专利名称：调试和调整有分布控制功能的过程控制网络的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及过程控制网络，尤其涉及用于调试和调整具有分布式控制功能的过程控制网络的方法和设备。
背景技术：
诸如化学、汽油和其它制造与精炼过程之类的过程包括众多位于各种位置的现场设备来测量和控制过程参数以实现过程的有效控制。这些现场设备例如可以是诸如温度、压力和流速传感器之类的传感器和诸如阀门和开关之类的控制元件。过程控制业过去借助于手工操作(类似于手工读取液面和压力计，开启阀门轮等)来测量和控制过程中的现场设备。20世纪初，过程控制开始采用本地气动控制，其中将本地气动控制器、传送器和阀门定位器放置在过程工厂内各位置上以实现对某些工厂元件的控制。随着70年代基于微处理器的分布控制系统(DCS)的出现，分布式电子过程控制在过程控制业中日益占据主导地位。
正如所知的那样，DCS包括一台模拟或数字计算机(例如可编程逻辑控制器)，它与诸如电子传感器、传送器、电流-压力换能器、阀门定位器之类分布整个过程线上的众多电子监控设备相连。DCS计算机存储并实现集中式并且常常是复杂的控制方案以测量和控制过程中的设备，从而根据某些总体控制方案控制过程参数。但是通常情况下，DCS实现的控制方案都是DCS控制器制造商的专利，由于DCS提供方必然牵涉到系统扩展、升级、重新编程和服务等各个方面，所以其业务难度大并且价格昂贵。而且由于DCS控制器的专利属性以及实际情况中DCS控制器提供商有可能不支持其它供应商制造的某些设备或功能的缘故，特定DCS使用或连接的设备种类都受到一定的限制。
为了克服在使用拥有专利权的DCS中存在的固有问题，过程控制业界研制了大量标准的开放通信协议，例如包括HART、PROFIBUS、WORLDFIP、LONWORKS、Device-Net和CAN协议，这些协议可以使不同制造商提供的现场设备在同一过程控制回路内使用。实际上，即使现场设备是由DCS控制器制造商以外的制造商提供，也能够采用任何遵守其中一个这类协议的现场设备在过程内完成与DCS控制器或其它支持协议的控制器之间的通信并受它们控制。
此外，在过程控制业中现在有一种分散化过程控制的趋势，它简化了DCS控制器或者在很大程度上减少了对DCS控制器的需求。通过使诸如阀门定位器、传送器之类的过程控制设备完成一种或更多的过程控制功能并随后通过在由其它过程控制设备使用的总线结构上交换数据实现了分散化控制。为了实现这些控制功能，每个过程控制设备包括能实现一种或更多基本控制功能并利用标准和开发的通信协议与其它过程控制设备进行通信的微处理器。这样，不同制造商提供的现场设备就可以在一个过程控制回路内互联起来，互相进行通信并完成构成控制回路的一种或多种过程控制功能而无需DCS控制器的干预。由Fieldbus基金会制订的称为FOUNDATIONFieldbus(以下称为“Fieldbus”)的全数字双线回路总线协议是一种开放的通信协议，它允许不同制造商的设备通过标准总线互相操作和通信以在一个过程内实现分散化控制。
如上所述，过程控制功能的分散化简化并在某些情况下减少了对专用DCS控制器的依赖，这使过程操作者在实现、改造和升级过程控制网络的控制方案时减少了对DCS制造商的依赖。实际上，把基本过程控制功能设定在通过标准通信总线互连的现场装置内使得可通过重组现场装置相互通信的方式来重组、升级、扩大或改变过程。然而，这种通信重组是相对简单的，因为进行控制功能的所有装置符合开放式通信标准。结果，这类控制方案的重组不涉及或使用任何特定制造商的专用信息，或不需要以专用方式对任何装置进行重新编程。此外，分散化控制减少了一过程环境内所需的电线的数目或长度，因为不需要把每个过程控制装置直接连到DCS或其它控制器，而是可使用总线型构造把所有的装置连在一起。此外，分散化控制结果增加了过程的整个控制速度，这是因为每个通信信号必须传播的距离较短且减少了通常在DCS控制器处所发生的数据流瓶颈。
虽然分散化控制使过程控制网络更便于重组，但恰恰是因为由分布在过程控制网络中的不同装置在不同时间来实现不同的控制功能，所以分散化控制也使得在例如网络起动时调试和调整过程控制网络的过程复杂得多。实际上，诸如Fieldbus网络等具有分布控制功能的过程控制网络包括许多控制元件和功能性装置，它们在总线上使用同步通信以极为复杂的方式相互作用，因此，各种控制元件和功能性装置之间的相互作用建模困难且没有整体地涉及过程控制系统设计的操作者不会全面理解这种相互作用。当然，在一过程控制网络被第一次初始化或“联机”时，复杂性和操作难度提高到最大。此初始化过程通常需要大量的技能，因为变得不稳定的过程控制网络可能极为危险，尤其是在石油、天然气管线设备、核电站、化学处理设备等类似设备中。此外，一旦该过程控制系统运行，对系统进行调整或重新调整是必须的。
由于具有分布式控制功能的过程控制网络不包括存储整个控制算法的中央控制器，可对该算法进行编程以逐步通过每个不同的操作或在预定时间停止以允许调试和调整该过程控制方案，所以难于在这些系统被联机时对其进行调试以及重新调试。实际上，由于在过程控制网络内的不同位置处进行整个控制方案的不同功能且排定在不同的预定时间实行这些不同的控制功能，所以根据在总线上发生的同步通信，没有机构能在各点停止该控制方案来观察变量值等，使一次一个操作地逐步通过该控制方案或重新调整该控制方案，所有的这些在实行新控制方案或在调试或重新调整过程控制方案时是有利的。
发明内容
本发明制造一种调试和调整具有分布式控制功能的过程控制网络。依据本发明的一个方面，在具有分布控制功能的过程控制网络的初始化和调整期间，一种在执行期间停止过程回路并保持过程控制信息以显示给用户的方法。其后，当用户指令时，该方法继续执行过程控制网络以隔离系统差错或“故障”。该方法还可以回路执行速度实时地监测和保存控制功能参数，以提供在调整或重新调整过程控制网络中有用的“追踪”功能。
依据本发明的另一个方面，一种方法和设备接收调整选中的过程控制参数的请求，调节总线上的参数，并实时地监测过程控制回路内控制功能的输入和输出参数以使操作者确定是否对具有分布控制功能的过程控制回路进行适当地调整。
依据本发明的再一个方面，在双线、双向数字通信环境下操作的过程控制回路包括用于在执行过程控制回路期间实时地访问过程控制变量的控制逻辑以及存储该变量的存储器。过程控制变量可由过程控制回路内部的装置获得，或者可由连到或耦合到过程控制回路的外部主机装置来获得。在一个实施例中，过程控制回路可包括一例行程序，该例行程序定义了一个或多个断点并指令控制回路执行到该断点，在该处发生特定的事件、情况或程序代码执行地址。过程控制回路还可包括在断点发生处或在某些其它流程控制位置处操作的例行程序，以单步通过过程控制方案的后续功能块。
可在控制功能之间实现断点，也可在存储在过程控制回路内的过程控制装置中的控制功能内部实现这些断点。例如，可在把数据锁存到总线上的现场(field)装置后设定一个断点，并可在现场装置执行控制功能后设定第二个断点。在另一个例子中，第一断点被设定在执行控制算法后但在把数据转移到另一个控制功能(它可位于同一或不同的过程控制装置中)前，而第二断点被设定在把数据从一个装置传输到另一个装置后但在开始执行与下一个过程控制功能相关的算法前。
由本发明的方法和设备，由于单步通过具有分布控制功能的过程控制网络中的过程控制方案或者使这种过程控制方案在预定的断点处停止的能力，使得诊断测试时间得以减少。
附图概述
图1是使用Fieldbus协议的示例过程控制网络的示意方框图；图2是其中具有一组三个功能块的Fieldbus装置的示意方框图；图3是示出位于图1过程控制网络的某些装置内的功能块的示意方框图；图4是位于图1的过程控制网络内的过程控制回路的控制回路示意图。
图5是图1的过程控制网络的一段总线的宏循环的时序示意图；图6A是示出在调试图1的过程控制网络时所使用的断点例行程序的操作的流程图；图6B是示出在调试图1的过程控制网络时所使用的步进(stepping)例行程序的操作的流程图；图6C是示出在调整图1的过程控制网络时所使用的调整例行程序的操作的流程图；图7是示出调整例行程序期间图4的过程控制回路中一组功能块的操作的示意方框图；以及图8是进行依据本发明的断点、单步步进和调整的追踪-调整功能块的图。
本发明的较佳实施方式结合一过程控制网络来详细描述本发明的用于调试和调整过程控制网络的方法及设备，该过程控制网络使用一组Fieldbus装置以分散或分布方式来实现过程控制功能，应注意本发明的调试和调整方法及设备可使用这样的过程控制网络，这些网络使用其它类型的现场装置和通信协议(包括不依靠双线总线的协议和只支持模拟或模拟数字通信的协议)来进行分布式控制功能。于是，例如，本发明的调试和调整方法和设备可用于进行分布控制功能的任何过程控制网络，即使该过程控制网络使用HART、PROFIBUS等通信协议或者现有或将来可开发的任何其它通信协议。
在讨论本发明的调试和调整方法及设备的细节前，将对Fieldbus协议、依据该协议构成的现场装置以及在使用Fieldbus协议的过程控制网络中发生通信的方式进行总体描述。然而，应理解，虽然Fieldbus协议是一个为用于过程控制网络而开发的相对新的全数字通信协议，该协议在本领域内是公知的，且在其中之一Fieldbus Foundation(一个总部设在德克萨斯州奥斯汀市的非盈利性组织)出版、分发和提供的大量文章、小册子和说明书中有详细描述。尤其是，在公知的来自Fieldbus Foundation的通信技术说明书和用户层技术说明书这类手册中详细地描述了Fieldbus协议以及使用该Fieldbus协议进行通信及把数据存储在装置中的方式，从而在这里通过引用把其全部内容作为参考。
Fieldbus协议是一种全数字串行双向通信协议，它为位于例如工厂或车间的设备或过程控制环境中的诸如传感器、制动器、控制器、阀门等双线回路或总线互连“现场”设备提供标准化物理接口。实际上，Fieldbus协议为位于过程装置中的现场设备(现场装置)提供了局域网络，这样使这些现场装置在分布于整个过程中的各个位置处进行控制功能并在进行这些控制功能前后相互通信以实现整个控制策略。由于Fieldbus协议使控制功能分布于整个过程控制网络中，所以它减少了中央处理控制器(通常与DCS相连)的复杂性，或完全不需要此控制器。
参考图1，使用Fieldbus协议的过程控制网络10可包括经由双线Fieldbus回路或总线34连到诸如程序逻辑控制器(PLC)13、许多控制器14、另一个主机装置15和一组现场装置16、18、20、22、24、26、28、30和32等许多其它装置的主机12。总线34包括由桥接装置30和32分开的不同部分或段34a、34b和34c。每个部分34a、34b和34c互连接在总线34上的装置的子集，使得在这些装置子集按以下所述的方式进行通信。当然，图1的网络只是示意性的，还有可以使用Fieldbus协议来构成过程控制网络的许多其它方法。一般，配置器位于诸如主机12等一个装置中，且负责设置或配置每个装置(这些装置是“智能型”装置，因为它们中的每一个都包括能进行通信和控制功能(在某些情况下)的微处理器)，以及识别什么时候把新的现场装置连到总线34、什么时候把现场装置从总线34上除去，接收现场装置16-32产生的数据并与一个或多个用户终端相接，这些用户终端位于主机12或以任何方式连到主机12的任何其它装置中。
总线34支持或允许双向的纯数字通信，且还可给诸如现场装置16-32等与其相连的任何或所有装置提供功率信号。或者，装置12-32中的任何或所有装置可具有它们自己的电源，或者可以经由独立的导线(未示出)连到外部电源。虽然在图1中示出装置12-32以标准总线型连接连到总线34，其中多个装置连到构成总线段34a、34b和34c的同一对导线，但Fieldbus协议还允许其它的装置/导线拓扑结构，包括每个装置经由独立的双线对连到控制器或主机(类似于典型的4-20mA模拟DCS系统)的点到点连接、每个装置连到双线总线(可以是例如过程控制网络的一个现场装置中的连接盒或端接区)中的公共点的树型或“星型”连接。
依据Fieldbus协议，可以相同或不同的通信波特速率或速度在不同的总线段34a、34b和34c上发送数据。例如，Fieldbus协议提供了所示被图1中的总线段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，这两个速率通常用于高级过程控制、远程输入/输出和高速工厂自动设备且示出被图1的总线段34a所使用。同样，依据Fieldbus协议，可使用电压模式信令或电流模式信令在总线端34a、34b和34c上发送数据。当然，总线34每一段的最大长度没有严格的限制，而是由该段的通信速率、电缆类型、线的尺寸、总线功率选项等来确定。
Fieldbus协议把可连到总线34的装置分成三类，即基本装置、链路主控(linkmaster)装置和桥接装置。基本装置(诸如图1的装置1 8、20、24和28)可进行通信，即来往于总线34发送和接收通信信号，但它们不能控制总线34上所发生的通信的顺序或定时。链路主控装置(诸如图1中的装置16、22和26以及主机12)是在总线34上进行通信的装置，它们能控制总线34上通信信号的流量和定时。桥接装置(诸如图1中的装置30和32)是在Fieldbus总线的各段或分支上进行通信并把它们互连来产生较大的过程控制网络的装置。如果需要，桥接装置可在总线34的不同段上所使用的不同数据速度和/或不同数据信令格式之间进行转换，可放大在总线34的段之间传播的信号，可对在总线34的不同段之间流动的信号进行滤波且只让指定将由桥路耦合到的总线段上的装置接收的那些信号通过，和/或可采取链接总线34的不同段所需的其它动作。连接以不同速度操作的总线段的桥接装置在桥路的较低速度段一侧必须具有链路主控容量。主机12和15、PLC 13和控制器14可以是任何类型的Fieldbus装置，但它们通常是链路主控装置。
装置12-32中的每一个都能在总线34上进行通信，重要的是，它们能使用该装置从过程获取的或经由总线34上的通信信号从不同装置获取的数据独立地进行一个或多个过程控制功能。因此，Fieldbus装置能直接实行整个控制策略的一部分，这些部分在过去是由DCS的中央数字控制器来进行的。为了进行控制功能，每个Fieldbus装置包括在该装置内的微处理器中实行的一个或多个标准化“块”。尤其是，每个Fieldbus装置包括一个资源块、零个或多个功能块以及零个或多个变换器(transducer)块。这些块叫做块目标(object)。
资源块存储和传送属于Fieldbus装置的某些特性的装置特定数据，例如包括装置类型、装置修改指示和是否可在装置的存储器内获得其它装置特定信息的指示。虽然不同的装置制造商可在现场装置的资源块中存储不同类型的数据，但符合Fieldbus协议的每个现场装置包括存储某些数据的资源块。
功能块定义和实行与现场装置相关的输入功能、输出功能或控制功能，于是，功能块一般被叫做输入、输出和控制功能块。然而，将来还存在或开发出诸如混合功能块等其它类型的功能块。每个输入或输出功能块产生至少一个过程控制输入(诸如来自过程测量装置的过程变量)或过程控制输出(诸如发送到制动装置的阀位置)，同时每个控制功能块使用算法(实际上可以是专用的)从一个或多个过程输入和控制输入中产生一个或多个过程输出。标准功能块的例子包括模拟输入(AB、模拟输出(AO)、偏置(B)、控制选择器(CS)、离散输入(DI)、离散输出(DO)、手动装载机(ML)、比例/微分(PD)、比例/积分/微分(PID)、比率(RA)和信号选择器(SS)功能块。然而，存在其它类型的功能块，也可定义或产生在Fieldbus环境下操作的新功能块。
变换器块把一功能块的输入和输出耦合到诸如传感器和装置制动器等本地(1ocal)硬件装置，以使这些功能块可读取本地传感器的输出并命令本地装置进行诸如移动阀门部件等一个或多个功能。变换器块通常包含解释由本地装置所传递的信号以及对本地硬件装置进行适当控制所需的信息，例如包括识别本地装置类型的信息、与本地装置有关的校准信息等。单个变换器块通常与每个输入或输出功能块相连。
大多数功能块能根据预定判据来产生警告或事件指示并能以不同的模式进行不同的操作。总的来说，功能块可以其中例如功能块的算法自动操作的自动模式进行操作；功能块可以其中手动地控制例如功能块的输入或输出的操作者模式进行操作；功能块可以其中块不操作的退出服务模式来进行操作；功能块可以其中块的操作受到不同块的输出的影响(确定)的级联模式进行操作；以及功能块可以其中一远程计算机确定块模式的一个或多个远程模式进行操作。然而，在Fieldbus协议中存在其它操作模式。
重要的是，每个块能使用由Fieldbus协议所定义的标准报文格式经由Fieldbus总线34与同一或不同现场装置中的其它块进行通信。结果，功能块(位于同一或不同装置中)的组合可相互通信，以产生一个或多个分散控制回路。于是，例如，一个现场装置中的PID功能块可经由总线34连接到接收第二现场装置中的AI功能块的输出，以及接收AO功能块的输出作为反馈以产生与任何DCS控制器分开的过程控制回路。这样，功能块的组合把控制功能移出中央DCS环境，这样使得CDS多功能控制器可进行监督或协调功能或把它们一起排除。此外，功能块为简化过程配置提供了图解的面向块的结构，并且因为这些块使用一致的通信协议所以这些功能可分布于不同供应商的现场装置中。
除了包含和实行块目标以外，每个现场装置还包括一个或多个其它的目标，包括链接目标、转向(trend)目标、警报目标和观察目标。链接目标定义了现场装置内部和跨Fieldbus总线34的块(诸如功能块)的输入和输出之间的链路。
转向目标使功能块参数局部转向，以被诸如图1的主机12或控制器14等其它装置所访问。转向目标保留属于某些例如功能块参数的短时期历史数据并以异步方式经由总线34把该数据报告给其它装置或功能块。警报目标在总线34上报告警告和事件。这些警告或事件可相应于在一装置或一装置的一个块内所发生的任何事件。观察目标是在标准人/机联系中所使用的块参数的预定分组，观察目标可被发送到其它装置以便随时观察。
现在参考图2，示出三个Fieldbus装置，它们可以是例如图1的现场装置16-28中的任一个，它们包括资源块48、功能块50、51或52和变换器块53和54。在第一装置中，功能块50(可以是输入功能块)通过变换器块53耦合到传感器55，传感器55可以是例如温度传感器，设定点指示传感器等。在第二装置中，功能块51(可以是输出功能块)通过变换器块54耦合到诸如阀门56等输出装置。在第三装置中，功能块52(可以是控制功能块)具有与其相连的转向目标57，用以使功能块52的输入参数转向。
链接目标58定义了每个有关块的块参数，警报目标59为每个有关块提供了警告或事件通知。观察目标60与每个功能块50、51和52相连且包括或集中了与其相连的功能块的数据清单。这些清单包含用于一组所定义的不同观察中每一个观察所需的信息。当然，图2的装置只是示意性的，在任何现场装置中可提供其它数目和类型的块目标、链接目标、警报目标、转向目标和观察目标。
现在参照图3，处理控制网络10的方框图还示出与定位器/阀门(positioner/valve)16、发射机20和桥路30相关的功能块，其中将装置16、18和24示为定位器/阀门装置而将装置20、22、26和28示为发射机。如图3所示，定位器/阀门16包括资源(RSC)块61、传感器(XDCR)块62和大量功能块，它包括模拟输出(AO)功能块63、两个PID功能块64和65以及信号选择(SS)功能块69。发射机20包括资源块61、两个传感器块62和两个模拟输入(AI)功能块66和67。此外，桥路30包括资源块61和PID功能块68。
应理解，图3的不同功能块可以在多个控制回路中一起操作(通过沿着总线34进行通信)，而且由回路识别块识别其中设有所示控制回路中定位器/阀门16、发射机20和桥路30的功能的控制回路，其中所述功能识别块与这些功能块中的某个功能块相连(如图3所示)。于是，如图3所示，在标为LOOP1的控制回路中，将定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射机20的AI功能块66相连，同时在标为LOOP2的控制回路中将定位器/阀门16的SS功能块69、发射机20的AI功能块67以及桥路30的PID功能块68相连。在标为LOOP3的控制回路中，连接定位器/阀门16的其它PID功能块65。
在如图4所示的这个控制回路的示意图中，详细示出构成标为图3中LOOP1的控制回路的相互连接的功能块。从图4可见，由在定位器/阀门16的AO功能块63和PID功能块64以及发射机20的AI功能块66(图3)之间的通信链路完全形成控制回路LOOP1。图4的控制回路示出运用附着这些功能块的处理和控制输入及输出的线路，在这些功能块之间的通信相互连接关系。于是，通过总线段34b，包括处理测量或处理参数信号的AI功能块66的输出与PID功能块64的输入通信联络地耦合，其中所述PID功能块64具有包括与AO功能块63的输入通信联络耦合的控制信号的输出。包括例如表示阀门16位置的反馈信号的AO功能块63的输出与PID功能块64的控制输入相连。PID功能块64运用这个反馈信号以及来自AI功能块66的处理测量信号来自实现对AO功能块63的适当控制。当然，可以在现场装置内执行由图4的控制回路图中的线路表示的连接，当带有AO和PID功能块63和64的情况下，功能块在相同现场装置(例如，定位器/阀门16)内，或者通过双线通信总线34，运用标准的Fieldbus同步通信，可以实现这些连接。当然，可由在其它结构中用通信相互连接的其它功能块来实现其它控制回路。
为了实现和执行通信和控制活动，Fieldbus协议运用标为物理层、通信“栈(stack)”和用户层的大致三种技术。用户层包括以在任一特定处理可控制装置或现场装置内的块(诸如功能块)和目标的形式提供的控制和组态功能。一般由装置制造商以适当的方法来设计用户层，但是必须能够根据由Fieldbus协议限定的标准报文(message)格式来接收和传输报文，以及能够由用户以标准方法来配置。物理层和通信栈必须运用双线总线34以标准化方法来影响在不同现场装置的不同块之间的通信，而且可由已知的开放系统互连(OSI)分层通信模型来建立它们的模型。
与OSI层1相对应的物理层嵌入在某个现场装置和总线中，并进行操作以将从Fieldbus传输媒体(双线总线34)接收到的电磁信号转换成能供现场装置的通信栈运用的报文。物理层可被认为是总线34，而且在现场装置的输入端和输出端，电磁信号出现在总线34上。
出现在每个Fieldbus装置中的通信栈包括与OSI层2相对应的数据链路层、Fieldbus访问子层和与OSI层6相对应的Fieldbus报文规范层。在Fieldbus协议中没有对于OSI层3-5的相应结构。然而，Fieldbus装置的应用包括层7，同时用户层是层8，这在OSI协议中没有规定。在通信栈中的每个层负责编码或解码在Fieldbus总线34上传输的一部分报文或信号。结果，通信栈中的每一层都附加或去除某些Fieldbus信号，诸如报头、起始定界符和结束定界符，以及在一些情况下，解码Fieldbus信号的剥去(stipped)部分以识别应把剩余信号或报文送到哪里去，或者例如由于信号包括了没有用于在接收现场装置中的功能块的报文或数据，是否应丢弃该信号。
数据链路层控制在总线34上传输报文并根据下面将要描述的被称为链路现行调度器(link active scheduler)的确定的集中总线定标器，管理对总线34的访问。数据链路层在传输媒体上从信号中去除报头，并可以运用接收到的报头来使现场装置的内部时钟与进入Fieldbus信号同步。同样，数据链路层将在通信栈上的报文转换成物理Fieldbus信号，而且用时钟信息对这些信号进行编码以产生“同步序列”信号，它具有用于在双线总线34上传输的适当报头。在解码处理过程中，数据链路层认识在报头内的特定代码，诸如，起始定界符和结束定界符，以识别特定Fieldbus报文的开始和结束，而且可以执行检验和来验证从总线34接收到的信号或报文的完整性。同样，数据链路层通过将起始和结束定界符加到在通信栈上的报文并在适当的时候将这些信号设置在传输媒体上，来在总线34上传输Fieldbus信号。
Fieldbus报文规范层运用标准报文格式集来允许用户层(即，现场装置的功能块、目标等)通过总线34进行通信，并描述建立要设置在通信栈上的报文并向用户层提供所需的通信服务、报文格式和协议行为。由于Fieldbus报文规范层提供用于用户层的标准化通信，所以对于上述每种目标规定了专用Fieldbus报文规范通信业务。例如，Fieldbus报文规范层包括目标目录(dictionary)业务，它允许用户读取装置的目标目录。目标目录存储描述或识别装置的每个目标(诸如，功能块的目标说明。Fieldbus报文规范层还提供上下文管理业务，它允许用户读取和改变与装置的一个或多个目标相关的被称作为虚拟通信关系(VCR)(如下所述)的通信关系。另外，Fieldbus报文规范层提供各种访问业务、事件业务、数据上载和数据下载业务以及程序调用业务，在Fieldbus协议中所有这些都是已知的，因而这里不再详细描述。Fieldbus访问子层将Fieldbus报文规范层映射在数据链路层中。
为了允许或使得能够操作这些层，每个Fieldbus装置包括管理信息库(MIB)，它是一个数据库，用于存储VCR、动态变量、统计学、链路现行调度器时间表、功能块执行时间表和装置标记和地址信息。当然，可在任何时刻，运用标准Fieldbus报文或命令来访问或改变在MIB内的信息。此外，一般每个装置设有装置说明以使用户或主机对VFD中的信息有一扩充了解。一般必须标示有供主机使用的装置说明以在装置的VFD中存储使主机能理解数据意义所需的信息。
应理解，为了运用在处理控制网络中所述的功能块来实现任何控制策略，相对于在特定控制回路中的其它功能块的执行，必须精确地安排功能块的执行时间表。同样，必须精确地安排在总线34上执行的在不同功能块之间的通信，从而在该块执行之前，向每个功能块提供适当数据。
现在，参照图1描述其中不同现场装置(和在现场装置中的不同块)通过Fieldbus传输媒体进行通信的方法。对于发生的通信，在总线34中的每段上的一个链路主控装置(例如，装置12、16和26)作为链路现行调度器(LAS)进行操作，它现场调度和控制在总线34的相关段上的通信。用于总线34的每段的LAS存储和更新通信时间表(链路现行时间表)，它包括调度每个装置的每个功能块以起始在总线34上的周期性通信活动的时间，以及发生这种通信活动的时间长度。虽然在总线34的每段上有一个并且只有一个现行LAS装置，但是其它链路主控装置(诸如，在段34b上的装置22)可以用作备份LAS，而且例如当当前LAS出故障时，它变成现行的。在任何时刻，基本装置都没有变成LAS的能力。
广义而言，总线34上的通信活动被划分为重复的宏循环，每个包含一个用于总线34任一特定段上每个激活功能块的同步通信和用于总线34某一段上一个或多个激活功能块或设备的一个或多个异步通信。即使设备物理通过总线34上桥路和LASs的协同操作连接总线34不同的段，设备也可以是激活的，即发送数据并接收来自总线34任一段上的数据。
在每个宏循环内，每个在总线34特定段上激活的功能块通常在不同但是精确安排的时序(同步)上执行，并且以另一精确安排的时序在总线34的该段上发布其输出数据以响应合适LAS生成的强迫数据命令。比较好的是，每个功能块在功能块执行周期结束后不久发布其输出数据。而且不同功能块的数据发布时序都依次安排好从而在总线34特定段上没有两个功能块在同一时刻发布数据。在未进行同步通信期间，允许每个现场设备利用令牌驱动的通信，以异步模式发射报警数据、查看数据等。完成每个功能块所需的执行时间和时间长度存储在驻留功能块的设备的管理信息库(MIB)内，如上所述，向总线34某一段上每个设备发送强迫数据命令的时刻存储在该段LAS设备的MIB内。由于这些功能块执行或发送数据的时刻标明了相对“绝对链接安排开始时刻”(对于连接在总线34上的所有设备来说它都是已知的)起点的偏离，所以它们一般作为偏离时间存储。
为了在每个宏循环内实现通信，LAS(例如总线段34b上的LAS 16)根据存储在链接激活时间表内的发送时刻列表向总线段34b上的每个设备发送强迫数据命令。在接收到强迫数据命令后，设备的功能块在特定时间内于总线34上发布它的输出数据。由于每个功能块一般是按照排定时刻执行的，从而使得块的执行在块安排接收强制数据命令之前进行，所以响应强迫数据命令而发布的数据应该是功能块最近的输出数据。但是如果功能块执行缓慢并且在接收到强迫数据使未锁存新的输出，则功能块发布在其最后运行期间生成的输出数据并利用时间戳记指示发布的数据是旧数据。
在LAS向总线34特定段上每个功能块发送强迫数据命令之后并在功能块执行期间，LAS可以进行异步通信活动。为了实现异步通信，LAS向特定的现场设备发送通过令牌报文。当现场设备接收到通过令牌报文时，现场设备对总线34(或者它的一段)具有完全访问能力并且可以发送异步报文(例如报警报文、转向数据、操作者设定点变化等)直到报文完成或者最大分配的“令牌保持时间”到期。随后现场设备释放总线34(或者其任一段)并且LAS向另一设备发送通过令牌报文。重复这样的过程直到宏循环结束或者直到LAS被安排发送强制命令数据以实现同步通信。当然，根据报文业务量和耦合至总线34任一特定段上的设备和块的数量，并不是每个设备都可以在每个宏循环内接收通过令牌报文的。
图5示出时序图，表示图1中总线段34b上功能块在总线段34b的每次宏循环期间执行的时间和与总线段34b相关的每次宏循环期间出现同步通信的时间。在图5的时序表中，水平轴表示时间，垂直轴表示与图3中定位器/阀门16和发射机20的不同功能块相关的活动。图5中以下脚标表示每个功能块操作的控制回路。因此，AILOOP1指发射机20的AI功能块，PIDLOOP1指定位器/阀门16的PID功能块，等等。图5中，以斜划线的方框表示每个所示功能块的块执行周期，而以垂直条表示每个预定的同步通信。
因此，根据图5的时序表，在(图1)总线段34b的任何特定宏循环期间，AILOOP1功能块首先在方框70指定的时间周期中执行。然后，在垂直条72表示的时间周期中执行，响应于总线段34bLAS的强迫数据命令在总线段34b上公布AILOOP1功能块的输出。同样，方框74、76、78、80和81分别表示功能块PIDLOOP1、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3的执行时间(对于每一个不同的功能块，时间是不同的)，而垂直条82、84、86、88和89分别表示PIDLOOm、AILOOP2、AOLOOP1、SSLOOP2和PIDLOOP3功能块在总线段34b上公布数据的时间。
显然，图5的时序图还示出可供进行异步通信活动的时间，它们可以出现在任何功能块的执行时间中以及宏循环结束时没有功能块在执行和在总线段34b上不发生同步通信的时间中。当然，如果需要的话，可以有意识地安排不同的功能块在相同时间上执行，例如，如果没有其它装置订购功能块所产生的数据，不必让所有的功能块在总线上公布数据。
现场装置(field device)利用各装置栈的Fieldbus存取子层中所定义的三种虚拟通信关系(VCR)中的一种关系能够在总线34上公布或发送数据和报文。对于在总线34上装置之间排队、非预定、用户始发、一对一的通信，可采用客户/服务器VCR。根据这种排队报文的优先级，按照提交进行发送的次序对它们进行发送和接收，而不改写以前的报文。因此，当现场装置从LAS接收一条通过令牌报文，将请求报文在总线34上发送到另一个装置时，它可以采用客户/服务器VCR。将请求者称为“客户”，将接收请求的装置称为“服务器”。当服务器从LAS接收通过令牌报文时它发出一个应答。例如，采用客户/服务器VCR来实现操作者始发请求，例如设定点变化、调整参数存取和变化、报警确认和装置上载和下载。
对于排队、非预定、用户始发、一对多的通信，可以采用报告分布VCR。例如，当具有事件或转向报告的现场装置从LAS接收通过令牌时，该现场装置将其报文发送到该装置通信栈的Fieldbus存取子层中所定义的“组地址”。为在该VCR上收听而配置的装置将接收该报告。Fieldbus装置通常采用报告分布VCR类型来将报警通知传送给操作者控制台。
对于缓冲、一对多通信，采用出版者/订购者VCR类型。缓冲通信是仅存储和传送最新版本数据的通信，因此新的数据完全改写以前的数据。功能块的输出例如包括缓冲数据。当出版者装置从LAS或从订购者装置接收强迫数据报文时，“出版者”现场装置利用出版者/订购者VCR类型将报文发布或播放给总线34上所有的“订购者”现场装置。预先确定出版者/订购者关系并将其限定和存储在各现场装置通信栈的Fieldbus存取子层中。
为了保证总线34上的适当的通信活动，各LAS周期性地将时间分布报文传送到与总线段34连接的所有现场装置，使得接收装置将它们的局部应用时间调节为相互同步。在这些同步报文之间，根据每个装置自身的内部时钟，独立地维持每个装置中的时钟时间。时钟同步允许现场装置对整个Fieldbus网络上的数据加时间印记，表示例如数据是何时产生的。
此外，每个总线段上的各LAS(和其它链路主控装置)存储“运转清单(1ivelist)”，这是一张列有与该总线段34连接的所有装置，即对通过令牌报文作出适当响应的所有装置的清单。LAS通过周期性地将探查节点报文传送到不在运转清单上的地址，对增加到总线段上的新装置进行连续识别。事实上，在每个LAS完成将通过令牌报文传送到运转清单中所有现场装置的循环后，需要它对至少一个地址进行探查。如果有一个现场装置出现在被探查的地址上并接收探查节点报文，那么该装置立即返回一个探查应答报文。在接收探查应答报文时，LAS将该装置增加到运转清单中并通过将节点激活报文传送到被探查的现场装置而确认。只要现场装置对通过令牌报文作出适当应答该现场装置便维持在运转清单上。然而，如果在经过三次成功尝试后现场装置既没有采用该令牌又没有立即将该令牌返回给LAS，那么该LAS将现场装置从运转清单中排除。当现场装置被增加到运转清单中或者从运转清单中排除时，LAS将运转清单中的变化广播给总线34特定一段上的所有其它链路主控装置，允许每个链路主控装置维持当前复制的运转清单。
如上所述，现场装置的功能块之间的通信互连以及功能块的执行时间由用户来确定，且它们在使用位于例如主机12中的结构应用程序的过程控制网络10内实行，主机12对LAS进行编程以排定功能块的执行时间和通信时间。然而，通常不想简单地实行过程控制方案然后启动过程运行而不首先对该方案进行测试，以保证不存在故障并保证适当地调整控制方案的过程控制回路。实际上，过程控制方案中的小误差可使过程非常快速地变得不稳定，这样可能是不安全的而且可破坏过程控制元件。此外，即使控制方案是正确的，也存在诸如定时次数、增益等需要调整的参数，以保证适当的过程操作。因此，想要提供一种在任何给定控制回路的操作期间的不同时间停止和启动该过程的操作的机构，并提供了一种通过观察该控制回路内各分布位置处过程参数的值来观察过程或过程控制回路的状态的机构，以保证该控制回路依据所需的计划运行和/或调整该控制回路内的某些参数。
虽然可通过由主机12在每个装置中建立转向块，收集转向数据的值，然后在开始执行过程控制回路后把该数据显示给用户来调试或调整Fieldbus过程控制网络，但为了进行这种类型的通信，主机12必须使用异步(非公开)通信，它使得主机12只有在主机12接收到来自LAS的通过令牌时才访问总线34。结果，主机12不能保证是否会因改写而丢失转向目标所收集的反馈数据。此外，主机12不能相对于控制回路内其它块的操作来精确地确定转向数据是在什么时候收集的，或者可能不得不重新产生回路定时以确定在收集数据时正在发生什么控制功能。此过程可能是不准确的、冗长的而且是费时的，此外，此过程实际上不能在收集数据时准确地停止过程控制回路的操作。
依据本发明，在观察一过程控制回路的装置和/或功能块内部或之间设定断点或单步停止点，它们用于使具有分布控制功能的过程控制网络内的过程控制回路在到达一个断点或单步停止点时停止。此外，调整过程可使过程控制回路执行一个或多个完整的循环，以产生对过程控制回路的“追踪”，该追踪可用于重新调整该过程控制回路。因此，依据本发明，把过程控制变量或参数的值存储在一个或多个现场装置的存储器中，并经由总线传递到用户，以使用户观察过程控制回路在每个断点或单步停止位置处或在调整过程期间的状态。
如果需要，断点或单步停止点可位于一个装置处，且在该装置在过程控制方案内操作时发生，还可位于不同的过程控制功能之间，诸如位于一过程控制回路的功能块之间，和/或可位于过程任何特定过程控制功能的算法内。当然，装置制造商通常必须在过程功能块的算法内提供断点和单步停止点功能，因为这些算法通常专用于该装置制造商，且通常被固定或硬编码到该现场装置的存储器中。
在每个断点、单步停止点或调整停止点处，过程控制方案的操作自动停止，直至用户经由总线34上的异步通信命令重新开始。如果需要，断点、单步停止点或调整过程中的任一个可具有与其相关的一个或多个条件，在满足这些条件时使算法或过程控制网络停止操作，并在不满足时，使过程控制方案继续而不中断。此条件可与某些变量(时间)值或任何其它所需的条件有关。当然，断点和停止点还可以接入或断开，从而用户可控制在特定调试过程中要操作许多断点或停止点中的哪一个。
在到达一断点或单步停止点时，一个或多个装置使用同步或异步通信在总线34上把所需变量的值传递给用户，以使用户观察过程控制网络在断点或单步控制点处的状态并观察引起中断或停止发生的条件。
虽然断点和单步停止点通常位于一过程控制回路的功能块内或功能块之间，但调整过程可具有位于过程控制回路执行循环末尾处(即，在每个宏循环的末尾处或在完成一总线段的预定数目的宏循环后)的中断，以停止执行回路。其后，调整过程可给用户提供属于先前宏循环中的回路操作的数据，并使用户改变过程控制功能或功能块中任一个内的某些调整参数，从而重新调整过程控制回路。当然，在暂停控制回路的正常操作时，可在总线34上使用异步通信来进行这些通信。
现在参考图6A、6B和6C，其中示出依据本发明调试和调整过程控制回路的方法的流程图。一般，过程技术人员使用用于调试和调整过程回路的方法来实现相应于过程控制网络的操作的可视性，同时控制过程控制回路的流程。这些调试和调整过程控制回路的方法使得过程技术人员能进行过程控制回路的初始化并检测因初始化不当或系统对时间的变化而引起的问题。当然，可把图6中调试和调整过程控制流程的方法随正常使过程控制回路联机的启动行为而启动。应注意，构成这些回路的元素或例行程序可存储在主机装置的一个或多个存储器中和/或以下将更详细讨论的一个或多个现场装置的存储器中。
在调试和调整过程控制回路时，可使用三个通用例行程序，包括断点操纵例行程序102(图6A)、单步模式操纵例行程序104(图6B)以及调整操纵例行程序106(图6C)。这三个例行程序102、104和106中的每一个只在调试或调整操作模式下操作，这些模式由主计算机(诸如图1的主机12)通过把使得断点和单步操作变为有效的命令发送到具有断点、单步和调整能力的功能块来启动。此时，主机12可指定(依据用户指令)接通哪个断点、每个断点处的中断条件是什么以及应在断点(或在单步停止点)处收集什么数据，以发送到主机装置12而显示给用户。对于调整过程，主机12可指定待观察和/或可能改变的参数以及所允许的将在调整参数变化前进行的回路执行循环的数目等。实际上，该命令或一系列的命令把过程控制网络置于调试或调整模式。
参考图6A，在过程控制回路执行诸如图1的总线段34b上的现场装置16、18、20和22等多个现场装置中的功能块时断点处理例行程序102控制该过程控制回路的流程。使用例如总线34上的异步通信来设定可以具有用户接口的主机装置内的软件来实行的块110、每个所需断点的位置以及其它相关数据。可把断点设定在指令层(level)(步骤112)，其中执行装置或装置的功能块内的特定指令而使中断条件被检查，在功能块层(步骤114)，其中来往于特定功能块的数据流或过程控制回路的功能块的执行而使中断条件被检查，和/或在装置层(步骤116)，其中来往于装置的数据流或装置的操作使中断条件被检查。当然，可设定多个断点，且可把不同的断点设定在不同的指令、功能块和装置层处。
在指令层，断点被设定在选中的指令地址位置处的功能块内。在执行指定的指令地址时，查看断点条件是否满足条件。如果是这样，则终止执行。虽然这种类型的断点一般类似于中央处理器的断点能力，但所引用的指令位于远离用户接口终端的装置内，而不是在主机装置内。
在功能块层，把断点设定于在功能块之间传递数据时或在功能块执行的结尾或开始处。可通过控制操作系统中的LAS来施加功能块之间的断点，以防止把强制数据报文传递到下一功能块，直至用户已发送指示应继续过程控制回路操作的报文。在此情况下，由Fieldbus通信栈所控制的LAS旨在停止执行选中的功能块，直至由用户命令其执行。
在装置层，断点被设定在位于指定装置地址所在处的功能块内。在执行指定装置时，根据断点条件来终止或停止执行。
步骤118把每个所定义的断点设定为无条件发生或根据选中的事件有条件发生，并依据传递到主机12的用户输入把该事件的参数指示(例如，产生有条件中断的参数的值等)存储在LAS装置或其它一些装置中。
步骤120把诸如模拟输出(AO)功能块等通常在控制回路最上游的功能块设定为模拟操作状态，从而经由总线34把在控制回路的操作期间所访问的数据参数发送到主机装置12。其后，在步骤122，运行过程控制回路，直至在步骤124检测到活动断点。总的来说，实行断点处理例行程序102的一个或多个控制器可位于具有LAS和/或其它装置的装置中，并可控制适当总线段的LAS允许执行过程控制网络，直至到达一个断点。在该断点处，LAS控制器或其它控制器停止执行过程控制回路，并允许访问存储在有关过程控制回路内现场装置的功能块中的选中参数。于是，步骤126访问选中的参数，步骤128把这些参数与表示断点位置的数据和属于断点发生原因(例如，条件)的数据一起传输到主机12以显示给用户。主机12还可使用任何公知或所需的通信方法来获取额外的过程数据(以显示给用户)。
在Fieldbus系统中，可使用观察功能块操作来检查断点处的过程数据，此观察功能块操作允许装置的Fieldbus通信软件栈通过在必要时把链接目标加到通用输入块或更新所公开的变量显示的定制功能块来读取所公开的变量。观察功能块操作不需要对变量进行分开轮询，继而减少了用于检索总线上可获得的数据所需的总线循环的数目。
当用户经由主机12指令继续运行过程控制方案(通过返回到步骤122)时，步骤130执行该指令。如果用户不希望继续而是想要停止或改变断点时，步骤132根据用户经由主机12的指令清除或改变过程控制网络中的这些断点。然后，进到步骤133来运行安装有新断点或断点条件的过程控制方案(通过把控制返回到步骤122)或终止断点例行程序102。如以下更详细所述，在必要时最好以总线的LAS装置或各个现场装置中的软件来进行不同的步骤，以控制被调试的过程控制回路内功能块的操作(停止和启动)。
现在参考图6B，在过程控制回路执行过程控制网络10内多个现场装置中的功能块时单步模式处理例行程序104控制该控制回路的流程。单步模式处理例行程序104可控制LAS装置执行过程控制网络直至到达单步停止点，停止执行该回路，然后访问存储在过程控制网络10内现场装置的功能块中或由其产生的选中参数，然后把这些数据发送到主机装置以显示给用户。
尤其是，步骤134与图6A的例行程序102中的那些层相类似地把停止层设定在指令层(步骤136)、设定在功能块层(步骤138)和/或设定在装置层(步骤140)。于是，在步进到指令层时，把停步设定在功能内的每个指令地址位置，即把它们设定在实行功能块的一个功能的算法内。在执行指定指令地址时，终止执行。当步到功能块层时，指定每个功能块之间的地址。由功能块之间的断点，可通过控制回路中的LAS来实现这些单步停止点，以在每个功能块执行的结尾或公布的时间处停止执行。在一个实施例中，由Fieldbus通信栈来控制LAS，以停止执行选中的功能块。在步进到装置层时，把步骤设定在每个装置地址的位置。在执行指定装置时，终止执行回路的过程控制方案。
然后，步骤142通过使LAS装置公布强制数据命令来运行过程控制网络，步骤144确定是否已到达单步停止点。如果没有到达，则重复步骤142直至已到达单步停止点。当到达停止点时，步骤146检索与单步停止点有关的参数或其它指定数据，步骤148把该数据传输到主机装置处的用户。此时，还可把表示单步停止点位置的数据发送到主机装置以显示给用户。
单步模式处理例行程序104在块150处继续并以用户经由主机12的方向把控制返还运行步骤142，除非主机12指令终止单步模式处理例行程序104。如果是这样，则由步骤150清除单步模式并终止例行程序104。
断点操纵例行程序102和单步模式处理例行程序104允许操作人员分析过程数据和功能块并检测控制策略中可能存在的问题，而无需以大量循环运行过程控制方案，其间过程控制网络可能变得不稳定。此外，这些例行程序允许用户观察未被正常地发送到主机装置或显示给用户的与过程控制回路有关的数据，从而使用户可调试过程控制方案。
现在参考图6C，提供了示出调整例行程序106的操作的流程图。通常使用调整来设定诸如图4的PID功能块64等PID功能块中的增益或时间常数，从而控制回路在操作期间产生适当的输出。当然，最好如此调节PID控制，从而过程控制回路相当快速地响应于输入中的变化(即，从而不使该回路过度衰减)，但是过程控制回路不会如此快速地响应于过程输出中的变化或设定点的变化，从而该回路极大地振荡(即，从而该回路欠衰减)。
调整例行程序106以步骤162开始，即以一组测试调整参数对控制回路进行初始化。在控制回路(诸如图4的LOOP1)运行了一定次数或预定数目的宏循环后,步骤164改变操作设定点或一些其它参数或回路的值，其后，步骤166通过在例如回路的每个宏循环期间收集预定参数的值并把它们存储在存储器中来使回路或参数数据转向。例如，在过程控制回路运行了预定次数(即，宏循环)后，可确定回路的响应，因为已截获了回路的踪迹。此时，停止或中断执行该回路，并把截获的数据传递到调整器装置和/或用户。在调整器中，步骤168根据回路过去的表现来计算新的调整参数(即，转向参数)，或者用户观察该数据并手动地提供新的调整参数。接着，步骤170把新的调整参数(诸如PID增益、时间常数等)插入被调整的回路内适当的功能块中。在必要时，可根据需要重复步骤162到170以调节调整参数。在识别了适当的一组增益或其它调整参数后，控制回路继续运行(在步骤172)并在步骤174以新的参数检查回路的稳定性。当回路稳定且被适当调整时，可中止调整例行程序106，且可使回路以任何所需的方式联机。
调试和调整过程控制回路的方法102、104和106通过在过程控制回路循环时实时地观察数据(或在暂停的时间)以及控制该回路采取例如LAS的命令来继续断点和单步操作来进行工作。此外，在控制回路的实时操作期间调节参数，而总线34上的其它装置继续正常地操作，这使得控制回路被隔离和调试而无需采取过程脱机的其余部分。
以具有分布式控制功能的过程控制网络来实行本发明的调试和调整方法有许多方式。例如，当过程控制回路处于调试或调整模式下时，通过把所有所需的调试和/或调整参数(诸如断点和停止点地址、条件、回路执行条件等)存储在LAS的通信栈中来控制通信和控制执行过程控制回路内的功能块，可实行断点、单步和回路调整例行程序102、104和106。
参考图7，把图4的过程控制回路LOOP1示为具有通信互连的功能块66、64和63(每个都具有与其相关的通信栈)。此外，还示出LAS装置(它可以是位于例如图1的总线段34b上的任何装置)的通信栈190，以显示LAS和功能块66、64和63之间的通信。在本实施例中，通信栈190构成包括调试和/或追踪-调整过程，用于使功能块66、64和63(或这些功能块所在的装置)以“快照(snap-shot)”的操作模式独立操作，从而可使用断点、单步停止点和停止过程。此外，在这种组态中，与功能块66、64和63有关的栈是从属栈，它们不操作，除非有来自主栈(在此情况下为LAS装置的栈190)的命令使它们操作。
为了进行断点、信令步骤或回路分析，主栈190按照例如图5的定时时间表所指定的顺序把强制数据报文发送到功能块66、64和63。然而，主栈190的追踪-调整部件存储或者保持跟踪每个断点或单步停止点(或特征特征点)的位置，且在到达这样的断点或停止点时停止过程控制回路的操作来确定是否已达到断点条件或在有单步断点时停止操作。为了进行这些功能，主栈190可接收来自一功能块的指令或可接收来自一功能块的数据，以使主栈确定是否满足断点条件。当然，在不满足与断点有关的条件时，LAS继续发出通信使能报文(强制数据报文)，以实行过程控制方案或策略。然而，在到达有效断点或停止点时，主栈190的追踪-调整过程经由总线向用户公布所收集或转向的数据，强迫一个或多个适当的装置经由总线向用户公布所收集的数据或转向的数据，或者采取把中断或单步停止已发生、断点的原因和/或回路在断点或停止点处的状态等通知用户(经由主机装置)所需的其它动作。
同样，主栈190可接收来自用户(经由主机12)的继续、改变调整参数等指令。在还未到达断点(或单步停止点)或用户指令主栈(经由总线34)继续直至下一断点、单步或已记录回路的踪迹时，主栈190通过在总线34上进一步发送强制数据命令和通过令牌命令来继续运行过程控制网络。这样，LAS装置(或某些其它装置)内的主栈控制过程控制回路的操作，以允许实行图6的例行程序102、104和107的断点、停止点和追踪特征。当然，追踪-调整指令可在LAS装置或其它装置的栈中编码，并可包括与主机或用户进行通信以接收适当的初始化数据所需的指令(接通哪个断点、公布什么数据等)。在被用于调整例行程序106中时，主栈190可把转向的或在先前运行过程控制回路中收集到的其它数据传递到位于主机、LAS装置或任何其它装置中的调整器192，和/或可把该数据发送到主机以显示给用户。调整器192使用该数据来计算新的调整参数和/或可接收来自用户的新调整参数。然后，调整器192把新的调整参数发送到适当的装置以在其中使用，然后LAS装置再开始过程控制方案或允许继续该控制方案。
在另一个实施例中，可把一单独的追踪-调整功能块与过程控制回路内的每个功能块相连，这样的一个或多个追踪-调整功能块可用于在调整或调试过程中控制该回路内的功能块，以使得过程控制回路的断点、单步停止点和调整能工作。例如，参考图8，所示的AI功能块66包括追踪-调整功能块200，而所示的PID功能块64和AO功能块63共享追踪-调整功能块202。然而，在必要时，可对PID和AO功能块64和63中的每一个提供单独的追踪-调整功能块，或者可对一装置内功能块的任何组合使用一个追踪-调整功能块。
如图8所示，功能块66、64和63中的每一个都包括断点和/或停止点位置204，每个位置可具有与其相关的一个或多个条件。可以理解，功能块66、64和63可包括在其中的算法程序内编有任何数目的断点或其它单步停止点，或者这些断点或停止点可位于功能块内的其它地址处或位于装置的地址处。
在启动断点、单步停止点或回路调整过程时，通过例如主机12来启动与该回路内的每个功能块相连的追踪-调整功能块200或202，这些追踪-调整功能块用于在接收到来自用户或来自位于例如主机装置内的主追踪-调整功能块的这些条件后把断点条件设定在每个断点位置204处。在断点、单步、回路调整条件后，把识别每个断点、单步或回路调整条件的地址或其它指针存储在追踪-调整功能块200和202或功能块66、64和63中，与控制回路相连的LAS装置开始执行，直至到达断点、单步停止点或回路调整停止点。尤其是，检查-算法(诸如AI功能块66的算法)内的每个断点，以查看是否满足与断点有关的断点条件，如果是这样，则把这样的指示传送到追踪-调整功能块200，然后功能块200立即把AI功能块66的模式改为中断模式，继而在过程控制回路中的功能块上游产生模式的级联或脱离。此时，追踪-调整功能块200可经由同步或异步总线通信公布AI功能块66内或与其相关的数据和断点条件，以把这些数据传递到用户(或主机装置)或控制与主机装置的通信的主追踪-调整功能块。然后，用户可在总线34上发送一信号来命令追踪-调整功能块200允许功能块66继续操作、改变调整参数等或进行在例行程序102、104和106中所规定的其它功能。
在完成AI功能块66时，追踪-调整功能块200可通过在AI功能块66在总线34上公布其数据从而产生单步功能前把AI功能块66重新置于中断模式来停止回路的操作。再者，此时，可由追踪-调整功能块200把相关装置或功能块数据发送到主机。当然，可把该数据存储在进行过程控制功能的功能块66、64或64中或者存储在追踪-调整功能块200中。
在用户指示过程控制例行程序应继续后，追踪-调整功能块200把AI功能块66的模式重新变回正常模式，这样使得AI功能块66继续执行或把其数据向PID功能块64公布，这样功能块64可开始操作。在此期间，追踪-调整功能块202与PID功能块64和AO功能块63相接，以确定是否到达任何断点、单步或调整停止位置，如果是这样，则改变适当功能块64或63的模式，从而停止该过程的操作，继而在发生中断的功能块的功能块上游中引起模式脱离。类似于追踪-调整功能块200，追踪-调整功能块202检测在执行功能块64和63期间或之后断点、单步停止点或调整停止点的发生，从而可操作例行程序102、104或106中的任一个。
这样，追踪-调整功能块200和202可控制控制回路的任一个功能块的算法代码内的以及控制回路的任意两个功能块之间的断点或停止点，诸如就在一功能块把其数据在总线34上公布之时或之后或任何装置的操作开始之时或之后。同样，在到达断点或其它停止点时，追踪-调整功能块200和202可把已转向的或其它被请求的数据发送到主机装置。此外，追踪-调整功能块200和202通过改变与回路相连的装置的模式来停止和开始回路的执行。在被用于调整例行程序中时，追踪-调整功能块200或202可使相连的功能块转向或收集适当的调整数据，可观察该数据或把该数据存储在与此追踪-调整功能块相连的存储器中，并可把该数据发送到调整器或主机装置以用于显示给用户和/或计算诸如PID增益等新的调整参数。同样，与例如块64等PID功能块相连的追踪-调整功能块可把新的调整参数存储在位于PID功能块64中的适当存储器内，并允许过程回路继续或开始。
当然，在断点、单步或调整例行程序开始时，必须对追踪-调整功能块200、202等进行初始化，以保证它们操作来适当地控制控制回路内的每个功能块。可把追踪-调整功能块200和202设定为在其正常操作期间不干扰过程控制回路，而只在启动调试或调整过程时才停止该回路的操作。
为了收集属于一功能块、装置或控制回路的数据并把它发送到用户，追踪-调整功能块200和202可使数据转向或可让其所控制的功能块把数据转向，并可把转向的数据提供给主机以在识别断点或停止点处的过程条件时使用，或在执行了一过程控制回路的任何特定回路后识别新的调整参数。
当然，在必要时，可把实行诸如断点、单步点和调整点等追踪-调整功能块或追踪-调整功能的其它方法用作过程控制网络中的所需方法，以控制过程控制回路内每个功能块或装置的独立操作，从而使得位于预定或所需位置处的功能块的停止和启动程式化和专门化，以调试和调整过程控制网络。
虽然在这里已描述了在进行调试和调整过程中使用功能块200和202或使用包括连接在一简单控制回路结构中的AO功能块、AI功能块和PID功能块的回路，但本发明的追踪-调整功能块和其它调试和调整例行程序可与所需的其它功能块和其它控制功能块相结合，且可以具有不同于这里所示结构的控制回路来实现。此外，功能块200和202的操作可通过一装置内与该装置的功能块相连的软件而非Fieldbus“功能块”来实现。然而，有利的是，使用功能块方便了调试或调整模式期间总线上的通信。
此外，虽然这里所描述的调试和调整能力由Fieldbus“功能块”所使用和进行,但注意，可使用与其它类型的控制系统和/或通信协议相关的其它类型的块、程序、硬件、固件等来实现本发明的调试和调整能力。事实上，虽然Feldbus协议已使用术语“功能块”来描述能进行过程控制功能的特定类型的实体，但注意这里所使用的术语功能块不是限制性的，它包括任何类型的装置、程序、例行程序或其它能以各种方式在过程控制网络内的分布位置处进行过程控制功能的实本。这样，可以其它过程控制网络或使用其它过程控制通信协议或方案(它们可以是现有的或将来开发的)来实现这里所描述的调试和调整功能块或例行程序，这些网络或协议不使用被Fieldbus协议严格定义为“功能块”的东西，只要这些网络或协议使得或允许控制功能在过程内的分布位置处进行。
此外，虽然这里所描述的调试和调整功能和功能块用于调试和调整包括定位器/阀门装置的控制回路，但注意这些功能和功能块可用于对使用诸如具有类似于增湿器、风扇等可移动元件的其它类型装置进行调试和调整。
此外，虽然这里所述的调试和调整功能块最好以存储在一个或多个过程控制装置中的软件来实现，但或者它们也可以所需的硬件、或固件来实现。如果以软件来实现，则可把本发明的调试和调整功能存储在任何计算机可读存储器中，诸如存储在磁盘、光盘或其它存储介质上，或存储在装置的RAM或ROM中等。同样，可通过任何公知或所需的传递方法把该软件传递给用户或装置，这些方法包括例如经由诸如电话线等通信信道、因特网等。
因此，虽然已参考特例对本发明进行了描述，但这些特例只是示意性的而非对本发明的限制，本领域内普通技术人员应理解可对所揭示的实施例作修改和增删，而不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1．一种在调试或调整过程控制网络中所使用的系统，所述网络具有以经由总线在通信上链接的多个现场装置来实行的分布式控制功能，其特征在于每个现场装置能进行一个或多个过程控制功能和一个或多个通信功能，所述系统包括过程控制操作调度器，它排定由多个装置所进行的每一个过程控制功能和通信功能的执行，以定义一过程控制方案；指示器，它指示由多个现场装置中的一个所实行的过程控制方案的位置，当过程控制方处于调试/调整模式时将在所述位置中断该过程控制方案；以及控制器，它在到达所指示的流程位置且过程控制方案处于调试/调整模式时在所指示的流程位置处停止过程控制方案的执行。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于调度器通过把通信使能报文发送到多个现场装置来控制经由总线的通信，控制器被耦合到调度器以防止调度器在过程控制方案处在所指示的过程控制方案位置时把通信使能报文发送到现场装置，从而中断该过程控制方案。
3．如权利要求1所述的系统，其特征在于控制器还包括接收来自在通信上连到总线的主机装置的指令的通信装置以及响应于主机装置处的用户输入而使过程控制方案继续操作的装置。
4．如权利要求3所述的系统，其特征在于通信装置包括用于在过程控制方案被中断时检索属于过程状态的过程控制数据的装置以及把检索的过程控制数据发送到主机装置以显示给用户的装置。
5．如权利要求3所述的系统，其特征在于指示器指示过程控制方案中的有条件断点，所述指示器包括用于存储与有条件断点相关的条件的装置以及在到达过程控制方案内的有条件断点时确定是否满足与有条件断点相关的条件的装置。
6．如权利要求3所述的系统，其特征在于指示器指示过程控制方案中的多个单步停止点。
7．如权利要求3所述的系统，其特征在于指示器指示过程控制方案内的调整停止点，且所述系统还包括用于存储在所述过程控制方案被中断前产生的相对于一过程参数的过程数据的装置、根据所存储的过程数据来确定该过程控制网络的过程调整参数的调整器以及用于把过程调整参数传送到一个或多个现场装置的装置。
8．如权利要求7所述的系统，其特征在于过程调整参数为增益。
9．如权利要求1所述的系统，其特征在于指示器如此指示一个或多个现场装置，从而当排定在过程控制方案内操作多个现场装置中的一个时中断该过程控制方案。
10．如权利要求1所述的系统，其特征在于指示器指示多个现场装置中一个现场装置的一个功能内的指令地址，以在过程控制方案中实行该指令地址时中断此过程控制方案。
11．如权利要求1所述的系统，其特征在于指示器指示多个现场装置中所述一个现场装置的一个功能，以在过程控制方案中由多个现场装置中的所述一个现场装置来实行该功能时中断此过程控制方案。
12．如权利要求1所述的系统，其特征在于控制器包括至少位于多个现场装置中的所述一个现场装置中的装置，所述装置用以在所指示的位置与多个现场装置中所述一个现场装置的操作相关连时中断由多个现场装置中所述一个现场装置所进行的功能的操作。
13．如权利要求1所述的系统，其特征在于控制器包括位于多个现场装置中每一个现场装置中的中断装置，每个中断装置在所指示的位置与一相关现场装置的操作相关连时中断由该相关现场装置所进行的功能的操作。
14．一种调试或调整过程控制网络的方法，所述网络具有以经由总线在通信上链接的多个现场装置来实行的分布式控制功能，其特征在于每个现场装置能进行一个或多个过程控制功能和一个或多个通信功能，所述方法包括排定过程控制功能和通信功能的执行顺序，以定义一过程控制方案；标志与过程控制功能或通信功能相关的一个或多个过程控制方案位置，所述过程控制方案在所述位置处被中断；运行此过程控制方案；检测多个现场装置中的任一个在什么时候实行构成为一个所标志的过程控制方案位置的控制功能或通信功能；在所述一个所标志的过程控制方案位置处中断过程控制方案的执行；等待用户指示应继续执行过程控制方案；以及在接收到应继续执行过程控制方案的用户指示时，在所述有关所标志的位置处开始过程控制方案。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于运行过程控制方案的步骤包括在不同的时间把通信使能报文发送到多个现场装置中的不同装置的步骤，中断过程控制方案的执行的步骤包括中止发送通信使能报文的步骤直至接收到用户指示的步骤。
16．如权利要求14所述的方法，其特征在于还包括当过程控制方案被中断时检索属于过程状态的过程数据的步骤以及经由总线把检索的过程数据发送到主机以显示给用户的步骤。
17．如权利要求14所述的方法，其特征在于标志步骤包括把一个过程控制方案位置标志为有条件断点的步骤以及存储与所述有条件断点相关的条件的步骤，且中断步骤包括当过程控制方案到达有条件断点时确定是否满足与有条件断点相关的条件的步骤以及在不满足所述条件时自动继续该过程控制方案的步骤。
18．如权利要求14所述的方法，其特征在于标志步骤包括把多个过程控制方案位置标志为单步停止点的步骤。
19．如权利要求14所述的方法，其特征在于标志步骤包括把一个或多个过程控制方案位置标志为过程控制方案内的过程控制调整停止点的步骤，所述方法还包括在过程控制方案被中断前检索与来自多个现场装置中一个现场装置的过程参数相关的过程数据、使用所存储的过程数据确定所述过程控制网络的过程调整参数以及把所述过程调整参数传送到多个现场装置中的另一个现场装置的步骤。
20．一种在过程控制网络中所使用的过程控制装置，所述网络具有以在通信上耦合到总线的多个现场装置来实行的分布式控制功能，其特征在于每个现场装置包括能在过程控制网络内进行输入功能、输出功能或控制功能以及能在总线上通信的一个或多个功能块，所述过程控制装置包括第一功能块，它实行一过程功能来进行一部分过程控制方案；存储器，它存储与第一功能块或所述装置相关的过程控制方案内一点的指示；以及在通信上耦合到第一功能块的追踪-调整功能块，它包括用于控制过程控制装置在所述过程控制方案到达所指示的点时中断过程控制方案的装置。
21．如权利要求20所述的装置，其特征在于第一功能块包括进行所述过程功能的算法以及在执行所述算法后经由所述总线通信的软件，所述指示表示执行第一功能块的算法之前或之后的点。
22．如权利要求20所述的装置，其特征在于第一功能块包括进行所述过程功能的一组指令，所指示的点与该组指令中的一个指令相关，当第一功能块到达该组指令中所指示的一个指令时追踪-调整功能块的控制装置停止第一功能块的操作。
23．如权利要求20所述的装置，其特征在于追踪-调整功能块包括响应于用户用以在所指示的点处重新开始执行过程控制方案的装置。
24．如权利要求20所述的装置，其特征在于追踪-调整功能块包括在中断执行过程控制方案时经由总线传送来自过程控制装置的过程数据的装置。
25．如权利要求20所述的装置，其特征在于追踪-调整功能块还包括用于指示在所指示的点处必须满足的条件的装置、用于确定在所指示的点处是否满足所述条件的装置以及在所指示的点处满足所述条件时停止执行所述过程控制方案的装置。
26．如权利要求20所述的装置，其特征在于追踪-调整功能块包括当过程控制方案到达所指示的点时改变第一功能块的模式的装置。
27．如权利要求20所述的装置，其特征在于追踪-调整功能块包括在过程控制方案的操作期间存储与一过程参数相关的数据的装置以及在所述过程控制方案到达所指示的点时经由总线传送所存储的数据的装置。
28．如权利要求20所述的装置，其特征在于追踪-调整功能块包括在过程控制方案到达所指示的点时经由总线传送来自第一功能块的过程数据的装置。
全文摘要
一种在调试或调整过程控制网络中所使用的系统,该网络具有以经由总线在通信上链接的一组现场装置来实行的分布式控制功能,该系统包括:操作调度器,它排定由多个装置所进行的每一个过程控制功能和通信功能的执行,以定义一过程控制方案;指示器,它指示一个或多个过程控制方案位置,将在该位置自动或有条件地中断该过程控制方案,从而能对过程控制网络进行调试和/或调整。控制器在所指示的流程位置处中断过程控制方案的执行,把过程数据传送到用户以把该过程的当前或过去的状态显示给用户,以及在继续操作过程控制方案前等待用户的输入。在调整模式下,控制器把属于一过程参数的数据传递到调整装置或用户,它们根据该过程参数数据来确定将在过程控制方案中所使用的诸如增益等新的调整参数。
文档编号G05B19/418GK1232557SQ97198545
公开日1999年10月20日 申请日期1997年9月26日 优先权日1996年10月4日
发明者B·H·拉森, H·A·伯恩斯, L·K·布朗 申请人:费希尔控制国际公司