CN114545871A - 用于与一个或多个现场设备通信的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了用于与一个或多个现场设备通信的方法，尤其涉及一种使用接口设备与一个或多个现场设备通信的方法。每个现场设备被连接到接口设备的信道。该方法包括：从工业设备接收与第一现场设备相关联的第一命令；通过第一通信信道与第一现场设备通信以执行所接收的第一命令；从工业设备接收与一个或多个现场设备相关联的一个或多个命令，其中，一个或多个命令包括来自一个或多个现场设备的与第二现场设备相关联的至少一个命令；以及在执行第一命令之前将一个或多个命令缓存在存储器模块中。

Description

用于与一个或多个现场设备通信的方法
技术领域
本发明涉及与工业自动化中的现场设备的通信，并且更尤其涉及由与现场设备通信的接口设备所使用的通信方案。
背景技术
大量现场设备被用于工业设施中并且被用于监测和操作工业设施中的物理过程。大量现场设备被连接到控制系统的各种控制设备用于传输来自物理过程的测量并且接收命令。现场设备与控制设备之间的连接可以使用接口和网关设备建立。通常，为了提高效率可以使用多路复用方案将一个或多个现场设备连接到单个接口设备。因此，接口设备然后可被连接到控制或网关设备用于在现场设备与控制设备或网关设备之间传输数据。
本发明涉及与工业自动化中的现场设备的通信。如上所述，为了提高效率并且降低基础设施成本，通常可以使用多路复用方案将多个现场设备连接到接口设备。现场设备可以使用现场级通信协议诸如4-20mA协议、高速可寻址远程传感器(HART)协议等被连接到接口设备。控制设备或网关设备可以使用控制级通信协议诸如基于以太网的协议(诸如Modbus、Profinet等)被连接到接口设备。通常，与控制级通信协议相比，现场级通信协议的数据速率相当低，因此，这会在接口设备上产生瓶颈。因此，接口设备可能要接收与现场设备相关的多个命令，并且由于与现场级通信协议相关联的延迟，无法同时在现场设备上执行命令。因此，需要解决上述问题的方法和设备。
发明内容
因此，本公开描述了一种使用接口设备与一个或多个现场设备通信的方法。每个现场设备被连接到接口设备的信道。该方法包括：从工业设备接收与第一现场设备相关联的第一命令；通过第一通信信道与第一现场设备通信以执行所接收到的第一命令；从工业设备接收与一个或多个现场设备相关联的一个或多个命令，其中，该一个或多个命令包括来自一个或多个现场设备的与第二现场设备相关联的至少一个命令；以及在执行第一命令之前将一个或多个命令缓存在存储器模块中。
因此，本公开通过在接口设备处实现命令的缓存，解决了接口设备处的瓶颈问题。因此，当正在第一现场设备上执行第一命令时，接口设备可以继续从其他工业设备接收要在其他现场设备上执行的命令。因此，缓解了接口设备处的瓶颈。
在示例中，该方法还包括将接收到的一个或多个命令分组成一个或多个组，一个或多个组中的每个组包括与在对应信道上连接到网关设备的对应现场设备相关联的一组命令。通过基于相关联的现场设备对命令进行分组，接口设备能够减少命令的总执行时间，因为在切换信道上花费的时间被最小化。
在另一个示例中，该方法还包括在第一现场设备上执行第一命令之后接收来自第一设备的执行消息，该执行消息基于在第一现场设备上执行第一命令来指示结果。因此，接口设备能够基于接收到的执行消息检测第一命令的执行的完成。在示例中，第一命令与第一现场设备中的读取和写入操作中的一个相关联。
在另一方面，本公开描述了一种用于与第一现场设备和第二现场设备通信的接口设备。该接口设备包括：网络接口，包括与第一现场设备相关联的第一通信信道和与第二现场设备相关联的第二通信信道；以及一个或多个处理器，连接到存储器模块。一个或多个处理器被配置为接收与第一现场设备相关联的第一命令，通过第一通信信道与第一现场设备通信以执行接收到的第一命令，在执行接收到的第一命令期间接收与第二现场设备相关联的第二命令，并且将第二命令缓存在存储器模块中直到完成第一命令执行。
在又一方面，本公开描述了一种用于经由接口设备与一个或多个现场设备通信的网关设备，该接口设备通过对应的一个或多个通信信道连接到一个或多个现场设备。该网关设备包括通信地耦接到接口设备的网络接口，以及连接到存储器模块的一个或多个处理器。网关设备的一个或多个处理器被配置为：将与一个或多个现场设备相关联的多个命令分组成一个或多个组，其中，一个或多个组中的每个组包括与在网关设备的对应信道上连接的对应现场设备相关联的一组命令；将第一组命令传输到网关设备以用于在对应的第一现场设备上执行第一组命令；以及将第一组命令传输到网关设备以用于在完成第一组命令的执行之后在对应的第二现场设备上执行第二组命令。
在又一方面，本公开描述了一种用于与第一现场设备和第二现场设备通信的非暂时性存储介质。该非暂时性存储介质包括多个指令，当在一个或多个处理器上执行时，这些指令使一个或多个处理器：接收与第一现场设备相关联的第一命令；通过第一通信信道与第一现场设备通信以用于执行接收到的第一命令；在接收到的第一命令的执行期间接收与第二现场设备相关联的第二命令；以及将第二命令缓存在存储器模块中，直到完成第一命令的执行。该方法的优点适用于在本文描述的设备和非暂时性存储介质。结合图1-图5进一步描述这些方面。
附图说明
以下详细描述参考附图，其中：
图1示出具有多个现场设备的示例工业设施；
图2示出与一个或多个现场设备通信的示例方法；
图3示出第一表中的多个命令和第二表中的两组命令。
图4示出用于与一个或多个现场设备通信的示例接口设备；以及
图5示出用于与一个或多个现场设备通信的示例网关设备。
具体实施方式
图1示出工业设施100中的多个现场设备(125、135、145和155)。在本文的工业设施是指可以发生一个或多个工业过程诸如装备的制造、精炼、熔炼、组装的任何环境，并且包括制炼厂、炼油厂、汽车厂等。除了图中所示的现场设备，工业设施100还包括多个工业设备，包括控制设备、移动设备、操作员站等。控制设备包括过程控制器、可编程逻辑控制器、监控控制器、自动导引车、机器人、操作员设备等。一个或多个控制设备连接到多个现场设备(在图中显示为现场设备125、135、145以及155)。多个现场设备包括致动器和传感器设备，以用于监测和控制工业设施100中的工业过程的。这些现场设备可以包括流量计、阀门致动器、温度传感器、压力传感器等。另外，工业设施100可以包括操作员站，以用于向操作员显示工业设施100的状态并且允许操作员定义用于控制设施中的工业过程的KPI。所有工业设备可以经由一个或多个(经由有线和无线技术实现的)网络连接到彼此。
上述一个或多个网络中的通信通过有线和无线方式或技术进行。因此，工业设施包括多个网络设备，诸如接口设备和网关设备。接口设备用于将现场设备连接到工业设施中的其他工业设备。类似地，网关设备用于将工业设备连接到可以位于工业设施内部或外部的其他自动化系统。例如，如图1所示，现场设备125和135被连接到接口设备120，以与网关设备110通信。接口设备120被配置为通过现场级通信协议诸如HART与现场设备125和135通信，并且通过控制级通信协议诸如Modbus与网关设备110通信。此外，现场设备125和135可以通过现场级通信协议直接连接到对应的控制器。除了接口设备120之外，现场设备125和135还可以以主从配置连接到控制器(图中未示出)，其中控制器处于主配置而现场设备处于从配置。在此类配置中，接口设备120以次级主配置被连接到现场设备125和135。接口设备120被配置为从网关设备110接收用于现场设备的读取和写入命令，并且与现场设备125和135协调这些命令的执行。网关设备可以被连接到云系统并且经由接口设备120传输来自现场设备125和135的测量结果。类似地，现场设备145和155被连接到接口设备150，以与网关设备110通信。接口设备120和140可以从网关设备110接收用于相关联现场设备的多个命令并进行命令的缓存执行，以减少由于与现场级通信协议相关联的低速而导致的瓶颈。这在图2的描述中得到进一步解释。
本领域技术人员可以注意到，虽然上述工业设施被描述为两个现场设备连接到单个接口设备，但是多个现场设备可以连接到单个接口设备。
图2示出使用接口设备120与一个或多个现场设备(125、135)通信的方法200。每个现场设备(125、135)被连接到接口设备120的对应信道。方法200由接口设备120执行。在步骤210处，接口设备120从工业设备接收与第一现场设备125相关联的第一命令。在示例中，工业设备是网关设备110。在示例中，第一命令是来自网关设备的读取命令，以读取由第一现场设备125进行的一个或多个测量。
然后，基于接收到的第一命令，在步骤220处，接口设备120通过第一通信信道与第一现场设备125通信，以执行接收到的第一命令。在示例中，第一通信信道是HART信道。因此，由于第一现场设备125可以以主从配置连接到控制器，所以接口设备120在将第一命令传送到第一现场设备125之前检查第一通信信道是否空闲并且与第一通信信道同步。然后，接口设备120在第一通信信道上等待来自第一现场设备125的响应。
同时，在步骤230处，接口设备120从工业设备即网关设备110接收与一个或多个现场设备相关联的一个或多个命令。该一个或多个命令包括与第二现场设备135相关联的至少一个命令。当接口设备接收一个或多个命令时，进行在第一现场设备124上对第一命令的执行，并且接口设备120在第一通信信道上同步以接收来自第一现场设备125的响应.
因此，在步骤240处，接口设备120在执行第一命令之前将接收到的一个或多个命令缓存在存储器模块中。由于正在进行第一命令的执行，接口设备120无法改变信道来执行接收到的一个或多个命令，因此，该一个或多个命令被缓存，直到接口设备120接收到来自第一现场设备125的指示第一现场设备125的执行完成的响应。因此，当接口设备120正在执行第一命令时，接口设备120能够接收附加命令。这减少了接口设备120处的瓶颈。
在示例中，方法200还包括将接收到的一个或多个命令分组成一个或多个组，一个或多个组中的每个组包括与在对应信道上连接到网关设备的对应现场设备相关联的一组命令。通过将接收到的一个或多个命令分组并且然后执行这些组允许减少总执行时间。这将结合图3进一步解释。
图3示出第一表310中的一个或多个命令和第二表350中的一个或多个命令的一个或多个组的示例。第一表310包括由接口设备120接收的一个或多个命令。在当前示例中，第一表310包括四个命令：在第一通信信道上的与连接到接口设备120的第一现场设备125相关的命令34、56、77，以及在第二通信信道的与连接到接口设备120的第二现场设备135相关的命令45。如前所述，接口设备120在第一命令正在执行时接收命令34、56、77以及45，并且接口设备120在第一通信信道上等待来自第一现场设备125的关于第一命令的执行的响应。在示例中，根据第一表310中所示的顺序依次接收这四个命令(即命令34、命令45、命令56以及命令77)。在另一示例中，接口设备120从网关设备110一起接收所有四个命令。
如上所述，在接收到命令之后，接口设备120基于与命令相关联的现场设备将命令分组为一个或多个组。由于命令34、56以及77与第一现场设备125相关，因此命令34、56以及77被一起分组在第一组360中。类似地，与第二现场设备相关的命令45被分组为第二组370。在分组之后，当第一命令的执行完成时，接口设备120执行命令组。在示例中，由于先前执行了第一命令，因此接口设备120选择第一组命令来执行，因为这不需要改变通信信道。这相应地减少了总执行时间。然后在第一组中的命令完成后，接口设备120执行第二组中的命令。通过确保基于组的执行，减少了通信信道更改和同步的次数，从而减少了四个命令的总执行时间。
在示例中，方法200还包括在第一现场设备125上执行第一命令之后从第一现场设备125接收执行消息，该执行消息指示基于第一命令在第一现场设备125上执行的结果。
本公开可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品包括存储由一个或多个计算机、处理单元或指令执行系统使用或与其结合使用的程序代码的计算机可用或计算机可读介质。例如，方法200可以在单个设备中或跨一个或多个设备实现。
因此，本公开描述了用于与第一现场设备125和第二现场设备135通信的接口设备400。接口设备400包括网络接口410，该网络接口包括与第一现场设备125相关联的第一通信信道和与第二现场设备135相关联的第二通信信道。接口设备400还包括连接到存储器模块430的一个或多个处理器420。存储器模块430包括命令缓存模块435和多个指令440。当在一个或多个处理器420上执行时，这些多个指令使一个或多个处理器420接收与第一现场设备125相关联的第一命令，通过第一通信信道与第一现场设备125通信以用于执行接收到的第一命令，在接收到的第一命令的执行期间接收与第二现场设备135相关联的第二命令，并且将第二命令缓存在存储器模块430中具体地缓存在命令缓存模块435中，直到第一命令的执行完成。第一命令与第一现场设备中的读取和写入操作中的一个相关联。
在示例中，一个或多个处理器420还被配置为接收与一个或多个现场设备相关联的一个或多个命令；并且将接收到的一个或多个命令分组成一个或多个组，如上所述。在示例中，一个或多个处理器420还被配置为在第一现场设备125上执行第一命令之后接收来自第一设备的执行消息，该执行消息指示基于第一命令在第一现场设备125上执行的结果。
在另一方面，本公开描述了用于经由接口设备120与一个或多个现场设备(125、135)通信的网关设备500。接口设备120通过对应的一个或多个现场设备125和135连接到一个或多个现场设备125和135。网关设备500包括通信地耦接到接口设备120的网络接口510；以及连接到存储器模块530的一个或多个处理器520。存储器模块520包括多个指令540，当在一个或多个处理器520上执行时，这些指令使一个或多个处理器520：将与一个或多个现场设备相关联的多个命令分组成一个或多个组，其中一个或多个组中的每个组包括与在接口设备120的对应信道上连接的对应的现场设备相关联的一组命令；将第一组命令传输到接口设备120以在对应的第一现场设备上执行第一组命令；以及在完成第一组命令的执行之后，将第二组命令传输到接口设备120以在对应的第二现场设备上执行第二组命令。
此外，本公开描述了用于与第一现场设备125和第二现场设备135通信的非暂时性存储介质430(也称为存储器模块430)。该非暂时性存储介质430包括多个指令440，当在一个或多个处理器420上执行时，这些指令使一个或多个处理器420接收与第一现场设备125相关联的第一命令，通过第一通信信道与第一现场设备125通信以执行接收到的第一命令，在接收到的第一命令的执行期间接收与第二现场设备135相关联的第二命令，并且将第二命令缓存在缓存存储器模块435中，直到第一命令的执行完成。
出于本发明说明的目的，计算机可用或计算机可读的非暂时性存储介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传达程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何装置。介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)，或者就其本身而言作为信号载体并未包括在物理计算机可读介质的定义中的传播介质，物理计算机可读介质包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘，诸如光盘只读存储器(CD-ROM)、光盘读/写以及DVD。如本领域技术人员所知，用于实现技术的每个方面的处理单元和程序代码都可以是集中的或分布式的(或其组合)。
尽管参考少数工业设备描述了本公开，但是在本公开的上下文中可以利用多个工业设备。虽然已经参考某些实施例详细描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于那些实施例。鉴于本公开，本领域技术人员可以在不脱离本公开的各种实施例的范围的情况下，对这些实施例进行许多修改和变化，如本文所述。因此，本公开的范围由以下权利要求而不是由前述说明指示。落入权利要求的等效含义和范围内的所有变化、修改和变型都将被视为在其范围内。方法权利要求中要求保护的所有有利实施例也可以被应用于设备/非暂时性存储介质权利要求。

Claims (7)

1.一种使用接口设备(120)与一个或多个现场设备(125，135)通信的方法(200)，其中，每个现场设备被连接到所述接口设备(120)的通信信道，所述方法(200)包括：
a.从工业设备(110)接收(210)与第一现场设备(125)相关联的第一命令；
b.通过第一通信信道与所述第一现场设备(125)通信(220)以执行所接收到的所述第一命令；
c.接收(230)与所述一个或多个现场设备(125，135)相关联的一个或多个命令，其中，所述一个或多个命令包括来自所述一个或多个现场设备(125，135)的与第二现场设备(135)相关联的至少一个命令；以及
d.在执行所述第一命令之前，将所述一个或多个命令缓存在存储器模块(430)中，
其中，所述方法(200)还包括将所接收到的一个或多个命令分组成一个或多个组，所述一个或多个组中的每个组包括与在对应的通信信道上连接到所述接口设备(120)的对应现场设备相关联的一组命令。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，其中，所述方法(200)还包括在所述第一现场设备(125)上执行所述第一命令之后，接收来自所述第一现场设备(125)的执行消息，所述执行消息基于在所述第一现场设备(125)上执行所述第一命令来指示结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一命令与所述第一现场设备(125)中的读取和写入操作中的一个相关联。
4.一种用于与第一现场设备(125)和第二现场设备(135)通信的接口设备(400)，所述接口设备(400)包括：
a.网络接口(410)，能够连接到与所述第一现场设备(125)相关联的第一通信信道和与所述第二现场设备(135)相关联的第二通信信道；以及
b.一个或多个处理器(420)，被连接到存储器模块(430)，所述一个或多个处理器(420)被配置为：
i.接收与第一现场(125)设备相关联的第一命令；
ii.通过所述第一通信信道与所述第一现场设备(125)通信以执行所接收到的第一命令；
iii.在执行所接收到的第一命令期间，接收与所述第二现场设备(135)相关联的第二命令；以及
iv.将所述第二命令缓存在所述存储器模块(430)中，直到完成所述第一命令的执行，
其中，所述一个或多个处理器(420)还被配置为接收与所述第一现场设备(125)和所述第二现场设备(135)中的一个相关联的一个或多个命令；并且将所接收到的一个或多个命令分组成一个或多个组，所述一个或多个组的每个组包括与所述第一现场设备和所述第二现场设备(125，135)中的一个相关联的一组命令。
5.根据权利要求4所述的接口设备(400)，其中，所述一个或多个处理器(420)还被配置为在所述第一现场设备(125)上执行所述第一命令之后，接收来自所述第一现场设备(125)的执行消息，所述执行消息基于在所述第一现场设备(125)上执行所述第一命令来指示结果。
6.根据权利要求5所述的接口设备(400)，其中，所述第一命令与所述第一现场设备(125)中的读取和写入操作中的一个相关联。
7.一种用于经由接口设备(120)与一个或多个现场设备(125，135)通信的网关设备(500)，所述接口设备(120)通过对应的一个或多个通信信道被连接到所述一个或多个现场设备(125，135)，所述网关设备(500)包括：
a.网络接口(510)，被通信地耦接到所述接口设备(120)；以及
b.一个或多个处理器(520)，被连接到存储器模块(530)，所述一个或多个处理器(520)被配置为
i.将与所述一个或多个现场设备(125，135)相关联的多个命令分组成一个或多个组，其中，所述一个或多个组中的每个组包括与在所述接口设备(120)的对应信道上连接的对应现场设备相关联的一组命令，
ii.将第一组命令传输到所述接口设备(120)，以在对应的第一现场设备(125)上执行所述第一组命令；以及
iii.在完成所述第一组命令的执行之后，将第二组命令传输到所述接口设备(120)，以在对应的第二现场设备(135)上执行所述第二组命令。
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