用于工业过程工厂的软件定义过程控制系统技术方案

一种软件定义(SD)过程控制系统(SDCS)将控制器和其他与过程控制相关的业务逻辑实现为与硬件和软件计算平台资源分离的逻辑抽象(例如，在容器、VM等中执行的应用层服务)。SDCS的SD联网层响应于业务逻辑的要求和需求、以及在过程工厂运行时期间动态改变SDCS硬件和/或软件资产的条件(如硬件和/或软件资产的性能、故障、添加/删除等)，利用过程控制特定操作系统支持服务来管理对计算平台资源的使用、以及对应用层服务与现场环境中部署的设备和其他服务的创建、删除、修改和联网。因此，对硬件/软件资源的动态(重新)分配主要(若非完全)并持续通过应用层服务的当前要求和需求以及动态改变SDCS的条件实时管理。改变SDCS的条件实时管理。改变SDCS的条件实时管理。

【技术实现步骤摘要】
用于工业过程工厂的软件定义过程控制系统
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求享有于2021年6月16日提交的、标题为“Software Defined Process Control System for Industrial Process Plants”的美国临时申请63/211,535的优先权和权益，该申请在此通过引用全部并入。


[0002]本申请总体上涉及工业过程工厂的工业过程控制系统，并且更具体而言，涉及被软件定义的工业过程控制系统。

技术介绍

[0003]当前的分布式工业过程控制系统，例如那些在化学、石油、工业或其他过程工厂中用于制造、精炼、转换、生成或生产物理材料或产品的分布式工业过程控制系统，通常包括一个或多个过程控制器，这些过程控制器经由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、数字或组合的模拟/数字总线，或者可以包括一个或多个无线通信链路或网络。可以是例如阀、阀定位器、开关和变送器(例如，温度、压力、液位和流率传感器)的现场设备位于工业过程工厂的过程环境(其在本文中可互换地称为工业过程工厂的“现场环境”或“工厂环境”)内，并且通常执行物理过程控制功能，诸如打开或关闭阀、测量过程和/或诸如流量、温度或压力等的环境参数，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(诸如符合众所周知的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。，通常位于工厂环境中的过程控制器也可以位于与工厂相关联的后端、受保护的环境中，可以接收指示由现场设备做出的过程测量和/或与现场设备有关的其他信息的信号，并且执行控制例程或应用，所述控制例程或应用运行例如不同控制模块，不同控制模块利用不同控制算法做出过程控制决策、基于所接收的信息生成过程控制信号、并且与在现场设备(诸如和Fieldbus现场设备)中执行的控制模块或块配合。
[0004]其他类型的现场设备可以包括例如光谱测定设备，其可以例如在专业化学和制药过程工厂中用于质量控制和纯度验证。光谱现场设备的示例包括NIR(近红外)、UV
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VIS(紫外
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可见)和拉曼光谱仪，仅举几个示例。光谱测定现场设备可以由控制器或设备管理器来控制或管理，所述控制器或设备管理器通常指示光谱测定设备何时收集数据、何时传送所收集的数据等。
[0005]设置在现场设备和控制器之间的I/O设备使得能够在它们之间进行通信。例如，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(例如，物理过程)的至少一部分。在另一个示例中，光谱测定管理器
或控制器将指令传送到各种I/O设备，然后I/O设备经由专用通信线路或链路将指令发送到设置在工业过程工厂中的物理光谱测定设备。响应于该指令，光谱测定设备通过I/O设备经由类似的反向路径将所收集的数据传送到管理器/控制器和/或过程控制系统中的其他接收方设备。通常也位于工厂环境中的I/O设备通常被设置在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在控制器和一个或多个现场设备之间的通信。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。更具体而言，在控制器和使用特定通信协议的现场设备中的每一个之间提供不同的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。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。
[0006]更进一步，来自现场设备及其相应控制器的信息通常通过控制器经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、数据历史库、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和/或危险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都集中在整个过程工厂或过程工厂的一部分。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、或有线通信路径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，诸如以太网或IP协议。
[0007]作为示例，由艾默生过程管理公司销售的DeltaV
TM
控制系统包括存储在位于过程工厂内不同位置的不同设备中并由其执行的多个应用。驻留在一个或多个工作站或计算设备中的配置应用，使用户能够创建或改变过程控制模块，并经由数据高速通道将这些过程控制模块下载到专用的分布式控制器。通常，这些控制模块由通信互连的功能块组成，这些功能块可以是面向对象的编程协议中的对象，这些对象基于对其输入来执行控制方案内的功能，并且向控制方案内的其他功能块提供输出。配置应用还可以允许配置工程师创建或改变操作员接口，所述操作员接口由查看应用使用来向操作员显示数据，并使操作员能够改变过程控制例程内的设置(例如设定点)。每个专用控制器以及在一些情况下的一个或多个现场设备，存储并执行相应的控制器应用，该控制器应用运行分配并下载到该控制器应用的控制模块，以实现实际的过程控制功能。可以在一个或多个操作员工作站上(或在与操作员工作站和数据高速通道通信连接的一个或多个远程计算设备上)执行的查看应用，经由数据高速通道从控制器应用接收数据，并使用用户接口向过程控制系统设计者、操作员或用户显示该数据，并且可以提供多个不同视图中的任何视图，例如操作员的视图、工程师的视图、技术人员的视图等。数据历史库应用通常存储在数据历史库设备中并由其执行，该数据历史库设备收集并存储一些或所有通过数据高速通道提供的数据，而配置数据库应用可以在附接到数据高速通道的另一个计算机中运行，以存储当前的过程控制例程配置和与之相关联的数据。可替换地，配置数据库可以位于与配置应用相同的工作站中。
[0008]分布式工业过程控制系统随着时间的推移而发展，已经开发并添加了不同的硬
件、通信和联网技术。因此，当今的过程控制系统通常包括无数不灵活的、以硬件为中心的设备，诸如专用操作员控制台、配置站、特制控制器和I/O卡，仅举几个示例。过程控制系统内的不同类型的硬件设备的这种回转需要多级配置并将底层系统暴露给用户，并且通常转化为初始工程设计工作的成本增加和执行改变管理的成本增加。此外，由于过程工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过程控制系统，包括：应用层，其包括在多个节点中的一个或多个节点上执行的多个实例化软件部件(ISC)，所述多个节点中的每个节点都包括一个或多个相应的处理器、一个或多个相应的存储器、以及一个或多个相应的通信接口，所述一个或多个相应的通信接口将所述每个节点通信耦接到所述多个节点中的至少一个其他节点，所述多个ISC中执行控制器服务的实例的特定ISC，其能够操作为接收由部署在工业过程工厂的现场环境中的一个或多个过程控制现场设备生成的数据，并基于所接收的数据生成控制输出，并且响应于由所述特定ISC生成的控制输出，所述一个或多个过程控制现场设备操作以控制所述工业过程工厂中的物理过程；以及软件定义联网层，其经由一个或多个输入/输出(I/O)硬件接口将所述特定ISC与所述一个或多个过程控制现场设备通信耦合，所述一个或多个输入/输出(I/O)硬件接口支持将所述过程控制系统与所述一个或多个过程控制现场设备通信连接的一个或多个链路，所述软件定义联网层响应于对所述多个ISC的更改，发起和执行所述特定ISC对所述多个节点的处理器资源或存储器资源中的至少一个的利用的修改。2.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述多个ISC中的至少第一部分中的每个ISC都由相应的虚拟机实施，并且所述多个ISC中的至少所述第一部分包括所述特定ISC。3.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述多个ISC中的至少第二部分中的每个ISC都由相应的容器实施，并且所述多个ISC中的至少所述第二部分包括所述特定ISC。4.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述多个ISC中的第一ISC在所述多个ISC中的第二ISC内执行。5.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，对所述多个ISC的更改包括以下中的至少一个：向所述多个ISC中添加另一个ISC、或从所述多个ISC中移除现有的ISC。6.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，对所述多个ISC的更改包括以下中的至少一个：对所述特定ISC的配置的更改、或对所述多个ISC中包括的另一个ISC的配置的更改。7.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，对所述多个ISC的更改包括以下中的至少一个：对在所述特定ISC中执行的所述控制器服务的配置的更改、或对在所述多个ISC中的另一个ISC中执行的另一个服务的配置的更改。8.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，对所述多个ISC的更改包括以下中的至少一个：性能降级、性能改善、故障发生、或所述多个ISC中包括的另一个ISC的故障。9.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，对所述多个ISC的更改中的至少一个更改是由用户发起的。10.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，对所述多个ISC的更改中的至少一个更改是由在所述过程控制系统中执行的另一个服务自动发起的。11.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述另一个服务基于所述另一个服务检测到的条件自动发起所述至少一个更改。12.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述特定ISC被绑住到所述多个节点中的特定节点；以及
所述软件定义联网层将所述特定ISC对所述多个节点的处理器资源或存储器资源中的至少一个的利用限制为仅对所述特定节点的处理器资源或存储器资源中的至少一个的利用。13.根据权利要求12所述的过程控制系统，其中，所述特定ISC随后从所述特定节点解除绑定；并且响应于所述解除绑定，所述软件定义联网层移除所述特定ISC对所述特定节点的所述处理器资源或所述存储器资源中的所述至少一个的利用的限制。14.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述软件定义联网层响应于对所述多个ISC的更改或所述多个节点的更改中的至少一个更改，自动发起和修改所述多个ISC中一个以上ISC中的每个ISC对所述多个节点的所述处理器资源或所述存储器资源中的所述至少一个的相应利用。15.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述控制器服务被配置为执行一个或多个其他应用层服务，并且，所述一个或多个其他应用层服务的相应ISC在执行所述控制器服务的实例的所述特定ISC内执行。16.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，在所述特定ISC中执行的所述控制器服务的实例被配置有所述一个或多个过程控制现场设备的相应标识。17.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述控制器服务包括以下中的一个：连续过程控制服务、批次过程控制服务、基于状态的过程控制服务、事件驱动过程控制服务。18.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述控制器服务为在所述多个ISC中包括的服务ISC，所述多个ISC包括其他服务ISC集合，每个其他服务ISC执行以下服务的相应实例：操作员显示服务、操作员用户接口服务、配置显示服务、配置用户接口服务、可视化服务、诊断服务、分析服务、安全例程服务、报告服务、历史化服务、安全服务、仿真服务、数字孪生服务、外部通信服务、或另一个过程控制系统服务；并且所述软件定义联网层将所述服务ISC集合中的每个ISC都与以下中至少一个通信耦合：(i)所述多个ISC中的至少一个其他ISC，或(ii)部署于所述工业过程工厂的所述现场环境中的一个或多个相应的过程控制现场设备。19.根据权利要求18所述的过程控制系统，其中，所述软件定义联网层将第一服务ISC与第二服务ISC通信耦合，并且，所述第一服务ISC与所述第二服务ISC之间的通信利用请求
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响应范例。20.根据权利要求18所述的过程控制系统，其中，所述软件定义联网层将第三服务ISC与第四服务ISC通信耦合，并且所述第三服务ISC与所述第四服务ISC之间的通信利用发布
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订阅范例。21.根据权利要求18所述的过程控制系统，其中，所述多个ISC还包括子系统ISC集合，每个子系统ISC都执行从多个过程控制子系统中选择的相应过程控制子系统的相应实例，所述多个过程控制子系统包括连续过程控制子系统、事件驱动过程控制子系统、批次过程控制子系统、基于状态的控制子系统、历史库子系统、边缘连接或边缘网关子系统、诊断子系统、过程用户子系统、报警子系统、许可子系统、事件子系统、版本控制子系统、过程配置子系统、过程I/O子系统、配置数据库子系统、或另一个过程控制子系统；并且
所述软件定义联网层将所述子系统ISC集合中的每个ISC与所述多个ISC中的一个或多个其他ISC通信耦合。22.根据权利要求21所述的过程控制系统，其中，所述多个过程控制子系统中的一个或多个过程控制子系统中的每个过程控制子系统都提供相应的应用层服务集合；并且所述相应的应用层服务集合中的相应ISC在执行所述每个过程控制子系统的相应ISC内执行。23.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述过程控制系统与软件开发工具包通信连接；所述多个ISC中的至少一个ISC执行经由所述软件开发工具包生成的第三方服务或第三方子系统中的至少一个的相应实例；并且所述软件定义联网层将执行所述第三方服务或所述第三方子系统中的所述至少一个的所述相应实例的所述至少一个ISC与以下中的至少一个进行通信耦合：(i)所述多个ISC中的至少一个其他ISC，或(ii)部署于所述工业过程工厂的所述现场环境中的一个或多个相应过程控制现场设备。24.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述过程控制系统经由所述一个或多个I/O硬件接口与一个或多个用户计算设备通信连接；并且所述软件定义联网层经由所述一个或多个I/O硬件接口将执行应用层用户接口服务的相应实例的一个或多个ISC与以下中的至少一个进行通信耦合：所述一个或多个用户计算设备、或在所述一个或多个用户计算设备上执行的相应用户接口应用。25.根据权利要求24所述的过程控制系统，其中，所述过程控制系统包括执行安全服务的实例的ISC，执行所述安全服务的所述实例的所述ISC包括在所述应用层或所述软件定义联网层中；所述软件定义联网层将执行所述应用层用户接口服务的所述相应实例的所述一个或多个ISC中的至少一个ISC与执行所述安全服务的所述实例的所述ISC通信耦合；并且所述软件定义联网层基于由所述安全服务的执行实例生成的结果，建立执行所述应用层用户接口服务的所述相应实例的所述一个或多个ISC中的所述至少一个ISC与所述一个或多个用户计算设备或所述相应用户接口应用中的至少一个的通信耦合。26.根据权利要求24所述的过程控制系统，其中，在所述一个或多个用户计算设备上执行的所述相应用户接口应用中的至少一个由所述过程控制系统提供。27.根据权利要求1所述的过程控制系统，其中，所述特定ISC被包括在所述多个ISC中的两个或更多个特定ISC中，所述两个或更多个特定ISC中的每个ISC都执行所述控制器服务的复制实例；并且所述过程控制系统还包括在所述多个节点中的至少一个节点上执行的软件定义输入/输出(I/O)服务器服务，以执行以下动作：(i)向所述控制器服务的每个复制实例传递由所述一个或多个过程控制现场设备生成的数据，(ii)选择所述控制器服务的两个或更多个复制实例中的一个复制实例，以及(iii)向所述一个或多个过程控制现场设备提供由所述控制器服务的所选择的复制实例基于由所述一个或多个过程控制现场设备生成的所述数据
而生成的控制输出。28.根据权利要求27所述的过程控制系统，其中，所述软件定义I/O服务器服务基于由所述软件定义I/O服务器服务或所述软件定义联网层测量的一个或多个性能度量选择所述控制器服务的所述两个或更多个实例中的一个实例，所述一个或多个性能度量包括以下中的至少一个：与所述控制器服务的所述两个或更多个实例中的每个实例相对应的容错度量、负载平衡度量、或服务质量(QoS)度量。29.根据权利要求28所述的过程控制系统，其中，所述一个或多个性能度量中的每个性能度量由执行与所述每个性能度量相对应的性能度量服务的实例的相应ISC提供，并且，执行所述性能度量服务的所述实例的所述相应ISC通信耦合到所述I/O服务。30.根据权利要求28所述的过程控制系统，其中，由所述一个或多个过程控制现场设备生成的所述数据为第一数据，由所述控制器服务的所选择的复制实例生成的所述控制输出为第一控制输出，并且其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
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：