CN113885444A - 具有多层控制逻辑执行的工业控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种过程控制系统(200)，该过程控制系统包括过程控制器层级(240)和输入/输出(I/O)模块层级(230)，该过程控制器层级包括至少一个过程控制器(121,122)，该输入/输出(I/O)模块层级包括至少一个I/O模块(231,232,233)。该过程控制器层级和该I/O模块层级通信地耦接，并且各自包括控制逻辑，该控制逻辑包括控制硬件或算法块(120a、120b和235a、235b、235c)。该过程控制器层级和该I/O模块层级中的该控制逻辑被配置为执行和交换数据以执行针对由该过程控制系统以分布式方式跨该过程控制器层级和该I/O模块层级运行的过程的过程控制。

Description

具有多层控制逻辑执行的工业控制系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2020年7月1日的名称为“INDUSTRIAL CONTROL SYSTEMHAVING MULTI-LAYERED CONTROL LOGIC EXECUTION(具有多层控制逻辑执行的工业控制系统)”的临时申请序列号63/047,049的权益，该临时申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及用于工业控制系统的过程控制器布置。
背景技术
工业控制系统通常包括控制系统硬件部件的分级结构，这些控制系统硬件部件包括过程控制器，诸如可编程逻辑控制器。过程控制器耦接到输入/输出(I/O)模块，这些输入/输出模块用于与耦接到处理设备的现场设备进行交互，其中这些现场设备包括用于感测物理参数的传感器和用于按照从控制器接收的控制信号动作以改变处理设备上的设置的致动器。在一些已知的过程控制器应用中，过程控制器需要高速操作，诸如具有从接收传感器数据的时间到响应于传感器信息生成控制信号的时间测量的千分之几秒(毫秒)的最大延迟(延时)。尽管可通过将过程控制从过程控制器移动到I/O模块来减少延迟，但因为所得的I/O连通性和所得的过程控制范围小，所以一般不使用这种布置。
发明内容
提供本发明内容以介绍简化形式的公开概念的简要选择，其在下文包括所提供附图的具体实施方式中被进一步描述。该发明内容不旨在限制所要求保护的主题的范围。
本发明所公开的方面认识到包括工业控制系统的过程控制系统(PCS)的常规过程控制器的延迟问题，该延迟问题可导致这些过程控制器响应于由传感器感测的输入值的变化而具有缓慢的响应。需要短延迟的应用示例可来自离散控制应用，这些离散控制应用包括工厂自动化、传送带、快速机械控制和涡轮控制。在一个具体示例性应用中，传送带上的接近开关(作为位置传感器)输入感测瓶何时处于要用液体填充的位置，并且过程控制器响应于该开关提供的输入而命令打开阀、填充瓶、停止填充并将瓶移动到要对该瓶加盖的下一个位置。
又如，位置传感器用于将材料切割成条，并且过程控制器响应于从该位置传感器接收的感测参数而命令输出以接合切割元件。位置传感器一般包括接近传感器，该接近传感器被配置为在切割器工作时确保工人的手不试图定位材料(安全联锁装置)，这需要短延迟以满足其预期的安全功能。
一种已知的PCS利用仅在过程控制器中实现的相对高速的逻辑电路以达到某些应用所需的延迟水平。然而，当I/O点的数量和逻辑大小增加时，执行逻辑的常规集中式过程控制器的架构可降低延迟性能。在此类架构中，所有控制策略趋于同等利用计算(处理)资源和通信资源，即使一般仅是这些策略的子集需要短延迟。
本发明所公开的用于PCS的控制布置将用于控制过程的控制逻辑置于两个或更多个不同层级，这导致所公开的控制系统配置支持中等数量的I/O点(诸如最多至10,000个I/O点)，同时仍然具有通常为1ms至5ms的短延迟。本发明所公开的控制布置在以下两者之间实现权衡取舍：1)控制范围，意味着单个集成控制策略需要连接多少个I/O点，以及2)在过程控制器和IO模块之间可达到的延迟。任选地，I/O模块可包括所谓的通用的I/O模块，这些通用的I/O模块支持四种不同输出类型，包括模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、数字输入(DI)和数字输出(DO)。
本发明所公开的方面包括PCS，该PCS包括过程控制器层级和I/O模块层级，该过程控制器层级包括过程控制器，该I/O模块层级包括通信地耦接到该过程控制器的至少一个I/O模块。过程控制器层级和I/O模块层级两者包括其自身的控制逻辑，该控制逻辑包括控制硬件和/或算法(软件)块。还可存在硬件和算法块的混合。过程控制器层级和I/O模块层级中的控制逻辑各自被配置为执行并交换数据以执行针对由PCS以在过程控制器层级和I/O模块层级之间分布的分布式方式运行的过程的过程控制。
附图说明
图1示出了根据本发明所公开的方面的常规PCS的一部分，该常规PCS包括以示例性控制器配置示出的冗余过程控制器对。
图2示出了本发明所公开的包括在多个不同层级处运行的控制逻辑的PCS的一部分，PCS可与图1所示的仅在控制器层级处运行其控制逻辑的常规过程控制系统进行比较。
具体实施方式
参考附图描述了本发明所公开的方面，其中类似的附图标号用于在所有附图中指代类似或等同的元件。附图未按比例绘制，并且其仅被提供用于示出本文所公开的方面。下面参考用于说明的示例性应用来描述若干公开的方面。应当理解，阐述的很多具体细节、关系和方法以提供对本文所公开的方面的完全理解。
另外，如本文所用的没有进一步限定的术语“耦接到”或“与...耦接”(等等)旨在描述间接或直接电连接。因此，如果第一装置“耦接”到第二装置，则该连接可通过直接电连接，其中在通路中仅存在寄生；或者可通过经由包括其他设备和连接的中间项的间接电连接。对于间接耦接，中间项通常不修改信号的信息，但可调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。
图1示出了包括冗余控制器对120的常规PCS 100的一部分，该冗余控制器对包括初级控制器121和次级控制器122，其中该冗余控制器对120示出为连接到多个I/O模块(以I/O模块131、132和133示出)，其中每个I/O模块一般各自支持多个通信信道(也称为I/O点)。冗余控制器对120可通过I/O扫描器交接到I/O模块131、132和133。
冗余控制器对120也示出为耦接到监督计算机(以监督计算机141和监督计算机142示出)。在传统的控制系统中，控制器执行运行控制回路所需的所有算法处理，并且I/O模块执行接收来自传感器的感测信息以及驱动致动器。I/O层级示出为包括I/O模块131、132、133。
本发明所公开的控制逻辑方案使得控制功能除了常规上仅在控制器层级处可用之外，还在多个PCS层级处可用，该控制器层级为针对常规控制系统(诸如图1所示的常规过程控制系统100)实现的唯一层级。本发明所公开的控制逻辑方案还包括定位在I/O模块中的控制逻辑，并且如果PCS中还提供了I/O扫描器，则控制逻辑也可定位在该I/O扫描器中。如上所述，I/O模块可包括所谓的通用的I/O模块，这些通用的I/O模块支持在相同的I/O模块上示出的AI、AO、DI和DO。本发明所公开的控制逻辑可在软件(诸如固件)或硬件(例如，使用可编程门阵列(PGA))中实现。
本发明所公开的在多个层级处运行控制逻辑的方案通过使控制逻辑更靠近I/O螺钉(screw)来实现对于快速控制回路的低螺钉-螺钉延迟。如本文所用，术语“螺钉”是用于I/O电缆的缩略术语，螺钉指到灰度层级模拟信号(诸如可寻址远程传感器高速通道(HART)协议信号或单比特离散信号)的连接，螺钉在终端块上提供从I/O模块连接到现场设备(传感器或致动器)的连接。在I/O模块上运行控制逻辑还防止数据流向控制器和控制器发送控制信号返回到I/O模块时的延迟。
图2示出了包括在多个不同层级处运行的控制逻辑的PCS 200的一部分，PCS 200可与图1所示的仅在控制器层级处运行控制逻辑的PCS 100进行比较。虽然PCS 200中的控制逻辑示出为通过包括算法块由软件实现，但如上所述，该控制逻辑也可使用硬件或硬件和软件两者混合来实现。
图2右侧所示的每个算法块可被实现为功能块、阶梯逻辑、文本程序块，或可使用标准诸如IEC61131-3中指定的语言或可在硬件或软件中实现的任何合适的编程语言来实现。已知IEC 61131-3是用于可编程逻辑控制器的开放国际标准IEC 61131的第三部分(共10部分)，该部分于1993年12月首次公布。图2所示的PCS 200包括I/O模块层级230，具有I/O扫描器215的任选的扫描器层级250和过程控制器层级240；该I/O模块层级包括任选地以通用的I/O模块231、232和233示出的I/O模块，该过程控制器层级包括任选地以冗余过程控制器120示出的过程控制器，该冗余过程控制器包括主控制器121和备份控制器122。与PCS100一样，冗余控制器对120示出为耦接到监督计算机(以监督计算机141和监督计算机142示出)。
算法块在PCS 200中在多个层级处示出，在控制器层级240以120a、120b示出，在I/O扫描器层级250以215a和215b示出，并且在I/O模块层级230以235a、235b和235c示出。这些算法块示出为(诸如通过以太网连接)通信地耦接在一起，并且被配置为在示出的三个不同层级230、240和250处全部同时执行，并且还以分布式方式跨这些层级中的每个层级交换数据以执行过程的过程控制。在一个方面，在过程控制器层级240、I/O扫描器层级250处和I/O模块层级230处发生的同时控制处理可同步。在另一方面，在这些相应的层级处发生的过程控制可不同步。
除了至少一种其他输入类型之外，通用的I/O模块231、232和233还可支持脉冲输入和频率输入。尽管未示出，但I/O扫描器215也可为冗余布置，并且通用的IO模块231、232和233中的每一个通用的IO模块也可为冗余布置。相反地，尽管控制器模块示出为冗余控制器布置(其以包括控制器121和控制器122的控制对120示出)。然而，控制器模块可使用一个或多个非冗余控制器来实现。此外，本发明所公开的算法块可在三个层级230、250和240中的任一个层级上运行，无需考虑它们是否冗余。术语层有时由参考PCS的术语层级取代。
PCS 200的配置可通过为不同层级创造不同类型的容器来实现。如本文所用的术语“容器”允许PCS 200中的每个层级支持不同组的算法块。容器也可称为程序组织单元(POU)。容器或控制程序可根据需要运行多种不同算法块类型。根据执行控制的层级，这组潜在的算法块可为广泛且包容的，或可为更专业化的。
然而，一般来讲，任何算法块可能在过程控制系统的任何层级处运行。容器中的每一个容器可转换为可装载模块，该可装载模块被配置为将被下载到实现控制逻辑的控制系统的相应层级。关于控制逻辑，该控制逻辑在每个层级处独立地执行(如上所述，同步地或异步地)，并且数据在连接数据的层级之间进行交换。
处于PCS 200最低层级的控制逻辑示出为包括通用的I/O模块231、232、233，这些通用的I/O模块可通过执行下载的模块来实现。使用编译算法块能够下载更新的算法块类型，而无需修改具有I/O模块的层级230上的软件或固件，也无需修改层级230上的软件或固件。关于固件，加载到控制处理主机的各种层级的配置或程序的性质可为多个可能性中的任一个可能性。算法块程序代码可在设备的只读存储器(ROM)或其他存储器中，其中数据配置被加载，算法块代码可直接作为可执行代码被加载，或在控制过程中运行的控制算法可被实现为加载的代码和加载的数据的组合。
尽管上面已经描述了各种本文所公开的发明后面，但是应当理解，它们仅以示例的方式呈现，而非作为限制。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以根据本文公开内容对所公开的方面做出很多改变。因此，本公开的广度和范围不应受任何上述实施方面限制。相反，本公开的范围应根据以下权利要求书及其等同物来限定。

Claims (10)

1.一种过程控制系统(200)，包括：
过程控制器层级(240)，所述过程控制器层级包括至少一个过程控制器(121,122)和
输入/输出(I/O)模块层级(230)，所述输入/输出(I/O)模块层级包括耦接到所述过程控制器的至少一个I/O模块(231,232,233)；
其中所述过程控制器层级和所述I/O模块层级通信地耦接，并且两者包括控制逻辑(120a、120b和235a、235b、235c)，所述控制逻辑包括控制硬件或算法块；并且
其中所述过程控制器层级和所述I/O模块层级中的所述控制逻辑被配置为执行和交换数据以执行针对由所述过程控制系统以分布式方式跨所述过程控制器层级和所述I/O模块层级运行的过程的过程控制。
2.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中所述至少一个I/O模块包括多个所述I/O模块，每个所述I/O模块包括支持模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出的通用的I/O模块。
3.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中所述过程控制器层级和所述I/O模块层级两者中的所述控制逻辑包括所述控制硬件。
4.根据权利要求1所述的过程控制系统，还包括在所述过程控制器层级和所述I/O模块层级之间的包括至少一个I/O扫描器的扫描器层级(250)，其中所述I/O扫描器包括控制逻辑(215a,215b)，所述控制逻辑包括所述控制硬件或所述算法块。
5.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中所述至少一个过程控制器包括冗余控制器布置(120)，所述冗余控制器布置包括独立的第一过程控制器和第二过程控制器(121,122)。
6.一种操作包括过程控制器层级和I/O模块层级的过程控制系统的方法，所述过程控制器层级包括至少一个过程控制器，所述I/O模块层级包括耦接到所述过程控制器的至少一个I/O模块，所述方法包括：
提供所述过程控制器层级和所述I/O模块层级，所述过程控制器层级和所述I/O模块层级通信地连接并且两者包括控制逻辑，所述控制逻辑包括控制硬件或算法块；以及
使用所述控制逻辑执行和交换数据以执行针对由所述过程控制系统以分布式方式跨所述过程控制器层级和所述I/O模块层级运行的过程的过程控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一个I/O模块包括多个所述I/O模块，所述多个I/O模块包括支持所述数字输入和所述数字输出但不支持所述模拟输入或所述模拟输出的至少一个通用的离散I/O模块。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述过程控制系统还包括在所述过程控制器层级和所述I/O模块层级之间的包括至少一个I/O扫描器的扫描器层级，其中所述I/O扫描器包括控制逻辑，所述控制逻辑包括所述控制硬件或所述算法块。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述控制逻辑包括所述算法块。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一个过程控制器包括冗余控制器布置，所述冗余控制器布置包括独立的第一过程控制器和第二过程控制器。
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