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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Analyse der Übertragungsqualität in Feldbusnetzwerken
in automatisierungstechnischen Anlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In
der Prozessindustrie werden in der Feldebene standardmäßig Feldbusse
zum Datenaustausch zwischen Feldgeräten und einem Leitsystem eingesetzt.
Dabei dominieren Foundation Fieldbus (FF) und PROFIBUS diesen Industriezweig.
Beide Busse setzen auf dem gleichen Physical Layer nach IEC61158-2
auf.
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In
automatisierungstechnischen Anlagen werden in der Praxis mehrere
Geräte
teilweise verschiedener Hersteller an einem Strang oder Segment betrieben.
Im Gegensatz zur bislang vorherrschenden 4 .. 20 mA Technik stellt
die Planung, Installation, Inbetriebnahme und die Instandhaltung
von Feldbusnetzwerken wesentlich höhere Anforderungen an Planer,
Errichter und Betreiber. Einfache Verdrahtungsfehler wie Kurzschluss,
Drahtbruch oder Vertauschen, wie sie früher wegen der Vielzahl der
Signale vorkamen, sind in Feldbusnetzwerken relativ leicht zu finden
und zu korrigieren.
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Wesentlich
kritischer sind die Folgen von falscher Auslegung, mangelhafter
Installation und fehlender Kontrolle beim Betrieb der Anlage. Typische Fehler
im Bereich Planung und Auslegung äußern sich beispielsweise in
zu großen
Leitungslängen,
zu vielen Geräten
an einem Strang oder zu schwach bemessener Spannungsversorgung.
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Typische
Fehler bei der Installation sind beispielsweise fehlender oder unzureichender
Potentialausgleich oder Fehler bei Schirmung und Erdung der Feldbuskabel.
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Erschwerend
kommt hinzu, dass beide Feldbusprotokolle teilweise großen Spielraum
in der Auslegung von Bedingungen und Parametern lassen, was zu „schleichender” Inkompatibilität zwischen Komponenten
führt.
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Während die
vorgenannten Probleme durch den Anwender zu vermeiden wären, sind
Unverträglichkeiten
zwischen Geräten
weder vom Anwender zu beeinflussen noch kann er sie ausschließen.
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Durch
Sicherungsmechanismen in den Protokollen, wie Datenrekonstruktion
oder Telegrammwiederholungen, werden die meisten der oben genannten
Fehler für
den Anwender unterdrückt
und sind nicht sichtbar. In den meisten Fällen wird die Anlage nach mehreren
Korrekturen ihren Betrieb aufnehmen ohne Kenntnis des Betreibers über die
tatsächliche Übertragungsqualität und damit
ohne gesicherte Zuverlässigkeit.
Die Fehler nehmen in der Regel mit der Zeit zu, besonders bei Anlagenerweiterungen
werden Mängel
bei Planung und Erstinstallation sichtbar. Diese werden aber eher
mit der Erweiterung in Verbindung gebracht, da die Anlage vorher
nicht auffällig
war.
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Kommt
es während
der Inbetriebnahme zu keinen Auffälligkeiten, wird regelmäßig auf
Messungen verzichtet und der Anwender vertraut auf die Fehlertoleranz
der Geräte.
Im besten Fall wird die Inbetriebnahme mit einem mobilen Busmonitor
begleitet und erst nach zufrieden stellender Statistik übergeben.
Die Messungen sind zeitlich begrenzt und werden von Spezialisten
durchgeführt.
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Aufgrund
von Erfahrungswissen werden Anlagen großzügig, das heißt mit viel
Reserve, geplant und das vorhandene Potential damit bei weitem nicht ausgeschöpft. Die
Netze sind dementsprechend aufwändig.
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Im
Ergebnis fehlender kontinuierlicher Information über die Übertragungsqualität wird erst
bei erkannten Fehlern ungeplant das Netzwerk analysiert.
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Bei
Erweiterungen der Anlage werden neue Netze installiert um bestehende
Funktionen nicht zu gefährden,
da keine fundierte Information über
die Reserve im Netzwerk vorliegt.
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Aus
der
EP 0443 061 B1 ist
ein Messverfahren für
die Übertragungsgüte bei serieller
Datenübertragung
bekannt, bei dem in Abhängigkeit
von der Übertragungsqualität eine optimale
Blocklänge
der Telegramme eingestellt wird. Dabei werden Parameter der Datenübertragung
gemessen, mit Faktoren gewichtet und die gewichteten Busparameter
miteinander zum Betriebsparameter verknüpft.
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In
der
US 6,959,265 B1 ist
eine Lehre zur Ermittlung der Qualität eines Datennetzwerkes offenbart,
bei der Ausnahmezustände
gewichtet berücksichtigt
werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Übertragungsqualität in Feldbusnetzwerken
kontinuierlich zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht aus von einem Feldbusnetzwerk mit einer Mehrzahl
von Feldbusteilnehmern, die über
das Feldbusnetzwerk miteinander kommunizieren.
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Die
Erfindung geht ferner von der Erfahrung aus, dass die Übertragungsqualität in einem
Feldbusnetzwerk von einer Vielzahl von Parametern beeinflußt wird.
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Erfindungsgemäß werden
aus dem über
das Feldbusnetzwerk übertragenen
Leitungssignal direkt messbare logische und physikalische Busparameter erfasst
und mit vorgebbarer Retrospektivität gespeichert. Aus den gemessenen
Busparametern werden Betriebsparameter abgeleitet, wobei die Busparameter
gewichtet und die gewichteten Busparameter miteinander zu Betriebsparametern
verknüpft
werden. Dabei wird die quantitative Wichtung eines Busparameters
funktional durch mindestens einen anderen Busparameter dynamisch
bestimmt. Die funktionale Abhängigkeit
zwischen dem Gewicht eines Busparameters und der Quantität anderer
Busparameter umfasst ausdrücklich
beliebig komplexe mathematische Zusammenhänge.
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Im
Ergebnis der kontinuierlichen Erfassung und Beurteilung der Kommunikation,
ihrer logischen Fehler und ihrer Signalqualität wird die Übertragungsqualität in dem
untersuchten Feldbusnetzwerk permanent ermittelt. Vorteilhafterweise
wird durch Einbeziehung logischer und physikalischer Busparameter
eine hohe Güte
für die
ermittelte Übertragungsqualität erreicht.
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Darüber hinaus
ist von Vorteil, dass die Erfindung in einer physischen Ausprägung realisierbar
ist, die für
den explosionsgefährdeten
Bereich einer verfahrenstechnischen Anlage zulassungsfähig ist.
Dadurch sind auch endgerätenahe
Messungen möglich.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung werden aus den Betriebsparametern
durch gewichtete Verknüpfung
mit mindestens einem weiteren Betriebsparameter und/oder mindestens
einem weiteren Busparameter weitere Betriebsparameter gebildet.
Die mehrstufige Verarbeitung der Einflußgrößen lässt vorteilhafterweise einfache
Rechenschritte bei höherer
Transparenz der Ermittlung der Betriebsparameter zu.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird mindestens ein Betriebsparameter
nach einer Fuzzy-Methode aus den Busparametern ermittelt. Vorteilhafterweise
wird durch dieses Merkmal die Übertragungsqualität in Feldbusnetzwerken
auf eine rasche Weise ermittelt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die ermittelten Betriebsparameter
aufgezeichnet. Über
die Aussage zur Übertragungsqualität in dem
betrachteten Feldbusnetzwerk hinaus wird die Übertragungsqualität dokumentiert.
Auf diese Weise der gegenüber
dem Betreiber des Netzwerks dessen Zustand nach der Installation
oder der Instandhaltung erbringbar.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Ausgehend von
einem Feldbusnetzwerk in einer automatisierungstechnischen Anlage
mit einer Mehrzahl von Feldbusteilnehmern, die über das Feldbusnetzwerk miteinander
kommunizieren, werden aus dem über das
Feldbusnetzwerk übertragenen
Leitungssignal direkt messbare logische und physikalische Busparameter
kontinuierlich erfasst und mit vorgebbarer Retrospektivität gespeichert.
Dazu gehören
im Einzelnen aber nicht abschließend:
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Gleichspannungsanteil
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Das
Feldbussignal wird elektrisch erfasst und zunächst sein Gleichspannungsanteil
bestimmt. Der Gleichspannungsanteil wird mit statistischen Methoden
weiterverarbeitet und auf diese Weise die Grenzwerte und der Mittelwert
bestimmt. Die Grenzwerte sind durch die Feldbusnormen festgelegt,
dementsprechend erfolgt die Abbildung der Spannung auf einen vorgegebenen
Wertebereich.
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Spannungsschwankung
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Die
Standardabweichung des Augenblickswertes vom Mittelwert sowie zeitliche
Position von Minimum und Maximum und deren Amplitudendifferenz ergeben
einen weiteren Busparameter und werden ebenfalls auf einen definierten
Wertebereich abgebildet.
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Mittelwert der Nutzsignalamplitude
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Wesentlich
für die
Robustheit der Kommunikation ist die Höhen der Nutzsignalamplitude.
Des gemessene Wert wird auf einen definierten Wertebereich abgebildet,
wobei als Skalierungsgrößen die Feldbusnorm
dient.
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Varianz der Nutzsignalamplitude
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Starke
Streuung der Nutzsignalamplitude kann im Mittelwert zu einer insgesamt
guten Beurteilung führen,
obwohl mit häufigen
Fehlern der „schwächeren”, möglicherweise
weiter entfernten Teilnehmern zu rechnen ist. Deshalb wird die Varianz
der Einzelamplituden, also die Differenz von starken zu schwachen
Telegrammen ebenfalls als Busparameter auf einen Wertebereich abgebildet.
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Jitter
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Jitter
des Kommunikationssignals, also die zeitliche Schwankung von Nulldurchgängen beziehungsweise
Flanken ist eine wesentliche Ursache für Fehler im Feldbusnetzwerk.
Jitter entsteht durch einen asymmetrischen, zeitlich nicht konstanten
Offset auf die beiden Leitungen des Netwerkes. Ursache dafür können beispielsweise
parasitäre
Kapazitäten der
Leitungen gegenüber
dem gemeinsamen Schirm sein. Ein elektrischer Störimpuls, der auf beide Leitungen
gegenüber
Schirm (Erde) wirkt, wird durch die unterschiedlichen parasitären Kapazitäten auf
beiden Leitungen unterschiedlich stark abgeschwächt , was eine Verschiebung
der Nulllinie zur Folge hat. Durch die in der Praxis trapezförmige Signalform
des Nutzsignals ergibt sich eine zeitliche Verschiebung des Nulldurchgangs.
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Asymmetrie des Nutzsignals
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Eine
quasi statische Nullpunktverschiebung des Nutzsignals wird ebenfalls
als Busparameter erfasst.
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Busruhezeiten
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Enthält die Feldbuskommunikation
einen hohen Pausenanteil, ist zum einen von einer großen Reserve
auszugehen, weiterhin wird eine Störung statistisch gesehen auch
in einer Pause auftreten und nicht zu einem Fehler führen, da
kein Telegramm zerstört
wird.
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Durchschnittliche Telegrammlänge
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Bei
unsicherer Kommunikation ist die Wahrscheinlichkeit höher das
ein langes Telegramm zerstört
wird als kürzeres.
Weiterhin ist die zeitliche Beeinflussung eines kompletten Zyklus
geringer, wenn ein kurzes Telegramm wiederholt wird als ein langes. Dazu
wird die durchschnittliche Telegrammlänge gemessen. Bei ansonsten
gleichen Parametern führt ein
hoher Wert zu einer schlechteren Bewertung als ein kleiner Wert.
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Anzahl der Teilnehmer
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Je
mehr Teilnehmer in einem Netwerk zusammengeschaltet sind, umso größer ist
die Fehlerwahrscheinlichkeit. Das liegt zu einen an den physikalischen
Eigenschaften wie wechselstrommäßige Last
oder Asymmetrien zum anderen an der zunehmenden Wahrscheinlichkeit
potentieller Inkompatibilitäten
zwischen den Geräten.
Die Anzahl der erkannten Teilnehmer ist deshalb ein wichtiger Busparameter
zur Bildung der Primärinformation.
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Telegrammfehler
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Als
Telegrammfehler werden eine Reihe von Einzelfehlern bezeichnet.
Allen gemein ist, dass der Empfänger
die Daten nicht decodieren kann. Mögliche Einzelfehler sind beispielsweise
fehlende oder zusätzliche
Flanken im Signal, falsche Prüfsumme, unerwartete
Länge,
unerwartete Adresse oder Typ.
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Wiederholte Telegramme
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Je
nach Busprotokoll kann ein Sender festestellen, ob die von ihm gesendete
Nachricht den Empfänger
erreicht hat bzw. von diesem korrekt dekodiert wurde. Häufige Telegrammwiederholungen sind
ein deutliches Merkmal geringer Übertragungsqualität. Dabei
kann es vorkommen, dass der eigene Empfangskreis ein empfangenes
Telegramm korrekt dekodieren kann, der angesprochene Teilnehmer aber
nicht, oder im umgekehrten Fall der eigene Empfänge das Telegramm als fehlerhaft
einstuft, der angesprochene Teilnehmer aber nicht. Beide Fälle können bei
Beobachtung der Telegrammwiederholung erkannt werden.
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Die
Ermittlung der Betriebsparameter erfolgt durch gewichtete Verknüpfung von
Busparametern. Die Qualität
der Busparameter wird dabei entscheidend vom implementierten Expertenwissen
geprägt. Dieses
findet in den verknüpften
Busparametern und der Quantität
der Gewichtungen seinen Ausdruck. Als Betriebsparameter werden zyklisch
die Übertragungsqualität und eine
Reserve ermittelt. Dabei wird im Rahmen dieser Offenbarung unter
dem Begriff Reserve ein Maß verstanden,
um das die Übertragungsqualität unter
Aufrechterhaltung der Kommunikation noch sinken darf.
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Die
Verknüpfung
der Busparameter zu den Betriebsparametern erfolgt vorzugsweise
mehrstufig. Zunächst
werden aus Kombinationen von Busparametern Zwischengrößen gebildet.
Dabei wird berücksichtigt,
dass die Bedeutung und damit die Gewichtung eines Merkmals von anderen
Merkmalen abhängt.
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In
einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,
zur Bestimmung der Übertragungsqualität aus der
oben angegebenen Menge die folgenden Parameter zu messen:
- – Parameter
a: Gleichspannungsanteil
- – Parameter
b: Telegrammwiederholrate
- – Parameter
c: Flankensteilheit
- – Parameter
d: Anzahl der Teilnehmer
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Alle
Werte werden zunächst
auf einen einheitlichen Wertebereich 0 .. 100 skaliert. Die Skalierung
ist parameter-spezifisch und kann linear oder aber auch nicht linear
sein. So wird die Anzahl der Teilnehmer im Bereich 0 .. 10 Teilnehmer
linear auf einen Zielbereich von 100 .. 0 abgebildet, mehr als 10 Teilnehmer
bekommen ebenfalls den Zielwert 0. Für alle normierten Betriebsparameter
gilt: 0 ist der schlechteste Wert, 100 der bestmögliche Wert.
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Aus
den normierten Betriebsparameter wird durch gewichtete Summierung
eine Übertragungsqualität X ermittelt: X = A·a
+ B·b
+ C·c
+ D·d, (1)wobei für die Wichtungskoeffizienten
A, B, C und D gilt: A + B + C + D
= 1. (2)
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Während bei
einer großen
Teilnehmeranzahl d mit einer geringeren Flankensteilheit c gerechnet wird,
so wird bei gleicher Übertragungsqualität X und bei
einer geringeren Teilnehmeranzahl d eine höhere Flankensteilheit c erwartet.
Demnach ist die erwartete Flankensteilheit c' eine Funktion der Teilnehmeranzahl
d, c' = f(d). Diese
Abhängigkeit
findet ihren Niederschlag in den Wichtungskoeffizienten A, B, C
und D zur Ermittlung der Übertragungsqualität X. Der
Einfluß der
Flankensteilheit c auf die Übertragungsqualität X wird
bei einer geringeren Teilnehmeranzahl d höher bewertet, indem dem Wichtungskoeffizient
C dynamisch ein höherer
Wert zugewiesen wird. Demzufolge ist der Wichtungskoeffizient C
eine Funktion der Teilnehmeranzahl d, C = f(d), wobei C ~ d ist.
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Über Gleichung
(2) sind auch die Wichtungskoeffizienten A, B und D eine Funktion
der Teilnehmeranzahl d, wobei zumindest die Summe der Wichtungskoeffizienten
A, B und D mit steigender Teilnehmeranzahl d fällt, A + B + D ~ 1/d.
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Neben
streng analytischen bzw. statistischen Verfahren können Fuzzy
basierte Algorithmen eingesetzt werden. So würde nach einem Fuzzy basierten Algorithmus
die Übertragungsqualität als niedrig
eingestuft werden, wenn der Gleichspannunganteil „klein” und die
Anzahl der Telegrammwiederholungen „hoch” ist. Nach einem analytischen
Verfahren würde
die Übertragungsqualität als niedrig
eingestuft werden, wenn der Gleichspannunganteil < 10 V und die Anzahl
der Telegrammwiederholungen > 50%
ist. Nach der analytischen Ermittlung gemäß der Berechnungsvorschrift
wird das quantitative Ergebnis in Qualitätsstufen überführt.
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Nach
einem statistischen Verfahren gleichen Zwecks werden die aktuell
ermittelten Busparameter einzeln mit gespeicherten Langzeit-Mittelwerten
verglichen, bei starker Abweichung eines oder mehrerer Parameter
nimmt die Übertragungsqualität ab. Die Abnahme über die
Zeit kann zur prediktiven Ausfallerkennung genutzt werden.
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Weiterhin
sind adaptive Eingriffe in die Gewichtung implementierbar. Diese
können
manuell oder automatisch eingerichtet sein. Wenn in einem Netzwerk überwiegend
robuste und fehlertolerante Geräte
eingesetzt werden, wird es auch unter ungünstigen Bedingungen wie geringer
Spannung oder asymmetrischen Nutzsignalen nur selten zu Telegrammwiederholungen
kommen. Da diese ebenfalls erfasst werden, wird die Reserve für dieses
Netzwerk höher
angegeben.
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Um
das System ohne umfangreiche Parametrierung zu nutzen, kann während einer
Lernphase die spezifische Charakteristik des Netzwerkes automatisch
ermittelt werden. In der Lernphase werden alle Parameter zyklisch
gespeichert, eventuell durch Mittelwertbildung. Nach Abschluss der
Lernphase erfolgt ein Vergleich der Augenblickswerte mit den erlernten.
Aus dem Vergleichsergebnis wird der Grad der Veränderung und die Tendenz ermittelt,
ob und wie sich die Eigenschaften der Anlage verändert haben. Auf diese Weise
gelingt es mit einfachen Mitteln, den Erfolg einer Änderung
der Anlage zu erfassen. Insbesondere läßt das Verhalten der Anlage
nach einer Baumaßnahme
beurteilen.
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Alles
in allem erhält
der Anwender sowohl bei der Inbetriebnahme als auch während des
Betriebs eine Aussage über
die Übertragungsqualität der Kommunikation
und damit die Zuverlässigkeit seines
Feldbusnetzwerkes. Probleme lassen sich frühzeitig erkennen und analysieren,
bevor einzelne Geräte
sporadisch ausfallen. Durch die Sekundärinformationen können Fehlerquellen
schneller lokalisiert werden. Dadurch gelingt es Häufung bei
bestimmten Uhrzeiten oder Teilnehmern oder Subnetzen zu identifizieren.
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Die
Erfindung ist in einer physischen Ausprägung als Einchipcomputer realisierbar,
der an beliebig geeigneter Stelle im Netzwerk montierbar ist. Die Montage
kann dauerhaft oder temporär
erfolgen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann vorgesehen sein, die Merkmale der Erfindung als Teil eines
bereits bestehenden Gerätes
zu implementieren. Hierzu werden insbesondere aber nicht abschließend Segmentkoppler
oder Linking Devices als geeignet angesehen. Durch eine verteilte
Anordnung einer Mehrzahl erfindungsgemäß ausgeführter Einrichtungen in einem
Netzwerk wird eine noch bessere Diagnose des Netzwerkzustands durch
Verknüpfung der
Einzeldaten erreicht.
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Damit
können
Fehler im Netzwerk lokal eingegrenzt werden: Ein schwacher Sender,
der bei vielen Empfängern
zu Fehlern führt,
ist durch Verknüpfung
von Informationen veteilter Detektoren ebenso erkennbar wie ein
schwacher Empfänger,
der auffällig
viele Telegramme als fehlerhaft einstuft.
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Die
eigentliche Diagnose wird durch die Verknüpfung sowohl physikalischer
als auch logischer Eigenschaften der Kommunikation gebildet.
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Zur
genauen Analyse und Störungsfindung stehen
sekundäre
Informationen wie Fehlerhäufungen
(zeitlich oder gerätebezogen)
und eine Statistik von Einzelereignissen zur Verfügung (z.
B. spezielle Ereignisse wie Teilnehmerausfall, Neuparametrierung
usw. mit Zeitstempel).