CN101013318B - 用于管理过程控制网络的增强型工具 - Google Patents

Abstract

一种提供了多个功能块的过程控制配置和管理***，所述多个功能块表示与过程控制***在其中运行的工厂的空间布局相关的多台设备。该配置和管理***还提供涉及与该工厂的空间布局相关的多台设备中各台设备的过程控制信息和过程仿真信息。该配置和管理***可在便携式设备上运行，并且该***可包括地理定位***，该地理定位***提供涉及所述便携式设备和与该工厂的空间布局相关的不同设备的地理定位数据。

Description

用于管理过程控制网络的增强型工具

技术领域

本发明通常涉及过程控制网络，更具体地说，涉及配置和管理过程控制网络。

背景技术

大型过程，例如化学、石油以及其它制造和精炼过程，包括很多布置在工厂中的不同位置处的现场设备，以用于测量和控制过程参数，从而实现对过程的控制。这些设备可以是，例如诸如温度、压力和流速传感器之类的传感器，以及诸如阀和开关之类的控制元件。从历史上来说，过程控制工业使用手工操作，例如手工读取液位和压力表、转动阀轮，等等，以对过程中的现场设备的测量和控制进行操作。

目前，过程控制经常通过使用基于微处理器的控制器、计算机或者工作站来实现，它们通过向硬件设备发送和接收命令和数据，来控制过程的特定方面或者控制作为整体的全过程，从而监控该过程。通过这些微处理器、计算机或者工作站中的软件程序实现的特定过程控制功能，可以通过编程进行单独设计、修改或者改变，而无需对硬件进行任何修改。例如，工程师可以编写这种程序，以使控制器从罐中的液位传感器读取液位，将罐的液位与预定的期望液位进行比较，然后根据所读取的液位是否低于或者高于预定的期望液位，来打开或者关闭进给阀。通过显示选定的过程视图并在之后使用所选择的视图来修改程序，可很容易地对参数进行修改。通常情况下，工程师会通过显示和修改过程的工程师视图来改变参数。

控制器、计算机或者工作站根据总体控制方案来存储和实施集中式且经常很复杂的控制方案，从而实现影响过程参数的测量和控制。然而通常情况下，所实施的控制方案是由现场设备制造商专有的，这样由于现场设备提供者必须完全参与执行这些活动中的任一活动，因此使过程控制***很难进行扩展、升级、重新编程和/或维护，而且费用也很昂贵。此外，由于现场设备的专有性以及提供者可能不支持其他厂家制造的一些设备或设备的功能这种状况，可被使用或者进行互连的装置可能受到限制。

为了克服使用专有现场设备中固有的一些问题，过程控制工业开发出了许多标准的开放式通信协议，包括例如

DE、 和CAN协议。这些标准协议使不同制造商所制造的现场设备可以一起用在同一过程控制环境中。理论上讲，任何符合这些协议中的一种协议的现场设备能用在一过程中，以与过程控制***或者其它支持该协议的控制器通信并受其控制，即使现场设备是由不同的制造商制造的。

为了实现控制功能，每个过程控制设备均包括微处理器，该微处理器具有执行一或更多项基本控制功能的能力，以及使用标准和开放式协议与其它过程控制设备进行通信的功能。在这种方式下，由不同工程师使用的现场设备以及基于微处理器的控制器或者计算机可执行过程控制功能。

在过程控制环境中执行、监控、控制和反馈功能的***，通常使用以例如Basic、Fortran或C的高级计算机编程语言编写并在计算机或控制器上执行的软件来实现。尽管这些高级语言对过程控制编程有效，但并不经常被过程工程师、维护工程师、控制工程师、操作者和监督者所使用或理解。已经为这些人员开发出了更高级的图形化显示语言，例如连续功能块和梯形逻辑。因此，每个工程师、维护人员、操作员、实验室人员等等，均需要过程控制***元件的图形化视图，以使他们能够从与他们的责任相关的方面来查看***。

过程控制***的元件的图形化视图可以被提供，而与工厂的空间布局没有关联，并且只是显示设备和功能的逻辑连接。例如，过程控制程序可以使用Fortran来编写，而且需要两个输入、计算输入的平均值，然后产生等于这两个输入的平均值的输出值。该程序可以称为AVERAGE函数，并且可以由控制工程师通过图形化显示进行调用和引用。通常的图形化显示可以由一矩形块组成，该矩形块具有两个输入端、一个输出端和将该矩形块指定为AVERAGE的标签。不同的程序可以用于创建该同一功能的图形化表示，以使操作员查看该平均值。在将***交付给客户之前，这些软件程序被放置在预定义的用户可选择的特征库中。这些程序可通过功能块来识别。通过从库中选择多个功能块中的一个用来从逻辑上限定过程控制解决方案，而不是必须使用Fortran语言来开发完全新的程序，例如，制造商可以被互连在过程控制回路中以彼此通信并且执行一或多项过程控制功能或者控制回路，用户可调用函数并选择用矩形框表示的预定义的图形化表示，以为操作员、工程师等创建不同的视图。另外的开放式通信协议的示例为现场总线基金会制定的FOUNDATION现场总线协议(下文中，称为“现场总线(Fieldbus)协议”)，该协议允许不同的制造商制造的设备通过标准总线而彼此协作与通信，以在过程中实现分散式控制。现场总线协议为全数字的双线式回路协议。

当使用这些协议时，有关设计过程控制***或网络的挑战涉及不同过程控制设备的实际物理布局和互连。具体来说，每个这样的协议均提出了物理特性的约束值，过程控制***必须在这些约束值中运行以符合标准。这些约束包括通信区域上的压降、激励长度(spur length)、总电缆长度、总电流消耗以及特定集线器上的过程控制设备的总数目。容器、导管、泵、马达和阀，以及控制者和操作员站的物理位置也提出了在配置过程控制***或网络时必须加以考虑的约束。这些约束的相互关系很重要并且依据约束值而发生变化。由于大部分精炼和制造工厂的复杂性，一旦过程控制***或网络被配置并处于使用中，这些***的管理是很麻烦的。

除了执行控制过程之外，软件程序也监控和显示过程的视图，以有关特定过程状态的操作员显示或视图的形式来提供反馈。监控软件程序在有问题发生时还会发出警报信号。一些程序在有问题发生时向操作员显示指令或者建议。负责控制过程的操作员需要从他的角度查看过程并且快速改正问题。通常，显示器或控制台被提供作基于微处理器的控制器或执行过程控制功能的计算机与操作员之间(并且也为与编程者之间)的界面。

一组标准化的函数可存储于控制库中，而且每个函数均由相关功能块指定。装配有这种库的设计者可以通过在计算机显示屏幕上将各种函数或者元件逻辑互连，来设计过程控制解决方案，并且这些函数或元件由用矩形框表示的功能块进行选择，以执行特定的任务。微处理器或计算机将由功能块限定的各个函数或元件与存储于库中的预定义模板相关联，并且根据设计者期望的互连将各个程序函数或元件彼此相关联。设计者使用预定义的函数的逻辑视图来设计整个过程控制程序，而从来不会把设计与精炼或制造工厂的空间维数相关联。

有关图形化视图的一个挑战在于仅显示出了逻辑连接。目前，工厂的物理布局并未与过程控制***的配置相关联，而且在***管理过程期间不能进行引用。当配置过程控制***时，空间信息必须是手工测量的并被输入到工具中。当管理过程控制***时，设备和控制器的物理位置必须要手工确定，这通常会增加改正问题或管理过程控制***所需要的时间。

所需要的是一种这样的用于配置过程控制***的方法，该方法考虑到了工厂的物理布局而且允许***的操作员快速地访问过程控制设备和控制器的空间位置。

发明内容

本发明针对利用工厂的空间信息对包括于该工厂中的过程控制***进行配置和管理。该过程控制***可符合标准协议。这种***的优势在于，在确保***的物理特性符合标准的同时，允许有效设计和使用过程控制***。此外，这种***的优势还在于，提供更有效的诊断、在线调试、警报管理和设备维护。

可选地，这种工具可自动生成应用于所述工厂的空间布局的过程控制网络的布局。在另一实施例中，这种工具用来分析应用于所述工厂的物理布局的过程控制网络的布局，以确保所述网络的布局符合标准协议的准则，例如符合现场总线协议的准则。可选地，这种工具可提供闪烁的设备表示，以指示所述网络中的活跃警报。

在另一实施例中，所述过程控制网络可首先利用逻辑连接进行配置，并且稍后该配置应用于工厂的空间布局并且用来利用应用于网络布局的空间信息来管理过程控制网络。

在另一实施例中，过程控制配置和管理***提供表示多台设备的多个功能块，所述多台设备与该过程控制***在其中运行的工厂的空间布局相关。该配置和管理***还提供涉及与所述工厂的空间布局相关的所述多台设备中的每台设备的过程控制信息和过程仿真信息。采用这种***，用户可改变有关所述功能块的一或更多个参数，从而生成并查看涉及与所述工厂的空间布局相关的功能块的仿真信息。

在再一实施例中，该配置和管理***还可提供涉及与所述工厂的空间布局相关的不同设备的地理定位数据。在另一实施例中，该配置和管理***可用三维格式和/或在便携式设备上呈现所述工厂的空间布局、有关不同设备的过程控制信息、有关不同设备的过程仿真信息，等等。

在结合附图阅读以下描述时，对本领域的技术人员来说，本公开的其它应用场合将变得显而易见。

附图说明

通过参考附图，本领域技术人员将更好地理解本发明，并更清楚本发明的若干对象、特征和优势。

图1A为过程控制***的示意框图，示出了包括根据本发明的一般化实施例、配备有空间配置和管理功能的工具的工作站。

图1B为图1A中所示的过程控制***的控制器/多路复用器和过程部分的方框图。

图2为在配置实施和管理或运行时实施中的过程控制***的示意框图。

图3为根据本发明的工具的操作的流程图。

图4为工具的配置部分的屏幕表示，示出过程控制***的功能与设备之间的逻辑连接。

图5A-5C为空间部分屏幕表示的视图，示出了过程控制***的功能与设备之间的物理连接以及它们在工厂空间布局中的相对位置。

图6为过程控制***的可替代实施的示意框图。

图7A-7C为呈现过程控制***设备的过程元件的示例图形表示。

具体实施方式

图1a所示为过程控制环境100，该过程控制环境100示出了用于执行数字控制***、过程控制器等的控制环境。过程控制环境100包括操作员工作站102、实验室工作站104以及工程师工作站106，这些工作站通过用于在不同工作站和多个控制器/多路复用器110之间传输并接收数据和控制信号的局域网(“LAN”)108或其它已知的通信链路而电互连。工作站102、104和106举例来说为符合IBM兼容结构的计算机。工作站102、104和106被图示为通过LAN 108而连接至多个控制器/多路复用器110，所述控制器/多路复用器110用于在所述工作站与多个过程112之间进行电连接。在多个不同实施例中，取决于过程控制环境100的目标和需求，LAN 108包括直接连接至控制器/多路复用器110的单个工作站(或者可替代地，LAN 108包括多个工作站，例如三个工作站102、104和106)以及若干控制器/多路复用器110。在有些实施例中，单个过程控制器/多路复用器110控制几个不同的过程112，或者可替代地控制单个过程的一部分。

在过程控制环境100中，通过例如在工程师工作站106上创建软件控制解决方案，并且经由LAN 108将该解决方案传输到操作员工作站102、实验室工作站104并传输到用于执行该解决方案的控制器/多路复用器110，从而生成过程控制策略。操作员工作站102将界面显示提供到在控制器/多路复用器110中实施的控制/监控策略，并且与一或更多个控制器/多路复用器110通信，从而查看过程112并根据设计解决方案的需求来改变控制属性值。过程112由一或多个现场设备生成，这些现场设备可以为智能现场设备或常规(非智能)现场设备。

此外，操作员工作站102将有关受控过程112的状态和条件的视觉和音频反馈传送给操作员。工程师工作站106包括处理器116、显示器115、以及诸如键盘、光笔之类的一或更多个输入/输出或用户界面设备118。该工作站还包括存储器117，该存储器117既包括可易失性存储器又包括非易失性存储器。存储器117包括在处理器116上执行的控制程序，用于实现过程控制环境100的控制操作和功能。存储器117还包括配置和管理工具120(也称作控制演播工具)。操作员工作站102以及过程控制环境100中的其它工作站(未示出)，包括至少一个中央处理单元(未示出)，该中央处理单元被电连接至显示器(未显示)和用户界面设备(未示出)，从而允许在用户和该处理器之间进行交互。

工具120被用来配置过程控制网络并确保该过程控制网络符合期望的标准协议，例如符合现场总线协议。工具120还可以在过程控制网络的管理期间使用，从而提供更有效的故障检修和维护。优选地，工具120为存储于存储器117中的软件，不过该软件也可以包括于计算机可读介质上，并且由工程师工作站106的处理器116来执行。计算机可读介质可以为软盘、CDROM或可以将软件存储于上面的其它任何类型的介质。工具120可以实现呈现于工程师工作站106的显示器115上的屏幕表示，该屏幕表示仅示出过程112的逻辑连接或者可包括并入了精炼或制造工厂的布局的空间特性的物理连接。

虽然结合使用现场总线设备的过程控制***对本发明的工具进行了详细描述，不过应该注意到的是，本发明的工具也能与包括其它类型的现场设备和通信协议的(所述通信协议包括那些基于除了只支持模拟或既支持模拟又支持数字通信的双线总线和协议的协议)过程控制***一起使用。因此，例如本发明的工具可用于任何使用HART、PROFIBUS等通信协议进行通信，或者使用现有的或在将来可研制出的任何其它通信协议进行通信的过程控制***。

下文中将全面描述现场总线协议、根据该协议配置的现场总线、在实施现场总线协议的过程控制环境中进行通信的方式、以及在现场总线协议下要求的示例约束值。不过，应该理解的是，现场总线协议在本领域是已知的并详细记载在众多文章、手册和印制、发行的说明书中，且除了别的以外可从位于得克萨斯州奥斯汀市的非营利组织现场总线基金会(FieldbusFoundation)获取。具体来说，包括有现场总线协议下所需要的约束值的现场总线协议，在1996年的Foundation Fieldbus的“配线和安装31.25K字节/秒-电压模式配线介质应用指南”中有详细描述。

一般而言，现场总线协议是数字的串行双向通信协议，该协议向双线回路或总线提供标准化物理接口，这些回路或总线用于互联包括于仪器或过程控制环境之中的诸如传感器、执行器、控制器、阀之类的过程控制设备。现场总线协议有效地为过程中的现场仪器(现场设备)提供局域网，从而使得这些设备在分布遍及过程的各个位置处都能够执行控制功能，并且在这些控制功能执行之前和之后这些设备也能够彼此通信，从而实施总体控制策略。由于现场总线协议使得控制功能能够分布遍及过程控制网络，所以该协议降低了集中式过程控制器的复杂度或者完全消除了集中式过程控制器的必要性。不过，该***的分布式特性增加了在管理该***并且进行故障检修及管理***之时确定故障设备的物理位置时的复杂性。

通过经由设备描述和功能块而提供通信，现场总线协议允许对现场设备和总体过程控制***进行管理。现场设备为诸如变送器和阀之类的现场仪器，它们具有用于监控设备的性能和状态的处理器。设备描述与设备的驱动器类似。对于现场设备，设备描述包括校准步骤、参数步骤以及控制***与这些现场设备通信所需要的其它信息。现场设备向控制***通知标准运行参数，而且进行自我诊断并能够向控制***报告诸如未校准仪器之类的设备问题。每个现场设备均具有唯一的物理设备标签以及相应的网络地址。

可以利用许多类型的通信来对现场设备进行管理，包括：获取端口和通信统计值、获取现场设备的状态、查看并改变资源配置和参数、启动现场设备的主复位或自测试、显示传感器的状态并改变传感器的上、下和零校正。通过向以上列出的管理通信提供空间信息，过程控制***的管理特性更为有效并更易于使用。

参照图1B，所示的是遵从现场总线协议的图1A中的过程控制环境100的控制器/多路复用器和过程部分。该网络包括控制器/多路复用器110，该控制器/多路复用器110通过总线142而连接至一个或更多包括若干个现场设备的过程112。总线142包括若干个具有相应长度以及其它特性的区域或段。总线142还可包括一或更多个接线盒144(JB1、JB2和JB3)，这些接线盒通常称为“砖”。每个接线盒144可连接至一或更多个总线设备146并连接至总线142。控制器/多路复用器110还连接到至少一个电源148。图1B中所示的网络仅为示例性的，也可以使用其它的许多方式，在这些方式中过程控制网络可使用现场总线协议来配置。

过程控制网络100包括许多空间特性，例如特定通信区域的激励长度、总线的总长、连接至特定接线盒的过程控制设备的总数、以及关于精炼或制造工厂布局的控制器和设备的物理位置。这些空间特性可以在***配置期间使用关于工厂的物理布局的空间信息而自动测量和计算。过程控制网络100还包括许多非空间特性，例如通信区域上的压降、段的总电流消耗、以及***中设备的类型。这些非空间特性在配置***时由用户提供。工具120分析这些特性从而判断该过程控制网络是否符合所期望的标准协议。

一旦该过程控制网络的配置已经完成，工具120(包括用于限定工厂中***的空间布局的数据)能被用于通过利用工作站102、104或106中的任一工作站来管理该过程控制***。管理该过程控制***的功能包括诸如诊断、在线调试、警报监控和设备维护这样的功能。在诊断和警报监控期间，当阀或其它设备出故障时，显示设备屏幕上的设备表示会在工厂的空间视图中闪烁以使其容易被发现。设备的标签名以及设备的空间位置能用来标识阀或其它设备。在线调试期间，连接器的值和功能块的属性可显示在工厂的空间视图中，从而使用户更易于确定***的当前状况。在设备维护期间，通过在空间视图中选择设备，能够获得关于该设备的当前状况和信息，例如当前流速或最近的维护记录。

如图2所示，过程控制环境100位于配置模型或配置实施210和管理或运行时模型或实施220之中。在配置实施210中，将过程控制环境100中的部件设备、对象、互连和交互关系进行限定并将它们与关于工厂物理布局的空间信息相关联。在运行时实施220中，可完成不同部件设备、对象、互连和交互关系的操作。配置实施210和运行时实施220通过基于美国信息交换标准代码(ASCII)的下载语言而互连。该下载语言根据用户所提供的限定来创建***对象并且从所提供的限定中创建实例。除了下载限定之外，下载语言还上载实例和实例值。配置实施210被启动而利用安装步骤在运行时实施220中运行。

过程控制环境100包括多个子***，而其中有些子***既具有配置实施又具有运行时实施。例如，过程图形子***230向过程控制环境100的结构提供用户定义的视图和操作员界面。过程图形子***230具有过程图形编辑器232、配置实施210的一部分、过程图形查看器134、以及运行时实施220的一部分。过程图形编辑器232在下载语言中通过交互子***界面236而连接至过程图形查看器234。过程控制环境100还包括控制子***240，该控制子***240在定义和模块编辑器242中配置并安装控制模块和装置模块，而在运行时控制器224中运行控制模块和装置模块。定义和模块编辑器242在配置实施210中运行，而运行时控制器244在运行时实施220中运行，从而提供连续的和顺序的控制功能。定义和模块编辑器242在下载语言中通过交互子***界面246而连接至运行时控制器244。多个子***通过子***界面250而互连。

配置实施210和运行时实施220与主数据库260交互，以支持对通用数据结构的访问。不同的局部数据库(非主数据库)262与主数据库260交互，以例如像用户所指示的那样，将配置数据从主数据库260传输到局部数据库262。主数据库260的一部分为永久性数据库270。永久性数据库270为超越时间的对象，以便在数据库的创建者不存在后，该数据库仍继续存在；该永久性数据库270为超越空间的对象，以使该数据库可移动到不同于该数据库被创建之处地址空间的一地址空间。整个配置实施210存储在永久性数据库270中。

运行时实施220与永久性数据库270和局部数据库262交互，以访问由配置实施210生成的数据结构。具体来说，运行时实施220从局部数据库262和永久性数据库270中读取所选择的装置模块、显示等。运行时实施220与其它子***交互以安装那些限定，从而安装用于创建实例的对象，而在限定不存在时，对运行时实例进行示例，并且将信息从不同源传输到目标对象。

参照图3，所示的是工具120操作的流程图。工具120的不同步骤根据“向导”功能来运行，该“向导”功能在WINDOWS^TM操作***下运行的不同程序中所呈现。在完成每个步骤之后，用户通过启动“NEXT”按钮等转到下一步骤。如果用户不想继续下面步骤，则用户可通过启动“EXIT”按钮等而退出该工具。

在步骤310，用户向该工具提供有关过程控制网络非空间特性的信息。这些信息包括诸如关于客户的信息、所用设备、校准数据、标签名、电缆类型、电源特性的信息以及卡、段和接线配置的信息。客户信息可包括客户的名称、公司的名称、网络所在工厂的位置、提供该工具的代表名称和该代表的联系名称。卡配置信息可向用户提供关于所用卡的类型以及用于分析过程控制网络100的操作的信息。段配置信息可包括电源的电压、电缆类型(包括关于电缆中所使用的配线的规格以及电缆的其它特性的信息)。接线配置信息可包括关于连接至接线的设备的信息和到接线的连接如何配置的信息，这些信息包括激励电缆(spur cable)类型，以及连接至接线盒的仪器的类型。在优选实施例中，所述仪器为遵从现场总线协议的设备。可选地，用户可给仪器分配一识别标签。

用户可以从可用控制器卡列表中选择控制器卡，以对卡进行配置。在选择卡之后，可将所选控制器卡的相关信息提供给工具。根本上说，通过选择控制器卡，用户配置网络的段。在优选实施例中，每个控制器卡可控制两个段。不过，或多或少的段可由控制器卡来控制，这取决于控制器卡。在对段进行配置时，用户可访问已经被提供给工具120的信息汇总。

在步骤320，用户向所述工具提供关于工厂的空间信息。具体来说，可提供工厂的物理布局，包括平面尺寸和仪器类型、尺寸和位置以及接线框表示。这些信息可由用户提供给所述工具，或者从诸如3D工具箱的另一工具中导入，例如从TGS的Open Inventor导入。

在步骤330中，创建并启动功能块。在现场总线协议中，功能块提供对***行为的控制，而且功能块包括诸如校准步骤、参数步骤和通信步骤这样的功能。每个现场总线设备可具有几个功能块。这些功能块的排列和互连可确定现场总线设备的功能。

在步骤340，过程控制***的物理布局被应用于关于工厂布局的空间信息中。通常沿着线框和工厂中其它设备的配线，功能块和设备用线连接在一起。所述布局可由用户手工完成，或者工具120可自动生成过程控制***的物理布局。诸如从控制器到接线或从接线到另一接线的电缆段的长度，以及激励长度这样的信息可从精炼或制造工厂的空间布局中自动生成并进行计算。在另一实施例中，功能块和设备的连接可先为逻辑连接，而稍后将这种连接应用于关于工厂的空间信息。

在步骤350，检验过程控制***的配置以符合所选择协议的需求。检验段的所有激励长度，以确保激励长度不会超出标准协议所限定的预定激励长度。激励长度受到段上(每个段)仪器数目的限制。也就是说，仪器的数目越少，每个段上的容许的激励长度会越长。每个段上的设备的数目也被检验，以确保设备的数目不会超出预定设备数目。依据过程控制网络使用的控制器，所允许的设备的数目可发生变化。在优选实施例中，控制器允许在每个段上有16个设备被连接至总线。不过，本现场总线标准允许在每个段上有32个设备被连接至总线。每个段上的总电流消耗被检验，以确保当前消耗不会超出标准协议所允许的最大电流消耗。在优选实施例中，所允许的最大电流消耗为每个段上375毫安培/段。总段电缆长度(包括激励长度)被检验，以确保该长度不会超出协议标准所允许的最大段长度。在优选实施例中，所允许的最大段长度为6232英尺或1900米。每个段上的最小电压被检验，以确保连接至过程控制网络的任何设备处的电压超出或等于标准协议所提出的电压。在优选实施例中，该电压为12.5伏特。如果这些值中的一或多个不在协议所限定的界限之内，则用户可返回到步骤340，以修改过程控制网络的配置。

一旦过程控制网络已经被配置，用户可开始利用所提供的非空间和空间信息来管理该过程控制网络(步骤360)。许多类型的通信可以使用，从而对现场设备进行管理，包括：获取端口和通信统计值、获取现场设备的状态、查看并改变资源配置和参数、启动现场设备的主复位或自测试、显示传感器的状态并改变传感器上、下和零校正。通过向空间信息提供以上所列的管理通信，过程控制***的管理特性可更有效并且更易于使用。

关于工厂的空间信息可为全三维的，包括三维壁、设备和工作站等等。关于工厂的空间信息也可以为有关工厂的二维蓝图，在该二维蓝图上描绘有过程控制***配置，或者关于工厂的空间信息为与用户应用程序相匹配的二维和三维的任何组合。

在其它实施例中，工具可向用户提供一种获取过程控制网络设计的原料账单的方法。所述工具还可以在工厂的物理布局之中自动提供过程控制***的布局，并确保能满足协议需求。在另一实施例中，用户能配置该***而无需提供工厂的空间信息，而在稍后增加用于管理过程控制***的空间信息。可以理解，虽然所述功能被描述成具有特定的事件顺序，不过提供所述信息或完成所述步骤的其它任何顺序也在本发明的范围之内。

参照图4，在工具120的主控窗口中显示了采用过程控制***的逻辑连接的工具配置部分的屏幕表示。工具120的屏幕表示包括文本下拉菜单402、图画菜单404、模板部分表示406和图示部分屏幕表示408。模板项420被显示在模板部分表示406之中。过程控制环境设计的用户图示被呈现在图示部分屏幕表示中。该过程控制设计环境的图示称为过程控制环境视图。主窗口中的每个表示由用户根据已知的开窗口技术来重新设置尺寸和位置。通过维护包括二维显示中的坐标以及字体和其它信息的永久对象数据，工具120追踪主窗口的窗格的位置和尺寸。

在采用逻辑连接来设计过程控制环境时，用户仅启动模板部分表示406中的一模板项，将该启动的模板项拖到图示部分屏幕表示408中的期望位置处，并在期望位置中放下所启动的模板项。之后，控制音频对象***130创建图示项，以使该图示创建具有配置过程控制***所需的所有信息的对象。由于该模板项为包括所述图示进行配置过程控制环境所需的所有信息的对象，所以在图示部分中完成过程控制环境设计时，该设计可被直接下载到过程控制环境的适当部分。

参照图4和图5A-5C，采用过程控制***布局中的工厂的空间信息，示出了工具的空间布局部分的屏幕表示。所述工具提供了不同角度的查看，以及对过程控制***的空间布局的放大。这种表示可是灰度色标或彩色的。以类似于图示部分屏幕表示窗口408的方式，该屏幕表示可包括于工具120的窗口中。不过，用于呈现空间信息的其它方式也在本发明的范围之内。

在采用工厂的空间信息来设计过程控制环境时，通过在工具120的主控窗口的图示部分中导入工厂的物理布局或者创建该布局，用户开始操作。为了增加现场设备或功能，用户仅启动模板部分表示408中的一模板项，将该启动的模板项拖到图示部分屏幕表示408之中工厂的空间表示中的期望位置处，并在期望位置中放下所启动的模板项。除了功能的矩形表示，模板项还包括在精炼或制造工厂中出现的诸如阀、泵、罐、导管之类项目的三维表示。控制音频对象***130的空间部分在工厂的空间布局中生成具有配置过程控制环境所需的信息的图示项。由于该模板项为包括所述图示在工厂的空间布局中配置过程控制环境所需的所有信息的对象，所以在图示部分中完成过程控制***设计时，该设计可被直接下载到包括有控制音频对象***的空间部分的过程控制环境的适当部分。

再参照图5A-5C，在空间视图中示出了包括有工厂物理布局示例的空间屏幕表示452-456的示例。更具体地说，图5A在工厂的示意图上示出了工厂的物理布局的表示452。该空间表示进一步包括对过程控制环境的不同部件物理和逻辑表示。因此，用户可有利地查看被叠加到工厂示意图上的过程控制环境的不同部件的物理位置。图5B和图5C示出图5A的图示表示部分的放大和旋转视图454-456。这样，图5B-5C示出了用户如何访问诸如图5A中所示的图示表示部分的示例，以获得过程控制环境的特定部分的更佳视图。可以理解，空间表示不需要必须叠加到该示意图上。

在过程控制环境100的可替代实施例中，图5A-5C中所示的空间布局452-456可以与不同控制***元件的框图表示相结合。例如，在过程控制环境的实施中，过程的框图表示可被叠加到空间布局452-456中的一个上，以向用户提供对该过程环境的更好的理解。而且，该过程的仿真表示也可以被叠加到这种空间布局上。

图6示出过程控制环境460的一种可替代实施。应该注意到的是，过程控制环境460包括许多类似于图1A中所示的过程控制环境100的过程元件的元件。不过，过程控制环境460还包括以可通信方式连接至LAN 108的便携式计算设备462。该便携式计算设备462可以为例如，便携式设备、可佩戴式计算机、个人数字助理(PDA)等。在一种实施中，该便携式计算设备可以无线的方式而连接至LAN 108。

便携式计算设备462可用于呈现加工厂的图形表示以及过程的空间布局452-456。采用该便携式计算设备462来查看加工厂的图形表示，允许用户在围绕工厂中的不同位置移动时与工厂操作员进行通信。使用这样的便携式计算设备462，现场中的用户可在查看关于空间布局452-456的工厂图形表示时与工厂操作员协作。在这种情况下，现场中的用户可采用过程控制信息、过程仿真信息、过程的三维可视化，以及工厂的空间布局452-456的组合，以获得关于可能需要维护、更新等的装置或过程的更多信息。

现在参照图6，便携式计算设备462包括处理器464、存储器466、显示器468、一或多个诸如键盘、光笔、麦克风之类的输入/输出或用户接口设备470，以及无线通信器472。存储器466可以是易失性和/或非易失性存储器中的任一个，并且包括可在处理器464上执行的许多程序，以及由这些程序使用的一或多个数据库，等等。

例如，在一种实施中，存储器464包括用于生成过程的框图表示的图形生成和存储程序474、空间布局452-456、过程的仿真表示，等等。图形生成和存储程序474可在显示器468上呈现这种图形的组合。存储器466还可包括过程仿真器程序478，该程序可生成有关过程的不同元件的仿真信息。存储于存储器466上的图形显示编辑器480，可允许用户改变显示器468上的过程的框图表示。

便携式计算设备462的一种实现还包括地理定位***482，该***允许用户确定便携式计算设备462相对于加工厂不同区域的地理位置。此外，当用户使用便携式设备以查看过程的图形表示和工厂的空间布局452-456时，用户可使用地理定位能力来确定便携式计算设备462相对于工厂的不同区域的位置、不同设备相对于用户在加工厂中的位置的位置，等等。这种能力允许用户更容易地访问可能需要他/她立即注意的过程设备。

在可替代实施例中，地理定位设备可并入加工厂中的一或多个位置处，而且有关加工厂不同部件的地理位置的信息、工厂中不同设备等等可与加工厂的空间布局452-456合并。

图7A示出了过程元件的示例图形化表示500，其可用于仿真加工厂中的过程并呈现这种仿真以及空间布局452-456的屏幕表示。图形表示500可由图形生成和存储程序474生成并存储于存储器466中。图形化表示500描述了循环罐502、输入控制阀504以及输出控制阀506和508。本领域的普通技术容易应该认识到的是，在图形化表示500中也可以呈现诸如泵、加热器、混合器之类的其它许多元件。

图形化表示500可以与空间布局452-456以及用于过程仿真和/或操作员训练目的的过程控制环境的框图表示相结合。尤其是，过程元件的这种图形化表示可以与三维空间布局相结合，以向用户提供对工厂设备、工厂操作、工厂状况、装置警示位置、维护请求等等的更实际的可视化。

呈现过程仿真以及工厂的空间布局提高了工厂操作员运行和诊断工厂的总体能力，增加了操作员对工厂状况和工厂过程的了解，通过将异常状况预防与工厂中正发生问题之处的更实际的可视化相结合而减少了工厂的停工，增加了项目工程的效率，改进了操作员训练，提高了仿真应用程序的有效性，等等。

现在参照图7A，还示出了图形化元素502-504通过导管、管道、运输器、配线等的连接。如图7A中所示，循环罐502通过导管而连接至阀504-508。图7A示出，输入阀504控制流入到循环罐中的补给流体的流量，输入阀506控制被循环的流体的流量，而输出阀508控制流到反应器的流体的流量。此外，图形化表示500还示出有关不同元件的动态值、不同过程特性的测量值，以及来自其它来源的数据，例如有关元件的维护信息、有关元件的仿真信息等。

例如，关于循环罐502的过程信息可提供有用的信息，例如循环罐502正在进行什么操作，循环罐502是如何连接的，循环罐502的内部正在出现的状况等等。图形化表示500还可以显示有关循环罐502的一或多个动态仿真值，包括有关循环罐502内部的流体的组成计算、质量平衡、能量平衡、定制计算等等。这种动态仿真信息可以改变并响应用户对运行环境的选择而进行可视化。例如，在有关循环罐502的仿真信息被显示时，用户可选择离线仿真环境。可替代地，在有关循环罐502的实际过程信息采用图形化表示而被显示时，用户可选择在线环境。图7B示出了示例性在线表示，该表示显示了有关循环罐502和有关的过程元件的不同过程参数。

在图形表示500的一个实施例中，另外的元件可以图形化层的形式进行添加。例如，可将指导员层添加到图形化表示500上，以表示不同的训练相关信息。图7C示出用户具有“指导员”特权的示例性离线表示，其中显示了信息的添加层。在这种离线表示中，如果指导员选择诸如手动阀之类的图形元素，面板520可被呈现，以运行指导员改变所选择的元件。例如，面板520可包括控制按钮522，用于打开或关闭由面板520所控制的手动阀。

在这种离线环境中，指导员层还可以允许用户利用面板520来改变元件的行为，并且响应这种行为的改变来呈现有关涉及到不同元件的参数的改变的详细显示。例如，可允许指导员在特定元件处向过程增加干扰，对测量值进行偏置，将噪声添加到测量值上，将该测量值改变到固定值，改变测量状态等等，并且在离线图形化表示上观测对有关不同元件的参数的这种改变的响应。

在在线控制***之中，通常具有被设计为与***外部一起工作的控制逻辑，而且***外部通常具有与包括于离线环境中的控制策略分开运行的控制策略。如图形化表示500中所示，通过将这种外部控制逻辑与过程控制元件相关联，任何有关这种外部***的局部控制逻辑还可以包括于离线仿真表示中。例如，可以具有单独的控制策略用于控制输入阀504，而通过提供来自外部控制策略的设置或读数值，局部控制策略可与输入阀504交互。当离线运行时，用于控制输入阀504的控制策略不再被呈现。在仿真包括有输入阀504的过程时，用户能够利用输入阀504的仿真而直接进行工作，而且在这种情况下，用户不需要担心外部控制策略。

工具120的一种实现可包括图形化显示编辑器，该编辑器具有许多显示模板来支持图形显示的创建。这种图形显示编辑器可以在存储于存储器466之中的图形显示编辑器480来实现。用户可从模板中选择不同的元件以及将被连到这些元件的各种特性，以对加工厂的在线图形化表示或和离线图形化表示进行编辑。随后，可将这种图形化表示叠加到加工厂工厂布局的三维表示上。

图形化显示编辑器480可包括计算和控制模板，其包括元件，用于访问用于控制和计算的来自功能块的信息，例如PID(比例-积分-微分)功能块、定点功能块、过程变量功能块等。性质和测量模板可包括各元件，用于访问/指定现场测量和有关不同过程装置和连接的仿真性质。执行器模板可包括表示用于设置或调节过程流的现场设备的各元件。处理模板可包括表示不同的通用过程装置的元件。另外，定制模板可包括各元件，以允许用户将具体到特定过程的装置添加到该特定过程的图形显示中。

工具120的一种实现还包括过程仿真编辑器，其允许用户创建和/或编辑离线仿真表示。过程仿真编辑器可允许用户将功能块、流和它们的相关连接添加到仿真表示中。这种过程仿真编辑器可被存储于存储器446的过程仿真器478中。一般而言，在不同过程元件的图形表示与用于表示这些过程元件的仿真功能块之间，存在有一对一的连接。因此，用户可能利用过程仿真编辑器来构建图形显示，而且生成其相应的过程仿真。例如，用户可选择诸如阀、罐、泵之类的过程元件作为仿真表示中的过程模块的一部分。

随后，为了创建这种过程仿真，用户可选择表示过程控制***之中控制模块的过程块并且选择诸如执行器、连接元件、测量元件之类的过程元件，以将它们连到过程块上。连到控制模块上的输入/输出块、连到控制模块上的测量块等等与诸如执行器之类的过程元件之间的关联，可利用这些块之间的点击操作而进行创建。

对应于控制模块的过程块可通过以下通用特征来进行特征化：(1)过程块输入连接和过程块的参数可用于仿真中，(2)有关仿真性质或参数的过程测量可在过程块中进行引用，以允许改正模型误差和未测量干扰，(3)由过程块支持的输入和输出连接数目限定可扩展的，(4)来自过程块执行的结果可反映在过程块输出连接中或作为过程块的参数，(5)过程块算法可被限定作阶跃响应或可以由用户以类似于计算/逻辑过程块的方式进行输入，并且在输入了过程块算法时，用户可独立地指定每个输出的动态性，(6)局部面板输入、外部***输入和/或与处理元件直接相关的逻辑可包括于含有那些处理元件的过程块算法中，以及(7)一组通用参数可由到过程块的输入和输出连接来支持。

有关到过程块的输入和输出连接的参数可以作为参数阵列/结构而在不同过程块之间进行传送，这些参数包括例如连接状态(好/差)、在连接处的质量流速、在连接处的压力、在连接处的温度、在连接处的单位热、在连接处的流体密度等等。此外，还需要指定其它参数，例如在连接处的流组成。

而且，为了支持更灵活的一组参数，连接参数阵列可包括参数的标准和扩展流块。在这种情况下，作为扩展流块的一部分，用户可选择一组预先定义的数据组。例如，有关到表示锅炉的功能块的燃料输入的扩展参数组，可包括指定燃料组成的参数组，燃料的碳重量、燃料中的氢含量、燃料中的硫含量、燃料中的氧含量、燃料中的水汽量、燃料中的氮含量等等。类似地，与表示涡轮发电机的功能块的流输入相关的扩展参数组，可包括指定流组成的参数组，进入涡轮式发电机的流的热函、排出涡轮式发电机的流的热函等等。这种扩展的流块可仅被允许连接至过程块，该过程块可利用这种扩展的参数组。此外，这种扩展的参数组还可用于提供高保真度仿真，其中有些扩展参数可提供作一些流上的可视化过程图形。

在离线仿真环境期间，一旦点击这些元件，有关不同功能块的测量元件可向用户提供仿真的测量值。这种仿真测量值可被保存，以用于与真实的测量值进行比较。在线操作期间，所测量的值可被提供到功能块，而且一点击功能块中的元件，用户就可查看这些真实的测量值。在线操作期间，功能块可将参数的实际测量值与仿真的测量值相比较，并且向用户提供这二者之间的差别指示。可替代地，实际或仿真测量值可以与功能块一起显示在三维图形格式中。此外，功能块还可以在一时间段上存储实际测量值，并利用图形化表示500显示测量值对时间的趋势。

虽然上文提出了对本发明的若干不同实施例的详细描述，不过应该理解的是，本发明的合法范围由本专利的结束处提出的权利要求书的内容所限定。详细描述仅以示例性的构成，并不对本发明的每个可能的实施例进行描述，这是因为就算可以描述每个可能的实施例，这也是不可行的。利用当前技术或在本发明递交日之后发展出的技术，若干可替代实施例可以被实施，而这应该仍旧落入限定本发明的权利要求书的范围之内。

其它可能的实施例也在权利要求书之内。例如，虽然在优选实施例中进行描述的协议分析了用于现场总线协议的过程控制网络，可以理解的是，通过调节适当的约束，可以分析任何协议。而且，例如，当优选实施例运行在WINDOWS^TM操作***下并利用呈现的向导类型时，可以理解的是，这些细节并不用于限定本发明的总体概念。

虽然已经对本发明的特定实施例进行显示和描述，不过对本领域的技术人员来说，明显的是，在不偏离更宽方面的本发明的情况下，可进行各种改变和修改，而且因此，所附权利要求书包含在落入本发明的真实精神和范围之内的所有这种改变和修改的范围之内，其包括但不限于其它编程语言的应用。此外，虽然优选实施例被公开作软件应用，不过可以理解的是，诸如专用集成电路应用的硬件应用也在以下权利要求书的范围之内。

Claims (17)

1.一种用于管理具有多个装置和过程控制网络的加工厂的方法，所述过程控制网络包括具有处理器、显示器和存储器的计算机，所述方法被存储在所述存储器中并且包括由所述处理器执行的指令，该方法包括：

将关于所述多个装置的空间布局的信息存储在所述存储器中，其中所述空间布局包括所述过程控制网络的每个段的激励长度、总段电缆长度和每段的设备数目中的一项或多项；

将关于与所述过程控制网络相关的多台设备的配置的信息存储在所述存储器中，其中所述配置包括所述过程控制网络的段上的压降、每段的总电流消耗和所述过程控制网络内设备的类型中的一项或多项；

将适于控制所述多台设备的多个功能块存储在所述存储器中；

确定所述空间布局的信息和所述配置的信息是否符合所期望的标准协议；

将所述多个装置的空间布局呈现在所述显示器上；以及

在所述显示器上呈现与所述多个装置的空间布局相关的所述多个功能块。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述呈现多个装置的空间布局的步骤进一步包括：以三维图形来呈现所述多个装置的空间布局。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

从与所述过程控制网络相关的多台设备获取过程信息；以及

在所述显示器上呈现与所述多个功能块相关的所述过程信息。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述从多台设备获取过程信息的步骤进一步包括：获取涉及所述多台设备的过程仿真信息。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：

允许用户改变涉及所述多个功能块中的至少一个功能块的参数值；

响应所述参数的改变值来生成所述过程仿真信息；以及

呈现与所述多个装置的空间布局相关的所述过程仿真信息。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述从多台设备获取过程信息的步骤进一步包括：获取以下信息中的至少一个信息：(1)涉及所述多台设备的质量平衡；(2)涉及所述多台设备的能量平衡；(3)涉及所述多台设备的定制计算；以及(4)涉及所述多台设备的组成计算。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

将包括用于表示所述多台设备的多个图形化元素的指导员层图形存储在所述存储器中；以及

在所述显示器上呈现与所述多个装置的空间布局相关的所述指导员层图形。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述指导员层图形呈现于以下环境中的至少一种环境中：(1)在线过程控制环境；以及(2)离线过程控制环境。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述指导员层图形的离线过程控制环境呈现允许用户改变涉及所述多个图形化元素中的至少一个图形化元素的参数。

10.如权利要求7所述的方法，进一步包括提供图形显示编辑器以允许用户修改所述指导员级图形。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述图形显示编辑器提供多个显示模板，所述多个显示模板包括以下模板中的至少一个模板：(1)计算和控制模板；(2)特性和测量模板；(3)执行器模板；(4)处理模板；以及(5)定制模板。

12.如权利要求3所述的方法，进一步包括：

监控所述多台设备的性能；

生成涉及所述多台设备的性能的性能统计值；以及

呈现与所述多个装置的空间布局相关的所述性能统计值。

13.如权利要求3所述的方法，其中所述呈现来自多台设备的过程信息的步骤进一步包括：在便携式设备上呈现来自所述多台设备的过程信息。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述便携式设备无线连接至所述过程控制网络。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

生成用于提供所述便携式设备的位置的地理定位数据；以及

显示所述便携式设备相对于所述多个装置的空间布局的位置。

16.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

提供与所述多个装置的空间布局相关的过程仿真，所述过程仿真包括多个过程块；以及

将所述多个过程块中的各个过程块与多个过程图形元素中的至少一个元素相关联。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述过程块包括输入和输出连接，所述输入和输出连接中的各个连接具有若干个相关参数，所述相关参数包括以下参数中的至少一个参数：(1)连接质量；(2)质量流；(3)压力；(4)温度；(5)单位热；以及(6)密度。

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