[发明专利]用于现场总线系统的诊断方法和诊断设备

说明书

技术领域

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

背景技术

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

现有技术的协议分析器具有一些缺点，下面对其简短说明：