TWI483584B - 分配式監視及控制流體處理系統 - Google Patents

Description

分配式監視及控制流體處理系統

本發明係關於分配式監視及控制流體處理系統。

傳統之流體處理系統已對於每一產品利用為特定目的建造的控制器，其甚至對於類似之產品依次需要相當之工程量。

本發明針對將一流體處理控制系統分成模組式、智慧類型組件之網路，以便改善系統性能(例如能力、彈性、可靠性、維護)及減少長期之研製工作。

一流體處理控制/監視系統被分成模組式、智慧類型組件之網路。這些個別之組件大致上係該系統內之某一功能所特有的，且包含所有施行該功能所需要之智能資訊，而沒有外部之導引。不同類型之組件的範例包括、但不限於：人機介面(HMI)、流體控制、加熱器控制、馬達控制、現場匯流排通訊與類似者等。雖然每一類型之電路板的功能被專門化，其可控制相同本質之數個項目。例如，一加熱器控制可為能夠控制在一系統上之數個加熱器。類似地，一流體電路板可具有由超過一個之流量計接收輸入與接著控制超過一點的流體流動之能力。一範例可為一複數成分之計量及配給系統，其中兩個流體成分必需以精密 之混合比率而組合。

如此，所有高速控制發生在該電路板上，且在該網路上方僅只施行較低速之功能。於此一複數成分系統中，該操作員可在該HMI模組上設定一想要之混合比率(2：1等)。該實際控制係被該流體控制模組所“支配”，故該流體控制模組將採取該想要之比率設定點，且意圖對該想要之結果控制該實際比率。該流體控制模組可具有若干其所支配之其他變數，以及諸如成分A之流速、成分B之流速、與其他潛在有用之資料片段。那些變數之一或多個可被廣播供該網路中之其他模組使用，但此廣播典型係在一低速(例如每秒一次)之基礎上做成。

組件可被實體地分配遍及該整個系統，以致該等組件係實體地接近它們所監視及/或控制的系統的部分。透過單一、標準化纜線組件來傳遞實體地分開之組件間之電力及通訊。感測器及作動器典型係使用預先製成之纜線組件連接至該等組件。

模組式、彈性系統組構允許用於未來之擴充。新的特色可被輕易地加至一系統，而不會影響該現存之系統。分配式智慧允許用於局部化之監視及控制，這導致較短、更可靠之感測器及作動器纜線佈設。大致上亦經過使用預先佈線之連接器組件消除點對點之佈線，其使不適當或鬆開之連接的可能性減至最小。可重複使用的組件顯著地減少在長期上之研製工作。以單獨功能為基礎之組件典型係比單一、多功能控制器較不複雜。此減少之複雜性大致上轉 變成較易於維護的更堅固及可靠之組件。

分配式智慧及控制允許用於改善之系統可靠性。該系統可為能夠在能力降低下持續操作，縱使該系統的一部份已經故障。以分開功能為基礎之組件允許用於較容易及更快之現場故障排除及維護。如果該系統的一部份已經故障，其多半可能為該成因可被輕易地區分成一特定之功能塊件。一個別之故障的組件能被替換，而不需要拆解及重做該整個系統。

一堅固之通訊匯流排及訊息協定被使用於分配式監視及控制系統中。其係意指關於系統擴充非常有彈性。該訊息機制亦被保持非常地簡單，使得能以最小之軟體及處理資源施行該協定。

於該較佳具體實施例中，該實體通訊層係基於該CAN(控制器區域網路)高速標準(國際標準局11898-2)在125千赫下操作，使終端電阻分配在遍及該系統之諸個別組件內。高達64個節點能被連接至通訊匯流排。每一組件大致上具有用於菊環式佈線佈局的對偶之通訊匯流排連接器(非交換(Pass-thru)連接)。

在一系統內之每一組件被給與唯一之組構ID。此組構ID包括三個元素：組件ID、應用軟體ID、及目的ID。組件ID對於每一(硬體)組件係唯一的。應用軟體ID對於該最終產品軟體開發係唯一的。目的ID被用作具有相同之組件ID及應用軟體ID的二或更多組件間之最後微分器。

在該系統內之每一組件傳送由其唯一的組構ID所組成之周期性中心訊息。此中心資訊被使用於維持一系統內之個別組件的系統映射。掉落/丟失的節點可藉由注意到一先前偵測之節點已無法在預定的時間量內廣播中心訊息而被偵測。

該資料通訊機制係基於針對整個系統、分配式記憶體映像之觀念。此記憶體結構內之個別元件被稱為分配式變數(Distributed Variables)。此機制之所有功能性係經過兩種不同類型之訊息處理：即廣播訊息及設定點請求訊息。它們兩者包含兩段資訊：即該針對整個系統之記憶體映像內的分配式變數之位址、及一用於該分配式變數之值。每一分配式變數的資料內容係於產品開發期間所決定，且能代表任何類型之資訊，包括、但不限於：壓力、溫度、流速、速率、時間、日期、文字串、字元字串等。

廣播訊息被用於對一系統內之所有組件通知一分配式變數之實際、現值。可選擇個別之組件，以視該特定之分配式變數是否與其自身的操作有關而定接受或忽視此訊息。大致上，該系統內之個別的組件將維持所有有關分配式變數的一本地複製，且在承接一有關之廣播訊息時，將由該訊息傳送該值至其本地資料儲存。

設定點請求訊息被用於請求一分配式變數的值中之變化。一組件可選擇來藉由登錄那些變數之“所有權”認知此類型用於特定之分配式變數的訊息。在登錄一分配式變數的所有權之後，該組件能以任何數目之方式對設定點請 求訊息起反應。譬如，其能盲目地接受或拒絕所有變化請求。另一選擇係，其能在接受該變化請求之前對照著可接受值的一範圍驗證該請求值。在已藉由所有人處理一變化請求之後，其可選擇回應以廣播訊息，而將新的值通知該系統之其餘部份(或假如該請求被拒絕，重覆該先前之值)。

本發明之這些及其他目的與優點將由會同所附圖面作成之以下敘述更充分地顯現，其中遍及該等數個視圖的類似元件符號意指相同或類似之零件。

本發明針對將一流體處理控制系統分成模組式、智慧型組件之網路，以便改善系統性能(例如能力、彈性、可靠性、維護)及減少長期之研製工作。

一流體處理控制/監視系統被分成模組式、智慧型組件之網路。這些個別之組件大致上係該系統內之某一功能所特有的，且包含所有施行該功能所需要之智能資訊，而沒有外部之導引。不同類型之組件的範例包括、但不限於：人機介面(HMI)、流體控制、加熱器控制、馬達控制、現場匯流排通訊與類似者等。雖然每一類型之電路板的功能被專門化，其可控制相同本質之數個項目。例如，一加熱器控制可為能夠控制在一系統上之數個加熱器。類似地，一流體電路板可具有由超過一個之流量計接收輸入與接著控制超過一點的流體流動之能力。一範例可為一複 數成分之計量及配給系統，其中兩個流體成分必需以精密之混合比率而組合。

如此，所有高速控制發生在該電路板上，且在該網路上方僅只施行較低速之功能。於此一複數組件系統中，該操作員可在該HMI模組上設定一想要之混合比率(2：1等)。該實際控制係被該流體控制模組所“支配”，故該流體控制模組將採取該想要之比率設定點，且意圖對該想要之結果控制該實際比率。該流體控制模組可具有若干其所支配之其他變數，以及諸如成分A之流速、成分B之流速、與其他潛在有用之資料片段。那些變數之一或多個可被廣播供該網路中之其他模組使用，但此廣播典型係在一低速(例如每秒一次)之基礎上做成。

一典型之多模組系統10係顯示在圖1中，且由一人機介面(HMI)模組12、一流體控制模組14、及一加熱器控制模組16所構成，所有模組連接至一控制器區域網路(CAN)匯流排18。該HMI模組12可具有設施，用於為一複數成分系統隨著一想要之混合比率設定待控制之各種區域的想要之溫度。其亦可具有設施，以具有待控制之實際值的讀數。該等設定點係在該網路上廣播及藉由該適當之ID模組所承接及作用。例如，用於成分A之加熱器係想要為在攝氏100度，故加熱器控制模組16意圖控制至該位準及在該網路上方廣播該實際值，藉此該HMI模組12可將其顯示至該操作員。注意各種模組能遠遠地分開，例如：加熱器控制模組16位於流體儲存區域中、流 體控制模組14靠近應用點、及HMI模組12位於控制室中。

然而用於更複雜之系統，多數模組將被使用，用於某些應用，獨立的模組(本地控制監視器)能與該網路能力被有效地利用，該網路能力主要地係使用於監視及文獻保存。此等本地控制監視器之範例可為一幫浦控制器，其具有監視所泵吸之流體量(藉由計數衝程)的作用以及監視可能之漏失。一模組亦可被使用於批次控制，亦即，配給一想要之材料數量。此一模組將具有一隨著簡單之顯示而輸入該想要的配給體積之簡單方法。該等想要及實際體積將亦被廣播供在別處使用。其他本地控制監視器之範例包括體積驗證、比率監視、儲槽位準監視器(單一儲槽連續類比式位準感測與斷續式位準感測)、用於RIM(反應射出成型)及用於精確閥門配給之配給控制。

模組式、彈性系統組構允許供未來之擴充。新的特色可被輕易地加至一系統，而不會影響該現存之系統。分配式智慧允許用於局部化監視及控制，這導致較短、更可靠之感測器及作動器纜線佈設。大致上亦經過使用預先佈線之連接器組件消除點對點之佈線，其使不適當或鬆開之連接的可能性減至最小。可重複使用的組件顯著地減少在長時期上之研製工作。以單獨功能為基礎之組件典型係比單一、多功能控制器較不複雜。此減少之複雜性大致上轉變成較易於維護的更堅固及可靠之組件。

分配式智慧及控制允許用於改善之系統可靠性。該系 統可為能夠在能力降低下持續操作，縱使該系統的一部份已經故障。以分開功能為基礎之組件允許用於較容易及更快之現場故障排除及維護。如果該系統的一部份已經故障，其多半可能為該成因可被輕易地區分成一特定之功能塊件。一個別之故障的組件能被替換，而不需要拆解及重做該整個系統。

一堅固之通訊匯流排及訊息協定被使用於分配式監視及控制系統中。其係意指相對於系統擴充非常有彈性。該訊息機制亦被保持非常地簡單，使得能以最小之軟體及處理資源施行該協定。

於該較佳具體實施例中，該實體通訊層係基於該CAN(控制器區域網路)高速標準(國際標準局11898-2)在125千赫下操作，使終端電阻分配在遍及該系統之諸個別組件內。高達64個節點能被連接至通訊匯流排。每一組件大致上具有用於菊環式佈線佈局的對偶之通訊匯流排連接器(非交換連接)。當然其他網路類型能被利用，諸如使用乙太網路、WiFi等之TCP/IP。

在一系統內之每一組件被給與唯一之組構ID。此組構ID包括三個元素：組件ID、應用軟體ID、及目的ID。組件ID對於每一(硬體)組件係唯一的。應用軟體ID對於最終產品軟體開發係唯一的。目的ID被用作具有相同之組件ID及應用軟體ID的二或更多組件間之最後微分器。

在該系統內之每一組件傳送由其唯一的組構ID所組 成之周期性中心訊息。此中心資訊被使用於維持一系統內之個別組件的系統映射。掉落/丟失的節點可藉由注意到一先前偵測之節點已無法在預定的時間量內廣播中心訊息而被偵測。

該資料通訊機制係基於針對整個系統、分配式記憶體映像之觀念。此記憶體結構內之個別元件被稱為分配式變數。此機制之所有功能性係經過兩種不同類型之訊息處理：即廣播訊息與設定點請求訊息。它們兩者包含兩段資訊：即該針對整個系統之記憶體映像內的分配式變數之位址、及一用於該分配式變數之值。每一分配式變數的資料內容係於產品開發期間所決定，且能代表任何類型之資訊，包括、但不限於：壓力、溫度、流速、速率、時間、日期、文字串、字元字串等。

廣播訊息被用於對一系統內之所有組件通知一分配式變數之實際、現值。可選擇個別之組件，以視該特定之分配式變數是否與其自身的操作有關而定接受或忽視此訊息。大致上，該系統內之個別的組件將維持所有有關分配式變數的一本地複製，且在承接一有關之廣播訊息時，將傳送來自該訊息之值至其本地資料儲存。

設定點請求訊息被用於請求一分配式變數的值中之變化。一組件可選擇來藉由登錄那些變數之“所有權”認知此類型用於特定之分配式變數的訊息。在登錄一分配式變數的所有權之後，該組件能以任何數目之方式對設定點請求訊息起反應。譬如，其能盲目地接受或拒絕所有變化請 求。另一選擇係，其能在接受該變化請求之前對照著可接受值的一範圍驗證該請求值。在已藉由所有人處理一變化請求之後，其可選擇以廣播訊息回應，而將新的值通知該系統之其餘部份(或假如該請求被拒絕，重覆該先前之值)。

其已仔細考慮可對該監視及控制系統作成各種變化及修改，而不會脫離本發明之精神及範圍，如藉由以下之申請專利範圍所界定者。

10‧‧‧多模組系統

12‧‧‧人機介面模組

14‧‧‧流體控制模組

16‧‧‧加熱器控制模組

18‧‧‧控制器區域網路匯流排

圖1係一具有HMI、流體控制、及加熱器模組的多模組系統之概要圖。

Claims (11)

1. 一種流體監視及控制系統，包含由複數個模組式組件構成之網路，該複數個模組式組件具有不同功能及全系統分配式記憶體，該全系統分配式記憶體儲存分配式變數，其中每一模組式組件不需外部引導下執行該模組式組件的各別功能，以及其中至少一個第一模組式組件包含：用於測量待控制之變數的裝置；用於控制該待控制之變數的裝置；及用於在該網路上廣播該受控制之變數的值的裝置，其中該流體監視及控制系統使用廣播訊息來通知在分配式變數的現行值之該系統內之所有該模組式組件，該廣播訊息包含在該全系統分配式記憶體內之該分配式變數的位址以及該分配式變數的值；以及其中該流體監視及控制系統使用設定點請求訊息來請求分配式變數的值的改變，該設定點請求訊息包含在該全系統分配式記憶體內之該分配式變數的位址以及該分配式變數的值。
2. 如申請專利範圍第1項之流體監視及控制系統，其中該模組式組件控制相同本質之數個項目。
3. 如申請專利範圍第1項之流體監視及控制系統，其中該至少一個第一模組式組件為流體控制模組，該系統進一步包含介面模組作為第二模組式組件及加熱器控制模組作為第三模組式組件，該第一模組式組件、該第二模組式組件及該第三模組式組件全部連接至匯流排。
4. 如申請專利範圍第1項之流體監視及控制系統，另包含至少一個介面模組，其包含用於顯示至少一個該受控制之變數的裝置。
5. 如申請專利範圍第3項之流體監視及控制系統，另包括用於輸入待控制變數用之設定點的裝置。
6. 如申請專利範圍第3項之流體監視及控制系統，其中至少一個模組式組件為獨立的模組，其包含用於在該網路上廣播受監視之變數的值的裝置。
7. 如申請專利範圍第6項之流體監視及控制系統，其中該獨立的模組是幫浦控制器、批次控制器、體積驗證監視器、比率監視器、儲槽位準監視器以及配給控制監視器其中一者。
8. 如申請專利範圍第1項之流體監視及控制系統，其中每一該組件包括一唯一之組構ID。
9. 如申請專利範圍第8項之流體監視及控制系統，其中每一組構ID包括一組件ID、一應用軟體ID、及一目的ID。
10. 如申請專利範圍第8項之流體監視及控制系統，其中每一模組式組件傳送周期性中心訊息，該周期性中心訊息包含該模組式組件之該唯一之組構ID。
11. 如申請專利範圍第3項之流體監視及控制系統，其中該分配式變數包含壓力、溫度、流速、速率、時間及日期資訊其中至少一者。