CN117215261A - 用于单一i/o部件的非破坏性更换的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于物理移除和更换单一I/O部件的技术包括工厂人员经由部件的用户接口将部件置于“可更换”状态。作为响应，单一I/O部件将其通知I/O子系统。I/O子系统存储部件的可更换状态的记录，并开始保存最近从部件接收的数据值(例如，现场设备值)。当I/O子系统检测到单一I/O部件无法通信时(例如，由于被移除和更换)，基于“可更换”状态的存储记录，I/O子系统获取最近接收到的所保持的数据值并将其传输到控制器，从而维持控制回路的受控(例如，非破坏)执行。当更换的单一I/O部件初始化为“服务中”状态时，I/O子系统相应地更新其状态记录，并恢复将实时现场数据值转发给控制器。

Description

用于单一I/O部件的非破坏性更换的装置和方法

技术领域

本公开内容总体上涉及过程工厂和过程控制系统，并且更具体地，涉及更换过程工厂和过程控制系统的单一(simplex)I/O部件以不破坏正执行的工业过程。

背景技术

分布式工业过程控制系统，如在化学、石油、工业或其它过程工厂中用于制造、提炼、转换、生成或生产物理材料或产品的那些，通常包括一个或多个过程控制器，该过程控制器经由模拟、数字或组合模拟/数字总线，或经由无线通信链路或网络通信地耦合到一个或多个连接现场设备。现场设备，例如可以是阀、阀定位器、开关和变送器(例如，温度、压力、液位和流速传感器)，位于过程环境中，通常执行物理或过程控制功能，例如打开或关闭阀、测量过程和/或环境参数(例如温度或压力等)以控制过程工厂或系统内执行的一个或多个工业过程。智能现场设备，例如符合众所周知的现场总线协议的现场设备，也可以执行控制计算、报警功能和控制器内通常实现的其它控制功能。可能位于或可能不位于工厂环境内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，并执行运行例如不同的控制模块的控制应用，这些控制模块做出过程控制决策、根据接收到的信息生成控制信号并与在现场设备(例如和现场总线)中执行的控制模块或块进行协调。控制器中的控制模块通过通信线路或链路将控制信号发送到现场设备(和/或其它现场设备和/或控制器)，从而控制过程工厂或系统的至少一部分的操作，例如，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。例如，控制器和现场设备控制正由过程工厂或系统控制的过程的至少一部分。通常也位于工厂环境内的I/O设备通常设置在控制器和一个或多个现场设备之间，并实现它们之间的通信，例如，通过将电信号转换为数字值，反之亦然。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。

来自现场设备和控制器的信息通常通过数据高速公路或通信网络提供给一个或多个其它硬件设备，例如操作员工作站、个人计算机或计算设备、数据历史库、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较恶劣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通常都跨过程工厂或跨过程工厂的一部分上而集中。这些硬件设备运行应用程序，应用程序可以例如使操作员能够执行与控制过程和/或操作过程工厂相关的功能，例如更改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，查看现场设备和控制器生成的警报，模拟过程的操作以用作培训人员或测试过程控制软件的目的，保存和更新配置数据库等。硬件设备、控制器和现场设备使用的数据高速公路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。

作为示例，由艾默生自动解决方案(Emerson Automation Solutions)销售的DeltaV^TM控制系统包括多个应用程序，这些应用程序存储在位于过程工厂内不同位置的不同设备中并由这些设备执行。驻留在过程控制系统或工厂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程序使用户能够创建或更改过程控制模块，并经由数据高速公路将这些过程控制模块下载到专用分布式控制器。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，其基于对其的输入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。例如，可以在包括控制器和一个或多个现场设备的控制回路中执行控制方案。配置应用程序还可以允许配置设计人员创建或更改操作员界面，查看应用程序使用该操作员界面向操作员显示数据并使操作员能够更改过程控制例程内的设置，例如设定点。每个专用控制器，在某些情况下，和一个或多个现场设备存储并执行相应的控制器应用程序，该应用程序运行分配并下载到其上的控制模块以执行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公路通信连接的一个或多个远程计算设备上)执行的查看应用程序经由数据高速公路从控制器应用程序接收数据并显示该数据给过程控制系统设计人员、操作员或使用用户界面的用户，并且可以提供多种不同视图中的任何一种，例如操作员视图、工程师视图、技术人员视图等。数据历史库应用程序通常存储在数据历史库设备中并由数据历史库设备执行，该设备收集和存储通过数据高速公路提供的部分或全部数据，而配置数据库应用程序可以在连接到数据高速公路的另外的计算机中运行以存储当前的过程控制例程配置和与其相关联的数据。或者，配置数据库可以位于与配置应用程序相同的工作站中。

通常，现场设备可以通信地耦合到I/O卡，I/O卡将从现场设备接收到的信号转换成控制器可以处理的信号，并且将从控制器接收到的信号转换成现场设备可以处理的信号。每个I/O卡的每个通道，对应于一个特定的现场设备，必须与适当的信号类型相关联(以便信号被I/O卡适当地处理)并且I/O卡必须通信耦合到最终将接收来自和/或发送信号到耦合到该I/O卡的现场设备的一个或多个控制器。

在一些过程控制系统中，电子编组系统或设备被用来有效地执行现场设备和控制器之间的I/O连接。例如，在过程工厂的特定区域内，端接块可以用作位于过程工厂的特定物理区域中的现场设备的布线(或连接)的端接点。端接块可以位于设置在端接区域中的电子编组柜中，其中编组柜包括多个通信模块，这些通信模块在耦合到现场设备的通信模块和一个或多个I/O之间编组、组织或路由信号，一个或多个I/O卡通信耦合到与现场设备相关联的控制器。除了端接块、通信模块和I/O卡之外，编组柜还可能包括为I/O卡和通信模块供电的电源供应、功率耗散机制(例如散热器、风扇等)以防止编组柜中的部件过热，所有来自现场设备的接线，以及防止接线变得过于笨重的各种解决方案。

电子编组系统或设备可以包括不同类型的电子编组部件或“EMC”(例如I/O卡、I/O信号调节器等)，其中每一个都可以具有不同级别的可用性和对不同类型故障的容忍度。例如，单一I/O部件(例如，单一I/O卡、单一I/O信号调节器、单一I/O端接块等)可能对单一故障的容忍度很小甚至没有，或者可以包括一组冗余子部件，这些子部件可以承受其中一个冗余子部件的故障而不损失功能。一对或一组冗余EMC部件(例如，冗余I/O卡、冗余I/O信号调节器等)通常可以为该对或组提供的I/O功能提供更高的可用性，因为该对中的一个可以假设在一对或组中的另一个出现故障时提供I/O功能(例如，“热备用”)。

非冗余或单一I/O部件(例如，过程控制系统没有对应的热备用的I/O部件)必须通过使用各种复杂(并且主要是手动)程序进行物理更换，例如通过设置单一I/O部件的临时旁路，并最终恢复过程控制系统以利用替代的单一I/O部件。工厂人员必须适当地协调此类临时旁路与过程控制系统的执行，以便现场设备、控制器和/或其它信号在旁路过程中得到正确处理。在工厂人员更换非冗余或单一I/O部件时，此类信号缺乏协调和/或处理不当可能会导致过程控制系统各个部件的消息丢失和误跳变，从而对执行工业过程的执行及其性能造成不利和不必要的破坏。

发明内容

本文公开了用于在不破坏正执行的工业过程的情况下更换工业过程工厂的过程控制系统的单一I/O部件的技术、系统、装置、部件、设备和方法。所述技术、系统、装置、部件、设备和方法可以应用于工业过程控制系统、环境、和/或工厂，它们在本文中可互换地称为“工业控制”、“过程控制”或“过程”系统、环境、和/或工厂。通常，此类系统和工厂以分布式方式提供对一个或多个过程(在本文中也称为“工业过程”)的控制，这些过程操作为制造、提炼、或转化原始物理材料以生成或生产物理产品。

一般而言，用于在不破坏正执行的工业过程的情况下物理更换过程控制系统的单一I/O部件的技术、系统、装置、部件、设备和方法(例如，以“非破坏”方式更换单一I/O部件)允许工厂人员向过程控制系统的至少部分指示或发信号，工厂人员将要物理移除和更换单一I/O部件。在接收到来自工厂人员的指示后，过程控制系统的一个或多个部分可以进入关于使用单一I/O部件的控制回路(并且可选地关于其中包括控制回路的工业过程)的临时的、安全的运行时操作模式，以便控制回路可以在物理移除和更换单一I/O部件的同时继续其运行时操作。随后，当新更换的单一I/O部件向过程控制系统指示其在线时，过程控制系统可以退出临时安全操作模式并恢复以正常模式或方式操作。有利地，通过使用本文描述的新颖技术，单一I/O部件的物理移除和更换可以相对于工业过程的操作是无缝的(例如，对工业过程的运行时操作是“非破坏性的”)，因为旁路不需要手动设置和移除，并且正执行的过程不需要被暂停或挂起，以用于旁路设置和移除，并且手动设置和移除旁路的定时不需要与正执行的过程进行协调，从而降低(在某些情况下，消除)丢失消息、跳变和其它由当前使用的技术引起的对工业过程的破坏的风险。

附图说明

图1描绘了例示示例系统过程工厂的框图，其至少一部分实现了本文所述的用于非破坏性的单一I/O部件更换的技术的实施例；

图2A包括可以包括在图1的过程工厂中的示例控制回路的框图以及其中可以实现本文描述的用于非破坏性的单一I/O部件更换的技术的实施例；

图2B例示了可以包括在图1的过程工厂中的电子编组块、装置或设备的示例架构。

图2C描绘了可以包括在图1的过程工厂中的示例控制回路的实施方式以及其中可以实现本文描述的用于非破坏性的单一I/O部件更换的技术的实施例的框图；

图2D描绘了根据示例编组架构的实施例的示例I/O头端的框图；

图3描绘了示例单一I/O部件的框图，其中可以实现本文描述的用于非破坏性的单一I/O部件更换的技术的实施例；

图4描绘了示例I/O子系统的框图，该子系统通信地连接到单一I/O部件并且其中可以实现本文描述的用于非破坏性的单一I/O部件更换的技术的实施例；以及

图5是描绘根据用于非破坏性的单一I/O部件更换的技术的至少一些所描述的实施例的示例方法的流程图。

具体实施方式

如上所述，工业过程工厂、过程控制系统或过程控制环境通过利用本文中描述的一种或多种新技术、系统、设备、部件、设备和/或描述的方法来支持非破坏性的单一(simplex)I/O部件更换。过程工厂在调试和在线操作时包括一个或多个有线或无线现场设备、部件或元件，它们与过程控制系统协同执行物理功能以控制在过程工厂内执行的一个或多个工业过程。过程工厂和/或过程控制系统可以包括例如一个或多个有线通信网络和/一个或多个无线通信网络。另外，过程工厂或控制系统可以包括集中式数据库，例如连续的、批量的、资产管理的、历史库和其它类型的数据库。

图1描绘了示例过程工厂、过程控制系统或过程控制环境5的示意图，其中单一I/O部件(例如I/O卡、电子编组设备或部件、I/O信号调节器，和/或其它I/O单元)可以以通常(如果不是完全)不破坏使用单一I/O部件的执行控制回路的方式进行更换。一般而言，图1的示例过程工厂5包括一个或多个过程控制器，这些过程控制器接收指示现场设备获得的过程测量结果的信号，处理该信息以实现控制例程，并生成控制信号，这些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中的过程的运行。通常，每个现场设备执行物理功能(例如，打开或关闭阀、升高或降低温度、进行测量、感测条件等)来控制过程的运行。现场设备可以使用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，过程工厂环境5中可以包括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。

仅作为示例，图1例示了过程控制器11，其经由标准或传统过程控制协议输入/输出(I/O)卡26和28通信连接到有线现场设备15-22，并经由高级或多协议I/O卡29通信连接到有线现场设备23和24，多协议I/O卡29在本文中将被称为混合或多协议I/O卡或设备或混合或多物理层I/O设备。在这种情况下，控制器11经由背板总线(未示出)通信地耦合到I/O设备26、28和29，背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公路或主干网10通信连接到无线网络70中的无线现场设备40-46。过程控制数据高速公路10可以被实现为以太网通信结构，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合适的通用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可以使用除主干网10之外的一个或多个通信网络，例如通过使用支持一个或多个通信协议(例如Wi-Fi或其它符合IEEE 802.11标准的无线局域网协议、移动通信协议(例如WiMAX、LTE或其它ITU-R兼容的协议)、 Profibus、FOUNDATION现场总线等)的其它有线或无线通信链路中任何数量的通信链路，通信连接到无线网关35。此外，控制器11可以经由使用高级物理层(APL)或支持更多基于分组或高级(例如，基于通用目的IP)通信协议的其它物理层的另外的现场设备网络80耦合到其它现场设备82。

控制器11，例如可以是由艾默生自动化解决方案出售的DeltaVTM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过程或连续过程。除了通信连接到过程控制数据高速公路10之外，控制器11还使用与各种不同通信协议(例如4-20mA、现场总线协议、/>协议、/>协议)等相关联的任何所需硬件和软件，经由I/O卡26、28和29通信连接到现场设备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以及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。应当理解，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，例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中的过程控制器11包括实现或监督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。处理器30被配置为与现场设备15-24、40-46和82以及与控制器11通信连接的其它节点通信。控制例程38可以以任何期望的软件格式实现，例如使用面向对象的编程、梯形图逻辑、顺序功能图、功能块图，或使用任何其它软件编程语言或设计范例。控制例程38可以存储在任何期望类型的存储器32中，例如随机存取存储器(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可以配置成以任何期望的方式实现控制策略或控制例程。

在一个示例中，控制器11使用通常称为功能块的东西来实现控制策略，其中每个功能块是整体控制例程的对象或其它部分(例如，子例程)并且结合其它功能块(经由称为链路的通信)操作，以在过程控制系统5内实现过程控制回路。基于控制的功能块通常执行输入功能之一，例如与变送器、传感器或其它过程参数测量设备相关联的功能，控制功能，例如与执行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相关联的控制功能，或控制某个设备(例如阀)的运行以执行过程控制系统5内的某个物理功能的输出功能。当然，混合和其它类型的功能块是存在的。功能块可以存储在控制器11中并由控制器11执行，这通常是当这些功能块用于标准4-20mA设备和某些类型的智能现场设备(例如设备)或者与标准4-20mA设备和某些类型的智能现场设备相关联时的情况，或者可以存储在现场设备本身中并由其实现，/>现场总线设备就是这种情况。控制器11因此可以包括一个或多个控制例程38，其可以实现一个或多个控制回路，其通过执行一个或多个功能块来执行。

有线现场设备15-24、82可以是任何类型的设备，例如传感器、阀、变送器、定位器等，而I/O卡26和28可以是符合任何所需通信或控制器协议的任何已知类型的I/O设备。在图1中，现场设备15-18被例示为标准4-20mA设备或设备，其通过模拟线路或组合模拟和数字线路(HART或4-20物理层)与I/O卡26通信，而现场设备19-22是智能设备，例如现场总线现场设备，它们使用/>现场总线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中的至少一些可替代地使用其它合适的控制系统协议(例如，Profibus、DeviceNet、Foundation Fieldbus、ControlNet、Modbus、HART等)与控制器11通信。

此外，如图1中大体上例示的，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。特别地，如本文将更详细地描述的，I/O设备29包括多个输出端口、管脚连接器或端接块，它们中的每一个都可以适于接受与不同物理层相关联的物理层硬件(通信线路)，不同物理层支持不同的现场设备通信协议(例如，两线、三线、四线等物理层)。此外，I/O设备29支持使用不同的通信协议与连接到其端接块的不同设备进行通信。在一个示例中，I/O设备29可以支持并连接到HART兼容的物理层(其可以用于使用HART通信协议与HART兼容现场设备23通信)并且还可以支持并经由一个或多个高级物理层(例如以太网总线或电线组、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，以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/或数字信号并使用有线或无线物理层与I/O设备或I/O卡29进行通信。

当I/O设备29经由背板总线(图1中未示出)与控制器11通信连接，如图1中的虚线10a所示，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，I/O设备29可以替代地或者也可以直接连接到总线或以太网连接10并且直接与应用程序和总线10上的其它设备(甚至工厂5以外或外部的设备)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。如本文将更详细地描述的，因为连接到I/O卡29的现场设备23、24中的一些设备可以包括IP地址，因此可以经由IP协议寻址(也就是说，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通信协议可访问)，I/O卡29还可以充当资产管理系统或IIoT系统内到现场设备23、24的直接网关，因此这些系统不需要通过控制器(例如作为控制器11)进行通信以从支持IP通信协议的现场设备获取信息。

在图1中描绘的示例工厂5中，无线现场设备40-46使用无线协议，例如协议，经由无线过程控制通信网络70进行通信。这样的无线现场设备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，这些设备或节点也被配置成无线通信(例如，使用相同的无线协议或另一无线协议)。为了与一个或多个未被配置为无线通信的其它节点通信，无线现场设备40-46可以利用连接到过程控制数据高速公路10或另一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。具体地，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公路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。

与有线现场设备15-24类似，无线网络70的无线现场设备40-46在过程工厂5内执行物理控制功能，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。因此，无线现场设备40-46、无线网关35和无线网络的其它无线节点52-5870是无线通信数据包的生产者和消费者。

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是传统的4-20mA设备，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支持无线协议，例如WirelessHART，并且还可以支持一种或多种其它通信协议，例如现场总线、PROFIBUS、DeviceNet等。此外，在一些配置中，无线网络70包括一个或多个更多的网络接入点55a、55b，它们可以是与无线网关35有线通信的单独的物理设备，或者可以与无线网关35一起提供作为一个整体设备。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。如图1所示，无线设备40-46和52-58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公路10相互通信并与无线网关35通信。

更进一步，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，例如以太网连接支持的任何协议，将现场设备82直接连接到网络总线或骨干网10。这些协议包括但不限于互联网协议(IP协议)、基于数据包的协议、时间敏感和非时间敏感协议等。更具体地说，这些协议可能包括HART-IP、OPC UA和任何为过程控制通信设计的其它所需协议。同样，这些协议可能包括过程自动化中传统上不使用的协议，例如通用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传输的协议。

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。一般来说，APL电源交换机84包括经由线路或总线88(其可以在网络80中以实线所示的干线配置或以实线和虚线所示的环形配置设置)向APL现场交换机86提供电力的电源。现场设备82使用APL物理层(例如，它可以是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)支持的任何所需协议与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，交换机84作为到骨干网10的网关操作。此外，现场交换机86经由直线(如由APL物理层定义的)直接连接到一个或多个现场设备82，并使用干线88上使用的相同通信协议与现场设备82通信。电源交换机84和现场交换机86操作以通过骨干网10与现场设备82之间的线路88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骨干网10间接耦合到过程控制器，例如过程控制器11。

此外，如图1所示，过程控制系统5包括一个或多个操作员和/或维护工作站71，它们通信地连接到数据高速公路10。使用操作员或维护工作站71，操作员或维护人员可以查看和监控过程工厂5的运行时操作、设备条件和状态信息等，并可能采取任何诊断、纠正、维护和/或可能需要的其它行动。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中的至少一些可以远程定位，但仍然与工厂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进一步被例示为包括配置应用程序72a和配置数据库72b，它们中的每一个还通信地连接到数据高速公路10。配置应用程序72a的各种实例可以在一个或多个上计算设备(未显示)执行，使用户能够创建或更改过程控制模块，并经由数据高速公路10下载这些模块到控制器11，以及使用户能够创建或更改操作员界面，操作员可以通过该界面查看过程控制例程内的数据和更改数据设置。配置数据库72b存储创建的(例如，配置的)模块和/或操作员界面。通常，配置应用程序72a和配置数据库72b是集中的并且对过程控制系统5具有单一的逻辑外观，尽管配置应用程序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可以跨多个物理数据存储设备实现。因此，配置应用程序72a、配置数据库72b和其用户界面(未示出)包括用于控制和/或显示模块的配置或开发系统72。通常但不一定，配置系统72的用户界面不同于操作员工作站71，因为配置系统72的用户界面由配置和开发工程师使用，而不管工厂5是否在实时运行，而操作员和维护工作站71由操作员和维护人员在过程工厂5的实时操作期间使用(这里也可互换地称为过程工厂5的“运行时”操作)。此外，过程控制系统5可以包括资产管理系统77，其可以收集和处理现场设备和控制器数据以以已知方式对过程控制系统5执行维护。资产管理系统77可以包括用于存储和处理收集的数据的一个或多个数据库和/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等的设备通信。

示例过程控制系统5还包括数据历史应用程序73a和数据历史数据库73b，它们中的每一个也通信地连接到数据高速公路10。数据历史应用程序73a操作以收集跨数据高速公路10提供的数据中的一些或所有数据，并将数据历史化或存储在历史数据库73b中用于长期存储。类似于配置应用程序72a和配置数据库72b，数据历史应用程序73a和历史数据库73b是集中式的并且对于过程控制系统5具有单一的逻辑外观，尽管数据历史应用程序73a的多个实例可以在过程控制系统5内同时执行，并且数据历史库73b可以跨多个物理数据存储设备实现。

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与其它设备通信，例如Wi-Fi或其它符合IEEE 802.11的无线局域网协议、例如WiMAX(全球微波接入互操作性)、LTE(长期演进)或其它ITU-R(国际电信联盟无线电通信部门)兼容协议之类的移动通信协议、例如近场通信(NFC)和蓝牙之类的短波无线电通信、或其它无线通信协议。通常，此类无线接入点74允许手持或其它便携式计算设备(例如，用户接口设备75)通过与无线网络70不同并且支持与无线网络70不同的无线协议的相应无线过程控制通信网络进行通信。例如，无线或便携式用户接口设备75可以是过程工厂5内的操作员使用的移动工作站或诊断测试设备(例如，操作员工作站71之一的实例)。

在一些配置中，过程控制系统5包括到目前的过程控制系统5外部的系统的一个或多个网关76、78。典型地，这样的系统是由过程控制系统5生成或操作的信息的消费者或供应者。例如，过程控制工厂5可以包括网关节点76以将目前的过程工厂5与另一个过程工厂通信连接。另外或替代地，过程控制工厂5可以包括网关节点78以将目前的过程工厂5与外部公共或私有系统通信连接，例如实验室系统(例如，实验室信息管理系统或LIMS)、操作员轮班数据库、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、运输和处理系统、包装系统、互联网、其它供应商的过程控制系统或其它外部系统。

值得注意的是，虽然图1仅示出了单个控制器11与有限数量的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，以及包括在过程控制工厂或系统5中的过程控制通信网络70，但这只是说明性而非限制性实施例。任何数量的控制器11可以包括在过程控制设备或系统5中，并且任何控制器11可以经由任意数量的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通信来控制工厂5中的过程。例如，过程工厂5可以包括各种物理区域，每个物理区域都具有与该物理区域中的一组关联的现场设备和网络15-24、40-46、35、52、55、58和70通信的关联的一个或多个控制器11(和关联的I/O设备26、28或29)。

此外，应注意的是，图1中的过程工厂或控制系统5包括由数据高速公路10通信连接的现场环境122(例如，“过程工厂车间122”)和后端环境125。如图1所示，现场环境122包括在其中设置、安装和互连以在运行时期间操作以控制过程的物理部件(例如，过程控制设备、网络、网络元件等)。例如，控制器11、I/O卡26、28和29、现场设备15-24以及其它设备和网络部件40-46、35、52、55、58、70和82位于、设置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，原材料在过程工厂5的现场环境122中被接收和处理，使用布置在其中的物理部件产生一种或多种产品。

过程工厂5的后端环境125包括各种部件，例如计算设备、操作员工作站、数据库或数据银行等，它们被屏蔽和/或保护免受现场环境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、数据库和其它部件和装备可以在物理上位于不同的物理位置，其中一些可能在过程工厂5本地，而一些可能在远程。

图2A-2D大体描绘了可由过程工厂内的现场设备、I/O卡和控制器(例如图1所示的现场设备15-24、I/O卡26、28、29和控制器)使用的通信架构。为了便于说明，而不是为了限制目的，同时参考图1讨论图2A-2F。

图2A包括描绘其中包括现场设备102a的示例过程控制回路100a的示例通信架构的框图。现场设备102a可以是智慧或智能现场设备(例如现场设备19-24、82之一)，或者可以是传统现场设备(例如现场设备15-18之一)。通常，如本文所用，“智慧”或“智能”现场设备是整体包括一个或多个处理器和一个或多个存储器的现场设备。另一方面，如本文所用，“传统”现场设备不包括一个或多个机载处理器和/或机载存储器。

回路100a可以集成或合并到过程工厂中，以用于在过程工厂的运行时操作期间控制其中的过程。例如，回路100a可以安装或布置在过程工厂5的现场环境122中。

在图2A中所示的示例过程控制回路100a内，现场设备102a通信连接103a(例如，以有线或无线方式)到电子编组设备或部件(EMC)110a(例如，I/O信号调节器、CHARacterization模块或艾默生自动化解决方案提供的CHARM等)。EMC110a通信连接112a到端接块105a，端接块105a又通信连接107a到I/O处理器模块或卡108a。I/O处理器模块或卡108a通信连接118a到控制器120a，控制器120a又通信连接121a到过程工厂5的后端环境125和/或前端环境122。在过程工厂5的在线操作中，控制器120a接收由现场设备102a生成的信号的值(例如，由现场设备102a生成的数据值)并且对接收到的值进行操作以控制工厂5内的过程，例如通过基于接收到的值生成控制或安全信号并发送控制或安全信号以改变现场设备102a和/或另一设备(图2A中未示出)的操作。在一些情况下，控制器120a可以将控制和/或信息信号发送到另一个控制器(图2A中也未示出)，并且可以经由通信连接121a向后端环境125发送信息以及从后端环境125接收信息。控制器120a可以是过程控制器，例如图1的过程控制器11、支持过程工厂的安全仪表系统中包括的安全仪表系统(SIS)控制器或逻辑解算器5、或从现场设备接收信号的另一种类型的控制器，基于接收到的现场设备信号确定对应的控制或安全信号，并且将控制或安全信号传输给过程工厂5的其它部件，从而控制和/或修改工业过程的运行时操作。

在图2A中，电子编组部件110a、端接块105a和I/O处理器模块108a被描绘为物理上一起位于机柜或壳体115a(例如I/O机柜)中，该机柜或壳体115a将电子编组部件110a电气互连的、端接块105a和I/O处理器模块108a，和/或经由一个或多个总线、背板或其它合适的互连机制容纳在机柜115a内的其它部件电气互联。当然，如图2A中所描绘的电子编组部件110a、端接块105a和I/O处理器模块108a在机柜115a中的壳体只是众多可能的壳体配置中的一种。

图2B例示了支持图1中所示的EMC110a的示例电子编组块、I/O装置或I/O设备140的透视图，因此下面同时参考图2A进行讨论。如前所讨论的，图1的I/O设备29可以是提供混合物理层和通信协议平台的示例I/O设备，其可用于经由各种不同的物理层和各种不同的通信协议在过程控制器和多个不同的现场设备之间提供通信。特别地，图2B更详细地例示了混合物理层和协议设备140(其可以是图1的I/O设备29)。更具体地说，图2B描绘了示例电子编组或I/O设备140的透视图，该电子编组或I/O设备140支持使用多个不同的物理层并且如果需要的话使用不同的物理层上的不同通信协议，来与多个不同的现场设备进行通信。一般而言，I/O设备140包括具有上部142(与I/O设备140的头端(head-end)单元或控制器侧相关联)以及与I/O设备140的现场设备侧相关联的下部148的I/O卡基座或承载件。基座的上部142包括预配置的插槽(图2B中未明确显示)，一个或多个I/O处理器模块145(在本文中也可互换地称为“I/O卡145”或“I/O模块145”)被放置或插入其中。例如，图2A所示的I/O处理器模块108a可以是图2B所示的I/O处理器模块145之一。I/O卡承载基座的上部142可以支持多个不同的I/O处理器模块145，过程或SIS控制器(例如，图1的过程控制器11或图2A的控制器120a)可以经由有线或无线连接(图2B中未明确显示)进行连接。在图2B的示例中，I/O卡基座或承载件的上部142支撑两个I/O处理器模块145，然而，更多或更少的I/O处理器模块145可被支撑在(插入)基座142中。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，可以是冗余的I/O处理器模块，其针对一个或多个不同的通信协议执行相同的功能，和/或可以包括至少作为非冗余或单一I/O处理器模块的I/O处理器模块(例如，对于没有同时被接收到I/O卡基座的上部142中并且可用于当单一I/O处理器模块出现故障时提供单一I/O处理器模块的功能的其它I/O处理器模块的情形)。此外，I/O处理器模块145可以包括用于I/O设备140支持的每个不同通信协议的单独的I/O处理器模块，或者可以包括使用不同的物理层结构支持多个不同通信协议的I/O处理器模块145。更进一步，I/O处理器模块145之一可以是或可以包括用于一种或多种不同通信协议等的一个或多个电源。

I/O处理器模块145执行与过程控制器或安全仪表系统(SIS)控制器的通信，该过程控制器或安全仪表系统(SIS)控制器通信地连接在I/O设备140的一侧(例如，图1的过程控制器11或图2A的控制器120a)并与设置在I/O设备140上的各种不同的电子编组部件进行通信，这些编组部件与I/O设备140另一侧的现场设备通信(例如，图1的现场设备23-24之一或图2A的现场设备102a)。因此，I/O处理器模块145可以包括专用或通用处理器和存储器，这些处理器和存储器被编程为执行各种通信功能，包括接收和发送通信信号到过程控制器，使用一种或多种通信协议对从现场设备接收和发送到现场设备的信号进行解码和编码，响应来自现场设备和过程控制器的消息，使用适当的通信协议将信息和消息从控制器传送到现场设备和相反动作，对耦合到I/O设备140的现场设备的身份和逻辑位置进行追踪(即，确定、追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。I/O处理器模块145还可以，在一些情况下，包括电源或连接到外部电源并通过连接到I/O设备140的一个或多个现场设备通信网络进行供电。

此外，下部编组基座148经由一个或多个内部总线(图2B中未示出)电连接到上部基座142(并因此连接到I/O模块145)。虽然在图2B中仅示出了一个下部基座148，但多个下部基座148可以串联连接在一起以连接到上部基座142。每个基座148(同样，图2B中仅示出其中一个)支持多个可单独配置的通道，其中每个通道包括耦合到设置在基座148上的专用线端接块150a-150l的专用槽149a-149l。例如，图2A中所示的端接块105a可以是图2B中所示的端接块150a-150l之一。每个线端接块150a-150l包括线端接点、连接器或任何所需类型的其它附接硬件，以将端接块150a-150l连接到一个或多个现场设备(其可包括图1中所示的现场设备102a)，并且每个端接块150a-150l可以被配置为接收或连接到与不同通信协议所要求的各种不同物理层中的任何一个相关联的线路或物理层硬件。在一些情况下，每个端接块150a-150l可以被配置为接收与多个不同类型的物理层相关联的布线或物理层结构。因此，每个端接块150a-150l可以包括用于两根、三根、四根等线路中的每根线路的螺钉线路连接器、弹簧加载线路连接器等，这些线路可以用于或符合各种不同类型的物理层(反过来，支持各种不同的通信协议中的任何一种)。仅作为示例，每个端接块150a-150l可以包括一组线路连接器，这些线路连接器可以接收和连接与HART物理层、FOUNDATION现场总线物理层、以太网物理层、APL物理层，或任何其它所需的物理层中的一个或多个关联的线路。

同样，分别与每个端接块150a-150l相关联的每个槽149a-149l被适配或配置为接收可移除的电子编组部件(EMC)152。例如，图1中所示的ECM 110a可以是ECM 152之一。不同的ECM 152可以可移除地插入到每个不同的槽149a-149l中，并且当插入到特定槽149中时，可以被牢固地接收并电连接到与特定槽149相关联的端接块150。例如，图2B例示了槽149a、149f和149i-149l没有接收任何ECM 152，而槽149b-149e和149g-149h各自在其中接收了相应的ECM 152。虽然没有明确显示在图2B中，但是每个插槽149还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I/O处理器模块145能够与插入任何槽149中的每个EMC 152进行通信。每个EMC 152还包括相应的处理器和相应的存储器，其中处理器可以是通用处理器或特定处理器(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执行与连接到基座148的端接块150的一个或多个现场设备的通信功能。每个EMC 152的处理器可以检测连接到关联的端接块的一个或多个现场设备，使用特定通信协议针对特定设备信息轮询一个或多个现场设备，包括例如设备身份和配置信息，可以存储此信息在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头端单元(其未在图2B中明确表示)中的处理器模块145。此外，每个EMC 152的处理器可以被编程为使用特定的通信协议配置消息并将消息从处理器模块145发送到连接到关联的端接块150的一个或多个现场设备，并接收和解码(如果需要)来自连接到关联的端接块150的一个或多个现场设备的消息，并将这些消息传递到处理器模块145(经由基座单元148和142中的内部总线之一)以进行处理并在需要时传输到过程控制器。

将各种不同的电子编组部件152(EMC)插入槽149中操作以将EMC 152的内部处理器连接到EMC 152一侧的总线之一(例如，EMC 152的输入侧)以及与EMC 152的另一侧(例如，EMC 152的输出侧)上的槽149相关联的端接块150的适当接线端子组。结果，EMC152在被插入槽149时，将经由至少一个内部总线电连接到EMC 152输入侧的I/O处理器模块145，并且将经由至少一个内部总线和I/O处理器模块145中的一个通信地耦合到过程或SIS控制器(和/或另一外部系统)。此外，EMC 152将经由用于EMC 152插入其中的槽149的端接块150以及将端接块150连接到一个或多个现场设备的物理层(例如，线路)连接到模块152输出侧的一个或多个现场设备。不同的EMC 152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。此外，不同类型的EMC 152可以具有不同地连接到I/O设备140的不同内部总线的连接结构。因此，使用一种类型的物理层或通信协议的EMC 152可以连接到第一内部总线总线，而使用第二类型的物理层或第二不同通信协议的EMC 152可以连接到第二内部总线。

因此，不同的可移除硬件模块或EMC 152可以插入任何插槽149中，以经由I/O设备140的一个或多个内部总线提供每个EMC 152与I/O处理器模块145中的一个或两个之间的连接，以及提供到端接块150中来自各种不同现场设备的线路可以连接到其的短接块的连接。在该特定示例中，每个端接块150可以接收与各种不同类型的物理层(包括例如2线物理层、4线物理层、指定特定厚度、类型、最小和最大长度的线路的物理层等、需要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)相关联的线路，从而当EMC152被插入到不同的槽149中时，将不同类型的物理层连接到不同的EMC 152。如果需要，一些端接块150可以支持第一类型的物理层(例如，HART或4-20ma物理层)，而其它端接块150可以支持第二类型的物理层(例如，现场总线或Profibus物理层)，还有其它端接块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，一个或多个端接块150可以具有被配置为支持两个、三个或更多不同类型的物理层的连接结构。

当然，EMC 152包括当插入槽149时取决于模块152的配置电连接到一个或多个内部总线的电连接结构，以及将EMC 152连接到与EMC 152插入的槽149相关联的端接块150的电连接结构。同样，每个可移除硬件EMC模块152包括某种类型的处理器(例如，通用处理器、专门配置的处理器，例如ASIC等)和在处理器上实现以使用特定的通信协议(并使用特定的物理层)执行通信的软件或固件。因此，例如，不同的EMC 152可以与不同的通信协议(以及用于那些协议的物理层)相关联、被编程以实现不同的通信协议、或使用不同的通信协议。因此，一些EMC 152可以是可以符合HART通信协议的HART协议模块，一些EMC 152可以符合或使用利用APL或以太网物理层的IP通信协议，而一些EMC 152可以是符合或实现FOUNDATION现场总线协议的FOUNDATION现场总线模块。I/O设备140中每个不同的内部总线可以与不同的协议层关联或符合不同的物理层并且可以支持不同的通信协议，例如使用HART物理层的HART通信协议和使用APL物理层的IP通信协议。对多种不同协议(和多个不同物理层)的支持使得不同配置的EMC 152(其支持不同的通信协议和可能不同的物理层)能够插入到不同的插槽149中并连接到使用这些不同协议(和物理层)的不同现场设备并与这些不同现场设备通信。

参考图2A和2B应该显而易见的是，I/O设备140的每个下部148支持多个可配置的通道，每个通道对应于单独的EMC 152。这种配置在图2C提供的示例框图中进行描述。图2C描绘了多个现场设备102a-102l，其中每个现场设备102a-102l通信连接103a-103l(例如，以有线或无线方式)到对应的电子编组部件110a-110l。每个电子编组部件110a-110l通信连接112a-112l到相应的端接块105a-105l，端接块105a-105l又通信耦合107a-107l到冗余I/O处理器模块108a、108a'。冗余I/O处理器模块108a、108a'通信连接118a到控制器120a，控制器120a又通信连接121a到过程工厂5的后端环境125。电子编组部件110a-110l、端接块105a-105l和冗余I/O处理器模块108a、108a'可以包括在I/O设备140中，并且可以全部封闭在机柜115a中。在图2C所示的实施例中，虽然I/O设备140的下部148包括支持十二个通道和十二个相应电子编组部件(例如，ECM 110a-110l)的12个端接块105a-105l，但在其它实施例中，I/O设备140的下部148可以支持更少或更多的电子编组部件，例如8、10、16、32等。实际上，I/O设备140的下部148可以被配置为支持最大数量的通道和相应的电子编组部件，但在特定时间可能仅连接到最大数量的通道和电子编组部件的子集。例如，在图2B的示例I/O设备140中，下部148被示为在物理上能够支持最多12个信道(例如，对应于端接块150a-150l)并且因此在任何时间接收最多12个ECM 150，但是在图2B中所描绘的特定时间，下部148仅支持12个通道中的六个，例如，经由接合的ECM 152b-152e和ECM 152g-152h。也如图2B所示，每个I/O处理器模块145是多通道I/O处理器模块145，因为I/O处理器模块145可以支持I/O信号在最多12个通道上的路由。类似地，图2C中所示的每个I/O处理器模块108a、108a’也可以支持多通道。

虽然过程工厂5的一些部分可以包括如关于图2A-2C所描述的集中式编组柜(例如，图2A中描绘的机柜115a)，其中电子编组块或设备140包括一个或多个I/O卡基座或承载件，每个上部142通过相应的EMC 152耦合到一个或多个下部148，但当前描述的过程工厂5可以附加地或替代地包括一个或多个分布式EMC网络，该分布式EMC网络不将编组块140的所有部件集中在单个机柜或位置中。相反，上部142可以位于一个地方(例如，在编组柜115a中)，而EMC 152和I/O卡底座或承载件的支撑下部148(如将描述的)可以远离I/O卡承载件的上部142定位并分布在过程工厂5的整个现场环境122中。

图2D描绘了这种分布式EMC系统中的I/O头端200的框图。头端200执行许多与图2B中描绘的I/O卡承载件的上部142相同的功能，即，头端200承载(并且通信连接到)一对冗余I/O处理器模块202、202’，如上所述，处理器模块202、202’与现场设备和一个或多个控制器通信。I/O处理器模块202、202’中的每一个可以包括相应的存储器设备203、203’，它们可以存储用于操作I/O卡202、202’的计算机可读指令，和/或可以临时存储正在从控制器传输到一个或多个现场设备的数据，或从一个或多个现场设备传输到控制器的数据。附加地或替代地，存储器设备208可以存储用于操作I/O处理器模块202、202’的计算机可读指令，用于协调I/O卡202、202’之间的冗余，用于协调头端200和与其连接的其它设备(如下所述)之间的通信和/或可以临时存储(例如，在数据库中)从控制器传输到一个或多个现场设备的数据，或从一个或多个现场设备传输到控制器的数据。最后，处理器205可以耦合到存储器设备208并且可以执行存储在其上的计算机可读指令以用于存储数据和/或从存储设备208获取数据的目的，控制I/O处理器模块202、202’，并经由各种通信端口进行通信。

一个或多个通信端口207例如可以将头端200耦合到一个或多个控制器(例如，耦合到控制器120a)，耦合到位于工厂5的现场环境122中的其它过程控制系统部件5，和/或耦合到位于工厂5的后端环境125中的其它过程控制系统部件。一个或多个通信端口207可以包括实现任何合适的通信协议的任何合适的通信端口，但是在实施例中，是实现以太网通信的以太网端口。附加的通信端口204、206、209a和209b促进前端200和一个或多个分布式电子编组模块210之间的通信，每个模块可以实现I/O设备140的下部148的相应实例或实施例。例如，通信端口204和206可以主要分别用作输出端口和输入端口，端口204将数据从头端200传输到分布式编组模块210，而端口206在头端200接收来自分布式编组模块210的数据。在某些情况下，单个通信端口(例如，端口204、206、209a、209b之一)可以用作相对于特定分布式编组模块210和头端200的输入和输出端口。

此外，虽然上面关于图2B-2D描述了可支持能够支持多种类型通信协议的多种类型物理层的I/O设备140，但应当理解，关于图2B-2D所讨论的原理和技术容易地适用于仅支持一种类型的物理层(例如仅支持HART兼容的物理层或仅支持Fieldbus通信协议和物理层)的I/O设备。例如，图1的I/O卡26和/或I/O卡28可以是仅支持一种类型的通信协议和物理层的I/O设备140的实施例。在单个协议/物理层的实施例中，I/O设备140可以仅包括单一类型的内部总线以支持相应的协议/物理层，或者I/O设备140可以包括多个内部总线但仅利用其中之一支持现场设备和控制器之间的信号传输。

图3描绘了示例单一I/O部件300的框图，其中可以实现本文描述的用于非破坏性的单一I/O部件更换的技术的实施例。如本文通常使用的，“I/O部件”是指在过程控制系统内执行至少一部分I/O功能并且可以作为一个单元被工厂人员移除和更换的物理单元，例如、I/O电路板、单通道I/O卡或处理器模块、多通道I/O卡或处理器模块、电子编组元件(EMC)、I/O信号调节器、CHARM等。这种I/O部件为在单一I/O部件300发生故障时当过程控制系统内没有重复的或其它单元可以切换到并使用(例如，自动地)代替单一I/O部件300的“单一I/O部件”(本文中也互换地称为“非冗余I/O部件”或“非冗余或单一I/O部件”)。例如，单一I/O部件300可以是过程工厂5中包含的EMC 110a或I/O处理模块108a，执行相应的I/O功能，并且过程控制系统对此没有任何对应的冗余物理单元(例如，“热备用”)，用于由单一I/O部件300提供的I/O功能的容错操作。一般而言，并且与图2B中示出的一对冗余I/O处理器模块145和图2D中示出的一对冗余I/O处理器模块202、202’相反，由单一I/O部件300提供的I/O功能的容错操作是不可能的。也就是说，当单一I/O部件300经历完全故障时，必须在恢复正常操作(例如，单一I/O部件300提供的运行时I/O功能)之前更换或修复它。为了便于说明而不是为了限制的目的，在此同时参考图1和2A-2D来描述单一I/O部件300。

如图3中示出的，示例单一I/O部件300包括第一通信接口302a，其将单一I/O部件300通信连接303a到现场设备，例如现场设备102a，并且单一I/O部件300包括第二通信接口302b，其将单一I/O部件300通信连接303b到I/O子系统308。在实施例中，通信连接303a、303b之一或两者是直接连接(例如，没有中间节点)。一般而言，I/O子系统305包括一个或多个其它部件，当与单一I/O部件300结合操作时，这些部件共同操作以向/从现场设备102a传送I/O信号。例如，I/O子系统305可以包括I/O设备140的部件，其通信地布置在单一I/O部件300和将I/O设备140通信地连接到控制器120a的链路118a之间。实际上，在一般意义上，I/O子系统305将单一I/O部件300通信连接到控制器120a，其中控制器120a可以是过程控制器或SIS控制器，其经由单一I/O部件300和I/O子系统305接收现场设备102a生成的数据，基于接收到的数据生成控制信号，并将控制信号发送到现场设备102a、另一个现场设备或另一个控制器5以控制过程工厂5中工业过程的操作。

因此，如本文一般所指的I/O子系统305统指设置在单一I/O部件300和控制器120a之间的I/O硬件和软件部件。例如，当单一I/O部件300是ECM 152时，I/O子系统305可以包括相应的端接块150、I/O设备140的下部148和上部142、I/O处理器模145，和(如果使用的话)I/O头端200。也就是说，除了ECM 152之外，I/O设备140的一个或多个部件可以包括I/O子系统305。在另一个示例中，其中单一I/O部件300是图2B中的I/O处理器模块145或者是包括在头端单元200中的I/O处理器模块202，相对于I/O处理器模块145、202，I/O子系统305可以包括头端单元200的存储器208和处理器205。也就是说，头端单元200可以包括I/O子系统305。一般来说，I/O子系统305将单一I/O部件300通信地连接到控制器120a和/或到通常包括至少一个存储器和至少一个处理器的过程工厂5的其它部件。

与I/O子系统305类似，单一I/O部件300本身可以包括一个或多个处理器308、一个或多个存储器310以及存储在一个或多个存储器310上并且可由一个或多个处理器308执行的一组单一I/O部件更换指令312。此外，单一I/O部件300的一个或多个存储器310存储单一I/O部件300的操作的当前状态315，其中状态315可以由指令312基于各种条件的检测而改变。在一些情况下，指令312可由处理器308执行以使得单一I/O部件300基于状态315的变化修改其操作和/或行为，如本文别处更详细描述的。

单一I/O部件300还包括用户接口318，在实施例中，用户接口318可以包括用户可以通过其键入输入的单个物理接口单元，或者可以包括用户可以通过其键入输入的多个物理接口，例如，如图3中通过用户接口318a、318b标记。用户接口318可以包括用户可以经由该接口直接向单一I/O部件300提供输入的任何类型的接口，例如触摸屏、小键盘或键盘、鼠标、拨号盘、开关、按钮、一个或多个传感器(例如光学传感器、音频传感器、热传感器、触摸传感器等)、无线收发器等。一般来说，经由用户接口318接收的用户输入可以指示在某些情况下可以修改单一I/O部件300的操作和行为以支持其非破坏性的更换的指令，如本文别处更详细描述的。

在示例场景中，一个或多个处理器308可以执行存储在存储器310上的指令312以使单一I/O部件300经由第一通信接口302a获得由现场设备102a生成的数据，并且将获取的数据经由第二通信接口302b发送给I/O子系统305。在一些情况下，现场设备102a使用的通信格式、协议和/或物理层不同于I/O子系统305使用的通信格式、协议和通信层，并且在这些情况下，单一I/O部件300可以在将经变换的和/或经转换的数据发送到I/O子系统305之前对接收到的现场设备数据进行变换或转换，例如，以本文别处描述的方式。

一个或多个处理器可以进一步执行单一I/O部件更换指令312以使单一I/O部件300运行以支持其自身的非破坏性的更换。通常，在已知的过程控制系统中，当需要更换单一I/O部件时(例如由于子部件故障、标准更换间隔到期或任何其它原因)，物理更换I/O部件的行为可能显著地破坏(或在某些情况下，停止)利用单一I/O部件传送I/O信号的正常过程操作。也就是说，在已知的过程控制系统中，更换单一I/O部件可能会破坏单一I/O部件作为其一部分的过程控制回路的操作，并且在某些情况下会破坏工业过程本身。例如，在已知的过程控制系统中，要更换单一I/O部件，技术人员或其它工厂人员必须手动配置和设置单一I/O部件周围的临时旁路，以便可以在单一I/O部件被物理更换或维修时经由临时旁路将I/O信号传送到现场设备102a并从现场设备102a接收I/O信号。由于这个过程主要是手动的，并且由于控制回路(例如控制回路100a)的操作通常高度依赖于精确的定时，因此工厂人员未能遵循或意识到正确的旁路程序和其所需的定时会导致正执行的控制回路100a的不必要的故障，这会导致显著的、不希望的延迟、跳变和/或对过程工厂5的操作产生其它不希望的影响。另一方面，本文所述的非破坏性单一I/O部件更换技术的实施例不需要在更换或维修单一I/O部件时配置和使用任何临时旁路，因此不仅降低了建立临时旁路所带来的风险，而且还允许单一I/O部件300在对包括I/O部件300的正执行的控制回路100a破坏最小或在一些情况下无破坏的情况下被更换或维修。

为了例示，考虑其中单一I/O部件300正在操作以在现场设备102a和控制器120a之间传送I/O信号的示例场景。在正常操作期间，单一I/O部件300将其当前状态315维持为“服务中”、“正常”或等同物。当处于服务中状态时，I/O部件300接收现场设备102生成的数据或值(例如，经由通信接口302a)并以控制器120a期望的速率或其它定时将指示接收到的数据或现场设备102生成的值的信号(例如，经由通信接口302a)传输给控制器120a。因此，对于一些控制器配置，I/O部件300可以保存、缓存或临时存储320接收到的现场设备值并且在控制器120a期望接收该现场设备值的时间(例如，在指定时隙期间或在某个指定时间)将存储的值传输给控制器120a。在传输最近接收到的现场设备值之后，I/O部件300可以从其存储器中删除先前存储的值320。对于其它控制器配置，例如对于支持流式传输和/或发布-订阅机制的控制器，I/O部件300可以除了支持流式传输和/或发布数据所需的最小缓存之外，不存储或缓存任何现场设备值。

无论如何，在该示例场景中，单一I/O部件300检测到其操作和/或其子部件之一的部分降级，其中部分降级不会致使单一I/O部件300不可操作。例如，I/O部件300可以检测到现场设备数据经由其从通信接口302a传送到通信接口302b的两个冗余内部路径322a、322b中的一个已发生故障，而另一个内部路径322a、322b继续将现场设备数据从通信接口302a传送到通信接口302b，使得控制器120a在控制器120a期望接收现场设备数据时继续经由I/O子系统305接收现场设备数据。附加地或替代地，I/O部件300可以检测不会导致I/O部件300不可操作的其它类型的硬件和/或软件降级，例如其它冗余子部件的故障、性能下降、异常自诊断结果的增加和/或可恢复故障等。在检测到机载降级或部分故障后，单一I/O部件300将其当前状态315更改为“降低可用性”或类似状态，并通知I/O子系统其改变或更新的当前状态的305，例如，结合传输另一个现场数据值，或在与I/O子系统305的独立通信中。通常，降低可用性状态指示物理单一I/O部件300即使部件300能够维持现场设备数据的传送，也需要进行物理更换，因此可以向工厂人员提供指示，表明单一I/O部件300可能即将发生完全故障。

在被告知单一I/O部件300处于降低可用性状态时，I/O子系统305通知适当的子系统、应用程序、设备和/或过程控制系统的用户接口，使得过程工厂工作人员被告知单一I/O部件300的降低可用性状态，并且可以准备物理更换降级的单一I/O部件300，最好是在部件300降级到无法操作或经历完全故障的程度之前。在一些实施方式中，在进入降低可用性状态时，单一I/O部件300可以激活其壳体上的指示器(例如灯或其它视觉指示器，图3中未示出)，以便将更换降级的单一I/O部件300的工厂人员可以经由激活的视觉指示器容易地识别特定的降级的单一I/O部件300，例如，在其它部件的机架中。

当工厂人员带着单一I/O部件300的物理更换件到达单一I/O部件300的位置时，工厂人员可以经由单一I/O部件300的集成用户接口318a、318b指示降级的单一I/O部件300进入“可更换”操作状态。进入可更换状态的用户指令可以是任何合适的格式，由单一I/O部件300的特定类型的机载用户接口318a、318b接收。例如，为了指示单一I/O部件300进入可更换状态，用户可以激活或切换设置在单一I/O部件300壳体上的物理开关或按钮，经由部件300提供的触摸屏输入指令，同时激活设置在部件300等的壳体的相对侧上两个光学传感器318a、318b。

响应于接收到的指令，单一I/O部件300将其当前状态315更新为可更换，并经由通信接口302b和链路303b向I/O子系统305指示其当前操作状态为可更换。单一I/O部件300可以结合向I/O子系统305传送现场数据，或在单独的通知中，指示其当前操作状态的更新或改变为可更换。一般而言，单一I/O部件300的可更换状态向I/O子系统305指示单一I/O部件300的物理移除和更换即将发生，因此在不久的将来的任何时候，对于I/O子系统305，单一I/O部件300可能表现为脱机。也就是说，单一I/O部件300的可更换状态通知I/O子系统305在不久的将来的某个时间，I/O子系统305可能不会从单一I/O部件300接收到任何通信，并且，不同于单一I/O部件300的意外硬(例如，全部或完全)故障，从I/O子系统305的角度来看，单一I/O部件(即，物理单一I/O部件300的更换)预计将在相对较短的时间内返回在线。通常，工厂人员移除和更换物理单一I/O部件所需的时间相对较短，例如几秒或几分钟。

注意，虽然在该示例场景中，单一I/O部件300从降低可用性状态进入可更换状态，但在其它场景中，单一I/O部件300可以直接从服务中状态进入可更换状态。例如，技术人员或工厂人员可能出于任何原因想要抢先更换物理单一I/O部件300、升级物理单一I/O部件300、或物理更换单一I/O部件300，并且可能当部件300正常运行时，经由部件300的一个或多个用户接口318如此指示。在这些和其它情况下，单一I/O部件可以包括一个或多个冗余子部件，或者可以不包括任何冗余子部件。当然，一般而言，当部件300处于任何操作状态时，单一I/O部件300可以经由一个或多个用户接口318接收进入可更换状态的指令。

在从单一I/O部件300接收到部件300处于可更换操作状态的指示后，I/O子系统305可以存储其指示325，并且I/O子系统305可以转换到临时、安全模式中操作，而存储的指示325指示单一I/O部件300处于可更换状态。例如，基于存储的单一I/O部件300处于可更换状态的指示325，I/O子系统305可以连续临时存储、高速缓存或保持328最近接收到的数据值，该数据值由现场设备102a生成并从单一I/O部件300接收。例如，I/O部件300可以存储320由现场设备102a生成并且由单一I/O部件接收300的至少一个数据值，并且可以将一个或多个值320存储或保持在其存储器310中达长于控制器120a在此之后期望接收由现场设备102a生成的数据值的时间段(例如，配置的周期、指定时间间隙、或其它指定时间间隔)的时间段。因此，如果以及当I/O子系统305未能从单一I/O部件300接收到预期的传输时，基于存储的I/O部件300处于可更换状态的指示325，I/O子系统305将存储的现场设备数据值328传输到控制器120a，例如，在时间间隙期间或在控制器120a期望的时间，从而即使单一I/O部件300正在被物理移除和更换，也能维持无缝的、非破坏性的过程控制回路100a操作。在某种意义上，当单一I/O部件300向I/O子系统305指示部件300处于可更换状态并且单一I/O部件300停止与I/O子系统305通信时(例如，由于物理单元正被移除和更换)，I/O子系统305从其存储器328获取最近接收到的现场设备值，并在控制器120a期望接收现场设备值的时间间隙或时间段期间将其发送给控制器120a。相反，在正常运行时操作期间，当单一I/O部件300尚未向I/O子系统305指示它处于可更换操作状态(例如，从I/O子系统305的角度来看，单一I/O部件300正在正常操作状态运行)以及I/O子系统305无法从I/O部件300接收预期的通信(例如，由于硬故障或不可恢复故障)，I/O子系统305可以存储单一I/O部件300处于“停止服务”状态的指示，并且可以执行替代的缓解和恢复过程。

图4描绘了示例I/O子系统350的框图，在该子系统350中可以实现本文描述的用于非破坏性的、单一I/O部件更换的技术的实施例。I/O子系统350可通信地设置在过程工厂5的过程控制回路或安全仪表系统回路中的单一I/O部件和控制器之间。例如，I/O子系统350可以是可通信地设置在单一I/O部件300和控制器120a之间的I/O子系统305。为了便于例示而不是为了限制的目的，在本文中同时参考图1、图2A-2D和图3描述示例I/O子系统350。

如图4中所示，示例I/O子系统350包括第一通信接口352a，其将I/O子系统350通信连接353a到诸如单一I/O部件300的单一I/O部件，并且I/O子系统350包括第二通信接口352b，其将I/O子系统350通信连接353b到过程控制器或SIS控制器，例如控制器120a。在实施例中，通信连接353a、353b之一或两者是直接连接(例如，没有任何中间节点)。如前所述，I/O子系统350包括一个或多个部件，当与单一I/O部件300结合操作时，这些部件共同操作以向/从现场设备102a传送I/O信号。这样，I/O子系统350可以包括设置在单一I/O部件300和控制器120a之间的I/O硬件和软件部件。

如图4所示，I/O子系统350可以包括一个或多个处理器358、一个或多个存储器360、以及存储在一个或多个存储器360上并且可由一个或多个处理器358执行以支持单一I/O部件的非破坏性更换的一组单一I/O部件更换指令362。此外，I/O子系统350的一个或多个存储器360可以存储单一I/O部件300的当前操作状态370，其中当前状态370可以由指令362基于对各种条件的检测进行追踪和改变。例如，存储图4中所示的当前操作状态370的一个或多个存储器位置可以存储图3中所示的当前操作状态325的一个或多个存储器位置。在一些情况下，指令362可由一个或多个处理器358执行以使得I/O子系统350基于单一I/O部件300的当前追踪状态370或基于对其的改变来修改其操作和/或行为，如本文别处更详细描述的。此外，对于单一I/O部件300的一些特定状态370，例如可更换状态，I/O子系统350在其存储器360中存储由现场设备102a生成的并从单一I/O部件300接收的至少一个最近接收的数据值372，并且每次I/O子系统350从单一I/O部件300接收到由现场设备102a生成的另一个数据值时，持续更新存储的一个或多个现场设备值372。例如，存储图4中所示的最近接收到的一个或多个数据值372的一个或多个存储器位置可以是存储图3中所示的最近接收到的一个或多个现场设备数据值328的一个或多个存储器位置。更进一步地，在一些实施方式中，I/O子系统350可以包括I/O部件更换定时器375，I/O子系统350可以结合单一I/O部件300的非破坏性更换来使用该I/O部件更换定时器375。对定时器375的使用的讨论在本公开的别处提供。

值得注意的是，虽然图4将I/O子系统350例示为可通信地设置在一个现场设备102a和一个控制器120a之间并且因此支持单个通道，这仅仅是为了例示的清楚目的。在一些实施例中(图4中未显示)，I/O子系统350可以通信地设置在各种控制和/或SIS回路的多个现场设备和多个控制器之间，I/O子系统350可以通信地设置在同一控制或SIS回路的多个现场设备和单个控制器之间，等等。也就是说，在这些实施例中，I/O子系统350可以通信地连接到多个单一I/O部件300并且可以服务于多个回路的多个通道。在这些实施例中，I/O子系统350可以维持与其通信连接的每个单一I/O部件的相应当前操作状态370，并且可以存储正由I/O子系统350服务的每个现场设备102a的一个或多个当前(例如，最近接收到的)数据值372。此外，I/O子系统350可以包括相应的更换定时器375，其对应于与其通信连接的每个单一I/O部件300。例如，I/O子系统305可以包括多通道I/O处理器模块或卡108a，并且可以存储和更新相应的当前操作状态、最近接收到的数据值，以及可选地对应于多个支持的信道中每个信道的相应更换定时器。

如上所述，一组单一I/O部件更换指令362可由I/O子系统350的一个或多个处理器358执行，以支持单一I/O部件的非破坏性的更换。尽管可以经由执行指令362实现的多种方法从上面的描述中显而易见，但是在实施例中，指令362可执行以执行用于工业过程工厂的过程控制系统的单一I/O部件的非破坏性的更换的示例方法500，其流程图在图5中描绘。示例方法500可以由过程控制系统的I/O子系统执行，例如I/O子系统305或I/O子系统350，例如，当过程工厂的过程控制系统在运行时期间执行以控制工业过程和/或当SIS在运行时期间执行以支持过程控制系统和过程工厂时。例如，I/O子系统可以经由单一I/O部件通信耦合到现场设备，并且I/O子系统可以将单一I/O部件通信耦合到控制器。控制器可以是过程控制器或SIS控制器，其配置为具有并执行控制逻辑或控制例程，以基于接收到的现场设备数据(例如，经由单一I/O部件和I/O子系统)生成控制信号并将控制信号发送给现场设备、另一现场设备或另一控制器，以控制工业过程的运行。例如，控制器、I/O子系统、单一I/O部件和现场设备可以被包括在执行以控制工业过程的至少一部分的控制回路中。为了便于历史而不是为了限制目的，下面同时参考图1、2A-2D、3和4来讨论方法500。此外，在一些实施例中，方法500可以包括比图5中描绘的更多、更少和/或替代的步骤。

在框502，方法500可以包括由过程控制系统的I/O子系统接收单一I/O部件处于可更换操作状态(例如，如前所述)的指示。接收502单一I/O部件处于可更换状态的指示可以包括从单一I/O部件接收单一I/O部件当前处于或已经改变为处于可更换状态的指示。例如，单一I/O部件可以响应于单一I/O部件经由一个或多个用户接口318接收到的用户指令而进入可更换状态，并且可以向I/O子系统指示新状态或状态变化，从而使I/O子系统接收到502指示。此外，在框502处，方法500可以包括由I/O子系统存储单一I/O部件处于可更换状态的相应指示。例如，I/O子系统可以将单一I/O部件的当前可更换操作状态的指示存储在存储器370中，例如，通过用可更换状态的指示覆写或替换最近存储的或记录的状态的指示，或通过以其它方式将指示写入合适的存储位置370。

当单一I/O部件保持在可更换状态时，I/O子系统可以继续接收传输(例如，包括现场设备生成的值和/或现场设备生成的其它数据的信号、心跳或状态消息等)按照在控制器中执行的控制例程的配置预期的那样，从而维持控制回路的运行时操作，其中现场设备、单一I/O部件、I/O子系统,和控制器都包括在该控制回路中。例如，如为控制回路配置的那样，现场设备可以按预定(scheduled)时间表传输数据值(例如，在一个或多个周期性出现的时间间隙期间或在可能会或可能不会周期性地重新出现的一个或多个特定时间)，该现场设备可以仅在现场设备的某个值或条件发生变化时(例如，基于事件)传输或发送数据，或者当数据值被现场设备感测或生成时，现场设备可以流式传输数据值。无论如何，当现场设备生成数据值并将其传输到单一I/O部件时，单一I/O部件虽然处于可更换状态，但仍会继续其正常的运行时操作，将接收到的现场设备数据值提供给I/O子系统(例如，以本文其它地方讨论的方式)。此外，I/O子系统继续其将接收到的现场设备数据值提供给控制器的正常运行时操作，从而维持控制回路的正常运行时执行。

然而，在框505，方法500可以包括，基于单一I/O部件处于可更换状态(例如，如I/O子系统的本地存储状态370所指示的)，I/O子系统还连续存储或记录(例如，在另一个存储器存储位置372中)至少一个由现场设备生成并且最近从单一I/O部件接收的值。事实上，当I/O子系统从单一I/O部件接收到新的或更新的现场设备数据值时，I/O子系统可以更新存储的、最近接收到的一个或多个现场设备值372。

在框508，方法500可以包括，在存储505由现场设备生成的最近接收到的数据值之后，由I/O子系统检测到从单一I/O部件接收与其传输或信号的故障。例如，I/O子系统可能无法从单一I/O部件接收到包含现场设备值的预期传输或信号，I/O子系统可能无法从单一I/O部件接收到预期的心跳信号等。例如，I/O子系统可能不会在预期传输的时间(包括任何缓冲区或滞后等待时间)从单一I/O部件接收到任何传输。即，I/O子系统可以检测到单一I/O部件未通信。通常，在I/O单一部件处于可更换状态时未能接收到预期的传输508可能会在工厂人员已物理移除单一I/O部件并且更换的物理单一I/O部件尚未安装/插入和/或尚未完全初始化时发生。

在检测到508未能从单一I/O部件接收预期传输时，不是将单一I/O部件的存储状态370更改为“服务中断”、“断开连接”或等同物并且停止向控制器提供任何现场设备值，相反，基于存储的单一I/O部件的可更换状态的指示(例如，在存储器位置370中)，方法500可以包括，在框510，获取由现场设备生成的、所存储的最近接收的数据值(例如，从存储器位置372)，并且发送或以其它方式提供所获取的数据值给控制器，从而继续或保持运行时控制回路操作，而不管未通信的单一I/O部件。例如，在框510，I/O子系统可以获取(例如，从存储器位置372)最近接收到的现场设备数据值并将其传输到控制器，例如，在控制器被配置为接收现场设备数据的时间或时间间隔期间。此外，方法500可继续存储505(例如，在存储器位置370中)单一I/O部件处于可更换状态的指示，即使尚未从单一I/O接收到一个或多个预期的传输。例如，I/O部件300可以在大于控制器120a在此之后期望接收由现场设备102a生成的数据值的持续时间(例如，配置的周期、指定时间间隙的重复出现、或其它指定时间间隔)的持续时间上存储或保持一个或多个现场设备值372。如果控制器期望接收由现场设备102a生成的数据值的第二时间间隙或指定时间出现，并且单一I/O子系统仍被指示370处于可更换状态，则I/O子系统可以再次获取并发送510在I/O子系统本地存储372的最近接收到的现场设备值。

随着I/O子系统305在控制器120a期望接收现场设备值的时间间隙期间或时间(例如，如配置的)继续向控制器120a提供现场设备值，即使单一I/O部件300是不可通信的(例如，由于被物理更换)，控制器120a可以基于提供的现场设备值，基于由I/O子系统305提供的所获取的、最近接收到的现场设备值继续执行控制例程以维持控制回路的执行(例如，以控制工业过程)。实际上，利用本文公开的新颖技术，控制器120a甚至可能不知道单一I/O部件正在被物理更换。

此外，工厂人员或现场技术人员物理移除、更换和初始化单一I/O部件所需的持续时间最少(例如，通常只有几分钟，例如少于十分钟、五分钟、三分钟或两分钟，或在某些情况下，短至几秒，例如不到一分钟、不到30秒等)，并且通过使用本文中描述的技术，技术人员通过直接经由单一I/O部件300的用户接口318进行指示，例如当技术人员在现场122并在物理上接近将被更换的部件300时，来提供即将进行单一I/O部件的物理移除和更换的提前通知(例如，给I/O子系统)。因此，在大多数情况下，为了维持在控制器120a中执行的控制例程或控制逻辑的正常执行(并由此维持控制回路的正常操作)，在更换的单一I/O部件完全初始化并上线以恢复提供现场设备生成的实际的、实时数据值之前，I/O子系统305可能只需要向控制器120a提供一次所存储的现场设备值(例如，在控制器期望接收现场设备值的指定时间间隙的仅一次出现期间或仅一个特定时间)。在一些情况下，在更换的单一I/O部件完全初始化并上线以恢复提供现场设备生成的实际的、实时数据值之前，I/O子系统305可能只需要最多两次向控制器120a提供所存储的现场设备值(例如，在控制器120a期望接收现场设备值的指定时间间隙或特定时间的最多两次连续出现期间)。此外，即使I/O子系统将先前获得和存储的现场设备值发送到控制器(而不是由现场设备实时生成并从现场设备实时获得的现场设备值)，控制回路通常被配置吸收偶尔的错误、超出范围或不正确的现场设备值(以及其它类型的异常)，以便控制回路能够在容忍度范围内维持控制回路的运行，而过程不会变得不受控制，和/或不会发生任何破坏性的缓解措施，例如安全跳变(trips)。更进一步，由于控制例程和控制回路配置的鲁棒性，在更换的单一I/O部件已完全初始化为服务中运行状态，并开始将实时现场设备数据值传输到I/O子系统以传送给控制器之后，控制器可以基于由现场设备生成的实际或实时数据值恢复、重新校准和/或更准确地控制控制回路的执行。相比之下，当前使用的单一I/O部件更换技术根本无法提供这些优势。例如，使用当前技术，现场技术人员必须与正在监视正执行的过程的后端环境操作员协调，以配置、计时和执行目标单一I/O部件的手动旁路的安装和使用，以及随后移除手动旁路并过渡到更换的单一I/O部件，从而导致对于正执行的过程来说是破坏性的跳变和/或其它系统动作的重大风险。

另一方面，通过使用本文公开的新颖技术，现场技术人员仅需要通过经由单一I/O部件的用户接口318提供这样的指示来通知系统即将更换单一I/O部件，然后简单地移除和更换单一I/O部件。不需要手动旁路，不需要与控制系统操作员协调，也不需要安装和卸载额外的旁路硬件和/或软件。使用本文中描述的技术，系统具有单一I/O部件更换的提前通知，并因此自动转换到在部件被移除和更换时对于控制回路非破坏性的模式下运行，从而减少或甚至消除了对工业过程造成破坏的跳变和其它系统响应的风险。此外，相对于用于执行当前更换技术的时间和人员，移除和更换单一I/O部件所需的总耗用时间和人员大大减少。

无论如何，并再次回到图5，在一些实施例中，方法500还可以包括(未示出)在接收到502单一I/O部件处于可更换状态的指示时激活定时器。例如，I/O子系统350可以在记录370单一I/O部件处于可更换状态时激活定时器375。例如，定时器持续时间可以被配置和修改。一般而言，定时器可以保护I/O子系统免于永久地(并且可能错误地)将单一I/O部件视为持续处于(并且不退出)可更换状态。例如，当I/O子系统在激活的定时器期满之前从单一I/O部件接收到另一个传输时，方法500可以包括去激活定时器、清除所存储的单一I/O部件处于可更换状态的指示370，并且可选地存储370单一I/O部件现在处于对应于接收到的传输的操作状态(例如，服务中)的指示。在另一个示例中，如果计时器在从单一I/O部件接收到任何传输之前到期(例如，单一I/O部件保持不通信)，则方法500可以包括清除所存储的单一I/O部件处于可更换状态的指示370，并且可选地存储370单一I/O处于服务中断状态的指示并且启动恢复和/或缓解程序。当然，方法500可以包括去激活定时器375并在检测到其它事件的发生时清除所存储的单一I/O部件处于可更换状态的指示370，从而确保所存储的单一I/O部件操作状态370的保真度并防止在单一I/O部件的物理更换期间可能发生在单一I/O部件和I/O子系统之间的任何竞争条件。

以类似的方式，I/O子系统可以在检测到其它事件的发生时响应性地清除所存储的单一I/O部件处于可更换状态的指示370。例如，在I/O子系统接收到单一I/O部件(返回)在线(例如，已经初始化并处于服务中状态，和/或再次实时提供实际现场设备数据值)的指示时，I/O子系统可以清除所存储的单一I/O部件处于可更换状态的指示370，并且可选地可以记录370单一I/O部件处于服务中心状态并清除任何所存储的、最近接收的现场数据值372。

注意，方法500在上面被描述为由I/O子系统执行，本领域的普通技术人员将理解，关于方法500描述的任何和所有技术可以在控制器或安全仪表系统控制器或逻辑解算器处执行。例如，并参考图1，当控制器11和现场设备82经由高级物理层或支持基于分组的协议的其它物理层通信连接时，控制器11可以执行本文公开的至少一些技术。

其它考虑

应当注意，虽然在此描述的装置、系统和方法是关于过程控制系统5描述的，但是本文中描述的任何一个或多个装置、系统和方法同样适用于过程控制工厂的过程控制安全信息系统，例如艾默生自动化解决方案(Emerson Automation Solutions)提供的DeltaVSIS^TM产品。例如，独立过程控制安全系统或集成控制和安全系统(“ICSS”)可以使用本文描述的任何一个或多个装置、系统和方法来配置。

另外，当以软件(例如，计算机可读指令)实现时，本文描述的任何应用程序、服务和引擎可以存储在任何有形的、非暂时性计算机可读存储器中，例如磁盘、激光磁盘、固态存储设备、分子存储器储存设备、或其它存储介质、计算机或处理器的RAM或ROM中、等等。尽管本文公开的示例系统被公开为除了其它部件外包括硬件上执行的软件和/或固件，但是应该注意，这样的系统仅仅是说明性的而不应该被认为是限制性的。例如，预期这些硬件、软件和固件部件中的任何一个或所有可以专门体现在硬件中、专门体现在软件中或体现在硬件和软件的任何组合中。因此，虽然本文描述的示例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，但是本领域的普通技术人员将容易理解，所提供的示例并不是实现此类系统的唯一方式。

因此，虽然本发明已经参考具体示例进行了描述，这些示例仅是说明性的而不是对本发明的限制，但是对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，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修改、增加或删除。此外，虽然前面的文字阐述了许多不同实施例的具体实施方式，但应该理解，本专利的范围由本专利末尾所列的权利要求的文字及其等同形式限定。具体实施方式仅被解释为示例性的并且不描述每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例即使不是不可能，也是不切实际的。可以使用当前技术或在本专利申请日之后开发的技术来实施许多替代实施例，这些实施例仍落入权利要求及其所有等同形式的范围内。

任何特定实施例的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式以及与一个或多个其它实施例的任何合适的组合进行结合，包括使用选定的特征而不相应地使用其它特征。应当理解，根据本文的教导，本文描述和例示的本公开的实施例的其它变化和修改是可能的，并且被认为是本公开的精神和范围的一部分。

Claims (22)

1.一种单一I/O部件，所述单一I/O部件包括在过程控制系统中，所述过程控制系统操作为控制过程工厂中的工业过程，所述单一I/O部件包括：

用户接口；

第一通信接口，所述第一通信接口将所述单一I/O部件通信连接到设置在所述过程工厂中的现场设备；以及

第二通信接口，所述第二通信接口将所述单一I/O部件通信连接到I/O子系统，所述I/O子系统通信连接到控制器，所述控制器经由所述单一I/O部件和所述I/O子系统接收由所述现场设备生成的数据，基于接收到的数据生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述现场设备、另一个现场设备、或另一个控制器，以控制所述工业过程的操作；并且

所述单一I/O部件被配置为：

经由所述第一通信接口获得由所述现场设备生成的所述数据，并经由所述第二通信接口将所获得的数据发送给所述I/O子系统；

经由所述单一I/O部件的所述用户接口接收进入操作的可更换状态的指令；以及

响应于接收到的指令，进入所述可更换状态并经由所述第二通信接口向所述I/O子系统发送所述单一I/O部件处于所述可更换状态的指示，从而使所述I/O子系统在所述I/O子系统从所述单一I/O部件接收预期信号发生后续故障时，并基于所述单一I/O部件的所指示的可更换状态，存储最近接收到的由所述现场设备生成的数据值，以用于发送给所述控制器。

2.根据权利要求1所述的单一I/O部件，其中，所述单一I/O部件为单一电子编组部件、单一I/O信号调节器、单一单通道I/O卡、或单一多通道I/O卡。

3.根据权利要求1所述的单一I/O部件，其中，所述单一I/O部件被包括在所述过程控制系统的电子编组系统中。

4.根据权利要求3所述的单一I/O部件，其中，所述I/O子系统被包括在所述电子编组系统的头端单元中。

5.根据权利要求4所述的单一I/O部件，其中，所述单一I/O部件为单一I/O卡。

6.根据权利要求3所述的单一I/O部件，其中，所述单一I/O部件为单一电子编组部件，并且，所述I/O子系统被包括在所述电子编组系统的I/O卡或头端单元中。

7.根据权利要求1所述的单一I/O部件，其中，所述单一I/O部件的所述用户接口包括一个或多个触摸传感器，并且，进入所述可更换状态的所述指令包括所述一个或多个触摸传感器的激活。

8.根据权利要求1所述的单一I/O部件，其中，当所述单一I/O部件接收到进入所述可更换状态的所述指令时，所述单一I/O部件处于服务中状态。

9.根据权利要求1所述的单一I/O部件，其中，当所述单一I/O部件接收到进入所述可更换状态的所述指令时，所述单一I/O部件处于降低可用性状态。

10.根据权利要求1所述的单一I/O部件，

进一步包括多个子部件，每个子部件分别被配置为在所述单一I/O部件内将所述现场设备生成的所述数据从所述第一通信接口传送到所述第二通信接口；并且

其中，经由所述用户接口接收进入所述可更换状态的所述指令是基于06005/598583CN

所述子部件中的一个子部件的故障。

11.根据权利要求10所述的单一I/O部件，其中：

所述单一I/O部件还包括视觉指示器；

所述单一I/O部件被进一步配置为，在检测到所述单一I/O部件的所述子部件中的所述一个子部件发生故障时执行以下操作：

经由所述第二通信接口向所述I/O子系统发送检测到的子部件故障的指示；

进入降低可用性状态；以及

激活所述视觉指示器；以及

接收进入所述可更换状态的所述指令是响应于所述视觉指示器的激活。

12.一种由过程控制系统执行的方法，所述过程控制系统操作为控制过程工厂中的工业过程，所述方法包括：

响应于由所述过程控制系统的I/O子系统接收到单一I/O部件处于可更换状态的指示，由所述I/O子系统存储所述单一I/O部件处于所述可更换状态的相应指示，

所述单一I/O部件将所述I/O子系统和现场设备通信耦合，并且

所述I/O子系统将所述单一I/O部件和控制器通信耦合，所述控制器接收由所述现场设备生成的数据，基于接收到的数据生成控制信号，并将所述控制信号发送给所述现场设备、另一个现场设备，或另一个控制器，以控制所述工业过程的操作；

基于所存储的所述单一I/O部件的所述可更换状态的指示，由所述I/O子系统进一步存储最近接收到的由所述现场设备生成并由所述I/O子系统从所述单一I/O部件接收的数据值；

在存储所述最近接收到的由所述现场设备生成的数据值之后，由所述I/O子系统检测从所述单一I/O部件接收预期信号的故障；以及

基于检测到接收所述预期信号的故障和所存储的所述单一I/O部件的所述可更换状态的指示，获取所存储的、最近接收到的由所述现场设备生成的数据值，并将所获取的数据值提供给所述控制器，从而继续控制所述工业过程的操作。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所获取的数据值提供给所述控制器包括：在预定时间将所获取的数据值提供给所述控制器。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，接收所述单一I/O部件处于所述可更换状态的所述指示包括：从所述单一I/O部件接收所述单一I/O部件处于可更换状态的指示。

15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

在存储所述单一I/O部件处于所述可更换状态的所述相应指示时激活计时器；以及

当激活的定时器在所述I/O子系统期望接收预期传输的时间之前到期，和/或当所述I/O子系统在所述激活的定时器到期之前从所述单一I/O部件接收到另一个传输时，去激活所述定时器并清除所存储的所述单一I/O部件处于所述可更换状态的相应指示。

16.根据权利要求12所述的方法，

进一步包括：

由所述I/O子系统从所述单一I/O部件接收所述单一I/O部件已进入降低可用性状态的指示；以及

响应于接收到所检测的故障的指示，存储所述单一I/O部件处于降低可用性状态的指示；并且

其中，当所述单一I/O部件处于降低可用性状态时，所述I/O子系统接收所述单一I/O部件处于所述可更换状态的指示。

17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：在存储由所述现场设备生成的所述数据值以发送到所述控制器之后，执行以下操作：

由所述I/O子系统接收所述单一I/O部件处于服务中状态的指示；06005/598583CN

基于接收到的所述单一I/O部件处于所述服务中状态的指示，清除所存储的所述单一I/O部件处于所述可更换状态的相应指示，并清除任何存储的、最近接收的由所述现场设备生成的数据值。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述单一I/O部件为单一电子编组部件、单一I/O信号调节器、单一单通道I/O卡、或单一多通道I/O卡。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述单一I/O部件被包括在所述过程控制系统的电子编组系统中。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述I/O子系统被包括在所述电子编组系统的头端单元中。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述单一I/O部件为单一I/O卡。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述单一I/O部件为单一电子编组部件，并且，所述I/O子系统被包括在所述电子编组系统的I/O卡或头端单元中。