在高速乙太網上的面向塊控制系統的製作方法
2023-12-02 07:25:16
專利名稱：在高速乙太網上的面向塊控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制系統結構。尤其是，本發明涉及一個在高性能網絡環境中的開放、可互操作的分布式控制系統。
背景技術：
自動控制系統對於諸如工藝控制、離散控制、批處理控制(組合的過程和離散)、工具機控制、傳動控制以及機器人等的工業的所有部分是決定性的。在現代的控制系統中強烈需要的是開發和使用″開放″和″可互操作″的系統。開放、可互操作的系統允許由不同的製造商製造的控制設備在相同的系統中相互通信和工作，而無需自定義編程。″Fieldbus″是用於描述這些控制系統的通常的術語。
朝著開放、可互操作的Fieldbus系統方向的變化是由設備製造商和終端用戶推動的。製造商想要開放、可互操作的系統，因為它允許他們在降低開發費用的同時去銷售他們的產品給更多的終端用戶。終端用戶想要開放、可互操作的系統，以便可以不考慮設備製造商而選擇最好的控制設備用於他們的系統。
也有一種傾向將控制功能的分布進入智能設備之內。在集中控制系統中，中央控制器實施所有的控制功能。
在分散式控制系統中，工作在系統中多於一個的控制裝置在控制功能中承擔能動的作用。雖然集中和分散制兩者都使用通信網絡，分散系統通過降低或者消除在控制設備和人機接口之間的集中控制器的功能來降低整個系統的成本。
為了使分散式控制系統真正地開放和可互操作，通信系統和用戶層(在通信系統層之上)兩者都必須進行規定和開放。一種真正的開放和可互操作分散的系統是由Fieldbus FOUNDATION提供的Fieldbus系統。FOUNDATIONTMFieldbus用戶層被例如在1997，8月21日申請的，標題為″面向塊的控制系統″的美國專利申請08/916,178(此後稱為″』178″申請)中描述，並且轉讓給本申請的受讓人。
由FOUNDATIONTMFieldbus使用的Fieldbus(H1)31.25千位/秒低速在國際電氣技術委員會(IEC)標準IEC 61158部分描述，因此其整體合併在此處作為參考。
雖然FOUNDATIONTMFieldbus提供開放和可互操作解決H1控制能力的方法，在一般地被稱為Fieldbus″骨幹″網的很高性能的通信系統上存在巨大的需要，即提供一種開放和可互操作解決分布式控制的方案。骨幹網從例如H1及其他控制設備的低速控制設備中集合信息，用於監控和超前控制應用。該骨幹網也需要綜合控制信息進入到企業的管理信息系統(MIS)之內。
一種廣泛接受的、用於高性能通信信令的標準是乙太網。由Xerox在20世紀70年代發明的乙太網已經從每秒10兆位的起始速度發展到每秒100兆位，每秒十億比特及其更高。乙太網信令在電氣與電子工程師協會(IEEE)標準(IEEE 802.3)中規定。乙太網信令是由網際網路使用的基礎技術。網際協議是由網際網路(IETF)工程工作小組規定的，並且作為徵求意見(RFC)說明規範頒布。
雖然乙太網/網際網路技術提供基本業務用於高性能Fieldbus骨幹網，但是它不提供在分散式控制系統中需要使用的所有功能。尤其是，IEEE和IETF不具有適當的開放和可互操作，來解決綜合分散式控制系統(例如H1子系統)、系統時間同步和故障容忍的方法。
由諸如Open DeviceNetTMVendor Association，Inc.(″乙太網/IP″)和PROFIBUS International(″PROFINet″)機構使用的從低速Fieldbuses傳送信息給乙太網的方法是不宜在高性能環境中使用，因為他們在乙太網幀中壓縮低速協議數據分組。被稱為″隧道″的這種方法在集中控制系統中是常用的，但是對於高性能分散式控制系統是不適當的。雖然更加簡化了規定，但是在連接於Fieldbus骨幹網的設備上隧道將要求太多傳送控制協議(TCP)連接，使用結果中斷處理和存儲器開銷。此外，隧道浪費許多的乙太網帶寬，因為低速協議數據分組(例如H1數據分組)是很小的，並且在多數情況下開銷的乙太網信息包將大於低速協議數據分組。
連接於乙太網的設備必須有一個用於時間戳和功能塊程序表(控制)目的的一般常識的系統時間。對於高性能分布式控制，系統時間常常需要精確到在小於1毫秒之內。迄今為止，使用商業流行的(COTS)乙太網設備的沒有已知的方法提供這種精確度。
高性能分布式控制應用，需要乙太網通信媒質和連接於乙太網的設備的故障容忍。沒有已知的方法使用標準COTS乙太網設備提供需要的故障容限。在提供需要的故障容忍中所有的在先的嘗試需要專門的乙太網/網際網路電子硬體和/或軟體，和/或增加給乙太網的非標準的″冗餘管理″設備。
因此，需要一種開放、可互操作的用於在高性能Fieldbus骨幹網中綜合分散式控制系統及其他控制設備的優化方案。
也需要一種開放、可互操作的方案，提供適用於經高性能Fieldbus骨幹網可互操作的分布式控制操作的系統時間同步。
也需要一種開放、可互操作的方案，提供故障容忍的高性能Fieldbus骨幹網以及連接於Fieldbus骨幹網的故障寬容的設備。
發明概述本發明克服如上所述的缺點，並且提供一個新的和改進的分布式控制系統，它在例如標準COTS乙太網和網際網路技術的高性能骨幹網上運行。本發明的實施例總起來說在此處被稱為″高速乙太網″(HSE)。HSE包含由』178申請和FOUNDATIONTMFieldbus規範(它被作為參考集1列出在附錄A中)，並且進一步包含在其支持的規範中描述的三個新的協議，它被作為參考集2列出在附錄A中。尤其是，涉及在此處新的協議如HSE領域設備訪問FDA主體，HSE系統管理核心(SMK)以及HSE區域網冗餘實體(LRE)。
HSE FDA主體允許由H1設備使用的系統管理(SM)和Fieldbus消息規範(FMS)業務，經乙太網使用標準網際網路用戶數據協議(UDP)和傳送控制協議(TCP)被傳送。這允許在乙太網上的HSE設備去與經″HSE連結設備″連接的H1設備通信。HSE FDA主體也被在HSE設備或者HSE連結設備中的局部功能程序塊應用過程(FBAP)使用。因此，HSE FDA主體能使通過公用接口遠程操作去訪問HSE設備和/或H1設備。
HSE SMK確保在每個設備中的系統級功能被協調。這些功能包含系統定時、從網絡添加和移去設備，以及功能塊程序表。HSE SMK使用起保持本地時間作用的本地時鐘，並且保持在本地時間和由時間伺服器提供的系統時間之間、在由時間同步分類(見在此處附錄A的參考集1)指定的值內的差值。本地時間用於為事件加時間戳，使得來自設備的事件消息可以通過該系統相關。本地時間也用於局部功能塊執行的程序表。
HSE故障容忍通過操作的透明度獲得，即冗餘操作對於HSE應用是看不見的。這是必要的，因為HSE應用需要與標準MIS應用共存。HSE LRE協調冗餘功能。每個HSE設備周期性地發送一個表示其網絡視圖的診斷消息，給在其乙太網接口(通常被稱為乙太網″埠″)上的其它HSE設備。每個設備使用該診斷消息去保持網絡狀態列表(NST)，用於故障檢測和乙太網發送埠選擇。沒有中央″冗餘管理″。代之以，每個設備確定其應該如何運轉響應其檢測的故障。
附圖的簡要說明從下面參考附圖的說明中本發明的特點和優點對那些本領域技術人員來說將變得顯而易見，其中
圖1是一個方框圖，示出一個按照本發明的原理的高性能分布式控制系統示範的實施例；圖2是一個方框圖，示出一個按照本發明的原理的高性能分布式控制系統的設備系統結構示範的實施例；圖3是一個方框圖，示出一個在圖2中示出的設備系統結構的高速乙太網管理信息資料庫的結構的示範的實施例；圖4是一個方框圖，示出一個在圖2中示出的設備系統結構的示範的實施例，示出高速乙太網領域設備訪問主體的各種各樣的本機接口；
圖5是一個方框圖，示出一個按照本發明的原理，在時間同步過程中涉及的高性能分布式控制系統的有關的部分的示範的實施例；圖6是一個流程圖，說明按照本發明的原理的一個實施例的時間同步過程的示範的實施例；圖7A是一個時序圖，說明按照本發明的原理的一個實施例，在時間同步過程之前開始時間偏移量；圖7B是一個時序圖，說明按照本發明的原理的一個實施例，在時間同步過程之後開始時間偏移量；和圖8是一個方框圖，示出一個按照本發明的原理的高性能分布式控制系統的冗餘拓撲結構的示範的實施例。
優選實施例的詳細說明為簡單起見和說明的目的，通過主要地參考示範的實施例描述本發明的原理，尤其是以在乙太網中特定的分布式控制系統示範的實施。然而，一個普通的本領域技術人員將不難理解，同樣的原理同樣適用於和可以實施於其他的使用任何其他的高速網絡的實施和設計中，而且在這樣的改進內的任何這樣的變化不脫離本發明的實際的精神和範圍。
AHSE分布式控制系統概述參考圖1，示出了一個高性能控制系統100的例子，這裡標準COTS乙太網設備130用來相互連接HSE連結設備110和HSE設備120到乙太網140。HSE連結設備110依次連接使用H1網絡150的H1設備170。諸如個人計算機(PC)160的其他類型的設備也可以連接到乙太網140。
實際的乙太網拓撲結構和COTS乙太網設備配置將取決於特定的應用需要。然而，可以使用除在圖1示出的示範的拓撲結構以外的任何使用標準COTS乙太網設備的乙太網拓撲結構或者配置，並且這樣的變化將在不脫離本發明的實際的精神和範圍的這樣的改進之內。
A.1HSE系統結構按照本發明的原理的一個實施例的HSE系統結構在圖2中示出。HSE系統結構被設計成能滿足分配製造和工藝控制環境的高性能的實用需求，例如在高速乙太網中。允許由不同的賣主根據各種各樣的控制和製造的測量設備而建造去分配自動化系統。HSE系統結構通過已用於H1和HSE環境兩者的特定地結構部件描述。
在下文中公開的引用各種各樣的協議和標準被在此處的附錄A中列出的手冊和規範中詳細描述，它來自Fieldbus FOUNDATION是可用的，一個非營利組織總部設立在德克薩斯州的奧斯汀，並且作為本發明所有的申請日期相應的常用型，因此所有的這些合併在其整體中作為引用。現在將更詳細地描述HSE系統結構(在圖2中示出的)的每個結構部件。
A.2功能塊應用過程虛擬欄位設備(FBAP VFD)應用過程(AP)是一個由國際標準組織(ISO)定義的開放系統相互連接(OSI)參考模型(RM)術語，ISO 7498，去描述在單個設備中駐留的分布式應用部分。在下文說明書中使用的該術語是指在設備內實施相關功能設置諸如功能塊過程、網絡管理和系統管理的實體。
虛擬欄位設備(VFD)是一個由Fieldbus Foundation(見此處在附錄A中列出的參考集1的Fieldbus消息規範FF-870)定義的術語。VFD使AP的參數對於通信網絡是直觀的。
按照本發明的原理，HSE系統結構(在圖2中示出的)支持功能塊應用過程虛擬欄位設備(FBAP VFD)260。FBAP VFD 260提供一個公用的裝置，用於限定自動化系統的輸入、輸出、算法、控制變量和行為。在一個設備中為了滿足一個應用特定的需要可能有多個FBAP VFD 260，例如如圖所示n個FBAP VFD。FBAP VFD可以或者可以不必存在於一個HSE設備或者HSE連結設備中。如果存在HSE FBAP VFD，該設備時常也被稱為″HSE領域設備.″。然而在下面的說明書中，即使未使用術語″HSE領域設備″，將假設為FBAP VFD存在於HSE設備和HSE連結設備中。
一個標準的功能塊分類和參數的設置是由Fieldbus Foundation限定的，例如，此處在附錄A中列出的一個或更多詳細說明。控制設備的製造商可以添加他們自己的參數到參數的標準設置中，去作為新的需要和作為技術發展提供附加功能塊限定。可以找到功能塊分類和參數的更詳細的說明，例如在附錄A此處的參考集1中FF-890列出的功能塊應用過程部分1說明。
A.3H1接口附著於HSE連結設備110(在圖1中示出的)的每個H1網絡150需要一個H1接口240。橋路250用來直接在同一的HSE連結設備110(在圖1中示出的)內其他的H1接口240之間傳送H1網絡消息。一個HSE連結設備可以包括，例如一個包含至少一個H1接口240的HSE設備120(在圖1中示出)。
在Fieldbus消息詳細說明FF-870、Fieldbus訪問底層詳細說明FF-821、數據鏈路業務和數據鏈路協議詳細說明FF-821，822，以及用於橋路操作附錄的數據鏈路協議詳細說明FF-806中可以找到H1接口的更詳細的說明，所有的這些在此處附錄A的參考集1中列出。
A.4乙太網/網際網路組HSE系統結構使用標準COTS乙太網/網際網路(″組″)280用於在乙太網140上和其他的設備通信。由HSE使用的乙太網/網際網路組由分配的主機控制協議(DHCP)285、簡單網絡時間協議(SNTP)286以及簡單網絡管理協議(SNMP)287構成，它們依次使用傳送控制協議(TCP)283和用戶數據協議(UDP)284業務。
TCP 283和UDP 284依次使用標準網際協議(IP)282業務，其使用標準IEEE乙太網802.3媒體存取控制(MAC)和物理(PHY)層281。在281中的PHY層連接於一個或多個乙太網140。
網際網路DHCP、SNTP、SNMP、TCP、UDP以及IP協議是由Internet工程任務組徵求意見(RFC)說明規範規定的。IETF RFC此處在附錄B中列出，因此通過引用在它們的全部而結合於此。電氣與電子工程師協會標準(IEEE 802.3)描述乙太網MAC和PHY層，因此所有的這些整體引用結合於此。每個層和協議的具體的使用在此處附錄A的參考集2FF-586列出的乙太網存在規範中詳述。
通過保留乙太網/網際網路組的標準使用，HSE系統結構確保在不同的組製造商之中的互操作性。
A.5HSE管理主體再次參考圖2，通常HSE管理主體270使用DHCP 285用於獲得一個用於該設備的IP位址，使用SNTP 286用於保持和時間伺服器的時間同步，以及使用SNMP 287用於管理TCP、UDP和IP協議層。HSE管理主體定期的使用DHCP、SNTP和SNMP，並且遵守為那些熟悉的網際協議所知的標準操作規程，例如按照IEEE 802.3。
HSE管理主體使用SNMP 287用於管理Internet層協議。具體地，HSE管理主體270提供在RFC 1213和RFC 1643(見附錄B)中由SNMPv2定義的乙太網訪問標準管理信息庫II(MIB II)，以及也通過此處附錄A的參考集2FF-586列出的乙太網存在定義的。
按照本發明的一個實施例，為了遵守ISO標準，HSE管理信息資料庫(HSE MIB)271包括一個標準部分和一個HSE特定部分，標準部分是MIB-II的第二版，在RFC 1213定義，特定部分(它是在專用企業水平上定義的)。為理解方便起見，HSE MIB 271的詳細結構在圖3中示出。HSE MIB 271的標準化結構提供了概貌，允許互操作使得設備作為性質良好的節點。
BHSE核心再次參考圖2，HSE系統結構的HSE核心部分200標識了按照本發明的原理的新的HSE能力。HSE核心200提供需要實現高性能分布式控制基本的能力和集成，使用HSE設備、HSE連結設備和標準COTS乙太網設備。
B.1網絡管理主體虛擬欄位設備該HSE系統結構包含一個用於每個HSE設備和每個HSE連結設備的網絡管理主體VFD(NMA VFD)210。NMA VFD提供用於從網絡配置、控制和監控HSE設備及HSE連結設備操作的手段。
管理信息被包含在網絡管理信息庫(NMIB)213和系統管理信息庫(SMIB)212中。利用NMA VFD的配置管理能力，參數被設置在NMIB和SMIB中去支持在該系統中與其他設備的數據交換。這個過程包括定義在設備之間的傳送，然後選擇期望的通信特性去支持該傳送。
NMA VFD還可以被配置為收集性能和相關的故障信息，以用於選擇傳送。這個信息在運行時間期間是可訪問的，這使查看和分析設備通信的性狀成為可能。如果檢測到問題，性能需要被優化或裝置通信需要被改變，那麼當該設備仍然運行時，可以動態地實施重新配置。
NMA VFD參數和性狀，進一步在此處附錄A的參考集2中FF-803列出的HSE網絡管理規範中定義。
B.2HSE領域設備訪問主體現在將參考圖4描述HSE領域設備訪問(FDA)主體，除了示出的用於HSE領域設備訪問(FDA)主體290的局部交互作用(291-299)之外，它是與圖2的圖一樣的。現在將通過這些局部交互作用描述HSE FDA主體的操作。
HSE FDA主體290的一個主要功能是映射已經定義用於FoundationTMFieldbus系統管理(SM)(見此處附錄A的參考集1FF-880列出的)的業務和Fieldbus消息規範(FMS)(見此處附錄A的參考集1FF-870列出的)往返於標準的COTS乙太網/網際網路280部件。
通常，HSE FDA主體290模擬由Foundation Fieldbus定義的映射Fieldbus訪問底層規範(見此處附錄A的參考集1FF-875列出的)。HSEFDA主體290提供公用接口，其使遠程應用能夠訪問在H1網絡150和HSE網絡140上任何類別的設備。
因此，按照本發明的原理的HSE FDA主體290，允許根據由特定的終端用戶應用的需要系統，其中控制布在各種各樣的HSE設備和/或H1設備以及任何其組合的系統中。
B.2.1HSE FDA主體本機接口B.2.1(a)本機接口291TCP-TCP本機接口291允許HSE FDA主體290使用TCP 283去發送和/或接收FMS消息。TCP 283提供作為套接口(socket)的接口，經由它HSE FDA主體290提交包含一個或多個消息的緩衝器。
B.2.1(b)本機接口292UDP-UDP本機接口292允許HSE FDA主體290使用UDP 284去發送和/或接收SM消息和某些FMS消息。UDP 284提供作為套接口的接口，經由它HSE FDA主體290提交包含一個或多個消息的緩衝器。
B.2.1(c)本機接口293HSE NMIB-HSE FDA主體290提供一個本機接口給在NMA VFD 210中的HSE NMIB 213。HSE FDA主體經HSENMIB本機接口293能夠提供配置和只讀存取給NMA VFD 210。
B.2.1(d)本機接口294HSE SMIB-HSE FDA主體290提供一個本機接口給在NMA VFD 210中的HSE SMIB212。HSE FDA主體290經HSESMIB本機接口294能夠提供配置和只讀存取給NMA VFD 210。
B.2.1(e)本機接口295HSE SMK-HSE FDA主體290經由HSE SMK本機接口295傳送HSE SM業務往返於HSE SMK 220。按照本發明的一個實施例，在HSE連結設備中，HSE SMK 220在本地與每個H1接口240通信，並且不使用HSE FDA主體290。
B.2.1(f)本機接口296HSE LRE-HSE FDA主體290經由HSELRE本機接口296保持與該設備的HSE LAN冗餘實體(HSE LRE)230本地連接。稍後將更詳細地描述HSE LRE本機接口296的使用。
B.2.1(g)本機接口297H1接口-僅有HSE連結設備的HSE FDA主體290與H1接口(s)240進行交互以訪問H1網絡150。H1本機接口經由HSE SMK 220提供HSE FDA主體FMS和SM訪問。
HSE FDA主體轉發FMS請求，並且經由H1接口(s)240將從TCP交互作用291和UDP交互作用292接收的回覆給H1網絡150。HSE FDA主體也轉發H1請求，並且使用TCP交互作用291和UDP交互作用292經由H1接口交互作用297將從H1網絡接收的回覆給乙太網140。
因此，在H1網絡中以和任何其他應用程式同樣的方法，HSE FDA主體290通常將與H1網絡的業務相互作用。
B.2.1(h)本機接口298FBAP VFD-HSE FDA主體290使用FBAPVFD本機接口298去訪問FBAP VFD 260。FMS和SM消息兩者都使用FBAPVFD本機接口298進行通信。
B.2.1(i)本機接口299HSE管理主體-HSE FDA主體290保持HSE管理主體本機接口299和HSE管理主體270去訪問某些與其UDP/TCP連接有關的業務質量參數。由HSE FDA主體290使用的這些參數對於特定的UDP/TCP實施是局部的。
B.2.2HSE FDA主體輸入/輸出操作再次參考圖4，在系統配置期間，HSE SMK 220使用本機接口295用於添加HSE和/或H1設備給分布式系統，以及從該分布式系統刪除HSE和/或H1設備。一個SM消息的交換用來標識在該系統中新的(或者去刪除)HSE和/或H1設備。
例如，在新的HSE設備接收一個網際協議(IP)地址以後，該新的HSE設備周期性地公布其在乙太網140上的存在。HSE連結設備也公布在其H1網絡150上檢測的變化。以同樣的方法，HSE SMK使用本機接口295去確定功能塊″tags″的位置，功能塊″tags″可以存在於HSE設備和/或H1設備中。
在系統輸入/輸出操作期間，一般在連接到乙太網140的個人計算機(PC)上執行的數據獲取、顯示和監視控制功能將需要在連接到H1網絡150的HSE設備、HSE連結設備和/或H1設備中訪問數據。數據存取一般使用″客戶/伺服器″和/或″發行者/用戶″消息實施。這些數據存取方式對那些精通Fieldbus消息的人是公知的。
對於客戶/伺服器和發行者/用戶消息在HSE設備和/或HSE連結設備中開始或者終止，HSE FDA主體290在本機接口291上發送和接收乙太網140消息，如先前如上所述提供適當的映射給FMS業務，並且使用本機接口293、294、296、298和299分別去訪問HSE NMIB 213、HSE SMIB212、HSE LRE 230、FBAP VFD(s) 260以及HSE管理主體270。如先前描述的，因為有其自己的SM消息，HSE SMK 220未被訪問。
對於客戶/伺服器、發行者/用戶和/或SM消息在H1網絡150中開始或者終止，HSE FDA主體290使用本機接口297去從H1接口(s)240發送和/或接收消息。
如果來自H1網絡150的消息是到/來自乙太網140，以及被客戶/伺服器或者發行者/用戶消息，HSE FDA主體290使用FMS映射和本機接口291。如果到/從乙太網140的H1消息是SM消息，HSE FDA主體使用SM映射和本機接口292。
如果到/從H1網絡150的消息是到/來自HSE連結設備，以及是客戶/伺服器或者發行者/用戶消息，HSE FDA主體將使用FMS映射和適當的本機接口(除本機接口291和292之外)。
如果到/從H1網絡150的消息是到/來自HSE連結設備，以及是SM消息，HSE FDA主體將使用SM映射和適當的本機接口(除本機接口291和292之外)。
B.3HSE系統管理核心再次參考圖2，HSE系統結構包含一個用於每個HSE設備和/或每個HSE連結設備的系統管理核心(SMK)220。HSE SMK 220保持信息和協調水平，提供用於FBAP VFD 260的執行和互操作的綜合網絡環境。
如先前討論的，HSE SMK 220在設備運行之前提供某些基本系統信息的例行配置。例如為此目的，HSE SMK通過一組預先確定的階段啟動接受一個設備。在這個過程期間，系統配置設備確認在網絡上存在該設備，並且配置基本信息進入HSE SMIB 212。一旦該設備接收它的基本配置信息，它的HSE SMK使得其至一個操作的狀態，而不會影響在該網絡上其他設備的操作。也能使HSE FDA主體290使用在該設備中的其他功能。
B.3.1HSE SMK系統時間同步現在參考圖5，在HSE連結設備110中的HSE管理主體270使用SNTP286去與在時間控制500中的遠程SNTP伺服器510相互作用，去使在HSEMIB 271』中的系統時間501』與在時間控制500中的系統時間501同步。當系統時間501』是和系統時間501同步時，在HSE MIB中的同步標識(F)510被由標準SNTP協議設置為真。使用標準COTS乙太網設備130，時間控制和HSE連結設備被相互連接。這個同步協議被在IETF RFC 2030中定義。
無論什麼時候，在HSE SMIB 212中的本地時間502可以或者可以不必與系統時間501』同步。為了協調在分布式系統中的功能塊的執行，以及為了提供恰當的功能塊警告的時間戳，本地時間502必須與系統時間501』同步。
所有的功能塊與在HSE SMIB 212中的Macrocycle的起始″To″520同步。在系統中的每個HSE連結設備和HSE設備具有相同的值To。當HSESMK 220在本地發出一個功能塊(FB)起始221消息用於程序塊時，執行功能塊。基於來自To的偏移量產生每個FB起始消息。
在macrocycle的起始To，以及對每個程序塊的偏移量是以本地時間502為基準的。因此每個設備必須調整其本地時間502以等於用於系統系統時間501』，以正常工作。然而，因為每個設備有一個非理想的硬體時鐘振蕩器，本地時間502將最終漂移出與系統時間501』的同步。
圖6示出按照本發明的一個實施例用於校正漂移的過程。尤其是，當在步驟601 macrocycle結束時，HSE SMK 220將在步驟602測試在HSEMIB 271』中的同步標識510。如果F 510不為真，該過程在步驟606結束。
另一方面，如果在上述的步驟602確定F 510成立，在步驟603 HSESMK 220計算在本地時間502和系統時間501』之間的偏移量，並且在步驟604設置本地時間502等於系統時間501』，並且在期望時間同步分類中指定的值內(見此處附錄A的參考集1)。
在步驟605，一旦本地時間502同步，開始時間(To)520(在圖5中示出的)被使與其他設備的開始時間一致。
現在參考圖7A和7B描述開始時間校準。圖7A示出設備的macrocycle偏移量，例如設備N，在時間同步之前，其中偏移量720表示在HSE設備N中必須進行校正的誤差。如圖所示，HSE設備N現在具有正確的本地時間，但是系統Macrocycle 700』的開始時間(To)520』不與在分布式系統中其他的設備對準。
圖7B示出例如設備N在時間同步以後，設備的macrocycle偏移量。設備N的HSE SMK 220利用偏移量720延遲系統Macrocycle 700』的開始時間(To)520』，使得系統Macrocycle在相同的時間(To)520開始，例如在HSE裝置1中的系統Macrocycle 700。HSE設備N系統Macrocycle現在與系統時間同步，並且在步驟606(在圖6中示出)結束同步過程。
B.4區域網冗餘實體參考圖4，每個HSE設備和HSE連結設備具有一個HSE區域網(LAN)冗餘實體(HSE LRE)230。HSE LRE通過使用冗餘提供單一故障的故障容忍。
HSE LRE經本機接口296周期性地發送和接收冗餘診斷消息。HSEFDA主體290在本機接口291和292上(見此處在附錄A的參考集2 FF-593列出的用於冗餘診斷消息格式的HSE冗餘規範)映射診斷消息。
冗餘診斷信息被同時在乙太網140和乙太網140』上發送。每個設備在乙太網140和乙太網140』上接收冗餘診斷消息，並且構成一個本地網絡狀態列表(NST)231。NST針對每個連接於乙太網140和乙太網140』的HSE設備的狀況提供詳細的狀態。HSE LRE 230控制哪個乙太網140或者140』HSE設備將被用作消息傳輸。
藉助於此方法，所有的網絡傳輸和設備切換決定，被分發到HSE設備和使用標準COTS乙太網設備系統。
圖8舉例說明由本發明的冗餘方面支持的一般的拓撲結構。示出的拓撲結構僅是一個例子，示出了許多可能的拓撲結構的一個。只要提供乙太網140和140』的設備是標準COTS乙太網設備，任何拓撲結構都可以使用。
HSE冗餘既支持乙太網冗餘又支持HSE連結設備冗餘。
B.4.1乙太網冗餘參考圖8，HSE設備對120』和HSE連結設備對110』兩者都聯接於乙太網140和乙太網140』。在這個例子中，乙太網140由COTS乙太網設備130提供，以及乙太網140』由COTS乙太網設備130』提供。在HSE設備上任何一個乙太網或者乙太網接口的一個的單一故障將導致先前描述的HSE LRE通信轉移到其它的工作網絡。
B.4.2HSE連結設備冗餘HSE LRE 230支持HSE連結設備冗餘。冗餘HSE連結設備對160包括主用的HSE連結設備110和備用的HSE連結設備110』。H1設備170由H1網絡150連接於冗餘HSE連結設備對160。如果主用的HSE連結設備110出故障，備用的HSE連結設備110將承擔控制。除了在HSE設備中不存在H1接口(s)之外，HSE設備120』可以以和HSE連結設備110同樣的方法進行冗餘。
本發明提供必要的診斷消息格式去允許一個開放和可互操作的高速乙太網冗餘切換和/或HSE連結設備(或者HSE設備)冗餘。
用於每個H1網絡備份的冗餘方法在』178申請中以及由此處附錄A的參考集1列出的規範中描述。
可以理解的，在上述說明書中的分布式控制系統結構提供了一個在高性能骨幹網中開放、可互操作的優化方案用於綜合分布式控制系統及其他控制設備的方法，提供了一個開放、可互操作的方案適合於經高性能骨幹網可互操作的分布式控制應用的系統時間同步的方法，以及提供一個開放、可互操作的方案，用於提供故障容忍的高性能骨幹網以及連接於該骨幹網的故障容忍的設備的方法。
上面提出的優選實施例是舉例說明本發明，並不打算限制本發明。在本發明要求的範圍內附加的實施例和優點對普通的本領域技術人員是顯而易見的。
此外，雖然參考示範的實施例已經描述了本發明，那些本領域技術人員將能對於描述的本發明的實施例進行各種各樣的改進而不脫離本發明的真實精神和範圍。此處使用的術語和說明僅作為舉例提出，不意味著限制。尤其是，雖然本發明的方法已經舉例描述，但是該方法的步驟除舉例說明的之外可以以不同的順序或者同時實施。那些本領域技術人員將認識到這些及其他的變化可以在如在本發明和其等效所限定的本發明的精神和範圍之內。
附錄AA.1 參考集1編號修訂版詳細說明FF - 801 FS 1.4網絡管理FF - 806 FS 1.0數據鏈路協議-橋路操作附錄FF - 821 FS 1.4數據鏈路業務子集FF - 822 FS 1.4數據鏈路協議子集FF - 870 FS 1.4Fieldbus消息詳細說明FF - 875 FS 1.4Fieldbus訪問子層FF - 880 FS 1.4系統管理FF - 890 FS 1.4功能塊應用過程-部分1A.2參考集2編號修訂版詳細說明FF - 803 FS 1.0HSE網絡管理FF - 586 FS 1.0HSE乙太網FF - 588 FS 1.0HSE領域設備訪問主體FF - 589 FS 1.0HSE系統管理FF - 593 PS 2.0HSE冗餘附錄B
權利要求
1.一種在分布式控制系統中的裝置，包括一個第一網絡接口，用於和具有通信協議組的第一網絡通信；和一個設備訪問主體，用於將所述分布式控制系統的至少一種傳統格式業務消息映射為與所述通信協議組兼容的網絡格式消息。
2.按照權利要求1的裝置，其中所述第一網絡包括一個現有的商業乙太網。
3.按照權利要求2的裝置，進一步包括一個高速乙太網管理主體，用於管理傳送控制協議、用戶數據協議，以及所述通信協議組的網際協議層；和一個高速乙太網管理主體接口，經由它所述設備訪問主體與所述高速乙太網管理主體進行通信。
4.按照權利要求3的裝置，進一步包括一個用戶數據協議本地接口，經由它所述設備訪問主體與所述通信協議組的用戶數據協議層進行通信。
5.按照權利要求4的裝置，進一步包括一個傳送控制協議本地接口，經由它所述設備訪問主體與所述通信協議組的傳送控制協議層進行通信。
6.按照權利要求5的裝置，其中所述高速乙太網管理包括一個以標準化結構構成的管理信息資料庫，因此允許一種開放和可互操作的側面，以及使所述裝置作為一個性能良好的節點。
7.按照權利要求1的裝置，進一步包括一個網絡管理信息庫，用於存儲為管理所述分布式控制系統的操作所必需的信息；和一個網絡管理信息庫本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述網絡管理信息庫進行通信。
8.按照權利要求7的裝置，進一步包括一個系統管理信息庫，用於存儲所述裝置的系統配置信息；和一個系統管理信息庫本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述系統管理信息庫進行通信。
9.按照權利要求8的裝置，進一步包括一個系統管理核心，用於在所述系統管理信息庫中配置所述裝置和存儲系統配置信息；和一個系統管理核心本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述系統管理核心進行通信。
10.按照權利要求9的裝置，進一步包括一個本地時間時鐘，用於提供在所述裝置內使用的本地時間；和一個系統時間時鐘，用於提供跨越所述分布式控制系統的系統時間；其中所述系統管理核心使所述本地時間時鐘和所述系統時間時鐘同步。
11.按照權利要求10的裝置，進一步包括一個經所述第一網絡用於發送和接收診斷信息的冗餘實體；和一個冗餘實體本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述冗餘實體進行通信。
12.按照權利要求11的裝置，其中所述第一網絡接口包括冗餘的多個第一網絡接口；其中所述第一網絡包括冗餘的多個第一網絡；和其中所述冗餘實體保持表示所述分布式控制系統的診斷狀態的網絡狀態列表，以便基於所述網絡狀態列表選擇所述冗餘的多個第一網絡接口中可操作的一個。
13.按照權利要求10的裝置，進一步包括至少一個功能塊應用處理虛擬欄位設備，用於提供所述分布式控制系統的輸入、輸出、工作步驟、控制變量和行為的標準化定義；和至少一個功能塊應用處理虛擬欄位設備接口，經由它所述設備訪問主體與所述至少一個功能塊應用處理虛擬欄位設備進行通信。
14.按照權利要求1的裝置，進一步包括一個第二網絡接口，其使用所述至少一種傳統格式業務消息與第二網絡通信。
15.按照權利要求14的裝置，其中所述第二網絡接口包括多個第二網絡接口。
16.一種在分布式控制系統中開放的可互操作的裝置，包括一個本地時間時鐘，用於提供在所述裝置內使用的本地時間；一個系統時間時鐘，用於提供跨越所述分布式控制系統的系統時間；和一個系統管理核心，用於使所述本地時間時鐘和所述系統時間時鐘同步。
17.按照權利要求16的開放的可互操作的裝置，進一步包括一個第一網絡接口，用於和具有通信協議組的第一網絡通信；一個設備訪問主體，用於將所述分布式控制系統的至少一種傳統格式業務消息映射為與所述通信協議組兼容的網絡格式消息；和一個系統管理核心本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述系統管理核心進行通信。
18.一種在分布式控制系統中開放的可互操作的裝置，包括冗餘的多個第一網絡接口，用於和相應的具有通信協議組的冗餘多個第一網絡的一個通信；和一個冗餘的實體，配置為經由所述冗餘的多個第一網絡接口發送和接收診斷信息，所述冗餘的實體保持表示所述冗餘的多個第一網絡的診斷狀態的網絡狀態列表，並且所述冗餘的實體配置為基於所述網絡狀態列表來選擇所述冗餘的多個第一網絡的可操作的一個。
19.按照權利要求18的開放可互操作的裝置，進一步包括一個設備訪問主體，用於將所述分布式控制系統的至少一個傳統格式業務消息映射為與所述通信協議組兼容的網絡格式消息；和一個冗餘實體本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述冗餘實體進行通信。
20.按照權利要求19的開放可互操作的裝置，進一步包括一個系統管理核心，用於配置所述裝置並且以系統時間時鐘使本地時間時鐘同步，本地時間時鐘為在所述裝置內使用提供本地時間，系統時間時鐘提供跨越所述分布式控制系統的系統時間；和一個系統管理核心本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述系統管理核心進行通信。
21.一種開放可互操作的分布式控制系統，包括至少一個具有通信協議組的第一網絡；和至少一個與所述至少一個第一網絡通信的設備，所述至少一個設備具有一個訪問主體，用於將所述開放可互操作的分布式控制系統的至少一個傳統格式業務消息映射為與所述通信協議組兼容的網絡格式消息。
22.按照權利要求21的開放可互操作的分布式控制系統，其中所述至少一個第一網絡包括一個商業現有的乙太網。
23.按照權利要求21的開放可互操作的分布式控制系統，其中所述至少一個設備進一步包括一個系統管理核心，用於配置所述裝置並且以系統時間時鐘使本地時間時鐘同步，本地時間時鐘為在所述裝置內使用提供本地時間，系統時間時鐘提供跨越所述分布式控制系統的系統時間；和一個系統管理核心本機接口，經由它所述設備訪問主體與所述系統管理核心進行通信。
24.按照權利要求21的開放可互操作的分布式控制系統，其中所述至少一個第一網絡包括冗餘多個第一網絡；和其中所述至少一個設備進一步包括一個冗餘實體，配置為發送診斷信息到所述冗餘多個第一網絡並自所述冗餘多個第一網絡接收診斷信息，所述冗餘實體保持表示所述冗餘多個第一網絡的診斷狀態的網絡狀態列表，以及所述冗餘實體配置為基於所述網絡狀態列表而選擇所述冗餘多個第一網絡的可操作的一個。
25.按照權利要求24的開放可互操作的分布式控制系統，其中所述冗餘的多個第一網絡包括冗餘的多個商業現有的乙太網。
26.按照權利要求21的開放可互操作的分布式控制系統，進一步包括多個第二網絡，所述多個第二網絡的每一個使用所述至少一種傳統業務消息格式；其中所述至少一個設備包括冗餘的多個設備，所述冗餘的多個設備的每一個包括多個第二網絡接口，用於和所述多個第二網絡通信；和一個冗餘實體，配置為基於表示所述冗餘多個設備至少一個以及所述至少一個第一網絡的診斷狀態的網絡狀態列表，而提供為選擇所述冗餘多個設備中可操作的一個所必需的信息。
27.一種在開放可互操作的分布式控制系統中使多個設備特定的本地時間和系統時間同步的方法，所述多個設備特定的本地時間與在所述開放可互操作的分布式控制系統中相應的一個設備有關，所述方法包括檢測先前的操作周期的一個端；為每一個所述多個設備的下一個操作周期提供開始時間；計算在所述多個設備的每一個的特定的本地時間和所述系統時間之間的偏移量；使用所述計算的偏移量，使所述多個設備的每一個的特定的本地時間和所述系統時間同步；和相對於彼此校準所述多個設備特定的本地時間，使得所述多個設備的所述開始時間一致。
28.按照權利要求27的使多個設備特定的本地時間和系統時間同步的方法，進一步包括在所述開放可互操作的分布式控制系統中提供一個時間控制器，所述時間控制器保持通用的時間；確定是否所述系統時間和所述通用的時間同步；和如果確定所述系統時間是和所述通用的時間同步的，設置一個同步標識。
29.按照權利要求27的使多個設備特定的本地時間和系統時間同步的方法，其中所述校準所述多個設備特定的本地時間的步驟包括計算在所述多個設備的每一個的特定的本地時間相對於彼此之間的偏移量；和增加時間延遲給至少所述多個設備的一個，使得所述多個裝置每一個的開始時間相對於彼此一致。
全文摘要
分布式控制系統結構(HSE)提供了一個在高性能骨幹網中開放、可互操作的優化用於綜合分布式控制系統及其他控制設備的方法,提供了一個開放、可互操作的提供適合於經高性能骨幹網可互操作的分布式控制應用的系統時間同步的方法,以及提供一個開放、可互操作的提供故障容忍的高性能骨幹網以及連接於該骨幹網的故障容忍的設備的方法。分布式控制系統結構包括一個高速乙太網領域設備訪問(HSE FDA)主體,它映射例如fieldbus系統的分布式控制系統的業務往返於標準、商業上現有的(COTS)乙太網/網際網路部件。分布式控制系統結構也包括一個起保持本地時間作用以及保持由時間伺服器提供的在由時間同步分類指定的值內的在本地時間和系統時間之間差值的高速乙太網系統管理核心(HSE SMK)。本地時間用於時間戳事件,使得來自設備的事件消息可以通過該系統相關。該分布式控制系統結構進一步包括一個高速乙太網區域網冗餘實體(HSE LRE),在該系統上提供對於運行的應用透明的冗餘。每個設備的HSE LRE周期性地發送一個表示其網絡視圖的診斷消息給在該系統上的另一個設備。每個設備使用該診斷消息去保持網絡狀態列表(NST),用於故障檢測和從冗餘資源對進行選擇。
文檔編號H04L12/46GK1357184SQ00809263
公開日2002年7月3日 申請日期2000年6月21日 優先權日1999年6月21日
發明者D·A·格蘭策, C·R·科利斯, S·K·博爾德曼, W·M·霍金斯, M·D·赫斯特, T·J·科茲利克, L·A·奈策爾, R·D·索耶, J·I·蒂格內爾 申請人:菲爾德巴士基金