具有分布控制功能的過程控制網絡中的本地設備和過程診斷的制作方法

專利名稱：具有分布控制功能的過程控制網絡中的本地設備和過程診斷的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及過程控制網絡，具體而言涉及用于具有分布控制功能的過程控制網絡內本地設備和過程診斷的方法和裝置。
背景技術：
諸如化學、汽油和其它制造與精煉過程之類的過程需要眾多位于各種位置的現場設備來測量和控制過程參數以實現過程的有效控制。這些現場設備例如可以是諸如溫度、壓力和流速傳感器之類的傳感器和諸如閥門和開關之類的控制單元。
過程控制過去是借助人工操作(例如人工讀取液面和壓力計，開啟閥門輪等)來測量和控制過程中的現場設備。20世紀初，過程控制開始采用本地氣動控制，其中將本地氣動控制器、傳送器和閥門定位器放置在工廠內各位置上以實現對某些工廠位置的控制。隨著70年代基于微處理器的分布控制系統(DCS)的出現，分布電子過程控制在過程控制中日益占據主導地位。
正如所知的那樣，DCS包括一臺模擬或數字計算機(例如可編程邏輯控制器)，它與諸如電子傳感器、傳送器、電流-壓力轉換器、閥門定位器之類分布在整個過程線上的眾多電子監控設備相連。DCS計算機存儲并實現集中式并且常常是復雜的控制方案以測量和控制過程中的設備，從而根據某些總體控制方案控制過程參數。但是通常情況下，DCS實現的控制方案都是DCS控制器制造商的專利，由于DCS提供方必然牽涉到系統擴展、升級、重新編程和服務等各個方面，所以其業務難度大并且價格昂貴。而且由于DCS控制器的專利屬性以及實際情況中DCS控制器提供商有可能不支持其它供應商制造的某些設備或功能的緣故，特定DCS使用或連接的設備種類都受到一定的限制。
為了克服在使用擁有專利權的DCS中存在的固有問題，過程控制業界研制了大量標準的開發通信協議，例如包括HART、PROFIBUS、WORLDFIP、LONWORKS、Device-Net和CAN協議，這些協議可以使不同制造商提供的現場設備在同一過程控制網絡內使用。實際上，即使現場設備是由DCS控制器制造商以外的制造商提供，也能夠采用任何遵守其中一個這類協議的現場設備在過程內完成與DCS控制器或其它支持協議的控制器之間的通信并受它們控制。
而且在過程控制工業中現在有一種分散化過程控制的轉向，它簡化了DCS控制器或者在很大程度上減少了對DCS控制器的需求。通過使諸如閥門定位器、傳送器之類的過程控制設備完成一種或更多的過程控制功能并隨后在其它完成其它控制功能的過程控制設備使用的總線結構上交換數據實現了分散化控制。為了實現這些控制功能，每個過程控制設備包括能實現一種或更多控制功能并利用標準和開放的通信協議與其它過程控制設備進行通信的微處理器。這樣，不同制造商提供的現場設備就可以在一個過程控制網絡內互聯起來，互相進行通信并完成構成控制環路的一種或多種過程控制功能而無需DCS控制器的干預。由現場總線基金會制訂的稱為FOUNDATIONTM現場總線(以下稱為“現場總線”)的全數字兩路總線協議是一種開放的通信協議，它允許不同制造商的設備通過標準總線互相操作和通信以在一個過程內實現分散化控制。
如上所述，過程控制功能的分散化簡化并在某些情況下減少了對專利性質的DCS控制器的依賴，這使過程操作者在改造和升級DCS控制器實現的控制方案時減少了對DCS控制器制造商的依賴。但是分散化控制也給諸如過程診斷之類的診斷帶來了更多的困難，這類診斷一般是由DCS控制器完成的。當在溫度和壓力范圍變化較大的嚴峻環境下使用諸如流體控制閥門之類的現場設備使，對設備和過程之類進行日常診斷是非常重要的。在這種環境下，必須進行重要的維護工作，包括定期除險維修、閥門斷裂維修和閥門功能測試。
在標準的DCS環境下，計算機(例如個人電腦)與網絡耦合并通過向定位器發送診斷控制信號強迫閥門作與診斷控制信號有關的測試沖擊或測試周期，對例如閥門或者定位器/閥門組合完成設備診斷。在此期間，計算機測量定位器和/或閥門響應診斷控制信號而作出的輸出(例如閥門位置變化)，隨后對測得的輸出進行分析以確定閥門或定位器/閥門設備的工作狀態。
在一種已知的用于流體控制閥門(例如氣動閥門)的診斷系統中，所提供的壓力傳感器檢測閥門入口處的壓力變化而所提供的位置傳感器檢測閥門塞的運動。通過向氣動閥門輸入端提供受控可變氣壓在一個測試操作循環內操縱閥門。在例如動態掃描的測試操作循環中，閥門塞在所需的范圍內運動，一般是從全開啟位置變化到全關閉位置并從全關閉位置返回全開啟位置。或者，測試可以按照一系列單獨的步數移動閥門塞以測試某些閥門參數。
在測試操作循環內，壓力傳感器提供了對應閥門入口處壓力變化的輸出信號，而位置傳感器提供了對應閥門塞運動的輸入信號。傳動器和閥門塞或閥門主干位置處的空氣壓力的各輸入或輸出信號隨后經過處理產生代表閥門輸入處壓力變化的數據，它是測試操作循環期間閥門塞運動的函數。將空氣壓力與傳動器隔膜有效面積相乘就得到閥門主干負載。
診斷系統接收診斷命令并經通信線路將傳感器獲得的診斷信息送至外部控制臺或處理器/計算機。外部控制臺或處理器/計算機請求單個診斷測試并在診斷系統完成測試時等待結果。當測試完成時，診斷系統向外部控制臺發送測試結果。對于每個閥門都完成各種各樣的診斷測試并且控制系統一般包括多個閥門從而可能延長診斷測試時間。
正如所知道的那樣，在標準DCS環境中，諸如DCS控制器之類的計算機通過向定位器發送診斷控制信號強迫閥門進入測試序列，利用例如閥門或定位器/閥門組合完成診斷處理。
在標準的DCS環境中，由于DCS控制器或外部計算機已經配置為控制過程中各種設備的設定點(或其它輸入)并測量設備輸出和其它過程參數以實現與過程正常操作相關的控制策略，所以可以無需對系統作重大程度的重組或重新配置就可以完成設備和過程的診斷。因此，在標準DCS環境下完成診斷實際上是以略微不同的方式利用DCS控制器或其它外部計算機來控制過程內的一個或多個設備或者是利用DCS控制器或其它外部計算機測量過程或設備參數。因此在標準DCS環境下，診斷程序可以存儲在集中式DCS控制器或其它集中式外部計算機內并由其用來完成幾乎任何設備或過程的診斷，并且這些診斷程序可以在無需對過程控制網絡作重大的重新配置情況下就可以使用。遺憾的是，由于診斷程序集中化的性質，它們無法提供有關現場設備更為詳細的信息。
但是在具有分布控制功能的過程控制網絡中，某種程度上的集中式系統控制器未配置為單獨控制過程內所有的現場設備并且也未配置為接收所有用來完成設備和過程診斷的相應設備或過程參數的數據。相反，利用位于過程控制網絡內不同位置的通信線路連接的多個設備實現控制策略的不同過程控制環路。典型的情況是，這些設備被配置為利用事先制定的周期通信來傳送與實現過程控制環路相關的特定控制功能所需的數據并利用非周期或異步通信傳送其它數據(例如設定點改變)。因此在利用事先制定的周期通信實現的具有分布控制函數的過程控制網絡中，由于主設備必須采用異步通信方式發送診斷控制信號，無法精確控制診斷控制信號(或其不同部分)到達被測試設備的時刻，所以主設備無法向過程控制設備發送具有嚴格確定意義的診斷控制信號，而系統被配置為實現普通的控制策略。實際上，利用異步通信，主設備無法知道診斷控制信號(或其任何特定部分)何時到達被控制設備的輸入處。因此為了向具有分布控制功能的的過程控制網絡中設備發送具有確定意義的診斷控制信號，網絡的控制配置必須重新配置，但這必須離線處理。
而且雖然某些過程控制設備(例如Fisher控制國際股份公司制造和銷售的Fieldvue和Flowscanner設備)能夠完成自診斷，但這些設備局限于在利用模擬或模擬/數字混合通信協議進行不同設備間通信的過程控制系統中使用。現在還沒有過程控制設備能夠在全數字系統或者完成分布控制功能的通信系統中完成自診斷。
而且能夠完成自診斷的過程控制設備局限于完成由設備制造商硬件編碼入設備內的診斷，因此無法完成由主機或用戶(包括由不同設備制造商研制的程序)生成的診斷程序或測試。這種情況使用戶無法對工廠內所有不同類型的設備運行同一測試。
而且完成自診斷的過程控制設備一般也無法完成過程診斷。因此即使在包含能夠完成某些自診斷(即設備診斷)的現場設備的系統內也必須建立完成過程診斷的主設備。但是如上所述，由于控制結構必須重新配置以使主機能同步控制設備，所以主設備難以在包含分布功能的過程控制系統中完成過程診斷。而且在過程診斷期間利用不同的控制方案可能會給過程正常運行期間控制方案的實現帶來錯誤或失準。而且具有診斷功能的現場設備無法診斷沒有本地診斷能力的其它現場設備。

發明內容
本發明提供一種完成在過程控制網絡中的特定過程控制設備的設備和過程診斷的裝置和方法，比較好的是在具有分布控制功能的過程控制上，或由該設備而來中。按照本發明，診斷測試程序(可以是設備或過程診斷測試程序)存儲在過程控制設備內并由其執行以完成對過程控制設備的診斷而無需重新配置與過程控制網絡相連的控制結構。因此診斷測試子程序可以根據本發明實現而過程可以在基本上與過程正常操作器件相同的控制策略下進行。而且按照本發明的由過程控制設備實現的設備或過程診斷測試程序可以由用戶在主設備上生成并在運行診斷測試程序之前送至過程控制設備，這使得過程控制設備能夠實現任何所需的診斷測試程序，包括其它設備制造商提供的程序。
按照本發明的一個方面，能夠在用于包含多個由雙線數字功率總線互相耦合的現場設備的過程控制網絡的現場設備包含氣動操縱的流體控制閥門；通過氣動壓力線路與流體控制閥門耦合的定位器，用來產生使流體控制閥門在從開啟位置到關閉位置范圍內運動的的氣動壓力；以及與定位器和流體控制閥門耦合的位置傳感器，用來檢測流體控制閥門的位置。壓力傳感器與與氣動壓力線路耦合，用來檢測施加在流體控制閥門上的氣動壓力，氣動轉換器上的電學信號通過氣動壓力線路與定位器耦合，用來控制作為電學信號函數的氣動壓力線路中的氣動壓力。一臺電子控制器與電至壓力的轉換器、壓力傳感器和位置傳感器耦合，并且包括控制邏輯，它根據指示由壓力傳感器檢測的壓力和位置傳感器檢測的位置的反饋信號并根據現場設備控制信號確定電學信號。而且數字接口與雙線數字功率總線和電子控制器耦合并且包含向現場設備提供功率總線輸送的功率的電路和接收包括來自總線的現場設備控制信號的信號并向總線發送指示現場設備狀態的信號的兩路通信電路。
按照本發明的另一方面，能夠在用于包含多個由雙線全數字通信總線互相耦合的現場設備的過程控制網絡的現場設備包含連接雙線全數字總線從而在總線上進行全數字通信的連接器；存儲包含一系列診斷測試指令的診斷測試程序的存儲器；以及利用現場設備完成存儲在存儲器內的診斷測試指令以實現診斷測試的控制器。現場設備還包含采集診斷測試期間生成的診斷數據的數據采集單元和在總線上以全數字格式傳送采集的診斷數據的通信單元。
比較好的是，控制器包括適于解釋程序語言的程序語言解釋器并且診斷測試指令以程序語言存儲并經總線從多個設備中的第二個送至現場設備控制器。同樣，如上所述，診斷測試指令可以完成設備和/或過程的診斷。如果診斷測試指令定義了過程診斷，則數據采集單元適于接收診斷測試期間其它設備生成的數據。
按照本發明的另一方面，能夠在用于包含多個由總線互相耦合的現場設備的過程控制網絡的現場設備包含存儲包含一系列診斷測試指令的診斷測試程序的存儲器；完成存儲在存儲器內的診斷測試指令以實現診斷測試的設備控制器；采集診斷測試期間生成的診斷數據的數據采集單元；以及經總線從多個設備中的第二個接收診斷測試指令、將接收的診斷測試指令存儲在存儲器內并在總線上傳送采集的診斷數據的通信單元。
按照本發明的另一方面，能夠在用于包含多個由雙線數字驅動總線互相耦合的現場設備的過程控制網絡的現場設備包含存儲包含由現場設備實現的一系列診斷測試指令的診斷測試子程序的存儲器；以及完成存儲在存儲器內的診斷測試指令以實現診斷測試的設備控制器。現場設備還包含采集診斷測試期間生成的診斷數據并經總線從多個設備其中第二個接收進一步過程診斷數據的數據采集單元。現場設備內的通信單元在過程診斷處理完成以后于總線上傳送采集的診斷數據和進一步過程診斷數據。
附圖的簡要說明

圖1是使用現場總線協議的示例過程控制網絡的示意方框圖；圖2是其中具有一組三功能塊的現場總線裝置的示意方框圖；圖3是示出位于圖1過程控制網絡的某些裝置內的功能塊的示意方框圖；圖4是位于圖1的過程控制網絡內的過程控制回路的控制回路示意圖。
圖5是圖1的過程控制網絡的一段總線的宏循環的時序示意圖；圖6為示意塊圖，示出了具有雙線環路通電的兩路數字通信定位器的數字現場設備；
圖7為用于控制圖6數字現場設備的合適現場設備控制器的示意塊圖；圖8為完成診斷測試技術的流程圖；圖9為測試圖6數字現場設備的診斷測試協議的流程圖；圖10A、10B和10C為曲線圖，示出了根據本發明用于完成設備診斷的不同診斷測試信號；圖11A和11B為控制環路示意圖，包含按照本發明的診斷數據采集功能塊；以及圖12為利用圖11的診斷數據采集功能塊完成過程診斷測試的診斷測試協議流程圖。
實施發明的較佳方式結合一過程控制網絡來詳細描述本發明的設備和過程診斷的方法，該過程控制網絡使用一組現場總線裝置以分散或分布方式來實現過程控制功能，應注意本發明的診斷方法可使用這樣的過程控制網絡，這些網絡使用其它類型的現場裝置和通信協議(包括不依靠雙線總線的協議和只支持模擬或模擬數字通信的協議)來進行分布控制功能。于是，例如，本發明的設備和過程診斷可用于進行分布控制功能的任何過程控制網絡，即使該過程控制網絡使用HART、PROFIBUS等通信協議或者現有或將來可開發的任何其它通信協議。此外，本發明的診斷方法亦可用于是有分布控制功能，例如，HART網絡等的標準過程控制網絡。又可用于任何需要過程控制的設備，諸如閥門、定位器、傳感器之內。
在討論本發明的診斷的細節前，將對現場總線協議、依據該協議構成的現場裝置以及在使用現場總線協議的過程控制網絡中發生通信的方式進行總體描述。然而，應理解，雖然現場總線協議是一個為用于過程控制網絡而開發的相對新的全數字通信協議，該協議在本領域內是公知的，且在例如現場總線Foundation(一個總部設在德克薩斯州奧斯汀市的公益性組織)所出版、分發和獲得的大量文章、小冊子和說明書中有詳細描述。尤其是，在公知的來自現場總線Foundation的通信技術說明書和用戶層技術說明書這類手冊中詳細地描述了現場總線協議以及使用該現場總線協議進行通信及把數據存儲在裝置中的方式，從而在這里把引用其全部內容作為參考。
現場總線協議是一種全數字串行雙向通信協議，它為位于例如工廠或車間的設備或過程控制環境中的諸如傳感器、傳動器、控制器、閥門等雙線回路或總線互連“現場”設備提供標準化物理接口。實際上，現場總線協議為位于過程裝置中的現場設備(現場裝置)提供了局域網絡，這樣使這些現場裝置在分布于整個過程中的各個位置處進行控制功能并在進行這些控制功能前后相互通信以實現整個控制策略。由于現場總線協議使控制功能分布于整個過程控制網絡中，所以它減少了中央處理控制器(通常與DCS相連)的復雜性，或完全不需要此控制器。
參考圖1，使用現場總線協議的過程控制網絡10可包括經由雙線現場總線回路或總線34連到諸如程序邏輯控制器(PLC)13、許多控制器14、另一個主機裝置15和一組現場裝置16、18、20、22、24、26、28、30和32等許多其它裝置的主機12。總線34包括由橋接裝置30和32分開的不同部分或段34a、34b和34c。每個部分34a、34b和34c互連接在總線34上的裝置的子集，使得在這些裝置子集按以下所述的方式進行通信。當然，圖1的網絡只是示意性的，還有可以使用現場總線協議來構成過程控制網絡的許多其它方法。一般，配置器位于諸如主機12等一個裝置中，且負責建立或配置每個裝置(這些裝置是“智能型”裝置，因為它們中的每一個都包括能進行通信和控制功能(在某些情況下)的微處理器)，以及識別什么時候把新的現場裝置連到總線34、什么時候把現場裝置從總線34上除去，接收現場裝置16-32產生的數據并與一個或多個用戶終端相接，這些用戶終端位于主機12或以任何方式連到主機12的任何其它裝置中。
總線34支持或允許雙向的純數字通信，且還可給諸如現場裝置16-32等與其相連的任何或所有裝置提供功率信號。或者，裝置12-32中的任何或所有裝置可具有它們自己的電源，或者可以經由單獨的線(未示出)連到外部電源。雖然在圖1中示出裝置12-32以標準總線型連接連到總線34，其中多個裝置連到構成總線段34a、34b和34的同一對線，但現場總線協議還允許其它的裝置/線拓撲結構，包括每個裝置經由單獨的雙線對連到控制器或主機(類似于典型的4-20mA模擬DCS系統)的點到點連接、每個裝置連到雙線總線(可以是例如過程控制網絡的一個現場裝置中的連接盒或端接區)中的公共點的樹型或“齒輪型”連接。
依據現場總線協議，可以相同或不同的通信波特速率或速度在不同的總線段34a、34b和34c上發送數據。例如，現場總線協議提供了所示被圖1中的總線段34b和34c所使用的31.25Kbit/s的通信速率(H1)，以及1.0Mbit/s和/或2.5Mbit/s(H2)通信速率，這兩個速率通常用于高級過程控制、遠程輸入/輸出和高速工廠自動設備且示出被圖1的總線段34a所使用。同樣，依據現場總線協議，可使用電壓模式信令或電流模式信令在總線端34a、34b和34c上發送數據。當然，總線34每一段的最大長度沒有嚴格的限制，而是由該段的通信速率、電纜類型、線的尺寸、總線功率選項等來確定。
現場總線協議把可連到總線34的裝置分成三類，即基本裝置、主鏈接(linkmaster)裝置和橋接裝置。基本裝置(諸如圖1的裝置18、20、24和28)可進行通信，即來往于總線34發送和接收通信信號，但它們不能控制總線34上所發生的通信的順序或定時。主鏈接裝置(諸如圖1中的裝置16、22和26以及主機12)是在總線34上進行通信的裝置，它們能控制總線34上通信信號的流程和定時。橋接裝置(諸如圖1中的裝置30和32)是在現場總線總線的各段或分支上進行通信并把它們互連來產生較大的過程控制網絡的裝置。如果需要，橋接裝置可在總線34的不同段上所使用的不同數據速度和/或不同數據信令格式之間進行轉換，可放大在總線34的段之間傳播的信號，可對在總線34的不同段之間流動的信號進行濾波且只讓指定將由橋路耦合到的總線段上的裝置接收的那些信號通過，和/或可采取鏈接總線34的不同段所需的其它動作。連接以不同速度操作的總線段的橋接裝置在橋路的較低速度段一側必須具有主鏈接容量。主機12和15、PLC 13和控制器14可以是任何類型的現場總線裝置，但它們通常是主鏈接裝置。
裝置12-32中的每一個都能在總線34上進行通信，重要的是，它們能使用該裝置從過程獲取的或經由總線34上的通信信號從不同裝置獲取的數據獨立地進行一個或多個過程控制功能。因此，現場總線裝置能直接實行整個控制策略的一部分，這些部分在過去是由DCS的中央數字控制器來進行的。為了進行控制功能，每個現場總線裝置包括在該裝置內的微處理器中實行的一個或多個標準化“ 塊”。尤其是，每個現場總線裝置包括一個資源塊、零個或多個功能塊以及零個或多個轉換器(transducer)塊。這些塊叫做塊目標。
資源塊存儲和傳送屬于現場總線裝置的某些特性的裝置特定數據，例如包括裝置類型、裝置修改指示和是否可在裝置的存儲器內獲得其它裝置特定信息的指示。雖然不同的裝置制造商可在現場裝置的資源塊中存儲不同類型的數據，但符合現場總線協議的每個現場裝置包括存儲某些數據的資源塊。
功能塊定義和實行與現場裝置相關的輸入功能、輸出功能或控制功能，于是，功能塊一般被叫做輸入、輸出和控制功能塊。然而，將來還存在或開發出諸如混合功能塊等其它類型的功能塊。每個輸入或輸出功能塊產生至少一個過程控制輸入(諸如來自過程測量裝置的過程變量)或過程控制輸出(諸如發送到驅動裝置的閥位置)，同時每個控制功能塊使用算法(實際上可以是專用的)從一個或多個過程輸入和控制輸入中產生一個或多個過程輸出。標準功能塊的例子包括模擬輸入(AI)、模擬輸出(AO)、偏置(B)、控制選擇器(CS)、離散輸入(DI)、離散輸出(DO)、手動裝載機(ML)、比例/微分(PD)、比例/積分/微分(PID)、比率(RA)和信號選擇器(SS)功能塊。然而，存在其它類型的功能塊，也可定義或產生在現場總線環境下操作的新功能塊。
轉換器塊把一功能塊的輸入和輸出耦合到諸如傳感器和裝置傳動器等本地(local)硬件裝置，以使這些功能塊可讀取本地傳感器的輸出并命令本地裝置進行諸如移動閥門部件等一個或多個功能。轉換器塊通常包含解釋由本地裝置所傳遞的信號以及對本地硬件裝置進行適當控制所需的信息，例如包括識別本地裝置類型的信息、與本地裝置有關的校準信息等。單個轉換器塊通常與每個輸入或輸出功能塊相連。
大多數功能塊能根據預定判據來產生警告或事件指示并能以不同的模式進行不同的操作。總的來說，功能塊可以其中例如功能塊的算法自動操作的自動模式進行操作；功能塊可以其中手動地控制例如功能塊的輸入或輸出的操作者模式進行操作；可以退出模式即功能塊不操作的方式進行操作功能塊可以其中塊的操作受到不同塊的輸出的影響(確定)的層疊模式進行操作；以及功能塊可以其中一遠程計算機確定塊模式的一個或多個遠程模式進行操作。然而，在現場總線協議中還存在著其它操作模式。
重要的是，每個塊能使用由現場總線協議所定義的標準報文格式經由現場總線總線34與同一或不同現場裝置中的其它塊進行通信。結果，功能塊(位于同一或不同裝置中)的組合可相互通信，以產生一個或多個分散控制回路。于是，例如，一個現場裝置中的PID功能塊可經由總線34連接到接收第二現場裝置中的AI功能塊的輸出，向第三現場裝置中的AO功能塊發送數據，以及接收AO功能塊的輸出作為反饋以產生與任何DCS控制器分開的過程控制回路。這樣，功能塊的組合把控制功能移出中央DCS環境，這樣使得CDS多功能控制器可進行監督或協調功能或把它們一起清除。此外，功能塊為簡化過程結構提供了圖解的面向塊的結構，并且因為這些塊使用一致的通信協議所以這些功能可分布于不同供應商的現場裝置中。
除了包含和實行塊目標以外，每個現場裝置還包括一個或多個其它的目標，包括鏈接目標、轉向目標、警報目標和觀察目標。鏈接目標定義了現場裝置內部和跨現場總線總線34的塊(諸如功能塊)的輸入和輸出之間的鏈路。
轉向目標使功能塊參數局部轉向，以被諸如圖1的主機12或控制器14等其它裝置所訪問。轉向目標保留屬于某些例如功能塊參數的短時期歷史數據并以異步方式經由總線34把該數據報告給其它裝置或功能塊。警報目標在總線34上報告警告和事件。這些警告或事件可相應于在一裝置或一裝置的一個塊內所發生的任何事件。觀察目標是在標準人/機聯系中所使用的塊參數的預定分組，觀察目標可被發送到其它裝置以便隨時觀察。
現在參考圖2，示出三個現場總線裝置，它們可以是例如圖1的現場裝置16-28中的任一個，它們包括資源塊48、功能塊50、51或52和變換器塊53和54。在第一裝置中，功能塊50(可以是輸入功能塊)通過變換器塊53耦合到傳感器55，傳感器55可以是例如溫度傳感器，設定點指示傳感器等。在第二裝置中，功能塊51(可以是輸出功能塊)通過變換器塊54耦合到諸如閥門56等輸出裝置。在第三裝置中，功能塊52(可以是控制功能塊)具有與其相連的轉向目標57，用以使功能塊52的輸入參數轉向。
鏈接目標58定義了每個有關塊的塊參數，警報目標59為每個有關塊提供了警告或事件通知。觀察目標60與每個功能塊50、51和52相連且包括或集中了與其相連的功能塊的數據清單。這些清單包含用于一組所定義的不同觀察中每一個觀察所需的信息。當然，圖2的裝置只是示意性的，在任何現場裝置中可提供其它數目和類型的塊目標、鏈接目標、警報目標、轉向目標和觀察目標。
現在參照圖3，過程控制網絡10的方框圖還示出與定位器/閥門(positioner/valve)16、發射器20和橋路30相關的功能塊，其中將裝置16、18和24示為定位器/閥門裝置而將裝置20、22、26和28示為發射器。如圖3所示，定位器/閥門16包括資源(RSC)塊61、傳感器(XDCR)塊62和大量功能塊，它包括模擬輸出(AO)功能塊63、兩個PID功能塊64和65以及信號選擇(SS)功能塊69。發射器20包括資源塊61、兩個傳感器塊62和兩個模擬輸入(AI)功能塊66和67。此外，橋路30包括資源塊61和PID功能塊68。
應理解，圖3的不同功能塊可以在多個控制環路中一起操作(通過沿著總線34進行通信)，而且由環路識別塊識別其中設有所示控制環路中定位器/閥門16、發射器20和橋路30的功能的控制環路，其中所述功能識別塊與這些功能塊中的某個功能塊相連(如圖3所示)。于是，如圖3所示，在標為LOOP1的控制環路中，將定位器/閥門16的A0功能塊63和PID功能塊64以及發射器20的AI功能塊66相連，同時在標為LOOP2的控制環路中將定位器/閥門16的SS功能塊69、發射器20的AI功能塊67以及橋路30的PID功能塊68相連。在標為LOOP3的控制環路中，連接定位器/閥門16的其它PID功能塊65。
在如圖4所示的這個控制環路的示意圖中，詳細示出構成標為圖3中LOOP1的控制環路的相互連接的功能塊。從圖4可見，由在定位器/閥門16的AO功能塊63和PID功能塊64以及發射器20的AI功能塊66之間的通信鏈路完全形成控制環路LOOP1。圖4的控制環路示出運用附著這些功能塊的處理和控制輸入及輸出的線路，在這些功能塊之間的通信相互連接關系。于是，通過總線段34b，包括處理測量或處理參數信號的AI功能塊66的輸出與PID功能塊64的輸入通信聯絡地耦合，其中所述PID功能塊64具有包括與AO功能塊63的輸入通信聯絡耦合的控制信號的輸出。包括例如表示閥門16位置的反饋信號的AO功能塊63的輸出與PID功能塊64的控制輸入相連。PID功能塊64運用這個反饋信號以及來自AI功能塊66的處理測量信號來自實現對AO功能塊63的適當控制。當然，可以在現場裝置內執行由圖4的控制環路圖中的線路表示的連接，當帶有AO和PID功能塊63和64的情況下，功能塊在相同現場裝置(例如，定位器/閥門16)內，或者通過兩根線通信總線34，運用標準的現場總線同步通信，可以實現這些連接。當然，可由在其它結構中通信聯絡相互連接的其它功能塊來實現其它控制環路。
為了實現和執行通信和控制活動，現場總線協議運用標為物理層、通信“多層(stack)”和用戶層的大致三種技術。用戶層包括以在任一特定過程控制裝置或現場裝置內的塊(諸如功能塊)和目標的形式提供的控制和結構功能。一般由裝置制造商以適當的方法來設計用戶層，但是必須能夠根據由現場總線協議限定的標準消息格式來接收和傳輸消息，以及功能由用戶以標準方法來設置。物理層和通信多層必須運用兩根線總線34以標準化方法來影響在不同現場裝置的不同塊之間的通信，而且可由已知的開放系統互連(OSI)分層通信模型來建立它們的模型。
在每個現場裝置和總線34中的與OSI層1相對應的物理層，進行操作以將從現場總線傳輸媒體(兩根線總線34)接收到的電磁信號轉換成能供現場裝置的通信多層運用的消息。物理層可被認為是總線34，而且在現場裝置的輸入端和輸出端，電磁信號出現在總線34上。
出現在每個現場總線裝置中的通信多層包括與OSI層2相對應的數據鏈路層、現場總線訪問子層和與OSI層6相對應的現場總線消息特定層。在現場總線協議中沒有對于OSI層3-5的相應結構。然而，現場總線裝置的應用包括層7，同時用戶層是層8，這在OSI協議中沒有限定。在通信多層中的每個層負責編碼或解碼在現場總線總線34上傳輸的一部消息或信號。結果，通信多層中的每一層都附加或去除某些現場總線信號，諸如前置信號、起始定界符和結束定界符，以及在一些情況下，解碼現場總線信號的剝去(stipped)部分以識別應把剩余信號或消息送到哪里去，或者例如由于信號包括用于沒有在接收現場裝置中的功能塊的消息或數據，是否應丟棄該信號。
數據鏈路層控制總線34上傳輸消息并根據下面將要描述的被稱為鏈路現行定標器(link active scheduler)的確定的集中總線定標器，管理對總線34的訪問。數據鏈路層在傳輸媒體上從信號中去除前置信號，并可以運用接收到的前置信號來使現場裝置的內部時鐘與入局現場總線信號同步。同樣，數據鏈路層將在通信多層上的消息轉換成物理現場總線信號，而且用時鐘信息對這些信號進行編碼以產生“同步序列”信號，它具有用于在兩根線總線34上傳輸的適當前置信號。在解碼處理過程中，數據鏈路層認識在前置信號內的特定代碼，諸如，起始定界符和結束定界符，以識別特定現場總線消息的開始和結束，而且可以執行檢驗和來驗證從總線34接收到的信號或消息的完整性。同樣，數據鏈路層通過將起始和結束定界符加到在通信多層上的消息并在適當的時候將這些信號設置在傳輸媒體上，來在總線34上傳輸現場總線信號。
現場總線消息特定層運用標準消息格式組來允許用戶層(即，現場裝置的功能塊、目標等)通過總線34進行通信，并描述建立要設置在通信多層上的消息并向用戶層提供所需的通信裝置、消息格式和協議行為。由于現場總線消息特定層提供用于用戶層和標準化通信，所以對于上述每種目標限定特定現場總線消息特定通信業務。例如，現場總線消息特定層包括目標表(dictionary)業務，它允許用戶讀取裝置的目標表。目標表存儲描述或識別裝置的每個目標(諸如，功能塊)的目標說明。現場總線消息特定層還提供上下文管理業務，它允許用戶讀取和改變與裝置的一個或多個目標相關的被稱作為虛擬通信關系(VCR)(如下所述)的通信關系。另外，現場總線消息特定層提供各種訪問業務、事件業務、數據上裝和數據下裝業務以及程序調用業務，在現場總線協議中所有這些都是已知的，因而這里不再詳細描述。現場總線訪問子層將現場總線消息特定層映射在數據鏈路層中。
為了允許或使得能夠操作這些層，每個現場總線裝置包括管理信息基(MIB)，它是存儲VCR、動態變量、統計學、鏈路現行定標器時間表(link active schedulertiming schedule)、功能塊執行時間表和裝置特征和地址信息。當然，可在任何時刻，運用標準現場總線消息或命令來訪問或改變在MIB內的信息。此外，一般每個裝置設有裝置說明以使用戶或主機對VFD中的信息有一補充了解。一般必須標為由主機使用的裝置說明存儲主機理解在裝置的VFD中的數據音義所需的信息。
應理解，為了運用在處理控制為了中所述的功能塊來實現任何控制策略，相對應在特定控制環路中的其它功能塊的執行，必須精確地安排功能塊的執行時間表。同樣，必須精確地安排在總線34上執行的在不同功能塊之間的通信，從而在該塊執行之前，向每個功能塊提供適當數據。
現在，參照圖1描述其中不同現場裝置(和在現場裝置中的不同塊)通過現場總線傳輸媒體進行通信的方法。對于發生的通信，在總線34中的每段上的一個鏈路主裝置(例如，裝置12、16和26)作為鏈路現行調度器(LAS)進行操作，它現場調度和控制在總線34的相關段上的通信。用于總線34的每段的LAS存儲和更新通信時間表(鏈路現行時間表)，它包括調度每個裝置的每個功能塊以起始在總線34上的周期性通信活動的時間，以及發生這種通信活動的時間長度。雖然在總線34的每段上有一個并且只有一個現行LAS裝置，但是其它鏈路主裝置(諸如，在段34b上的裝置22)可以用作備份LAS，而且例如當當前LAS出故障上，它編程現行的。在任何時刻，基本裝置都沒有變成LAS的能力。
一般而言，總線34上的通信活動被劃分為重復的宏循環，每個包含一個用于總線34任一特定段上每個激活功能塊的同步通信和用于總線34某一段上一個或多個激活功能塊或設備的一個或多個異步通信。即使設備通過總線34上橋和LASs的協同操作物理上連接總線34不同的段，設備也可以是激活的，即發送數據并接收來自總線34任一段上的數據。
在每個宏循環內，每個在總線34特定段上激活的功能塊通常在不同但是精確安排的時序(同步)上執行，并且以另一精確安排的時序在總線34的該段上發布其輸出數據以響應LAS生成的強制數據命令。比較好的是，每個功能塊在功能塊執行周期結束后不久發布其輸出數據。而且不同功能塊的數據發布時序都依次安排好從而使總線34特定段上沒有兩個功能塊是同時發布數據的。在未進行同步通信期間，允許每個現場設備利用通信驅動的令牌，以異步模式發射報警數據、查看數據等。完成每個功能塊所需的執行時序和時間長度存儲在駐留功能塊的設備的管理信息庫(MIB)內，如上所述，向總線34某一段上每個設備發送強制數據命令的時序存儲在該段LAS設備的MIB內。由于這些功能塊執行或發送數據的時序標明了相對“絕對鏈接安排開始時刻”(對于連接在總線34上的所有設備來說它都是已知的)的偏離，所以它們一般作為偏離時間存儲。
為了在每個宏循環內實現通信，LAS(例如總線段34b上的LAS 16)根據存儲在鏈接激活安排表內的發送時序列表向總線段34b上的每個設備發送強制數據命令。在接收到強制數據命令后，設備的功能塊在特定時間內于總線34上發布輸出數據。由于每個功能塊一般是按照安排執行的，從而使得塊的執行在塊安排接收強制數據命令之前進行，所以響應強制數據命令而發布的數據應該是功能塊最近的輸出數據。但是如果功能塊執行緩慢并且在接收到強制數據時未鎖存新的輸出，則功能塊發布在其最后執行期間生成的輸出數據并利用時間戳記指示發布的數據是舊數據。
在LAS向總線34特定段上每個功能塊發送強制數據命令之后并在功能塊執行期間，LAS可以進行異步通信活動。為了實現異步通信，LAS向特定的現場設備發送傳遞令牌報文。當現場設備接收到傳遞令牌報文時，現場設備對總線34(或者它的一段)具有完全訪問能力并且可以發送異步報文(例如報警報文、轉向數據、操作者設定點變化等)直到報文完成或者最大分配的“令牌保持時間”到期。隨后現場設備釋放總線34(或者其任一段)并且LAS向另一設備發送傳遞令牌報文。重復這樣的過程直到宏循環結束或者直到LAS被安排發送強制命令數據以實現同步通信。當然，根據報文業務量和耦合至總線34任一特定段上的設備和塊的數量，并不是每個設備都可以在每個宏循環內接收傳遞令牌報文的。
圖5示出時序圖，表示圖1中總線段34b上功能塊在總線段34b的每次宏循環期間執行的時間和與總線段34b相關的每次宏循環期間出現同步通信的時間。在圖5的時序表中，水平軸表示時間，垂直軸表示與圖3中定位器/閥門16和發射器20的不同功能塊相關的活動。圖5中以下腳標表示每個功能塊操作的控制回路。因此，AILOOP1指發射器20的AI功能塊66，PIDLOOP1指定位器/閥門16的PID功能塊64，等等。圖5中，以劃斜線的方框表示每個所示功能塊的塊執行周期，而以垂直條表示每個預定的同步通信。
因此，根據圖5的時序表，在(圖1)總線段34b的任何特定宏循環期間，AILOOP1功能塊首先在方框70指定的時間周期中執行。然后，在垂直條72表示的時間周期中，響應于LAS對總線段34b的強迫數據命令在總線段34b上公布AILOOP1功能塊的輸出。同樣，方框74、76、78、80和81分別表示功能塊PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3的執行時間(對于每一個不同的功能塊，時間是不同的)，而垂直條82、84、86、88和89分別表示PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3功能塊在總線段34b上公布數據的時間。
顯然，圖5的時序圖還示出可供進行異步通信活動的時間，它們可以出現在任何功能塊的執行時間中以及宏循環結束時沒有功能塊在執行和在總線段34b上不發生同步通信的時間中。當然，如果需要的話，可以有意識地安排不同的功能塊在相同時間上執行，例如，如果沒有其它裝置訂購功能塊所產生的數據，不必讓所有的功能塊在總線上公布數據。
現場裝置(field device)利用各裝置多層的Fieldbus存取子層中所定義的三種虛擬通信關系(VCR)中的一種關系能夠在總線34上公布或發送數據和消息。對于在總線34上裝置之間排隊、非預定、用戶始發、一對一的通信，可采用客戶/服務器VCR。根據這種排隊消息的優先級，按照提交進行發送的次序對它們進行發送和接收，而不改寫以前的消息。因此，當現場裝置從LAS接收一條通過記號消息，將請求消息在總線34上發送到另一個裝置時，它可以采用客戶/服務器VCR。將請求者稱為“客戶”，將接收請求的裝置稱為“服務器”。當服務器從LAS接收通過記號消息時它發出一個應答。例如，采用客戶/服務器VCR來實現操作者始發請求，例如設定點變化、調諧參數存取和變化、報警確認和裝置裝載和卸載。
對于排隊、非預定、用戶始發、一對多的通信，可以采用報告分布VCR。例如，當具有事件或轉向報告的現場裝置從LAS接收通過記號時，該現場裝置將其消息發送到該裝置通信多層的Fieldbus存取子層中所定義的“組地址”。為在該VCR上收聽而配置的裝置將接收該報告。Fieldbus裝置通常采用報告分布VCR類型來將報警通知傳送操作者控制臺。
對于緩沖、一對多通信，采用出版者/訂購者VCR類型。緩沖通信是僅存儲和傳送最新版本數據的通信，因此新的數據完全改寫以前的數據。功能塊的輸出例如包括緩沖數據。當出版者裝置從LAS或從訂購者裝置接收強迫數據消息時，“出版者”現場裝置利用出版者/訂購者VCR類型將消息發布或播放給總線34上所有的“訂購者”現場裝置。預先確定出版者/訂購者關系并將其限定和存儲在各現場裝置通信多層的Fieldbus存取子層中。
為了保證總線34上的適當的通信活動，各LAS周期性地將時間分布消息傳送到與總線段34連接的所有現場裝置，使得接收裝置將它們的局部應用時間調節為相互同步。在這些同步消息之間，根據每個裝置自身的內部時鐘，獨立地維持每個裝置中的時鐘時間。時鐘同步允許現場裝置對整個Fieldbus網絡上的數據加時間印記，表示例如數據是何時產生的。
此外，每個總線段上的各LAS(和其它連接主裝置)存儲“運轉清單(livelist)”，這是一張與該總線段34連接的所有裝置，即對通過記號消息作出適當響應的所有裝置的清單。LAS通過周期性地將探查節點消息傳送到不在運轉清單上的地址，對增加到總線段上的新裝置進行連續識別。事實上，在每個LAS完成將通過記號消息傳送到運轉清單中所有現場裝置的循環后，需要它對至少一個地址進行探查。如果有一個現場裝置出現在被探查的地址上并接收到探查節點消息，那么該裝置立即返回一個探查應答消息。在接收探查應答消息時，LAS將該裝置增加到運轉清單中并通過將節點激活消息傳送到被探查的現場裝置而確認。只要現場裝置對通過記號消息作出適當應答該現場裝置便維持在運轉清單上。然而，如果在經過三次連續嘗試后現場裝置既沒有采用該記號又沒有立即將該記號返回給LAS，那么該LAS將現場裝置從運轉清單中排除。當現場裝置被增加到運轉清單中或者從運轉清單中排除時，LAS將運轉清單中的變化播放給總線34特定一段上的所有其它連接主裝置，允許每個連接主裝置維持當前復制的運轉清單。
如上所述，現場裝置及其功能塊之間的通信互連是由用戶確定的并利用位于例如主機12中的配置應用程序在過程控制網絡10中實現。然而，在配置后，過程控制網絡10的操作無需考慮裝置或過程診斷，因此與主機12接口，進行標準I/O功能，但不進行診斷功能。
當用戶希望進行診斷時，用戶可以用主機12將設定點變化傳送到例如控制LOOP1的AO功能塊63并利用與AO功能塊63有關的轉向對象將反饋記錄在AO功能塊63中。然而，進行這種類型的通信，主機12必須采用異步(非發布的)通信，它允許主機12只有在主機12從LAS接收通過記號消息時才接入總線34。結果，由主機12產生的診斷信號的不同部分可以在精確確定的時間(精確排定的時間)到達AO功能塊63，這意味著在AO功能塊63上接收的診斷信號將具有至少部分地是由總線34上通信儲備在任何特定時間所確定的形狀。由于這一原因，利用異步通信傳送的任何診斷信號將不是嚴格確定的，因此在進行裝置或過程的診斷中可以不是十分有效的。此外，主機12無法保證由轉向目標收集的反饋數據將不發生由于改寫等而造成的丟失。此外，主機12無法控制LOOP1中其它功能塊，如PID功能塊64的模式，無法具體改變該模塊的模式。
至此，為了保證完全并嚴格地確定過程中的診斷，用戶不得不與過程控制網絡10斷開和重新配置其中的通信接口，使得主機2能夠將設定點變化傳送到合適的裝置并通過同步通信接收由合適裝置測量的數據。然而，如上所述，這一步驟中斷了過程并需要操作者只要在進行診斷時就要重新配置過程控制網絡，這兩點都是不希望有的。此外，在這一診斷過步驟間由主機12執行的控制與在過程正常操作期間由通信連接功能塊執行的控制是不同的，因此，所收集的過程數據可以不代表過程正在得到正常控制時的操作。
為了克服例如Fieldbus過程控制網絡中的這些缺點，裝置或過程診斷方法被存儲在現場裝置中并從現場裝置執行，可以將其用于在該裝置上或者利用該裝置進行裝置和/或過程診斷。把可以作為功能塊執行的診斷過程配置為與位于裝置中和接收數據的功能塊或其它部件進行通信，例如利用同步周期通信(例如Fieldbus協議的出版者/訂購者VCR)在例如總線34上測量裝置參數或其它過程參數。以這種方式，診斷過程能夠決定性地控制位于其中的裝置并以周期方式接收和存儲屬于裝置或過程參數的數據。
現在參考圖6，示意方塊圖表示(圖3)數字現場裝置16，這是一個雙線、回路供電、雙向數字通信定位器/閥門組合。數字現場裝置16包括現場裝置控制器102、I/P轉換器104、氣動中繼106、傳動器108和閥門109，它們通過各種氣壓和電氣線互連。
現場裝置16最好根據Fieldbus標準經過雙線總線段34b以數字形式接收操作信號和發送狀態信息和數據，因此，是一個雙線定位器。同樣，現場裝置16經過雙線連續回路總線段34b接收功率，主要是驅動裝置控制器102和I/P轉換器104，因此，是一個回路供電裝置。
如圖6所示，I/P轉換器104通過I/P轉換器控制線110與裝置控制器102電連接，在例舉的實施例中，利用模擬控制信號進行與裝置控制器102的通信。
I/P轉換器104產生氣壓信號，該信號引起閥門109動作，在電機械裝置中將電信號轉變為氣壓定位器的氣壓是很有用的。傳動器108控制閥門109的閥門構件114(這可以閥門桿)的位置，而位置敏感器116對閥門構件114的位置敏感并產生反饋信號，經信號線117傳送到裝置控制器102。裝置控制器102可以利用這一位置信號來控制現場裝置16的操作，使得I/P轉換器104以引起閥門構件114定位在所需位置上的方式驅動氣動壓力。可以將位置和其它反饋信息存儲在裝置控制器120的儲存單元或存儲器中并經過總線34進行外部存取。
由于是標準，現場裝置16經過接至I/P轉換器104和氣動中繼106的氣壓線118接收從外部源(未示出)供給的加壓空氣。通常位于外部空氣源與I/P轉換器104之間的輸入敏感器120測量氣壓線118中的輸入氣壓供給壓力并將這一測量結果送至裝置控制器102。I/P轉換器104經氣壓控制線122被接至氣動中繼106，I/P敏感器124位于I/P轉換器104與氣動中繼106之間，測量氣壓控制線122中的氣壓供給壓力。同樣，氣動中繼106經氣壓傳動線126被接至傳動器108，中繼敏感器128位于氣動中繼106與傳動器108之間，測量氣壓傳動線126中的氣壓供給壓力。氣壓線118、122和126被認為是將敏感器104與閥門109互連起來的單個氣壓線的一部分。
在操作期間，裝置控制器102通過控制I/P轉換器104設定氣壓控制線126中受控閥門的操作壓力而控制閥門109的傳動。裝置控制器102經I/P傳感器控制線110將控制信號傳送到I/P轉換器104，把I/P轉換器104和中繼106組合的輸出壓力控制在約3-100psi(0.21-7.06kscm)之間，將其施加到傳動器108的控制輸入上。傳動器108產生輸出壓力，應用該壓力使閥門109操作。
因此，正如人們所知的，I/P轉換器104把電信號轉換為氣動空氣壓力信號。合適的I/P轉換器104的一個例子在1995年8月8日授權的題目為“電-氣壓傳換器”的第5439021號美國專利中所述，這里將其整個引作參考。同樣，起氣壓放大器作用的氣動中繼106按照裝置控制器102的指揮受I/P轉換器104控制，將氣壓傳動信號線126的空氣壓力增大一控制量。因此，通常說，氣動中繼106響應于裝置控制器102的控制信號，將受控輸出壓力提供給負載或者使用裝置，如傳動器或活塞。在1990年12月4日授權的題目為“四種模式氣動中繼”的第4974625號美國專利中描述了一個合適的中繼，這里將其整個引作參考。在例舉的實施例中，中繼106是可以為正向/速動、正向/正比、反向/速動或反向/正比操作的任何組合而配置的多功能四模式氣動中繼。在正比模式中，氣動中繼106產生正比于輸入壓力或力的壓力輸出、在開/關或速動模式中，氣動中繼106根據所施加的一定范圍的力或壓力控制輸入，產生恒定壓力輸出，通常等于所施加的壓力。在正向操作模式中，氣動中繼106的輸出壓力隨輸入信號的增大而增大。在反向操作模式中，中繼輸出壓力隨輸入信號的增大而降低。
輸入敏感器120、I/P敏感器124和中繼敏感器128是壓力轉換器，它包含將壓力信號轉變為電信號并經線路130將反饋信號提供給裝置控制器102的壓力至電信號的轉換器。I/P敏感器124對于檢測是I/P轉換器104故障還是氣動中繼106故障，例如確定故障是機械故障還是電氣故障是有用的診斷手段。I/P敏感器124對于檢測一些系統問題，例如確定輸入到數字現場裝置16的空氣壓力是否足夠也是有用的。結果，I/P敏感器124允許對I/P轉換器104和氣動中繼106進行快速診斷，如果需要的話能夠迅速替換這些裝置。
在一個實施例中，供數字現場裝置16使用的合適的閥門109是閥門和傳動器組件，它在模擬裝置中使用的滑動桿閥上采用彈簧和隔膜傳動器，在這里引作參考的1990年12月11日授予W.V.Fitzgerald的題目為“流體控制閥的診斷裝置和方法”的第4976144號美國專利中對這種模擬裝置作了描述。在這一示范實施例中，根據由裝置控制器102施加到I/P轉換器104的約4mA的信號，將約3psi(0.21kscm)的壓力信號提供給傳動器108，導致氣壓傳動信號線126中的相應壓力不足以使閥門109從完全打開位置移動。如果現場裝置控制器102將施加到I/P轉換器104的控制電流變為約20mA，那么，I/P轉換器104在氣壓傳動線126中產生約15psi(1.06kscm)的壓力，它迫使閥門109位于完全關閉位置。通過裝置控制器102的操作，將施加到I/P轉換器104的輸入電流在4mA至20mA之間的范圍，可以使閥門109位于完全打開位置與完全關閉位置之間的不同位置上。
裝置控制器102進行較高速的數字通信，經過總線34接收控制信號和將位置和壓力信息發送到外部處理器或過程控制網絡10中的工作站。裝置控制器102包括存儲多個診斷測試結果的存儲裝置或存儲器，從而將有關數據提供進行分析。診斷操作，例如裝置診斷通常采用軟件程序代碼的形式，通常是在現場裝置16的裝置控制器102中進行編碼、存儲和執行的，以及結合在外部裝置，如處理器或主工作站12中執行的程序代碼。
通過裝置控制器102的操作，將施加到I/P轉換器104的輸入電流控制在足以測試閥門109處于完全打開和完全關閉位置之間的范圍中，可以進行閥門109的裝置診斷評價。在裝置診斷評價期間，通過裝置控制器102監測輸入敏感器120、I/P敏感器124和中繼敏感器128的輸出，它們分別敏感于氣動線路118、112和126中的氣動壓力，將其用作分析。還對位置敏感器116的輸出進行監測，以檢測閥門桿114的位置和移動，它對應于閥門109中閥門塞(未示出)的位置或移動。
因此，通過將受控的可變的電流施加到I/P轉換器104上，敏感氣動線路118、122和126中的壓力以及利用位置敏感器116敏感閥門桿114的位置，在裝置控制器102的控制下進行閥門109的測試操作循環。以這種方式，裝置控制器102同時接收隨時間變化的代表示出位置上壓力和閥門109位置的電信號，可以采用這些信號以任何已知的或所需的方式確定任何個數的裝置診斷參數。
傳統的現場裝置通常并不包括位置敏感器，如敏感器116，并不采用位置敏感器的結果來進行診斷評價。此外，傳統的現場裝置并不包括諸如輸入敏感器120、I/P敏感器124和中繼敏感器128的測量氣壓控制中壓力并將壓力信號轉變為便于進行診斷評價的電信號的敏感器。然而，這些敏感器，尤其是I/P敏感器124，通過方便對現場裝置16的失誤、差錯或故障情況的定位而提高了診斷能力。具體說，I/P敏感器124有助于區分閥門109故障、現場裝置16中其它故障以及現場裝置16的外部故障，包括給現場裝置16供氣的氣動線路的故障。I/P敏感器124對于進行診斷測試，確定I/P轉換器104、氣動中繼106、現場裝置16和整個過程控制系統10的操作狀態也是有用的。在一個實施例中，利用驅動I/P轉換器104完全打開，測量提供給閥門109的全部空氣壓力的診斷測量步驟，對I/P轉換器104和氣動中繼106 I/P進行測試。在I/D轉換器104打開時，I/P敏感器124一直測量氣動控制線路122中壓力。如果壓力開始下降，那么，測試表明空氣供應會不足。通過將振蕩信號提供給I/P轉換器104，使得閥門109開始相對于空氣供給的抽吸動作，對閥門109進行抽運，然后利用I/P敏感器124測量最大流量值和最大壓力值，進行空氣供給充足的進一步診斷測試。
如圖7所示，裝置控制器102包括微處理器140、接口142、總線隔離電路144、多個存儲裝置，如隨機存取存儲器(RAM)146、只讀存儲器(ROM)148和非易失性隨機存取存儲器(NVRAM)150、和多個信號處理裝置，如A/D轉換器152、D/A轉換器154和多路傳輸器156。接口142(這是一個總線連接器)是一個執行串行至并行協議協定和并行至串行協議協定的電路，用于根據任何所需協議定義，如Fieldbus協議將幀同步信息加在數據包上。總線隔離電路144是一個用于將總線34上的雙線媒體通信信號轉變為通信信號的數字表示的電路，將從總線34上接收的功率提供給裝置控制器102中其它也路以及I/P轉換器104。總線隔離電路144也可以在總線上進行波形變化和發信號。
A/D轉換器152被接至諸如圖6中位置敏感器116和壓力敏感器120、124和128的位置和壓力轉換器以及其它任何所需模擬輸入裝置。盡管A/D轉換器152可以具有有限個數的輸入通道，但是可以采用多路傳輸器156來對多個信號進行采樣。如果需要的話，多路傳輸器156可以包括連接在信號線路117與130(圖6)之間的一排放大器，對其送出的位置、壓力和其它反饋信號進行放大。D/A轉換器154對由微處理器140產生的信號進行數字至模擬轉換，將其送至模擬部件，如I/P轉換器104。
在典型的診斷測試應用中，控制器102產生0-30mA輸出測試信號給I/P轉換器104，以例如程序化斜坡、階躍變化和開/關形式(或者以任何其它所需方式)使閥門109在預定范圍的氣動壓力下操作，接收由壓力輸入敏感器120、I/P敏感器124、中繼敏感器128和位置敏感器116產生的診斷測試輸出信號。盡管利用諸如鍵盤的輸入裝置也可以把過程(和與其有關的必要信息)直接輸入到控制器102，但是，利用諸如工作站的輸入/輸出裝置可以指定具體的測試過程并且通常從外部加入現場裝置16。然而，如果需要的話，可以把測試過程存儲在控制器102中。同樣，由控制器102收集的或者在現場裝置中產生的診斷測試結果信息通常被傳送到外部輸入/輸出裝置，當然利用例如CRT顯示器或打印機也可以直接從現場控制器102顯示這些信息。
現場裝置16利用嵌入控制器102中的程序語言解譯器進行診斷測試操作，如裝置和過程診斷，語言解譯器對諸如請求診斷過程步驟的性能的命令進行解譯。語言解譯器最好以存儲在PROM 148中的程序代碼實施和在微處理器140中執行。在有些實施例中，將測試(診斷)定義或過程編碼到PROM 148中，因此預先載入到現場裝置16中。在另一些實施例中，在測試(診斷)定義或過程在運行時或運行之前對其卸載，將其存儲在例如RAM 146中，供微處理器140執行。在一個典型實施例中，有些診斷功能被硬編碼到PROM 148中而其它功能被卸載，不用修改裝置16中的永久或硬編碼軟件，能夠設計和實施新的診斷測試。盡管在Fieldbus型裝置(如Fieldbus閥)中在過程診斷或裝置診斷性能的上下文中描述了語言解譯器，但是，在任何類型的嵌入控制器中都控制實施語言解譯器，由此能夠使公共診斷測試操作用在任何類型的嵌入控制器中。
在操作期間，現場裝置16經總線34接收來自操作者控制臺或過程控制網絡10中主工作站12的指令。在裝置控制器102中執行的語言解譯器對指令進行解譯并執行由這些指令所限定的操作。在例舉的實施例中，在以下的表1所示出的用戶接口命令表中給出了語言定義。
表1


在這一診斷語言規范中，用戶能夠使用命令名來指定執行的命令。根據C/C++協定，命令行是以兩個斜線(//)開始的任何行。標記是后面跟著冒號的任何字。
在操作者控制臺中，如主機12中可以限定診斷測試過程，按照為實施診斷測試過程而設計的語言定義產生一系列指令。然后，操作者控制臺利用例如Fieldbus協議中異步通信經總線34將以解譯語言編碼的指令序列發送到數字現場裝置16。在裝置控制器102中執行的語言解譯器把收到的指令存儲起來并依次地對指令進行解譯，按照指令的指揮對閥門109進行控制，由此進行診斷測試。診斷測試過程可以控制現場裝置16，例如使閥門109反復步進、使閥門109上下移動、使閥門109在所選方向上移動所選量值等等。診斷測試過程還控制從現場裝置16(以及其它裝置)中各敏感器的數據收集和控制經總線34把數據發送到控制器臺和主機工作站12。當然，如果需要的話，由提供給控制器102的指令所實施的診斷測試過程還可以對收到的數據進行處理，以確定診斷結果并將這些結果傳送到主機12或其它顯示裝置。
因此，裝置控制器102中的診斷語言解譯器根據程序化的指令控制現場裝置16的操作，能夠從數字現場裝置16外部對診斷測試過程進行限定，從而能夠不修改現場裝置16而自由地限定和改動診斷測試。同樣，可以產生新的診斷測試過程并在現場裝置已經安裝在過程控制網絡10中之后將其傳送到現場裝置16。然而，如果需要的話，裝置16也可以或以另一種方式實施在制造時或者在其它時間存儲在裝置中的裝置或/或過程診斷測試指令。
控制臺(如主機12)通常包括診斷開發工具，如語言編輯器和模擬器，以診斷語言開發由現場裝置16執行的控制程序。控制臺通常還包括分析工具，對經總線34從現場裝置16接收到的數據進行分析。
為了完整起見，下面以解譯語言示出了控制閥門109的診斷程序代碼
程序代碼(1)SAMA Static Test Definition<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[//CYCLE O TO 100％3 TIMESDataRate 1CYCLELoop 3MoveAbsolute 0.0Pause 10000Move Absolute 100.0Pause 10000LoopEnd//MOVE TO 50％STEP UP 4 TIMESMove Absolute 50.0Pause 10000SetIncrement 10.0UPLOOP 4Increment UpPause 10000LoopEnd//STEP DOWN 8 TIMESDOWNLoop 8IncrementDownPause 10000LoopEnd//STEP UP 4 TIMESUP2Loop 4IncrementUpPause 10000LoopEndStop]]></pre>(2)Step Change Test DefinitionDataRate 1MoveAbsolute 50.0Pause 10000MoveAbsolute 60.0Pause 10000Stop(3)Stepped Ramp Test Definition<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[DataRate 1MoveAbsolute 50.0SetIncrement 0.5//STEP UP BY 0.5 FOR 10 TIMESUP1Loop 10IncrementUPPause 1000LoopEnd//STEP DOWN BY 0.5 FOR 10 TIMESDOWN1Loop 10IncrementDownPause 1000LoopEndSetIncrement 1.0//STEP UP BY 0.5 FOR 10 TIMESUP2Loop 10IncrementUpPause 1000LoopEnd//STEP DOWN BY 0.5 FOR 10 TIMESDOWN2Loop 10IncrementDownPause 1000LoopEndSetIncrement 2.0//STEP UP BY 0.5 FOR 10 TIMESUP3Loop 10IncrementUpPause 1000LoopEnd//STEP DOWN BY 0.5 FOR 10 TIMESDOWN3Loop 10IncrementDownPause 1000LoopEndStop]]></pre>(4)Step Study Test Definition<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[DataRate 1//STEP UP，DOWN，DOWN，UP，THEN INCREMENT STEP SIZE AND//REPEAT UNTIL CHANGES DETECTED.SetIncrement 0.5IncrementUpPause 100IncrementDownPause 100IncrementDownPause 100Increment UpPause 100SetIncrement 1.0IncrementUpPause 100IncrementDownPause 100IncrementDownPause 100IncrementUpPause 100SetIncrement 2.0IncrementUpPause 100IncrementDownPause 100IncrementDownPause 100IncrementUpPause 100SetIncrement 5.0IncrementUpPause 100IncrementDownPause 100IncrementDownPause 100IncrementUpPause 100Stop]]></pre>上述的第一步測試(1)循環三次，從半開位置起進行四次步驟，下降八次和升高四次。第二步測試(2)從閥門絕對位置50％階躍變化到60％。第三步測試(3)從閥門絕對位置50％開始進行階躍斜坡波形的三次循環。第四步測試(4)隨幅度增大重復一系列步驟直至檢測到閥門中變化為止。
在這些程序中，現場裝置控制器102執行停止記錄的條件的暫停到停止記錄和在存儲位置中設定一個表示在哪里停止測試的位。現場裝置控制器102還執行Branch/GOTOLOOP語句、Loop永久語句和在設置超出服務的標記時強制停止。暫停與伺服運行時間相同步，測試不會脫離與閥門的同步。
示出的程序代碼僅表示可以由現場裝置16執行的診斷測試的類型的一些例子，可以由提供給現場裝置16的程序指令進行的其它診斷測試有許多，包括例如靜態循環測試，其中閥門109向上移動10％、向下移動10％、向上移動10％、向下移動10％，以次往復循環多次。同樣，可以作出任何裝置診斷測量，例如包括按照敏感器116、120、124和128的發展簡單測量裝置內的閥門行程或壓力，和/或從這些或其它測量結果中導出的任何所需參數，例如包括(1)動態誤差帶，這是行程(例如位置敏感器116的輸出)與輸入(例如傳送給控制器102的控制信號)之間的關系曲線；(2)驅動信號(這是控制器102的輸出，如傳送給I/P轉換器104)與壓力測量結果的關系曲線；(3)驅動信號與輸入信號的關系曲線；(4)輸出信號，這是行程與驅動信號的關系曲線；(5)閥門信標，這是壓力與行程的關系曲線，等等。當然，在這些測試中所指定的壓力信號可以是任何所需壓力信號，例如由敏感器120、124和/或128中任何一個測得的這些信號。
盡管診斷語言和診斷語言解譯器在利用Fieldbus通信協議以雙線、回路供電、雙向數字通信定位器的形式對數字現場裝置16的通信的過程控制網絡10中執行是有利的，但是，語言解譯器可以在其它實施例中執行。例如，診斷語言解譯器可以在任何利用任何所需通信技術，如數字、模擬、光學等技術進行通信的嵌入控制器中執行。此外，盡管例舉的診斷語言解譯器根據Fieldbus標準協議進行通信，但是診斷語言解譯器也可用在其它通信協議，包括例如HART、Profibus等協議進行通信的嵌入控制器和不采用雙線總線的系統，如采用四線總線的系統中執行。同樣，診斷語言解譯器也可用在其它類型的閥門，包括例如電子閥門和液壓閥門以及除了閥門裝置以外的其它類型裝置中執行。
另外，盡管診斷語言和診斷語言解譯器被描述為限定一特定指令集，但是，根據將語言解譯器限定其中的嵌入控制器的技術規范，控制執行其它指令集。
當然，通過在諸如主機工作站12的操作者控制臺上發布請求一個或多個特定診斷測試過程的命令可以同時進行裝置和過程診斷測試。在例舉的實施例中，診斷測試過程是以兩種軟件程序代碼執行的。第一種代碼在現場裝置16以外的處理器中，例如在主機工作站12中執行，創建或啟動診斷測試和接收收集的數據并對其進行分析，而第二代碼在裝置控制器102中執行，以程序指令的形式執行存儲在其中或由主機12提供的診斷測試。相反，傳統控制系統網絡中的診斷只能由在控制臺處理器中執行的軟件來進行。在現場裝置層而不是在控制臺層執行診斷測試可獲得許多好處。例如，通過在裝置層執行這些測試，診斷測試可以并行地進行并可以分布在許多現場裝置當中。同樣，在具有分布控制功能(如Fieldbus協議)的過程控制網絡中可以進行更精確的測試，這里，為了進行診斷測試，主機必須以異步方式與現場裝置進行通信，由于這一事實，主機可能不能夠決定性地控制現場裝置的操作。
執行由Fieldbus協議限定的雙向數字通信，通過既增大數據吞吐量又實現多個現場裝置的并行性能，對提高診斷速度是很有利的。利用Fieldbus協議，在預定的時間上傳送預定好的消息，當消息或數據已準備好和現場裝置總線34不忙時傳送非預定的消息，包括診斷消息和數據、校正信息和諸如狀態指示的其它信息。診斷請求消息被目標現場裝置接收，診斷測試由相對其它現場裝置操作異步的現場裝置來進行。當診斷測試操作完成，在現場裝置總線34可以提供時，現場裝置返回一個應答，如結果數據。于是，如上所述，多個現場裝置可以并行地進行診斷測試。
現在參考圖8，流程圖200示出在現場裝置16進行診斷測試的技術。在步驟202中，現場裝置16接收請求，執行一系列指令，執行一個或多個診斷測試。當然，主機工作站12可以給任何一個或同時給多個現場裝置發布這樣的請求，允許每個現場裝置并行地收集診斷數據。如果多個現場裝置同時在進行測試，那么，工作站12可以象進行診斷測試一樣快速地在擴展的時間間隔上收集數據，由各個現場裝置在總線34上作出結果。利用單獨一組線路與各個現場裝置進行通信的傳統裝置一次只能存取一個現場裝置和一次只能進行一個現場裝置的一次測試。
在步驟204，現場裝置16執行一系列指令，按照請求的指揮進行一次或多次診斷測試。當然，如上所述，可以將指令存儲在現場裝置16的存儲器中或者可以由主機12經例如異步通信提供給現場裝置。在進行測試時，可以并行地測量諸如閥門行程、壓力等的一個或多個參數。因此，傳統的現場裝置通常接收單個診斷測試測量的命令，順次地進行測量，由于通信帶寬有限和在這些現場裝置中缺少存儲能力，根據單個測量值的請求，而現場裝置16可以利用靈活的測試協議接收多個測試的請求，可以進行多個測試，然后對測試期間收集的結果作出響應。
在步驟206，現場裝置16將每個診斷測試所測得的多個測試結果存儲在存儲器中，在步驟208，將數據發送到外部的請求裝置。按照Fieldbus標準的雙線、雙向數字通信大大提高了數字現場裝置16的測試結果吞吐量。事實上，利用Fieldbus協議的數字通信使數據傳輸時間比HART系統改善了約30倍，所以，當采用Fieldbus協議在多個現場裝置并行地進行診斷測試時，大大縮短了過程控制網絡，包括許多現場裝置的診斷測試時間量。
傳統的現場裝置通常有單獨一對引線將每個現場裝置連接到網絡上，使得每個現場裝置獨占接入引線。在示出的實施例中，利用Fieldbus標準協議在總線34上將診斷測試的結果發送到操作控制臺或主機工作站12，這減少了與主機12通信所需的引線的長度。
正如將會明白的，在診斷測試過程中，微處理器140控制D/A轉換器154，將變化的控制信號提供給I/P轉換器104。對于每個特定控制信號值和采樣時間，微處理器140指揮A/D轉換器152測量敏感器116、120、124和128產生的與壓力和/或位置有關的電信號(以及由其它敏感器產生的其它任何信號)。當微處理器140通過操作測量循環指揮現場裝置控制器102時，壓力和閥門行程信息被裝置控制器102存取并對其進行處理和存儲。收集的數據通常暫時存儲在RAM 146中并被傳送給外部裝置，如主機工作站12，以供作下一步處理、分析和顯示。當然，如果需要的話，微處理器140也可以進行分析。
例如，可以對中繼敏感器128測得的壓力信息和由位置敏感器116測得的位置信息進行組合分析，以確定閥門隔膜壓力作為閥門位置函數的變化。同樣，可以對輸入敏感器120、I/P敏感器124和中繼敏感器128測得的壓力各自進行分析，與位置敏感器116測得的位置相組合，產生偏差循環，表明對閥門109操作的完整分析，包括線性度、滯后和范圍的特性。
參考圖9，流程圖300表示現場裝置16中進行診斷測試而執行的診斷測試協議。操作者在諸如工作站12的操作者控制臺上產生一系列診斷指令，并將這些診斷指令發送到現場裝置16，該裝置將這些指令存儲在存儲器中。另一方面，或者另外，可以在制造現場裝置16期間將診斷指令存儲在裝置的存儲器中。
在步驟302，現場裝置16經現場裝置總線34接收診斷命令。如果需要的話，診斷命令可以取指令形式，采用為在現場裝置控制器102中執行所編碼的可解譯的診斷語言，或者可以是啟動已經存儲在裝置16中指令的指令。裝置控制器102執行各種指令，引起數字現場裝置16中的控制部件，如I/P轉換器104和傳動器108對閥門109進行控制和引起敏感器，如輸入敏感器120、I/P敏感器124、中繼敏感器128和位置敏感器116進行測量。控制指令還可以包括對測量結果進行處理和對提供給用戶的數據進行格式化的指令。另外的指令可以引起現場裝置控制器102將經過處理或格式化的數據經現場裝置總線34傳送給請求者。
在步驟304，數字現場裝置16根據請求進行測試過程，其中，例如使閥門109經歷從完全關閉狀態到完全打開、然后返回到完全關閉狀態。同樣，數字現場裝置16可以根據請求進行多步測試，包括例如單階移動和分析和十階移動和響應測量。也可以采用階躍斜坡測試，這涉及到從閥門略微打開至較大打開的一系列階躍，例如從10％至90％的斜坡，以例如10％增量為階梯。階躍研究涉及到以預定階梯，如1％、2％、5％和10％打開閥門，在第一方向上以預定階梯尺寸移動閥門，穩定，然后，在第二方向上以預定階梯尺寸移動閥門。
在步驟306，由傳送給數字現場裝置16的命令設定診斷測試的物理配置。物理配置變量包括施加到傳動器108的驅動信號、施加到I/P轉換器104的壓力設定以及傳動器壓力和閥門行程讀數。在有些診斷測試中，物理配置變量可以設定為獨立測試變量，而在其它測試中可以作為從屬參數進行監測。
在步驟308中，現場裝置16測量特定物理測試配置的預定參數。對于許多診斷測試，測量單個測試配置的多個參數。利用單個測試配置測量的典型參數包括閥門位置、過程變量、傳動器空氣壓力、供給壓力、驅動信號、傳感器設定點和I/P空氣壓力，允許確定例如閥門信標、輸出信號、動態誤差帶、驅動與壓力、以及行程與輸入信號幅度。
在步驟310中，通過裝置控制器102的操作，現場裝置16把單個測試配置的多個參數存儲在例如RAM 46中。在步驟312，將數據傳送給主機12或其它裝置。如果測試將利用不同的診斷測試配置進行，那么，通過在調節步驟314中裝置控制器102的操作，現場裝置16回路返回到步驟306，修改測試配置。
部分通過改善診斷協議結構，部分改善通信，部分通過在現場裝置16中附加敏感器的執行，在所示現場裝置16中的診斷測試與傳統的現場裝置相比取得了極大的改善。診斷協議結構的改進使得現場裝置16能夠測量單個測試配置的多個參數。將診斷控制操作分布到現場裝置中使得診斷測試能夠在現場裝置中根據請求受到完全控制，可以對多個現場裝置作出多個請求，各個現場裝置獨立地且相互并行地控制著診斷測試。診斷協議結構上的改進還有利于通過程序變化使測試過程能夠在現場裝置以外進行改動。于是，可以增加新的診斷能力，無需改動現場裝置便可以作出診斷操作的大規模變化。由于切斷過程線路會造成巨大代價，現場裝置的改動是極為不利的。通信上的改善使得現場裝置16能夠測量單個測試配置的多個參數。傳統的現場裝置在專屬于特定現場裝置的通信線路上接收請求，根據請求的技術規范設定測試配置，以及返回根據該請求的單個測試測量結果。通過步驟(包括設定測試配置的冗余步驟)的重復，可作出在相同測試配置下的下一測量結果。所示現場裝置16的改進后的通信有利于并行地進行多個裝置的診斷測試、提高診斷測試的吞吐量。此外，改進后的數字通信提供了(傳統現場裝置的)模擬通信不能提供的多種類型。
雖然參照各個實施例已經對本發明作了描述，但是，應當明白，這些實施例是示范性的，本發明的范圍不限于此。對所述的實施例可以作出許多變化、修改、增加和改善。例如，現場裝置16不僅是所示的合適控制閥門和傳動器組合，其它的合適閥門類型包括滑桿、旋轉插塞、旋轉球、蝶形、偏心盤等閥門以及其它的已知類型。其它的合適傳動器包括彈簧和隔膜、彈簧和活塞、雙動活塞、液壓、電動液壓、電動、或是利用旋轉或是利用滑動桿閥的其它已知類型。因此，現場裝置16僅僅示出各種定位器或控制傳動器和閥門調整功率的其它裝置。此外，采用本發明診斷法或位于其中的現場裝置可以是閥門以外的裝置，包括例如泵控制器、可變速的驅動器等。再有，現場裝置不限于服從Fieldbus標準的操作，而是進一步應用其它數字通信標準，包括HART、WORLDFIP、LONWORKS、Profibus等。
當然，可以用功能塊或其它軟件形式把裝置或過程診斷測試存儲在控制器102中，可以這么做，利用諸如個人計算機的任何主機裝置由公眾存取這些診斷測試，對用戶方不需要具有很高的知識便可以進行這些測試。在一個實施例中，把一個或多個易于存取的診斷程序存儲在裝置(例如裝置16)中，通過從主機發布單個命令，指定進行哪個測試，可以運行其程序。把測試所需的所有數據存儲在裝置，在測試完成后，把從測試中收集的所有輸出數據送到主機。
一般說，能夠命令這種“公共”裝置和過程診斷寫入轉換器塊，影響例如閥門部件的移動，以及利用Fieldbus協議中的轉向塊來讀出和存儲由敏感器產生的數據。由于主機所需的所有信息都位于現場裝置的裝置說明中，執行這些公共診斷不需要專門知識。采用這些公共診斷，現場裝置的操作可以與由其它制造商制造的其中采用相同診斷法的其它任何現場裝置的操作相同。
圖10A-10C示出在這種公共診斷中采用的波形例子。如圖10A所示，公共診斷可以引起閥門109在打開方向上以階梯形斜坡方式，例如對于特定個數的臺階(如五階)以1％的幅度一步步地移動，然后在關閉方向上以階梯形斜坡方式以1％的幅度一步步地移動，直至閥門已經達到原始值或位置。至新的設定點的階躍最好是瞬時的，即實際上沒有速率極限，在每個新設定點上的延遲時間是固定的并由閥門/傳動器裝置的尺寸和響應特性確定的。另一方面，如圖10B所示，公共診斷可以在打開方向上通過5％的斜坡打開閥門，然后立即在關閉方向上通過5％的斜坡關閉該閥門。斜坡的斜率最好是固定的，將其設定為由閥門/傳動器的尺寸所確定的斜率上。斜坡斜率約為裝置最大速率的一半是最佳的。此外，如圖10C所示，公共診斷可以在打開(或關閉)方向上從當前閥門位置以例如5％的單個階梯移動閥門，瞬時階躍時間設定為實際上沒有速率極限。這一測試得出的結論是在新的閥門基準位置中閥門高于(或低于)原始點5％。
為了利用Fieldbus協議實現如10A-10C所示的公共診斷，主機12將執行命令送至存儲公共診斷的裝置，它設定裝置(例如裝置16)中的轉向清單，然后為轉向設定裝置16中的合適VCR。接著，為轉向和診斷測試進程設定裝置16的連接對象。這時，主機可以向用戶顯示消息，表示診斷在進行之中，主機可以讀出診斷的狀態或進程，以確定是否出現差錯情況。在裝置16完成診斷后，主機讀出并存儲這些轉向數據和切斷轉向。然后主機對檢索數據進行分析。如果從裝置16接收例如200％或更高的狀態，在診斷中已經出現差錯，主機可以向用戶指出這一差錯。在對接收數據進行分析后，主機可以向用戶顯示由存儲的轉向發展的診斷數據或由其確定的任何結果。例如，主機12可以用圖形表示閥門相對上述公共診斷波形中一種或全部以及輸入波形的實際移動，表示裝置16對波形的響應。
在進行公共或其它診斷時，裝置16首先確定是否已經收到診斷命令和驗證裝置的傳感器塊是否正在令人滿意地工作。如果是，那么裝置16設定轉向數據的更新指針，表示哪些數據應當存儲在轉向塊中和驗證可以提供足夠的設定點范圍進行診斷。例如，為了進行在打開方向上需要閥門以5％幅度移動的測試，閥門必須處于其最大移動的95％或以下。如果不能提供這一范圍，那么裝置16可以把差錯消息返回給主機12。
如果沒有出現差錯，裝置16利用由存儲在裝置16中的查看表(根據閥門/傳動器尺寸)確定的測試時間和斜率進行所選的測試，獲取所需的測量結果，如閥門位置。在測試期間，在整個0-100％的百分比內，閥門對測試狀態進行更新，如果檢測到差錯，把大于200％的差錯代碼寫成由主機12讀出的診斷狀態變量。在測試結束時，假設沒有出現差錯，診斷測試把100％狀態寫在診斷測試狀態變量中，而后根據標準Fieldbus協議利用按照轉向而設立的正常多層操作把收集到的轉向數據報告給主機。診斷測試的回路速度最好設定得比輸入波形中的變化相對高一些，從而能收集足夠的轉向數據，恰當地模擬裝置16對診斷波形的響應。因此，以Fieldbus協議，在轉向目標中采用的數據頻率與功能塊的執行速率相聯系，回路執行速率應當大大高于輸入波形中的變化速率，使得轉向目標在每一重大變化之后能夠收集足夠的數據觀測裝置16相對輸入波形的響應。
當然，在例如圖10中所示的公共診斷最適合于進行裝置診斷，其中，利用它們有利于在測量特定裝置中傳感器輸出以確定該裝置特性的時間期間引起該裝置通過一個或多個診斷步驟或操作。在采用Fieldbus協議進行裝置診斷時，這些測試不需要采用任何附加功能塊，而是通過各裝置控制器(如圖6中的控制器102)就能夠進行測試，離開與裝置中功能塊操作有關的正常操作，控制轉換器塊。當然，如果需要，可以采用功能塊以某種方式分析所收集的數據和將分析數據提供給主機。
現在參考圖11A，圖中詳細示出過程控制回路400，它能夠在Fieldbus過程控制網絡的裝置中進行本地裝置或過程診斷。回路400包括控制回路，即圖4中的LOOP1，裝置20中的AI功能塊66經總線34與裝置16中的PID功能塊64和A/O功能塊63二者通信連接。回路400還包括數據采集功能塊401，將其配置為從AO功能塊63、AI功能塊66以及(如果需要的話)諸如AI功能塊402和404(它們可以位于過程控制網絡10中連接的其它現場裝置中)的其它功能塊接收數據。當然，利用標準同步通信，如Fieldbus協議中限定的出版者/訂購者通信，將功能塊66、402和404配置為與數據采集功能塊401相通信。
在操作期間，現場裝置16中的控制器102中斷由功能塊66、64和63形成的回路的正常操作并將診斷波形傳送給AO功能塊63的輸入。此刻，AO功能塊63已經使其狀態模式改變為例如本地控制模式，這反向級聯到PID功能塊64，引起PID功能塊64擺脫其模式狀態，變為例如手控，這又阻止PID功能塊64根據由此接收的輸入產生輸出輸出信號。如上所述，診斷波形控制存儲在裝置16的控制器102中或者可以在進行診斷測試前由主機12提供。當然，波形或其它指令會引起與裝置16有關的閥門經歷與裝置或過程診斷測試有關的一系列移動。
在裝置診斷期間，數據采集功能塊401接收AO功能塊63的數據以及裝置16中其它轉換器，如與位置敏感器和/或象圖6中所示這些的壓力敏感器的數據。在過程診斷期間，數據采集功能塊401還或者另外接收與由AI功能塊66、402、404以及過程控制網絡10中其它任何功能塊形成的過程變量有關的數據。數據采集功能塊401可以收集這一數據以及傳送給AO功能塊63的診斷波形的時序和幅度的數據，可以將這一數據存儲起來，以供將來傳送給主機12，在這里可以進行處理和顯示給用戶。
在完成裝置或過程診斷測試后，將功能塊401收集的數據傳送給主機12，控制器102釋放對AO功能塊63的控制，返回到PID功能塊64，使包括功能塊66、64和63的回路返回到正常操作。當然，這時功能塊64和63的狀態模式返回到正常操作。
應當注意雖然數據采集功能塊401不一定需要任何預定的同步執行時間，但是，在配置過程控制回路400時必須建立功能塊401的通信互連，因此，即使在不進行診斷時這些通信互連也存在者。換句話說，當數據采用功能塊401需要在總線34上公布數據時，在過程控制網絡10初始化時必須將其配置為接收這些數據(即由其它裝置公布的數據)，以避免為簡單地進行診斷的需要用戶重新配置網絡10。然而，如上所述，由于數據采集功能塊401通常僅收集已經在總線34上公布的過程變量數據或者收集在有數據采用功能塊401的裝置內部產生的數據，因此，數據采集功能塊401的操作通常不增加總線34上的同步通信量，或者不需要為過程控制網絡10另外安排執行時間。然而，如果需要，數據采集功能塊401可以配置為接收通常不在總線上公布的數據，這需要將公布功能塊配置為在過程控制網絡10開始時公布數據。
現在參考圖11B，圖中詳細示出過程控制回路406，它能夠在Fieldbus過程控制網絡中的裝置中進行本地診斷。與圖11A的回路400一樣，回路406包括控制回路，即圖4中的LOOP1，裝置20中的AI功能塊66經總線34與裝置16中的PID功能塊64和A/O功能塊63二者通信連接。回路406還包括數據采集功能塊408(位于裝置16中)，它的操作基本上與數據采集功能塊401相同，不同之處在于，將其構造為僅本地接收AO功能塊63、PID功能塊64或裝置中其它任何轉換器或敏感器，如壓力敏感器、位置敏感器等的數據。數據采集功能塊408在進行裝置診斷中是尤其有用的，這里所需數據是在裝置中本地產生的。由于功能塊408不需要接收總線34上的數據，所以在過程控制網絡的建立時開始不必配置它。
當然，數據采集功能塊401和408僅僅是過程控制裝置內收集診斷數據的兩種方法，可以采用許多其它的收集不同類型過程控制網絡和裝置中這種數據的方法。例如，可以由位于裝置中的與Fieldbus功能塊的定義不一致的其它寄生軟件來收集裝置或過程的數據。
現在參考圖12，流程圖500示出利用例如圖11的回路400由典型過程診斷所進行的步驟。在步驟502，將數據采集建立提供給數據采集功能塊401，診斷測試所需的其它數據從主機(例如主機12)傳送到執行診斷的裝置16中。之后，由用戶對診斷進行初始化，引起待測回路與過程控制網絡中的其余部分隔離。在初始化時，裝置16將AO功能塊63的狀態變為例如本地控制模式，這引起PID功能塊64(或者上游的其它功能塊)根據Fieldbus控制標準自動地改變模式。在此之后，塊506執行存儲在裝置16存儲器中的診斷指令，在塊508，數據采集功能塊401收集診斷和過程數據。塊510確定測試是否完成，如果不是，將控制返回到塊506，執行下一個診斷指令。當然，下一個指令可以是前一個指令的重復引起，例如，裝置在一個方向上移動直至到達極限為止。
重復由塊506、508和510執行的回路，直至完成測試或者已經出現一些差錯或者在塊510檢測差錯為止，這時塊512結束診斷測試，塊514恢復例如AO功能塊63的正常操作狀態，這引起PID功能塊64再次改變其狀態和按照正常控制操作來控制AO功能塊63。
把數據采集功能塊401收集的數據提供給主機12，對數據進行分析和/或顯示。如果需要，可以在裝置16中進行分析，分析的結果可以由主機提供給顯示裝置以供顯示。
利用本發明的裝置診斷方法，裝置16同時收集裝置和過程的數據，無需主機對執行或接收數據進行單獨控制。由于診斷是在裝置中進行的并由裝置中的控制器而不是單獨主機裝置控制的，因此，能夠精確控制測試時間，在診斷期間收集的數據能夠便于與裝置所進行的操作進行時間對準，在測試波形與測試結果之間提供了準確的對應關系。在實施過程診斷時，可以將回路400(或者具有為收集一個或多個過程控制回路的數據而構造的數據采集功能塊的任何類似回路)的數據采集功能塊401用于目標回路性能而不僅僅是裝置性能以及用于表示閥門是否適合于回路或者是否存在其它與回路有關的會限制其總體性能的問題。過程和/或的測試可以周期性地進行，無需中斷過程或者處于非工作狀態。當然，當把數據采集功能塊401構造成僅收集已經在回路上公布的數據時，對于能夠收集和用于診斷的數據受到控制日程的限制。
盡管這里對診斷功能作了描述，如在下游AO功能塊63(這是輸出功能塊)上或利用它進行診斷，以及如接收來自連接在簡單控制回路構造中的上游PID功能塊64(這是控制功能塊)的輸入并反饋給該功能塊，但是，本發明的數據采集功能塊401或其它診斷功能程序能夠按照所需與其它輸出功能或功能塊以及其它控制功能或功能塊一起使用，以及能夠在具有圖11中所示構造以外構造的控制回路中實現。
此外，盡管以Fieldbus“功能塊”的形式已經實現了這里所述的有些診斷，但是，應當注意，利用與其它類型控制系統和/或通信協議有關的其它類型的塊、程序、硬件、固件等能夠執行本發明的診斷。事實上，雖然Fieldbus協議采用術語“功能塊”來描述能夠進行過程控制功能的特定類型的實體，但是應當注意，正如這里采用的，術語功能塊不限于此，包括能夠以任何方式在過程控制網絡的分布位置上進行過程控制功能的任何類型的裝置、程序、例行程序或其它實體。因此，在其它過程控制網絡中或者利用其它過程控制通信協議或方案(可以是目前存在或者將來會產生的)，能夠執行這里所描述和主張的診斷功能塊，這些協議或方案不采用Fieldbus協議嚴格稱為“功能塊”。
再有，雖然這里已經對過程和裝置診斷作了描述，如用于在定位器/閥門裝置上或者利用它進行診斷，但是，應當注意這些診斷能夠在其它類型的裝置上或者利用它們進行，例如象減振器、風扇等的可運動部件。同樣，盡管這里所述的診斷以存儲在過程控制裝置中的軟件來進行是較佳的，但是，根據需要，它們可以另外或附加地在硬件、固件等中實現。如果是以軟件實現的，本發明的診斷可以存儲在任何計算機可讀出的存儲器中，如磁盤、激光光盤或其它存儲媒體上，計算機的RAM、ROM、EPROM等上。同樣，可以通過任何已知的或所需的傳送方法，包括例如在諸如電話線、因特網的通信信道上將這種軟件傳送給用戶或裝置。
因此，雖然已經參照特定例子描述了本發明，這些例子僅僅是為了對本發明進行說明而非對本發明進行限制，對于本領域的專業人員而言顯然能夠對所公開的實施例作出變化、增加或刪除，只要不偏離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種在用于包含多個由雙線數字功率總線互相耦合的現場設備的過程控制網絡的現場設備，其特征在于包含氣動操縱的流體控制閥門，包含與氣動壓力線路相連的傳動器，使流體控制閥門在從開啟位置到關閉位置范圍內運動；與流體控制閥門耦合的位置傳感器，用來檢測流體控制閥門的位置；與氣動壓力線路耦合的壓力傳感器，用來檢測氣動壓力線路內的氣動壓力；通過氣動壓力線路與傳動器耦合的電至氣動轉換器上的電學線路，用來控制作為電學信號函數的氣動壓力線路中的氣動壓力；與電至氣動轉換器、壓力傳感器和位置傳感器耦合的電子控制器，所述電子控制器包括控制邏輯，它根據指示由壓力傳感器檢測的壓力和位置傳感器檢測的位置的反饋信號并根據現場設備控制信號確定電學信號；以及與雙線數字功率總線和電子控制器耦合的數字接口，所屬數字接口包括向包括電子控制器和電至氣的轉換器在內的現場設備提供功率總線輸送的功率的電路；以及接收包括來自總線的現場設備控制信號的信號并向總線發送指示現場設備狀態的信號的兩路通信電路。
2.如權利要求1所述的現場設備，其特征在于進一步包括與在電至氣動的轉換器與閥門之間的氣動壓力線路耦合的氣動延遲，并且壓力傳感器耦合于電至氣動的轉換器與氣動延遲之間的氣動壓力線路。
3.如權利要求2所述的現場設備，其特征在于進一步包括耦合于氣動延遲與閥門之間氣動壓力線路的壓力傳感器。
4.如權利要求1所述的現場設備，其特征在于進一步包括與在電至氣動的轉換器與閥門之間的氣動壓力線路耦合的氣動延遲，并且壓力傳感器耦合于氣動延遲與閥門之間的氣動壓力線路。
5.如權利要求1所述的現場設備，其特征在于氣動壓力線路包括與電至氣動的轉換器輸入耦合的壓力供應線路，并且壓力傳感器與氣動壓力供應線路耦合以測量供應至電至氣動轉換器輸入處的壓力。
6.如權利要求1所述的現場設備，其特征在于進一步包括第二控制邏輯，用于在執行和控制診斷閥門測試協議以響應從總線接收的診斷測試請求的電子控制器中的執行并用于產生閥門診斷數據，該數據對應于壓力傳感器測得的壓力變化和位置傳感器測得的閥門位置變化；以及與電子控制器耦合的存儲器，用來存儲閥門診斷數據。
7.如權利要求6所述的現場設備，其特征在于進一步包含第三控制邏輯，用于在向總線以數字形式發送閥門診斷數據的電子控制器的執行。
8.如權利要求7所述的現場設備，其特征在于現場設備執行獨立于總線上其它現場設備操作的診斷測試協議。
9.如權利要求1所述的現場設備，其特征在于數字接口利用現場總線標準通信協議借助雙線、數字、功率總線進行通信。
10.一種過程控制系統，其特征在于包含產生命令并接收數據的控制臺；與控制臺耦合的雙線、數字、功率總線；以及多個通過雙線、數字、功率總線互相耦合的多個現場設備，總線提供命令裝置包含送至現場設備的現場設備控制信號，其中一個現場設備包括氣動操縱的流體控制閥門，包含與氣動壓力線路相連的傳動器，使流體控制閥門在從開啟位置到關閉位置范圍內運動；與流體控制閥門耦合的位置傳感器，用來檢測流體控制閥門的位置；與氣動壓力線路耦合的壓力傳感器，用來檢測氣動壓力線路內的氣動壓力；由氣動壓力線路與閥門耦合的電至氣動的轉換器，用來控制作為電學信號函數的氣動壓力線路中的氣動壓力；與電至氣動的轉換器、壓力傳感器和位置傳感器耦合的電子控制器，所述電子控制器包括控制邏輯，它根據指示由壓力傳感器檢測的壓力和位置傳感器檢測的位置的反饋信號并根據現場設備控制信號確定電學信號；以及與雙線數字功率總線和電子控制器耦合的數字接口，所述數字接口包括向包括電子控制器和電至氣動的轉換器在內的現場設備提供功率總線輸送的功率的電路；以及接收包括來自總線的現場設備控制信號的信號并向總線發送指示現場設備狀態的信號的兩路通信電路。
11.如權利要求10所述的過程控制系統，其特征在于進一步包括在電至氣動的轉換器與閥門之間的氣動壓力線路上耦合的氣動延遲，并且壓力傳感器耦合于電至氣動的轉換器與氣動延遲之間的氣動壓力線路。
12.如權利要求10所述的過程控制系統，其特征在于進一步包括在電至氣動的轉換器與閥門之間的氣動壓力線路上耦合的氣動延遲，并且壓力傳感器耦合于氣動延遲與閥門之間的氣動壓力線路。
13.如權利要求10所述的過程控制系統，其特征在于氣動壓力線路包括與電至氣動的轉換器輸入耦合的壓力供應線路，并且壓力傳感器與氣動壓力供應線路耦合以測量供應至電至氣動的轉換器輸入處的壓力。
14.如權利要求10所述的過程控制系統，其特征在于進一步包括第二控制邏輯，用于在執行和控制診斷閥門測試協議以響應從總線接收的診斷測試請求的電子控制器中的執行并用于產生閥門診斷數據，該數據對應于壓力傳感器測得的壓力變化和位置傳感器測得的閥門位置變化；以及與電子控制器耦合的存儲器，用來存儲閥門診斷數據。
15.如權利要求14所述的過程控制系統，其特征在于進一步包含第三控制邏輯，用于在向總線以數字形式發送閥門診斷數據的電子控制器的執行。
16.如權利要求15所述的過程控制系統，其特征在于現場設備執行獨立于總線上其它現場設備操作的診斷測試協議。
17.如權利要求10所述的過程控制系統，其特征在于控制臺包含操作邏輯，用于產生和發送多個用于多個現場設備的診斷測試命令；以及多個現場設備的每一個進一步包括操作邏輯，用于執行獨立于總線上其它現場設備的診斷測試命令從而并行地執行操作。
全文摘要
本發明提供一種完成在過程控制網絡中的特定過程控制設備的設備和過程診斷的裝置和方法，比較好的是在具有分布控制功能的過程控制上，或由該設備而來中。按照本發明，診斷測試程序(可以是設備或過程診斷測試程序)存儲在過程控制設備內并由其執行以完成對過程控制設備的診斷而無需重新配置與過程控制網絡相連的控制結構。因此診斷測試子程序可以根據本發明實現而過程可以在基本上與過程正常操作器件相同的控制策略下進行。
文檔編號G05B19/418GK1598722SQ20041008311
公開日2005年3月23日 申請日期1997年10月1日 優先權日1996年10月4日
發明者B·H·拉森, H·A·伯恩斯, L·K·布朗 申請人:費希爾控制產品國際有限公司