用于控制和自动化系统的通信网络中的网络资源管理技术方案

一种方法和相关系统，包括实现控制器，该控制器被配置为通过通信网络与耦合到该控制器的多个高度通用现场设备通信。该方法和系统还包括配置网络以促进业务在高级物理层(APL)介质上的通信。一个或多个APL电源交换机被配置为提供到其他设备的连接，并且各自包括电源以经由介质提供电力。一个或多个APL现场交换机，各自从电源交换机接收电力，被配置为将通信信号和电力信号分配到通信耦合到相应现场交换机的现场设备。该方法还包括配置网络资源管理部件以管理网络资源，以促进业务在网络上的通信，该业务包括管理部件所知道的受管理的业务和管理部件所不知道的未受管理的业务。业务和管理部件所不知道的未受管理的业务。业务和管理部件所不知道的未受管理的业务。

【技术实现步骤摘要】
用于控制和自动化系统的通信网络中的网络资源管理


[0001]本申请总体上涉及过程控制和工厂自动化系统，具体而言，涉及在这些系统中使用的增强的现场设备，其能够在不同的情境中同时执行各种不同的功能，并且能够使用一个或多个不同的通信协议与不同的或单独的客户端设备或应用进行通信。

技术介绍

[0002]分布式过程控制系统，例如那些在化学、石油、工业或其他过程工厂中使用的用于制造、精炼、转换、生成或生产物理材料或产品的分布式过程控制系统，通常包括一个或多个过程控制器，这些过程控制器通过物理层通信地耦合到一个或多个现场设备，这些物理层可以是模拟、数字或组合模拟/数字总线，或者可以包括一个或多个无线通信链路或网络。现场设备可以是例如阀、阀定位器、开关和变送器(例如，温度、压力、液位和流速传感器)，它们位于过程环境内，并且通常执行物理过程控制功能，例如开启或关断阀，测量过程和/或环境参数，例如流量、温度或压力等，以控制在过程工厂或系统内执行的一个或多个过程。智能现场设备，例如符合众所周知的Fieldbus协议的现场设备，也可以执行控制计算、报警功能和通常在控制器内执行的其他控制功能。过程控制器通常也物理地位于工厂环境中，接收指示由现场设备进行的过程测量的信号和/或与现场设备有关的其他信息，并且执行运行例如不同控制模块的控制应用，所述不同控制模块进行过程控制决策，基于所接收的信息生成过程控制信号，并且与现场设备中正在执行的控制模块或块协调，所述现场设备诸如和Fieldbus现场设备。为了执行这种通信，过程控制器中的控制模块将控制信号发送到各种不同的输入/输出(I/O)设备，然后这些输入/输出设备通过专用通信线路或链路(通信物理层)将这些控制信号发送到实际的现场设备，从而控制过程工厂或系统的至少一部分的操作，例如，控制在工厂或系统内运行或执行的一个或多个工业过程的至少一部分。通常也位于工厂环境中的I/O设备通常设置在过程控制器和一个或多个现场设备之间，并且例如通过将电信号转换为数字值以及将数字值转换为电信号来实现其间的通信。提供不同的I/O设备以支持使用不同的专用通信协议的现场设备。具体而言，在过程控制器和使用特定通信协议的每个现场设备之间提供不同的I/O设备，以便第一I/O设备用于支持HART现场设备，第二I/O设备用于支持Fieldbus现场设备，第三I/O设备用于支持Profibus现场设备等。如本文所使用的，现场设备、控制器和I/O设备通常被称为“过程控制设备”，并且通常位于、设置或安装在过程控制系统或工厂的现场环境中。
[0003]更进一步，来自现场设备和过程控制器的信息通常通过过程控制器经由数据高速通道或通信网络可用于一个或多个其他硬件设备，例如操作员工作站、个人计算机或计算设备、数据历史记录装置、报告生成器、集中式数据库或其他集中式管理计算设备，这些设备通常放置在控制室或远离工厂的较恶劣的现场环境的其他位置，例如，在过程工厂的后端环境中。这些硬件设备中的每一个通常跨整个过程工厂或过程工厂的一部分而集中。这些硬件设备运行应用，这些应用可以例如使操作员能够执行关于控制过程和/或操作过程
工厂的功能，诸如改变过程控制例程的设置、修改控制器或现场设备内的控制模块的操作、查看过程的当前状态、查看由现场设备和控制器生成的警报、出于培训人员或测试过程控制软件的目的而仿真过程的操作、保持和更新配置数据库等。硬件设备和过程控制器所使用的数据高速通道可以包括有线通信路径、无线通信路径、或有线和无线通信路径的组合，并且通常使用基于分组的通信协议和非时间敏感通信协议，例如以太网或IP协议。
[0004]如上所述，过程控制系统可以包括多个现场设备，这些现场设备在工厂内提供许多不同的功能能力，并且这些现场设备通常使用各种不同类型的专门物理接口或专门为过程控制开发的通信接口的物理层之一通信地耦合到过程控制器。例如，一种通用过程控制通信物理接口使用一个双线接口，该双线接口建立在点对点布线连接布置(例如，只有一个现场设备通信地耦合到一个特定的有线接口)或在多分支(multi
‑
drop)布线连接布置(例如，多个现场设备通信地耦合到一个有线接口)中。然而，一些现场设备可以使用无线通信物理层与控制器连接，该无线通信物理层可以包括无线网关和发射机/接收机设备。更进一步，现场设备通常被配置为使用各种不同的高度专用的通信协议中的一种与过程控制器通信。这些通信协议通常是数字信号协议，但可以是模拟协议(例如，4
‑
20mA协议)或组合的数字和模拟协议(例如，HART协议)。这些协议中的一些使用相对简单的命令和/或通信(例如，CAN协议中使用的ON命令和OFF命令)来操作，而其他协议更复杂，需要更多的命令和/或更多的通信信息，其可以包括或不包括简单的命令。例如，更复杂的协议可以使用例如高速可寻址远程换能器通信协议来传送模拟值，其中数字通信叠加在模拟值上。其他现场设备可以使用提供许多类型的通信的完全数字通信(例如，Fieldbus通信协议)。其他过程控制通信协议包括PROFIBUS通信协议，尽管另外的过程控制通信协议已经被开发并且也正在被使用。这些通信协议中的每一个都要求或需要由特定的物理层支持，该物理层可以包括双线、四线等物理层、特定的开关等。此外，物理层可以指定最大或最小的线长度、线厚度、线类型、终端类型、其他电气特性等等。然而，重要的是，现场设备被配置为使用单个协议进行通信，并且具有使用该通信协议和与该协议相关联的物理层进行通信的统一接口。
[0005]由于这些各种不同的现场设备通信协议的发展，其中每个现场设备通信协议通常使用不同的通信线路(物理层)和信令格式，各种不同的现场设备(例如，使用不同协议的现场设备)通过不同的输入/输出设备(I/O设备)通信连接到过程控制器，每个不同的I/O设备符合过程控制协议中的一个不同的协议，并支持特定类型的物理层。即，典型的工厂可以具有耦合到多个不同I/O设备的控制器，所述I/O设备包括Fieldbus I/O设备(其又经由符合FOUNDATION Fieldbus的两线或四线总线耦合到一个或多个FOUNDATION Fieldbus现场设备)、经由单独的两线或四线单分支连接耦合到一个或多个符合HART的现场设备中的每一个的HART I/O设备、经由符合CAN的布线连接耦合到一个或多个符合CAN的现场设备的CAN I/O设备等等。
[0006]此外，将现场设备的通信端口耦合到I/O设备的终端块，并最终耦合到过程工厂中的过程控制器通常是复杂的过程。现场设备必须耦合到I/O卡，所述I/O卡将从现场设备接收的信号转换为可以由过程控制器处理的信号，并且将从控制器接收的信号转换为可以由现场设备处理的信号。因此，对应于特定现场设备的每个I/O卡的每个通道必须与适当的信号类型相关联(以便由I/O卡适当地处理信号)，并且I/O卡必须通信地耦合到控制器或多个
控制器，控制器或多个控制器将最终从耦合到该I/O卡的现场设备接收信号和/或向耦合到I/O卡的现场设备发送信号。
[0007]如上所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业过程控制或工厂自动化系统，包括：对工业过程或工厂自动化工厂中的物理设备进行控制的控制器，所述控制器对一种或多种原材料执行操作以将所述一种或多种原材料转变成产品；多个高度通用(HV)现场设备，通信地耦合到所述控制器，所述多个HV现场设备从所述控制器接收命令并将参数值传送到所述控制器；通信网络，包括：高级物理层(APL)布线，被配置为提供环路供电的连接；一个或多个APL电源交换机，各自被配置为提供到其他设备的连接，并且各自包括电源以经由所述APL布线提供电力；一个或多个APL现场交换机，各自经由所述APL布线从所述一个或多个APL电源交换机中的一个接收电力，并且各自被配置为将通信信号和电力信号两者分配给通过APL布线通信地耦合到相应的APL现场交换机的HV现场设备，同时符合本质安全要求；以及网络资源管理部件，被配置为管理所述通信网络上的网络资源，以促进网络业务在所述通信网络上的通信，所述网络业务包括所述网络资源管理部件所知道的受管理的网络业务和所述网络资源管理部件所不知道的未受管理的网络业务。2.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述网络业务包括同与多个应用进行通信的至少一个HV现场设备之间的通信。3.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述网络业务包括同与至少一个其他HV现场设备进行通信的至少一个HV现场设备之间的通信。4.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述网络业务包括来自对来自发布HV现场设备或应用的数据进行订阅的至少一个HV现场设备的业务。5.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述网络业务包括来自向订阅HV现场设备或应用发布数据的至少一个HV现场设备的业务。6.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述控制器是过程工厂中的过程控制器，并且其中，所述HV现场设备是过程控制现场设备。7.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述控制器是工厂中的工厂自动化控制器，并且其中，所述HV现场设备是机器人工厂自动化设备。8.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述通信网络提供所述控制器与所述HV现场设备之间的通信。9.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述通信网络通过边缘网关提供所述HV现场设备与一个或多个应用之间的通信。10.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述通信网络提供所述HV现场设备与一个或多个基于云端的应用之间的通信。11.根据权利要求1所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述网络资源管理部件包括确定性网络管理器。12.根据权利要求11所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述确定性网络管理器实现时间敏感联网(TSN)网络管理方案。13.根据权利要求12所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，基于TSN的设备和非TSN设备都存在于所述网络上。
14.根据权利要求11所述的工业过程控制或工厂自动化系统，其中，所述网络资源管理部件包括出站端口，所述出站端口包括：多个队列，所述多个队列中的每个队列容纳对应类别的网络业务；队列选择单元，被配置为接收输入数据并确定输入数据被放置在所述多个队列中的哪个队列中；传输选择算法，被配置为选择从所述多个队列中的每个队列取出哪些数据；多个门，每个门与所述多个队列中的对应一个队列相关联；以及门控制列表，被配置为确定所述多个门中的哪个门开启，其中，如果门关闭，则即使传输选择算法已经选择了用于传输的数据，也阻止数据的传输，使得可以将优先级给予除了具有最高分配优先级的数据之外的数据。15.根据权利要求14所述的工业过程控制或工厂自动化系统，还包括时间感知整形器，所述时间感知整形器被配置为同步多个出站端口中的每个出站端口的门控制列表，使得为超低延迟数据传输创建畅通的通信信道。16.根据权利要求12所述的工业过程控制或工厂自动化系统，还包括集中式网络配置，所述集中式网络配置代表利用所述网络的应用来配置网络资源。17.根据权利要求16所述的工业过程控制或工厂自动化系统，还包括集中式用户配置，所述集中式用户配置发现并配置应用资源，并且代表所述应用驻留于其上的设备与所述集中式网络配置进行通信以配置TSN特...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
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：