且所述编组单元中的一个编组单元经由所述第二总线通信连接到所述前端单元中的所述电源和所述交换机，并使用所述第一物理层执行一个或多个现场设备与所述电源和交换机之间的通信。

29.一种用于控制过程工厂的过程控制系统，包括：

过程控制器；

多个现场设备，用于执行所述过程工厂内的控制功能，其中，所述多个现场设备中的第一现场设备使用第一通信协议，所述第一通信协议使用第一类型的物理层，并且所述多个现场设备中的第二现场设备使用第二通信协议，所述第二通信协议使用第二类型的物理层，其中，所述第一类型的物理层和所述第二类型的物理层是不同类型的物理层，并且其中，所述第一通信协议不同于所述第二通信协议；

输入/输出设备，耦合在所述过程控制器与所述多个现场设备中的每一个现场设备之间，所述输入/输出设备包括，

基座；

前端单元，设置在所述基座上，所述前端单元包括一个或多个输入/输出处理器模块；

第一总线，设置在所述基座上并且通信地耦合在所述一个或多个输入/输出处理器模块与所述过程控制器之间；

多个插槽，设置在所述基座上；

多个端子排，设置在所述基座上，每一个端子排都通信地耦合到所述多个插槽中的一个不同的插槽，并且其中，每一个端子排都接受用于将所述端子排通信地耦合到所述多个现场设备中的一个或多个现场设备的布线；

第二总线，设置在所述基座上，所述第二总线将所述一个或多个输入/输出处理器模块通信地耦合到所述多个插槽中的每一个插槽；以及

多个编组单元，其中，所述多个编组单元中的每一个编组单元都包括存储器和用于执行通信的处理器，并且其中，所述多个编组单元中的每一个都能够插入到所述插槽中的一个插槽中，从而当插入到所述插槽中的一个插槽中时，一个编组单元通信地耦合到所述端子排中的一个端子排和所述第二总线；

其中，所述编组单元中的第一编组单元与所述现场设备中的所述第一现场设备相关联并且使用所述第一类型的物理层执行与所述现场设备中的所述第一现场设备的通信，并且所述编组单元中的第二编组单元与所述现场设备中的所述第二现场设备相关联并且使用所述第二类型的物理层执行与所述现场设备中的所述第二个现场设备的通信，并且其中，当所述编组单元中的所述第一编组单元被插入到所述插槽中的第一插槽中时，与所述插槽中的所述第一插槽相关联的所述端子排接受所述第一类型的物理层，并且其中，当所述编组单元中的所述第二编组单元被插入到所述插槽中的第二插槽中时，与所述插槽中的所述第二插槽相关联的所述端子排接受所述第二类型的物理层。

30.根据权利要求29所述的过程控制系统，其中，所述第一物理层是支持通用IP通信协议的物理层，并且所述第二物理层是支持过程控制通信协议的物理层。

31.根据权利要求30所述的过程控制系统，其中，所述第一通信协议是以太网通信协议，并且所述第二通信协议是HART通信协议。

32.根据权利要求29所述的过程控制系统，其中，所述端子排中的每一个都被配置为接受用于所述第一物理层和所述第二物理层两者的布线。

33.根据权利要求29所述的过程控制系统，其中，所述第二总线包括第一子总线和第二子总线，其中，所述第一子总线支持使用所述第一物理层在所述第一编组单元与所述一个或多个输入/输出处理器模块之间的通信，并且所述第二子总线支持使用所述第二物理层在所述第二编组单元与所述一个或多个输入/输出处理器模块之间的通信。

34.根据权利要求33所述的过程控制系统，其中，所述编组单元能够插入所述基本单元和能够从所述基本单元中移除，并且其中，所述编组单元中的每一个在被插入所述基本单元上的插槽时通信地耦合到所述第一子总线或所述第二子总线中的一个且仅一个，并且通信地耦合到相关联的端子排。

35.根据权利要求33所述的过程控制系统，其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块支持使用不同通信协议在所述第一子总线和所述第二子总线二者上的通信。

36.根据权利要求33所述的过程控制系统，其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括第一处理器单元，用于经由所述第一子总线与现场设备进行通信，并且所述输入/输出设备包括耦合到所述第一子总线的一个或多个编组单元，并且其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括第二处理器单元，用于经由所述第二子总线与现场设备通信，并且所述输入/输出设备包括耦合到所述第二子总线的一个或多个编组单元。

37.根据权利要求33所述的过程控制系统，其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括用于经由所述第一子总线与现场设备进行通信的第一处理器单元，以及使用第一通信协议耦合到所述第一子总线的一个或多个编组单元，并且其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括用于经由所述第二子总线与现场设备进行通信的第二处理器单元，以及使用不同于所述第一通信协议的第二通信协议耦合到所述第二子总线的一个或多个编组单元。

38.根据权利要求29所述的过程控制系统，其中，所述前端单元包括电源，用于为经由所述第一物理层第一通信协议供电。

39.根据权利要求29所述的过程控制系统，其中，所述前端单元包括用于为经由所述第一物理层使用第一通信协议的现场设备供电的第一电源，其中，编组单元包括存储器和用于执行通信的处理器，并且包括用于为经由所述第二物理层使用第二通信协议的现场设备供电的第二电源。

40.根据权利要求29所述的过程控制系统，其中，所述前端单元包括用于在所述第一物理层上使用的第一交换机，并且所述编组单元中的一个编组单元包括用于在所述第一物理层上使用的第二交换机。

41.根据权利要求29所述的过程控制系统，其中，所述前端单元包括电源和符合所述第一物理层的交换机。

42.一种用于控制过程工厂的过程控制系统，包括：

过程控制器；

多个现场设备，用于执行所述过程工厂内的控制功能，其中，第一组所述多个现场设备使用第一通信协议，所述第一通信协议使用第一类型的物理层，并且第二组所述多个现场设备使用第二通信协议，所述第二通信协议使用第二类型的物理层，其中，所述第一类型的物理层和所述第二类型的物理层是不同类型的物理层，并且其中，所述第一通信协议不同于所述第二通信协议；

基座；

第一总线，设置在所述基座上并且通信地耦合到所述一个或多个输入/输出处理器模块，所述第一总线通信地耦合到所述过程控制器；

第二总线和第三总线，设置在所述基座上，所述第二总线和所述第三总线通信地耦合到所述一个或多个输入/输出处理器模块；

多个编组单元，设置在所述基座上，其中，所述多个编组单元中的每一个都包括存储器和用于执行通信的处理器，并且其中，所述多个编组单元中的每一个都经由所述第二总线或所述第三总线通信地耦合到所述一个或多个输入/输出处理器模块；以及

多个端子排，设置在所述基座上，每一个端子排都通信地耦合到所述多个编组单元中的不同的编组单元，并且其中，每一个端子排都接受用于将所述端子排通信地耦合到所述多个现场设备中的一个或多个现场设备的布线；

其中，所述编组单元中的第一编组单元与所述第一组现场设备中的至少一个现场设备相关联并且使用所述第一类型的物理层执行与所述第一组现场设备中的至少一个现场设备的通信，并且所述编组单元中的第二编组单元与所述第二组现场设备中的至少一个现场设备相关联并且使用所述第二类型的物理层执行与所述第二组现场设备中的至少一个现场设备的通信。

43.根据权利要求42所述的过程控制系统，其中，所述第一编组单元使用所述第一通信协议与所述第一组现场设备中的一个现场设备通信，并且所述第二编组单元使用所述第二通信协议与所述第二组现场设备中的一个现场设备通信。

44.根据权利要求42所述的过程控制系统，其中，所述基座包括多个插槽，并且其中，所述编组单元中的每一个都适于能够插入地安装在所述插槽中的一个插槽中，以将所述编组单元连接到所述第二总线或所述第三总线中的一个以及所述端子排中的一个端子排。

45.根据权利要求44所述的过程控制系统，其中，每一个插槽都通信地耦合到所述第二总线和所述第三总线中的每一个。

46.根据权利要求45所述的过程控制系统，其中，所述第二总线支持使用所述第一物理层在所述第一编组单元与所述一个或多个输入/输出处理器模块中的一个输入/输出处理器模块之间的通信，并且第三总线支持使用所述第二物理层在所述第二编组单元与所述一个或多个输入/输出处理器模块中的一个输入/输出处理器模块之间的通信。

47.根据权利要求45所述的过程控制系统，其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块支持使用不同通信协议在所述第二总线和所述第三总线上的通信。

48.根据权利要求45所述的过程控制系统，其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括用于经由所述第二总线与现场设备进行通信的第一处理器单元，并且所述输入/输出设备包括耦合到所述第二总线的一个或多个编组单元，并且其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括用于经由所述第三总线与现场设备进行通信的第二处理器单元，并且所述输入/输出设备包括耦合到所述第三总线的一个或多个编组单元。

49.根据权利要求45所述的过程控制系统，其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括用于使用第一通信协议经由所述第二总线与现场设备进行通信的第一处理器单元，并且所述输入/输出设备包括耦合到所述第二总线以使用所述第一通信协议与所述现场设备中的一个或多个进行通信的一个或多个编组单元，并且其中，所述一个或多个输入/输出处理器模块包括用于使用第二通信协议经由所述第三总线与所述现场设备中的一个或多个进行通信的第二处理器单元，并且所述输入/输出设备包括耦合到所述第三总线以使用所述第二通信协议与所述现场设备中的一个或多个进行通信的一个或多个编组单元，其中，所述第一通信协议不同于所述第二通信协议。

50.根据权利要求42所述的过程控制系统，其中，所述前端单元包括电源，用于经由所述第一物理层为第一通信协议供电。

51.根据权利要求42所述的过程控制系统，其中，所述前端单元包括用于为经由所述第一物理层使用第一通信协议的现场设备供电的第一电源，以及包括用于为经由所述第二物理层使用第二通信协议的现场设备供电的第二电源。

52.一种用于提供外部设备与多个现场设备之间的通信的输入/输出设备，包括：

基座；

前端单元，设置在所述基座上，所述前端单元包括处理器模块；

第一总线，设置在所述基座上并且通信地耦合到所述处理器模块，所述第一总线连接到所述基座上的外部连接器，所述外部连接器适于将所述第一总线通信地耦合到所述外部设备；

多个插槽，设置在所述基座上；

第二总线，设置在所述基座上，将所述处理器模块通信地耦合到所述多个插槽中的每一个插槽；以及

多个编组单元，其中，所述多个编组单元中的每一个都包括存储器和用于执行通信的处理器，并且其中，所述多个编组单元中的每一个都能够插入到所述插槽中的任一插槽中，从而当被插入到所述插槽中的一个插槽中时，一个编组单元通信地耦合到所述端子排中的一个端子排和所述第二总线；

其中，所述编组单元中的第一编组单元与所述现场设备中的一组一个或多个现场设备相关联，并且使用与IP通信协议相关联的第一类型的物理层执行与所述现场设备中的一组一个或多个现场设备的通信，并且所述编组单元中的第二编组单元与所述现场设备中的不同组的一个或多个现场设备相关联，并且使用与所述IP通信协议相关联的所述第一类型的物理层执行与所述现场设备中的不同组的一个或多个现场设备的通信。

53.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述处理器模块包括第一处理器单元，所述第一处理器单元使用所述第一通信协议经由所述第一类型的物理层与耦合到所述输入/输出设备的所述现场设备进行通信。

54.根据权利要求53所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是通用IP通信协议。

55.根据权利要求53所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是以太网通信协议。

56.根据权利要求53所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是HART-IP通信协议。

57.根据权利要求53所述的输入/输出设备，其中，所述第一通信协议是OPC UA通信协议。

58.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述第一类型的物理层是高级物理层(APL)物理层。

59.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述第一类型的物理层是以太网物理层。

60.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括电源，用于为经由所述第一类型的物理层使用第一通信协议的现场设备供电。

61.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括符合所述第一类型的物理层的第一交换机，并且所述第一编组单元或所述第二编组单元中的一个包括符合所述第一类型的物理层的第二交换机。

62.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述前端单元包括电源和符合所述第一类型的物理层的交换机。

63.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述处理器模块能够移除地安装在所述基座上。

64.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述编组单元中的所述第一编组单元经由所述端子排中的一个端子排，通过所述第一类型的物理层通信地耦合到一个或多个现场设备接口设备，并使用所述第一通信协议与所述一个或多个现场设备接口设备进行通信，其中，所述现场设备接口设备中的一个现场设备接口设备经由不同于所述第一类型的物理层的第二类型的物理层耦合到一个或多个现场设备。

65.根据权利要求64所述的输入/输出设备，其中，所述现场设备接口设备中的一个现场设备接口设备经由所述第二类型的物理层通信地耦合到所述一个或多个现场设备，并经由不同于所述第一通信协议的第二通信协议通过所述第二类型的物理层与所述一个或多个现场设备通信。

66.根据权利要求65所述的输入/输出设备，其中，所述第二通信协议是过程控制通信协议。

67.根据权利要求66所述的输入/输出设备，其中，所述第二通信协议是HART、Fieldbus、PROFIBUS或CAN通信协议中的一个。

68.根据权利要求65所述的输入/输出设备，其中，所述编组单元中的所述第一编组单元通过所述第一类型的物理层在所述第一通信协议的通信分组内隧道传输根据所述第二通信协议配置的通信分组，所述第一类型的物理层将所述编组单元中的所述第一编组单元耦合到所述现场设备接口设备。

69.根据权利要求65所述的输入/输出设备，其中，所述编组单元的所述第一编组单元使用所述第一通信协议直接与耦合到所述第一类型的物理层的一个或多个另外的现场设备通信。

70.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述第一编组单元经由包括无线通信链路的第一类型的物理层耦合到所述现场设备中的一个或多个现场设备。

71.根据权利要求52所述的输入/输出设备，其中，所述第一编组单元根据所述第一类型的物理层和无线网关经由有线连接耦合到所述现场设备中的一个或多个现场设备，其中，所述无线网关被配置为经由无线通信物理层与一个或多个现场设备通信。

72.根据权利要求71所述的输入/输出设备，其中，所述无线通信物理层符合所述第一类型的物理层。

73.一种用于与过程工厂中的一个或多个现场设备进行通信的现场设备访问系统，所述现场设备耦合到过程控制器，所述现场设备访问系统包括：

基座；

第一总线，设置在所述基座上并且通信地耦合在所述一个或多个输入/输出处理器模块与外部设备之间；

多个插槽，设置在所述基座上；

多个端子排，设置在所述基座上，每一个端子排都通信地耦合到所述多个插槽中的不同的插槽，并且其中，每一个端子排都接受用于将所述端子排通信地耦合到所述多个现场设备中的一个或多个现场设备的布线；

第二总线，设置在所述基座上，将所述一个或多个输入/输出处理器模块通信地耦合到所述多个插槽中的每一个插槽；以及

多个编组单元，其中，所述多个编组单元中的每一个都包括存储器和用于执行通信的处理器，并且其中，所述多个编组单元中的每一个都能够插入到所述插槽中的一个插槽中，从而当插入到所述插槽中的一个插槽中时，一个编组单元通信地耦合到所述端子排中的一个端子排和所述第二总线；

其中，所述编组单元中的第一编组单元与所述现场设备中的所述第一现场设备相关联并且使用所述第一类型的物理层执行与所述现场设备中的所述第一现场设备的通信，并且所述编组单元中的第二编组单元与所述现场设备中的所述第二现场设备相关联并且使用所述第二类型的物理层执行与所述现场设备中的所述第二现场设备的通信，并且其中，当所述编组单元中的所述第一编组单元被插入到所述插槽中的所述第一插槽中时，与所述插槽中的所述第一插槽相关联的所述端子排接受所述第一类型的物理层，并且其中，当所述编组单元中的所述第二编组单元被插入到所述插槽中的第二插槽中时，与所述插槽中的所述第二插槽相关联的所述端子排接受所述第二类型的物理层。

74.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，其中，所述外部设备是监控系统中的设备。

75.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，其中，所述外部设备是资产管理系统中的设备。

76.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，其中，所述外部设备是过程控制器。

77.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，还包括另外的总线，其设置在所述基座上并通信地耦合在所述一个或多个输入/输出处理器模块与所述过程控制器之间。

78.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，其中，所述编组单元中的所述第一编组单元使用所述第一类型的物理层并且使用网际协议通信协议来执行与所述现场设备中的所述第一现场设备的通信。

79.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，其中，所述编组单元中的第一编组单元使用所述第一类型的物理层并且使用利用发布/订阅消息传送的通信协议来执行与所述现场设备中的所述第一现场设备的通信。

80.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，其中，所述编组单元中的所述第一编组单元使用所述第一类型的物理层并且使用利用响应/请求命令的通信协议来执行与所述现场设备中的所述第一现场设备的通信。

81.根据权利要求73所述的现场设备访问系统，其中，所述编组单元中的所述第一编组单元使用所述第一类型的物理层并使用利用设备消息内的设备寻址的通信协议来执行与所述现场设备中的所述第一现场设备的通信。

82.一种用于与过程工厂中的一个或多个现场设备进行通信的现场设备访问系统，所述现场设备耦合到过程控制器并被配置为执行所述过程工厂内的控制功能，所述现场设备访问系统包括：

基座；

多个插槽，设置在所述基座上；

多个编组单元，其中，所述多个编组单元中的每一个编组单元都包括存储器和用于执行通信的处理器，并且其中，所述多个编组单元中的每一个编组单元都能够插入所述多个插槽中的一个插槽中，从而当插入所述多个插槽中的一个插槽时，一个编组单元通信地耦合到所述多个端子排中的一个端子排和所述第二总线，其中，所述编组单元中的每一个编组单元都与一个或多个现场设备相关联并且使用物理层执行与所述一个或多个现场设备的通信，所述物理层支持网际协议(IP)通信并且使用IP通信协议执行与所述一个或多个现场设备的通信。

83.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，其中，所述外部设备是监控系统中的设备。

84.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，其中，所述外部设备是资产管理系统中的设备。

85.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，其中，所述外部设备是过程控制器。

86.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，还包括另外的总线，其设置在所述基座上并通信地耦合在所述一个或多个输入/输出处理器模块与所述过程控制器之间。

87.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，其中，所述编组单元中的至少一个编组单元使用利用发布/订阅消息传送的IP通信协议与所述一个或多个现场设备进行通信。

88.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，其中，所述编组单元中的至少一个编组单元使用利用响应/请求命令的IP通信协议执行与所述一个或多个现场设备的通信。

89.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，其中，所述编组单元中的至少一个编组单元使用利用设备消息内的设备寻址的IP通信协议执行与所述一个或多个现场设备的通信。

90.根据权利要求82所述的现场设备访问系统，其中，所述物理层是以太网物理层或高级物理层(APL)中的一个。