基于FF-H1现场总线的物理层故障诊断系统的制作方法

本实用新型属于工业控制自动化领域，具体是基于FF-H1现场总线的物理层故障诊断系统。

背景技术：

目前，工业项目广泛使用FF现场总线网络进行流程控制，从而，影响现场总线网络可靠性和可用性的故障识别得到了工业界的高度重视。由于常见故障往往发生在物理层和通信链路上，往往会导致停机，产生网络恢复成本和不稳定的风险。因此，需要一个系统来检测物理层故障，并立即向控制中心报告。

目前工业网络故障检测方法可以分为两类，即间接方法和直接方法。间接方法通过监视网络的其他部分(如更高层)来发现故障，而不直接分析物理层。间接方法直接分析网络效率、实验协议或恢复通信错误，该方法不能实现物理层的故障检测，也不能检测错误的类型或位置。第二类是直接的方法，这种方法直接对物理层模拟信号进行采样分析。该方法主要是通过分析线路信号来检测物理层和通信链路上的故障，其检测方法是先在线路上发送一个仿真信号，然后对接收到的信号进行采样和分析。在这些方法中，故障检测是有效的，但是必须要关闭网络。

现有的故障检测器分为两类，一类是可移动的，一类是固定在功率调节器的附近；第一类故障检测器不能连接到中央控制系统，并向本地报告。第二类故障检测器采用两种方法进行报告，一种单独的网络或H1网络；第一种方法需要更多的成本来建立新的网络及其转换器，这种方法会使现场总线的优点(使用较低的布线)消失；在第二种方法中，由于通过自己的网络发送故障报告可能会有一些问题，虽然不需要再次布线，但是报告的可靠性将降低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于FF-H1现场总线的物理层故障诊断系统，将通常放置在功率调节器上的故障检测器移动到连接设备中，通过改变故障检测器的位置并引入新的故障检测参数来完成故障诊断；本实用新型引入新的参数进行网络物理层健康评估，通过建模和仿真来评估这些参数在不同情况下的故障检测能力，通过改变故障检测器的位置提高故障检测的能力。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于FF-H1现场总线的物理层故障诊断系统，所述诊断系统设置在连接设备中，所述诊断系统包括多个用于实现H1子网通信栈的通信控制器、多个用于对模拟信号和数字信号进行相互转换的模数/数模转换器、用于连接实现H1子网和HSE子网堆栈处理的CPLD芯片、用于处理样本并获取诊断参数的FPGA芯片、多个数据缓存器以及多个信号采样器；所述CPLD芯片与通信控制器电连接，所述通信控制器分别与所述模数/数模转换器和数据缓存器电连接，所述FPGA芯片分别与所述模数/数模转换器和数据缓存器的连接结点以及所述信号采样器电连接；所述诊断系统通过所述信号采样器和模数/数模转换器实现与所述H1子网的电性连接，通过所述CPLD芯片和FPGA芯片实现与所述HSE子网的电性连接。本实用新型通过所述信号采样器对H1子网上的信号进行采样，并通过所述FPGA芯片对信号样本进行处理以获取诊断参数，再通过所述HSE子网将诊断报告发送给中央控制系统。

优选地，所述诊断系统引入了对网络物理层健康状况进行评估的测量参数；

具体地，所述测量参数包括功率传输参数、分组传输参数以及H1位波形偏差参数。

具体地，所述H1子网网络传输的数据包中包括四个符号：1、0、N+和N-，每个所述符号均为样本空间中的一个向量，N+和N-彼此平行且垂直于1和0；1和0也彼此平行且垂直于N+和N-；

进一步地，在接收到每个比特信号之后，接收到的符号被显示为矢量。与其他符号矢量相比，该矢量应该接近其原始矢量，随着波形偏差增大，接收到的矢量与原始矢量之间的偏差扩大，表明该波形存在误差。

具体地，所述信号采样器包括第一信号采样器和第二信号采样器；

所述第一信号采样器用于在每个通道上每个H1比特时间提取160个样本(对于需要高时间精度的实验，例如抖动)，所述第二信号采样器用于对低采样率的信号进行采样，并测量输入信号的直流电流和不平衡值。

具体地，所述诊断系统还包括报告器，所述报告器用于将诊断参数报告给所述HSE子网。

具体地，所述连接设备连接H1子网和HSE子网，用于所述H1子网与HSE子网之间的协议转换。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：(1)本实用新型的诊断系统通过HSE子网向中央控制系统发送诊断数据，不需要另外建立新的网络及其转换器，优化了线路结构；(2)本实用新型使用HSE子网取代H1子网来传输故障信息，使得报告错误更加快速，且报告结果更加可靠；(3)本实用新型可以通过一个故障诊断系统同时对多段H1子网线路进行故障检测；(4)本实用新型引入了用于评估物理层健康状况的新参数--H1位波形偏差参数，提高了系统整体的诊断效率。

附图说明

图1为本实用新型基于FF-H1现场总线的物理层故障诊断系统的电路连接结构示意图；

图2为本实用新型基于FF-H1现场总线的物理层故障诊断系统安装结构示意图；

图3为本实用新型中H1子网信号空间矢量图。

图中：1、通信控制器；2、模数/数模转换器；3、CPLD芯片；4、FPGA芯片；5、数据缓存器；601、第一信号采样器；602、第二信号采样器；7、H1子网；8、HSE子网。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

如图1至3所示，本实施例提供了一种基于FF-H1现场总线的物理层故障诊断系统，所述诊断系统设置在连接设备中，所述诊断系统包括两个用于实现H1子网7通信栈的FB3050通信控制器1、两个用于对模拟信号和数字信号进行相互转换的MAU模数/数模转换器2、用于连接实现H1子网7和HSE子网8堆栈处理的CPLD芯片3、用于处理样本并获取诊断参数的FPGA芯片4、两个RAM数据缓存器5以及两个ADC信号采样器；所述CPLD芯片3分别与两个FB3050通信控制器1电连接，所述FB3050通信控制器1分别与所述MAU模数/数模转换器2和RAM数据缓存器5电连接，所述FPGA芯片4分别与所述MAU模数/数模转换器2和RAM数据缓存器5的连接结点以及所述ADC信号采样器电连接；所述诊断系统通过所述ADC信号采样器和MAU模数/数模转换器2实现与所述H1子网7的电性连接，通过所述CPLD芯片3和FPGA芯片4实现与所述HSE子网8的电性连接。本实用新型通过所述ADC信号采样器对H1子网7上的信号进行采样，并通过所述FPGA芯片4对信号样本进行处理以获取诊断参数，再通过所述HSE子网8将诊断报告发送给中央控制系统。

优选地，所述诊断系统引入了对网络物理层健康状况进行评估的测量参数；

具体地，所述测量参数包括功率传输参数、分组传输参数以及H1位波形偏差参数；

所述功率传输参数用于检查输电线路上直流电压，输入输出电源直流电压，电源输出电流等参数的网络配电实体的健康状况，如果报告的值超出了定义的范围，则会报告错误；所述分组传输参数用于评估传输分组的信号的质量，所述分组传输参数包含接收信号峰峰值电平、每个数据包中的位抖动、静音噪声电平和接收信号不平衡百分比；通过将所述参数的测量值与标准水平进行比较，可以检测到错误。

具体地，所述H1子网7网络传输的数据包中包括四个符号：1、0、N+和N-，每个所述符号均为样本空间中的一个向量，N+和N-彼此平行且垂直于1和0；1和0也彼此平行且垂直于N+和N-；

进一步地，在接收到每个比特信号之后，接收到的符号被显示为矢量。与其他符号矢量相比，该矢量应该接近其原始矢量，随着波形偏差增大，接收到的矢量与原始矢量之间的偏差扩大，表明该波形存在误差；通过测量每个比特的偏差和它们的平均值，根据接收到的波形矢量与原始矢量之间的偏差，计算这些偏差的均值，即可得到H1位波形偏差参数。

具体地，所述信号采样器包括第一信号采样器601和第二信号采样器602；

所述第一信号采样器601用于在每个通道上每个H1比特时间提取160个样本(对于需要高时间精度的实验，例如抖动)，所述第二信号采样器602用于对低采样率的信号进行采样，并测量输入信号的直流电流和不平衡值；通过所述FPGA芯片4计算出不同的诊断参数并将其报告给HSE子网8，所述HSE子网8再将诊断参数发送到中央控制系统，所述RAM数据缓存器5会将检测结果存储在内存中。

具体地，所述诊断系统还包括报告器，所述报告器用于将诊断参数报告给所述HSE子网8。

具体地，所述连接设备连接H1子网7和HSE子网8，用于所述H1子网7与HSE子网8之间的协议转换。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。