[发明专利]用于过程控制系统的自配置通信网络

说明书

本申请是申请日为2004年6月18日、申请号为200410079474.6、发明名称为“用于过程控制系统的自配置通信网络”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及过程控制系统(process control system)，并且特别涉及用于过程控制系统的自配置(self-configuring)通信网络。

背景技术

过程控制系统广泛地应用于制造厂和/或工厂，在这些厂中进行产品制造或生产过程控制(例如，化学品加工、发电厂控制等)。过程控制系统也应用于自然资源的获取，例如，石油和天然气的钻探和处理过程等。事实上，任何制造过程、资源获取过程等都能通过应用一个或多个过程控制系统来实现自动化操作。

实现过程控制系统的方式已经发展了很多年。早期的过程控制系统通常使用专用的、集成化的硬件来实现。然而，现代的过程控制系统通常使用工作站、智能控制器、智能现场设备(smart field device)等等的高度分布式网络来实现，这些设备中的一些或全部可以执行整个过程控制策略或方案的一部分。尤其是，大多数现代的过程控制系统包括智能现场设备和其它过程控制部件，它们通过一个或多个数字数据总线相互通信连接并且/或者与一个或多个控制器相互通信连接。当然，这些现代的过程控制系统中有很多还包括非智能现场设备，例如4-20毫安(MA)设备、0-10伏特直流电压(VDC)设备等，与共享数字数据总线等相反，它们通常直接连接于控制器。

无论如何，现场设备包括，例如，输入设备(如提供状态信号的传感器等的设备，该状态信号指示过程控制参数，例如温度、压力、流速等)，以及响应于从控制器和/或其它现场设备接收到的命令而执行动作的控制操作器或激励器。例如，控制器可以向阀门发送信号以增加压力或流量，向加热器或冷却器发送信号以改变温度，向混合器发送信号以搅动过程控制系统中的配料等。

过程控制系统设计的一个尤其重要的方面涉及现场设备相互之间、与控制器和过程控制系统中的其它系统或设备之间通信连接的方式。一般来说，过程控制系统中能让现场设备运行的各种通信信道、链路和路径，通常统称为输入/输出(I/O)通信网络。

通信网络拓扑结构和用来实现I/O通信网络的物理连接或路径，对现场设备通信的稳定性或完整性方面具有重要的影响，尤其是当I/O通信网络受到与过程控制系统有关的环境因素或条件影响的时候。例如，许多工业控制应用经常使现场设备以及与它们相关联的I/O通信网络遭受苛刻的物理环境(如高、低或多变的环境温度、震动、腐蚀性气体或液体等)、恶劣的电场环境(如高噪音环境、不良的功率质量、瞬时电压等)等等的影响。不管怎样，环境因素能够损害在一个或多个现场设备、控制器等之间的通信的完整性。在一些情况下，上述受损害的通信能够阻止过程控制系统以有效或正确的方式执行它自己的控制程序，从而导致过程控制系统的效率和/或效益降低、过度磨损或损坏设备、出现可能损坏或破坏设备、建筑物结构和/或人员的危险条件等等。

从历史上看，用于过程控制系统的I/O通信网络是硬布线网络。尤其是，这些过程控制系统中的现场设备一般使用分层拓扑结构，通信连接于控制器、工作站以及其它过程控制系统部件，在该分层拓扑结构中，非智能现场设备使用模拟接口，例如4-20mA、0-10VDC等，直接连接于控制器。在很多情况下，还使用并且通过硬布线数字数据总线连接智能现场设备，而且经由智能现场设备接口设备将它们连接于控制器。

虽然硬布线I/O通信网络最初能提供稳健的I/O通信网络，但是作为环境重压(如腐蚀性气体或液体、震动、湿度等)的结果，其稳健性会随着时间而严重降低。例如，与I/O通信网络线路相关联的接触电阻实际上可能由于腐蚀、氧化等而增加。另外，线路绝缘和/或屏蔽可能会降低或失效，从而产生环境电干扰或噪音能够更容易使经由I/O通信网络线路发送的信号恶化的情况。在某些情况下，失效的绝缘会导致短路情形，这种情形会引起相关联的I/O通信线路完全失效。

另外，安装硬布线I/O通信网络通常很昂贵，尤其在I/O通信网络与分布在较大地理区域上的大型工厂或设施相关联的情况下。在许多例子中，与I/O通信网络相关联的布线必须跨越相对长的距离，并且/或者穿过、埋线于或围绕许多结构(如墙壁、建筑物、设备等)。如此长的布线距离通常要花费相当大量的劳动力以及费用。而且，如此长的布线距离特别容易遭受由于线路阻抗及连接电干扰引起的信号恶化，而且线路阻抗及连接电干扰都能够引起不可靠的通信。