可配置的連接器式服務(wù)器擴(kuò)充的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于提供監(jiān)管和分布式控制的可配置的連接器式系統(tǒng)，通過使用可配置I/O模塊減少了連接一個(gè)或多個(gè)傳感器和致動(dòng)器所需的不同控制硬件部件數(shù)目，顯著減少了把傳感器和致動(dòng)器連接到控制系統(tǒng)所必需的線連接的數(shù)目。
【專利說明】可配置的連接器式服務(wù)器擴(kuò)充的控制系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年4月30日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)S/N.61/640, 200的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過引用結(jié)合在本文中。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及用于擴(kuò)展控制系統(tǒng)能力的方法和系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)利用使用網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器架構(gòu)的可配置的連接器式輸入/輸出系統(tǒng)。
[0004]發(fā)明背景
[0005]控制系統(tǒng)在世界各地被廣泛使用。此類系統(tǒng)可以從其復(fù)雜度方面加以區(qū)分，其復(fù)雜度從簡(jiǎn)單的開/關(guān)溫度控制器(如將在便攜式電子加熱器中發(fā)現(xiàn)的)到高復(fù)雜度的控制系統(tǒng)(如將被發(fā)現(xiàn)對(duì)其中有數(shù)千個(gè)部件互連的整個(gè)煉油廠進(jìn)行控制以管理正在制造的產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量)。
[0006]控制系統(tǒng)也可被區(qū)分為集中式或分布式。控制系統(tǒng)的這兩種可區(qū)分的屬性——復(fù)雜度和分布特性——本身是相關(guān)的，因?yàn)楹?jiǎn)單的控制系統(tǒng)通常是集中式的，而復(fù)雜的系統(tǒng)常常從分布式中獲益(哪怕只是因?yàn)橄到y(tǒng)在地理上是大的，如煉油廠或電力網(wǎng)的情況)。被設(shè)計(jì)成以分布式模式操作的控制系統(tǒng)被稱作分布式控制系統(tǒng)(DCS)。雖然有上面的總結(jié)，但大的布局并非是分布式控制系統(tǒng)的唯一成因。例如，大量的半導(dǎo)體制造工具市場(chǎng)利用小型機(jī)，所述小型機(jī)的高復(fù)雜度要求大量復(fù)雜的控制部件，所述控制部件可從采用分布式控制的架構(gòu)獲益。本發(fā)明主要涉及復(fù)雜的且分布式的控制系統(tǒng)及對(duì)其的改進(jìn)。然而，本發(fā)明也可等同地應(yīng)用于簡(jiǎn)單的、非分布式架構(gòu)。
[0007]盡管對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分布可以簡(jiǎn)化連線并可能改進(jìn)可靠性，但是分布的動(dòng)作可導(dǎo)致在協(xié)調(diào)各種分布件的各動(dòng)作方面的困難。盡管存在多種控制系統(tǒng)，但是通常采用監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)來協(xié)調(diào)各種分布式控制系統(tǒng)。如其名稱所暗示的，SCADA系統(tǒng)通常不執(zhí)行低級(jí)別控制環(huán)路閉合而是在保持大系統(tǒng)良好運(yùn)行方面起到監(jiān)管或協(xié)調(diào)作用。例如，在煉油廠中，DCS可以保持給定的本地精煉工藝穩(wěn)定而SCADA系統(tǒng)將調(diào)整其速率和混合物以保質(zhì)精煉工藝的這一部分與其余的許多工藝同步。SCADA系統(tǒng)通過主要經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接與一般在局域網(wǎng)(LAN)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)連接通信對(duì)DCS中的設(shè)定點(diǎn)和其它參數(shù)進(jìn)行修改來執(zhí)行這一調(diào)整，在所述局域網(wǎng)內(nèi)部維護(hù)通信時(shí)間、安全性和可靠性。
[0008]盡管SCADA系統(tǒng)很少執(zhí)行低級(jí)別環(huán)路控制，但是DCS本身可以依賴于較低級(jí)別的控制系統(tǒng)(諸如可編程邏輯控制器(PLC))。事實(shí)上，在一些更加現(xiàn)代的DCS系統(tǒng)中，PLC可以起DCS的作用。PLC本身由輸入/輸出模塊(I/O模塊)組成，該I/O模塊連接至產(chǎn)生有關(guān)處理狀態(tài)信息的傳感器以及提供控制系統(tǒng)動(dòng)作的致動(dòng)器?，F(xiàn)有技術(shù)利用具有多個(gè)電源的固定配置I/O模塊，這使得定制連線是必需的。
[0009]參考圖1，我們示出了三個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的固定配置I/O模塊:能夠?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)4_20mA信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的第一電流輸入I/o模塊21、能夠?qū)χT如水流表的脈沖設(shè)備所產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的第二頻率輸入I/O模塊22，以及能夠驅(qū)動(dòng)適于給例如水泵供電的接觸器的第三源化(sourcing)數(shù)字輸出I/O模塊23。我們注意到這些I/O模塊僅是許多不同的I/O模塊(諸如是電壓輸出、電流輸出、電壓輸入、數(shù)字PNP輸入、數(shù)字NPN輸入等的其它變體)中的三個(gè)。I/O模塊的每一不同變體一般具有獨(dú)特的連線約定，一般不能直接從I/O模塊到傳感器或致動(dòng)器。用于連接電導(dǎo)體的現(xiàn)有技術(shù)的連接裝置20向設(shè)備(例如，壓力換能器24)載運(yùn)電信號(hào)或電功率。該設(shè)備可以是傳感器、致動(dòng)器、電源或I/O模塊。如在本領(lǐng)域中所慣常的，我們采用多個(gè)連接裝置20中的任何個(gè)連接裝置，諸如但不限于接線盒、可插拔接線盒、具有外殼的卷曲絲/連接器設(shè)備、安裝在連接器中的電路板以及利用焊補(bǔ)或焊接接頭的連接器。在任何控制系統(tǒng)中的許多地方需要連接裝置20，并且隨每一設(shè)備出現(xiàn)一次或多次來影響信號(hào)的連接和到傳感器和致動(dòng)器的功率，例如在相距許多米的距離時(shí)采用多個(gè)連線或纜線系統(tǒng)。還是在圖1中，我們示出了五個(gè)設(shè)備，如水泵應(yīng)用中常見的三個(gè)傳感器和兩個(gè)致動(dòng)器。用于井深24和泵電流25的傳感器作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4-20mA信號(hào)被提供給I/O模塊，所述信號(hào)顯然不直接連接到合適的電流輸入I/O模塊21而是要通過一些定制的連線和部件30連接到合適的電流輸入I/O模塊21，定制的連線和部件30包括接線盒31及設(shè)備電源32，設(shè)備電源32是除模塊電源33以外的電源。連接到頻率輸入I/O模塊22的是脈沖生成傳感器26，諸如在測(cè)量水流中所常見的。相比兩個(gè)之前的傳感器24和25，脈沖生成傳感器26需要再多一根連線。注意，僅脈沖生成傳感器26的三根連線中的一根連線被連接至對(duì)應(yīng)的頻率輸入模塊22。另兩根連線使用定制的連線和部件30連接。最后，兩個(gè)致動(dòng)器(相同的電機(jī)接觸器27)被連線到源化數(shù)字輸出I/O模塊23。與傳感器的情況一樣，兩個(gè)致動(dòng)器27到I/O模塊23的連接也不是直接的而是需要定制的連線和部件30。
[0010]圖2描繪實(shí)現(xiàn)DCS控制系統(tǒng)41的一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的現(xiàn)有技術(shù)部件元件。DCS節(jié)點(diǎn)41由PLC40、三個(gè)I/O模塊21、22和23，以及定制的連線和部件30構(gòu)成，該定制的連線和部件30除了設(shè)備電源(在圖1中示出為31和32)以外還包括接線盒。傳感器和致動(dòng)器24、25、26和27經(jīng)由定制的連線和部件30連接。
[0011]圖3描繪由在LAN內(nèi)部連接的三個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)41構(gòu)成的現(xiàn)有技術(shù)SCADA系統(tǒng)43。這些分布式節(jié)點(diǎn)41 (或者采用物理連接或者采用軟件連接)經(jīng)由對(duì)等連接28相互連接。此外，分布式節(jié)點(diǎn)41以輪詢式布局(polling arrangement)被連接到SCADA計(jì)算機(jī)42,該SCADA計(jì)算機(jī)42通常在LAN內(nèi)部以便在各個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)41間提供良好的協(xié)調(diào)控制。
[0012]因此，利用一個(gè)或多個(gè)DCS部件41的完整SCADA系統(tǒng)43必需提供傳感器的連線從而使控制系統(tǒng)可以用傳感器測(cè)量，基于其被指令的和其所測(cè)量的來計(jì)算，并且隨后依靠定制的連線和附加的電源利用連接到固定配置輸出模塊的致動(dòng)器來打開閥門，開啟泵和加熱器。
[0013]從最低級(jí)別傳感器經(jīng)由它們相關(guān)聯(lián)的I/O模塊提取信息的主要方法涉及輪詢。輪詢由較高級(jí)別的控制部件在其發(fā)送請(qǐng)求特定值的消息(有時(shí)稱作標(biāo)簽)時(shí)實(shí)現(xiàn)。輪詢是從控制系統(tǒng)的較高級(jí)別朝向控制系統(tǒng)的較低級(jí)別發(fā)生的活動(dòng)過程。因此，PLC將針對(duì)傳感器狀態(tài)輪詢I/O模塊。SCADA系統(tǒng)將隨后輪詢DCS或PLC系統(tǒng)以便檢索相同的傳感器狀態(tài)或傳感器狀態(tài)的組合從而使這一信息在高級(jí)別(SCADA計(jì)算機(jī)42)處可用。采用相同的過程來改變輸出的狀態(tài)。較高級(jí)別的控制部件向較低級(jí)別的設(shè)備發(fā)送指令它實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的某種改變(或者設(shè)置電平或者將其關(guān)閉或開啟)的類似消息。
[0014]新近現(xiàn)有技術(shù)中的SCADA、DCS或PLC系統(tǒng)的重要操作模式是為較高級(jí)別的控制元件啟動(dòng)與較低級(jí)別的通信，級(jí)別是眾多的，包括I/O模塊、PLC、DCS和SCADA系統(tǒng)。
[0015]這一操作模式存在例外，例如但不限于，在異步事件的情況使用警報(bào)可導(dǎo)致消息從DCS被發(fā)送到SCADA系統(tǒng)。然而，這一例外并沒有改變?cè)谳^高級(jí)別處啟動(dòng)并被導(dǎo)向到較低級(jí)別的本質(zhì)且主要的操作模式。
[0016]現(xiàn)有技術(shù)的SCADA、DCS或PLC系統(tǒng)是許多部分的復(fù)雜組合。在最低級(jí)別處(傳感器和致動(dòng)器接口)，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)采用大量固定配置的I/o模塊，由此需要單獨(dú)的產(chǎn)品或單獨(dú)的產(chǎn)品置換(permutat1ns)以便交付(deliver)許多電接口，諸如4_20mA、+/-10V、頻率、電平、NPN, PNP、傳感器功率，等等。因此通常需要多個(gè)I/O模塊。多個(gè)I/O模塊一般插入到一些總線接口中。傳感器和致動(dòng)器連線需要電源、接線盒和許多連線。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)SCADA43或DCS41系統(tǒng)本身是通過級(jí)別分層的，從而使SCADA計(jì)算機(jī)42經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接至一個(gè)或多個(gè)DCS系統(tǒng)41，該DCS系統(tǒng)41或者是PLC 40或者是經(jīng)由另一層連接到PLC 40的DCS41。因此需要許多硬件部件來實(shí)現(xiàn)SCADA 43或DCS 41系統(tǒng)。
[0018]在軟件方面，現(xiàn)有技術(shù)I/O模塊(例如21、22和23) —般執(zhí)行電接口功能，而設(shè)備級(jí)軟件在PLC 40或DCS 41中處理。設(shè)備級(jí)軟件包括用于線性化、過濾、計(jì)數(shù)、差異化(differentiating)、校準(zhǔn)、使能、定序和按比例縮放電子值到工程單位的軟件。為了 PLC 40或DCS 41計(jì)算脈沖速率，例如，需要為脈沖輸入的電流值輪詢和輸入I/O模塊并隨后精確計(jì)時(shí)其時(shí)間段并跟蹤其頻率。在計(jì)算精確且準(zhǔn)確的速率中的誤差對(duì)于測(cè)量時(shí)間是非常敏感的，因此在輪詢中PLC 40或DCS 41的延時(shí)可不利地影響傳感器測(cè)量質(zhì)量。
[0019]總之，現(xiàn)有技術(shù)的SCADA 43和DCS 41系統(tǒng)是高度復(fù)雜的、由多個(gè)不同的部件構(gòu)成的，所述部件具有從上到下進(jìn)行輪詢的層，以向控制系統(tǒng)的上層提供信息以及控制。
[0020]SCADA系統(tǒng)43傳統(tǒng)上在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行，諸如運(yùn)行商用操作系統(tǒng)(諸如微軟Windows-XP或微軟Windows-7或微軟Windows-8)的PC。DCS系統(tǒng)41也廣泛使用這一PC架構(gòu)。因?yàn)镈CS 41以及通常SCADA系統(tǒng)43需要到處理的緊密且可靠的連接，這些PC計(jì)算機(jī)必需在現(xiàn)場(chǎng)被本地化(localized)，有時(shí)從更易支持PC的辦公室移出。考慮到時(shí)間具有測(cè)量準(zhǔn)確性的上述效果，從辦公室網(wǎng)絡(luò)移出的此類本地化常需要改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)判定或響應(yīng)的預(yù)測(cè)性。
發(fā)明概要
[0021 ] 本發(fā)明包括用于提供監(jiān)管和分布式控制的可配置的連接器式方法和裝置。其顯著減少了把傳感器和致動(dòng)器連接到控制系統(tǒng)所必需的線連接的數(shù)目。本發(fā)明通過使用單個(gè)部件編號(hào)的可配置I/o模塊顯著降低了用于連接各種傳感器和致動(dòng)器中的一個(gè)或多個(gè)所需的不同控制硬件部件的數(shù)目。
[0022]本發(fā)明利用軟件配置方法和裝置，所述軟件配置方法和裝置產(chǎn)生用來電子地配置該可配置I/o模塊的計(jì)算機(jī)文件記錄。該文件記錄還可被用來對(duì)配置制表。該表格可隨后以要被附連到控制面板或連線位置的連線導(dǎo)向的形式被打印。該表格還可被用來配置和編程服務(wù)器，該服務(wù)器隨后能夠制造用戶界面或Π，由此消除現(xiàn)有技術(shù)中在服務(wù)器上手動(dòng)和定制代碼的生成。該表格還可被采用以提供系統(tǒng)文檔。該表格還可被用以產(chǎn)生要被連接到I/o模塊的單獨(dú)導(dǎo)體的標(biāo)記，以減少連線錯(cuò)誤為目標(biāo)。
[0023]本發(fā)明提供在I/O模塊內(nèi)部的設(shè)備級(jí)軟件。本發(fā)明提供用于對(duì)多個(gè)輸入和輸出定序的軟件，以實(shí)現(xiàn)I/o模塊內(nèi)部的模擬和數(shù)字電平的初始化、使能、讀取、保持、鎖存、計(jì)數(shù)、差異化、重置、預(yù)設(shè)。本發(fā)明在除傳感器和致動(dòng)器以外沒有外部部件的全部在相同I/o模塊內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)輸入和一個(gè)或多個(gè)輸出間提供閉環(huán)控制(例如，溫度控制)。它還向應(yīng)用到閉環(huán)控制的設(shè)定點(diǎn)和參數(shù)的定序軟件和邏輯提供從相同的可配置的連接器式I/o模塊內(nèi)提供的所有軟件、輸入、輸出和功率。
[0024]本發(fā)明向服務(wù)器提供安全連接，其中所述服務(wù)器提供監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集且優(yōu)選地不位于LAN內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)，以便減少對(duì)服務(wù)器的本地管理的要求。本發(fā)明包括在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)(優(yōu)選關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù))，可配置的連接器式I/O模塊發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)進(jìn)所述數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)。本發(fā)明還采用數(shù)字權(quán)限管理以便增加從可配置的連接器式I/O模塊到服務(wù)器的連接的安全性。本發(fā)明還提供與I/O模塊或多個(gè)I/O模塊內(nèi)的任何服務(wù)器連接獨(dú)立的自動(dòng)控制和分布式控制，以便無服務(wù)器連接地執(zhí)行控制功能。在I/O模塊在給定時(shí)間量?jī)?nèi)或以重復(fù)的模式無法聯(lián)系服務(wù)器的情況下，本發(fā)明還經(jīng)由因特網(wǎng)、電話或文本收發(fā)來提供通知。
[0025]本發(fā)明提供要在采用云計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器上運(yùn)行的軟件，其提供監(jiān)管計(jì)算，對(duì)軟件的輸入包括從可配置的連接器式I/o模塊發(fā)送到服務(wù)器的傳感器和I/O模塊狀態(tài)，而來自軟件的輸出的包括從服務(wù)器經(jīng)由來自充當(dāng)服務(wù)器的客戶端的可配置的連接器式I/O模塊的服務(wù)器請(qǐng)求的響應(yīng)而發(fā)送的致動(dòng)器和I/o模塊狀態(tài)。
[0026]本發(fā)明無需I/O模塊接受來自除可任選地來自LAN內(nèi)部以外的任何地方的未經(jīng)請(qǐng)求的請(qǐng)求。
[0027]本發(fā)明提供到其它I/O模塊的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)連接，以便免除對(duì)本地主輪詢主機(jī)或與服務(wù)器分離的任何主機(jī)的需求，其中服務(wù)器優(yōu)選地不位于LAN內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)(on-site)。
[0028]本發(fā)明經(jīng)由來自I/O模塊對(duì)服務(wù)器所作的請(qǐng)求的響應(yīng)提供要在一范圍內(nèi)改變的I/o模塊中的設(shè)定點(diǎn)。本發(fā)明提供在可配置的時(shí)間段之后源自服務(wù)器的設(shè)定點(diǎn)的期滿并在同時(shí)接著回復(fù)到由I/o模塊本身(或者其本身及一個(gè)或多個(gè)對(duì)等體)確定的設(shè)定點(diǎn)，從而使本地控制將提供足夠但相比用服務(wù)器設(shè)定點(diǎn)確定實(shí)現(xiàn)的控制而言可能低等的控制。
[0029]在附圖中
[0030]圖1是采用多個(gè)固定配置的I/O模塊的典型現(xiàn)有技術(shù)傳感器和致動(dòng)器連接方法和
>J-U ρ?α裝直。
[0031]圖2是由PLC、三個(gè)I/O模塊、定制的連線配置和部件以及五個(gè)傳感器和致動(dòng)器的集合構(gòu)成的現(xiàn)有技術(shù)DCS。
[0032]圖3描繪由SCADA計(jì)算機(jī)和三個(gè)DCS節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)，每一節(jié)點(diǎn)由具有多個(gè)I/o模塊的PLC連同將各種傳感器和致動(dòng)器連接到控制系統(tǒng)所必需的定制的連線配置和部件構(gòu)成。
[0033]圖4用直接連接到各種傳感器和致動(dòng)器的可配置的連接器式I/O模塊來描述本發(fā)明。
[0034]圖5描繪本發(fā)明的DCS節(jié)點(diǎn)。
[0035]圖6描繪本發(fā)明的最簡(jiǎn)單的DCS配置，其中該配置僅采用經(jīng)由對(duì)等連接相連的兩個(gè)I/o模塊。
[0036]圖7描繪本發(fā)明的最簡(jiǎn)單的SCADA配置，其中該配置僅采用經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接相連的一個(gè)I/O模塊提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器查詢。
[0037]圖8描繪本發(fā)明的DCS和SCADA系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)由三個(gè)可配置的連接器式I/O模塊和服務(wù)器構(gòu)成，該服務(wù)器優(yōu)選在LAN的外部且經(jīng)由因特網(wǎng)被訪問。
[0038]發(fā)明的詳細(xì)描述
[0039]本發(fā)明擴(kuò)展了美國(guó)專利6，892，265、7，216，191和7，822，896以及美國(guó)專利申請(qǐng)S/N.13/281，394和13/069,292的教導(dǎo)，這些申請(qǐng)通過引用結(jié)合在本文中。在上述發(fā)明中，描述了可配置的連接器式系統(tǒng)，其中此類系統(tǒng)的任何連接器引腳可被配置用于種類廣泛的電子功能，諸如測(cè)量電壓、產(chǎn)生電壓、測(cè)量電流、產(chǎn)生電流、產(chǎn)生各種功率電壓電平或者甚至處理頻率信息(諸如串行通信數(shù)據(jù))。
[0040]使用這些專利教導(dǎo)構(gòu)建的單個(gè)版本的產(chǎn)品已經(jīng)解決了眾多的工業(yè)控制問題。當(dāng)與傳統(tǒng)工業(yè)控制輸入/輸出模塊相比時(shí)，本發(fā)明的可配置的連接器式輸入/輸出模塊顯著降低了所需的額外部件(諸如電源和接線盒)的數(shù)目?？膳渲玫倪B接器式輸入/輸出系統(tǒng)憑借改變其連接器引腳的電配置以提供多個(gè)電信號(hào)格式或功率中的任何個(gè)而免除了對(duì)許多不同的固定配置的I/o模塊的需求。
[0041]基于軟件的電配置能力是I/O模塊連線被簡(jiǎn)化的主要原因。因?yàn)榭膳渲眯园軌蛱峁┰O(shè)備功率，于是要求功率的傳感器和致動(dòng)器可以從相同的連接器或連接器組接收功率。因?yàn)榻?jīng)由軟件來配置電信號(hào)路徑以提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、控制器到傳感器和控制器到致動(dòng)器的連接，線束被顯著簡(jiǎn)化?，F(xiàn)有技術(shù)的定制的連線配置和部件被去除或自動(dòng)化。
[0042]I/O模塊進(jìn)一步裝配有功能強(qiáng)大的微處理器(如實(shí)時(shí)控制產(chǎn)品中所常見的)，該微處理器包括易失性和非易失性存儲(chǔ)器。該微處理器進(jìn)一步包括能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)控制程序的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該可配置的軟件環(huán)境提供I/o模塊以對(duì)多個(gè)輸入和輸出定序來實(shí)現(xiàn)線性化、初始化、使能、讀取、保持、鎖存、計(jì)數(shù)、差異化、重置、預(yù)設(shè)及其它信號(hào)狀況和設(shè)備電平控制。
[0043]I/O模塊進(jìn)一步采用其可配置的軟件結(jié)構(gòu)來執(zhí)行閉環(huán)控制，例如使用任何控制法則(包括但不限于比例微分積分(proport1nal plus derivative plus integral)或PID)的溫度控制。
[0044]I/O模塊進(jìn)一步采用其可配置的軟件結(jié)構(gòu)來基于包括輸入狀態(tài)和內(nèi)部邏輯的邏輯結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制器設(shè)定點(diǎn)和輸出值的定序。此類軟件結(jié)構(gòu)將允許對(duì)儲(chǔ)槽灌裝例程(包括對(duì)閥門和泵定序，以及對(duì)儲(chǔ)槽液面?zhèn)鞲衅髯鞒鲰憫?yīng))進(jìn)行預(yù)編程。
[0045]1/0模塊進(jìn)一步采用能夠以對(duì)等配置與其它可配置的連接器式1/0模塊相連的網(wǎng)絡(luò)連接，以便傳遞在其它情況下需要SCADA系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)相同數(shù)據(jù)分布的信息。
[0046]在LAN中相連的一個(gè)或多個(gè)1/0模塊可因此起僅對(duì)LAN內(nèi)部事件作出響應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用，該自動(dòng)控制系統(tǒng)在沒有現(xiàn)有技術(shù)中的SCADA計(jì)算機(jī)的情況下利用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)系統(tǒng)。
[0047]1/0模塊可以使用其網(wǎng)絡(luò)裝置來啟動(dòng)到服務(wù)器的安全連接，該服務(wù)器或者在LAN內(nèi)部或者在LAN外部，如果在外部?jī)?yōu)選地經(jīng)由因特網(wǎng)上命名的服務(wù)器。連接允許1/0模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)消息，該數(shù)據(jù)消息包含要由服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫(kù)中存檔的控制狀態(tài)變量，存檔對(duì)于SCDAD系統(tǒng)而言是常見的。1/0模塊能夠接收對(duì)所發(fā)送的數(shù)據(jù)消息的響應(yīng)數(shù)據(jù)消息，該響應(yīng)數(shù)據(jù)消息包括供1/0模塊使用的設(shè)定點(diǎn)和參數(shù)。
[0048]當(dāng)使用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，該I/O模塊可因此起DCS作用。此外，當(dāng)使用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)連接且至少一個(gè)連接到服務(wù)器時(shí)，該I/O模塊可以起SCADA系統(tǒng)的作用。優(yōu)選地，所有的I/O模塊連接到服務(wù)器，從而使所有的相關(guān)數(shù)據(jù)在服務(wù)器上被存檔并且所有的I/O模塊能夠從服務(wù)器接收設(shè)定點(diǎn)和參數(shù)。
[0049]本發(fā)明可因此提供SCADA系統(tǒng)的相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)DCS能夠自動(dòng)操作并且沒有到SCADA計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接。本發(fā)明采用服務(wù)器。因此，服務(wù)器可以被移到LAN的外部，導(dǎo)致沒有服務(wù)器裝備位于該LAN內(nèi)且依據(jù)系統(tǒng)管理、維護(hù)和操作的要求。當(dāng)采用無處不在的服務(wù)器模型(通常稱作云計(jì)算)時(shí)，則通用服務(wù)器系統(tǒng)可以被用來托管可配置的連接器式控制系統(tǒng)的服務(wù)器擴(kuò)充部分，由此使用服務(wù)器擴(kuò)充的單個(gè)部件編號(hào)的可配置的連接器式I/O模塊實(shí)現(xiàn)高級(jí)別控制。
[0050]控制系統(tǒng)的安全性是一個(gè)廣泛的主題。本發(fā)明在基礎(chǔ)級(jí)別處理安全架構(gòu)?？膳渲玫倪B接器式I/o模塊可以被指令以拒絕來自對(duì)可配置的連接器式I/O模塊內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器請(qǐng)求內(nèi)容的客戶端的任何請(qǐng)求。同時(shí)，與服務(wù)器的所有通信被可配置的連接器式I/o模塊啟動(dòng)并且使用私鑰系統(tǒng)加密，該私鑰因每一可配置的連接器式I/o模塊而異。因?yàn)闆]有外部連接被許可連到可配置的連接器式I/o模塊，可配置的連接器式服務(wù)器擴(kuò)充的架構(gòu)因此相比現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)了安全性。所有用戶級(jí)別通信(包括用戶界面(UI))都是對(duì)于在其中提供安全連接更常見(例如，在網(wǎng)上銀行連接中)的服務(wù)器。因此，相比必需接受來自LAN外部連接的現(xiàn)有技術(shù)中的SCADA計(jì)算機(jī)，本發(fā)明在LAN內(nèi)部的控制部件將不接受連接，由此有助于確保從根本上更加安全的控制系統(tǒng)。
[0051]圖4描繪可配置的連接器式I/O模塊50，該連接器式I/O模塊50不僅提供與單個(gè)I/o模塊50的傳感器和致動(dòng)器接口，還提供網(wǎng)絡(luò)連接44以實(shí)現(xiàn)DCS 41和沒有現(xiàn)有技術(shù)中SCADA計(jì)算機(jī)42且無需對(duì)I/O模塊50的輪詢操作的SCADA系統(tǒng)43。不同于現(xiàn)有技術(shù)的I/O模塊，本發(fā)明從可配置連接器裝置52提供直接連接，由此消除對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中定制的連線配置和部件的需要。注意，現(xiàn)有技術(shù)中使用的相同連接裝置與本發(fā)明聯(lián)用，但是需要少得多的連接，并且所需要的這些連接幾乎完全點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，提供了更簡(jiǎn)單的連線。傳感器和致動(dòng)器優(yōu)選地連接在控制面板或連線區(qū)域上，其中連線區(qū)域標(biāo)記有使用軟件配置信息自動(dòng)生成的標(biāo)記，該軟件配置信息被采用來配置可配置的連接器式I/O模塊50?？膳渲玫倪B接器式I/O模塊50包括微處理器51和相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器，從而使各種控制和通信功能可被模塊50執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)DCS和SCADA能力。
[0052]圖5描繪配置成最簡(jiǎn)單的DCS 61節(jié)點(diǎn)的本發(fā)明可配置的連接器式I/O模塊50。I/o模塊50能夠直接連接到一個(gè)或多個(gè)對(duì)等體以便交換信息，并由此在用在一個(gè)位置處的泵把水從一個(gè)站點(diǎn)抽吸到另一個(gè)站點(diǎn)且在一定距離之外執(zhí)行儲(chǔ)槽液面感測(cè)時(shí)利用分布式系統(tǒng)來管理單個(gè)系統(tǒng)?？膳渲玫倪B接器式I/O模塊的DCS架構(gòu)允許這一分布式控制被輕易地跨網(wǎng)絡(luò)連接44實(shí)現(xiàn)。顯然，傳感器和致動(dòng)器24、25、26和27直接連接到I/O模塊50，無需現(xiàn)有技術(shù)的定制的連線配置和部件30。
[0053]出于解說性目的，圖6描繪被配置成最簡(jiǎn)單的DCS的本發(fā)明的可配置的連接器式I/o模塊50，系統(tǒng)包括采用對(duì)等連接28的兩個(gè)I/O模塊50。該連接優(yōu)選地在網(wǎng)絡(luò)通信受控且是確定性的LAN的內(nèi)部。但是，并不排除傳到LAN外部的連接28，例如使用因特網(wǎng)。這一配置可被擴(kuò)展到超過兩個(gè)I/O模塊和對(duì)等連接。
[0054]出于解說性目的，圖7描繪被配置成最簡(jiǎn)單的SCADA系統(tǒng)的本發(fā)明的可配置的連接器式I/o模塊50，其中單個(gè)可配置的連接器式I/O模塊50連接至傳感器和致動(dòng)器以及服務(wù)器62，數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器62并自其發(fā)送——響應(yīng)于模塊50對(duì)服務(wù)器62的請(qǐng)求——設(shè)定點(diǎn)和控制器參數(shù)被模塊50接收。優(yōu)選地，服務(wù)器62在LAN外部，在那里有對(duì)服務(wù)器62更便宜且更方便的支持。但是本發(fā)明并不排除使用在LAN內(nèi)部的服務(wù)器62。被模塊采用用以啟動(dòng)請(qǐng)求的通信協(xié)議優(yōu)選是網(wǎng)際協(xié)議TCP/IP。這一配置可被擴(kuò)展到連接至服務(wù)器的超過兩個(gè)的I/O模塊。
[0055]圖8描繪配置成較復(fù)雜的SCADA系統(tǒng)43的本發(fā)明可配置的連接器式I/O模塊50，該SCADA系統(tǒng)43典型地用位于三個(gè)地理位置處的I/O模塊50和優(yōu)選在因特網(wǎng)上連接的服務(wù)器62運(yùn)行整個(gè)供水系統(tǒng)，從而使得沒有服務(wù)器級(jí)別的計(jì)算機(jī)位于LAN內(nèi)部，由此免除對(duì)服務(wù)器管理、維護(hù)和本地支持的需求。I/O模塊50也使用對(duì)等連接28來連接從而使模塊50可以獨(dú)立于服務(wù)器62的任何連接交換操作數(shù)據(jù)、狀態(tài)和設(shè)定點(diǎn)。從I/O模塊50到服務(wù)器62的所有通信是經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器查詢的，例如采用網(wǎng)際協(xié)議TCP/IP，由此I/O模塊50不需要接受來自LAN外部的未經(jīng)請(qǐng)求的連接。未經(jīng)請(qǐng)求的連接在其他情況下可以被使用以便獲得對(duì)模塊50的未經(jīng)授權(quán)的訪問，由此影響SCADA系統(tǒng)43的安全性。
[0056]盡管出于解說本發(fā)明的目的已經(jīng)示出了一些代表性的實(shí)施例和細(xì)節(jié)，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是可以對(duì)本文中所公開的方法和裝置作出各種變化而不背離在所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于管理監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包括可配置的連接器式輸入/輸出模塊，所述方法包括以下步驟: (a)使用軟件配置方法對(duì)所述模塊在電學(xué)上進(jìn)行配置； (b)把至少一個(gè)傳感器或致動(dòng)器連接至所述模塊； (c)把所述模塊連接至服務(wù)器； (d)向所述服務(wù)器周期性地傳送所述模塊的控制狀態(tài)信息；以及 (e)接收從所述服務(wù)器傳送到所述模塊的答復(fù)信息，其中所述答復(fù)信息包括用于所述模塊的設(shè)定點(diǎn)或操作數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括使用所述模塊中的軟件為所述服務(wù)器或附連到所述服務(wù)器的計(jì)算機(jī)配置用戶界面的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括使用所述模塊為所述系統(tǒng)生成連線導(dǎo)向的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在沒有到所述服務(wù)器的可行連接的情況下，所述模塊提供獨(dú)立控制。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括以下步驟: (a)設(shè)置所述服務(wù)器對(duì)來自所述模塊的控制狀態(tài)信息的傳輸進(jìn)行預(yù)期的時(shí)間量；以及 (b)如果控制狀態(tài)信息沒有在所設(shè)置的時(shí)間量?jī)?nèi)傳送到所述服務(wù)器，則產(chǎn)生報(bào)警。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，多個(gè)模塊被使用并且所述方法進(jìn)一步包括在至少兩個(gè)所述模塊間采用對(duì)等連接的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述設(shè)定點(diǎn)受限于不被從所述服務(wù)器接收到的答復(fù)信息支配的范圍。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于時(shí)間的設(shè)定點(diǎn)被預(yù)裝到所述模塊以減少到所述服務(wù)器的連接丟失的影響。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，被所述模塊采用的設(shè)定點(diǎn)在到所述服務(wù)器的連接丟失達(dá)預(yù)定時(shí)間之后回復(fù)到預(yù)設(shè)值。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模塊通過因特網(wǎng)連接被連接至所述服務(wù)器。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模塊將不接受來自LAN外部的連接請(qǐng)求，所述模塊位于所述LAN內(nèi)部。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)位于LAN內(nèi)部，并且沒有所述LAN內(nèi)的部件使用需要被升級(jí)或支持的軟件，由此避免由于接受網(wǎng)絡(luò)連接的安全缺陷。
13.一種用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的裝置，包括: (a)可配置的連接器式輸入/輸出模塊，所述模塊配置有軟件； (b)連接至所述模塊的至少一個(gè)傳感器或致動(dòng)器；以及 (c)連接至所述模塊的服務(wù)器； 其中所述模塊的控制狀態(tài)信息被周期性地傳送給所述服務(wù)器，并且所述模塊接收從所述服務(wù)器傳送給所述模塊的答復(fù)信息，所述答復(fù)信息包括用于所述模塊的設(shè)定點(diǎn)和操作數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括用以在所述服務(wù)器或附連到所述服務(wù)器的計(jì)算機(jī)上配置用戶界面的軟件。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括為所述裝置生成連線導(dǎo)向的軟件。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，在沒有到所述服務(wù)器的可行連接的情況下，所述模塊提供所述裝置的獨(dú)立控制。
17.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，多個(gè)模塊被使用并且在至少兩個(gè)所述模塊間存在對(duì)等連接。
18.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述設(shè)定點(diǎn)受限于不被從所述服務(wù)器接收到的答復(fù)信息支配的范圍。
19.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，基于時(shí)間的設(shè)定點(diǎn)被預(yù)裝到所述模塊以減少到服務(wù)器的連接丟失的影響。
20.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，被所述模塊采用的設(shè)定點(diǎn)在到所述服務(wù)器的連接丟失達(dá)預(yù)定時(shí)間之后回復(fù)到預(yù)設(shè)值。
21.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述模塊通過因特網(wǎng)連接被連接至所述服務(wù)器。
22.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述模塊將不接受來自LAN外部的連接請(qǐng)求，所述模塊位于所述LAN內(nèi)部。
23.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)位于LAN內(nèi)部，并且沒有所述LAN內(nèi)的部件使用需要被升級(jí)或支持的軟件，由此避免由于接受網(wǎng)絡(luò)連接的安全缺陷。
【文檔編號(hào)】G05B23/02GK104412189SQ201380034453
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2013年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月30日
【發(fā)明者】P·薩格斯, M·博塔 申請(qǐng)人:Xio股份有限公司