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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Überprüfen von Datenübertragungen auf zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Datennetzsystemen für eine Automatisierung, die insbesondere – aber nicht ausschließlich – zum Überprüfen von Datenübertragungen in Netzwerksegmenten zur Anwendung kommt, welche in Übereinstimmung mit dem IEC61158-2 Feldbusprotokoll und gemäß den Protokollen, die möglicherweise dieses noch ersetzen werden, betrieben werden.
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Feldbus ist der Begriff für eine ganze Familie betriebsbedingter Computer-Netzwerk-Protokolle, die für eine verteilte Steuerungsregelung in Echtzeit verwendet werden und nun in der IEC 61158-Norm weltweit standardisiert sind. Ein komplex automatisiertes Betriebssystem, zum Beispiel für eine Kraftstoff-Raffinerie, benötigt zum Funktionieren in der Regel eine Organisationshierarchie in den Steuerungseinrichtungen. In dessen Hierarchie gibt es an oberster Stelle eine Anwenderschnittstelle (HMI = Human Machine Interface), über die ein Anwender das System überwachen oder betreiben kann. Diese Schnittstelle ist normalerweise über ein nicht-zeitkritisches Kommunikationssystem (beispielsweise Ethernet) mit einer mittleren Übertragungsschicht speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) verknüpft. Am unteren Ende der Steuerungskette befindet sich der Feldbus, der die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) mit den Komponenten verbindet, die die eigentliche Arbeit tun, wie Sensoren, Stellglieder, Elektromotoren, Konsolenleuchten, Schalter, Ventile und Schaltschützen. Der Feldbus ist in der Regel ein zweidrahtiges, kombiniert verbundenes Energie- und Datennetzwerksystem, das sowohl Energie- als auch Kommunikationsdaten an die Feldkomponenten liefert.
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Die verschiedenen Komponenten des Systems kommunizieren untereinander, indem sie das IEC61158-2 Feldbuskommunikationsprotokoll anwenden, das ein Manchester-Kodiersystem ist. Die Datentelegramme werden zur Aktivierung der Feldinstrumente entweder auf dezidiert zugeordneten Kommunikationsschaltungen oder auf denselben elektrischen Schaltkreisen wie die Energieversorgung übertragen. Die Datentelegramme dienen zur Steuerung und Überwachung sowie zum Diagnostizieren der sich im Einsatz befindlichen Feldinstrumente.
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Ein Feldbus kommt häufig in eigensicheren Umgebungen zur Anwendung, wie beispielsweise in leicht entzündlichen Atmosphären, und insbesondere in der Gaseinstufungsklassifizierung IIC – Wasserstoff und Azetylen – und unter anderem beispielsweise für die Gasgruppen IIB und IIA im Hinblick auf Gas und/oder Staub. In einem typischen zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Kommunikationsschaltkreis gibt es eine Energieversorgung, eine Eigensicherheitsbarriere jedes beliebigen Typs, eine in die Feldeinrichtung führende Hauptleitung und eine Reihe von Gerätekopplern mit an diesen angeschlossenen Abzweigleitungen, in denen die Feldinstrumente angebracht sind. Die Hauptleitung und die Abzweigleitungen bilden zusammen ein „Segment”. Durch die Eigensicherheitsbarriere wird der Schaltkreis in einen eigensicheren und in einen nichteigensicheren Bereich unterteilt. Die Energieversorgung, die SPS und andere Einrichtungen, wie beispielsweise physikalische Schicht-Diagnosemodule, welche die physikalischen Schichtattribute des elektrischen Schaltkreises und der Netzwerk-Hardware messen, sowie zum Teil die eingesetzten physikalischen Software- oder Protokollschichten, befinden sich in dem nichteigensicheren Bereich des Schaltkreises, d. h. normalerweise in einer Steuer-/Schaltzentrale. Die Hauptleitung, die Gerätekoppler, die Abzweigleitungen und die Feldinstrumente befinden sich in dem eigensicheren Abschnitt d. h. gesondert zum Feldbereich.
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Das IEC61158-2 Feldbuskommunikationsprotokoll zusammen mit anderen, ähnlichen Datenübertragungssystemen, wie DSL, Ethernet, HART usw. und solche, die das IEC61158-2 Feldbusprotokoll möglicherweise noch ersetzen werden, umfassen einen Satz diskreter, physikalischer Schichtgrenzen, innerhalb denen die Kommunikationssignale operieren müssen und auch die Hardware, die als Hostrechner für diese fungiert. Die diesbezüglichen, physikalischen Schichtgrenzwerte weisen Signalanzeigenaspekte auf, welche die Datenform und die Zeitregeln beinhalten. Diese Grenzwerte und Toleranzen sind äußerst konservativ, so dass die Systemergebnisse äußerst stabil und demzufolge nicht systemfehleranfällig sind. Außerdem bedeutet dieser konservative Lösungsansatz, dass – wenn ein System physikalisch zum Einsatz kommt – es gleich beim ersten Mal richtig funktioniert und keine nachträgliche Einstellung mehr benötigt wird, und selbst dann, wenn in der Betriebspraxis ein System etwas anders funktionieren sollte als es anfänglich konzipiert worden ist.
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Jedoch gibt es in Zusammenhang mit dem derzeitigen Lösungsansatz noch eine Reihe einhergehender Probleme. Das erste Problem besteht darin, dass die festgelegten Standards, die im Protokoll definiert sind, zueinander als diskrete Einzeldaten angesehen werden. Während der Betriebsausführung kann aber eine Abweichung von zwei oder mehreren physikalischen Schichtattributen, die separat nicht gegen die relevanten Standards verstoßen, eine Kombination herbeiführen, die in der Betriebspraxis einen Systemfehlerausfall verursacht. Beispielsweise kann eine Feldeinrichtung eine Datenzurückweisung anzeigen, wenn zu der Signalverzerrung ein Geräusch hinzukommt. Folglich tritt ein Systemausfall ein, selbst wenn nicht gegen die Grenzwerte in der diskreten, physikalischen Schicht gemäß dem IEC61158-2-Protokoll verstoßen wird.
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Hinzu kommt, dass sich das IEC61158-2 Feldbuskommunikationsprotokoll nur auf die physikalischen Schichtattribute und deren Signale bezieht. Des Weiteren gibt es physikalische Schichtattribute, die nicht in den Standards enthalten sind, deren Abweichung in Kombination mit einer nichtkritischen Abweichung von einem oder von mehreren physikalischen Schichtattributen, die nicht in den Standards enthalten sind, einen Systemausfall verursachen kann. Physikalische Schichtattribute, die nicht explizit in dem IEC61158-2-Protokoll ausgewiesen sind, beinhalten Stromverbrauch, Stromversorgungskapazität, Toleranz- und Spannungsgrenzwerte in Bezug auf eine Geräteleistungsreduzierung, wenngleich es auch für einige von diesen Variablen eine absolute Untergrenze gibt. Aufgrund dessen kann auch hier ein Systemausfall auftreten, selbst wenn nicht gegen die Grenzwerte in der diskreten, physikalischen Schicht gemäß dem IEC61158-2-Protokoll verstoßen wird.
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Ein weiterer Kernpunkt in den bestehenden Standards ist, dass sie theoretische Schwellenwerte für Systemfehler definieren, wobei in der Betriebspraxis ein Betriebssystem über die festgelegten Grenzwerte hinaus weiterhin funktionieren könnte. Zudem wurde festgestellt, dass die tatsächlichen Fehlerschwachstellen sogar weitaus größer sein können als die für manche Systeme festgelegten, theoretischen Grenzwerte. Beispielsweise wurden die Grenzwerte für ein Bandrauschen mit 15 oder 16 Millivolt festgesetzt, wobei aber manche Betriebssysteme eigentlich das Zehnfache bewerkstelligen können. Hinzu kommt, dass ein unsymmetrischer Nettogrenzwert von etwa 24 Nanofarad vorgeschrieben ist, jedoch verursacht ein einpoliger Kurzschluss eine nicht zu definierende, elektrische Kapazität, die weit über diesen Grenzwert hinausgehen kann; dennoch sind die meisten Betriebssysteme nur für die vorgenannten Betriebsbedingungen entwickelt worden, weil es sich hier um Wahrscheinlichkeitsfehler handeln soll.
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Um jedoch dem IEC61158-2 Feldbusprotokoll zu entsprechen, und zweifellos befolgen die Protokolle diese Norm, werden hierzu Kommunikationsschaltkreise an Diagnosesysteme angeschlossen, die mit einer Ausgabe von Warnsignalen konfiguriert sind, oder es kommen andere, geeignete Maßnahmen zur Anwendung, wenn während der Betriebsausführung gegen theoretische Fehlerschwellenwerte verstoßen wird. Zudem ist bekannt, dass man Feldbussegmente vor deren Anwendung oder während deren Instandhaltung testet, wozu ein tragbares Prüfgerät eingesetzt wird, das so konfiguriert ist, dass es einen Systemfehler aufzeichnet, sobald gegen einen theoretischen Schwellenwert verstoßen wurde. Dieses Verlassen auf theoretische statt auf tatsächliche Grenzwerte verursacht folgende zwei Probleme: Das erste Problem besteht darin, dass während der Anwendung möglicherweise Warnsignale ausgelöst oder andere Aktionen vorgenommen werden, obwohl dies eigentlich für die Gewährleistung eines kontinuierlichen Systembetriebs nicht nötig wäre, und dergleichen erfolgt auch während des Überprüfens eines Fehlers, der dann aufgezeichnet wird, aber in der Betriebspraxis erst gar nicht aufgetreten wäre. Dass zweite Problem ist das Verlassen auf theoretische Schwellenwerte sowohl während der Überprüfung als auch während der Betriebsausführung, wobei aber das Ermitteln, wo die tatsächliche Fehlerschwachstelle liegt, verhindert wird.
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Aufgrund dessen wird die tatsächliche Funktionskapazität von einem einzelnen Feldbussegment in keiner Hinsicht bekannt. Einerseits können unvorhergesehene Systemfehler auch innerhalb der Protokollschwellenwerte auftreten und andererseits könnte ein erfolgreicher Systembetrieb auch über die theoretischen Grenzwerte hinaus ausgeführt werden. Daher arbeiten die allgemein bekannten Diagnose- und Prüfeinrichtungen nicht effektiv, da sie auf manche Systemfehler nicht sensibel genug reagieren und/oder sie überreagieren auf Systemfehler, was zu unnötigen und offensiven Maßnahmen führt. Dieser Mangel an echter Leistungsbeurteilung eines Feldbussegments wirkt sich bereits in dessen Entwicklungsphase aus, weil das Design in der Praxis nicht so funktioniert wie erwartet wird und es vielleicht konservativer als nötig konzipiert wurde. Dieses Problem kann sich durch die Tatsache verschärfen, dass – wenn ein Feldbussegment erst einmal physisch implementiert worden ist – es sich entgegen der Designentwicklung in dessen Leistung anders verhalten kann, wie zum Beispiel, wenn unterschiedliche Leitungslängen oder alternative Komponenten zum Einsatz kommen. Demzufolge kann es sogar fehleranfälliger, oder aber auch stabiler, als vorgesehen sein, was das Segment konservativer als nötig bereitstellt.
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Daher ist positiv zu bewerten, dass – falls die tatsächlichen Fehlerschwachstellen erkannt würden – eine effektivere Diagnose- und Fehlerverwaltungskonfiguration erzielt werden kann. Im Besonderen könnten Verstöße gegen die theoretischen Schwellenwerte, die eigentlich zu keinem tatsächlichen Systemfehlerausfall führen, für einen verlängerten Zeitrahmen akzeptiert werden und Anwender können auf den nächsten planmäßigen Instandhaltungszeitschlitz vertrauen. Außerdem können Fehlerschwachstellen innerhalb der theoretischen Schwellenwerte besser vorbauend verhindert werden.
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Um die tatsächlichen Fehlerschwachstellen zu erkennen, wäre die Durchführung von Überprüfungen auf dem Feldbussegment oder Feldbusnetzwerk erforderlich. Einrichtungen, welche die physikalischen Schichtattribute in den Feldbussegmenten konfigurieren und messen, sind allgemein bekannt; allerdings können sie nur deren Attribute messen. Sie überwachen diesbezüglich beispielsweise Strom, Rauschen, Signalverzerrung, Spannung und Unsymmetrie. Sie sind jedoch nicht in der Lage, physikalische Schichtattribute in einem Feldbussegment zu variieren, um die tatsächliche Fehlerschwachstelle präzise zu bestimmen. Sie können zum Beispiel die Amplitude eines Signals nicht verändern, um präzise zu ermitteln, wann dieses von einem Feldinstrument oder Hostrechner nicht mehr dekodiert werden kann. Hinzu kommt, dass sie lediglich ein physikalisches Schichtattribut über einen festgelegten Zeitrahmen messen, aber nicht bestimmen können, bis zu welchem Grad eine Variante in einem einzelnen physikalischen Schichtattribut innerhalb des normalen Schwellenwerts mit einer Variante in einem anderen physikalischen Schichtattribut – ebenfalls innerhalb des normalen Schwellenwerts – verknüpft werden kann, um einem tatsächlichen Systemfehlerausfall entgegenzuwirken. Was alle bisher bekannten Einrichtungen tun, ist diskret festzustellen, ob ein Signal einen nominalen Schwellenwert erfüllt oder gegen ihn verstößt.
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Zum Messen einer Impedanz wenden einige bestehende Prüfeinrichtungen eine injizierte hohe Frequenzwelle oder einen hohen Frequenzimpuls an; diese Anwendung misst jedoch nicht die Impedanz der eigenständigen Energieversorgung, darüber hinaus ist das ausgeführte Lesen nur eine Inferenz aus der Impedanz in dem vorhandenen System und dient daher nicht als Indikation für die Datensignalqualität. Ein unmittelbares Messen der Datenqualität kann daher nicht für die Impedanzermittlung angewendet werden, da die Datenqualität selbst unbekannt ist.
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Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung von einigen der vorstehend angeführten Probleme.
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Deshalb umfasst gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Überprüfen von Datenübertragungen auf zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Datennetzsystemen für eine Automatisierung eine Steuereinheit und eine Verbindungseinrichtung, die ausgelegt sind, die genannte Einrichtung mit einem untergeordneten Netzwerksegment zu verbinden, in welcher die Steuereinheit einen Datenausgang aufweist, der konzipiert ist, über die Verbindungseinrichtung ein Prüfdatensignal an das untergeordnete Segment zu übermitteln und eine Datensignal-Unterbrechungsvorrichtung, die ausgelegt ist, ein oder mehrere physikalische Schichtattribute des Prüfdatensignals zu verändern, die sich auf die funktionale Qualität und/oder auf ein oder mehrere physikalische Schichtattribute in dem untergeordneten Segment auswirken, welche die funktionale Qualität von Datensignalen, die in dem Segment weitergeleitet werden, beeinflussen können.
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Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung bereit, welche die physikalischen Schichtattribute von zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Datennetzsystemen für eine Automatisierung verändern kann, wie zum Beispiel in einem IEC61158-2 Feldbussegment oder was noch entwickelt werden wird, um diese Norm zu ersetzen, und zwar so, dass die Einrichtung ermitteln kann, an welchem Punkt aufgrund einer verschlechterten Funktionsqualität tatsächlich ein Datensignalfehler während der Betriebspraxis auftritt. Wie vorstehend erwähnt, kann dies innerhalb der theoretischen Schwellenwerte des relevanten Protokolls, wie beispielsweise des IEC61158-2-Protokolls, oder über diese Werte hinausgehend erfolgen.
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Mit Bezug auf Vorstehendes kann die vorliegende Erfindung das Verändern von physikalischen Schichtattributen des Prüfdatensignals umfassen, aber auch von physikalischen Schichtattributen des untergeordneten Segments. Die Unterscheidung erfolgt hier zwischen verzerrenden Charakteristiken im Prüfdatensignal und den sich in den aktuell verändernden, physikalischen Schichtcharakteristiken des untergeordneten Segments selbst. Einerseits ermittelt der Anpassungsvorgang, wie sich ein verzerrtes Signal in dem betreffenden Segment verhält, und andererseits wird bei der Anpassung überprüft, wie die Störung in dem betreffenden Segment sich auf die Leistung des Prüfdatensignals auswirkt, es verzerrt oder anderes mehr.
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Der sich auf Vorstehendes beziehende Datensignal-Ausgang kann entweder komplett das Prüfdatensignal generieren, als ob er ein emulierender Hostrechner oder eine emulierende Feldeinrichtung wäre, oder aber die Einrichtung kann ein vorhandenes Kommunikationssignal, das zwischen einem aktuellen Hostrechner und einem Feldgerät gesendet wurde, abfangen und/oder verstärken, wobei in diesem Fall der Datensignal-Ausgang zum Einsatz für die verzerrte Darstellung dient, die von der Datensignal-Unterbrechungsvorrichtung an die vorhandene Informationssignalübertragung bereitgestellt wurde. In jedem Fall „vermittelt” der Datensignal-Ausgang ein Prüfdatensignal an das betreffende Segment, da die Ausgabe in beiden Fällen effektiv ein neues Signal ist, dessen einziger Zweck darin besteht, Fehler zu ermitteln. Wenn die Datensignal-Unterbrechungsvorrichtung ein physikalisches Schichtattribut in dem betreffenden Segment verändert, erfolgt noch einmal die Übermittlung eines Prüfdatensignals in der Hinsicht, dass eine neue Signalbedingung hergestellt worden ist. Dies resultiert in ein effektives Prüfdatensignal zu dem Zweck, dass das Signal – das entweder generiert wurde oder vorhanden ist und entweder direkt verzerrt oder nicht verzerrt wurde – durch die Veränderung in dessen Konditionen beeinflusst ist.
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Es gibt zwei unterschiedliche Wege, mit denen ein physikalisches Schichtattribut im Prüfdatensignal, oder im Segment selbst, verändert werden kann. Im ersten Fall kann das Attribut angepasst werden, wobei im zweiten Fall etwas injiziert wird, welches eine Auswirkung auf das Attribut hat. In Bezug auf die Signalübertragung kann beispielsweise die Wellenform eines Datensignals mit der Amplitude angepasst werden, jedoch ein Rauschpegel in einem Segment wird durch ein Rauschinjizieren in das Segment verändert. Im Hinblick auf das Segment selbst kann der Strom reguliert werden, jedoch kann auch ein Fehler injiziert werden, wie zum Beispiel durch das Einführen einer kapazitiven Unsymmetrie auf einem vorhandenen Stromleiter zur Erdung oder durch das Hinzufügen einer variablen oder fixierten Ruhestromsenke in den vorhandenen Leitern. Eine Anpassung und eine Injizierung werden gleichzeitig angewendet, da sie möglicherweise aufeinander eine Auswirkung haben, und demzufolge kann dies als einzelner Prüfvorgang angesehen werden. Jedoch wegen eines leichteren Verständnisses der vorliegenden Erfindung ist es besser, das Unterscheidungsmerkmal hervorzuheben. Zudem kann es vorteilhaft sein, beim Umsetzen in die Praxis diese erfindungsgemäßen Aktionen praktikabel zu trennen, um wiederum dem Anwender ein besseres Verständnis für den Betriebsvorgang der erfindungsgemäßen Einrichtung zu ermöglichen.
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In Anlehnung an das Vorstehende kann in einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Ausführungsform die genannte Datensignal-Unterbrechungsvorrichtung ausgelegt sein, um zwei oder mehrere der physikalischen Schichtattribute des Prüfdatensignals zu verändern, welche sich auf die Funktionsqualität oder die physikalischen Schichtattribute im betreffenden Segment auswirken, was die Funktionsqualität der weiterzuleitenden Datensignale beeinflussen kann.
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Mit dieser Konfigurationsanordnung kann die erfindungsgemäße Einrichtung ermitteln, bis zu welchem Grad eine Abweichung in einem physikalischen Schichtattribut innerhalb des normalen Schwellenwerts mit einer Abweichung in einem anderen physikalischen Schichtattribut – ebenfalls innerhalb des normalen Schwellenwerts – kombiniert werden kann, um einem tatsächlichen Fehler zu erzeugen.
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Die Datensignal-Unterbrechungsvorrichtung kann adaptiert werden, um ein oder mehrere physikalische Schichtattribute des Prüfdatensignals zu verändern, welche sich auf die funktionale Qualität und/oder ein oder mehrere physikalische Schichtattribute in dem untergeordneten Segment auswirken, und welche die funktionale Qualität von Datensignalen, die in dem Segment befördert werden, in einem Gleichtaktmodus und/oder in einem Differentialmodus beeinflussen können. Der Unterschied zwischen einem Gleichtaktmodus und einem Differentialmodus ist den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt und beinhaltet das Verändern von beiden Leitungen für die Kommunikationsübertragung in einem Zweidrahtsegment auf eine gleiche Art und Weise oder aber in unterschiedlichen Funktionsweisen.
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Positiv zu bewerten ist die Tatsache, dass es mehrere physikalische Schichtattribute für ein Prüfsignal oder ein untergeordnetes Zweidrahtsegment gibt, die verändert werden können, um alle Arten von Fehlerschwachstellen zu ermitteln. Jedoch ist eine kleine Anzahl von wichtigen, physikalischen Schichtattributen für ein korrektes Funktionieren der Feldbus-Kommunikationssignalübertragung (und dergleichen) mittig angeordnet, und die Datensignal-Unterbrechungsvorrichtung ist bevorzugt so ausgelegt, um die Amplitude von dem Prüfdatensignal anzupassen und/oder die Nulldurchgangsgenauigkeit des Prüfdatensignals zu regulieren und/oder ein Rauschen in das betreffende Segment zu injizieren. Fehler in Zusammenhang mit einer Abweichungsvarianz in diesen physikalischen Schichtattributen sind die häufigsten und daher ist es äußerst wünschenswert, von denen die tatsächlichen Fehlerschwachstellen zu ermitteln. Es wurde zum Beispiel festgestellt, dass die Nulldurchgangsgenauigkeit eines Datensignals schlechter als in den vorgeschriebenen Grenzwerten des IEC61158-2-Protokolls sein kann, ohne dass es dabei einen Einrichtungsausfall gibt, gleichzeitig kann aber ein Fehler auftreten, wenn die Nulldurchgangsgenauigkeit eines Datensignals innerhalb dieser Grenzwerte liegt, doch ein zu großes Rauschen in dem Segment vorhanden ist.
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In Bezug auf die erfindungsgemäße Einrichtung ist es nicht erforderlich, dass sie spezielle Gerätschaften besitzt, um bestimmen zu können, ob ein Fehler aufgetreten ist, da in den meisten Fällen weitere, bereits vorhandene Einrichtungen entweder im untergeordneten Segment integriert oder für diesen Zweck spezifisch an das Segment angeschlossen worden sind, um diese Funktion durchführen zu können. Jedoch in einer bevorzugten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Einrichtung des Weiteren Überwachungseinrichtungen aufweisen, die konzipiert sind, Fehler in dem untergeordneten Segment zu erfassen, die durch einen Fehler im Prüfdatensignal verursacht wurden. Auf diese Weise kann eine singuläre Lösung bereitgestellt werden, die die physikalischen Schichtattribute verändern kann, um dann genau zu bestimmen, wo letztendlich ein Fehler eingetreten ist.
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Die vorliegende Erfindung kann in ein Feldbussegment oder dergleichen integriert sein, jedoch umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung eine tragbare Einrichtung, wobei die Verbindungseinrichtungen einen Analog-/Digitalausgang zur Übermittlung des Prüfdatensignals an das untergeordnete Segment aufweisen und einen physikalischen Schichtenattribut-Modifikator zum Verändern von einem oder von mehreren physikalischen Schichtattributen in dem untergeordneten Segment. Mit dieser Konfigurationsanordnung kann die erfindungsgemäße Einrichtung – je nach Wunsch – auf verschieden installierten Segmenten zum Einsatz kommen, wobei sie auch während deren Inbetriebnahme oder später für ein weiteres Überprüfen angewendet werden kann.
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Um deren Funktionalität zu erhöhen, sollte die tragbare Einrichtung an die Steuer-/Schaltzentralsysteme anschließbar sein, so dass deren Leistungs- und Leseausführungen von dort überwacht und gesteuert werden können. Daher umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die erfindungsgemäße Einrichtung des Weiteren eine übergeordnete Steuerungseinrichtung, einen Datenspeicher, der an die übergeordnete Steuerungseinrichtung angeschlossen ist, und eine drahtige oder drahtlose Verbindung zwischen der tragbaren Einrichtung und der übergeordneten Steuerungseinrichtung. Auf diese Weise können die durchgeführten Prüfleseteile für eine spätere Nutzung sofort abgespeichert werden.
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Die tragbare Einrichtung wird mit Energie versorgt, wie dies allgemein bekannt ist, einschließend eine interne Batterie (Akku), eine externe Stromversorgung oder die Energieversorgung des betreffenden Segments selbst. Es ist von Vorteil, dass die tragbare Einrichtung sowohl für die Anwendung im Innenraum als auch im Freien geeignet ist. Daher umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung einige Komponenten für den Umweltschutz, welche die tragbare Einrichtung gegen das Eindringen von Wasser schützen und sie strapazierfähig machen.
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Es versteht sich, dass zum Überprüfen eines Feldbussegments oder dergleichen wie auf die angestrebte Weise, es notwendig ist, die tragbare Einrichtung in einen eigensicheren Bereich unterzubringen. Daher umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung einige Komponenten für den Eigensicherheitsschutz, welche die Einrichtung während deren Anwendung in den die Eigensicherheit gefährdenden Bereichen absichert. Diese kann auf einem beliebigen, allgemein bekannten Weg erzielt werden, wie zum Beispiel mit dem Einbau von relevanten Schutzkomponenten, die an den betreffenden Stellen positioniert sind, wie dies in den einschlägigen Normvorschriften aufgeführt ist. Es können außerdem andere Verfahrenstechniken für einen Eigensicherheitsschutz ausgewählt werden, wie beispielsweise Überwachungs- und Erfassungssysteme gegen aktive Lichtbogengefahren. Die Vorteile und Nachteile von unterschiedlichen Lösungsansätzen sind den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt.
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Wie vorstehend erwähnt, kann die vorliegende Erfindung mit jeder beliebigen Art in zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Datennetzsystemen für eine Automatisierung zur Anwendung kommen, die in Übereinstimmung mit allgemein bekannten Protokollen operieren oder mit solchen, die diese noch ersetzen werden. Jedoch in einer besonderen, erfindungsgemäßen Ausführungsform geht es um ein Überprüfen von Datenübertragungen auf IEC61158-2 Feldbussegmenten. Hierzu kann die Verbindungseinrichtung adaptiert werden, um die erfindungsgemäße Einrichtung mit einem untergeordneten IEC61158-2 Feldbussegment zu verbinden, wobei die genannte Datensignal-Ausgangseinrichtung ausgelegt ist, ein geprüftes IEC61158-2 Feldbussignal an das untergeordnete Segment über Verbindungseinrichtungen zu übermitteln.
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Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, welche zeigen:
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1 ist eine schematische Darstellung von einer Einrichtung zum Überprüfen von Datenübertragungen auf zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Datennetzsystemen für eine Automatisierung gemäß der Erfindung.
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2 ist eine grafische Darstellung, die Fehlerschwachstellen in einem untergeordneten Feldbussegment veranschaulicht.
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3 ist eine grafische Darstellung, die Fehlerschwachstellen in einem untergeordneten Feldbussegment veranschaulicht.
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4 ist ein Diagramm in Form von unterschiedlich angepassten Feldbusdatensignalen.
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5 ist ein Diagramm in Form von unterschiedlich angepassten Feldbusdatensignalen.
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6 ist eine grafische Darstellung, die Fehlerschwachstellen in einem untergeordneten Feldbussegment veranschaulicht.
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7 ist eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Einrichtung in einer zweiten Konfiguration; und
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8 ist eine schematische Darstellung einer Energieversorgung in Bezug auf die in 1 gezeigte Einrichtung.
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Daher umfasst, wie in 1 dargestellt ist, eine Einrichtung zum Überprüfen von Datenübertragungen in zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Datennetzsystemen für eine Automatisierung – in Form einer tragbaren Arbeitsstation 6 –, eine Steuerung – in Form einer Prozessor- und Speichereinheit 5 – und Verbindungseinrichtungen, die ausgelegt sind, die erfindungsgemäße Einrichtung mit einem untergeordneten Netzwerksegment 1 zu verbinden, die mit Pfeilen zwischen dem Analog-/Digitalausgang 2 und dem physikalischen Schichtenattribut-Modifikator 4 zu dem Segment 1 dargestellt sind, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein Feldbussegment ist. Wie nachstehend noch ausgeführt, umfasst die Steuereinheit 5 einen Datensignal-Ausgang, der ausgelegt ist, ein Prüfdatensignal an das untergeordnete Segment 1 über die Verbindungseinrichtungen zu übermitteln, und eine Datensignal-Unterbrechungsvorrichtung, die konzipiert ist, ein oder mehrere physikalische Schichtattribute für das Prüfdatensignal zu verändern, die sich auf die Funktionsqualität auswirken, und/oder um ein oder mehrere physikalische Schichtattribute im betreffenden Segment 1 zu verändern, die eine Auswirkung auf die Funktionsqualität der zu befördernden Datensignale haben.
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Bei der hierin beschriebenen Ausführungsform ist das untergeordnete Segment ein IEC61158-2 Feldbussegment und die verschiedenen Komponenten und deren Funktionen, auf die alle Bezug genommen wird, operieren in Übereinstimmung mit dem diesbezüglichen Protokoll. Die Arbeitsplatzstation 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine tragbare Einrichtung, die an ein beliebiges Feldbussegment, das überprüft werden soll, und an jedem geeigneten Standort angeschlossen werden kann. Die Verbindung zu dem Feldbussegment 1 kann zu aktiven Leitern oder alternativ zu einer Abschirmung oder Erdung (Masse) führen. Zusätzlich zum Analog-/Digitalausgang 2, umfasst die Arbeitsstation 6 auch einen Analog-/Digitaleingang 3, welcher die Signalübertragung auf das betreffende Segment 1 ermöglicht, die empfangen werden soll, entweder um sie zu verzerren oder um die Auswirkung der Verzerrung, die zum Einsatz kam, zu messen. (Die Verbindungen zum Feldbussegment 1 werden zum Zwecke der besseren Veranschaulichung so dargestellt, als wären sie separat auszuführen. Sie werden auf diese Weise physisch manifestiert, aber es versteht sich, dass sie auch mit nur einer Leitungsverbindung ausgeführt werden könnten). Der Analog-/Digitalausgang 2, der Analog-/Digitaleingang 3 und der physikalische Schichtenattribut-Modifikator 4 werden mit der Prozessor- und Speichereinheit 5 verbunden, welche programmierbar ist und Daten speichern kann, wobei die Fachleute mit ihren Fachkenntnissen den Datenspeicher, der die allgemein bekannte ICB-Technik (ICB = incoming call barring bzw. Sperren von ankommenden Verbindungen) aufweist, entsprechend implementieren können.
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An die Prozessor- und Speichereinheit 5 ist eine Anwenderschnittstelle 7a angeschlossen, die in diesem Fall eine Sichtanzeige und eine Tastatur ist, wie diese allgemein bekannt sind. Dies ermöglicht einem Anwender, an der Arbeitsstation 6 direkt zu operieren. Außerdem ist an die Prozessor- und Speichereinheit 5 eine Maschinenschnittstelle 7b angeschlossen, die in diesem Fall eine Steckbuchse für eine allgemein bekannte Drahtverbindung ist. Damit erhält der Computer oder die Steuereinheit eine höhere Leistungsstufe, wie zum Beispiel der dargestellte Computer 9, womit die Arbeitsstation 6 zum Steuern von deren Funktionen direkt verbunden wird. Die Prozessor- und Speichereinheit des Computers 9 kann eine komplementäre oder leistungsfähigere Rechnerverarbeitung als die Arbeitsstation 6 aufweisen, beispielsweise kann sie für das Feldbussegment 1 den Hauptbetriebsrechner umfassen, wobei sie das Diagnosesystem und die Hauptdatenbank besitzt und für eine Rechenverarbeitung auf höherer Ebene eingesetzt wird, wie für FFT-Kalkulation, Steuerungsalgorithmus, Trendverfolgung digitaler Klangaufzeichnung, Oszilloskop-Technik usw. Außerdem besitzt die Arbeitsstation 6 optional eine drahtlose Verbindung 7c hin zum Computer 9.
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Die Arbeitsstation 6 weist eine interne Batterie/Akku (nicht dargestellt) zur Energieversorgung auf, jedoch hat sie auch eine Stromzuleitung (nicht dargestellt), über die sie die Energiezufuhr von einer externen Energiequelle oder von dem untergeordneten Feldbussegment 1 selbst, aufnehmen kann. Die Arbeitsstation 6 umfasst eine äußere Abdeckung (nicht dargestellt), die eine Umweltschutzversiegelung aufweist, welche die Arbeitsstation 6 gegen das Eindringen von Wasser, Staub und vielen Umweltschadstoffen schützt und strapazierfähig ist. Daher kann die Arbeitsstation 6 auch im Freien sicher verwendet werden. Hinzu kommt, dass die Arbeitsstation 6 eine eigensichere Einrichtung ist, die sich zum Einsatz in einer Gefahrenumgebung eignet. Sie besitzt eigensichere Schutzkomponenten (nicht dargestellt), die den relevanten Normvorschriften entsprechen.
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Die 2 bis 6 veranschaulichen die Aufgaben, für welche die Arbeitsstation 6 zum Lösen konzipiert ist. Im Besonderen zeigt 2 zwei grafische Darstellungen, welche die physikalischen Schichtattribute während eines Zeitrahmens betreffen. Im Abschnitt A erhöht sich das physikalische Schichtattribut von einem Ausgangspunkt bis zur Stufe mit dem eingestellten IEC61158-2-Grenzwert, wobei an diesem Punkt in einer herkömmlichen Konfiguration ein Warnsignal ausgegeben und Gegenmaßnahmen einsetzen würden. Jedoch hier steigt das physikalische Schichtattribut noch weiter an – ohne einen tatsächlichen Fehlerausfall – bis die tatsächliche, dargestellte Fehlerschwachstelle 1 erreicht ist. Dieses Ansteigen im physikalischen Schichtattribut hat eine negative Auswirkung auf die Funktionsqualität der Datensignale, aber es wird mit einem Funktionsqualitätsniveau fortgesetzt, das ausreicht, einen tatsächlichen Fehlerausfall zu vermeiden, bis das physikalische Schichtattribut die tatsächliche Fehlerschwachstelle 1 erreicht hat, wobei an diesem Punkt die Datensignale nicht mehr länger funktionieren. Diese tatsächliche Fehlerschwachstelle 1 würde aber nicht erkannt, falls eine übliche Diagnosetesteinrichtung zum Einsatz käme. Stattdessen ermittelt eine übliche Einrichtung einfach, ob sich das physikalische Schichtattribut über oder unter dem dargestellten IEC-Grenzwert befindet. Im Abschnitt B steigt das physikalische Schichtattribut von einem Ausgangspunkt bis zu einer tatsächlichen Fehlerschwachstelle 2 an, welche unterhalb des IEC-Grenzwertes liegt. Dies kann in der Betriebspraxis aus verschiedenen Gründen geschehen, wie zum Beispiel in einer Kombination von Fehlern, aufgrund ungewöhnlich hoher Ansprechempfindlichkeit oder falls sich Komponenten an den Grenzwerten der in den Normvorschriften vorgegebenen Empfehlungen befinden. Jedoch auch hier wiederum kann die übliche Diagnosetesteinrichtung die tatsächliche Fehlerschwachstelle 2 nicht bestimmen, nur weil das physikalische Schichtattribut nicht gegen den IEC-Grenzwert verstoßen hat.
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3 zeigt eine Reihe von grafischen Linien, welche sich auf die drei unterschiedlichen, physikalischen Schichtattribute A, B und C über einen Zeitrahmen beziehen und die Arten von verknüpften, kombinatorischen Fehlern veranschaulichen. Im Besonderen erhöhen sich die Stufen der physikalischen Schichtattribute A, B und C von den Ausgangspunkten bis die Attribute B und C beide gegen den IEC-Attributgrenzwert verstoßen. In diesem Ausführungsbeispiel verursacht dies einen tatsächlichen Fehlerausfall, wie dies durch den Grenzwert vorgeschrieben ist und demzufolge wird ein Fehler aufgezeichnet, wie dies ganz oben mit dem binären Fehlersignal dargestellt ist. Von da an fluktuieren die physikalischen Schichtattribute A, B und C solange, bis das physikalische Schichtattribut B gegen den IEC-Attributgrenzwert verstößt, wobei jedoch kein tatsächlicher Fehlerausfall verursacht wird. In diesem Fall tritt dasselbe ein, wie in Abschnitt A der 2 dargestellt ist, und zwar vor der tatsächlichen Fehlerschwachstelle 1. In 3 wird das physikalische Schichtattribut B abgesenkt, bevor ein tatsächlicher Fehler auftritt.
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Als nächstes, was sehr wichtig ist, steigen die physikalischen Schichtattribute A und C beide bis zu den Höhen nahe an die IEC-Attributgrenze an, beide brechen diesen Grenzwert jedoch nicht. Aber in der Betriebspraxis verursacht eine Kombination von diesen zwei Höhen einen tatsächlichen Fehlerausfall, wie dies oben mit dem dargestellten Fehlersignal angegeben ist. Dies ist ein Ausführungsbeispiel für einen Fehler, der aufgrund des Einsatzes von üblichen Diagnose- und Testkonfigurationen nicht entdeckt würde.
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Schließlich steigen die physikalischen Schichtattribute A und B beide bis zu Höhen an, in denen sie die IEC-Attributgrenze durchbrechen, wobei dies jedoch während einer Anwendung weder separat noch in Kombination einen tatsächlichen Fehlerausfall bewirkt.
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Die Art und Weise, mit der physikalische Schichtattribute kombiniert in Verbindung treten können – oder nicht – kann sehr komplex sein und hängt von den betreffenden, physikalischen Schichtattributen ab. Beispielsweise kann ein Rauschen in einer Leitung mit einem Ungleichgewicht hinzukommen und einen Fehlerausfall verursachen, wenn wie in 3 die physikalischen Schichtattribute A und C in Kombination treten, wohingegen ein alleiniges Rauschen oder Ungleichgewicht nicht kombiniert wird, wenn wie in 3 das physikalische Schichtattribut B gegen die IEC-Attributgrenze verstößt.
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Daher verändert die Arbeitsstation 6 während eines Betriebs physikalische Schichtattribute individuell und untereinander kombinierend, um die tatsächlichen Fehlerschwachstellen in einem untergeordneten Feldbussegment sicher zu bestimmen. Die Arbeitsstation 6 variiert effektiv physikalische Schichtattribute, wie in den 2 und 3 dargestellt ist, um tatsächliche Fehler zu ermitteln und zeichnet diese Fehler auf, wenn sie eingetreten sind. In der Betriebspraxis werden selbstverständlich die physikalischen Schichtattribute sorgfältig kontrolliert und gesteuert; sie fluktuieren nicht einfach so, wie dies in 3 dargestellt ist.
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Der Anwender verbindet die Arbeitsstation 6 mit dem untergeordneten Feldbussegment 1 an einem geeigneten Messplatz, zum Beispiel an der Seite der Energieversorgung oder an einem ausgewählten Platz zwischen den Datenverstärkern. Dann wird die Arbeitsstation 6 entweder direkt über die Anwenderschnittstelle 7a oder über einen angeschlossenen Computer 9 betrieben sowie über einzugebende Befehle, um bestimmte Prüfverfahren auszuführen. All dieses kann in der Prozessor- und Speichereinheit 5 in den allgemein bekannten Arbeitsweisen programmiert werden. Bei einem Verfahren wird zum Beispiel ein Prüfdatensignal über den Analog-/Digitaleingang 2 an das Segment 1 übermittelt, das für den Betrieb einer Feldeinrichtung vorgesehen ist, oder um ein Datenpaket zurück an die Ausgangsseite der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) bereitzustellen. Ein untergeordnetes Datensignal-Unterbrechungsprogramm in der Prozessor- und Speichereinheit 5 führt einen Rampenanstieg und Rampenabfall des betreffenden Prüfdatensignals solange aus, bis die Feldeinrichtung oder die SPS es nicht mehr entschlüsseln kann, und infolgedessen stoppt die Funktion. Sobald dies geschieht, wird eine Aufzeichnung ausgeführt und ein tatsächlicher Fehler identifiziert und abgespeichert. In den meisten Fällen wird dieser oberhalb oder unterhalb des IEC61158-2-Schwellenwerts kritisch abweichen. Ähnliche Verfahren können von anderen physikalischen Schichtattributen durchgeführt werden. Die Nulldurchgangsgenauigkeit des Prüfdatensignals wird zum Beispiel von dem untergeordneten Datensignal-Unterbrechungsprogramm verzerrt dargestellt, bis ein Fehler auftritt. Es wird in beiden genannten Ausführungsbeispielen eine Anpassung des physikalischen Schichtattributs ausgeführt.
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Das Prüfdatensignal, das an das untergeordnete Feldbussegment 1 übermittelt wird, kann ein Originalsignal sein, das von der Prozessor- und Speichereinheit 5 generiert wurde, oder es ist ein verstärktes Signal, das primär von der Feldbuseinrichtung oder dem Hostrechner erzeugt worden ist. Die Arbeitsstation 6 fängt im zweiten Fall das Signal über den Analog-/Digitaleingang 3 ab und übermittelt über den Analog-/Digitalausgang 2 ein angepasstes Ersatzprüfdatensignal zurück zum Feldbussegment 1. Positiv zu bewerten ist die Tatsache, dass diese Konfiguration die Verstärkung eines Signals ermöglicht, das heißt es wird empfangen und dann mit einem neuen Signal ersetzt bzw. das Signal wird einfach in Realzeit verändert, während an diesem Anpassungen vorgenommen werden. Die Art und Weise, wie das Prüfdatensignal generiert oder angepasst wird, ist den Fachleuten auf dem Gebiet allgemein bekannt.
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4 veranschaulicht Ausführungsbeispiele, wie die Signalklarheit durch das untergeordnete Datensignal-Unterbrechungsprogramm angepasst werden kann, um die tatsächlichen Fehlerschwachstellen zu finden. Die durchgehend schwarze Linie in 4 zeigt ein ideales Signal mit einem Nulldurchgangspunkt am korrekten Ort. Die verschiedenen, gepunkteten und gestrichelten Linien in 4 stellen Verzerrungen dar, die für die physikalischen Schichtattribute des Signals, und insbesondere für den Nulldurchgangspunkt, ausgeführt worden sind, (zwei Punkt-Punkt-Strichlinien, welche fortgeschrittene oder verzögerte Nulldurchgangspunkte zeigen) sowie Impulsschrägheit, Amplitude, Überschwingung oder Unterschwingung und Anstiegs-/Abfallzeiten. Jede von diesen Verzerrungen führt zu einem Kommunikationsübertragungsfehler mit einem bestimmten Verzerrungsniveau.
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Hinzukommend zu dem Vorgenannten können unter Anwendung des physikalischen Schichtenattribut-Modifikators 4 mittels Geräteinjektion die physikalischen Schichtattribute modifiziert werden. Beispielsweise injiziert in einem anderen Verfahrensbeispiel das untergeordnete Datensignal-Unterbrechungsprogramm ein Rauschen in das untergeordnete Feldbussegment 1 während der Signalübertragung zwischen den Komponenten, und erhöht dieses Rauschen kontinuierlich bis der vorgesehene Signalübertragungsempfang aufgrund eines Zusammenbruchs in der Kommunikation fehlschlägt. Auch hier wiederum wird bei diesem Auftreten eine Aufzeichnung ausgeführt und eine tatsächliche Fehlerschwachstelle identifiziert.
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Aufgrund der Trennung des Analog-/Digitalausgangs 2 und des physikalische Schichtenattribut-Modifikators 4 in dem gegebenen Ausführungsbeispiel kann man daraus folgern, dass die Arbeitsstation 6 auch ein programmiertes Verfahren ausführt, wobei sowohl die Amplitude als auch die Nulldurchgangsgenauigkeit des Prüfdatensignals gleichzeitig verändert werden können, da verschieden ansteigende Rauschpegel in das untergeordnete Feldbussegment 1 injiziert werden. Diese Abweichungen können korreliert werden, um kombinatorische Fehlerstellen zu erzielen, welche in einem Plotter mit einer Sequenz ausgegeben und aufgezeichnet werden. Es kann zum Beispiel ein erstes physikalisches Schichtattribut durch eine Verstärkungssequenz in sägezahnartigen Anstiegen von einer normalen Betriebsstufe bis zu einer bekannt gewordenen, diskreten Fehlerschwachstelle zyklisieren, während ein zweites physikalisches Schichtattribut in einer abgestuften Funktionsweise während eines Zeitrahmens mit einer Frequenz inkrementierend erhöht werden kann, die mit den Anstiegszyklen des ersten physikalischen Schichtattributs übereinstimmt. Diese Sequenzweise von korrelierten Fehlerschwachstellen wird in einem Kurvenschreiber ausgegeben.
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Wie eine solche Prozessor- und Speichereinheit 5 programmiert werden kann, um die vorstehend beschriebenen Prüfverfahren durchzuführen, sind den Software-Technikern allgemein bekannt und werden daher nicht näher erläutert. Es liegt auf der Hand, dass es viele verschiedene Funktionsweisen gibt, in denen ein oder zwei physikalische Schichtattribute abgewandelt werden können, um Fehlerschwachstellen zu ermitteln und alle umfassen den Schutzumfang des Patentanspruchs 1.
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Ebenso gibt es verschiedene Funktionsweisen, in denen die tatsächliche Fehlerschwachstelle erfasst werden kann, wobei im Besonderen das Fehlerkriterium einem kritischen Attribut oder einem gemessenen Attribut gegenübergestellt wird. Mit anderen Worten, die tatsächliche Fehlerschwachstelle wird bestimmt, indem ein konkret installiertes Feldbussegment solange belastet wird, bis es ausfällt, oder indem das Segment solange belastet wird, bis ein emulierter Fehler zu erkennen ist. Im Falle eines Nulldurchgangspunkts wird beispielsweise ein Prüfdatensignal so verzerrt, bis der aktuell installierte Feldbus-Host einen Fehler aufzeichnet, welcher das Einsetzen von Wiederholungsversuchen, von Token-Passing-Zeitüberschreitungen usw. beinhaltet. Dies ist die effektivste Methode, da die gesammelten Daten empirisch abgeleitet werden können und sich auf den aktuellen Host beziehen, der für das betreffende Segment festgelegt und abgestimmt ist. Jedoch alternativ kann der Host über die Arbeitsstation 6 oder über den hochrangigeren Computer 9 emuliert werden. Dies könnte dann angemessen sein, wenn der tatsächliche Host zeitweise nicht verfügbar ist. Bei dieser optionalen Alternative misst und analysiert der Analog-/Digitaleingang 3 die Auswirkungen der ausgeführten Anpassungen in der physikalischen Schicht und er bestimmt zum Beispiel, ob ein verzerrtes Signal noch entzifferbar ist. Bei dieser Konfiguration wird bevorzugt ein Fehler gemessen und nicht verursacht. Ein Host als Fehlervergleichspunkt ist der beste Lösungsansatz, weil dort am wahrscheinlichsten ein Fehler auftritt.
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5 veranschaulicht eine weitere Funktion der Arbeitsstation 6, die durch die gemeinsame Anwendung des Analog-/Digitalausgangs 2 und des Analog-/Digitaleingangs 3 ausgeführt wird. Im Besonderen wird ein Prüfdatensignal 12 über den Analog-/Digitalausgang 2 übermittelt (hier mit keiner Signalverzerrung) und dieses anschließend mit einem Messsignal 11 verglichen, das über den Analog-/Digitaleingang 3 auf dem Segment erkannt wurde. Die Differenz 10 repräsentiert die Auswirkung, die an dieser Stelle über das Segment oder Netzwerk hervorgerufen wurde. Diese Funktion erfordert eindeutig einen Signalinjizierungspunkt, um sich von dem Signalerfassungspunkt zu unterscheiden. Alternativ kann das Prüfdatensignal 12 ein Referenzsignal sein, das in der Prozessor- und Speichereinheit 5 abgespeichert und so kalibriert wird, wie das Signal auf dem Feldbussegment 1 sein soll und mit dem das Messsignal verglichen werden kann. Die gemessene Differenz 10 kann weiterhin analysiert und daraus direkte oder angenommene Schlussfolgerungen gezogen werden, wie zum Beispiel in Bezug auf schnelle Fourier-Transformationen (FFT), Integration, Analyse des Frequenzspektrums usw. Wie vorstehend ausgeführt, können sämtliche dieser Diagnosen ebenso in Kombination mit der Anpassung von anderen physikalischen Schichtattributen durchgeführt werden. 6 zeigt, wie das physikalische Schichtattribut A im Hinblick auf das physikalische Schichtattribut N separat gemessen wird, aber anschließend können sie auch gleichzeitig gemessen werden, während ein einzelnes angepasst wird, in diesem Fall das physikalische Schichtattribut N.
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Falls das untergeordnete Feldbussegment 1 dessen eigenes, höherrangiges Diagnosesystem aufweist, wie beispielsweise ein vorgesetztes, physikalisches Schichtattribut-Diagnosemodul, entweder an der Seite der Energieversorgung oder an der Seite des Gerätekopplers, dann ist die Korrelation zwischen der Arbeitsstation 6 und einer solchen Einrichtung von Vorteil. Selbstverständlich wäre hierfür eine Kalibrierungsstufe (ähnlich einer Schaltkreisleistung) zwischen den beiden Einrichtungen erforderlich, jedoch kann diese auch so leicht erzielt werden. Daher ist, wie in 7 dargestellt, die Arbeitsstation 6 an ein Systemdiagnosemodul 13 angeschlossen, und zwar entweder über die Maschinenschnittstelle 7b oder über die drahtlose Verbindung 7c. Diese Systempaarung erlaubt, dass Daten dazwischen kommuniziert und beide Systeme für eine weitere Nutzung kalibriert werden können. Im Besonderen können die tatsächlichen Fehlerschwachstellen, die über die Anwendung der Arbeitsstation 6 erfasst wurden, im Diagnosemodul 13 für eine spätere Referenz hinterlegt werden, sollte die Arbeitsstation 6 einmal entfernt werden.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann modifiziert werden, ohne dass der Schutzumfang von Patentanspruch 1 aufgegeben wird. Auch wenn beispielsweise für die physikalischen Schichtattribute bevorzugt ist, dass die Einrichtung gemäß der Erfindung in der Lage ist, die Amplitude des Prüfdatensignals, dessen Nulldurchgangsgenauigkeit und das Rauschen in einem Segment zu verändern, versteht sich, dass jedes beliebige, physikalische Schichtattribut durch die erfindungsgemäße Einrichtung verändert werden kann.
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Daher wird in weitergehenden Ausführungsformen gemäß der Erfindung (die nicht dargestellt sind) die Einrichtung adaptiert, um andere Kombinationen von physikalischen Schichtattributen abändern zu können. Die nachstehende Tabelle stellt ein Portfolio von physikalischen Schichtattributen dar, welche in anderen Ausführungsformen variiert werden können. Der Gleichtakt-Moduseffekt ist beiden oder allen Daten-/Energieleitungen mit Bezug auf Erdung gemeinsam und der Differential-Moduseffekt ist die Differenz in den Daten-/Energieleitungen.
| | Differentialmodus | Gleichtaktmodus |
| Ausgang | 1. Übermittlung eines Referenzsondierungsknotens der Telegrammemulation mit PL (Prädikatenlogik)-Anpassungsmöglichkeit der Parameter (willkürlich) | 1. Übermittlung eines Sondierungsknotens der Telegrammemulation oder Einrichtung in Bezug auf Übersprechempfindlichkeit oder Signalunterdrückung |
| 2. Standard- oder Referenzübermittlung des Sondierungsknotens einer Telegrammeinrichtung oder eines diesbezüglichen Hosts (optional mit LAS) | 2. Anpassungsfähige Einzelfrequenz, statistisches weißes Rauschen/rosa Rauschen |
| 3. Anpassungsfähige Einzelfrequenz, statistisches weißes Rauschen/-rosa Rauschen | 3. Impuls |
| 4. Impuls | |
| 5. MIMIC-Fließbild |
| Anpassung der physikalischen Schicht | 1. Impedanz/Last (reaktiv widerstandsbehaftet einschließlich Terminator- bzw. Abschluss-Widerstandsemulation)-Anpassung | 1. Unsymmetrische Reaktanz und/oder Ungleichgewichtswiderstand |
| 2. Variable Konstantstromsenke-/-quelle | |
| 3. Zeitbegrenzt getaktete, digitale Unterbrechung (Ausfallsimulation) |
| 4. Serienimpedanz-Unterbrechung (Leistungsimpedanz-Anpassung und serielle Unsymmetrie bzw. Serienungleichgewicht) |
| Eingang/Messung | 1. Empfangen eines Sondierungsknoten-Telegramms als Einrichtung und/oder Host und als Messsystem (optional mit LAS) | 1. Analoger Eingang |
| 2. Analoger Eingang | 2. Digitaler Eingang |
| 3. Digitaler Eingang | |
| 4. Abfrageschalter (Sampler) |
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Hinzu kommt, dass in anderen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen (die nicht dargestellt sind) Arbeitsstationen, wie Arbeitsstation 6, bereitgestellt, aber sie können auch noch andere, allgemein bekannte Funktionen aufweisen, die nützlich und praktisch sind, wenn man sie in eine Multifunktionsarbeitsstation oder in eine tragbare Einrichtung integriert. Im Besonderen umfassen verschiedene Ausführungsbeispiele die Möglichkeit zum Kommunizieren und Anpassen der Feldeinrichtungen sowie zum Verarbeiten variabler Daten. Wieder andere besitzen einen Geräteemulator und manuelle Korrektur-/Eingriffsmöglichkeiten, so dass Steuerventile „gehoben” oder Regelkreise/Rückkopplungsschleifen simuliert werden können. Andere weisen eine visuelle Anzeige für das System auf, wie zum Beispiel Oszilloskop, Spektralschaubilder etc. In einigen Ausführungsbeispielen werden diese Ausstattungsmerkmale am Kopfsteg der Arbeitsstation hinzugefügt, jedoch in anderen sind sie in einem angeschlossenen PC oder ähnlichen Betriebssystem platziert, was eine bessere Prozessorkapazität ergibt und verhindert, dass ein tragbares Gerätekopfteil zu groß bzw. zu umfangreich wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Schnittstellen-Kopfsteg an einem PC in Form eines PC-Steckkartenschlitzes integriert angeordnet.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine spezifisch zugeordnete Netzenergieversorgung vorhanden, wie in 8 dargestellt ist. Diese kann im Betriebssystem geschaltet werden oder zweckgebundene Ausgangsanschlüsse besitzen. Die Energieversorgung kann einen regulierbaren Spannungsausgang und/oder eine Impedanzkorrektur und/oder eine Abschlusswiderstandsanpassung (wie beim physikalischen Schichtenattribut-Modifikator) aufweisen. Diese Energieversorgung eignet sich für eine oder für mehrere Einrichtungen.
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In einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung (nicht dargestellt) kommt der höherrangige Computer 9, wie in 1 dargestellt, zum Einsatz, um die aktuell erfassten Fehlerschwachstellen zu korrelieren, und zwar entgegen dem primären Softwaredesign für das Segment. Die Designzeichnungen und die Kalkulationsdatenbank, die anhand eines der bekannten Segmentdesign-Werkzeuge erstellt worden sind, werden in den höherrangigen Computer hochgeladen und die aktuelle Segmentausführung wird dort gegenüberstellend überprüft. Dies ermöglicht die Ausführung einer Analyse von einem weiteren Element und den herzustellenden Ausdruck für ein Dossier oder einen Prüfbericht.
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Schließlich wird in anderen alternativen Ausführungsformen gemäß der Erfindung (die nicht dargestellt sind) eine Einrichtung, wie zuvor beschrieben, zur Verfügung gestellt, aber anstelle eines Betriebsvorgangs in Übereinstimmung mit den IEC61158-2 Feldbusprotokollen operiert die Einrichtung entsprechend anderen, bekannten Protokollen oder entsprechend den Protokollen, die diese künftig noch ersetzen werden. In allen diesen Beispielen ist – oder wird – die Verschlüsselung sehr ähnlich zu jenen auszuführen sein, die vorstehend beschrieben sind, und die physikalischen Schichtattribute, die zu verändern sind, werden sich auch so ähnlich verhalten. Infolgedessen werden diese alternativen Ausführungsformen im Grunde genommen alle in der gleichen Art und Weise funktionieren, wie die vorstehend beschriebene Einrichtung.
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Daher stellt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung bereit, welche präzise die tatsächlichen Fehlerschwachstellen in den Kommunikationsübertragungen auf zweidrahtigen, kombiniert verbundenen Energie- und Datennetzsystemen für eine Automatisierung bestimmen kann, indem simulierte Fehler oder Probleme generiert werden, und deren Intensität solange gesteigert wird, bis ein tatsächlicher – oder simulierter – Fehler eintritt. Aber was noch wichtiger ist, die vorliegende Erfindung stellt zwei oder mehrere von diesen simulierten Fehlern her, die simultan generiert werden, um Fehlerschwachstellen zu ermitteln, die durch Kombinationsprobleme entstanden sind. Sobald diese Fehlerschwachstellen erfasst worden sind, können die gesammelten Daten für eine profunde Betriebsnutzung verwendet werden, um singuläre oder kombinatorische Fehler zu verhindern, die auftreten würden, bevor ein Verstoß gegen einen Protokollschwellenwert eintritt, indem beispielsweise frühere Warnsignale ausgegeben werden. Hinzu kommt, dass die gesammelten Daten dem Segment zur Verfügung gestellt werden können, damit es den Betrieb fortsetzen kann, wenn einmal ein Protokollschwellenwert nicht eingehalten wurde, aber keine tatsächliche Fehlerschwachstelle vorhanden ist, wodurch ein unnötiger Betriebsausfall oder eine ungeplante Instandhaltung verhindert werden können.
