【技术实现步骤摘要】
用于实时模拟和过程控制的工业控制系统架构相关申请的交叉引用本申请要求于2019年6月10日提交的、名称为“IndustrialControlSystemArchitectureforReal-TimeSimulationandControl”的美国临时专利申请号62/859,508的优先权和申请日的权益，该美国临时申请的全部公开内容在此通过引用明确地并入本文。
本专利申请总体上涉及工业和过程控制系统，更具体地，涉及使用虚拟化的部件来提供过程控制和/或运行时实际过程控制的模拟的工业控制系统。
技术介绍
过程或工业控制系统(像在化学、石油或其他工业过程工厂中用于从材料生产物理产品的过程或工业控制系统)通常包括一个或多个过程控制器，该过程控制器经由模拟、数字或组合的模拟/数字总线、或者经由无线通信链路或网络通信地耦合到一个或多个现场设备。可以是例如阀、阀定位器、开关、以及变送器(例如，温度、压力、液位和流率传感器)的现场设备位于过程环境内，并且通常执行物理或过程控制功能(例如，打开或关闭阀、测量过程参数等)，以控制...
【技术保护点】
1.一种工业过程工厂的系统，所述系统包括：/n过程控制系统，包括：/n现场设备，所述现场设备设置在所述工业过程工厂的物理环境中，所述现场设备执行物理功能；/nI/O交换机，所述I/O交换机通信地设置在所述现场设备与虚拟节点之间，所述I/O交换机是由所述现场设备生成并已被发布的第一数据的订阅者，并且所述I/O交换机是第二数据的发布者，所述第二数据指示由所述现场设备生成的所述第一数据；以及/n所述虚拟节点，所述虚拟节点是与所述现场设备相对应并由所述I/O交换机发布的所述第二数据的订阅者，所述虚拟节点包括部件行为模块，所述部件行为模块对与所述现场设备相对应的所述第二数据进行操作，...
【技术特征摘要】
20190610 US 62/859,508;20200514 US 15/931,9981.一种工业过程工厂的系统，所述系统包括：
过程控制系统，包括：
现场设备，所述现场设备设置在所述工业过程工厂的物理环境中，所述现场设备执行物理功能；
I/O交换机，所述I/O交换机通信地设置在所述现场设备与虚拟节点之间，所述I/O交换机是由所述现场设备生成并已被发布的第一数据的订阅者，并且所述I/O交换机是第二数据的发布者，所述第二数据指示由所述现场设备生成的所述第一数据；以及
所述虚拟节点，所述虚拟节点是与所述现场设备相对应并由所述I/O交换机发布的所述第二数据的订阅者，所述虚拟节点包括部件行为模块，所述部件行为模块对与所述现场设备相对应的所述第二数据进行操作，从而生成控制信号以修改所述过程控制系统的另一个节点的行为，并且所述虚拟节点设置在所述工业过程工厂的虚拟环境中，
所述现场设备、所述虚拟节点和所述另一个节点在所述工业过程工厂的运行时操作期间结合地操作以控制工业过程。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述虚拟节点是指示所述控制信号的第三数据的发布者，并且所述第三数据的指示由所述另一个节点接收。
3.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述I/O交换机是指示由所述虚拟节点生成的所述控制信号的所述第三数据的订阅者；
所述I/O交换机是第四数据的发布者，所述第四数据指示与由所述虚拟节点生成的所述控制信号相对应的所述第三数据；以及
所述另一个节点或者通信地设置在所述I/O交换机与所述另一个节点之间的中介节点是所述第四数据的订阅者。
4.根据权利要求3所述的系统，其中：
所述中介节点是所述第四数据的所述订阅者；
所述中介节点是通信地设置在所述I/O交换机与所述工业过程工厂的物理环境中包括的多个物理设备之间的I/O中枢设备，所述多个物理设备包括所述另一个节点；并且
所述I/O中枢设备是由所述多个物理设备中的每个物理设备分别生成的数据的发布者。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述虚拟节点是第一虚拟节点，并且所述另一个节点是第二虚拟节点。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统，其中，所述另一个节点是设置在所述工业过程工厂中的物理节点。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述虚拟节点是所述工业过程工厂的虚拟过程控制器或虚拟安全控制器中的一个，并且所述部件行为模块是相应的控制模块。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述虚拟节点包括在设置在所述工业过程工厂的虚拟环境内的多个虚拟节点中，所述多个虚拟节点包括以下各项中的至少一项：虚拟过程控制器，虚拟安全控制器；虚拟安全逻辑解算器；虚拟I/O卡、设备或节点；虚拟无线设备；虚拟以太网设备；虚拟操作员工作站；虚拟用户接口设备；虚拟工具；虚拟网关；虚拟电子编组机柜或系统；或者设置在所述工业过程工厂的物理环境内的另一种类型的物理设备或部件的虚拟化。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述虚拟节点中包括的所述部件行为模块能够下载到由所述虚拟节点表示的并且设置在所述工业过程工厂的物理环境内的物理设备中。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中：
所述虚拟节点和所述现场设备包括在所述过程控制系统的第一控制回路中；
所述过程控制系统包括多个控制回路，所述多个控制回路操作以在所述工业过程工厂的所述运行时操作期间控制所述工业过程；
所述多个控制回路中的每个控制回路包括设置在所述工业过程工厂的所述物理环境中的相应的现场设备、以及设置在所述工业过程工厂的所述虚拟环境中的至少一个其他过程控制设备；并且
所述多个控制回路中的每个控制回路使用所述I/O交换机代替任何物理I/O设备。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括边缘网关系统，所述边缘网关系统通信地连接到一个或多个应用，所述一个或多个应用中的每个应用是由所述I/O交换机发布的一种或多种类型数据的相应至少一部分的相应消费者，所述边缘网关系统是由所述I/O交换机发布的所述一种或多种类型数据的订阅者，并且所述边缘网关系统包括一个或多个安全机制，所述一个或多个安全机制用于在所述I/O交换机与所述一个或多个应用之间传递所述一种或多种类型数据。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，
还包括通信地设置在所述I/O交换机与所述现场设备之间的I/O中枢设备；并且
其中，所述I/O中枢设备是由所述现场设备生成的所述第一数据的发布者。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中：
在所述工业过程工厂的所述运行时操作期间操作以控制所述工业过程的所述虚拟节点是虚拟运行时节点，其包括在设置在所述工业过程工厂的所述虚拟环境中的多个虚拟节点中；
所述多个虚拟节点包括一个或多个模拟节点，所述一个或多个模拟节点不包括所述虚拟运行时节点；并且
所述系统还包括模拟系统，所述模拟系统包括所述I/O交换机和所述一个或多个模拟节点。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述一个或多个模拟节点中的每个模拟节点模拟能够部署在所述工业过程工厂的所述物理环境中的相应的一个或多个物理设备或部件的至少一部分，所述相应的一个或多个物理设备或部件包括以下各项中的至少一项：过程控制器；安全控制器；安全逻辑解算器；I/O节点、卡或设备；无线设备；以太网设备；操作员工作站；用户接口设备；工具；网关；电子编组机柜；网络连接；或者设置在所述工业过程工厂的所述物理环境内的另一种类型的物理设备或部件。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，由所述每个模拟节点模拟的所述相应的一个或多个物理设备或部件的所述至少一部分包括特定物理设备或部件的部分，并且所述特定物理设备或部件的所述部分包括以下各项中的至少一项：所述特定物理设备或部件的模块、例程、功能或行为、MAC地址、或硬件子部件。
16.根据权利要求13-15中的任一项所述的系统，其中，单个整体的模拟节点模拟能够部署为在所述工业过程工厂的所述运行时操作期间共同地操作的多个物理设备或部件。
17.根据权利要求13-16中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个模拟节点包括共同地操作以模拟所述工业过程工厂的所述运行时操作期间的功能或行为的多个模拟节点。
18.根据权利要求13-17中的任一项所述的系统，其中：
包括所述一个或多个模拟节点中的特定模拟节点的模拟运行包括在所述特定模拟节点与设置在所述工业过程工厂的所述虚拟环境中的另一个虚拟运行时节点或设置在所述工业过程工厂的所述物理环境中的另一个物理节点中的至少一个之间的通信；并且
所述另一个虚拟运行时节点或所述另一个物理节点中的所述至少一个被配置为在所述工业过程工厂的所述运行时操作期间进行操作。
19.根据权利要求13-18中的任一项所述的系统，其中，所述模拟系统还包括模拟器访问机制，模拟器应用经由所述模拟器访问机制提供和/或接收在由所述模拟系统执行的模拟运行中使用的一个或多个模拟值。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述模拟器访问机制是应用编程接口(API)。
21.根据权利要求19-20中的任一项所述的系统，其中，所述模拟器访问机制与所述I/O交换机对接，以提供和/或接收所述一个或多个模拟值。
22.根据权利要求19-21中的任一项所述的系统，其中，所述模拟器访问机制被配置为：经由标准化数据或通信协议，通过使用存储在所述工业过程工厂的配置数据库中的、所述一个或多个模拟节点的相应标识来传送所述一个或多个模拟值。
23.根据权利要求19-22中的任一项所述的系统，其中，所述模拟器访问机制被配置为对一个或多个模拟命令进行操作，从而执行以下各项中的至少一项：以运行时速度执行所述模拟运行，加快所述模拟运行以比所述运行时速度快的速度执行，放慢所述模拟运行以比所述运行时速度慢的速度执行，设置所述模拟运行的模拟值，设置所述模拟运行的初始条件，暂停所述模拟运行，设置所述模拟运行的中间条件，修改所述模拟的执行的速度，或者修改与所述模拟运行相关联的模拟值。
24.根据权利要求19-23中的任一项所述的系统，其中，所述模拟器访问机制被配置为对一个或多个模拟命令进行操作，从而执行以下各项中的至少一项：保存或存储与所述模拟运行的至少一部分相关联的数据，获取已保存或存储的所述模拟运行的至少一部分，保存或存储所述模拟运行的配置，或者获取已保存或存储的所述模拟运行的配置。
25.根据权利要求19-24中的任一项所述的系统，其中，所述模拟器访问机制所响应的至少一个模拟命令经由用户接口来提供。
26.根据权利要求19-25中的任一项所述的系统，其中，所述模拟器访问机制所响应的至少一个模拟命令经由第三方模拟应用来提供。
27.根据权利要求19-26中的任一项所述的系统，其中，所述模拟器访问机制维护分别与所述模拟运行的相应部分相关联的一个或多个状态。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述一个或多个状态对应于以下各项中的至少一项：虚拟部件的状态、物理部件的状态、模拟部件的状态、虚拟设备的状态、物理设备的状态、模拟设备的状态、虚拟模块的状态、物理模块的状态、模拟模块的状态、通过所述模拟运行至少部分地模拟的过程的状态、或所述模拟运行的状态。
29.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中：
在所述工业过程工厂的所述运行时操作期间操作以控制所述工业过程的所述虚拟节点是虚拟运行时节点；并且
所述系统还包括虚拟化管理节点，所述虚拟化管理节点创建、配置和管理所述虚拟运行时节点以及设置在所述工业过程工厂的所述虚拟环境中的任何其他虚拟节点。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，设置在所述虚拟环境中的所述任何其他虚拟节点包括具有以下各项中的一项或多项的多个虚拟节点：至少一个其他虚拟运行时节点或至少一个模拟节点。
31.根据权利要求29-30中的任一项所述的系统，其中，所述虚拟化管理节点还创建并配置所述I/O交换机。
32.根据权利要求29-31中的任一项所述的系统，其中，所述虚拟化管理节点基于存储在所述过程控制系统的配置数据库中的所述过程控制系统的配置来自动配置和管理所述虚拟运行时节点。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述虚拟化管理节点基于对所述过程控制系统的所述配置的更改来自动更新所述虚拟运行时节点。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，对所述过程控制系统的所述配置的所述更改包括对以下各项中的至少一项的更改：所述虚拟运行时节点的配置、另一个虚拟运行时节点的配置、模拟节点的配置、或设置在所述工业过程工厂的所述物理环境中的物理节点的配置。
35.根据权利要求32-34中的任一项所述的系统，其中，所述虚拟化管理节点还基于对与设置在所述过程工厂的所述物理环境中并由设置在所述工业过程工厂的所述虚拟环境中的模拟节点模拟的物理节点相对应的所述过程控制系统的所述配置的更改来自动更新所述模拟节点。
36.根据权利要求29-35中的任一项所述的系统，其中：
所述过程控制系统的所述配置数据库是系统配置数据库；
所述系统还包括虚拟环境配置数据库，所述虚拟环境配置数据库存储设置在所述工业过程工厂的所述虚拟环境中的相应虚拟节点的相应配置；并且
所述虚拟化管理节点使存储在所述虚拟环境配置数据库中的数据与存储在所述系统配置数据库中的数据同步。
37.根据权利要求29-36中的任一项所述的系统，其中：
设置在所述虚拟环境中的所述任何其...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·尼克松，A·小阿马罗，N·H·贝尔，J·M·卡尔德维尔，G·K·劳，
申请(专利权)人：费希尔罗斯蒙特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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