专利名称：在高速以太网上的面向块控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制系统结构。尤其是，本发明涉及一个在高性能网络环境中的开放、可互操作的分布式控制系统。
背景技术：
自动控制系统对于诸如工艺控制、离散控制、批处理控制(组合的过程和离散)、机床控制、传动控制以及机器人等的工业的所有部分是决定性的。在现代的控制系统中强烈需要的是开发和使用″开放″和″可互操作″的系统。开放、可互操作的系统允许由不同的制造商制造的控制设备在相同的系统中相互通信和工作，而无需自定义编程。″Fieldbus″是用于描述这些控制系统的通常的术语。
朝着开放、可互操作的Fieldbus系统方向的变化是由设备制造商和终端用户推动的。制造商想要开放、可互操作的系统，因为它允许他们在降低开发费用的同时去销售他们的产品给更多的终端用户。终端用户想要开放、可互操作的系统，以便可以不考虑设备制造商而选择最好的控制设备用于他们的系统。
也有一种倾向将控制功能的分布进入智能设备之内。在集中控制系统中，中央控制器实施所有的控制功能。
在分散式控制系统中，工作在系统中多于一个的控制装置在控制功能中承担能动的作用。虽然集中和分散制两者都使用通信网络，分散系统通过降低或者消除在控制设备和人机接口之间的集中控制器的功能来降低整个系统的成本。
为了使分散式控制系统真正地开放和可互操作，通信系统和用户层(在通信系统层之上)两者都必须进行规定和开放。一种真正的开放和可互操作分散的系统是由Fieldbus FOUNDATION提供的Fieldbus系统。FOUNDATIONTMFieldbus用户层被例如在1997，8月21日申请的，标题为″面向块的控制系统″的美国专利申请08/916,178(此后称为″’178″申请)中描述，并且转让给本申请的受让人。
由FOUNDATIONTMFieldbus使用的Fieldbus(H1)31.25千位/秒低速在国际电气技术委员会(IEC)标准IEC 61158部分描述，因此其整体合并在此处作为参考。
虽然FOUNDATIONTMFieldbus提供开放和可互操作解决H1控制能力的方法，在一般地被称为Fieldbus″骨干″网的很高性能的通信系统上存在巨大的需要，即提供一种开放和可互操作解决分布式控制的方案。骨干网从例如H1及其他控制设备的低速控制设备中集合信息，用于监控和超前控制应用。该骨干网也需要综合控制信息进入到企业的管理信息系统(MIS)之内。
一种广泛接受的、用于高性能通信信令的标准是以太网。由Xerox在20世纪70年代发明的以太网已经从每秒10兆位的起始速度发展到每秒100兆位，每秒十亿比特及其更高。以太网信令在电气与电子工程师协会(IEEE)标准(IEEE 802.3)中规定。以太网信令是由因特网使用的基础技术。网际协议是由因特网(IETF)工程工作小组规定的，并且作为征求意见(RFC)说明规范颁布。
虽然以太网/因特网技术提供基本业务用于高性能Fieldbus骨干网，但是它不提供在分散式控制系统中需要使用的所有功能。尤其是，IEEE和IETF不具有适当的开放和可互操作，来解决综合分散式控制系统(例如H1子系统)、系统时间同步和故障容忍的方法。
由诸如Open DeviceNetTMVendor Association，Inc.(″以太网/IP″)和PROFIBUS International(″PROFINet″)机构使用的从低速Fieldbuses传送信息给以太网的方法是不宜在高性能环境中使用，因为他们在以太网帧中压缩低速协议数据分组。被称为″隧道″的这种方法在集中控制系统中是常用的，但是对于高性能分散式控制系统是不适当的。虽然更加简化了规定，但是在连接于Fieldbus骨干网的设备上隧道将要求太多传送控制协议(TCP)连接，使用结果中断处理和存储器开销。此外，隧道浪费许多的以太网带宽，因为低速协议数据分组(例如H1数据分组)是很小的，并且在多数情况下开销的以太网信息包将大于低速协议数据分组。
连接于以太网的设备必须有一个用于时间戳和功能块程序表(控制)目的的一般常识的系统时间。对于高性能分布式控制，系统时间常常需要精确到在小于1毫秒之内。迄今为止，使用商业流行的(COTS)以太网设备的没有已知的方法提供这种精确度。
高性能分布式控制应用，需要以太网通信媒质和连接于以太网的设备的故障容忍。没有已知的方法使用标准COTS以太网设备提供需要的故障容限。在提供需要的故障容忍中所有的在先的尝试需要专门的以太网/因特网电子硬件和/或软件，和/或增加给以太网的非标准的″冗余管理″设备。
因此，需要一种开放、可互操作的用于在高性能Fieldbus骨干网中综合分散式控制系统及其他控制设备的优化方案。
也需要一种开放、可互操作的方案，提供适用于经高性能Fieldbus骨干网可互操作的分布式控制操作的系统时间同步。
也需要一种开放、可互操作的方案，提供故障容忍的高性能Fieldbus骨干网以及连接于Fieldbus骨干网的故障宽容的设备。
发明概述本发明克服如上所述的缺点，并且提供一个新的和改进的分布式控制系统，它在例如标准COTS以太网和因特网技术的高性能骨干网上运行。本发明的实施例总起来说在此处被称为″高速以太网″(HSE)。HSE包含由’178申请和FOUNDATIONTMFieldbus规范(它被作为参考集1列出在附录A中)，并且进一步包含在其支持的规范中描述的三个新的协议，它被作为参考集2列出在附录A中。尤其是，涉及在此处新的协议如HSE领域设备访问FDA主体，HSE系统管理核心(SMK)以及HSE局域网冗余实体(LRE)。
HSE FDA主体允许由H1设备使用的系统管理(SM)和Fieldbus消息规范(FMS)业务，经以太网使用标准因特网用户数据协议(UDP)和传送控制协议(TCP)被传送。这允许在以太网上的HSE设备去与经″HSE链接设备″连接的H1设备通信。HSE FDA主体也被在HSE设备或者HSE链接设备中的局部功能程序块应用过程(FBAP)使用。因此，HSE FDA主体能使通过公用接口远程操作去访问HSE设备和/或H1设备。
HSE SMK确保在每个设备中的系统级功能被协调。这些功能包含系统定时、从网络添加和移去设备，以及功能块程序表。HSE SMK使用起保持本地时间作用的本地时钟，并且保持在本地时间和由时间服务器提供的系统时间之间、在由时间同步分类(见在此处附录A的参考集1)指定的值内的差值。本地时间用于为事件加时间戳，使得来自设备的事件消息可以通过该系统相关。本地时间也用于局部功能块执行的程序表。
HSE故障容忍通过操作的透明度获得，即冗余操作对于HSE应用是看不见的。这是必要的，因为HSE应用需要与标准MIS应用共存。HSE LRE协调冗余功能。每个HSE设备周期性地发送一个表示其网络视图的诊断消息，给在其以太网接口(通常被称为以太网″端口″)上的其它HSE设备。每个设备使用该诊断消息去保持网络状态列表(NST)，用于故障检测和以太网发送端口选择。没有中央″冗余管理″。代之以，每个设备确定其应该如何运转响应其检测的故障。
附图的简要说明从下面参考附图的说明中本发明的特点和优点对那些本领域技术人员来说将变得显而易见，其中
图1是一个方框图，示出一个按照本发明的原理的高性能分布式控制系统示范的实施例；图2是一个方框图，示出一个按照本发明的原理的高性能分布式控制系统的设备系统结构示范的实施例；图3是一个方框图，示出一个在图2中示出的设备系统结构的高速以太网管理信息数据库的结构的示范的实施例；图4是一个方框图，示出一个在图2中示出的设备系统结构的示范的实施例，示出高速以太网领域设备访问主体的各种各样的本机接口；
图5是一个方框图，示出一个按照本发明的原理，在时间同步过程中涉及的高性能分布式控制系统的有关的部分的示范的实施例；图6是一个流程图，说明按照本发明的原理的一个实施例的时间同步过程的示范的实施例；图7A是一个时序图，说明按照本发明的原理的一个实施例，在时间同步过程之前开始时间偏移量；图7B是一个时序图，说明按照本发明的原理的一个实施例，在时间同步过程之后开始时间偏移量；和图8是一个方框图，示出一个按照本发明的原理的高性能分布式控制系统的冗余拓扑结构的示范的实施例。
优选实施例的详细说明为简单起见和说明的目的，通过主要地参考示范的实施例描述本发明的原理，尤其是以在以太网中特定的分布式控制系统示范的实施。然而，一个普通的本领域技术人员将不难理解，同样的原理同样适用于和可以实施于其他的使用任何其他的高速网络的实施和设计中，而且在这样的改进内的任何这样的变化不脱离本发明的实际的精神和范围。
AHSE分布式控制系统概述参考图1，示出了一个高性能控制系统100的例子，这里标准COTS以太网设备130用来相互连接HSE链接设备110和HSE设备120到以太网140。HSE链接设备110依次连接使用H1网络150的H1设备170。诸如个人计算机(PC)160的其他类型的设备也可以连接到以太网140。
实际的以太网拓扑结构和COTS以太网设备配置将取决于特定的应用需要。然而，可以使用除在图1示出的示范的拓扑结构以外的任何使用标准COTS以太网设备的以太网拓扑结构或者配置，并且这样的变化将在不脱离本发明的实际的精神和范围的这样的改进之内。
A.1HSE系统结构按照本发明的原理的一个实施例的HSE系统结构在图2中示出。HSE系统结构被设计成能满足分配制造和工艺控制环境的高性能的实用需求，例如在高速以太网中。允许由不同的卖主根据各种各样的控制和制造的测量设备而建造去分配自动化系统。HSE系统结构通过已用于H1和HSE环境两者的特定地结构部件描述。
在下文中公开的引用各种各样的协议和标准被在此处的附录A中列出的手册和规范中详细描述，它来自Fieldbus FOUNDATION是可用的，一个非营利组织总部设立在德克萨斯州的奥斯汀，并且作为本发明所有的申请日期相应的常用型，因此所有的这些合并在其整体中作为引用。现在将更详细地描述HSE系统结构(在图2中示出的)的每个结构部件。
A.2功能块应用过程虚拟字段设备(FBAP VFD)应用过程(AP)是一个由国际标准组织(ISO)定义的开放系统相互连接(OSI)参考模型(RM)术语，ISO 7498，去描述在单个设备中驻留的分布式应用部分。在下文说明书中使用的该术语是指在设备内实施相关功能设置诸如功能块过程、网络管理和系统管理的实体。
虚拟字段设备(VFD)是一个由Fieldbus Foundation(见此处在附录A中列出的参考集1的Fieldbus消息规范FF-870)定义的术语。VFD使AP的参数对于通信网络是直观的。
按照本发明的原理，HSE系统结构(在图2中示出的)支持功能块应用过程虚拟字段设备(FBAP VFD)260。FBAP VFD 260提供一个公用的装置，用于限定自动化系统的输入、输出、算法、控制变量和行为。在一个设备中为了满足一个应用特定的需要可能有多个FBAP VFD 260，例如如图所示n个FBAP VFD。FBAP VFD可以或者可以不必存在于一个HSE设备或者HSE链接设备中。如果存在HSE FBAP VFD，该设备时常也被称为″HSE领域设备.″。然而在下面的说明书中，即使未使用术语″HSE领域设备″，将假设为FBAP VFD存在于HSE设备和HSE链接设备中。
一个标准的功能块分类和参数的设置是由Fieldbus Foundation限定的，例如，此处在附录A中列出的一个或更多详细说明。控制设备的制造商可以添加他们自己的参数到参数的标准设置中，去作为新的需要和作为技术发展提供附加功能块限定。可以找到功能块分类和参数的更详细的说明，例如在附录A此处的参考集1中FF-890列出的功能块应用过程部分1说明。
A.3H1接口附着于HSE链接设备110(在图1中示出的)的每个H1网络150需要一个H1接口240。桥路250用来直接在同一的HSE链接设备110(在图1中示出的)内其他的H1接口240之间传送H1网络消息。一个HSE链接设备可以包括，例如一个包含至少一个H1接口240的HSE设备120(在图1中示出)。
在Fieldbus消息详细说明FF-870、Fieldbus访问底层详细说明FF-821、数据链路业务和数据链路协议详细说明FF-821，822，以及用于桥路操作附录的数据链路协议详细说明FF-806中可以找到H1接口的更详细的说明，所有的这些在此处附录A的参考集1中列出。
A.4以太网/因特网组HSE系统结构使用标准COTS以太网/因特网(″组″)280用于在以太网140上和其他的设备通信。由HSE使用的以太网/因特网组由分配的主机控制协议(DHCP)285、简单网络时间协议(SNTP)286以及简单网络管理协议(SNMP)287构成，它们依次使用传送控制协议(TCP)283和用户数据协议(UDP)284业务。
TCP 283和UDP 284依次使用标准网际协议(IP)282业务，其使用标准IEEE以太网802.3媒体存取控制(MAC)和物理(PHY)层281。在281中的PHY层连接于一个或多个以太网140。
因特网DHCP、SNTP、SNMP、TCP、UDP以及IP协议是由Internet工程任务组征求意见(RFC)说明规范规定的。IETF RFC此处在附录B中列出，因此通过引用在它们的全部而结合于此。电气与电子工程师协会标准(IEEE 802.3)描述以太网MAC和PHY层，因此所有的这些整体引用结合于此。每个层和协议的具体的使用在此处附录A的参考集2FF-586列出的以太网存在规范中详述。
通过保留以太网/因特网组的标准使用，HSE系统结构确保在不同的组制造商之中的互操作性。
A.5HSE管理主体再次参考图2，通常HSE管理主体270使用DHCP 285用于获得一个用于该设备的IP地址，使用SNTP 286用于保持和时间服务器的时间同步，以及使用SNMP 287用于管理TCP、UDP和IP协议层。HSE管理主体定期的使用DHCP、SNTP和SNMP，并且遵守为那些熟悉的网际协议所知的标准操作规程，例如按照IEEE 802.3。
HSE管理主体使用SNMP 287用于管理Internet层协议。具体地，HSE管理主体270提供在RFC 1213和RFC 1643(见附录B)中由SNMPv2定义的以太网访问标准管理信息库II(MIB II)，以及也通过此处附录A的参考集2FF-586列出的以太网存在定义的。
按照本发明的一个实施例，为了遵守ISO标准，HSE管理信息数据库(HSE MIB)271包括一个标准部分和一个HSE特定部分，标准部分是MIB-II的第二版，在RFC 1213定义，特定部分(它是在专用企业水平上定义的)。为理解方便起见，HSE MIB 271的详细结构在图3中示出。HSE MIB 271的标准化结构提供了概貌，允许互操作使得设备作为性质良好的节点。
BHSE核心再次参考图2，HSE系统结构的HSE核心部分200标识了按照本发明的原理的新的HSE能力。HSE核心200提供需要实现高性能分布式控制基本的能力和集成，使用HSE设备、HSE链接设备和标准COTS以太网设备。
B.1网络管理主体虚拟字段设备该HSE系统结构包含一个用于每个HSE设备和每个HSE链接设备的网络管理主体VFD(NMA VFD)210。NMA VFD提供用于从网络配置、控制和监控HSE设备及HSE链接设备操作的手段。
管理信息被包含在网络管理信息库(NMIB)213和系统管理信息库(SMIB)212中。利用NMA VFD的配置管理能力，参数被设置在NMIB和SMIB中去支持在该系统中与其他设备的数据交换。这个过程包括定义在设备之间的传送，然后选择期望的通信特性去支持该传送。
NMA VFD还可以被配置为收集性能和相关的故障信息，以用于选择传送。这个信息在运行时间期间是可访问的，这使查看和分析设备通信的性状成为可能。如果检测到问题，性能需要被优化或装置通信需要被改变，那么当该设备仍然运行时，可以动态地实施重新配置。
NMA VFD参数和性状，进一步在此处附录A的参考集2中FF-803列出的HSE网络管理规范中定义。
B.2HSE领域设备访问主体现在将参考图4描述HSE领域设备访问(FDA)主体，除了示出的用于HSE领域设备访问(FDA)主体290的局部交互作用(291-299)之外，它是与图2的图一样的。现在将通过这些局部交互作用描述HSE FDA主体的操作。
HSE FDA主体290的一个主要功能是映射已经定义用于FoundationTMFieldbus系统管理(SM)(见此处附录A的参考集1FF-880列出的)的业务和Fieldbus消息规范(FMS)(见此处附录A的参考集1FF-870列出的)往返于标准的COTS以太网/因特网280部件。
通常，HSE FDA主体290模拟由Foundation Fieldbus定义的映射Fieldbus访问底层规范(见此处附录A的参考集1FF-875列出的)。HSEFDA主体290提供公用接口，其使远程应用能够访问在H1网络150和HSE网络140上任何类别的设备。
因此，按照本发明的原理的HSE FDA主体290，允许根据由特定的终端用户应用的需要系统，其中控制布在各种各样的HSE设备和/或H1设备以及任何其组合的系统中。
B.2.1HSE FDA主体本机接口B.2.1(a)本机接口291TCP-TCP本机接口291允许HSE FDA主体290使用TCP 283去发送和/或接收FMS消息。TCP 283提供作为套接口(socket)的接口，经由它HSE FDA主体290提交包含一个或多个消息的缓冲器。
B.2.1(b)本机接口292UDP-UDP本机接口292允许HSE FDA主体290使用UDP 284去发送和/或接收SM消息和某些FMS消息。UDP 284提供作为套接口的接口，经由它HSE FDA主体290提交包含一个或多个消息的缓冲器。
B.2.1(c)本机接口293HSE NMIB-HSE FDA主体290提供一个本机接口给在NMA VFD 210中的HSE NMIB 213。HSE FDA主体经HSENMIB本机接口293能够提供配置和只读存取给NMA VFD 210。
B.2.1(d)本机接口294HSE SMIB-HSE FDA主体290提供一个本机接口给在NMA VFD 210中的HSE SMIB212。HSE FDA主体290经HSESMIB本机接口294能够提供配置和只读存取给NMA VFD 210。
B.2.1(e)本机接口295HSE SMK-HSE FDA主体290经由HSE SMK本机接口295传送HSE SM业务往返于HSE SMK 220。按照本发明的一个实施例，在HSE链接设备中，HSE SMK 220在本地与每个H1接口240通信，并且不使用HSE FDA主体290。
B.2.1(f)本机接口296HSE LRE-HSE FDA主体290经由HSELRE本机接口296保持与该设备的HSE LAN冗余实体(HSE LRE)230本地连接。稍后将更详细地描述HSE LRE本机接口296的使用。
B.2.1(g)本机接口297H1接口-仅有HSE链接设备的HSE FDA主体290与H1接口(s)240进行交互以访问H1网络150。H1本机接口经由HSE SMK 220提供HSE FDA主体FMS和SM访问。
HSE FDA主体转发FMS请求，并且经由H1接口(s)240将从TCP交互作用291和UDP交互作用292接收的回覆给H1网络150。HSE FDA主体也转发H1请求，并且使用TCP交互作用291和UDP交互作用292经由H1接口交互作用297将从H1网络接收的回覆给以太网140。
因此，在H1网络中以和任何其他应用程序同样的方法，HSE FDA主体290通常将与H1网络的业务相互作用。
B.2.1(h)本机接口298FBAP VFD-HSE FDA主体290使用FBAPVFD本机接口298去访问FBAP VFD 260。FMS和SM消息两者都使用FBAPVFD本机接口298进行通信。
B.2.1(i)本机接口299HSE管理主体-HSE FDA主体290保持HSE管理主体本机接口299和HSE管理主体270去访问某些与其UDP/TCP连接有关的业务质量参数。由HSE FDA主体290使用的这些参数对于特定的UDP/TCP实施是局部的。
B.2.2HSE FDA主体输入/输出操作再次参考图4，在系统配置期间，HSE SMK 220使用本机接口295用于添加HSE和/或H1设备给分布式系统，以及从该分布式系统删除HSE和/或H1设备。一个SM消息的交换用来标识在该系统中新的(或者去删除)HSE和/或H1设备。
例如，在新的HSE设备接收一个网际协议(IP)地址以后，该新的HSE设备周期性地公布其在以太网140上的存在。HSE链接设备也公布在其H1网络150上检测的变化。以同样的方法，HSE SMK使用本机接口295去确定功能块″tags″的位置，功能块″tags″可以存在于HSE设备和/或H1设备中。
在系统输入/输出操作期间，一般在连接到以太网140的个人计算机(PC)上执行的数据获取、显示和监视控制功能将需要在连接到H1网络150的HSE设备、HSE链接设备和/或H1设备中访问数据。数据存取一般使用″客户/服务器″和/或″发行者/用户″消息实施。这些数据存取方式对那些精通Fieldbus消息的人是公知的。
对于客户/服务器和发行者/用户消息在HSE设备和/或HSE链接设备中开始或者终止，HSE FDA主体290在本机接口291上发送和接收以太网140消息，如先前如上所述提供适当的映射给FMS业务，并且使用本机接口293、294、296、298和299分别去访问HSE NMIB 213、HSE SMIB212、HSE LRE 230、FBAP VFD(s) 260以及HSE管理主体270。如先前描述的，因为有其自己的SM消息，HSE SMK 220未被访问。
对于客户/服务器、发行者/用户和/或SM消息在H1网络150中开始或者终止，HSE FDA主体290使用本机接口297去从H1接口(s)240发送和/或接收消息。
如果来自H1网络150的消息是到/来自以太网140，以及被客户/服务器或者发行者/用户消息，HSE FDA主体290使用FMS映射和本机接口291。如果到/从以太网140的H1消息是SM消息，HSE FDA主体使用SM映射和本机接口292。
如果到/从H1网络150的消息是到/来自HSE链接设备，以及是客户/服务器或者发行者/用户消息，HSE FDA主体将使用FMS映射和适当的本机接口(除本机接口291和292之外)。
如果到/从H1网络150的消息是到/来自HSE链接设备，以及是SM消息，HSE FDA主体将使用SM映射和适当的本机接口(除本机接口291和292之外)。
B.3HSE系统管理核心再次参考图2，HSE系统结构包含一个用于每个HSE设备和/或每个HSE链接设备的系统管理核心(SMK)220。HSE SMK 220保持信息和协调水平，提供用于FBAP VFD 260的执行和互操作的综合网络环境。
如先前讨论的，HSE SMK 220在设备运行之前提供某些基本系统信息的例行配置。例如为此目的，HSE SMK通过一组预先确定的阶段启动接受一个设备。在这个过程期间，系统配置设备确认在网络上存在该设备，并且配置基本信息进入HSE SMIB 212。一旦该设备接收它的基本配置信息，它的HSE SMK使得其至一个操作的状态，而不会影响在该网络上其他设备的操作。也能使HSE FDA主体290使用在该设备中的其他功能。
B.3.1HSE SMK系统时间同步现在参考图5，在HSE链接设备110中的HSE管理主体270使用SNTP286去与在时间控制500中的远程SNTP服务器510相互作用，去使在HSEMIB 271’中的系统时间501’与在时间控制500中的系统时间501同步。当系统时间501’是和系统时间501同步时，在HSE MIB中的同步标识(F)510被由标准SNTP协议设置为真。使用标准COTS以太网设备130，时间控制和HSE链接设备被相互连接。这个同步协议被在IETF RFC 2030中定义。
无论什么时候，在HSE SMIB 212中的本地时间502可以或者可以不必与系统时间501’同步。为了协调在分布式系统中的功能块的执行，以及为了提供恰当的功能块警告的时间戳，本地时间502必须与系统时间501’同步。
所有的功能块与在HSE SMIB 212中的Macrocycle的起始″To″520同步。在系统中的每个HSE链接设备和HSE设备具有相同的值To。当HSESMK 220在本地发出一个功能块(FB)起始221消息用于程序块时，执行功能块。基于来自To的偏移量产生每个FB起始消息。
在macrocycle的起始To，以及对每个程序块的偏移量是以本地时间502为基准的。因此每个设备必须调整其本地时间502以等于用于系统系统时间501’，以正常工作。然而，因为每个设备有一个非理想的硬件时钟振荡器，本地时间502将最终漂移出与系统时间501’的同步。
图6示出按照本发明的一个实施例用于校正漂移的过程。尤其是，当在步骤601 macrocycle结束时，HSE SMK 220将在步骤602测试在HSEMIB 271’中的同步标识510。如果F 510不为真，该过程在步骤606结束。
另一方面，如果在上述的步骤602确定F 510成立，在步骤603 HSESMK 220计算在本地时间502和系统时间501’之间的偏移量，并且在步骤604设置本地时间502等于系统时间501’，并且在期望时间同步分类中指定的值内(见此处附录A的参考集1)。
在步骤605，一旦本地时间502同步，开始时间(To)520(在图5中示出的)被使与其他设备的开始时间一致。
现在参考图7A和7B描述开始时间校准。图7A示出设备的macrocycle偏移量，例如设备N，在时间同步之前，其中偏移量720表示在HSE设备N中必须进行校正的误差。如图所示，HSE设备N现在具有正确的本地时间，但是系统Macrocycle 700’的开始时间(To)520’不与在分布式系统中其他的设备对准。
图7B示出例如设备N在时间同步以后，设备的macrocycle偏移量。设备N的HSE SMK 220利用偏移量720延迟系统Macrocycle 700’的开始时间(To)520’，使得系统Macrocycle在相同的时间(To)520开始，例如在HSE装置1中的系统Macrocycle 700。HSE设备N系统Macrocycle现在与系统时间同步，并且在步骤606(在图6中示出)结束同步过程。
B.4局域网冗余实体参考图4，每个HSE设备和HSE链接设备具有一个HSE局域网(LAN)冗余实体(HSE LRE)230。HSE LRE通过使用冗余提供单一故障的故障容忍。
HSE LRE经本机接口296周期性地发送和接收冗余诊断消息。HSEFDA主体290在本机接口291和292上(见此处在附录A的参考集2 FF-593列出的用于冗余诊断消息格式的HSE冗余规范)映射诊断消息。
冗余诊断信息被同时在以太网140和以太网140’上发送。每个设备在以太网140和以太网140’上接收冗余诊断消息，并且构成一个本地网络状态列表(NST)231。NST针对每个连接于以太网140和以太网140’的HSE设备的状况提供详细的状态。HSE LRE 230控制哪个以太网140或者140’HSE设备将被用作消息传输。
借助于此方法，所有的网络传输和设备切换决定，被分发到HSE设备和使用标准COTS以太网设备系统。
图8举例说明由本发明的冗余方面支持的一般的拓扑结构。示出的拓扑结构仅是一个例子，示出了许多可能的拓扑结构的一个。只要提供以太网140和140’的设备是标准COTS以太网设备，任何拓扑结构都可以使用。
HSE冗余既支持以太网冗余又支持HSE链接设备冗余。
B.4.1以太网冗余参考图8，HSE设备对120’和HSE链接设备对110’两者都联接于以太网140和以太网140’。在这个例子中，以太网140由COTS以太网设备130提供，以及以太网140’由COTS以太网设备130’提供。在HSE设备上任何一个以太网或者以太网接口的一个的单一故障将导致先前描述的HSE LRE通信转移到其它的工作网络。
B.4.2HSE链接设备冗余HSE LRE 230支持HSE链接设备冗余。冗余HSE链接设备对160包括主用的HSE链接设备110和备用的HSE链接设备110’。H1设备170由H1网络150连接于冗余HSE链接设备对160。如果主用的HSE链接设备110出故障，备用的HSE链接设备110将承担控制。除了在HSE设备中不存在H1接口(s)之外，HSE设备120’可以以和HSE链接设备110同样的方法进行冗余。
本发明提供必要的诊断消息格式去允许一个开放和可互操作的高速以太网冗余切换和/或HSE链接设备(或者HSE设备)冗余。
用于每个H1网络备份的冗余方法在’178申请中以及由此处附录A的参考集1列出的规范中描述。
可以理解的，在上述说明书中的分布式控制系统结构提供了一个在高性能骨干网中开放、可互操作的优化方案用于综合分布式控制系统及其他控制设备的方法，提供了一个开放、可互操作的方案适合于经高性能骨干网可互操作的分布式控制应用的系统时间同步的方法，以及提供一个开放、可互操作的方案，用于提供故障容忍的高性能骨干网以及连接于该骨干网的故障容忍的设备的方法。
上面提出的优选实施例是举例说明本发明，并不打算限制本发明。在本发明要求的范围内附加的实施例和优点对普通的本领域技术人员是显而易见的。
此外，虽然参考示范的实施例已经描述了本发明，那些本领域技术人员将能对于描述的本发明的实施例进行各种各样的改进而不脱离本发明的真实精神和范围。此处使用的术语和说明仅作为举例提出，不意味着限制。尤其是，虽然本发明的方法已经举例描述，但是该方法的步骤除举例说明的之外可以以不同的顺序或者同时实施。那些本领域技术人员将认识到这些及其他的变化可以在如在本发明和其等效所限定的本发明的精神和范围之内。
附录AA.1 参考集1编号修订版详细说明FF - 801 FS 1.4网络管理FF - 806 FS 1.0数据链路协议-桥路操作附录FF - 821 FS 1.4数据链路业务子集FF - 822 FS 1.4数据链路协议子集FF - 870 FS 1.4Fieldbus消息详细说明FF - 875 FS 1.4Fieldbus访问子层FF - 880 FS 1.4系统管理FF - 890 FS 1.4功能块应用过程-部分1A.2参考集2编号修订版详细说明FF - 803 FS 1.0HSE网络管理FF - 586 FS 1.0HSE以太网FF - 588 FS 1.0HSE领域设备访问主体FF - 589 FS 1.0HSE系统管理FF - 593 PS 2.0HSE冗余附录B
权利要求
1.一种在分布式控制系统中的装置，包括一个第一网络接口，用于和具有通信协议组的第一网络通信；和一个设备访问主体，用于将所述分布式控制系统的至少一种传统格式业务消息映射为与所述通信协议组兼容的网络格式消息。
2.按照权利要求1的装置，其中所述第一网络包括一个现有的商业以太网。
3.按照权利要求2的装置，进一步包括一个高速以太网管理主体，用于管理传送控制协议、用户数据协议，以及所述通信协议组的网际协议层；和一个高速以太网管理主体接口，经由它所述设备访问主体与所述高速以太网管理主体进行通信。
4.按照权利要求3的装置，进一步包括一个用户数据协议本地接口，经由它所述设备访问主体与所述通信协议组的用户数据协议层进行通信。
5.按照权利要求4的装置，进一步包括一个传送控制协议本地接口，经由它所述设备访问主体与所述通信协议组的传送控制协议层进行通信。
6.按照权利要求5的装置，其中所述高速以太网管理包括一个以标准化结构构成的管理信息数据库，因此允许一种开放和可互操作的侧面，以及使所述装置作为一个性能良好的节点。
7.按照权利要求1的装置，进一步包括一个网络管理信息库，用于存储为管理所述分布式控制系统的操作所必需的信息；和一个网络管理信息库本机接口，经由它所述设备访问主体与所述网络管理信息库进行通信。
8.按照权利要求7的装置，进一步包括一个系统管理信息库，用于存储所述装置的系统配置信息；和一个系统管理信息库本机接口，经由它所述设备访问主体与所述系统管理信息库进行通信。
9.按照权利要求8的装置，进一步包括一个系统管理核心，用于在所述系统管理信息库中配置所述装置和存储系统配置信息；和一个系统管理核心本机接口，经由它所述设备访问主体与所述系统管理核心进行通信。
10.按照权利要求9的装置，进一步包括一个本地时间时钟，用于提供在所述装置内使用的本地时间；和一个系统时间时钟，用于提供跨越所述分布式控制系统的系统时间；其中所述系统管理核心使所述本地时间时钟和所述系统时间时钟同步。
11.按照权利要求10的装置，进一步包括一个经所述第一网络用于发送和接收诊断信息的冗余实体；和一个冗余实体本机接口，经由它所述设备访问主体与所述冗余实体进行通信。
12.按照权利要求11的装置，其中所述第一网络接口包括冗余的多个第一网络接口；其中所述第一网络包括冗余的多个第一网络；和其中所述冗余实体保持表示所述分布式控制系统的诊断状态的网络状态列表，以便基于所述网络状态列表选择所述冗余的多个第一网络接口中可操作的一个。
13.按照权利要求10的装置，进一步包括至少一个功能块应用处理虚拟字段设备，用于提供所述分布式控制系统的输入、输出、工作步骤、控制变量和行为的标准化定义；和至少一个功能块应用处理虚拟字段设备接口，经由它所述设备访问主体与所述至少一个功能块应用处理虚拟字段设备进行通信。
14.按照权利要求1的装置，进一步包括一个第二网络接口，其使用所述至少一种传统格式业务消息与第二网络通信。
15.按照权利要求14的装置，其中所述第二网络接口包括多个第二网络接口。
16.一种在分布式控制系统中开放的可互操作的装置，包括一个本地时间时钟，用于提供在所述装置内使用的本地时间；一个系统时间时钟，用于提供跨越所述分布式控制系统的系统时间；和一个系统管理核心，用于使所述本地时间时钟和所述系统时间时钟同步。
17.按照权利要求16的开放的可互操作的装置，进一步包括一个第一网络接口，用于和具有通信协议组的第一网络通信；一个设备访问主体，用于将所述分布式控制系统的至少一种传统格式业务消息映射为与所述通信协议组兼容的网络格式消息；和一个系统管理核心本机接口，经由它所述设备访问主体与所述系统管理核心进行通信。
18.一种在分布式控制系统中开放的可互操作的装置，包括冗余的多个第一网络接口，用于和相应的具有通信协议组的冗余多个第一网络的一个通信；和一个冗余的实体，配置为经由所述冗余的多个第一网络接口发送和接收诊断信息，所述冗余的实体保持表示所述冗余的多个第一网络的诊断状态的网络状态列表，并且所述冗余的实体配置为基于所述网络状态列表来选择所述冗余的多个第一网络的可操作的一个。
19.按照权利要求18的开放可互操作的装置，进一步包括一个设备访问主体，用于将所述分布式控制系统的至少一个传统格式业务消息映射为与所述通信协议组兼容的网络格式消息；和一个冗余实体本机接口，经由它所述设备访问主体与所述冗余实体进行通信。
20.按照权利要求19的开放可互操作的装置，进一步包括一个系统管理核心，用于配置所述装置并且以系统时间时钟使本地时间时钟同步，本地时间时钟为在所述装置内使用提供本地时间，系统时间时钟提供跨越所述分布式控制系统的系统时间；和一个系统管理核心本机接口，经由它所述设备访问主体与所述系统管理核心进行通信。
21.一种开放可互操作的分布式控制系统，包括至少一个具有通信协议组的第一网络；和至少一个与所述至少一个第一网络通信的设备，所述至少一个设备具有一个访问主体，用于将所述开放可互操作的分布式控制系统的至少一个传统格式业务消息映射为与所述通信协议组兼容的网络格式消息。
22.按照权利要求21的开放可互操作的分布式控制系统，其中所述至少一个第一网络包括一个商业现有的以太网。
23.按照权利要求21的开放可互操作的分布式控制系统，其中所述至少一个设备进一步包括一个系统管理核心，用于配置所述装置并且以系统时间时钟使本地时间时钟同步，本地时间时钟为在所述装置内使用提供本地时间，系统时间时钟提供跨越所述分布式控制系统的系统时间；和一个系统管理核心本机接口，经由它所述设备访问主体与所述系统管理核心进行通信。
24.按照权利要求21的开放可互操作的分布式控制系统，其中所述至少一个第一网络包括冗余多个第一网络；和其中所述至少一个设备进一步包括一个冗余实体，配置为发送诊断信息到所述冗余多个第一网络并自所述冗余多个第一网络接收诊断信息，所述冗余实体保持表示所述冗余多个第一网络的诊断状态的网络状态列表，以及所述冗余实体配置为基于所述网络状态列表而选择所述冗余多个第一网络的可操作的一个。
25.按照权利要求24的开放可互操作的分布式控制系统，其中所述冗余的多个第一网络包括冗余的多个商业现有的以太网。
26.按照权利要求21的开放可互操作的分布式控制系统，进一步包括多个第二网络，所述多个第二网络的每一个使用所述至少一种传统业务消息格式；其中所述至少一个设备包括冗余的多个设备，所述冗余的多个设备的每一个包括多个第二网络接口，用于和所述多个第二网络通信；和一个冗余实体，配置为基于表示所述冗余多个设备至少一个以及所述至少一个第一网络的诊断状态的网络状态列表，而提供为选择所述冗余多个设备中可操作的一个所必需的信息。
27.一种在开放可互操作的分布式控制系统中使多个设备特定的本地时间和系统时间同步的方法，所述多个设备特定的本地时间与在所述开放可互操作的分布式控制系统中相应的一个设备有关，所述方法包括检测先前的操作周期的一个端；为每一个所述多个设备的下一个操作周期提供开始时间；计算在所述多个设备的每一个的特定的本地时间和所述系统时间之间的偏移量；使用所述计算的偏移量，使所述多个设备的每一个的特定的本地时间和所述系统时间同步；和相对于彼此校准所述多个设备特定的本地时间，使得所述多个设备的所述开始时间一致。
28.按照权利要求27的使多个设备特定的本地时间和系统时间同步的方法，进一步包括在所述开放可互操作的分布式控制系统中提供一个时间控制器，所述时间控制器保持通用的时间；确定是否所述系统时间和所述通用的时间同步；和如果确定所述系统时间是和所述通用的时间同步的，设置一个同步标识。
29.按照权利要求27的使多个设备特定的本地时间和系统时间同步的方法，其中所述校准所述多个设备特定的本地时间的步骤包括计算在所述多个设备的每一个的特定的本地时间相对于彼此之间的偏移量；和增加时间延迟给至少所述多个设备的一个，使得所述多个装置每一个的开始时间相对于彼此一致。
全文摘要
分布式控制系统结构(HSE)提供了一个在高性能骨干网中开放、可互操作的优化用于综合分布式控制系统及其他控制设备的方法,提供了一个开放、可互操作的提供适合于经高性能骨干网可互操作的分布式控制应用的系统时间同步的方法,以及提供一个开放、可互操作的提供故障容忍的高性能骨干网以及连接于该骨干网的故障容忍的设备的方法。分布式控制系统结构包括一个高速以太网领域设备访问(HSE FDA)主体,它映射例如fieldbus系统的分布式控制系统的业务往返于标准、商业上现有的(COTS)以太网/因特网部件。分布式控制系统结构也包括一个起保持本地时间作用以及保持由时间服务器提供的在由时间同步分类指定的值内的在本地时间和系统时间之间差值的高速以太网系统管理核心(HSE SMK)。本地时间用于时间戳事件,使得来自设备的事件消息可以通过该系统相关。该分布式控制系统结构进一步包括一个高速以太网局域网冗余实体(HSE LRE),在该系统上提供对于运行的应用透明的冗余。每个设备的HSE LRE周期性地发送一个表示其网络视图的诊断消息给在该系统上的另一个设备。每个设备使用该诊断消息去保持网络状态列表(NST),用于故障检测和从冗余资源对进行选择。
文档编号H04L12/46GK1357184SQ00809263
公开日2002年7月3日 申请日期2000年6月21日 优先权日1999年6月21日
发明者D·A·格兰策, C·R·科利斯, S·K·博尔德曼, W·M·霍金斯, M·D·赫斯特, T·J·科兹利克, L·A·奈策尔, R·D·索耶, J·I·蒂格内尔 申请人:菲尔德巴士基金