CN101179452B - 用于现场总线系统的诊断方法和诊断设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于现场总线系统的计算机实现的诊断方法，在该现场总线系统中总线用户通过现场总线按照预定的通信协议交换数据，其中，数据交换以数据分组的形式进行，该方法具有方法步骤：(a)记录总线用户的状态；(b)采集在总线用户之间通过现场总线传输的数据分组；(c)分析该数据分组，并根据总线用户的先前状态和该数据分组的内容导出总线用户的一个被更新的状态；(d)记录总线用户的该被更新的状态；(e)重复步骤(b)到(d)，以便在线地采集总线用户的当前状态。

Description

用于现场总线系统的诊断方法和诊断设备

技术领域

本发明涉及用于现场总线系统的一种用计算机实现的诊断方法和一种诊断设备，在该现场总线系统中一个或者多个控制器与多个现场设备通过现场总线按照预定的通信协议交换数据。

背景技术

现场总线系统是在工业中被广泛使用的数字通信系统，它将大量现场设备相互连接，例如传感器、执行机构和传动机构、输入和输出组件、控制器、运行设备和显示器以及自动化技术的其他部件。当今在市场上开设了具有不同特性的各种现场总线系统，例如PROFIBUS、INTERBUS、ControlNet、FOUNDATION Fieldbus、CAN或者LON。此外，近年来在工业领域在具有为实时扩展的以太网的基础上设立了日益增加的通信系统，这些系统具有这样的潜在可能，即在将来接替迄今知晓的现场总线系统。因此，在本发明的上下文中现场总线这一概念指这样的本地网，其为工业应用适合用于连接现场设备和控制器。

图1示意表示为一个这样的现场总线系统的例子，其中一个中央控制器10与多个现场设备12、14、16、18通过现场总线线20连接。本发明也可在带有多个控制器的系统上应用。

现场总线系统在协议堆栈的基础上工作，该协议堆栈由一层在另一层上构建的三到七层的协议层构成，包括物理层(physical layer)、安全层(datalink layer，数据链路层)和应用层(application layer)。现场设备之间的数据传输在物理层和安全层上进行。物理层规定信号如何发送；现场总线安全层规定如何公共使用网络和单个设备如何获得对网络的访问；应用层定义了应用特有的服务和数据格式。

在现场总线系统中按照离散的段传输被数字编码的数据，该离散的段一般被称为数据分组或者报文(Telegramm)。分享一个现场总线介质的用户数是可变的，通常在2到32个现场设备之间，在此多个现场总线段的逻辑连接也可以具有三位的用户数。

数据分组在现场设备和控制器之间在现场总线上被传输。每个数据分组可以包含关于安全层的信息以及关于应用层的信息，或者(取决于系统的结构)关于另外的层的信息。

在现场总线系统中，错误可能在不同的层中出现，从物理错误开始(像无效的信号电平、无效的信号形状和电磁干扰)，经过安全层的错误(像协议损坏)，直到应用层的错误(像在总线用户之间通信关系的错误配置)。如果错误保持不被识别，则可导致丢失关键的信息和导致错误地操作由现场总线系统控制的现场设备。错误也可能影响现场总线系统自身。因此为采集、分析和消除这样的错误，需要注意现场总线上的数据通信状况。

为了在现场总线系统中进行功能验证和发现错误，在现有技术中使用协议分析器，例如报文分析器和总线监控器。这些通常是基于PC的程序通过总线接口(例如以太网端口或者PROFIBUS接口)连接到要检查的现场总线系统上。在现有技术中还已知，将一个其中集成了总线接口、显示器和检验软件的独立检验设备连接在现场总线系统上。

协议分析器被动工作，亦即它观察现场总线上的数据通信状况，并记录在现场总线上传输的数据分组(报文)，然而其自身不发送。早期版本的协议分析器虽然已经有实时采集数据的可能性，然而分析的可能性是有限的。首先采集数据分组并存储，并且在较晚的时刻分析该数据分组。存储器通常以符号形式包括分组在各协议层或者抽象平面中的表示。此外，每个数据分组的发送时刻通过一个分配的时间戳记录。在记录数据分组时，滤波器和触发器功能允许减少数据量。简单的统计评估，例如显示在总线上活动的台站(LiveList)的地址或者显示错误计数器，在现有技术的系统中也是可能的。

US专利5,442,639和US专利5,796,721还已经公开了能够实时分析现场总线通信状况的协议分析器。这些系统也在滤波器的基础上工作，其中US专利5,796,721描述了一种总线监控器，其可以允许一个现场总线的数据分组通过多个滤波器。被滤波的分组能够被实时表示。按照该说明书滤波器参数可以在运行操作中改变。

图2举例示出了在现有技术的协议分析器中报文通信情况的表示，没有任何滤波。从左向右表示报文号码、时间戳、源地址、目的地地址以及报文类型、或者通信服务。通过双击一个报文，其被详细显示和被解码。通过设置滤波器，如上所述，可以减少数据量。

现有技术的协议分析器具有一些缺点，下面对其简短说明：

-在工业应用中存在对越来越短的反应时间的要求，这导致越来越高的传输速度和从而越来越大的在现场总线上传输的数据量。于是逐位精确的记录导致每秒许多兆字节的数据量，它们很难被处理。例如PROFIBUS系统在12兆位/秒的传输速度下每秒产生约1兆字节的报文数据。

-由于大的数据量总线通信状况仅能以分段方式记录。另外可选的方案是它必须在事先按照一定的准则被滤波。由此，在某些情况下数据分组可能缺少，它们仅在规定的区间如总线或者设备启动时被发送，或者根据预先设定的滤波准则被滤波。但是，这种数据分组可能包含用于解释现场总线通信状况重要的信息。

-在已知的系统中用户必须解释报文。为此他需要详细了解现场总线系统的通信协议，该通信协议通常不提供给现场总线系统的操作员。

-数据分组经常仅在发送的和接收的总线用户的状态的环境中才能被正确地解释。但是，无论协议分析器还是用户均不知晓该环境。这一问题可以通过信签象棋对局的例子说明：在一个任意选出的信签中写的棋着的意义仅对知道该局状态的人开放。亦即为有意义的解释必须知道棋盘上的情形。按照同样的方式，对现场总线系统的通信协议的有意义的解释仅在了解连接的用户的状态的情况下实现。这种了解对于已知的协议分析器在很大程度上缺失。

-带报文记录的经典的总线监控器通常仅在错误发生并且要分析该错误时使用。于是再现该错误经常是困难的。此外，连接总线监控器要求在设备中的干预，该干预经常被设备操作员所拒绝。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，为现场总线系统提供一种诊断方法和一种诊断设备，其允许连续和在线地对现场总线系统的数据通信状况进行状态分析。

本发明的基本思想是一种分析方法，其中代替记录现场总线系统的通信状况(可能带有滤波)和随后进行的对已存储的数据分组的离线分析，执行对现场总线系统中的通信状况的连续和在线的状态分析。为此，使用关于现场设备的状态的知识以及协议知识，该协议知识存在于为通信所使用的协议堆栈内。具体地，记录现场设备的状态，采集并分析在控制器和现场设备之间通过现场总线传输的数据分组，并且根据现场设备的先前的状态和数据分组的内容导出现场设备的当前状态。记录现场设备的当前状态，在此周期重复地采集、分析、和记录。

因此，本发明不逐位精确地记录现场总线系统中的数据通信状况为以后进行分析，而是在线地分析数据通信状况。这意味着，已经在一个数据分组接收期间就对它的内容关于它的信息内容进行分析和评估。从中导出用户感兴趣的信息，这些信息可以涉及现场设备的状态、现场总线的状态和/或整个现场总线系统的状态。

所述诊断方法可以优选地在以PC为基础的协议分析模块中作为软件实现，以及在在现场总线系统中固定安装的设备中为了总线监控而实现。

本发明的方法使用这样的事实，即通信协议经常在形式上作为状态自动机被详细说明和实现，以致本发明也可以作为状态自动机实现。状态自动机也被称为有限自动机或者状态机(state machine)，它是行为的模型，由状态、状态转移和动作组成。状态存储关于过去的信息，亦即它反应从系统起动到当前时刻输入的变化。状态转移表示状态自动机的状态的改变，并通过逻辑条件说明。动作是状态自动机的输出，其在特定的情形下进行。因此，一个被接收的数据分组取决于(例如现场设备的)接收器的内部状态导致一个新的内部状态以及必要时的一个动作，例如发送回答或者激活一种设备功能。这一原理在本发明的方法中也用于诊断现场总线系统，在此，与通常的总线用户(亦即控制器和现场设备)不同，诊断部件优选采集在总线上存在的所有数据分组并且复制所有总线用户的状态。本发明的诊断方法优选通过软件实现。因此该软件原理上与一个数据分组的接收者一样表现，并可以复制它的内部状态和反应(动作)。然而该诊断软件应该为现场总线系统中的每一个用户(特别是为每一个现场设备)分开做这点，为此分别需要对现场总线系统用户的状态数据进行例示(Instanzierung)。

因此根据本发明，将从分析数据分组获得的信息与发送和接收设备的最后知道的状态进行比较。从中必要时导出所涉及的总线用户的一个新的状态图案。由此能够使本发明的诊断方法始终维护现场总线的总线用户(即现场设备)和控制器的当前状态的图案。该“图案”例如通过一个状态矢量实现，后者再现了总线用户、特别是现场设备和控制器的针对现场总线的状态或者通信状态。

状态矢量中的状态信息的采集和记录建立了未在现场总线上传输的环境，该环境为解释数据分组是必需的。此外，状态矢量表示现场总线系统的当前状态信息，因此表示用户实际感兴趣的信息。

在本发明的优选的实现中，周期地产生状态矢量并包含现场总线和所有总线用户的状态信息。在周期工作的诸如PROFIBUS-DP的总线系统中每一总线周期产生一个新的状态矢量。在其他情况下，可以由用户预先规定状态观察、采集和分析的周期。

本发明的状态采集和观察的方法允许根据分组通信状况压缩信息和减少用户实际感兴趣的信息内容。由此，可以在长的时间区间观察现场总线系统内的数据通信状况，而不会出现数据丢失。

信息压缩还源于，周期的协议具有高的信息冗余。一个确定的处理值可能传输千次而不改变。此外，每一通信协议包含大量进行协议的控制的数据分组，但是它们在应用的意义上不携带信息。这些数据分组不必被记录，然而它们可以被静止地评估，并在错误的情况下给出有价值的提示。因此根据本发明，要针对报文重复、错误消息和/或总线用户的状态改变来分析数据分组，并且采集该报文重复、错误消息或者状态改变的频度和进行统计分析。这允许特别是及早识别现场总线系统可能的恶化。

本发明的方法基本上被动工作；亦即它不主动参与现场总线上的数据通信状况。然而在本发明的一种实现中，也通过诊断系统主动发送数据分组来主动询问信息。只有通过单纯的观察不能够获得特定的状态信息时，例如在仅在系统启动期间才被传输的数据的情况下而该启动不能被观察到，这才是适宜的。

本发明的诊断方法或者诊断设备可以作为固定的组成部分集成在现场总线系统中，使得不需要在故障情况下才连接。在故障情况下才连接在实际中经常是困难的，因为这可能被设备操作员由于设备的可能影响而拒绝。

本发明的诊断方法既可以提供现场总线系统的当前的图案，也可以采集和存储运行的全部或者部分历史，并且由此能够获得比用短期的报文记录可以获得的信息显著地更多的信息。在此，根据本发明规定，仅记录当前状态或者既记录当前状态也记录其历史。此外，除了状态矢量之外可以存储报文记录，如果它看来为数据分析所需要的话。

本发明允许通过长期观察及早地识别错误趋势。错误识别特别通过针对报文重复、错误消息和总线用户的状态改变来分析数据分组进行。其基础是关于下述的认识：即使是例如通过触点的腐蚀而出现的物理错误，由于传输质量缓慢的恶化首先仅能导致个别错误的数据分组，其由于协议特性(例如信息冗余或者报文重复)不会引起有害作用，但是通过适当的诊断措施和统计能够被采集。为此的一个例子是对报文重复的计数，其中在一个特定的时间段内报文重复的堆积的出现可以指示传输介质的恶化。

附图说明

下面根据优选的实施例参照附图详细说明本发明。附图中：

图1示出了根据现有技术的现场总线系统的示意图；

图2示出了一个表示在经典的协议分析器中被评估的数据分组的屏幕打印；

图3示出了用于表示根据本发明的方法的流程图；和

图4示出了一个表示在本发明的诊断设备中的状态信息的屏幕打印。

具体实施方式

在图3中示出了本发明的诊断方法的基本结构。在本发明的方法中，首先记录现场总线系统的起始状态，在此在一个可能的起始状态中关闭(herunterfahren)整个现场总线系统，所连接的现场设备既不被识别也不被配置，并且不建立任何连接。然而本发明的诊断方法也可以在该现场总线系统的运行操作期间使用，在此它在可能的情况下能够主动询问关于总线用户的状态的缺少的信息。例如，对于本发明的诊断方法可以查明和更新的现场设备的状态和针对设备的信息有：

-设备地址；

-设备类型；

-设备起动；

-设备运行在稳定状态；

-设备关闭；

-设备故障；

-设备被错误地参数化或配置；

-设备发送运行状态；

-设备发送警报或者错误消息；

-设备的输入数据/输出数据。

涉及现场总线和它与总线用户的连接的状态信息的例子有：

-连接状态(被建立，被拆除)

-连接特性，例如周期地、非周期地，逻辑通道号码。

对于再现总线专有的信息的状态的例子有：

-总线参数，例如传输速度、线路长度，传输方法、拓扑、优先级；

-时间参数，例如周期时间、暂停时间；

-错误统计，例如报文重复、错误的报文。

图3中示出的实施将本发明的诊断方法用作总线分析器。它作为一个程序实现，其例如在便携PC上运行，并且在需要时可以与现场总线连接。例如其由试车人员和服务人员使用，用于检验现场总线系统和查找现场总线系统中的错误。在该方法中，如上所述，首先查明总线用户的起始状态。然后相继地为全部总线用户采集和分析数据分组。在了解了对于每个总线用户的先前的状态以及所属数据分组的情况下，可以为每个总线用户更新状态。记录更新后的状态。由此，首先能够将状态简单地分类为例如“无干扰运行”、“运行中有不规则性”和“出现错误”的类别。这些状态的表示例如可以用颜色按照交通灯的功能把绿色、黄色和红色分配给各总线用户来进行。由此，用户获得关于其现场总线系统的功能的一个简单的和直观的概貌，而不需分析某个数据分组。使用本发明的方法还可以进行额定值和实测值的比较，其中比较现场总线系统的期望的理想状态与实际的系统状态，并且显示偏差。对于该应用的典型的状态信息有：

-在现场总线上起作用的现场设备的列表；

-现场设备的运行状态，例如起动、关闭、运行中、出现错误、未配置或错误配置；

-现场设备的输入/输出数据，尽可能针对设备准备；

-关于现场设备的信息，例如制造商、类型；

-统计信息，例如损坏的分组数、新起动数、警报消息数。

并不是所有这些信息都可单独从数据分组(报文)解码。例如现场设备的输入/输出数据作为未格式化的字节序列传输，其中该字节序列的语义是设备专有的。只有设备结构的说明可供使用时，语义正确的表示才可能。这样的说明实际上为所有现场总线作为“设备说明文件”(electronic devicedescription)定义。

为评估现场设备的输入/输出数据，本发明在一种实施方式中规定，为每个设备类型给出一个唯一的类型标识，通过它可以参照所属的设备说明文件。诊断设备然后可以从该文件获得对于例如输入/输出数据或者警报消息的语义正确的表示所需要的知识。

数据分组的分析的这种方式例如在电动机控制的例子中说明：输入/输出数据的特定的位表示例如“接通”、“断开”、“右转”、“左转”；另外的位表示存在警报报文。在警报报文中特定的位可以再次表示“电流限制激活”或者“超过最大运行温度”。因此该诊断设备可以代替用二进制表示“01100010”而用纯文本“电动机起动，左转”表示电动机控制设备的状态。

图4示出了一个用于表示在本发明的诊断设备中的状态信息的屏幕打印。该图左侧的目录树表示一个PROFIBUS段，亦即现场总线系统，其中存在一个主设备(控制器)，给其再分配一系列从设备(现场设备)。给每个部件，亦即实际的现场总线、控制器和现场设备分配一个“交通灯”，在此通过用交通灯的颜色的表示可一看就领会系统状态。在画面的右侧可以详细地显示每个部件的状态数据。

在本发明的另一种实施方式中，诊断设备主要用于对现场总线系统的统计的长期观察。为此，本发明的诊断方法在一个在现场总线系统中固定集成的诊断设备中使用，它主要观察状态矢量的特定的元素的能够提示错误功能的改变。这些元素例如有：

-起作用的现场设备数目的改变，其能够提示单个设备故障；

-报文重复的出现、增加或者减少，其能够提示功率或信号质量的恶化或者改善；

-重复出现现场设备的重新起动和/或重新参数化，其能够提示偶发的设备故障；

-警报消息的出现特别是积累。

 因此，在本发明的诊断方法的该实施方式中，在特定的元素上滤波和统计评估再现总线用户的状态的状态矢量。通过监控该状态信息能够及早识别恶化和通过预防性维护能够避免设备停机。由此，特别能够避免生产停顿。

在本发明的另一种实施方式中，诊断设备特别全面地用于使处理流程可视化和评估现场总线系统。如图1所示，通常现场总线系统连接一个中央控制器与现场设备(例如输入/输出组件、传感器、控制器和类似设备)用于处理联动。例如周期地在控制器和其他总线用户之间进行通信。为了可视化或者记录，对被传输的数据的访问可以不要诊断设备而仅通过控制器进行，然而不是任意的外部系统可与之连接。因此本发明的诊断方法也可以用于通过被动的监听来采集数据，以便可视显示或者记录该数据。

本发明的诊断方法也可以用于“资产管理”或者“资产监控”，以便在中心站采集、评估和存储设备数据和运行参数。由此，能够建立总线用户的完全的财产列表以及评估它的操作性能。本发明的诊断方法可以通过单纯的“监听”现场总线上的通信状况实现这点，而不必改变现有的通信结构。

Claims (26)

1.一种用于现场总线系统的计算机实现的诊断方法，在该现场总线系统中总线用户(10-18)通过现场总线(20)按照预定的通信协议交换数据，其中，数据交换以数据分组的形式进行，该方法具有方法步骤：

(a)记录总线用户(10-18)的状态；

(b)采集在总线用户(10-18)之间通过现场总线(20)传输的数据分组；

(c)关于其信息内容分析该数据分组，并

(d)根据总线用户(10-18)的先前状态和该数据分组的信息内容导出总线用户(10-18)的一个被更新的状态；

(e)记录总线用户(10-18)的该被更新的状态；

(f)重复步骤(b)到(e)，以便在线地采集总线用户(10-18)的当前状态；

其中，被接收的数据分组取决于总线用户的接收器的内部状态导致一个新的内部状态以及必要时的一个动作，该诊断方法复制所述总线用户(10-18)的内部状态和动作。

2.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，在状态矢量中记录所述总线用户(10-18)的状态。

3.根据权利要求2所述的诊断方法，其特征在于，周期地产生所述状态矢量。

4.根据权利要求3所述的诊断方法，其特征在于，所述现场总线系统周期地工作，并在每个周期中产生一个状态矢量。

5.根据权利要求3所述的诊断方法，其特征在于，产生所述状态矢量的周期可由用户预定。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的诊断方法，其特征在于，在步骤(d)中还导出现场总线(20)的被更新的状态并且在步骤(e)中记录现场总线(20)的该被更新的状态。

7.根据权利要求2所述的诊断方法，其特征在于，在所述状态矢量中记录现场总线(20)的被更新的状态。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的诊断方法，其特征在于，在步骤(f)中连续地采集总线用户(10-18)的当前的状态。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的诊断方法，其特征在于，总线用户(10-18)包括现场设备(12-18)和至少一个控制器(10)，并且在步骤(f)中采集所有现场设备(12-18)的当前的状态。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的诊断方法，其特征在于，从诊断设备向至少一个总线用户(10-18)发送数据分组，并且根据总线用户(10-18)发送的回答数据分组导出该至少一个总线用户(10-18)的被更新的状态。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的诊断方法，其特征在于，显示总线用户(10-18)的被更新的状态。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的诊断方法，其特征在于，针对总线用户(10-18)的输入和/或输出数据来分析数据分组。

13.根据权利要求12所述的诊断方法，其特征在于，显示输入和/或输出数据。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的诊断方法，其特征在于，针对报文重复、错误的数据分组和/或总线用户(10-18)的状态改变来分析数据分组。

15.根据权利要求14所述的诊断方法，其特征在于，采集报文重复的频度、错误的数据分组和/或状态改变并进行统计评估。

16.一种用于现场总线系统的诊断设备，在该现场总线系统中总线用户(10-18)通过现场总线(20)按照预定的通信协议交换数据，其中，数据交换以数据分组的形式进行，该诊断设备具有：

用于记录总线用户(10-18)的状态的装置；

用于采集在总线用户(10-18)之间通过现场总线(20)传输的数据分组的装置；和

用于关于其信息内容分析数据分组并且根据总线用户(10-18)的先前状态和数据分组的信息内容导出总线用户(10-18)的被更新的状态的装置；

其中，所述用于记录总线用户(10-18)的状态的装置被配置用于，在线地记录被更新的状态；并且

其中，被接收的数据分组取决于总线用户的接收器的内部状态导致一个新的内部状态以及必要时的一个动作，该诊断设备复制所述总线用户(10-18)的内部状态和动作。

17.根据权利要求16所述的诊断设备，其特征在于，所述用于记录总线用户(10-18)的状态的装置具有用于存储状态矢量的存储器。

18.根据权利要求16所述的诊断设备，其特征在于，所述用于记录总线用户(10-18)的状态的装置、用于采集数据分组的装置和用于分析数据分组并导出总线用户(10-18)的被更新的状态的装置，被设置为周期地工作。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的诊断设备，其特征在于，所述用于分析数据分组并导出总线用户(10-18)的被更新的状态的装置被设置用于，还导出现场总线(20)的被更新的状态；而所述用于记录总线用户(10-18)的状态的装置被设置用于，还记录现场总线(20)的该被更新的状态。

20.根据权利要求16至18中任一项所述的诊断设备，其特征在于，还包括用于向至少一个作为总线用户(10-18)的现场设备发送数据分组的装置，其中，所述用于分析数据分组并导出总线用户(10-18)的被更新的状态的装置被设置用于，根据该现场设备发送的回答数据分组导出现场设备(12-18)的被更新的状态。

21.根据权利要求16至18中任一项所述的诊断设备，其特征在于，还包括用于显示总线用户(10-18)的被更新的状态的显示器。

22.根据权利要求16至18中任一项所述的诊断设备，其特征在于，所述用于分析数据分组并导出总线用户(10-18)的被更新的状态的装置被设置用于，针对总线用户(10-18)的输入和/或输出数据来分析数据分组。

23.根据权利要求16至18中任一项所述的诊断设备，其特征在于，所述用于分析数据分组并导出总线用户(10-18)的被更新的状态的装置被设置用于，针对报文重复、错误的数据分组和/或总线用户(10-18)的状态改变来分析数据分组。

24.根据权利要求23所述的诊断设备，其特征在于，还包括用于采集和统计地评估报文重复的频度、错误的数据分组和/或状态改变以便采集总线或者总线用户(10-18)的可能的恶化的装置。

25.根据权利要求16至18中任一项所述的诊断设备，其特征在于，其在一个独立的设备单元中实现，该独立的设备单元为分析现场总线系统暂时地连接到现场总线(20)。

26.根据权利要求16至18中任一项所述的诊断设备，其特征在于，其被固定地集成在现场总线系统中。

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