CN113811824A - 用于管理和优化现场设备和自动化设备之间的连接的系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于管理工业设施（100）中的连接的系统（107）、设备（101）和方法（300）。在一个方面中，系统（107）包括一个或多个现场设备（102 A‑N）；一个或多个自动化设备（103）；和可自配置设备（101）。可自配置设备（101）适于基于一个或多个现场设备（102A‑N）和一个或多个自动化设备（103）的类型来动态配置，使得可自配置设备（101）管理一个或多个现场设备（102A‑N）和一个或多个自动化设备（103）之间的连接。可自配置设备（101）适于校准一个或多个现场设备（102A‑N）并管理工业设施（100）中的自动化功能。

Description

用于管理和优化现场设备和自动化设备之间的连接的系统、 设备和方法
本发明涉及一种用于管理工业设施中现场设备和自动化设备之间的连接的系统、设备和方法。
诸如发电厂或精炼厂的工业设施包括多个现场设备或组件。常规的接线盒用于管理来自工业设施中这样的现场设备和组件的终端信号。来自现场设备的这样的信息可以基于一个或多个要求被加时间戳和分类，所述一个或多个要求诸如是监视、控制、存档、通信和计算工业设施中的各种参数、工业设施的维护、工业设施中的一个或多个设备和组件之间的通信以及提供对这样的设备和组件的远程访问。目前，这样的分类可能无法执行，并且来自现场设备和组件的信息可能被路由到特定的目标系统。此外，现场设备可以仅连接到特定的输入输出（IO）模块。类似地，可以使用不同通信协议进行通信的其他设备可能需要支持这样的通信协议的不同IO模块。
在当前的工业自动化技术中，来自现场设备和自动化设备的信息在分布式IO模块处被收集和处理，并由工业控制器配置。因此，控制器管理来自部署在工业设施中的各种设备的所有输入，以用于工业设施的高效管理。输入还可以包括与工业设施的监视、存档和远程访问/控制相关联的参数。工业设施的实际过程控制可能不需要这样的输入。然而，这样的输入由控制器配置，从而影响控制器的性能和工厂的生产率。
US 2015127876 A1公开了将现场设备通信耦合到过程控制系统中的控制器的装置和方法。然而，该文献没有公开用于高效管理一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接的装置。
替代解决方案可以包括使用放置在现场设备和其他组件附近的无源接线盒。然而，这样的无源接线盒的管理需要更高的努力和技能，并且可能容易出错。
鉴于以上所述，在工业设施中需要一种改进且智能的系统，其能够管理一个或多个现场设备和工业设施中的其他组件之间的连接。还需要提供一种支持现场设备和自动化设备的设备，而不管这样的现场设备和自动化设备支持的通信协议如何。
因此，本发明的目的是提供一种用于管理工业设施中的一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接的系统、设备和方法，该系统、设备和方法不需要知道这样的设备的通信协议，是高效的，并且标识工业设施中的故障状况。
本发明的目的通过如权利要求1中要求保护的自动化系统、如权利要求10中要求保护的方法、如权利要求18中要求保护的可自配置设备、如权利要求16中要求保护的计算机程序产品以及如权利要求17中要求保护的管理工业设施中现场设备和自动化设备之间的连接的计算机可读介质来解决。
在下文中，根据本发明的解决方案相对于要求保护的系统、要求保护的设备以及相对于要求保护的方法进行描述。本文的特征、优点或替代实施例可以被分配给其他要求保护的对象，并且反之亦然。换句话说，系统和设备的权利要求可以利用在该方法的上下文中描述或要求保护的特征来改进。在这样的情况下，该方法的功能特征由系统的目标单元体现。
本发明通过包括一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备的自动化系统来实现该目的。一个或多个现场设备可以部署在工业设施中，并且被配置为捕获与工业设施的功能相关联的一个或多个参数。现场设备可以包括例如致动器、传感器、气动设备、变送器、开关等。工业设施还可以包括一个或多个自动化设备，诸如可编程逻辑控制器、人机接口（HMI）设备、存档设备、通信系统等。自动化系统进一步包括可自配置设备，其适于基于一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备的类型进行动态配置。在实施例中，可自配置设备可以能够基于连接到这样的可自配置设备的现场设备和/或自动化设备的类型动态地执行自配置。可自配置设备的这样的配置使得可自配置设备能够管理一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接。在实施例中，可自配置设备可以是多功能现场终端单元。有利的是，可自配置设备使能实现一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接，而不需要多个输入/输出（IO）模块。因此，消除了采用不同通信协议的设备对不同兼容IO模块的依赖。
根据实施例，可自配置设备包括至少一个第一端口。该至少一个第一端口可以被配置为连接到一个或多个现场设备。可自配置设备进一步包括至少一个第二端口，其可以被配置为连接到一个或多个自动化设备。所述至少一个第一端口和所述至少一个第二端口可以是例如被配置为使能实现一个或多个组件之间的数据交换的IO模块。可自配置设备进一步包括处理单元和存储器。有利地，可自配置设备被配置为高效地管理一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接。
根据另一实施例，可自配置设备的存储器包括自配置模块。自配置模块可以被配置为标识安装在工业设施中的一个或多个现场设备。自配置模块进一步被配置为标识安装在工业设施中的一个或多个自动化设备。一个或多个现场设备和自动化设备的这样的标识可以基于来自一个或多个现场设备和一个或多个自动化系统的一个或多个信号来执行。自配置模块进一步被配置为在一个或多个现场设备和一个或多个自动设备之间建立连接。在实施例中，工业设施可以包括多于一个的可自配置设备。可以在这样的一个或多个可自配置设备之间建立通信信道，从而使能实现设备间通信。
根据本发明的又一实施例，在建立一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接时，自配置模块被配置为确定与工业设施相关联的网络配置。网络配置使能标识工业设施中的一个或多个信号源。这样的信号源可以是例如现场设备。网络配置还使能标识工业设施中的一个或多个目标设备。目标设备可以是旨在从现场设备接收信号的一个或多个设备。这样的一个或多个目标设备可以是工业设施中的自动化设备，例如，PLC、人机接口（HMI）、一个或多个控制器、一个或多个存档服务器等。工业自动化中网络配置的确定还使能标识所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备的操作状况。自配置模块进一步被配置为标识与所述一个或多个现场设备相关联的至少一个属性。所述至少一个属性可以是例如与现场设备的类型、现场设备的描述、现场设备技术（FDT）配置相关联的数据。与所述一个或多个现场设备相关联的所述至少一个属性的标识使能导出源自所述一个或多个现场设备的（一个或多个）信号的类型。自配置模块进一步被配置为标识与所述一个或多个自动化设备相关联的至少一个属性。与所述一个或多个自动化设备相关联的至少一个属性的标识使能标识源自所述一个或多个现场设备的信号的目的地/目标设备。这样的至少一个属性可以是例如与自动化设备相关联的功能，诸如监视和/或控制工业设施的一部分。自配置模块进一步被配置为基于与所述一个或多个现场设备相关联的至少一个属性和与所述一个或多个自动化设备相关联的至少一个属性来确定所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备之间的关联。例如，这样的关联可以通过执行信号源和旨在针对该信号的目的地/目标设备之间的映射来确定。有利地，可以实现所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备之间的高效连接。
根据本发明的实施例，自配置模块被配置为基于所标识的一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备接收配置设置集合。这样的配置设置可以例如从服务器接收。这样的服务器也可以是基于云的服务器。配置设置可以包括用于配置可自配置设备的一个或多个参数。自配置模块进一步被配置为使用配置设置来配置可自配置设备。配置可自配置设备使得可自配置设备能够在一个或多个现场设备和一个或多个自动设备之间建立通信信道。
根据本发明的又一实施例，可自配置设备的存储器进一步包括校准模块。校准模块可以被配置为自动校准自动化系统。有利的是，可自配置设备校准自动化系统和自动化系统中的一个或多个设备，从而确保自动化系统的高效运作和性能。
根据实施例，校准模块被配置为获得自动化系统的基线状态空间表示。基线状态空间表示包括与自动化系统的最佳运作相对应的自动化系统的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型。状态空间表示提供了系统在任何给定时间点的状态概览。状态变量是具有随时间演变的值的变量，即状态变量取决于任何给定时间的状态变量的值。状态变量可以取决于输入变量。输出变量的值取决于状态变量的值。在实施例中，基线状态空间表示可以指示处于理想状态下的自动化系统的模型。这样的基线状态空间表示可以基于例如工业设施的至少一部分的一个或多个最佳工作状况来自动确定。校准模块进一步被配置为确定自动化系统的实时状态空间表示。这样的实时状态空间表示包括与自动化系统的实时运作相对应的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型。校准模块进一步被配置为将基线状态空间表示与实时状态空间表示进行比较，以标识偏差。在实施例中，如果标识出偏差，则校准模块可以被配置为例如在工业设施中的HMI设备中生成警报。在另外的实施例中，工业设施的用户可以选择基于基线状态空间表示实时校准自动化系统的状态空间表示。这样的选择可以由用户例如通过HMI设备的用户界面来执行。可替代地，用户也可以选择基于实时状态空间表示来校准自动化系统的基线状态空间表示。有利的是，校准模块通过以规则的时间间隔校准状态空间变量来使能实现自动化系统的高效运作。
本发明一方面涉及一种管理工业自动化中一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接的方法。该方法包括标识安装在工业设施中的一个或多个现场设备。该方法进一步包括标识安装在工业设施中的一个或多个自动化设备。对一个或多个现场设备和自动化设备的这样的标识可以基于来自所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化系统的一个或多个信号来执行。该方法进一步包括在所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备之间建立连接。
根据本发明的又一实施例，在建立所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备之间的连接时，该方法包括确定与工业设施相关联的网络配置。网络配置使能标识工业设施中的一个或多个信号源。这样的信号源可以是例如现场设备。网络配置还可以使能标识工业设施中的一个或多个目标设备。目标设备可以是旨在从现场设备接收信号的一个或多个设备。这样的一个或多个目标设备可以是工业设施中的自动化设备，例如，PLC、一个或多个控制器、人机接口（HMI）、存档服务器等。工业自动化中网络配置的确定还使能标识所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备的操作状况。该方法进一步包括标识与所述一个或多个现场设备相关联的至少一个属性。该至少一个属性可以是例如与现场设备的类型、现场设备的描述、现场设备技术（FDT）配置相关联的数据。与一个或多个现场设备相关联的至少一个属性的标识使能导出源自所述一个或多个现场设备的（一个或多个）信号的类型。该方法进一步包括标识与所述一个或多个自动化设备相关联的至少一个属性。所述至少一个属性可以是例如与自动化设备的类型、自动化设备的描述、电子设备描述（EDD）相关联的数据。标识与所述一个或多个自动化设备相关联的至少一个属性使能标识源自一个或多个现场设备的信号的目的地/目标设备。该方法进一步包括基于与所述一个或多个现场设备相关联的至少一个属性和与一个或多个自动化设备相关联的至少一个属性来确定所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备之间的关联。例如，这样的关联可以通过执行信号源和用于该信号的目的地/目标设备之间的映射来确定。有利地，所述一个或多个现场设备和所述一个或多个自动化设备之间的高效连接可以通过优化网络传输来实现。
根据本发明的实施例，该方法包括基于所标识的一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备接收配置设置集合。这样的配置设置可以例如从服务器接收。这样的服务器也可以是基于云的服务器。配置设置可以包括用于配置可自配置设备的一个或多个参数。该方法进一步包括使用配置设置来配置可自配置设备。配置可自配置设备使得可自配置设备能够在一个或多个现场设备和一个或多个自动设备之间建立通信信道。
根据本发明的又一实施例，该方法进一步包括自动校准自动化系统。有利的是，该方法使能校准自动化系统和自动化系统中的一个或多个设备，从而确保自动化系统的高效运作和性能。
根据实施例，在校准自动化系统时，该方法进一步包括获得自动化系统的基线状态空间表示。基线状态空间表示包括与自动化系统的最佳运作相对应的自动化系统的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型。状态空间表示提供了系统在任何给定时间点的状态概览。状态变量是具有随时间演变的值的变量，即状态变量取决于任何给定时间的状态变量的值。状态变量可以取决于输入变量。输出变量的值取决于状态变量的值。在实施例中，基线状态空间表示可以指示处于理想状态下的自动化系统的模型。在实施例中，基线状态空间表示可以基于例如工业设施的至少一部分的一个或多个最佳工作状况来自动确定。该方法进一步包括确定自动化系统的实时状态空间表示。这样的实时状态空间表示包括与自动化系统的实时运作相对应的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型。这样的输入变量、输出变量和状态变量可以基于工业设施的至少一个部分的工程配置和工业设施的至少一个部分的运行时性能来确定。该方法进一步包括将基线状态空间表示与实时状态空间表示进行比较以标识偏差。在实施例中，如果偏差被标识，则该方法可以进一步包括例如在工业设施中的HMI设备中生成警报。在另外的实施例中，工业设施的用户可以选择基于基线状态空间表示实时校准自动化系统的状态空间表示。这样的选择可以由用户例如通过HMI设备的用户界面来执行。可替代地，用户也可以选择基于实时状态空间表示来校准自动化系统的基线状态空间表示。有利的是，通过以规则的时间间隔校准状态空间变量来使能实现自动化系统的高效运作。
本发明还涉及一种包括自配置模块的可自配置设备，其中该自配置模块被配置为执行如权利要求9至14中要求保护的方法步骤。
在一个方面中，本发明涉及一种包括计算机程序的计算机程序产品，该计算机程序可加载到系统的存储单元中，包括程序代码区段，以使得当计算机程序在系统中执行时，系统执行根据本发明方面的方法。
在一个方面中，本发明涉及一种计算机可读介质，计算机程序的程序代码区段保存在该计算机可读介质上，当程序代码区段在系统中执行时，该程序代码区段可加载到系统中和/或在系统中可执行，以使系统执行根据本发明方面的方法。
通过计算机程序产品和/或计算机可读介质实现本发明的优点在于，已经存在的管理系统可以容易地被软件更新所采用，以便如本发明所建议的那样工作。
计算机程序产品可以是例如计算机程序或者包括除计算机程序之外的另一个元件。该另一元件可以是硬件，例如在其上存储计算机程序的存储器设备、用于使用计算机程序的硬件密钥等，和/或软件，例如用于使用计算机程序的文档或软件密钥。
下面参考附图中所示的图示实施例进一步描述本发明，其中：
图1A是根据第一实施例的自动化系统的示意表示；
图1B是根据第二实施例的自动化系统的示意表示；
图2图示了根据实施例的可自配置设备的框图；
图3图示了根据实施例的管理一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接的方法的流程图；
图4图示了根据实施例的在一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间建立连接的方法的流程图；
图5图示了根据实施例的配置可自配置设备的方法的流程图；
图6图示了工业设施的一部分的示意表示；
图7图示了根据实施例的自动校准自动化系统的方法的流程图；
图8是根据第一实施例的工业设施中的自动化系统的高级示意表示。
在下文中，详细描述用于实行本发明的实施例。参考附图描述了各种实施例，其中相同的附图标记始终用于指代相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了众多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以显见的是，这样的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。
图1A是根据第一实施例的工业设施100的示意表示。工业设施100可以是工业设置，诸如制造设施、发电厂等。工业设施100包括自动化系统107。自动化系统107包括可自配置设备101。可自配置设备101连接到一个或多个现场设备102A-N（设备、机器、传感器、致动器等）和一个或多个自动化设备103。这样的连接可以是有线或无线的。可自配置设备101包括自配置模块110、校准模块112和网络接口114。可自配置设备101能够通过互联网或网络与一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103通信。自动化系统107进一步包括连接到一个或多个自动化设备103的人机接口（HMI）设备104。组件104还可以是例如工程服务器、操作员站、连接性服务器、OPC服务器等。可自配置设备101能够经由互联网或网络使用网络接口114和通信链路116A与一个或多个自动化设备103通信。HMI设备104能够使用通信链路116C与可自配置设备101通信。图1B是根据第二实施例的工业设施100的示意表示。在第二实施例中，可自配置设备101可以连接到云平台105。可自配置设备101能够经由通信链路116B使用网络接口114与云平台105通信。通信链路116A至116B可以是有线或无线链路。
可自配置设备101和自动化设备103可以具有用于在工业设施100中执行期望操作的操作系统和至少一个软件程序。此外，现场设备102A-N可以运行软件应用程序，用于收集和预处理工厂数据（过程数据），并将预处理的数据传输到可自配置设备101和/或云平台105。
云平台105可以是能够提供基于工厂数据的诸如数据存储服务、数据分析服务、数据可视化服务等之类的基于云的服务的云基础设施。云平台105可以是公共云或私有云的一部分。云平台105可以使得数据科学家/软件供应商能够提供软件应用程序/固件即服务，从而消除用户对软件维护、升级和备份的需求。软件应用程序可以是完整应用程序或软件补丁。
可自配置设备101在图2中进一步详细图示。参考图2，可自配置设备101包括处理单元201、存储器202、存储单元203、网络接口114、标准接口或总线207。可自配置设备101可以是系统的示例性实施例。系统101可以是（个人）计算机、工作站、运行在主机硬件上的虚拟机、微控制器或集成电路。作为替代，系统101可以是真实的或虚拟的计算机组（真实计算机组的技术术语是“集群”，虚拟计算机组的技术术语是“云”）。
如本文使用的处理单元201意指任何类型的计算电路，诸如但不限于微处理器、微控制器、复杂指令集计算微处理器、精简指令集计算微处理器、超长指令字微处理器、显式并行指令计算微处理器、数字信号处理器或任何其他类型的处理电路。处理单元201还可以包括嵌入式控制器，诸如通用或可编程逻辑器件或阵列、专用集成电路、单芯片计算机等。一般而言，处理单元201可以包括硬件元件和软件元件。处理单元201可以被配置用于多线程，即处理单元201可以同时托管不同的计算过程，并行执行或者在主动和被动计算过程之间切换。
存储器202可以是易失性存储器和非易失性存储器。存储器202可以被耦合用于与处理单元201通信。处理单元201可以执行存储在存储器202中的指令和/或代码。多种计算机可读存储介质可以存储在存储器202中并从存储器202访问。存储器202可以包括用于存储数据和机器可读指令的任何合适的元件，诸如只读存储器、随机存取存储器、可擦除可编程只读存储器、电可擦除可编程只读存储器、硬盘驱动器、用于处置光盘、数字视频盘、软盘、盒式磁带、存储卡等的可移除介质驱动器。在本实施例中，存储器202包括以机器可读指令的形式存储在任何上述存储介质上的自配置模块110，并且可以与处理单元201通信并由其执行。当由处理单元201执行时，自配置模块110使得处理单元201动态管理一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间的连接。存储器202还包括校准模块112，当由处理单元201执行时，校准模块112使得处理单元201校准一个或多个现场设备。由处理单元201执行以实现上述功能的方法步骤在图3、4、5、6和7中详细说明。
存储单元203可以是存储技术数据库204的非暂时性存储介质。技术数据库204可以存储工业设施100中的一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103的事件历史。存储单元203还包括基于分布式自动化功能的信号表和控制模式。附加地，技术数据库204还可以包括自动化系统107的基线和实时状态空间表示。输入设备能够从一个或多个现场设备接收输入信号。总线207充当处理单元201、存储器202、存储单元203、输入单元205、输出单元206和网络接口114之间的互连。
本领域普通技术人员应当领会，图2中描述的硬件可以针对特定的实现而变化。例如，除了所描绘的硬件之外或代替所描绘的硬件，还可以使用其他外围设备，诸如光盘驱动器等、局域网（LAN）/广域网（WAN）/无线（例如，Wi-Fi）适配器、图形适配器、磁盘控制器、输入/输出（I/O）适配器。所描绘的示例仅出于解释的目的而提供，并且不意味着暗示对本公开的架构限制。
根据本公开实施例的系统包括采用图形用户界面的操作系统。操作系统准许在图形用户界面中同时呈现多个显示窗口，每个显示窗口为不同的应用程序或同一应用程序的不同实例提供界面。用户可以通过定点设备操纵图形用户界面中的光标。可以改变光标的定位和/或生成诸如点击鼠标按钮之类的事件来启动期望的响应。
各种商业操作系统中的一种，诸如微软Windows™版本，这是位于华盛顿雷德蒙的微软公司的产品，如果适当修改，则可以使用。如所描述的，根据本公开修改或创建操作系统。
本发明不限于特定的计算机系统平台、处理单元、操作系统或网络。本发明的一个或多个方面可以分布在一个或多个计算机系统中，例如，被配置为向一个或多个客户端计算机提供一个或多个服务或者在分布式系统中执行完整任务的服务器。例如，本发明的一个或多个方面可以在客户端-服务器系统上执行，该客户端-服务器系统包括分布在一个或多个服务器系统中的组件，设施组件根据各种实施例执行多种功能。这些组件包括例如可执行、中间或解释的代码，它们使用通信协议通过网络进行通信。本发明不限于在任何特定系统或系统组上执行，并且也不限于任何特定的分布式架构、网络或通信协议。
所公开的实施例提供了用于动态管理自动化系统中的一个或多个现场设备和一个或多个自动化设备之间的连接的系统、设备和方法。
图3图示了管理在工业设施100中的一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间的连接的方法300的流程图。该方法包括标识工业设施100中的一个或多个现场设备102A-N的步骤301。一个或多个现场设备102A-N可以部署在工业设施100中，并且被配置为捕获与工业设施100的功能相关联的一个或多个参数。现场设备102A-N可以包括例如致动器、传感器、气动设备、变送器、开关等。在步骤302，方法300包括标识工业设施100中的一个或多个自动化设备103。一个或多个自动化设备103可以包括例如可编程逻辑控制器、HMI设备等。一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103的这样的标识可以基于来自一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103的一个或多个信号来执行。在步骤303，该方法包括在一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间建立连接。在图4中详细解释了描述一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间的连接建立的方法步骤。
参考图4，方法400包括确定与工业设施100相关联的网络配置的步骤401。工业设施100的网络配置可以包括例如工业设施的操作状况的PROFINET参数。网络配置使能标识工业设施100中的（一个或多个）信号的起源的源。信号源可以是例如一个或多个现场设备102A-N。网络配置还使能标识所生成信号的目的地/目标设备。源自现场设备102A-N的每个信号可能必须被传输到工业设施100中的目标设备。这样的目标设备可以是例如一个或多个自动化设备103。网络配置进一步使能标识与工业设施相关联的功能数据。方法400进一步包括标识与一个或多个现场设备102A-N可关联的至少一个属性的步骤402。这样的属性可以是例如与设备配置相关联的数据，诸如但不限于设备类型、设备描述、现场设备技术（FDT）配置等。在步骤403，标识与一个或多个自动化设备103可关联的至少一个属性。这样的属性可以是例如自动化设备103的设备描述、与自动化设备103相关联的网络参数等。在步骤404，基于所标识的与一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103可关联的一个或多个属性，确定一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间的关联。在实施例中，可以执行信号源、（一个或多个）信号目的地和设备特定信息的映射，以确定一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间的关联。这样的设备特定信息可以从自动化系统107的工程配置获得。附加地，映射还可以包括通信信号、存档数据等。在另外的实施例中，在确定关联时，一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103可以被连接。一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间的这样的连接的建立是通过可自配置设备101实现的。在又一实施例中，可以生成逻辑源和目的地信号表。基于这样的表，当可能触发对应的事件或者当超过死区时，一个或多个信号可以被路由到目标自动化设备103。
图5提供了根据实施例的配置可自配置设备101的方法500的流程图的图示。在步骤501，从服务器（例如，云平台105）接收配置设置集合。可以基于连接到可自配置设备101的一个或多个现场设备102A-N和一个或多个通信设备103来确定配置设置。这样的配置设置包括用于配置可自配置设备101的一个或多个参数。因此，可自配置设备101可以是“即插即用”设备，其可以在一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间动态地建立连接或通信信道。在步骤502，使用配置设置来配置可自配置设备101，使得在一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间动态地建立活动通信信道。
在实施例中，可自配置设备101被配置为如果标识出一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103之间或者可自配置设备101和一个或多个现场设备102A-N或者一个或多个自动化设备103之间的通信中的错误，则生成警报。例如，如果可自配置设备101与一个或多个现场设备102A-N或一个或多个自动化设备103断开连接，则可能发生这样的通信错误。可替代地，如果来自一个或多个现场设备102A-N的信号电平低于NAMUR信号电平，则也可能发生通信错误。
图7图示了自动校准现场设备102A-N的方法700的流程图。所述一个或多个现场设备102A-N以规则的时间间隔被监视，以确定相关现场参数在这样的一个或多个现场设备102A-N上的高效运作和效果。所述一个或多个现场设备102A-N可能需要以规则的时间间隔校准/再校准，以便确保自动化系统107的高效运作。可以通过构建自动化系统107和/或工业设施100的一部分的状态空间表示来确定校准需要的确定。状态空间表示提供了系统107在任何给定时间点的状态的概述。在步骤701，获得自动化系统107的基线状态空间表示。基线状态空间表示包括与自动化系统的最佳运作相对应的自动化系统的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型。基线状态空间表示可以例如基于工业设施100的至少一个部分的一个或多个最佳工作状况和工业设施100的工程配置中的控制方案来自动确定。系统的状态空间表示可以表示如下：
X = Ax + Bu (1)
Y = Cx + Du (2)
其中，X是状态向量
Y是输出向量
u是与工业设施100的至少一个部分相关联的输入向量或变量
A是描述工业设施100的至少一个部分的系统矩阵或常数
B是描述工业设施100的至少一个部分的输入矩阵或常数
C是对状态变量进行加权的输出矩阵或常数
D是对与工业设施100的至少一个部分相关联的变量进行加权的馈通矩阵或常数。
导出状态空间表示的方法在现有技术中是众所周知的，并且为了简洁起见没有进行描述。在实施例中，基线状态空间表示可以基于工业设施100的至少一个部分的最佳操作状况来自动确定。基线状态空间表示的推导可以在工业设施100的工厂调试或维护过程期间执行。在图6中，利用工业设施100的部分600的说明性示例来描述确定基线状态空间表示的过程。参考图6，工业设施100的部分600包括容器601。容器601可以包括可能需要维持在预定义水平的物质。容器601可以包括一个或多个输入和输出阀，并且可以通过控制容器601中物质的入口和出口流速来维持物质的水平。容器601可以进一步与用于至容器601的入口流的流量指示器和控制器602、水平指示器和控制器603、用于来自容器601的出口流的流量指示器和控制器604相关联。工业设施100的部分600的控制方案可以在部分600的运行时期间被配置和控制。容器601中物质的期望的预定义水平在水平指示器和控制器603处被设置为设定点LIC101.SP。使用容器601中的水平变送器609来确定容器601中物质的实际水平。物质实际水平的这样的输入被传输到水平指示器和控制器603。水平指示器和控制器603确定实际水平是否偏离期望的预定义水平。基于该偏差，水平指示器和控制器603计算输出CV1/CV2，该输出CV1/CV2由标准控制算法分析。这样的标准控制算法可以监视和控制容器601中物质的流量参数。基于分析的标准控制算法可以计算至针对去往容器601的入口流量的流量指示器和控制器602，和/或至针对来自容器601的出口流量的流量指示器和控制器604的输出FIC101.SP/FIC102.SP。入口流量FIC101.PV由入口流量变送器605测量，并提供给入口流量指示器和控制器602。出口流量FIC102.PV由出口流量变送器607测量，并提供给出口流量指示器和控制器604。入口流的流量指示器和控制器单元602和出口流的流量指示器和控制器单元604导出输出信号FIC101.CV/FIC102.CV以用于将阀606和608操作到由水平指示器和控制器单元603计算的所期望设定点。
工业设施100的部分600可以被考虑用于状态空间表示的确定，以标识对部分600的一个或多个组件的校准需求。状态空间表示可以基于以下步骤来确定：
步骤1：基于控制方案自动标识状态变量：
Figure 832043DEST_PATH_IMAGE001
步骤2：基于控制方案自动标识系统输入变量：
Figure 218025DEST_PATH_IMAGE002
步骤3：基于状态变量和系统输入变量导出一阶微分方程：
Figure 479986DEST_PATH_IMAGE003
步骤4：确定状态方程（1）的矩阵A 和B，并计算状态方程。对于工业设施过程期间的各种Ui值，状态方程被构建和求解，以找到描述所考虑的系统600的常数。
Figure 609616DEST_PATH_IMAGE004
因此导出状态方程X = Ax + Bu。
步骤5：从控制方案中自动确定输出变量，并为n（4）个状态变量和r（5）个系统输入构建输出方程。系统输出直接连接到水平设定点LIC101.SP，并且因此输出变量是容器LIC101.PV的水平。在工业设施100的稳定操作期间，对于状态变量和系统输入参数的不同组合，观察到各种容器水平。迭代次数取决于添加到系统输入变量数量中的状态变量的数量。如果需要m次这样的迭代，则一阶微分方程导出如下：
Figure 158409DEST_PATH_IMAGE005
步骤6：确定输出方程（2）的矩阵C 和 D，并计算输出方程。对于工业设施过程期间的各种Ui值，状态方程被构建和求解，以找到描述所考虑的系统的常数。
Figure 715292DEST_PATH_IMAGE006
由此导出输出方程Y = Cx + Du。
在方法700的步骤702，确定自动化系统107的实时状态空间表示。实时状态空间表示包括与自动化系统107的实时运作相对应的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量集合的模型。在步骤703，将实时状态空间表示与基线状态空间表示进行比较，以标识偏差。如果在步骤704标识偏差，则在步骤705生成通知或警报，例如在HMI设备104中。这样的通知可以呈现给工业设施100的用户，以确定是否要执行现场设备102A-N的校准。在步骤706，做出是否要执行自动化系统107的校准的确定。如果要执行校准，则在步骤708，基于基线状态空间表示来校准自动化系统107的实时状态空间表示。可替代地，为自动化系统107的维护和校准生成警报。如果不执行校准，则在步骤707，根据自动化系统107的实时状态空间表示修改基线状态空间表示。
在实施例中，可自配置设备101被配置为执行工业设施100中的控制器单元的一个或多个功能。控制器单元可以被配置为监视和控制工业设施100中的多个过程，以便使得工业设施100能够高效运作。一般的工业设施100包括源自一个或多个现场设备102A-N的若干信号。这样的信号的一部分可以形成过程控制方案的一部分。然而，其余的信号可能仅与工业设施100的监视和闭环控制相关联。在实施例中，信号处理功能、简单监视回路、简单控制回路可以从控制器单元传送到与目标自动化设备103相关联的可自配置设备101。来自控制器单元的这样的功能传送可以基于可自配置设备101的带宽容量来执行。将这样的功能传送到可自配置设备101使能在工业设施100中高效管理和处理信号。附加地，将这样的功能从控制器单元传送到可自配置设备101使得控制器单元能够高效地用于可能需要更大处理能力的复杂过程控制。
图8是根据实施例的工业设施100的高级示意表示800。可自配置设备101连接到一个或多个现场设备102A-N和一个或多个自动化设备103A-N。自配置设备101可以连接到一个或多个服务器105A-N。服务器可以是例如工程服务器、存档服务器、计算服务器、通信服务器等。服务器105A-N可以包括与工业设施100相关联的数据，诸如但不限于工业设施100的事件和警报。服务器105A-N还可以包括与工业设施100的操作相关联的数据。服务器105A-N中的至少一个可以是OPC-UA服务器。可自配置设备101可以直接连接到工厂网络810或控制网络812。瘦客户端801、网络客户端802和SAP系统803可以经由工厂网络810和防火墙820连接到工业设施100，用于安全访问。
前面的示例仅仅是为了解释的目的而提供的，并且决不能解释为对本文公开的本发明的限制。虽然已经参考各种实施例描述了本发明，但是理解，本文使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限制性的词语。此外，尽管本发明在本文已经参照特定的装置、材料和实施例进行了描述，但是本发明并不局限于在本文公开的特定细节；相反，本发明扩展到诸如在所附权利要求的范围内的所有功能等同的结构、方法和用途。受益于本说明书教导的本领域技术人员可以对其进行众多修改，并且可以在不脱离本发明在其各方面中的范围和精神的情况下做出改变。

Claims (14)

1.一种自动化系统（107），包括：
一个或多个现场设备（102A-N）；
一个或多个自动化设备（103）；并且
其特征在于：
可自配置设备（101）被配置为基于所述一个或多个现场设备（102A-N）和所述一个或多个自动化设备（103）的类型来动态配置，使得可自配置设备（101）管理所述一个或多个现场设备（102A-N）和所述一个或多个自动化设备（103）之间的连接，并且其中可自配置设备（101）包括校准模块（112），其中校准模块（112）被配置为：
获得自动化系统（107）的基线状态空间表示，其中基线状态空间表示包括与自动化系统（107）的最佳运作相对应的自动化系统（107）的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型；
确定自动化系统（107）的实时状态空间表示，其中实时状态空间表示包括与自动化系统（107）的实时运作相对应的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型；
将基线状态空间表示与实时状态空间表示进行比较，以标识偏差；和
如果标识出偏差，则基于实时状态空间表示修改基线状态空间表示。
2.根据权利要求1所述的自动化系统（107），其中，所述可自配置设备（101）包括：
至少一个第一端口，被配置为连接一个或多个现场设备（102A-N）；
至少一个第二端口，被配置为连接一个或多个自动化设备（103）；
处理单元（201）；和
耦合到处理单元（201）的存储器（202）。
3.根据权利要求1和2所述的自动化系统（107），其中可自配置设备（101）的存储器（202）包括自配置模块（110），其中自配置模块（110）被配置为：
标识安装在工业设施（100）中的一个或多个现场设备（102A-N）；
标识安装在工业设施（100）中的一个或多个自动化设备（103）；和
在工业设施（100）中的一个或多个现场设备（102A-N）和一个或多个自动化设备（103）之间建立连接。
4.根据权利要求3所述的自动化系统（107），其中，所述自配置模块（110）被配置为：
确定与所述工业设施（100）相关联的网络配置；
标识与一个或多个现场设备（102A-N）可关联的至少一个属性；
标识与一个或多个自动化设备（103）可关联的至少一个属性；和
基于与所述一个或多个现场设备（102A-N）可关联的至少一个属性、与所述一个或多个自动化设备（103）可关联的属性以及与工业设施（100）相关联的网络配置，确定所述一个或多个现场设备（102A-N）和所述一个或多个自动化设备（103）之间的关联。
5.根据权利要求4所述的自动化系统（107），其中，自配置模块（110）被配置为：
从服务器（105）接收基于所标识的一个或多个现场设备（102A-N）和一个或多个自动化设备（103）的配置设置的集合，其中配置设置包括用于配置可自配置设备（101）的一个或多个参数；和
使用配置设置来配置可自配置设备（101），使得可自配置设备（101）在所述一个或多个现场设备（102A-N）与所述一个或多个自动化设备（103）之间动态地建立活动通信信道。
6.根据权利要求4所述的自动化系统（107），其中，所述可自配置设备（101）的存储器进一步包括被配置为自动校准所述自动化系统（107）的校准模块（112）。
7.根据权利要求1所述的方法（300），包括：
标识一个或多个现场设备（102A-N）；
标识一个或多个自动化设备（103）；和
在工业设施（100）中的所述一个或多个现场设备（102A-N）和所述一个或多个自动化设备（103）之间建立连接。
8.根据权利要求7所述的方法（300），其中在建立所述一个或多个现场设备（102A-N）和所述一个或多个自动化设备（103）之间的连接时，所述方法（300）进一步包括：
确定与工业设施（100）相关联的网络配置；
标识与所述一个或多个现场设备（102A-N）可关联的至少一个属性；
标识与所述一个或多个自动化设备（103）可关联的至少一个属性；和
基于与所述一个或多个现场设备（102A-N）可关联的至少一个属性、与所述一个或多个自动化设备（103）可关联的属性以及与工业设施（100）可关联的网络配置，确定所述一个或多个现场设备（102A-N）和所述一个或多个自动化设备（103）之间的关联。
9.根据权利要求7和8所述的方法（300），进一步包括：
从服务器（105）接收基于所标识的一个或多个现场设备（102A-N）和一个或多个自动化设备（103）的配置设置的集合，其中所述配置设置包括用于配置可自配置设备（101）的一个或多个参数；和
使用配置设置来配置可自配置设备（101），使得可自配置设备（101）在所述一个或多个现场设备（102A-N）与所述一个或多个自动化设备（103）之间动态地建立活动通信信道。
10.根据权利要求7所述的方法（300），进一步包括自动校准自动化系统（107）。
11.根据权利要求10所述的方法（300），其中在自动校准自动化系统（107）时，所述方法（300）包括：
获得自动化系统（107）的基线状态空间表示，其中基线状态空间表示包括与自动化系统（107）的最佳运作相对应的自动化系统（107）的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的集合的模型；
确定自动化系统（107）的实时状态空间表示，其中实时状态空间表示包括与自动化系统（107）的实时运作相对应的至少一个输入变量、至少一个输出变量和至少一个状态变量的模型的集合；和
将基线状态空间表示与实时状态空间表示进行比较，以标识偏差；和
如果标识出偏差，则基于实时状态空间表示修改基线状态空间表示。
12.一种包括机器可读指令的计算机程序产品，所述机器可读指令当由处理单元（201）执行时，使得处理单元（201）执行根据权利要求7-11的方法。
13.一种其上保存有计算机程序的程序代码区段的计算机可读介质，所述程序代码区段可加载到系统中和/或可在系统中执行，以使得当所述程序代码区段在系统中执行时，系统执行权利要求7至11中任一项的方法。
14.一种包括自配置模块（110）的可自配置设备（101），其中自配置模块（110）被配置为执行如权利要求7至11中要求保护的方法步骤。
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