DE102022125355A1 - Procedure for testing an automation field device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Überprüfen eines Feldgeräts (FG1, FG2, FG3, FG4) der Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät (FG1, FG2, FG3, FG4) an ein Kommunikationsnetzwerk (KN) angeschlossen ist, wobei das Feldgerät (FG1, FG2, FG3, FG4) über das Kommunikationsnetzwerk (KN) Datentelegramme (DT) empfängt und aussendet, wobei das Feldgerät (FG1, FG2, FG3, FG4) die Datentelegrame (DT) in einem vorbestimmten Kommunikationsfrequenzband aussendet, umfassend:
- Erfassen der von dem Feldgerät (FG1, FG2, FG3, FG4) ausgesendeten Datentelegramme (DT) über zumindest einen vorbestimmten Zeitraum;
- Durchführen einer Fourier-Transformation an den über den vorbestimmten Zeitraum erfassten Datentelegrammen (DT) zum Erlangen eines spezifischen Frequenzspektrums (FS), wobei die Fourier-Transformation mit einer Abtastrate durchgeführt wird, welche höher ist als die maximale Frequenz des Kommunikationsfrequenzbands;
- Vergleichen des spezifischen Frequenzspektrums (FS) mit einem vorbestimmten Frequenzspektrum; und
- Erstellen einer Notifikation im Falle einer Abweichung des spezifischen Frequenzspektrums (FS) von dem vorbestimmten Frequenzspektrum.
The invention comprises a method for checking a field device (FG1, FG2, FG3, FG4) of automation technology, wherein the field device (FG1, FG2, FG3, FG4) is connected to a communication network (KN), wherein the field device (FG1, FG2, FG3, FG4) receives and transmits data telegrams (DT) via the communication network (KN), wherein the field device (FG1, FG2, FG3, FG4) transmits the data telegrams (DT) in a predetermined communication frequency band, comprising:
- detecting the data telegrams (DT) transmitted by the field device (FG1, FG2, FG3, FG4) over at least a predetermined period of time;
- performing a Fourier transformation on the data telegrams (DT) acquired over the predetermined period of time to obtain a specific frequency spectrum (FS), wherein the Fourier transformation is performed at a sampling rate which is higher than the maximum frequency of the communication frequency band;
- comparing the specific frequency spectrum (FS) with a predetermined frequency spectrum; and
- Generating a notification in case of deviation of the specific frequency spectrum (FS) from the predetermined frequency spectrum.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät an ein Kommunikationsnetzwerk angeschlossen ist, wobei das Feldgerät über das Kommunikationsnetzwerk Datentelegramme empfängt und aussendet, wobei das Feldgerät die Datentelegrame in einem vorbestimmten Kommunikationsfrequenzbands aussendet.The invention relates to a method for checking a field device in automation technology, wherein the field device is connected to a communication network, wherein the field device receives and transmits data telegrams via the communication network, wherein the field device transmits the data telegrams in a predetermined communication frequency band.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. So werden Feldgeräte zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen verwendet. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, bzw. Sensoren. Diese werden beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, pH-Messung, Füllstandmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren verwendet. Diese sind beispielsweise Pumpen oder Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohr oder den Füllstand in einem Behälter beeinflussen können. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.Field devices that are used in industrial systems are already known from the prior art. Field devices are often used in process automation technology as well as in production automation technology. In principle, all devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information are referred to as field devices. Field devices are used to record and/or influence process variables. Measuring devices or sensors are used to record process variables. These are used, for example, for pressure and temperature measurement, conductivity measurement, flow measurement, pH measurement, level measurement, etc. and record the corresponding process variables pressure, temperature, conductivity, pH value, level, flow, etc. Actuators are used to influence process variables. These are, for example, pumps or valves that can influence the flow of a liquid in a pipe or the level in a container. In addition to the previously mentioned measuring devices and actuators, field devices also include remote I/Os, radio adapters or, in general, devices that are arranged at the field level.
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Kommunikationsnetzwerke wie beispielsweise Feldbusse (Profibus®, Foundation® Fieldbus, HART®, etc.) mit übergeordneten Einheiten verbunden. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme (DCS) bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. In modern industrial plants, field devices are usually connected to higher-level units via communication networks such as field buses (Profibus ® , Foundation ® Fieldbus, HART ® , etc.). The higher-level units are usually control systems (DCS) or control units such as a PLC (programmable logic controller). The higher-level units are used, among other things, for process control, process visualization, process monitoring and for commissioning the field devices.
Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messwerte werden über das jeweilige Bussystem an eine (oder gegebenenfalls mehrere) übergeordnete Einheit(en) übermittelt. Daneben ist auch eine Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte erforderlich, insbesondere zur Konfiguration und Parametrierung von Feldgeräten sowie zur Ansteuerung von Aktoren.The measured values recorded by the field devices, in particular by sensors, are transmitted via the respective bus system to one (or possibly several) higher-level unit(s). In addition, data transmission from the higher-level unit via the bus system to the field devices is also required, in particular for the configuration and parameterization of field devices and for controlling actuators.
Die Feldgeräte können je nach Netzwerktyp verschieden angeordnet werden. Gängige Anordnungen sind beispielsweise:
- - Punkt zu Punkt-Topologie: Eine Systemkomponente verbunden mit einem Peripheriegerät (Feldgerät oder ebenfalls eine Systemkomponente)
- - Stern-Topologie: Eine Systemkomponente (Bsp.: Remote-IO, E/A Karte, Multiplexer) mit mehreren Peripheriegeräten
- - Ring-Topologie: Eine Ringanordnung mehrerer Geräte (sowohl System-, als auch Peripherie-Geräte)
- - Netz-Topologie: Hierarchische Netzstrukturen als Kombination der oben genannten Strukturen.
- - Point-to-point topology: A system component connected to a peripheral device (field device or also a system component)
- - Star topology: A system component (e.g.: remote IO, I/O card, multiplexer) with several peripheral devices
- - Ring topology: A ring arrangement of several devices (both system and peripheral devices)
- - Network topology: Hierarchical network structures as a combination of the above structures.
Die digitale Kommunikation der Feldgeräte hat den entsprechenden elektrotechnischen Normen zu folgen, welche durch das jeweilige Feldbusprotokoll vorgegeben wird. Die Geräte sind dementsprechend passend elektrotechnisch ausgelegt und erfüllen den jeweiligen Standard im Rahmen der zulässigen Toleranzen. Heutzutage existieren im Zusammenhang mit Feldbussystemen strenge Anforderungen für die Bus-Zulassung eines Feldgeräts. Zentrale Prüf- und Zertifizierungsstellen gewährleisten hierbei die Einhaltung des entsprechenden Standards.The digital communication of the field devices must follow the relevant electrical engineering standards, which are specified by the respective fieldbus protocol. The devices are designed accordingly in electrical engineering terms and meet the respective standard within the permissible tolerances. Nowadays, there are strict requirements for the bus approval of a field device in connection with fieldbus systems. Central testing and certification bodies ensure compliance with the relevant standards.
Einige Feldbussysteme definieren darüber hinaus ausgeprägte Schutzmechanismen, um ein Feldbussystem gegen unberechtigte Manipulation zu schützen.Some fieldbus systems also define extensive protection mechanisms to protect a fieldbus system against unauthorized manipulation.
Industrieanlagen der Automatisierungstechnik können manipulationsanfällig und auf verschiedenste Arten angreifbar sein. Mögliche Szenarien für einen solchen Angriff sind beispielsweise:
- - Manipulation der Datenleitungen zwischen den in der Anlage verbauten Feldgeräten und Netzwerkkomponenten;
- - Manipulation an der Transmitter- oder Sensor-Elektronik eines Feldgeräts;
- - Austausch des Transmitters oder Sensors eines Feldgeräts ohne Wissen des Anlagenbetreibers.
- - Manipulation of the data lines between the field devices and network components installed in the system;
- - Manipulation of the transmitter or sensor electronics of a field device;
- - Replacing the transmitter or sensor of a field device without the knowledge of the system operator.
Die Folgen können vielfältig und gravierend sein. Beispielsweise können Denial of Service (DoS)-Attacken auf Feldbussysteme durch sporadische Protokollverletzung zu längeren Ausfallzeiten von (Teil)-Anlagen führen. Manipulation der Daten von Feldgeräten können zu Ausfällen von (Teil)-Anlagen, aber auch zu Beschädigungen am Anlagenequipment und Gefahren für das in der Anlage tätige Personal und die Umwelt führen.The consequences can be diverse and serious. For example, denial of service (DoS) attacks on fieldbus systems can lead to longer downtimes of (partial) systems due to sporadic protocol violations. Manipulation of the data from field devices can lead to failures of (partial) systems but also lead to damage to the system equipment and danger to the personnel working in the system and the environment.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzustellen, welches eine Überprüfung eines Feldgeräts hinsichtlich Manipulationen und/oder Fehlfunktionen auf einfache und sichere Art und Weise ermöglicht.Based on this problem, the invention is based on the object of presenting a method which enables a field device to be checked for manipulation and/or malfunctions in a simple and safe manner.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überprüfen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik gelöst, wobei das Feldgerät an ein Kommunikationsnetzwerk angeschlossen ist, wobei das Feldgerät über das Kommunikationsnetzwerk Datentelegramme empfängt und aussendet, wobei das Feldgerät die Datentelegrame in einem vorbestimmten Kommunikationsfrequenzbands aussendet, umfassend:
- - Erfassen der von dem Feldgerät ausgesendeten Datentelegramme über zumindest einen vorbestimmten Zeitraum;
- - Durchführen einer Fourier-Transformation an den über den vorbestimmten Zeitraum erfassten Datentelegrammen zum Erlangen eines spezifischen Frequenzspektrums, wobei die Fourier-Transformation mit einer Abtastrate durchgeführt wird, welche höher ist als die maximale Frequenz des Kommunikationsfrequenzbands;
- - Vergleichen des spezifischen Frequenzspektrums mit mindestem einem vorbestimmten Frequenzspektrum; und
- - Erstellen einer Notifikation im Falle einer Abweichung des spezifischen Frequenzspektrums von dem mindestens einen vorbestimmten Frequenzspektrum.
- - Acquiring the data telegrams sent by the field device over at least a predetermined period of time;
- - performing a Fourier transformation on the data telegrams acquired over the predetermined period of time to obtain a specific frequency spectrum, the Fourier transformation being performed at a sampling rate which is higher than the maximum frequency of the communication frequency band;
- - Comparing the specific frequency spectrum with at least one predetermined frequency spectrum; and
- - Creating a notification in the event of a deviation of the specific frequency spectrum from the at least one predetermined frequency spectrum.
Erfindungsgemäß werden vom Feldgerät über das Kommunikationsnetzwerk Datentelegramme ausgesendet, die entsprechend dem Protokoll des Kommunikationsnetzwerks ausgestaltet sind. Über einen vorbestimmten Zeitraum werden solche Datentelegramme erfasst und aufgezeichnet. Konkret wird der Verlauf der Spannung oder der Stromstärke über die Zeit aufgezeichnet. Durch eine Fourier-Transformation der aufgezeichneten Datentelegramme wird der zeitliche Verlauf der Spannung oder der Stromstärke in ein spezifisches Frequenzspektrum umgewandelt. Dieses spezifische Frequenzspektrum enthält die in dem vorbestimmten Zeitraum aufgezeichneten Frequenzen und deren Anteil.According to the invention, the field device sends out data telegrams via the communication network, which are designed in accordance with the protocol of the communication network. Such data telegrams are captured and recorded over a predetermined period of time. Specifically, the course of the voltage or current is recorded over time. Through a Fourier transformation of the recorded data telegrams, the time course of the voltage or current is converted into a specific frequency spectrum. This specific frequency spectrum contains the frequencies recorded in the predetermined period of time and their proportion.
Über die nachfolgende Analyse des spezifischen Frequenzspektrums mit einem vorbestimmten Frequenzspektrum können Abweichungen des Feldgeräts, bzw. des Netzwerksegments, in welchem das Feldgerät integriert ist, detektiert werden. Im Frequenzraum können Fehlfunktionen und Abweichungen detektiert werden, welche über eine Analyse des Verlaufs der Spannung oder der Stromstärke im zeitlichen Raum nicht oder nur schwer detektierbar wären.Deviations in the field device or the network segment in which the field device is integrated can be detected via the subsequent analysis of the specific frequency spectrum with a predetermined frequency spectrum. In the frequency space, malfunctions and deviations can be detected that would not be detectable or would be difficult to detect by analyzing the course of the voltage or current in time space.
Mittels des Verfahrens kann nicht nur detektiert werden, dass eine Abweichung vorliegt, also ein Fehler am Feldgerät, bzw. am Netzwerksegment wahrscheinlich ist. Es lässt sich darüber hinaus auch auf den vorliegenden Fehlertyp schließen. Hierfür wird die Art der Abweichung betrachtet, also in welchen Frequenzanteilen eine Abweichung in welcher Größe vorliegt, was spezifisch für bestimmte Fehlertypen sein kann. Beispielsweise wird das spezifische Frequenzspektrum hierfür mit einem oder mehreren weiteren Referenzspektren verglichen, welche spezifisch für bestimmte Fehlertypen sind.Using the method, it is not only possible to detect that there is a deviation, i.e. that an error on the field device or on the network segment is likely. It can also be concluded about the type of error present. For this purpose, the type of deviation is considered, i.e. in which frequency components there is a deviation and in what size, which can be specific for certain types of errors. For example, the specific frequency spectrum is compared with one or more other reference spectra, which are specific for certain types of errors.
Die Abweichungen lassen beispielsweise auf folgende Fehlertypen schließen:
- - ob die Elektronik des Feldgeräts in einem kritischen Alterungsstadium ist;
- - ob Manipulationen an der Physik des Anlagen- oder Kommunikationsnetzwerksegments vorgenommen wurden;
- - ob Feldgeräte getauscht wurden oder ein Feldgerät physikalisch verändert wurde (bspw. Elektronikmodule getauscht wurden);
- - welches Datentelegramm von welchem Feldgerät geschickt wurde (DoS-Angriffe lassen sich so direkt zuordnen) - Voraussetzung hierfür ist, dass mehrere Feldgeräte vorhanden sind, welche Datentelegramme aussenden.
- - whether the electronics of the field device are in a critical stage of aging;
- - whether any manipulations have been made to the physics of the plant or communication network segment;
- - whether field devices were replaced or a field device was physically changed (e.g. electronic modules were replaced);
- - which data telegram was sent by which field device (DoS attacks can be assigned directly) - The prerequisite for this is that there are several field devices that send out data telegrams.
Feldgeräte, welche im Zusammenhang mit der Erfindung genannt werden, sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung aufgeführt worden.Field devices which are mentioned in connection with the invention have already been listed in the introductory part of the description.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass für den Schritt des Vergleichens des spezifischen Frequenzspektrums mit dem vorbestimmten Frequenzspektrum ein KI- oder Machine Learning-Algorithmus verwendet wird. Hierfür können im Stand der Technik geläufige Algorithmen verwendet werden, beispielsweise basierend auf neuronalen Netzwerken oder Deep Learning.One embodiment of the method provides that an AI or machine learning algorithm is used for the step of comparing the specific frequency spectrum with the predetermined frequency spectrum. Algorithms common in the state of the art can be used for this purpose, for example based on neural networks or deep learning.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Kl- oder Machine Learning-Algorithmus mit einer Vielzahl von Frequenzspektren des Feldgeräts eingelernt wird und daraus das vorbestimmte Frequenzspektrum erstellt. Hierfür werden mehrere Frequenzspektren desselben Feldgerätetyps verwendet, die einen guten, fehlerfreien Zustand des Feldgeräts zeigen. Der Grund dafür ist, dass jedes Feldgerät, auch von gleichem Gerätetyp aufgrund der Streuung in den Bauteilen eine eigene Charakteristik. Die Charakteristiken unterscheiden sich minimal in Innenwiderstand und Impedanz, was sich auf die Qualität eines ausgesendeten Datentelegramms auswirkt. Das Transformieren dieser Datentelegramme mittels einer Fourier-Analyse führt zu leicht abweichenden Frequenzspektren, welche für jedes einzelne Feldgerät einzigartig sind. Durch das Zuführen der verschiedenen Frequenzspektren zu dem Kl- oder Machine Learning-Algorithmus wird dieser möglichst breit eingelernt, so dass dieser Abweichungen zu einem guten, fehlerfreien Zustand möglichst gut erkennen kann.One embodiment of the method provides that the AI or machine learning algorithm is taught with a large number of frequency spectrums of the field device and creates the predetermined frequency spectrum from this. For this purpose, several frequency spectra of the same field device type are used, which show a good, error-free condition of the field device. The reason for this is that every field device, even of the same device type the scatter in the components has its own characteristic. The characteristics differ minimally in internal resistance and impedance, which affects the quality of a transmitted data telegram. Transforming these data telegrams using Fourier analysis leads to slightly different frequency spectra, which are unique for each individual field device. By supplying the different frequency spectrums to the AI or machine learning algorithm, it is taught as broadly as possible so that it can recognize deviations from a good, error-free state as well as possible.
In einer ersten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Benutzer nach dem Erstellen einer Notifikation eine Rückmeldung gibt, ob eine unerwünschte Abweichung aufgetreten ist. Es können beispielsweise neue, unbekannte Abweichungen detektiert werden, die eine Notifikation veranlassen, aber keinen tatsächlichen Fehlerfall des Feldgeräts und/oder des Netzwerks zeigen. Dadurch kann Kl- oder Machine Learning-Algorithmus weiter eingelernt und verbessert werden.In a first variant of the method it is provided that a user provides feedback after creating a notification as to whether an undesirable deviation has occurred. For example, new, unknown deviations can be detected that trigger a notification but do not indicate an actual error in the field device and/or the network. This allows the Kl or machine learning algorithm to be further trained and improved.
In einer zweiten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Kl- oder Machine Learning-Algorithmus bestimmt, ob eine unerwünschte Änderung aufgetreten ist und dies als Rückmeldung an sich selbst zurückführt. Der Kl- oder Machine Learning-Algorithmus lernt daduch selbstständig.In a second variant of the method, the AI or machine learning algorithm determines whether an undesirable change has occurred and feeds this back to itself as feedback. The AI or machine learning algorithm therefore learns independently.
Eine Ausgestaltung der ersten Variante oder der zweiten Variante des Verfahrens sieht vor, dass der der Kl- oder Machine Learning-Algorithmus das vorbestimmte Frequenzspektrum basierend auf der Rückmeldung anpasst. Durch das Anpassen des Referenzspektrums können falsch-negative Notifikationen reduziert werden.An embodiment of the first variant or the second variant of the method provides that the AI or machine learning algorithm adjusts the predetermined frequency spectrum based on the feedback. By adjusting the reference spectrum, false-negative notifications can be reduced.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Feldgerät selbst den Schritt des Erfassens der ausgesendeten Datentelegramme durchführt. Hierfür ist beispielsweise ein Modul vorgesehen, welches an dem Feldgerät angebracht, bzw. mit diesem verbunden ist. Dieses verfügt über entsprechende Schnittstellen zum Empfang der ausgesendeten Datentelegramme. Ein solches Modul kann eigene Ressourcen, bspw. ein eigenes Elektronikmodul oder eine eigene Speichereinheit aufweisen, oder Ressourcen des Feldgeräts mitbenutzen.One embodiment of the method provides that the field device itself carries out the step of capturing the transmitted data telegrams. For this purpose, for example, a module is provided which is attached to the field device or connected to it. This has corresponding interfaces for receiving the transmitted data telegrams. Such a module can have its own resources, e.g. its own electronic module or its own storage unit, or it can use resources of the field device.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass ein weiterer Teilnehmer des Kommunikationsnetzwerks, insbesondere ein weiteres Feldgerät oder ein Netzwerkgerät, den Schritt des Erfassens der ausgesendeten Datentelegramme durchführt. Ein solches Netzwerkgerät ist beispielsweise ein mit dem Kommunikationsnetzwerk verbundenes Gateway oder Edge Device.One embodiment of the method provides that another participant in the communication network, in particular another field device or a network device, carries out the step of detecting the transmitted data telegrams. Such a network device is, for example, a gateway or edge device connected to the communication network.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte des Durchführens der Fourier-Transformation und/oder des Vergleichens von einem weiteren Netzwerkteilnehmer, insbesondere ein lokaler PC, durchgeführt werden, wobei die erfassten Daten über das Kommunikationsnetzwerk an den weiteren Netzwerkteilnehmer übermittelt werden.In an advantageous embodiment of the method, it is provided that the steps of carrying out the Fourier transformation and/or the comparison are carried out by a further network participant, in particular a local PC, wherein the recorded data are transmitted to the further network participant via the communication network.
Die Schritte des Erfassens der ausgesendeten Datentelegramme und des Durchführens der Fourier-Transformation und/oder des Vergleichens können natürlich auch von einem einzigen Gerät ausgeführt werden, beispielsweise von dem Feldgerät selbst oder dem weiteren Netzwerkteilnehmer.The steps of capturing the transmitted data telegrams and performing the Fourier transformation and/or comparing them can of course also be carried out by a single device, for example by the field device itself or the other network participant.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schritte des Durchführens der Fourier-Transformation und/oder des Vergleichens von einer cloudbasierten Plattform durchgeführt werden, wobei die erfassten Daten über das Internet an die cloudbasierte Plattform übermittelt werden. Eine cloudbasierte Plattform (auch vereinfacht „Cloud“ genannt) ist ein Server, auf welchen per Internet Daten gesendet und von diesem empfangen werden können und auf welchem sich eine oder mehrere Applikationen befinden. Auf diese Applikationen, welche beispielsweise den Kl- oder Machine Learning-Algorithmus enthalten können, kann von einem Benutzer mittels Internet zugegriffen werden.In an alternative advantageous embodiment of the method it is provided that the steps of carrying out the Fourier transformation and/or the comparison are carried out by a cloud-based platform, with the recorded data being transmitted to the cloud-based platform via the Internet. A cloud-based platform (also simply called a “cloud”) is a server on which data can be sent and received via the Internet and on which one or more applications are located. These applications, which can contain, for example, the AI or machine learning algorithm, can be accessed by a user via the Internet.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Feldgerät physikalische Messgrößen eines verfahrenstechnischen Prozesses und/oder und Diagnosedaten als Datentelegramme aussendet. Dem Fachmann ist bekannt, dass ein Feldgerät eine Vielzahl unterschiedlicher Daten generieren kann, welche im Rahmen des Verfahrens als Inhalt von Datentelegrammen ausgesendet werden können.One embodiment of the method provides that the field device sends out physical measured variables of a process engineering process and/or diagnostic data as data telegrams. It is known to those skilled in the art that a field device can generate a large number of different data, which can be sent out as the content of data telegrams as part of the method.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass als Kommunikationsnetzwerk ein Feldbus der Automatisierungstechnik verwendet wird. Im Prinzip kann jedes gebräuchliche Protokoll eines drahtgebundenen Feldbusnetzwerks, insbesondere eines Feldbusnetzwerks der Automatisierungstechnik, wie beispielsweise Foundation Fieldbus®, Profibus®, Profinet®, HART®, Modbus®, etc. verwendet werden. Eine dazu alternative Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass als Kommunikationsnetzwerk ethernetbasiertes Netzwerk, beispielsweise Industrial Ethernet oder Profinet® verwendet wird.One embodiment of the method provides that an automation technology fieldbus is used as the communication network. In principle, any common protocol of a wired fieldbus network, in particular a fieldbus network for automation technology, such as Foundation Fieldbus ® , Profibus ® , Profinet ® , HART ® , Modbus ® , etc. can be used. An alternative embodiment of the method provides that an Ethernet-based network, for example Industrial Ethernet or Profinet®, is used as the communication network.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
-
1 : eine erste Netzwerkanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 : Beispiele für ausgesendete Datentelegramme im zeitlichen Raum und ein daraus Fourier-transformiertes Frequenzspektrum; und -
3 : eine zweite Netzwerkanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 : a first network arrangement for carrying out the method according to the invention; -
2 : Examples of transmitted data telegrams in temporal space and a Fourier-transformed frequency spectrum from them; and -
3 : a second network arrangement for carrying out the method according to the invention.
Bei dem Bediengerät BE handelt es sich beispielweise um einen PC oder Laptop mit einem entsprechenden Kommunikationsmodem oder um eine mobile Bedieneinheit. Das Bediengerät BE und das Feldgerät FG1 sind mittels zweiter Kommunikationsleitungen miteinander verbunden und bilden ein Kommunikationsnetzwerk, welches das Kommunikationsprotokoll HART verwendet. Mittels dieses Protokolls sendet das Bediengerät BE Anfragen an das Feldgerät FG1, das Feldgerät FG1 antwortet dem Bediengerät BE mittels Datentelegrammen DT. Das Feldgerät FG1 kann derart eingestellt sein, dass dieses der Bedieneinheit BE in regelmäßig Zeitabständen selbstständig Datentelegramme DT übermittelt, ohne dass die Bedieneinheit BE hierfür Anfragen aussenden muss. Die Datentelegramme DT enthalten vom Feldgerät erzeugte Daten, beispielsweise Prozessvariablen und/oder Statusdaten.The operating device BE is, for example, a PC or laptop with a corresponding communication modem or a mobile operating unit. The operating device BE and the field device FG1 are connected to one another using second communication lines and form a communication network that uses the HART communication protocol. Using this protocol, the operating device BE sends requests to the field device FG1, the field device FG1 responds to the operating device BE using data telegrams DT. The field device FG1 can be set in such a way that it independently transmits data telegrams DT to the operating unit BE at regular intervals without the operating unit BE having to send out requests for this. The data telegrams DT contain data generated by the field device, for example process variables and/or status data.
Der Zustand eines Feldgeräts FG1 kann sich über die Zeit verschlechtern. Beispielsweise können elektronische Komponenten schleichend Ausfälle entwickeln, bzw. ihre Charakteristiken ändern. Auch kann sich der Zustand des Kommunikationsnetzwerks KN selbst ändern, bspw. durch Beschädigungen der Leitungen oder durch Korrosionen an den Kontakten zwischen Feldgerät FG und den Leitungen. Solche Zustandsänderungen können nicht immer direkt mittels Statusanzeigen des Feldgeräts, bzw. aus den von dem Feldgerät erzeugten Daten erkannt werden.The condition of a field device FG1 can deteriorate over time. For example, electronic components can gradually develop failures or change their characteristics. The condition of the communication network KN itself can also change, for example due to damage to the cables or corrosion on the contacts between the field device FG and the cables. Such changes in condition cannot always be recognized directly using the status displays of the field device or from the data generated by the field device.
Aus diesem Grund ist ein weiterer Teilnehmer TN des Kommunikationsnetzwerks KN, beispielsweise in Gestalt eines passiven Geräts (bspw. ein Switch mit Zusatzelektronik), vorgesehen, welcher physikalisch zwischen Feldgerät FG1 und Bedieneinheit BE angeordnet ist. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Bedieneinheit BE oder das Feldgerät FG1 selbst die nachfolgend beschriebenen Funktionalitäten des weiteren Teilnehmers TN des Kommunikationsnetzwerk KN durchführt.For this reason, a further participant TN of the communication network KN is provided, for example in the form of a passive device (e.g. a switch with additional electronics), which is physically arranged between the field device FG1 and the operating unit BE. Alternatively, it can be provided that the operating unit BE or the field device FG1 itself carries out the functionalities of the further participant TN of the communication network KN described below.
Der weitere Teilnehmer TN erfasst für ein vorbestimmtes Zeitintervall die Datentelegramme DT des Feldgeräts FG1.The further participant TN records the data telegrams DT of the field device FG1 for a predetermined time interval.
In
Der weitere Teilnehmer TN führt anschließend eine Fourier-Transformation der in dem vorbestimmten Zeitintervall erfassten Datentelegramme durch. Hier führt er einen Fast-Fourier-Transformation(FFT)-Algorithmus oder einen ähnlich gut geeigneten Algorithmus durch. Dadurch werden die aufgezeichneten Datentelegramme DT vom zeitlichen Raum in den Frequenzraum überführt.
Das spezifische Frequenzspektrum FS ist eindeutig für das Feldgerät FG1 und wird dadurch auch als „Fingerprint“ bezeichnet. Führt man eine solche Fourier-Transformation an einem digitalen Signal eines elektrischen Gerätes mit einer Abtastrate durch, die deutlich höher als die Kommunikationsfrequenz selbst ist, so kann man Signifikanzen im Frequenzspektrum erkennen, die einzigartig für die Elektronik sind. Jede Elektronik hat sozusagen ihren eigenen Fingerprint.The specific frequency spectrum FS is unique to the field device FG1 and is therefore also referred to as a "fingerprint". If you carry out such a Fourier transformation on a digital signal from an electrical device with a sampling rate that is significantly higher than the communication frequency itself, you can identify significances in the frequency spectrum that are unique to the electronics. Every electronic device has its own fingerprint, so to speak.
Das spezifische Frequenzspektrum FS wird anschließend an eine cloudbasierte Plattform übermittelt. Auf dieser wird eine Applikation ausgeführt, die einen Kl- oder Machine Learning-Algorithmus ausführt. Dieser Kl- oder Machine Learning-Algorithmus vergleicht das spezifische Frequenzspektrum mit einem vorbestimmten Frequenzspektrum auf Abweichungen.The specific frequency spectrum FS is then transmitted to a cloud-based platform. An application is run on this platform that executes a Kl or machine learning algorithm. This Kl or machine learning algorithm compares the specific frequency spectrum with a predetermined frequency spectrum for deviations.
Dabei muss berücksichtigt werden, dass ein Fingerabdruck nicht nur vom Feldgerät FG1 selbst, sondern auch von der Gesamtimpedanz des Kommunikationsnetzwerks KN abhängt. Auch ist es möglich, dass sich der Fingerabdruck in Abhängigkeit geräteinterner Vorgänge verändern kann. Beispielsweise könnte eine Sensorik des Feldgeräts FG1 in der Grenzlast Auswirkungen auf den Fingerabdruck haben. Der Fingerabdruck weist deshalb eine gewisse Dynamik auf, die erst erlernt werden muss. Kl- oder Machine Learning-Algorithmus ist daher mit einer Vielzahl von Frequenzspektren vorab auf diese Dynamik eingelernt, bzw. wird während des Betriebs stets weiter eingelernt (bspw. mittels Rückmeldungen des Benutzers) und kann daher nach einiger Zeit sehr präzise Aussagen treffen, ob eine Änderung tatsächlich stattgefunden hat, oder nicht.It must be taken into account that a fingerprint depends not only on the field device FG1 itself, but also on the overall impedance of the communication network KN. It is also possible that the fingerprint can change depending on internal device processes. For example, a sensor system of the field device FG1 could be in the limit load has an impact on the fingerprint. The fingerprint therefore has a certain dynamic that must first be learned. Kl or machine learning algorithm is therefore trained in advance for this dynamic using a large number of frequency spectrums, or is continually trained during operation (e.g. using feedback from the user) and can therefore make very precise statements after a while as to whether a Change actually took place or not.
Im vorliegenden Fall detektiert die KI-Abweichungen im oberen Frequenzbereich des spezifischen Frequenzspektrums. Das Frequenzspektrum FS zeigt typische Spikes im Bereich von 1200 Hz und 2200 Hz, welche die aufmodulierten „1“- und „0“-Signale des HART-Telegramms zeigen. Der Frequenzanteil unterhalb von 1200 Hz zeigt die langsamere Änderung der 4-20 mA-Prozessvariable. Der Frequenzanteil oberhalb von 2200 Hz zeigt allerdings, verglichen mit dem Referenzspektrum, einen untypischen Verlauf. Der Kl- oder Machine Learning-Algorithmus detektiert diesen als Abweichung und detektiert (durch einen Vergleich mit weiteren Referenzspektren, die typische Fehlerbilder zeigen) eine schleichende, altersbedingte Veränderung der Elektronik des Feldgeräts FG1. Dies wird dem Benutzer mittels einer Notifikation mitgeteilt.In the present case, the AI detects deviations in the upper frequency range of the specific frequency spectrum. The frequency spectrum FS shows typical spikes in the range of 1200 Hz and 2200 Hz, which show the modulated “1” and “0” signals of the HART telegram. The frequency component below 1200 Hz shows the slower change of the 4-20 mA process variable. However, the frequency component above 2200 Hz shows an atypical curve compared to the reference spectrum. The Kl or machine learning algorithm detects this as a deviation and detects (by comparing it with other reference spectra that show typical error patterns) a gradual, age-related change in the electronics of the field device FG1. This is communicated to the user via a notification.
Anstatt der cloudbasierten Plattform können auch das Bediengerät BG, der weitere Teilnehmer TN oder das Feldgerät FG den Schritt des Vergleichens durchführen. Voraussetzung hierfür ist, dass diese Instanzen über ausreichende Ressourcen zum Ausführen und Trainieren des Kl- oder Machine Learning-Algorithmus verfügen.Instead of the cloud-based platform, the operating device BG, the other participant TN or the field device FG can also carry out the comparing step. The prerequisite for this is that these instances have sufficient resources to run and train the KL or machine learning algorithm.
In
Der weitere Teilnehmer TN zeichnet hier Datentelegramme von einem oder mehreren der Feldgeräte FG1, FG2, FG3, FG4 auf und wandelt die in spezifischen Zeitintervallen aufgezeichneten Datentelegramme per Fourier-Transformation in spezifische Frequenzspektren um. Der auf der cloudbasierten Plattform CP implementierte Kl- oder Machine Learning-Algorithmus untersucht diese spezifischen Frequenzspektren auf Abweichungen. Nicht nur können (hardwarebedingte) Fehler der Feldgeräte detektiert werden - aufgrund der Einzigartigkeit der Frequenzspektren kann detektiert werden, ob ein Datentelegramm tatsächlich von dem im Telegramm enthaltenen Adressaten stammt, oder ob eine Manipulation durch einen Dritten vorliegt (bspw. durch einen Austausch von Feldgeräten FG1, FG2, FG3, FG4 oder Leitungen, oder aber auch mittels Einbringens von Datentelegrammen durch ein Fremdgerät). Auch die Datentelegramme der Steuereinheit SE können auf diese Art und Weise überprüft werden.The further participant TN records data telegrams from one or more of the field devices FG1, FG2, FG3, FG4 and converts the data telegrams recorded at specific time intervals into specific frequency spectra using Fourier transformation. The Kl or machine learning algorithm implemented on the cloud-based platform CP examines these specific frequency spectrums for deviations. Not only can (hardware-related) errors in the field devices be detected - due to the uniqueness of the frequency spectrums, it can be detected whether a data telegram actually comes from the addressee contained in the telegram or whether there has been manipulation by a third party (e.g. through an exchange of field devices FG1 , FG2, FG3, FG4 or lines, or by introducing data telegrams from a third-party device). The data telegrams from the SE control unit can also be checked in this way.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- BEBE
- BedieneinheitControl unit
- CPC.P
- cloudbasierte Plattformcloud-based platform
- DTDT
- DatentelegrammeData telegrams
- FG1, FG2, FG3, FG4FG1, FG2, FG3, FG4
- FeldgeräteField devices
- FSFS
- FrequenzspektrumFrequency spectrum
- KIAI
- Kl- oder Machine Learning-AlgorithmusKl or Machine Learning Algorithm
- KNCN
- KommunikationsnetzwerkCommunication network
- PC1, PC2PC1, PC2
- Workstation-PCsWorkstation PCs
- SESE
- SteuereinheitControl unit
- TNTN
- weiterer Teilnehmer des Kommunikationsnetzwerksother participants in the communication network
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022125355.4A DE102022125355A1 (en) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | Procedure for testing an automation field device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022125355.4A DE102022125355A1 (en) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | Procedure for testing an automation field device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102022125355A1 true DE102022125355A1 (en) | 2024-04-04 |
Family
ID=90246602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102022125355.4A Pending DE102022125355A1 (en) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | Procedure for testing an automation field device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102022125355A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2022
- 2022-09-30 DE DE102022125355.4A patent/DE102022125355A1/en active Pending
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