專利名稱：用于過程控制網(wǎng)絡的網(wǎng)絡存取接口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及過程控制網(wǎng)絡，具體而言涉及在具有分布控制功能的過程控制網(wǎng)絡和遠程通信網(wǎng)絡之間傳送數(shù)據(jù)的接口。
背景技術(shù)：
諸如化學、汽油和其它制造與精煉過程之類的過程需要眾多位于各種位置的現(xiàn)場設(shè)備來測量和控制過程參數(shù)以實現(xiàn)過程的有效控制。這些現(xiàn)場設(shè)備例如可以是諸如溫度、壓力和流速傳感器之類的傳感器和諸如閥門和開關(guān)之類的控制單元。過程控制過去是借助人工操作(例如人工讀取液面和壓力計，開啟閥門輪等)來測量和控制過程中的現(xiàn)場設(shè)備。20世紀初，過程控制開始采用本地氣動控制，其中將本地氣動控制器、傳送器和閥門定位器放置在工廠內(nèi)各位置上以實現(xiàn)對某些工廠位置的控制。隨著70年代基于微處理器的分布控制系統(tǒng)(DCS)的出現(xiàn)，分布電子過程控制在過程控制中日益占據(jù)主導地位。
正如所知的那樣，DCS包括一臺模擬或數(shù)字計算機(例如可編程邏輯控制器)，它與諸如電子傳感器、傳送器、電流-壓力換能器、閥門定位器之類分布整個過程線上的眾多電子監(jiān)控設(shè)備相連。DCS計算機存儲并實現(xiàn)集中式并且常常是復雜的控制方案以測量和控制過程中的設(shè)備，從而根據(jù)某些總體控制方案控制過程參數(shù)。但是通常情況下，DCS實現(xiàn)的控制方案都是DCS控制器制造商的專利，由于DCS提供方必然牽涉到系統(tǒng)擴展、升級、重新編程和服務等各個方面，所以其業(yè)務難度大并且價格昂貴。而且由于DCS控制器的專利屬性以及實際情況中DCS控制器提供商有可能不支持其它供應商制造的某些設(shè)備或功能的緣故，特定DCS使用或連接的設(shè)備種類都受到一定的限制。
為了克服在使用擁有專利權(quán)的DCS中存在的固有問題，過程控制業(yè)界研制了大量標準的開發(fā)通信協(xié)議，例如包括HART、PROFIBUS、WORLDFIP、Device-Net和CAN協(xié)議，這些協(xié)議可以使不同制造商提供的現(xiàn)場設(shè)備在同一過程控制網(wǎng)絡內(nèi)使用。實際上，即使現(xiàn)場設(shè)備是由DCS控制器制造商以外的制造商提供，也能夠采用任何遵守其中一個這類協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備在過程內(nèi)完成與DCS控制器或其它支持協(xié)議的控制器之間的通信并受它們控制。
而且在過程控制工業(yè)中現(xiàn)在有一種分散化過程控制的趨勢，它簡化了DCS控制器或者在很大程度上減少了對DCS控制器的需求。通過使諸如閥門定位器、傳送器之類的現(xiàn)場安裝的過程控制設(shè)備完成一種或更多的過程控制功能并隨后在其它完成其它控制功能的過程控制設(shè)備使用的總線結(jié)構(gòu)上交換數(shù)據(jù)實現(xiàn)了分散化控制。為了實現(xiàn)這些控制功能，每個過程控制設(shè)備包括能實現(xiàn)控制功能并能利用標準和開放的通信協(xié)議與其它過程控制設(shè)備進行通信的微處理器。這樣，不同制造商提供的現(xiàn)場設(shè)備就可以在一個過程控制網(wǎng)絡內(nèi)互聯(lián)起來，互相進行通信并完成構(gòu)成控制環(huán)路的一種或多種過程控制功能而無需DCS控制器的干預。由現(xiàn)場總線基金會制訂的稱為FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線(以下稱為“現(xiàn)場總線”)的全數(shù)字兩路總線協(xié)議是一種開放的通信協(xié)議，它允許不同制造商的設(shè)備通過標準總線互相操作和通信以在一個過程內(nèi)實現(xiàn)分散化控制。
于是，過程控制系統(tǒng)從本地通信環(huán)路開始擴展到大規(guī)模通信網(wǎng)絡，其中所述局部通信環(huán)路包括與一個或多個控制器相連的多個現(xiàn)場裝置。然而，當前來說，在過程控制網(wǎng)絡上把現(xiàn)場裝置信息傳輸?shù)狡渌ㄐ啪W(wǎng)絡(可能通過很長的距離)以例如影響性能分析、診斷測試、維修和故障尋找等。實際上，還沒有找到用于傳遞基本級現(xiàn)場裝置信息(諸如，過程控制閥門數(shù)據(jù))的令人滿意的技術(shù)。雖然運用在多個遠程過程控制地點之間的光纖通信可傳遞現(xiàn)場裝置信息，但是這種在地點之間的光纖相互連接很昂貴，而且當多個裝置試圖同時發(fā)送信息時往往會發(fā)生沖突。此外，光纖系統(tǒng)包括復雜的通信控制器，它仲裁總線的用途。由于該系統(tǒng)的每個數(shù)據(jù)傳輸都與在各個現(xiàn)場裝置處的數(shù)據(jù)收集同步，所以停止(stall)數(shù)據(jù)收集同時等待存取光纖線路，而且停止通信同時等待數(shù)據(jù)收集。
在網(wǎng)絡上發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)一般包括通過網(wǎng)絡-網(wǎng)絡連接(一般，局域網(wǎng)-局域網(wǎng)網(wǎng)絡)傳遞封裝信息分組。封裝該分組，而且網(wǎng)絡的每個節(jié)點處都傳遞附加在它上面的參數(shù)，從而信息分組在每個節(jié)點處獲得附加外部信息(extraneous information)并需要處理時間。在每個節(jié)點處，這一延遲使這種傳統(tǒng)遠程通信技術(shù)變慢，而且由于在每次封裝時都附加外部信息而使它成為低效率的。
因此，需要提供一種簡單的接口裝置，它在過程控制網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡或其它遠程地點之間傳送現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)，而無需過程控制網(wǎng)絡中的現(xiàn)場裝置停下操作，同時等待存取通信網(wǎng)絡，并且在網(wǎng)絡的每個節(jié)點處都不需要不必要的處理。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于在通信網(wǎng)絡和過程控制網(wǎng)絡之間連接的接口裝置，它不改變在處理控制網(wǎng)絡中發(fā)生的通信而且不需要把外部外來數(shù)據(jù)附加在通信網(wǎng)絡上的分組。可由執(zhí)行例如與Fieldbus通信協(xié)議相關(guān)的軟件通信協(xié)議的計算機以及處理從單一或多個用戶通過局域網(wǎng)(LAN)或廣播域網(wǎng)(WN)而來的Fieldbus請求的用戶軟件層形成本發(fā)明的接口裝置。用戶軟件層通過網(wǎng)絡連接，向遠程位置提供與在裝置中的Fieldbus通信網(wǎng)絡的直接接口。
根據(jù)本發(fā)明，在通信網(wǎng)絡和過程控制系統(tǒng)之間的接口包括在過程控制系統(tǒng)中操作的通信軟件棧(stack)和接口軟件，它包括監(jiān)測在通信軟件棧上的消息通信量的例行程序、把該消息通信量復制到存儲裝置上的例行程序和允許遠程存取存儲裝置的媒體接口軟件例行程序。
所述接口和操作方法可以獲得許多優(yōu)點。例如，本發(fā)明的接口裝置把監(jiān)測低層現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時(time-critical)操作變換成把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程位置的非定時操作。另一個優(yōu)點是所述接口和方法很一般，而且可以在實際運用標準軟件元件的任一計算機系統(tǒng)上的多種控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡中實現(xiàn)它。此外，有利的是，只傳遞少量數(shù)據(jù)(即，相關(guān)或所需數(shù)據(jù))，而且當通過第二或遠程通信網(wǎng)絡傳輸現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)時，接口顯著地減少了多余的時間消耗和數(shù)據(jù)傳遞大小。
使用本發(fā)明的接口，可以從通過通信總線(諸如，LAN或WAN)與過程控制網(wǎng)絡相連的遠程位置上執(zhí)行或?qū)崿F(xiàn)診斷測試、維護和故障尋找?？梢杂欣?、很快地傳輸消息和信息并在本地用戶和遠程用戶之間異步和獨立地傳輸數(shù)據(jù)，從而避免了同步問題。
附圖概述

圖1是使用Fieldbus協(xié)議的示例過程控制網(wǎng)絡的示意方框圖；圖2是其中具有功能塊的三個Fieldbus裝置的示意方框圖；
圖3是示出位于圖1過程控制網(wǎng)絡的某些裝置內(nèi)的功能塊的示意方框圖；圖4是位于圖1的過程控制網(wǎng)絡內(nèi)的過程控制回路的控制回路示意圖。
圖5是圖1的過程控制網(wǎng)絡的一段總線的宏循環(huán)的時序示意圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明包括網(wǎng)絡存取Fieldbus接口的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的示意方框圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡存取Fieldbus接口的實施例的適當?shù)挠嬎銠C系統(tǒng)的示意方框圖；圖8是示出由本發(fā)明的網(wǎng)絡存取Fieldbus接口執(zhí)行的操作的流程圖；和圖9是示出網(wǎng)絡存取Fieldbus接口實施的幾個例子的示意方框圖。
本發(fā)明的較佳實施方式結(jié)合一過程控制網(wǎng)絡來詳細描述本發(fā)明的網(wǎng)絡存取Fieldbus接口(NAFI)，該過程控制網(wǎng)絡使用一組Fieldbus裝置以分散或分布方式來實現(xiàn)過程控制功能，應注意本發(fā)明的NAFI裝置可與過程控制網(wǎng)絡一起使用，這些網(wǎng)絡使用其它類型的現(xiàn)場裝置和通信協(xié)議(包括依靠除雙線總線之外的其它總線的協(xié)議和支持模擬和數(shù)字通信的協(xié)議)來進行分布控制功能。于是，例如，本發(fā)明的NAFI設(shè)備可用于進行分布控制功能的任何過程控制網(wǎng)絡，即使該過程控制網(wǎng)絡使用HART、PROFIBUS等通信協(xié)議或者現(xiàn)有或?qū)砜砷_發(fā)的任何其它通信協(xié)議。同樣，如果需要的話，可以在過程控制網(wǎng)絡中使用本發(fā)明的NAFI裝置，其中的過程控制網(wǎng)絡并沒有分布式控制功能，而是使用中央控制器或控制方案來控制其中的裝置。
在討論本發(fā)明的NAFI設(shè)備的細節(jié)前，將對Fieldbus協(xié)議、依據(jù)該協(xié)議構(gòu)成的現(xiàn)場裝置以及在使用Fieldbus協(xié)議的過程控制網(wǎng)絡中發(fā)生通信的方式進行總體描述。然而，應理解，雖然Fieldbus協(xié)議是一個為用于過程控制網(wǎng)絡而開發(fā)的相對新的全數(shù)字通信協(xié)議，該協(xié)議在本領(lǐng)域內(nèi)是公知的，且在例如FieldbusFoundation(一個總部設(shè)在德克薩斯州奧斯汀市的公益性組織)出版、分發(fā)和可獲得的大量文章、小冊子和說明書中有詳細描述。尤其是，在公知的來自FieldbusFoundation的通信技術(shù)說明書和用戶層技術(shù)說明書這類手冊中詳細地描述了Fieldbus協(xié)議以及使用該Fieldbus協(xié)議進行通信及把數(shù)據(jù)存儲在裝置中的方式，從而在這里引用其全部內(nèi)容作為參考。
Fieldbus協(xié)議是一種全數(shù)字串行雙向通信協(xié)議，它為位于例如工廠或車間的設(shè)備或過程控制環(huán)境中的諸如傳感器、傳動器、控制器、閥門等雙線回路或總線互連“現(xiàn)場”設(shè)備提供標準化物理接口。實際上，F(xiàn)ieldbus協(xié)議為位于過程中的現(xiàn)場設(shè)備(現(xiàn)場裝置)提供了局域網(wǎng)絡，這樣使這些現(xiàn)場裝置在分布于整個過程設(shè)備中的各個位置處進行控制功能并在進行這些控制功能前后相互通信以實現(xiàn)整個控制策略。由于Fieldbus協(xié)議使控制功能分布于整個過程控制網(wǎng)絡中，所以它減少了中央過程控制器(通常與DCS相連)的復雜性，或完全不需要此控制器。
參考圖1，使用Fieldbus協(xié)議的過程控制網(wǎng)絡10可包括經(jīng)由雙線Fieldbus回路或總線34連到諸如程序邏輯控制器(PLC)13、許多控制器14、另一個主機裝置1 5和一組現(xiàn)場裝置16、18、20、22、24、26、28、30和32等許多其它裝置的主機12?？偩€34包括由橋接裝置30和32分開的不同部分或段34a、34b和34c。每個部分34a、34b和34c互連接在總線34上的裝置的子集，使得在這些裝置子集按以下所述的方式進行通信。當然，圖1的網(wǎng)絡只是示意性的，還有可以使用Fieldbus協(xié)議來構(gòu)成過程控制網(wǎng)絡的許多其它方法。一般，配置器位于諸如主機12等一個裝置中，且負責建立或配置每個裝置(這些裝置是“智能型”裝置，因為它們中的每一個都包括能進行通信和控制功能(在某些情況下)的微處理器)，以及識別什么時候把新的現(xiàn)場裝置連到總線34、什么時候把現(xiàn)場裝置從總線34上除去，識別由現(xiàn)場裝置16-32產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并與一個或多個用戶終端相接，這些用戶終端位于主機12或以任何方式連到主機12的任何其它裝置中。
總線34支持或允許雙向的純數(shù)字通信，且還可給諸如現(xiàn)場裝置16-32等與其相連的任何或所有裝置提供功率信號?；蛘撸b置12-32中的任何或所有裝置可具有它們自己的電源，或者可以經(jīng)由單獨的線(未示出)連到外部電源。雖然在圖1中示出裝置12-32以標準總線型連接連到總線34，其中多個裝置連到構(gòu)成總線段34a、34b和34的同一對線，但Fieldbus協(xié)議還允許其它的裝置/線拓撲結(jié)構(gòu)，包括每個裝置經(jīng)由單獨的雙線對連到控制器或主機(類似于典型的4-20mA模擬DCS系統(tǒng))的點到點連接、每個裝置連到雙線總線(可以是例如過程控制網(wǎng)絡的一個現(xiàn)場裝置中的連接盒或端接區(qū))中的公共點的樹型或“齒輪型”連接。
依據(jù)Fieldbus協(xié)議，可以相同或不同的通信波特速率或速度在不同的總線段34a、34b和34c上發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，F(xiàn)ieldbus協(xié)議提供了所示被圖1中的總線段34b和34c所使用的31.25Kbit/s的通信速率(H1)，以及1.0Mbit/s和/或2.5Mbit/s(H2)通信速率，這兩個速率通常用于高級過程控制、遠程輸入/輸出和高速工廠自動設(shè)備且示出被圖1的總線段34a所使用。同樣，依據(jù)Fieldbus協(xié)議，可使用電壓模式信令或電流模式信令在總線端34a、34b和34c上發(fā)送數(shù)據(jù)。當然，總線34每一段的最大長度沒有嚴格的限制，而是由該段的通信速率、電纜類型、線的尺寸、總線功率選項等來確定。
Fieldbus協(xié)議把可連到總線34的裝置主要分成三類，即基本裝置、鏈路主控(link master)裝置和橋接裝置?；狙b置(諸如圖1的裝置18、20、24和28)可進行通信，即來往于總線34發(fā)送和接收通信信號，但它們不能控制總線34上所發(fā)生的通信的順序或定時。鏈路主控裝置(諸如圖1中的裝置16、22和26以及主機12)是在總線34上進行通信的裝置，它們能控制總線34上通信信號的流程和定時。橋接裝置(諸如圖1中的裝置30和32)是在Fieldbus總線的各段或分支上進行通信并把它們互連來產(chǎn)生較大的過程控制網(wǎng)絡的裝置。如果需要，橋接裝置可在總線34的不同段上所使用的不同數(shù)據(jù)速度和/或不同數(shù)據(jù)信令格式之間進行轉(zhuǎn)換，可放大在總線34的段之間傳播的信號，可對在總線34的不同段之間流動的信號進行濾波且只讓指定將由橋路耦合到的總線段上的裝置接收的那些信號通過，和/或可采取鏈接總線34的不同段所需的其它動作。連接以不同速度操作的總線段的橋接裝置在橋路的較低速度段一側(cè)必須具有鏈路主控容量。主機12和15、PLC 13和控制器14可以是任何類型的Fieldbus裝置，但它們通常是鏈路主控裝置。
裝置12-32中的每一個都能在總線34上進行通信，重要的是，它們能使用該裝置從過程獲取的或經(jīng)由總線34上的通信信號從不同裝置獲取的數(shù)據(jù)獨立地進行一個或多個過程控制功能。因此，F(xiàn)ieldbus裝置能直接實行整個控制策略的一部分，這些部分在過去是由DCS的中央數(shù)字控制器來進行的。為了進行控制功能，每個Fieldbus裝置包括在該裝置內(nèi)的微處理器中實行的一個或多個標準化“塊”。尤其是，每個Fieldbus裝置包括一個資源塊、零個或多個功能塊以及零個或多個轉(zhuǎn)換器(transducer)塊。這些塊叫做塊目標。
資源塊存儲和傳送屬于Fieldbus裝置的某些特性的裝置特定數(shù)據(jù)，例如包括裝置類型、裝置修改指示和是否可在裝置的存儲器內(nèi)獲得其它裝置特定信息的指示。雖然不同的裝置制造商可在現(xiàn)場裝置的資源塊中存儲不同類型的數(shù)據(jù)，但符合Fieldbus協(xié)議的每個現(xiàn)場裝置包括存儲某些數(shù)據(jù)的資源塊。
功能塊定義和實行與現(xiàn)場裝置相關(guān)的輸入功能、輸出功能或控制功能，于是，功能塊一般被叫做輸入、輸出和控制功能塊。然而，將來還存在或開發(fā)出諸如混合功能塊等其它類型的功能塊。每個輸入或輸出功能塊產(chǎn)生至少一個過程控制輸入(諸如來自過程測量裝置的過程變量)或過程控制輸出(諸如發(fā)送到驅(qū)動裝置的閥位置)，同時每個控制功能塊使用算法(實際上可以是專用的)從一個或多個過程輸入和控制輸入中產(chǎn)生一個或多個過程輸出。標準功能塊的例子包括模擬輸入(AI)、模擬輸出(AO)、偏置(B)、控制選擇器(CS)、離散輸入(DI)、離散輸出(DO)、手動裝載機(ML)、比例/微分(PD)、比例/積分/微分(PID)、比率(RA)和信號選擇器(SS)功能塊。然而，存在其它類型的功能塊，也可定義或產(chǎn)生在Fieldbus環(huán)境下操作的新功能塊。
轉(zhuǎn)換器塊把一功能塊的輸入和輸出耦合到諸如傳感器和裝置傳動器等本地(local)硬件裝置，以使這些功能塊可讀取本地傳感器的輸出并命令本地裝置進行諸如移動閥門部件等一個或多個功能。轉(zhuǎn)換器塊通常包含解釋由本地裝置所傳遞的信號以及對本地硬件裝置進行適當控制所需的信息，例如包括識別本地裝置類型的信息、與本地裝置有關(guān)的校準信息等。單個轉(zhuǎn)換器塊通常與每個輸入或輸出功能塊相連。
大多數(shù)功能塊能根據(jù)預定判據(jù)來產(chǎn)生警告或事件指示并能以不同的模式進行不同的操作。總的來說，功能塊可以其中例如功能塊的算法自動操作的自動模式進行操作；功能塊可以其中手動地控制例如功能塊的輸入或輸出的操作者模式進行操作；可以退出模式即功能塊不操作的方式進行操作；功能塊可以其中塊的操作受到不同塊的輸出的影響(確定)的層疊模式進行操作；以及功能塊可以其中一遠程計算機確定塊模式的一個或多個遠程模式進行操作。然而，在Fieldbus協(xié)議中還存在著其它操作模式。
重要的是，每個塊能使用由Fieldbus協(xié)議所定義的標準報文格式經(jīng)由Fieldbus總線34與同一或不同現(xiàn)場裝置中的其它塊進行通信。結(jié)果，功能塊(位于同一或不同裝置中)的組合可相互通信，以產(chǎn)生一個或多個分散控制回路。于是，例如，一個現(xiàn)場裝置中的PID功能塊可經(jīng)由總線34連接到接收第二現(xiàn)場裝置中的AI功能塊的輸出，向第三現(xiàn)場裝置中的AO功能塊發(fā)送數(shù)據(jù)，以及接收AO功能塊的輸出作為反饋以產(chǎn)生與任何DCS控制器分開的過程控制回路。這樣，功能塊的組合把控制功能移出中央DCS環(huán)境，這樣使得CDS多功能控制器可進行監(jiān)督或協(xié)調(diào)功能或把它們一起清除。此外，功能塊為簡化過程結(jié)構(gòu)提供了圖解的面向塊的結(jié)構(gòu)，并且因為這些塊使用一致的通信協(xié)議所以這些功能可分布于不同供應商的現(xiàn)場裝置中。
除了包含和實行塊目標以外，每個現(xiàn)場裝置還包括一個或多個其它的目標，包括鏈接目標、轉(zhuǎn)向目標、警報目標和觀察目標。鏈接目標定義了現(xiàn)場裝置內(nèi)部和跨Fieldbus總線34的塊(諸如功能塊)的輸入和輸出之間的鏈路。
轉(zhuǎn)向目標使功能塊參數(shù)局部轉(zhuǎn)向，以被諸如圖1的主機12或控制器14等其它裝置所訪問。轉(zhuǎn)向目標保留屬于某些例如功能塊參數(shù)的短時期歷史數(shù)據(jù)并以異步方式經(jīng)由總線34把該數(shù)據(jù)報告給其它裝置或功能塊。警報目標在總線34上報告警告和事件。這些警告或事件可相應于在一裝置或一裝置的一個塊內(nèi)所發(fā)生的任何事件。觀察目標是在標準人/機聯(lián)系中所使用的塊參數(shù)的預定分組，觀察目標可被發(fā)送到其它裝置以便隨時觀察。
現(xiàn)在參考圖2，示出三個Fieldbus裝置，它們可以是例如圖1的現(xiàn)場裝置16-28中的任一個，它們包括資源塊48、功能塊50、51或52和變換器塊53和54。在第一裝置中，功能塊50(可以是輸入功能塊)通過變換器塊53耦合到傳感器55，傳感器55可以是例如溫度傳感器，設(shè)定點指示傳感器等。在第二裝置中，功能塊51(可以是輸出功能塊)通過變換器塊54耦合到諸如閥門56等輸出裝置。在第三裝置中，功能塊52(可以是控制功能塊)具有與其相連的轉(zhuǎn)向目標57，用以使功能塊52的輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)向。
鏈接目標58定義了每個有關(guān)塊的塊參數(shù)，警報目標59為每個有關(guān)塊提供了警告或事件通知。觀察目標60與每個功能塊50、51和52相連且包括或集中了與其相連的功能塊的數(shù)據(jù)清單。這些清單包含用于一組所定義的不同觀察中每一個觀察所需的信息。當然，圖2的裝置只是示意性的，在任何現(xiàn)場裝置中可提供其它數(shù)目和類型的塊目標、鏈接目標、警報目標、轉(zhuǎn)向目標和觀察目標。
現(xiàn)在參照圖3，過程控制網(wǎng)絡10的方框圖還示出與定位器/閥門(positioner/valve)16、發(fā)射器20和橋路30相關(guān)的功能塊，其中將裝置16、18和24示為定位器/閥門裝置而將裝置20、22、26和28示為發(fā)射器。如圖3所示，定位器/閥門16包括資源(RSC)塊61、傳感器(XDCR)塊62和大量功能塊，它包括模擬輸出(AO)功能塊63、兩個PID功能塊64和65以及信號選擇(SS)功能塊69。發(fā)射器20包括資源塊61、兩個傳感器塊62和兩個模擬輸入(AI)功能塊66和67。此外，橋路30包括資源塊61和PID功能塊68。
應理解，圖3的不同功能塊可以在多個控制環(huán)路中一起操作(通過沿著總線34進行通信)，而且由環(huán)路識別塊識別其中設(shè)有所示控制環(huán)路中定位器/閥門16、發(fā)射器20和橋路30的功能的控制環(huán)路，其中所述功能識別塊與這些功能塊中的某個功能塊相連(如圖3所示)。于是，如圖3所示，在標為LOOP1的控制環(huán)路中，將定位器/閥門16的AO功能塊63和PID功能塊64以及發(fā)射器20的AI功能塊66相連，同時在標為LOOP2的控制環(huán)路中將定位器/閥門16的SS功能塊69、發(fā)射器20的AI功能塊67以及橋路30的PID功能塊68相連。在標為LOOP3的控制環(huán)路中，連接定位器/閥門16的其它PID功能塊65。
在如圖4所示的這個控制環(huán)路的示意圖中，詳細示出構(gòu)成標為圖3中LOOP1的控制環(huán)路的相互連接的功能塊。從圖4可見，由在定位器/閥門16的AO功能塊63和PID功能塊64以及發(fā)射器20的AI功能塊66之間的通信鏈路完全形成控制環(huán)路LOOP1。圖4的控制環(huán)路示出運用附著這些功能塊的處理和控制輸入及輸出的線路，在這些功能塊之間的通信相互連接關(guān)系。于是，通過總線段34b，包括處理測量或處理參數(shù)信號的AI功能塊66的輸出與PID功能塊64的輸入通信聯(lián)絡地耦合，其中所述PID功能塊64具有包括與AO功能塊63的輸入通信聯(lián)絡耦合的控制信號的輸出。包括例如表示閥門16位置的反饋信號的AO功能塊63的輸出與PID功能塊64的控制輸入相連。PID功能塊64運用這個反饋信號以及來自AI功能塊66的處理測量信號來自實現(xiàn)對AO功能塊63的適當控制。當然，可以在現(xiàn)場裝置內(nèi)執(zhí)行由圖4的控制環(huán)路圖中的線路表示的連接，當帶有AO和PID功能塊63和64的情況下，功能塊在相同現(xiàn)場裝置(例如，定位器/閥門16)內(nèi)，或者通過兩根線通信總線34，運用標準的Fieldbus同步通信，可以實現(xiàn)這些連接。當然，可由在其它結(jié)構(gòu)中通信聯(lián)絡相互連接的其它功能塊來實現(xiàn)其它控制環(huán)路。
為了實現(xiàn)和執(zhí)行通信和控制活動，F(xiàn)ieldbus協(xié)議運用標為物理層、通信“棧(stack)”和用戶層的大致三種技術(shù)。用戶層包括以在任一特定過程控制裝置或現(xiàn)場裝置內(nèi)的塊(諸如功能塊)和目標的形式提供的控制和結(jié)構(gòu)功能。一般由裝置制造商以適當?shù)姆椒▉碓O(shè)計用戶層，但是必須能夠根據(jù)由Fieldbus協(xié)議限定的標準消息格式來接收和傳輸消息，以及功能由用戶以標準方法來設(shè)置。物理層和通信棧必須運用兩根線總線34以標準化方法來影響在不同現(xiàn)場裝置的不同塊之間的通信，而且可由已知的開放系統(tǒng)互連(OSI)分層通信模型來建立它們的模型。
在每個現(xiàn)場裝置和總線34中的與OSI層1相對應的物理層，進行操作以將從Fieldbus傳輸媒體(兩根線總線34)接收到的電磁信號轉(zhuǎn)換成能供現(xiàn)場裝置的通信棧運用的消息。物理層可被認為是總線34，而且在現(xiàn)場裝置的輸入端和輸出端，電磁信號出現(xiàn)在總線34上。
出現(xiàn)在每個Fieldbus裝置中的通信棧包括與OSI層2相對應的數(shù)據(jù)鏈路層、Fieldbus訪問子層和與OSI層6相對應的Fieldbus消息規(guī)范層(specificationlayer)。在Fieldbus協(xié)議中沒有對于OSI層3-5的相應結(jié)構(gòu)。然而，F(xiàn)ieldbus裝置的應用包括層7，同時用戶層是層8，這在OSI協(xié)議中沒有限定。在通信棧中的每個層負責編碼或解碼在Fieldbus總線34上傳輸?shù)囊徊肯⒒蛐盘?。結(jié)果，通信棧中的每一層都附加或去除某些Fieldbus信號，諸如前置信號、起始定界符和結(jié)束定界符，以及在一些情況下，解碼Fieldbus信號的剝?nèi)?stipped)部分以識別應把剩余信號或消息送到哪里去，或者例如由于信號包括用于沒有在接收現(xiàn)場裝置中的功能塊的消息或數(shù)據(jù)，是否應丟棄該信號。
數(shù)據(jù)鏈路層控制總線34上傳輸消息并根據(jù)下面將要描述的被稱為鏈路現(xiàn)行定標器(link active scheduler)的確定的集中總線定標器，管理對總線34的訪問。數(shù)據(jù)鏈路層在傳輸媒體上從信號中去除前置信號，并可以運用接收到的前置信號來使現(xiàn)場裝置的內(nèi)部時鐘與入局Fieldbus信號同步。同樣，數(shù)據(jù)鏈路層將在通信棧上的消息轉(zhuǎn)換成物理Fieldbus信號，而且用時鐘信息對這些信號進行編碼以產(chǎn)生“同步序列”信號，它具有用于在兩根線總線34上傳輸?shù)倪m當前置信號。在解碼處理過程中，數(shù)據(jù)鏈路層認識在前置信號內(nèi)的特定代碼，諸如，起始定界符和結(jié)束定界符，以識別特定Fieldbus消息的開始和結(jié)束，而且可以執(zhí)行檢驗和來驗證從總線34接收到的信號或消息的完整性。同樣，數(shù)據(jù)鏈路層通過將起始和結(jié)束定界符加到在通信棧上的消息并在適當?shù)臅r候?qū)⑦@些信號設(shè)置在傳輸媒體上，來在總線34上傳輸Fieldbus信號。
Fieldbus消息規(guī)范層運用標準消息格式組來允許用戶層(即，現(xiàn)場裝置的功能塊、目標等)通過總線34進行通信，并描述建立要設(shè)置在通信棧上的消息并向用戶層提供所需的通信裝置、消息格式和協(xié)議行為。由于Fieldbus消息規(guī)范層提供用于用戶層和標準化通信，所以對于上述每種目標限定特定Fieldbus消息特定通信業(yè)務。例如，F(xiàn)ieldbus消息規(guī)范層包括目標表(dictionary)業(yè)務，它允許用戶讀取裝置的目標表。目標表存儲描述或識別裝置的每個目標(諸如，功能塊)的目標說明。Fieldbus消息規(guī)范層還提供上下文管理業(yè)務，它允許用戶讀取和改變與裝置的一個或多個目標相關(guān)的被稱作為虛擬通信關(guān)系(VCR)(如下所述)的通信關(guān)系。另外，F(xiàn)ieldbus消息規(guī)范層提供各種訪問業(yè)務、事件業(yè)務、數(shù)據(jù)上裝和數(shù)據(jù)下裝業(yè)務以及程序調(diào)用業(yè)務，在Fieldbus協(xié)議中所有這些都是已知的，因而這里不再詳細描述。Fieldbus訪問子層將Fieldbus消息規(guī)范層映射在數(shù)據(jù)鏈路層中。
為了允許或使得能夠操作這些層，每個Fieldbus裝置包括管理信息基(MIB)，它是存儲VCR、動態(tài)變量、統(tǒng)計學、鏈路現(xiàn)行定標器時間表(link active schedulertiming schedule)、功能塊執(zhí)行時間表和裝置特征和地址信息。當然，可在任何時刻，運用標準Fieldbus消息或命令來訪問或改變在MIB內(nèi)的信息。此外，一般每個裝置設(shè)有裝置說明以使用戶或主機對VFD中的信息有一補充了解。一般必須標為由主機使用的裝置說明存儲主機理解在裝置的VFD中的數(shù)據(jù)音義所需的信息。
應理解，為了運用在處理控制為了中所述的功能塊來實現(xiàn)任何控制策略，相對應在特定控制環(huán)路中的其它功能塊的執(zhí)行，必須精確地安排功能塊的執(zhí)行時間表。同樣，必須精確地安排在總線34上執(zhí)行的在不同功能塊之間的通信，從而在該塊執(zhí)行之前，向每個功能塊提供適當數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，參照圖1描述其中不同現(xiàn)場裝置(和在現(xiàn)場裝置中的不同塊)通過Fieldbus傳輸媒體進行通信的方法。對于發(fā)生的通信，在總線34中的每段上的一個鏈路主裝置(例如，裝置12、16和26)作為鏈路現(xiàn)行調(diào)度器(LAS)進行操作，它現(xiàn)場調(diào)度和控制在總線34的相關(guān)段上的通信。用于總線34的每段的LAS存儲和更新通信時間表(鏈路現(xiàn)行時間表)，它包括調(diào)度每個裝置的每個功能塊以起始在總線34上的周期性通信活動的時間，以及發(fā)生這種通信活動的時間長度。雖然在總線34的每段上有一個并且只有一個現(xiàn)行LAS裝置，但是其它鏈路主裝置(諸如，在段34b上的裝置22)可以用作備份LAS，而且例如當當前LAS出故障上，它編程現(xiàn)行的。在任何時刻，基本裝置都沒有變成LAS的能力。
一般而言，總線34上的通信活動被劃分為重復的宏循環(huán)，每個包含一個用于總線34任一特定段上每個激活功能塊的同步通信和用于總線34某一段上一個或多個激活功能塊或設(shè)備的一個或多個異步通信。即使設(shè)備通過總線34上橋和LASs的協(xié)同操作物理上連接總線34不同的段，設(shè)備也可以是激活的，即發(fā)送數(shù)據(jù)并接收來自總線34任一段上的數(shù)據(jù)。
在每個宏循環(huán)內(nèi)，每個在總線34特定段上激活的功能塊通常在不同但是精確安排的時序(同步)上執(zhí)行，并且以另一精確安排的時序在總線34的該段上發(fā)布其輸出數(shù)據(jù)以響應LAS生成的強制數(shù)據(jù)命令。比較好的是，每個功能塊在功能塊執(zhí)行周期結(jié)束后不久發(fā)布其輸出數(shù)據(jù)。而且不同功能塊的數(shù)據(jù)發(fā)布時序都依次安排好從而使總線34特定段上沒有兩個功能塊是同時發(fā)布數(shù)據(jù)的。在未進行同步通信期間，允許每個現(xiàn)場設(shè)備利用通信驅(qū)動的令牌，以異步模式發(fā)射報警數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)等。完成每個功能塊所需的執(zhí)行時序和時間長度存儲在駐留功能塊的設(shè)備的管理信息庫(MIB)內(nèi)，如上所述，向總線34某一段上每個設(shè)備發(fā)送強制數(shù)據(jù)命令的時序存儲在該段LAS設(shè)備的MIB內(nèi)。由于這些功能塊執(zhí)行或發(fā)送數(shù)據(jù)的時序標明了相對“絕對鏈接安排開始時刻”(對于連接在總線34上的所有設(shè)備來說它都是已知的)的偏離，所以它們一般作為偏離時間存儲。
為了在每個宏循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)通信，LAS(例如總線段34b上的LAS 16)根據(jù)存儲在鏈接激活安排表內(nèi)的發(fā)送時序列表向總線段34b上的每個設(shè)備發(fā)送強制數(shù)據(jù)命令。在接收到強制數(shù)據(jù)命令后，設(shè)備的功能塊在特定時間內(nèi)于總線34上發(fā)布輸出數(shù)據(jù)。由于每個功能塊一般是按照安排執(zhí)行的，從而使得塊的執(zhí)行在塊安排接收強制數(shù)據(jù)命令之前進行，所以響應強制數(shù)據(jù)命令而發(fā)布的數(shù)據(jù)應該是功能塊最近的輸出數(shù)據(jù)。但是如果功能塊執(zhí)行緩慢并且在接收到強制數(shù)據(jù)時未鎖存新的輸出，則功能塊發(fā)布在其最后執(zhí)行期間生成的輸出數(shù)據(jù)并利用時間戳記指示發(fā)布的數(shù)據(jù)是舊數(shù)據(jù)。
在LAS向總線34特定段上每個功能塊發(fā)送強制數(shù)據(jù)命令之后并在功能塊執(zhí)行期間，LAS可以進行異步通信活動。為了實現(xiàn)異步通信，LAS向特定的現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送傳遞令牌報文。當現(xiàn)場設(shè)備接收到傳遞令牌報文時，現(xiàn)場設(shè)備對總線34(或者它的一段)具有完全存取能力并且可以發(fā)送異步報文(例如報警報文、轉(zhuǎn)向(trend)數(shù)據(jù)、操作者設(shè)定點變化等)直到報文完成或者最大分配的“令牌保持時間”到期。隨后現(xiàn)場設(shè)備釋放總線34(或者其任一段)并且LAS向另一設(shè)備發(fā)送傳遞令牌報文。重復這樣的過程直到宏循環(huán)結(jié)束或者直到LAS被安排發(fā)送強制命令數(shù)據(jù)以實現(xiàn)同步通信。當然，根據(jù)報文業(yè)務量和耦合至總線34任一特定段上的設(shè)備和塊的數(shù)量，并不是每個設(shè)備都可以在每個宏循環(huán)內(nèi)接收傳遞令牌報文的。
圖5示出時序圖，表示圖1中總線段34b上功能塊在總線段34b的每次宏循環(huán)期間執(zhí)行的時間和與總線段34b相關(guān)的每次宏循環(huán)期間出現(xiàn)同步通信的時間。在圖5的時序表中，水平軸表示時間，垂直軸表示與圖3中定位器/閥門16和發(fā)射器20的不同功能塊相關(guān)的活動。圖5中以下腳標表示每個功能塊操作的控制回路。因此，AILOOP1指發(fā)射器20的AI功能塊66,PIDLOOP1指定位器/閥門16的PID功能塊64，等等。圖5中，以劃斜線的方框表示每個所示功能塊的塊執(zhí)行周期，而以垂直條表示每個預定的同步通信。
因此，根據(jù)圖5的時序表，在(圖1)總線段34b的任何特定宏循環(huán)期間，AILOOP1功能塊首先在方框70指定的時間周期中執(zhí)行。然后，在垂直條72表示的時間周期中，響應于LAS對總線段34b的強迫數(shù)據(jù)命令在總線段34b上公布AILOOP1功能塊的輸出。同樣，方框74、76、78、80和81分別表示功能塊PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3的執(zhí)行時間(對于每一個不同的功能塊，時間是不同的)，而垂直條82、84、86、88和89分別表示PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3功能塊在總線段34b上公布數(shù)據(jù)的時間。
顯然，圖5的時序圖還示出可供進行異步通信活動的時間，它們可以出現(xiàn)在任何功能塊的執(zhí)行時間中以及宏循環(huán)結(jié)束時沒有功能塊在執(zhí)行和在總線段34b上不發(fā)生同步通信的時間中。當然，如果需要的話，可以有意識地安排不同的功能塊在相同時間上執(zhí)行，例如，如果沒有其它裝置訂購功能塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，不必讓所有的功能塊在總線上公布數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場裝置(field device)利用各裝置棧的Fieldbus存取子層中所定義的三種虛擬通信關(guān)系(VCR)中的一種關(guān)系能夠在總線34上公布或發(fā)送數(shù)據(jù)和消息。對于在總線34上裝置之間排隊、非預定、用戶始發(fā)、一對一的通信，可采用客戶/服務器VCR。根據(jù)這種排隊消息的優(yōu)先級，按照提交進行發(fā)送的次序?qū)λ鼈冞M行發(fā)送和接收,而不改寫以前的消息。因此，當現(xiàn)場裝置從LAS接收一條通過記號消息，將請求消息在總線34上發(fā)送到另一個裝置時，它可以采用客戶/服務器VCR。將請求者稱為“客戶”，將接收請求的裝置稱為“服務器”。當服務器從LAS接收通過記號消息時它發(fā)出一個應答。例如，采用客戶/服務器VCR來實現(xiàn)操作者始發(fā)請求，例如設(shè)定點變化、調(diào)諧參數(shù)存取和變化、報警確認和裝置裝載和卸載。
對于排隊、非預定、用戶始發(fā)、一對多的通信，可以采用報告分布VCR。例如，當具有事件或轉(zhuǎn)向報告的現(xiàn)場裝置從LAS接收通過記號時，該現(xiàn)場裝置將其消息發(fā)送到該裝置通信棧的Fieldbus存取子層中所定義的“組地址”。為在該VCR上收聽而配置的裝置將接收該報告。Fieldbus裝置通常采用報告分布VCR類型來將報警通知傳送操作者控制臺。
對于緩沖、一對多通信，采用出版者/訂購者VCR類型。緩沖通信是僅存儲和傳送最新版本數(shù)據(jù)的通信，因此新的數(shù)據(jù)完全改寫以前的數(shù)據(jù)。功能塊的輸出例如包括緩沖數(shù)據(jù)。當出版者裝置從LAS或從訂購者裝置接收強迫數(shù)據(jù)消息時，“出版者”現(xiàn)場裝置利用出版者/訂購者VCR類型將消息發(fā)布或播放給總線34上所有的“訂購者”現(xiàn)場裝置。預先確定出版者/訂購者關(guān)系并將其限定和存儲在各現(xiàn)場裝置通信棧的Fieldbus存取子層中。
為了保證總線34上的適當?shù)耐ㄐ呕顒?，各LAS周期性地將時間分布消息傳送到與總線段34連接的所有現(xiàn)場裝置，使得接收裝置將它們的局部應用時間調(diào)節(jié)為相互同步。在這些同步消息之間，根據(jù)每個裝置自身的內(nèi)部時鐘，獨立地維持每個裝置中的時鐘時間。時鐘同步允許現(xiàn)場裝置對整個Fieldbus網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)加時間印記，表示例如數(shù)據(jù)是何時產(chǎn)生的。
此外，每個總線段上的各LAS(和其它連接主裝置)存儲“運轉(zhuǎn)清單(1ive list)”，這是一張與該總線段34連接的所有裝置，即對通過記號消息作出適當響應的所有裝置的清單。LAS通過周期性地將探查節(jié)點消息傳送到不在運轉(zhuǎn)清單上的地址，對增加到總線段上的新裝置進行連續(xù)識別。事實上，在每個LAS完成將通過記號消息傳送到運轉(zhuǎn)清單中所有現(xiàn)場裝置的循環(huán)后，需要它對至少一個地址進行探查。如果有一個現(xiàn)場裝置出現(xiàn)在被探查的地址上并接收到探查節(jié)點消息，那么該裝置立即返回一個探查應答消息。在接收探查應答消息時，LAS將該裝置增加到運轉(zhuǎn)清單中并通過將節(jié)點激活消息傳送到被探查的現(xiàn)場裝置而確認。只要現(xiàn)場裝置對通過記號消息作出適當應答該現(xiàn)場裝置便維持在運轉(zhuǎn)清單上。然而，如果在經(jīng)過三次連續(xù)嘗試后現(xiàn)場裝置既沒有采用該記號又沒有立即將該記號返回給LAS，那么該LAS將現(xiàn)場裝置從運轉(zhuǎn)清單中排除。當現(xiàn)場裝置被增加到運轉(zhuǎn)清單中或者從運轉(zhuǎn)清單中排除時，LAS將運轉(zhuǎn)清單中的變化播放給總線34特定一段上的所有其它連接主裝置，允許每個連接主裝置維持當前復制的運轉(zhuǎn)清單。
如上所述，現(xiàn)場裝置及其功能塊之間的通信互連是由用戶確定的并利用位于例如主機12中的配置應用程序在過程控制網(wǎng)絡10中實現(xiàn)。然而，在配置后，過程控制網(wǎng)絡10的操作無需考慮裝置或過程診斷，因此與主機12接口，進行標準I/O功能，但不進行診斷功能。
參照圖6，方框圖示出包括與遠程通信網(wǎng)絡106相連的網(wǎng)絡存取Fieldbus接口(NAFI)105的過程控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡100。所示的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100包括由控制器110(諸如，數(shù)字控制系統(tǒng)控制器)與網(wǎng)絡總線109相連的計算機108、諸如，個人計算機或工作站。通過總線111將計算機108與控制器110相連?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡100通過網(wǎng)絡總線109在節(jié)點114處的連接，與外部或遠程網(wǎng)絡106進行通信，而且包括與網(wǎng)絡總線109直接連接或由橋路裝置118通過本地總線與網(wǎng)絡總線109連接的多個現(xiàn)場裝置116。一般將每個橋路裝置118將來自更高頻總線的數(shù)據(jù)傳遞到較低低頻總線，反之亦然。
NAFI裝置105在網(wǎng)絡總線109和網(wǎng)絡連接終端122之間連接，而網(wǎng)絡連接終端又與遠程網(wǎng)絡106相連。當然，遠程網(wǎng)絡106可以具有任一所需網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，例如包括廣域網(wǎng)(WAN)結(jié)構(gòu)、局域網(wǎng)(LAN)結(jié)構(gòu)、以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)、到電話通信的調(diào)制解調(diào)器連接、無線電發(fā)送連接等。NAFI裝置105是諸如個人計算機、工作站或具有基于特定目的計算機的通信系統(tǒng)或者基于特定目的計算機的過程控制器一類的計算機。NAFI裝置105包括軟件系統(tǒng)124，它作為在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100和遠程網(wǎng)絡106之間的軟件接口并包括標準處理控制網(wǎng)絡通信軟件棧126(諸如，F(xiàn)ieldbus通信軟件棧)和用戶軟件層128。
通信軟件棧126是軟件接口，它控制在處理控制網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的物理層中操作的裝置中的信息通信，即，到達軟件棧126的信息。如上所述，由多個應用程序?qū)⑼ㄐ跑浖?26用于存取在現(xiàn)場裝置中的數(shù)據(jù)，而且通信軟件棧126運用包括Fieldbus協(xié)議的低層協(xié)議處理通信。用戶軟件層128執(zhí)行用戶接口操作來控制NAFI裝置105、控制通信軟件棧126來通過過程控制系統(tǒng)進行通信從而例如檢索來自在過程控制系統(tǒng)100中的一個或多個裝置的特定數(shù)據(jù)、監(jiān)測在包括讀取和寫入操作的通信軟件棧上的指定的消息通信量以及相應數(shù)據(jù)、把指定的消息通信量復制在裝置105內(nèi)的文檔上并通過遠程網(wǎng)絡106把該文檔傳輸?shù)竭h程位置。
當然，當與Fieldbus系統(tǒng)一起使用時，NAFI裝置105通過雙線終端連接與網(wǎng)絡總線109相連，一般將所述雙線終端用于將諸如控制器110、橋路裝置118或現(xiàn)場裝置116一類的裝置與網(wǎng)絡總線109或120相連。然而，NAFI裝置105可以用于Fieldbus網(wǎng)絡以外類型的過程控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡，包括例如Profibus網(wǎng)絡。
參照圖7，高層示意方框圖示出適于用作NAFI裝置105的計算機系統(tǒng)200。圖7的計算機系統(tǒng)200非常一般，而且可用于帶有擴展功能塊和應用的多個結(jié)構(gòu)中。NAFI裝置105(計算機系統(tǒng)200)具有與雙線媒體(諸如，總線)相連或與裝置的雙線媒體連接終端相連的雙線終端塊202。NAFI 105還包括微處理器204、通信接口206、媒體存取單元208和多個存儲單元，諸如，隨機存取存儲器(RAM)210、只讀存儲器(ROM)212和非易失隨機存取存儲器(NVRAM)214。通信接口206是執(zhí)行串行到并行協(xié)議轉(zhuǎn)換和并行到串行協(xié)議轉(zhuǎn)換的電路，而且它根據(jù)其中使用裝置105的過程控制系統(tǒng)的通信協(xié)議的定義將成幀信息加到數(shù)據(jù)分組。如圖7所示，接口206形成在微處理器204和媒體存取單元208之間的接口，其中例如可將媒體存取單元208用于將雙線媒體通信信號轉(zhuǎn)換成通信信號的數(shù)字表示。媒體存取單元208接收來自雙線媒體或來自傳統(tǒng)電源的功率，并向在NAFI裝置105中的其它電路提供該功率。媒體存取單元208還在雙線媒體或總線(圖6的總線109)上執(zhí)行幀成型和信令。
存儲裝置110、112和114向NAFI裝置105提供存儲并與微處理器204相連。如實施例所示，RAM210可以是128千比特存儲單元、ROM212可以是256千比特存儲單元和NVRAM214可以是32千比特非易失存儲單元。
NAFI裝置105在微處理器204中執(zhí)行來自存儲在一個或多個存儲裝置210、212或214中的程序代碼的指令以執(zhí)行通信連接。實際上在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100中的任一計算機系統(tǒng)中都可以實現(xiàn)NAFI裝置105，即可包括在控制器110中、任一橋路裝置118和/或現(xiàn)場裝置116中以及在獨立計算機系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)。
參照圖8，流程圖示出由NAFI軟件系統(tǒng)或裝置105執(zhí)行的操作。在接收用戶命令步驟222中，NAFI軟件系統(tǒng)105接收來自用戶的用戶指令，它包括(1)由本地用戶要求開始數(shù)據(jù)收集和對要監(jiān)測的通信軟件棧126限定特定通信量的命令，(2)由本地用戶要求開始NAFI傳遞文檔的命令，(3)由本地用戶或在遠程位置上的遠程用戶要求將NAFI文檔傳遞到遠程裝置的命令，(4)在遠程源處的命令和從遠程用戶接收到的相應數(shù)據(jù)，和(5)在遠程位置處從遠程用戶接收到的要求傳輸指定的NAFI傳遞文檔的命令。接收用戶命令步驟222一般將中斷驅(qū)動，而且是異步的。
對于要求開始數(shù)據(jù)收集和定義在要監(jiān)測的通信軟件上的特定通信量的命令，選擇通信量和開始數(shù)據(jù)收集步驟224設(shè)定各種條件變量或聲明限定要監(jiān)測的信息通信量以及請求通信軟件棧126把數(shù)據(jù)傳遞要與所要求的數(shù)據(jù)相對應的用戶軟件層128。
對于要求開始NAFI傳遞文檔的命令，執(zhí)行開始NAFI文檔步驟226。在該步驟期間，運用各種應用程序，通過通信軟件棧傳遞數(shù)據(jù)。用戶軟件層128監(jiān)測任一指定的數(shù)據(jù)或所有數(shù)據(jù)(如果需要的話)而不論什么應用程序生成數(shù)據(jù)傳遞。將通信軟件棧126用于與現(xiàn)場裝置進行通信的應用程序的一個例子是ValveLink軟件，它通過控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100與控制閥門進行通信。由Fisher ControlInternational Inc．制造并銷售ValveLink軟件并結(jié)合它的Valveline產(chǎn)品。NAFI軟件系統(tǒng)105可以對于通過通信軟件棧126讀取和寫入的任一對話系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且用戶軟件層128可存取遠程通信的網(wǎng)絡總線109上的任何數(shù)據(jù)。
對于要求把NAFI傳遞文檔送到遠程裝置的命令，發(fā)送NAFI文檔步驟228把在NAFI文檔中的消息和數(shù)據(jù)發(fā)送到例如根據(jù)發(fā)送命令尋址的遠程位置。在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100的控制和數(shù)據(jù)發(fā)送操作期間，根據(jù)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100的通信協(xié)議(諸如，F(xiàn)ieldbus協(xié)議)，被發(fā)送到遠程位置的消息和數(shù)據(jù)包括由通信軟件棧126處理的請求和答復。有幸的是，與以其它形式的數(shù)據(jù)(諸如，發(fā)送整個計算機屏幕或者發(fā)送在通過各種網(wǎng)絡節(jié)點期間附加的處理信息數(shù)據(jù)，)相比，在遠程網(wǎng)絡106上傳遞的信息量很小。于是，NAFI裝置105有利地減小附加時間消耗，以及減小用于通過網(wǎng)絡通信現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳遞大小。通過遠程網(wǎng)絡106將NAFI傳遞文檔發(fā)送到限定的遠程位置，它裝上文檔，從而可獲得由控制系統(tǒng)網(wǎng)絡限定的消息和數(shù)據(jù)以在遠程位置上分析和顯示，而在遠程診斷和關(guān)于裝置狀態(tài)和問題的詢問和調(diào)查期間，它又可允許遠程用戶運行與由本地用戶執(zhí)行的應用相對應的應用以重新產(chǎn)生操作和測試條件。當然，遠程用戶必須具有適當?shù)能浖斫獯a和解密從NAFI裝置發(fā)出的數(shù)據(jù)含義。在任一情況下，運用NAFI裝置105的數(shù)據(jù)通信有利地允許遠程診斷測試、維護和故障尋找。此外，由于在本地用戶和遠程用戶之間異步和獨立地發(fā)送數(shù)據(jù)從而避免了同步問題，所以運用NAFI裝置105，有利快速地發(fā)送消息和信息。此外，相對于數(shù)據(jù)的收集，異步發(fā)送數(shù)據(jù)和消息，從而有利地使數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)發(fā)送不相干，這阻止當網(wǎng)絡通信連接不可獲得時停止數(shù)據(jù)收集和在等待數(shù)據(jù)收集的同時停止通信的瓶頸情況。
對于從遠程源接收到的命令和相應數(shù)據(jù)，接收遠程發(fā)送步驟230接收命令和數(shù)據(jù)并運用標準通信裝置(諸如，與由控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100使用的通信協(xié)議相關(guān)的軟件通信棧)，開始在本地控制系統(tǒng)網(wǎng)絡100上的任一命令操作。
在監(jiān)測棧步驟232中，NAFI軟件系統(tǒng)124監(jiān)測在由用戶指定的通信軟件棧126上的消息通信量。響應于在選擇通信量和起動數(shù)據(jù)收集步驟224中提出的由通信軟件棧126將數(shù)據(jù)傳遞到用戶軟件層128的請求，使通信量可由用戶軟件層128獲得。消息通信量包括在過程控制操作期間由通信軟件棧126發(fā)出的請求和答復。
復制消息通信量到文檔步驟234將讀取和寫入請求和數(shù)據(jù)復制到NAFI文檔。NAFI文檔可以是指定用于存儲特定信息(諸如，關(guān)于特定現(xiàn)場裝置或閥門的信息)的多個NAFI文檔中的一個文檔，而且這些文檔可被存儲在NAFI裝置105的存儲單元210或214的之一中。
顯然，NAFI裝置105是作為帶有NAFI軟件系統(tǒng)124的計算機系統(tǒng)實現(xiàn)的簡單的系統(tǒng)，從而有利地避免了運用包括光纖鏈路和變換器的昂貴復雜的高速通信工具。
現(xiàn)在，參照圖9，示意方塊圖示出用于在一個或多個過程控制元件和遠程元件之間進行通信的網(wǎng)絡存取Fieldbus接口的幾種可行的實施例。根據(jù)如圖6所示的NAFI連接，示出NAFI裝置105。此外，示出將NAFI裝置或接口302加入控制器110中。NAFI裝置302可與遠程網(wǎng)絡106直接連接或者通過另一個NAFI裝置304的連線與其相連(示出NAFI-NAFI連接)。類似地，計算機可以加入與遠程網(wǎng)絡106直接相連或者通過到NAFI裝置304的連線與其相連的NAFI裝置306。還可將本發(fā)明的網(wǎng)絡存取接口加入到包括任何橋路裝置118和/或現(xiàn)場裝置116中去，其中所述現(xiàn)場裝置可以是流體控制閥門或者其它任一種現(xiàn)場裝置(諸如，敏感器、發(fā)射機、壁式安裝面板等)。示出加入橋路118的NAFI裝置308和加入一個現(xiàn)場裝置116的NAFI裝置310直接與遠程網(wǎng)絡106相連，但是如果需要的話可以通過另一個NAFI裝置間接連接。
當然，本發(fā)明的網(wǎng)絡存取接口可以執(zhí)行所需的其它功能，而且可以任一所需順序來執(zhí)行功能的任一組合以影響在過程控制網(wǎng)絡和遠程網(wǎng)絡之間的通信。此外，雖然最好在存儲在例如過程控制裝置、控制器或個人計算機中的軟件中執(zhí)行所述網(wǎng)絡存取接口，但是如果需要的話，也可以在硬件、固件等中執(zhí)行它。即，所述的處理器可以包括任一硬線連接的邏輯陣列或設(shè)計用來實現(xiàn)這里所述的功能性的其它固件裝置。如果在軟件中實現(xiàn)，那么可把本發(fā)明的網(wǎng)絡存取接口存儲在任一計算機可讀存儲器中，諸如在磁盤、激光盤或其它存儲媒體上、在計算機等的RAM或ROM中等等。同樣，通過例如包括通過通信信道(諸如，電話線、互連網(wǎng)等)的任一已知或所需傳遞方法，可將這個軟件傳遞到用戶或者裝置。此外，雖然描述網(wǎng)絡存取接口裝置根據(jù)開放系統(tǒng)互連(OSI)分層通信模型來執(zhí)行或運用通信軟件棧來執(zhí)行在過程控制系統(tǒng)中的通信功能，但是應理解，可由執(zhí)行標準通信功能的任一軟件根據(jù)通信協(xié)議來執(zhí)行這個通信軟件棧，無論是否以諸如在OSI模型中所述的棧形式執(zhí)行這些功能。
于是，雖然參照只用于說明而不是限定本發(fā)明的特定例子描述本發(fā)明，但是對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員而言，可對所述實施例進行增加和刪除而不偏離本發(fā)明的原理和范圍是顯而易見的。
權(quán)利要求
1．一種位于通信網(wǎng)絡和過程控制系統(tǒng)之間的接口，其特征在于包括處理器；耦合到所述處理器的存儲裝置；在所述處理器上執(zhí)行的軟件系統(tǒng)，包括在所述過程控制系統(tǒng)中進行操作的通信軟件棧；監(jiān)測所述通信軟件棧上的消息通信量的監(jiān)測例行程序，把所述消息通信量復制到存儲裝置的復制例行程序，以及使能夠?qū)λ龃鎯ρb置進行遠程存取的媒體接口例行程序。
2．如權(quán)利要求1所述的接口，其特征在于通信軟件棧包括控制使用雙線雙向回路供電的數(shù)字通信協(xié)議的過程控制系統(tǒng)中的通信的控制例行程序。
3．如權(quán)利要求1所述的接口，其特征在于通信軟件棧包括控制使用Fieldbus協(xié)議的過程控制系統(tǒng)中的通信的控制例行程序。
4．一種軟件程序，在通信網(wǎng)絡和用于在處理器中執(zhí)行的過程控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)接口，所述處理器耦合到存儲裝置且包括在過程控制系統(tǒng)中進行操作的通信軟件棧，其特征在于所述軟件程序包括監(jiān)測所述通信軟件棧上的消息通信量的接口例行程序；把所述消息通信量復制到所述存儲裝置的復制例行程序；以及允許使用所述通信網(wǎng)絡對所述存儲裝置進行遠程存取的媒體接口例行程序。
5．一種制品，在通信網(wǎng)絡與用于在處理器中執(zhí)行的過程控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)軟件程序接口，所述處理器耦合到存儲裝置且包括在過程控制系統(tǒng)中進行操作的通信軟件棧，其特征在于所述軟件程序包括監(jiān)測所述通信軟件棧上的消息通信量的接口例行程序；把所述消息通信量復制到所述存儲裝置的復制例行程序；以及允許使用所述通信網(wǎng)絡對所述存儲裝置進行遠程存取的媒體接口例行程序。
6．一種適用于耦合在遠程通信網(wǎng)絡和過程控制系統(tǒng)之間的接口，所述過程控制系統(tǒng)使用一通信協(xié)議來實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)內(nèi)的裝置之間的通信，其特征在于所述接口包括數(shù)據(jù)存儲裝置；耦合在所述數(shù)據(jù)存儲裝置和所述過程控制系統(tǒng)之間的通信裝置，所述通信裝置適用于在使用所述通信協(xié)議的過程控制系統(tǒng)上通信并檢索來自所述過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；耦合到所述數(shù)據(jù)存儲裝置、所述通信裝置和所述遠程通信網(wǎng)絡的控制器，所述控制器把所檢索的數(shù)據(jù)存儲在存儲裝置中，經(jīng)由所述遠程通信網(wǎng)絡來傳送所述存儲裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)以及控制所述通信裝置的操作。
7．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述通信裝置包括通信軟件棧，所述棧具有在使用雙線雙向回路供電的數(shù)字通信協(xié)議的過程控制系統(tǒng)中通信的通信例行程序。
8．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述通信裝置包括通信軟件棧，所述棧實現(xiàn)所述過程控制系統(tǒng)內(nèi)的通信。
9．如權(quán)利要求8所述的接口，其特征在于所述通信軟件棧是依據(jù)開放式系統(tǒng)互連的分層通信模型構(gòu)成的，以實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)內(nèi)的通信。
10．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述通信協(xié)議為Fieldbus通信協(xié)議。
11．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述通信裝置包括處理器，所述處理器實現(xiàn)向使用所述通信協(xié)議的過程控制系統(tǒng)內(nèi)一裝置請求數(shù)據(jù)的第一例行程序、接收來自所述過程控制系統(tǒng)的被請求數(shù)據(jù)的第二例行程序以及把接收到的數(shù)據(jù)傳遞到控制器的第三例行程序。
12．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述通信裝置包括處理器，所述處理器實現(xiàn)監(jiān)測所述過程控制系統(tǒng)內(nèi)的通信數(shù)據(jù)的第一例行程序、識別控制器所指定的特定通信數(shù)據(jù)的第二例行程序以及把所述特定通信數(shù)據(jù)傳遞到控制器的第三例行程序。
13．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述控制器適用于接收指定所述過程控制系統(tǒng)內(nèi)的特定數(shù)據(jù)的消息，所述控制器適用于控制所述通信裝置檢索來自所述過程控制系統(tǒng)的特定數(shù)據(jù)并適用于響應于所述消息把所述特定數(shù)據(jù)存儲在所述存儲裝置中。
14．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述控制器適用于接收請求經(jīng)由遠程通信網(wǎng)絡來傳遞存儲在所述存儲裝置中的特定數(shù)據(jù)的消息，所述控制器包括響應于所述消息經(jīng)由遠程通信網(wǎng)絡來傳遞來自所述存儲裝置的所述特定數(shù)據(jù)的例行程序。
15．如權(quán)利要求14所述的接口，其特征在于所述控制器適用于接收來自所述遠程通信網(wǎng)絡的所述消息。
16．如權(quán)利要求14所述的接口，其特征在于所述控制器適用于接收來自所述過程控制系統(tǒng)的所述消息。
17．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述控制器把所述數(shù)據(jù)存儲在所述存儲裝置中，此步驟與所述控制器經(jīng)由所述遠程通信網(wǎng)絡來傳遞存儲在所述存儲裝置中的所述數(shù)據(jù)不同步。
18．如權(quán)利要求6所述的接口，其特征在于所述遠程通信網(wǎng)絡是一局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。
全文摘要
一種位于遠程通信網(wǎng)絡和過程控制系統(tǒng)之間的接口包括存儲裝置、通信軟件棧和用戶軟件層。用戶軟件層通過指令通信軟件棧在使用過程通信協(xié)議的過程控制系統(tǒng)中操作、通過監(jiān)測通信軟件棧上的消息通信量以及通過把被請求的消息通信量復制到存儲裝置來實現(xiàn)遠程通信網(wǎng)絡與過程控制系統(tǒng)之間的相接。用戶軟件層還包括媒體接口軟件,該軟件允許遠程通信網(wǎng)絡存取存儲裝置,從而把特定數(shù)據(jù)傳遞到連到該遠程通信網(wǎng)絡的裝置。
文檔編號G05B19/04GK1232558SQ97198546
公開日1999年10月20日 申請日期1997年10月2日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月4日
發(fā)明者L·K·布朗, H·A·伯恩斯, B·H·拉森 申請人:費希爾控制國際公司