专利名称：远程处理和协议转换的接口模块的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及过程控制系统，更具体地说，涉及远程处理和协议转换的接口模块。
背景技术：
过程控制系统，例如用于化学、石油或其它过程中的过程控制系统，通常包括至少一个集中式过程控制器，该过程控制器通过模拟和/或数字总线或者其它通信线路或通道，通信连接到至少一个主机或操作员工作站以及一或多台现场设备。现场设备可以是例如阀、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)等，这些现场设备执行该过程中的诸如打开或关闭阀以及测量过程参数的功能。过程控制器通过输入/输出设备接收表示由现场设备进行的过程测量的信号和/或属于现场设备的其它信息，过程控制器使用这些信息来实施控制程序，然后产生控制信号，而且这些控制信号通过总线或其它通信线路并经由输入/输出设备被发送至现场设备，以控制过程的运行。来自现场设备和控制器的信息通常可以被由操作员工作站执行的一或多个应用程序获得，以使操作员能够执行关于该过程的任何需要的功能，例如，查看过程的当前状态，修改过程的运行，对过程进行配置，以及对过程进行文档记录等。
在过去的大约十年间，具有微处理器和存储器的智能现场设备已经普遍用于过程控制行业中。除了执行过程中的主要功能以外，智能现场设备还可以保存属于设备的数据，以数字或数字及模拟混合的形式与控制器和/或其它设备进行通信，并且执行诸如自标定、辨识以及诊断之类的次级任务。
在过去，标准通信协议被开发出来，以使由不同制造者制造的控制器和现场设备能够使用标准形式来进行数据交换。但是，在很多情况下，通信协议的变化使其适合用于某些环境中，而其它协议也许更适合用于其它地方，甚至是在同一工厂或设备中也是这样。例如，虽然4-20毫安培(“mA”)协议具有良好的抗扰度，但是其需要专用布线。而高速以太网(HSE)协议虽然速度很快，但是其通常需要昂贵的重布线。其它的协议，例如控制器局域网络(“CAN”)、HART、H1、FoundationTM现场总线(“Fieldbus”)、执行器传感器接口(“AS-Interface”或“ASI”)和其它协议，它们都具有包括电缆敷设路径的最大长度、多点/单点性、本质安全性(对于爆炸环境下)、抗扰度、反向兼容性、附加功率等在内的特征和缺点。有些情况下，这些特征通常规定一种协议的用法和与其相关的布线，即使该协议并不适用于整个工厂或设备。因此必须进行调整以处理这些缺点。例如，为了弥补短距离的布线敷设路径，工厂可以利用这样一种配置，即将单一现场过程控制模块连接至使用一种协议的单一控制板。接着，控制板与中央控制器通过更适于这种连接的第二协议而进行通信。例如，3051S高级模块可以通过CAN网络连接至现场总线特征板(feature board)，而且现场总线特征板与中央控制器或其它上流数据管理器使用HI协议网络进行通信。这种结构可解决有关不兼容布线和协议的问题，但其仍旧相对昂贵，并且也相对难以维护。
附图用于根据本发明进一步说明各实施例并解释各原理和优点，在附图中，各个视图中相同的附图标记表示同样的或功能相似的部件，并且附图与以下详细说明一起合并于说明书中并构成说明书的一部分，其中图1是现有技术的过程控制系统的简化示意方框图；图2是采用增强了的协议转换的过程控制系统的简化示意方框图；和图3是远程处理和协议转换的接口模块的简化示意方框图。
具体实施例方式
虽然本发明可以有许多不同形式的实施例，但附图中所表示的和在此将详细描述的为本发明的优选实施例，并且可以理解，本公开被认为是本发明原理的示例，而并不用于将本发明的主要方面限制在所示例的实施例。
参见图1，其为现有技术的过程控制系统的方框图。第一现场设备102a通过网络106连接至第一现场总线板104a。网络106中的数据利用诸如CAN的第一协议进行传送。另一现场设备102n可被展示并利用另一网络112和相应协议而与另一现场总线板104n进行通信。这两个网络106、112可以使用相同的协议，但是诸如距离的因素或诸如电磁干扰(“EMI”)的环境条件指示出两个网络106、112在拓扑和协议上都有所不同。现场设备102a-n可以是诸如阀、阀定位器、开关、马达之类的任意的执行器，或用于检测诸如温度、压力、液位、流速之类的传感器。
每一现场总线板104a-n可被编程为与相应现场设备102a-n进行数据的发送和接收。所发送的数据可以包括设置执行器的指令、当前状态的请求，或者诸如现场设备健壮性状况的请求。从现场设备102接收到的数据可以包括例如对设置请求的确认、对其它请求的响应，或者警报。在有些实施例中，现场总线板104可以使用例如HSE的更高速网络116，来与过程控制器114进行通信。
在大多数情况下，一方面由于速度和灵活性，而另一方面由于强度、可编址性和数据完整性，在现场设备102与过程控制器114之间不能使用单一网络和协议。现场总线板104a-n提供本地指令和监控服务、各个数据网络之间的数据转换和协议变换。不过，每一现场总线板都给电源电子设备、协议转换器、存储器和处理器带来开销。
图2为本发明过程控制系统的简化示意方框图。接口模块200被连接至多个现场设备102a-n。如上所述，多个现场设备102a-n可以包括传感器和执行器。一或多个网络204a-n及其相应协议可被结合而在接口模块200与多个现场设备102a-c之间通信。例如，支持诸如CAN协议的第一网络204a，可以将多个现场设备中的几个设备102a-b与接口模块200相连接，而支持诸如ASI协议的第二网络204n，用于将多个现场设备102n中用102n表示的其它设备连接至接口模块200。接口模块200通过例如HSE的第三网络210与过程控制器114进行通信。能够与多个现场设备102a-n和至少一个过程控制器114进行通信的接口模块200，允许共享公共开销的电子设备，并能减少本地敷设和电源布线，从而可降低维护和升级费用。
图3为用于过程控制系统中的远程处理和协议转换的接口模块的简化示意方框图。该接口模块200至少具有一个端口302a，用于与至少一个现场设备102a进行通信。该端口302a可以与另一现场设备102b使用对这两台现场设备为公共的网络308、例如CAN进行通信。另外的现场设备端口例如端口302b，可以用来与更多的现场设备，例如利用诸如ASI的另一网络314与现场设备102n进行通信。端口316则利用诸如HSE的高速或多点网络318，将接口模块200与过程控制器114或网络服务(未示出)相连接。控制器320连接现场设备端口302a-b和端口316。端口302a-b和316中的每一端口均可结合用于实现通信需求的特定协议处理器，例如但不局限于数据缓冲器、误差检测和校正、打包化、电平移动器、编码器和解码器(“编码解码器”)。
控制器320包括通信接口322，以将现场设备端口302a-b连接至多个变换器功能块324。所述多个变换器功能块324依次与多个模拟功能块326相连接。总的来看，一个变换器功能块324和相应一个模拟功能块326构成了多个过程功能模块328中的一个。
通信接口322控制现场设备端口302a-b与适当的一个变换器功能块324之间的数据传送。变换器功能块324可由HSE标准定义为具有定制功能。例如，对于测量需要变换器功能块324，并且尤其是正在进行的测量。测量的例子为压力和温度的测量。在一示例性实施例中，现场设备102a可提供对应于温度的脉冲编码读数，该读数被格式化为通过CAN协议网络308进行传输。端口302a可接收和处理CAN信号，而接口模块322可操作以将所述CAN信号转换并传送到分配给特定现场设备102a的变换器功能块324。变换器功能块324使用适于现场设备102a这种类型的方法，将所述数据转换为测量值。现在被转换为原始温度的测量值，其被传输给对应的模拟功能块326。该模拟功能块326可运行，以将这些原始温度读数转换为由适用标准所定义的通用格式，例如摄氏度的格式以用于过程控制。当所有转换和处理完成以后，数据被传输到端口316，且在端口316处所述数据通过用于传输的协议堆栈而被传输到过程控制器114。
一般地，现场设备102a-n可提供需要转换为读数的原始数字信号。在变换器功能块324中执行的其它许多可能的功能，是对不需要数据转换的读数进行放大和格式化。模拟功能块326为标准模块，并可以被配置为输入端或输出端。模拟功能块326接收任何测量值，并将所接收的测量值转换为用于控制策略中的适合通用格式。模拟功能块326还可以实施控制策略或执行其它过程功能。模拟功能块326连接至端口316，且在端口316处实现协议转换、格式化以及低电平通信堆栈功能。
在运行中，控制器320被编程，以通过第一端口302a从多台现场设备102a-b中的每台设备接收在第一网络308上传送的数据。控制器320实现多个变换器功能块324和模拟功能块326，并将这两者相结合而形成多个过程功能模块328。每个过程功能模块328被指定给现场设备102a-n中的一台设备，并适于执行诸如数据变换、极限检查、警报管理以及预定健康查询之类的过程控制功能。多个变换器功能块324和模拟功能块326，根据其相应现场设备类型和功能的特定编程来处理数据。在一实施例中，所述多个过程功能模块328，即变换器/模拟功能块对，中的至少一个被编程，以处理在第一端口302a接收的CAN命令。过程功能模块328创建用于第二网络318中的处理数据，并通过第二网络的端口316且使用例如HSE的第二协议将所述处理数据传输到第二网络318。
控制器320可被编程，以不仅提供关于多个现场设备102a-n的诊断数据，并且报告关于接口模块200自身的诊断数据。这些诊断报告可被传到上游过程控制器114或过程监控器(未示出)。控制器320可被进一步编程以实现电子邮件服务。控制器320可以通过经由端口316发送的邮件消息来发送操作数据，该操作数据包括关于接口模块200或者关于多台现场设备102a-n中的一台设备的警报消息。所述邮件消息的接受者可以是待命维护人员、工程师或工厂的其它管理人员，以及适于处理电子邮件通知的计算机或控制器(未示出)。
与现场设备102a-n进行通信用的第一网络308，其可以为CAN网络、HART网络、MOD总线网络、4-20ma网络以及其它网络，其中过程功能模块328中的相应一个模块适于对此协议进行解码。第二网络可以为HSE网络，或支持网际协议(IP)包的其它网络。
通过来自过程控制器114或其它网络设备的消息，可对接口模块200进行远程化编程。这样的编程消息可通过网际协议消息或其它支持协议来进行接收。
用于构建所述接口模块的组件是已知的并且是可获得的。支持主协议的集成电路可从商业供应商处获取。类似地，所述控制器可以为或包括来自商业半导体公司的一或多个微处理器，并且所述微处理器以适合特定应用场合的语言进行编程。例如，高时临界控制应用场合以汇编语言进行编程，而稍差的临界监控功能可以用C语言进行编程。在需要对电源进行操作的地方，可以使用定制或半定制集成电路。对本领域的普通技术人员来说，软件与逻辑之间的功能变换是已知的。
将多个现场设备与单一接口模块200进行连接的能力，以及为每一特定现场设备实施多个过程功能模块328的能力，为分布式过程控制带来新的复杂程度。增强的通讯、再规划、远程再编程能力均被结合在接口模块中，以支持多种现场设备和网络协议。
在上文中讨论和描述了通过远程处理和协议转换的接口模块来管理现场设备的方法和装置的各种实施例。可以期望，根据本发明的这些实施例或其它实施例会应用在很多种过程控制状况下，且在这些过程控制状况中操作用户可希望管理多台现场设备，从而降低成本并增加可维护性。有利地是，使用在此公开的原理和概念，允许或提供完善的过程控制以及对编程和警报通知的改进的可及性。
权利要求
1.一种用于过程控制系统中的接口模块，该过程控制系统包括支持第一协议的第一网络和支持第二协议的第二网络，且第一网络具有多台现场设备，所述接口模块将第一网络可操作地连接至第二网络，该接口模块包括用于连接第一网络的第一端口；用于连接第二网络的第二端口；和可操作地连接在第一端口与第二端口之间的控制器，该控制器包括处理器和可操作地连接至所述处理器的存储器，所述控制器被编程，以通过第一端口从所述多台现场设备中的每台设备接收使用第一协议传送的数据；实现适于执行过程控制功能的多个过程功能模块，所述多个过程功能模块中的每个模块对应于所述多台现场设备中的相应一台设备，所述多个过程功能模块处理来自其相应现场设备的数据，以创建用于第二网络中的处理数据；以及通过第二端口且使用第二协议将所述处理数据传输到第二网络。
2.如权利要求1所述的接口模块，其中第一网络为控制器局域网络(CAN)。
3.如权利要求1所述的接口模块，其中第一网络为HART网络。
4.如权利要求1所述的接口模块，其中第一网络为MOD总线网络。
5.如权利要求1所述的接口模块，其中第二网络为高速以太网。
6.如权利要求1所述的接口模块，其中第二网络为FOUDATION现场总线高速以太网。
7.如权利要求1所述的接口模块，其中所述多个过程功能模块中的每个模块被编程以处理在第一端口接收到的CAN命令。
8.如权利要求7所述的接口模块，其中第一网络为CAN网络，而且第二网络为高速以太网。
9.如权利要求1所述的接口模块，其中所述控制器被编程以实现通信接口，用于从所述多台现场设备之一接收以第一协议编码的消息。
10.如权利要求9所述的接口模块，其中所述接口模块包括第三端口，而且所述控制器被编程以实现第二通信接口，用于通过第三端口接收以第三协议编码的消息。
11.如权利要求1所述的接口模块，其中所述控制器被编程，以支持通过第二端口传送的网际协议(IP)消息。
12.如权利要求1所述的接口模块，其中所述控制器被编程，以提供关于一个所述接口模块以及所述多台现场设备之一的诊断数据。
13.如权利要求1所述的接口模块，其中所述控制器被编程以通过第二端口发送电子邮件消息。
14.如权利要求13所述的接口模块，其中所述电子邮件消息包括有关一个所述接口控制器以及所述多台现场设备之一的状况的警报消息。
15.一种过程控制系统，包括具有多台现场设备的第一网络，该第一网络支持第一协议；支持第二协议的第二网络；和将第一网络连接至第二网络的接口模块，该接口模块可操作，以从所述多台现场设备中的每台设备接收使用第一协议传输的数据消息；对所述数据消息执行过程控制功能，以创建变换消息；以及将所述变换消息通过第二网络发送。
16.如权利要求15所述的过程控制系统，其中第一网络为控制器局域网络(CAN)。
17.如权利要求15所述的过程控制系统，其中第一网络为HART网络。
18.如权利要求15所述的过程控制系统，其中第一网络为MOD总线网络。
19.如权利要求15所述的过程控制系统，其中第二网络为高速以太网。
20.如权利要求15所述的过程控制系统，其中第二网络为FOUDATION现场总线高速以太网。
21.如权利要求15所述的过程控制系统，其中所述多个过程功能模块之一被编程以处理在第一端口接收到的CAN命令。
22.如权利要求15所述的过程控制系统，其中第一网络为CAN网络，而且第二网络为高速以太网。
23.如权利要求15所述的过程控制系统，其中所述控制器被编程以实现通信接口，用于从所述多台现场设备之一接收以第一协议编码的消息。
24.如权利要求15所述的过程控制系统，其中所述控制器被编程，以支持通过第二端口传送的网际协议(IP)消息。
25.如权利要求15所述的过程控制系统，其中所述控制器被编程，以提供关于一个所述接口控制器以及所述多台现场设备之一的诊断数据。
26.如权利要求15所述的过程控制系统，其中所述控制器被编程以通过第二端口发送电子邮件消息。
27.如权利要求26所述的过程控制系统，其中所述电子邮件消息包括有关一个所述接口控制器以及所述多台现场设备之一的状况的警报消息。
28.一种使用接口模块的方法，所述接口模块在具有不同通信协议的两个过程控制网络之间进行通信时，管理来自多台现场设备的数据，该方法包括将过程功能模块分配给所述多台现场设备中的每台设备；接收来自所述多台现场设备中的每台设备的数据；解码使用网络协议且对应于所述多台现场设备中的每台设备的数据；通过所述过程功能模块处理对应于所述多台现场设备中的每台设备的数据，以形成结果；将所述结果转换为其它网络协议；以及使用所述其它网络协议发送所述结果。
29.如权利要求28所述的方法，其中解码所述网络协议的步骤包括解码CAN网络协议。
30.如权利要求28所述的方法，其中解码所述网络协议的步骤包括解码HART网络协议。
31.如权利要求28所述的方法，其中解码所述网络协议的步骤包括解码4-20ma网络协议。
32.如权利要求28所述的方法，其中所述其它网络协议为高速以太网协议。
33.如权利要求28所述的方法，其中所述其它网络协议为FOUDATION现场总线高速以太网。
34.如权利要求28所述的方法，其中将所述结果转换为其它网络协议的步骤包括将所述结果转换为高速以太网协议。
35.如权利要求28所述的方法，其中通过所述过程功能模块处理所述数据的步骤包括对所述数据应用现场设备专用算法，以形成所述结果。
36.如权利要求28所述的方法，进一步包括接收用于配置所述接口模块的网际协议消息。
37.如权利要求28所述的方法，进一步包括发送有关所述接口模块状况的网际协议消息。
38.如权利要求28所述的方法，进一步包括发送有关所述接口模块状况的电子邮件消息。
39.如权利要求28所述的方法，进一步包括发送有关所述多台现场设备中的每台设备状况的电子邮件消息。
全文摘要
一种接口模块(200)及其运行方法，该接口模块包括一些端口(302a－b)，用来通过网络(308)以第一协议与多台现场设备(102a－n)进行通信。该接口模块还包括端口(316)，用来通过例如高速以太网(HSE)的高速网络和协议与过程控制器(114)进行通信。该接口模块(200)包括控制器(320)，用于实施多个过程功能模块(322，324)，所述多个过程功能模块(322，324)中的每个模块对应所述多台现场设备(102a－n)中的每台设备。该接口模块支持远程化编程、电子邮件通讯和报警。
文档编号G05B19/418GK1985220SQ200580017942
公开日2007年6月20日 申请日期2005年6月3日 优先权日2004年6月8日
发明者马科斯·A·V·帕卢索, 罗伯特·J·卡斯尼尔 申请人:罗斯蒙德公司