專利名稱：用于虛擬化過程控制系統(tǒng)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常與過程控制系統(tǒng)相關(guān)，更特別地，與用于虛擬化過程控制系統(tǒng)的方法和設(shè)備相關(guān)。
背景技術(shù)：
如那些用于化學(xué)，石油或其他過程的過程控制系統(tǒng)，典型地包括一個或多個過程控制器和輸入/輸出(I/o)設(shè)備，通過模擬，數(shù)字或模/數(shù)混合總線，該輸入/輸出設(shè)備被通信地耦接到至少一個主機(jī)站或操作員站，以及耦接到一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。該些現(xiàn)場設(shè)備，例如是閥門，閥門定位器，開關(guān)，發(fā)射機(jī)(如溫度，壓力和流速傳感器)，在執(zhí)行該過程內(nèi)的過程控制功能，如打開或關(guān)閉閥門，和測量過程控制參數(shù)。該過程控制器接收指示了該現(xiàn)場設(shè)備所進(jìn)行的過程測量的信號，處理此信息以實現(xiàn)控制例程，并產(chǎn)生控制信號，該控制信號通過該總線或其他通信線路傳送到該現(xiàn)場設(shè)備以控制該過程的操作。在這種方式下，該過程控制器可通過該總線和/或其他通信鏈接，使用該現(xiàn)場設(shè)備來實施和協(xié)調(diào)控制策略，該通信鏈接通信地耦接該現(xiàn)場設(shè)備。來自該現(xiàn)場設(shè)備和該些控制器的過程信息對于該操作員工作站(如基于處理器的系統(tǒng))所實施的一個 或多個應(yīng)用(即軟件程序，程序等)是可用的，以使操作員能夠執(zhí)行關(guān)于該過程的所需功能，如查看該過程的當(dāng)前狀態(tài)(例如通過圖形用戶接口)，評估該過程，調(diào)整該過程的操作(如通過視覺對象圖)等。許多過程控制系統(tǒng)也包括一個或多個應(yīng)用站。典型地，這些應(yīng)用站利用個人電腦，工作站，或類似物而被實現(xiàn)，該個人電腦，工作站，或類似無通過局域網(wǎng)(LAN)耦接至該控制器，操作員工作站，和該過程控制系統(tǒng)內(nèi)的其他系統(tǒng)。每個應(yīng)用站包括圖形用戶接口，該圖形用戶接口顯示了該過程控制信息，包括過程變量值，與該過程相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)值，過程故障檢測信息，和/或過程狀態(tài)信息。

發(fā)明內(nèi)容
一種示例過程控制系統(tǒng)包括服務(wù)器集群，該服務(wù)器集群包括一個或多個服務(wù)器。該服務(wù)器集群在操作時提供:虛擬工作站或虛擬服務(wù)器；虛擬控制器，該虛擬控制器用于與該虛擬工作站或服務(wù)器交互操作，并用于進(jìn)行過程控制操作；和虛擬輸入/輸出設(shè)備，該虛擬輸入/輸出設(shè)備用于與該虛擬控制器交互操作，并被耦接到在過程控制系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。另一種示例過程控制系統(tǒng)包括多核處理單元。該多核處理單元在操作時提供:虛擬控制器，該虛擬控制器用于與工作站或服務(wù)器交互操作，并用于進(jìn)行過程控制操作；和虛擬輸入/輸出設(shè)備，該虛擬輸入/輸出設(shè)備用于與該虛擬控制器交互操作，并被耦接到在過程控制系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。一種示例的控制過程系統(tǒng)的方法包括:建立虛擬工作站或虛擬服務(wù)器,建立虛擬控制器，以與該虛擬工作站或服務(wù)器交互操作，并進(jìn)行過程控制操作；和建立虛擬輸入/輸出設(shè)備，以與該虛擬控制器交互操作。


圖1描述了已知的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2描述了具有遠(yuǎn)程部分的已知控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖3A和圖3B描述了包括完全集成的工廠功能的、另一個已知控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖4描述了另一個已知控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖5A和圖5B描述了數(shù)字控制系統(tǒng)的物理方面。圖6描述了可用于控制系統(tǒng)使用的顯示，控制策略和告警配置。圖7描述了虛擬化工 作站和/或服務(wù)器的一個示例方式。圖8描述了控制系統(tǒng)可被虛擬化的一個示例方式。圖9和圖10描述了可用于進(jìn)行圖8所示的該虛擬化的示例結(jié)構(gòu)。圖11描述了虛擬化控制系統(tǒng)的物理方面。。
具體實施例方式盡管下面描述了示例方法和設(shè)備，其除了其他器件之外還包括在硬件上執(zhí)行的軟件和/或固件，應(yīng)該注意的是這些示例僅是說明性的而不應(yīng)被視為限制性的。例如，可以設(shè)想，硬件，軟件和固件組件中的任意或所有都可以被實體化在單獨硬件，單獨軟件或軟硬件的任何組合中。相應(yīng)地，雖然在下面描述示例方法和設(shè)備，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會理解:所提供的示例并不是實施此方法和設(shè)備的唯一方式。計算機(jī)結(jié)構(gòu)中技術(shù)進(jìn)步的結(jié)合，如多核處理單元，商業(yè)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)促進(jìn)了有效、易于管理、虛擬化的計算環(huán)境的發(fā)展。這樣的虛擬化環(huán)境已被信息技術(shù)部門利用以降低成本和提高系統(tǒng)運行時間。盡管至運行服務(wù)器和客戶端的集中計算資源的遷移已經(jīng)很好的建立，該服務(wù)器和客戶端由虛擬化環(huán)境中所承載，但是將這樣的虛擬化環(huán)境應(yīng)用到制造環(huán)境或，更一般地，過程控制系統(tǒng)，和特別地，實時嵌入環(huán)境的結(jié)構(gòu)還不可用。這里所描述的該示例方法和設(shè)備可被用于虛擬化整個過程控制環(huán)境或系統(tǒng)，包括應(yīng)用嵌入式處理單元的環(huán)境或系統(tǒng)。更具體地，這里所描述的該示例方法和設(shè)備可提供一種過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得工作站，服務(wù)器，控制器，輸入/輸出設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備通過具有一個或多個服務(wù)器的服務(wù)器集群而被虛擬化。這樣，整個過程控制系統(tǒng)可在這樣的虛擬化的環(huán)境或結(jié)構(gòu)中被實施，因此顯著地提高了該過程控制系統(tǒng)的靈活性和魯棒性。例如，為了維護(hù)的目的，在該過程控制系統(tǒng)的操作中，該過程控制系統(tǒng)的任何虛擬化部分能夠輕易地從該服務(wù)器集群內(nèi)的一個服務(wù)器遷移至另一個服務(wù)器，這是響應(yīng)于服務(wù)器的故障，響應(yīng)于關(guān)閉服務(wù)器的需求，響應(yīng)于該服務(wù)器集群內(nèi)的平衡資源的需求等。這樣的遷移能夠發(fā)生在不丟失數(shù)據(jù)或不必中斷通信的前提下，該通信例如是虛擬化操作員接口和該控制系統(tǒng)的其他虛擬化部分之間，如和輸入/輸出設(shè)備和/或控制器之間。進(jìn)一步，該服務(wù)器集群的該些服務(wù)器可位于同一位置和/或位于不同的地理區(qū)域中。
在一個特別的例子中，過程控制系統(tǒng)可由服務(wù)器集群所實現(xiàn)，該服務(wù)器集群包括一個或多個服務(wù)器，其中，該服務(wù)器集群在操作時提供虛擬工作站或虛擬服務(wù)，提供虛擬控制器，該虛擬控制器用于與該虛擬工作站或服務(wù)器交互操作，并進(jìn)行過程控制操作，和提供虛擬輸入/輸出設(shè)備，該虛擬輸入/輸出設(shè)備用于與該虛擬控制器交互操作，并被耦接到在該過程控制系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。例如，該虛擬工作站提供至該過程控制系統(tǒng)的用戶接口，如操作員接口，診斷接口或配置接口。例如，該虛擬服務(wù)器提供至該過程控制系統(tǒng)的后臺服務(wù)，該后臺服務(wù)例如數(shù)據(jù)存儲或收集，配置功能，計算功能或至另一個系統(tǒng)的接□。該服務(wù)器集群的結(jié)構(gòu)可使用至少一個虛擬機(jī)服務(wù)器以與客戶操作系統(tǒng)交互操作，該客戶操作系統(tǒng)對應(yīng)于各個該虛擬工作站或服務(wù)器，該虛擬控制器和該虛擬輸入/輸出設(shè)備。另外，該結(jié)構(gòu)可包括存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)來為該客戶操作系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)。用戶可以通過遠(yuǎn)程桌面服務(wù)訪問該虛擬工作站或服務(wù)器，該遠(yuǎn)程桌面服務(wù)通過個人電腦，另一個工作站或一個瘦客戶機(jī)設(shè)備而實現(xiàn)。進(jìn)一步，除了對工作站，服務(wù)器，控制器和I/o設(shè)備進(jìn)行虛擬化之夕卜，該結(jié)構(gòu)也可被用于對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行虛擬化，因此便于模擬和/或任何其他測試。前面提到的示例結(jié)構(gòu)可被延伸用于嵌入式系統(tǒng)，并且，替換地或附加地，該虛擬工作站或服務(wù)器，該虛擬控制器和/或該虛擬輸入/輸出設(shè)備可通過一個或多個多核處理單元被實現(xiàn)。在更詳細(xì)地討論用于虛擬化過程控制系統(tǒng)的該示例方法和設(shè)備前，下面提供與圖1，圖2和圖3相關(guān)的數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)的討論。DCS被部署在各種配置中，該配置的范圍從獨立的筆記本電腦到多區(qū)配置以控制整個工廠，該獨立的筆記本電腦配置主要被用于針對的培訓(xùn)和設(shè)計活動。在一些情況下，DCS可在廣闊的地理區(qū)域上延伸，例如帶有覆蓋陸上作業(yè)的系統(tǒng)部分和用于控制離岸很多公里的平臺的離岸組件。在一些過程工廠中，該DCS與業(yè)務(wù)系統(tǒng)相集成，該業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供至實驗室數(shù)據(jù)，調(diào)度，維護(hù)系統(tǒng)等的實時訪問。圖1示出了已知控制系統(tǒng)100。如圖1所示，工作站和服務(wù)器102提供各種功能，包括操作員接口，維護(hù)，歷史數(shù)據(jù)收集，并與該工廠網(wǎng)絡(luò)集成。在許多情況下，如通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)連接，通過使用終端服務(wù)的瘦客戶端104來向用戶提供至該DCS的遠(yuǎn)程訪問。這些連接可通過一個或多個終端服務(wù) 器106連接并通常被稱為瘦客戶連接。在一些示例中，該系統(tǒng)100的多個部分可以遠(yuǎn)離該主控制系統(tǒng)。連接這些遠(yuǎn)程操作的該網(wǎng)絡(luò)可包括通過以太網(wǎng)回程，電話線，電纜，光纖，微波，和/或衛(wèi)星的通信鏈接。對于這樣的遠(yuǎn)程連接，安全性，采樣時間和可靠性通常被考慮。圖2示出了帶有遠(yuǎn)程操作的另一種已知控制系統(tǒng)200。在許多情況下，該DCS可被完全集成到整個工廠的操作中，且安全系統(tǒng)，燃燒器管理，和機(jī)器健康功能被集成，對于該DCS來說也是常見的。圖3A和圖3B示出了帶有完全集成工廠功能的系統(tǒng)300。如圖3A和圖3B所示的分布控制系統(tǒng)由工作站和服務(wù)器，控制器，輸入/輸出設(shè)備，現(xiàn)場設(shè)備，控制技術(shù)，和如設(shè)備數(shù)據(jù)歷史等應(yīng)用所組成。如下更加具體的描述，圖3A和圖3B中的該示例系統(tǒng)可被這里所描述的該示例方法和設(shè)備所虛擬化。除了其他任務(wù)之外，虛擬化該示例系統(tǒng)300使過程控制人員能夠模擬和測試系統(tǒng)配置。進(jìn)一步，虛擬化該示例系統(tǒng)300可提高災(zāi)難恢復(fù)。例如，如果承載該虛擬系統(tǒng)的資源位于預(yù)計被風(fēng)暴影響的地區(qū)，那么在不同位置的其他資源可被用于承載該虛擬化的系統(tǒng)，因而避免該風(fēng)暴導(dǎo)致的系統(tǒng)停止。附加地，虛擬化該示例系統(tǒng)300使系統(tǒng)場景得以在物理系統(tǒng)升級之前被測試。已知的過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)400在圖4中示出。如圖4所示，該結(jié)構(gòu)400包括工作站和服務(wù)器402和404。該工作站402可支持用戶接口功能，如操作員接口，支持診斷，和/或配置。該服務(wù)器404支持后臺功能，如數(shù)據(jù)收集和存儲，配置，計算和至外部系統(tǒng)的接口。至該過程的操作員接口典型地包括或涉及該工作站402和該服務(wù)器404，鍵盤，鼠標(biāo)，液晶顯示(IXD)監(jiān)視器。例如，為了提供寬闊的控制視野和范圍，多個監(jiān)視器可以各種安排而被使用。大的IXD監(jiān)視器可被用于支持工廠概覽顯示。進(jìn)一步，已知的操作系統(tǒng)，如視窗服務(wù)器2008和視窗7可被利用，因為廠商可得到對這些系統(tǒng)的廣泛支持。操作員用于監(jiān)視過程情況和操縱該過程操作的設(shè)定點的設(shè)備可被置于中央控制室或分布在靠近該設(shè)備的該工廠樓層。從這些位置，該操作員能夠查看到從該處理區(qū)域被發(fā)送且被顯示在操作員顯示器中的信息，并從輸入設(shè)備改變控制條件，假設(shè)該操作員有適當(dāng)?shù)陌踩珯?quán)限。在該些工作站402中的一個或多個里，操作員顯示應(yīng)用典型地被執(zhí)行在系統(tǒng)廣泛的基礎(chǔ)上，并對該操作員或維護(hù)人員提供預(yù)先配置的顯示，該顯示是關(guān)于在該工廠內(nèi)的該操作系統(tǒng)或該設(shè)備的操作狀態(tài)。典型地，這些顯示以告警總結(jié)顯示的形式，其接收在該過程工廠內(nèi)控制器406和408或設(shè)備410所產(chǎn)生的告警，控制指示了在該過程工廠內(nèi)的該控制器和其他設(shè)備的該操作狀態(tài)的顯示，維護(hù)指示了在該過程工廠內(nèi)的該設(shè)備的操作狀態(tài)的顯示，等等。通過帶有關(guān)聯(lián)圖形的對象的使用，顯示可被產(chǎn)生。基于該接收到的數(shù)據(jù)，該對象可在該顯示屏幕上動畫該圖形，以說明例如水箱是半滿的，以說明通過流量傳感器所測量的流量，等等。用于該顯示的該信息從該過程工廠內(nèi)該設(shè)備或配置數(shù)據(jù)庫被發(fā)送，該信息被用于向用戶提供包含此信息的顯示。因此，被用于在該工廠內(nèi)產(chǎn)生告警，檢測問題等等的所有信息和程序可由與該工廠相關(guān)的不同設(shè)備被產(chǎn)生和配置在其中，這些設(shè)備如在該過程工廠控制系統(tǒng)的配置期間的控制器和現(xiàn)場設(shè)備。為該過程控制系統(tǒng)編程涉及幾個配置活動，如物理配置，控制策略配置，顯示配置，和歷史數(shù)據(jù)收集配置。通常這些活動并行地被執(zhí)行，且然后當(dāng)該過程控制系統(tǒng)被設(shè)計時被集成在一起。配置數(shù)據(jù)庫使用戶(如工廠操作員)能夠生成和調(diào)整控制策略，并通過控制網(wǎng)絡(luò)412下載這些策略到該分布的控制器406和408，控制臺和設(shè)備410。典型地，該控制策略由互連的功能塊，SFC，設(shè)備和單元代表等組成，它們基于輸入來執(zhí)行在控制方案內(nèi)的功能，且它們將輸出提供給控制方案內(nèi)的其他功能塊和/或輸入/輸出設(shè)備。該配置應(yīng)用也允許設(shè)計者生成或改變操作員接口，該操作員接口被觀看應(yīng)用所使用以顯示數(shù)據(jù)給操作員，以及以使得該操作員改變在該過程控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)置。各個該控制器406和408和，在一些情況下的現(xiàn)場設(shè)備410存儲和實施控制器應(yīng)用，該控制應(yīng)用運行被分配和下載的該控制模塊，以執(zhí)行實際的過程控制功能。對于被規(guī)范和/或高度關(guān)鍵的過程控制應(yīng)用，如那些要求FDA認(rèn)證的應(yīng)用，該配置可被版本化。該版本和審計線索應(yīng)用記錄了所有改變，誰做了該些改變，以及何時做了該些改變。DCS也包括收集批 次，連續(xù)和事件數(shù)據(jù)的能力。集中定義的歷史數(shù)據(jù)庫對于歷史數(shù)據(jù)的存儲是可用的。任何屬性值，任何控制策略的告警，警報，或過程情況能夠隨同其狀態(tài)被記錄在歷史數(shù)據(jù)庫中。在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，該數(shù)據(jù)值作為該系統(tǒng)的集成特性被收集。事件被收集，且時間被標(biāo)記在其源上。例如，該數(shù)據(jù)可以以數(shù)毫秒的分辨率而被收集和記錄。用戶和分層的應(yīng)用能夠以時間順序的方式重獲該批次，連續(xù)和事件數(shù)據(jù)。為了安全的原因，數(shù)值在沒有留下審計線索的情況下不可被編輯。通常，安全是DCS結(jié)構(gòu)的一部分。逐用戶，逐工廠區(qū)域，逐單元和逐工作站，該DCS管理用戶能夠做什么。分層應(yīng)用在被允許訪問該系統(tǒng)前要被認(rèn)證。DCS內(nèi)的安全可以涉及認(rèn)證過程，通過被密碼所保護(hù)的用戶賬號的使用，該認(rèn)證過程控制用戶和分層應(yīng)用訪問該DCS。DCS安全也涉及用戶相關(guān)的方面，如要求該DCS的用戶在系統(tǒng)中擁有用戶賬號以獲得訪問，命名所有用戶賬號，在站點的范圍內(nèi)為所有用戶賬號提供唯一名稱，以及為了啟動DCS會話，要求所有用戶賬號具有與該用戶賬號相結(jié)合地被提供的密碼。更進(jìn)一步，DCS安全可涉及工廠區(qū)域安全方面，例如基于用戶賬號，允許或拒絕在過程控制工廠內(nèi)的零個或多個區(qū)域中做出改變的訪問。對于訪問被允許的每個工廠區(qū)域，根據(jù)數(shù)據(jù)能夠被改變的該運行時間屬性的分類，在該運行時間的訪問能夠被限制。對于訪問被允許的每個工廠區(qū)域，進(jìn)行配置改變的能力能夠被限制。用戶賬號也能夠被允許或拒絕訪問以查看或調(diào)整用戶賬號和權(quán)限信息。在一些系統(tǒng)中也可能使能授權(quán)。在這些情況下，一個或多個用戶可通過密碼來確認(rèn)某些參數(shù)的改變，啟動/停止一個批次，等等。集成診斷可以是DCS的特性。這樣的診斷可以覆蓋該硬件，冗余，通信，控制，和在某種程度上覆蓋該DCS的軟件。該控制網(wǎng)絡(luò)412被用于連接該控制器406和408，遠(yuǎn)程輸入/輸出，和該工作站402和該服務(wù)器404。為了提供過程告警和數(shù)值的確定通信，一些DCS系統(tǒng)使用專有網(wǎng)絡(luò)。然而，在多數(shù)過程控制系統(tǒng)中，這些網(wǎng)絡(luò)已很大程度上被廉價的、運行在10Mbps，100Mbps，和IGbps通信速率的以太網(wǎng)接口取代。

通過使用交換機(jī)414和416，該控制網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)劃分被實現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)已經(jīng)讓位給帶有內(nèi)置防火墻功能的智能交換機(jī)。通過設(shè)計帶有智能交換機(jī)的該控制網(wǎng)絡(luò)412，既使該控制系統(tǒng)安全，也管理業(yè)務(wù)流是可能的。為了提高該控制網(wǎng)絡(luò)412的可靠性，該控制網(wǎng)絡(luò)412可包括冗余交換機(jī)，冗余以太網(wǎng)卡，和/或冗余網(wǎng)絡(luò)布線。通過模擬，數(shù)字或混合的模/數(shù)總線，該控制器406和408被連接到該現(xiàn)場設(shè)備410。該現(xiàn)場設(shè)備410，例如閥門，閥門定位器，開關(guān)和發(fā)射機(jī)(如溫度，壓力，等級和流速傳感器)可被置于該過程環(huán)境內(nèi)，并執(zhí)行過程功能，如打開或關(guān)閉閥門，測量過程參數(shù)，等等。智能現(xiàn)場設(shè)備，如符合該輸入/輸出總線協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備，也可執(zhí)行控制計算，告警功能，和其他控制功能。該控制器406和408實施控制策略，該控制策略從該現(xiàn)場設(shè)備410讀取測量，該控制器還實施控制功能，并通過通信線路發(fā)送信號到致動器，馬達(dá)等等，以控制該過程的操作。來自該現(xiàn)場設(shè)備410和該控制器406和408的信息在該控制網(wǎng)絡(luò)412上對于該操作員工作站402，該數(shù)據(jù)歷史404，報告生成器，集中數(shù)據(jù)庫等是可用的。這些節(jié)點運行應(yīng)用，例如，使得操作員執(zhí)行與該過程相關(guān)的功能，如改變該過程控制例程的設(shè)置，調(diào)整該控制器406和408或該現(xiàn)場設(shè)備410內(nèi)的該控制模塊的該操作，查看該過程的目前狀態(tài)，查看由該現(xiàn)場設(shè)備410和該控制器406和408所產(chǎn)生的告警，為了培訓(xùn)人員或測試該過程控制軟件的目的而模擬該過程的操作，維持和更新配置數(shù)據(jù)庫，等等。
可被用于開發(fā)該控制系統(tǒng)的設(shè)計的一種方法涉及使用該單元和該過程的單元操作來維護(hù)該輸入/輸出設(shè)備，例如，定位化學(xué)反應(yīng)器和在相同物理控制器中的蒸餾塔。如果選擇這個方法，只要該控制器406，408起作用，則該過程保持在控制之下。為了增加此場景的可靠性，該控制器406，408和輸入/輸出模塊，卡或設(shè)備418可以做成冗余。該控制器406和408進(jìn)一步在“Terry Blevins, Mark Nixon.控制回路基礎(chǔ)-批次和連續(xù)的過程,研究三角園:ISA，2010”中描述，其整體以引用的形式被并入。該輸入/輸出卡或設(shè)備418可處理多種現(xiàn)場測量和致動器。示例的輸入/輸出卡或設(shè)備的類型包括(I)模擬輸入(隔離)1-5伏DC,4-20ma, (2)模擬輸出4_20niA，(3)隔離RTD輸入(2，3，或4線)和熱電偶輸入(B, E，J，K，N, R，S，T)，(4)離散輸入24VDC，120/230VAC, (5)離散輸出24VDC，120/230VAC，(6)脈沖計數(shù)輸入，和(7)脈沖持續(xù)輸出。數(shù)字發(fā)射機(jī)和致動器可使用多種可用的通信協(xié)議和物理接口。示例通信接口卡包括⑴HART智能卡，4到20mA，(2)HART AO卡，4到20mA系列，(3)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)(DeviceNet)(波特率 125 250 500kbit/ 秒)，(3)FOUNDATION 現(xiàn)場總線(Fieldbus)，(4)AS-接口，
(5)Profibus DP 波特率(9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500kbit/秒)，和(6)串行接口(Modbus或Allen Bradley的數(shù)據(jù)高速附加協(xié)議)。另外，一些廠商會提供輸入/輸出卡以符合專門的要求。例如，事件序列(SOE)輸入卡被用于捕捉直接從現(xiàn)場中的設(shè)備接收來的過程混亂事件。因為事件被捕捉并被臨時本地地存儲在SOE輸入卡上，因此更快地記錄該卡上的各個通道是可能的。例如，SOE輸入卡所捕捉的事件被使用1/4-毫秒分辨率被打上時間戳。輸入和輸出端接被制作在端子中，該端子可以是該電子安裝框架的一部分或是在單獨的端子板上。在端子板的情況下，可以使用在該端子板和該電子控制器文件之間的電纜連接。可以從該機(jī)柜的正面做連接。替代地，可以使用裝有成行的端子帶的單獨的端接柜。此替代方案包括從該端接柜到在該遠(yuǎn)程控制器柜里的該端子的額外配線，而在該分布控制外殼被交付和安裝前使該現(xiàn) 場配線被完成。模擬輸入和輸出信號可以通過被屏蔽的、雙絞銅線被傳送。數(shù)字輸入和輸出，120伏AC或24伏DC，能夠通過不需要被屏蔽的雙絞線傳送。模擬信號可能無法在接近交變電流配線處運行。許多控制器被配置為處理I到5伏的直流(DC)信號。因此，一個經(jīng)常使用的輸入是4到20mA電流信號,它在安裝于該輸入端子板的250ohm電阻上產(chǎn)生I到5v的電壓輸入。一些分布控制系統(tǒng)能夠接受來自RTD和熱電偶的低電平信號，并在它們的輸入電子電路中進(jìn)行信號放大。一些系統(tǒng)能夠接受帶有足夠高頻率的脈沖輸入，以允許來自渦輪流量計的信號直接被使用。多數(shù)供應(yīng)商提供一些信號整理。通過配置，可以選擇對來自熱電偶和電阻溫度計的信號取均方根，進(jìn)行線性化，和抑制噪聲輸入。一些輸入/輸出板提供帶有保險絲的24伏DC電源的端子，該電源能夠被用于為雙線發(fā)射器供給正電壓。獨立的端子板也可以提供用于數(shù)字輸入和輸出信號?？梢蕴峁@些信號的光隔離。DC輸入信號(或整流的交流電流(AC)輸入信號)使在該隔離繼電器中的發(fā)光二極管(LED)被通電。從該LED激發(fā)的光電設(shè)備驅(qū)動在三極管-三極管邏輯(TTL)輸入電路中的三極管，以發(fā)送數(shù)字輸入。數(shù)字輸出信號被類似地隔離，以驅(qū)動用于DC輸出的三極管驅(qū)動電路或用于AC輸出的可控硅晶體管電路。產(chǎn)生該輸出的該固態(tài)繼電器類似于干接點進(jìn)行工作，且該輸出由獨立電源所供電。對于用于輸入/輸出處理的冗余和互接的需求導(dǎo)致用于該處理控制器的自定義硬件設(shè)計。多個處理器經(jīng)常被用于解決該通信，輸入/輸出處理和控制執(zhí)行。并且，用于嵌入式應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)可被用于提供確定的調(diào)度和控制系統(tǒng)的執(zhí)行。該術(shù)語“設(shè)備”可以統(tǒng)稱發(fā)射機(jī)，如流量計，和最終的控制元件，如閥。智能設(shè)備既提供測量數(shù)據(jù)也提供診斷信息。該診斷信息能夠被用于監(jiān)視該設(shè)備的健康，并在一定程度上，監(jiān)視該設(shè)備所監(jiān)視的該過程的健康。為使該整個系統(tǒng)可靠地運行，該信息可以以連續(xù)的基礎(chǔ)而被監(jiān)視。有各種方法來連接至設(shè)備并且與設(shè)備通信，包括本地控制總線。帶有控制總線接口的設(shè)備能夠直接地被連接至該控制總線。這種設(shè)備包括流量計算機(jī)，氣相色譜儀，防浪涌控制系統(tǒng)，和其他復(fù)雜的現(xiàn)場設(shè)備。替代地，可以使用現(xiàn)場總線。帶有現(xiàn)場總線功能的設(shè)備能夠通過DCS控制器或聯(lián)接裝置(網(wǎng)關(guān))而被連接。現(xiàn)場總線包括Foundation現(xiàn)場總線(Fieldbus)HI，HART，ProfiBUS，和 ASi (致動器傳感器接口)。然而，F(xiàn)ieldbus HI 和Profibus主要用于連續(xù)信號，ASi用于受到“開關(guān)控制”或“開關(guān)監(jiān)視”的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場傳感器和致動器(兩狀態(tài)現(xiàn)場設(shè)備，如接近開關(guān)，開關(guān)閥門和開關(guān)指示器)。在進(jìn)一步的替代方式中，可以使用傳統(tǒng)的輸入/輸出。例如，可使用帶有HART的4-20mA電流回路。該HART協(xié)議使得該設(shè)備內(nèi)的配置和診斷被該工廠系統(tǒng)所使用。設(shè)備在“McMillan，Gregory K.過程工業(yè)中的現(xiàn)代測量和最終元素的基本要素:設(shè)計，配置，安裝，維護(hù)的指導(dǎo)，研究三角園:ISA，2010”中被進(jìn)一步描述，該文全部以引用的方式被并入。已知的DCS配置的物理方面如圖5A和5B所示，且，顯示、控制策略和報警配置如圖6所示。作為配置系統(tǒng)的部分，在其被部署在該實際設(shè)備之前，測試該配置是必要的或所希望的。各種技術(shù)已被用于實現(xiàn)這樣的測試。例如，該配置可以在虛擬或模擬控制器上被測試。然而，應(yīng)用前述已知的系統(tǒng)和技術(shù)，這樣的測試導(dǎo)致實質(zhì)性大量的額外工作，且由于該虛擬化的特性非常有限，該測試不可能測試該系統(tǒng)整體的性能。為模擬該過程的動態(tài)性，幾種形式的動態(tài)過程仿真已被使用。在大多數(shù)情況下，使用專門配置的控制策略以代表該過程是可能的。這些過程的模擬可以運行在控制器或虛擬控制器中，該控制器或虛擬控制器是該應(yīng)用/集成站的部分。該示例的用于虛擬化所描述的過程控制系統(tǒng)的裝置和方法，可不改變該過程控制系統(tǒng)的核心功能和特性而被應(yīng)用。相反，所描述的該示例裝置和方法可以被用來實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將該功能和特性從該底層硬件相分離。通過這樣做，所描述的該示例裝置和方法及其提供的該DCS的結(jié)構(gòu)，使整個控制系統(tǒng)，或部分的該控制系統(tǒng)得以在單個服務(wù)器或服務(wù)器集群中被執(zhí)行(如運行)。依照所描述的該示例方法和裝置而實現(xiàn)的示例結(jié)構(gòu)如圖7，圖8，圖9和圖10所示。如這些圖所示，虛擬化使得客戶操作系統(tǒng)，或多個客戶操作系統(tǒng)在服務(wù)器集群中運行。該虛擬化的過程控制系統(tǒng)或環(huán)境將基礎(chǔ)設(shè)施組件的集合，如中央處理單元(CPU)，存儲和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)合至無縫和動態(tài)的操作環(huán)境之中。該虛擬化的系統(tǒng)或環(huán)境包括基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，即提取，聚集和分配硬件 和基礎(chǔ)設(shè)施資源，如CPU，內(nèi)存，存儲，網(wǎng)絡(luò)化。該虛擬化的系統(tǒng)或環(huán)境還包括應(yīng)用服務(wù)，該服務(wù)保證對應(yīng)用的可用性，安全性，和可擴(kuò)展性。該虛擬化的系統(tǒng)或環(huán)境進(jìn)一步包括管理服務(wù)，該服務(wù)提供了對于該虛擬化環(huán)境的單點控制?？杀粦?yīng)用或適配以執(zhí)行的所描述的該示例結(jié)構(gòu)的虛擬化技術(shù)通常被描述在《VMware, I VMware vSphere的介紹，Palo Alto, CA, 2009,》和《VMware,可安裝的ESXi和vCenter服務(wù)器建立指導(dǎo)，Palo Alto,CA，2009，》之中，它們?nèi)勘灰枚{入本文。圖7示出了將工作站和/或服務(wù)器700虛擬化至單獨主機(jī)702的示例方式。如圖7所示，多個瘦客戶機(jī)704可通過局域網(wǎng)通信地耦接到該主機(jī)702。此外，如圖7所述，該主機(jī)702內(nèi)的軟件708被安排以提供虛擬機(jī)服務(wù)器層710，該虛擬機(jī)服務(wù)器層710介入虛擬工作站712和操作系統(tǒng)714和硬件716層。各個該虛擬工作站712包括被封裝的應(yīng)用和操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)內(nèi)該應(yīng)用被執(zhí)行。因此，以這種方式，該工作站700可以被合并在單獨的主機(jī)(如該計算機(jī)702)內(nèi)操作。圖8描述了控制系統(tǒng)800可被虛擬化的示例方式。輸入/輸出設(shè)備802的虛擬化被描述了于該系統(tǒng)中，對應(yīng)于附圖標(biāo)記804?？刂破?06可被額外地或替代地虛擬化，如在系統(tǒng)中對應(yīng)附圖標(biāo)記808所描述。類似地，工作站810可被額外地或替代地虛擬化，如在系統(tǒng)中對應(yīng)附圖標(biāo)記812所描述。更進(jìn)一步，雖未在圖8中示出，現(xiàn)場設(shè)備可以以類似的方式被額外地或替代地虛擬化。由該輸入/輸出設(shè)備802的虛擬化而產(chǎn)生的各種軟件層，該控制器806和該工作站810在相應(yīng)于附圖標(biāo)記814的塊中被描述。用于圖8的該虛擬化環(huán)境的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在圖9和圖10中所說明。如圖9和圖10所示，虛擬工作站或服務(wù)器900在具有一個或多個服務(wù)器的物理服務(wù)器902集群上運行。存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)904提供了用于該客戶操作系統(tǒng)的公用存儲，該客戶操作系統(tǒng)在該物理服務(wù)器集群902上運行。該服務(wù)器集群902提供了一個環(huán)境，在此環(huán)境中客戶工作站或虛擬桌面906，如操作員站和配置站，和客戶服務(wù)器或虛擬化的服務(wù)器900 (如該PROPlus和應(yīng)用站)可被執(zhí)行。用戶可以通過遠(yuǎn)程桌面服務(wù)908訪問服務(wù)器和客戶端，該服務(wù)可以從用戶的筆記本電腦，工作站，或瘦客戶設(shè)備上被啟動。該集群902也可用來存儲圖像，可被串流輸出到物理桌面910。在這種情況下，該集群902可以用來管理被存儲于物理硬盤驅(qū)動器中的物理圖像?！みM(jìn)一步，如圖10所示，控制器912和CIOC 914也可被虛擬化。在這種情況下，該控制器和CIOC被虛擬化且運行在該集群902上，且當(dāng)運行在容錯(FT)模式下時，其提供與運行在專用硬件時相同的可靠性。圖11描述了虛擬控制系統(tǒng)的物理方面。特別地，描述了集群服務(wù)器1100的層次安排，活動目錄和域控制器1102，工作站1104，虛擬機(jī)軟件1106和工作站模板1108。為了虛擬化控制系統(tǒng)，基礎(chǔ)設(shè)施總線可用于同步分布式系統(tǒng)，控制器，和/或其他分布式過程控制組件。在示例中，運行在該系統(tǒng)，控制器，和/或其他分布式過程控制組件的過程被遷移，在此所述的該示例方法和裝置可使用異步和/或同步的存儲器狀態(tài)和/或數(shù)據(jù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。例如，為了將一組控制器的操作轉(zhuǎn)移至另一組控制器，該控制器的磁盤和/或存儲器狀態(tài)開始可以被異步發(fā)送。接著，在初始的磁盤和/或存儲器轉(zhuǎn)移后，利用任何優(yōu)化例程以減少轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)總量和/或減少轉(zhuǎn)移時間，該組控制器可同步地轉(zhuǎn)移剩余的磁盤和/或存儲器狀態(tài)。在這種方式下，對第一組控制器的該磁盤和/或存儲器狀態(tài)的改變被傳播到第二組控制器。在基本上所有的存儲器狀態(tài)和/或磁盤狀態(tài)被轉(zhuǎn)移后，在此所述的該示例方法和裝置可將業(yè)務(wù)路由至第二組控制器，停止第一組控制器，和轉(zhuǎn)移該剩余存儲器和/或磁盤狀態(tài)至第二組。在其他示例中，在此所述的方法和裝置可使用冗余系統(tǒng)，控制器，和/或其他分布式過程控制組件以轉(zhuǎn)移過程。在這些示例中，虛擬開關(guān)可利用冗余的后端平面，這樣隨著計算負(fù)荷和/或客戶需求變化時，任何過程基本上可以在系統(tǒng)，控制器，和/或其他分布式過程控制組件之間無縫地轉(zhuǎn)移。多核技術(shù)使芯片制造商增加計算能力而不用必須提高時鐘速度，提高時鐘速度會增加發(fā)熱，無線電輻射/干擾等。這樣的多核技術(shù)可以用來提升虛擬化。例如，管理程序可在該硬件執(zhí)行使多個客戶操作系統(tǒng)使用該硬件功能。在此所述的示例方法和裝置提供的該虛擬化有許多好處。這些好處包括延長系統(tǒng)壽命以減少由于硬件和軟件過時而導(dǎo)致的升級，簡化遷移以減少系統(tǒng)升級中斷和減少安裝和維護(hù)成本，提高系統(tǒng)可用性，其包括維護(hù)和備份中的可用性，由于資源利用和可擴(kuò)展性的最大化而提高系統(tǒng)性能，由于易于補丁管理而提高維護(hù)和支持，和易于遠(yuǎn)程軟件支持及安全更新。在此描述的該示例方法和裝置的好處進(jìn)一步包括:由于計算資源的最大化利用和較低的硬件和安裝成本而導(dǎo)致的成本有效的工作站部署；由于集中備份和存儲而導(dǎo)致的較低的維護(hù)成本，病毒保護(hù)操作系統(tǒng)的易于更新，和過程控制系統(tǒng)軟件的易于升級；由于用于關(guān)鍵應(yīng)用冗余計算和存儲以及從工作站故障的快速恢復(fù)而導(dǎo)致的提高的可用性；由于額外的安全級別以限制訪問和提供審計和控制而導(dǎo)致的提高的安全性；對威脅情況的較快響應(yīng)；由于更靈活的培訓(xùn)與開發(fā)系統(tǒng)而增強的靈活性，降低了 FAT所需的硬件和減少帶有并行FAT和站點輸入/輸出校驗的項目調(diào)度；由于非侵入的遠(yuǎn)程維護(hù)和故障排除而增加的支持；由于控制器能夠一起被封裝為一個集群而不用運行輸入/輸出至單個控制器，從而改進(jìn)了封裝；由于在控制器之間移動控制策略時不用重復(fù)測試該控制策略的大部分，從而降低工程成本；由于集群控制器和輸入/輸出服務(wù)器能夠被移動在可用控制器和輸入/輸出的計算平臺之間且不會丟失至該系統(tǒng)的訪問，從而提高可用性；因為任何加載問題的控制器能夠通過增加CPU而 修正，從而簡化FAT ;因為集群能夠在同一工廠或位于遠(yuǎn)離該主控制系統(tǒng)的地方以覆蓋公用事業(yè)區(qū)域，油庫，石油平臺，和遠(yuǎn)程站(例如在油氣領(lǐng)域)，從而改進(jìn)系統(tǒng)分布；且由于集群能夠通過高速鏈接以備份它們，從而提高災(zāi)難恢復(fù)。盡管某些示例方法和裝置已在此描述，但是此專利的覆蓋范圍不限于此。相反，此專利涵蓋了所有字面地或在等同規(guī)則下地落入在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的方法，裝置和產(chǎn)品ο
權(quán)利要求
1.一種過程控制系統(tǒng)，包括 服務(wù)器集群，包括一個或多個服務(wù)器，該服務(wù)器集群在操作時提供 虛擬工作站或虛擬服務(wù)器； 虛擬控制器，該虛擬控制器用于與該虛擬工作站或服務(wù)器交互操作，并用于進(jìn)行過程控制操作；和 虛擬輸入/輸出設(shè)備，該虛擬輸入/輸出設(shè)備用于與該虛擬控制器交互操作，并被耦接到在該過程控制系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該虛擬工作站用于提供至該過程控制系統(tǒng)的用戶接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該用戶接口用于提供操作員接口，診斷接口或配置接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該虛擬服務(wù)器用于提供至該過程控制系統(tǒng)的后臺服務(wù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該后臺服務(wù)用于提供數(shù)據(jù)存儲或收集，配置功能，計算功能或至另一個系統(tǒng)的接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該服務(wù)器集群包括至少一個與多個客戶操作系統(tǒng)交互操作的虛擬機(jī)服務(wù)器，該多個客戶操作系統(tǒng)對應(yīng)于該虛擬工作站或服務(wù)器，該虛擬控制器，和該虛擬輸入/輸出設(shè)備中的每一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的過程控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，以存儲用于該客戶操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過程控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括遠(yuǎn)程桌面服務(wù)，以使用戶訪問該虛擬工作站或服務(wù)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，通過個人電腦，另一個工作站或瘦客戶機(jī)設(shè)備實現(xiàn)該遠(yuǎn)程桌面服務(wù)。
10.一種過程控制系統(tǒng)，包括 多核處理單元，該多核處理單元在操作時提供 虛擬控制器，該虛擬控制器用于與工作站或服務(wù)器交互操作，并用于進(jìn)行過程控制操作；和 虛擬輸入/輸出設(shè)備，該虛擬輸入/輸出設(shè)備用于與該虛擬控制器交互操作，并被耦接到在該過程控制系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該工作站或服務(wù)器包括虛擬工作站或服務(wù)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該虛擬工作站或服務(wù)器被該多核處理單元實現(xiàn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該虛擬工作站用于提供至該過程控制系統(tǒng)的用戶接口。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該虛擬服務(wù)器提供至該過程控制系統(tǒng)的后臺服務(wù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，該多核處理單元包括至少一個與多個客戶操作系統(tǒng)交互操作的虛擬機(jī)服務(wù)器，該多個客戶操作系統(tǒng)對應(yīng)于該虛擬控制器和該虛擬輸入/輸出設(shè)備中的每一個。
16.—種控制過程系統(tǒng)的方法,包括 建立虛擬工作站或虛擬服務(wù)器； 建立虛擬控制器，以與該虛擬工作站或服務(wù)器交互操作，并進(jìn)行過程控制操作；和 建立虛擬輸入/輸出設(shè)備，以與該虛擬控制器交互操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在該過程控制系統(tǒng)的操作中，將該虛擬工作站或服務(wù)器，該虛擬控制器或該虛擬輸入/輸出設(shè)備從服務(wù)器集群的一個服務(wù)器遷移至該服務(wù)器集群的另一個服務(wù)器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該服務(wù)器集群的該服務(wù)器和該服務(wù)器集群的該另一個服務(wù)器在不同的地理區(qū)域中。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該遷移是響應(yīng)于平衡該服務(wù)器集群內(nèi)的資源的需求，響應(yīng)于關(guān)閉該服務(wù)器集群的該些服務(wù)器中的一個服務(wù)器的需求，或響應(yīng)于該集群的該些服務(wù)器中的該個服務(wù)器的故障。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該遷移包括將一個客戶操作系統(tǒng)從該服務(wù)器集群的該個服務(wù)器遷移到該服務(wù)器集群的該另一個服務(wù)器，而不丟失數(shù)據(jù)或不丟失至該過程控制系統(tǒng)的操作接口的連接。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該遷移是響應(yīng)于從災(zāi)難中恢復(fù)的需求。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該遷移是響應(yīng)于該過程控制系統(tǒng)內(nèi)更改軟件版本的需求。
全文摘要
描述了用于虛擬化過程控制系統(tǒng)的方法和裝置。所描述過程控制系統(tǒng)包括服務(wù)器集群，該服務(wù)器集群包括一個或多個服務(wù)器。該服務(wù)器集群在操作時提供虛擬工作站或虛擬服務(wù)器；虛擬控制器，該虛擬控制器用于與該虛擬工作站或服務(wù)器交互操作，并進(jìn)行過程控制操作；和虛擬輸入/輸出設(shè)備，該虛擬輸入/輸出設(shè)備用于與該虛擬控制器交互操作，并被耦接到在過程控制系統(tǒng)內(nèi)的一個或多個現(xiàn)場設(shè)備。
文檔編號G06F11/20GK103238143SQ201180056199
公開日2013年8月7日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者M·尼克松, J·M·卡爾德威爾 申請人:費希爾-羅斯蒙特系統(tǒng)公司