CN110063044B - 可扩展模块化网络节点的通信和/或控制的***和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于在网络节点处的控制/网络节点的控制的方法和***。网络节点可以包括控制模块以及耦合到控制模块的第一模块和第二模块。第一模块可以被配置为选择在网络节点的I/O接口处耦合的现场设备的第一输入/输出(I/O)类型。第二模块可以被配置为选择现场设备的第二I/O类型。第一模块和第二模块可以通过现场设备耦合器来耦合到I/O接口。

Description

可扩展模块化网络节点的通信和/或控制的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年10月7日提交的第62/405,734号美国临时申请，以及于2016年12月14日提交的第62/434,107号美国临时申请的优先权和权益，其各自在此通过引用以其整体并入。
技术领域
本公开总体上针对用于工业过程控制的分布式控制模型。更具体地，本公开的各方面涉及用于形成工业过程控制***的一部分的可扩展的模块化网络节点的分布式过程控制的***和方法。
介绍
在当今的分布式控制***(DCS’)中，大容量控制节点通常被配置为执行大量的控制回路。常见的控制实现包括以固定周期(例如，时间的长度或部分、间隔等)和/或周期集来执行控制。例如，一些控制节点可以包括用于控制执行的单个固定周期，而其他更灵活的控制节点可以启用用于控制执行的多个固定周期(例如，被配置为并行运行)。控制理论表明，对于控制执行的采样周期与(或应当与)过程控制时间常数相关。但是，因为在精确的过程控制时间常数期间/对于精确的过程控制时间常数，不同的控制过程可以有很大的变化，所以固定周期控制不能完全与被控制的控制回路对准。此外，大容量控制节点通常消耗DCS’的高百分比的不同控制周期，部分原因是在控制节点处执行许多控制函数块和/或控制回路。此外，为了最大化大容量控制节点的成本效益，控制节点通常被填充到接近容量。因此，控制节点通常在向耦合的输入/输出(I/O)模块和/或现场设备发送控制输出之前完成所有控制函数块和/或控制回路的执行。换句话说，控制节点通常延迟向耦合的I/O模块和/或现场设备发送控制输出，直到接近控制周期的结束。这减少了从例如控制输出被发送到耦合的I/O模块和/或现场设备以及在随后的控制周期中接收相关过程测量所经过的时间。因此，与在控制周期中较早发送控制输出的其他控制模型相比，在DCS’中的控制质量可能会降低。因此，希望实现一种新的控制模型，该模型被配置成使得最终用户(end user)能够调谐例如，固定周期控制，以精确地与正被控制的控制回路对准(例如，固定周期控制与精确的时间常数对准)。此外，期望的是新的控制模型通过在控制周期中较早向耦合的I/O模块和/或现场设备发送控制输出来改善过程控制。
概述
本公开解决了一个或更多个上面提到的问题和/或展示了一个或更多个上面提到的期望的特征。从接下来的描述中，其他特征和/或优点可变得明显。
根据至少一个示例性实施例，本公开设想了模块化网络节点。模块化网络节点可以包括控制模块以及耦合到控制模块的第一和第二模块。第一模块可以被配置为选择在模块化网络节点的输入/输出(I/O)接口处耦合的现场设备的第一输入/输出(I/O)类型。第二模块可以被配置为选择现场设备的第二I/O类型。第一和第二模块可以通过第一现场设备耦合器来耦合到I/O接口。
根据另一示例性实施例，本公开设想了一种包括控制节点和单信号输入/输出(SSIO)模块的控制***。SSIO模块可以耦合到控制节点，并且被配置为：在第一持续时间内从耦合的现场设备收集第一组输入；监控收集的第一组输入的故障状况；在检测到故障状况时，在第二持续时间内收集第二组输入；以及，使用收集的第一组输入和收集的第二组输入来识别异常状况。
根据至少另一示例性实施例，本公开设想了一种控制***，其包括在网络节点处托管的主时间选通模块和SSIO/通用输入/输出(UIO)模块。SSIO/UIO模块可以包括控制模块和在控制模块处耦合的第一模块。第一模块可以被配置为：针对控制信息查询控制模块，并使用查询的控制信息来选择耦合的现场设备的I/O类型。主时间选通模块可以被配置为：从外部源接收时间更新；并且向控制模块发送指示SSIO/UIO模块使用时间更新来同步当前时间的第一消息。
附加的目的和优点将部分地在接下来的描述中被阐述，且部分地将从描述中明显，或者可以通过本公开和/或权利要求的实践来了解。这些目的和优点中的至少一些可以通过在所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现并获得。
应当理解，如所公开或主张的，前面的一般描述和下面的详细描述仅仅是示例性的和解释性的，而不是对本发明的限制。权利要求应当有资格享有其范围的完全广度，包括等同物。
附图简述
根据下面的详细描述，可以单独地或者与附图一起理解本公开。附图被包括以提供对本公开的进一步理解，并且被合并在本说明书中并构成本说明书的一部分。合并在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本公开的一个或更多个实施例，并与描述一起解释某些原理和操作。在附图中，
图1A是根据本公开的示例性实施例的被配置成实现可扩展的模块化控制架构的示例性过程控制***的示意图；
图1B是示出根据本公开的示例性实施例的图1A的示例性过程控制***的可扩展的模块化输入/输出(I/O)模块的平面图的示意图；
图1C是示出根据本公开的示例性实施例的在基板处耦合的图1B的可扩展的模块化I/O模块的截面图的示意图；
图1D是示出根据本公开的示例性实施例的在基板的第一槽处接合的图1B和图1C的可扩展的模块化I/O模块的截面图的示意图；
图1E是描绘了根据本公开的示例性实施例的用于使用在图1A中实现的控制架构来在可扩展的模块化I/O模块处实现过程控制的方法的图形表示；
图2是描绘了根据本公开的示例性实施例的用于使用在图1A中实现的控制架构来实现在可扩展的模块化I/O模块处耦合的现场设备的过程控制的方法的流程图；
图3是描绘了根据本公开的示例性实施例的用于使用在图1A中实现的控制架构来实现在可扩展的模块化I/O模块处耦合的现场设备的过程控制的另一方法的流程图；
图4A是根据本公开的示例性实施例的被配置成实现图1A的可扩展的模块化控制架构和时间选通同步的示例性过程控制***的示意图；
图4B是描绘了根据本公开的示例性实施例的在图4A中实现的时间选通同步以及对于控制回路的设定点变化的相关联的过程控制响应时间的图形表示；
图4C是示出根据本公开的示例性实施例的在资产处实现的图1A和图4A的可扩展的模块化控制架构的示意图；
图5是描绘了根据本公开的示例性实施例的用于使用图1A和图4A的可扩展的模块化控制架构在网络节点处检测异常状况的方法的流程图；
图6是描绘了根据本公开的示例性实施例的用于使用图1A和图4A的可扩展的模块化控制架构在网络节点处配置时间选通同步的方法的另一流程图；
图7描绘了示例性处理节点。
详细描述
本描述和附图示出了示例性实施例，且不应当被视为限制性的，权利要求限定本公开(包括等同物)的范围。可以做出各种机械、组成、结构、电气和操作变化而不偏离本描述和权利要求(包括等同物)的范围。在一些情况下，没有具体示出或描述公知的结构和技术，以免模糊本公开。在两个或更多个附图中的相似数字表示相同或相似的元件。此外，参考一个实施例详细描述的元件及其相关联的方面(无论何时只要是实际的)可以被包括在它们没有特别被示出或描述的其他实施例中。例如，如果参考一个实施例来详细描述元件而没有参考第二实施例来描述元件，则该元件仍然可以被主张为被包括在第二实施例中。
注意，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，除非明确地且毫不含糊地限于一个指称对象，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”以及任何单词的任何单数使用包括复数指称对象。如本文所使用的，术语“包括(include)”及其语法变型旨在是非限制性的，使得列表中的项目的陈述不排除可以被替换或添加到所列项目中的其他类似项目。
现在参考图1A，描绘了示例性过程控制***100的示意图。***100可以包括使用例如单独的通信总线(例如，电线、电缆、电路、光纤、无线信号、网络协议等)通过输入/输出(I/O)模块120、122A-122N、124、126、128A-128N来通信地耦合到控制节点130、132，网络节点134和/或网络136的现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N(例如，温度、流量、液位和压力变送器，阀门，致动器和/或其他智能过程设备等)。通信总线经由现场设备耦合器112、114A-114N、116A-116N、118将现场设备102、104、106、110A-110N、111A-111N、108连接到相应的I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N。
网络136可以是有线和/或无线通信网络，其使用例如物理和/或无线数据链路来在各个网络节点(诸如，例如现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，控制节点130、132和/或网络节点134)当中(或之间)传送网络数据。网络136可以包括局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网络(包括互联网)。网络136可以支持现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，控制节点130、132和/或网络节点134的一键通(PTT)、广播视频和/或数据通信。无线网络协议可以包括例如，MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、以太网/IP、IEC 61850、多媒体广播多播服务(MBMS)、码分多址(CDMA)1xRTT、全球移动通信***(GSM)、通用移动通信***(UMTS)、高速分组接入(HSPA)、演进数据优化(EV-DO)、EV-DOrev.A、第三代合作伙伴计划长期演进(3GPP LTE)、全球微波互联接入(WiMAX)等。有线网络物理层和/或有线网络协议可以包括例如，MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、IEC61850、IEC 61131、IEC 61499、以太网、快速以太网、千兆以太网、以太网/IP、本地通话(诸如，具有冲突避免的载波侦听多路访问)、令牌环、光纤分布式数据接口(FDDI)和异步传输模式(ATM)等。
网络节点134可以是独立计算设备、计算***或网络部件，其使用例如，物理和/或无线数据链路来在各个网络节点(诸如，例如现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，控制节点130、132和/或网络136)当中(或之间)传送网络数据。此外，网络节点和/或最终用户(未示出)可以访问网络节点134和/或网络数据(例如，存储在网络节点134、网络136和/或其他外部网络处托管的和/或在网络节点当中分布的中央数据存储中)，以控制操作(例如，使用算法和/或I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N实现简单反馈回路、级联回路、前馈、非线性和/或复杂表征控制策略)、管理功能(例如，优化、数据采集、警报检测、通知、监督、逻辑、定时和顺序控制以及例如，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N)和/或***100的维护功能。例如，网络节点和/或最终用户可以访问(例如，使用对等、中央和/或分布式数据存储等)存储在网络节点134、网络136和/或其他外部网络处的和/或在网络节点当中分布的网络数据，以便：改变变量值、改变过程控制函数、自动控制现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N以执行过程控制策略等。网络节点134可以包括移动性管理实体(MME)、归属用户服务器(HSS)、策略控制与计费规则功能(PCRF)、认证，授权和计费(AAA)节点、权限管理服务器(RMS)、用户供应服务器(SPS)、策略服务器等。其他网络节点或元件可以用于促进例如，网络节点134和网络136之间的通信，为了清楚起见，省略了这些网络节点或元件，包括附加的处理节点、路由器、网关以及用于在各种网络节点之间传送数据的物理和/或无线数据链路。
控制节点130、132可以是分布式的，可选地是高度可用的(例如，容错的、冗余的、M:N冗余等)和/或现场/机架室安装的网络节点，其被配置成为***100提供通信、控制操作、管理功能和/或维护功能。控制节点130、132可以被配置为单个和/或多个控制模块，其被配置为执行变化的操作和/或功能。此外，即使当网络节点134和/或网络136离线时，控制节点130、132也能够启用自托管模式，该模式有助于例如，在控制节点130、132处的自引导(self-boot)(例如，利用有效的控制数据库)。为了提高可用性，控制节点130、132可以实现高可用性方案，诸如，例如容错或其他配置(例如，冗余的，M:N冗余等)。例如，在容错配置中，控制节点130、132可以包括被配置为并行操作的多个控制模块。多个控制模块可以一起形成容错对。在控制模块的容错对之一处发生硬件故障的情况下，控制节点130、132可以继续操作。此外，控制模块的容错对中的每一个可以检测故障(例如，由于同时接收/处理信息的能力)，并且在故障检测时可以执行诊断以确定控制模块的容错对中的哪个控制模块有缺陷。容错对的无缺陷控制模块可以承担控制(例如，来自缺陷控制模块)，而不影响正常的***操作。在另一示例性实施例中，控制节点130、132可以被配置成支持在例如，时间选通和/或其他时间同步控制模块(未示出)处的时间同步。控制节点130、132可以接收和/或输出时间更新。例如，控制节点130、132可以使用来自GPS卫星的协调世界时(UTC)的外部维护的可选源(或其他外部的、用户选择的源)或使用配置的软件的内部源来直接接收时间更新。可选地，控制节点130、132可以从网络节点134和/或网络136接收指示控制节点130、132将当前时间与更新的时间进行同步的时间选通信号(或脉冲)。控制节点130、132可以相互输出时间选通信号(或脉冲)，将时间选通信号(或脉冲)输出到I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N和/或现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N，指示其他控制节点130、132，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，和/或现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N以将当前时间与更新的时间进行同步。除了GPS之外，时间同步控制模块还可以接收、输出、读取和/或写入数据类型、信号类型、网络物理层和/或网络协议，其例如包括：精确时间协议(PTP)、IEEE 1588、NTP、SNTP等。
如上所述，现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N可以直接地和/或通过I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N通信地耦合到控制节点130、132，网络节点134和/或网络136。现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N可以被配置为呈现高水平的故障恢复，并且当受到高水平的安全性和/或其他要求的限制时，可以包括高度可用(例如，容错、冗余、M：N冗余等)配置。此外，现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N可以被配置成以固定间隔(例如，时间的长度或部分、周期等)从例如，在部署在过程控制环境(未示出)内的智能资产或其他资产(例如，蒸馏塔、储罐、泵、热交换器等)处联网或嵌入的传感器捕获数据(例如，压力、温度、流量、液位、液体分析、阀门***高性能测量等)，和/或向该传感器输出该数据。可以使用通信总线经由现场设备耦合器112、114A-114N、116A-116N、118将捕获的数据从现场设备102、104、106、108、110A-110N、111A-111N转发(或中继)到I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N。I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N可以被配置成接收、输出、读取和/或写入不同的数据类型、信号类型和/或网络协议。例如，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N可以接收和/或输出数据和/或信号，包括：模拟输入/输出(AI/AO)信号、离散输入/输出(DI/DO)信号、数字输入/输出信号、4-20Ma输入/输出+HART信号、HART输入/输出信号、FOXCOM输入/输出信号、脉冲信号、NAMUR信号、T/C信号、RTD信号、光网络信号等。I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N还可以读取和/或写入无线/有线网络物理层和/或无线/有线网络协议，包括：MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、IEC 61850、MBMS、CDMA 1xRTT、GSM、UMTS、HSPA、EV-DO、EV-DOrev.A、3GPP LTE、WiMAX、以太网、快速以太网、千兆以太网、以太网/IP、本地通话、令牌环、FDDI、ATM等。
在一个示例性实施例中，现场设备110A-110N、111A-111N可以经由现场设备耦合器116A-116N以点对点和/或多点(multi-drop)配置来通信地耦合到I/O模块128A-128N。在两种配置中，现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N可以被预先配置为接收、输出、读取和/或写入特定的数据类型、信号类型和/或网络协议。在点对点配置中，每个现场设备110A-110N、111A-111N通过专用通信总线(例如，如图1A所示，八个现场设备可以连接到单个设备耦合器和/或I/O模块)接收和/或输出捕获的数据或其他数据到预先配置的现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N。由于现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N的配置，例如，如果在现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N的单个I/O接口(未示出)处发生故障，则整个现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N可能需要更换。换句话说，现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N具有高范围的故障(例如，如果故障发生在单个I/O接口处和/或现场设备耦合器116A-116N或I/O模块128A-128N发生故障，则任何耦合的现场设备110A-110N离线)，潜在地对正常***操作产生不利影响。因此，现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N通常被配置为并行操作的冗余(例如，容错对)现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N。如果容错对的一个现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N有缺陷(或故障)，则容错对的无缺陷现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N可以承担控制(例如，来自有缺陷或故障的现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N)。可选地，当过程控制***100需要添加新的现场设备110A-110N、111A-111N时，例如，如果现有的现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N处于满容量和/或现场设备耦合器116A-116N的I/O接口和/或I/O模块128A-128N没有被预先配置成接收、输出、读取和/或写入新添加的现场设备110A-110N、111A-111N的特定数据类型、信号类型和/或网络协议，则必须添加新的现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N。因为现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N通常支持八个、十六个和/或三十二个现场设备110A-110N、111A-111N，所以如果必须添加新的现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N，则现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N的成本效益可能会降低。
在多点配置中，现场设备110A-110N、111A-111N通过单个专用通信总线(或无线网络)接收和/或输出捕获的数据或其他数据，以预先配置(例如，构建为选择和/或接收、输出、读取和/或写入特定数据类型、信号类型和/或网络协议)现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N。由于现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N的配置，每个现场设备耦合器116A-116N和/或I/O模块128A-128N只能接收、输出、读取和/或写入单一的特定数据类型、信号类型和/或网络协议。例如，现场设备耦合器116A和/或I/O模块128A可以被配置成接收和/或输出AI/AO信号。因此，只有被配置成使用AI/AO信号来输出捕获的数据和/或其他数据的现场设备110A-110N可以通信地耦合到现场设备耦合器116A和/或I/O模块128A。类似地，现场设备耦合器116N和/或I/O模块128N可以被配置成接收和/或输出DI/DO信号。因此，只有被配置成使用DI/DO信号来输出捕获的数据和/或其他数据的现场设备111A-111N可以通信地耦合到现场设备耦合器116N和/或I/O模块128N。换句话说，被配置成使用AI/AO信号来输出捕获的数据和/或其他数据的现场设备110A-110N不能通信地耦合到被配置成接收和/或输出DI/DO信号的现场设备耦合器116N和/或I/O模块128N。I/O模块128A-128N和/或现场设备耦合器116A-116N(例如，被配置为支持现场设备110A-110N、111A-111N)可以经由I/O通信总线135通信地耦合到控制节点130、132、网络节点134和/或网络136。I/O通信总线135可以被配置成执行例如，RS-485串行协议和/或可以执行任何其他网络协议。
在另一示例性实施例中，现场设备102、104、106、108可以经由现场设备耦合器112、114A-114N、118以点对点和/或网络化配置来通信地耦合到I/O模块120、122A-122N、124、126。在点对点配置和网络化配置中，现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126都可以是预先配置的(例如，构建为选择和/或接收、输出、读取和/或写入任何数据类型、信号类型和/或网络协议)现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126。在点对点配置中，每个现场设备102、104、106、108通过单个专用通信总线来接收和/或输出捕获的数据或其他数据到预先配置的现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126。可选地，在网络化配置中，I/O模块120、122A-122N、124、126可以在多个现场设备102、104、106、108处选择和/或接收、输出、读取和/或写入任何数据类型、信号类型和/或网络协议，或者为该多个现场设备选择和/或接收、输出、读取和/或写入任何数据类型、信号类型和/或网络协议，该多个现场设备经由现场设备交换机网络(例如，在鸡脚(chicken foot)、菊花链(daisy-chain)和/或其他配置等中)在I/O接口处通信地耦合到I/O模块120、122A-122N、124、126。由于现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126的配置，例如，如果在现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126的I/O接口(未示出)处发生故障，则故障范围相对较低(例如，如果在I/O接口处发生故障和/或现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126发生故障，则只有单个现场设备离线)。虽然不是所期望的，但是现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126可以被配置为冗余(例如，容错对)现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126，它们是并行操作的。可选地，当过程控制***100需要添加新的现场设备102、104、106、108时，可以添加任何单个现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126。因此，现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126处的故障状况和/或故障对正常***操作的影响最小，尽管现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126可以被配置成容错对，但这不是必须的。因此，可以提高现场设备耦合器112、114A-114N、118和/或I/O模块120、122A-122N、124、126的成本效益。I/O模块120、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、114A-114N、118(例如，被配置为支持单个现场设备102、104、106、108)可以经由I/O通信总线137、139通信地耦合到控制节点130、132、网络节点134和/或网络136。I/O通信总线137、139可以被配置为执行例如，以太网、快速以太网、千兆以太网、以太网/IP或任何其他有线/无线物理层和/或网络协议。
现在参考图1B-1D，在一个示例性实施例中，I/O模块120(在图1A中示出)可以被配置为单信号输入/输出(SSIO)模块120A。SSIO模块120A可以包括UIO模块144、以太网/串行模块148、控制模块142和/或时间同步模块146A。在一个示例性实施例中，SSIO模块120A可以以点对点和/或网络化配置在UIO模块144和/或以太网/串行模块148处通信地耦合到单个现场设备102B和/或多个现场设备(例如，经由现场设备网络交换机以鸡脚、菊花链或其他配置)。现场设备102B可以经由单个现场设备耦合器112(例如，配置为终端组件(TA，termination assembly)112A)和/或在单个I/O接口140B处通信地耦合。在另一个实施例中，SSIO模块120A可以以点对点和/或网络化配置在接口140B处和/或在接口140A处经由TA112A来通信地耦合到UIO模块144处和/或以太网/串行模块148处的现场设备102A、102B。SSIO模块120A还可以经由I/O通信总线139通信地耦合到例如，控制节点130、网络节点134和/或网络136。
参考图1B，UIO模块144可以经由通信总线在TA 112A的I/O接口140B处通信地耦合到单个现场设备102B和/或多个现场设备(例如，经由现场设备网络交换机以鸡脚、菊花链或其他配置)。UIO模块144可以被构建为选择、接收、输出、读取和/或写入任何数据类型、信号类型和/或网络协议。例如，UIO模块144可以接收和/或输出数据和/或信号，包括：AI/AO信号、DI/DO信号、数字输入/数字输出信号、4-20Ma输入/输出+HART信号、HART输入/输出信号、FOXCOM输入/输出信号、脉冲信号、NAMUR信号、T/C信号、RTD信号、光网络信号等。UIO模块144还可以读取和/或写入无线/有线物理层和/或无线/有线网络协议，包括：MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、IEC 61850、MBMS、CDMA 1xRTT、GSM、UMTS、HSPA、EV-DO、EV-DOrev.A、3GPP LTE、WiMAX、以太网、快速以太网、千兆以太网、以太网/IP、本地通话、令牌环、FDDI、ATM等。以太网/串行模块148可以经由通信总线在TA 112A的I/O接口140B处(例如，直接地或通过UIO模块144)和/或在I/O接口140A处通信地耦合到单个现场设备102A、102B和/或多个现场设备(例如，经由现场设备网络交换机以鸡脚、菊花链或其他配置)。以太网/串行模块148可以被构建成选择、接收、输出、读取和/或写入任何数据类型、信号类型和/或网络协议。例如，以太网/串行模块148可以选择、读取和/或写入物理层和/或网络协议，包括：MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、IEC 61850、MBMS、CDMA 1xRTT、GSM、UMTS、HSPA、EV-DO、EV-DO rev.A、3GPP LTE、WiMAX、以太网、快速以太网、千兆以太网、以太网/IP、本地通话、令牌环，FDDI，ATM等。此外，UIO模块144和/或以太网/串行模块148可以在I/O接口140A、140B处接收电力(例如，使用通电的以太网网络或集线器)。
控制模块142可以被配置为针对通信地耦合的现场设备102A、102B和/或***100的分布式过程控制来控制通信、控制操作、管理功能和/或维护功能。此外，控制模块142可以检测(例如，配置的过程、过程控制***、部署在过程控制环境中的资产的)故障，并且在故障检测时，可以使用例如，事件序列(SoE)报告来执行诊断以识别异常事件。另外，控制模块142可以被配置成支持在例如，时间选通和/或其他时间同步控制模块146A处的时间同步。时间同步控制模块146A可以可选地被配置为冗余控制模块，以实现高可用性。在时间同步控制模块146A处，控制模块142可以使用来自GPS卫星的UCT的外部维护的可选源(或其他外部的、用户选择的源)或使用配置的软件的内部源来直接接收时间更新。可选地，在时间同步控制模块146A处，控制模块142可以从控制节点130、132、网络节点134和/或网络136接收时间选通信号(或脉冲)，指示控制模块142(例如，使用时间同步控制模块146A)将当前时间与更新的时间进行同步。控制模块142可以向其他SSIO模块122A-122N、124、126和/或现场设备102、102A、102B、104、106、108(例如，在图1A和图1B中示出)输出时间选通信号(或脉冲)，指示SSIO模块122A-122N、124、126和/或现场设备102、102A、102B、104、106、108将当前时间与更新的时间进行同步。当接收到输出时间选通信号(或脉冲)时，现场设备102A、102B、SSIO模块120A、控制节点130、网络节点134和/或网络136可以验证当前时间和/或更新的时间。在验证时，现场设备102A、102B，SSIO模块120A，控制节点130，网络节点134和/或网络136可以将当前时间“拨转(slam)”到更新的时间、将当前时间递增地“步进”到更新的时间、和/或忽略将当前时间同步到更新的时间的指令。时间同步控制模块146A可以接收、输出、读取和/或写入数据类型、信号类型、网络物理层和/或网络协议，其包括：PTP、IEEE1588、NTP、SNTP等。
参考图1A、图1C和图1D，故障冗余控制节点130、132可以安装在和/或耦合到针对控制节点130、132(未示出)可以被键控的在专用槽中的模块化安装结构158(例如，安装了DIN导轨的基板)上。此外，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N和/或SSIO模块120A、120B可以安装在和/或耦合到在相邻槽中、在主干141(例如，配置成将安装的和/或耦合的I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N和/或SSIO模块120A、120B连接在一起以形成单个和/或双重I/O通信总线135、137、139的***后板(backplane))处的安装结构158，和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、116A-116N、118(例如，被配置为TA，其可以包括耦合的现场终端和/或现场终端单元，并经由信号调节器(signal conditioner)150进行通信)。如上所述，I/O通信总线135、137、139可以将I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，SSIO模块120A、120B和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、116A-116N、118通信地耦合到控制节点130、132。控制节点130、132可以经由例如，通信总线桥154A、154B和/或网络交换机156A、156B来将I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，SSIO模块120A、120B和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、116A-116N、118通信地耦合到网络节点134和/或网络136。可选地，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，SSIO模块120A、120B和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、116A-116N、118可以绕过控制节点130、132，并且使用物理和/或无线数据链路(例如，经由通信总线桥154A、154B、网络交换机156A、156B和/或直接地)与网络节点134和/或网络136进行通信。模块化安装结构158还可以被配置为支持电力模块152(例如，被配置为向I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N，SSIO模块120A、120B和/或支持现场设备102、102A、102B、104、106、108、110A-110N、111A-111N的现场设备耦合器112、112A、114A-114N、116A-116N、118提供电力)，和/或在时间同步控制模块146B处的时间同步。时间同步控制模块146B可以通信地耦合到电力模块152和/或主干141。
在可选实施例中，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N和/或SSIO模块120A、120B可以直接安装在和/或耦合到DIN导轨(例如，不安装在基板上)。DIN导轨可以被配置成支持I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N和/或SSIO模块120A、120B。此外，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N和/或SSIO模块120A、120B可以使用通电的以太网网络或集线器在I/O接口140A、140B或端口(未示出)处被供电。
现在参考图1E，在一个示例性实施例中，在步骤160处，网络136、网络节点134和/或最终用户(例如，***工程师)可以针对控制节点130、132，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126，现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118和/或现场设备102、102A、102B、104、106、108定义控制信息(例如，控制操作、管理功能、维护功能、历史化服务、数据类型、信号类型、网络协议和/或其他信息)。所定义的控制信息可以安装在、输出到和/或上传到在网络节点处托管和/或在网络节点当中分布的工具配置模块。可选地，网络136和/或网络节点134可以将定义的控制信息存储在工具配置库处和/或指示工具配置模块从工具配置库中检索存储的控制信息。工具配置库可以在网络节点处托管和/或在网络节点当中分布。在步骤162处，工具配置模块可以将捕获的控制信息输出到控制节点130、132，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118。在步骤164处，使用捕获的控制信息，控制节点130、132，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以创建(或生成)控制函数，以识别、检测和/或选择通信地耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108的配置。控制函数可以包括存储在控制执行模块处/中的控制逻辑(例如，控制执行模块可以被配置成使用控制逻辑来执行函数块，诸如，例如，IEC 61131、IEC 61499等，和/或其他控制逻辑部件)。例如，在步骤166处，控制节点130、132，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以解析生成的控制函数，以识别、检测和/或选择通信耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108的数据类型、信号类型和/或网络协议类型(例如，输入类型和/或输出类型)。在识别、检测和/或选择输入类型和/或输出类型之后，控制节点130、132，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以配置I/O接口140A、140B来接收、输出、读取和/或写入通信耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108的输入类型和/或输出类型。此外，控制节点130、132，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以使用通信总线向/在通信耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108输出和/或写入控制函数。在步骤168处，当接收到控制函数时，控制节点130、132，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126，现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118和/或现场设备102、102A、102B、104、106、108可以初始化和/或验证I/O接口140A、140B处的操作。
在另一示例性实施例中，在步骤160处，最终用户可以针对SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126，现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118和/或现场设备102、102A、102B、104、106、108定义控制信息。在步骤166处，最终用户可以将所定义的控制信息安装、输出和/或上传到在SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126，现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118和/或现场设备102、102A、102B、104、106、108处托管和/或在其当中分布的工具配置库和/或直接上传到控制模块142。例如，在控制执行模块处执行安装的、输出的和/或上传的控制信息的SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以生成控制函数。此外，在步骤166处，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以解析生成的控制函数，并使用解析的控制函数来查询(或识别)通信耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108的数据类型、信号类型和/或网络协议类型。在步骤168处，使用查询的数据类型、信号类型和/或网络协议类型，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以针对耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108建立本地配置，并且与其他网络节点共享该本地配置。
在又一实施例中，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以发现通信耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108，并针对现场设备输入类型和/或输出类型来(例如，在控制执行模块处)查询所发现的现场设备102、102A、102B、104、106、108，以及基于该查询可以生成控制函数。此外，SSIO模块120、120A、122A-122N、124、126和/或现场设备耦合器112、112A、114A-114N、118可以解析生成的控制函数，并且使用解析的控制函数来针对耦合的现场设备102、102A、102B、104、106、108设置本地配置，并且与其他网络节点共享该本地配置。
现在参考图2，描绘了用于实现在网络节点处的过程控制的示例性方法的流程图。可以在图1A-1E中所示的示例性过程控制***100中实现该方法，或者用任何合适的控制***实现该方法。参考图1A-1E中示出的过程控制***100来讨论图2中示出的用于实现过程控制的方法。另外，尽管图2出于说明的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是这些方法不应当被视为对任何特定顺序或布置的限制。本领域中的技术人员结合该描述将认识到，可以以各种方式省略、重新排列、组合和/或修改方法的各个步骤。
在步骤202处，可以在网络节点处接收和/或配置来自第一网络节点的输入。例如，参考图1B，在一个示例性实施例中，第一现场设备102A可以通过SSIO模块120A通信地耦合到控制节点130、网络节点134和/或网络136。现场设备102A能够以固定间隔使用网络协议将在资产处收集的数据(例如，压力、温度、流量、液位、液体分析、阀门***高性能测量等)输出到SSIO模块120A的以太网/串行模块148的I/O接口140A，该网络协议诸如，例如：MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、IEC 61850、MBMS、CDMA1xRTT、GSM、UMTS、HSPA、EV-DO、EV-DO rev.A、3GPP LTE、WiMAX、以太网、快速以太网、千兆以太网、以太网/IP、本地通话、令牌环、FDDI、ATM等。
在步骤204、206和212-216处，来自第一网络节点的输入可以被缩放并用于控制第二网络节点。例如，在步骤204处，SSIO模块120A的以太网/串行模块148可以在I/O接口140A处接收来自现场设备102A的输出数据(例如，输入)，并且可以与控制模块142结合使用至少一个参数(例如，SCIX、输入类型、滞后(lag)、线性化、噪声、常模抑制(NMR)、输出等)来缩放输入。在步骤206处，控制模块142和/或以太网/串行模块148可以运行控制算法，该控制算法使用缩放的输入来生成控制输出。使用生成的控制输出，控制模块142和/或以太网/串行模块148还可以生成输出变量。可以在控制模块142、以太网/串行模块148和/或UIO模块144处实现生成的输出变量，以控制其他现场设备102B的操作、管理功能和/或维护功能。例如，在步骤212处，控制模块142和/或以太网/串行模块148可以对于至少第二现场设备102B将生成的输出变量转换成输出信号。在步骤214处，控制模块142和/或以太网/串行模块148可以将转换后的输出信号发送到例如，UIO模块144。控制模块142和/或UIO模块144可以检测通信耦合的现场设备102B的输入类型。在识别输入类型之后，控制模块142和/或UIO模块144可以进一步将输出信号转换成现场设备102B的输出类型(例如，使用输出协议值)。UIO模块144可以将转换后的输出信号输出到现场设备102B。例如，UIO模块144可以使用例如，输出信号(例如，经由现场设备耦合器112A和/或I/O接口140B)来向现场设备102B输出输出信号，该输出信号诸如，例如：AI/AO信号、DI/DO信号、数字输入/输出信号、4-20Ma输入/输出+HART信号、HART输入/输出信号、FOXCOM输入/输出信号、脉冲信号、NAMUR信号、T/C信号、RTD信号、光网络信号等。在步骤216处，使用UIO模块144的SSIO模块120A可以使用输出信号来配置输出变量值、改变过程控制函数和/或自动控制现场设备102B以执行控制策略。
在步骤208和210处，未缩放的输入和/或生成的输出变量可以在网络节点处被历史化和/或报告。例如，在步骤208处，SSIO模块120A的以太网/串行模块148可以在I/O接口140A处接收来自现场设备102A的输出数据(例如，输入)，并且可以与控制模块142结合在控制模块142处和/或在其他网络节点处或当中和/或在配置工具库中(未示出)存储(例如，历史化)未缩放的输入。同时，控制模块142和/或以太网/串行模块148可以运行控制算法，该控制算法使用缩放的输入来生成控制输出变量。以太网/串行模块148结合控制模块142可以在控制模块142处和/或在其他网络节点处或当中和/或在配置工具库中(未示出)存储(例如，历史化)生成的控制输出变量。在步骤210处，以太网/串行模块148、控制模块142和/或配置工具库可以在控制节点130、132、网络节点134和/或网络136处周期性地报告历史化的未缩放的输入和/或生成的控制输出变量。控制节点130、132、网络节点134和/或网络136可以将报告用于事件序列(SoE)报告。
现在参考图3，描绘了用于在网络节点处实现过程控制的示例性方法的流程图。可以在图1A-1E中所示的示例性过程控制***100中实现该方法，或者用任何合适的控制***实现该方法。参考图1A-1E中示出的过程控制***100来讨论图3中示出的用于实现过程控制的方法。另外，尽管图3出于说明的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是这些方法不应当被视为对任何特定顺序或布置的限制。本领域中的技术人员结合该描述将认识到，可以以各种方式省略、重新排列、组合和/或修改方法的各个步骤。
在步骤302处，可以在网络节点处接收和/或配置来自第一网络节点的输入。例如，参考图1A和图1B，在一个示例性实施例中，现场设备102A和/或现场设备102B可以通过SSIO模块120A通信地耦合到控制节点130、网络节点134和/或网络136。现场设备102A、102B能够以固定间隔使用不同的数据类型、信号类型和/或网络协议(例如，输入类型)将在资产处收集的数据(例如，压力、温度、流量、液位、液体分析、阀门***高性能测量等)输出到以太网/串行模块148的I/O接口140A、140B和/或SSIO模块120A的UIO模块144。
在步骤304、306和312-320处，来自第一网络节点的输入可以被缩放并用于控制第二网络节点。例如，在步骤304处，SSIO模块120A的以太网/串行模块148和/或UIO模块144可以在I/O接口140A处从现场设备102A和/或在I/O接口140B处从现场设备102B接收输出数据(例如，输入)。以太网/串行模块148、UIO模块144和/或控制模块142可以使用至少一个参数(例如，SCIX、输入类型、滞后、线性化、噪声、常模抑制(NMR)、输出等)来缩放输入。在步骤306处，以太网/串行模块148、UIO模块144和/或控制模块142可以运行控制算法，该控制算法使用缩放的输入来生成控制输出。使用生成的控制输出，以太网/串行模块148、UIO模块144和/或控制模块142可以进一步生成控制输出变量。在步骤312处，生成的输出变量可以存储(或历史化)在网络节点处托管和/或在其当中分布的中央数据存储(例如，工具配置库)处。例如，工具配置库可以托管在控制节点130处和/或分布在SSIO模块120、122A-122N、124、126当中(如图1A所示)；任何网络节点和/或最终用户都可以访问工具配置库。在步骤314处，SSIO模块124(如图1A所示)可以从工具配置库中检索历史化的控制输出变量。在步骤316处，SSIO模块124可以实现从工具配置库中检索的控制输出变量，以控制通信耦合的现场设备118的操作、管理功能和/或维护功能。例如，SSIO模块124可以对于耦合的现场设备118将控制输出变量转换成输出信号。在步骤318处，SSIO模块124(例如，在以太网/串行模块、UIO模块和/或控制模块处)可以检测通信耦合的现场设备102B的输入类型，并且在识别输入类型之后，可以进一步将输出信号转换成现场设备118的输出类型(例如，使用输出协议值)。SSIO模块124可以使用例如，输出信号将转换的输出信号输出到耦合的现场设备118，该输出信号诸如，例如：AI/AO信号、DI/DO信号、数字输入/输出信号、4-20Ma输入/输出+HART信号、HART输入/输出信号、FOXCOM输入/输出信号、脉冲信号、NAMUR信号、T/C信号、RTD信号、光网络信号等。可选地，SSIO模块124可以使用例如，网络协议将转换的输出信号输出到现场设备118，该网络协议诸如，例如：MODBUS、串行、IP、OPC、UA、OPC DA、SCADA、IEC61850、MBMS、CDMA 1xRTT、GSM、UMTS、HSPA、EV-DO、EV-DO rev.A、3GPP LTE、WiMAX、以太网、快速以太网、千兆以太网、以太网/IP、本地通话、令牌环、FDDI、ATM等。在步骤320处，SSIO模块124可以使用输出信号来配置输出变量值、改变过程控制函数和/或自动控制现场设备118以执行控制策略。
在步骤308和310处，未缩放的输入和/或生成的输出变量可以在网络节点处被历史化和/或报告。例如，在步骤308处，SSIO模块120A的以太网/串行模块148、UIO模块144和/或控制模块142可以在I/O接口140A处从现场设备102A和/或在I/O接口140B处从现场设备102B接收输出数据(例如，输入)。SSIO模块120A可以在控制模块142处和/或在其他网络节点处或在其它网络节点当中和/或在配置工具库中存储(例如，历史化)未缩放的输入。同时，以太网/串行模块148、UIO 144和/或控制模块142可以运行控制算法，该控制算法使用缩放的输入来生成控制输出变量。SSIO模块120A可以在控制模块142处和/或在其他网络节点处或在其他网络节点当中和/或在配置工具库中存储(例如，历史化)所生成的控制输出变量。在步骤310处，SSIO模块120和/或配置工具库可以周期性地报告在例如，控制节点130、132、网络节点134和/或网络136处的历史化的未缩放输入和/或生成的控制输出变量。控制节点130、132、网络节点134和/或网络136可以将报告用于SoE。
现在参考图4A-4C，描绘了示例性过程控制***400的示意图和图形表示。***400可以包括使用例如I/O通信总线435、437、439通过SSIO模块420、422A-422N、426或基础现场总线模块(FBM)428A来通信地耦合到网络436、网络节点434和/或控制节点430、432的现场设备402、404、406、408、410A-410N(例如，温度、流量、液位和压力变送器，智能阀门，致动器等)。独立的通信总线(例如，电线、电缆、电路、光纤、无线信号、网络协议等)经由现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418连接现场设备402、404、406、408、410A-410N。***400还可以包括时间同步模块446A、446B、446C。
时间同步模块446A、446B、446C可以在现场设备402、404、406、408、410A-410N，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418，SSIO模块420、422A-422N、426，FBM 428A，控制节点430、432，网络节点434和/或网络436处托管和/或在其当中分布。时间同步模块446A、446B、446C可以被配置为支持时间同步，并且可以接收和/或输出时间更新。例如，时间同步模块446A、446B、446C可以使用来自GPS卫星的UTC的外部维护的可选源(或其他外部的、用户选择的源)或使用配置的软件的内部源来直接接收时间更新。可选地，时间同步模块446A、446B、446C可以接收来自其他时间同步模块446A、446B、446C的输出时间选通信号(或脉冲)和/或向该其他时间同步模块446A、446B、446C输出该时间选通信号(或脉冲)；时间选通信号(或脉冲)指示时间同步模块446A、446B、446C将当前时间与更新的时间进行同步。此外，时间同步模块446A、446B、446C可以将时间选通信号(或脉冲)输出到现场设备402、404、406、408、410A-410N，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418，SSIO模块420、422A-422N、426，FBM 428A，控制节点430、432，网络节点434和/或网络436，指示现场设备402、404、406、408、410A-410N，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418，SSIO模块420、422A-422N、426，FBM 428A，控制节点430、432，网络节点434和/或网络436将当前时间与更新的时间进行同步。时间同步模块446A、446B、446C可以接收、输出、读取和/或写入数据类型、信号类型、物理层和/或网络协议，其包括：PTP、IEEE 1588、GPS、NTP、SNTP等。时间同步模块446A、446B、446C可以收集SoE和/或TDR/TDA报告。
现在参考图5，描绘了使用可扩展的模块化控制架构来检测异常状况的示例性方法的流程图。可以在图1A-1E所示的示例性过程控制***100中、在图4A-4C所示的示例性过程控制***400中或者用任何合适的控制***来实现该方法。参考图1A-1E中示出的过程控制***100且参考图4A-4C中示出的过程控制***400，讨论了用于检测图5中示出的异常状况的方法。另外，尽管图5为了说明的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是这些方法不应当被视为限于任何特定顺序或布置。本领域中的技术人员结合该描述将认识到，可以以各种方式省略、重新排列、组合和/或修改方法的各个步骤。
在步骤502处，可以在网络节点处实现UIO模块。例如，参考图1B和图4A，在一个示例性实施例中，SSIO模块420可以被配置为SSIO/UIO模块。SSIO/UIO模块420能够以点对点和/或网络化配置通信地耦合到现场设备402。SSIO/UIO模块420还可以经由I/O通信总线439通信地耦合到例如，控制节点430、网络节点434和/或网络436。SSIO/UIO模块420可以包括UIO模块144、以太网/串行模块148、控制模块142和/或时间同步模块146A(图1B中示出)。可选地，时间同步模块446A、446B、446C可以托管在其他网络节点处和/或分布在其他网络节点当中。UIO模块144和/或以太网/串行模块148可以可选地启用、禁用和/或连接到网络交换机。
在步骤504和506处，可以监控网络节点的故障状况。参考图1B和图4A，在一个示例性实施例中，如果例如，控制过程、过程控制***400和/或部署在过程控制环境内的资产的状况满足设定标准和/或超过阈值，则控制模块142可以在SSIO/UIO模块420处启用(或触发)SoE和/或TDR/TDA报告。例如，SoE报告可以包括SoE输出数据(例如，来自现场设备402的离散数据输出，在SSIO/UIO模块420处以固定时间间隔加时间戳)，并且TDR/TDA报告可以包括TDR/TDA输出数据(例如，来自现场设备402的模拟或数字数据输出、在SSIO/UIO模块420处以固定时间间隔加时间戳)。SoE报告和/或TDR/TDA报告可以被发送到控制节点430、432、网络节点434和/或网络436。在504处，现场设备402可以在UIO模块144和/或以太网/串行模块148处通信地耦合到SSIO/UIO模块420。现场设备402可以被配置成以固定时间间隔(例如，“预数据(pre-data)”输入的)输出从资产(未示出)中收集的数据(例如，压力、温度、流量、液位、液体分析、阀门***高性能测量等)。预数据输入可以使用例如，时间同步模块146A被加时间戳，并由现场设备402在预数据SoE和/或TDR/TDA报告中在UIO模块144、以太网/串行模块148和/或控制模块142处报告。在步骤506处，在SSIO/UIO模块420处，控制模块142可以在第一设定持续时间内收集、存储和/或监控来自现场设备402的预数据SoE和/或TDR/TDA报告。第一设定持续时间可以对应于在SSIO/UIO模块420的控制模块142检测到故障状况之前的第一预先配置的时间窗口。
在步骤508处，可以在网络节点处收集预数据输入的跳闸后集合(post-tripset)。例如，参考图1B和图4A，当在步骤506处检测到故障状况时，控制模块142可以指示现场设备以固定时间间隔(例如，预数据输入的“跳闸后集合”)从资产(未示出)捕获和/或输出数据。预数据输入的跳闸后集合可以使用例如，时间同步模块146A来被加时间戳，并由现场设备402在SoE和/或TDR/TDA报告的跳闸后集合中在UIO模块144、以太网/串行模块148和/或控制模块142处报告。在SSIO/UIO模块420处，控制模块142可以在第二设定持续时间内收集、存储和/或监控来自现场设备402的SoE和/或TDR/TDA报告的跳闸后集合。第二设定持续时间可以对应于在SSIO/UIO模块420的控制模块142检测到故障状况之后的第二预先配置的时间窗口。
在步骤510-512处，网络节点可以使用跳闸前(pre-trip)数据输入和/或预数据输入的跳闸后集合来生成更新的SoE和/或TDR/TDA报告。例如，在步骤510处，控制模块142可以收集和/或组合SoE和/或TDR/TDA报告的跳闸前集合和SoE和/或TDR/TDA报告的跳闸后集合。使用收集的和/或组合的SoE和/或TDR/TDA报告的跳闸前/跳闸后集合，控制模块142可以生成更新的SoE和/或TDR/TDA报告。在步骤512处，控制模块142和/或最终用户可以使用更新的SoE和/或TDR/TDA报告来识别(或检测)例如，控制过程、过程控制***400和/或部署在过程控制环境内的资产的异常状况。在步骤514处，控制模块142可以基于所识别的异常状况来实施防范措施。
现在参考图6，描绘了用于在网络节点处使用可扩展的模块化控制架构配置时间选通同步的示例性方法的流程图。可以在图1A-1E所示的示例性过程控制***100中、在图4A-4C所示的示例性过程控制***400中或者用任何合适的控制***来实现该方法。参考图1A-1E中示出的过程控制***100且参考图4A-4C中示出的过程控制***400，讨论了用于配置图6中示出的时间选通同步的方法。另外，尽管图6为了说明的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是这些方法不应当被视为限于任何特定顺序或布置。本领域中的技术人员结合该描述将认识到，可以以各种方式省略、重新排列、组合和/或修改方法的各个步骤。
在步骤602和604处，可以在控制模块和/或托管在网络节点处的应用处配置时间选通。例如，参考图1B、图1D和图4A，例如在网络节点434的控制模块(未示出)处托管的主时间同步模块446A可以支持时间同步。主时间同步模块446A能够以主从关系被配置，其中其它主从时间同步模块配置在例如，控制节点430、432，SSIO/UIO模块420、422A-422N、426，FBM模块428A，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418和/或现场设备402、404、406、408、410A-410N处的不同层次级处。在一个示例性实施例中，主时间同步模块446A可以使用来自GPS的UTC的外部维护的可选源或者使用配置的软件的内部源来直接接收时间更新。主时间同步模块446A可以使用第一多播消息(例如，MBMS协议)向配置在例如，控制节点430、432处的主从时间同步模块446B、446C输出时间选通信号(或脉冲或其他触感、触觉和/或视觉反馈)。第一多播消息可以指示主从时间同步模块446B、446C将当前时间与更新的时间进行同步(例如，在脉冲处的主时间同步模块446A处的更新的时间是下午4:01)。
在步骤606处，在将当前时间与更新的时间进行同步之前，主从时间同步模块446B、446C可以在控制节点430、432处执行第一多播消息的第一验证。如果在步骤606处，第一多播消息有效，则控制节点430、432可以通过将当前时间“拨转”和/或“增量步进”到更新的时间来将当前时间与更新的时间进行同步。可选地，控制节点430、432可以忽略多播消息。
在步骤608处，如果在步骤606处，第一多播消息有效，则主从时间同步模块446B、446C可以使用第二多播消息(例如，MBMS协议)将时间选通信号(或脉冲或其他触感、触觉和/或视觉反馈)输出到配置在例如，SSIO/UIO模块420、422A-422N、426，FBM模块428A，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418和/或现场设备402、404、406、408、410A-410N处的主从时间同步模块146A。第二多播消息可以包括第一多播消息，并且指示配置在SSIO/UIO模块420、422A-422N、426，FBM模块428A，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418和/或现场设备402、404、406、408、410A-410N处的主从时间同步模块146A将当前时间同步到已验证的更新的时间(例如，在脉冲处的主时间同步模块446A处的更新的时间是下午4：01)。
在步骤610处，在将当前时间与更新的时间进行同步之前，配置在SSIO/UIO模块420、422A-422N、426，FBM模块428A，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418和/或现场设备402、404、406、408、410A-410N处的主从时间同步模块146A可以在控制模块142处执行第一多播消息的第二验证和/或第二多播消息的第一验证。如果在步骤610处，第一多播消息和/或第二多播消息有效，则控制模块142可以通过将当前时间“拨转”和/或“增量步进”到更新的时间来将当前时间与更新的时间进行同步。可选地，控制模块142可以忽略第一多播消息和/或第二多播消息。
在一个示例中，参考图4B和图4C，描绘了过程控制的示例。例如，在一个示例性实施例中，使用液位变送器(LT)478在流体储罐474处闭环收集当前液位的测量值480。储罐液位控制器486可以实现PID控制算法。PID控制算法使用三个独立的分量来有效地提供控制：比例控制、积分控制和微分控制。这三个分量中的每一个都使用控制误差(例如，测量值480和期望的储罐液位设定点482之间的差值)来影响算法输出。算法输出484可以被发送到控制阀门470，以打开和/或关闭控制阀门470，从而实现期望的设定点482。仅使用比例控制，储罐液位控制器486稳定在输出值484，该输出值在测量值480和储罐液位设定点482之间留下偏移。例如，如果储罐液位设定点482被设定在4.0英尺，那么仅使用比例控制，储罐液位可以稳定在3.75英尺。为了补偿该偏移，可以使用积分控制。例如，积分控制可以用于连续调节输出值484，直到偏移已经消除并且测量值480和期望的储罐液位设定点482完全匹配。此外，微分控制可以被添加到积分控制中，以使对设定点变化的控制响应时间增加。积分项和微分项使用采样间隔时间。
通常，对于控制算法(例如，PID、MPC等)，不准确的时间值可能被解释为有噪声的过程测量数据。图4B示出了阶跃变化的示例性一阶过程响应曲线。在一个示例性实施例中，控制节点430、432，SSIO/UIO模块420、422A-422N、426，FBM模块428A，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418和/或现场设备402、404、406、408、410A-410N可以实现需要以固定时间间隔(诸如，例如每0.5秒)测量的控制算法。因为0.5秒的真值约为0.63秒(A)，所以如果所需的测量值实际上是在0.4秒(B)处进行的，那么实际值为0.55被提供给控制算法。不准确的时间值对控制性能的影响可能取决于控制算法、控制算法的实现和/或控制过程。例如，图4B示出了通用PID算法的积分和微分动作。在特定时刻处的积分和/或微分动作PID算法如下所示。这里，Ts是块执行时间，∈是随机方差，f是过程响应，ts是时间索引，KI是积分增益，以及KD是微分增益。
0.5×KI(f(ts+∈)+f(ts+1+∈))TS(1)
如果函数是一阶过程，其中τ是过程时间常数，则可以通过相对方差对每个项进行微分来确定PID算法的输出对时间值的方差的灵敏度。以下是PID算法的积分项和微分项的值：
如上所示，当过程时间常数τ小且增益大时，积分项和微分项对时间值的误差最敏感。换句话说，积分项和微分项对紧密调谐的控制节点和/或模块最敏感。另外，当功能块执行和/或过程回路控制时间较大时，积分动作对时间值误差更敏感。相反，微分动作不太敏感。此外，当功能块执行和/或过程回路控制时间小时，积分动作对时间值误差不太敏感，而微分动作更敏感。所提供的方程表明了时间在控制器算法中的重要性。如果将正确的采样时间值用于控制器输出计算，则可以提高控制性能。控制算法可以利用正确的时间值并且用预期采样周期来补偿任何变化。只有当共享控制和I/O数据的控制节点之间时间同步时，正确的采样时间值才可用。在高度分布式的控制***中，准确的时间戳信息变得越来越重要。为了实现这种准确度，例如，控制节点430、432，SSIO/UIO模块420、422A-422N、426，FBM428A，现场设备耦合器412、414A-414N、416A、418和/或现场设备402、404、406、408、410A-410N之间的时间同步是至关重要的。
图7示出了网络***中的示例性处理节点700。处理节点700可以包括通信接口702、用户接口704以及与通信接口702和用户接口704通信的处理***706。处理***706包括储存装置708，该储存装置708可以包括磁盘驱动器、闪存驱动器、存储器电路或其他存储器设备。储存装置708可以存储在处理节点700的操作中使用的软件710。储存装置708包括磁盘驱动器、闪存驱动器、数据储存电路或一些其他存储器装置。软件710可以包括计算机程序、固件或某个其他形式的机器可读指令，包括操作***、实用程序、驱动程序、网络接口、应用或某个其他类型的软件。处理***706可以包括微处理器和其他电路，以从储存装置708中检索并执行软件710。处理节点700还可以包括为清楚而被省略的其他部件，诸如电力管理单元、控制接口单元等。通信接口702允许处理节点700与其他网络元件通信。用户接口704允许对处理节点700的操作进行配置和控制。
处理节点700的示例可以包括网络节点134、434，控制节点130、132、430、432，控制模块142，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N、420、422A-422N、426，FBM 428A，设备耦合器112、112A、114A-114N、116A-116N、118、412、414A-414N、416A、418，现场设备102、104、106、108、110A-110N、402、404、406、408、410A-410N，UIO模块144，以太网/串行模块148，和/或时间同步模块146A、146B、446A、446B、446C。处理节点700还可以是网络元件的部件，诸如网络节点134、434，控制节点130、132、430、432，控制模块142，I/O模块120、122A-122N、124、126、128A-128N、420、422A-422N、426，FBM 428A，设备耦合器112、112A、114A-114N、116A-116N、118、412、414A-414N、416A、418，现场设备102、104、106、108、110A-110N、402、404、406、408、410A-410N，UIO模块144，以太网/串行模块148，和/或时间同步模块146A、146B、446A、446B、446C的部件。处理节点700也可以是网络***中的另一个网络元件。此外，处理节点700的功能可以分布在网络***的多个网络元件上。
可以在执行体现在计算机可读记录介质上的计算机可读代码或通过瞬态介质发送的信号的处理***的控制下执行所描述的示例性方法和***。计算机可读记录介质可以是能够存储由处理***可读取的数据的任何数据储存设备，并且包括易失性和非易失性介质、可移除和不可移除介质，并且设想由数据库、计算机和各种其他网络设备可读取的介质。
计算机可读记录介质的示例包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除电可编程ROM(EEPROM)、闪存或其他存储技术、全息介质或其他光盘储存装置、包括磁带和磁盘的磁性储存装置、以及固态储存设备。计算机可读记录介质也可以分布在网络耦合的计算机***上，使得计算机可读代码以分布式方式被存储并执行。通过瞬态介质传输的信号可以包括例如，通过有线或无线传输路径传输的调制的信号。
考虑到本文中的本公开内容和权利要求的说明书和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员是明显的。意图是说明书和示例仅被认为是示例性的，其中范围由权利要求(包括等同物)指示。
在下文的一个或更多个实施例中可实现本公开的各方面：
1)一种模块化网络节点，所述模块化网络节点包括：
控制模块；
第一模块，其耦合到所述控制模块，所述第一模块被配置为选择在所述模块化网络节点的第一输入/输出(I/O)接口处耦合的第一现场设备的第一输入类型和/或第一输出类型；以及
第二模块，其耦合到所述控制模块，所述第二模块被配置为选择在所述模块化网络节点的所述第一I/O接口处耦合的所述第一现场设备的第二输入类型和/或第二输出类型，
其中，所述第一模块和/或所述第二模块通过第一现场设备耦合器来耦合到所述第一I/O接口。
2)根据1)所述的模块化网络节点，其中，所述模块化网络节点被配置为单信号输入/输出(SSIO)模块。
3)根据2)所述的模块化网络节点，其中，所述第一模块被配置为通用输入/输出(UIO)模块，并且所述第二模块被配置为以太网/串行模块。
4)根据3)所述的模块化网络节点，其中，所述第一输入类型和/或所述第一输出类型是包括以下中的至少一个的信号：模拟输入/输出(AI/AO)信号、离散输入/输出(DI/DO)信号、数字输入/数字输出信号、4-20Ma输入/输出+HART信号、HART输入/输出信号、FOXCOM输入/输出信号、脉冲信号、NAMUR信号、T/C信号、RTD信号和/或光网络信号。
5)根据3)所述的模块化网络节点，其中，所述第二输入类型和/或所述第二输出类型是物理层和/或网络协议，所述物理层和/或网络协议包括以下中的至少一个：MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、IEC 61850和/或以太网/IP。
6)根据1)所述的模块化网络节点，其中，所述第一现场设备耦合器被配置为终端组件(TA)，所述TA被配置为：
使用信号调节器来与所述模块化网络节点的所述第一模块和所述第二模块进行通信；以及
在安装结构的第一槽处耦合所述模块化网络节点。
7)根据6)所述的模块化网络节点，其中，所述TA包括现场终端和现场终端单元。
8)根据1)所述的模块化网络节点，其中，所述控制模块被配置为：
针对所述第一模块和所述第二模块生成控制函数，所述控制函数是使用存储在控制执行模块处的控制逻辑来生成的；
解析生成的控制函数；以及
使用所解析的控制函数来查询所述第一现场设备。
9)根据8)所述的模块化网络节点，其中，所述控制模块还被配置为：
使用所述查询来配置所述第一I/O接口；以及
将所述生成的控制函数输出到所述第一现场设备。
10)根据9)所述的模块化网络节点，其中，所述第一现场设备在接收到所述生成的控制函数时被配置为：
初始化操作；以及
验证所初始化的操作。
11)根据1)所述的模块化网络节点，其中，所述第二模块包括第二I/O接口，所述第二I/O接口被配置为接收电力输入和/或第二现场设备。
12)一种控制***，所述控制***包括：
控制节点；以及
单信号输入/输出(SSIO)模块，其耦合到所述控制节点，所述SSIO模块被配置为：
在第一持续时间内从耦合的现场设备收集第一组输入；
监控所收集的第一组输入的故障状况；
在检测到故障状况时，在第二持续时间内收集第二组输入；以及
使用所述收集的第一组输入和所收集的第二组输入来识别异常状况。
13)根据12)所述的控制***，其中，所述SSIO模块进一步安装在主干和现场设备耦合器处的模块化安装结构上。
14)根据13)所述的控制***，其中，所述安装结构是安装了DIN导轨的基板或DIN导轨。
15)根据12)所述的控制***，其中，所述SSIO模块被配置为访问存储于在所述控制节点处托管的集中式数据存储处的网络数据。
16)根据12)所述的控制***，其中，所述SSIO模块被配置为访问存储在所述控制节点处和/或其他网络节点处的网络数据。
17)根据12)所述的控制***，其中，所述SSIO模块还被配置为：
在检测到所述故障状况时，使用所述第一组输入和所述第二组输入生成SoE和/或TDR/TDA报告；
使用生成的SoE和/或TDR/TDA报告来识别所述异常状况；以及
基于所识别的异常状况来实施防范措施。
18)一种控制***，所述控制***包括：
主时间选通模块，其托管在网络节点处；以及
单信号输入/输出(SSIO)/通用输入/输出(UIO)模块，所述SSIO/UIO模块包括：
控制模块；以及
至少第一模块，其耦合到所述控制模块，所述第一模块被配置为：
针对控制信息查询所述控制模块，以及
使用所查询的控制信息来选择耦合的现场设备的输入/输出(I/O)类型，
其中，所述主时间选通模块被配置为：
从外部源接收时间更新；以及
向所述控制模块发送指示所述SSIO/UIO模块使用所述时间更新来同步当前时间的第一消息。
19)根据18)所述的控制***，其中，所述第一消息是多播消息，使用时间选通信号将所述第一消息发送到所述控制模块。
20)根据19)所述的控制***，其中，在接收到所述第一消息时，所述SSIO/UIO模块初始化和/或验证所述时间更新。

Claims (10)

1.一种模块化网络节点，所述模块化网络节点包括：
控制模块；
第一模块，其耦合到所述控制模块，所述第一模块被配置为选择在所述模块化网络节点的第一输入/输出I/O接口处耦合的第一现场设备的第一输入类型和/或第一输出类型；以及
第二模块，其耦合到所述控制模块，所述第二模块被配置为选择在所述模块化网络节点的所述第一I/O接口处耦合的所述第一现场设备的第二输入类型和/或第二输出类型，
其中，所述第一I/O接口可配置为接收、输出、读取和/或写入所选择的第一输入类型和/或第一输出类型，并且还可配置为接收、输出、读取和/或写入所选择的第二输入类型和/或第二输出类型，以及
其中，所述第一模块和/或所述第二模块通过第一现场设备耦合器来耦合到所述第一I/O接口；
其中，所述控制模块被配置为：
针对所述第一模块和所述第二模块生成控制函数，所述控制函数是使用存储在控制执行模块处的控制逻辑来生成的；
解析生成的控制函数；以及
使用所解析的控制函数来查询所述第一现场设备；
其中，所述控制模块还被配置为：
使用所述查询来配置所述第一I/O接口；以及
将所述生成的控制函数输出到所述第一现场设备。
2.根据权利要求1所述的模块化网络节点，其中，所述模块化网络节点被配置为单信号输入/输出SSIO模块。
3.根据权利要求2所述的模块化网络节点，其中，所述第一模块被配置为通用输入/输出UIO模块，并且所述第二模块被配置为以太网/串行模块。
4.根据权利要求3所述的模块化网络节点，其中，所述第一输入类型和/或所述第一输出类型是包括以下中的至少一个的信号：模拟输入/输出AI/AO信号、离散输入/输出DI/DO信号、数字输入/数字输出信号、4-20Ma输入/输出+HART信号、HART输入/输出信号、FOXCOM输入/输出信号、脉冲信号、NAMUR信号、T/C信号、RTD信号和/或光网络信号。
5.根据权利要求3所述的模块化网络节点，其中，所述第二输入类型和/或所述第二输出类型是物理层和/或网络协议，所述物理层和/或网络协议包括以下中的至少一个：MODBUS、串行、IP、OPC UA、OPC DA、SCADA、IEC 61850和/或以太网/IP。
6.根据权利要求1所述的模块化网络节点，其中，所述第一现场设备耦合器被配置为终端组件TA，所述TA被配置为：
使用信号调节器来与所述模块化网络节点的所述第一模块和所述第二模块进行通信；以及
在安装结构的第一槽处耦合所述模块化网络节点。
7.根据权利要求6所述的模块化网络节点，其中，所述TA包括现场终端和现场终端单元。
8.根据权利要求1所述的模块化网络节点，其中，所述第一现场设备在接收到所述生成的控制函数时被配置为：
初始化操作；以及
验证所初始化的操作。
9.根据权利要求1所述的模块化网络节点，其中，所述第二模块包括第二I/O接口，所述第二I/O接口被配置为接收电力输入和/或第二现场设备。
10.根据权利要求1所述的模块化网络节点，其中第一I/O接口可由所述模块化网络节点和/或第一现场设备耦合器配置。
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