CN102023622B - 用于包括工业控制设备的分布式工业网络的诊断模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于包括工业控制设备的分布式工业网络的诊断模块。公开了一种用于工业自动化系统的网络组件。所述组件包括：网络交换处理器，被配置为实现联网交换功能；至少一个通信端口，被配置为在所述网络交换处理器与网络上的至少一个工业控制设备之间提供通信信道；以及诊断模块，被配置为通过所述网络交换处理器来实现并被配置为从所述至少一个工业控制设备中检索诊断信息。

Description

用于包括工业控制设备的分布式工业网络的诊断模块

技术领域

本发明大体上涉及用于控制机器和工业过程的工业控制网络，尤其涉及一种允许针对互连工业控制器的分布式工业网络的更大的诊断监视的诊断模块。

背景技术

工业控制器用于控制并监视工业过程和机械装置。典型的工业控制器包括用于执行所存储的控制程序以基于所述控制程序的逻辑读取来自受控过程的输入并向受控过程提供输出的专用计算机。工业控制器通常生成并存储与控制器的运转相关的诊断信息。

工业控制器与常规计算机的不同之处在于三个方面。首先，工业控制器可被高度定制化以符合受控的特殊工业过程的要求。通常，此定制化是通过提供不同组件的模块结构而变得可行，所述不同组件可被添加到所述工业控制器以将其扩展用于特殊应用。最典型地，这些附加的组件为I/O(输入/输出)模块，其向致动器提供模拟或数字信号或从传感器接收模拟或数字信号。其它公共组件包括显示器和电动机驱动器。

工业控制器与常规计算机之间的第二个区别在于：工业控制器的组件可间隔相当大的距离，例如，分布在遍布整个工厂而通信的网络上。大量的专有高速控制网络用于此目的，包括，例如，由跨行业联盟ODVA(www.odva.org)管理的开放标准ControlNet和DeviceNet。

第三，不同于常规计算机，工业控制器必须提供可以安全地控制物理设备的高度可预测且可靠的控制输出。在这点上，强制性要求的是输出和输入被快速传递以及确保输出和输入实际上已被传送。此外，重要的是，控制器生成的诊断信息中所显示的控制器的任何问题必须得以快速且有效地传送。不允许出现数据通信的损坏或伪消息。

因此，在工业控制网络中，用户需要在出现与设备或网络相关的问题时对其进行快速诊断的能力。常常可基于网络所经历的症状来诊断这些问题，包括但不限于，与自动机的通信中断、与个人计算机的通信极慢、网络组件发出错误消息等。由于这些问题的全异性，因此能够容易地访问来自与控制系统相关的各种组件的诊断数据是有利的。

然而，在工业控制网络中并非总能容易地获得诊断数据。诊断数据可能散布在网络上的许多可能的工业设备中。此外，诊断数据在不同设备中在格式和内容方面的表示可能不一致。此外，终端设备不会主动地发送诊断通知。因此，用户不仅难以发现网络上的设备，而且难以识别哪些设备可能出现故障以及所出现的任何故障的性质。

需要一种用于分布式工业网络诊断的系统和方法。还需要一种通过被配置为在高度可定制环境中与工业控制网络上的其它设备交互的诊断代理来实现的系统和方法。还需要一种被配置为提供诊断管理站以允许用户获得关于网络的信息的系统和方法。

发明内容

网络交换机可被配置为执行诊断信息模块，所述诊断信息模块可被配置为从通过所述交换机的数据端口和工业控制网络耦接到所述交换机的任何工业控制设备中检索诊断信息。所述诊断模块可被配置为从创建并存储各种格式及具有不同内容的诊断信息的各种类型的工业控制设备获得此信息。该诊断模块可被配置为识别所述工业控制设备及其相关协议以促进此过程。

所述网络交换机可以耦接到被配置为使用诸如SNMP、工业网络协议(例如，控制与信息协议(CIP)、Modbus/TCP等)以及HTTP的各种协议中的任意一种进行通信的诊断信息管理站。所述管理站还可用于对所述模块及相关工业控制设备两者的诊断信息管理行为进行修改。

本发明提供一种用于工业自动化系统的网络组件。所述组件包括：网络交换处理器，被配置为实现联网交换功能；至少一个通信端口，被配置为在所述网络交换处理器与网络上的至少一个工业控制设备之间提供通信信道；以及诊断模块，被配置为通过所述网络交换处理器来实现且被配置为从所述至少一个工业控制设备中检索诊断信息。

这些特殊目的和优点可能仅适用于落入权利要求书范围之内的一些实施例，因此并不限定本发明的范围。

附图说明

图1是示出根据示例性实施例的使用以太网进行连接、并将本发明用作独立式设备和嵌入到控制设备中两者的示例性工业控制系统的元件的框图；

图2是根据示例性实施例的包括诊断代理模块的网络交换机，所述诊断代理模块被配置为对工业控制结构中的一个或更多个设备进行轮询；以及

图3是例示用于在工业控制环境中生成并提供网络诊断信息的方法的流程图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于在工业控制环境中生成并提供网络诊断信息的系统和方法。根据示例性实施例，用于接收和管理诊断信息的诊断代理可被实现为控制网络中的交换机或独立式装置，并且可被配置为收集来自设备的诊断信息以存储在诊断信息仓库中。

现参照图1，示出了根据示例性实施例的工业控制和通信结构100。工业控制和通信结构100包括：网络交换机120，具有集成诊断模块110；多个工业控制设备130，每个设备与其自身的诊断数据135相关联；以及至少一个诊断管理站140。尽管控制和通信结构100在本文中被示出且被描述为包括呈特殊配置的特殊组件，但是应理解，结构100可包括额外的组件、较少的组件、和/或不同的组件配置以执行本文中所描述的功能。

应注意，与工业控制和通信结构100相关的组件可包括各种计算机或网络组件，例如服务器、客户机、可编程逻辑控制器(PLC)、通信模块、移动计算机、无线组件、控制组件等等。类似地，本文中所使用的术语PLC可包括能够在多个组件、系统和/或网络之间共享的功能性。例如，一个或更多个PLC可与网络上的各种设备进行通信和协作。这可包括通过网络进行通信的基本上任何类型的控制、通信模块、计算机、I/O设备、传感器、人机接口(HMI)等，所述网络包括控制网络、自动化网络和/或公共网络。所述PLC还可与各种其它设备进行通信并对其进行控制，例如，包括模拟、数字、程序化/智能I/O模块的输入/输出模块，其它可编程控制器，通信模块，传感器，输出设备等等。

所述网络可包括诸如互联网、内部网以及自动化网络的公共网络，包括诸如公共工业协议(CIP)的协议，公共工业协议包括DeviceNet和ControlNet。其它网络包括以太网、DH/DH+、远程I/O、Fieldbus、Modbus、Profibus、无线网络、串行协议等。此外，所述网络设备可包括各种硬件和/或软件组件。这些包括诸如具有虚拟局域网(VLAN)能力的交换机、LAN、WAN、代理服务器、网关、路由器、防火墙、虚拟专用网(VPN)设备、服务器、客户机、计算机、配置工具、监视工具和/或其它设备的组件。

网络交换机120可被配置为包括交换机实现的诊断模块110，被配置为在工业控制结构中实现网络健康诊断功能。根据示例性实施例，交换机120可被实现为工业交换机。为了恶劣工业环境中的性能，可能需要常用于工业交换机的耐用、更高温及振动规范。网络交换机是连接网段的计算机联网设备。通常，网络交换机被配置为在接收到结构100中传输的数据包时对其进行检查，确定该包的源设备和目的地设备，并对其进行适当的转发。如图1所示，交换机120可被配置为使用结构100对设备130进行互连。交换机120还可被配置为使用模块110来实现诊断功能，下文将参照图2和图3进行更为详细的描述。由交换机120实现的诊断功能属于设备130的特殊应用功能，并且是对通常由网络交换机实现的网络诊断信息(例如，包计数、网络错误等)的附加。

尽管在本文中被示出且被描述为交换机实现的诊断模块，但是诊断模块110可替代地被实现为链接到网络125的独立式装置。

设备130可以是用于工业控制结构100中的任何类型的设备。示例性设备可包括监视控制与数据采集(SCADA)系统、分布式控制系统(DCS)以及其它更小型控制系统配置，例如装在滑动底座上的可编程逻辑控制器(PLC)。

设备130可被配置为包括一组诊断数据135。诊断数据135可以是由相关的工业控制设备130生成的或从相关的工业控制设备130获得的诊断信息。诊断数据可包括定时差值、反馈值、检测到的错误状态等。根据示例性实施例，诊断数据135可呈与设备130相关的独特格式，例如固定格式，可以与任何其它设备130的诊断数据135的格式不同。此外，对于设备130的每个诊断数据135，数据类型、数据量、数据记录频率、数据存储方法、数据表示方法、数据广播方法等(若还有的话)可不同。

根据示例性实施例，诊断数据135可以被配置为自描述的以允许对不同类别的设备130的可变诊断。每个设备可单独定义自描述诊断数据，使得自描述诊断数据呈设备专用格式，包括设备专用信息字段等。此外，数据可被配置为使得可仅基于诊断数据135的内容来确定数据的意义和结构。数据135被配置为包括用于描述该数据的解释性信息。例如，XML表示法可被配置为对于每个数据项具有用于描述该项的标签，于是具有该项本身的值。诊断数据135还可以是网络可读的网络诊断信息，被配置为提供由工业控制设备生成的关于网络和/或特殊工业控制设备的当前运转状态的信息。

诊断管理站140可以是基于软件的工具，其收集来自一个或更多个模块110的诊断信息135并向用户显示所述信息。该信息可被显示成基于来自工业控制设备130中的每一个的诊断信息的集合示出整体网络健康的网络健康综合描述。诊断管理站140还可用于一个或更多个诊断系统配置功能，例如对阈值、告警等进行配置，对模块110进行配置，对设备130进行配置等。

交换机120可通过本领域中熟知类型的网络125与设备130通信。为了下面描述的目的，假设网络125为诸如本领域中当前常用的以太网，支持诸如以太网/IP或Modbus/TCP的兼容以太网的工业控制协议，其可层积到以太网协议上。然而，应理解，本发明无需局限于此类以太网。其上所使用的网络和协议是由各个设备130所指定的网络和协议。用于每个设备的网络和协议是通常作为自动化应用功能用于控制设备130的“本地”工业网络和协议。交换机120被配置为使用本地工业协议从所述设备获得诊断信息135。

以太网125还可与其它控制设备通信。这些设备的示例包括，但不限于，诊断管理站140、到其它网络的桥、通向互联网的互联网网关以及向设备130a-d中的一个或更多个提供操作员控制和程序的操作员终端。

现参照图2，示出了根据示例性实施例的包括被配置为对工业控制结构中的一个或更多个设备进行轮询的诊断代理模块110的网络交换机120。于2007年9月27日提交的美国专利申请第11/862,909中详细描述了一种示例性交换机，将其全部内容合并在本文中。网络交换机120可被配置为包括多个交换机端口250a-f，该多个交换机端口250a-f被配置为允许交换机120连接到设备30，如参照图1所论述的。交换机120还可被配置为包括诊断信息仓库260。交换机120被配置为提供促进对网络125上的控制系统的诊断信息管理的多种能力。所述能力可包括接收和发布诊断信息、记录诊断信息、将接收到的诊断信息与一个或更多个阈值条件进行比较等。

交换机120可在编制软件时使用配置文件页来配置，例如，由下文将进一步详细描述的诊断管理站140来实现。交换机可通过诸如Telnet或SNMP的网络程序来配置，或者可以是通过诸如CIP^TM的网络协议经由消息命令可配置的。交换机120可以是针对各种故障条件、阈限以及诊断信息存储和传送等可配置的。

诊断代理210可以是通过交换机120实现的系统和/或方法。诊断代理可被实现为存储在计算机可读介质中以由交换机120的组件执行的计算机实现的方法。诊断代理210可与一个或更多个通信对象相关联，所述一个或更多个通信对象允许诊断代理210使用诸如工业网络协议对象220、网络服务器应用230及SNMP代理240的各种协议/系统中的任意一个，将诊断信息传送到诸如诊断管理站140的一个或更多个用户和/或应用。SNMP代理240还可被配置为包括由网络管理协议从受管理对象的数据库中访问的MIB数据。SNMP MIB数据可以是诊断管理站140能够在诸如交换机120的网络设备的SNMP代理中查询或设置的一组参数。

根据示例性实施例，诊断代理210可被配置为充当代理，用于从通过交换机端口250a-f附接到交换机120的设备收集诊断信息。为了收集诊断信息，可利用发现协议对诊断代理210进行初始化。可使用各种注册协议中的任意一种来实现所述发现协议，例如，接收附接到交换机120的设备的预配置列表、通过交换机端口250将广播询问消息从交换机120发送到附接到交换机120的所有设备、使用不同协议的列表迭代地尝试通信等。替代地，可通过工业协议来提供所述发现协议。例如，交换机120可被配置为通过尝试任意数量的工业协议而获悉附接了哪种类型的设备，被定义为交换机120的配置过程的部分。替代地，可通过显式配置使用诊断管理站140对诊断代理210进行初始化。

诊断信息仓库260可以是被配置为接收和存储从设备130中的任意一个所接收到的诊断信息的任何类型的数据库。诊断信息仓库260可被配置为经由不同接口和协议使用诸如工业网络协议对象220、网络服务器应用230及SNMP代理240的各种协议/系统中的任意一种可访问的。

现参照图3，示出了根据示例性实施例的在以太网交换机中用于初始化设备并且接收来自一个或更多个工业控制网络设备的诊断信息的方法300。尽管方法300示出了以特定顺序执行的特定步骤，但是本领域的普通技术人员应理解，所述方法可包括更多步骤、更少步骤和/或不同顺序的步骤以实现本文中所描述的诊断功能。

在步骤310中，诊断模块110可被配置为识别附接到控制网络125的终端设备130。可使用任何识别方法或识别方法的组合来实现所述识别。在第一识别方法中，用户可使用例如诊断管理站140向模块110手动地提供设备130的列表。使用第二识别方法，模块110可被配置为使用已知的以太网/IP协议方法经由自动发现来发现附接到网络125的设备。

诊断模块110可被配置为基于对设备130的识别生成工业设备的网络拓扑。所述网络拓扑可包括设备标识、设备类型、设备本地协议、设备功能信息等。

在对终端设备130的识别之后，可在步骤320中从所述设备获得诊断信息135。根据示例性实施例，用于在诊断模块110与设备130之间交换诊断的协议可以是以太网/IP。这可实现为轮询操作，其中模块20向设备130发送查询或通过网络125广播对信息的一般请求；或者，这可实现为推送操作，其中设备130经由分发/订阅协议向模块110发送诊断信息135。可通过查询关联有活动设备的交换机的每个端口在交换机120中实现所述轮询操作。推送操作发送可周期性地发送，或者该发送可以是事件驱动的，例如，基于所检测到的变化、错误条件的出现、阈值等。

根据示例性实施例，模块110被配置为以每个设备130的本地协议接收诊断信息135。可在步骤310的发现协议期间发现终端设备130的每个本地工业协议。替代地，模块110可被配置为具有已知设备以及相关协议的列表。

在步骤330中模块110可被配置为将接收到的诊断信息存储在数据仓库260中。存储所述信息以便使用诸如工业网络协议对象220、网络服务器应用230及SNMP代理240的协议/系统可对其进行访问。在步骤340中可使用诸如诊断信息管理站140的人机接口对所述诊断信息进行访问和操作。

已针对优选的实施例对本发明进行了描述，但是应认识到除明确陈述的实施例以外的等效例、替代例及修改例是可能的，并落入所附权利要求书的范围之内。

Claims (11)

1.一种工业控制系统，包括：

多个工业控制设备，各自提供电子网络接口，生成网络可读的网络诊断信息并经由本地工业协议提供网络可读的网络诊断信息，其中，所述网络可读的网络诊断信息包括由所述工业控制设备生成的关于网络的当前运转状态的信息；

诊断管理接口，向操作者提供人机接口；以及

网络装置，与所述诊断管理接口通信并且提供与所述多个工业控制设备的电子网络接口通信，所述网络装置被配置为与所述多个工业控制设备通信以收集所述多个工业控制设备中的每一个生成的网络可读的网络诊断信息，将所收集的网络诊断信息转变为公共格式，将从所述多个工业控制设备中的每一个收集的网络诊断信息存储在诊断信息仓库中，以及根据经转变的所收集的网络诊断信息呈现对网络健康的综合描述。

2.根据权利要求1所述的工业控制系统，其中所述网络装置被配置为识别所述工业控制设备并且确定每个设备所使用的本地协议。

3.根据权利要求2所述的工业控制系统，其中所述网络装置被配置为使用所述工业控制设备的本地协议来检索诊断信息。

4.根据权利要求2所述的工业控制系统，其中所述网络装置被配置为基于对所述工业控制设备的识别生成网络拓扑。

5.根据权利要求1所述的工业控制系统，其中所述诊断信息仓库以所述工业控制设备的本地格式存储针对所述网络装置的诊断信息。

6.根据权利要求1所述的工业控制系统，其中所述网络装置被配置为通过所述诊断管理接口接收用于对至少一个工业控制设备的诊断行为进行修改的指令。

7.根据权利要求1所述的工业控制系统，其中诊断信息管理站接口被配置为使用公共工业协议提供与所述诊断管理接口的通信。

8.根据权利要求1所述的工业控制系统，其中所述网络装置被配置为使用初始化广播消息来识别至少一个工业控制设备。

9.根据权利要求8所述的工业控制系统，其中所述初始化广播消息还用于识别至少一个工业控制设备的本地协议。

10.根据权利要求1所述的工业控制系统，其中所述网络装置被配置为监视正在由工业控制设备传输的诊断信息的网络数据流量。

11.根据权利要求1所述的工业控制系统，其中所述网络装置被配置为向所述工业控制设备广播一个或更多个对诊断信息的请求。