CN115486034A - 用于检查网络连接的质量的现场设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化技术的现场设备(FG)，该现场设备具有检查网络连接的质量的功能。现场设备(FG)包括操作电子器件和至少一个通信接口，至少一个通信接口用于连接到具有一个或多个网络参与者(SW、SE)的通信网络并且用于建立通信连接，其中通信栈和PHY与通信接口配对，通信栈和PHY被设计为持续地手机和存储关于通信连接的多条通信信息，并且操作电子器件被涉及为从通信栈和从PHY读取通信信息，使用算法进行计算，并且基于计算的结果对通信状态(KO)进行分类。

Description

用于检查网络连接的质量的现场设备

技术领域

本发明涉及一种自动化技术的现场设备，该现场设备具有用于检查网络连接的质量的功能。

背景技术

从现有技术已知在工业工厂中使用的现场设备。现场设备通常应用于过程自动化技术以及应用于制造自动化技术。原则上，应用在过程附近并且传递或处理过程相关信息的所有设备都被称为现场设备。现场设备用于记录和/或影响过程变量。用于记录过程变量的是测量设备或传感器。例如，这样的测量设备或传感器用于压力和温度测量、电导率测量、流量测量、pH测量、填充料位测量等，并且记录相应的过程变量、压力、温度、电导率、pH值、填充料位、流量等等。用于影响过程变量的是致动器。例如，这样的致动器是泵或阀，它们可以影响测量管或管道中液体的流量或影响容器中的填充料位。除了上面提到的测量设备和致动器之外，远程I/O、无线电适配器以及通常布置在现场级别处的设备也被称为现场设备。

Endress+Hauser集团公司生产和销售大量这样的现场设备。

在现代工业工厂中，现场设备通常经由诸如例如现场总线(

Fieldbus、

等)的通信网络与上级单元连接。通常，上级单元是控制系统或控制单元，诸如例如PLC(可编程逻辑控制器)。上级单元尤其用于过程控制、过程可视化、过程监控以及用于现场设备的调试。由现场设备，尤其是由它们的传感器记录的测量值经由总线系统传输到一个或多个上级单元。此外，尤其是对于现场设备的配置和参数化以及对于致动器的操作，还需要从上级单元经由总线系统到现场设备的数据传输。

为了服务于现场设备(例如，为了对现场设备参数化或为了从现场设备检索数据)，经常使用移动服务设备。这样的移动服务设备与现场设通过备有线(例如，经由服务接口)或无线(例如，经由蓝牙)连接。例如，服务设备是膝上型电脑、诸如智能手机或平板电脑的移动终端设备或中央资产管理站。

为了测量单个参数，市场提供了多样化的解决方案，这些解决方案允许推断网络参与者的连接质量或网络状态。

形成第一示例是Cisco公司的网络组件，用于确定所谓的“网络健康评分”。这是网络中正确运行的(“健康的”)设备相对于网络中设备的总数的百分比。针对每个设备计算健康指数。如果该值介于8到10之间，则将设备归类为正确运行。此“网络健康评分”每5分钟重新计算一次(参见https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/cloud-systems-management/networ k-automation-and-management/dna-center-assurance/1-3/b_cisco_dna_ass urance_1_3_ug/b_cisco_dna_assurance_1_3_ug_chapter_0101.html#conce pt_f5g_rpg_bfb)

示例如下：90％(“网络健康评分”)＝90(健康指数在8到10之间的设备数)/100(网络中设备的总数)。

第二示例是Indu-Sol公司的交换机，借助于该交换机启用泄漏电流监控(有关其它信息，参见https://www.indu-sol.com/fileadmin/user_upload/propassageways/ profinet/infrastrukturkomponenten/Switche/Indu-Sol_PROFINET_Switch_ PROmeshP9.pdf)。

通常，在这样的解决方案的情况下，考虑了整个网络或基础设施组件(例如，交换机)。然而，未能从现场设备中获知以简单的方式总结其连接质量的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种现场设备，该现场设备能够自动提供有关其与通信网络的连接质量的信息。

该目的通过一种自动化技术的现场设备来实现，该现场设备具有检查网络连接的质量的功能，其中该现场设备包括操作电子器件和至少一个通信接口，至少一个通信接口用于连接到具有一个或多个网络参与者的通信网络并且用于建立通信连接，其中通信栈和PHY与通信接口相关联，其中通信栈和PHY被持续地实施以获取并存储关于通信连接的通信信息，其中操作电子器件被实施以从通信栈和PHY读出通信信息，并且借助于算法对通信信息进行计算，并且基于计算的结果对通信状态进行分类。

本发明的现场设备能够以简单的方式获取有关与现场设备所连接的通信网络的连接质量的信息。为此，现场设备读出通信信息，取决于网络类型或协议，这些通信信息被根据标准进行记录和存储。为了解释这样的通信信息，尤其是为了从中获取附加信息，可能需要重要的协议特定的知识。本发明的现场设备自动地对这种通信信息进行计算。以通信状态表示的结果对于服务人员和工厂操作员来说很容易理解，因此不需要协议特定的知识。

与本发明的现场设备有关的术语通信栈是指通信协议的概念架构。从图形上，在这样的情况下，各个协议在栈中被布置为一个在另一个之上的连续编号的层。在这样的情况下，每一层都使用协议栈中的下一个较低层来完成其特定任务。在这种通信栈中，在操作期间自动地依赖于协议捕获信息并将其存储在与该通信栈相关联的数据存储器中。

PHY是计算机和通信工程中的术语，指的是负责在纯数字系统和调制模拟系统之间对数据进行编码和解码的特殊集成电路或电路的功能组。在这样的情况下，PHY代表“物理接口”。例如，在以太网卡的电路图中可以找到该术语。完全集成的以太网控制器芯片中包含所谓的“PHYceiver”。

例如，网络参与者是其它现场设备，但也是控制单元(例如PLC)、基础设施组件(交换机、网关)或工业PC。

已经在本说明书的绪论部分中给出了现场设备类型的示例。

在本发明的现场设备的有利实施例中，这样的现场设备被实施以向一个或多个网络参与者提供每个通信接口的通信状态。在这样的情况下，现场设备可以自动地(有目标地)，或通过广播，或根据来自网络参与者中的一个网络参与者的查询将通信状态(取决于通信网络的类型/协议)传输到通信参与者中的至少一个通信参与者。在这样的情况下，还可以规定，现场设备具有另一通信接口，并且现场设备利用该另一通信接口经由另一通信网络，经由无线电网络，例如经由蓝牙、WiFi等，传输通信状态。

作为上述实施例的替代或补充，在本发明的现场设备的有利实施例中，这样的现场设备包括显示单元，其中现场设备被实施以经由显示单元输出通信状态。例如，显示单元是显示器。然而，可以广义地解释术语显示单元。因此，显示单元也可以是用于输出通信状态的网络服务器或也可以是用于通过服务设备检索通信状态的通信接口。

在本发明的现场设备的有利实施例中，规定通信网络是基于以太网的网络，尤其是Modbus TCP、PROFINET、EtherNet/IP或OPC UA。当然，也可以应用其它网络类型/协议，它们根据标准提供对通信信息的记录和生成。

在本发明的现场设备的有利实施例中，规定通信信息包括以下各项：

-有关是否已经经由至少一个通信接口建立了通信连接的状态，或者如果是，那么是否已经经由多个通信接口建立了通信连接；

-从通信接口接收的字节的数目；

-字节接收错误的数目；

-从通信接口传输或发出的字节的数目；

-字节传输错误的数目；

-激活TCP连接的数目；

-接收的TCP帧的数目；

-TCP帧接收错误的数目；

-传输的TCP分组的数目；

-TCP帧传输错误的数目；

-可用的UDP端口的数目；

-接收的UDP分组的数目；

-UDP分组的接收错误的数目；

-传输的UDP分组的数目；

-UDP分组的传输错误的数目；

-应用关系(AR)状态；

-关于传入数据或分组的近似网络负载的信息；

-关于传出数据或分组的近似网络负载的信息

-关于信号电平的信息；和/或

-关于信噪比的信息。

这种通信信息可以被分为协议特定的通信信息和端口诊断信息。协议特定的通信信息(例如，TCP或UDP信息；PROFINET情况下的网络负载)并非针对所有协议类型都存在，而是仅针对某些协议而存在。例如，端口诊断信息通常针对所有协议类型而存在，并且端口诊断信息包括有关发送的/接收的字节、信号电平、信噪比的一般信息，并且是从PHY获得的。

通信信息作为数值而存在，并且在给定情况下被标准化(例如，被转换为百分比值)，以便可以通过算法以简单的方式对通信信息进行计算。

在本发明的现场设备的有利实施例中，规定计算的结果是数值，并且操作电子器件被实施以基于至少两个截止值将通信状态分类为至少三种状态中的一种状态。

例如，结果是百分比，它可以介于0％和100％之间，其中0％是最差的值，而100％是最佳的可能值。例如，这三种状态是“通信正常”、“通信劣化”和“通信受干扰”。状态也可以基于已建立标准(例如NAMUR建议)的状态。截止值可以在设备中被预先确定为默认值和/或可以由用户设置。

通信状态的计算经由算法进行。这种算法应用数学公式，以便对各条通信信息进行计算。在最简单的情况下，对通信信息求平均值。因为在给定的情况下，并非所有的通信信息有关连接的稳定性都具有相同的重要性，所以优选使用加权公式，在这样的情况下，各条通信信息接收特定的权重。附加地或替代地，可以为各条信息建立极限值。取决于类型，如果低于或超过了这些极限值，则选择最差的可能状态，而与其它条通信信息的值无关。

替代地，可以规定，算法是基于AI模型，例如深度学习模型或神经网络，例如，借助于针对三种状态的训练数据对AI模型进行训练，并且有时可以发现通信信息中的细微差别，以便识别正确的状态。

在本发明的现场设备的进一步发展中，操作电子器件被实施以基于进一步的信息执行可靠性测试，其中可靠性测试提供有关所分类的通信状态是可信信息的程度的信息。例如，将接收的/传输的分组的数目作为其它信息考虑。在这些数目在短操作时间之后很小的程度上，通信状态的意义很小。

例如，也可以记录外部维护程序，其中网络表现不同，但通信仍然正常运行，即使某些信息的值已经改变。可以例如以二进制方式将可靠性测试的结果实施，使得状态为“OK”和“不可靠”。可以提供，当状态变为“不可靠”时，对导致该结果的值进行“冻结”，并且通信状态采用最后的“可靠”状态，直到新计算的状态再次可靠为止。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明。附图中唯一的图示出如下：

图1是本发明的现场设备的实施例的示例，该现场设备被集成到通信网络中。

具体实施方式

图1示出了现场设备FG。这样的现场设备例如用于记录管道中流体介质的流速。然而，现场设备FG可以是任何其它所需类型的现场设备，诸如在说明书的背景技术部分中以示例的方式指示的现场设备。

现场设备FG经由两条连接线L1、L2连接到通信网络中。在这样的情况下，连接线L1、L2形成环形拓扑。稍后计算的通信状态KO能够例如确定环形拓扑是否损坏或网络系统是否正确运行。

为了将现场设备FG连接到网络中，两条连接线L1、L2中的仅一条连接线就足够了。因此，可替代地规定，现场设备通过两条连接线L1、L2中的仅一条连接线被连接。在本示例中，现场设备使用协议PROFINET。连接线L1、L2与现场设备FG的通信接口连接。取决于网络类型，经由连接线L1、L2或经由单独的电源装置SV对现场设备FG供应其操作所需的电能。

除了现场设备之外的其它网络参与者被连接到上级单元UE，在这种情况下，所述上级单元是查询现场设备FG的测量值的PLC；以及被连接到交换机SW，所述交换机作为基础设施组件连接其它未示出的通信网络段。

在操作期间，现场设备FG的通信接口持续地获取通信信息，这样允许评估在通信网络中现场设备FG的连接性能。为此，存在执行这些任务的、与通信接口相关联的通信栈和PHY。现场设备FG的操作电子器件定期地、或者根据用户的发起或者根据网络参与者NP中的一个的询问而访问通信栈和PHY，以便读出存储在通信栈和PHY中的通信信息。与操作电子器件相关联的是算法，该算法对读出的通信信息进行计算并且演算通信状态KO。

通信状态KO的计算经由算法进行。该算法应用数学公式，以便对各条通信信息进行计算。为此，存在多种选项：

1.)形成所有通信信息的平均值。在这样的情况下，所有的通信信息具有相同的权重因子。

2.)使用加权公式，在这样的情况下，各条通信信息接收个性化的权重因子。例如，通信信息中的特定于UDP的通信信息接收高权重因子，这是因为这些权重因子涉及周期性报文，并且因此对于确保正确运行的操作很重要。

作为1.)或2.)的补充或替代，可以为各条通信信息建立极限值。取决于类型，如果低于或超过了这些极限值，则选择最差的可能状态，而与其它各条通信信息的值无关。一个示例涉及通信信息“状态，是否已经经由通信接口建立了通信连接”。如果尚未建立通信连接，那么通过默认的方式选择最坏的状态。

3.)该算法基于AI模型，例如深度学习模型或神经网络，早前已经借助于训练数据将该AI模型训练到三种状态，Z1、Z2、Z3，并且有时可以注意到通信信息中的细微差别，以便识别正确的状态Z1、Z2、Z3。在这样的情况下，该算法可以有反馈函数：例如，如果演算出最坏的可能状态S3，但连接在没有问题的情况下正运行，那么可以通过反馈将这种情况告诉给算法。该算法从这些经验中学习并且随着操作时间的推移而改进。

计算出的通信状态KO作为数值存在。取决于通信状态KO的规格(size)，这样的通信状态被分类为三种状态Z1、Z2、Z3中的一种状态。标记状态开始和结束的截止值作为默认值存储在现场设备FG中。但是，它们可以由用户更改。状态Z1是最好的可能情况，并且意味着“按顺序进行通信-良好”。状态Z2意味着“通信劣化-需要维护”。状态Z3是最坏的可能状态，并且意味着“通信受到干扰-绝对需要维护”。

可以经由现场设备FG的显示单元AE读取通信状态KO，即，特定状态Z1、Z2、Z3。例如，呈现特殊的菜单，经由该菜单可以了解当前的通信状态。还可以提供特殊的菜单以使得通信状态KO经由通信接口对于网络参与者UE、SW可用，或者使得通信状态KO经由进一步的通信接口——例如，无线电接口——对利用由申请人开发的“SmartBlue”app的附加设备——例如，服务设备——可用。

附图标记列表

AE 显示单元

EI 外部影响

FG 现场设备

KO 通信状态

L1、L2 连接线

SV 电源

SW 交换机、网络参与者

UE 上级单元、网络参与者

Z1、Z2、Z3 状态

Claims (7)

1.一种自动化技术的现场设备(FG)，所述现场设备具有检查网络连接的质量的功能，其中所述现场设备(FG)包括操作电子器件和至少一个通信接口，所述至少一个通信接口用于连接到具有一个或多个网络参与者(SW、UE)的通信网络并且用于建立通信连接，其中通信栈和PHY与所述通信接口相关联，其中所述通信栈和所述PHY被持续地实施以获取和存储关于所述通信连接的通信信息，其中所述操作电子器件被实施以从所述通信栈和从所述PHY读出通信信息，并且借助于算法对所述通信信息进行计算，并且基于所述计算的结果对通信状态(KO)进行分类。

2.根据权利要求1所述的现场设备(FG)，其中，所述现场设备(FG)被实施以通过通信接口向所述网络参与者(SW、UE)中的一个或多个网络参与者提供所述通信状态(KO)。

3.根据权利要求1或2所述的现场设备(FG)，其中，所述现场设备(FG)包括显示单元(AE)，并且其中，所述现场设备(FG)被实施以经由所述显示单元(AE)输出所述通信状态(KO)。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的现场设备(FG)，其中，所述通信网络是基于以太网的网络，尤其是ModBus TCP、PROFINET或EtherNet/IP。

5.根据前述权利要求中的至少一项所述的现场设备(FG)，其中，所述通信信息包括下述各项：

-有关是否已经经由所述通信接口建立了通信连接的状态；

-有关是否已经建立了环连接的状态；

-从所述通信接口接收的字节的数目；

-字节接收错误的数目；

-从所述通信接口传输或发出的字节的数目；

-字节传输错误的数目；

-激活TCP连接的数目；

-接收的TCP帧的数目；

-TCP帧接收错误的数目；

-传输的TCP分组的数目；

-TCP帧传输错误的数目；

-能够使用的UDP端口的数目；

-接收的UDP分组的数目；

-UDP分组的接收错误的数目；

-传输的UDP分组的数目；

-UDP分组的传输错误的数目；

-应用关系状态；

-关于传入数据或分组的近似网络负载的信息；

-关于传出数据或分组的近似网络负载的信息；

-关于信号电平的信息；和/或

-关于信噪比的信息。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的现场设备(FG)，其中，所述计算的结果是数值，并且所述操作电子器件被实施以基于至少一个截止值将所述通信状态(KO)分类在至少三种状态中的一种状态中。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的现场设备(FG)，其中所述操作电子器件被实施以基于进一步的信息执行可靠性测试，其中所述可靠性测试提供有关所分类的通信状态(KO)是可信信息的程度的信息。

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