專利名稱：用于連續(xù)分析現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的、用于連續(xù)分析 自動化技術(shù)設(shè)備中的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量的方法。
背景技術(shù)：
在加工工業(yè)中，在現(xiàn)場層面采用了用于在現(xiàn)場設(shè)備和主系統(tǒng)之間 進行數(shù)據(jù)交換的標準現(xiàn)場總線。其中在這一工業(yè)部門中占主導地位的是基礎(chǔ)現(xiàn)場總線(FF)和PROFIBUS。這兩種總線都建立在根據(jù) IEC61158-2的相同物理層基礎(chǔ)上。在自動化技術(shù)設(shè)備中，實踐中部分來自不同制造商的多個設(shè)備工 作在一個工作段或部分上。與迄今為止占優(yōu)勢的4 ... 20mA技術(shù)不同 的是，規(guī)劃、安裝、開工投產(chǎn)和維護對于規(guī)劃人員、建設(shè)人員和運營 人員提出了更高的要求。簡單的布線故障，如短接、斷線或交叉連接， 如它們先前由于大量信號而發(fā)生，在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中能夠被相對容易 地發(fā)現(xiàn)和糾正。
更為嚴重的是錯誤的鋪設(shè)、有缺陷的安裝以及在設(shè)備工作時缺乏 控制所帶來的結(jié)果。規(guī)劃和鋪設(shè)領(lǐng)域內(nèi)典型的故障例如表現(xiàn)為過大的 導線長度、 一個工作段內(nèi)過多的設(shè)備或者測得的供電電壓太弱。
安裝中典型的故障例如是缺少電勢均衡或電勢均衡不足，或者是 現(xiàn)場總線電纜的屏蔽和接地存在故障。很難使這兩種總線協(xié)議在設(shè)置條件和參數(shù)時部分地具有很大的 回旋余地，這導致元件之間的兼容性"很差"。而如果要由用戶來避免上述問題，則用戶既不能影響設(shè)備之間的 不兼容性，也不能排除這種不兼容性。通過協(xié)議中的安全機制，如數(shù)據(jù)重建或報文重復(fù)，對于用戶而言
上述的大部分故障能夠得到抑制，可以忽略不計。在大多數(shù)情況下， 設(shè)備在多次校正后能夠承擔其工作，而用戶不會意識到實際的傳輸質(zhì) 量，從而沒有得到保障的可靠性。通常故障隨著時間而增長，尤其是 在設(shè)備擴建時，規(guī)劃和首次安裝時的缺陷是值得注意的。但這是與擴 建相關(guān)聯(lián)的，因為設(shè)備問題在此之前并沒有顯得很突出。如果在開工期間沒有出現(xiàn)突出的問題，則通常不再進行測量，用 戶信任設(shè)備的容錯能力。在最好的情況下，開工投產(chǎn)伴隨著一個移動 的總線監(jiān)視器，并在得到滿意的統(tǒng)計結(jié)果后交付使用。這些測量在時 間上是受限的，并由專家來實施。基于經(jīng)驗，設(shè)備變得規(guī)模很大，也就是說，被設(shè)計為具有大量的預(yù)留(Reserve)，而沒有充分利用現(xiàn)有的潛力。與此相應(yīng)地，網(wǎng)絡(luò)的 開銷很大。缺少關(guān)于傳輸質(zhì)量的連續(xù)信息的后果是，只有在已知故障的情況 下才能對網(wǎng)絡(luò)進行沒有計劃的分析。在設(shè)備擴建時，安裝新的網(wǎng)絡(luò)從而不會危及已有的功能，因此在 網(wǎng)絡(luò)中不存在關(guān)于預(yù)留的基本信息。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的任務(wù)在于連續(xù)地確定現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過權(quán)利要求1所述特征來解決。本發(fā)明的 有利實施例在從屬權(quán)利要求中給出。本發(fā)明由一種有多個現(xiàn)場總線參與者的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，這些 現(xiàn)場總線參與者通過所述現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)彼此通信。本發(fā)明還由下述經(jīng)驗出發(fā)，即現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸質(zhì)量受到多 種參數(shù)的影響。根據(jù)本發(fā)明，由在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膫鲗盘柅@取可直接測 量的邏輯和物理總線參數(shù)，并以可預(yù)先給定的回溯性 (Retrospektivitat)對其進行存儲。由測得的總線參數(shù)導出工作參數(shù)， 其中所述總線參數(shù)被加權(quán)，并將加權(quán)后的總線參數(shù)與工作參數(shù)彼此結(jié)
合。其中一個總線參數(shù)的定量權(quán)重以函數(shù)方式通過至少另一個總線參 數(shù)動態(tài)地確定。得到一個總線參數(shù)的權(quán)重和其他總線參數(shù)的質(zhì)量之間 的函數(shù)關(guān)系，其通過任意的復(fù)雜數(shù)學關(guān)系來表示。連續(xù)獲取并評估通信的邏輯故障及其信號質(zhì)量的結(jié)果是，能夠持 續(xù)地確定所考察的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸質(zhì)量。具有優(yōu)點的是，通過 考慮邏輯和物理的總線參數(shù)，對于所確定的傳輸質(zhì)量能夠達到很高的品>^ 。此外具有優(yōu)點的是，本發(fā)明能夠以物理表述的形式實現(xiàn)，這對于 處理技術(shù)設(shè)備的存在爆炸危險的區(qū)域是可以允許的。從而也可以實現(xiàn) 在終端設(shè)備附近的測量。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，通過與至少一個另外的工作參數(shù)和/或 至少一個另外的總線參數(shù)加權(quán)結(jié)合，由所述工作參數(shù)形成了其他工作 參數(shù)。有利的是，在確定工作參數(shù)時具有較高透明度的情況下，對影 響參量的多級處理允許通過簡單的計算步驟來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，根據(jù)模糊算法由總線參數(shù)來確定至少一 個工作參數(shù)。具有優(yōu)點的是，通過該特征以快速的方式確定了現(xiàn)場總 線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所確定的工作參數(shù)被記錄下來。除了表 明所觀測的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸質(zhì)量之外，還對該傳輸質(zhì)量進行存 檔。通過這種方式，與網(wǎng)絡(luò)運營商相比，在安裝或維護之后能夠得到 其狀態(tài)。
具體實施方式
下面借助于具體實施例詳細說明本發(fā)明。由具有多個通過現(xiàn)場總:發(fā)，由在現(xiàn)4總線網(wǎng)ii傳輸?shù)膫鲗盘栠B續(xù)地獲取可直^^量的5
現(xiàn)場總線信號以電子方式被釆集，并首先確定其直流電壓分量。 利用統(tǒng)計方法對直流電壓分量做進一步處理，并通過這種方式來確定 極值和均值。所述極值是通過現(xiàn)場總線指標來確定的，相應(yīng)地反映了 在一個預(yù)先給定的取值范圍內(nèi)的電壓。電壓波動瞬時值與均值的標準差以及最小值和最大值的時間位置及其幅 度差給出了另外一個總線參數(shù)，并且其同樣反映在一個規(guī)定的取值范 圍內(nèi)。有效信號幅度的均值有效信號的較高的幅度對于通信的可靠性來說是很重要的。所測 得的值反映在一個規(guī)定的取值范圍內(nèi)，其中現(xiàn)場總線指標用作標度量。 有效信號幅度的方差即使經(jīng)常出現(xiàn)"幅度較弱"的故障，有效信號幅度的強烈分散性在 均值方面也可能會導致總體上良好的評價，這可能考慮到了其他遠處 的參與者。因此，各個幅度的方差、即強的報文和弱的報文之間的差 同樣作為總線參數(shù)反映在一個取值范圍內(nèi)。抖動通信信號的抖動、即過零點或信號沿隨時間的波動時引起現(xiàn)場總 線網(wǎng)絡(luò)中故障的一個重要原因。抖動是由于網(wǎng)絡(luò)中兩根導線上的非對 稱的、在時間上不連續(xù)的偏差而出現(xiàn)的。其原因可能是例如導線上相 對于總的屏蔽(地)存在寄生電容。相對于屏蔽(地)作用在兩根導 線上的電干擾脈沖通過兩根導線上的不同寄生電容而以不同的強度衰 減，這導致了零線的位移。通過有效信號在實踐中呈梯形的信號波形， 導致了過零點的移動。有效信號的不對稱性有效信號的準統(tǒng)計零點位移同樣作為總線參數(shù)被采集. 總線靜止時間如果現(xiàn)場總線通信包含4艮高的間歇比例，則 一方面可以從大量的 預(yù)留出發(fā)。此外如果在統(tǒng)計方面表現(xiàn)出干擾以及在間歇內(nèi)出現(xiàn)干擾， 也不會導致錯誤，因為沒有報文遭到破壞。平均報文長度在不可靠的通信中，長報文比短報文遭到破壞的概率要高。此外， 當短報文相比于長報文被重復(fù)時， 一個完整周期的時間影響較小。為 此要測量平均的報文長度。在其他參數(shù)相同的情況下，較高的值會導 致比較短的值更差的評價。參與者的數(shù)目網(wǎng)絡(luò)中共同接入的參與者越多，則發(fā)生錯誤的概率越大。這一方 面在于物理特性，如交流電流負栽或非對稱性，另一方面在于設(shè)備間 潛在的不兼容性的概率增加。因此已知參與者的數(shù)目對于形成最初信 息來說是一個非常重要的參數(shù)。報文錯誤一系列單個的錯誤被稱為報文錯誤?？偟膩碚f，使得接收器不能 對數(shù)據(jù)進行解碼。可能的單個錯誤例如為在信號中缺少或增加了信號 沿、校驗和錯誤、不希望的長度、不希望的地址或類型。重復(fù)報文根據(jù)總線協(xié)議，發(fā)送器可以確定由它所發(fā)出的消息是否已達到接 收器，或者是否由接收器正確解碼。頻繁的報文重復(fù)是傳輸質(zhì)量較差 時的顯著標志。其中可能會出現(xiàn)這樣的情況即特定的接收回路能夠 對接收到的報文進行正確解碼，而被詢問的參與者則不能；或者是在 相反的情況下，特定的接收將報文歸類為存在錯誤，而被詢問的參與 者則不能。在觀察到報文重復(fù)時這兩種情況都有可能發(fā)生。確定工作參數(shù)是通過將總線參數(shù)加權(quán)結(jié)合起來而實現(xiàn)的。所實施 的專業(yè)知識對總線參數(shù)的質(zhì)量有決定性的影響。這可以在結(jié)合的工作參數(shù)和權(quán)重質(zhì)量中體現(xiàn)出來。周期性地確定傳輸質(zhì)量和預(yù)留作為工作參數(shù)，其中在本公開的范 圍內(nèi)，"預(yù)留，，這一術(shù)語應(yīng)理解為在保持通信的情況下允許傳輸質(zhì)量下 降的措施，總線參數(shù)與工作參數(shù)的結(jié)合最好以多級方式實現(xiàn)。首先，通過將 總線參數(shù)結(jié)合起來而形成中間量。其中要考慮到一個特性對于其他特 性的意義和權(quán)重。在本發(fā)明的一個實際的實施例中可以看到，為了由上面給出的量確定傳輸質(zhì)量，可以測量下列參數(shù)-參數(shù)a:直流電壓分量 -參數(shù)b:報文重復(fù)率 -參數(shù)c:信號沿陡峭程度 -參數(shù)d:參與者的數(shù)量 所有的數(shù)值首先在一個單位取值范圍0 ... 100內(nèi)被定標。標度是 對于參數(shù)特定的，既可以是線性的也可以是非線性的。這樣，參與者 的數(shù)目在0 ... 10個參與者的范圍內(nèi)被線性映射到100 ... 0的目標范圍 上，超過10個參與者同樣變?yōu)槟繕酥?。對于所有標稱工作參數(shù)均適 用的是0是最差的值，100是最好的值。通過加權(quán)相加由標稱工作參數(shù)得到傳輸質(zhì)量X:X = A*a + B*b + C*c + D*d， (1)其中對于權(quán)重系數(shù)A， B, C和D，有A + B + C + D = l。 (2)盡管在參與者數(shù)目d很大時用較小的信號沿陡峭程度c來進行計 算時，在相同的傳輸質(zhì)量X和較小的參與者數(shù)目d的情況下將會得到 較高的信號沿陡峭程度c。在此之后，所期望的信號沿陡峭程度c是 參與者數(shù)目d的函數(shù)，即c， = f(d)。這種相關(guān)性在用于確定傳輸質(zhì)量 X的權(quán)重系數(shù)A， B， C和D中表現(xiàn)出來。在參與者數(shù)目d較小的情 況下，認為信號沿陡峭程度c對傳輸質(zhì)量X的影響較大，其中為權(quán)重 系數(shù)C分配一個較高的值。其結(jié)果是權(quán)重系數(shù)C成為參與者數(shù)目d 的一個函數(shù)C-f(d)，其中C d。通過等式(2)，權(quán)重系數(shù)A， B和D也成為參與者數(shù)目d的函 數(shù)，其中至少權(quán)重系數(shù)A， B和D之和隨參與者數(shù)目d的增加而下降， 即A + B + C l/d。除了嚴格的分析或統(tǒng)計方法之外，也可以采用模糊算法.根據(jù)模 糊算法，當直流電壓分量"很小"而報文重復(fù)數(shù)"很高"時，傳輸質(zhì)量被歸類為"低"。而根據(jù)分析方法，當直流分量<10￥而報文重復(fù)數(shù)>50% 時，傳輸質(zhì)量被歸類為"低"。在按照計算規(guī)則進行分析計算之后，得 到了質(zhì)量級別的定量結(jié)果。根據(jù)相同目的的統(tǒng)計方法，將當前所確定的總線參數(shù)分別與所存 儲的長期均值進行比較，在一個或多個參數(shù)存在強烈偏離的情況下， 傳輸質(zhì)量降低。這種在時間上的降低可用于故障的預(yù)測識別。此外，可實現(xiàn)對權(quán)重的適應(yīng)性干預(yù)。這可以以人工或自動的方式 實現(xiàn)。當在網(wǎng)絡(luò)中采用非?？煽壳胰蒎e性很強的設(shè)備時，在不利的條 件下、如電壓很低或有效信號不對稱時，也很少發(fā)生報文重復(fù)。由于 這些因素同樣也被考慮到了，因此對該網(wǎng)絡(luò)給出了較高的預(yù)留。為了避免大范圍參數(shù)化而使用該系統(tǒng)，在一個學習階段可以自動 得到網(wǎng)絡(luò)的特定特性。在這個學習階段中，所有參數(shù)被周期性地存儲， 可能是通過形成均值來實現(xiàn)。在學習階段結(jié)束后，將目前的值與所學 習到的值進行比較。根據(jù)比較結(jié)果來確定改變程度和趨勢，即設(shè)備特 性是否發(fā)生了改變以及如何改變。通過這種方式，用簡單的手段就能 獲知設(shè)備的改變情況。尤其是可以根據(jù)構(gòu)造措施來評估設(shè)備的特性關(guān) 系?？偠灾?，在開工期間以及在工作期間，用戶得到了關(guān)于通信中 傳輸質(zhì)量的結(jié)論，并從而獲知了其現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在各個設(shè) 備偶爾發(fā)生故障之前，存在的問題可以被預(yù)先識別和分析。通過這些 次要信息，能夠快速定位故障來源。由此，在特定的時刻或特定參與 者或子網(wǎng)絡(luò)的情況下，能夠識別出累積的情況。本發(fā)明在物理表述上可實現(xiàn)為單片機，它可以安裝在網(wǎng)絡(luò)中任意 適當?shù)奈恢锰?。這種安裝可以是持久的也可以是臨時的。在一個作為替代的實施方式中，建議將本發(fā)明的特征實現(xiàn)為已有 設(shè)備的一部分。為此尤其適合的是工作段耦合器或鏈接設(shè)備，但不限 于此。通過在網(wǎng)絡(luò)中分布式地設(shè)置多個根據(jù)本發(fā)明所實現(xiàn)的裝置，通過
將各個數(shù)據(jù)結(jié)合起來能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的更好的診斷分析。通過以下方式可以局部限定網(wǎng)絡(luò)中的故障通過將來自分布的多 個檢測器的信息結(jié)合起來， 一個在有許多接收器的情況下會導致故障 的弱發(fā)送器同樣是可識別的，就像在非常多的報文都存在錯誤的弱接 收器那樣。適當?shù)脑\斷分析是通過將通信中的物理特性以及邏輯特性結(jié)合 起來而實現(xiàn)的。為了精確地分析和發(fā)現(xiàn)干擾，提供了次要信息，如錯誤累計(關(guān) 于時間或設(shè)備)以及各個事件的統(tǒng)計信息(例如特定事件，如參與者 故障、利用時間戳的新參數(shù)化等)。
權(quán)利要求
1. 一種用于連續(xù)分析具有多個現(xiàn)場總線參與者的自動化技術(shù)設(shè) 備中的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量的方法，其中所述多個現(xiàn)場總線參與 者通過所述現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)彼此通信，其特征在于，-由在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膫鲗盘柅@取可直接測量的邏輯和 物理總線參數(shù)，并以可預(yù)先給定的回溯性對其進行存儲，-由測得的總線參數(shù)導出工作參數(shù)，其中所述總線參數(shù)被加權(quán)， 并將加權(quán)后的總線參數(shù)與工作參數(shù)彼此結(jié)合，并且-一個總線參數(shù)的定量權(quán)重以函數(shù)方式通過至少另一個總線參數(shù) 被動態(tài)地確定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，通過與至少另一 個工作參數(shù)和/或至少另一個總線參數(shù)的加權(quán)結(jié)合，由所述工作參數(shù)形 成其他的工作參數(shù)，
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項所述的方法，其特征在于，至 少一個工作參數(shù)根據(jù)模糊算法由總線參數(shù)所得到。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，加 權(quán)后的總線參數(shù)借助于統(tǒng)計方法由其時間序列所得到。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，將 要加權(quán)的總線參數(shù)借助于統(tǒng)計方法由其時間序列所得到。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所 得到的工作參數(shù)被記錄下來。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所得到工作參數(shù) 被記錄為時間序列，
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)分析具有多個現(xiàn)場總線參與者的自動化技術(shù)設(shè)備中的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量的方法，其中所述多個現(xiàn)場總線參與者通過所述現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)彼此通信。根據(jù)本發(fā)明，由在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膫鲗盘柅@取可直接測量的邏輯和物理總線參數(shù)，并以可預(yù)先給定的回溯性對其進行存儲。由測得的總線參數(shù)導出工作參數(shù)，其中所述總線參數(shù)被加權(quán)，并將加權(quán)后的總線參數(shù)與工作參數(shù)彼此結(jié)合。其中一個總線參數(shù)的定量權(quán)重以函數(shù)方式通過至少另一個總線參數(shù)被動態(tài)地確定。
文檔編號H04L12/40GK101146011SQ20071014169
公開日2008年3月19日 申請日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者彼得·伍德, 蒂洛·默林 申請人:Abb專利有限公司