DE69710201T3

DE69710201T3 - Netzwerkzugangs-interface für prozesssteuerungsnetzwerk

Info

Publication number: DE69710201T3
Application number: DE69710201T
Authority: DE
Inventors: K. Larry BROWN; A. Harry BURNS; H. Brent LARSON
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2017-10-03
Also published as: CA2267502A1; WO1998014852A1; EP0928443A1; CN1232558A; JP2001501794A; JP3993243B2; BR9712194A; EP0928443B1; DE69710201T2; DE69710201D1; CA2267502C; CN1178113C; AU4663497A; US6192281B1; EP0928443B2

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Dies ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 08/726264, angemeldet am 4. Oktober 1996.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Prozeßsteuerungsnetze und insbesondere eine Schnittstelle, die Daten zwischen einem Prozeßsteuerungsnetz mit verteilten Steuerfunktionen und einem entfernten Kommunikationsnetz überträgt.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Großprozesse wie Chemie-, Erdöl- und andere Herstellungs- und Raffinationsprozesse weisen zahlreiche Feldeinrichtungen auf, die an verschiedenen Stellen angeordnet sind, um Parameter eines Prozesses zu messen und zu steuern und dadurch die Steuerung des Prozesses durchzuführen. Diese Feldeinrichtungen können beispielsweise Sensoren wie Temperatur-, Druck- und Strömungsratensensoren sowie Steuerelemente wie Ventile und Schalter sein. Historisch verwendete die Prozeßsteuerungsindustrie manuelle Vorgänge wie die manuelle Ablesung von Pegel- und Druckmessern, das Drehen von Ventilrädern usw., um die Meß- und Steuerungs-Feldeinrichtungen innerhalb eines Prozesses zu betätigen. Mit Beginn des 20. Jahrhunderts begann die Prozeßsteuerungsindustrie mit der Verwendung von lokaler pneumatischer Steuerung, wobei lokale pneumatische Steuerelemente, Meßwandler und Ventilpositionierer an verschiedenen Stellen innerhalb einer Prozeßanlage angeordnet wurden, um die Steuerung an bestimmten Stellen der Anlage zu bewirken. Mit dem Aufkommen der mikroprozessorbasierten verteilten Steuersysteme bzw. DCS in den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts verbreitete sich die verteilte elektronische Prozeßsteuerung in der Prozeßsteuerungsindustrie.
Wie bekannt ist, weist ein verteiltes Steuerungssystem bzw. DCS einen Analog- oder einen Digitalrechner wie etwa ein programmierbares logisches Steuerwerk auf, das mit zahlreichen elektronischen Überwachungs- und Steuereinrichtungen wie etwa elektronischen Sensoren, Meßwandlern, Strom-Druck-Wandlern, Ventilpositionierern usw., die im gesamten Prozeß vorhanden sind, verbunden ist. Der Rechner des DCS speichert und implementiert ein zentrales und häufig komplexes Steuerungsschema, um die Messung und Steuerung von Einrichtungen innerhalb des Prozesses zu bewirken und dadurch Prozeßparameter nach Maßgabe eines Gesamtsteuerungsplans zu steuern. Gewöhnlich ist jedoch das von einem DCS implementierte Schema Eigentum des Herstellers des Steuerwerks des DCS, wodurch es wiederum schwierig und teuer wird, das verteilte Steuerungssystem zu erweitern, aufzurüsten, umzuprogrammieren und zu warten, weil der DCS-Provider auf integrale Weise einbezogen werden muß, um eine oder jede dieser Aktivitäten auszuführen. Ferner kann aufgrund der herstellereigenen Beschaffenheit des DCS-Steuerwerks und der Tatsache, daß ein Provider eines DCS-Steuerwerks bestimmte Einrichtungen oder Funktionen von Einrichtungen, die von anderen Herstellern stammen, eventuell nicht unterstützt, die Anlage, die innerhalb eines bestimmten verteilten Steuerungssystems verwendet oder damit verbunden werden kann, Einschränkungen aufweisen.
Um einige der Probleme zu überwinden, die mit der Anwendung von herstellereigenen verteilten Steuerungssystemen verbunden sind, hat die Prozeßsteuerungsindustrie eine Reihe von offenen Standard-Kommunikationsprotokollen entwickelt, beispielsweise die Protokolle HART^®, PROFIBUS^®, WORLDFIP^®, Device-Net^® und CAN, die es Feldeinrichtungen, die von verschiedenen Herstellern stammen, ermöglichen, gemeinsam innerhalb desselben Prozeßsteuerungsnetzes benutzt zu werden. Tatsächlich kann jede Feldeinrichtung, die einem dieser Protokolle entspricht, innerhalb eines Prozesses verwendet werden, um mit einem DCS-Steuerwerk oder einem anderen das Protokoll unterstützenden Steuerwerk zu kommunizieren und davon gesteuert zu weiden, und zwar auch dann, wenn diese Feldeinrichtung von einem anderen als dem Hersteller des DCS-Steuerwerks stammt.
Ferner gibt es nunmehr eine Entwicklung innerhalb der Prozeßsteuerungsindustrie, die Prozeßsteuerung zu dezentralisieren und dadurch DCS-Steuerwerke zu vereinfachen oder die Notwendigkeit für DCS-Steuerwerke weitgehend zu eliminieren. Eine dezentrale Steuerung wird erhalten, indem man im Feld angebrachte Prozeßsteuerungseinrichtungen wie etwa Ventilpositionierer, Meßwandler usw. eine oder mehrere Prozeßsteuerfunktionen ausführen läßt und dann Daten über eine Busstruktur zur Nutzung durch andere Prozeßsteuereinrichtungen bei der Durchführung anderer Steuerfunktionen übermittelt. Zur Implementierung dieser Steuerfunktionen weist jede Prozeßsteuereinrichtung einen Mikroprozessor auf, der imstande ist, eine Steuerfunktion auszuführen, sowie die Fähigkeit hat, mit anderen Prozeßsteuereinrichtungen unter Nutzung eines offenen Standard-Kommunikationsprotokolls zu kommunizieren. Auf diese Weise können Feldeinrichtungen, die von verschiedenen Herstellern stammen, innerhalb eines Prozeßsteuerungsnetzes miteinander verbunden werden, um miteinander zu kommunizieren und eine oder mehrere Prozeßsteuerfunktionen unter Bildung einer Steuerschleife ohne Eingriff eines DCS-Steuerwerks auszuführen. Das vollständig digitale Zweidrahtbusprotokoll, das heute von der Fieldbus Foundation verbreitet wird und als das FOUNDATION^TM Fieldbus-Protokoll (nachstehend "Fieldbus"-Protokoll) bekannt ist, ist ein solches offenes Kommunikationsprotokoll, das es Einrichtungen, die von verschiedenen Herstellern stammen, ermöglicht, über einen Standardbus untereinander zusammenzuwirken und zu kommunizieren, um so eine dezentrale Steuerung innerhalb eines Prozesses zu bewirken.
Prozeßsteuerungssysteme haben also eine Erweiterung von lokalen Kommunikationsschleifen mit einer Reihe von Feldeinrichtungen, die mit einem oder mehreren Steuerwerken verbunden sind, zu Kommunikations-Großnetzen erfahren. Es ist jedoch derzeit schwierig, Feldeinrichtungsinformation auf einem Prozeßsteuerungsnetz zu anderen Kommunikationsnetzen eventuell über große Entfernungen zu übertragen, um beispielsweise eine Leistungsanalyse, diagnostische Prüfungen, Wartungsarbeiten und Störungssuche und dergleichen auszuführen. Tatsächlich ist ein zufriedenstellendes Verfahren zum Ubertragen von Feldeinrichtungsinformation auf einem Basisniveau, beispielsweise Prozeßsteuerungsventildaten, bisher nicht gefunden worden. Die Übertragung von Feldeinrichtungsinformation ist zwar unter Anwendung von Lichtleiterverbindungen zwischen einer Vielzahl von entfernten Prozeßsteuerungsstellen versucht worden, diese Lichtleiterverbindungen zwischen verschiedenen Stellen sind jedoch teuer, und häufig treten Konflikte auf, wenn eine Vielzahl von Einrichtungen versucht, gleichzeitig Informationen zu senden. Ferner weisen die Lichtleitersysteme komplexe Kommunikationssteuerwerke auf, die die Nutzung des Busses entscheiden. Da jede Datenübertragung dieses Systems synchron mit dem Sammeln von Daten an den einzelnen Feldeinrichtungen ist, wird das Sammeln von Daten aufgehalten, während auf den Zugang zu dem Lichtleiterbus gewartet wird, und die Übertragungen werden aufgehalten, während auf das Sammeln von Daten gewartet wird.
Die Übertragung von Felddaten über ein Netzwerk umfaßt herkömmlich das Leiten von gekapselten Informationspaketen durch Netz-zu-Netz-Verbindungen (typischerweise LAN-zu-LAN-Netzen). Die Pakete werden an jedem Knoten des Netzes unter Hinzufügung von Überführungsparametern gekapselt, so daß die Informationspakete zusätzliche Fremdinformation dazugewinnen und an jedem Knoten Verarbeitungszeit benötigen. Diese herkömmliche Fernkommunikationstechnik wird durch Verzögerungen an jedem Knoten verlangsamt und ist wegen des Hinzufügens von Fremdinformation bei jeder Kapselung ineffizient.
Es ist daher erwünscht, eine einfache Schnittstelleneinrichtung anzugeben, die Feldeinrichtungsdaten zwischen einem Prozeßsteuerungsnetz und einem Kommunikationsnetz oder anderen abgesetzten Stellen überträgt, ohne daß die Feldeinrichtungen innerhalb des Prozeßsteuerungsnetzes den Betrieb aufhalten müssen, während sie auf den Zugang zu dem Kommunikationsnetz warten, und ohne daß an jedem Knoten des Netzes eine unnötige Verarbeitung erforderlich ist.
EP-A-0449458 und Advanced Systems Simplify Control, Machine Design, Bd. 68, Nr. 12, 11. Juli 1996, S. 118, 120, betreffen die Umwandlung zwischen einem busbasierten Kommunikationsnetz und einem nichtbusbasierten System, also einem System, das dedizierte Leitungen nutzt, um verschiedene Einrichtungen kommunikativ miteinander zu verbinden. Insbesondere zeigt EP-A-0449458 ein System, das eine Reihe von Hauptrechnern hat, die über einen Abbildprotokollbus mit zahlreichen Netzfeldschnittstellen- bzw. NFI-Einrichtungen verbunden sind. Die Einrichtungen zeigen die Verwendung eines Feldbusprotokolls in einem Prozeßsteuerungssystem, wobei die mit dem Feldbusnetz verbundenen Einrichtungen direkt mit anderen Einrichtungen über separate und dedizierte Drähte verbunden sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Schnittstelleneinrichtung, die Interaktionen zwischen einem Kommunikationsnetz und einem Prozeßsteuerungsnetz ermöglicht, die in dem Prozeßsteuerungsnetz auftretenden Kommunikationen nicht verändert und das Hinzufügen von Fremddaten zu Paketen auf dem Kommunikationsnetz nicht erforderlich macht. Die Schnittstelleneinrichtung der vorliegenden Erfindung kann von einem Rechner, der ein Softwarekommunikationsprotokoll ausführt, das beispielsweise dem Fieldbus-Kommunikationsprotokoll zugeordnet ist, und einer Anwendersoftwareschicht gebildet sein, die Fieldbus-Anforderungen von einem Einzelanwender oder einer Vielzahl von Anwendern über ein lokales Netz bzw. LAN oder ein Fernnetz bzw. WAN verarbeitet. Die Anwendersoftwareschicht bildet eine direkte Schnittstelle zu dem Fieldbus-Kommunikationsnetz in einer Einrichtung zu einer entfernten Stelle über eine Netzverbindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Schnittstelle zwischen einem Kommunikationsnetz und einem Prozeßsteuerungsnetz auf: einen Kommunikationssoftwarestapel, der in einem Prozeßsteuerungssystem wirksam ist, Schnittstellensoftware, die eine Routine umfaßt, die Meldungsverkehr an dem Kommunikationssoftwarestapel überwacht, eine Routine, die den Meldungsverkehr in einen Speicher kopiert, und eine Medienschnittstellensoftwareroutine, die den Fernzugriff zu dem Speicher zuläßt.
Durch die beschriebene Schnittstelle und das Betriebsverfahren werden viele Vorteile erreicht. Beispielsweise wandelt die Schnittstelleneinrichtung der vorliegenden Erfindung eine zeitkritische Operation der Überwachung von niederen Felddaten in eine nichtzeitkritische Operation der Übertragung von Daten zu einer entfernten Stelle um.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die beschriebene Schnittstelle und das Verfahren stark herstellerkompatibel sind und in vielen verschiedenen Steuerungssystemen und -netzen auf praktisch jedem Computersystem, das Standard-Softwareelemente verwendet, implementiert werden können. Ferner ist es vorteilhaft, daß nur eine kleine Datenmenge, d. h. die relevanten oder angeforderten Daten, übertragen wird und daß die Schnittstelle bei der Übermittlung von Feldeinrichtungsdaten über ein sekundäres oder entferntes Kommunikationsnetz den Zusatzaufwand hinsichtlich Zeit und Datenübertragungsgröße erheblich verringert.
Mit der Schnittstelle der vorliegenden Erfindung können diagnostische Prüfungen, Wartungsarbeiten und Störungssuche von einem entfernten Ort aus, der mit dem Prozeßsteuerungsnetz über einen Kommunikationsbus wie etwa ein LAN oder ein WAN verbunden ist, ausgeführt oder implementiert werden. Nachrichten bzw. Meldungen und Informationen werden vorteilhaft sehr schnell übertragen, und Daten werden asynchron und unabhängig zwischen dem lokalen Anwender und dem entfernten Anwender übertragen, so daß Probleme der Synchronisierung vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Ansprüche 1 bis 17 definiert und betrifft eine Schnittstelle zwischen einem Kommunikationsnetz, das von einem ersten Kommunikationsprotokoll Gebrauch macht, und einem Prozeßsteuerungssystem, das einen Bus hat, der von einem zweiten Kommunikationsprotokoll Gebrauch macht, wobei die Schnittstelle folgendes aufweist: einen Prozessor; eine Speichereinrichtung, die mit dem Prozessor gekoppelt ist; ein Softwaresystem zur Ausführung auf dem Prozessor, das folgendes aufweist: einen Kommunikationssoftwarestapel, der so ausgebildet ist, daß er mit dem Bus kommunikativ gekoppelt und in dem Prozeßsteuerungssystem unter Anwendung des zweiten Kommunikationsprotokolls wirksam ist, eine Überwachungsroutine, die so ausgebildet ist, daß sie Meldungsverkehr an dem Kommunikationssoftwarestapel überwacht, eine Kopierroutine, die so ausgebildet ist, daß sie den Meldungsverkehr zu der Speichereinrichtung kopiert, und eine Medienschnittstellenroutine, die so ausgebildet ist, daß sie einen Fernzugriff auf die Speichereinrichtung über das Kommunikationsnetz unter Anwendung des ersten Kommunikationsprotokolls aktiviert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockbild eines beispielhaften Prozeßsteuerungsnetzes, das das Fieldbus-Protokoll verwendet;
2 ist ein schematisches Blockbild von drei Fieldbus-Einrichtungen, in denen Funktionsblöcke vorhanden sind;
3 ist ein schematisches Blockbild, das die Funktionsblöcke in einigen der Einrichtungen des Prozeßsteuerungsnetzes von 1 zeigt;
4 ist eine schematische Steuerschleife für eine Prozeßsteuerschleife innerhalb des Prozeßsteuerungsnetzes von 1;
5 ist ein Zeitdiagramm für einem Makrozyklus eines Segments des Busses des Prozeßsteuerungsnetzes von 1;
6 ist ein schematisches Blockbild, das ein Steuerungssystemnetz zeigt, das eine Fieldbus-Schnittstelle mit Netzzugang gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein schematisches Blockbild, das ein geeignetes Computersystem zeigt, das imstande ist eine Ausführungsform einer Fieldbus-Schnittstelle mit Netzzugang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu implementieren;
8 ist ein Flußdiagramm, das Operationen veranschaulicht, die von der Fieldbus-Schnittstelle mit Netzzugang gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden; und
9 ist ein schematisches Blockbild, das mehrere Beispiele von Implementierungen der Fieldbus-Schnittstelle mit Netzzugang zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Fieldbus-Schnittstelle mit Netzzugang bzw. NAFI der vorliegenden Erfindung wird zwar im einzelnen in Verbindung mit einem Prozeßsteuerungsnetz beschrieben, das Prozeßsteuerungsfunktionen auf eine dezentrale oder verteilte Weise unter Verwendung eines Satzes von Fieldbus-Einrichtungen implementiert, es ist aber zu beachten, daß die NAFI-Einrichtung der vorliegenden Erfindung mit Prozeßsteuerungsnetzen verwendbar ist, die verteilte Steuerfunktionen unter Anwendung anderer Arten von Feldeinrichtungen und Kommunikationsprotokollen ausführen, was Protokolle einschließt, die auf anderen als Zweidrahtbussen basieren, und Protokolle einschließt, die analoge und digitale Kommunikationen unterstützen. Beispielsweise kann die NAFI-Einrichtung der vorliegenden Erfindung in jedem Prozeßsteuerungsnetz verwendet werden, das verteilte Steuerfunktionen ausführt, und zwar auch dann, wenn dieses Prozeßsteuerungsnetz die Kommunikationsprotokolle HART, PROFIBUS usw. oder irgendwelche anderen Kommunikationsprotokolle verwendet, die es heute gibt oder die künftig entwickelt werden. Ebenso kann, falls gewünscht, die NAFI-Einrichtung der vorliegenden Erfindung in Prozeßsteuerungsnetzen verwendet werden, die keine verteilten Steuerfunktionen haben, sondern statt dessen ein zentrales Steuerwerk oder Steuerungsschema verwenden, um die darin vorhandenen Einrichtungen zu steuern.
Bevor die Einzelheiten der NAFI-Einrichtung der vorliegenden Erfindung erörtert werden, folgt eine allgemeine Beschreibung des Fieldbus-Protokolls, von Feldeinrichtungen, die entsprechend diesem Protokoll konfiguriert sind, und der Art und Weise, wie die Kommunikation in einem Prozeßsteuerungsnetz stattfindet, das das Fieldbus-Protokoll verwendet. Es versteht sich jedoch, daß das Fieldbus-Protokoll zwar ein relativ neues volldigitales Kommunikationsprotokoll ist, das zur Anwendung in Prozeßsteuerungsnetzen entwickelt wurde, jedoch im Stand der Technik bekannt ist und im einzelnen in zahlreichen Artikeln, Broschüren und Betriebsanleitungen beschrieben wird, die unter anderem von der Fieldbus Foundation, einer gemeinnützigen Organisation mit dem Sitz in Austin, Texas, veröffentlicht, verteilt und verfügbar gemacht werden. Insbesondere ist das Fieldbus-Protokoll und die Art und Weise der Kommunikation mit Einrichtungen und der Datenspeicherung in Einrichtungen, die das Fieldbus-Protokoll verwenden, im einzelnen in den Handbüchern mit dem Titel Communications Technical Specification und User Layer Technical Specification der Fieldbus Foundation beschrieben, die hier insgesamt summarisch eingeführt werden.
Das Fieldbus-Protokoll ist ein volldigitales serielles Protokoll für wechselseitige Datenübermittlung, das eine standardisierte physische Schnittstelle mit einer Zweidrahtschleife oder einem Bus, der "Feld"-Einrichtungen wie Sensoren, Betätiger, Regler, Ventile usw., die in einer Instrumenten- oder Prozeßsteuerungsumgebung etwa einer Fabrik oder Anlage angeordnet sind, miteinander verbindet. Das Fieldbus-Protokoll bietet praktisch ein lokales Datennetz für Feldinstrumente (Feldeinrichtungen) innerhalb eines Prozesses, das es diesen Feldeinrichtungen ermöglicht, Steuerfunktionen an Stellen auszuführen, die überall in einer Prozeßanlage verteilt sind, und miteinander vor und nach der Durchführung dieser Steuerfunktionen zu kommunizieren, um eine Gesamtsteuerungsstrategie zu implementieren. Da das Fieldbus-Protokoll die Verteilung von Steuerfunktionen überall in einem Prozeßsteuerungsnetz ermöglicht, verringert es die Arbeitsbelastung des zentralen Prozeßsteuerwerks, das typischerweise einem DCS zugeordnet ist, oder beseitigt sogar die Notwendigkeit für ein solches zentrales Prozeßsteuerwerk.
Gemäß 1 kann ein Prozeßsteuerungsnetz 10, das das Fieldbus-Protokoll verwendet, einen Hauptrechner 12 aufweisen, der mit einer Reihe weiterer Einrichtungen wie etwa einem Programmlogikcontrollex (PLC) 13, einer Reihe von Controllern 14, einer weiteren Hauptrechnereinrichtung 15 und einem Satz von Feldeinrichtungen 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 und 32 über eine Zweidraht-Fieldbusschleife oder einen solchen Bus 34 verbunden ist. Der Bus 34 weist verschiedene Abschnitte oder Segmente 34a, 34b und 34c auf, die durch Brückeneinrichtungen 30 und 32 getrennt sind. Jeder Abschnitt 34a, 34b und 34c verbindet ein Teilset der Einrichtungen, die an dem Bus 34 angebracht sind, miteinander, um Verbindungen zwischen den Einrichtungen auf die nachstehend beschriebene Weise zu ermöglichen. Selbstverständlich ist das Netz von 1 nur beispielhaft, und es gibt viele weitere Möglichkeiten, wie ein Prozeßsteuerungsnetz unter Verwendung des Fieldbus-Protokolls konfiguriert sein kann. Typischerweise ist ein Konfigurierer in einer der Einrichtungen wie etwa dem Hauptrechner 12 angeordnet und dafür zuständig, jede der Einrichtungen (die "intelligente" Einrichtungen sind, da sie jeweils einen Mikroprozessor enthalten, der Verbindungs- und in einigen Fällen Steuerfunktionen ausführen kann) einzurichten oder zu konfigurieren sowie zu erkennen, wenn neue Feldeinrichtung mit dem Bus 34 verbunden werden, wenn Feldeinrichtungen von dem Bus 34 entfernt werden, Daten zu erkennen, die von den Feldeinrichtungen 16–32 erzeugt werden, und mit einem oder mehreren Teilnehmerendgeräten, die in dem Hauptrechner 12 oder in irgendeiner anderen Einrichtung, die mit dem Hauptrechner 12 auf irgendeine Weise verbunden ist, angeordnet sind, in Dialog treten können.
Der Bus 34 unterstützt oder ermöglicht eine wechselseitige, rein digitale Kommunikation und kann ferner ein Energiesignal an irgendwelche oder alle Einrichtungen liefern, die damit verbunden sind, beispielsweise an die Feldeinrichtungen 16–32. Alternativ können irgendwelche oder alle Einrichtungen 12–32 jeweils ihre eigene Energieversorgung haben oder mit externen Energiequellen über gesonderte Drähte (nicht gezeigt) verbunden sein. Die Einrichtungen 12–32 sind in 1 mit dem Bus 34 in einer Standardverbindung vom Bus-Typ verbunden, wobei eine Vielzahl von Einrichtungen mit demselben Paar von Leitern, die die Bussegmente 34a, 34b und 34c bilden, verbunden sind; das Fieldbus-Protokoll ermöglicht jedoch andere Einrichtungs-/Draht-Topologien einschließlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wobei jede Einrichtung mit einem Controller oder einem Hauptrechner über ein separates Zweidrahtpaar verbunden ist (ähnlich typischen analogen 4-20-mA-DCS-Systemen), und Baum- oder Abzweigverbindungen, wobei jede Einrichtung mit einem gemeinsamen Punkt in einem Zweidrahtbus verbunden ist, der beispielsweise ein Verteilerkasten oder ein Abschlußbereich in einer der Feldeinrichtungen innerhalb eines Prozeßsteuerungsnetzes sein kann.
Daten können über die verschiedenen Bussegmente 34a, 34b und 34c mit den gleichen oder verschiedenen Kommunikations-Baudraten oder -Geschwindigkeiten entsprechend dem Fieldbus-Protokoll gesendet werden. Beispielsweise sieht das Fieldbus-Protokoll eine 31,25 kBit/s-Verbindungsrate (H1), die beispielsweise von den Bussegmenten 34b und 34c von 1 verwendet wird, und eine 1,0 MBit/s und/oder eine 2,5 MBit/s (H2) Verbindungsrate vor, die typischerweise für die fortgeschrittene Prozeßsteuerung, Ferneingabe/-ausgabe und Hochgeschwindigkeits-Fabrikautomatisierung angewandt und beispielsweise von dem Bussegment 34a von 1 verwendet wird. Ebenso können Daten über die Bussegmente 34a, 34b und 34c entsprechend dem Fieldbus-Protokoll unter Anwendung von Spannungsmodenzeichengabe und Strommodenzeichengabe gesendet werden. Selbstverständlich ist die maximale Länge jedes Segments des Busses 34 nicht streng beschränkt, sondern wird statt dessen durch die Kommunikationsrate, den Kabeltyp, die Leitergröße, die Busenergieoption usw. dieses Abschnitts bestimmt.
Das Fieldbus-Protokoll klassifiziert die Einrichtungen, die mit dem Bus 34 verbunden werden können, in drei Hauptkategorien, und zwar Basiseinrichtungen, Verbindungshaupteinrichtungen und Brückeneinrichtungen. Basiseinrichtungen (wie etwa die Einrichtungen 18, 20, 24 und 28 von 1) können kommunizieren, d. h. Nachrichtensignale auf oder von dem Bus 34 senden und empfangen, sind jedoch nicht imstande, die Reihenfolge oder den zeitlichen Ablauf der Kommunikation, die auf dem Bus 34 stattfindet, zu steuern. Verbindungshaupteinrichtungen (wie etwa die Einrichtungen 16, 22 und 26 sowie der Hauptrechner 12 von 1) sind Einrichtungen, die über den Bus 34 kommunizieren und imstande sind, den Fluß und die zeitliche Abfolge von Kommunikationssignalen auf dem Bus 34 zu steuern. Brückeneinrichtungen (wie etwa die Einrichtungen 30 und 32 von 1) sind Einrichtungen, die so konfiguriert sind, daß sie auf einzelnen Segmenten oder Zweigen eines Fieldbus-Busses kommunizieren und diese miteinander verbinden können, um größere Prozeßsteuerungsnetze zu schaffen. Falls gewünscht, können Brückeneinrichtungen zwischen verschiedenen Datengeschwindigkeiten und/oder verschiedenen Datenübertragungsformaten auf den verschiedenen Segmenten des Busses 34 umschalten, können zwischen den Segmenten des Busses 34 übertragene Signale verstärken, können die zwischen den verschiedenen Segmenten des Busses 34 fließenden Signale filtern und nur diejenigen Signale durchlassen, die von einer Einrichtung an einem der Bussegmente, mit dem die Brücke gekoppelt ist, empfangen werden sollen, und/oder andere Aktionen ausführen, die erforderlich sind, um verschiedene Segmente des Busses 34 miteinander zu koppeln. Brückeneinrichtungen, die Bussegmente miteinander verbinden, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten, müssen Verbindungsmasterfähigkeiten an der langsameren Segmentseite der Brücke haben. Die Hauptrechner 12 und 15, der PLC 13 und die Kontroller 14 können jede Art von Fieldbus-Einrichtung sein, sind aber typischerweise Verbindungshaupteinrichtungen.
Jede der Einrichtungen 12–32 ist imstande, über den Bus 34 zu kommunizieren und, was sehr wichtig ist, selbständig eine oder mehrere Prozeßsteuerfunktionen auszuführen unter Nutzung von Daten, die von der Einrichtung, von dem Prozeß oder von einer anderen Einrichtung über Kommunikationssignale auf dem Bus 34 erfaßt werden. Fieldbus-Einrichtungen sind daher imstande, Teile einer Gesamtsteuerungsstrategie direkt zu implementieren, was in der Vergangenheit durch ein zentrales digitales Steuerwerk eines DCS ausgeführt wurde. Zur Durchführung der Steuerfunktionen weist jede Fieldbus-Einrichtung einen oder mehrere standardisierte "Blöcke" auf, die in einem Mikroprozessor innerhalb der Einrichtung implementiert sind. Insbesondere weist jede Fieldbus-Einrichtung einen Ressourcenblock, null oder mehr Funktionsblöcke und null oder mehr Wandlerblöcke auf. Diese Blöcke werden als Blockobjekte bezeichnet.
Ein Ressourcenblock speichert und überträgt einrichtungsspezifische Daten, die sich auf einige der Charakteristiken einer Fieldbus-Einrichtung beziehen, beispielsweise einen Einrichtungstyp, eine Einrichtungs-Revisionsangabe und Angaben dahingehend, wo andere einrichtungsspezifische Information innerhalb eines Speichers der Einrichtung erhalten werden kann. Verschiedene Hersteller von Einrichtungen können zwar unterschiedliche Arten von Daten in dem Ressourcenblock einer Feldeinrichtung speichern, jede Feldeinrichtung, die dem Fieldbus-Protokoll entspricht, enthält jedoch einen Ressourcenblock, der eine gewisse Datenmenge speichert.
Ein Funktionsblock definiert und implementiert eine Eingangsfunktion, eine Ausgangsfunktion oder eine Steuerfunktion, die der Feldeinrichtung zugeordnet ist, und somit werden Funktionsblöcke im allgemeinen als Eingangs-, Ausgangs- und Steuerfunktionsblöcke bezeichnet. Andere Kategorien von Funktionsblöcken wie etwa Hybridfunktionsblöcke können jedoch existieren oder in Zukunft entwickelt werden. Jeder Eingangs- oder Ausgangsfunktionsblock erzeugt mindestens einen Prozeßsteuereingang (wie etwa eine Prozeßvariable von einer Prozeßmeßeinrichtung) oder einen Prozeßsteuerausgang (wie etwa eine Ventilposition, die zu einer Betätigungseinrichtung übermittelt wird), während jeder Steuerfunktionsblock einen Algorithmus verwendet (der urheberrechtlich geschützt sein kann), um einen oder mehrere Prozeßausgänge aus einem oder mehreren Prozeßeingängen und Steuereingängen zu erzeugen. Beispiele von Standard-Funktionsblöcken umfassen die Funktionsblöcke Analogeingang (AI), Analogausgang (AO), Abweichung (B), Steuerselektor (CS), Diskreter Eingang (DI), diskreter Ausgang (DO), manueller Lader (ML), Proportional- Differential (PD), Proportional-Integral-Differential (PID), Verhältnis (RA) und Signalselektor (SS). Es gibt aber auch andere Arten von Funktionsblöcken, und neue Funktionsblockarten können definiert oder geschaffen werden, um in der Fieldbus-Umgebung aktiv zu sein.
Ein Wandlerblock koppelt die Eingänge und Ausgänge eines Funktionsblocks mit lokalen Hardwareeinrichtungen wie etwa Sensoren und Einrichtungs-Betätigungselementen, um den Funktionsblöcken zu ermöglichen, die Ausgänge lokaler Sensoren zu lesen und lokale Einrichtungen anzuweisen, eine oder mehrere Funktionen wie etwa das Bewegen eines Ventilelements auszuführen. Wandlerblöcke enthalten typischerweise Information, die notwendig ist, um Signale zu interpretieren, die von einer lokalen Einrichtung zugeführt werden, und um lokale Hardware-Einrichtungen richtig zu steuern, was beispielsweise Information zur Erkennung des Typs einer lokalen Einrichtung, Kalibrierinformation, die einer lokalen Einrichtung zugeordnet ist, usw. umfaßt. Ein einzelner Wandlerblock ist typischerweise jedem Eingangs- oder Ausgangsfunktionsblock zugeordnet.
Die meisten Funktionsblöcke können Alarm- oder Ereignisangaben auf der Basis von vorbestimmten Kriterien erzeugen und sind imstande, in unterschiedlichen Moden unterschiedlich zu arbeiten. Allgemein gesagt können Funktionsblöcke wirksam sein in einem Automatikmodus, in dem beispielsweise der Algorithmus eines Funktionsblocks automatisch aktiv ist; einem Bedienermodus, in dem der Eingang oder Ausgang eines Funktionsblocks manuell gesteuert wird; einem Betriebsunterbrechungsmodus, in dem der Block unwirksam ist; einem Kaskadenmodus, in dem die Operation des Blocks von dem Ausgang eines anderen Blocks beeinflußt (bestimmt) wird; und einem oder mehreren Fernmoden, in denen ein entfernter Computer den Modus des Blocks bestimmt. In dem Fieldbus-Protokoll gibt es jedoch auch andere Operationsmoden.
Es ist wichtig, daß jeder Block imstande ist, mit anderen Blöcken in den gleichen oder anderen Feldeinrichtungen über den Fieldbus-Bus 34 unter Anwendung von Standardnachrichtenformaten, die durch das Fieldbus-Protokoll definiert sind, zu kommunizieren. Infolgedessen können Kombinationen von Funktionsblöcken (in den gleichen oder verschiedenen Einrichtungen) miteinander kommunizieren, um eine oder mehrere dezentrale Steuerschleifen zu erzeugen. So kann beispielsweise separat und unabhängig von einem DCS-Steuerwerk ein PID-Funktionsblock in einer Feldeinrichtung über den Bus 34 so verbunden werden, daß er einen Ausgang eines AI-Funktionsblocks in einer zweiten Feldeinrichtung empfängt, daß er Daten zu einem AO-Funktionsblock in einer dritten Feldeinrichtung sendet und daß er einen Ausgang des AO-Funktionsblocks als Rückführung empfängt, um eine Prozeßsteuerschleife zu erzeugen. Auf diese Weise bewegen Kombinationen von Funktionsblöcken Steuerfunktionen aus einer zentralen DCS-Umgebung hinaus, was es DCS-Multifunktionssteuerwerken erlaubt, Überwachungs- oder Koordinationsfunktionen auszuführen oder vollständig eliminiert zu werden. Ferner liefern Funktionsblöcke eine grafische, blockorientierte Struktur zur einfachen Konfiguration eines Prozesses und ermöglichen die Verteilung von Funktionen unter Feldeinrichtungen von unterschiedlichen Herstellern, weil diese Blöcke ein gleichbleibendes Kommunikationsprotokoll verwenden.
Zusätzlich dazu, daß sie Blockobjekte enthält und implementiert, weist jede Feldeinrichtung eines oder mehrere andere Objekte einschließlich Verbindungsobjekte, Trendobjekte, Warnobjekte und Betrachtungsobjekte auf. Verbindungsobjekte definieren die Verbindungen zwischen den Eingängen und Ausgängen von Blöcken (wie etwa Funktionsblöcken) sowohl innerhalb der Feldeinrichtung als auch über den Fieldbus-Bus 34.
Trendobjekte erlauben die lokale Trendbildung von Funktionsblockparametern, auf die andere Einrichtungen wie etwa der Hauptrechner 12 oder die Steuerwerke 14 von 1 Zugriff haben können. Trendobjekte speichern kurzzeitige historische Daten, die sich auf irgendeinen Parameter, beispielsweise einen Funktionsblockparameter, beziehen, und berichten diese Daten an andere Einrichtungen oder Funktionsblöcke über den Bus 34 auf asynchrone Weise. Warnobjekte berichten Alarme und Ereignisse über den Bus 34. Diese Alarme oder Ereignisse können jedes Ereignis betreffen, das innerhalb einer Einrichtung oder eines der Blöcke einer Einrichtung auftritt. Betrachtungsobjekte sind vordefinierte Gruppierungen von Blockparametern, die in Mensch/Maschine-Standardschnittstellen verwendet werden und von Zeit zu Zeit zu anderen Einrichtungen zur Betrachtung gesendet werden können.
In 2 sind drei Fieldbus-Einrichtungen, die beispielsweise irgendwelche der Feldeinrichtungen 16–28 von 1 sein können, gezeigt und umfassen Ressourcenblöcke 48, Funktionsblöcke 50, 51 oder 52 und Wandlerblöcke 53 und 54. In der ersten Einrichtung ist der Funktionsblock 50 (der ein Eingangsfunktionsblock sein kann) durch den Wandlerblock 53 mit einem Sensor 55 gekoppelt, der beispielsweise ein Temperatursensor, ein Sollwertanzeigesensor usw. sein kann. In der zweiten Einrichtung ist der Funktionsblock 51 (der ein Ausgangsfunktionsblock sein kann) durch den Wandlerblock 54 mit einer Ausgangseinrichtung wie etwa einem Ventil 56 gekoppelt. In der dritten Einrichtung ist dem Funktionsblock 52 (der ein Steuerfunktionsblock sein kann) ein Trendobjekt 57 zugeordnet, um einen Trend des Eingangsparameters des Funktionsblocks 52 zu zeigen.
Verbindungsobjekte 58 definieren die Blockparameter jedes der zugehörigen Blöcke, und Warnobjekte 59 liefern Alarme oder Ereignismeldungen für jeden der zugehörigen Blöcke. Betrachtungsobjekte 60 sind jedem der Funktionsblöcke 50, 51 und 52 zugeordnet und umfassen oder gruppieren Datenlisten für die Funktionsblöcke, denen sie zugeordnet sind. Diese Listen enthalten Information, die für jede einer Gruppe von verschiedenen definierten Ansichten erforderlich ist. Selbstverständlich sind die Einrichtungen von 2 nur beispielhaft, und andere Anzahlen und Arten von Blockobjekten, Verbindungsobjekten, Warnobjekten, Trendobjekten und Betrachtungsobjekten können in jeder Feldeinrichtung vorgesehen sein.
Das Blockbild von 3 des Prozeßsteuerungsnetzes 10, das die Einrichtungen 16, 18 und 24 als Positionierer-/Ventileinrichtungen und die Einrichtungen 20, 22, 26 und 28 als Sender zeigt, zeigt auch die Funktionsblöcke, die dem Positionierer/Ventil 16, dem Sender 20 und der Brücke 30 zugeordnet sind. Wie 3 zeigt, weist der Positionierer/Ventil 16 einen Ressouxcen(RSC)block 61, einen Wandler(XDCR)block 62 und eine Reihe von Funktionsblöcken auf, die einen Analogausgangs(AO)funktionsblock 63, zwei PID-Funktionsblöcke 64 und 65 und einen Signalwähl(SS)funktionsblock 69 umfassen. Der Sender 20 umfaßt einen Ressourcenblock 61, zwei Wandlerblöcke 62 und zwei Analogeingangs(AI)funktionsblöcke 66 und 67. Ferner weist die Brücke 30 einen Ressourcenblock 61 und einen PID-Funktionsblock 68 auf.
Es versteht sich, daß die verschiedenen Funktionsblöcke von 3 in einer Anzahl von Steuerschleifen zusammenwirken können (durch Kommunikation über den Bus 34), und die Steuerschleifen, in denen sich die Funktionsblöcke des Positionierers/Ventils 16, des Senders 20 und der Brücke 30 befinden, sind in 3 durch einen Schleifenkennungsblock identifiziert, der mit jedem dieser Funktionsblöcke verbunden ist. Wie 3 zeigt, sind also der AO-Funktionsblock 63 und der PID-Funktionsblock 64 des Positionierers/Ventils 16 und der AI-Funktionsblock 66 des Senders 20 in einer mit LOOP1 bezeichneten Steuerschleife miteinander verbunden, während der SS-Funktionsblock 69 des Positionierers/Ventils 16, der AI-Funktionsblock 67 des Senders 20 und der PID-Funktionsblock 68 der Brücke 30 in einer mit LOOP2 bezeichneten Steuerschleife miteinander verbunden sind. Der andere PID-Funktionsblock 65 des Positionierers/Ventils 16 ist in eine mit LOOP3 bezeichnete Steuerschleife eingeschaltet.
Die miteinander verbundenen Funktionsblöcke, die die mit LOOP1 in 3 bezeichnete Steuerschleife bilden, sind im einzelnen in dem Schema dieser Steuerschleife in 4 gezeigt. Wie 4 zeigt, ist die Steuerschleife LOOP1 vollständig durch Kommunikationsverbindungen zwischen dem AO-Funktionsblock 63 und dem PID-Funktionsblock 64 des Positionierers/Ventils 16 und dem AI-Funktionsblock 66 des Senders 20 (3) gebildet. Das Steuerschleifendiagramm von 4 zeigt die Übertragungsverbindungen zwischen diesen Funktionsblöcken unter Verwendung von Linien, die die Prozeß- und Steuereingänge und -ausgänge dieser Funktionsblöcke verbinden. Somit ist der Ausgang des AI-Funktionsblocks 66, der ein Prozeßmeß- oder Prozeßparametersignal aufweisen kann, kommunikativ über das Bussegment 34b mit dem Eingang des PID-Funktionsblocks 64 verbunden, der einen ein Steuersignal aufweisenden Ausgang hat, der mit einem Eingang des AO-Funktionsblocks 64 kommunikativ gekoppelt ist. Ein Ausgang des AO-Funktionsblocks 63, der ein Rückführungssignal aufweist, das beispielsweise die Position des Ventils 16 bezeichnet, ist mit einem Steuereingang des PID-Funktionsblocks 64 verbunden. Der PID-Funktionsblock 64 nutzt dieses Rückführungssignal gemeinsam mit dem Prozeßmeßsignal von dem AI-Funktionsblock 66, um die richtige Steuerung des AO-Funktionsblocks 63 zu implementieren. Selbstverständlich können die Verbindungen, die durch die Linien in dem Steuerschleifendiagramm von 4 bezeichnet sind, intern innerhalb einer Feldeinrichtung erfolgen, wenn wie im Fall der AO- und PID-Funktionsblöcke 63 und 64 die Funktionsblöcke in derselben Feldeinrichtung (z. B. dem Positionierer/Ventil 16) liegen, oder diese Verbindungen können über den Zweidraht-Kommunikationsbus 34 unter Anwendung von synchronen Fieldbus-Standardverbindungen implementiert werden. Natürlich werden andere Steuerschleifen durch andere Funktionsblöcke implementiert, die in anderen Konfigurationen kommunikativ miteinander verbunden sind.
Zur Implementierung und Durchführung von Kommunikations- und Steueraktivitäten verwendet das Fieldbus-Protokoll drei allgemeine Technologiekategorien, die als eine physikalische Schicht, ein Kommunikationsstapel und eine Anwenderschicht bezeichnet werden. Die Anwenderschicht weist die Steuer- und Konfigurationsfunktionen auf, die in Form von Blöcken (wie etwa Funktionsblöcken) und Objekten innerhalb einer bestimmten Prozeßsteuereinrichtung oder Feldeinrichtung vorgesehen sind. Die Anwenderschicht ist typischerweise firmeneigen vom Hersteller der Einrichtung ausgebildet, muß jedoch imstande sein, Meldungen nach Maßgabe des Standardnachrichtenformats nach der Definition durch das Fieldbus-Protokoll zu empfangen und zu senden und von einem Anwender auf übliche Weise konfiguriert zu werden. Die physikalische Schicht und der Kommunikationsstapel sind notwendig, um die Verbindung zwischen verschiedenen Blöcken verschiedener Feldeinrichtungen auf die standardisierte Weise unter Anwendung des Zweidrahtbusses 34 zu bewirken, und können nach dem wohlbekannten Schichtkommunikationsmodell OSI (Kommunikation offener Systeme) modelliert sein.
Die physikalische Schicht, die der OSI-Schicht 1 entspricht, ist in jede Feldeinrichtung und den Bus 34 eingebettet und wirksam, um von dem Fieldbus-Übertragungsmedium (dem Zweidrahtbus 34) empfangene elektromagnetische Signale in Nachrichten umzuwandeln, die von dem Kommunikationsstapel der Feldeinrichtung genutzt werden können. Die physikalische Schicht kann als der Bus 34 und die auf dem Bus 34 vorhandenen elektromagnetischen Signale an den Eingängen und Ausgängen der Feldeinrichtungen angesehen werden.
Der Kommunikationsstapel, der in jeder Fieldbus-Einrichtung vorhanden ist, umfaßt eine Datenverkettungsschicht, die der OSI-Schicht 2 entspricht, eine Fieldbus- Zugangsunterschicht und eine Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungsschicht, die der OSI-Schicht 6 entspricht. In dem Fieldbus-Protokoll gibt es keine entsprechende Struktur für OSI_Schichten 3–5. Die Anwendungen einer Fieldbus-Einrichtung weisen jedoch eine Schicht 7 auf, während eine Anwenderschicht eine Schicht 8 ist, die nicht in dem OSI Protokoll definiert ist. Jede Schicht in dem Kommunikationsstapel ist für die Codierung oder Decodierung eines Teils der Nachricht oder des Signals zuständig, das auf dem Fieldbus-Bus 34 übertragen wird. Jede Schicht des Kommunikationsstapels addiert oder entfernt daher bestimmte Anteile des Fieldbus-Signals wie etwa Anfangshinweiscodes, Startabgrenzer und Endabgrenzer und decodiert in einigen Fällen die ausgedünnten Anteile des Fieldbus-Signals, um zu identifizieren, wohin der Rest des Signals oder der Nachricht zu senden ist, oder ob das Signal verworfen werden sollte, weil es beispielsweise eine Nachricht oder Daten für Funktionsblöcke enthält, die sich nicht in der empfangenden Feldeinrichtung befinden.
Die Datenverkettungsschicht steuert die Ubertragung von Nachrichten auf den Bus 34 und verwaltet den Zugang zu dem Bus 34 nach Maßgabe eines deterministischen zentralen Busplaners, der als verkettungsaktiver Planer bezeichnet wird und noch im einzelnen beschrieben wird. Die Datenverkettungsschicht entfernt einen Anfangshinweiscode von den Signalen auf dem Übertragungsmedium und kann den empfangenen Anfangshinweiscode nutzen, um den internen Takt der Feldeinrichtung mit dem ankommenden Fieldbus-Signal zu synchronisieren. Ebenso wandelt die Datenverkettungsschicht Nachrichten an dem Kommunikationsstapel in physikalische Fieldbus-Signale um und codiert diese Signale mit Taktinformation, um ein "synchronserielles" Signal zu erzeugen, das einen richtigen Anfangshinweiscode für die Übertragung auf dem Zweidrahtbus 34 hat. Während des Decodiervorgangs erkennt die Datenverkettungsschicht Spezialcodes innerhalb des Anfangshinweiscodes wie etwa Startabgrenzer und Endabgrenzer, um den Anfang und das Ende einer bestimmten Fieldbus-Nachricht zu erkennen, und kann eine Prüfsumme durchführen, um die Integrität des Signals oder der Nachricht, die von dem Bus 34 empfangen wird, zu verifizieren. Ebenso überträgt die Datenverkettungsschicht Fieldbus-Signale auf dem Bus 34 durch Hinzufügen von Start- und Endabgrenzern zu Nachrichten an dem Kommunikationsstapel und Anordnen dieser Signale auf dem Übertragungsmedium zu dem richtigen Zeitpunkt.
Die Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungsschicht erlaubt der Anwenderschicht (d. h. den Funktionsblöcken, Objekten usw. einer Feldeinrichtung) die Kommunikation über den Bus 34 unter Anwendung einer Standardmenge von Nachrichtenformaten und beschreibt die Verbindungsdienste, Nachrichtenformate und Protokollverhalten, die zum Aufbau von Nachrichten erforderlich sind, die an dem Kommunikationsstapel zu plazieren und der Anwenderschicht zuzuführen sind. Da die Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungsschicht standardisierte Kommunikationen für die Anwenderschicht liefert, sind spezielle Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungs-Kommunikationsdienste für jeden Typ von Objekt, der oben beschrieben ist, definiert. Beispielsweise umfaßt die Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungsschicht Objektwörterbuchdienste, die einem Anwender erlauben, ein Objektwörterbuch einer Einrichtung zu lesen. In dem Objektwörterbuch sind Objektbeschreibungen gespeichert, die jedes der Objekte (wie etwa Blockobjekte) einer Einrichtung beschreiben oder identifizieren. Die Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungsschicht stellt ferner Kontextverwaltungsdienste bereit, die einem Anwender erlauben, Kommunikationsbeziehungen zu lesen und zu ändern, die nachstehend als virtuelle Kommunikationsbeziehungen (VCR) beschrieben werden und einem oder mehreren Objekten einer Einrichtung zugeordnet sind. Ferner sieht die Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungsschicht variable Zugangsdienste, Ereignisdienste, Upload- und Download-Dienste sowie Programmaufrufdienste vor, die in dem Fieldbus-Protokoll wohlbekannt sind und hier nicht im einzelnen beschrieben werden. Die Fieldbus-Zugangsunterschicht bildet die Fieldbus-Nachrichtenbeschreibungsschicht in die Datenverkettungsschicht ab.
Um die Operation dieser Schichten zu ermöglichen oder zuzulassen, umfaßt jede Fieldbus-Einrichtung eine Managementinformationsbasis (MIB), die eine Datenbank ist, in der VCR, dynamische Variablen, Statistiken, Zeitsteuerungspläne des verkettungsaktiven Planers, Funktionsblock-Ausführungszeitpläne und Einrichtungsetiketten- und -adreßinformation gespeichert sind. Selbstverständlich kann auf die Information innerhalb der MIB jederzeit unter Anwendung von Fieldbus-Standardnachrichten oder -befehlen zugegriffen werden, oder sie kann jederzeit geändert werden. Ferner wird mit jeder Einrichtung gewöhnlich eine Einrichtungsbeschreibung geliefert, um einem Anwender oder einem Hauptrechner einen erweiterten Überblick über die Information in dem VFD zu geben. Eine Einrichtungsbeschreibung, die zur Verwendung durch einen Hauptrechner typischerweise ein Sendeberechtigungszeichen haben muß, speichert Information, die der Hauptrechner benötigt, um die Bedeutung der Daten in den VFD einer Einrichtung zu verstehen.
Es versteht sich, daß zur Implementierung einer Steuerungsstrategie unter Anwendung von in einem Prozeßsteuerungsnetz verteilten Funktionsblöcken die Ausführung der Funktionsblöcke in bezug auf die Ausführung von anderen Funktionsblöcken in einer bestimmten Steuerschleife exakt geplant werden muß. Ebenso muß die Verbindung zwischen verschiedenen Funktionsblöcken an dem Bus 34 exakt geplant werden, damit jedem Funktionsblock vor der Ausführung die richtigen Daten zugeführt werden.
Die Art und Weise, wie verschiedne Feldeinrichtungen (und verschiedene Blöcke in Feldeinrichtungen) über das Fieldbus-Übertragungsmedium kommunizieren, wird unter Bezugnahme auf 1 nachstehend beschrieben. Damit eine Kommunikation stattfindet, wirkt eine der Verkettungsmastereinrichtungen an jedem Segment des Busses 34 (beispielsweise Einrichtungen 12, 16 und 26) als ein verkettungsaktiver Planer (LAS), der die Kommunikation auf dem zugehörigen Segment des Busses 34 aktiv plant und steuert. Der LAS für jedes Segment des Busses 34 speichert und aktualisiert einen Kommunikationsplan (einen verkettungsaktiven Plan), der die Zeitpunkte enthält, zu denen jeder Funktionsblock jeder Einrichtung planmäßig mit der periodischen Verbindungstätigkeit auf dem Bus 34 beginnt, und die Zeitdauer enthält, während welcher diese Verbindungstätigkeit stattfinden soll. Es kann zwar auf jedem Segment des Busses 34 nur eine einzige aktive LAS-Einrichtung geben, aber andere Verkettungsmastereinrichtungen (wie etwa die Einrichtung 22 auf dem Segment 34b) können als Reserve-LAS dienen und aktiv werden, wenn beispielsweise der aktuelle LAS ausfällt. Basiseinrichtungen haben nicht die Fähigkeit, zu irgendeiner Zeit ein LAS zu werden.
Im allgemeinen sind Kommunikationsaktivitäten über den Bus 34 in sich wiederholende Makrozyklen unterteilt, von denen jeder eine synchrone Verbindung für jeden Funktionsblock, der an irgendeinem bestimmten Segment des Busses 34 aktiv ist, und eine oder mehrere asynchrone Verbindungen für einen oder mehrere der Funktionsblöcke oder Einrichtungen, die an einem Segment des Busses 34 aktiv sind, aufweist. Eine Einrichtung kann aktiv sein, d. h. Daten zu jedem Segment und von jedem Segment des Busses 34 senden und empfangen, auch wenn sie physisch mit einem anderen Segment des Busses 34 verbunden ist, und zwar durch koordinierte Operation der Brücken und der LAS auf dem Bus 34.
Während jedes Makrozyklus führt jeder der Funktionsblöcke, die an einem bestimmten Segment des Busses 34 aktiv sind, gewöhnlich zu einer anderen, jedoch exakt geplanten (synchronen) Zeit einen Ablauf aus und publiziert zu einer anderen präzise geplanten Zeit seine Ausgangsdaten auf diesem Segment des Busses 34 als Reaktion auf einen Erzwingungsdatenbefehl, der von dem entsprechenden LAS erzeugt wird. Bevorzugt ist für jeden Funktionsblock geplant, daß er seine Ausgangsdaten kurz nach dem Ende der Ausführungsperiode des Funktionsblocks publiziert. Ferner sind die Datenpublizierungszeiten der verschiedenen Funktionsblöcke seriell so geplant, daß keine zwei Funktionsblöcke auf einem bestimmten Segment des Busses 34 Daten gleichzeitig publizieren. Während der Zeit, in der keine synchrone Kommunikation stattfindet, kann jede Feldeinrichtung nacheinander Alarmdaten, Betrachtungsdaten usw. auf asynchrone Weise unter Anwendung von durch Berechtigungszeichen angesteuerten Kommunikationen übertragen. Die Ausführungszeiten und der Zeitaufwand, der erforderlich ist, um die Ausführung jedes Funktionsblocks zu vervollständigen, sind in der Managementinformationsbasis MIB der Einrichtung, in der sich der Funktionsblock befindet, gespeichert, wogegen, wie oben gesagt, die Zeiten zum Senden der Zwangsdatenbefehle zu jeder der Einrichtungen auf einem Segment des Busses 34 in der MIB der LAS-Einrichtung für dieses Segment gespeichert sind. Diese Zeiten sind typischerweise als Versatzzeiten gespeichert, weil sie die Zeiten, zu denen ein Funktionsblock ausführen oder Daten senden soll, als einen Versatz seit dem Beginn einer "absoluten Verkettungsplanstartzeit" identifizieren, die allen mit dem Bus 34 verbundenen Einrichtungen bekannt ist.
Zur Durchführung von Kommunikationen während jedes Makrozyklus sendet der LAS, beispielsweise der LAS 16 des Bussegments 34b, einen Zwangsdatenbefehl an jede Einrichtung an dem Bussegment 34b entsprechend der Liste von Übertragungszeiten, die in dem verkettungsaktiven Planer gespeichert ist. Bei Empfang eines Zwangsdatenbefehls publiziert ein Funktionsblock einer Einrichtung seine Ausgangsdaten auf dem Bus 34 für einen bestimmten Zeitraum. Da jeder der Funktionsblöcke typischerweise einen solchen Ausführungsplan hat, daß die Ausführung dieses Blocks beendet ist, kurz bevor der Block planmäßig einen Zwangsdatenbefehl empfangen soll, sollten die aufgrund eines Zwangsdatenbefehls publizierten Daten die neuesten Ausgangsdaten des Funktionsblocks sein. Wenn jedoch ein Funktionsblock langsam ausführt und keine neuen Ausgänge zwischengespeichert hat, wenn er den Zwangsdatenbefehl empfängt, publiziert der Funktionsblock die während des letzten Laufs des Funktionsblocks erzeugten Ausgangsdaten und zeigt unter Verwendung eines Zeitstempels an, daß die publizierten Daten alte Daten sind.
Nachdem der LAS einen Zwangsdatenbefehl an jeden der Funktionsblöcke an einem bestimmten Segment des Busses 34 gesendet hat und während der Zeiten, in denen Funktionsblöcke ausführen, kann der LAS den Ablauf von asynchronen Kommunikationsaktivitäten veranlassen. Zur Durchführung einer asynchronen Kommunikation sendet der LAS eine Durchlaßberechtigungsnachricht zu einer bestimmten Feldeinrichtung. Wenn eine Feldeinrichtung eine Durchlaßberechtigungsnachricht empfängt, hat die Feldeinrichtung vollständigen Zugang zu dem Bus 34 (oder einem Segment davon) und kann asynchrone Nachrichten wie etwa Alarmnachrichten, Trenddaten, vom Bediener vorgenommene Sollwertänderungen usw. senden, bis die Nachrichten entweder komplett sind oder eine maximal zugeordnete "Berechtigungshaltezeit" abgelaufen ist. Danach gibt die Feldeinrichtung den Bus 34 (oder ein bestimmtes Segment desselben) frei, und der LAS sendet eine Durchlaßberechtigungsnachricht zu einer anderen Einrichtung. Dieser Vorgang wird bis zum Ende des Makrozyklus wiederholt oder bis der LAS planmäßig einen Zwangsdatenbefehl sendet, um die synchrone Kommunikation zu bewirken. Selbstverständlich kann es in Abhängigkeit von der Menge des Nachrichtenverkehrs und der Anzahl von Einrichtungen und Blöcken, die mit einem bestimmten Segment des Busses 34 gekoppelt sind, sein, da nicht jede Einrichtung während jedes Makrozyklus eine Durchlaßberechtigungsnachricht empfängt.
5 zeigt ein Zeitschema, das die Zeiten zeigt, zu denen Funktionsblöcke auf dem Bussegment 34b von 1 während jedes Makrozyklus des Bussegments 34b ausführen, und die Zeiten zeigt, zu denen synchrone Kommunikationen während jedes dem Bussegment 34b zugeordneten Makrozyklus erfolgen. In dem Zeitplan von 5 ist die Zeit auf der Horizontalachse angegeben, und Aktivitäten, die mit den verschiedenen Funktionsblöcke des Positionierers/Ventils 16 und des Senders 20 (von 3) zusammenhängen, sind auf der Vertikalachse gezeigt. Die Steuerschleife, in der jeder der Funktionsblöcke operiert, ist in 5 als Index angegeben. So bezieht sich AI_LOOP1 auf den AI-Funktionsblock 66 des Senders 20, PID_LOOP1 bezieht sich auf den PID-Funktionsblock 64 des Positionierers/Ventils 16 usw. Die Blockausführungsperiode jedes der gezeigten Funktionsblöcke ist durch ein schraffiertes Kästchen gezeigt, während jede planmäßige synchrone Kommunikation durch einen vertikalen Ballen in 5 gezeigt ist.
Entsprechend dem Zeitplan von 5 führt also während eines bestimmten Makrozyklus des Segments 34b (1) der Funktionsblock AI_LOOP1 zuerst während des mit dem Kästchen 70 bezeichneten Zeitraums aus. Während des mit dem vertikalen Balken 72 bezeichneten Zeitraums wird dann der Ausgang des Funktionsblocks AI_LOOP1 auf dem Bussegment 34b als Reaktion auf einen Zwangsdatenbefehl von dem LAS für das Bussegment 34b publiziert. Ebenso bezeichnen die Kästchen 74, 76, 78, 80 und 81 die Ausführungszeiten der Funktionsblöcke PID_LOOP1 AI_LOOP2 AD_LOOP1 SS_LOOP2 und PID_LOOP3 (die für jeden der verschiedenen Blöcke verschieden sind), während die vertikalen Balken 82, 84, 86, 88 und 89 die Zeiten bezeichnen, zu denen die Funktionsblöcke PID_LOOP1 AI_LOOP2 SS_LOOP2 und PID_LOOP3 Daten auf dem Bussegment 34b publizieren.
Wie ersichtlich ist, zeigt der Zeitplan von 5 auch die Zeitdauern, die für asynchrone Kommunikationsvorgänge verfügbar sind, die während der Ausführungszeiten jedes der Funktionsblöcke und während der Zeit am Ende des Makrozyklus in der kein Funktionsblock ausführt und auf dem Bussegment 34b keine synchrone Kommunikation stattfindet, auftreten können. Falls gewünscht, können natürlich verschiedene Funktionsblöcke absichtlich zur Ausführung zum gleichen Zeitpunkt geplant sein, und es müssen nicht alle Funktionsblöcke Daten auf dem Bus publizieren, wenn beispielsweise keine andere Einrichtung an den von einem Funktionsblock erzeugten Daten teilnimmt.
Feldeinrichtungen sind imstande, Daten und Nachrichten über den Bus 34 unter Anwendung von drei virtuellen Kommunikationsbeziehungen (VCR) zu publizieren oder zu übertragen, die in der Fieldbus-Zugangsteilschicht des Stapels jeder Feldeinrichtung definiert sind. Eine Client/Server-VCR wird für ungeplante, vom Anwender ausgelöste Eins-zu-Eins-Warteschlangenverbindungen zwischen Einrichtungen auf dem Bus 34 angewandt. Solche Warteschlangen-Nachrichten werden in der zur Übertragung abgegebenen Reihenfolge entsprechend ihrer Priorität ohne Überschreiben von vorhergehenden Nachrichten gesendet und empfangen. So kann eine Feldeinrichtung eine Client/Server-VCR anwenden, wenn sie eine Durchlaßberechtigungsnachricht von einem LAS zum Senden einer Anforderungsnachricht an eine andere Einrichtung auf dem Bus 34 empfängt. Der Anforderer wird als der "Client" bezeichnet, und die die Anforderung empfangende Einrichtung wird als der "Server" bezeichnet. Der Server sendet eine Antwort, wenn er eine Durchlaßberechtigungsnachricht von dem LAS empfängt. Die Client/Server-VCR wird beispielsweise angewandt, um vom Bediener ausgelöste Anforderungen wie Änderungen von Sollwerten, Abstimmen von Parameterzugang und – änderungen, Alarmbestätigungen sowie Uploads und Downloads von Einrichtungen zu bewirken.
Eine Berichtverteilungs-VCR wird für ungeplante, vom Benutzer ausgelöste Eins-zu-Viele-Warteschlangenkommunikationen verwendet. Wenn beispielsweise eine Feldeinrichtung mit einem Ereignis oder einem Trendbereich eine Durchlaßberechtigung von einem LAS empfängt, sendet diese Feldeinrichtung ihre Nachricht an eine "Gruppenadresse", die in der Fieldbus-Zugangsunterschicht des Kommunikationsstapels dieser Einrichtung definiert ist. Einrichtungen, die so konfiguriert sind, daß sie auf dieser VCR mithören, empfangen den Bericht. Der Berichtverteilungs-VCR-Typ wird charakteristisch von Fieldbus-Einrichtungen zum Senden von Alarmmitteilungen an Bedienerpulte verwendet.
Ein Herausgeber/Teilnehmer-VCR-Typ wird für gepufferte Eins-zu-Viele-Kommunikationen verwendet. Gepufferte Kommunikationen sind solche, die nur die neueste Version der Daten speichern und senden, und daher werden vorhergehende Daten von neuen Daten komplett überschrieben. Funktionsblockausgänge weisen beispielsweise gepufferte Daten auf. Eine "Herausgeber"-Feldeinrichtung publiziert oder verteilt eine Nachricht unter Anwendung des Herausgeber/Teilnehmer-VCR-Typs an alle "Teilnehmer"-Feldeinrichtungen an dem Bus 34, wenn die Herausgebereinrichtung eine Zwangsdatennachricht von dem LAS oder von einer Teilnehmereinrichtung empfängt. Die Herausgeber/Teilnehmer-Beziehungen sind vorbestimmt und innerhalb des Fieldbus-Zugangsunterschicht des Kommunikationsstapels jeder Feldeinrichtung definiert und gespeichert.
Um die richtigen Kommunikationsaktivitäten über den Bus 34 sicherzustellen, sendet jeder LAS periodisch eine Zeitverteilungsnachricht an sämtliche mit einem Segment des Busses 34 verbundenen Feldeinrichtungen, was es den Feldeinrichtungen ermöglicht, ihre lokale Anwendungszeit so einzustellen, daß sie miteinander synchronisiert sind. Zwischen diesen Synchronisierungsnachrichten wird die Taktzeit in jeder Einrichtung auf der Basis ihrer eigenen internen Uhr unabhängig aufrechterhalten. Die Zeitsynchronisierung erlaubt es den Feldeinrichtungen, Daten im gesamten Fieldbus-Netz mit einem Zeitstempel zu versehen, um beispielsweise anzugeben, wann Daten erzeugt wurden.
Ferner speichert jeder LAS (und jede andere Verkettungsmastereinrichtung) an jedem Bussegment eine "aktive Liste"; dabei handelt es sich um eine Liste aller Einrichtungen, die mit diesem Segment des Busses 34 verbunden sind, d. h. aller Einrichtungen, die auf eine Durchlaßberechtigungsnachricht richtig reagieren. Der LAS erkennt kontinuierlich neue einem Bussegment hinzugefügte Einrichtungen durch periodisches Senden von Suchpunktnachrichten an Adressen, die nicht auf der aktiven Liste sind. Tatsächlich muß jeder LAS mindestens eine Adresse suchen, nachdem er einen Zyklus des Sendens von Durchlaßberechtigungsnachrichten an sämtliche Feldeinrichtungen in der aktiven Liste beendet hat. Wenn an der abgetasteten Adresse eine Feldeinrichtung vorhanden ist und die Suchpunktnachricht empfängt, sendet die Einrichtung umgehend eine Suchantwortnachricht zurück. Bei Empfang einer Suchantwortnachricht fügt der LAS die Einrichtung zu der aktiven Liste hinzu und bestätigt dies durch Senden einer Knotenaktivierungsnachricht an die gesuchte Feldeinrichtung. Eine Feldeinrichtung bleibt so lange auf der aktiven Liste, wie diese Feldeinrichtung richtig auf Durchlaßberechtigungsnachrichten anspricht. Ein LAS entfernt jedoch eine Feldeinrichtung von der aktiven Liste, wenn die Feldeinrichtung nach drei aufeinanderfolgenden Versuchen entweder die Berechtigung nicht nutzt oder die Berechtigung unmittelbar an den LAS zurücksendet. Wenn eine Feldeinrichtung zu der aktiven Liste hinzugefügt oder von dieser entfernt wird, verteilt der LAS Änderungen der aktiven Liste an sämtliche anderen Verkettungsmastereinrichtung an dem entsprechenden Segment des Busses 34, so daß jede Verkettungsmastereinrichtung eine aktuelle Kopie der aktuellen Liste unterhalten kann.
Wie oben gesagt, werden die Kommunikationsverbindungen zwischen den Feldeinrichtungen und ihren Funktionsblöcken durch einen Anwender bestimmt und sind in dem Prozeßsteuerungsnetz 10 durch eine Konfigurationsanwendung implementiert, die beispielsweise in dem Hauptrechner 12 vorhanden ist. Nach dem Konfigurieren ist das Prozeßsteuerungsnetz 10 jedoch ohne Berücksichtigung einer Einrichtungs- oder Prozeßdiagnose wirksam und tritt daher mit dem Hauptrechner 12 in Dialog, um Standard-E/A-Funktionen, jedoch keine Diagnosefunktionen auszuführen.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen; das schematische Blockbild zeigt ein Prozeßsteuerungssystem oder -netz 100 mit einer Fieldbus-Schnittstelle mit Netzzugang bzw. NAFI 105, die mit einem entfernten Kommunikationsnetz 106 verbunden ist. Das gezeigte Prozeßsteuerungsnetz 100 weist einen Computer 108 wie etwa einen Personalcomputer oder Arbeitsplatzcomputer auf, der mit einem Netzbus 109 über ein Steuerwerk 110 wie etwa ein Steuerwerk eines digitalen Steuersystems bzw. DCS verbunden ist. Der Computer 108 ist mit dem Steuerwerk 110 über einen Bus 111 verbunden. Das Steuerungssystemnetz 100 kommuniziert mit dem externen oder entfernten Netz 106 über einen Verbindung des Netzwerkbusses 109 an einem Knoten 114 und weist eine Vielzahl von Feldeinrichtungen 116 auf, die mit dem Netzbus 109 direkt verbunden sind oder mit dem Netzbus 109 über eine Brückeneinrichtung 118 über einen lokalen Bus 120 verbunden sind. Jede Brückeneinrichtung 118 dient typischerweise dazu, Daten von einem höherfrequenten Bus zu einem niederfrequenten Bus zu übertragen und umgekehrt.
Die NAFI-Einrichtung 105 ist zwischen den Netzbus 109 und einen Netzverbindungsanschluß 122 geschaltet, der seinerseits mit dem entfernten Netz 106 verbunden ist. Selbstverständlich kann das entfernte Netz 106 jede gewünschte Netzkonfiguration haben, was beispielsweise eine Fernnetz- bzw. WAN-Konfiguration, eine Ortsnetz- bzw. LAN-Konfiguration, eine Ethernet-Konfiguration, eine Modemverbindung mit Telefonkommunikationseinrichtungen, eine Funkübertragungsverbindung und dergleichen einschließt. Die NAFI-Einrichtung 105 ist ein Computersystem wie etwa ein Personalcomputer, ein Arbeitsplatzrechner oder jedes andere System, das ein computerbasiertes Spezialkommunikationssystem oder ein computerbasiertes Spezialprozeßsteuerwerk hat. Die NAFI-Einrichtung 105 weist ein Softwaresystem 124 auf, das als eine Softwareschnittstelle zwischen dem Steuerungssystemnetz 100 und dem entfernten Netz 106 dient und einen Kommunikationssoftwarestapel 126 eines Standard-Prozeßsteuerungsnetzes (wie etwa einen Fieldbus-Kommunikationssoftwarestapel) und eine Anwendersoftwareschicht 128 aufweist.
Der Kommunikationssoftwarestapel 126 ist eine Softwareschnittstelle, die die Kommunikation von Nachrichten bzw. Meldungen zwischen Einrichtungen steuert, die in einer physikalischen Schicht des Prozeßsteuerungsnetz-Kommunikationssystems wirksam sind, d. h. Nachrichten, die an dem Softwarestapel 126 ankommen. Wie oben beschrieben wird, wird der Kommunikationssoftwarestapel 126 von vielen verschiedenen Anwendungsprogrammen genutzt, um auf Daten in Feldeinrichtungen zuzugreifen, und der Kommunikationssoftwarestapel 126 handhabt Kommunikationen unter Anwendung von niederen Protokollen einschließlich des Fieldbus-Protokolls. Die Anwendersoftwareschicht 128 führt Anwenderschnittstellenoperationen zur Steuerung der NAFI-Einrichtung 105 aus, steuert den Kommunikationssoftwarestapel 126 bei der Kommunikation über das Prozeßsteuerungssystem 100, um beispielsweise bestimmte Daten von einer oder mehreren Einrichtungen innerhalb des Prozeßsteuerungssystems 100 abzurufen, überwacht den Verkehr bestimmter Meldungen an dem Kommunikationssoftwarestapel 126 einschließlich Lese- und Schreiboperationen und entsprechende Daten, kopiert den Verkehr der bestimmten Meldungen in eine Datei innerhalb der Einrichtung 105 und sendet die Datei durch das entfernte Netz 106 an eine entfernte Stelle.
Bei Verwendung mit einem Fieldbus-System tritt die NAFI-Einrichtung 105 natürlich mit dem Netzbus 109 über eine Zweidrahtanschlußverbindung in Dialog, die im allgemeinen zum Verbinden von Einrichtungen wie etwa des Steuerwerks 110, der Brückeneinrichtungen 118 oder der Feldeinrichtungen 116 mit dem Netzbus 109 oder 120 verwendet wird. Die NAFI-Einrichtung 105 kann jedoch verwendet werden, um mit anderen Arten von Prozeßsteuerungssystem oder Netzen außer Fieldbus-Netzen in Dialog zu treten, beispielsweise mit Profibus-Netzen.
Gemäß 7 zeigt ein schematisches hohes Blockbild ein Computersystem 200, 312 zur Verwendung als NAFI-Einrichtung 105 geeignet ist. Das Computersystem 200 von 7 ist sehr herstellerkompatibel und bei vielen Konfigurationen mit erweiterten Funktionsblöcken und Anwendungen anwendbar. Die NAFI-Einrichtung 105 (das Computersystem 200) hat einen Zweidraht-Endverzweiger 202, der an ein Zweidrahtmedium (wie etwa einen Bus) angeschlossen ist oder der mit einem Zweidrahtmedium-Anschlußblock einer Einrichtung verbunden ist. Die NAFI 105 weist ferner auf: einen Mikroprozessor 204, eine Kommunikationsschnittstelle 206, eine Medienzugangseinheit 208 und eine Vielzahl von Speichereinheiten wie etwa einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff bzw. RAM 210, einen Festwertspeicher bzw. ROM 212 und einen nichtflüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff bzw. NVRAM 214. Die Kommunikationsschnittstelle 206 ist ein Schaltkreis, der eine Seriell-Parallel-Protokollumsetzung und eine Parallel-Seriell-Protokollumsetzung durchführt Datenpaketen Rahmeninformation entsprechend der Definition des Kommunikationsprotokolls des Prozeßsteuerungssystems, in dem die Einrichtung 105 verwendet wird, hinzufügt. Wie 7 zeigt, bildet die Schnittstelle 206 eine Schnittstelle zwischen dem Mikroprozessor 204 und der Medienzugangseinheit 208, die dazu dienen kann, um beispielsweise ein Zweidrahtmedien-Kommunikationssignal in eine digitale Darstellung des Kommunikationssignals umzuwandeln. Die Medienzugangseinheit 208 erhält Energie von dem Zweidrahtmedium oder von einer herkömmlichen Energiequelle und liefert diese Energie an andere Schaltkreise in der NAFI-Einrichtung 105. Die Medienzugangseinheit 208 führt auch eine Wellenformung und Zeichengabe auf dem Zweidrahtmedium oder Bus (wie etwa dem Bus 109 von 6) aus.
Die Speichereinrichtungen 110, 112 und 114 stellen Speicher für die NAFI-Einrichtung 105 bereit und treten mit dem Mikroprozessor 204 in Dialog. Bei der gezeigten Ausführungsform kann der RAM 210 eine Speichereinheit mit 128 kByte, der ROM 212 eine Speichereinheit mit 256 kByte und der NVRAM 214 eine nichtflüchtige Speichereinheit mit 32 kByte sein.
Die NAFI-Einrichtung 105 führt Anweisungen in dem Mikroprozessor 204 von einem Programmcode aus, der in einer oder mehreren der Speichereinrichtungen 210, 212 oder 214 gespeichert ist, oder führt eine Kommunikationsschnittstellenoperation aus. Die NAFI-Einrichtung 105 kann in praktisch jedem Computersystem in dem Steuerungssystemnetz 100 realisiert werden, einschließlich Computersystemen in dem Steuerwerk 110, in jeder der Brückeneinrichtungen 118 und/oder der Feldeinrichtungen 116 sowie in einem selbständigen Computersystem.
Das Flußdiagramm von 8 zeigt Operationen, die von dem NAFI-Softwaresystem oder der -Einrichtung 105 ausgeführt werden. In einem Schritt 222 'Anwenderbefehl empfangen' empfängt das NAFI-Softwaresystem 105 Anwenderbefehle von einem Anwender, die aufweisen: (1) Befehle von einem lokalen Anwender, die das Sammeln von Daten auslösen und den zu überwachenden speziellen Verkehr an dem Kommunikationssoftwarestapel 126 definieren, (2) Befehle von einem lokalen Anwender zum Initialisieren einer NAFI-Übertragungsdatei, (3) Befehle von einem lokalen Anwender oder einem entfernten Anwender an einem entfernten Ort zum Senden einer NAFI-Übertragungsdatei an eine entfernte Einrichtung, (4) Befehle und entsprechende Daten, die von einem entfernten Anwender an einer entfernten Quelle empfangen werden, und (5) Befehle, die von dem entfernten Anwender an dem entfernten Ort empfangen werden und die die Übertragung einer bezeichneten NAFI-Übertragungsdatei verlangen. Der Schritt 222 'Anwenderbefehl empfangen' ist typischerweise unterbrechungsgesteuert und asynchron.
Für einen Befehl, der das Sammeln von Daten auslöst und den zu überwachenden bestimmten Verkehr an dem Kommunikationssoftwarestapel 126 definiert, gibt ein Schritt 224 'Verkehr wählen und Datensammeln beginnen' verschiedene Bedingungsvariablen oder Anweisungen, die den zu überwachenden Meldungsverkehr definieren, und fordert dazu auf, daß der Kommunikationssoftwarestapel 126 Daten zu der Anwendersoftwareschicht 128 entsprechend den angeforderten Daten überträgt.
Für einen Befehl zur Initialisierung einer NAFI-Überführungsdatei wird ein Schritt 226 'NAFI-Datei initialisieren' ausgeführt. Während dieses Schritts werden Daten über den Kommunikationssoftwarestapel 126 unter Anwendung verschiedener Anwendungsprogramme übertragen. Die Anwendersoftwareschicht 128 überwacht alle bezeichneten Daten oder, falls gewünscht, alle Daten ohne Rücksicht darauf, welches Anwendungsprogramm den Datentransfer erzeugt. Ein Beispiel eines Anwendungsprogramms, das den Kommunikationssoftwarestapel 126 für Kommunikationen mit Feldeinrichtungen verwendet, ist ValveLink-Software, die mit einem Steuerventil über das Steuersystemnetz 100 kommuniziert. ValveLink ist eine Software, die von Fisher Control International Inc. in Verbindung mit deren Valvelink-Produkten hergestellt und zur Verfügung gestellt wird. Das NAFI-Softwaresystem 105 kann Daten in bezug auf jedes Dialogsystem überwachen, das über den Kommunikationssoftwarestapel liest und schreibt, und die Anwendersoftwareschicht 128 hat Zugang zu allen Daten auf dem Netzbus 109 für die entfernte Kommunikation.
Für einen Befehl zum Senden einer NAFI-Überführungsdatei an eine entfernte Einrichtung überträgt ein Schritt 228 'NAFI-Datei senden' die Meldungen und Daten in der NAFI-Datei an eine entfernte Stelle, die beispielsweise nach Maßgabe eines Arguments des Übertragungsbefehls adressiert wird. Die Meldungen und Daten, die an die entfernte Stelle gesendet werden, umfassen Anforderungen und Antworten, die von dem Kommunikationssoftwarestapel 126 während Steuerungs- und Datenübertragungsvorgängen des Steuerungssystemnetzes 100 nach Maßgabe des Kommunikationsprotokolls des Steuerungssystemnetzes 100 wie etwa des Fieldbus-Protokolls gehandhabt werden. Vorteilhafterweise ist die über das entfernte Netz 106 übertragene Informationsmenge sehr klein im Vergleich mit Daten in anderer Form wie etwa der Übertragung eines vollständigen Computerbildschirms oder der Übertragung von Daten, die durch Handhabungsinformation, die während der Durchleitung durch zahlreiche Netzknoten hinzugefügt wurde, belastet sind. Somit verringert die NAFI-Einrichtung 106 vorteilhafterweise die Zusatzaufwendungen hinsichtlich Zeit und Datenübertragungsgröße bei der Kommunikation von Feldeinrichtungsdaten über ein Netzwerk. Die NAFI-Überführungsdatei wird über das entfernte Netz 106 an die definierte entfernte Stelle übertragen, die die Datei lädt, so daß Meldungen und Daten, die von dem Steuerungssystemnetzprotokoll definiert sind, für die Analyse und Anzeige an der entfernten Stelle verfügbar sind, was es wiederum dem entfernten Anwender ermöglicht, Anwendungen ablaufen zu lassen, die Anwendungen entsprechen, die von dem lokalen Anwender ausgeführt werden, um Operationen und Testbedingungen während der Ferndiagnose und Abfragen und Untersuchungen des Einrichtungszustands und von Problemen neu zu schaffen. Selbstverständlich muß der entfernte Anwender geeignete Software haben, die die Bedeutung der von der NAFI-Einrichtung gesendeten Daten decodiert oder entschlüsselt. In jedem Fall erlaubt die Datenkommunikation unter Anwendung der NAFI-Einrichtung 105 vorteilhafterweise eine entfernte diagnostische Prüfung, Wartung und Störungsbeseitigung. Ferner werden Meldungen und Information vorteilhafterweise sehr rasch unter Verwendung der NAFI-Einrichtung 105 übermittelt, weil die Daten asynchron und unabhängig zwischen dem lokalen Anwender und dem entfernten Anwender übertragen werden, um dadurch Synchronisierungsprobleme zu vermeiden. Außerdem werden die Daten und Meldungen in bezug auf das Sammeln von Daten asynchron übertragen, so daß das Sammeln von Daten und die Datenübertragung vorteilhafterweise voneinander entkoppelt sind, was einen Stauzustand verhindert, bei dem das Sammeln von Daten unterbrochen wird, wenn eine Netzkommunikationsverbindung nicht verfügbar ist, und die Kommunikation unterbrochen wird, während auf das Sammeln von Daten gewartet wird.
Für einen Befehl und entsprechende von einer entfernten Quelle empfangene Daten empfängt ein Schritt 230 'Fernübertragung empfangen' den Befehl und Daten und löst alle befohlenen Operationen an dem lokalen Steuerungssystemnetz 100 unter Verwendung von Standard-Kommunikationseinrichtungen wie etwa einem Softwarekommunikationsstapel aus, der dem Kommunikationsprotokoll zugeordnet ist, das von dem Steuerungssystemnetz 100 verwendet wird.
In einem Schritt 232 'Stapel überwachen' überwacht das NAFI-Softwaresystem 124 den Meldungsverkehr an dem Kommunikationssoftwarestapel 126, der von dem Anwender bezeichnet wird. Der Verkehr wird für die Anwendersoftwareschicht 128 als Reaktion auf die Anforderung verfügbar gemacht, daß der Kommunikationssoftwarestapel 126 Daten zu der Anwendersoftwareschicht 128 übertragen soll, wobei diese Anforderung in dem Schritt 224 'Verkehr wählen und Datensammeln starten' gemacht wurde. Der Meldungsverkehr umfaßt die Anforderungen und Antworten, die von dem Kommunikationssoftwarestapel 126 während der Prozeßsteuerungsvorgänge übermittelt werden.
Ein Schritt 234 'Meldungsverkehr in eine Datei kopieren' kopiert Lese- und Schreibanforderungen und Daten in eine NAFI-Datei. Die NAFI-Datei kann eine Datei aus einer Vielzahl von NAFI-Dateien sein, die für die Speicherung von bestimmter Information wie etwa von Information betreffend eine bestimmte Feldeinrichtung oder ein Ventil bestimmt ist, und diese Dateien können in einer der Speichereinheiten 210 oder 214 der NAFI-Einrichtung 105 gespeichert sein.
Wie ersichtlich ist, ist die NAFI-Einrichtung 105 ein einfaches System, das als ein Computersystem mit dem NAFI-Softwaresystem 124 implementiert ist, wobei die Verwendung von teuren und komplizierten Hochgeschwindigkeits-Kommunikationseinrichtungen einschließlich Glasfaserleitungen und Wandlern vorteilhaft vermieden wird.
9 zeigt als schematisches Blockbild mehrere mögliche Implementierungen einer Fieldbus-Schnittstelle mit Netzzugang zur Kommunikation zwischen einem oder mehreren einer Vielzahl von Prozeßsteuerelementen und entfernten Elementen. Die NAFI-Einrichtung 105 ist in Übereinstimmung mit der NAFI-Verbindung gemä 6 dargestellt. Außerdem ist eine NAFI-Einrichtung oder -Schnittstelle 302 als in das Steuerwerk 110 eingebaut dargestellt. Die NAFI-Einrichtung 302 kann mit dem entfernten Netz 106 entweder direkt oder über eine Verbindung durch eine weitere NAFI-Einrichtung 304 verbunden sein, wodurch eine NAFI-NAFI-Verbindung dargestellt ist. Ebenso kann der Computer 108 eine NAFI-Einrichtung 306 enthalten, die mit dem entfernten Netz 106 entweder direkt oder über eine Verbindung mit der NAFI-Einrichtung 304 verbunden ist. Die Netzzugangs-Schnittstelle der vorliegenden Erfindung kann auch in andere Einrichtungen einschließlich jede der Brückeneinrichtungen 118 und/oder Feldeinrichtungen 116 eingefügt sein, die Fluidsteuerventile oder jede andere Art von Feldeinrichtung wie Sensoren, Sender, Wandkonsolen usw. sein können. Eine NAFI-Einrichtung 308, die in eine der Brücken 118 eingefügt ist, und eine NAFI-Einrichtung 310, die in eine der Feldeinrichtungen 116 eingefügt ist, sind beide direkt mit dem entfernten Netz 106 verbunden dargestellt, können aber, falls gewünscht, indirekt über eine weitere NAFI-Einrichtung verbunden sein.
Selbstverständlich kann die Schnittstelle mit Netzzugang der vorliegenden Erfindung nach Wunsch andere Funktionen ausüben und kann jede Kombination von Funktionen in jeder gewünschten Reihenfolge ausüben, um Kommunikationen zwischen einem Prozeßsteuerungsnetz und einem entfernten Netz herzustellen. Die hier beschriebene Schnittstelle mit Netzzugang ist zwar bevorzugt in Software implementiert, die beispielsweise in einer Prozeßsteuerungseinrichtung, einem Steuerwerk oder einem PC gespeichert ist, sie kann aber alternativ oder zusätzlich in Hardware, Firmware usw. nach Wunsch implementiert sein. Das heißt, der hier beschriebene Prozessor kann alle festverdrahteten Logikanordnungen oder andere Hardwareeinrichtungen aufweisen, die dazu bestimmt sind, die hier beschriebene Funktionalität zu implementieren. Wenn die Schnittstelle mit Netzzugang gemäß der vorliegenden Erfindung in Software implementiert ist, kann sie in jedem Computer-lesbaren Speicher wie etwa einer Magnetplatte, einer Laserplatte oder einem anderen Speichermedium, in einem RAM oder ROM eines Computers usw. gespeichert sein. Ebenso kann diese Software einem Anwender oder einer Einrichtung durch jedes bekannte oder gewünschte Lieferungsverfahren geliefert werden, beispielsweise auf einem Kommunikationskanal wie einer Telefonleitung, dem Internet usw. Ferner ist zwar die Schnittstelleneinrichtung mit Netzzugang hier so beschrieben, daß sie einen Kommunikationssoftwarestapel implementiert oder verwendet, der dem OSI-Schichtkommunikationsmodell entspricht, um Kommunikationsfunktionen in einem Prozeßsteuerungssystem auszuführen; es versteht sich jedoch, daß dieser Kommunikationssoftwarestapel mit jeder Software implementiert werden kann, die Standard-Kommunikationsfunktionen entsprechend einem Kommunikationsprotokoll ausführt, ohne Rücksicht darauf, ob diese Funktionen in einem Stapelformat entsprechend der Beschreibung durch das OSI-Modell implementiert sind oder nicht.

Claims

Schnittstelle (105) zwischen einem Kommunikationsnetz (106), das von einem ersten Kommunikationsprotokoll Gebrauch macht, und einem Prozeßsteuerungssystem (100), das einen Bus (109) hat und von einem zweiten Kommunikationsprotokoll Gebrauch macht, wobei die Schnittstelle (105) folgendes aufweist: einen Prozessor (204); eine Speichereinrichtung (210), die an den Prozessor (204) gekoppelt ist; ein Softwaresystem (124) zur Ausführung in dem Prozessor (204), das folgendes aufweist: einen Kommunikationssoftwarestapel (126), der so ausgebildet ist, daß er mit dem Bus (109) kommunikativ gekoppelt und in dem Prozeßsteuerungssystem (100) unter Anwendung des zweiten Kommunikationsprotokolls wirksam ist, eine Überwachungsroutine (232), die so ausgebildet ist, daß sie entsprechend vorgegebenen Bedingungen (224) bezeichneten Meldungsverkehr an dem Kommunikationssoftwarestapel (126) überwacht, eine Kopierroutine (234), die so ausgebildet ist, daß sie den bezeichneten Meldungsverkehr zu der Speichereinrichtung (210) kopiert, und eine Medienschnittstellenroutine (208), die so ausgebildet ist, daß sie einen Fernzugriff auf die Speichereinrichtung (210) über das Kommunikationsnetz (106) unter Anwendung des ersten Kommunikationsprotokolls ermöglicht, um die Fernübertragung (228) des gespeicherten bezeichneten Meldungsverkehrs zu ermöglichen.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 1, wobei der Kommunikationssoftwarestapel (126) eine Steuerungsroutine aufweist, die Kommunikationen in dem Prozeßsteuerungssystem (100) unter Verwendung eines Zweileitungs-, Zweirichtungs-, schleifenbetriebenen digitalen Kommunikationsprotokolls steuert.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 1, wobei der Kommunikationssoftwarestapel (126) eine Steuerungsroutine aufweist, die Kommunikationen in dem Prozeßsteuerungssystem (100) unter Verwendung eines Fieldbus-Protokolls steuert.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 1, die durch einen Herstellungsgegenstand zur Ausführung in einem Prozessor (204) implementiert ist, wobei der Prozessor (204) mit einem Speicher gekoppelt ist und einen Kommunikationssoftwarestapel (126) aufweist, der in dem Prozeßsteuerungssystem (100) wirksam ist.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 1, die zur Kopplung zwischen einem entfernten Kommunikationsnetz (106) und einem Prozeßsteuerungssystem (100) ausgebildet ist, welches ein Kommunikationsprotokoll verwendet, um Kommunikationen zwischen Einrichtungen innerhalb des Prozeßsteuerungssystems (100) zu implementieren, wobei die Schnittstelle (105) ferner folgendes aufweist: eine Datenspeichereinrichtung (210, 212, 214); eine Kommunikationseinrichtung (105), die zwischen die Datenspeichereinrichtung und das Prozeßsteuerungssystem (100) gekoppelt ist, wobei die Kommunikationseinrichtung (105) so ausgebildet ist, daß sie an dem Prozeßsteuerungssystem (100) unter Verwendung des Kommunikationsprotokolls kommuniziert und Daten von dem Prozeßsteuerungssystem (100) abruft; eine Steuerung (110), die mit der Datenspeichereinrichtung, der Kommunikationseinrichtung (105) und dem entfernten Kommunikationsnetz (106) gekoppelt ist und die abgerufenen Daten in der Speichereinrichtung speichert, die Daten innerhalb der Speichereinrichtung über das entfernte Kommunikationsnetz (106) in Verbindung bringt und den Betrieb der Kommunikationseinrichtung (105) steuert.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei die Kommunikationseinrichtung (105) einen Kommunikationssoftwarestapel (126) aufweist, der eine Kommunikationsroutine hat, die in dem Prozeßsteuerungssystem (100) unter Verwendung eines Zweileitungs-, Zweirichtungs-, schleifenbetriebenen digitalen Kommunikationsprotokolls kommuniziert.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei die Kommunikationseinrichtung einen Kommunikationssoftwarestapel (126) aufweist, der Kommunikationen innerhalb des Prozeßsteuerungssystems (100) implementiert.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 7, wobei der Kommunikationssoftwarestapel (126) gemäß dem geschichteten OSI-Kommunikationsmodell konfiguriert ist, um Kommunikationen innerhalb des Prozeßsteuerungssystems (100) zu implementieren.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei das Kommunikationsprotokoll ein Fieldbus-Kommunikationsprotokoll ist.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei die Kommunikationseinrichtung (105) folgendes aufweist: einen Prozessor (204), der folgendes implementiert: eine erste Routine, um Daten von einer Einrichtung innerhalb des Prozeßsteuerungssystems unter Verwendung des Kommunikationsprotokolls anzufordern, eine zweite Routine, um die angeforderten Daten von dem Prozeßsteuerungssystem (100) zu empfangen, und eine dritte Routine, um die empfangenen Daten an die Steuerung (110) abzugeben.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei die Kommunikationseinrichtung (105) folgendes aufweist: einen Prozessor (204), der folgendes implementiert: eine erste Routine, um Kommunikationsdaten innerhalb des Prozeßsteuerungssystems (100) zu überwachen, eine zweite Routine, um bestimmte von der Steuerung (110) spezifizierte Kommunikationsdaten zu erkennen, und eine dritte Routine, um die spezifizierten Kommunikationsdaten an die Steuerung (110) abzugeben.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (110) so ausgebildet ist, daß sie eine Meldung, die bestimmte Daten innerhalb des Prozeßsteuerungssystems (100) bezeichnet, empfängt, und daß sie die Kommunikationseinrichtung (105) so steuert, daß diese die bestimmten Daten von dem Prozeßsteuerungssystem (100) abruft, und daß sie die bestimmten Daten in Abhängigkeit von der Meldung in der Speichereinrichtung (210) speichert.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (110) so ausgebildet ist, daß sie eine Meldung, welche die Übertragung von bestimmten in der Speichereinrichtung (210) gespeicherten Daten anfordert, über das entfernte Kommunikationsnetz (106) empfängt, und eine Routine aufweist, welche die bestimmten Daten von der Speichereinrichtung (210) in Abhängigkeit von der Meldung über das entfernte Kommunikationsnetz (106) überträgt.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 13, wobei die Steuerung (110) so ausgebildet ist, daß sie die Meldung von dem entfernten Kommunikationsnetz (106) empfängt.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 13, wobei die Steuerung (110) so ausgebildet ist, daß sie die Meldung von dem Prozeßsteuerungssystem (100) empfängt.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (110) die Daten innerhalb der Speichereinrichtung (210) asynchron in bezug auf die Steuerung (110) speichert, welche die in der Speichereinrichtung (210) gespeicherten Daten über das entfernte Kommunikationsnetz (106) leitet.
Schnittstelle (105) nach Anspruch 5, wobei das entfernte Kommunikationsnetz (106) ein lokales Datennetz oder ein weiträumiges Netz ist.