CN102323785B - 灵活的功能块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种灵活的功能块。通过使用标准功能块和新的灵活功能块的结合提供了一种控制系统体系。灵活功能块减少和/或消除了用户控制软件和用于离散/混合/分批的特殊I/O网关和PLC应用的昂贵和难于维护。用户建构通过输入和输出的数目和类型、以及块算法来建构特定应用的灵活功能块。灵活功能块和网关灵活功能块、以及分布式控制体系内的标准功能块彼此互连和互用。

Description

灵活的功能块
本申请是申请号为200480015600.X，申请日为2004年6月2日，发明名称为“灵活的功能块”的中国专利申请的分案申请。
相关申请的交叉参考
本申请要求U.S.专利申请序列号10/453,596的优先权。
技术领域
本发明涉及自动控制系统体系。更确切地说，本发明涉及在U.S.专利号NO.6,424,872和U.S.专利申请号09/598,697中描述的扩展自动控制系统体系，以包括新的“灵活的功能快”，该灵活的功能快增加了申请兼容性以包括复杂的离散/混合/分批以及PLC应用。
背景技术
工厂控制系统已经迅速地从专有的、集中体系转向开放、分散的基于现场总线的体系，诸如来自Fieldbus财团(德克萨斯州的奥斯汀)的FOUNDATONTM现场总线。FOUNDATONTM现场总线指定用于过程控制的较低速现场总线(H1)，以及用于高性能控制的高速以太网(HSE)现场总线骨干链路，子系统集成，和管理信息系统集成。分别在NO.6,424,872专利和09/598,697申请中描述了示意H1和HSE。由于FOUNDATONTM现场总线是开放的和可通用的、分布式控制体系，因而来自不同出售商的控制设备能够在H1或HSE现场总线上共同使用并且共享控制功能(例如，将控制分配到现场总线设备中)。由于减少或者消除了对集中控制计算机和I/O子系统的需要，因而将控制分配到现场总线设备减少了系统安装成本。由于设备中的功能块提供了更多关于过程测量和设备状态的信息，因而将控制分配到现场总线设备减少了系统操作和维护成本。设备供应商和用户促进了对开放、可共同使用、分布式控制现场总线系统的需求。供应商需要开放和可通用、分布式控制现场总线系统，因为这允许供应商将他们的产品销售给更多的用户，替代仅仅销售给操作特定专用系统。用户需要开放和可通用的、分布式控制现场总线系统以便用户能够从多个供应商中选择最好的控制设备，而不是仅仅为专有系统特定设计的设备。
H1为现场级别控制能力和集成提供开放和可通用解决方案，并且HSE为在非常高性能通信系统上的分布式控制(通常称作现场总线“骨干链路”网络)提供开放和可通用解决方案。HSE控制骨干链路聚集来自较低速控制设备(例如H1设备和其它控制设备)的信息，HSE控制骨干链路用于管理的和高级的控制应用中。HSE控制骨干链路聚集来自高速控制设备(例如，HSE设备和其它子系统)的数据，并由控制系统计算机提供H1和HSE控制信息的访问/改变。
多数工厂自动应用问题可以使用如在NO.6,424,872专利中描述的标准功能块来得到解决。NO.6,424,872功能块具有固定I/O配置和固定控制算法。然而，某种应用需要这样的功能块，其中可以由终端用户来配置输入/输出(I/O)的数目和种类和功能块算法。这些用户可配置功能快需要更复杂的离散/混合/分批以及PLC应用，其中I/O和算法是特定应用的。
在本发明之前，没有方法生成离散/混合/分批以及PLC应用所需要的可通用的终端用户可配置块。终端用户不得不开发定制控制软件和特殊I/O网关，这是昂贵和难于维护的。
需要的是开放的可通用现场总线，其能够提供在NO.6,424,872专利和09/598,697申请中描述的功能块以及终端用户可配置块，从而消除对昂贵和难于维护的定制控制软件和特殊I/O网关的需要。
发明内容
在此描述的实施例克服了上述以及其它缺陷等等。实施例满足上述需要。实施例提供了新的和改善的控制系统体系，其提供了新的、终端用户可配置功能块，从而消除对在离散/混合/分批以及PLC应用中的昂贵和难于维护的定制控制软件和特殊I/O网关的需要。在此所描述的实施例一起称作“灵活功能块”(FBB)。
例如，通过用于在开放控制系统中操作的装置来达到这些和其它优点，所述装置包括存储器(其包括系统管理数据和灵活功能块)、可操作地连接到存储器的处理器、以及介质连接单元(MediumAttachmentUnit)，介质连接单元在处理器和传送介质之间翻译输入消息和输出消息。该系统管理数据包括系统调度，灵活功能块包括终端用户可配置参数和终端用户可配置算法计算机程序，并且处理器基于系统调度执行灵活功能块。
例如，也可以通过允许包括多个设备的设备之间的互用性的系统来达到这些和其它优点，至少一个设备包括资源块和灵活功能块和可操作连接到灵活功能块的介质连接单元。资源块唯一地标识各个设备，灵活功能块处理参数以产生输出消息，并且介质连接单元将输入消息从传送介质翻译到灵活功能块并且将输出消息从灵活功能块翻译到传送介质。
例如，也可以通过在控制系统中操作的装置来达到这些和其它优点。该装置包括用户层，用户层包括封装的灵活功能块以提供功能性给物理层，物理层将消息从传送介质翻译到用户层适用的格式，并从用户层翻译到用于在传送介质上传送的信号，已经连接到用户层和物理层的通信栈。通信栈包括数据链路层和应用层。数据链路层控制到传送介质上多个消息的传送。应用层允许用户层在传送介质上通信。
同样，例如，通过存储器来达到这些和其它优点，所述存储器用于存储数据以便通过在控制系统内设备中操作的应用框架进行访问。存储器包括存储在存储器中的数据结构，数据结构包括资源块，资源块使得设备的硬件特定特征电子地可读，以及封装的灵活功能块，和至少一个转换(transducer)块。灵活功能块包括终端用户配置的程序和参数以及至少一个转换块控制对灵活功能块的访问。
附图说明
连同附图，根据以下发明详细描述的阅读，本发明上述目的和优点以及通过其使用可以获得的其它好处和优点，可以变得显而易见。
在附图中，参考数字表示系统的相应部分。
图1是扩展控制系统的视图概。
图2示出与本发明通信模型相比的开放系统互连层的通信模型。
图3举例说明现场设备的硬件实施例。
图4总结由现场总线访问子层提供的虚拟通信关系。
图5举例说明经由通信服务互连的两个设备。
图6举例说明对象字典。
图7举例说明在本发明通信模型内的虚拟通信设备。
图8举例说明现场设备内的功能块应用结构。
图9举例说明在总线上与现场设备互连的外部设备。
图10举例说明对象字典目录对象的优选层。
图11举例说明单个循环互连的参数的实例。
图12举例说明本发明优选系统体系。
图13举例说明带有用户配置输入、用户配置输出、和用户配置算法的灵活功能块。
图14举例说明使用标准和灵活功能块的应用。
图15是举例说明使用标准和灵活功能块的应用的实例的框图。
具体实施方式
以下描述带有的提高的互用性、改善的开放控制系统，以及改善的分布式控制其提供新的、终端用户可配置功能块(灵活功能块)。控制系统能够支持各种类型的现场设备包括变换器和激励器，或者高速现场设备诸如单元控制、发动机、驱动器和远程输入/输出(I/O)。灵活功能块使能功能块输入/输出(I/O)的数目和类型，以及可由终端用户配置的功能块算法。以下首先提供控制系统的实施例描述(图1-12)，接着描述灵活功能块(图13-15)。
如图1所示，在控制系统上操组的现场设备一般地分类为连接有效调度器100，连接主设备105，或者基本设备110。如何分类现场设备取决于其控制性能和可靠性。例如，如果现场设备用作总线120的网络控制器，那么它被分类为链接有效调度器100。如果现场设备能够用作网络控制器或者链接有效调度器但是不假设其具有可靠性，那么它被分类为链接主设备105。基本设备110不能够用作网络控制器。
现场设备可以电子地耦合或者通过传送介质120来连接，所述传送介质可以是单独输入和输出导线或者各种总线配置。如图1所示，实施例使用总线配置。总线的吞吐率可以变化。少数示意性总线是31.25kbit/s总线，10Mbit/s总线，和2.5Mbit/s总线。
31.25kbit/s总线一般用于过程控制应用，诸如温度、级别和流控制。1.0Mbit/s总线和2.5Mbit/s总线通常用于高速应用。在1.0Mbit/s总线和2.5Mbit/s总线上操作的设备通常自动力的或者从现场总线电缆(即4根电缆)上的分离电源总线汲取电力，然而，它们同样能够从现场总线上直接提供动力。
在所示实施例中，在同一总线120上操作有几个链路主设备105。当这些链路主设备105被激活时，这些链路主设备105就负责支持变为链路活动调度器100。在所示实施例中，变为链路活动调度器100的链路主设备105是带有最低网络地址的设备。在可选实施例中，特定设备可以是“优选的”链路主设备。在这种情况下，当该系统被激活时，带有最低网络地址的链路主设备105将假设为链路活动调度器100的责任。然后，“优选的”链路主设备105将发送消息至链路活动调度器100，将其传送到发送控制。根据消息的接收，链路活动调度器100将控制发送到优选链路主设备105。
然而，存在各种各样的方法来指导所述支持处理。例如，在于1996年6月11日发布的U。S。专利号5,526,358中示出了一种支持处理，在此合并以供参考。如果控制总线120的链路活动调度器100发生故障或者被删除那么指导该支持处理。
控制系统也可以包括桥130以便与个别总线互连并创建较大的网络。可以通过操作员站150来监视个别总线之间的通信。
为了详细地描述该控制系统，只需要描述链接主设备105因为它包含与链接有效调度器100一样的控制容量。链接主设备105合并包含以下三个层的程序接口：(1)物理层，(2)通信站，和(3)用户层。
如图2所示，从开放系统互连(OSI)模型中导出物理层(PHY)200和通信栈205。物理层(PHY)200与OSI层1相同，而通信栈205对应于OSI层2和7。用户层235不由OSI模型来定义。在可选实施例中，物理层200和通信栈205可以从各种不同联网层标准来导出，诸如传送控制协议/互联网协议(TCP/IP)和UNIX。这些层的各个层的详细描述如下。
I.物理层
如1和2所示，物理层200从通信栈205接收消息，并将该消息转换为传送介质上的物理信号，反之亦然。物理层200用国际电工委员会(IEC)和国际测量和控制协会(ISA)通过的标准来定义。对于关于物理层200的更多信息，参见ISA文档S50。02-1992和IEC文档1158-2，其在此合并以供参考。在所示实施例中，使用公知的曼彻斯特双相L技术来编码消息，并且将时钟信号嵌入串行数据流。需要翻译来自总线120的进入消息和来自设备内处理器的出去消息的硬件通称作介质连接单元，诸如网络适配器。在物理层200翻译了来自总线120的进入消息之后，它前进到通信栈205。以下描述通信栈205。
II、通信栈
图2示出优选通信栈205。在该实施例中，通信栈205包括数据链路层210，现场总线访问子层220和现场总线消息说明230。数据链路层与OSI层2相同。现场总线访问子层220和现场总线消息说明230是OSI应用层，OSI层7内的子层。通信栈205不使用层3-6。以下描述通信栈205的层。
A.数据链路层
数据链路层210基于网络控制器或链路活动调度器100的指令控制来自链路活动调度器100、链路主设备105或基本设备110的、在总线120上的消息的传送。在优选实施例中，数据链路层210是IEC和ISA数据链路层标准的子集。
链路活动调度器(LinkActiveScheduler)100根据存储在存储器中的网络调度控制数据链路层210。网络调度是系统内数据缓冲器的传送时间的列表。数据缓冲器存储现场设备采集的数据。例如，如果现场设备是温度计，那么数据缓冲器存储温度，并且基于命令公布温度读数到总线120上。另外，链路活动调度器100能够标识所有在系统上操作的现场设备，因为它保持“有效列表(livelist)”。通过周期发送通行令牌消息，链路活动调度器100保持有效列表。任何响应于通行令牌的现场设备都保持有效列表。如果在预先确定数据的尝试之后现场设备无法对应于通行令牌，那么从有效列表中删除该设备。
也可以将新的设备增加到有效列表。链路活动调度器100周期地发送探针结点消息至未在有效列表中列出的网络地址。如果网络地址存在现场设备并接收探针结点消息，那么现场设备立即返回探针响应消息。如果现场设备利用探针响应消息来回答，那么链路活动调度器100将现场设备增加到有效列表中，并通过发送现场设备到结点激活消息来确认现场设备的增加。
每当增加现场设备或者将现场设备从有效列表中删除时，列表有效调度器100就广播对有效列表的这种改变至所有现场设备。这允许各个现场设备维护有效列表的当前副本。
链路活动调度器100也调度来自系统中其它现场设备操作的通信。通过在预定时间发布强迫数据消息，链路活动调度器100调整各个通信的时序。根据强迫数据消息的接收，所请求的现场设备广播或公布其数据至在系统中操作的其它现场设备。为了确保正确的同步，链路活动调度器100也在总线120上周期地广播时间分布消息，以便所有的现场设备与数据链路时间完全相同。时间分配消息是包括数据链路时间的消息。数据链路时间是链路活动调度器100的系统时间。当由链路主设备105接收时间分布消息时，链路主设备105重置或将它们各自系统时间再校准为数据链路时间。
剩余操作在调度消息或者数据交换之间执行。链路活动调度器100通过发布通行令牌消息至个别设备以授权允许其它现场设备使用总线120。当个别现场设备接收通信令牌时，允许现场设备发送消息直至现场设备完成发送消息或者直至最大令牌持有时间已经过期，无论哪个都比较短。令牌持有时间是设备在接收令牌之间能够发送消息的时间量。该控制管理的方法通常称作令牌通行控制。用于实现令牌通行控制的各种技术对本领域技术人员而言是公知的。
为了控制数据交换，各个设备优选地包括输入快照240，处理器250，存储器255，所包含的参数257和输出快照260，以及介质连接单元612，如图3和8所示。在块执行期间，输入快照240和输出快照260保护来自写访问或其它外部干扰的参数值。处理器250处理所存储的块的执行以及算法和块内的程序。快照的参数和所包含的参数257存储在存储器255中。存储器优选是EEPROM或FLASHROM，以允许设备的编程，而没有断电而丢失数据的危险。在可选实施例中，存储器255可以是ROM、RAM、或EPROM。
B.现场总线访问子层
在通信栈205中的下一层是现场总线访问子层220。现场总线访问子层220使用数据链路层210的调度的和未调度的数据交换以提供现场总线消息说明230的服务。现场总线访问子层220提供的服务是通常发送的消息的有效访问。现场总线访问子层服务的一些实例称作虚拟通信关系(VCR)。图4示出三种类型的VCR：客户/服务器251、报告分配252、和发布者/订购者254。
客户/服务器VCR251用于操作者消息，诸如在图4中列出的消息的类型。特别地，客户/服务器VCR251是现场设备之间的队列、未调度、用户启动的一对一通信。排列意味着按顺序发送和接收消息，并提交消息以便发送而无需覆盖先前消息。在优选实施例中，当现场设备从链路活动调度器100接收通行令牌消息时，现场设备能够发送请求数交换的消息。请求设备称作客户机。接收请求的设备称作服务器。当服务器接收来自链接有效调度器100的消息时做出响应。报告分配VCR252用于事件通知，诸如对操作者控制台和趋势报告的警报通知。特别地，报告分配VCR是排队、未调度、用户启动、一对一的通信。报告分配VCR252允许设备发送消息至普通地址，诸如“ALLOPERATORCONSOLE(所有操作者控制台)”。
发布者/定购者VCR254用于发布数据。特别地，发布者/定购者VCR254被缓冲存储一对多通信。缓冲意味着仅仅最新版本地数据保留在网络中。新的数据覆盖先前数据。在优选实施例中，当现场设备接收来自链接有效调度器100的强迫数据消息时，现场设备发布或广播消息至总线120上的其它现场设备。发布者/定购者VCR254由现场设备使用，以便用户层功能块输入和输出的调度公布。以下更详细地描述用户层功能块输入和输出的公布。
C.现场总线消息说明
通信栈205中的另一个层是现场总线消息说明230。现场总线消息说明230允许功能块应用程序使用消息格式的标准集合来彼此发送消息。如图5所示，现场总线消息说明230描述通信服务270，用于建立用户层240的消息所需的消息格式和协议行为。在优选实施例中，现场总线消息说明消息的格式由国际电报电话咨询委员会开发的、称作摘要语法注释(AbstractSyntaxNotation)1的形式语法描述语言来定义。
在总线120上通信的数据由对象描述符来描述。将对象描述符280一起搜集在称作对象字典281的结构中，如图6所示。对象描述符280由索引序号285来标识。索引序号是位置的交叉参考，在所述位置中特定对象描述符存储在存储器中。索引起点，称作对象字典首部，提供字典本身的描述符并定义功能块应用程序440的对象描述的第一索引。
在优选实施例中，索引序号1-225定义标准数据类型，诸如布尔、积分、浮点、位串、和数据结构，其用于建立所有其它对象描述符280。索引序号255之上的索引序号交叉参考用户层对象描述符280。
如图5所示，通信服务270提供为用户层235标准化方法以便在现场总线上通信。通信服务270的一些例子是语境管理服务、对象字典服务、和变量访问。在优选实施例中，语境管理服务用于建立和释放与虚拟现场设备的虚拟通信关系。对象字典服务允许用户层235访问和改变虚拟现场设备中的对象描述符。变量访问服务允许用户层235访问和改变与对象描述符相关的变量。
此外，通信服务270允许现场总线消息说明230与用户层235中的虚拟现场设备310、400通信。如图7所示，现场设备将具有至少两个虚拟现场设备，网络和系统管理虚拟现场设备310和用户虚拟现场设备400。
网络和系统管理虚拟现场设备310典型地存储网络管理数据320和系统管理数据330。网络管理数据包括网络管理信息基础(NMIB)对象描述符部分322和NMIB对象数据部分325。系统管理数据330包括系统管理信息基础(SMIB)对象描述符部分332，和SMIB对象数据部分335。用户虚拟现场设备400包括块对象数据327，其包括块对象描述符326。
系统和网络管理信息基础对象描述符322，335描述了用于系统和网络管理信息基础对象数据325、332的系统和网络格式。
在优选实施方式中，少数标准通信简档用于允许现场设备在同一传送介质120上一起通信和工作。在功能块应用程序440中优选地使用的通信简档根据现场设备分类或类别来定义。同样，为了配置和维护现场设备及其功能块应用程序，推荐普通文件格式。
III.用户层
用户层235处理通过在系统中操作的现场设备聚集的信息。如图2所示，用户层235是增加到OSI模型的附加层。如图7所示，用户层通常由网络和系统管理应用程序430以及至少一个功能块应用程序440构成。各个应用程序都具有其自己的上述虚拟现场设备。
功能块应用程序440定义现场设备的功能性。功能块应用程序440包括一个或多个资源550，如图8所示。资源550是设备的软件和/或硬件结构内的逻辑细分。资源550具有其操作的独立控制，并且可以修改其定义而不会影响其相关资源。
A.导论
如图8所示，资源500是由块和对象构成，诸如：资源块510，转换块520，功能块530，趋势对象560，视图(view)对象565，链接对象570，警报对象585，系统时间601，功能块调度器602，和网络通信量。网络通信量包括调度的和未调度的通信量。以下提供在优选实施例中使用的块和对象的简洁描述。
功能块530表示资源所执行的基础自动功能，诸如模拟输入、模拟输出、或者比例/导出(PD)、或者用于处理或生产控制设备所需的任何其它功能。
各个功能块530根据特定算法和包含的参数的内部集合来使用输入参数。输入参数由包括值域和状态域的参数构成。输入参数指定的数据类型取决于其值域的数据类型。状态域等同于所有输入参数。所包含的参数可以用于提供值给块算法。所包含的参数值可以由生产商来设置或者作为部分配置。所包含的参数也可以在操作期间进行设置。输入参数和所包含的参数根据特定算法来处理以产生输出参数。输出参数可以在同一功能块530或者由其它功能块530中利用。
转换块520能够预处理和后处理功能块和硬件530设备之间的数据，所述设备诸如传感器、激励器、和开关。转换块520能够控制经由功能块530使用的设备独立接口对输入/输出设备的访问。转换块520也能够执行诸如校准和线性化之类的功能。
链接对象570在资源500内的功能块530之间或者在资源之间交换数据。由链接对象570交换的数据可以包括处理数据或者事件。此外，链接对象570可以交换趋势报告数据或者警报通知数据。
资源块510使得硬件具有可访问网络的设备的特定特征。资源块510通过包括一组实现独立硬件参数，将功能块530从资源硬件隔离开。
视图对象565和趋势对象560提供对功能块应用程序440内的参数数据的有效访问。视图对象565允许通过执行单个通信请求来访问参数组。趋势对象560允许将在单个通信传送中报告的参数采样的集合。
警报对象585支持事件的报告至接口设备和其它现场设备。根据有意义的事件的探测，功能块530可以使用警报对象585发送警报消息。有意义的事件是影响系统操作的事件。结果，在此描述的开放系统可以报告其自身错误，警告操作者在“实时”基础上的问题。因此，在此描述的开放系统通过减少时间、和操作者以及工厂安全性来改善生产率。
系统时间601由系统管理来提供给功能块应用程序(例如，一个或多个资源)440，以便在同步现场设备之间的操作中使用。各个设备100，105，110保持其自身的系统时间601。各个设备100，105，110使用其系统时间来控制其内部功能块的执行。警报、事件、和趋势信息的时间戳是基于各个设备所维护的系统事件601。
系统管理根据系统调度来调整功能块530的执行。系统调度是用于设备内功能块的执行事件的列表。此外，功能块530的执行也可以通过完成另一功能块530的执行来调用。下面更加详细地描述系统管理。
B、应用程序框架
一旦实现了组件(例如，块和对象)，它们就通过应用程序框架完成或连接。应用程序框架内部地或外部地调整组件之间的通信。内部通信意味着功能块530之间的通信，而不管它们是不是在同一现场设备中。外部通信意味着带有功能块530的现场设备和不带功能块的现场设备之间的通信。这些由应用框架进行的块的连接导致了允许应用程序的功能性的模块化的系统变得更加可扩展和便携。从附加功能性能够轻易添加到现有功能的意义上说，功能性是可扩展的。从功能性能够轻易地从系统的一个位置移动到另一个位置或者甚至从一个系统移动到另一个系统的意义上说，功能性是便携的。
图9示出外部通信的一些实例。特别地，图9示出现场设备620和监视器设备650、临时设备660、和接口设备670的通信。不同于现场设备620，其他设备650，660，670包含应用程序，其不作为功能块而实现。监视器设备650连接到应用程序框架，但是不具有网络地址。监视器设备监视网络上的通信(例如诊断工具可以是监视设备)。临时设备660支持诊断和参数值的调整。接口设备670提供操作者接口，控制应用程序，和/或配置和诊断支持。
除外部和内部交互作用之外，各种其它可能交互作用都是本领域普通技术人员公知的。例如，可能存在与配置应用程序的交互作用，与人接口应用程序的交互作用，与其它控制应用程序的交互作用，用于功能块链接的建立的交互作用，与其它资源的交互作用，与系统管理的交互作用，以及更多。
1.功能块应用程序结构
如上所述，功能块应用程序440定义现场设备的功能性，并且包括一个或多个资源500。资源是设备的软件和/或硬件结构的逻辑细分。尽管未示出，但是功能块应用程序440通常使用多个资源来实现。如图8所示，构成功能块应用程序440的资源500可以模块化为一组调整以执行相关操作组的块或对象。
块是软件逻辑处理单元，包括由功能类型指定的块和参数数据结构的指定拷贝。块的指定拷贝是封装的软件处理单元，诸如算法或计算机程序。块是封装以创建具有灵活性的模块化系统以便升级或改善。软件处理单元可以包括计算机程序和参数。软件单元设计以独立于其它块并执行可以在许多不同功能块应用程序中使用的功能。
块是可由其类别或子类别来标识的。块的类别表示其参数，以及参数如何影响软件处理单元的执行。块类别指定由该类别的所有实例共享的普通属性，包括块元素(例如，输入和输出事件，所包含的参数，和普通功能)以及与资源功能(例如，警报通知程序和功能块服务程序)的联系。各个块子类别假定由类别指定所有的参数，以及归因于子类别的附加参数。
块类别被分类为基本的(elementary)和复合的(composite)。复合块类别是这样的类别：其算法需要功能和/或复合块的组成块的调用。基本块具有固定算法并且不需要复合功能或功能块的使用。以下将详细描述基本和复合块的特定实例。
2.功能块应用硬件
在优选实施例中，各个设备包含至少一个功能块应用程序440。为了执行功能块应用程序440，设备通常包含输入快照240、处理器250、存储器225、输出快照260、执行控制265，如图3所示，以及通信栈205和介质连接单元612，如图8所示。
介质连接单元612，诸如网络适配器，在传送介质120上接收来自其它设备的信号，并将该信号翻译成用于处理器250的消息。例如，介质连接单元612将来自处理器250的消息转化或翻译成用于在传送介质120上传送的信号，或者将来自传送介质120的信号转化或翻译成用于处理器250的消息。
输入快照(inputsnap)240、处理器250、存储器225、输出快照260用于执行变换块、功能块、和功能块应用程序内的资源块。具体地说，输入快照240接收并保存输入参数。这些输入参数可以是恒量或者从其它功能块接收而来。处理器250根据这些输入参数和任何所包含或存储的参数来执行或处理软件程序或算法。下文将更加详细地描述这些参数。处理器250优选地是微处理器或可编程逻辑阵列。处理器250所使用地任何软件程序或参数都存储在存储器255中，其优选是EEPROM或FLASHROM。功能块应用程序440的功能性仅仅由存储器255的大小和处理器250的处理速度来限制。然后将处理器250的输出发送到输出快照260。
当处理器250执行时，输入快照240和输出快照260负责保护来自外部干扰的参数值，诸如写访问。换句话说，一旦处理器250开始处理和输入，那么输入快照240和输出快照260就存储输入和输出恒量直至处理完成。
3.参数
参数定义输入、输出、和用于控制块操作的数据。参数可通过网络进行访问。
输入参数从该块以外的源获得其值。输入参数可以链接到其源500内或者另一个设备内的另一个块的输出参数。输入参数是输入变量或恒量，其由算法或功能块530的程序来处理。
输出参数是可以链接到一个或多个块的输入参数的参数。输出参数包含值和状态属性这两者。输出状态属性表示所生成的参数值的性质。
所包含的参数是由操作者或者更高级别设备来配置、计算、或设置的参数。在优选实施例中，所包含的参数无法链接到另一个功能块输入或输出，并因此无法包含状态属性。
i.参数标识符
各个参数是由其标识符、存储、用途和与其它参数的关系来表示其特征的。各个参数可以由多个一个的标识符来表示其特征。例如，块内的参数是由其参数设备标识来唯一标识的，并且系统内参数是由其设备标识和标签来唯一标识的。标签提供系统内各个块的唯一符号参考。
参数的数据类型是由其数据类型索引来指定的。数据类型索引是数据类型的对象字典索引。数据类型索引指定参数的机器独立语法。优选地，参数的机器独立语法是摘要语法。用户层235根据现场总线消息说明230中的传送语法规则来编码/解码数据。另外，各种其它参数也可以存储在对象字典281中并由其对象字典索引序号来参考。
ii.参数存储
参数属性可以归类为动态、静态、或非易使性。动态参数是块算法计算的值，并且因此，在断电后不需要恢复。
静态属性是特定配置的值，其在断电之后必须恢复。接口设备670或者临时设备660可以基于稀有而写为静态参数属性。静态参数属性可以由配置设备来跟踪。
非易失性参数属性是频繁写入的，并且在断电之后最后保存的值必须由设备来修复。由于这些参数属性值是不断改变的，因而可以由配置设备来追踪这些值。
4.参数关系
块的执行包括输入参数、输出参数、包含参数和算法或存储在块内的计算机程序。块的算法的执行时间被定义为块的属性。执行时间的长度取决于硬件和软件实现。
在简单块中，在块执行之前接收输入参数。当块开始执行时，输入值被快照以便防止其在算法使用这些输入值时被更新。
然而，在处理这些输入参数之前，输入参数用于确定算法是否能够达到想要的模式。在优选实施例中，功能块应用程序能够达到各种模式，诸如设备输出(O/S)、手动初始化(IMan)、本地超驰(LO)手动(Man)、自动(Auto)，级联(Cas)、远程级联(RCas)以及远程输出(Rout)模式。以下描述服务输出、手动初始化，和本地超驰模式。
当块处于服务模式之外时，不对该块赋值，并且输出维护在上次的值。
当块处于手动初始化模式时，设置块输出以响应反演计算输入参数状态。当状态表示没有路径到最后输出元素时，那么当条件清零时控制块初始化以提供无波动的传送。反演计算输出参数由所有输出和控制级别功能块来支持。设置点可以维护或者可选地初始化至处理变量参数值。
本地超驰模式应用于支持追踪输入参数的控制和输出块。本地超驰模式可以通过设备上的通知开关活则会各种其它方式来使能。在本地超驰模式中，将块输出设置为追踪追踪输入参数的值。设置点可以维护或者优选地初始化到处理变量参数值。
通过比较实际模式属性和目标模式属性来做出该块是否能够达到想要的模式的决定。实际模式属性反映了该块能够达到的操作模式。目标模式属性表示该块想要什么操作模式。目标模式通常由控制应用程序或者由操作者通过人接口应用程序来设置。
一旦确定了实际模式，就生成块执行进程和输出。如果探测到警报条件，那么就更新警报和事件输出参数以便由警报对象进行报告。当完成执行时，对输出快照以便外部访问可以进行。在对输出快照前，仅仅先前值可以由外部进行访问。
C.资源组件
如上所述，功能块应用程序440包含一个或多个资源，并且资源500包括一个或多个块。块可由其类别或子类别来标识。块的类别标识其参数，以及这些参数如何影响其算法或程序的执行。资源组件部分为优选类别提供形式模式。优选类别包括资源类别、目录对象类别、块对象类别、参数对象类别、链接对象类别、警报对象类别、趋势对象类别、视图对象类别、域对象类别、程序调用对象类别、和行为对象类别。在可选实施例中，本领域一些技术人员能够定义具有更多、更少或不同类别的系统。
1.资源类别
在优选实施例中定义的资源类别指定资源的描述属性。各个资源的对象字典包括包含在资源内的组件的描述。资源类别包括以下属性：资源名、供应商名、型号名、修订、逻辑状态、物理状态、和对象字典。
供应商名标识与资源相关联的软件和/或硬件的供应商。型号名指定与资源相关联的软件和/或硬件的型号。修订属性是与资源相关联的软件和/或硬件的修订级。逻辑状态属性包含关于与资源相关联的通信功能性的信息。物理状态属性给出与资源相关的硬件组件的大致概要。对象字典包含对象字典目录对象、资源块、和其他指定给功能块应用程序440处理的对象的属性。这些属性中的每一个都可以通过现场总线消息说明230进行访问。
本领域技术人员将认识到，这些属性数字。和为任何类别或子类别所定义的属性仅仅是用于示意能够使用的属性。在可选实施例中，资源类别或者任何其它类别或子类别能够包括更多、更少或者不同的属性。该概念应用到在该说明书中描述的所有类别和子类别。
2.目录对象
另一优选类别是目录对象类别。目录对象用作资源或功能块应用程序440内的其它块和对象的导向。目录对象包含其它块的参考的列表以及构成资源或功能块应用程序440的对象。该信息可以由接口设备或者想要访问对象目录中的对象的临时设备读出。目录对象类别被定义为包括以下属性：成员标识；静态对象目录的开始索引；数据类型；子索引实体；数据长度；用途；存储；有效值列表；初始值；和项标识。
成员标识属性是标识目录功能的唯一数字。索引是对象目录中目录对象的索引。各种数据类型包括元类型或者类型名。元类型标识对象类型。类型名指定对象的数据类型名。子索引实体允许通过读取和写入服务来分别地访问目录对象的属性。数据长度属性指定预留以标识目录中子索引值的字节数。用途属性表示这是被包含的对象并且不能通过链接对象来参考以便链接到功能块参数。存储属性表示参数是否存储在静态存储器中。有效值的列表指定允许目录对象的子索引属性的值。初始值指定分配给对象目录的子索引属性初始值，并且项标识表示对象的描述。
3.块对象
块对象优选类别指定功能块、转换块、和资源块共有的特征。在对象字典中，参数不断地接着块对象，每个参数具有索引。块对象类别由以下属性来定义：成员标识；块索引；数据类型；子索引；数据长度；用途；存储；参数列表；有效值列表；和项标识。成员标识表示块的功能。块索引是在对象目录中的块对象的索引。数据类型包括元类型和类型名。元类型表示对象类型。类型名指定块的数据结构名。子索引包括属性，诸如块标签、成员标识、项标识、修订、简档、简档修订、执行时间、执行时间段、参数成员、要执行的下一个块、开始视图、视图3个对象的数目、以及视图4个对象的数目。数据长度属性等于62。参数列表包括静态修订、标记描述、策略、警报密钥、模式、和块错误。剩余的属性已经在上文中描述了。
在优选实施例中使用的块对象类别的三个子类别是资源块对象、转换块对象、和功能块对象。
i.资源块
资源块对象定义与其相关资源的硬件特定特征。由于资源块对象是块对象模型的子类别，因而资源块对象假定，参数列表归因于块对象，以及其自己附加属性。资源块子类别的附加属性是：资源状态、测试、资源、附加包含参数；执行时间＝0，执行时间段＝0，以及要执行的下一块＝0。
资源块将功能块与包含一组实现独立硬件参数的物理硬件分离。资源块是生产商指定的；而其所有的参数是定义为包含的。
ii.转换块
块对象类别的另一个子类别是转换块对象。定义转换块以从需要读取传感器硬件和命令硬件的本地I/O功能分离功能块。这允许转换块按照需要频率执行以从传感器获得数据而无需负担使用数据的功能块。它也可以将功能块从I/O设备的生产商指定特征分离开。
转换块对象是块对象的子类别，它假定块类别的所有属性。转换块子类别的附加属性是：附加包含的参数；执行时间＝0；执行时间段＝0；以及要执行的下一块＝0。
iii.功能块
功能块代表资源执行的基本自动功能，诸如模拟输入或离散输出。功能块是定义功能块应用程序中的监视和控制的主要手段。将它们设计成尽可能与I/O设备和网络的指定一样独立。它们通过根据指定算法和所包含参数的内部集合来处理输入参数和来自转换块(或者其它功能块)的输入来工作。它们也生成输出参数和输出到转换块或者其它功能块的输入。
根据处理算法，可以提供想要的监视、计算或控制功能。来自功能块执行的结果可以在值转换块或者至可以链接到其它功能块或者直接链接到设备硬件的一个或多个参数的输出中得到反映。
功能块是对象类别的子类别。在功能块子类别中定义的附加属性是执行时间、执行时间段、参数序号、要执行的下一个块、以及附加参数的子索引。
子索引属性定义对象的属性，所述对象可以通过使用具有对象索引序号的子索引序号来读取和写入服务来单独地访问。子索引序号基于元类型来定义。
功能块对象的执行时间参数标注用于执行功能块所需的时间。执行时间可以划分成三个部分：预处理(例如，参数值快照)；执行；和后期处理(例如，更新的块输出值，警报，和相关的趋势参数)。
为了提供一致的行为，在执行组件期间执行的块算法被分解成以下步骤。首先，算法确定模式参数的实际模式属性。该计算将基于目标模式和上述输入的属性的状态。其次，如果为功能块定义设置点，那么算法计算设置点。设置点的计算将基于实际模式、设置点输入参数(诸如级联和远程级联)、以及任何反向路径输入状态。同样，所控制的参数、处理变量的值可以用于设置点追踪。在设置点参数中示出了结果设置点。设置点实例是温度计的温度设置(例如，72°)。在其它实例中，设置点将改变频率。
第三，算法执行算法的控制或计算以确定输出参数的值和状态。确定输出参数的状态属性的条件。在该算法中使用块的输入参数和所包含的参数、实际模式、和工作设置点的值属性。通常，算法中实际模式的计算和实际模式的使用说明关键输入的状态。
第四，执行阶段计算输出参数。该步骤仅仅应用于设计用于级联路径中的输出块、控制块、和计算块。
功能块的执行时间段通常调度在周期基础上。执行时间段是用户根据控制或监视特定于应用程序的需要而指定的。系统管理服务调整功能块执行。管理信息基础，其包括系统调度，存储在其自己的设备资源中。执行的功能块时间段是为在数据链路层时间中的块指定的。设备中块的执行时间的时间段相同或者彼此积分倍数时，通过调度系统管理提供的容量，可以分阶段或者错开设备中块的执行。在下文中将更加详细地讨论系统管理。
功能块对象内的“参数数目”属性是与功能块相关联的参数对象的全部数目，包括块对象。
功能块对象的“要执行的下一个块”属性指定设备内要执行以实现设备内最小延迟的下一个功能块。如果没有下一个功能块，那么要下一个块是零。因而，当设备内多个功能块需要串行执行时，用户能够指定在该链(chain)中要执行的第一功能块。通过要执行属性的下一块，可以预先确定执行的顺序。
功能块对象的“参数列表”属性列出功能块内输入、输出和所包含的参数。
根据公共参数和行为，优选实施例也定义功能块子类别的以下子类别，包括：输入功能块；输出功能块；控制功能块；和计算功能块。
输入功能块子类别从转换块接收物理测量或者值。输入功能块子类别包括模拟参数，其中变换器值和状态可以通过该模拟参数超驰。输入功能块的其它参数优选地包括：处理变量；主要输出；信号数目；和附加参数。
输出功能块子类别用作来自其它功能块的输入并且将其结果向前传送到输出转换块。输出功能块子类别支持反计算输出参数和模拟参数。附加输出功能块属性是：设置点，模拟参数，级联输入；反计算输出；向内远程级联；向外远程级联；以及信号数目。
控制功能块子类别用作来自其它功能块的输入，以产生发送到其他控制或输出功能块的值。用于控制功能块的附加属性是：主要输出；反计算；处理变量；设置点；主要输入；级联输入；向内远程级联；向内远程输出；反计算输出；向外远程级联；向外远程输出；以及附加参数。附加计算功能块参数是：反计算输入；反计算输出；以及附加参数。
4.参数对象
返回到类别级，定义参数对象以允许功能块、转换块和资源块属性能够在总线上访问。在基本参数对象模型中定义的属性是：成员标识；参数索引；相关索引；数据类型；子索引；数据长度；单元；用途；存储；有效值列表；初始值；和项标识。在特定块中并不是需要所列出的所有的参数。另外，优选实施例也定义来自参数对象类别的几个子类别，包括输出参数对象、输入参数对象、和所包含的参数对象。
5.链接对象
链接对象570提供资源和经由如图8所示通信网络交换的信息之间的映射。要在资源内或者资源之间的功能块之间交换的进程数据和事件可以由链接对象来定义。此外，用于支持趋势和警报的通信交换可以使用链接对象来定义。
链接对象570在与功能块应用进程相关的现场设备中定义。链接对象570通过参照相应的VCR，可以用于访问、分配或交换各个对象。此外，链接对象定义输入和输出参数与接口设备必须接收的趋势报告之间的关联。
6.警报对象
当探测到警报或事件时，警报对象用于传达通知消息。事件是即时出现事件，其对于调度块执行和功能块应用程序440的操作意图有重要意义。警报是离开特定状态的块的探测。警报对象类别允许将警报和事件报告给负责警报管理的设备。
根据可以由块来报告的警报和事件信息的类型，优选实施例指定三个警报对象的子类别。它们是模拟警报、离散警报、和更新警报。模拟警报用于汇报其值与浮动点相关的警报或者事件。离散警报用于汇报其相关值为离散的警报或事件。更新警报用于汇报在块的静态数据中的改变。
7.趋势对象
趋势对象通过提供对历史信息的可视性来支持功能块的管理和控制，以便审阅它们的行为。根据所采集信息的类型，优选实施例定义三种趋势对象的子类别。这些子类别是趋势浮动子类别、趋势离散子类别、和趋势位串子类别。趋势浮动子类别采集浮点输入和输出参数的值和状态。趋势离散子类别采集离散输入和输出参数的值和状态。趋势位串子类别采集位串输入和输出参数的值和状态。
8.视图对象
视图对象通过提供对其配置和操作的“可视性”来支持功能块的管理和控制。换句话说，视图对象允许用户监视或“视图”与系统的操作、诊断、和配置相关的数据，功能块应用程序440或资源500。在优选实施例中，有四个视图对象类别的子类别。这些子类别是视图1、视图2、视图3和视图4。视图1允许访问动态操作参数值。视图2允许访问静态操作参数值。视图3允许访问所有动态参数值。视图4允许访问其它静态参数值。
9.域对象
域对象580支持下载服务，其可以用于从客户机下载数据到服务器域中。可以将来自服务域的数据通过域下载服务发送到客户机。域对象是部分存储器。它们可以包含程序或数据。可以使用程序调用对象将带有代码和数据的域并到可执行程序中。
10.其它对象
程序调用对象590将链接域的服务提供给程序，以便开始该程序、停止以及删除它。行为对象可以可选地由资源来支持。通过行为对象，可以删除资源内的个别块或对象。
D.功能块-映射
为了实现功能块应用程序440，将功能块应用程序440映射到现场总线消息说明230的虚拟域设备中，如图7所示。在描述功能块应用程序440中是优选工具的虚拟域对象是：变量对象；事件管理对象；域对象；和程序调用对象。
变量对象是块参数的类型。块参数的其它类型是简单、阵列或记录。记录对象支持趋势、行为、和链接对象。可以使用变量列表对象来完成用于访问的信息的分组。
事件通知对象用于警报和事件通知。域对象是可以通过使用域下载服务程序装载到存储器中的计算机程序。程序调用服务可以控制功能块应用程序初始化。这种服务包括：开始、停止和重置。
下列表用于如何将表示功能块应用模型直接映射到对象字典中定义的对象中。
在优选实施例中，为了调整功能块模型对对象目录的映射，设备说明语言(在下文中更加详细的描述)用于描述功能块并支持配置工具使用的块参数。这种描述作为“设备说明”而公知。在许多情况下，“设备说明”用于配置和接口站的情况中。然而，在一些情况中，所有或部分设备说明可以存储在现场设备中。当设备说明存储在现场设备中时，它可以驻留在资源中的其自己对象字典中，所述资源用于功能块应用程序的资源与分离开。为了访问设备说明信息，各个块维护相关设备说明参考数。
虚拟现场设备将上述讨论的块和对象采集到对象字典中。在对象字典内，各个块或对象由索引序号来访问并且由对象描述来标识。对象描述通常包含索引、对象代码、以及对象属性、和系统指定的实际对象的参考。
1.索引序号
在优选实施例中，索引序号是根据其它的数据类型或者结构，或者对象是静态的还是动态的来分组的。在优选实施例中，对象指数1-255为公共使用的数据类型和数据结构而预留。如下列表所示，指数1-14和21是在现场总线消息说明230中的定义的数据类型，并且指数64-86是公共使用的数据结构，在记录对象的定义中参考这些数据结构。这些指数与图6所示索引序号285的一样。图10举例说明如何将这些索引序号也根据对象是静态的或者是动态的来分组。
索引 类型 NaM
1 数据 布尔
2 数据 整型8
3 数据 整型16
4 数据 整型32
5 数据 无符号8
6 数据 无符号16
7 数据 无符号32
8 数据 浮点
9 数据 变量串
10 数据 八位字节串
11 数据 数据
12 数据 日时
13 数据 时间差异
14 数据 位串
21 数据 时间值
64 结构 块
65 结构 值&状态-浮动
66 结构 值&状态-离散
67 结构 值&状态-位串
68 结构 比例尺
69 结构 模式
70 结构 访问允许
71 结构 警报-浮动
72 结构 警报-离散
73 结构 事件-更新
74 结构 警报-摘要
75 结构 警报-模拟
76 结构 警报-离散
77 结构 警报-更新
78 结构 趋势-浮动
79 结构 趋势-离散
80 结构 趋势-位串
81 结构 FB链接
82 结构 模拟-浮动
83 结构 模拟-离散
84 结构 模拟-位串
85 结构 测试
86 结构 行为-例示/删除
在对象字典中的所有对象描述而非数类型和数据结构描述可以支持扩展。例如，可以改变对象描述的索引序号而非数据类型或者结构，而无需影响其它对象。此外，对象描述也可以改善或者升级而不影响其它对象。
2.对象字典
定义对象字典以用作导向功能块应用程序440内的信息。对象字典281是参考构成功能块应用程序的对象的列表。可以由想要访问对象字典中的对象的接口设备读出该信息。
如图10所示，对象字典目录对象282将定义作为静态对象字典(S-OD)700中的第一索引。由驻留在索引零(IndexZero)中的对象字典对象描述来定义静态对象字典的开始点。此外，对象字典描述标识开始索引，变量列表动态列表的长度(DV-OD)710和与视图对象和程序调用对象相关的程序调用的动态列表(DP-OD)720。
在优选实施例中，通过连结目录对象来逻辑地构建目录，并且目录由首部以及随后的目录实体构成。阵列偏移量是从逻辑目录的开始指定的。逻辑目录可以认为是由所有目录对象实例构成的单个阵列。首部仅仅出现在第一目录对象中。
驻留在资源中的块是由目录对象在对象目录中标识的。资源块510、功能块530、或转换块520的各个实例是由块对象和相关参数构成的。块对象参照其相关的视图对象565。
块对象是在参照块实例中使用的主要密钥。它标识块标签、执行时间、简档、和块参数的数目。同样，它也标识该块的开始位置和视图对象的数目。块的参数接连地位于紧随块对象的对象目录中。块参数值可以通过这些参数对象来访问。在优选实施例中，块参数对象通常局限于简单变量参数、阵列参数和记录参数。
在优选实施例中，已经为功能块应用处理标准化了几种数据结构。
E.公共子功能
该部分包含许多块公共的子功能的描述。过程控制功能具有以下元素：(1)一个或多个输入；(2)一个或多个输出；(3)度量(scale)信息；(4)模式选择器；(5)所选择的算法；(6)变量数据参数的集合；以及(7)内部数据集。这些元素中的每一个都表示或者静态数据或者动态数据。静态数据是极少改变的数据，而动态数据是可以根据每个块估算来改变的数据。
根据在由合并的块执行和通信调度器的时候确定的算法选择，来处理块的每个实例。包含在块参数中的仅仅调度信息是执行的时间段和最大执行时间。
1.连接
块输入包含从其它块的输出读取的数据。如果块不从另一个块接收输入，那么可以输入恒定输入。值的持久性取决于存储它的存储器的种类。所使用的存储器的种类取决于参数。例如，易失性存储器对于频繁改变参数的情况已经足够。非易失性存储器对于设置点是优选的。块输出包含块估算的结果，或者如果模式是手动那么包含操作者实体。
输入和输出都包含值场和状态场。状态场包含质量、子状态、和限制属性。对于输入和输出都一样。
输入和输出功能块类别必须与设备硬件交换数据，并且这完全在写入设备代码的生产商的控制下，并且该数据从未进入到通信系统。在可选实施例中，许多块提供可以由操作所有权的控制应用程序的远程设备来写入和读取的参数。为了指导这种交换，远程设备必须在写入之前执行握手使用算法或者该块可以忽略输入。
2.模拟
在优选实施例中，所有输入和输出类别功能块都具有模拟参数，其具有一对状态值，和使能开关。该参数用作功能块和相关转换块或者硬件信道之间的接口处的开关。如果开关禁止，那么从转换块或者硬件信道接收变换器值以便输入。当使能开关打开时，从功能块接收模拟参数和状态值，并且忽略了转换块或者输入信道。
对于输出，当使能开关打开时，模拟值和状态值变为读回(readback)值和状态，并且忽略了变换器开关。
度量信息用于两个目的。显示色设备使用其范围以便条线图和趋势。控制块使用其范围作为跨度百分数，以便将恒量变为无尺寸的。
3.模式
在优选实施例中，所有的块都具有模式参数，其确定用于块的输入和输出的数据的资源。所有块必须允许服务出(O/S)模式。块必须支持至少一种其它模式以便使用。
允许的块用于目标块。如果对于目标模式的写请求与被允许的列表不匹配，其被拒绝。配置设备不必允许不被支持的模式被许可。
4.参数访问表
在优选实施例中，各个块都有访问表。该表的目的就是定义各个块内参数的相关位置，并且定义参数标准视图的内容。
需要在总线上通信的块参数在应用程序内变化。为了允许各种功能块间的通信，为各个功能块选择了变量的预先定义集合。包括在这些预先定义的功能块集合中的参数是在参数访问表中的视图中指定的。如果将参数添加到块，那么这些参数就增加到所有标准参数之后。
参数访问表提供以下：(1)相对于相关块对象的位置、在对象字典中顺序出现的顺序；(2)与表中功能块地址相关的参数列表；以及(3)预定义参数集。预定义参数集包括视图1至视图4。
视图1是操作动态参数集。操作动态参数集包括工厂操作员视察过程控制、参阅警报条件、和调整操作目标所需的信息。
视图2是操作静态参数集。操作静态参数集包括利用动态信息显示给操作员所需的信息。该信息仅仅当相关显示第一次产生时才读出，并且如果静态更新代码改变那么更新该信息。
视图3是所有动态参数集。所有动态参数集包括其值进行了改变、并且会需要在具体的显示器上参考的信息。
视图4是静态参数集。静态参数集包括在配置或维护期间正常参照的信息，并且具有仅仅操作员或仪器工程师才能改变的特定值。
与各个块相关的参数都列出在各个访问表中。第一六个指数是完全一样的，其形成所有标准的和可扩展的功能块的标准首部。剩下的指数是用于功能的核心参数，少数用于参数。最后接着的是警报记录，是警报处理所需的参数。
5.其它公共子功能
除了上述公共功能之外，还有许多其它功能。在优选实施例中，这些其它子功能包括：状态；反演算(BKCAL)；级联(CAS)；输出追踪(TRK)；平衡偏差或比率(BIAS或SP)；故障防护处理(FSAFE)；坏的级联状态处理；无效值；参数；警报；以及初始化和再启动。
F.优选资源组件
如上所述，设备包括一个或多个功能块应用程序440。功能块应用程序440包括一个或多个资源500，以及资源500包括一个或多个块/对象。各个资源具有资源块。
在优选实施例中，各个资源块包含特定于与该资源相关的硬件的数据。在资源块中的数据被模块化为所包含的参数，以便没有对该块的链接。
各个功能块应用程序也包含至少一个功能块。在优选实施例中，有十个功能块，当它们合并时能够提供绝大部分功能，以便在过程控制系统上生产装备。这些块是：模拟输入；模拟输出；偏差；控制选择器；离散输入；离散输出；手动加载器比例的/导出的；比例/积分/导出；以及比率。这些块的定义，包括它们的示意图和按树访问表。
此外，在优选实施例中，有十九个标准化的功能块以执行更加复杂的功能，包括高级控制块、计算块、和辅助块。这十九个功能块是：加法输入；复杂模拟输出；复杂离散输出；步输出比例/积分/导出；设备控制；设置点坡道(ramp)生成器；分离器；输入选择器；信号特征描述工具；超前滞后；空载时间；算术；计算；求积器；定时器；模拟警报；离散警报；模拟人接口；以及离散人接口。这些块地址访问用于低速和高速现场总线的附加需要。
在优选实施例中，也有标准转换块。
两个目标应用程序的实例，使用基本功能块的手动控制760和反馈控制770如图11所示。手动控制760由模拟输入功能块762、手动装载器764、和模拟输出功能块768组成。反馈控制770由模拟输入、比例/积分/导出774、和模拟输出778组成。
G.设备说明(DD)
如图12所示，功能块应用程序处理也可以存储设备说明(DD)860。为了扩展网络的互用性，除标准功能块参数之外还使用设备说明860。设备说明860扩展虚拟现场设备中各个对象的描述。
设备说明860提供控制性系统所需的信息，以便解释虚拟现场设备中的数据的意义，包括人接口功能、诸如校准和诊断。
可以将设备说明写入到任何标准化的编程语言中，诸如C，C++，或者SmallTalk。
IV.系统管理
操作中，功能块在精确定义的间隔中并以适当的序列执行以便正确控制系统操作。系统管理同步功能块的执行和总线上功能块参数的通信。系统管理也处理其它重要特征，诸如对所有设备的日时的公布，设备地址的自动分配，和在现场总线上搜索参数名或者标签。
由对象描述来描述系统管理所需的配置信息，诸如系统调度。配置信息存储在网络和系统管理虚拟现场设备310中，如图7所示。网络和系统管理虚拟现场设备310提供对系统管理信息信息库(SMIB)330的访问，也提供对网络管理信息库(NMIB)320的访问。通过使用调度构建工具可以手动输入或者构建系统调度。调度构建工具用于生成功能块，链接有效调度器调度用于生成系统和网络调度。
根据系统调度，当功能块执行时系统管理进行控制。对于真实分布式控制系统，设备与其功能块的行为也必须与网络商其它设备的功能块同步。在不同设备中执行的调整由网络管理器通过使用网络调度来控制。随后将描述网络管理。
系统和网络调度包含从绝对链接调度起始时间的开始的开始时间偏移量。绝对链接调度开始时间是现场总线上所有设备公知的。
系统管理也具有时间发布器，其在链接有效调度器100中周期地发送应用时钟同步至所有现场设备。数据链接调度时间利用应用时钟消息采样和发送，以便接收设备可以调整它们本地地应用时间。同步消息之间，应用或系统时钟时间根据各个现场设备自己系统时钟独立的保持在各个现场设备中。各个现场设备中的系统时钟，而非数据链接时钟，启动该设备的系统调度的执行，除非现场设备是链接有效调度器100。系统时钟同步允许现场设备在整个网络中标记(stamp)数据。如果总线上存在备份系统时钟发布器，那么如果当前有效时间发布器应当无效，备份发布器将变为数据链接时钟。
系统管理也自动分配唯一网络地址至各个现场设备。每个现场设备，除临时设备之外，应当具有唯一网络地址和物理标签。临时设备不分配标签或者永久性地址。临时设备仅仅参与在数据链路层协议说明中为其预留的四个数据链路访问地址中的一个的网络。
负责标签和数据链路地址分配的系统管理功能称作配置主设备。它通常共同位于链路活动调度器100中(尽管不需要如此)，以便它能够监视新的设备的增加的有效列表。当在错误网络地址增加设备时，配置主设备验证到，现场设备的系统管理内核不具有物理标签，并使用系统管理内核协议810为其分配一个标签。一旦分配了标签，系统管理内核就移动到初始化状态。在该状态中，准备在操作地址上分配网络地址。在下文中将详细描述系统管理内核。
用于将网络地址分配给新的现场设备的序列如下：(1)将物理标签经由配置设备分配该新设备；(2)系统管理询问现场设备，其物理标签错误网络地址；(3)系统管理使用物理设备标签以在配置表中查找新网络地址；以及(4)系统管理发送特殊设置地址消息至的设备，其迫使设备假定网络地址。为进入网络错误地址的所有设备重复这些步骤的序列。
图12示出系统管理和其它通信以及本发明应用组件之间的关系。例如，图12示出系统管理和功能块应用440、功能块对象850、设备说明(DD)860、和对象描述(OD)280之间的关系。系统管理也使用现场总线消息说明230以远程访问现场设备内的管理信息。系统管理也访问数据链接层210以执行其其它功能。
单个系统管理实体存在于各个链接主设备105或链接有效调度器100中。该实体包含系统管理信息库830(SMIB)、对象字典280、和系统管理内核800。
系统管理内核800提供功能的网络调整和同步设置。为了通过网络实施这些功能的调整和同步，使用管理器/代理。在优选实施例中，系统管理内核800假定代理的作用并响应于从系统管理所接收的指令。系统管理协议用于定义管理器和代理器之间的通信。
用于控制系统管理操作的信息被组织为存储在SMIB830中的对象。SMIB830通过系统和网络管理虚拟现场设备310来访问网络。SMIB830包含设备的配置和操作参数。包括在SMIB830中的对象实例是：设备标识符、物理设备标签、虚拟现场设备列表、时间对象、调度对象、和配置状态。
系统管理允许使用现场总线消息说明应用服务诸如读、写等等来访问SMIB对象。在网络操作之前或期间，访问SMIB允许远程应用以获得来自设备的管理信息。管理虚拟现场设备与设备的网络管理代理880共享，从而也提供对网络管理代理对象的访问。
V.网络管理
图12示出网络管理和其它通信和设备中应用组件之间的体系关系。各个设备包含单个网络管理代理880和其协议的层管理实体(LME)875。各个网络具有至少一个网络管理器，其调整整个系统的网络管理。网络管理提供以下能力：装载虚拟通信管理列表；配置通信栈205；装载网络调度；执行监视；以及错误探测监视。
网络管理器负责根据系统管理器为其定义的政策来维护网络的操作。网络管理器通过在各个设备中监视通信栈205的状态来实现系统管理政策，并在需要时采取行动。网络管理器通过处理信息执行这些任务和由网络管理代理880、和推荐代理产生的汇报来执行经由现场总线消息说明230请求的服务。
网络管理代理880负责利用现场总线消息说明230提供网络管理器，以便管理通信栈205的对象。在设备内部，网络管理代理880将现场总线消息说明服务请求映射到对象，其整体保持通信栈205，由LME维护的对象。
LME875提供层协议的管理能力，诸如物理层(PHY)200，数据链路层(DLL)210，现场总线访问子层(FAS)200或者现场总线消息说明(FMS)230。LME875提供带有连接到协议管理对象的接口的网络管理代理880。所有对LME的网络访问和其对象是由网络管理代理880来提供的。
NMIB895包含系统中的NMIB320和网络管理虚拟现场设备(VFD)310。NMIB也包含用于定义配置管理、性能管理和错误管理的对象。使用现场总线消息说明服务，通过网络管理器访问对象。将用于网络管理对象的对象设计为与先前描述的功能块类似。
VI.灵活功能块
为了简便和举例说明的目的，通过主要参照示意性实施例来描述灵活功能块，尤其是，带有使用灵活功能块的控制系统的特定示意性实施例。然而，本领域普通技术人员将认识到，同样的原理等同应用于，并且能够实现在其它实施方式中，并且使用任何其它分布式控制体系来设计，并且任何这种变化都在这种修改之内其不脱离本发明的实质精神和范围。特别地，本领域普通技术人员将易于认识到，在示意性实施方式中应用于灵活功能块的原理等同地适用于面向其它其它块地实施方式。
A.功能块框架
参照图8，上述描述的开放系统提供框架和功能块的详细描述。参照图11，上述开放系统提供框架以便描述功能块输入和输出的互连以便提供应用解决方法。
参照图12，上面描述的是设备说明(DD)860，其优选地用于描述功能块地输入和输出参数。DD860提供控制系统所需的信息，以便解释功能块数据的意义，包括人接口功能、诸如校准和诊断。如上所述，可以将设备说明写入任何标准化编程语言，诸如C、C++、或者SmallTalk，或者按用户需要设计的装置描述语言(参见’872专利)。
B.灵活功能块-终端用户配置的输入/输出和算法/程序
现在参照图13，在此描述的是灵活功能块(FFB)950，优选地包括终端用户可配置shuru951、终端用户可配置FFB输出952和终端用户可配置FFB算法(程序)953。如所示，终端用户900优选地使用FFB配置工具901以创建FFB950。终端用户900根据特定应用的需要来创建FFB950、配置输入951、输出952、和算法953。如上所示，标准功能块，输入951定义从FFB950接收的输入，以及输出952，定义在FFB950的算法953处理输入之后由FFB950生成的输出。FFB950配置工具901创建FFB设备说明(DD)860，其匹配由终端用户配置的FFB950。通过根据用户配置的输入951、输出952、和算法953生成定义FFB950的数据文件和代码文件，并且通过生成匹配设备说明，FFB配置工具901优选地创建FFB950。可选地，终端用户900(或者程序员)可以生成定义FFB950DE数据和代码文件/以及匹配设备说明。
终端用户通过允许FFB配置工具901来创建FFB950和匹配FFBDD860。FFBDD860使能人接口应用程序，诸如操作员接口、转动、利用FFB950使用的校准、和诊断。
由于新的FFB950在如上所述的相同功能块框架(和在’872)专利中进行操作，因而终端用户配置的FFB输入和输出可以互连(例如，如图11相同的方式)以解决复杂应用特定控制问题，诸如离散/混合/分批和PLC控制。块(标转化和灵活)的任何组合可以用于解决任何特定应用问题。同样显而易见的是，标准化和灵活块的互连应用于在’872专利中描述的H1和在’697申请中描述的HSE.
参照图14，举例说明了总线120上的控制处理的两个现场设备620。如所示，有两个应用程序，由两个现场设备620运行的应用程序A和应用程序B。第一应用程序，应用程序A，是由第一现场设备620运行的非分布式应用程序。应用程序A是通过互连标准化功能块和灵活功能块(例如，FFB950)的合并构建的。第二应用程序，应用程序B，是由两个现场设备620允许的分布式应用程序。应用程序B也是通过互连标准化功能块和灵活功能块(例如，FFB950)的合并而构建的。如图14所举例说明的，灵活功能块克服了非终端用户可配置输入/输出和非终端用户可配置的标准化功能块的局限。可以通过使用标准化功能块和新FFB950的任何组合，构建在总线120上的现场设备620中的分布式和非分布式应用程序960，明显地减少工厂控制系统地安装、操作和维护费用。
图15是框图，举例说明使用标准化功能块和新的灵活功能块的合并而构建的复杂应用程序的实例。图15是使用灵活功能块FFB-MVMC954、用于气体处理工厂的多变量矩阵控制的实例。图15所示现场设备(例如，PI1、TI1、TI2、TI-3、AI1、AI2、FIC1、FIC2、LIC1)优选地包括标准功能块。
气体处理工厂将原天然气体分离成甲烷和较重的碳氢化合物液体以便作为石化原料。主要控制目的和复杂应用程序就是最大化液体回收率同时保持产品规范。较冷的操作温度将增加天气气体液体回收率，但是有违反产品规范的危险。在产品质量和数量的保持过程中，将柱塔侧重沸器的热输入的仔细调整是很关键的。
灵活功能块FFB-MVMC954通过与运行标准化功能的现场设备(例如，图15中PI1、TI1、TI2、TI-3、AI1、AI2、FIC1、FIC2、LIC1)互连，用于控制上述复杂、非线性处理。灵活功能块FFB-MVMC954配置为终端用户以接收作为输入DV1-DV3和CV1-CV3，以及约束变量1。灵活功能块FFB-MVMC954根据这些输入执行终端用户配置的算法以产生输出MV1-MV3。算法产生输出MV1-MV3以在柱塔侧重沸器仔细地调整热输入以便最大化液体回收率同时保持由输入确定的产品规范。
基于要集成到控制策略中的设备，复杂离散/混合/分批和PLC应用程序常常需要非功能块。这种集成是通过使用网关来实现的。终端用户(或者网关供给者)优选地利用算法构建灵活功能块，其将非功能块装备的输入和输出映射到灵活功能块(例如，网关灵活功能块)的输入和输出。在构建了网关灵活功能块之后，通过将网关灵活功能块的输入和输出与其它灵活功能块的输入和输出以及系统内的标准功能块互连，非功能块装备可以与基于设备的功能块集成。
灵活功能块的其它实例应用在FFAG-170、版本1.1、可从FieldBusFoundation获得、9005MountainRidge、BowieBuilding，Suite190、Austin，TX7875或者在www.fieldbus.org中进行了描述。
以上阐明的优选实施例是用于举例说明本发明，而不是意图限制本发明。在所声明的发明的范围内的另外的实施例和优点对本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (30)

1.一种用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，所述控制系统具有多个现场设备，所述多个现场设备中的至少一个具有至少一个接收和/或提供信息的功能块设备，所述装置包含：
存储器，其存储终端用户开发的灵活功能块设备的灵活功能块，所述灵活功能块设备被配置以从所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备接收信息和/或向所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备提供信息，并且还被配置以包括至少一个终端用户可配置参数和至少一个关于处理所述信息的、终端用户可配置算法；以及
处理器，其可操作地连接到所述存储器，其中所述处理器执行所述终端用户开发的灵活功能块。
2.根据权利要求1所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述灵活功能块设备包括至少一个设备说明。
3.根据权利要求1所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述灵活功能块设备接收模拟输入数据，控制所述模拟输入数据，并输出数据至第二功能块设备。
4.根据权利要求3所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述第二功能块设备是灵活功能块设备。
5.根据权利要求1所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述灵活功能块设备接收离散输入数据，控制所述离散输入数据，并输出离散数据至第二功能块设备。
6.根据权利要求5所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述第二功能块设备是灵活功能块设备。
7.根据权利要求1所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述存储器存储多个功能块，所述多个功能块包括标准和灵活功能块，并且其中标准功能块和灵活功能块是互连的。
8.根据权利要求7所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述处理器根据系统调度控制所述多个功能块的执行。
9.根据权利要求1所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述装置可操作地连接到数字总线。
10.根据权利要求1所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述灵活功能块设备具有输入和输出并且所述存储器还包括：
资源块，第一转换块，和第二转换块，其中所述资源块将灵活功能块从物理硬件分离开，所述第一转换块使所述灵活功能块设备的所述输入去耦，并且第二转换块使所述灵活功能块设备的所述输出去耦。
11.根据权利要求1所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述存储器还存储多个功能块，以及从由链接对象、趋势对象、警报对象、和视图对象构成的组中选择的至少一个对象，所述多个功能块包括灵活和标准功能块。
12.根据权利要求11所述的用于在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述多个功能块和至少一个对象定义一个资源。
13.一种现场设备，其配置以与控制系统内至少一个其他现场设备互操作，所述至少一个其他现场设备具有至少一个接收和/或提供信息的功能块设备，所述现场设备包括：
资源块以及终端用户开发的灵活功能块设备的灵活功能块；
其中所述灵活功能块设备被配置以从所述至少一个其他现场设备的至少一个功能块设备接收信息和/或向所述至少一个其他现场设备的至少一个功能块设备提供信息，并且还被配置以包括终端用户可配置参数和终端用户可配置算法以产生输出消息；以及
介质连接单元，其可操作地连接到所述至少一个灵活功能块设备，其中所述介质连接单元将输入消息从传送介质翻译到所述灵活功能块设备，并将输出消息从所述灵活功能块设备翻译到所述传送介质。
14.根据权利要求13所述的现场设备，还包含唯一地标识所述现场设备的资源块。
15.根据权利要求13所述的现场设备，其中所述现场设备还包括包含系统调度的存储器，并且其中各个灵活功能块是根据系统调度来执行的。
16.根据权利要求13所述的现场设备，其中所述现场设备还包括利用至少一个灵活功能块和至少一个标准功能块的应用程序。
17.一种在面向块的系统中使用的装置，所述系统具有多个现场设备，所述多个现场设备中的至少一个具有至少一个接收和/或提供信息的功能块设备，所述装置包含：
存储装置，其用于存储至少一个终端用户开发的灵活功能块设备的灵活功能块，其中所述灵活功能块设备被配置以从所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备接收信息和/或向所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备提供信息，并且还被配置以包括终端用户配置的参数和关于处理所述信息的、终端用户配置的算法；
处理装置，其耦合到所述存储装置，并用于处理所述灵活功能块并产生输出；以及
翻译装置，其耦合到所述处理装置，并用于翻译来自所述处理装置的消息以便在传送介质上传送。
18.根据权利要求17所述的在面向块的系统中使用的装置，其中所述灵活功能块设备包括至少一个参数和计算机程序。
19.根据权利要求17所述的在面向块的系统中使用的装置，还包含用于提供系统调度的装置。
20.根据权利要求19所述的在面向块的系统中使用的装置，还包含多个标准和灵活功能块，并且所述处理装置根据所述系统调度控制所述多个功能块的执行。
21.根据权利要求19所述的在面向块的系统中使用的装置，其中所述处理装置根据所述系统调度处理封装的灵活功能块。
22.一种在面向块的开放控制系统中操作的装置，所述控制系统具有多个现场设备，所述多个现场设备中的至少一个具有至少一个接收和/或提供信息的功能块设备，所述装置包含：
其包括终端用户开发的灵活功能块设备的灵活功能块以提供功能性的用户层，其中所述灵活功能块设备被配置以从所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备接收信息和/或向所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备提供信息并且还被配置以包括终端用户配置的参数和关于处理所述信息的、终端用户配置的算法；
物理层，其将来自传送介质的消息翻译成在所述用户层适用的格式，并将来自用户层的消息翻译成在传送介质上传送的信号；以及
连接到所述用户层和所述物理层的通信栈，其中所述通信栈包括数据链路层和应用层，其中所述数据链路层控制在传送介质上的消息的传送，并且应用层允许用户层在传送介质上通信。
23.根据权利要求22所述的在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中所述用户层包括多个互连的块以便执行希望的功能。
24.根据权利要求23所述的在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中多个块包括资源块、灵活功能块和转换块。
25.根据权利要求23所述的在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中多个块包括与灵活功能块互连的至少一个标准功能块以便执行想要的功能。
26.根据权利要求25所述的在面向块的开放控制系统中操作的装置，其中在多个设备上分配与灵活功能块互连的至少一个标准功能块。
27.一种存储器，其用于存储数据以便由在面向块的开放控制系统内的设备中操作的应用框架来访问，所述控制系统具有多个现场设备，所述多个现场设备中的至少一个具有至少一个接收和/或提供信息的功能块设备，所述存储器包含：
存储在所述存储器中的数据结构，所述数据的结构包括：
资源块，其使得所述在面向块的开放控制系统内的设备的硬件特定特征电子可访问；以及
终端用户开发的灵活功能块设备的灵活功能块，其中所述灵活功能块设备被配置以从所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备接收信息和/或向所述多个现场设备中的至少一个的所述至少一个功能块设备提供信息并且还被配置以包括终端用户配置的程序和输入输出参数。
28.根据权利要求27所述的存储器，还包含至少一个转换块，其中所述至少一个转换块控制对所述灵活功能块设备的访问。
29.根据权利要求27所述的存储器，其中所述数据结构也包括目录对象以存储资源块、灵活功能块和转换块的参考列表。
30.根据权利要求27所述的存储器，其中所述灵活功能块设备是网关功能块设备，所述网关功能块将非功能块设备的输入和输出映射到灵活功能块设备的输入和输出。
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