具有改进的自动配置的现场通信接口的制作方法

本发明涉及一种用于具有改进的网络自动配置的工业控制系统的现场通信接口以及用于这种接口的相应管理单元。

背景技术：

在工业控制系统中，现场设备通过控制系统的网络被远程配置和控制。现场设备只有很少的(如果有的话)手动控制(例如按钮)。现场通信接口fci使得现场设备能够加入网络，使得现场设备可以在控制系统的控制下执行其工作。

为了加入网络，fci需要有效的网络地址。当安装新的fci时，它无法知道其初始网络地址。

以前，本地安装在fci上的dip或旋转开关通常用于配置初始网络地址。作为更舒适的替代方案，fci可以提供基于web的配置接口，其可以通过将服务计算机经由有线或无线服务工具连接件本地连接到fci来访问。

这些手动配置初始网络地址的模式具有若干缺点。手动配置是耗时的并且容易出错，并且每当有缺陷的fci被替换为新的fci时必须重做。此外，因为手动配置通常在fci的寿命期间仅执行一次，所以额外的dip或旋转开关或单独的维修工具连接件的成本大多被浪费。网络配置的所有后续更改将通过工业控制系统实现。

初始网络地址还可以通过使用诸如dhcp的公知网络服务的集中式网络单元自动分配。然后，fci由其网络接口的唯一mac地址来标识。然而，控制系统之后没有办法知道哪个现场设备由fci服务，因此新的fci的大量配置仍需手动完成。由于mac地址是全局唯一的，因此当替换有缺陷的fci时，新的fci将具有不同的mac地址，并且必须重做手动配置工作。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是改进用于fci的初始网络地址的自动配置，特别是在用新的fci替换有缺陷的fci的情况下。

为此，提供了改进的fci和相应的fci管理单元。

本发明提供了一种现场通信接口fci，用于将现场设备接口连接至工业控制系统的网络。现场设备可以是用于与工业过程交互或监控工业过程的任何类型的设备。例如，它可以是测量一些诸如电压、电流、温度、力或压力的物理量的任何合适类型的传感器。例如，它也可以是任何合适类型的执行器，例如阀、继电器、开关或电机。

fci包括网络接口，其可以是有线或无线接口。网络可以是任何合适的类型。优选地，网络是以太网网络，并且最优选地，其是根据profinet标准的工业以太网网络。网络可以采用任何合适的协议以用于工业控制系统的实体之间的通信。最优选地，网络采用ip协议，使得可以例如通过tcp连接和udp数据报来实现通信。ip网络可以使用ipv4和/或ipv6地址，并且这些地址可以例如是仅在工业控制系统的网络内有效的专用地址，在互连多个站点的虚拟专用网络中有效的地址，或者可从互联网访问的全局可路由地址。

根据本发明，fci还包括位置确定单元。该位置确定单元被配置为确定唯一地标识fci在工业控制系统内和/或网络内的物理位置的位置标识符。fci还包括地址确定单元，其被配置为由位置标识符确定在工业控制系统的网络中有效的网络地址。

发明人已经发现，出于物理原因，fci是在工业厂房的寿命期间必须多次更换的消耗品。fci的网络接口包含收发器，其必须提供用于在有线或无线链路上传输的特定发射功率。在存在高功率的情况下，存在热量，并且热量将不可避免地导致半导体部件随时间的老化。因此，fci具有有限的使用寿命。实际的现场设备的使用寿命可能长得多：例如，传感器中的功率耗散以及因此产生的热可能比fci的收发器中的低得多。现场设备中的执行器可以使用比fci的收发器高得多的功率，但是那些执行器通常以比fci的收发器小得多的工作周期来供电。例如，阀执行器可以每天仅活动几次，每次几秒钟。此外，执行器中的部件可以比fci的收发器更不容易由于热而逐渐老化。

另一方面，fci通常仅安装在在工厂的设计期间固定的多个离散位置，并且不会改变。因此，在fci的物理位置和该fci应服务的现场设备之间大多存在一对一的相关性，因此fci的物理位置与这个fci在工业控制系统中执行的功能之间也是一对一的相关性。

根据本发明，当在相同物理位置中用新的fci替换有缺陷的fci时，新fci的位置确定单元将确定为与旧fci的位置确定单元先前确定的位置标识符相同的位置标识符。因此，新fci的地址确定单元将向新fci分配与旧fci的地址确定单元向旧fci分配的网络地址相同的网络地址。因此，像旧fci所做的那样，新fci将用相同的初始网络地址自动向网络报告。更换fci不再需要手动配置初始网络地址。

fci的物理位置可以通过任何合适的手段来确定。该确定仅需要足够精确，使得工业控制系统中被配置为接收fci的所有位置可以彼此区分。除此之外，确定仅需要足够的可再现性，使得当旧的fci被替换为新的fci时，新的fci将被可靠地识别为处于相同的物理位置。

例如，位置确定单元可以包括地理定位单元，其被配置为根据由多个地面发射机和/或轨道发射机发射的无线电信号来估计fci的物理位置。例如，可以估计gps、galileo、glonass或一些其他基于卫星的地理定位系统的无线电信号。为了在没有卫星接收的地方定位fci，可以使用地面发射机。例如，这样的发射机可以安装在工厂建筑物的室内以提供该建筑物内的fci的短距离地理定位。

为了确保再现性，可以采用借助于地理定位确定的位置坐标的适当离散化。例如，如果工厂中没有可以接收fci的靠在一起的两个位置比3米更近，并且位置坐标被离散化为1米计算的1米的精度，则这些位置仍然可以明确地彼此区分，但是坐标中的小测量误差将不会导致确定不同的位置标识符。因此，有利地，位置确定单元另外被配置为将从估计获得的物理位置离散为比工业控制系统中适于接收fci的任何两个位置之间的最短距离的一半更精确的精度。

作为替代或组合，位置确定单元可以包括映射单元，其基于物理位置是否在分配给位置标识符的特定区域内，将物理位置映射到位置标识符。分配给不同位置标识符的区域不应重叠。例如，如果在工厂中存在可以接收fci的几个位置，并且这些位置中没有靠在一起的两个位置比3米更近，则在可以接收fci的位置周围的直径为2.5米的圆内的所有物理位置可以被分配给与该位置相对应的位置标识符。

在本发明的另一有利实施例中，位置确定单元包括被配置为询问现场设备和/或用于接收和/或容纳现场设备的永久安装的安装和终端单元mtu的唯一特征的询问单元。

如前所述，工厂通常包括可接收现场设备的多个离散位置，并且这些位置通常在设计和建造工厂时确定。即使实际现场设备可能需要升级或更换，一旦接收和/或容纳现场设备的mtu安装在离散位置之一中，这可以永久地待在那里。因此，术语“永久安装”不意味着mtu以不能被非破坏性地释放的方式安装在其位置。相反，该术语被解释为意味着不太可能在设备的寿命期间将需要再次移除mtu。

如果mtu被永久安装，并且它具有可以由询问单元询问的一些唯一特征，则在该特征和mtu的物理位置之间将存在一对一的相关性。因此，位置确定单元能够从唯一特征导出期望的位置标识符。具体地，该唯一特征可以用作位置标识符。

以相同的方式，现场设备的唯一特征可以由询问单元询问。例如，可能存在没有mtu的现场设备。可以以类似的方式利用该唯一特征。mtu的唯一特征和现场设备的唯一特征之间的唯一相关区别在于，在设备的寿命期间，现场设备更有可能被新的设备替换，因为它可以包括具有有限的使用寿命的移动部件和其他部件。然而，如前所述，现场设备的更换频率远远低于fci。

该唯一特征可以是已经有意地应用于mtu或现场设备的特征。这样的特征可以例如是唯一的序列号或其他代码。然而，唯一特征也可以例如是在mtu或现场设备的制造期间创建的随机变化特征。例如，可以存在随机纹，当用来自询问单元的激光束照射时，其产生独特的散斑图案。

在本发明的特别有利的实施例中，询问单元包括从固定到mtu和/或现场设备的机器可读数据载体读取唯一特征和/或位置标识符的装置。数据载体可以采取任何合适的形式。该唯一特征和/或位置标识符可以例如存储在可以使用有线连接读出的诸如rom或prom的存储器中。它也可以例如存储在可以借助于无线电波询问的应答器中，例如rfid或nfc应答器。唯一特征和/或位置标识符的光学可读表示也可以用作机器可读数据载体。

优选地，fci还被配置为从工业控制系统接收用于fci和/或用于现场设备的配置参数。由于在fci的确切位置与fci和相应的现场设备应当服务的确切目的之间存在一对一的相关性，所以在所述确切位置与fci和/或现场设备开始正常操作所需要的配置参数之间也存在一对一的相关性。由于配置参数经由工业控制系统设置，而不是通过直接冲制到设备本身的按键上，fci所具有的配置参数不仅存储在fci本身中，而且还存储在工业控制系统的其他位置中。因此，如果fci废弃了，这些参数仍然可用。如果废弃的fci被新的fci替换，则工业控制系统可以识别该fci代替废弃的fci并且向其提供正确的配置参数。以这种方式，当fci需要被替换时，除了废弃fci的物理替换之外，一点不需要本地用户与新fci的交互。

该自动配置可以例如借助于本发明的实施例来实现，其中fci还包括用于存储位置标识符的非易失性存储器。fci被配置为在fci通电时将由位置确定单元获得的位置标识符与存储在非易失性存储器中的位置标识符进行比较。那么发生什么取决于这个比较的结果。

如果非易失性存储器不包含位置标识符，则这意味着fci是新的fci。然后将由位置确定单元获得的位置标识符存储在非易失性存储器中。由于fci是新的，并且之前未配置，因此需要进行配置。

如果由位置确定单元获得的位置标识符不同于存储在非易失性存储器中的位置标识符，则这意味着fci先前已经被使用并且被配置在不同的位置。由于在此fci的新位置将需要不同的配置，所以旧配置不再可用。fci将新获得的位置标识符存储在非易失性存储器中，并忽略其先前的配置。它需要一个新的配置。

无论哪种方式，fci随后从工业控制系统检索配置参数。除非位置首次配备fci，否则fci将代替上一个，因此系统中将提供对应于fci位置的一组配置参数。可选地，可以实现附加校验以验证配置参数与新的fci兼容并且满足新的fci。例如，fci的升级版本可能具有需要配置的附加功能，因此关于不具有该新功能的先前的一组配置参数可能无法满足使新fci开始正常操作。因此，当与网络链接时，fci可以传送允许标识fci的附加信息，诸如设备类型、版本信息或供应商。

如果配置信息的检索不成功，则fci将在开始正常操作之前等待配置。为了实现这样的配置，通信或应用工程师可以将所需的信息输入到工业控制系统中，工业控制系统将经由网络将其转发到fci。在基于fci的物理位置已经配置了该fci的网络地址的前提下，该fci在网络中可达。

如果比较返回存储在非易失性存储器中的位置标识符与由位置确定单元获得的位置标识符之间的匹配，则确认fci安装在适当位置，并且其当前配置适合于该位置。然后fci开始正常操作。以这种方式，fci在保持安装在相同的位置的状态下将在其被重新开机之后自动地恢复正常操作。

当与网络链接时，需要配置的fci可以将其位置标识符发送到工业控制系统中管理fci和/或现场设备的配置的实体。这是查找一组配置参数是否可用于特定位置的最合适的关键。优选地，地址确定单元还被配置为将位置标识符一对一地映射到网络地址上。这意味着特定的位置标识符将导致分配一个且仅一个网络地址，并且反过来，位置标识符将由网络上的其他实体唯一地从网络地址导出。以这种方式，不需要单独地传送位置标识符。

例如，这种一对一映射可以通过将位置标识符附加到网络特有的地址前缀来实现，从而形成在网络中有效的完整网络地址。例如，如果网络使用全局ipv6地址，则安装了工业控制系统的公司至少将被分配一个/64的网络，其中组成ipv6地址的128位中的前64位标识公司网络。公司可以将该地址空间进一步细分为子网络。例如，ipv6地址的接下来的16位可以标识公司内的65,536个可能的子网中的一个。这些子网络中的一个可以是工业控制系统的网络。在这个/80子网络的所有ipv6地址中，第一个80(64+16)位是固定的，因为它们标识该子网络。剩余的48位可以用位置标识符填充，这允许多于1014个可能的位置。

根据所使用的协议和工业控制系统中所需的应用，fci的配置可以包括其最终网络地址和其他最终通信关系。然而，取决于网络的布局，由fci自动配置的网络地址还可以用作永久网络地址。

为了验证fci安装在正确的位置，可以使fci通过从工业控制系统发送“识别”命令或者例如借助于按钮在fci上直接发出这样的命令来传送其位置标识符。

本发明还提供了一种用于工业控制系统的fci管理单元，其中现场设备可安装在多个离散的位置。至少一个现场设备借助于根据本发明的fci与工业控制系统的网络连接。

根据本发明，fci管理单元包括被配置为保存用于每个离散位置的一组配置参数的数据库。该数据库可通过fci中被配置为确定位置标识符的位置确定单元配置确定的位置标识符查找。

以前，中央管理系统中的配置信息通常与设备的唯一硬件地址相关联，例如以太网网络接口的mac地址。由于所有设备的网络接口，均是在工厂的寿命期间必须相当频繁地更换的部件，通过硬件地址组织的配置信息导致必须重做大量冗余的手动配置工作。因此，通过位置标识符的新组织极大地方便了用新的fci替换fci。

数据库可以另外保存任何其他合适的信息。例如，它可以存储fci管理单元是否已经被每个位置处的fci联系的指示。例如，如果fci管理单元第一次遇到位置标识符，则其可以确定相应位置处的fci需要配置，并且将fci传送到设备寿命列表中以用于进一步的工程工作。一旦fci已经被适当地设计和配置，与数据库中的位置相关联的信息可以被填充附加信息，例如描述fci的标签名称或标签。

因此，本发明至少提供以下商业利益：

·更快速地调试多个现场设备件，无需在本地输入与工业控制系统通信所必需的配置详细信息；

·在工业控制系统和现场设备件之间建立初始通信联系的过程比较不容易出错；

·在没有适当的初始网络配置的情况下，可连接到工业控制系统的“新”现场设备件数量没有限制；

·fci上无需用户可访问的地址开关。

在下文中，使用附图解释和说明本发明，而不旨在限制本发明的范围。

附图说明

图1：具有中央fci管理单元110的工业控制系统100的实施例。

图2：在位置100a的fci1的实施例。

附图标记列表：

1：现场通信接口，fci

1a：fci1的位置标识符

2：现场设备

3：fci1的网络接口

3a：网络接口3的网络地址

4：fci1的位置确定单元

5：fci1的地址确定单元

6：安装和终端单元，mtu

7：机器可读数据载体

8：配置参数

9：fci1中的非易失性存储器

41：位置确定单元4中的地理定位单元

42：位置确定单元4中的映射单元

43：位置确定单元4中的询问单元

100：工业控制系统

101a-101d：系统100中可以安装现场设备2的位置

110：控制系统100中的fci管理单元

120：控制系统100的网络

130：fci管理单元110中的数据库

135：数据库130的查找

具体实施方式

图1示出了工业控制系统100的实施例。系统100包括四个离散位置101a-101d，其中现场设备2是可安装的。位置101a-101d都经由网络120连接到中央fci管理单元110。

在位置100a中，安装现场设备2，并经由其fci1接口连接至网络120。fci1经由网络120向fci管理单元110报告其位置标识符1a。fci管理单元110包括数据库130。对于每个位置101a-101d，数据库130保存一组配置参数8。可以借助于位置标识符1a查找数据库135。因此，当fci管理单元110从fci1接收到位置标识符1a时，其可以用正确的配置参数8进行响应。这使得fci1以及随后附接的现场设备2能够开始正常操作。

图2详细说明了如何通过本发明使得fci1能够获得其位置标识符1a和网络地址3a，使得其在没有用户介入的情况下，可以首先接入网络120并且与fci管理单元110通信。fci1包括位置确定单元4，其具有确定位置标识符1a的两种方式。

第一，位置确定单元4包括地理定位单元41，其通过使用gps确定安装fci1的位置的确切坐标。坐标被传递到映射单元42，映射单元42将坐标映射到位置标识符1a。在图2所示的情况下，映射单元42确定坐标在分配给位置101a的区域内，因此映射单元42输出与位置101a相对应的位置标识符1a。

第二，位置确定单元4包括询问单元43，其能够从机器可读数据载体7读出位置标识符1a。数据载体7被固定到容纳fci和所附接的现场设备2的安装和终端单元mtu6。由于mtu6不包含易于磨损的机械或电子部件，所以它可以永久地安装在位置101a处。

位置标识符1a被传递到地址确定单元5。地址确定单元5将位置标识符1a附加到网络120专用的地址前缀，以形成在网络120中有效的网络地址3a。网络地址3a被传递到将fci1连接到网络120的网络接口3。

此外，将位置标识符1a与当fci1通电时存储在非易失性存储器9中的值进行比较。如果由位置确定单元刚刚确定的位置标识符1a与存储在非易失性存储器9中的值匹配，则认为fci1仍然安装在与上次关闭电源时相同的位置。fci1可以利用其当前配置开始正常操作。如果新确定的位置标识符1a与存储在非易失性存储器9中的值不同，则认为fci1的位置已经改变。因此，fci1的当前配置被认为是无效的，并且从fci管理单元110获得新的配置参数8。