专利名称：具有物理层诊断系统的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有物理层诊断系统的电路，所述物理层诊断系统尤其但并非唯 一地被用作改进的现场总线物理层诊断系统。
背景技术：
现场总线(Fieldbus或field bus)是用于实时分布式控制的工业计算机网络协 议系列的名称，现在被标准化为IEC 61158。复杂的自动化工业系统，例如燃油精炼厂，通常 需要有组织的控制器系统体系来运作。在此体系顶层存在人机接口(HMI)，其中操作者可以 监视或操作系统。这一般经由时间不关键的通信系统(例如以太网)链接到可编程逻辑控 制器(PLC)的中间层。在控制链底层是现场总线，所述现场总线把PLC链接到实际上完成 工作的组件，诸如传感器、致动器、电动机、控制台照明灯、开关、阀和接触器。现场总线常常用在本质安全环境中，例如易燃气氛，并且特别是气体族类别IIC、 氢气和乙炔，并且下面例如是针对气体和/或灰尘的气体族IIB和IIA。使用现场总线协议， 在这种环境中的现场仪器和设备由本质安全电路来供电，该电路也用于远程控制和监视现 场仪器。近几年用于IEC 61158类型网络的现场总线物理层诊断已经被成功引入主流 加工产业。例如，图1示出了典型的电力和通信电路，包括电源1、中继线部分(trunk section) 2、设备耦合器3和与之连接的支路部分(spur section) 4 设备5被安装在支路 部分4上，并且在使用中它们向安装在中继线部分2上一定距离处的控制系统6发送数据 信号。诊断模块7也被安装到中继线部分2上(通常位于与控制系统6相同的位置)，并且 它通过测量与网络硬件相关联以及部分地与用于通信的物理软件或协议相关联的物理层 变量来工作。然而，像模块3那样的已知诊断模块只是测量物理层变量并且向控制系统6发送 此信息以用于进一步诊断，或者如果监视的变量突破了一个或多个预定阈值则产生简单警 报。为了建立这种功能，这些阈值必须被编程到诊断模块3中，这是费时的。还可能产生人 为错误。当在实现之前设计像在图1中所示出的现场总线电路时，设计者使用软件工具来 建立电路模拟，其可以被测试。这种软件工具是分段检查器(Segment Checker)开放软件 工具。分段检查器支持用于基础现场总线HI和Profibus PA的集中和分布式现场总线体 系结构，并且它便于设计和模拟测试可能的现场总线分段以便检查它们的真实性。在分段 检查器上建立的模拟电路设计或其它类似的程序包括设计电路的物理层属性，例如总计分 段电流、设备标签、电缆长度、电缆类型等。然而，像上面描述的那样建立的电路设计并未结合到实际电气电路的操作功能 中。通常电路设计被电子存储到实际电路的控制系统中，但是其仅用于将来的人工参考和 维修记录。因此，迄今为止IEC61158物理层设计软件和实际监视的物理层数据从未以自动方式被相关，并且没有诊断系统具有用于执行这种相关的基础结构。用于针对电路设计验 证所监视的物理层数据的唯一方式是在已经进行监视一段时间之后手动进行，这不允许瞬 时的故障检测和校正。另外，当手动比较数据时可能出现错误。
发明内容
本发明旨在克服上述一些问题。
因此，根据本发明，一种电路包括电源、一个或多个设备、和诊断系统，其中所述诊 断系统包括监视装置，适合于监视电路的物理层特征；数据库，包含用于所述电路的电路设 计数据；和比较器装置，适合于通过把监视的所述电路的物理层特征与所述电路设计数据 相比较来诊断监视的所述电路的物理层特征的状态。利用此方案，诊断模块可以直接把监视的电路的物理层特征与该电路的原始设计 相比较。因而诊断模块具有有效的信息数据库，据此比较实时的输入数据并且诊断比原先 可以诊断的更多类型的故障。例如，电路设计可以包括三个现场设备，每个现场设备抽取不 同的电流。如果电路中的监视的电流下降的量基本上与那些设备之一相同，那么诊断模块 可以通过参照电路设计数据来诊断该特定设备的故障。电路设计数据可以包括由电路设计工具产生的电路设计，并且可以包括多个正常 操作基准(normal operating reference)。这些基准可以是以下中的一个或多个电路 设计的电压和/或电流电平；电路设计的电缆的长度和/或类型和/或电阻和/或身份 (identity)；结合到所述电路设计中的设备的信号幅度和/或身份；结合到所述电路设计 中的设备耦合器的操作参数。在本发明的增强版本中，监视装置能够适合于监视外部影响，所述外部影响可能 对电路操作有影响，例如像电路周围的气温、压力和湿度的大气条件，以及像一天或一年的 时间的因素。用于提供这种信息的传感器和时钟是已知的。与此相符，正常操作基准可以 根据这些外部影响的变化而改变。例如根据该设计，在80华氏度的正常电流可能不同于在 20华氏度的正常电流。然后比较器装置可以适合于通过把监视的电路的物理层特征与根据 所监视的主要的外部影响的正常操作基准相比较来诊断其状态。此方案提供了可适应的实 时及实际条件(real-time real-condition)的诊断。本发明的电路设计可以使用任何已知的软件程序来产生，然而在优选的构造中， 所述电路设计可以包括由分段检查器开放软件程序产生的分段检查器电路设计。此程序由 申请人:及其竞争对手用来为他们的客户设计和测试现场总线电路，因而电路设计对于任何 实施的电路来说始终是已经存在的。因此，由诊断系统所使用的正常操作基准不必作为独 立的过程被创建和输入。这有助于避免程序设计错误，并且减少了实现有效的诊断系统的 时间和成本。优选地是，诊断系统包括诊断模块，所述诊断模块包括其上加载有控制程序的操 作系统。数据库也可以被加载到操作系统上。控制程序可以包括监视子程序，适合于从电 路接收物理层数据；比较子程序，适合于把所述物理层数据与在数据库中存储的正常操作 基准相比较；和故障警告子程序，适合于当所述物理层数据与正常操作基准偏离预定余量 时产生故障信号。可以用来建立这种软件的方式是公知的，并且本领域技术人员能够在不 依靠创造性劳动的情况下实施这些功能。
监视子程序还可以适合于从与该电路一起使用的外部传感器接收外部影响数据。 因此，故障警告子程序可以适合于当所述物理层数据与根据主要的被监视的外部影响的正 常操作基准偏离预定余量时产生故障信号。同样，本领域技术人员能够实施这些功能。在本发明的一个版本中，比较子程序可以适合于通过操作由监视子程序接收的物 理层数据和/或正常操作基准来对电路的一个或多个未知特征进行推断计算。例如，比较 子程序可以通过计算监视的设备信号电平的衰减，然后将其与形成电路设计一部分的已知 电缆和设备特征相比较，来计算实际的电缆长度。诊断模块可以进一步包括屏幕，并且控制程序可以包括图形界面子程序，适合于 在屏幕上产生与由监视子程序接收的物理层数据和外部影响数据、和/或在数据库中所存 储的电路设计的正常操作基准、和/或由故障警告子程序所产生的故障警告相关的图形。 这允许操作者直接访问诊断模块。作为上述方案的替代或除上面以外，所述电路可以包括适合于向和从一个或多个 设备发送和接收数据信号的控制系统，并且诊断模块可以包括被连接到所述控制系统的输 入/输出。诊断模块可以适合于向控制系统发送由监视子程序所接收的物理层数据和外部 影响数据、和/或在数据库中所存储的电路设计的正常操作基准、和/或由故障警告子程序 所产生的故障警告。应当理解，在实践中存在可以将诊断应用于电路的各种方式，其一部分通过控制 室，并且一部分延伸到本质安全现场中。诊断模块可以被布置在控制室自身内，在这种情况 下可以不需要屏幕，或者它可以位于现场，在这种情况下需要屏幕或其它接口。另外，在控 制室之中或之外，诊断模块可以把本发明的上述所有功能包括在单个单元中，或者诊断系 统可以被结合到控制系统中，在这种情况下本发明的上述功能可以分散在更大的控制和监 视系统内。如上面所提及，本发明优选地被用作本质安全电力和通信现场总线电路，其符合 IEC 61158协议，不过应当理解，这并不是必须的。还应当理解，可以通过将诊断模块改装到现有的电路来建立根据本发明的电路。 因此，根据本发明的第二方面，提供了一种诊断系统，供如在下面的权利要求1到12中任何 一项所述的电路使用。
可以依照各种方式执行本发明，但是现在以举例方式并且参考附图描述一个实施 例，其中图1是包括诊断系统的现有技术电路的示意图；图2是根据本发明的电路的示意图；图3是在图2中所示出的诊断模块的框图；图4和5是用于创建图3中所示出的电路设计的分段检查器软件程序的屏幕截 图。
具体实施例方式如图2所示，电路包括电源1、采用现场设备5形式的一个或多个设备、采用诊断模块7形式的诊断系统，所述诊断系统包括下面进一步描述的控制程序8。诊断系统7包括 在图3中所示出的采用监视子程序9形式的监视装置、和数据库10，所述监视装置适合于 监视电路的物理层特征，所述数据库10包含用于所述电路的电路设计数据11。诊断系统 7还包括采用比较子程序12形式的比较器装置，适合于通过把监视的电路的物理层特征与 电路设计数据11相比较来诊断其状态。电路是像在图1中所示出那样构造的现场总线电路，并且其中相同的构成部分使 用同样的附图标记。具体地，电路包括中继线部分(trunk section) 2、设备耦合器3、和与 之连接的支路部分(spursecti0n)4。现场设备5被安装在支路部分4上，并且在使用中它 们向控制系统6发送数据信号。中继线部分2不是本质安全的，而支路部分4借助结合到 设备耦合器3中的系统被实现为本质安全的。任何已知的方法可以用来使支路4是本质安 全的。电源1和控制系统6位于控制室13中，并且其余的电路位于现场中。诊断模块7被 示为安装到在控制室13外部的中继线部分2上，但是如果希望的话也可以把诊断模块7置 于控制室内，并且在图2中用虚线示出此候选方式作为一种可能。就其监视功能而言，诊断模块7按照与已知系统相同的方式来工作，并且测量与 网络硬件相关联以及部分地与用于在现场设备5和控制系统6之间通信的物理软件或协议 相关联的物理层变量。然而如图2中所图示，诊断模块7具有控制程序8和数据库10来增 强其功能。现在参照图3，诊断模块7包括操作系统14，所述操作系统14其上加载有控制程 序8和数据库10。控制程序8包括监视子程序9、比较子程序12、图形界面子程序15和故 障警告子程序16。数据库10上加载有电路设计11，包括多个正常操作基准17。为了便于 解释，在图3中示出了六个基准17，但是应当理解，在实践中此数目可能会大得多。基准17 包括以下一个或多个的图表(figure)电路设计的电压和/或电流电平；电路设计的电缆 的长度和/或类型和/或电阻和/或身份；结合到所述电路设计中的设备的信号幅度和/ 或身份；结合到所述电路设计中的设备耦合器的操作参数，以及任意其它这种因素。当特定的基准17涉及物理层变量时，例如电压电平，那么所述基准是电路的期望 电压电平的图表。当特定的基准17涉及静态特征或标识符时，例如电缆长度或现场设备标 签，那么基准可以是该图表或文本标识符。当特定的基准17可能受一个或多个外部影响(例如气温)的影响时，则该基准17 包括根据该外部影响的级别改变的一系列图表。当可以由多个外部影响改变基准17时，那 么该基准17可以包括用于根据两个或多个可变因素生成给定结果的算法。诊断模块7还包括到电路18的连接，借此它监视各个物理层特征。它还包括到外 部传感器19的连接，借此它监视多个外部影响，例如电路周围的气温、压力和湿度。这些传 感器并未在附图中示出，但是应当理解，这种传感器是公知的并且可以容易地连接到诊断 模块7。如上所述，来自外部传感器的输入数据被馈送到监视子程序9，并且当此数据是影 响一个或多个基准17的因素时比较子程序12参考此数据。另外，诊断模块7包括内部时钟20，借此比较子程序12可以参照一天的时间或一 年的时间，其也可以是分解为一个或多个基准17的外部影响。当来自电路和/或外部传感器的输入数据与基准17偏离预定余量时(如按照比 较子程序12所执行的比较所确定的)，故障警告子程序16适合于产生故障警告。
诊断模块7进一步包括屏幕21，并且图形界面子程序15适合于在屏幕21上产生 与由监视子程序9在使用中所接收的物理层数据和外部影响数据相关的图形。它还在屏幕 21上产生与由故障警告子程序16在使用中所产生的故障警告相关的图形，如上所述。屏幕 还可以显示在数据库中所存储的基准17。诊断模块7包括接口密钥(未示出)，适合于允 许这些各种不同类型的数据由操作者访问。这种系统是已知的。除此之外，诊断模块7包括输入/输出22，借此它连接到控制系统6。控制程序8 向控制系统6发送与由监视子程序9在使用中所接收的物理层数据和外部影响数据以及由 故障警告子程序16在使用中所产生的任何故障警告相关的数据。指示怎样以及何时把此 数据发送到控制系统的协议可以由实现系统的那些人来建立，并且应当理解，可以适当地 进行任何适当的配置。控制系统6还可以向诊断模块7发送命令数据以便改变其操作程序或改变基准 17。同样，实现这点的方式以及功能级别对本发明来说也不是必须的，并且可以根据特定的 场地要求以任何适当的方式实现。(控制程序8执行由这里描述的诊断模块7所执行的一般处理动作，然而应当理 解，在实践中程序以复杂的方式与计算机操作系统上的其它程序相交互以便执行它们的功 能。图3是旨在示出诊断模块7的基本操作特点的简单示图，并且为了便于说明，在少量图 示的子程序之间划分这些功能。然而应当理解，在实践中这种清楚定义的边界可能是不适 当的，并且存在任意数目的其它标准程序和子程序，它们并未被示出但是控制程序8需要 这些程序以便进行操作。图3仅旨在被理解为本发明的各个特征以及它们相互之间怎样进 行交互的示意图。)使用分段检查器开放软件程序来产生电路设计11。图4和5示出了分段检查器程 序的屏幕快照，并且图示了其一些功能。例如，图4示出了程序的图形界面部分，其中在特 定的配置中可以利用相互连接的各个组件来建立电路设计。图5示出了程序的物理层特征 检查部分，其中测试在电路设计的各个部分的电流和电压。电路设计可以保存在分段检查器中，并且该保存的文件包含与在软件的正常使用 期间产生的电路设计相关的所有数据。在数据库中所存储的电路设计11是这种文件，并且 构造控制程序8以便能够与该保存的文件接口并且访问相关数据。应当理解，熟练的软件 工程师将能够在不依靠创造性投入的情况下创建可以实现该结果的软件。因此，在使用中，电路被操作并且诊断模块7按已知方式检测电路的各种物理层 特征。诊断模块7还接收来自外部传感器的外部影响数据和来自时钟20的数据。然后比 较子程序12获取此输入数据并且把它与电路设计11中的基准17相比较。在输入数据在 给定公差范围内与电路设计11中的数据一致的情况下，诊断模块7不会产生动作。然而， 当输入数据偏离于电路设计11中的数据时，故障警告子程序16发出适当的警报，所述警报 在屏幕21上显示或者被发送到控制系统6，使得可以采取适当的动作。输入数据可以通过突破阈值(例如特定大小的电压降)而偏离电路设计11中的 数据，或者仅因为它是不正确的而偏离于电路设计11中的数据，例如如果错误的设备被错 误地连接到电路，那么设备标签可能是不正确的。同样，如果电路设计11包含用于表明中继线部分2的长度很短的基准17，但是来 自电路的输入数据包括与这种短中继线部分2不相容的高信号衰减，那么可以产生警报。在已知系统的情况下，可能不会出现这种警告。比较子程序12还可以根据接收的数据来进行推断计算。例如，电路设计可以包括 三个现场设备，每个现场设备抽取不同的电流。如果电路中的监视到的电流下降的量基本 上与那些设备之一相同，则诊断模块7可以推断该特定设备已经出现故障，并且可以产生 适当的故障警告。另外，比较子程序12可以通过操作输入数据和基准17来对电路的一个或多个未 知特征进行基本推断计算。例如，如果中继线部分2的长度不是已知的，则比较子程序12 可以通过计算监视的设备信号电平的衰减，然后将其与形成电路设计一部分的已知电缆和 设备特征相比较，来推断中继线部分2的长度。可以自动地或者响应于从控制系统6发送 到诊断模块7的命令来执行这种计算。这类功能可以应用于所有参数，并且可以利用诸如 傅里叶分析之类的分析来有效地工作。本发明的第二方面定义了如权利要求1到12中任何一项所述的诊断模块。应当 理解，在图3中所示出的诊断模块7可以是适于现有电路的改装部件(retro-fit unit)，由 此这提供了对本发明第二方面的支持。在不脱离权利要求1范围的情况下可以修改上述电路。例如，在(图2中所表明 的)一个替换实施例中，诊断模块7可以位于控制室13以及控制系统6中。利用这种构造， 可以不需要独立的屏幕和图形界面子程序。在另一替换实施例(未示出)中，本发明的诊 断系统被结合到控制系统中，在这种情况下，本发明的上述功能分散在更大的控制和监视 系统内。在另一替换实施例(未示出)中，诊断模块可以是适合于被应用于电路的各个部 分的移动单元。这种移动诊断模块包括时域反射计(time domain reflectormetry)。因此，本发明提供了一种诊断系统，用于把监视的电路的物理层特征直接与该电 路的原始设计相比较。因而诊断系统具有有效的信息数据库，据此比较实时及实际条件的 输入数据并且诊断比原先可以诊断的更多类型的故障。另外，此方案是有益的，这是因为它 将现有的电路设计用于辅助目的，这增加了其功能和有用性，并且也使得不需要专门编程 诊断系统，这种编程是昂贵的、费时的并且可能包含错误。
权利要求
一种电路，包括电源、一个或多个设备、和诊断系统，其中所述诊断系统包括监视装置，适合于监视电路的物理层特征；数据库，包含用于所述电路的电路设计数据；和比较器装置，适合于通过把监视的所述电路的物理层特征与所述电路设计数据相比较来诊断监视的所述电路的物理层特征的状态。
2.如权利要求1所述的电路，其中所述电路设计数据包括由电路设计工具产生的电路 设计，并且包括多个正常操作基准。
3.如权利要求2所述的电路，其中所述正常操作基准包括以下中的一个或多个电路 设计的电压和/或电流电平；电路设计的电缆的长度和/或类型和/或电阻和/或身份；结 合到所述电路设计中的设备的信号幅度和/或身份；结合到所述电路设计中的设备耦合器 的操作参数。
4.如权利要求3所述的电路，其中所述监视装置适合于监视外部影响，其中所述正常 操作基准根据外部影响的变化而改变，并且其中所述比较器装置适合于通过把监视的电路 的物理层特征与根据主要的所监视的外部影响的正常操作基准相比较来诊断监视的所述 电路的物理层特征的状态。
5.如权利要求4所述的电路，其中由所述监视装置监视并且被结合到电路设计中的外 部影响包括以下中的一个或多个气温；气压；空气湿度；一天中的时间；一年中的时间。
6.如权利要求5所述的电路，其中所述电路设计包括由分段检查器开放软件程序产生 的分段检查器电路设计。
7.如权利要求6所述的电路，其中所述诊断系统包括诊断模块，所述诊断模块包括其 上加载有控制程序的操作系统，其中所述数据库被加载到所述操作系统上，其中所述控制 程序包括适合于从所述电路接收物理层数据的监视子程序、适合于把所述物理层数据与 存储在所述数据库中的正常操作基准相比较的比较子程序、以及适合于当所述物理层数据 与所述正常操作基准偏离预定余量时产生故障信号的故障警告子程序。
8.如权利要求7所述的电路，其中所述监视子程序适合于从与所述电路一起使用的外 部传感器接收外部影响数据，并且其中所述故障警告子程序适合于当所述物理层数据与根 据主要的所监视的外部影响的正常操作基准偏离预定余量时产生故障信号。
9.如权利要求8所述的电路，其中所述比较子程序适合于通过操作由所述监视子程序 所接收的物理层数据和/或正常操作基准来对电路的一个或多个未知特征进行推断计算。
10.如权利要求9所述的电路，其中所述诊断模块进一步包括屏幕，并且其中所述控制 程序包括图形界面子程序，适合于在屏幕上产生与由监视子程序接收的物理层数据和外部 影响数据、和/或存储在数据库中的电路设计的正常操作基准、和/或由所述故障警告子程 序产生的故障警告相关的图形。
11.如权利要求10所述的电路，其中所述电路包括适合于向和从一个或多个设备发送 和接收数据信号的控制系统，其中所述诊断模块进一步包括被连接到所述控制系统的输入 /输出，并且其中所述诊断模块适合于向所述控制系统发送由所述监视子程序所接收的物 理层数据和外部影响数据、和/或存储在数据库中的电路设计的正常操作基准、和/或由所 述故障警告子程序产生的故障警告。
12.如先前权利要求中任何一项所述的电路，其中所述电路是本质安全电力和通信现 场总线电路，其符合IEC 61158协议。
13. 一种用于如权利要求1到12中任何一项所述的电路的诊断系统。
全文摘要
一种电路，包括电源、一个或多个设备、和诊断系统，其中所述诊断系统包括监视装置，适合于监视所述电路的物理层特征；数据库，包含用于所述电路的电路设计数据；和比较器装置，适合于通过把监视的所述电路的物理层特征与所述电路设计数据相比较来诊断所述物理层特征的状态。
文档编号G05B19/05GK101878456SQ200880118272
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月30日
发明者G·罗格尔, R·卡特彻内尔, S·格拉贝尔 申请人:倍加福有限公司