本发明总体上涉及过程控制系统。更具体地说，本发明涉及用于在过程控制系统中定位系统差异的可能根源的问题调查设备和方法以及计算机程序产品。
背景技术：
过程控制系统可以在工业工厂中提供。这样的系统通常包括涉及过程控制的多个过程控制设备。这些设备的操作通常由工厂操作员通过系统的操作员终端进行监控。
可以为过程控制系统提供例如网络仿真工具形式的网络形成单元，该网络形成单元可以支持通信基础设施或通信网络的设计，以用于过程控制系统和过程控制应用或使用它的功能。该网络形成单元不仅可以提供用于建议基础设施的系统模型，而且还可以用于模拟通过它的通信。
在US8160843中讨论了这种网络形成单元的一个示例。根据该文献的单元接收系统功能信息和设备位置信息并确定通信基础设施。
US2004/0117116涉及识别有多少设备连接到过程控制系统的现场总线段。
这样的系统模型因此可以被创建用于建议要为过程控制系统实施的通信网络。这个模型可能会被用来建立一个真正的通信网络。
在查看真正的通信网络或网络时，对于在满足通信要求方面有问题的应用，可能很难判断通信网络中的问题发生在哪。也很难说出特定网络元件的故障有多严重。因此，可能难以实施适当的对策。此外，对问题的调查通常涉及专家，这意味着典型的自动化工程师不能完成像根源和影响分析等任务。
因此有必要改进上述情况。
技术实现要素：
本发明解决了在过程控制系统中定位系统差异的根源的问题。
这通常是通过使用用于识别可能的基础设施元件的系统模型来实现，其中可能的基础设施元件是未能满足通信要求可能原因。
根据本发明的第一方面，该目的更具体地通过用于过程控制系统的问题调查设备来解决。问题调查设备包括：
系统模型，其包括使用多个链路经由通信网络互连的过程控制终端设备的软件表示。每条链路被提供用于与两个终端设备之间的过程控制功能相关的通信，并且包括一组通信网络元件和对过程控制功能的一组通信参数的参考。问题调查设备还包括：
根源分析单元。根源分析单元被配置为：
-获得至少一个通信参数偏离相应的通信要求的指示，
-识别对通信参数进行参考所在的链路，
-识别对链路发挥功能做出贡献的通信网络元件，以及
-基于通信网络元件标识，将通信网络元件中的至少一个通信网络元件指示为偏差的可能原因。
根据本发明的第二方面，该目的通过一种用于使用系统模型来定位过程控制系统中系统差异的可能根源的方法来解决，系统模型包括使用多个链路经由通信网络互连的过程控制终端设备的软件表示。每条链路被提供用于与两个终端设备之间的过程控制功能相关的通信，并且包括一组通信网络元件和对过程控制功能的一组通信参数的参考。该方法由问题调查设备的根源分析单元执行，并且包括：
-获得至少一个通信参数偏离相应的通信要求的指示，
-识别对通信参数进行参考所在的链路，
-识别对链路发挥功能做出贡献的通信网络元件，以及
-基于通信网络元件标识，将通信网络元件中的至少一个通信网络元件指示为偏差的可能原因。
根据本发明的第三方面，该目的通过一种计算机程序产品解决，该计算机程序产品用于使用系统模型来定位过程控制系统中系统差异的可能根源，系统模型包括使用多个链路经由通信网络互连的过程控制终端设备的软件表示。每条链路被提供用于与两个终端设备之间的过程控制功能相关的通信，并且包括一组通信网络元件和对过程控制功能的一组通信参数的参考。该计算机程序产品被提供在包括计算机程序代码的数据载体上，该计算机程序代码被配置为当计算机程序代码被加载到问题调查设备中时使问题调查设备：
-获得至少一个通信参数偏离相应的通信要求的指示，
-识别对通信参数进行参考所在的链路，
-识别对链路发挥功能做出贡献的通信网络元件，以及
-基于通信网络元件标识，将通信网络元件中的至少一个通信网络元件指示为偏差的可能原因。
本发明具有许多优点。本发明允许快速和自动确定一个或多个通信网络元件，这些通信网络元件是通信参数不满足通信要求的可能根源。因此过程控制系统的停机时间可以受到限制。可以快速且可靠地找到网络问题，减少停机风险，或者减少过程或过程相关功能的实际停机时间。从而整个过程控制系统也变得更加可靠。此外，用户想要识别这样的网络元件不需要专业知识。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明，其中：
图1示意性地示出了包括过程控制设备的过程控制系统，
图2示意性地示出了实现用于过程控制系统的问题调查设备的一种方式，
图3示意性地示出了实现问题调查设备的另一种方式，
图4示出了包括多个过程控制实体的系统模型的图形表示，该过程控制实体可以由用户在过程控制系统的通信网络的系统模型的形成中选择，
图5示出了由用户创建的两个通信终端设备之间的链路。
图6示意性地示出了具有可以放置终端设备的不同位置的建筑物的地板，
图7示意性地示出了当通信网络的通信协议和网络元件已经被添加到终端设备之间的链路时的链路，
图8示出了系统模型的图形表示，其中强调了链路的元件之间的依赖性，
图9示出了已经为图7中的链路形成的标签，
图10示意性地示出了定位系统差异的可能根源的方法中的多个方法步骤的流程图，以及
图11示出了CD-ROM盘的形式的具有计算机程序代码的数据载体，用于执行该方法的步骤。
具体实施方式
在下文中，将给出问题调查设备的优选实施例的详细描述以及用于定位过程控制系统中的系统差异的可能根源的方法和计算机程序产品。
图1示意性地示出了过程控制系统10，该过程控制系统10可以设置在工厂的厂房中。过程控制系统10是用于控制工业过程的计算机化的过程控制系统。可以控制的工业过程的例子是发电、输电和配电过程、水净化和配送过程、油气生产和配送过程、石化、化学、制药和食品过程以及纸浆和纸张生产过程。这些只是其中系统可以被应用的一些过程示例。还有无数的其他工业过程。这些过程也可以是其他类型的工业过程，如货物制造。可以通过一个或多个过程监控计算机或控制器来监控过程，该过程监控计算机或控制器与负责监控和控制该过程的计算机或服务器通信。
在图1中，过程控制系统10因此包括多个过程监控计算机(PMC)12和14。这些计算机在这里也可以被认为形成操作员终端并且连接到第一数据总线EB，在该例子中，第一数据总线EB是在其上使用某个协议的以太网数据总线，该协议作为例子可以是Profinet IO协议。过程监控计算机还可以充当问题调查设备。还有连接到第一数据总线EB的过程控制计算机(PCC)18和数据库(DB)16。该第一数据总线EB还连接有第一和第二协议转换设备(PCD)20和22。协议转换设备也可以被称为远程IO设备。协议转换设备可以与多个现场设备进行点对点连接。至少在这些点对点连接之一上使用另一种通信协议，作为例子可以是HART协议。协议转换设备还可以具有与其上可以使用无线协议的多个现场设备无线连接，诸如无线HART协议WH。
第一远程IO设备20连接有第一组另外的设备24、26和28，并且第二远程IO设备22连接有第二组另外的设备30、32和34。这些另外的设备24、26、28、30、32和34是现场设备，它们是与被控制过程的接口。因此现场设备是诸如传感器之类的接口，对过程的测量经由该接口进行，或者现场设备是诸如致动器之类的接口，向该接口发出控制命令以影响过程。现场设备也可以是组合的传感器和致动器。作为例子，现场设备可以是罐，以及作为另一个例子，是离心机。过程控制计算机18可以参与基于来自诸如传感器的现场设备的输入的控制过程，并且基于输入来致动相同的或其他的现场设备(例如阀)。现场设备和控制计算机都是过程控制设备的例子。此外，现场设备和控制计算机都是过程控制系统采用的通信基础设施或通信网络中的终端设备的示例，而远程IO设备、总线和点对点连接是通信基础设施元件的示例、或通信网络节点和通信媒介形式的通信网络元件。通信网络还可以包括具有总线或通信线路以及路由器和交换机的电缆。从图2中可以看出，第一组另外的设备24、26和28是通过固定的点对点连接而连接到第一远程IO设备20的有线设备，第二组另外的设备30、32和34无线连接到第二远程IO设备22。
如上所述，一个过程监控计算机可以充当问题调查设备。但是，应该认识到，这样的设备不必设置在过程监控计算机中，或者甚至不必是过程控制系统的一部分。它可能是一个独立的实体。
问题调查设备可以被认为是网络仿真工具的替代方案，因为它有利地作为可用于在过程控制系统的通信网络的系统模型中执行仿真的软件工具。图2中示意性地示出了实现问题调查设备35的一种方式。问题调查设备35可以被实现为包括具有程序存储器(PM)38的处理器(PR)36的计算机，程序存储器38包括具有实现问题调查设备35的功能的计算机程序代码的计算机程序40。备选地，可以使用专用电路(例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))以实现功能。问题调查设备35还可以包括例如以显示器和鼠标/键盘组合的形式的用户界面(UI)42。
图3中示出了实现问题调查设备35的另一种方式。除了用户界面(UI)42之外，问题调查设备35可以包括网络形成单元(NF)44和根源分析单元(RCA)46。问题调查设备35的网络形成单元44可以有利地由网络规划用户使用，而根源分析单元46可以由故障排除用户使用。这里还可能的是，这些单元以软件或一个或多个专用电路(例如FPGA和ASIC)的形式提供。
当设计过程控制系统时，网络规划用户可以使用问题调查设备35的网络形成单元44来自动计算或建模将由过程控制系统使用的通信网络。网络形成单元44因此可以创建与过程控制系统相关的通信网络的系统模型。系统模型可以有利地是离线模型，即与操作的过程控制系统明显分开的模型。系统模型因此可以与正在实施的实际通信网络分开。
一般而言，网络形成单元44允许网络规划用户选择表示要用于通信的元件的图形对象，例如骨干网(backbone)或现场总线链路、数据环、星形拓扑或前述的多种，以用于增加冗余，并将其连接到代表数据路径或终端或通信网络设备的另一个图形对象。
表示功能节点、基础设施节点(路由器、接入点等)或服务器等的图形对象可以被选择并放置在网络中，代表自动计算必须考虑的附加要求的设计选择。对象可以被复制，替换或随意移动。可以重新调整链路、环、骨干网(backbone)等的大小和/或使用与计算机绘图应用类似的对象的图形操作来添加(连接)其他结构。
更具体地说，网络形成单元44允许网络规划用户例如通过选择代表功能终端设备之间和专用网络元件之间的数据路径的实施选项的图形对象而选择规划的约束并将它们配置在通信基础设施的系统模型中。
由网络形成单元44执行的建模可以涉及获得用于执行过程控制功能的功能节点，通信基础设施布局(即通信网络的布局)，功能节点(传感器、致动器、控制器等)数量的配置/参数化，和过程控制功能所需的通信网络节点等的选择。
此外，网络形成单元44还可以执行由过程控制功能使用的信号的通信要求的计算。通信要求或通信参数可能涉及一个或多个自动化或过程控制功能所需的功能节点之间的数据通信流量的量和频率、时延、可用性、隔离需求等。因此功能节点是过程控制系统中的节点，因此它也是用于与正在设计的通信网络中的另一个终端设备进行通信的终端设备。
数据通信要求例如可以根据客户要求(优选为自动或半自动从销售支持工具)计算，或根据作为扫描图像和/或注释图像导入的过程工程输出、或根据其他项目要求(标签数量、PID模式翻译等)的资源文档(例如，以XML、或者CSV中基于表格的信息、Excel等)、或根据一个或多个选定的自动化应用来计算。过程控制功能和一对通信终端的通信要求包括要连接的终端以及通信参数服务质量(QoS)的关键性能指标(KPI)，例如，过程控制功能的信号。KPI可以是带宽、周期/往返时间或简单的延迟、允许的抖动、可用性等。还有服务的类型，即以什么方式发送信号，如循环/周期性、基于事件/按需、流传输等可能是通信要求的一部分。
网络形成单元44的方面涉及允许网络规划用户选择终端设备和过程控制功能，并且基于用户选择，网络形成单元44然后建议被放置在终端设备之间的通信网络元件。这些建议不仅可以包含有关通信网络元件(例如路由器、交换机和电缆)的建议。它也可以包括逻辑连接建议，例如根据国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)模型。网络形成单元44例如可以提出OSI模型的从第二层向上到第七层或者以上的逻辑连接建议。建议可能基于预先定义的规则，这些规则基于最佳实践，技术和资源，其中最佳实践可能会考虑厂房布局，技术可能考虑使用的地址，资源可能会考虑现有设备的类型和可用性。
图4示出了系统模型的图形表示的示例，其中以应用或过程控制功能FI、信号SI、设备功能DF和终端设备ED的形式示出了一些项目。
作为例子，网络规划用户可以在代表终端设备的项目中进行选择。可选终端设备的例子显示在图4中的终端设备列中。网络规划用户也可能选择终端设备相互通信的过程控制功能。用户还可以可选地选择终端设备之间的通信的一组通信参数，例如将在终端设备之间发送的过程控制功能的一组信号。在这种情况下，可以由网络形成单元44添加关于该功能的通信参数的通信要求。
选择一个项目，将导致相应的软件对象被插入到系统模型中。当插入到系统模型中时，每个软件对象自动与连接到模型中的表示其他终端设备或通信网络元件的其他软件对象所需的要求相关联。软件对象是终端设备和通信基础设施元件的软件表示示例。应该认识到，其他类型的软件表示是可能的。终端设备的通信参数可以作为代表终端设备的软件对象的一部分提供，或者作为一个或多个具有关系或与代表终端设备的软件对象相关联的独立软件对象提供。连接到数据链路或骨干网的终端设备的通信参数可以作为示例包括信号信息，例如互连网协议(IP)地址的配置、到/之间的连接，数据性能，例如或其他关键性能指标(KPI)。
网络规划用户因此可以选择要实现过程控制功能和通信参数的终端设备，例如要在终端设备之间交换的信号。网络规划用户还可以选择终端设备功能或执行终端设备功能的终端设备应用，诸如控制或数据输入/输出以及可能还有要使用的通信协议。因此，应用是在终端设备上实现功能的应用。应用可以是基于软件的服务，可以单独设计或交付。每个应用可能必须按照规范工作。例如，应用可以是用于闭环控制的国际电工委员会(IEC)61131应用、设备管理应用、工厂资产管理应用、网络管理应用、安全监控应用、过程操作应用或制造执行系统(MES)应用。网络形成单元44因此也可以将表示由终端设备实现的应用的软件对象添加到系统模型中。然后可以将这样的应用作为代码添加到表示终端设备的软件对象中，或者作为参考软件对象(软件对象参考或链路到终端设备)的单独软件对象来添加。
基于过程知识，网络规划用户因此可以选择过程控制计算机，与过程控制计算机通信的现场设备，将由所选择的终端设备的应用实施的过程控制功能以及由所使用的终端设备和通信协议进行交换的信号。问题调查设备35的网络形成单元44然后可以将表示这些实体的软件对象插入到系统模型中并添加应用的通信要求，例如这些信号的带宽、时延和服务类型要求。通信要求可以被添加到上述插入的软件对象或作为参考它们的单独的软件对象。网络形成单元44还可以进行进一步的通信设置，诸如根据OSI层模型的通信设置。这种设置的例子是数据链路层设置和网络层设置。备选地，可能的是，在系统模型中选择项目和插入相应的软件对象也可能导致自动选择另一项目以及在系统模型中插入相应的软件。例如可能的是，终端设备与通信协议相关联，使得对特定终端设备的选择自动导致选择相应的通信协议。某个终端设备的选择也可以是对应的过程控制功能的选择。选择某个过程控制功能同时也可能导致某些信号被选中。这意味着对特定终端设备的选择可能导致问题调查设备35选择通信协议和/或对应的终端设备功能和/或相应的信号。
网络规划用户可以通过这种方式选择要相互通信的终端设备、要进行通信的功能、信号和通信协议。就此而言，也可能选择一些或全部通信要求，例如对信号的时间和服务要求。一旦通过网络规划用户选择了功能并且可选地还选择了信号，则问题调查设备35也可以自动设置一些或全部通信要求。
作为一个例子，再次参照图4，用户可以选择过程控制功能(例如闭环控制)以及两个终端设备(过程控制计算机18和第一现场设备24)。代表终端设备18和24的图形对象然后可以放置在网络形成单元44的分离画布，并且被设置为通过网络规划用户在系统模型中彼此通信，所述网络规划用户将对象与形成通信链路L1的线互连，如图5所示。
网络规划用户还可以为系统模型中与规划的终端设备对应的物理设备选择物理位置。因此物理位置的选择是厂房中物理终端设备位置的选择。图6中可以看到地图上这种位置的一个例子。作为示例，用户可以选择工厂的第一建筑物的地板上的房间中的第一位置LOC1作为物理过程控制计算机18的位置，并且可以选择同一建筑物同一楼层上的另一房间中的第二位置LOC2作为物理第一现场设备24的位置。在此应该认识到，取而代之，用户可能已经选择了其中的一个位置之一在同一或另一建筑物的另一楼层上。该位置然后可以被转换成全球定位系统(GPS)位置。备选地，用户直接选择GPS位置，并将这些位置转换成地图上的位置。基于该位置输入，网络形成单元44在系统模型中选择相应终端设备的逻辑位置。这里可能的是，一旦网络规划用户选择的位置是已知的，网络形成单元44将为该用户提供终端设备在图6中的地图上放置的可视化。
一旦网络规划用户已经做出了上述选择，问题调查设备35的网络形成单元44就确定将要与系统模型中通信链路L1的终端设备互连的通信网络的一组元件。因此它使用包括虚拟通信网络元件的虚拟通信网络确定在系统模型中要互连的终端设备。
网络形成单元44因此可以有利地用于建议互连构成过程控制系统的各种终端设备的基础设施。在这种情况下，应用的通信要求可以用作建议的规则。
图7示意性地示出了对链路L1中的过程控制计算机18和第一现场设备24的建议。位于第一位置LOC1的过程控制计算机18可能需要使用Profinet IO连接与多个其他终端设备进行通信。因此，问题调查设备35的网络形成单元44可以建议例如在对应于第一位置LOC1的逻辑位置处引入虚拟以太网交换机48，以及用于连接到第一虚拟以太网开关42的第一虚拟通信媒介CM1，该第一虚拟通信媒介CM1是虚拟以太网电缆。需要使用HART协议的虚拟第一现场设备24又被建议经由第三虚拟通信媒介CM3，在与第二位置LOC2对应的逻辑位置处，以点对点的HART链路形式连接到虚拟第一远程IO设备20，并且然后，虚拟第一远程IO设备20被建议经由虚拟第二通信媒介CM2连接到虚拟以太网交换机48，所述虚拟第二通信媒介CM2也可以是以太网电缆的形式。
在图7中可以看出，终端设备和网络节点根据OSI层模型分层。
在应用和设备之间存在逻辑网络功能。在OSI层模型的应用层上运行的过程控制功能在过程控制功能工程的过程中已经连接。从图7中可以看出，问题调查设备35的网络形成单元44通过在每个较低OSI层上添加连接直到到达物理层来改善这一点；就像在一个钉板上由橡皮筋连接的两点一样，如果你愿意的话，橡皮筋会缠绕越来越多的钉子，直到它采用沿着层次的路径以及所需要的网络跳跃。因此，最终，设备之间的实际连接通过实现其协议中的一些或全部ISO/OSI层的互连设备的链或网来实现。
为了允许算法的增量实现来生成这些ISO/OSI实现，单独表示一个或多个中间逻辑网络层。
逻辑连接因此可以由运行在IP网络上或直接运行在逻辑层2网段(以太网、HART网络)上的应用层连接(例如PROFINET IO或HART)实现，最终部署在物理层电缆上或无线电频率上。应该认识到，使用例如无线HART的无线实现方式也是可能的。
所建议的通信网络可以进一步被选择以便考虑设施的结构。例如，建筑物的每层可能都有一个以太网交换机，整栋建筑物可能有一个独立的以太网交换机。由此，取决于所选择的位置，由问题调查设备35基于终端设备的选择来建议两个终端设备在之间的多个虚拟基础设施设备。此外，还考虑了应用的通信参数(例如信号)的时间和带宽要求。基于通信要求，在终端设备之间建议形成网络节点的虚拟基础设施设备。所使用的通信媒介的数量，即在通信基础设施中选择的电缆和通信线路的数量也基于通信要求。例如，如果电缆的带宽由于信号太多而太低，则可能会建议额外的电缆和交换机。
也可能地，网络规划用户做出关于至少一个信号或应用的冗余设置。在这种情况下，也可能地，网络形成单元44通过具有冗余设置的链路的单独电缆和单独的交换机来建议并行路径。
此外，也可以在图7中看到，通信网络元件的建议可能取决于不同的数据通信协议。在这方面可能是两个终端设备之间的一系列不同协议，它们需要彼此通信，同时支持不同的通信协议。多个协议可以在图形可视化中(例如在表格结构中)可见，示出端到端设备以及节点或设备之间的协议，其显示例如作为用户的现场总线层级。
系统模型可以布置有多个网络节点之间的多于一个的替代(冗余)通信路径。可以运行模拟，其中可以在一个或多个所应用的协议中选择不同的优先级以达到例如通过实验来实现使用协议(例如根据规则或约束)的优化策略，以实现例如对于选定的应用的更高的KPI或满意度，或者当网络器件故障时改进对于选定的网络路径的KPI，例如一个替代的数据路径。
可预见的概率是，当选择数据通信结构(来自列表中的多个选项，环、骨干网、星等)，网络形成单元44计算(或模拟)，并且随后基于由用户正在工作的终端设备触发的模拟或计算向用户提出建议的网络元件。该建议由问题调查设备35的网络形成单元44生成，并且可以根据当下连接到相同终端设备的其他元件或配置来适配。网络节点也可以做到这一点，例如，针对路由器或可能连接到节点或终端设备的第二个(冗余)路由器提出。
因此，问题调查设备35的网络形成单元44可以根据应用的通信要求来计算在终端设备之间连接信号所需的交换机(及其交换功能)和电缆。所需节点的数量可以根据一个或多个自动化应用所需的数据通信业务量的计算量和频率、时延等从多个终端设备(传感器，致动器)和网络节点计算。更具体地，问题调查设备35的网络形成单元44可以针对诸如功能自主的约束来分析一个或多个网络布局配置。
系统应用的功能自主性(功能)不是应用的属性，而是两个或多个应用之间的关系或关系的缺失。如果应用不受与其他应用相关的变化影响，则认为该应用是自治的。因此，某个应用的自治程度取决于另一个应用中变化或故障对其影响程度。实现应用的功能自治(相互独立)的一种方式是为每个应用使用专用(相互独立的)资源。另一种方式是共享资源的虚拟化。
网络布局配置然后可以被布置为使得终端设备、网络路由器和服务器以及不同通信路径(或其一部分)将在运行所需的自动化应用时达到所需水平的网络KPI/性能。
网络布局配置可以是相对模块化的或以其他方式设计，以确保在工程期间创建并验证所形成网络的选定分区的功能自主性。网络布局配置也可以被设计为例如在网络中具有冗余网络节点和备用(冗余)路径以确保所谓的适度降级(graceful degradation)。这意味着一个或多个基础设施元件的性能下降或故障仍将允许运行，数量减少(替代/冗余路径)和/或(KPI)性能下降；优选用于选定的自动化应用。
优选地，被设计用于具有功能自主性和适度降级的网络布局导致网络分区的功能完整性，这意味着它们的网络元件之间的独立程度如此之高以至于一个分区内的不想要的问题或有意的改变不会影响任何其他分区的性能。因此，这意味着各个分区的不同网络用户的功能完整性也得到了保证，并且一个应用的不正常行为不会影响任何其他应用。
除了以上之外，还可以分析网络布局配置，并且不同的通信路径和不同的节点、路由器和服务器中的每一个都由用户分配了关键性指示符。关键性可能是工厂特定的；可以部分基于标准工业方法来分配，例如国际过程工业自动化技术用户协会NAMUR发布的NAMUR建议书“现场设备的自我监测和诊断”NE107。关键性可能与工业标准有关，也适用于特定的工厂(例如由Atmosphere EXplosible(ATEX)指令定义的爆炸区(EX)，如地区、矿山、多尘环境等)。通过结合优选的冗余度，还评估网络布局配置，以获得有限数量的关键节点和通信路径。对于实施的冗余度和使用的关键节点的数量可能会做出妥协，这被认为是最优的。
关键性度量表可以使用以下指示：
(良好)绿色，如果选择完全显示；
红色内部故障，设备故障；
蓝色，需要/要求维护；
黄色，超出规格；
橙色，功能检查。
除以上之外，还可以分析网络布局配置，识别不同的节点、路由器和服务器，并且为每个分配关键性指示符。
对于在过程控制功能方面在两个终端设备之间创建的每个链路，问题调查设备35的网络形成单元44创建一系列依赖性或设置，该一系列依赖性或设置指示终端设备、过程控制功能、数据通信要求和包括在该链路中的通信网络元件。
图8示出了系统模型的图形表示，其中示出了用于诸如控制计算机的特定终端设备的数据链路层设置DLLS的依赖性。可以看出，用交叉阴影线背景表示的数据链路层设置DLLS“过程区闭环控制”依赖于网络层设置NLS“过程区闭环控制”和第一和第二信号SI1和SI2，“电机可变速度信号，电动机起动停止信号”以及用阴影背景指示的Profinet IO通信协议。
这些依赖性也可以以链路L1的标签TA的形式来说明，其中，图9示意性地示出了针对终端设备18和24之间的第一链路L1创建的一个这样的标签TA。标签包括关于链路L1中彼此具有依赖性的软件对象的信息。可以看出，通过链路发送数据的过程控制功能FI，通过链路互连的终端设备ED以及它们的位置LOC1和LOC2，通信参数的通信要求CR，例如定时和信号SI1和SI2的带宽要求以及使用的通信协议。最后还有在终端设备之间使用的通信网络部分的信息，例如通信网络设备和它们之间使用的通信媒介。也可能有这些通信网络元件的通信能力的数据。
如果已经对链路或终端设备和通信网络元件进行了关键性设置，则这也可以被包括在标签中。
就过程控制功能而言，过程控制设备可能需要与更多现场设备进行通信。在这种情况下，可以为该连接提供单独的链路和可选的标签。
用户可以通过改变给定约束来优化系统模型的一部分，例如所需的链路(路径)的数量、冗余链路、冗余原理、环大小、服务器或网络节点等，直到针对网络所建模KPI符合源自通信要求的KPI。
当所有的网络建议都已经完成时，用户可以接受其中的一些或全部，并拒绝其他。如果基础设施发生变化，它将反映在系统模型中。
一旦用户进行了选择并且网络规划用户接受了所建议的基础设施，为端对端链路所做出的通信网络元件、终端设备、功能和信号在系统模型中存储为彼此有参照。它们可以有利地存储为定义终端设备、它们的功能和信号以及通信网络元件的软件对象。依赖性可以存储为指针，其中一个软件对象中的指针可指向另一个软件对象。定义这些软件对象的代码可以有利地提供在问题调查设备35的存储器38中。备选地，它可以存储在数据库16中。应当认识到，指针仅仅是一种可以提供依赖性的方式。
一旦确定了最终系统模型，则可以使用对应于最终系统模型设计中定义的虚拟基础设施元件的真实基础设施元件来建立对应的真实系统。
例如，一旦确定了通信网络的系统模型，则可以为模型中的每个对象(终端设备和网络元件)导出配置参数，并将每个相应对象的配置下载到根据系统模型构建的真实网络中。因此，为每个路由器、网桥等计算配置，并将这些配置下载到网络中的每个(唯一)部件中。通过从系统模型中获取设备参数，有一个参考点或数据入口。从而可以轻松找到并解决设备参数与预期设计之间的不一致性。
在实际实现的过程控制系统10中可能会出现问题。例如可能发生故障，例如电缆损坏或交换机故障，或者信号可能太慢或者不满足带宽要求。可能很难确定真正的通信网络中哪里出现问题。但是，当发生这样的故障时，通常通信参数可能会导致不满足针对该参数建立的通信要求。这可能反过来被用来定位问题发生的地方。根据本发明的各方面可以通过在系统模型中关于上述通信参数进行调查来识别问题的可能原因。
这可以用于确定是否存在故障或者系统的某些部分是否偏离系统要求，例如，如果为某个过程控制功能设置的通信要求未被满足。当存在这种偏差时，通信要求与相应的系统性能之间存在差异。
现在将参照图10来描述处理差异的一种方式。图10示出了定位系统差异的可能根源并由问题调查设备35的根源分析单元46执行的方法中的多个方法步骤的流程图。
在进行根源分析之前，根源分析单元46可以就网络布局配置和拓扑图来扫描实际的通信网络，诸如找出哪些实际过程控制设备连接到什么实际中的通信网络元件并将其映射到虚拟终端设备和虚拟通信网络元件以便找到真实通信网络和系统模型的通信网络之间的对应关系。扫描还可能涉及扫描一个或多个资源文件，一个或多个资源文件详细说明规划中的自动化过程控制功能，并将这些文件与扫描的网络进行比较。该映射可以更具体地包括识别上述通信链路。备选地，有可能在实施真实通信网络时已经进行了这样的映射。另一个可选步骤是扫描网络布局并比较布局和配置。
当要进行根源分析时，问题调查设备35可以获得至少一个通信参数偏离相应的通信要求的指示(步骤50)。这可以通过问题调查设备检测过程控制系统中的指示来实现。它也可以从过程控制系统中可提供的单独的系统监测单元接收这样的指示。在一个变型中，该偏差是在实际通信网络中检测到的实际通信网络性能与通信要求的偏差，并且从实际过程控制系统10输出到问题调查设备35。例如可能地，与一个或更多通信参数的通信要求的偏离从过程控制系统10报告给根源分析单元46。通信参数可以是与在过程控制系统中、在真实的过程控制计算机18中的应用的控制下运行的过程控制功能有关的通信参数。例如可以从真实的操作员终端12或从真实的过程控制计算机18导入差异报告形式的这种指示。
偏差可以是关于其范围之外的通信参数的关键性能指标(KPI)，例如具有太高时延或甚至缺失的信号。它也可能是带宽过于有限。
报告还可以可选地提供关于通信要求在哪个过程控制功能失效的信息。
此后，根源分析单元46调查关于通信参数的系统模型中的链路。调查可以更具体地涉及识别链路，其中参考了通信参数(步骤52)。如果以上述方式为链路提供了标签，则可以调查这些链路以找出他们是否提及通信参数。因此调查可能涉及问题调查设备35获得参考检测到偏差的通信参数的链路的标签。可能地，过程控制应用提供的只有一个过程控制功能使用通信参数。然后可以通过知道哪些通信参数不满足通信要求来确定有问题的应用。在这种情况下，仅获得与执行该特定功能的应用关联的标签。
如果标签未用于指示通信要求，则根源分析单元46可基于首先找到参考通信要求的虚拟设备并随后识别包括虚拟设备的链路来定位链路。
在两种情况下，一旦找到涉及所讨论的通信参数的链路，链路的调查就可能结束。备选地，可能会调查所有链路。
问题调查设备35然后调查关于通信网络元件在步骤52中获得的链路。由此识别对链路的功能有贡献的通信网络元件(步骤54)。这可以通过识别参考通信参数的被识别的链路的通信元件来完成，哪些元件是用于对偏差负责的候选。网络元件有可能直接参考通信参数，例如通过包含指向通信参数的指针。网络元件也可能具有间接参考，因为链路中的一个设备具有对通信参数的参考，并且网络元件包括指向该设备的指针。链路的调查因此可以是关于链路经过哪些通信基础设施元件并且同时参考通信参数的调查。
此外，链路的调查可以被看作是对虚拟信号轨迹的研究，即信号(或任何通信)通过系统模型中的网络的部件、功能和层所经历的路径。
如果例如在链路L1的闭环控制功能中的电动机起动停止信号的延迟太高，则这意味着第一、第二和第三通信媒介CM1、CM2和CM2以及第一以太网开关48和第一远程IO设备20都将是导致偏差的候选者。
此后，问题调查设备35的根源分析单元46在步骤56进行对通信网络元件上的偏差的影响的可选调查。这可涉及调查通信参数的类型和差异的类型，并基于类型调查估计候选通信网络元件。不同类型的通信网络元件对于不同类型的偏差可能具有不同的概率。如果在多个通信参数中存在差异，则影响的调查可能涉及调查网络元件参考的通信参数的数量。在信号的情况下，调查可以涉及识别偏离相应通信要求的信号的多少，例如偏离由所识别的通信网络元件参考并由此通过所识别的通信网络元件的KPI。
然后可以根据调查(步骤58)例如根据哪个元件具有通过它们的偏离KPI的最高数量和/或分数或者基于类型调查来对元件进行排名。不同的网络元件也可能具有不同的故障概率。排名可以作为替代或者另外基于网络元件类型的统计故障概率。通过这个排名可以获得偏差的可能原因和概率的顺序。
之后，根源分析单元46可以基于步骤54中的网络元件调查并且可选地还基于在步骤56中的影响调查，指示至少一个通信网络元件作为偏差的可能原因。这可以是通过显示具有作为偏差原因的最高概率的一个或多个通信网络元件来完成，步骤59。顶部列表因此可以经由用户接口42呈现给故障排除用户，该用户接下来可以替换一个或更多的排名最高的元件。
由此可以快速且简单的方式定位故障通信网络元件，这在过程控制系统和通信网络既大又复杂的情况下尤其重要。这使用户能够在解决根本问题的方案上下工夫，而不是处理可能存在的大量潜在问题。
问题调查设备35因此识别两个终端设备之间的端到端路由中的通信参数差异或“问题”，例如，KIP的不达标，可能通过使用通信网络的过程控制功能通知QoS不合格，并且已经研究了两个终端设备之间的链路中的软件对象的依赖性。问题调查设备35然后识别哪个通信媒介和/或节点在技术上可以负责(在此排除可从根源分析和用户视图中排除的潜在的大量链路和节点)；理想情况下，它也将原因最可能来自的链路和节点排列。
如果存在关于通信网络元件的关键性设置，那么也可能的是，在指示可能的根源的同时，指示作为偏差的可能原因的通信网络元件的关键性。
在此可以提到的是，根源分析单元46可以将参考相同通信参数的通信网络元件放置在公共组中，并且仅向用户显示该组中最高排名的通信网络元件。这意味着在参考偏离的通信参数的所有通信网络元件中，仅可以显示被认为是最可能的偏差原因的那个。这具有消除多余信息的优点，并因此更快地识别偏差的根源。
有可能在系统模型中使用关于根源分析的各种类型的模拟。例如，可以将系统模型中的通信基础设施元件设置为故障。问题调查设备35然后可以指示受影响的链路。也可以指示受影响的信号以及受影响的终端设备和过程控制功能。因此可以评估用于过程控制系统的功能的故障通信网络元件的严重性。如果故障通信网络元件与关键性设置相关联，则可以进一步强调其严重性。
因此，可能在系统中将被识别为最可能具有故障或配置问题等的通信媒介或节点指示为故障，例如线路故障或设备故障。问题调查设备35然后还可以生成与要检查的路线相关联或者是其一部分的一系列项目或部件；可选地，问题调查设备35将所设计的网络的网络KPI与针对问题情况的相关KPI进行比较。
问题调查设备35可以在图形显示器或界面上识别和显示由一个或多个过程控制功能中的每个过程控制功能使用的网络部分，可选地在显示器上具有用于参考通信媒体的标签和/或节点、功能设备、网络功能、网络设备和其他元件的标示符，并生成要检查的项目列表。
使用模拟的另一种方式是通过将错误、干扰或异常注入到系统模型的通信网络中，通过记录测量、结果的计算或模拟来监视系统模型对异常的响应，以及此后调查响应是否偏离通信要求。由于问题调查设备35知道参考网络元件以及所需KPI的应用，所以它可以通过引发特别苛刻的情况来使用这些知识来“挑战”通信网络；它可以例如通过在主通信连接中注入故障而触发冗余机制，然后验证网络的实际重新配置时间。订阅规划元件可用于显示离线过程控制功能部分的性能KPI；或者可以使用对实际在线值的订阅来实时显示过程控制功能的性能KPI，具有可视化所设计的网络部分的比较值的选项。
引入的异常还可以用于确定根源分析单元46的有效性。例如可以通过将系统模型中的虚拟网络元件设置为故障或断开来引入异常。根源由此是已知的。系统对引入的异常的响应于是将导致通信参数不能满足相应的通信要求，例如根本没有接收到信号。因此，在这种情况下，偏差的指示可以作为系统对引入的异常的响应而获得。
根源分析单元46然后调查具有参考通信要求的网络元件的链路，并且更具体地调查具有引入的异常的网络元件是否被指示为偏差的可能原因并且可能是最高排名的元件。如果是，则根源分析单元46令人满意地操作。然而，如果已知网络元件不是候选者，则根源分析单元46的操作可被认为是不可靠的。
以这种方式，可以在特定网络的环境中测试问题调查设备。事先可以确定过程控制系统中可能发生的通信网络问题是否可以被检测到，以及可能检测到哪些问题以及哪些是不可检测的问题。
问题调查设备35还可以为SAT(现场验收测试)提供额外的支持。如上所述，问题调查设备35可以比较规划和建模网络的网络性能和KPI与来自竣工网络的扫描信息。这一方面可用于SAT，其中针对每种情况，调查竣工的安装网络的KPI，并与所选参数值和/或与针对规划模拟网络计算的KPI进行比较。将针对SAT的每个测试案例进行一次或多次测试，其中包含与每个预期的操作活动相关的一些输入数据。这可以扩展到检查竣工网络(骨干部分、数据库部分、无线链路、无线网络)的选定部分和/或根据所选自动化应用的使用情况。当检查段中的通信业务量时，可以确定/计算/检索端到端通信路由中的每个功能部分的参考并将其显示给用户以识别可能包含问题的“根源”的网络对象或故障。然后更仔细地检查网络对象并调整配置。
通常可以执行与关于根源分析的描述的模拟不同的其他模拟。
例如可以选择通信网络的一部分用于分析，然后模拟如此选择的网络部分中的数据通信参数，利用关于受一个或多个过程控制功能中的一个所控制的过程中的运行的输入数据执行至少一个测试，记录在至少一个测试期间在模拟中发生的任何警报和/或事件，识别至少一个警报和/或事件并将其与关键性定义相关联，以及对于关键性具有大于预定值的每个警报和/或事件，进一步显示具有关键性指示符的警报并生成警报信号。
还可以对由系统模型产生的网络布局配置执行自动验证。验证可能包括测试，例如注入虚拟干扰，然后验证系统是否仍然符合规范。然后可以评估测试或验证的结果，并将其与关键性度量表和由视觉和/或音频信号生成的一个或多个警报相匹配。其他变化可能包括在交换机或路由器故障时验证可用的替代路径。其他验证也是可能的，例如，用于验证广播域。
网络问题也可以使用规划中定义的规则集映射到关键性层次结构。如前所述，用户可以定义网络元件的关键性。备选地，用户可以在功能节点上、即在涉及过程控制的终端设备上定义关键性，例如通过从项目描述文件中导入它。备选地，用户可以为过程控制功能分配关键性，在这种情况下，可以将相同的关键性分配给功能中使用的终端设备，并且还分配给功能在通信网络中所使用的网络节点和通信媒介。
如上所述，问题调查设备35可以与网络扫描工具和功能描述资源进行通信，以对由系统模型产生的网络布局配置执行自动验证。
扰动的注入也可以用于调查一个或多个通信参数是否满足为过程控制功能设定的通信要求。描述了一种确定系统模型的方法。应该认识到，还有其他方式可以确定系统模型。确定实际通信网络的系统模型的其他方式之一是执行实际通信网络的拓扑扫描，并相反地尝试猜测应用或至少逻辑网络功能。
确定通信网络的系统模型的另一种方式可以是通过将网络功能从参数上载而扩展出设备，即以相反的方式并且导出至少逻辑网络功能。甚至有可能猜测过程控制功能。
这可以通过以下方式完成。首先运行物理拓扑扫描。然后上传设备参数。
例如，可以从这些读出IP地址、端口上的总线标识符、介质访问控制(MAC)过滤器、虚拟局域网(VLAN)标识符等，可能推断网络功能，例如因特网协议(IP)网络。
过程控制功能可以从扫描将找到的任何证据来估计。以段彼此连接或具有预留的时间或带宽资源的终端例如可以是朝向高采样频率和闭环控制的指针。可以用于估计的其他情况包括检测任何特定类别的过程控制计算机对象或标签类型或其他可识别通常“使用”标签的应用的“类型”的其他内容。例如可能有安全指示符，例如EX爆炸关键厂房区域或功能。
通常，可以查看设备的类型(出于上述原因而没有读取其功能配置)；然后将其与已建立的网络连接(段、防火墙孔、MAC过滤器)相结合以获得对应用和应用连接的估计。
然后，用户可以通过添加QoS信息，分离或组合单独的应用等来改进估计。
因此扫描网络拓扑并且扫描的结果用于获得网络功能的假设。这是通过数据分析完成的，例如将资源配置与典型应用模式进行匹配。例如：当现场仪表和过程控制器以及网络连接、冗余环和虚拟局域网(VLAN)被发现时，可以高确定性地估计哪些设备与哪个控制器对话以用于闭环控制应用。对于配置为将视频摄像机连接到服务器的网络，也可以做到这一点。
由于问题调查设备35还包括为什么推断任何事物的原因，因此用户也可以理解估计并追踪它出错或必须添加细节(例如，来自客户规范)。用户可以例如具有关于正在运行的应用的非机器可读信息。如果算法得出错误结论，用户可能会找出原因并添加算法基于其结论的遗漏/错误数据。
此外，还可以根据逻辑位置(诸如建筑物、房间、机柜、过程区域等)执行根源分析。
本发明具有几个优点。过程控制功能与通信网络元件相关联，现代通信协议的分层被利用，以便自动确定可能的根源。随后可以以自动方式对最可能的根源排名。
因此，过程控制系统的停机时间可能受到限制。可以快速可靠地找到网络问题，减少停机风险，或减少过程或过程相关功能的实际停机时间。从而整个过程控制系统也变得更加可靠。
根源的定位可以在不依靠经过专门培训的专家的情况下完成。
以上仅参考过程控制来描述本发明的各方面。应该认识到，通信网络也可以用于使用通信基础设施的辅助功能，例如(例如，电信、视频)。这里上面描述的简档也可以用于这种辅助功能。
如前所述，问题调查设备可以以一个或多个处理器的形式与包括用于执行其功能的计算机程序代码的计算机程序存储器一起提供。该计算机程序代码还可以在一个或多个数据载体上提供，该数据载体在程序代码被加载到形成问题调查设备的计算机中时执行问题调查设备的功能。具有计算机程序代码40的一个这样的数据载体60以CDROM盘的形式在图11中示意性地示出。这样的计算机程序可以替代地在另一个服务器上提供并由此下载到问题调查设备中。