专利名称：分布式监测及控制流体处理系统的制作方法
技术领域：
本申请要求2007年6月4日提交的美国申请序列号60/941， 820 的权益，其内容通过参考合并于此。
背景技术：
传统的流体处理系统对于每个产品使用特定用途的控制器，其进 而需要大量的工程设计，甚至对于类似的产品也是如此。
发明内容
本发明目的是将流体处理控制系统分解成模块化的、智能元件的 网络以便于提高系统的性能(例如，能力、灵活性、可靠性、维护)， 并且便于减少长期的开发努力。
将流体处理控制/监测系统分解成模块化的、智能元件的网络。这 些个体元件通常在系统中专属于特定功能并且包含不需外部引导而执 行那些功能所必需的所有智能信息。不同类型的元件的例子包括但不 限制于人-机交互界面(HMI)、流体控制、加热器控制、马达控制、 现场-总线通信等。尽管每一类型的电路板在功能上被专门化了，但它 可控制相同特性的若干个项。例如，加热器控制可能控制在一个系统 上的若干个加热器。类似地，流体电路板可能具有从多于一个的流量 计接收输入并且随后控制多于一个点的流体流量的能力。示例可为多 组分计量和分配系统，其中两个流体组分必须以一个精确的混合比例
妙A 5口 PI o
因此，所有高速控制发生在电路板上并且仅仅稍低速功能通过网 络执行。在这种多组分系统中，操作者可以在HMI模块上设定期望的混合比例(例如2: 1)。实际的控制是由流体模块"支配"，所以流
体模块将掌管期望的比例设定点(setpoint)并且尝试将实际比例控制
到期望的结果。流体模块可能具有多个其它的变量，其中它还拥有诸
如组分A的流率、组分B的流率以及潜在的其它有用的数据段。这些
变量中的一个或多个可以在网络中广播以由其他模块使用，但是这种 广播典型地基于低速(例如每秒一次)来进行。
元件可以物理上分布于整个系统，以使得元件物理上位于它们正 在监测和/或控制的系统的部分的附近。物理上分离的元件之间的电源 和通信通过单独的、标准化的电缆组件来传送。传感器和致动器典型 地利用预制的电缆组件连接到元件。
模块化的、灵活的系统配置允许未来的扩展。新的特征在不影响 现有系统的情况下能够容易地加入到系统中。分布式智能允许本地化 的监测和控制，其导致更短、更可靠的传感器和致动器布线。而且， 通过预配线连接器组件的使用，大体上消除了点对点配线，这使得不 适当的或者不牢固的连接的可能性最小化。可重用的元件显著地减少 了对长期开发的努力。个体的、基于功能的元件通常比单个的多功能 控制器简单。这种降低的复杂性通常转化为较易于维护的更耐用及更
可靠的元件。
分布式智能和控制允许改进的系统可靠性。该系统能够以减縮的 能力继续操作，即使系统的一部分已经出现故障。分立的、基于功能 的元件允许更容易以及更快的现场故障检修和维护。如果系统的部分 已经出现故障，则有可能将起因容易地划分到特定的功能块。能够在 不需要拆卸或者重做整个系统的情况下替换个体的故障元件。
在分布式监测和控制系统中使用鲁棒的通信总线和消息通知协 议。这意味着在系统的扩展方面是极其灵活的。而且，消息通知机制 被保持为非常简单，使得能够利用最少的软件和处理资源来实现该协议。
在优选的实施例中，物理通信层基于终端阻抗分布在整个系统的
各个元件内的情况下以125kHz运行的CAN (控制器局域网)高速标 准(ISO 11898-2)。多达64个节点能够被连接到通信总线。通常，每 个元件对于菊花链布线拓扑具有双向通信总线连接器(直通连接)。
系统中的每个元件被给定唯一的配置ID。该配置ID由三个元素 组成元件ID、软件应用ID和目的ID。元件ID对于每一个(硬件) 元件来说是唯一的。软件应用ID对于最终产品软件开发是唯一的。目 的ID用作具有相同的元件ID和软件应用ID的两个或者更多个元件之 间的最终区分符。
系统内的每个元件发射周期性心跳消息，该周期性心跳消息由它 们的唯一配置ID组成。该心跳信息用于维持系统内各个元件的系统映 射。通过注意到先前检测的节点在预定时间量内没有广播心跳消息能 够检测掉落或者丢失的节点。
数据通信机制基于系统范围的、分布式存储器映射的概念。该存 储器结构中的个体元素被称为分布式变量。该机制的所有功能通过两 种不同类型的消息来处理广播消息和设定点请求消息。它们都包括 两项信息系统范围的存储器映射中的分布式变量的地址和分布式变
量的值。每个分布式变量的数据内容在产品开发期间确定并且能够表
示任何类型的信息，包括但不限于压力、温度、流率、速度、时间、 日期、文本或字符串等。
广播消息用于向系统内所有的元件通知分布式变量的实际的、当 前的值。个体的元件可以根据该特定的分布式变量和它自身的操作是 否相关来选择接受或者忽略该信息。通常，系统内的个体元件将保持 所有相关的分布式变量的本地副本，并且一接收到相关广播消息，就会将来自于消息的值传递到它们本地的数据存储。
设定点请求信息用于请求分布式变量的值的改变。元件可以通过 注册特定的分布式变量的"所有权"来为这些变量选择识别这种类型的 消息。在注册了分布式变量的所有权之后，元件能够以许多方式对设 定点请求信息作出反应。例如，它可能无分别地接受或者拒绝所有变 化请求。可选地，它可能在接受变化请求之前按照可接受的值的范围 来验证所请求的值。在变化请求已经由所有者处理过之后，它可选择 以广播消息来响应，以将新值通知给系统的剩余部分(或者如果该请 求被拒绝则重复前一个值)。
本发明的这些或者其它目的和优点将结合附图通过下面的描述来 更加充分的体现，其中在所有的视图中相同的参考标记指代相同的或 者相似的部分。
附图1是具有HMI、流体控制和加热器模块的多模块系统的示意图。
附图2是基础结构的示意图。
附图3示出了中央总线和机架系统。
附图4a和4b示出了中央机架系统的内部和外部视图。
具体实施例方式
本发明目的在于将流体处理控制系统分成模块化的、智能元件的 网络以便于提高系统的性能(例如，功能，灵活性，可靠性，维护)， 并且减少长期的开发努力。
流体处理控制/监测系统被分成模块化的、智能元件网络。这些个 体元件在系统中通常专属于特定功能并且包含在没有外部引导下而执 行那些功能所必需的所有智能信息(intelligence)。不同类型的元件的例子包括但不限制于人-机交互界面(HMI)、流体控制、加热器控 制、马达控制、现场-总线通信等。尽管每个类型的电路板在功能上被 专门化了，但它可控制相同特性的若干项。例如，加热器控制可能控 制一个系统上的若干个加热器。类似地，流体电路板可具有从多于一 个的流量计接收输入并且随后控制多于一个点的流体流量的能力。示
例可以是多组分计量和分配(dispensing)系统，其中两个流体组分必 须以精确的混合比例结合。
因此，所有高速控制发生在电路板上且仅较低速功能通过网络执 行。在这种多组分系统中，操作者可以在HMI模块上设定期望的混合 比例(例如2: 1)。实际的控制是由流体模块"支配"，所以流体模 块将利用期望的比例设定点并且尝试控制对期望结果的实际比例。流 体模块可能具有多个其它的变量，其中它还拥有诸如组分A的流率、 组分B的流率以及潜在的其它有用的数据段。这些变量中的一个或多 个可以在网络中广播以由其他模块使用，但是这种广播典型地以低速 (例如每秒一次)为基础来进行。
图1示出了典型的多模块系统10，其由HMI模块12、流体模块 14和加热器控制模块16组成，所有这些模块都连接到CAN总线18 上。HMI模块12具有设置待控的各种区域的期望温度以及多组分系统 的期望混合比例的措施。它也可以具有对被控制的实际值的读出的措 施。设定点被在网络上广播并由适当的ID模块接收和实施。例如组分 A的加热器期望设定在IO(TC，因此加热器模块16尝试控制到那个水 平，并且在网络上广播该实际值，由此HMI模块12可以把它显示给操 作者。注意到，各种模块可被宽广地分开，例如，加热器模块16在流 体存储区域，流体模块14在应用点附近以及HMI模块12在控制室中。
尽管对于更复杂的系统，将使用多个模块，对于某些应用，独立 模块(本地控制监测器)能够被有效地利用，而网络能力则主要用于 监测和纪录保持。这种本地控制监测器20的例子可以是这样的泵控制器其用来监测泵出的流体数量(通过对划击(stroke)计数)和监测
可能的流溢。模块还可以用于批次控制，也就是说，分配预期量的物质。这种模块可能具有输入期望分配量的简单方法和简单的显示。也可以广播该期望的和实际的量以用于其它地方。本地控制监测器的其它例子包括量确认、比例监测、储罐液位监测(单储罐连续模拟液位
感测和离散液位感测)、用于RIM和用于精密阀分配的分配控制。
模块化的、灵活的系统配置允许未来的扩展。新的特征在不影响现有系统的情况下能够容易地加入到系统中。分布式智能允许本地化监测和控制，这导致更短、更可靠的传感器和致动器布线。而且，通过预配线连接器组件的使用，大体上消除了点对点配线，这使得不适当的或者不牢固的连接的可能性最小化。可重用的元件显著地减少了长期开发的努力。个体的、基于功能的元件通常典型地比单个的多功能控制器简单。该降低的复杂性通常转化为较易于维护的更耐用及更可靠的元件。
分布式智能和控制允许改进的系统可靠性。该系统能够以减縮的能力继续操作，即使系统的一部分已经出现故障。分立的、基于功能的元件允许更容易和更快的现场故障检修和维护。如果系统的一部分已经出现故障，则有可能将起因容易地划分到特定的功能块。能够在不需要拆卸或者重做整个系统的情况下替换个体故障元件。
在分布式监测和控制系统中使用鲁棒的通信总线和消息通知协议。意欲使其在系统的扩展方面是极其灵活的。而且，消息通知机制被保持为非常简单，使得能够利用最少的软件和处理资源来实现该协议。
在优选的实施例中，，物理通信层基于终端阻抗分布在整个系统
的各个元件内的情况下以125kHz运行的CAN (控制器局域网)高速标准(ISO 11898-2)。多达64个节点能够被连接到通信总线。通常，每个元件对于菊花链布线拓扑具有双向通信总线连接器(直通连接)。
当然也可以使用其它网络类型，诸如使用以太网的TCP/IP， WiFi等。
系统中的每个元件被给定唯一的配置ID。该配置ID由三个元素 组成元件ID、软件应用ID和目的ID。元件ID对于每一个(硬件) 元件来说是唯一的。软件应用ID对于最终产品软件开发是唯一的。目 的ID用作具有相同的元件ID和软件应用ID的两个或者更多个元件之 间的最终区分器。
系统内的每个元件发射周期性心跳消息，该周期性心跳消息由它 们的唯一配置ID组成。该心跳信息用于维持系统内个体元件的系统映 射。通过注意到先前检测的节点在预定时间量内没有广播心跳消息， 能够检测掉落(dr叩)或者丢失的节点。
数据通信机制基于系统范围的、分布式存储器映射的概念。该存 储器结构中的个体元素被称为分布式变量。该机制的所有功能通过两 种不同类型的消息来处理广播消息和设定点请求消息。它们都包括
两项信息系统范围的存储器映射中的分布式变量的地址和该分布式
变量的值。每个分布式变量的数据内容在产品开发期间确定并且能够
表示任何类型的信息，包括但不限于压力、温度、流率、速度、时
间、日期、文本/字符串等。
广播消息用于向系统内所有的元件通知分布式变量的实际的、当 前的值。个体元件可以根据该特定的分布式变量和它自身的操作是否 相关来选择接受或者忽略该信息。通常，系统内的个体元件将保持所 有相关分布式变量的本地副本，并且一接收到相关广播消息，就会将 来自于消息的值传递到它们本地的数据存储。
设定点请求信息用于请求分布式变量的值的改变。元件可以通过 注册特定的分布式变量的"所有权"来为这些变量选择识别这种类型的消息。在注册了分布式变量的所有权之后，元件能够以许多方式对设定点请求信息作出反应。例如，它可能无分别地接受或者拒绝所有变化请求。可选地，它可能在接受变化请求之前按照可接受的值的范围来验证所请求的值。在变化请求已经由所有者处理过之后，它可能选择以广播消息响应来将新值通知给系统的剩余部分(或者如果该请求被拒绝则重复前一个值)。
已经考虑，在不背离由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情形下，可对该监测和控制系统进行各种改变或者修改。
权利要求
1.一种流体监测及控制系统，包括至少一个模块化元件，该模块化元件包括用于测量被控变量的装置；用于控制该被控变量的装置；以及用于通过网络广播所述被控变量的值的装置。
2. —种流体监测及控制系统，包括 至少一个模块化元件，该模块化元件包括-用于测量被控变量的装置； 用于控制该被控变量的装置； 以及通过网络广播所述被控变量的值的装置；至少一个接口元件，该接口元件包括用来显示至少一个所述被控 变量的装置。
3. 如权利要求2所述的流体监测及控制系统，进一步包括用于为 被控变量输入设定点的设备。
4. 如权利要求2所述的流体监测及控制系统，其中，每一个所述 元件包括唯一的配置ID。
5. 如权利要求4所述的流体监测及控制系统，其中，每一个配置 ID包括元件ID，软件应用ID和目的ID。
全文摘要
一种流体处理控制/监测系统，其被划分成模块化的、智能元件的网络。这些个体元件在该系统中通常专用于特定功能并且包含不需外部引导而执行那些功能所必需的所有智能信息。不同类型的元件的例子包括但不限制于人-机交互界面(HMI)、流体控制、加热器控制、马达控制、现场-总线通信等。尽管每一类型的电路板在功能上被专门化了，但它可能控制相同特性的若干项。例如，加热器控制可能控制一个系统上的若干个加热器。类似地，流体电路板可具有从多于一个的流量计接收输入并且随后控制多于一个点的流体流量的能力。示例可以是多组分的计量和分配系统，其中两个流体组分必须以精确的混合比例结合。
文档编号G01F23/00GK101680795SQ200880016749
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月3日 优先权日2007年6月4日
发明者克里斯托弗·M·朗格, 加里·S·帕内斯, 威廉·C·谢勒, 弗雷德·A·苏特, 格雷格·T·姆罗泽克 申请人:格雷索明尼苏达有限公司