過程控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種過程控制系統，所述過程控制系統包括將被連接至冗余網絡的PC。PC包括虛擬化單元和實時通信單元，所述實時通信單元被構造為作為獨立于虛擬化單元的單獨進程進行操作。
【專利說明】
過程控制系統
技術領域
[0001]本公開涉及一種過程控制系統，具體地，涉及對通過網絡的通信的改進。
【背景技術】
[0002]在現有技術的過程控制系統中，具有操作監控功能等的PC組以及控制器通過獨立的控制網絡彼此連接，以實現實時特性和高可靠性。
[0003]圖3描繪了現有技術的過程控制系統的示例的構造。在圖3中，諸如傳感器和致動器的現場裝置I經控制器2連接至控制網絡3。
[0004]現場裝置I的傳感器11被構造為對測量目標的物理量進行測量，并且致動器12被構造為控制所述測量目標的物理量。控制器2分布和排列在工廠中，并且具有可編程的計算處理功能，該功能用于與操作監控終端單元交換多種信息以及基于來自傳感器11的信息將驅動信號發送至致動器12。
[0005]控制網絡3具有雙工構造，以提高系統的可靠性，并且PC 4也連接至控制網絡3 JC4具有提供應用軟件的功能，例如:根據來自控制器2的信息將控制和監控整個過程控制系統所需的多種信息提供給操作者的功能、用于根據所述信息向各個系統構成元件做出合適指令和管理的操作監控功能以及用于管理各種裝置的修復和維護狀況等的裝置管理功能。
[0006]PC 4設有作為硬件的用于連接至控制網絡3的專用網絡接口卡(下文中，也稱作NIC)41、用于NIC的接口NIC I/F 42等。在PC 4中，存儲有作為軟件的OS 43、多種應用軟件44等。
[0007]同時，控制網絡3與多個PC 4連接以形成PC組。然而，在圖3中，僅示出了一個PC 4。
[0008]從容易采購、低成本、技術革新等的角度來看，將普通PC用作構造PC組的PC4，并且將具有高普遍性的MS-Windows(注冊商標)等用作OS。
[0009]此外，已經努力通過通用Ethernet(注冊商標)建立控制網絡3。具體地說，采用雙工構造的過程控制系統以確保高可靠性。
[0010]將要用于Ethernet的通用TCP/IP通信的傳輸標準不具有所述過程控制系統中需要的實時特性。
[0011]這里描述的‘實時特性’是確保預定處理在限定時間段中的安全實施。例如，
[0012]I)在相同網絡上連接的多個站之間的通信響應在限定值(例如:5ms)內，以及
[0013]2)在雙工網絡中，從操作方至待命方的切換時間在限定值(例如:5ms)內。
[0014]因此，為了在Ethernet上執行實時通信，開發并使用了關于‘實時工廠網絡系統Vnet/IP(注冊商標)’的技術，其用于基于IGbps的Ethernet的工藝自動化，如在非專利文獻I中公開的那樣。
[0015][非專利文獻I]:Koji Demachi等人，‘實時工廠網絡系統Vnet/IP’，Yokogawa技術報告，Yokogawa電力公司，2005年4月20日，第49卷，Νο.2(2005)，第37-40頁
[0016]需要用于Vnet/IP的專用接口卡以在通用PC中執行Vnet/IP通信。然而，由于用于安裝在各個PC上的Vnet/IP的各個專用的接口卡具有切換冗余網絡3的主屬性，因此無法在相同的站地址上提供多個接口卡。
[0017]同時，每過幾年就進行通用PC、其各種組件和諸如Windows(注冊商標)的OS的換代，從而極大地增大了價格性能比。另一方面，在許多情況下停止供應上代產品。
[0018]同時，有必要要求過程控制系統在約30年的工廠使用期內連續工作。由于操作員的習慣和教育、技術訣竅的保留等，因此即使進行了 OS等的換代，也需要諸如操作監控功能的應用軟件在操作時間段中具有正常的操作性和功能。
[0019]圖4描繪了應對以上需求的現有技術的過程控制系統的示例的構造，并且與圖3相同的部件用相同標號指代。在圖4中，虛擬化單元45設置在包括NIC 41和NIC I/F 42的硬件與OS 43之間。
[0020]雖然虛擬化單元45具有以軟件方式模擬多種硬件的功能，但是會降低吞吐量。在極其注重實時特性的過程控制系統中，相對于吞吐量的下降進行測量是重要的。
[0021]另外，隨著通用PC的技術創新，PC的通用I/F也進化了。隨著通用I/F進化，難以購買對應于上代通用I/F的通用PC。為了應對新進化的通用I/F，在許多情況下有必要對應于PC的通用I/F的進化而再次發展專用接口卡，因為在工廠使用期中不會持續使用相同的專用接口卡。
[0022]另外，例如，當使用通用Ethernet卡時，必須在發生異常時在OS上執行切換處理等，從而無法滿足諸如快速切換的實時處理的需要。
【發明內容】
[0023]本發明的示例性實施例提供了一種過程控制系統，其能夠確保過程控制系統所需的實時特性和高可靠性，并且應對工廠的漫長使用周期中的改變。
[0024]根據示例性實施例的一種過程控制系統包括:
[0025]PC，其將連接至冗余網絡，
[0026]其中，所述PC包括虛擬化單元和實時通信單元，所述實時通信單元被構造為作為獨立于所述虛擬化單元的單獨進程進行操作。
[0027]所述實時通信單元可被構造為執行與網絡的連接切換處理。
[0028]所述虛擬化單元和所述實時通信單元可分別專門分配有所述PC的CPU資源。
[0029]客戶OS和應用軟件可被構造為在所述虛擬化單元上操作。
[0030]所述過程控制系統可被構造為執行工廠控制和安全儀表控制中的至少一個。
[0031]通過以上構造，可實現能夠確保實時特性和高可靠性，并且應對工廠的漫長使用周期中的改變的過程控制系統。
【附圖說明】
[0032 ]圖1描繪了本發明的示例性實施例的構造。
[0033]圖2是描繪實時通信單元53B的特定功能構造的示例的框圖。
[0034]圖3描繪了現有技術的過程控制系統的示例的構造。
[0035]圖4描繪了現有技術的過程控制系統的另一示例的構造。
【具體實施方式】
[0036]下文中，將參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。圖1描繪了本發明的示例性實施例的構造。在圖1中，用相同標號指代與圖3中的相同的部分。
[0037]在圖1中，PC5設有作為硬件的用于連接至控制網絡3的通用NIC 51和用于NIC的接口NIC I/F 52等。同時，PC 5也是通用產品，并且假設PC每幾年換代，如上所述。另外，假設通用NIC 51可執行TCP/IP通信。
[0038]主機OS 53具有虛擬化單元53A、實時通信單元53B等。
[0039]虛擬化單元53A被構造為激活客戶OS54和應用軟件55。不管硬件如何換代，都假設客戶OS 55和應用軟件55保持為一個套件。其原因是當客戶OS改變(諸如進行Windows(注冊商標)XP至WindowsS的換代)時，在許多情況下也要求更新應用軟件。
[0040]根據本發明，例如，諸如Linux(注冊商標)的主機OS 53設置在硬件(通用NIC 51、用于NIC的接口NIC I/F 52等)與軟件(客戶OS 54、應用軟件55等)之間。
[0041 ]在主機OS 53上，設置有虛擬化單元53A和實時通信單元53B，它們被構造為作為完全獨立于彼此的單獨進程進行操作。
[0042]在PC5中執行多種通信。然而，假設實時通信單元53B僅負責與控制網絡3的通信。
[0043]例如，過程控制系統被構造為每約一秒就經控制網絡3從諸如控制器的其它站獲取一次數據，并且將關于應用軟件的計算處理結果發送至諸如控制器的其它站。
[0044]用于NIC的接口NICI/F 52被要求在發生異常的情況下在幾十ms或更短的時間內實現丟失數據的重新獲取以及冗余網絡切換，從而使得以上操作不受到干擾。
[0045]圖2是描繪實時通信單元53B的特定功能構造的示例的框圖。在圖2中，實時通信單元53B具有數據檢查單元53B1、數據重發請求單元53B2、數據輸入/輸出單元53B3、路徑診斷單元53B4、冗余網絡切換單元53B5等。
[0046]數據檢查單元53B1被構造為通過控制網絡3檢查從其它站接收的數據，并且確認數據是否丟失、奇偶校驗是否錯誤等。
[0047]數據重發請求單元53B2促使傳輸源在數據檢查單元53B1檢測到數據丟失等時基于來自數據檢查單元53B1的指令重新發送數據。
[0048]數據輸入/輸出單元53B3被構造為將由數據檢查單元53B1確認無數據丟失等的來自控制網絡3的輸入/輸出數據傳遞至虛擬化單元53A。各個數據經虛擬化單元53A輸入/輸出至客戶OS 54和應用軟件55。
[0049 ]路徑診斷單元5 3B4被構造為:通過確定發送至與控制網絡3連接的其它站/從所述其它站接收的診斷包的響應是否在限定時間段內(例如，5 m s以內)，來感知網絡路徑的狀
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[0050]當在冗余網絡總線的操作方檢測到異常時，冗余網絡切換單元53Β5迅速地(例如，I Oms內)將網絡從操作方切換至待命方。
[0051]實時通信單元53Β僅具有保持和檢查網絡通信路徑所必需的功能，如上所述。因此，實時通信單元53Β被構造為安裝在通用網卡和主機OS上的軟件模塊，并且其可在不使用專用網卡的情況下確保高速并排除其它功能的影響。
[0052]通過這種方式，虛擬化單元53Α和實時通信單元53Β布置在完全獨立的進程上，從而可防止數據丟失等，而不受應用軟件和客戶OS的狀態/中斷情況的影響。
[0053]另外，即使發生網絡異常等，也可通過迅速的網絡切換繼續控制實時通信。因此，應用軟件和客戶OS可繼續其操作，而不用注意網絡異常的發生。
[0054]實時通信單元53B布置在主機OS上，從而可使用通用NIC。因此，可以總是享受最新一代PC和NIC的技術革新的成就感，并且解決不能獲取上代產品以及上代產品極其昂貴的米購冋題。
[0055]與實時通信單元53B分離的虛擬化單元53A布置在主機OS上，并且客戶OS和應用軟件布置在虛擬化單元53A上，從而可持續使用例如上代客戶OS和應用軟件。因此，可在較長的時間段持續地提供相同的可操作性等。
[0056]例如，諸如無線網絡之類的網絡的技術革新帶來了大的改變。同樣在該情況下，可僅僅通過更新實時通信單元53B來適應網絡的技術革新而不影響應用軟件和客戶OS。同時，所述應用可為網關、工程工具等。
[0057]同時，作為獨立于虛擬化單元53A的進程，實時通信單元53B可專門設有PC5的CPU資源。另外，就多核CPU而言，可將獨立CPU核分配給實時通信單元53B。
[0058]因此，實時通信單元53B可執行更加獨立的操作，并且更加難以受到其它部分的操作的影響。
[0059]另外，諸如防火墻、病毒檢查等的安全保障單元可設置在實時通信單元53B與虛擬化單元53A之間。因此，可保護作為上代OS的客戶OS不受到安全威脅。
[0060]此外，在過程控制系統中，運用了除控制數據以外的包括裝置保留數據等的大量數據。因此，需要適于各種數據屬性的處理調度。
[0061 ]例如，當雙工NIC的一方故障時，NIC切換操作是應該主要執行的處理。因此，在這種情況下，實時通信單元可被構造為具有諸如優先級控制和帶控制的功能，并且被構造為執行實現QoS所需的處理，這對于過程控制系統是非常合適的。
[0062]如上所述，根據本發明，可實現能夠確保實時特性和高可靠性并且應對工廠的漫長使用周期中的改變的過程控制系統。
【主權項】
1.一種過程控制系統，包括: PC，其將連接至冗余網絡， 其中，所述PC包括虛擬化單元和實時通信單元，所述實時通信單元被構造為作為獨立于所述虛擬化單元的單獨進程進行操作。2.根據權利要求1所述的過程控制系統，其中，所述實時通信單元被構造為執行與網絡的連接切換處理。3.根據權利要求1所述的過程控制系統，其中，所述虛擬化單元和所述實時通信單元分別專門分配有所述PC的CPU資源。4.根據權利要求1至3中任一項所述的過程控制系統，其中，客戶OS和應用軟件被構造為在所述虛擬化單元上操作。5.根據權利要求1至3中任一項所述的過程控制系統，其中，所述過程控制系統被構造為執行工廠控制和安全儀表控制中的至少一個。6.根據權利要求1至3中任一項所述的過程控制系統，其中，所述虛擬化單元和所述實時通信單元布置在主機OS上。7.根據權利要求4所述的過程控制系統，其中，所述過程控制系統被構造為執行工廠控制和安全儀表控制中的至少一個。8.根據權利要求4所述的過程控制系統，其中，所述虛擬化單元和所述實時通信單元布置在主機OS上。
【文檔編號】G05B19/418GK106020135SQ201610177580
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】榎本浩也, 江守敏幸, 土屋雅信, 本鄉健
【申請人】橫河電機株式會社