Mess- und Diagnoseverfahren für ein neuartiges Feldbus-System mit Mehrträger-Datenübertragung

Abstract

Die zunehmende Automatisierung der industriellen Prozesse stellt hinsichtlich Datenraten und Fehlersicherheit immer höhere Anforderungen an die eingesetzten Feldbusnetzwerke. Aus diesem Grund wurde in früheren Arbeiten ein neuartiges Feldbussystem erarbeitet, welches auf dem Mehrträger-Modulationsverfahren discrete multitone (DMT) basiert. Diese Arbeit befasst sich mit den Verfahren zur Systemdiagnose des neuartigen Feldbussystems auf der Modulationsebene. Hierfür werden verschiedene Konzepte der Diagnosewerkzeuge ausgearbeitet und umfassend diskutiert. Anhand von Simulationsergebnissen werden Anforderungen an die Eingangsimpedanz der Diagnosewerkzeuge ermittelt, sodass das Anschließen der Diagnosewerkzeuge an die Busleitung eine möglichst geringe Änderung des Systemzustands hervorruft. Es wird das Potenzial der Systemdiagnose mittels Messgeräten wie z.B. schnellen Speicheroszilloskopen aufgezeigt und der erforderliche Algorithmus zur Abtastratenwandlung beschrieben. Bei der hierfür notwendigen Interpolationsfilterung kann das Quantisierungsrauschen des Analog-Digital-Umsetzers verringert werden. Der Einfluss der Dimensionierung des Interpolationsfilters auf die Signalqualität wird analytisch und mit Simulationen untersucht. Zudem werden verschiedene Verfahren zur Schätzung und Korrektur der Abtasttaktabweichung beschrieben und hinsichtlich der Schätzgenauigkeit miteinander verglichen. Für eine lückenlose Verfolgung der über das Netzwerk übertragenen binären Daten müssen Diagnosewerkzeuge die DMT-Demodulation sehr schnell in Hardware vornehmen. Ein für diesen Zweck entwickeltes Diagnosewerkzeug auf Basis eines FPGA mit einer flexiblen Datenschnittstelle zu einem Diagnoseprogramm wird vorgestellt. Abschließend werden die hierdurch ermöglichten Diagnosealgorithmen beschrieben, einschließlich eines Ausblicks auf die Rekonstruktion der Netzwerktopologie anhand der Kanalmessungen.

The increasing grade of automation in industrial processes continuously demands for higher data rates and error robustness from the exploited fieldbus networks. This was the reason that in previous works a novel fieldbus system has been developed that is based on the modulation technique discrete multitone (DMT) which was not used in fieldbus systems before. This thesis deals with methods for the diagnosis of the novel fieldbus system on the modulation layer. We elaborate and discuss various concepts for the architecture of diagnosis tools. Basing on simulation results we derive requirements on the input impedance of diagnosis tools to ensure that connecting a tool to the fieldbus network introduces as little influence as possible to the state of the whole system. We show the potential of the system diagnosis using a measurement instrument like a fast storage oscilloscope and we describe the required algorithm of the sampling rate conversion. The interpolation filtering involved here can help reducing the quantization noise, so we analyze in detail analytically and by simulations the influence of the filter design parameters onto the signal quality. Furthermore, various methods for the estimation and correction of the sampling frequency offset are described and compared with regard to the estimation accuracy. For a continuous monitoring of the binary data transferred over the network, the DMT demodulation needs to be implemented in hardware. Thus, we present a diagnosis tool based on a field programmable gate array (FPGA) with a flexible communication interface towards a diagnosis software. Finally we describe some diagnosis algorithms enabled by the demodulation in hardware including an introduction into the field of the topology reconstruction based on the channel measurements.