[0001] 本发明涉及过程控制系统，特别是安装有现场总线类型的通信系统的控制系统。

[0002] 传统的过程控制系统通常包括三个分级层次。现场设备的第一(最低)层次通常是例如传感器和执行器，它们表示与被控制过程的初级接口。第二层次由控制设备(控制器，PLC等)构成，它们基于从现场设备接收到的信息来实时地决定要在执行器上执行的动作，由此完成给定的控制目标，例如将给定的过程变量维持在预设值内。控制设备然后可以和更高的监控层次通信，在该层次一个或者多个控制台使操作者能够显示过程的状态，并且可以发布用于执行操纵的命令，例如启用或者停用部分的设备或者系统，或者设定存在于系统中的一个或者多个变量必须达到并且维持的值。

[0003] 这些现场设备通常在物理上分布在工厂内。典型地，在现场设备中通常包括数值传感器，即能够测量一个或者多个过程变量(压力，温度，流速等等)的设备，以及执行器，即在过程中执行以便改变其行为的设备(马达，阀门定位器，开关等)。注意在过程控制设备中还存在其它类型的传感器和执行器，例如用于在现场设备中测量内部温度的传感器，但是以下提到的传感器或者执行器其意思特别地是指和过程直接交互的仅仅一个传感器或者执行器，即测量过程变量之一的一个传感器或者直接作用于该过程的一个执行器。

[0004] 在传统的控制系统中，现场设备和控制设备之间的通信借助于每个现场设备和一个控制设备之间的直接连接实现。

[0005] 近来，已引入了这样的通信系统，它们允许使用控制系统的不同体系结构。特别地，在此涉及由现场总线基础协议(以下将简称为现场总线)规定的通信系统。使用该协议，可以在现场设备之间获得通信网络(现场总线网络)，在该网络中所述设备直接交换信息而无需通过第二分级层次(控制层次)。而且，两个最高分级层次(控制层次和监控层次)也可以有益地连接到现场总线网络，依照原则与连接到所述网络上的所有设备交换信息。

[0006] 现场设备已经引入了一系列的技术创新，它们使单元(变送器、执行器)的功能能力得以提高。对于本说明书，只考虑两个特性/概念：功能块和备份LAS(链路激活调度程序(link active scheduler))。

[0007] 功能块可以被认为是执行不同类别的功能的软件部分，例如，测量算法、计算或者控制算法、输入选择器等等。一般而言，它们是用于信息的逻辑数学处理的手段。

[0008] 功能块的概念使能了单元的可用性，这些单元的功能除了测量它们被设计用于测量的量的典型功能之外，还可以包括更多一般的控制操作的功能，后者不一定要依赖于设备自身的基本功能或者与之相联系。

[0009] 例如，温度变送器可以包括具有PID、数学、信号表征器类型等等功能的功能块，它们不一定和温度测量有联系。

[0010] 装载了这些不同功能的变送器这一事实，使得可以在现场自身的设备之间直接执行过程控制(现场中的分布控制)，而不需要如传统设备那样在中央系统控制器(HOST)的环境中执行。

[0011] 此外，现场总线单元的以上能力在控制策略上提供了很大的灵活性，这是因为包含在变送器中的功能块可以在过程控制中使用，在该过程中变送器自身并不提供其自身的测量，而只是提供其作为容器的功能。

[0012] 当功能块在现场总线网络中使用时，必须在控制系统的配置阶段规定功能块的每个输入变量来自于其它哪个功能块。举例来说，实际上如果包含在设备A中的功能块FB1需要使用由包含在设备B中的功能块FB2所产生的变量7，则在配置阶段，必须规定功能块FB1的“输入”之一被“逻辑地连接到”功能块FB2的输出7上。

[0013] 注意，在这种体系结构的基础上，为了识别出现在网络上的给定变量所涉及的内容，必须指定所述变量是在哪个设备产生的，并且更具体地，在所讨论的设备的哪个功能块中。这可以使用标记，即与每个设备以及每个功能块相关的字母数字串，以统一的方式完成。必须有机地调整和调度这些功能块的通信和执行，以便获得通信中“决定论”(determinism)。例如，对于压力的同一个测量必须总是在控制环(宏观循环)中的同一瞬时获得/抽样，从而具有恒定的速率，并且因此，只有在该测量实际已被处理并且更新为一个新的值时，才传送该测量。相同的处理适用于作为功能块处理的结果或者输出的所有变量。

[0014] 以上调度功能是由LAS(链路激活调度程序)或者总线仲裁器执行的。LAS为现场总线网络的协调功能。它是一种主活动，管理现场总线的活动并且在同一个通信网络上可以有冗余。通常地，主LAS驻留在具有资源的设备上，就容量和计算速度而言优于变送器。此类设备可以是例如链路设备或者中央控制系统本身，并且执行用于过程控制的功能和通信的扫描/调度，而不管这些通信或者功能是在变送器中执行还是在系统自身的控制器中执行。

[0015] 在这种类型的标准配置中，在控制系统中LAS激活的地方，就存在监控在过程期间发生在操作者控制台上的所有事件的可能性。可以显示由各种变送器所测量到的各种过程变量，如同样的阀门的位置，等等。

[0016] 在现场总线网络领域中另一个已知的概念是，LAS功能是一种也可以由现场总线变送器执行的功能。为了安全、管理等目的，认为最好具有LAS能力的设备和包含有用于测量(传感器)或者用于执行(执行器)的特定功能块的设备都只被用于两种功能之一，即作为备份LAS或者将其功能块提供给控制环。

[0017] 作为LAS被激活的变送器的能力通常被用作上述主LAS的备份，因为在现场单元或者设备中形成的LAS实际上是主机的主LAS功能的一个子集。通常，现场设备并不具备周期性同步所有网络的现场总线单元的时间分配能力。

[0018] 现有技术的一个问题是实际上许多变送器被安装在工厂或者系统中难以到达的地点上。因此，即便在这些设备上安装有自己的显示器，实际上也不可能读出所述显示。当在控制系统中作为主LAS工作的设备失灵时，这一问题变的特别严重。在这种情况下，实际上只有当在配置阶段已经提供了辅助LAS，在此情况下为备份LAS，才有可能让控制环保持有效。在这种情况下，具备LAS能力、配置用于构成系统备份的变送器意识到主LAS已失灵，并且接管以下工作，即为了将其功能块提供给所述控制环的所有该网络的其它变送器，维持功能块调度和通信调度有效。然而，从监控现场中所发生的事件的观点来看，这是以一种盲目的方式发生的。控制台不再有效，而只是假设由于控制环被在该网络的变送器之一上激活的备份LAS管理，控制环继续有效地工作。

[0019] 当主LAS失灵时，为了显示网络上的信息，现在使用连接到现场总线网络上并安装有适当软件的PC使之成为可能。这一解决办法的缺陷在于PC不适于固定的在现场安装，因为迄今为止它还没有配备防尘和防水的必要保护，而这些是在现场安装的设备通常所需要的。特别地，通常要求IP65或者更高的保护等级，如由CENELEC(欧洲电工技术标准化委员会)所规定的。可替换地，如果使用NEMA(国家电气制造商协会)的指示，该设备需要满足NEMA 4或者更高的保护等级。当前的PC没有预先安排以满足以上要求。如果是安装在由于具有爆炸性的气体和粉末而很危险的环境中，则需要设想其它的认证类型，例如EEx。在该分类中认证EEx d被用于爆炸测试(设备的机壳或者机架或者容器)，而EEx i被用于电气保护和原有安全度。在适当的情形下，对于现场总线基础设施，通常参考ENTITY和FISCO两种标准。

[0020] 现有技术的又一固有问题是，尽管从技术上讲在传感器或者执行器中使用备份LAS功能是可能的，但要冒使这些设备过载的风险，因为技术原因和成本原因这些设备通常并没有配备很强的计算能力。

[0021] 上述计算能力的限制还暗示，尽管在此情形下并不存在先验的理论限制，但是传感器和执行器实际上具有有限的功能块执行能力。

[0034] 参考以上附图，依照本发明的该设备适用于在工业环境中安装。这意味着该设备配备有容器，后者保证对于液体和灰尘的足够的保护级别，以便使其可以自由安装在工业环境中。根据要安装这种设备的工厂的要求，依照本发明的该设备可以被有益地制造，以便能够满足IP 65或者更高的保护等级，或者满足NEMA 4或更高的保护等级。依照其他实施例，该设备可以满足IP66或者IP67的保护等级。依照其它实施例，能够制造设备以便在如下的环境中安装，所述环境由于存在爆炸性的气体和粉末而变得危险，并且要求满足其它的标准，诸如由EEx认证所规定的要求(EEx d、EEx i、ENTITY、FISCO)。

[0035] 所述设备包括信息显示装置120。所述信息通常由以下部分组成：表示与连接到该网络的设备相对应的变量的值的数据，例如由温度变送器所测量的温度值；或有关设备自身状态的信息，例如某个特定设备有效或所述设备处于错误情形下的信息。

[0036] 依照本发明的该设备安装有用于将设备自身逻辑连接到现场总线网络200上的可用信息的装置。依照优选实施例，所述装置可以由多输入功能块1200组成。所述输入在控制系统的配置阶段被连接到本地监控的各种过程变量上。以此方式，在配置阶段之后，由于该现场总线网络的基本机制，该设备能够在所述现场总线网络上自动跟踪对应于其已被连接的变量的信息，以便随后能够显示他们。

[0037] 依照本发明的该设备还包括物理显示装置400。依照优选实施例，所述物理显示装置可以由点阵显示器1400组成。有益地，依照本发明的该设备还配备用于在所述物理装置300上选择和显示一个或者多个所述信息项的逻辑装置。依照优选实施例，所述逻辑装置由适当的软件程序组成，该软件程序从用于逻辑连接该设备的所述装置中收集信息，并且按照适当逻辑，在所述物理显示装置上部分或者全部地显示所述信息。例如，所述信息可以由该现场总线网络上存在的一个或者多个变量的值组成。对于该变量的显示可以通过例如显示它们的值获得。有益地，还可以伴随显示所述变量涉及的设备的标签和/或在其输出中产生该变量的功能块的标签，因为它们已经在启动阶段被指定。以这种方式，在显示器上读出该信息的操作者可以明白，而不会对显示信息所涉及的内容有任何的不确定。

[0038] 这些变量的显示可以是每次一个，或者一定数量的块(取决于显示的尺寸)，或者以序列的形式(一个接一个并且其间具有时间间隔，或者以变量块的序列形式并且在一个块和另一个之间也具有时间间隔)。

[0039] 该设备还可以配有键盘500以便进一步本地选择，想要显示的是逻辑连接到该设备上的哪个变量以及按照什么样的序列。例如，如果输入变量是8个，则可以本地确定只以每隔5秒的交替方式显示第3个和第7个输入变量(因为在该特定时刻操作者并不关心其它变量)，然后改变选择和序列。

[0040] 如果是应用在原有安全度或者防爆环境中，在这种情况下不允许移去变送器的盖子来接近显示器的键盘，还可以通过在该机架1502中的外部按键上操作，使得能够实现上述的本地选择。这完全适合于在前面所表达的观念，即设备必须适于在工业环境中安装。

[0041] 依照本发明的该设备包括用于连接到现场总线通信网络的装置110。此类装置可以包括物理连接装置(连接器和硬件电路，111)和逻辑连接装置114。

[0042] 依照优选实施例，根据所述连接逻辑装置，该设备可以包括用于协调现场总线网络113的功能，例如，LAS功能1113。有益地，所述LAS功能可被配置用于备份模式中，即只有当设备所连接的现场总线系统的主LAS停止作用时所述功能才被激活。

[0043] 将显示器和LAS功能集成到一个设备上而不需要直接和传感器或者执行器相联系具有很多优点。

[0044] 实际上，在传统系统中，备份LAS功能在诸如变送器的设备中执行。变送器是一种包含传感器的设备，其主要功能是测量给定变量，对其执行处理以及使所述测量可以被控制系统的其它部分获得。在主LAS停止作用的情况下，在传统的系统中，要么整个现场总线网络停止作用，要么一个设备(诸如变送器)接管该备份LAS功能。然而，以这种方式，会导致该变送器超载，并使其性能(无论是作为测量设备还是作为LAS或者其被设计用于的任何其它功能)降低。在系统中存在依照本发明的设备，当主LAS失灵时，能够启用备份LAS而不会使系统中的其他设备过载。

[0045] 并且，通常当主LAS停止作用时，在系统控制台上收集(并显示)信息的可能性也被丢失。换而言之，不再可能验证系统的其它部分是否正确运转。依照本发明的在设备中的显示器的存在使得在主LAS失灵的情况下也能够显示有关系统的变量并因而控制网络工作的正确性。

[0046] 依照本发明的又一优选实施例，所述连接逻辑装置还可以包含用于逻辑数学处理的装置，例如一个或者多个功能块112、1112。有益地，在某些情形下该特征可以和上述备份LAS的存在相关。以这种方式，能够指派一个尚没有被指派由功能块规定的测量因此这些功能得以如此执行，而不会使专用于测量和/或执行的所述设备超载。

[0047] 如此构思的该设备可以有多种修改和变化，其全部属于本发明思想的范围内。此外，所有的部件都可以被其它技术上等价的元件所替代。实际上，其材料以及尺寸可以是取决于技术的需要和情况的任意类型。