控制器应用程序模块协调器
技术领域
所公开的实施方案涉及用于网络控制系统的控制器。
背景技术
在常规网络控制系统的部署中，托管控制功能并负责相关控制计算(诸如比例积分微分(PID)控制计算)的实体通常是嵌入式计算机设备/平台，通常被描述为过程“控制器”。每个控制器包括计算硬件，其通常包括至少一个处理器或具有相关联存储器的其他计算设备，诸如为嵌入式控制器。本文中所谓的“控制器平台”包括一个控制器或在冗余控制器的情况下包括一对控制器，其中控制器平台在其存储器中托管控制软件“应用程序模块”，诸如由霍尼韦尔国际公司(Honeywell International Inc.)销售的可商购获得的EXPERION控制执行环境(CEE)，在下文中总称为应用程序模块(AM)。每个“控制器平台”通过工厂级网络与至少一个服务器进行较高级别通信，并且通常通过I/O网络，然后与I/O设备，然后与控制工厂中的处理装置的一部分的传感器和致动器进行较低级别通信。
为了确保高级别的控制系统可用性，通常以提供硬件冗余的方案部署网络控制系统中的控制器，具体地讲为部署以进行一者的工作的2个控制器平台，或者更具体地讲为主动执行控制任务的“主”控制器，以及处于待命、如果主控制器出现故障则准备承担控制任务的“备用”控制器。因此，传统的高可用性控制系统冗余针对每个控制器平台使用主控制器以及备用控制器，控制器平台在最简单的非冗余控制系统情况下由单个控制器组成。
当冗余控制器对控制器平台中的主控制器发生故障时，将继续使用备用控制器进行非冗余操作，直到对主控制器进行维修或更换以恢复控制器平台中的控制器冗余。常规上，AM与控制器平台以1∶1的比率进行部署。这意味着每个控制器平台(无论是否冗余)始终仅托管一个AM。
图1示出了常规网络控制系统100，在网络控制系统100中AM与控制器平台处于1∶1比率，该网络控制系统示出了3个控制器平台，控制器平台110和120具有冗余控制器，每个控制器平台分别具有控制器对111、112和121、122，并且一个控制器130为单个(非冗余)控制器。每个控制器包括计算硬件171和相关联存储器172。专用(固定)AM被存储(驻留)在控制器平台中的每一个的相应存储器172中的一个中，被示为提供AM的控制器111的存储器172中的AM 141，以及提供用于主控制器121的AM和用于冗余控制器122的备用AM的与AM141类似的AM 142，以及提供用于控制器130的AM(其可以是仅用于主控制器的AM，或者用于主控制器的AM和用于冗余控制器的备用AM)的AM 143。
控制器平台110、120、130各自被示为通过输入/输出(I/O)网格网络140耦接以用于控制处理装置160的被示为通过现场I/O设备145耦接的一部分，该现场I/O设备包括传感器和致动器150。还示出了控制器平台与一个或多个服务器180和至少一个人机接口(HMI)185之间的工厂级网络170(例如，以太网网络)。
当被示为冗余控制器110和冗余控制器120的冗余控制器如图1所示的那样配置时，主控制器和备用控制器可以在禁用主控制器时改变作用，其中备用控制器成为主控制器，使得控制器平台的专用AM可以支持不同控制器。然而，专用AM(诸如图1所示的AM 141和AM 142)总是仅支持固定对的控制器(图1所示的主控制器111和次级控制器112)。
发明内容
提供本发明内容以介绍简化形式的公开概念的简要选择，其在下文包括附图的具体实施方式中被进一步描述。该发明内容不旨在限制所要求保护的主题的范围。
所公开的实施方案认识到其中AM与控制器平台以专用(或固定)1∶1比率部署(诸如图1所示的常规网络控制系统100中)的常规网络控制系统缺乏灵活性并且在部署AM方面具有其他显著的限制问题。所公开的控制器应用程序模块协调器(CAMO)在设备或装置(在此为控制器平台)与作为由CAMO动态部署的软件资源的AM之间的数字关系上提供了灵活性，诸如以比率1∶1、1∶N、N∶N，其中N＞1。
本公开通过较新网络控制系统设计、现代信息技术(IT)概念(诸如虚拟化和容器化)、以及对与可用控制技术部署相关的那些技术的特定设计适应认识到，与常规上总是与控制器平台以1∶1固定相比，可能以更灵活的方式将AM部署到控制器平台。具体地讲，使用所公开的CAMO，AM可用作AM池，该AM池由CAMO控制以便能够以非1∶1的方式自动部署到控制器平台。主AM部署灵活性提供了网络控制系统优点，其包括允许多个AM在一个控制器平台上运行以使得用户在其扩展控制系统时不必总是需要添加硬件。此外，鉴于AM通常需要在冗余平台上运行，所公开的AM部署提供了有关AM在哪些控制器平台上运行的灵活性。相对于连续运行的工厂的预期寿命，这可能是显著优势，可能需要向一组固定控制器平台上的一组退出/运行的AM添加附加的AM，并且为了托管一个或多个新AM，需要重新平衡现有的一组AM以更好地将负载分配在现有控制器平台的可用处理和存储器资源上。
所公开的方面包括工业处理设施(IPF)内的网络控制系统，该网络控制系统包括通过专用路径冗余网络彼此耦接从而提供控制器池的多个控制器平台，每个控制器平台具有包括计算硬件和存储器的至少一个控制器。应用程序模块(AM)池包括多个AM，其中控制器平台通过I/O网格网络耦接到与现场设备耦接的I/O设备，这些现场设备耦接到IPF中的处理装置。耦接到工厂级网络的控制应用程序模块协调器(CAMO)用于将AM动态部署到控制器平台，其中CAMO接收关于控制器平台的资源消耗属性数据，控制器平台包括存储器中的可用存储和可用于计算机硬件的处理资源的池。基于资源消耗属性，至少部分地自动将多个AM部署到控制器平台。
附图说明
图1描绘了其中AM与控制器平台以专用1∶1方式配置的常规网络控制系统，其示出3个控制器平台和3个(相同数量的)AM。
图2描绘了根据示例性实施方案的实现所公开的CAMO的示例性网络控制系统，其中AM由CAMO灵活地部署(包括除了以与控制器平台成1∶1之外的方式部署)，其示出具有较小数量的AM的多个控制器平台。
具体实施方式
参考附图描述了公开的实施方案，其中在所有附图中使用相同的附图标号来表示类似或等同元件。附图未按比例绘制，并且其仅提供用于说明某些公开的方面。下面参考用于说明的示例性应用来描述若干公开的方面。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开实施方案的完全理解。
如本文中所使用的，工业过程设施包括现场设备和处理装置，其运行运行涉及所公开的实施方案适用的有形材料的工业过程。例如，油和天然气、化学、饮料、制药、纸浆和造纸、石油工艺、电气和水。工业过程设施不同于仅执行数据操纵的数据处理系统。
所公开的实施方案的使能方面是I/O网格网络。I/O网格是I/O网络配置，其中不是经由物理专用链路将I/O绑定到一个特定过程控制器，而是在通道级别将I/O网格划分到一组控制器中的所有控制器，使得该组控制器中的任何一个过程控制器可以具有灵活的工作负载分配，从而能够对I/O网格网络中的输入和输出进行操作。I/O网格网络实现灵活的冗余方案。简而言之，I/O网格网络是共享I/O网络，其中多个控制器以及多个I/O模块和设备驻留在相同网络上，使得可以在过程控制器之间共享I/O资源。
图2描绘了示例性网络控制系统200，该示例性网络控制系统包括第一池化控制器平台210和第二池化控制器平台260，其中网络控制系统200包括所公开的CAMO240，该CAMO用于灵活地部署被示为分别可用于相应的控制器平台池210和260的AM池231和AM池232的AM(包括动态部署)。相应池化控制器平台210和260中的控制器被示为通过第一专用路径冗余网络225和第二专用路径冗余网络235彼此耦接，每个冗余网络具有足够的速度以进行时间同步，从而用于提供被示为第一池化控制器平台210和第二池化控制器平台260的控制器池。尽管被示为具有2个池化控制器平台210、260，但所公开的布置可以应用于单个池化控制器平台或者三个或更多个池化控制器平台。冗余网络225、235提供用于控制器池协调和数据流量同步的通信路径。例如，为了使控制器平台中的主AM和备用AM保持同步，主AM需要在其运行时向备用AM发送状态数据，使得备用AM准确地“知道”在需要时随时可以取代主AM的过程的状态。
控制器平台池210被示为包括控制器，其包括全部可以是为特定目的构建的嵌入式硬件平台的控制器211、控制器212和控制器N(被示为控制器213)，以及任选地被示为包括商用现货(COTS)计算平台的控制器218和控制器219。类似地，控制器平台池260包括控制器261、控制器262和控制器N(被示为控制器263)。控制器各自包括具有相关联存储器172的计算硬件171。
网络控制系统200中的AM池被示为与第一池化控制器平台210相关联的第一AM池231以及与第二池化控制器平台260相关联的第二AM池232。被示为170的工厂级网络(诸如以太网网络)将相应控制器池210和260、CAMO 240、以及AM池231和232中的控制器耦接在一起。
CAMO 240被配置将AM池231、232中的每一个中的AM动态部署到其相应控制器池210、260中的计算平台。CAMO 240通常接收输入以监测工厂拓扑以及计算硬件和存储器资源，并且在控制器故障的情况下，CAMO 240自动地或通过任选的用户交互可以执行以下功能：诸如在池化控制器平台上恢复新备用AM，在池化控制器平台上恢复冗余备用控制器。CAMO 240可以提供其他责任，诸如在部署新AM时向用户提供信息以允许用户决定AM默认在哪里运行，或者允许CAMO 240做出该决定。
CAMO 240可以存储在网络控制系统200中的任何存储器中，包括具有在图2中示为CAMO 240a和CAMO 240b的控制器池210、260内的CAMO的部分以及在控制器池外的被示为CAMO 240的部分的分布式布置。另选地，CAMO可以与服务器180一起存储在服务器级别或者甚至存储在云中。
AM 231和232通常包括用于控制软件应用程序的软件“容器”。AM的控制软件应用程序可以是内部开发的软件(诸如Honeywell EXPERION CEE或其他高级应用程序)，或者可以是第3方应用程序。AM可以固有地具有冗余意识/具有冗余能力(与EXPERION CEE的情况一样)，或者可以是并非为冗余而设计的常规应用程序。
网络控制系统200包括连接在控制器池和I/O设备145之间的I/O网格网络240。需要IO网格网络240，这是因为控制器的工作是处理来自输入(包括传感器输入)的输入数据，并且就如何改变耦接到执行器的输出做出明智决定以便管理过程本身，其中控制器直接与I/O设备145通信。尽管被示为服务2个控制器池210和260，但I/O网格网络240可以服务一个控制器池或者三个或更多个控制器池。
因此，每个控制器池210和260是可由CAMO 240动态管理的灵活控制器资源池，其用于托管所示的一组AM。在图2中，AM 231和232因此已经通过CAMO 240与控制器平台解耦(与图1中固定的相反)，使得每个控制器平台可以承担一个或多个AM的托管。对于冗余AM，AM可以托管主AM和备用AM，或者托管具有不同作用的多个AM，前提条件是活动AM及其备用AM不在相同控制器平台上。在控制器池210、260中的控制器发生故障(通常是由于硬件部件故障)时，在其内部运行的任何主AM将切换到在控制器池中的另一个控制器上运行的其备用AM，该控制器在故障后恢复控制(尽管是非冗余的)。在该发生故障的控制器上运行的任何备用AM将停止运行，从而使其主AM在控制器池上的其他位置运行，运行不受影响，但暂时不冗余。新备用AM可以由CAMO 240自动提出，其中该新备用AM相对快速地恢复整个网络控制系统200的可用性。
用于网络控制系统的公开CAMO 240因此以更灵活的方式将AM部署到可基于用户偏好来部署的控制器平台，包括自动、手动、或自动和手动的混合-基于AM或故障场景的性质，从而按照以下示例性非1∶1方式中的一个将一个或多个AM池中的AM映射到控制器池中的控制器。
1. 1个控制器平台同时托管M个AM，其中M是大于1的整数。
2. 1个控制器平台托管M个AM，其中M是大于1的整数，其中一些或全部的AM是冗余的，由N个控制器平台备用，其中N是大于或等于1的整数。
3.L个控制器平台，其中L是大于一的整数，每个控制器平台托管M个AM，其中M是大于或等于1的整数，由N个控制器平台备用，其中N是大于或等于一的整数。
4.上述的动态变化，允许AM在控制器平台之间“移动”和重新部署。如果计算负载由于各种原因而改变，则CAMO 240可以移动AM。例如，如果添加了附加AM，或向现有AM添加更多负载，则可以通过在控制器平台之间移动AM来重新平衡AM资源。另一个示例是计算平台的故障，然后通过添加或维修节点来恢复，并且重新平衡以使得每个节点具有等同规模的损失。
5.上述的变体，其中相应AM被部署为冗余或非冗余实体，并且其在任何给定控制器平台上、在任何给定时间的冗余作用可以是主实例或备用实例。
6.来自第3方的AM，从而递送广泛的可能功能。
在可能的情况下，在过程中以及运行过程控制(诸如控制工业过程)时提供、部署和移动/重新映射AM。
如上所述的CAMO 240通常包括软件引擎，其主要责任是管理控制器平台上的AM的部署和映射。上面列出了网络上的部署和映射的非限制性示例，包括以下特征：
通过负载平衡(具体地讲是通过监测每个控制器平台上可用的一个或多个处理器上的可用存储器和处理资源的池)，基于资源可用性将AM智能地自动部署到控制器平台。如上所述，如果用户优选CAMO 240不自动执行此类操作，则CAMO 240可以提供由用户进行的手动AM到控制器平台分配的选项，其中AM部署可以基于由CAMO 240提供的建议。
所公开的方面包括在冗余控制器对中的AM发生故障的情况下对临时和备用AM的智能部署。AM/系统可用性的计算以及提供用于升高可用性的建议，诸如部署附加控制器平台。CAMO 240通过大体上全部同时考虑以下属性来完成其主要功能：
网络上的控制器平台的资源消耗，诸如存储器、CPU、通信和网络带宽。控制器平台在网络上相对于工厂基础结构(包括诸如控制单元、建筑物、楼层、房间和电源的属性)的物理位置。IO网格网络140上的控制器平台的物理I/O连接性(不同的控制器平台可连接到I/O网络的不同组合)。控制器平台的安全配置文件，包括物理安全性。部署拓扑，诸如与其他系统(诸如安全系统)的集成。控制应用程序关联性，诸如前/后关系。执行周期以及与AM的适配性、对等参考和网络控制系统所控制的物理过程附近的地理位置。
另外，CAMO 240可以提供以下所述的启用器，其确保从控制器平台到AM的网络通信以不间断方式无缝地继续，同时在过程中，并且AM可以在需要时跨控制器平台(包括在控制器池之间)“移动”。例如，不管协议或通信流量的方向如何，网络通信通常取决于寻址方案，该寻址方案确保消息到达其预期目的地并且在任何正常或异常的工厂事件(包括控制器平台的故障)中继续这么做，从而致使控制器平台内的任何主AM切换到不同控制器平台上的其备用AM。可以在产品的当前和可能将来年份(内部和外部)中实现不同的寻址方案和设计。例如：固定相对浮动地址方案，映射到控制器平台或其内部的AM。CAMO 240可以跨设备的异构年份管理可寻址节点到AM的映射，从而确保在下面列出的以下示例性用例中的无缝和不间断通信：
对于设备用户交互的故障(诸如新AM的配置和部署)，现有计算资源的动态和自动重新分配改为物理网络，诸如响应于控制器平台的维护操作的I/O网格网络140连接性配置文件的改变而对控制器平台进行部署/移除。所公开的实施方案可以应用于各种各样的应用，通常包括任何类型的分布式控制系统(DCS)(包括监督控制和数据采集(SCADA)系统)。
虽然上面已经描述了各种所公开的实施方案，但是应当理解，它们仅以示例而非限制的方式呈现。在不脱离本公开的实质或范围的情况下，可根据本公开对本文公开的主题进行许多改变。此外，虽然可使用仅关于若干实施方式中的一者来公开特定特征，但是此类特征可与其他实施方式的一个或多个其他特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望或有利的那样。
