專利名稱：多功能處理控制系統(tǒng)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及過程控制系統(tǒng)，更確切地，涉及用在各種規(guī)模的過程控制系統(tǒng)中的適用于不同用途的功能強大的控制器。
背景技術(shù)：
處理設(shè)備，像化學產(chǎn)品設(shè)備，石油提煉設(shè)備和其它的制造設(shè)備，通常包含有大量的處理控制設(shè)備，例如閥門和開關(guān)以及大量的觸發(fā)器/傳感器，如壓力和溫度傳感器(通常被稱為“場裝置”)，與一個或多個處理控制器互連。這些處理控制器從這些傳感器接收信號并且實現(xiàn)一些控制邏輯，例如比例積分微分(PID)控制程序來產(chǎn)生控制信號，這些控制信號被依次發(fā)送到處理控制裝置，來將工藝維持在期望的狀態(tài)，或?qū)⑦^程驅(qū)動到預(yù)定的操作點。
在過去，用在處理設(shè)備中的處理控制器呈現(xiàn)不同的形式。最簡單并且可能是最普遍的處理控制器的類型是可編程邏輯控制器(PLC)。PLC是一個簡單的并且相對便宜的邏輯單元，通常擁有硬布線的電路或電可編程存儲器，例如EPROM(可擦除只讀存儲器)或EEPROM(電可擦除只讀存儲器)，它可以用基本的邏輯元單元如AND(與)和OR(或)門來實現(xiàn)存儲高度特殊化的控制邏輯。通常，在控制設(shè)備內(nèi)部的每PLC是直接連接到多個場設(shè)備上的，并且，有代表性地，使用特定的用在處理控制工業(yè)中的專門邏輯編程范例，例如順序流邏輯、階梯邏輯、功能流制圖邏輯等，來實現(xiàn)控制程序或規(guī)劃。雖然實際上PLC的成本是相當?shù)牡?，但是它們在使用上有明顯的缺點。特別的，他們通常編程困難，因為它們要求有人對用到的特定的邏輯編程非常的熟悉，并且通常每個PLC必須被有人進行單獨編程，到設(shè)備內(nèi)的每個PLC裝置并且將一個手持的或便攜的單元連接到裝置上來對PLC設(shè)備進行編程。進一步，開發(fā)一個集成的處理控制系統(tǒng)是很困難的，例如，一種可估定的并且可以從一個區(qū)域改變的處理控制系統(tǒng)，要使用PLC就是很困難的，由于要連接同等樣式的大量PLC或讓PLC之間相互通信是很困難的。于是，雖然PLC在單一位置控制數(shù)量比較少的場裝置時是非常有用的，但是，在更大的設(shè)備或具有許多裝置的設(shè)備中，從組織和文件編制的觀點來看，PLC的使用變得麻煩并且不實用。
為了克服與PLC相關(guān)的這些問題，在過去，一些處理控制設(shè)計者們使用集中的控制器結(jié)構(gòu)來提供集中的過程控制。在這些系統(tǒng)中，功能非常強大的，集中的計算機或控制器通過特殊的輸入/輸出裝置連接到處理設(shè)備中的所有場裝置上。這種集中式的控制器實現(xiàn)了大量的控制程序來提供對整個設(shè)備的處理控制。雖然功能強大，但是這些集中式的控制系統(tǒng)非常的昂貴，因為需要大量的電纜連接，并且通常由于程序?qū)嶋H上是典型的專利品，使得編程和再編程很困難。由于價格昂貴，通常只有在具有許多許多場裝置的非常大的處理設(shè)備中才使用這些高能的集中式的控制器。
另外一種通用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在用在許多處理設(shè)備中，那就是一種分布式的處理控制系統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)中，大量的處理控制器，每個都具有標準個人電腦的規(guī)模和復雜度，分布在整個處理設(shè)備的不同的位置，每一個控制器負責設(shè)備的一個區(qū)域或其它的邏輯部分。在一些情況下，例如，具有Fisher-RosemountSystem公司銷售的DeltaV處理控制系統(tǒng)，分布式的控制器之間相互連接并且與一個或多個操作員接口、數(shù)據(jù)存儲器和其它的支持裝置互連。在DeltaV分布式處理控制系統(tǒng)中，在操作員工作站上執(zhí)行的應(yīng)用程序被用來對控制器進行重新編程，用來當被控制器報告時觀看處理的狀態(tài)，并且使用有控制器提供的數(shù)據(jù)來分析處理設(shè)備或處理控制系統(tǒng)等。由于分布式的控制器基于并且使用一個普通的或通用目的的微處理器結(jié)構(gòu)，它們比PLC更易編程并且可以使用更高層的編程結(jié)構(gòu)或語言，例如通常所說的面向?qū)ο缶幊陶Z言，它們更易進行接口連接并且被執(zhí)行在操作員界面中的應(yīng)用程序使用。例如，在DeltaV處理控制系統(tǒng)中，一個面向?qū)ο蟮木幊谭独捅挥脕矸奖愕慕M織并且跟蹤不同的處理控制裝置和控制器以及在那些裝置上運行的邏輯。這個面向?qū)ο蟮木幊探Y(jié)構(gòu)也被在操作員界面上執(zhí)行的應(yīng)用程序使用，用來組織、觀察和改變這些在控制器內(nèi)被實現(xiàn)的處理控制程序。
分布式的處理控制系統(tǒng)的使用提供了與非常低價的集中式的計算機聯(lián)合計算和組織的能力，并附帶的提供了可升級的處理控制系統(tǒng)，例如可以通過簡單的增加附加的控制器和場裝置來隨時間擴展的控制系統(tǒng)。于是，分布式處理控制系統(tǒng)技術(shù)的使用已經(jīng)在中大型的處理設(shè)備中提供了更好的控制和控制功能性。依然還有大量的小型設(shè)備，例如一些多場裝置的小的制造設(shè)備，此時，當開始安裝控制器時，實現(xiàn)完整規(guī)模的分布式處理控制系統(tǒng)并不是很經(jīng)濟的，但是，在將來的的某些時候進行升級來合并這個分布式的處理控制系統(tǒng)可能是必須的，例如將來進行擴展的時候?，F(xiàn)在，這些設(shè)備限于使用PLC裝置，直到這些設(shè)備實際上變得足夠大使得購買完整規(guī)模的分布式處理控制系統(tǒng)變得不經(jīng)濟。但是，由于PLC裝置和用在分布式的處理控制系統(tǒng)中的控制器在設(shè)計和使用上的巨大差異，在分布式的處理控制系統(tǒng)內(nèi)使用PLC裝置是不可能的，或是不切實際的。結(jié)果，在PLC裝置上的最初的投資以及在建立PLC系統(tǒng)時的工程技術(shù)和規(guī)劃必須被完全拋棄，以實現(xiàn)這個分布式的處理控制系統(tǒng)，在設(shè)備資源方面，這是相當浪費的。于是，當在分布式的處理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變時，小型的設(shè)備不能使用很多的(如果可以使用一些的話)存在的在PLC裝置中實現(xiàn)的控制結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
這里將表示一種多功能的控制器，它可以用作相對小的處理設(shè)備中的獨立的控制器，或許多的控制器中的一個，或用在分布式的處理控制系統(tǒng)中的遠端輸入/輸出裝置，這些視處理設(shè)備的需要而定。在第一種情況下，可能控制器提供獨立的平臺，它可以實現(xiàn)高級的控制邏輯，例如與分布式的處理控制系統(tǒng)控制器相關(guān)的控制器，來控制有限數(shù)目的場裝置。這種獨立的控制器相對于使用PLC來說更加經(jīng)濟。但是，這種控制器可以在任何時候非常容易的連接到一個或多個其它控制器和操作者接口，來形成分布式的處理控制系統(tǒng)。這個被表示的控制器并不昂貴，并作為獨立的控制器在非常小的處理設(shè)備中不但可以實現(xiàn)而且易于實現(xiàn)，以后，可以非常容易的連接到其它的控制器上來組成分布式的處理控制系統(tǒng)，例如，當處理設(shè)備規(guī)模增加的時候，分布式處理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的使用更加經(jīng)濟。
在一個實施例中，多功能控制器包括自適應(yīng)編程執(zhí)行一個或多個編程程序的處理器；連接到該處理器并自適應(yīng)存儲一個或多個在該處理器上執(zhí)行的編程程序的諸如非易失存儲器之類的存儲器；多個可通信地連接到該處理器的場裝置輸入/輸出端口和連接到該處理器和存儲器的配置通信端口。
這個多功能的控制器也可以包含第二通信端口，例如MODBUS TCP端口或任何串口，例如RS-485口，它自適應(yīng)間歇地連接到用戶接口，使得這個用戶接口可以觀察存儲在存儲器或處理器中的信息。寄存器圖可以存儲在存儲器中，并自適應(yīng)地被第二通信端口訪問，以允許訪問控制器內(nèi)的信息。如果需要，許多的編程程序可以與分布式的處理控制系統(tǒng)編程范例相兼容，例如面向?qū)ο蟮木幊谭独?，它使得當獨立的控制器被升級為分布式處理控制系統(tǒng)的一部分時，這個控制編程還可以使用。


圖1表示示范性的多功能控制器的原理框圖，它可以作為獨立的控制器，也可以被設(shè)置在分布式的處理控制系統(tǒng)中工作；圖2表示圖1中的控制器可移動地連接到用戶接口和設(shè)置裝置上時地原理框圖；圖3表示圖1中所示的控制器作為獨立的控制器與多個輸入/輸出裝置互連時的原理框圖；圖4表示圖1中所示的控制器作為分布式處理控制系統(tǒng)中許多控制器的互連的原理框圖；圖5表示由配置應(yīng)用程序產(chǎn)生的配置顯示，說明了配置作為分布式處理控制系統(tǒng)中的遠端輸入/輸出設(shè)備的多功能控制器平臺，可以邏輯映射到處理控制系統(tǒng)中的任意控制器。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照圖1，表示了多功能的處理控制系統(tǒng)控制器10，它包含處理器12、存儲器14、三個通用通信端口16、18和20，以及多場裝置輸入/輸出端口22。處理器12可以是任意類型的處理器，但是最好是一個通用目的的可編程的處理器，例如那些通常用在個人電腦中、分布式的處理控制系統(tǒng)控制器中的處理器等等。但是，處理器12并不需要像通常用在分布式處理控制系統(tǒng)控制器中的處理器那樣功能強大，于是，與分布式的處理控制系統(tǒng)控制器相比，減少了與控制器10相關(guān)的成本。如果需要，處理器12可以是ASIC和其它類型的可重復編程處理器中的任意一種硬布線的處理器。處理器12最好功能足夠強大，可以實現(xiàn)或執(zhí)行用高級編程語言或范例所寫的應(yīng)用軟件或程序，例如面向?qū)ο缶幊谭独?br> 存儲器14可以是任意的想要的類型的存儲器，并且最好包含至少一個端口，它的這個端口是持久的或非易失的，例如EPROM、EEPEOM等。存儲器14存儲程序設(shè)計程序，用來控制一個或多個通過輸入/輸出端口22連接到控制器10上的場裝置。圖1所示實施例，控制器10包含有24個分立的場裝置輸入端口，其中兩個或多個的可以作為脈沖計數(shù)輸入，還包含有16個分立的場裝置輸出端口，它們中的每一個都可以直接連接到單個的場裝置上。但是，任何其它需要的數(shù)字或輸入/輸出端口22的類型可以用來代替使用。進一步，場裝置輸入/輸出端口22可以作為無線端口被實現(xiàn)。在這種情況下，一個發(fā)射機/接收機被放置在連接到處理器12的控制器10中，并且給通過無線耦合到那里的不同的場裝置的每個提供不同的信道，例如時間或頻率信道。當然，這些無線的通信元件都是已知的在這里就不再作更詳細的描述。
圖1中所示的控制器10的實施例包含有三個總線端口16、18和20，它們在不同的時候和不同的用途時將控制器10連接到配置裝置、用戶接口、附加的控制器、輸入/輸出裝置或其它裝置上。在一個實施例中，通信端口16是以太網(wǎng)通信端口可以給一個配置工作站保留，配置工作站可以被直接或間接的連接到這個配置端口16上用來配置控制器10，例如下載配置程序到控制器10的存儲器14上。端口16的IP(網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)地址最好是固定地址。第二個端口18最好是MODBUSTCP通信端口，它可以被調(diào)整設(shè)置為主模式或從模式。通信端口18的IP地址最好由用戶或系統(tǒng)配置程序使用連接到第一個通信端口16上的配置工作站來設(shè)置。第三個通信端口20最好是串口，例如RS-485端口。通過MODBUS TCP端口18或RS-485端口20，兩個或多個控制器10可以被連接到一起。類似地，操作員接口可以通過RS-485端口連接到控制器10上，來觀察控制器10的當前的狀態(tài)或在控制器10內(nèi)重新設(shè)置特定的參數(shù)或寄存器。當然，端口16、18和20可以是其它希望的類型的通信端口，可能會用到額外的或是更少的通信端口。
通信端口18和20可能使用一個或多個寄存器圖30來對控制器程序和可變的信息提供訪問，如圖1中所示。在一個例子中，寄存器圖30(它實際上存放在存儲器14中)包含有任意數(shù)量的變量或寄存器，這些變量可以通過通信端口18和20變?yōu)榭捎玫幕蛘f可以訪問的。在特定的配置中，用在從模式的通信中的每個寄存器圖30都包含有16位的保持寄存器和32位的保持寄存器。例如，在寄存器圖30中可能有200個16位寄存器和100個32寄存器，盡管更多或更少的寄存器或其它規(guī)?；蝾愋偷募拇嫫骺赡芤矔挥玫?。在操作的時候，寄存器圖30使得寄存器被存儲在存儲器14中的可以通過通信端口18或20用作輸入/輸出用途的程序使用。于是，寄存器圖30中的寄存器可以存放變量，這些變量由用戶或其它裝置通過通信端口18或20中之一來改變，以改變存儲在存儲器14中的程序的操作，或可以存儲被存儲器14中的程序使用的變量，但是這些變量需要被一個用戶或其它裝置通過通信端口18和20中的一個觀察或訪問。
最好是，存儲在存儲器14上的以及被處理器12實現(xiàn)或執(zhí)行的程序盡量使用高級編程范列來寫或設(shè)計，例如面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言。最好的是，這個編程設(shè)計設(shè)計起來要與被特定的分布式處理控制系統(tǒng)使用的編程結(jié)構(gòu)和協(xié)議一致，以后控制器10可能被升級為這種分布式處理控制系統(tǒng)。在一個例子中，控制器10可以被編程來執(zhí)行面向?qū)ο蟪绦蚪Y(jié)構(gòu)中的對象，這個面向?qū)ο蟮某绦蚪Y(jié)構(gòu)與與一個已知的分布式處理控制系統(tǒng)的面向?qū)ο缶幊陶Z言完全至少是高度的兼容，例如總部在德克薩斯州Austin(奧斯汀)的Fisher-Rosemount System公司所銷售的DeltaV處理控制系統(tǒng)。在這種情況下，程序設(shè)計范例也與FOUNDATION Fieldbus協(xié)議程序設(shè)計范例兼容，或前者是基于后者的。當然，用在控制器10中的程序設(shè)計能夠與任何其它的分布式處理控制系統(tǒng)兼容，不需要是一個面向?qū)ο蟮奶幚砜刂祁愋偷南到y(tǒng)。更進一步，程序設(shè)計的程序可以是通信程序、控制程序，等等。存儲器14最好自適應(yīng)存儲，處理器12最好自適應(yīng)來執(zhí)行任意復雜度的控制程序，例如傳統(tǒng)的PID控制程序，或高級程序，例如模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，適用調(diào)諧或模型預(yù)測控制程序和優(yōu)化程序，等等。此外，控制器10可以存儲和執(zhí)行其它的高級程序，例如高級的診斷程序、告警程序等等，這些典型地與分布式的處理控制系統(tǒng)相關(guān)。
在操作的過程中，控制器10可以被用在很多的不同的方面和很多不同的配置，這樣使得控制器10功能非常齊全并且作為控制器10所在的控制系統(tǒng)可以升級。特別的，控制器10在非常小型的處理控制系統(tǒng)中可以用作獨立的控制器通過輸入/輸出端口22來直接對不同的場裝置進行控制。在這種情況下，控制器10的功能與用在小型處理控制系統(tǒng)中的PLC裝置的功能非常的類似。但是，因為控制器10擁有非常容易編程的處理器并且使用與特定的分布式處理控制系統(tǒng)兼容的語言和協(xié)議進行編程，控制器10可以使用特殊的分布式處理控制器協(xié)議和結(jié)構(gòu)來與其它的控制器連接以實現(xiàn)完全規(guī)模的分布式處理控制系統(tǒng)。在這種情況下，控制器10仍然可以操作存儲在它的存儲器中的同樣的程序設(shè)計程序來控制同樣的裝置，仍然作為分布式處理控制系統(tǒng)的一部分被集成，例如當控制器10所在的設(shè)備被擴充包含更多的裝置和功能以至于不能有控制器10單獨處理的時候。進一步，在控制器10需要被集成到已經(jīng)有了分布式處理控制系統(tǒng)控制器的系統(tǒng)或需要更強大的控制器的系統(tǒng)時，控制器10可以被用作與分布式處理控制系統(tǒng)控制器相關(guān)的輸入/輸出裝置。
圖2表示處理控制系統(tǒng)40，系統(tǒng)中控制器10被用作獨立的控制器。正如圖2中所示的，控制器10通過場裝置輸入/輸出端口22的不同個體連接到處理設(shè)備中的單個的場裝置45。當然，這些連接中的一個或多個可以是無線的。場裝置45可以是任意希望類型的場裝置，例如傳感器、發(fā)射機、閥門、開關(guān)等等。在這個配置中，用戶初始連接配置裝置46，例如手持式的數(shù)字助理、膝上型電腦或其它的配置接口，到配置端口16。此后，使用任意已知的配置應(yīng)用程序，例如與控制器10以后將要升級到的分布式處理控制系統(tǒng)相關(guān)的配置應(yīng)用程序，用戶對控制器10編程來執(zhí)行使用場裝置45的任意希望種類的一個或多個控制程序設(shè)計程序?？刂破?0最好將本身的配置存儲在存儲器14的永久性的部分，這樣，如果控制器10掉電或碰到一些其它的中斷的話，控制器10的配置不會丟失。
用戶可以通過設(shè)計、創(chuàng)建和下載一套控制應(yīng)用程序或模型到存儲器并且命令處理器12開始執(zhí)行一個或多個這些控制程序來對控制器10進行編程和配置。正如前面所提到的，這些控制程序最好由一個用在特定的分布式處理控制系統(tǒng)中的配置應(yīng)用軟件來設(shè)計，例如DeltaV處理控制系統(tǒng)，這樣這些控制應(yīng)用軟件在這樣一個處理控制系統(tǒng)環(huán)境中是兼容的可用的，控制器10應(yīng)該按比例增加成為這樣的處理控制系統(tǒng)的一部分。
在任意情況下，當通過端口16下載完一個配置后，配置接口46就斷開連接，控制器10開始運行，使用存儲在其中的控制程序來控制過程。如果用戶想要訪問屬于控制器的信息的話，用戶可以將便攜式的操作接口裝置48連接到端口18和20中的一個來訪問寄存器圖30中的寄存器。更進一步，如果用戶將配置裝置46重新連接到通信端口16上的話，控制器可以被重新配置。MODBUS TCP接口端口18的使用為主機提供了可用的用戶接口和應(yīng)用程序，應(yīng)用程序使用這個范例，于是它可以輕松地訪問控制器10。
如果需要的話，控制器10可以通過通信端口18或20中的一個連接到同樣設(shè)計的其它控制器上，這樣并不需要編程完全成熟的分布式處理控制系統(tǒng)就能擴充處理控制系統(tǒng)的能力。特別的，如圖3中所示，第二控制器10a可以連接到控制器10的串口20上，而第三控制器10b可以連接到控制器10a的串口20a上。在這個配置中，控制器10、10a和10b可以作為同一個處理控制系統(tǒng)中的分離控制器一起操作。
但是如果需要的話，獨立的控制器10可以與一個或多個場裝置擴充裝置一起使用，這些擴充裝置用做控制器10的輸入/輸出裝置。在這種情況下，再參照圖3，裝置10a和10b不再是控制器，而只是通過端口20連接控制器10到其它的場裝置45a和45b的復用裝置。此時，裝置10a和10b被編程或配置來給連接到裝置10a和10b上的輸入/輸出端口22a和22b的場裝置45a和45b作為復用裝置操作。裝置10a和10b然后通過端口20a和20b象控制器10發(fā)送信號或從那接收信號，這些信號將要被傳送到場裝置45a和45b或從它們那傳過來。如果需要，擴展裝置10a和10b可以是無線輸入/輸出裝置，可以被編程來與任意想要的或已知的裝置通信協(xié)議兼容，例如Fieldbus協(xié)議、HART協(xié)議等等，還可以使用任意想要類型的復用程序，例如任意與已知的輸入/輸出裝置相關(guān)的典型程序。要理解的是，圖3的配置使用同樣的平臺擴展了控制器10的輸入/輸出能力，這樣減少了一個擴展系統(tǒng)的復雜度。
將要注意的是，因為控制器10的處理器12是直接連接到輸入/輸出端口22中的每一個上，處理器有一個通過這些端口的非常直接(所以很快)的同步控制，于是可以在任何時候與連接到端口22上的場裝置進行通信。實際上，由于是直接連接，再控制器10中不需要復用或總線通信系統(tǒng)(雖然處理器12可以包含交換網(wǎng)絡(luò))，這就與典型的分布式處理控制系統(tǒng)控制器大不相同。由于這個特征，控制器10可以提供快速行動的同步控制，例如相當與5毫秒的控制。
當然，在圖3中表示的系統(tǒng)中，裝置10a和10b是輸入/輸出裝置，控制器10仍然可以直接控制與它相連的每一個場裝置并且可以同步運行，例如，關(guān)于通過擴展裝置10a和10b連接的場裝置的時間同步功能，在一個處理控制系統(tǒng)中是可取的并且通常在分布式的處理控制系統(tǒng)中是必須的。
現(xiàn)在參照圖4，圖2中的控制系統(tǒng)可以輕易的升級成為圖4中大致描述的分布式處理控制系統(tǒng)的一部分。在圖4的這個實施例中，所示的控制器10被連接在具有兩個其它控制器60和62以及一個或多個用戶接口64的分布式處理控制系統(tǒng)50中。用戶接口64和控制器10、60和62被一條總線65連接以提供它們之間的連續(xù)通信，例如一個以太網(wǎng)總線。當然，其它控制器60和62中的每個都是通過一個或多個典型的或已知的本地輸入/輸出裝置69和70連接到其它場裝置上。值得注意的是，控制器1以與圖2中所示的獨立配置中一樣的方式連接到場裝置45。但這里控制器10通過配置通信端口16連接到總線65上，這樣使得在用戶接口64上執(zhí)行的應(yīng)用程序可以在任何需要的時刻配置控制器10。
當圖4中所示的分布式處理控制系統(tǒng)使用在獨立配置中配置控制器10的特殊的程序設(shè)計范例和協(xié)議時，控制器10能夠執(zhí)行和在圖2中所示的配置中一樣的控制程序，除非現(xiàn)在控制器10能夠?qū)顟B(tài)、告警和其它的信息通過以太網(wǎng)連接65傳送到用戶接口64和其它的控制器60和62。在這種方式中，只需要對控制器10的軟件和/或硬件作小的改變，圖2中的處理控制系統(tǒng)可以被擴展、升級或遷移為圖4中的處理控制系統(tǒng)。結(jié)果，在設(shè)備增加規(guī)模以容納圖4中的分布式系統(tǒng)之前，使用圖2中的控制器是非常容易并且便宜的。此時，為圖2中的系統(tǒng)購買或創(chuàng)建的硬件和大多數(shù)的軟件可以用在或轉(zhuǎn)換以后用在如圖4中所示的完整規(guī)模的分布式處理控制系統(tǒng)。因此重新配置的時間也減少了。這種多功能使得控制器10既能夠用作初始的獨立系統(tǒng)又能夠作為更大的分布式處理控制系統(tǒng)的一部分。
當然，在遷移的時候，在分布式處理控制系統(tǒng)中的配置應(yīng)用軟件，例如一個通過用戶接口64中的一個定位和實現(xiàn)的系統(tǒng)，能夠自動的感應(yīng)到控制器10和連接到它上面的裝置的存在(提供了分布式處理控制系統(tǒng)就能夠執(zhí)行自動感應(yīng)功能)，并且能夠?qū)⒖刂破?0的配置上載到一個與整個處理控制系統(tǒng)50相關(guān)的集中配置數(shù)據(jù)庫。這樣的一個配置數(shù)據(jù)庫可以被存儲在諸如用戶接口64中的一個或一個相連的專用的數(shù)據(jù)庫中，例如以太網(wǎng)總線65。此外，通過配置端口16連接到分布式處理控制系統(tǒng)50上的控制器10可以在任何時候通過用戶接口64中的一個配置應(yīng)用軟件進行配置。在這種方式中，控制器10現(xiàn)在發(fā)揮的功能跟其它的控制器60和62類似，它們是分布式處理控制系統(tǒng)50中的標準控制器。
因為控制器10功能多樣，在一些情況下，控制器10可以被用作一個輸入/輸出裝置，例如一個遠端的輸入/輸出裝置，用在一個完整規(guī)模的分布式處理控制系統(tǒng)中取代一個控制器或被加上用作這樣一個系統(tǒng)中的控制器。于是，如果處理控制系統(tǒng)變得足夠大，僅僅把控制器10給分布式處理控制系統(tǒng)中的一個或多個控制器用作一個遠端輸入/輸出裝置，這樣也許是會令人滿意的。在這種情況下，即使當分布式處理控制系統(tǒng)所需要的處理器和/或通信超過了控制器10所有的，控制器10仍然可以方便地在處理控制系統(tǒng)中用作一個輸入/輸出裝置，這樣既減少了升級到一個更大系統(tǒng)所需要地花銷，又可以給設(shè)備使用在系統(tǒng)擴充之前已經(jīng)購買的硬件。圖4也表示了在一個分布式處理控制系統(tǒng)50中，控制器10用作一個遠端輸入/輸出裝置的用法。但是，如果控制器10被用作一個單獨的控制器，這個遠端的輸入/輸出裝置10按照同樣的方式連接到以太網(wǎng)總線65上。當然，裝置10在處理控制系統(tǒng)50中可以按照那個系統(tǒng)中任何其它的遠端I/O裝置可以使用的連接方式進行連接，例如通過與控制器60和62中之一相連的輸入/輸出裝置中的一個。在控制10被用作遠端的輸入/輸出裝置的情況下，控制器10的處理器被配置或編程來給連接到它上面的場裝置45用作輸入/輸出裝置。
控制器10的多功能性使得設(shè)備控制設(shè)計者可以從很小的規(guī)模開始入手，例如只用單一的控制器，但是可以根據(jù)需要很輕松的升級，而不需要開始就購買與大的分布式處理控制系統(tǒng)不兼容或不能用在里面的硬件(例如PLC)。并且，與特定的分布式處理控制系統(tǒng)兼容的控制器10的使用，使得只需要進行少量的重新編程和重新配置工作就可以進行升級。多功能的控制器10減小了或消除了與使用PLC的處理控制系統(tǒng)典型相關(guān)的在時間上增加的特殊的增長和文件編制復雜度，并且也減少或消除了當升級到分布式的處理控制系統(tǒng)時拋棄硬件(和軟件)的需要。
另外，因為控制器10實現(xiàn)了和分布式處理控制系統(tǒng)(例如圖4中的控制系統(tǒng)50)中的其它控制器一樣的程序設(shè)計范例，它可以按照和其它控制器60和62一樣的方式集成到那個系統(tǒng)的配置中。于是，在分布式的處理控制系統(tǒng)50中提供觀察應(yīng)用程序的配置的情況下，例如執(zhí)行在用戶接口64中之一的系統(tǒng)，可以按照對控制器60和62一樣的方法對控制器10進行列表和觀察。
另外，當把控制器平臺10用作遠端I/O裝置時，將處理控制系統(tǒng)50中與控制器10(現(xiàn)在用作I/O裝置)相聯(lián)系的場裝置45與系統(tǒng)50中的其它控制器60和62中的任意一個進行邏輯連接是可能的。實際上，遠端的I/O裝置10的I/O端口的任意一個，都可以映射到處理控制系統(tǒng)50中的任意其它控制器。特別的，當被用作遠端輸入/輸出裝置時，控制器10在處理控制系統(tǒng)50中可以被配置成與系統(tǒng)50中的任意其它實際的控制器進行邏輯連接(或為直接連接)，或?qū)⑺亩丝谥械娜我膺壿嬘成涞较到y(tǒng)50中的任意其它實際的控制器，即使這個遠端的I/O裝置并沒有直接的物理連接到那個控制器的場裝置輸入/輸出端口。例如，在圖4中的系統(tǒng)中，控制器10(被用作遠端的輸入/輸出裝置)的輸入/輸出端口中的一些可以被邏輯連接到控制器60上，并且在這種情況下，裝置10將會把它的信息從這些端口(例如從場裝置45的通信)發(fā)送到控制器60進行進一步處理，并且可以接收從控制器60通過這些端口發(fā)往場裝置45中的任意一個的信息。當然，遠端輸入/輸出裝置10的端口可以被耦合到連接到一個或多個場裝置上的深一層的輸入/輸出裝置上。在這種情況下，對控制器60來說，連接到遠端輸入/輸出裝置10的設(shè)計端口上的輸入/輸出裝置按照輸入/輸出裝置69中一個一樣的方式被連接起來，即使從遠端的輸入/輸出裝置10傳來的信息是通過以太網(wǎng)總線65傳過來的。這個邏輯連接使得遠端輸入/輸出裝置10能夠發(fā)送它的數(shù)據(jù)(例如從與在它的一個端口處連接的一個輸入/輸出裝置相關(guān)聯(lián)的多場裝置45發(fā)出的數(shù)據(jù))，并且使得控制器60可以通過以太網(wǎng)總線65通過這個端口發(fā)送數(shù)據(jù)到場裝置45，這樣遠比單個地發(fā)送單個地址(主包地)類型通信協(xié)議的數(shù)據(jù)有效。此時，由于遠端裝置10知道需要從特定的數(shù)據(jù)端口發(fā)送它的所有數(shù)據(jù)到控制器60，遠端裝置10可以從與單個的大包中的那個端口相關(guān)聯(lián)的相同或不同的場裝置45發(fā)送多個數(shù)據(jù)包。當發(fā)送數(shù)據(jù)到遠端的I/O裝置以發(fā)送到與通用端口相關(guān)聯(lián)的不同的場裝置45時，遠端裝置10可以做同樣的事情。這個結(jié)構(gòu)使得在以太網(wǎng)總線65上可以比單獨發(fā)送每個數(shù)據(jù)包更加有效地利用帶寬，今天，這個已經(jīng)在控制器到通信地控制器類型上做到了。
圖5表示由應(yīng)用軟件產(chǎn)生的配置顯示，描述具有兩個控制器CTLR-FF和CRTL2并且具有兩個充當遠端輸入/輸出裝置的多功能控制器平臺(BRICK_1和BRICK_2)的分布式處理控制系統(tǒng)的配置，如圖5中的顯示所示，控制器CTLR-FF和CTRL2以及遠端輸入/輸出裝置BRICK_1和BRICK_2具有分配的模型(例如程序設(shè)計程序或在其中實現(xiàn)的模型)和與它直接相連接的一個或多個輸入/輸出裝置或卡。輸入/輸出裝置或卡，例如C01、C02和C04，當一個卡C01與控制器CTRL2同時有物理和邏輯關(guān)系的時候，與控制器CTRL-FF物理或邏輯相連。進一步，遠端輸入/輸出裝置BRICK_1和BRICK_2中的每一個都有端口或卡C01、C02和C04同時有物理和邏輯關(guān)聯(lián)。
但是，在圖5中所描述的配置中，BRICK_1裝置的(于是輸入/輸出裝置或卡連接到C02端口)C02端口邏輯的連接(并不是直接的物理連接)到控制器CTRL-FF上或與之相關(guān)聯(lián)，正如在顯示中的CTRL-FF名稱下的REMOTE_IO圖標下面所示。同樣的，BRICK_1裝置的C03端口作為一個遠端輸入/輸出端口邏輯地連接(不是直接的物理連接)到控制器CTRL2上。這個邏輯連接(不同于物理連接)在圖5的顯示中通過BRICK_1圖標的I/O部分下面的C02和C03卡的圖標中的箭頭表示。類似地，BRICK_2裝置的C01、C02和C03端口(于是輸入/輸出裝置連接到這些端口)被邏輯的連接到控制器CTRL2上或與它相關(guān)聯(lián)，正如顯示中的CTRL2名稱下面的REMOTE_IO信息下面所示。另外，BRICK_1的C01卡或端口被BRICK_1用來進行本地控制，在上下文中，這個BRICK_1在處理控制網(wǎng)絡(luò)中用作控制器。
應(yīng)該注意到的是，在由圖5中的配置顯示所描述的處理控制系統(tǒng)中，控制器CTLR-FF和CTRL2和遠端輸入/輸出裝置BRICK_1和BRICK_2都被直接連接到處理控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)總線上，正如為了控制器60和62以及裝置10的圖4中所示。當然，遠端的輸入/輸出裝置可以按照任意想要的方式連接到處理控制器上，并且仍然有它的一個或多個端口邏輯的與系統(tǒng)中的任意控制器相連或與之相關(guān)，即使在控制器中的典型輸入/輸出端口與遠端的輸入/輸出裝置之間沒有直接的物理連接。當進于這個邏輯連接的時候，控制器和遠端的輸入/輸出裝置必須被配置來在需要的連接上提供必要的通信，例如在圖4中的以太網(wǎng)總線65上。在一種情況下，控制器和遠端輸入/輸出裝置中的每個可以具有存儲在其中的通信模式，它們在一個時間段內(nèi)收集在裝置間發(fā)送的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為更大的或更有效的數(shù)據(jù)包的一部分一次性的被發(fā)送出去，于是減小了在以太網(wǎng)總線上或裝置間的其它連接的通信開支。
即將了解到的是遠端輸入/輸出裝置BRICK_1和BRICK_2可以使用圖5中的配置顯示用與控制器CTLR-FF和CTRL2一樣的方式進行操作和重新編程，因為在這個環(huán)境下，遠端輸入/輸出裝置BRICK_1和BRICK_2按照同樣類型的程序設(shè)計范例執(zhí)行，和其它裝置一樣使用兼容的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議。結(jié)果，遠端輸入/輸出裝置BRICK_1和BRICK_2的端口可以被邏輯的連接到任意需要的控制器或其它裝置上，并且這些連接可以按照任意想要的方式指定。例如，通過將BRICK_1裝置的C02端口向上拖動到CTRL_FF REMOTE_IO圖標的下面將其作為一個遠端IO裝置放在這里，圖5的BRICK_1裝置的C02端口就可以邏輯地與控制器CTRL_FF相連。這樣將使得配置軟件然后在控制器CTRL_FF和輸入/輸出裝置BRICK_1中創(chuàng)建和下載必要的通信模型來執(zhí)行與這個邏輯連接相關(guān)的通信。這個普通的通信軟件在文章中是知道的將在下文中做更詳細的描述。當然，在遠端輸入/輸出裝置和控制器(或其它裝置)之間的指定和執(zhí)行邏輯連接的任何其它方法也能被用到。
另外，雖然一個分布式處理控制系統(tǒng)中的遠端輸入/輸出裝置和控制器之間的邏輯連接已經(jīng)使用上面描述的多功能控制器平臺在此進行了描述，還要理解的是，將完整的遠端輸入/輸出裝置的端口與控制器邏輯連接的同一過程，與可與其它類型的遠端輸入/輸出裝置一起使用的系統(tǒng)中的物理連接不一樣，例如現(xiàn)在已經(jīng)存在的，并不限于此處描述的特指類型的遠端輸入/輸出(和控制器)裝置。使用這個技術(shù)，在處理控制系統(tǒng)內(nèi)任何地方物理連接遠端輸入/輸出裝置是可能的，例如不直接連接到控制器的場裝置輸入/輸出端口，在處理控制系統(tǒng)中將遠端輸入/輸出裝置或其單個端口邏輯映射到的任何一個控制器。
如果需要，控制器平臺10可以被包裝在粗糙的或危險的環(huán)境安全包裝或外殼中，可以符合用在一個危險環(huán)境中需要的標準。在一個實施例中，控制器10可以使用無線通信硬件和軟件，可能被密封在耐震的和不穩(wěn)定的安全外殼中防止震動和其它的粗劣的環(huán)境。它也可以存儲和執(zhí)行高級控制、告警和其它的應(yīng)用軟件或模型，這些與分布式的處理控制系統(tǒng)典型相關(guān)來造就功能非常齊全、容易使用和安裝、全能的控制器。更進一步，控制器10的外殼可以用來支撐或把握將要在場中用到的配置裝置或用戶接口裝置，這個配制裝置或用戶接口裝置是用來配置控制器10(當連接到端口16時)或允許操作者觀察與控制器10相關(guān)的狀態(tài)或其它信息(當通過端口18或20中的一個連接到控制器10上時)。
此處描述的配置通信端口16連接到處理器和連接到存儲器意味著通信端口16可以自由的訪問那里來執(zhí)行典型的配置行為。類似的，此處描述的處理器12被直接連接到輸入/輸出端口22，意味著處理器12可以在任何時候訪問這些端口，并不需要通過一個單獨的多路器來訪問。
雖然參照指定的例子，本發(fā)明進行了描述，但這只是說明性的，并不限于本發(fā)明。但是對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本權(quán)利要求書后面的權(quán)利要求書中定義本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行不同形式的改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用來控制過程中的多個裝置的控制器，這個控制器包含一個適于編程以執(zhí)行一個或多個編程程序的處理器；一個耦合到處理器上并適于存儲一個或多個在處理器上執(zhí)行的編程程序的存儲器；通信地連接到處理器上的許多個場裝置輸入/輸出端口；連接到處理器和存儲器上的一個配置通信端口；其中控制器可以作為一個獨立的控制器或作為分布式處理控制系統(tǒng)中許多控制器中的一個進行操作。
2.權(quán)利要求1中的控制器，其中處理器是通用處理器。
3.權(quán)利要求1中的控制器，還包含自適應(yīng)間歇地連接到用戶接口來使得用戶接口可以觀察存儲在存儲器中或處理器中的信息的第二通信端口。
4.權(quán)利要求3中的控制器，其中第二通信端口是MODBUS TCP通信端口。
5.權(quán)利要求4中的控制器，還包含存儲在存儲器中自適應(yīng)被第二個通信端口訪問的寄存器圖。
6.權(quán)利要求3中的控制器，其中第二通信端口是串行通信端口。
7.權(quán)利要求6中的控制器，其中第二個通信端口是RS-485通信端口。
8.權(quán)利要求3中的控制器，還包含存儲在存儲器中可自適應(yīng)地被第二個通信端口訪問的寄存器圖。
9.權(quán)利要求3中的控制器，其中第二個通信端口是MODBUS TCP通信端口，并還包含第三通信端口，這是串行通信端口。
10.權(quán)利要求1中的控制器，其中存儲器包含非易失的部分，它可自適應(yīng)地存儲屬于控制器的配置信息。
11.權(quán)利要求10中的控制器，其中存儲器的非易失部分被自適應(yīng)地存儲一個或多個編程程序。
12.權(quán)利要求1中的控制器，還包含許多的編程程序，并且其中大多數(shù)編程程序與分布式處理控制系統(tǒng)程序設(shè)計范例兼容。
13.權(quán)利要求12中的控制器，其中分布式處理控制系統(tǒng)程序設(shè)計范例與Fieldbus協(xié)議兼容。
14.權(quán)利要求12中的控制器，其中分布式處理控制系統(tǒng)程序設(shè)計范例是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計范例。
15.權(quán)利要求1中的控制器，其中配置通信端口自適應(yīng)間歇地連接到配置裝置，其中當配置通信端口沒有被連接到這個配制裝置上時，這個處理器自適應(yīng)地執(zhí)行一個或多個編程程序。
16.權(quán)利要求1中的控制器，還包含一個或多個編程程序，并其中一個或多個編程程序包含有模糊邏輯控制程序。
17.權(quán)利要求1中的控制器，還包含有一個或多個編程程序，并其中這一個或多個編程程序包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制程序。
18.權(quán)利要求1中的控制器，焊接包含一個或多個編程程序，并其中這一個或多個編程程序包含模型預(yù)測控制程序。
19.權(quán)利要求1中的控制器，還包含一個或多個編程程序，并其中這一個或多個編程程序包含可調(diào)整的調(diào)諧程序。
20.權(quán)利要求1中的控制器，還包含一個或多個編程程序，并其中這一個或多個編程程序包含優(yōu)化程序。
21.權(quán)利要求1中的控制器，還包含有一個或多個編程程序，并其中這一個或多個編程程序包含有告警程序。
22.權(quán)利要求1中的控制器。包含有一個或多個編程程序，并其中這一個或等多的編程程序包含有診斷程序。
23.權(quán)利要求1中的控制器，包含一個與許多場裝置輸入/輸入端口中至少一個相關(guān)聯(lián)的無線發(fā)射機和接收機。
24.權(quán)利要求1中的控制器，還包含抗震外殼，并其中處理器和存儲器都放置在這個抗震外殼中。
25.權(quán)利要求24中的控制器，其中抗震外殼被密封起來。
26.權(quán)利要求24中的控制器，其中抗震外殼自適應(yīng)地在一個環(huán)境危險地點提供安全的外殼
27.權(quán)利要求1中的控制器，還包含一個自適應(yīng)連接到另外的控制器上的第二通信端口；一個輸入/輸出擴充具有一個復用器；通信連接到這個復用器上面的第二多個場裝置輸入/輸出端口；和一個被調(diào)整間歇地連接到另外地控制器上地擴展通信端口；和一個在第二個通信端口和擴展通信端口之間的通信鏈路。
28.一種用于控制過程中多個裝置的控制器，該控制器包含一個適于編程以執(zhí)行一個或多個編程程序的處理器；一個耦合到處理器上并適于存儲一個或多個在處理器上執(zhí)行的編程程序的存儲器；一個連接到處理器和存儲器上的配制通信端口；和一個適于間歇地連接到用戶接口上使得這個用戶接口可以觀察存儲在存儲器或處理器中的信息的第二通信端口。其中，控制器可以作為獨立的控制器或作為分布式處理控制系統(tǒng)中多個控制器中的一個進行操作。
29.權(quán)利要求28中的控制器，還包含第三通信端口，這是串行通信端口。
30.權(quán)利要求29中的控制器，其中，第二個通信端口是MODBUS TCP通信端口。
31.權(quán)利要求29中的控制器，還包含存儲在存儲器中自適應(yīng)被第二通信端口或第三通信端口訪問的寄存器圖。
32.權(quán)利要求29中的控制器，其中第三個通信端口是RS-485通信端口。
33.權(quán)利要求28中的控制器，其中存儲器包含有非易失部分，這部分自適應(yīng)存儲屬于控制器的配置信息。
34.權(quán)利要求28中的，還包含多個的編程程序，并其中多個編程程序與分布式處理控制系統(tǒng)程序設(shè)計范例兼容。
35.權(quán)利要求34中的控制器，其中分布式處理控制系統(tǒng)編程范例是面向?qū)ο蟮木幊谭独?br> 36.權(quán)利要求28中的控制器，其中配置通信端口自適應(yīng)間歇地連接到配置裝置，并當這個配置通信端口沒有被連接到這個配制裝置上時，其中這個處理器自適應(yīng)執(zhí)行一個或多個編程程序。
37.權(quán)利要求28中的控制器，還包含控震外殼，并且其中這個處理器和存儲器被放置在這個抗震外殼中。
38.權(quán)利要求37中的控制器，其中這個抗震外殼自適應(yīng)在環(huán)境惡劣的地點提供安全的外殼。
39.一種用來控制過程中多個裝置的控制器，該控制器包含一個適合編程以執(zhí)行一個或多個編程程序的處理器；一個耦合到該處理器上并適合于存儲要在處理器上執(zhí)行的一個或多個編程程序的非易失存儲器；多個通信地連接到處理器上的場裝置輸入/輸出端口；一個連接到處理器和存儲器上的配置通信端口；和適于間歇地連接到用戶接口上使得這個用戶接口可以觀察存儲器或處理器中信息的第二通信端口其中該控制器可以作為獨立的控制器或用作分布式處理控制系統(tǒng)中許多控制器中的一個進行操作。
40.權(quán)利要求39中的控制器，還包含第三通信端口，這是串行通信端口。
41.權(quán)利要求40中的控制器，其中第二個通信端口是MODBUS TCP通信端口。
42.一種配置具有一個或多個控制器和一個或多個遠端輸入/輸出裝置的分布式處理控制系統(tǒng)的方法，其中每個控制器都有一個與此相關(guān)的場裝置輸入/輸出端口，該方法包含物理通信地連接分布式處理控制系統(tǒng)中各控制器中的一個；物理通信地連接處理控制系統(tǒng)中各遠端輸入/輸出裝置中的一個，而不需要將遠端輸入/輸出裝置中的一個直接地物理連接到控制器中一個的場裝置輸入/輸出端口；并且將遠端輸入/輸出裝置中的一個直接地邏輯通信地連接到控制器中的一個。
43.權(quán)利要求42中配置分布式處理控制系統(tǒng)的方法，其中，邏輯的通信連接的步驟包括將通信程序存儲在每一個控制器中和遠端輸入/輸出裝置中來直接的與另外的控制器通信。
44.權(quán)利要求42中配置分布式處理控制器系統(tǒng)的方法，其中物理通信地連接控制器的步驟包括物理通信地將控制器中的一個連接到一條總線和物理通信的將控制器中的第二個連接到這條總線的步驟，并其中物理通信地連接遠端輸入/輸出裝置的步驟包含物理通信地將遠端輸入/輸出裝置中的一個連接到這條總線上的步驟。
45.權(quán)利要求42中的配置分布式處理控制系統(tǒng)的方法，還包含將遠端輸入/輸出裝置中的一個作為在一個配置層顯示中對控制器中的一個邏輯聯(lián)系顯示出來。
46.權(quán)利要求42中的配置分布式處理控制系統(tǒng)的方法，其中包含物理地將一個邏輯輸入/輸出裝置直接物理連接到控制器中一個的場裝置輸入/輸出端口的步驟。
47.權(quán)利要求42中配置分布式處理控制系統(tǒng)的方法，其中邏輯通信地連接的步驟包含有將遠端輸入/輸出裝置中一個的單獨端口邏輯通信地連接到控制器中一個的步驟。
48.權(quán)利要求47中的配置分布式處理控制系統(tǒng)的方法，還包含將遠端輸入/輸出裝置中一個的第二個單獨端口邏輯通信的連接到這個控制器的一個的第二端口的步驟。
全文摘要
既可以在相對小的處理設(shè)備中被用作獨立的控制器，又可以在一賴于處理設(shè)備需要的分布式處理控制系統(tǒng)中用作許多控制器之一的一種多功能控制器，這種控制器包含處理器可以自適應(yīng)編程執(zhí)行一個或多個編程程序，還包含存儲器，例如非易失存儲器，這個存儲器耦合到處理器上自適應(yīng)存儲一個或多個編程程序在處理器上進行執(zhí)行。這個多功能的控制器也包含許多的通信地連接到這個處理器上的場裝置輸入/輸入端口，還包含一個連接到處理器和存儲器配置通信端口，使得控制器被編程程序和第二通信端口配置，這樣使得用戶接口能夠被間歇地連接到控制器上來觀察存儲在控制器存儲器中的信息。當用在分布式處理控制系統(tǒng)中時，控制器平臺可以被用作遠端的輸入/輸出裝置，并且該遠端輸入/輸入裝置的端口可以按照不同于如控制器和遠端輸入/輸出裝置之間的物理連接的方式，被邏輯地映射到分布式處理控制系統(tǒng)中的控制器上。
文檔編號G05B19/05GK1472610SQ0312066
公開日2004年2月4日 申請日期2003年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月12日
發(fā)明者R·施帕德, K·克里沃舍因, D·克里斯滕森, G·勞, K·伯爾, M·尼克森, R 施帕德, 松, 鎪閨 , 鏤稚嵋 申請人:費舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司