CN1244033C - 带有冗余的现场设备和总线的过程控制系统及其配置方法 - Google Patents

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Abstract

在双线、环路供电、双向数字通讯环境中功能单元使用选择的冗余连结和选择的冗余功能单元互相连结。冗余功能单元和冗余连结在原始过程环路单元故障时，平滑地从一个原始过程环路单元操作与过渡到第二个过程环路单元。使用现场设备的冗余对或具有原始总线和冗余总线的冗余总线对可选择地实现冗余。在第一种情况使用如单个通讯环路那样的单给通讯介质，但应用如现场设备那样的冗余功能单元选择地实现冗余，所以当功能单元故障时得以恢复，而通讯介质故障时则不能。在第二种情况，除了使用冗余设备以外还使用通讯介质的冗余组来实现冗余，所以设备故障和通讯介质故障均得以恢复。在第三种情况，使用通讯介质的冗余组但使用单个设备选择地实现冗余，所以对故障的通讯介质得以恢复，但对故障的设备则不能。

Description

带有冗余的现场设备和总线的过程控制系统及其配置方法
                               相关申请
本专利是1996年10月4日提出的申请号为08/726,266的美国专利的部分延续。
                               发明领域
本发明一般地涉及过程控制网络，特别是涉及使用如现场设备和通讯总线那样的冗余功能单元，以分布方式实现过程控制功能的过程控制网络。
                               背景技术
诸如化学、汽油和其它制造与精炼过程之类的过程包括众多位于各种位置的现场设备来测量和控制过程参数以实现过程的有效控制。这些现场设备例如可以是诸如温度、压力和流速传感器之类的传感器和诸如阀门和开关之类的控制元件。过程控制业过去借助于手工操作(类似于手工读取液面和压力计，开启阀门轮等)来测量和控制过程中的现场设备。20世纪初，过程控制开始采用本地气动控制，其中将本地气动控制器、传送器和阀门定位器放置在过程工厂内各位置上以实现对某些工厂元件的控制。随着70年代基于微处理器的分布控制系统(DCS)的出现，分布式电子过程控制在过程控制业中日益占据主导地位。
正如所知的那样，DCS包括一台模拟或数字计算机(例如可编程逻辑控制器)，它与诸如电子传感器、传送器、电流-压力换能器、阀门定位器之类分布整个过程线上的众多电子监控设备相连。DCS计算机存储并实现集中式并且常常是复杂的控制方案以测量和控制过程中的设备，从而根据某些总体控制方案控制过程参数。但是通常情况下，DCS实现的控制方案都是DCS控制器制造商的专利，由于DCS提供方必然牵涉到系统扩展、升级、重新编程和服务等各个方面，所以其业务难度大并且价格昂贵。而且由于DCS控制器的专利属性以及实际情况中DCS控制器提供商有可能不支持其它供应商制造的某些设备或功能的缘故，特定DCS使用或连接的设备种类都受到一定的限制。
为了克服在使用拥有专利权的DCS中存在的固有问题，过程控制业界研制了大量标准的开放通信协议，例如包括HART、PROFIBUS、WORLDFIP、LONWORKS、Device-Net和CAN协议，这些协议可以使不同制造商提供的现场设备在同一过程控制回路内使用。实际上，即使现场设备是由DCS控制器制造商以外的制造商提供，也能够采用任何遵守其中一个这类协议的现场设备在过程内完成与DCS控制器或其它支持协议的控制器之间的通信并受它们控制。
此外，在过程控制业中现在有一种分散化过程控制的趋势，它简化了DCS控制器或者在很大程度上减少了对DCS控制器的需求。通过使诸如阀门定位器、传送器之类的过程控制设备完成一种或更多的过程控制功能并随后通过在由其它过程控制设备使用的总线结构上交换数据实现了分散化控制。为了实现这些控制功能，每个过程控制设备包括能实现一种或更多基本控制功能并利用标准和开发的通信协议与其它过程控制设备进行通信的微处理器。这样，不同制造商提供的现场设备就可以在一个过程控制回路内互联起来，互相进行通信并完成构成控制回路的一种或多种过程控制功能而无需DCS控制器的干预。由现场总线基金会制订的称为FOUNDATION现场总线(以下称为“Fieldbus”)的全数字双线回路总线协议是一种开放的通信协议，它允许不同制造商的设备通过标准总线互相操作和通信以在一个过程内实现分散化控制。
无论用什么通讯协议，诸如流体控制阀那样的过程控制单元一般被用于温度和压力变化范围很大的苛刻的过程控制环境中。苛刻环境下的流体控制阀的应用包括油、气管线的应用，核能电站和各种过程控制的应用。在这样环境下，主要的维护一般包括周期性预纺性维护、由于阀破损的维持和验证阀是否运转正常的测试。
在这些苛刻环境下控制单元疲劳或故障必须不定期地更换。无论是控制单元的故障或更换控制单元，通常需要关闭过程控制系统，那需要很高的花费和时间，因为关闭以后再使过程控制系统恢复到稳定状态需要很长时间。
因此，需要提供一种装置和操作方法，允许过程控制网络使用如双线，环路供电，双向数字通讯协议或其他任何分布式过程功能协议，尽管在网络中功能单元故障或更换过程中仍然保持运行。
                             发明概要
按照本发明，在一个过程控制系统，如双线、环路供电、双向数字通讯环境中的功能单元，使用选择性冗余连接和选择性冗余功能单元相互连接。在原始的过程环路单元发生故障时冗余功能单元和冗余连接提供从原始过程环路单元运行到辅助的过程环路单元的平滑过渡。
按照本发明的一个方面，冗余是使用两组通讯手段实现的，包括一对冗余总线，一个原始总线和一个冗余总线。按照本发明的另一个方面，冗余是使用单组通讯手段(如单个通信总线)可选地实现的，而且实现设备冗余，如现场设备冗余。因而当设备或如功难模块那样的功能单元故障时得以恢复，但不适于通讯手段故障。在一个实施例中，如数字控制系统(DCS)控制器或现场设备那样的环路控制器控制着具有冗余功能单元的单个通讯环路的冗余操作。在此实施例中，环路控制器连接到单个通讯总线，单个通信总线连到如设备那样功能单元的冗余对上。所选功能单元，如控制逻辑，检测故障状态，并将此状态通知控制器，或者控制器检测从冗余功能单元中故障单元的通讯中止，然后自动重新配置通讯环路，由此恢复通讯状态。
按本发明的进一步的方面，冗余是使用通讯手段的冗余组，并使用其他的冗余功能单元，如设备选择地实现的，既可对故障设备又可对故障通讯手段获得恢复。根据本发明，如数字控制系统(DCS)或现场设备那样的控制器控制具有连接到冗余设备的冗余总线的通讯环路冗余对的冗余操作。环路控制器连接到通信环路冗余对的原始总线和冗余总线，冗余设备连接到冗余总线上，原始设备连到原始环路，冗余设备连到冗余环路上。所选的功能单元检测故障状态，并将此环路控制器，或者环路控制器检测从故障的功能单元来的通讯的中止。在发生故障时，如当控制器或控制逻辑检测到有故障的功能单元(总线或设备)，或者环路控制器检测到从一个单元来的通讯中止时，环路控制器自动地重新配置通讯环路的冗余对，以恢复通讯状态。
按照本发明的更进一步的方面，冗余是使用连接到单个设备的通讯手段的冗余组选择地实现的，因而获得对故障通讯手段，而不是对故障设备的恢复。按照本发明，如数字控制系统(DCS)控制器或现场设备那样的环路控制器控制冗余通讯手段的冗余操作。环路控制器连到通讯手段冗余对的原始总线和冗余总线上，而许多其他功能单元(如设备)连接到通讯手段的冗余对上。所选的功能单元检测坏的通讯状态，而环路控制器检测通讯中止。在这样的配置中，当功能单元检测到坏的通讯状态或环路控制器检测到从一个单元来的通讯中止时，环路控制器自动重新配置通讯手段的冗余对，由此恢复通讯状态。
借助于上述的过程控制系统和操作方法，可以取得许多优越性。例如其优点是当一个过程设备或通讯总线发生问题时，可以避免关闭一条过程控制线。还有的优点是在过程控制系统中功能单元的自诊断功能得以利用、自动地断开故障单元并替换功能单元。类似的优点是可利用过程控制系统的双向通讯协议，在原始功能单元故障时自动激活冗余功能单元。
                          附图的简单描述
图1是使用Fieldbus协议的过程控制网络例子的示意方块图；
图2是具有功能模块的三个Fieldbus设备的示意方块图；
图3是一个示意方块图，说明图1的过程控制网络的某些设备中的功能模块；
图4是图1的过程控制网络中过程控制环路的控制环路示意图；
图5是图1的过程控制网络的一个总线段的宏周期的时序示意图；
图6是一个示意方块图，说明了使用单组通信手段连到冗余设备实现冗余的控制系统网络；
图7是一张示意方块图，说明了使用冗余通讯手段连到冗余设备实现冗余的控制系统网络；
图8是一张示意方块图，说明了使用冗余通讯手段连到单个设备上实现冗余的控制系统网络；
图9是一张示意方块图，说明了具有两个连到单个双线环路上的功能单元的控制系统网络。
图10是一张示意方块图，说明了具有两个连接到单个双线环路的变送器(transmitter)的控制系统网络；
图11是一张示意方块图，说明了具有冗余功能模块配置的控制系统网络；
图12是一张示意方块图，说明了按照本发明实现现场设备冗余的控制系统网络；
图13是一张示意方块图，表示了一个具有双线、环路供电、双向数字通信定位器的数字现场设备，用于本发明的过程控制网络；
图14是一张方块图，说明用于图13控制数字现场设备的适合的现场设备控制器。
                         最佳实施例的描述
当具有本发明的冗余现场设备和总线的过程控制网络详细描述为使用一组现场总线设备以分散或分布方式实现过程控制功能的过程控制网络时，应该注意具有本发明冗余特性的过程控制网络可以是这样的过程控制网络，它使用其他类型的现场设备和通讯协议完成分布式控制功能，通讯协议包括基于非二线总线的协议和支持模拟量和数字量通讯的协议。于是，具有本发明冗余和特征的过程控制网络可以是完成分布式控制功能的过程控制网络，无论此过程控制网络使用HART，PROFIBUS等通讯协议，或任何其他的现有的或将来发展出来的协议。
在讨论本发明的调试和调整方法及设备的细节前，将对Fieldbus协议、依据该协议构成的现场设备以及在使用Fieldbus协议的过程控制网络中发生通信的方式进行总体描述。然而，应理解，虽然Fieldbus协议是一个为用于过程控制网络而开发的相对新的全数字通信协议，该协议在本领域内是公知的，且在其中之一Fieldbus Foundation(一个总部设在德克萨斯州奥斯汀市的非盈利性组织)出版、分发和提供的大量文章、小册子和说明书中有详细描述。尤其是，在公知的来自Fieldbus Foundation的通信技术说明书和用户层技术说明书这类手册中详细地描述了Fieldbus协议以及使用该Fieldbus协议进行通信及把数据存储在装置中的方式，从而在这里通过引用把其全部内容作为参考。
Fieldbus协议是一种全数字串行双向通信协议，它为位于例如工厂或车间的设备或过程控制环境中的诸如传感器、制动器、控制器、阀门等双线回路或总线互连“现场”设备提供标准化物理接口。实际上，Fieldbus协议为位于过程装置中的现场设备(现场设备)提供了局域网络，这样使这些现场设备在分布于整个过程中的各个位置处进行控制功能并在进行这些控制功能前后相互通信以实现整个控制策略。由于Fieldbus协议使控制功能分布于整个过程控制网络中，所以它减少了中央处理控制器(通常与DCS相连)的复杂性，或完全不需要此控制器。
参考图1，使用Fieldbus协议的过程控制网络10可包括经由双线Fieldbus回路或总线34连到诸如程序逻辑控制器(PLC)13、许多控制器14、另一个主机装置15和一组现场设备16、18、20、22、24、26、28、30和32等许多其它装置的主机12。总线34包括由桥接装置30和32分开的不同部分或段34a、34b和34c。每个部分34a、34b和34c互连接在总线34上的装置的子集，使得在这些装置子集按以下所述的方式进行通信。当然，图1的网络只是示意性的，还有可以使用Fieldbus协议来构成过程控制网络的许多其它方法。一般，配置器位于诸如主机12等一个装置中，且负责设置或配置每个装置(这些装置是“智能型”装置，因为它们中的每一个都包括能进行通信和控制功能(在某些情况下)的微处理器)，以及识别什么时候把新的现场设备连到总线34、什么时候把现场设备从总线34上除去，接收现场设备16-32产生的数据并与一个或多个用户终端相接，这些用户终端位于主机12或以任何方式连到主机12的任何其它装置中。
总线34支持或允许双向的纯数字通信，且还可给诸如现场设备16-32等与其相连的任何或所有装置提供功率信号。或者，装置12-32中的任何或所有装置可具有它们自己的电源，或者可以经由隔离的导线(未示出)连到外部电源。虽然在图1中示出装置12-32以标准总线型连接连到总线34，其中多个装置连到构成总线段34a、34bh 34的同一对导线，但Fieldbus协议还允许其它的装置/导线拓扑结构，包括每个装置经由隔离的双线对连到控制器或主机(类似于典型的4-20mA模拟DCS系统)的点到点连接、每个装置连到双线总线(可以是例如过程控制网络的一个现场设备中的连接盒或端接区)中的公共点的树型或“星型”连接。
依据Fieldbus协议，可以相同或不同的通信波特速率或速度在不同的总线段34a、34b和34c上发送数据。例如，Fieldbus协议提供了所示被图1中的总线段34b和34c所使用的31.25Kbit/s的通信速率(H1)，以及1.0Mbit/s和/或2.5Mbit/s(H2)通信速率，这两个速率通常用于高级过程控制、远程输入/输出和高速工厂自动设备且示出被图1的总线段34a所使用。同样，依据Fieldbus协议，可使用电压模式信令或电流模式信令在总线端34a、34b和34c上发送数据。当然，总线34每一段的最大长度没有严格的限制，而是由该段的通信速率、电缆类型、线的尺寸、总线功率选项等来确定。
Fieldbus协议把可连到总线34的装置分成三类，即基本装置、链路主控(linkmaster)装置和桥接装置。基本装置(诸如图1的装置18、20、24和28)可进行通信，即来往于总线34发送和接收通信信号，但它们不能控制总线34上所发生的通信的顺序或定时。链路主控装置(诸如图1中的装置16、22和26以及主机12)是在总线34上进行通信的装置，它们能控制总线34上通信信号的流量和定时。桥接装置(诸如图1中的装置30和32)是在Fieldbus总线的各段或分支上进行通信并把它们互连来产生较大的过程控制网络的装置。如果需要，桥接装置可在总线34的不同段上所使用的不同数据速度和/或不同数据信令格式之间进行转换，可放大在总线34的段之间传播的信号，可对在总线34的不同段之间流动的信号进行滤波且只让指定将由桥路耦合到的总线段上的装置接收的那些信号通过，和/或可采取链接总线34的不同段所需的其它动作。连接以不同速度操作的总线段的桥接装置在桥路的较低速度段一侧必须具有链路主控容量。主机12和15、PLC13和控制器14可以是任何类型的fieldbus装置，但它们通常是链路主控装置。
装置12-32中的每一个都能在总线34上进行通信，重要的是，它们能使用该装置从处理获取的或经由总线34上的通信信号从不同装置获取的数据独立地进行一个或多个过程控制功能。因此，Fieldbus装置能直接实行整个控制策略的一部分，这些部分在过去是由DCS的中央数字控制器来进行的。为了进行控制功能，每个Fieldbus装置包括在该装置内的微处理器中实行的一个或多个标准化“块”。尤其是，每个Fieldbus装置包括一个资源块、零个或多个功能块以及零个或多个变换器(transducer)块。这些块叫做块目标。
资源块存储和传送属于Fieldbus装置的某些特性的装置特定数据，例如包括装置类型、装置修改指示和是否可在装置的存储器内获得其它装置特定信息的指示。虽然不同的装置制造商可在现场设备的资源块中存储不同类型的数据，但符合Fieldbus协议的每个现场设备包括存储某些数据的资源块。
功能块定义和实行与现场设备相关的输入功能、输出功能或控制功能，于是，功能块一般被叫做输入、输出和控制功能块。然而，将来还存在或开发出诸如混合功能块等其它类型的功能块。每个输入或输出功能块产生至少一个过程控制输入(诸如来自过程测量装置的过程变量)或过程控制输出(诸如发送到制动装置的阀位置)，同时每个控制功能块使用算法(实际上可以是专用的)从一个或多个过程输入和控制输入中产生一个或多个过程输出。标准功能块的例子包括模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、偏置(B)、控制选择器(CS)、离散输入(DI)、离散输出(DO)、手动装载机(ML)、比例/微分(PD)、比例/积分/微分(PID)、比率(RA)和信号选择器(SS)功能块。然而，存在其它类型的功能块，也可定义或产生在Fieldbus环境下操作的新功能块。
变换器块把一功能块的输入和输出耦合到诸如传感器和装置制动器等本地(local)硬件装置，以使这些功能块可读取本地传感器的输出并命令本地装置进行诸如移动阀门部件等一个或多个功能。变换器块通常包含解释由本地装置所传递的信号以及对本地硬件装置进行适当控制所需的信息，例如包括识别本地装置类型的信息、与本地装置有关的校准信息等。单个变换器块通常与每个输入或输出功能块相连。
大多数功能块能根据预定判据来产生警告或事件指示并能以不同的模式进行不同的操作。总的来说，功能块可以其中例如功能块的算法自动操作的自动模式进行操作；功能块可以其中手动地控制例如功能块的输入或输出的操作者模式进行操作；功能块可以其中块的操作受到不同块的输出的影响(确定)的级联模式进行操作；以及功能块可以其中一远程计算机确定块模式的一个或多个远程模式进行操作。然而，在Fieldbus协议中存在其它操作模式。
重要的是，每个块能使用由Fieldbus协议所定义的标准报文格式经由Fieldbus总线34与同一或不同现场设备中的其它块进行通信。结果，功能块(位于同一或不同装置中)的组合可相互通信，以产生一个或多个分散控制回路。于是，例如，一个现场设备中的PID功能块可经由总线34连接到接收第二现场设备中的AI功能块的输出，以及接收AO功能块的输出作为反馈以产生与任何DCS控制器分开的过程控制回路。这样，功能块的组合把控制功能移出中央DCS环境，这样使得CDS多功能控制器可进行监督或协调功能或把它们一起排除。此外，功能块为简化过程配置提供了图解的面向块的结构，并且因为这些块使用一致的通信协议所以这些功能可分布于不同供应商的现场设备中。
除了包含和实行块目标以外，每个现场设备还包括一个或多个其它的目标，包括链接目标、转向目标、警报目标和观察目标。链接目标定义了现场设备内部和跨Fieldbus总线34的块(诸如功能块)的输入和输出之间的链路。
转向目标使功能块参数局部转向，以被诸如图1的主机12或控制器14等其它装置所访问。转向目标保留属于某些例如功能块参数的短时期历史数据并以异步方式经由总线34把该数据报告给其它装置或功能块。警报目标在总线34上报告警告和事件。这些警告或事件可相应于在一装置或一装置的一个块内所发生的任何事件。观察目标是在标准人/机联系中所使用的块参数的预定分组，观察目标可被发送到其它装置以便随时观察。
现在参考图2，示出三个Fieldbus装置，它们可以是例如图1的现场设备16-28中的任一个，它们包括资源块48、功能块50、51或52和变换器块53和54。在第一装置中，功能块50(可以是输入功能块)通过变换器块53耦合到传感器55，传感器55可以是例如温度传感器，设定点指示传感器等。在第二装置中，功能块51(可以是输出功能块)通过变换器块54耦合到诸如阀门56等输出装置。在第三装置中，功能块52(可以是控制功能块)具有与其相连的转向目标57，用以使功能块52的输入参数转向。
链接目标58定义了每个有关块的块参数，警报目标59为每个有关块提供了警告或事件通知。观察目标60与每个功能块50、51和52相连且包括或集中了与其相连的功能块的数据清单。这些清单包含用于一组所定义的不同观察中每一个观察所需的信息。当然，图2的装置只是示意性的，在任何现场设备中可提供其它数目和类型的块目标、链接目标、警报目标、转向目标和观察目标。
现在参照图3，处理控制网络10的方框图还示出与定位器/阀门(positioner/valve)16、发射机20和桥路30相关的功能块，其中将装置16、18和24示为定位器/阀门装置而将装置20、22、26和28示为发射机。如图3所示，定位器/阀门16包括资源(RSC)块61、传感器(XDCR)块62和大量功能块，它包括模拟输出(AO)功能块63、两个PID功能块64和65以及信号选择(SS)功能块69。发射机20包括资源块61、两个传感器块62和两个模拟输入(AI)功能块66和67。此外，桥路30包括资源块61和PID功能块68。
应理解，图3的不同功能块可以在多个控制回路中一起操作(通过沿着总线34进行通信)，而且由回路识别块识别其中设有所示控制回路中定位器/阀门16、发射机20和桥路30的功能的控制回路，其中所述功能识别块与这些功能块中的某个功能块相连(如图3所示)。于是，如图3所示，在标为LOOP1的控制回路中，将定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射机20的AI功能块66相连，同时在标为LOOP2的控制回路中将定位器/阀门16的SS功能块69、发射机20的AI功能块67以及桥路30的PID功能块68相连。在标为LOOP3的控制回路中，连接定位器/阀门16的其它PID功能块65。
在如图4所示的这个控制回路的示意图中，详细示出构成标为图3中LOOP1的控制回路的相互连接的功能块。从图4可见，由在定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射机20的AI功能块66(图3)之间的通信链路完全形成控制回路LOOP1。图4的控制回路示出运用附着这些功能块的处理和控制输入及输出的线路，在这些功能块之间的通信相互连接关系。于是，通过总线段34b，包括处理测量或处理参数信号的AI功能块66的输出与PID功能块64的输入通信联络地耦合，其中所述PID功能块64具有包括与AO功能块63的输入通信联络耦合的控制信号的输出。包括例如表示阀门16位置的反馈信号的AO功能块63的输出与PID功能块64的控制输入相连。PID功能块64运用这个反馈信号以及来自AI功能块66的处理测量信号来自实现对AO功能块63的适当控制。当然，可以在现场设备内执行由图4的控制回路图中的线路表示的连接，当带有AO和PID功能块63和64的情况下，功能块在相同现场设备(例如，定位器/阀门16)内，或者通过双线通信总线34，运用标准的Fieldbus同步通信，可以实现这些连接。当然，可由在其它结构中用通信相互连接的其它功能块来实现其它控制回路。
为了实现和执行通信和控制活动，Fieldbus协议运用标为物理层、通信“堆栈(stack)”和用户层的大致三种技术。用户层包括以在任一特定处理可控制装置或现场设备内的块(诸如功能块)和目标的形式提供的控制和组态功能。一般由装置制造商以适当的方法来设计用户层，但是必须能够根据由Fieldbus协议限定的标准消息格式来接收和传输消息，以及能够由用户以标准方法来配置。物理层和通信堆栈必须运用双线总线34以标准化方法来影响在不同现场设备的不同块之间的通信，而且可由已知的开放系统互连(OSI)分层通信模型来建立它们的模型。
与OSI层1相对应的物理层嵌入在某个现场设备和总线中，并进行操作以将从Fieldbus传输媒体(双线总线34)接收到的电磁信号转换成能供现场设备的通信堆栈运用的消息。物理层可被认为是总线34，而且在现场设备的输入端和输出端，电磁信号出现在总线34上。
出现在每个Fieldbus装置中的通信堆栈包括与OSI层2相对应的数据链路层、Fieldbus访问子层和与OSI层6相对应的Fieldbus报文规范层。在Fieldbus协议中没有对于OSI层3-5的相应结构。然而，Fieldbus装置的应用包括层7，同时用户层是层8，这在OSI协议中没有规定。在通信堆栈中的每个层负责编码或解码在Fieldbus总线34上传输的一部分消息或信号。结果，通信堆栈中的每一层都附加或去除某些Fieldbus信号，诸如报头、起始定界符和结束定界符，以及在一些情况下，解码Fieldbus信号的剥去(stipped)部分以识别应把剩余信号或消息送到哪里去，或者例如由于信号包括了没有用于在接收现场设备中的功能块的消息或数据，是否应丢弃该信号。
数据链路层控制在总线34上传输消息并根据下面将要描述的被称为链路现行调度器(link active scheduler)的确定的集中总线定标器，管理对总线34的访问。数据链路层在传输媒体上从信号中去除报头，并可以运用接收到的报头来使现场设备的内部时钟与进入Fieldbus信号同步。同样，数据链路层将在通信堆栈上的消息转换成物理Fieldbus信号，而且用时钟信息对这些信号进行编码以产生“同步序列”信号，它具有用于在双线总线34上传输的适当报头。在解码处理过程中，数据链路层认识在报头内的特定代码，诸如，起始定界符和结束定界符，以识别特定Fieldbus消息的开始和结束，而且可以执行检验和来验证从总线34接收到的信号或消息的完整性。同样，数据链路层通过将起始和结束定界符加到在通信堆栈上的消息并在适当的时候将这些信号设置在传输媒体上，来在总线34上传输Fieldbus信号。
Fieldbus报文规范层运用标准消息格式集来允许用户层(即，现场设备的功能块、目标等)通过总线34进行通信，并描述建立要设置在通信堆栈上的消息并向用户层提供所需的通信服务、消息格式和协议行为。由于Fieldbus报文规范层提供用于用户层的标准化通信，所以对于上述每种目标限定了专用Fieldbus报文规范通信业务。例如，Fieldbus报文规范层包括目标目录(dictionary)业务，它允许用户读取装置的目标目录。目标目录存储描述或识别装置的每个目标(诸如，功能块)的目标说明。Fieldbus报文规范层还提供上下文管理业务，它允许用户读取和改变与装置的一个或多个目标相关的被称作为虚拟通信关系(VCR)(如下所述)的通信关系。另外，Fieldbus报文规范层提供各种访问业务、事件业务、数据上载和数据下载业务以及程序调用业务，在Fieldbus协议中所有这些都是已知的，因而这里不再详细描述。Fieldbus访问子层将Fieldbus报文规范层映射在数据链路层中。
为了允许或使得能够操作这些层，每个Fieldbus装置包括管理信息库(MIB)，它是一个数据库，用于存储VCR、动态变量、统计学、链路现行调度器时间表(link active scheduler timing schedule)、功能块执行时间表和装置标记和地址信息。当然，可在任何时刻，运用标准Fieldbus报文或命令来访问或改变在MIB内的信息。此外，一般每个装置设有装置说明以使用户或主机对VFD中的信息有一扩充了解。一般必须标示有供主机使用的装置说明以在装置的VFD中存储使主机能理解数据意义所需的信息。
应理解，为了运用在处理控制网络中所述的功能块来实现任何控制策略，相对于在特定控制回路中的其它功能块的执行，必须精确地安排功能块的执行时间表。同样，必须精确地安排在总线34上执行的在不同功能块之间的通信，从而在该块执行之前，向每个功能块提供适当数据。
现在，参照图1描述其中不同现场设备(和在现场设备中的不同块)通过Fieldbus传输媒体进行通信的方法。对于发生的通信，在总线34中的每段上的一个链路主控装置(例如，装置12、16和26)作为链路现行调度器(LAS)进行操作，它现场调度和控制在总线34的相关段上的通信。用于总线34的每段的LAS存储和更新通信时间表(链路现行时间表)，它包括调度每个装置的每个功能块以起始在总线34上的周期性通信活动的时间，以及发生这种通信活动的时间长度。虽然在总线34的每段上有一个并且只有一个现行LAS装置，但是其它链路主控装置(诸如，在段34b上的装置22)可以用作备份LAS，而且例如当当前LAS出故障时，它变成现行的。在任何时刻，基本装置都没有变成LAS的能力。
广义而言，总线34上的通信活动被划分为重复的宏循环，每个包含一个用于总线34任一特定段上每个激活功能块的同步通信和用于总线34某一段上一个或多个激活功能块或设备的一个或多个异步通信。即使设备物理通过总线34上桥路和LASs的协同操作连接总线34不同的段，设备也可以是激活的，即发送数据并接收来自总线34任一段上的数据。
在每个宏循环内，每个在总线34特定段上激活的功能块通常在不同但是精确安排的时序(同步)上执行，并且以另一精确安排的时序在总线34的该段上发布其输出数据以响应合适LAS生成的强迫数据命令。比较好的是，每个功能块在功能块执行周期结束后不久发布其输出数据。而且不同功能块的数据发布时序都依次安排好从而在总线34特定段上没有两个功能块在同一时刻发布数据。在未进行同步通信期间，允许每个现场设备利用令牌驱动的通信，以异步模式发射报警数据、查看数据等。完成每个功能块所需的执行时间和时间长度存储在驻留功能块的设备的管理信息库(MIB)内，如上所述，向总线34某一段上每个设备发送强迫数据命令的时刻存储在该段LAS设备的MIB内。由于这些功能块执行或发送数据的时刻标明了相对“绝对链接安排开始时刻”(对于连接在总线34上的所有设备来说它都是已知的)起点的偏离，所以它们一般作为偏离时间存储。
为了在每个宏循环内实现通信，LAS(例如总线段34b上的LAS 16)根据存储在链接激活时间表内的发送时刻列表向总线段34b上的每个设备发送强迫数据命令。在接收到强迫数据命令后，设备的功能块在特定时间内于总线34上发布它的输出数据。由于每个功能块一般是按照排定时刻执行的，从而使得块的执行在块安排接收强制数据命令之前进行，所以响应强迫数据命令而发布的数据应该是功能块最近的输出数据。但是如果功能块执行缓慢并且在接收到强迫数据使未锁存新的输出，则功能块发布在其最后运行期间生成的输出数据并利用时间戳记指示发布的数据是旧数据。
在LAS向总线34特定段上每个功能块发送强迫数据命令之后并在功能块执行期间，LAS可以进行异步通信活动。为了实现异步通信，LAS向特定的现场设备发送通过令牌报文。当现场设备接收到通过令牌报文时，现场设备对总线34(或者它的一段)具有完全访问能力并且可以发送异步报文(例如报警报文、转向数据、操作者设定点变化等)直到报文完成或者最大分配的“令牌保持时间”到期。随后现场设备释放总线34(或者其任一段)并且LAS向另一设备发送通过令牌报文。重复这样的过程直到宏循环结束或者直到LAS被安排发送强制命令数据以实现同步通信。当然，根据报文业务量和耦合至总线34任一特定段上的设备和块的数量，并不是每个设备都可以在每个宏循环内接收通过令牌报文的。
图5示出时序图，表示图1中总线段34b上功能块在总线段34b的每次宏循环期间执行的时间和与总线段34b相关的每次宏循环期间出现同步通信的时间。在图5的时序表中，水平轴表示时间，垂直轴表示与图3中定位器/阀门16和发射机20的不同功能块相关的活动。图5中以下脚标表示每个功能块操作的控制回路。因此，AILOOP1指发射机20的AI功能块，PIDLOOP1指定位器/阀门16的PID功能块，等等。图5中，以斜划线的方框表示每个所示功能块的块执行周期，而以垂直条表示每个预定的同步通信。
因此，根据图5的时序表，在(图1)总线段34b的任何特定宏循环期间，AILOOP1功能块首先在方框70指定的时间周期中执行。然后，在垂直条72表示的时间周期中执行，响应于总线段34bLAS的强迫数据命令在总线段34b上公布AILOOP1功能块的输出。同样，方框74、76、78、80和81分别表示功能块PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3的执行时间(对于每一个不同的功能块，时间是不同的)，而垂直条82、84、86、88和89分别表示PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3功能块在总线段34b上公布数据的时间。
显然，图5的时序图还示出可供进行异步通信活动的时间，它们可以出现在任何功能块的执行时间中以及宏循环结束时没有功能块在执行和在总线段34b上不发生同步通信的时间中。当然，如果需要的话，可以有意识地安排不同的功能块在相同时间上执行，例如，如果没有其它装置订购功能块所产生的数据，不必让所有的功能块在总线上公布数据。
现场设备(field device)利用各装置堆栈的Fieldbus存取子层中所定义的三种虚拟通信关系(VCR)中的一种关系能够在总线34上公布或发送数据和消息。对于在总线34上装置之间排队、非预定、用户始发、一对一的通信，可采用客户/服务器VCR。根据这种排队消息的优先级，按照提交进行发送的次序对它们进行发送和接收，而不改写以前的消息。因此，当现场设备从LAS接收一条通过令牌消息，将请求消息在总线34上发送到另一个装置时，它可以采用客户/服务器VCR。将请求者称为“客户”，将接收请求的装置称为“服务器”。当服务器从LAS接收通过令牌消息时它发出一个应答。例如，采用客户/服务器VCR来实现操作者始发请求，例如设定点变化、调整参数存取和变化、报警确认和装置上载和下载。
对于排队、非预定、用户始发、一对多的通信，可以采用报告分布VCR。例如，当具有事件或转向报告的现场设备从LAS接收通过令牌时，该现场设备将其消息发送到该装置通信堆栈的Fieldbus存取子层中所定义的“组地址”。为在该VCR上收听而配置的装置将接收该报告。Fieldbus装置通常采用报告分布VCR类型来将报警通知传送给操作者控制台。
对于缓冲、一对多通信，采用出版者/订购者VCR类型。缓冲通信是仅存储和传送最新版本数据的通信，因此新的数据完全改写以前的数据。功能块的输出例如包括缓冲数据。当出版者装置从LAS或从订购者装置接收强迫数据消息时，“出版者”现场设备利用出版者/订购者VCR类型将消息发布或播放给总线34上所有的“订购者”现场设备。预先确定出版者/订购者关系并将其限定和存储在各现场设备通信堆栈的Fieldbus存取子层中。
为了保证总线34上的适当的通信活动，各LAS周期性地将时间分布消息传送到与总线段34连接的所有现场设备，使得接收装置将它们的局部应用时间调节为相互同步。在这些同步消息之间，根据每个装置自身的内部时钟，独立地维持每个装置中的时钟时间。时钟同步允许现场设备对整个Fieldbus网络上的数据加时间印记，表示例如数据是何时产生的。
此外，每个总线段上的各LAS(和其它链路主控装置)存储“运转清单(livelist)”，这是一张列有与该总线段34连接的所有装置，即对通过令牌消息作出适当响应的所有装置的清单。LAS通过周期性地将探查节点消息传送到不在运转清单上的地址，对增加到总线段上的新装置进行连续识别。事实上，在每个LAS完成将通过令牌消息传送到运转清单中所有现场设备的循环后，需要它对至少一个地址进行探查。如果有一个现场设备出现在被探查的地址上并接收探查节点消息，那么该装置立即返回一个探查应答消息。在接收探查应答消息时，LAS将该装置增加到运转清单中并通过将节点激活消息传送到被探查的现场设备而确认。只要现场设备对通过令牌消息作出适当应答该现场设备便维持在运转清单上。然而，如果在经过三次成功尝试后现场设备既没有采用该记号又没有立即将该记号返回给LAS，那么该LAS将现场设备从运转清单中排除。当现场设备被增加到运转清单中或者从运转清单中排除时，LAS将运转清单中的变化广播给总线34特定一段上的所有其它链路主控装置，允许每个链路主控装置维持当前复制的运转清单。
如上所述，现场设备及其功能块之间的通信互连是由用户确定的并利用位于例如主机12中的配置应用程序在处理控制网络10中实现。然而，在配置后，处理控制网络10的操作无需考虑装置或处理诊断，因此与主机12接口，进行标准I/O功能，但不进行诊断功能。
参照图6，方块图说明了一个控制系统网络200，其中按本发明的冗余是使用在单个通讯环路202中单组通讯介质有选择地实现的，它带有冗余功能单元，包括一个原始现场设备204和一个冗余现场设备206。如数字控制系统(DCS)控制器或现场设备那样的环路控制器连到单个通讯环路202上，且单个通讯环路连到冗余的一对现场设备204和206。现场设备204和206任意地检测和通告故障状态。环路控制器208使用双线数字通讯连续地监测控制系统网络200中的设备运行，并检测故障现场设备通讯中止。对于由原始现场设备204故障的情况控制系统网络200可以恢复运行，但对由于单组通讯介质202故障则不行。环路控制器208与冗余现场设备204、206一起控制单个通讯环路202的运行的冗余，并检测功能单元的故障，或者通过接受象设备中控制逻辑那样的一个或多个功能单元的故障状态信息，或者通过检测从一个或多个功能单元来的信息的中止。例如，如过程控制阀那样的现场设备包括一个传感器和指示传感器状态的反馈信号，该信号又是过程控制阀运行状态的指示。阀运行状态可以包括故障状态、操作状态或指示功能性变化程序的状态的指定。过程控制阀和其他所选功能单元较好地使用通讯环路202的双线通讯环路控制器208发送状态信息。
环路控制器借助于撤消故障的设备，如原始现场设备204，并激活相应的替代设备，如图示的冗余现场设备206，来自动地重新配置冗余对通讯环路。功能单元可以包括如变送器那样的传感单元和如阀或马达那样的控制单元，以及过程中其他现场设备和控制设备。对传感单元，从有故障变送器发生的信息被忽略。对故障的控制单元，环路控制器发出命令撤消故障控制单元使其成为失效保护模式。
参照图7，方块图表示一个控制系统网络，它的冗余是使用通讯介质冗余组来选择地实现的，其中包括连接一个原始现场设备304和一个冗余现场设备306的一个原始通讯总线302和冗余通讯总线303。如数字控制系统(DCS)控制器或现场设备那样的环路控制器连接原始通讯总线302和冗余通讯总线303，构成一个通讯环路冗余对。原始现场设备304和冗余现场设备306可选地检测和通知故障状态。环路控制器308使用双线数字通讯借助于连续监测控制系统网络中的设备运行控制冗余通讯环路的冗余操作，并且或借助于接收从功能单元来的故障状态信息，或借助于检测从功能单元来的信号的中止来检测功能单元(可以是一个总线或一个设备)的故障。环路控制器308在总线302或原始设备304故障时撤消如原始通讯总线302的环路或原始环路中一个或多个单元，并然后激活相应的替代环路(如冗余通讯总线303)和/或一个或多个如冗余现场设备306那样的总线303上的功能设备，以此来自动地重新配置冗余通讯环路对。这样，既对故障的功能单元又对故障的通讯介质情况得到恢复。
参照图8，方块图表示一个控制系统网络400，其中冗余是使用包括一个原始通始总线402和一个冗余通讯总线403的冗余通讯介质，连接一个单独的如现场设备404的功能单元来可选地实现的。现场设备404包含两组接口电子线路(未示出)来使用冗余介质。环路控制器408连接到原始通讯总线402和冗余通讯总线403构成的一个通讯环路冗余对。设备402有到原始通讯总线402的第一输入连接和第一输出连接，并有到冗余通讯总线403的第二输入连接和第二输出连接。其结果是设备404连接到通讯环路的冗余对上。单个现场控制器408可选地检测和通告故障状态。环路控制器408借助于使用双线数字通讯连接监测控制系统网络400，控制冗余通讯环路的冗余操作，并且或借助于接收从功能单元来的故障状态，或检测从功能单元来的信息中止来检测功能单元的故障。环路控制器408在原始通讯总线402故障时撤消如原始通讯总线402那样的总线。并激活相应的替代冗余通讯总线403，借此自动地重新配置通讯环路的冗余对。但是，在这样的配置中环路控制器在现场设备404故障时不能够恢复。其结果是，具有冗余通讯介质但只有单一设备或其他功能单元的控制系统网络对于一个故障的通讯介质能进行恢复，但在设备或其他功能单元故障的情况下不能恢复。
参照图9，方块图说明了一个具有二个功能单元的控制系统网络500，一个原始过程控制阀502和一个接入过程液体流512的冗余过程控制阀504。在控制系统网络500中，原始过程控制阀502和冗余过程控制阀504连接到单个由环路控制器508控制的双线通讯环路506中。环路506从环路控制器起包括位于控制阀504和506末端的变送器510。
典型地，原始过程控制阀502运行而冗余过程控制阀504处于备用或旁路状态。环路506使用双线数字通讯，所以控制阀504和506和变送器510均接受信息并向环路控制器508发送信息。结果，环路控制器508接受指示控制系统网络500内功能单元精确状态的信息。
在收到指示一个功能单元故障或其他不正常状态的信息以后，环路控制器508发出一个响应，撤除故障的功能单元并激活一个可能存在的冗余单元。环路控制器借助于将被选的功能单元置于失效保护运行方式来撤消该功能单元。
在某些实施例中，控制阀504和506在旁路方式设有半容量(Half-Capacity)状态，对单个阀故障的响应是撤消故障的阀并全容量(full-capacity)激活功能阀。此外，阀504和506可以串行连接，当其中一个控制流量时另一个保持打开。
参照图10，方块图表示一个包括连在过程液体流612中两个功能单元，一个原始发送器602和一个冗余变送器604的控制系统网络600。在控制系统网络600中原始变送器602和冗余变送器604连接到由环路控制器608控制的单个双线环路606中。原始变送器602是现用的，冗余变送器604是在备用或旁路状态。环路606使用双路数字通讯，所以变送器604和606均接受信息并向环路控制器608发送信息。其结果是。环路控制器接受表示在系统网络600中功能单元精确状态的信息。
在收到表示一个发送器故障或不正常状态的信息时，环路控制器简单地忽略从功能不正常的变送器来的信息。
参照图11，表示了一个使用如现场总线通讯网络中的那样冗余功能模块实现分布式控制功能的过程控制环路700的方块图。可以实现如图4那样简单地反馈阀控制环路的环路700包括一个单一的AI功能模块702，连接到一对冗余PID功能模块704和706，后者又通过一个错误检测模块708连结到一对冗余AO功能模块710和712。在运行过程中，AI功能模块702，PID功能模块704或706中的一个和AO功能模块710和712中的一个与错误检测功能模块708联合运行实现简单的反馈控制回路。从图11明白，AI功能模块将其输出传至PID功能模块704和706，其中之一产生一个控制信号，它通过错误检测功能模块708送到AO功能模块710或712之一。同样的PID功能模块704或706还通过错误检测功能模块708，经由反馈线714或716之一从AO功能模块710或712之一接受反馈信号。这样，在正常运行时，环路700可以用PID功能模块704和通过错误检测功能模块708连接的AO功能模块710运行。错误检测功能模块708分析模块704和710(和706及712)的模式，或分析从模块704和710来的信号检测这些功能模块是否出错。如果错误检测模块708检测到模块704或710的一个错误状态，错误检测模块708立即起用一个冗余的功能模块，或者是冗余PID功能模块(或PID功能模块704出错)，或者是冗余A功能模块(若AO功能模块710出错)在环路700中运行，并将出错功能模块切换出环路700，使环路得以继续运行而不必关闭环路700或关闭700所连接的过程。
当然，错误检测功能模块708可以用任意需要的方式进行切换，包括当功能模块704或710出错时切换功能模块706和712共同运行；当AO功能模块出错时切换环路700，使PID功能模块704和AO功能模块712共同运行；当PID功能模块704故障，切换环路700使冗余PID功能模块706和AO功能模块710共同运行。类似地，错误检测功能模块708可以在任何冗余功能模块组与单个功能模块之间进行连结或者在过程控制环路中在两组冗余功能模块之间连接，以便提供冗余。在一个环路中若对每一个功能模块至少提供一个冗余功能模块就可以达到进一步的冗余，在图11的环路700中加一个冗余AI功能模块就是那样。也可以理解，错误检测模块708可以以任何希望的方式连接，并放在过程控制系统中任何设备中，只要该错误检测功能模块在通讯上通过如现场总线通讯总线在冗余环路上与其他功能模块相连接。
冗余功能模块，如模块704和706或模块710和712也可以放在同一个或不同的设备中。
更进一步，若需要的话，PID功能模块704和706的输出可以直接连到图11中的AO功能模块710和712(以及错误检测功能模块708)，而从AO功能模块710和712的反馈可以直接连接到PID功能模块704和706(以及错误检测模块708)。在这样的配置中，错误检测功能模块708检测在功能模块704和706或710和712中的错误，并使出错的功能模块从环路上切换掉，同时使相应地冗余功能模块切换入环路，而在环路700中实际上没有在PID和AO功能模块之间通过信号。
参照图12，此方块示意图表示了使用图6-11中任何的或全部冗余连结和任何其他冗余连续实现现场设备冗余的一个控制系统网络100。该图示的控制系统网络100包括一个计算机102，如个人计算机或工作站，它借助如数字控制系统那样的控制器106和一对冗余通讯线107连接到网络总线104上。网络总线104包括一个原始环路112和冗余环路113，每个都按照现场总线协议或任何有关具有分布式控制功能的过程控制系统相关的其他通讯协议应用双线，环路供电，双向数字通讯。借助于网络总线104在节点115的连接，控制系统网络100与外界网路114通讯。控制系统网络100包括多个现场设备116，它们直接连到网络总线104，或者通过桥接设备118和当地总线120连到网络104上。在图示的控制系统网络100中当地总线120(标记成122)借助于具有一个原始环呼126和一个冗余环路128的外部网络冗余总线124连接到节点115上。
借助一个原始现场设备(标记为130)和一个冗余现场设备(标记为132)可以选择地实现冗余，它们通过一个冗余连接136接到当地总线138再连到第一个桥接设备(标记为134)上；又通过冗余连接142连到当地总线122再接到第二个桥接设备(标记为140)。一个完全冗余的功能单元具有与相应的原始功能单元相同的功能组成或功能模块能力。一个局限的冗余功能单元具有的功能集之中至少忽略相应的原始功能单元中的一个功能或特征。
图示的控制系统网络100在双线、环路供电、双向数字通讯环境，在4线通讯环境或在任何其他使用分布式控制功能的过程控制环境下实现多级冗余。首先，计算机102使用冗余的线107连接到控制器106。第二，网络总线104包括一个原始环路112和一具冗余环路113。第三，桥接设备118和直接连接的现场设备116用冗余连接连到网络总线104。第四，原始现场设备130和冗余现场设备132借助冗余连接连到当地总线138再连到第一个桥接设备134。第五，原始现场设备130和冗余现场设备132用一个冗余连接136连到当地总线138再接到第一个桥接设备134，又用一个冗余连接142连到当地总线122再接到第三个桥接设备140。第六，当地总线122使用网络总线104和外部网络冗余总线124在节点115处冗余地连接到外部网络114。第七，外部网络冗余总线124是冗余总线。第八，冗余功能模块放在与网络100相连的设备(如设备116)中。
在一个控制系统网络的其他实施例中，冗余可选择地只对网络总线实现，或者对可选的现场设备116，所有的现场设备116实现，或者没有现场设备116。类似地，当地总线120连接到节点115的冗余和功能模块的冗余是可选的。
应用现场设备冗余的控制系统网络100对于双线、环路供电、双向数字通讯可以运行，也可以用4线环路或其他以分布方式实现过程控制功能的环路，包括实现现场总线标准(Fieldbus fundation，Austin，Texas)，WORLDFIP标准，LONWORKS标准，PROFIBUS标准，任何其他SP-50通讯标准等的环路。实现现场设备冗余的控制系统网络100对于应用包括HART标准等的混合模/数协议的环路也能运行。
现参照图13，图示的方块图说明一个双线、环路供电、双向数字通讯定位器/阀组合的(图12中的)数字现场设备116。该数字现场设备116包括一个现场设备控制器1102，一个I/P变送器，一个气动中继器1106，一个执行机构1108和一个阀1109，它们用各种气和由的线路互相连接。
现场设备116通过按照现场总线标准的双线总线122以数字形式接收操作信号，发送信息及数据，因而是双线定位器。类似地，现场设备116接受电源，主要通过双线连续环路总线段120驱动设备控制器1102和I/P敏感器1104，因而是环路供电设备。
如图13说明，I/P敏感器1104经过一个I/P敏感器控制器1110与调和控制器1102电气连接，并且在说明的实施例中使用模拟控制信号与设备控制器1102通讯。
I/P敏感器1104产生一个气动信号使得阀1109动作，它将电信号转换成气动定位器的气压，在机电设备中是十分有用的。执行机构控制阀1109的阀件1114(可以是阀轴)，而位置传感器1116感觉阀件1114的位置，并产生一个反馈信息，经由信号线1117传到设备控制器1102。位置信号可以被设备1102用于控制现场设备116的操作，以致于I/P敏感器1104驱动气动压力，引起阀件1114移到希望的位置。位置及其他反馈信息可以储存在存储器或设备控制器1102的内存中，并可通过如120的总线被外部存取，以便检测设备116的错误状态。
类似于标准的情况，现场设备116通过连接到I/P敏感器1104和气动中继器1106的气动管线1118接受从外部来源(图中未示出)提供的受压空气。一个输入传感器1120典型的放置在外部空气源和I/P敏感器1104之间测量在气动管线1118中的输入气动供应压力，并将测量值送给设备控制器1102。I/P敏感器1104通过气动控制线1122连到气动中继器1106，一个I/P传感器1124放在I/P敏感器1104和气动中继器1106之间，来测量在管线1122中的气动供应压力。类似地，气动中继器1106通过一根气动驱动管线1126连接执行部件1108，中继传感器1128放置在气动中继器1106和执行部件1108之间，测量在管线1126中的气动供应压力。气动线1118，1122和1126看作是互相连结变换器1104和阀1109的单个气动管线。
在运行过程中设备控制器1102通过控制I/P敏感器1104控制阀1109的动作，设置在气动控制管线1126中被控阀的运行压力。设备控制器1102通过I/P敏感器控制管线1110发送一个控制信号到I/P敏感器1104，控制I/P敏感器1104和中继器1106组合体的输出压力在约3-100psi(0.21-7.6kscm)之间，加到执行部件1108的控制输入处。执行部件1108产生一个输出压力用于操作阀1109。
于是I/P敏感器1104将电信号转变成气动空气压力信号。一个合适的I/P敏感器1104的例子在名为“电子-气动转换器”(“Electro-Pneumatic Converter”)1995年8月8日B.J.Burlage等人发表的美国专利NO.5,439,021上予以叙述，该专利在此作为整体予以参考。类似地，作为气动放大器的气动中继器1106在设备控制器1102的操纵下由I/P敏感器1104控制增加气动执行信号管线1126空气压力一个控制的量。因此，一般来说气动中继器1106响应从设备控制器1102来的控制信号，提供一个控制的输出压力到一个负载或类似执行部件或活塞那样的使用设备。一个合适的中继器在名为“四模式气动中继器”(Four Mode PneumaticRelay)1990年12月4日S.B.Paullus等人发表的美国专利No.4,974,625中予以描述，该专利在此作为整体予以参考。在图示的实施例中中继器1106是多功能四模式气动中继器，它可以配置成正变/开关、正变/比例、逆变/开关、逆变/比例中的任意组合。在比例模式中，气动中继器1106发出的压力输出正比于压力或力的输入。在开关模式中，气动中继器1106产生一般等于施加的提供压力的定常压力，以响应确定范围的力或压力控制输入的施加。在正变运行模式，气动中继器106的输出压力随着增加的输入信号而增加。在逆变运行模式，中继器输出压力随增加的输入信号而降低。
输入传感器1120，I/P传感器1124，和中继传感器1128是压力传感器，它包含一个压力到电的信号转换，将压力信号转换成电的信号并通过线1130将反馈信号提供给设备控制器1102。I/P传感器1124在诊断上可用于检测I/P敏感器1104故障以及气动中继器1106故障，并确定故障是机械故障或是电气故障。I/P传感器1124对检测某些系统问题也有用，包括确定输入到数字现场设备16的空气压力是否足够。其结果是I/p传感器1124允许很快地诊断I/P敏感器1104和气动中继器1106的状态，以便这些设备在必要时迅速替代；以便一个过程控制器能够在可能时灵活地切换到使用不同的冗余设备。
在一个实施例中，用于数字现场设备116的合适的阀1109是一个阀和在一个滑动轴阀上使用一个弹簧和隔膜执行部件的执行部件组件。它在模拟量设备中应用，在名为“流体控制阀的诊断仪器和方法”1990年12月11日W.V.Fitzgerald发表的美国专利NO.4,976,144中予以描述，该专利在此作为整体予以参考。在此示例性实施例中，约3psi(0.21kscm)的压力信号提供给执行机构1108，以响应由设备控制器1102提供给I/P敏感器1104的约4mA信号，导致在气动执行信号管线1126上相应的压力，此压力不足以移动全开位置的阀1109。若现场设备控制器1102将加到I/P敏感器1104的电流改变到约20mA，I/P敏感器1104在气动执行管线1126中产生约15psi(1.6kscm)的压力，此压力将阀1109推到全关闭的位置。通过设备控制器1102的操作在4mA 20mA范围由控制加到I/P敏感器1104的输入电流，可以达到阀1109在全开位置到全关位置之间的各种位置。
设备控制器1102通过总线120完成相当高速的数字通讯，从过程控制网络中的外部处理器或工作站接收控制信号并发送位置及压力信号。设备控制器1102包括存储器或内存，储存多个诊断试验的结果，使正确的数据用于分析。如设备诊断那样的诊断操作一般是以软件程序码的方式，且典型地在现场设备116的设备控制器1102中编码、储存和执行。
阀1109的一个设备诊断估计可以通过设备控制器1102控制加到I/P敏感器1104的输入电流的操作试验阀1109全开到全闭的范围来完成。在设备诊断估计中，借助于设备控制器1102来监控输入传感器1120，I/P传感器1124，和中继器传感器1128的输出，未感知分别在气动管线1118，1122和1126中的气动压力，用于分析。还监控位置传感器1116的输出，以便检测阀轴的位置与运动，这相应于阀1109中阀栓的位置与运动。
在设备控制器1102的控制下，借助于加一个控制的变化的电流到I/P敏感器1104，在气动管线1118，1122和1126中测量压力，并利用位置传感器1116测量阀轴1114的位置就能完成阀1109的试验运行周期。以这种方式，设备控制器1102同时接受指示图示位置上压力的随时间变化的电信号和阀1109的位置,并可以使用这些信号以任何已知的及希望的方式确定任何个数的设备诊断参数。
在一个实施例中，I/P敏感器1104和气动中继器1106使用一个诊断试验步骤进行测试，试验过程是驱动I/P敏感器1104全开，测量提供给阀1109的全空气压力。当I/P敏感器1104被驱动打开，I/P传感器1124不断地测量在气动控制管线1122中的压力。若压力开始降低，试验就指出空气供应不足。供气充足度的进一步诊断试验是将振荡的信号加到I/P敏感器1104中抽吸阀1109，使阀1109对于空气供应开始吸气动作，然后使用I/P传感器1124测量最大流量和最大压力值。
如图14所示，设备控制器1102包括一个微处理器1140，一个接口1142，一个总线隔离电路1144，许多存储设备，如随机存储内存(RAM)1146，一个只读存储器(ROM)1148和一个非挥发性随机存储内存)NVRAM(1150，和许多信号处理设备如A/D转换器1152，一个D/A转换器1154和一个多路转换器1156。接口1142(是总线连接器)是一个电路，它完成串口到并口的协议转换和并口到串口的协议转换，并用于按照如现场总线那样的任何希望的协议确定打包信息到数据包中。总线隔离电路1144是这样的电路，它用于将总线120上的一具双线介质通讯信号转换成通信信号的数字表述，并将从总线120收到的电源供应送到设备控制器1102中的其他电路和I/P敏感器1104。总线隔离电路1144也可以在总线120上完成波形整形和发信号。
A/D转换器1152被连接到如图13的位置传感器1116和压力传感器1120，1124和1128的位置和压力变换器那样的变换器上，也连到任何其他希望的模拟量输入设备。虽然A/D转换器具有有限的输入通道，可以使用多路转换器1156采样许多信号。如果需要，多路转换器1156可以包括一排放大器连接在信号线1117和1130之间(图13)放大位置、压力和其他提供的反馈信号。D/A转换器1154对微处理器1140发出的信号完成数字到模拟量的转换，再提供给如I/P敏感器1104那样的模拟量器件。
实现冗余的一个控制系统网络的图示实施例有利地为一个应用双线，环路供电，双向数字通讯或其他通讯提供安全性，尽管功能单元故障仍维持控制系统网络运行。当过程控制线关闭的损失十分巨大时此优越性在过程控制系统中是重要的。
当然，具有冗余单元的过程控制网络当希望时在其他配置下也可以使用冗余性。此外，虽然具有冗余单元的过程控制网络在这里描述成为包括变送器和定位器/阀设备，应该注意此网络能包括其他类型的设备，如具有如气流调节器、风扇那样可动单元的设备，及控制器、桥接设备、传感器等。
此外，虽然具有此处描述的冗余单元的过程控制网络切换逻辑最好以储存在过程控制设备或控制器中的软件实现，若希望，也可以换成或加上用硬件、固件等来实现。若以软件实现，此逻辑可以存在任何计算机的可读记忆装置中，如在一个磁盘上，在一个激光盘，或其他存储介质中，在一个计算机的RAM或ROM中等等。类似地，此软件可以通过任意已知的或希望的提高方法，包括如电话线，因特网的通讯通道等提供给用户或设备。因此，虽然本发明参照特定的例子进行描述，此例只是作为说明而不是发明的限止而此，对该专业具有一般技巧的人很明显，不背离本发明的精神与范围可以对揭示的实施例作出改变、增加或删减。

Claims (27)

1.一种以分布方式在过程中执行过程控制功能的过程控制系统，其特征在于，所述系统包括：
在所述过程中执行通讯过程功能的通讯总线；
通讯连接在所述通讯总线上的多个现场设备，每个现场设备在过程中执行不同的过程功能；
与所述通讯总线耦合的控制器，所述控制器经所述通讯总线与所述多个现场设备通讯耦合，所述控制器经所述通讯总线监视所述多个现场设备的操作；和
包括原始冗余单元和辅助冗余单元的一对冗余单元，它们适应于在过程中执行相同过程功能；
其中，所述控制器经所述通讯总线与所述一对冗余单元通讯耦合，利用所述通讯总线检测该冗余单元之一的故障，在检测到冗余单元之一的故障时操纵连接到过程控制系统中的另一个冗余单元。
2.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：通讯总线执行双线、双向、环路供电通信协议。
3.如权利要求2所述的过程控制系统，其特征在于：所述通讯协议是Fieldbus通讯协议。
4.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：所述通讯总线执行四线通讯协议。
5.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：所述通讯总线执行双线、双向、环路供电、数模混合通讯协议。
6.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：原始冗余单元包含所述通讯总线，而辅助冗余单元包含另一通讯总线。
7.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：原始冗余单元包含多个现场设备之一，辅助冗余单元包含与所述通讯总线相连的另一个现场设备。
8.如权利要求7所述的过程控制系统，其特征在于：原始冗余单元和辅助冗余单元是在过程中互相并行地操作连结的阀。
9.如权利要求7所述的过程控制系统，其特征在于：原始冗余单元和辅助冗余单元是在过程中互相串行地操作连结的变送器。
10.如权利要求7所述的过程控制系统，其特征在于：原始冗余单元包含执行特定过程功能的第一功能模块，辅助冗余单元包含执行所述特定过程功能的第二功能模块。
11.如权利要求10所述的过程控制系统，其特征在于：第一和第二功能模块位于多个现场设备的不同设备中。
12.如权利要求10所述的过程控制系统，其特征在于：所述控制器包括与第一及第二功能模块通信连结的另一功能模块，它检测第一和第二功能模块之一的出错。
13.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：原始冗余单元包括一环路，它包括与现场设备之一相连的通讯总线，辅助冗余单元包括一冗余环路，它包括与冗余现场设备相连的冗余通讯总线。
14.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于，它进一步包括在与冗余单元相关的功能单元中运行的控制逻辑，该控制逻辑适合于检测冗余单元之一的运行状态，并将运行状态通告给控制器。
15.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：控制器包括一个检测器，检测从冗余单元对之一来的通讯的终止，以此检测该冗余单元对之一的故障。
16.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于，所述控制器包含一个环路控制器，所述环路控制器包括执行双线、双向、环路供电数字通讯协议的控制逻辑；
所述原始冗余单元包括所述通讯总线，而所述辅助冗余单元包括另一个通讯总线；
所述通讯总线和所述另一个通讯总线各包括一双向通讯总线；
所述通讯总线和所述另一个通讯总线与所述环路控制器耦合；
所述多个现场设备与所述通讯总线和所述另一个通讯总线耦合；
所述控制器适合于检测与所述通讯总线和所述另一个通讯总线当中一个总线相关的故障，并在检测到所述通讯总线和所述另一个通讯总线当中的一个通讯总线的故障时操纵连接到过程控制系统中所述通讯总线和所述另一个通讯总线当中的另一个通讯总线。
17.如权利要求16所述的过程控制系统，其特征在于，所述多个现场设备包括连接到所述通讯总线的第一冗余现场设备和连接到所述另一个通讯总线的第二冗余现场设备。
18.如权利要求16所述的过程控制系统，其特征在于，所述多个现场设备之一连接到所述通讯总线和所述另一个通讯总线。
19.如权利要求16所述的过程控制系统，其特征在于：环路控制器执行Fieldbus通讯协议。
20.如权利要求1所述的过程控制系统，其特征在于：
所述控制器包括一个环路控制器，所述环路控制器包括执行双线、双向、环路供电数字通讯协议的控制逻辑；
所述过程控制系统进一步包括与所述环路控制器耦合的一个双向通讯环路；
所述环路控制器适合于经所述双向通讯环路检测与所述原始冗余单元和所述辅助冗余单元当中一个单元相关的故障，并在检测到所述原始冗余单元和所述辅助冗余单元当中的一个单元的故障时操纵连接到过程控制系统中所述原始冗余单元和所述辅助冗余单元当中的另一个单元。
21.一种配置过程控制系统的方法，所述系统以分布方式完成过程中的控制功能，其特征在于，该方法包括：
提供在过程控制系统中执行通讯过程功能的通讯总线；
将多个现场设备通讯连接在所述通讯总线上，使每个现场设备在过程中执行不同的过程功能；
利用所述通讯总线监视所述多个现场设备的操作；
使用包括原始冗余单元和辅助冗余单元的一对冗余单元，在过程中执行同样的过程功能；
利用所述通讯总线检测冗余单元之一的故障；和
响应于该冗余单元之一的故障，实现与过程控制系统中另一冗余单元的操作连接。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：原始冗余单元包含所述通讯总线，而辅助冗余单元包含另一通讯总线，所述方法在利用所述通讯总线检测冗余单元之一的故障的步骤之前进一步包括将所述通讯总线和另一通讯总线连到同一设备上的步骤。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于：原始冗余单元包含多个现场设备之一，辅助冗余单元包含另一现场设备，所述方法在利用所述通讯总线检测冗余单元之一的故障的步骤之前进一步包括将多个现场设备之一和另一现场设备连到所述通讯总线的步骤。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于：原始冗余单元包含第一功能模块，辅助冗余单元包含第二功能模块，这里第一功能模块和第二功能模块执行相同的过程功能，所述方法在利用所述通讯总线检测冗余单元之一的故障的步骤之前进一步包括在过程的过程控制环路中交替地与第一或第二功能模块通讯连接的步骤。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法在利用所述通讯总线检测冗余单元之一的故障的步骤之前进一步包括将第一或第二功能模块放置在多个现场设备的不同设备中的步骤。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法在利用所述通讯总线检测冗余单元之一的故障的步骤之前进一步包括将控制器功能模块连到第一和第二功能模块上的步骤。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于：原始冗余单元包含一个原始环路，它包括连到现场设备之一的通讯总线，而辅助冗余单元包含一个冗余环路，它包括连接到冗余设备的冗余通讯总线，所述方法在利用所述通讯总线检测冗余单元之一的故障的步骤之前进一步包括在过程控制系统中操作上仅连接到原始环路或冗余环路之一的步骤。
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