可编程逻辑控制器和中央单元之间通信的通信方法及自动远程监控和诊断系统

摘要

提供监控和诊断系统(110)，其包括监控单元(100)和距监控单元远端的被监控单元(104)。系统也包括监控单元和被监控单元之间的通信装置(102)。被监控单元包括提供被监控单元的故障数据的数据获取装置，并且该通信装置适合于从被监控单元向监控单元传输故障数据。监控单元包括规则引擎(124)，其有分析包含在故障数据中的信息的专家规则组并适合于从规则和信息推导诊断信息(126)。此外，提供在第一可编程逻辑控制器和第二可编程逻辑控制器或中央单元(118)之间通信的通信方法，通信方法中提供描述文件(142)。

说明书

技术领域

本发明通常涉及监控和诊断系统，并且更特别地涉及通信方法，尤其涉及可编程逻辑控制器和中央单元之间通信的通信方法。

背景技术

监控和诊断系统(M&D系统)通常用于需要监控的装置的任何时间。如果需要监控遍布在广大的区域或另外难于或不便于访问的多个装置，该系统是特别有用的(远程监控和诊断系统，或RM&D系统)。例如，给定风轮机的地理的分布，操作者处在给定的风轮机处通常是不可行的。进一步的例子包括太阳电池板，医疗装置，升降机，机车，交通管制系统，等等。M&D系统包括指示故障的装置中的传感器和通信线路，以传送传感器信号到中央位置，那里人工操作者能够分析信号并采取适当的行动。

一个关于M&D系统的问题是响应时间，即故障事件和适当的行动的起始之间的时间跨度。期望有短的响应时间，例如，因为装置故障可以导致装置不可用，进一步损坏装置，或增加风险(例如在医疗设备或交通管制系统的情况下)。

在M&D系统中，响应时间依赖于人工操作者的可用性。例如，如果连接到M&D系统的风轮机故障，通常停止它的操作直到操作者能够分析它的状况，以确定复位风轮机是可行的和执行复位，在这期间，风轮机是不可用的并且不能产生能量。为了提高响应时间，当风轮机故障时操作者需要是可用的。但是，永久操作者的可用性是昂贵的，并且仍不能保证短的响应时间，例如在多个装置同时故障的情况下。

可编程逻辑控制器和其它系统之间的通信方法在多数情况下已经使用静态协议，即在其中根据预定结构传送数据项的协议。这些协议难于扩展。例如，可以发现信息的位置以及每个数据点的类型和长度通常是相同的，并且没有动态方面。

考虑到来自或去往可编程逻辑控制器的更灵活的数据传送的协议也是已知的，例如根据规范IEC 60870-5-104和JEC 61850的协议。这些协议允许与关于传送数据的结构的信息一起传送数据。但是，数据和信息都在相同的信道传送，由此协议的性能降级。并且，例如对于与其它静态协议相关的可选的兼容性，期望原始数据和信息之间的明确的区别。

发明内容

在一个方面，监控和诊断系统包括：

监控单元，被监控单元，和所述监控单元和所述被监控单元之间的通信装置，其中所述监控和诊断系统这样配置：

所述被监控单元包括提供所述被监控单元的故障数据的数据获取装置；

所述通信装置适合于从所述被监控单元向所述监控单元传输故障数据；和

所述监控单元包括推理引擎，推理引擎包括分析包含在故障数据中的信息的诊断知识，并适合于从所述诊断知识和信息推导诊断信息。

在另一方面，用于在第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个之间通信的通信方法包括：

第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个根据实质上确定的传送结构，通过通信信道传输数据项；

第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个提供单独的对包含在数据项或数据项的序列中的信息的描述的描述文件。

附图说明

图1是监控和诊断系统的示意图；

图2是被监控单元的示意图；

图3是监控单元的示意图；

图4示出了可编程逻辑控制器和中央单元之间的通信方法。

具体实施方式

考虑到上面，提供的监控和诊断系统包括，监控单元和被监控单元，和监控单元和被监控单元之间的通信装置。被监控单元包括提供被监控单元的故障数据的数据获取装置，并且该通信装置适合于从被监控单元向监控单元传输故障数据。监控单元包括推理引擎，推理引擎具有分析包含在故障数据中的信息的诊断知识，并适合于从所述诊断知识和信息推导诊断信息。因此，例如组合监控和诊断系统与推理引擎通过使用诊断知识来提供用于自动处理装置中，例如多个位于远端的装置中的故障的系统，推理引擎例如是基于规则的包括诊断知识的专家分析引擎。该推理引擎传统上用于数据库应用，在那里其用于分析复杂的数据组和推导适当的判定。例子包括银行信贷判定的记分卡片引擎，或字处理器中的拼写检查系统。

监控和诊断系统也可以提供诊断信息，即关于故障的本质或起源的信息。该系统也可以提供装置诊断或修复的下一步的建议。推理引擎包括分析装置的故障数据和应用诊断知识决定行动过程的装置。当与故障过程关联的知识/经验增加时，可以容易地更新诊断知识。

本发明的优点是可以最小化对装置的人工本地访问和人工远程访问的需要。进一步的优点是可实现响应时间的减少。进一步的优点是提高成本效率。因为由于诊断知识，系统经过明确的故障处理过程和分析步骤，进一步的优点是提高装置故障处理的一致性。

在一个方面，推理引擎包括至少一个从组获得的元素，该组包括贝叶斯置信网络，因果引擎，规则引擎，判定树，分类树，仿真引擎，神经网络，数据库比较，和它们的组合。诊断知识包括至少一个从组获得的元素，该组包括贝叶斯图，过程，专家规则组，数据库入口，和它们的组合。此外，推理引擎适合于分析包括在故障数据中的多个故障之间的交叉关系，并且M&D系统包括控制被监控单元的设置或工作参数的控制装置。进一步的，M&D系统包括记录进一步使用的故障数据和诊断信息的数据库。此外，M&D系统包括更新诊断知识的装置，并包括多个被监控单元。推理引擎适合于根据包含在故障数据中的信息为可能采取下一步骤提供建议。推理引擎进一步适合于根据包含在故障数据中的信息确定和启动要采取的行动过程。M&D系统也包括用于检查是否成功执行启动的行动过程并且从被监控单元远程监控监控单元的交叉证实装置，即例如，监控单元与被监控单元分离，被监控单元位于距离大于10m，100m，1km，或10km，或难于或不便于从监控单元访问的位置，。

在一个方面，被监控单元是风轮机，一个可能的执行的行动过程是风轮机的自动复位。通信装置使得例如可以通过故障，故障类型，被监控单元，或一组被监控单元来选择要传输的故障数据。监控和诊断系统包括监控单元和位于距监控单元遥远的被监控单元，和监控单元和被监控单元之间的通信装置，由此被监控单元包括提供被监控单元的故障数据的数据获取装置，该通信装置适合于从被监控单元向监控单元传输故障数据，并且监控单元包括推理引擎，推理引擎包括用于分析包含在故障数据中的信息的诊断知识，并适合于从所述诊断知识和所述信息中推导诊断信息。而且，提供用于在第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个之间通信的通信方法，在通信方法中提供描述文件。

提供用于在第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个之间通信的通信方法，其包括第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个根据实质上确定的传送结构，通过通信信道传输数据项。此外，第一及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个提供单独的对包含在数据项中或在数据项的序列中的信息的描述的描述文件。

描述文件如XML文件允许相应于特定信息的特定数据点位于通信序列中。在本发明的进一步的方面，描述文件是XML文件。在静态通信信道中，或根据传送结构，数据项以预定的顺序传送，因此在数据项的序列中以固定的顺序传送信息。在本发明的进一步的方面，数据项在通信信道中，或根据传送结构，不包括描述元素。在进一步的方面，在第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个之间以指定的周期循环传送描述文件。在进一步的方面，响应预定义的事件或条件在第一可编程逻辑控制器及第二可编程逻辑控制器和中央单元中的至少一个之间传送描述文件。

根据本发明的实施例，传送描述文件，然后通过通信信道传送原始数据。可选地，周期性传送原始数据，而描述文件在通信中仅传送一次并且描述每个周期的原始数据。

这个通信方法的优点是第二可编程逻辑控制器或中央单元被使得能够在其自身定位第一可编程逻辑控制器提供的数据，或反之亦然。通过描述文件可能定位特定的信息或数据点，并可能知道以所提供的何种结构能够读取它。此外，可能定位相关数据，即其后是感兴趣的真实供应的值。此外，可能为自动配置传送要利用的数据。在一个实施例中，在单独的信道传送数据和信息，得到好的协议的性能。而且，原始数据和信息之间的明确区分考虑与其它协议有关的可选的兼容性。

图1示出了通过通信装置102连接到多个位于远程的被监控单元104的监控单元100的实施例。如这里所使用的，术语远程指物理上与监控单元分离大于一定距离(例如大于100m，1km，或10km)，或否则难于或不便于直接访问的任何单元。可替换地，连接装置102分为用于一群被监控单元的网络106和网络106和监控单元100之间的连接108。被监控单元100群可以包括一个或一些或全部单元，并且也可以存在若干个群。网络106通常是局域网并且在一些实施例中通信装置102使用例如T1线路的专用连接或拨号调制解调器连接，电缆，光纤，无线连接，和其它连接方式。在一个实施例中通信装置102也包括附加的基础结构元件，例如网络服务器，路由器，等等。典型的，文件传输协议(ftp)用于从一个单元到另一个单元移动数据。但是，也可利用Email，TCPIIP，I-JTTP和其它协议。

被监控单元104在图2中进一步示出。它包括控制被监控单元104和提供故障数据的系统110，该系统通过通信接口112连接到通信装置102。术语故障数据旨在包括仅在故障事件的情况下发送且可能包含故障本质信息的数据或消息。在一个实施例中，术语故障数据也包括不管故障是否发生都发送且可能包含关于故障发生，和可选地包括关于故障本质的信息的数据或消息。控制被监控单元和提供故障数据的系统110包括至少一个测量来自被监控单元104的数据的传感器114，例如风传感器，用于单元的机械操作的传感器，电压传感器，电流传感器，和/或从被监控单元104或其环境检测关于被监控单元104的功能的数据的任何其它传感器。系统110进一步包括数据处理装置116，例如可编程逻辑控制器，用于处理传感器114测量的数据的，和控制被监控单元104的功能的中央单元118，传感器114连接到数据处理装置116，数据处理装置116连接到中央单元118，中央单元118进而又连接到通信接口112。在一个进一步的实施例中，系统110包括控制或影响被监控单元的控制装置120，例如复位机构，用于被监控单元的受控的停机的机构，制动，激活替代单元的开关，或用于被监控单元104活动的受控缩减的设备。在一个实施例中，控制装置120通过数据处理装置116，例如可编程逻辑控制器，连接到中央单元118。在一个实施例中，用于传感器114的数据处理装置116和用于控制装置120的数据处理装置116是如图所示的两个独立单元。可替换地，它们是同一个单元。

图3示出了监控单元100。包括计算机或计算机的网络。监控单元100包括连接到通信装置102的通信接口122，用于从被监控单元104接收故障数据和与被监控单元104通信。在一个实施例中，通信接口122包括调制解调器，路由器，和网卡中的至少一个。监控单元104进一步包括推理引擎124，例如规则引擎，用于分析故障数据和提供诊断信息，并可选地建议下一步可能采取的步骤和/或在被监控单元104中启动自动补救行为，例如复位，受控停机，制动，替代单元的激活，或活动的受控缩减。在一个实施例中，推理引擎124包括如专家规则组的诊断知识126和处理器128。推理引擎124进一步连接到可选的输入设备130，输出设备132，和可选的服务数据库134。

推理引擎124直接或通过可选的分析装置136连接到通信接口122，用于分析输入故障数据和从该故障数据生成可由推理引擎124读取的值。连接进一步可选地包括发送信号到被监控单元104的处理器138，例如传送启动补救行为的指令。

随后是图1-3中示出的组件的操作的描述。在被监控单元104的常规操作期间，传感器114定期监控单元104的操作。由数据处理装置116处理数据，并且传送信息到中央单元118用于控制被监控单元104。此处，进一步处理数据，并生成故障数据。然后通过被监控单元104的通信接口112，通信装置102，和监控单元100的通信接口122将故障数据传送到监控单元100。然后由分析装置136进一步处理该故障数据，并将其传送到推理引擎124。那里，处理器128根据诊断知识126分析该故障数据。

作为分析的结果，生成诊断信息并在输出设备132输出。诊断信息包括关于故障的起因和本质的信息，进一步关于故障的细节，例如时间，位置，严重性，持续时间，关于故障的概要信息，等等。可选地，生成下一步骤的建议。

进一步地，推理引擎124也可以启动被监控单元104的适当的自动行动。在这种情况下，将该行为的请求发回被监控单元104。因此，处理器138可选地处理该请求，来发出信号，并且然后通过通信接口122和通信装置102将该请求发送到被监控单元104。在被监控单元104中，由中央单元118通过通信接口112接收请求信号。如果适当，它被传送到数据处理装置116，和控制装置120来执行该请求。

在一个实施例中，为了推理专家引擎124完成分析，需要除了故障自身之外的附加数据。在一个实施例中，该数据包括在几秒内发生的其它故障，关于被监控单元104的参数设置，环境条件，例如风速和温度，是否发送全部故障消息，历史故障信息，和其它数据。在本发明的一个实施例中，控制被监控单元104和提供故障数据的系统110收集数据以传送到监控单元100，或到集中系统。选择传送的数据取决于通信成本和诊断特定故障的能力。当通信装置102提供高速连接时，期望发送大量的数据。但是，在一个实施例中，通信装置102也包括通信设备，例如拨号调制解调器，并且传送速度可能不同。本发明的一个方面是给用于控制被监控单元104和提供故障数据的系统110提供配置数据，该系统允许通过故障和被监控单元104选择数据。例如，可由监控单元100参考故障数据和适当的反应将通信时间和成本调整到各自的需要但仍达到期望的可用目标。

例如，为处理在发送故障消息到监控单元100和从监控单元100接收采取适当的行动的请求之间被监控单元104已经改变状态的可能，在该实施例中没有传输大量数据。相反，用于控制被监控单元104和提供故障数据的系统110将被监控单元104的当前状态与发送故障消息时的状态相比较。如果条件相同，然后用于控制被监控单元104和提供故障数据的系统110处理该请求。在两种情况下，发送反馈消息到监控单元100用于确认。如果从原始消息开始已经发生了新的故障，或如果被监控单元受到其它请求，被监控单元104的状态定义为变化。

从被监控单元104重新得到数据可以以多种形式到达。因此，在本发明中可选的分析装置136可能解释从被监控单元104重新得到的数据，并可以以适当的形式为推理引擎124或为诊断知识126构造可变输入。在一个实施例中，到该组件的输入也是可配置的，特别用于重新得到被监控单元104的期望的设置和对历史故障频率的限制。设计分析组件136，推理引擎124，和诊断知识126一起工作。当作出特定的判定以在分析组件136中实现一些计算时，其它实施例在其它组件中实现这些。

推理引擎124包括计算机处理器128，其中执行解释诊断知识126和规则的输入变量的软件程序。在一个实施例中，推理引擎124通过输出设备132创建表示诊断信息的咨询消息。在另一个实施例中，推理引擎124也创建用于进一步的步骤或随后的行动的建议。在一个实施例中，行动包括，要由远程服务工程师和现场服务工程师中至少一个执行的服务行动，和/或用于控制被监控单元104和提供故障数据的系统110自动处理的行动。如上所述，通过可选的用于发送信号138的处理器将自动行动发送到适当的被监控单元104。

特别的，在一个实施例中，推理引擎124是具有一组如诊断知识126的专家规则的规则引擎，或基于规则的处理器，或规则系统。然后，规则包含处理每个故障的事务逻辑。优选地，规则设计是健壮的使得即使输入数据不完整时，规则也考虑创建适当的诊断建议。例如，缺少输入，诊断咨询文本表明某些数据不完整或不可用，从而不能给出明确的建议，并且工程师应该手动重新得到数据并继续进行故障过程。如果不能从被监控单元104重新得到数据(例如故障历史不再可用)，则输出是工程师必须从其它源或以其它方式重新得到数据以确定适当的行动。

典型的，虽然必须检查的特定变量是不同的，但是每个故障的规则形式是相似的。结果典型地手动实现每个规则。典型地利用测试过程来证实已经正确实现规则。在一个实施例中，该测试过程包括使用预期的输入变量的全部组合来核对规则的结果。规则的另一方面是可以同时分析多个故障。由于故障可以触发其它的故障，建议评估所有当前有效的故障。例如，在一个实施例中如果某个行为与任何检测故障不冲突则执行这个行动。因此，通常构建规则，使得虽然独立地评估每个故障，但是如果任何条件阻止一个有效故障的事件，将不为该特定事件创建请求。

作为推理引擎124的第二个例子，在监控和诊断系统中采用贝叶斯网络，其中，诊断知识126被表示为贝叶斯图。关于贝叶斯网络的进一步的细节，参考Finn V.Jensen，Introduction to Bayesian Networks(Springer 1996)。

推理引擎124的进一步的例子包括因果律引擎，规则引擎，判定树，分类树，如蒙特卡罗方法和被监控单元的底层物理模型的仿真的仿真引擎，神经网络，数据库比较，和它们的组合。那么，诊断知识126的表示的进一步的例子可以是过程，专家规则组，数据库入口，或它们的组合。

在一个实施例中，推理引擎124使用故障数据的先进的模式。例如，在给定的涡轮中和在预定的时间间隔内发生预定数目的故障。通过故障类型，时间，与其它故障的相关性，或其它因素可以进一步过滤或加权故障。使用这种方式，为了诊断的目的可以分析和开发多个故障之间的交叉关系。

当有关正确的故障过程的知识经验增加时，可更新诊断知识126。在一个实施例中，例如在神经网络或贝叶斯网络的环境中，通过机器学习自动执行更新。可替换地，例如通过更新规则引擎中的专家规则，手动执行更新。

可选的服务数据库132包含维持历史和检查试验的故障记录和随后的校正行动。在至少一个真实数据库实例中物理地包括一些表。该数据用于文档记录系统发生了什么。它也可以交互地用于事件管理，尽管在事件处理系统中采用许多其它特征。在一个实施例中，为了调试的目的和历史报告，数据库提供M&D处理的步骤的检查跟踪。

依照一个实施例，被监控单元104包括风轮机。在风轮机故障的情况下一种可能的补救行动是复位，它可以通过用于发送信号的监控单元100的处理器138自动启动，并通过控制装置120执行，在本实施例中控制装置包括复位机构。

风轮机中的补救行动包括风轮机的复位。在复位和可选的启动阶段后，风轮机返回到正常操作。通过M&D系统组件自动处理复位。其它可能的行动包括通过远程服务工程师或通过现场服务工程师采取的服务行动。

图4示出了根据本发明的进一步的实施例的通信方法。该方法用于被监控单元104中在中央单元118和可编程逻辑控制器116之间或被监控单元104中两个可编程逻辑控制器116之间的通信。并且，该方法用于风力农场管理控制系统。但是，上面仅仅是示例性的例子，并且决不是限制本发明的范围。

中央单元118和可编程逻辑控制器116通过站总线连接，各种其它设备可选地连接在该站总线上。此外，组件通过以太网或通过交换以太网技术，或通过相似的技术连接。连接包括用于中央单元118和/或用于可编程逻辑控制器116的配置工具的接口。连接使用包括光纤的铜线，无线LAN技术，和其它连接装置中的至少一个。可替换地，连接包括附加的基础结构元件，例如网络服务器，路由器，开关，等等。

根据实质上静态或确定的传送结构，该通信方法或通信协议使用通信信道140来传送数据项，或数据元素，或数据点。此外，它使用描述静态通信信道140中的信息的描述文件142。

实质上确定的传送结构根据预定的一组静态规则管理数据项的传送。例如，在预定的序列中传送数据项，因此在数据项的序列中以固定顺序传送信息。特别的，该例子包括其中数据项的顺序是固定的序列，因此在每个通信中，在数据项的序列中可以发现给定信息的位置是相同的。但是，实质上确定的传送结构也包括固定顺序的序列的变化，其中根据预定的规则某些数据项组的长度是可以变化的。可替换地，根据预定的规则可以插入或省略数据项组，或者在其中依靠一些预定的条件为一部分通信选择数据项的一些序列的一个列表。

该预定的规则在可编程逻辑控制器116的固件中确定，和/或在每个通信的开始时确定，和/或是实现实质上确定的传送结构的通信协议的例子，该通信协议包括面向信号的协议和面向对象的协议，根据该面向信号的协议，传送数据项而没有任何描述元素，根据该面向对象的协议，数据项和描述元素一起被传送。由此，描述元素以必须或可选择的属性出现。

通信信道140的数据项实质上包括某些要传送的值。但是，在一个实施例中，数据项也包括与传送值相关的其它参数，例如系统ID，数据项ID，数据类型指示符(例如整数，浮点，数组，在随后的情况下可选地包括数组长度)，时间戳，质量指示符，等等。

除了通信信道140外，提供单独的描述文件142，其描述静态通信信道140中的信息。描述文件通常提供关于如何组织静态通信信道140中的数据项的序列的信息，和/或有关静态通信信道140中的数据项的内容的信息。描述元素的例子是指示符，其指示哪些数据项在特定场合是相关的，哪些数据项仅包括故障值或校验等等，哪些数据项包括某些类型的物理或技术信息，或关于通信信道140的通信结构的信息。

在一些场合，由于中央单元118可以根据描述文件解释引入的数据，后面的信息将适应性的元素引入通信，并且因此通信可以不局限于一个特定的协议，例如在取代或更新可编程逻辑控制器116的情况下。同时，维持关于现存协议的兼容性。

同样，一部分数据项的可能参数(系统ID等)包括在描述文件142中并在静态通信信道140中省略。该过程的优点是在通信期间仅传送一次描述文件，而周期性传送数据项的给定的序列。因此，如果不随周期变化的参数包括在描述文件142中并从静态信道140中省略，那么减少传送数据量。

通常在数据项通过静态通信信道140发送前传送描述文件142。可选地，以可以指定的规则或不规则的周期循环地传送描述文件。在一个实施例中，依照临时的持续时间，传送的数据项的量，其它事件的计数，或它们的组合，来给定周期长度。同样，可选地循环传送描述文件，即响应预定的或可指定的事件或条件。例如，这些事件或条件包括，中央单元118或可编程逻辑控制器116的初始化，两个单元之间或到第三个单元的通信的建立；刷新数据描述的请求或必要性；发送单元中(例如，在可编程逻辑控制器116中)的数据描述或协议的变化；和接收单元中(例如，中央单元118中)的数据描述或协议的变化。

应理解尽管关于其各种具体实施例已经描述了本发明，对本专业技术人员来说可能出现在本发明的范围和精神之内的其它实施例和变体，并且随后的权利要求意欲覆盖这些其它的实施例和变体。

部件列表

  100  监控单元  102  通信装置  104  被监控单元  106  网络  108  连接  110  系统  112  通信接口  114  传感器  116  数据处理装置  118  中央单元  120  控制装置  122  通信接口  124  推理引擎  126  诊断知识  128  处理器  130  输入设备  132  输出设备  134  服务数据库  136  分析装置  138  处理器  140  通信信道  142  描述文件