用於虛擬化過程控制系統的方法和設備的製作方法

2023-08-04 14:45:41 4

專利名稱：用於虛擬化過程控制系統的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明通常與過程控制系統相關，更特別地，與用於虛擬化過程控制系統的方法和設備相關。
背景技術：
如那些用於化學，石油或其他過程的過程控制系統，典型地包括一個或多個過程控制器和輸入/輸出(I/o)設備，通過模擬，數字或模/數混合總線，該輸入/輸出設備被通信地耦接到至少一個主機站或操作員站，以及耦接到一個或多個現場設備。該些現場設備，例如是閥門，閥門定位器，開關，發射機(如溫度，壓力和流速傳感器)，在執行該過程內的過程控制功能，如打開或關閉閥門，和測量過程控制參數。該過程控制器接收指示了該現場設備所進行的過程測量的信號，處理此信息以實現控制例程，並產生控制信號，該控制信號通過該總線或其他通信線路傳送到該現場設備以控制該過程的操作。在這種方式下，該過程控制器可通過該總線和/或其他通信連結，使用該現場設備來實施和協調控制策略，該通信連結通信地耦接該現場設備。來自該現場設備和該些控制器的過程信息對於該操作員工作站(如基於處理器的系統)所實施的一個 或多個應用(即軟體程序，程序等)是可用的，以使操作員能夠執行關於該過程的所需功能，如查看該過程的當前狀態(例如通過圖形用戶接口)，評估該過程，調整該過程的操作(如通過視覺對象圖)等。許多過程控制系統也包括一個或多個應用站。典型地，這些應用站利用個人電腦，工作站，或類似物而被實現，該個人電腦，工作站，或類似無通過區域網(LAN)耦接至該控制器，操作員工作站，和該過程控制系統內的其他系統。每個應用站包括圖形用戶接口，該圖形用戶接口顯示了該過程控制信息，包括過程變量值，與該過程相關的質量參數值，過程故障檢測信息，和/或過程狀態信息。

發明內容
一種示例過程控制系統包括伺服器集群，該伺服器集群包括一個或多個伺服器。該伺服器集群在操作時提供:虛擬工作站或虛擬伺服器；虛擬控制器，該虛擬控制器用於與該虛擬工作站或伺服器交互操作，並用於進行過程控制操作；和虛擬輸入/輸出設備，該虛擬輸入/輸出設備用於與該虛擬控制器交互操作，並被耦接到在過程控制系統內的一個或多個現場設備。另一種示例過程控制系統包括多核處理單元。該多核處理單元在操作時提供:虛擬控制器，該虛擬控制器用於與工作站或伺服器交互操作，並用於進行過程控制操作；和虛擬輸入/輸出設備，該虛擬輸入/輸出設備用於與該虛擬控制器交互操作，並被耦接到在過程控制系統內的一個或多個現場設備。一種示例的控制過程系統的方法包括:建立虛擬工作站或虛擬伺服器,建立虛擬控制器，以與該虛擬工作站或伺服器交互操作，並進行過程控制操作；和建立虛擬輸入/輸出設備，以與該虛擬控制器交互操作。


圖1描述了已知的控制系統結構。圖2描述了具有遠程部分的已知控制系統結構。圖3A和圖3B描述了包括完全集成的工廠功能的、另一個已知控制系統的結構。圖4描述了另一個已知控制系統結構。圖5A和圖5B描述了數字控制系統的物理方面。圖6描述了可用於控制系統使用的顯示，控制策略和告警配置。圖7描述了虛擬化工 作站和/或伺服器的一個示例方式。圖8描述了控制系統可被虛擬化的一個示例方式。圖9和圖10描述了可用於進行圖8所示的該虛擬化的示例結構。圖11描述了虛擬化控制系統的物理方面。。
具體實施例方式儘管下面描述了示例方法和設備，其除了其他器件之外還包括在硬體上執行的軟體和/或固件，應該注意的是這些示例僅是說明性的而不應被視為限制性的。例如，可以設想，硬體，軟體和固件組件中的任意或所有都可以被實體化在單獨硬體，單獨軟體或軟硬體的任何組合中。相應地，雖然在下面描述示例方法和設備，但是本領域的普通技術人員會理解:所提供的示例並不是實施此方法和設備的唯一方式。計算機結構中技術進步的結合，如多核處理單元，商業作業系統和網絡互聯促進了有效、易於管理、虛擬化的計算環境的發展。這樣的虛擬化環境已被信息技術部門利用以降低成本和提高系統運行時間。儘管至運行伺服器和客戶端的集中計算資源的遷移已經很好的建立，該伺服器和客戶端由虛擬化環境中所承載，但是將這樣的虛擬化環境應用到製造環境或，更一般地，過程控制系統，和特別地，實時嵌入環境的結構還不可用。這裡所描述的該示例方法和設備可被用於虛擬化整個過程控制環境或系統，包括應用嵌入式處理單元的環境或系統。更具體地，這裡所描述的該示例方法和設備可提供一種過程控制系統結構，該過程控制系統結構使得工作站，伺服器，控制器，輸入/輸出設備和現場設備通過具有一個或多個伺服器的伺服器集群而被虛擬化。這樣，整個過程控制系統可在這樣的虛擬化的環境或結構中被實施，因此顯著地提高了該過程控制系統的靈活性和魯棒性。例如，為了維護的目的，在該過程控制系統的操作中，該過程控制系統的任何虛擬化部分能夠輕易地從該伺服器集群內的一個伺服器遷移至另一個伺服器，這是響應於伺服器的故障，響應於關閉伺服器的需求，響應於該伺服器集群內的平衡資源的需求等。這樣的遷移能夠發生在不丟失數據或不必中斷通信的前提下，該通信例如是虛擬化操作員接口和該控制系統的其他虛擬化部分之間，如和輸入/輸出設備和/或控制器之間。進一步，該伺服器集群的該些伺服器可位於同一位置和/或位於不同的地理區域中。
在一個特別的例子中，過程控制系統可由伺服器集群所實現，該伺服器集群包括一個或多個伺服器，其中，該伺服器集群在操作時提供虛擬工作站或虛擬服務，提供虛擬控制器，該虛擬控制器用於與該虛擬工作站或伺服器交互操作，並進行過程控制操作，和提供虛擬輸入/輸出設備，該虛擬輸入/輸出設備用於與該虛擬控制器交互操作，並被耦接到在該過程控制系統內的一個或多個現場設備。例如，該虛擬工作站提供至該過程控制系統的用戶接口，如操作員接口，診斷接口或配置接口。例如，該虛擬伺服器提供至該過程控制系統的後臺服務，該後臺服務例如數據存儲或收集，配置功能，計算功能或至另一個系統的接□。該伺服器集群的結構可使用至少一個虛擬機伺服器以與客戶作業系統交互操作，該客戶作業系統對應於各個該虛擬工作站或伺服器，該虛擬控制器和該虛擬輸入/輸出設備。另外，該結構可包括存儲區域網絡來為該客戶作業系統存儲數據。用戶可以通過遠程桌面服務訪問該虛擬工作站或伺服器，該遠程桌面服務通過個人電腦，另一個工作站或一個瘦客戶機設備而實現。進一步，除了對工作站，伺服器，控制器和I/o設備進行虛擬化之夕卜，該結構也可被用於對現場設備進行虛擬化，因此便於模擬和/或任何其他測試。前面提到的示例結構可被延伸用於嵌入式系統，並且，替換地或附加地，該虛擬工作站或伺服器，該虛擬控制器和/或該虛擬輸入/輸出設備可通過一個或多個多核處理單元被實現。在更詳細地討論用於虛擬化過程控制系統的該示例方法和設備前，下面提供與圖1，圖2和圖3相關的數字控制系統(DCS)的討論。DCS被部署在各種配置中，該配置的範圍從獨立的筆記本電腦到多區配置以控制整個工廠，該獨立的筆記本電腦配置主要被用於針對的培訓和設計活動。在一些情況下，DCS可在廣闊的地理區域上延伸，例如帶有覆蓋陸上作業的系統部分和用於控制離岸很多公裡的平臺的離岸組件。在一些過程工廠中，該DCS與業務系統相集成，該業務系統提供至實驗室數據，調度，維護系統等的實時訪問。圖1示出了已知控制系統100。如圖1所示，工作站和伺服器102提供各種功能，包括操作員接口，維護，歷史數據收集，並與該工廠網絡集成。在許多情況下，如通過虛擬專用網絡(VPN)連接，通過使用終端服務的瘦客戶端104來向用戶提供至該DCS的遠程訪問。這些連接可通過一個或多個終端服務 器106連接並通常被稱為瘦客戶連接。在一些示例中，該系統100的多個部分可以遠離該主控制系統。連接這些遠程操作的該網絡可包括通過乙太網回程，電話線，電纜，光纖，微波，和/或衛星的通信連結。對於這樣的遠程連接，安全性，採樣時間和可靠性通常被考慮。圖2示出了帶有遠程操作的另一種已知控制系統200。在許多情況下，該DCS可被完全集成到整個工廠的操作中，且安全系統，燃燒器管理，和機器健康功能被集成，對於該DCS來說也是常見的。圖3A和圖3B示出了帶有完全集成工廠功能的系統300。如圖3A和圖3B所示的分布控制系統由工作站和伺服器，控制器，輸入/輸出設備，現場設備，控制技術，和如設備數據歷史等應用所組成。如下更加具體的描述，圖3A和圖3B中的該示例系統可被這裡所描述的該示例方法和設備所虛擬化。除了其他任務之外，虛擬化該示例系統300使過程控制人員能夠模擬和測試系統配置。進一步，虛擬化該示例系統300可提高災難恢復。例如，如果承載該虛擬系統的資源位於預計被風暴影響的地區，那麼在不同位置的其他資源可被用於承載該虛擬化的系統，因而避免該風暴導致的系統停止。附加地，虛擬化該示例系統300使系統場景得以在物理系統升級之前被測試。已知的過程控制系統結構400在圖4中示出。如圖4所示，該結構400包括工作站和伺服器402和404。該工作站402可支持用戶接口功能，如操作員接口，支持診斷，和/或配置。該伺服器404支持後臺功能，如數據收集和存儲，配置，計算和至外部系統的接口。至該過程的操作員接口典型地包括或涉及該工作站402和該伺服器404，鍵盤，滑鼠，液晶顯示(IXD)監視器。例如，為了提供寬闊的控制視野和範圍，多個監視器可以各種安排而被使用。大的IXD監視器可被用於支持工廠概覽顯示。進一步，已知的作業系統，如視窗伺服器2008和視窗7可被利用，因為廠商可得到對這些系統的廣泛支持。操作員用於監視過程情況和操縱該過程操作的設定點的設備可被置於中央控制室或分布在靠近該設備的該工廠樓層。從這些位置，該操作員能夠查看到從該處理區域被發送且被顯示在操作員顯示器中的信息，並從輸入設備改變控制條件，假設該操作員有適當的安全權限。在該些工作站402中的一個或多個裡，操作員顯示應用典型地被執行在系統廣泛的基礎上，並對該操作員或維護人員提供預先配置的顯示，該顯示是關於在該工廠內的該作業系統或該設備的操作狀態。典型地，這些顯示以告警總結顯示的形式，其接收在該過程工廠內控制器406和408或設備410所產生的告警，控制指示了在該過程工廠內的該控制器和其他設備的該操作狀態的顯示，維護指示了在該過程工廠內的該設備的操作狀態的顯示，等等。通過帶有關聯圖形的對象的使用，顯示可被產生。基於該接收到的數據，該對象可在該顯示屏幕上動畫該圖形，以說明例如水箱是半滿的，以說明通過流量傳感器所測量的流量，等等。用於該顯示的該信息從該過程工廠內該設備或配置資料庫被發送，該信息被用於向用戶提供包含此信息的顯示。因此，被用於在該工廠內產生告警，檢測問題等等的所有信息和程序可由與該工廠相關的不同設備被產生和配置在其中，這些設備如在該過程工廠控制系統的配置期間的控制器和現場設備。為該過程控制系統編程涉及幾個配置活動，如物理配置，控制策略配置，顯示配置，和歷史數據收集配置。通常這些活動並行地被執行，且然後當該過程控制系統被設計時被集成在一起。配置資料庫使用戶(如工廠操作員)能夠生成和調整控制策略，並通過控制網絡412下載這些策略到該分布的控制器406和408，控制臺和設備410。典型地，該控制策略由互連的功能塊，SFC，設備和單元代表等組成，它們基於輸入來執行在控制方案內的功能，且它們將輸出提供給控制方案內的其他功能塊和/或輸入/輸出設備。該配置應用也允許設計者生成或改變操作員接口，該操作員接口被觀看應用所使用以顯示數據給操作員，以及以使得該操作員改變在該過程控制系統內的設置。各個該控制器406和408和，在一些情況下的現場設備410存儲和實施控制器應用，該控制應用運行被分配和下載的該控制模塊，以執行實際的過程控制功能。對於被規範和/或高度關鍵的過程控制應用，如那些要求FDA認證的應用，該配置可被版本化。該版本和審計線索應用記錄了所有改變，誰做了該些改變，以及何時做了該些改變。DCS也包括收集批 次，連續和事件數據的能力。集中定義的歷史資料庫對於歷史數據的存儲是可用的。任何屬性值，任何控制策略的告警，警報，或過程情況能夠隨同其狀態被記錄在歷史資料庫中。在現代控制系統中，該數據值作為該系統的集成特性被收集。事件被收集，且時間被標記在其源上。例如，該數據可以以數毫秒的解析度而被收集和記錄。用戶和分層的應用能夠以時間順序的方式重獲該批次，連續和事件數據。為了安全的原因，數值在沒有留下審計線索的情況下不可被編輯。通常，安全是DCS結構的一部分。逐用戶，逐工廠區域，逐單元和逐工作站，該DCS管理用戶能夠做什麼。分層應用在被允許訪問該系統前要被認證。DCS內的安全可以涉及認證過程，通過被密碼所保護的用戶帳號的使用，該認證過程控制用戶和分層應用訪問該DCS。DCS安全也涉及用戶相關的方面，如要求該DCS的用戶在系統中擁有用戶帳號以獲得訪問，命名所有用戶帳號，在站點的範圍內為所有用戶帳號提供唯一名稱，以及為了啟動DCS會話，要求所有用戶帳號具有與該用戶帳號相結合地被提供的密碼。更進一步，DCS安全可涉及工廠區域安全方面，例如基於用戶帳號，允許或拒絕在過程控制工廠內的零個或多個區域中做出改變的訪問。對於訪問被允許的每個工廠區域，根據數據能夠被改變的該運行時間屬性的分類，在該運行時間的訪問能夠被限制。對於訪問被允許的每個工廠區域，進行配置改變的能力能夠被限制。用戶帳號也能夠被允許或拒絕訪問以查看或調整用戶帳號和權限信息。在一些系統中也可能使能授權。在這些情況下，一個或多個用戶可通過密碼來確認某些參數的改變，啟動/停止一個批次，等等。集成診斷可以是DCS的特性。這樣的診斷可以覆蓋該硬體，冗餘，通信，控制，和在某種程度上覆蓋該DCS的軟體。該控制網絡412被用於連接該控制器406和408，遠程輸入/輸出，和該工作站402和該伺服器404。為了提供過程告警和數值的確定通信，一些DCS系統使用專有網絡。然而，在多數過程控制系統中，這些網絡已很大程度上被廉價的、運行在10Mbps，100Mbps，和IGbps通信速率的乙太網接口取代。

通過使用交換機414和416，該控制網絡上的網絡劃分被實現。標準的交換機已經讓位給帶有內置防火牆功能的智能交換機。通過設計帶有智能交換機的該控制網絡412，既使該控制系統安全，也管理業務流是可能的。為了提高該控制網絡412的可靠性，該控制網絡412可包括冗餘交換機，冗餘乙太網卡，和/或冗餘網絡布線。通過模擬，數字或混合的模/數總線，該控制器406和408被連接到該現場設備410。該現場設備410，例如閥門，閥門定位器，開關和發射機(如溫度，壓力，等級和流速傳感器)可被置於該過程環境內，並執行過程功能，如打開或關閉閥門，測量過程參數，等等。智能現場設備，如符合該輸入/輸出總線協議的現場設備，也可執行控制計算，告警功能，和其他控制功能。該控制器406和408實施控制策略，該控制策略從該現場設備410讀取測量，該控制器還實施控制功能，並通過通信線路發送信號到致動器，馬達等等，以控制該過程的操作。來自該現場設備410和該控制器406和408的信息在該控制網絡412上對於該操作員工作站402，該數據歷史404，報告生成器，集中資料庫等是可用的。這些節點運行應用，例如，使得操作員執行與該過程相關的功能，如改變該過程控制例程的設置，調整該控制器406和408或該現場設備410內的該控制模塊的該操作，查看該過程的目前狀態，查看由該現場設備410和該控制器406和408所產生的告警，為了培訓人員或測試該過程控制軟體的目的而模擬該過程的操作，維持和更新配置資料庫，等等。
可被用於開發該控制系統的設計的一種方法涉及使用該單元和該過程的單元操作來維護該輸入/輸出設備，例如，定位化學反應器和在相同物理控制器中的蒸餾塔。如果選擇這個方法，只要該控制器406，408起作用，則該過程保持在控制之下。為了增加此場景的可靠性，該控制器406，408和輸入/輸出模塊，卡或設備418可以做成冗餘。該控制器406和408進一步在「Terry Blevins, Mark Nixon.控制迴路基礎-批次和連續的過程,研究三角園:ISA，2010」中描述，其整體以引用的形式被併入。該輸入/輸出卡或設備418可處理多種現場測量和致動器。示例的輸入/輸出卡或設備的類型包括(I)模擬輸入(隔離)1-5伏DC,4-20ma, (2)模擬輸出4_20niA，(3)隔離RTD輸入(2，3，或4線)和熱電偶輸入(B, E，J，K，N, R，S，T)，(4)離散輸入24VDC，120/230VAC, (5)離散輸出24VDC，120/230VAC，(6)脈衝計數輸入，和(7)脈衝持續輸出。數字發射機和致動器可使用多種可用的通信協議和物理接口。示例通信接口卡包括⑴HART智慧卡，4到20mA，(2)HART AO卡，4到20mA系列，(3)設備網絡(DeviceNet)(波特率 125 250 500kbit/ 秒)，(3)FOUNDATION 現場總線(Fieldbus)，(4)AS-接口，
(5)Profibus DP 波特率(9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500kbit/秒)，和(6)串行接口(Modbus或Allen Bradley的數據高速附加協議)。另外，一些廠商會提供輸入/輸出卡以符合專門的要求。例如，事件序列(SOE)輸入卡被用於捕捉直接從現場中的設備接收來的過程混亂事件。因為事件被捕捉並被臨時本地地存儲在SOE輸入卡上，因此更快地記錄該卡上的各個通道是可能的。例如，SOE輸入卡所捕捉的事件被使用1/4-毫秒解析度被打上時間戳。輸入和輸出端接被製作在端子中，該端子可以是該電子安裝框架的一部分或是在單獨的端子板上。在端子板的情況下，可以使用在該端子板和該電子控制器文件之間的電纜連接。可以從該機櫃的正面做連接。替代地，可以使用裝有成行的端子帶的單獨的端接櫃。此替代方案包括從該端接櫃到在該遠程控制器櫃裡的該端子的額外配線，而在該分布控制外殼被交付和安裝前使該現 場配線被完成。模擬輸入和輸出信號可以通過被屏蔽的、雙絞銅線被傳送。數字輸入和輸出，120伏AC或24伏DC，能夠通過不需要被屏蔽的雙絞線傳送。模擬信號可能無法在接近交變電流配線處運行。許多控制器被配置為處理I到5伏的直流(DC)信號。因此，一個經常使用的輸入是4到20mA電流信號,它在安裝於該輸入端子板的250ohm電阻上產生I到5v的電壓輸入。一些分布控制系統能夠接受來自RTD和熱電偶的低電平信號，並在它們的輸入電子電路中進行信號放大。一些系統能夠接受帶有足夠高頻率的脈衝輸入，以允許來自渦輪流量計的信號直接被使用。多數供應商提供一些信號整理。通過配置，可以選擇對來自熱電偶和電阻溫度計的信號取均方根，進行線性化，和抑制噪聲輸入。一些輸入/輸出板提供帶有保險絲的24伏DC電源的端子，該電源能夠被用於為雙線發射器供給正電壓。獨立的端子板也可以提供用於數字輸入和輸出信號。可以提供對這些信號的光隔離。DC輸入信號(或整流的交流電流(AC)輸入信號)使在該隔離繼電器中的發光二極體(LED)被通電。從該LED激發的光電設備驅動在三極體-三極體邏輯(TTL)輸入電路中的三極體，以發送數字輸入。數字輸出信號被類似地隔離，以驅動用於DC輸出的三極體驅動電路或用於AC輸出的可控矽電晶體電路。產生該輸出的該固態繼電器類似於幹接點進行工作，且該輸出由獨立電源所供電。對於用於輸入/輸出處理的冗餘和互接的需求導致用於該處理控制器的自定義硬體設計。多個處理器經常被用於解決該通信，輸入/輸出處理和控制執行。並且，用於嵌入式應用的實時作業系統可被用於提供確定的調度和控制系統的執行。該術語「設備」可以統稱發射機，如流量計，和最終的控制元件，如閥。智能設備既提供測量數據也提供診斷信息。該診斷信息能夠被用於監視該設備的健康，並在一定程度上，監視該設備所監視的該過程的健康。為使該整個系統可靠地運行，該信息可以以連續的基礎而被監視。有各種方法來連接至設備並且與設備通信，包括本地控制總線。帶有控制總線接口的設備能夠直接地被連接至該控制總線。這種設備包括流量計算機，氣相色譜儀，防浪湧控制系統，和其他複雜的現場設備。替代地，可以使用現場總線。帶有現場總線功能的設備能夠通過DCS控制器或聯接裝置(網關)而被連接。現場總線包括Foundation現場總線(Fieldbus)HI，HART，ProfiBUS，和 ASi (致動器傳感器接口)。然而，Fieldbus HI 和Profibus主要用於連續信號，ASi用於受到「開關控制」或「開關監視」的網絡現場傳感器和致動器(兩狀態現場設備，如接近開關，開關閥門和開關指示器)。在進一步的替代方式中，可以使用傳統的輸入/輸出。例如，可使用帶有HART的4-20mA電流迴路。該HART協議使得該設備內的配置和診斷被該工廠系統所使用。設備在「McMillan，Gregory K.過程工業中的現代測量和最終元素的基本要素:設計，配置，安裝，維護的指導，研究三角園:ISA，2010」中被進一步描述，該文全部以引用的方式被併入。已知的DCS配置的物理方面如圖5A和5B所示，且，顯示、控制策略和報警配置如圖6所示。作為配置系統的部分，在其被部署在該實際設備之前，測試該配置是必要的或所希望的。各種技術已被用於實現這樣的測試。例如，該配置可以在虛擬或模擬控制器上被測試。然而，應用前述已知的系統和技術，這樣的測試導致實質性大量的額外工作，且由於該虛擬化的特性非常有限，該測試不可能測試該系統整體的性能。為模擬該過程的動態性，幾種形式的動態過程仿真已被使用。在大多數情況下，使用專門配置的控制策略以代表該過程是可能的。這些過程的模擬可以運行在控制器或虛擬控制器中，該控制器或虛擬控制器是該應用/集成站的部分。該示例的用於虛擬化所描述的過程控制系統的裝置和方法，可不改變該過程控制系統的核心功能和特性而被應用。相反，所描述的該示例裝置和方法可以被用來實現過程控制系統的結構，該結構將該功能和特性從該底層硬體相分離。通過這樣做，所描述的該示例裝置和方法及其提供的該DCS的結構，使整個控制系統，或部分的該控制系統得以在單個伺服器或伺服器集群中被執行(如運行)。依照所描述的該示例方法和裝置而實現的示例結構如圖7，圖8，圖9和圖10所示。如這些圖所示，虛擬化使得客戶作業系統，或多個客戶作業系統在伺服器集群中運行。該虛擬化的過程控制系統或環境將基礎設施組件的集合，如中央處理單元(CPU)，存儲和網絡化結合至無縫和動態的操作環境之中。該虛擬化的系統或環境包括基礎設施服務，即提取，聚集和分配硬體 和基礎設施資源，如CPU，內存，存儲，網絡化。該虛擬化的系統或環境還包括應用服務，該服務保證對應用的可用性，安全性，和可擴展性。該虛擬化的系統或環境進一步包括管理服務，該服務提供了對於該虛擬化環境的單點控制。可被應用或適配以執行的所描述的該示例結構的虛擬化技術通常被描述在《VMware, I VMware vSphere的介紹，Palo Alto, CA, 2009,》和《VMware,可安裝的ESXi和vCenter伺服器建立指導，Palo Alto,CA，2009，》之中，它們全部被引用而納入本文。圖7示出了將工作站和/或伺服器700虛擬化至單獨主機702的示例方式。如圖7所示，多個瘦客戶機704可通過區域網通信地耦接到該主機702。此外，如圖7所述，該主機702內的軟體708被安排以提供虛擬機伺服器層710，該虛擬機伺服器層710介入虛擬工作站712和作業系統714和硬體716層。各個該虛擬工作站712包括被封裝的應用和作業系統，在該作業系統內該應用被執行。因此，以這種方式，該工作站700可以被合併在單獨的主機(如該計算機702)內操作。圖8描述了控制系統800可被虛擬化的示例方式。輸入/輸出設備802的虛擬化被描述了於該系統中，對應於附圖標記804。控制器806可被額外地或替代地虛擬化，如在系統中對應附圖標記808所描述。類似地，工作站810可被額外地或替代地虛擬化，如在系統中對應附圖標記812所描述。更進一步，雖未在圖8中示出，現場設備可以以類似的方式被額外地或替代地虛擬化。由該輸入/輸出設備802的虛擬化而產生的各種軟體層，該控制器806和該工作站810在相應於附圖標記814的塊中被描述。用於圖8的該虛擬化環境的結構進一步在圖9和圖10中所說明。如圖9和圖10所示，虛擬工作站或伺服器900在具有一個或多個伺服器的物理伺服器902集群上運行。存儲區域網絡904提供了用於該客戶作業系統的公用存儲，該客戶作業系統在該物理伺服器集群902上運行。該伺服器集群902提供了一個環境，在此環境中客戶工作站或虛擬桌面906，如操作員站和配置站，和客戶伺服器或虛擬化的伺服器900 (如該PROPlus和應用站)可被執行。用戶可以通過遠程桌面服務908訪問伺服器和客戶端，該服務可以從用戶的筆記本電腦，工作站，或瘦客戶設備上被啟動。該集群902也可用來存儲圖像，可被串流輸出到物理桌面910。在這種情況下，該集群902可以用來管理被存儲於物理硬碟驅動器中的物理圖像。·進一步，如圖10所示，控制器912和CIOC 914也可被虛擬化。在這種情況下，該控制器和CIOC被虛擬化且運行在該集群902上，且當運行在容錯(FT)模式下時，其提供與運行在專用硬體時相同的可靠性。圖11描述了虛擬控制系統的物理方面。特別地，描述了集群伺服器1100的層次安排，活動目錄和域控制器1102，工作站1104，虛擬機軟體1106和工作站模板1108。為了虛擬化控制系統，基礎設施總線可用於同步分布式系統，控制器，和/或其他分布式過程控制組件。在示例中，運行在該系統，控制器，和/或其他分布式過程控制組件的過程被遷移，在此所述的該示例方法和裝置可使用異步和/或同步的存儲器狀態和/或數據狀態的轉移。例如，為了將一組控制器的操作轉移至另一組控制器，該控制器的磁碟和/或存儲器狀態開始可以被異步發送。接著，在初始的磁碟和/或存儲器轉移後，利用任何優化例程以減少轉移的數據總量和/或減少轉移時間，該組控制器可同步地轉移剩餘的磁碟和/或存儲器狀態。在這種方式下，對第一組控制器的該磁碟和/或存儲器狀態的改變被傳播到第二組控制器。在基本上所有的存儲器狀態和/或磁碟狀態被轉移後，在此所述的該示例方法和裝置可將業務路由至第二組控制器，停止第一組控制器，和轉移該剩餘存儲器和/或磁碟狀態至第二組。在其他示例中，在此所述的方法和裝置可使用冗餘系統，控制器，和/或其他分布式過程控制組件以轉移過程。在這些示例中，虛擬開關可利用冗餘的後端平面，這樣隨著計算負荷和/或客戶需求變化時，任何過程基本上可以在系統，控制器，和/或其他分布式過程控制組件之間無縫地轉移。多核技術使晶片製造商增加計算能力而不用必須提高時鐘速度，提高時鐘速度會增加發熱，無線電輻射/幹擾等。這樣的多核技術可以用來提升虛擬化。例如，管理程序可在該硬體執行使多個客戶作業系統使用該硬體功能。在此所述的示例方法和裝置提供的該虛擬化有許多好處。這些好處包括延長系統壽命以減少由於硬體和軟體過時而導致的升級，簡化遷移以減少系統升級中斷和減少安裝和維護成本，提高系統可用性，其包括維護和備份中的可用性，由於資源利用和可擴展性的最大化而提高系統性能，由於易於補丁管理而提高維護和支持，和易於遠程軟體支持及安全更新。在此描述的該示例方法和裝置的好處進一步包括:由於計算資源的最大化利用和較低的硬體和安裝成本而導致的成本有效的工作站部署；由於集中備份和存儲而導致的較低的維護成本，病毒保護作業系統的易於更新，和過程控制系統軟體的易於升級；由於用於關鍵應用冗餘計算和存儲以及從工作站故障的快速恢復而導致的提高的可用性；由於額外的安全級別以限制訪問和提供審計和控制而導致的提高的安全性；對威脅情況的較快響應；由於更靈活的培訓與開發系統而增強的靈活性，降低了 FAT所需的硬體和減少帶有並行FAT和站點輸入/輸出校驗的項目調度；由於非侵入的遠程維護和故障排除而增加的支持；由於控制器能夠一起被封裝為一個集群而不用運行輸入/輸出至單個控制器，從而改進了封裝；由於在控制器之間移動控制策略時不用重複測試該控制策略的大部分，從而降低工程成本；由於集群控制器和輸入/輸出伺服器能夠被移動在可用控制器和輸入/輸出的計算平臺之間且不會丟失至該系統的訪問，從而提高可用性；因為任何加載問題的控制器能夠通過增加CPU而 修正，從而簡化FAT ;因為集群能夠在同一工廠或位於遠離該主控制系統的地方以覆蓋公用事業區域，油庫，石油平臺，和遠程站(例如在油氣領域)，從而改進系統分布；且由於集群能夠通過高速連結以備份它們，從而提高災難恢復。儘管某些示例方法和裝置已在此描述，但是此專利的覆蓋範圍不限於此。相反，此專利涵蓋了所有字面地或在等同規則下地落入在所附權利要求範圍內的方法，裝置和產品ο
權利要求
1.一種過程控制系統，包括 伺服器集群，包括一個或多個伺服器，該伺服器集群在操作時提供 虛擬工作站或虛擬伺服器； 虛擬控制器，該虛擬控制器用於與該虛擬工作站或伺服器交互操作，並用於進行過程控制操作；和 虛擬輸入/輸出設備，該虛擬輸入/輸出設備用於與該虛擬控制器交互操作，並被耦接到在該過程控制系統內的一個或多個現場設備。
2.根據權利要求I所述的過程控制系統，其特徵在於，該虛擬工作站用於提供至該過程控制系統的用戶接口。
3.根據權利要求2所述的過程控制系統，其特徵在於，該用戶接口用於提供操作員接口，診斷接口或配置接口。
4.根據權利要求I所述的過程控制系統，其特徵在於，該虛擬伺服器用於提供至該過程控制系統的後臺服務。
5.根據權利要求4所述的過程控制系統，其特徵在於，該後臺服務用於提供數據存儲或收集，配置功能，計算功能或至另一個系統的接口。
6.根據權利要求I所述的過程控制系統，其特徵在於，該伺服器集群包括至少一個與多個客戶作業系統交互操作的虛擬機伺服器，該多個客戶作業系統對應於該虛擬工作站或伺服器，該虛擬控制器，和該虛擬輸入/輸出設備中的每一個。
7.根據權利要求6所述的過程控制系統，進一步包括存儲區域網絡，以存儲用於該客戶作業系統的數據。
8.根據權利要求I所述的過程控制系統，進一步包括遠程桌面服務，以使用戶訪問該虛擬工作站或伺服器。
9.根據權利要求8所述的過程控制系統，其特徵在於，通過個人電腦，另一個工作站或瘦客戶機設備實現該遠程桌面服務。
10.一種過程控制系統，包括 多核處理單元，該多核處理單元在操作時提供 虛擬控制器，該虛擬控制器用於與工作站或伺服器交互操作，並用於進行過程控制操作；和 虛擬輸入/輸出設備，該虛擬輸入/輸出設備用於與該虛擬控制器交互操作，並被耦接到在該過程控制系統內的一個或多個現場設備。
11.根據權利要求10所述的過程控制系統，其特徵在於，該工作站或伺服器包括虛擬工作站或伺服器。
12.根據權利要求10所述的過程控制系統，其特徵在於，該虛擬工作站或伺服器被該多核處理單元實現。
13.根據權利要求10所述的過程控制系統，其特徵在於，該虛擬工作站用於提供至該過程控制系統的用戶接口。
14.根據權利要求10所述的過程控制系統，其特徵在於，該虛擬伺服器提供至該過程控制系統的後臺服務。
15.根據權利要求10所述的過程控制系統，其特徵在於，該多核處理單元包括至少一個與多個客戶作業系統交互操作的虛擬機伺服器，該多個客戶作業系統對應於該虛擬控制器和該虛擬輸入/輸出設備中的每一個。
16.—種控制過程系統的方法,包括 建立虛擬工作站或虛擬伺服器； 建立虛擬控制器，以與該虛擬工作站或伺服器交互操作，並進行過程控制操作；和 建立虛擬輸入/輸出設備，以與該虛擬控制器交互操作。
17.根據權利要求16所述的方法，進一步包括在該過程控制系統的操作中，將該虛擬工作站或伺服器，該虛擬控制器或該虛擬輸入/輸出設備從伺服器集群的一個伺服器遷移至該伺服器集群的另一個伺服器。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，該伺服器集群的該伺服器和該伺服器集群的該另一個伺服器在不同的地理區域中。
19.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，該遷移是響應於平衡該伺服器集群內的資源的需求，響應於關閉該伺服器集群的該些伺服器中的一個伺服器的需求，或響應於該集群的該些伺服器中的該個伺服器的故障。
20.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，該遷移包括將一個客戶作業系統從該伺服器集群的該個伺服器遷移到該伺服器集群的該另一個伺服器，而不丟失數據或不丟失至該過程控制系統的操作接口的連接。
21.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，該遷移是響應於從災難中恢復的需求。
22.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，該遷移是響應於該過程控制系統內更改軟體版本的需求。
全文摘要
描述了用於虛擬化過程控制系統的方法和裝置。所描述過程控制系統包括伺服器集群，該伺服器集群包括一個或多個伺服器。該伺服器集群在操作時提供虛擬工作站或虛擬伺服器；虛擬控制器，該虛擬控制器用於與該虛擬工作站或伺服器交互操作，並進行過程控制操作；和虛擬輸入/輸出設備，該虛擬輸入/輸出設備用於與該虛擬控制器交互操作，並被耦接到在過程控制系統內的一個或多個現場設備。
文檔編號G06F11/20GK103238143SQ201180056199
公開日2013年8月7日 申請日期2011年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者M·尼克森, J·M·卡爾德威爾 申請人:費希爾-羅斯蒙特系統公司