用于连续分析现场总线网络传输质量的方法

专利名称：用于连续分析现场总线网络传输质量的方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的、用于连续分析 自动化技术设备中的现场总线网络的传输质量的方法。
背景技术：
在加工工业中，在现场层面采用了用于在现场设备和主系统之间 进行数据交换的标准现场总线。其中在这一工业部门中占主导地位的是基础现场总线(FF)和PROFIBUS。这两种总线都建立在根据 IEC61158-2的相同物理层基础上。在自动化技术设备中，实践中部分来自不同制造商的多个设备工 作在一个工作段或部分上。与迄今为止占优势的4 ... 20mA技术不同 的是，规划、安装、开工投产和维护对于规划人员、建设人员和运营 人员提出了更高的要求。简单的布线故障，如短接、断线或交叉连接， 如它们先前由于大量信号而发生，在现场总线网络中能够被相对容易 地发现和纠正。
更为严重的是错误的铺设、有缺陷的安装以及在设备工作时缺乏 控制所带来的结果。规划和铺设领域内典型的故障例如表现为过大的 导线长度、 一个工作段内过多的设备或者测得的供电电压太弱。
安装中典型的故障例如是缺少电势均衡或电势均衡不足，或者是 现场总线电缆的屏蔽和接地存在故障。很难使这两种总线协议在设置条件和参数时部分地具有很大的 回旋余地，这导致元件之间的兼容性"很差"。而如果要由用户来避免上述问题，则用户既不能影响设备之间的 不兼容性，也不能排除这种不兼容性。通过协议中的安全机制，如数据重建或报文重复，对于用户而言
上述的大部分故障能够得到抑制，可以忽略不计。在大多数情况下， 设备在多次校正后能够承担其工作，而用户不会意识到实际的传输质 量，从而没有得到保障的可靠性。通常故障随着时间而增长，尤其是 在设备扩建时，规划和首次安装时的缺陷是值得注意的。但这是与扩 建相关联的，因为设备问题在此之前并没有显得很突出。如果在开工期间没有出现突出的问题，则通常不再进行测量，用 户信任设备的容错能力。在最好的情况下，开工投产伴随着一个移动 的总线监视器，并在得到满意的统计结果后交付使用。这些测量在时 间上是受限的，并由专家来实施。基于经验，设备变得规模很大，也就是说，被设计为具有大量的预留(Reserve)，而没有充分利用现有的潜力。与此相应地，网络的 开销很大。缺少关于传输质量的连续信息的后果是，只有在已知故障的情况 下才能对网络进行没有计划的分析。在设备扩建时，安装新的网络从而不会危及已有的功能，因此在 网络中不存在关于预留的基本信息。发明内容因此本发明的任务在于连续地确定现场总线网络中的传输质量。根据本发明，该任务通过权利要求1所述特征来解决。本发明的 有利实施例在从属权利要求中给出。本发明由一种有多个现场总线参与者的现场总线网络出发，这些 现场总线参与者通过所述现场总线网络彼此通信。本发明还由下述经验出发，即现场总线网络中的传输质量受到多 种参数的影响。根据本发明，由在现场总线网络上传输的传导信号获取可直接测 量的逻辑和物理总线参数，并以可预先给定的回溯性 (Retrospektivitat)对其进行存储。由测得的总线参数导出工作参数， 其中所述总线参数被加权，并将加权后的总线参数与工作参数彼此结
合。其中一个总线参数的定量权重以函数方式通过至少另一个总线参 数动态地确定。得到一个总线参数的权重和其他总线参数的质量之间 的函数关系，其通过任意的复杂数学关系来表示。连续获取并评估通信的逻辑故障及其信号质量的结果是，能够持 续地确定所考察的现场总线网络中的传输质量。具有优点的是，通过 考虑逻辑和物理的总线参数，对于所确定的传输质量能够达到很高的品>^ 。此外具有优点的是，本发明能够以物理表述的形式实现，这对于 处理技术设备的存在爆炸危险的区域是可以允许的。从而也可以实现 在终端设备附近的测量。根据本发明的另一特征，通过与至少一个另外的工作参数和/或 至少一个另外的总线参数加权结合，由所述工作参数形成了其他工作 参数。有利的是，在确定工作参数时具有较高透明度的情况下，对影 响参量的多级处理允许通过简单的计算步骤来实现。根据本发明的另一特征，根据模糊算法由总线参数来确定至少一 个工作参数。具有优点的是，通过该特征以快速的方式确定了现场总 线网络的传输质量。根据本发明的另一特征，所确定的工作参数被记录下来。除了表 明所观测的现场总线网络中的传输质量之外，还对该传输质量进行存 档。通过这种方式，与网络运营商相比，在安装或维护之后能够得到 其状态。
具体实施方式
下面借助于具体实施例详细说明本发明。由具有多个通过现场总:发，由在现4总线网ii传输的传导信号连续地获取可直^^量的5
现场总线信号以电子方式被釆集，并首先确定其直流电压分量。 利用统计方法对直流电压分量做进一步处理，并通过这种方式来确定 极值和均值。所述极值是通过现场总线指标来确定的，相应地反映了 在一个预先给定的取值范围内的电压。电压波动瞬时值与均值的标准差以及最小值和最大值的时间位置及其幅 度差给出了另外一个总线参数，并且其同样反映在一个规定的取值范 围内。有效信号幅度的均值有效信号的较高的幅度对于通信的可靠性来说是很重要的。所测 得的值反映在一个规定的取值范围内，其中现场总线指标用作标度量。 有效信号幅度的方差即使经常出现"幅度较弱"的故障，有效信号幅度的强烈分散性在 均值方面也可能会导致总体上良好的评价，这可能考虑到了其他远处 的参与者。因此，各个幅度的方差、即强的报文和弱的报文之间的差 同样作为总线参数反映在一个取值范围内。抖动通信信号的抖动、即过零点或信号沿随时间的波动时引起现场总 线网络中故障的一个重要原因。抖动是由于网络中两根导线上的非对 称的、在时间上不连续的偏差而出现的。其原因可能是例如导线上相 对于总的屏蔽(地)存在寄生电容。相对于屏蔽(地)作用在两根导 线上的电干扰脉沖通过两根导线上的不同寄生电容而以不同的强度衰 减，这导致了零线的位移。通过有效信号在实践中呈梯形的信号波形， 导致了过零点的移动。有效信号的不对称性有效信号的准统计零点位移同样作为总线参数被采集. 总线静止时间如果现场总线通信包含4艮高的间歇比例，则 一方面可以从大量的 预留出发。此外如果在统计方面表现出干扰以及在间歇内出现干扰， 也不会导致错误，因为没有报文遭到破坏。平均报文长度在不可靠的通信中，长报文比短报文遭到破坏的概率要高。此外， 当短报文相比于长报文被重复时， 一个完整周期的时间影响较小。为 此要测量平均的报文长度。在其他参数相同的情况下，较高的值会导 致比较短的值更差的评价。参与者的数目网络中共同接入的参与者越多，则发生错误的概率越大。这一方 面在于物理特性，如交流电流负栽或非对称性，另一方面在于设备间 潜在的不兼容性的概率增加。因此已知参与者的数目对于形成最初信 息来说是一个非常重要的参数。报文错误一系列单个的错误被称为报文错误。总的来说，使得接收器不能 对数据进行解码。可能的单个错误例如为在信号中缺少或增加了信号 沿、校验和错误、不希望的长度、不希望的地址或类型。重复报文根据总线协议，发送器可以确定由它所发出的消息是否已达到接 收器，或者是否由接收器正确解码。频繁的报文重复是传输质量较差 时的显著标志。其中可能会出现这样的情况即特定的接收回路能够 对接收到的报文进行正确解码，而被询问的参与者则不能；或者是在 相反的情况下，特定的接收将报文归类为存在错误，而被询问的参与 者则不能。在观察到报文重复时这两种情况都有可能发生。确定工作参数是通过将总线参数加权结合起来而实现的。所实施 的专业知识对总线参数的质量有决定性的影响。这可以在结合的工作参数和权重质量中体现出来。周期性地确定传输质量和预留作为工作参数，其中在本公开的范 围内，"预留，，这一术语应理解为在保持通信的情况下允许传输质量下 降的措施，总线参数与工作参数的结合最好以多级方式实现。首先，通过将 总线参数结合起来而形成中间量。其中要考虑到一个特性对于其他特 性的意义和权重。在本发明的一个实际的实施例中可以看到，为了由上面给出的量确定传输质量，可以测量下列参数-参数a:直流电压分量 -参数b:报文重复率 -参数c:信号沿陡峭程度 -参数d:参与者的数量 所有的数值首先在一个单位取值范围0 ... 100内被定标。标度是 对于参数特定的，既可以是线性的也可以是非线性的。这样，参与者 的数目在0 ... 10个参与者的范围内被线性映射到100 ... 0的目标范围 上，超过10个参与者同样变为目标值0。对于所有标称工作参数均适 用的是0是最差的值，100是最好的值。通过加权相加由标称工作参数得到传输质量X:X = A*a + B*b + C*c + D*d， (1)其中对于权重系数A， B, C和D，有A + B + C + D = l。 (2)尽管在参与者数目d很大时用较小的信号沿陡峭程度c来进行计 算时，在相同的传输质量X和较小的参与者数目d的情况下将会得到 较高的信号沿陡峭程度c。在此之后，所期望的信号沿陡峭程度c是 参与者数目d的函数，即c， = f(d)。这种相关性在用于确定传输质量 X的权重系数A， B， C和D中表现出来。在参与者数目d较小的情 况下，认为信号沿陡峭程度c对传输质量X的影响较大，其中为权重 系数C分配一个较高的值。其结果是权重系数C成为参与者数目d 的一个函数C-f(d)，其中C d。通过等式(2)，权重系数A， B和D也成为参与者数目d的函 数，其中至少权重系数A， B和D之和随参与者数目d的增加而下降， 即A + B + C l/d。除了严格的分析或统计方法之外，也可以采用模糊算法.根据模 糊算法，当直流电压分量"很小"而报文重复数"很高"时，传输质量被归类为"低"。而根据分析方法，当直流分量<10￥而报文重复数>50% 时，传输质量被归类为"低"。在按照计算规则进行分析计算之后，得 到了质量级别的定量结果。根据相同目的的统计方法，将当前所确定的总线参数分别与所存 储的长期均值进行比较，在一个或多个参数存在强烈偏离的情况下， 传输质量降低。这种在时间上的降低可用于故障的预测识别。此外，可实现对权重的适应性干预。这可以以人工或自动的方式 实现。当在网络中采用非常可靠且容错性很强的设备时，在不利的条 件下、如电压很低或有效信号不对称时，也很少发生报文重复。由于 这些因素同样也被考虑到了，因此对该网络给出了较高的预留。为了避免大范围参数化而使用该系统，在一个学习阶段可以自动 得到网络的特定特性。在这个学习阶段中，所有参数被周期性地存储， 可能是通过形成均值来实现。在学习阶段结束后，将目前的值与所学 习到的值进行比较。根据比较结果来确定改变程度和趋势，即设备特 性是否发生了改变以及如何改变。通过这种方式，用简单的手段就能 获知设备的改变情况。尤其是可以根据构造措施来评估设备的特性关 系。总而言之，在开工期间以及在工作期间，用户得到了关于通信中 传输质量的结论，并从而获知了其现场总线网络的可靠性。在各个设 备偶尔发生故障之前，存在的问题可以被预先识别和分析。通过这些 次要信息，能够快速定位故障来源。由此，在特定的时刻或特定参与 者或子网络的情况下，能够识别出累积的情况。本发明在物理表述上可实现为单片机，它可以安装在网络中任意 适当的位置处。这种安装可以是持久的也可以是临时的。在一个作为替代的实施方式中，建议将本发明的特征实现为已有 设备的一部分。为此尤其适合的是工作段耦合器或链接设备，但不限 于此。通过在网络中分布式地设置多个根据本发明所实现的装置，通过
将各个数据结合起来能够实现对网络状态的更好的诊断分析。通过以下方式可以局部限定网络中的故障通过将来自分布的多 个检测器的信息结合起来， 一个在有许多接收器的情况下会导致故障 的弱发送器同样是可识别的，就像在非常多的报文都存在错误的弱接 收器那样。适当的诊断分析是通过将通信中的物理特性以及逻辑特性结合 起来而实现的。为了精确地分析和发现干扰，提供了次要信息，如错误累计(关 于时间或设备)以及各个事件的统计信息(例如特定事件，如参与者 故障、利用时间戳的新参数化等)。
权利要求
1. 一种用于连续分析具有多个现场总线参与者的自动化技术设 备中的现场总线网络的传输质量的方法，其中所述多个现场总线参与 者通过所述现场总线网络彼此通信，其特征在于，-由在现场总线网络上传输的传导信号获取可直接测量的逻辑和 物理总线参数，并以可预先给定的回溯性对其进行存储，-由测得的总线参数导出工作参数，其中所述总线参数被加权， 并将加权后的总线参数与工作参数彼此结合，并且-一个总线参数的定量权重以函数方式通过至少另一个总线参数 被动态地确定。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，通过与至少另一 个工作参数和/或至少另一个总线参数的加权结合，由所述工作参数形 成其他的工作参数，
3. 根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其特征在于，至 少一个工作参数根据模糊算法由总线参数所得到。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，加 权后的总线参数借助于统计方法由其时间序列所得到。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将 要加权的总线参数借助于统计方法由其时间序列所得到。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所 得到的工作参数被记录下来。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所得到工作参数 被记录为时间序列，
全文摘要
本发明涉及一种用于连续分析具有多个现场总线参与者的自动化技术设备中的现场总线网络的传输质量的方法，其中所述多个现场总线参与者通过所述现场总线网络彼此通信。根据本发明，由在现场总线网络上传输的传导信号获取可直接测量的逻辑和物理总线参数，并以可预先给定的回溯性对其进行存储。由测得的总线参数导出工作参数，其中所述总线参数被加权，并将加权后的总线参数与工作参数彼此结合。其中一个总线参数的定量权重以函数方式通过至少另一个总线参数被动态地确定。
文档编号H04L12/40GK101146011SQ20071014169
公开日2008年3月19日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年9月12日
发明者彼得·伍德, 蒂洛·默林 申请人:Abb专利有限公司