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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines nach dem Blockmodell
arbeitenden modularen Feldgerätes
der Automatisierungstechnik gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
der Automatisierungstechnik insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik
werden vielfach Feldgeräte
eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen
dienen. Beispiele für
derartige Feldgeräte
sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck-
und Temperaturmessgeräte
etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand,
Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen.
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Zur
Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, z. B. Ventile
oder Pumpen, über
die der Durchfluss einer Flüssigkeit
in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter verändert werden
kann.
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Eine
Vielzahl solcher Feldgeräte
wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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In
der Regel sind Feldgeräte
in modernen automatisierungstechnischen Anlagen über Kommunikationsnetzwerke
(Profibus, Foundation Fieldbus etc.) mit übergeordneten Einheiten (z.
B. Leitsysteme, Steuereinheiten) verbunden. Diese übergeordneten
Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung
sowie zur Inbetriebnahme bzw. zum Bedienen der Feldgeräte.
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Als
Feldgeräte
werden allgemein auch solche Einheiten bezeichnet, die direkt an
einen Feldbus angeschlossen sind und zur Kommunikation mit den übergeordneten
Einheiten dienen (z. B. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices,
Controller).
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Zum
Teil sind Feldbussysteme auch in Unternehmensnetzwerke, die auf
Ethernet-Basis arbeiten, integriert.
Damit kann aus unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens auf
Prozess- bzw. Feldgeräteinformationen
zugegriffen werden.
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Zur
weltweiten Kommunikation können
Firmennetzwerke auch mit öffentlichen
Netzwerken, z. B. dem Internet verbunden sein.
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Zum
Bedienen und zur Inbetriebnahme der Feldgeräte sind entsprechende Bedienprogramme notwendig
(z. B. FieldCare, Endress + Hauser; Pactware; AMS, Emerson; Simatic
PDM, Siemens).
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Zur
Anlagensteuerung und -überwachung von
größeren Anlagen
dienen Leitsystem-Anwendungen
(z. B. Simatic PCS7, Siemens; Freelance, ABB; Delta V, Emerson).
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Ein
wesentlicher Aspekt bei offenen Feldbussystemen wie z. B. Profibus
und Foundation Fieldbus ist die Interoperabilität und die Austauschbarkeit
von Geräten
unterschiedlicher Hersteller. So können Sensoren, Aktoren etc.
verschiedener Hersteller problemlos zusammen eingesetzt werden.
Auch ist es möglich
einen Sensor eines bestimmten Herstellers durch einen entsprechenden
Sensor eines anderen Herstellers auszutauschen.
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Dies
erfordert eine klare Strukturierung von Daten und Funktionen in
den einzelnen Feldgeräten, um
einen einheitlichen systemweiten Datenzugriff zu ermöglichen.
Erreicht wird dieser einfache Datenzugriff durch standardisierte
Feldbussystem wie Profibus bzw. Foundation Fieldbus, die nach dem
Blockmodell arbeiten. Daten und Funktionen eines Feldgerätes werden
dabei in unterschiedlichen Blöcken
gekapselt, die nach außen
als Kommunikationsobjekte in Erscheinung treten. Jedes Feldgerät, das nach dem
Blockmodell arbeitet, weist zumindest einen Geräteblock (Resource Block) auf,
der alle Daten, die ein Gerät
identifizieren z. B. Geräte-
und Herstellernamen, Seriennummer, Hardware- und Firmwareversionen,
beinhaltet.
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Neben
dem Geräteblock
ist meist noch ein Übertragungsblock
(transducer block) vorhanden. Ein solcher Übertragungsblock dient zur
Aufbereitung von Eingangssignalen z. B. eines von einem Messaufnehmer
gelieferten Rohsignals, bevor es an andere Blöcke zur weiteren Verarbeitung
weitergeleitet wird.
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Im Übertragungsblock
erfolgt meist die Kalibrierung und die Linearisierung des Rohsignals,
so dass nach dieser Verarbeitung als Ausgangssignal dieses Blocks
der eigentliche Messwert zur Verfügung steht.
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Die
Funktionalität
des Übertragungsblocks genau
auf den Messaufnehmer, der das Rohsignal liefert, abgestimmt.
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Weiter
anwendungsorientierte Funktionsblöcke sind z. B. PID- , AI-(Anolog
Input), AO-(Analog Output) Blöcke,
die bestimmte Funktionen der jeweiligen Geräte kapseln und die für eine komplexe
Kontrollstrategie zusammengeschaltet werden können.
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Bei
modular aufgebauten Feldgeräten,
bei denen z. B. ein Messumformer mit unterschiedlichen Messaufnehmern
verbunden wird, besteht das Problem seitens des Geräteherstellers,
dass nicht schon bei der Fertigung des Gerätes der Übertragungsblock im Gerät abgespeichert
werden kann, da noch nicht bekannt ist, mit welchem Messaufnehmertyp, der
Anwender den Messumformer tatsächlich
einsetzen will.
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Aus
diesem Grund wird der Übertragungsblock
erst im betreffenden Feldgerät
abgespeichert, wenn Klarheit darüber
besteht, welchen Messaufnehmertyp der Anwender einsetzen wird. In
der Regel ist dies erst nach der Bestellung des Feldgerätes möglich. Dies
bedeutet bei modularen Feldgeräten einen
erheblichen Aufwand beim Herstellungsprozess und in der Lagerhaltung.
Dabei ist nicht auszuschließen,
dass ein nicht passender Übertragungsblock
in einem Geldgerät
abgespeichert wird.
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Beim
Anwender besteht ein weiteres Problem, dass der Austausch eines
vorhandenen Messaufnehmers gegen einen anderen Typen von Messaufnehmer
nicht ohne weiteres möglich.
Er muss hierfür
den Übertragungsblock
im Messumformer austauschen, wenn der neu eingesetzte Messaufnehmer
nicht zum vorhandenen Übertragungsblock im
Messumformer passt. Dies bedeutet eine Unterbrechung der Prozessanwendung
und damit ein unerwünschter
Anlagenstillstand. Außerdem
ist den Austausch ein Service-Techniker notwendig.
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Insgesamt
sind modular aufgebaute Feldgeräte
auch vom Anwender in gewissen Situationen nicht einfach zu handhaben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Verfahren zum Betreiben
eines nach dem Blockmodell arbeitenden modularen Feldgerätes der
Automatisierungstechnik anzugeben, das die oben genannten Nachteile
nicht aufweist, das insbesondere eine einfache Anpassung eines Messumformers
an den eingesetzten Messumformertyp ermöglicht und das einfach und
kostengünstig
durchführbar ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch folgende im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Verfahren zum Betreiben eines nach dem Blockmodell arbeitenden modularen
Feldgerätes
der Automatisierungstechnik, das einen Messumformer aufweist, der
mit unterschiedlichen Messaufnehmer verbindbar ist und der zur messaufnehmerspezifischen
Signalauswertung einen Übertragungsblock
benötigt,
mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Verbinden
eines Messaufnehmers MA1 mit dem Messumformer MU
- b) Auslesen im Messaufnehmer MA1 gespeicherten Kennung KN1
- c) Aktivierung eines auf den eingesetzten Messaufnehmer MA1
angepassten Übertragungsblock im
Messumformer MU
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass der Übertragungsblock
sich automatisch an den eingesetzten Messumformertypen anpasst.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So
können
im Messumformer mehrere Übertragungsblöcke für unterschiedliche
Messaufnehmer gespeichert sein.
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Alternativ
ist im Messumformer ein generischer Übertragungsblock gespeichert
ist, der an unterschiedliche Messaufnehmer angepasst werden kann.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Feldbussystem
in schematischer Darstellung;
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2 Blockdiagramm
eines Feldgerätes
in schematischer Darstellung
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In 1 ist
ein Netzwerk der Automatisierungstechnik näher dargestellt. An einen Datenbus D1
sind mehrere Rechnereinheiten, (Arbeitsplatzrechner, Workstations)
WS1, WS2, angeschlossen. Diese Rechnereinheiten dienen als übergeordnete Einheiten
(Leitsystem bzw. Steuereinheit) unter anderem zur Prozessvisualisierung,
Prozessüberwachung
und zum Engineering wie zum Bedienen und Überwachen von Feldgeräten. Der
Datenbus D1 arbeitet z. B. nach dem HSE (High Speed Ethernet)-Standard der Foundation
Fieldbus. Über
ein Gateway G1, das auch ein Linking Device oder ein Controller
sein kann, ist der Datenbus D1 mit einem Feldbus-Segment SM1 verbunden. Das Feldbus-Segment
SM1 besteht aus mehreren Feldgeräten
F1, F2, F3, F4, die über
einen Feldbus FB miteinander verbunden sind. Bei den Feldgeräten F1,
F2, F3, F4 kann es sich sowohl um Sensoren oder um Aktoren handeln.
Der Feldbus FB arbeitet z. B. nach dem Feldbusstandard Foundation
Fieldbus.
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In 2 ist
eines der Feldgeräte,
z. B. das Feldgerät
F1, als Blockdiagramm näher
dargestellt. Es besteht aus einem physikalischen Messaufnehmer MA1
zur Erfassung einer Prozessvariablen (z. B. ein pH-Sensor, Leitfähigkeitsensor)
und einem Messumformer MU in dem das vom Messaufnehmer kommende
Messsignal aufbereitet und anderen Kommunikationsteilnehmern, z.
B. den Feldgeräten F2-F4 über den
Feldbus FB zur Verfügung
gestellt wird.
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Der
Messumformer MU weist als Softwarekomponenten einen Geräteblock
(Resource Block R) auf, der den Geräte- und Herstellernamen, die
Seriennummer sowie die Hardware- und Firmwareversionen des Messumformers
MU enthält.
Die Daten des Geräteblocks
können
einfach über
den Feldbus FB abgefragt werden.
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Als
weitere Softwarekomponente ist ein Übertragungsblock (Transducer
Block T1) vorgesehen.
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Der Übertragungsblock
T1 dient zur Aufbereitung des vom Messaufnehmer MA1 gelieferten Rohsignals.
Im Übertragungsblock
T1 erfolgt z. B. eine Kalibrierung und eine Linearisierung des vom Messaufnehmer
MA1 gelieferten Rohsignals. Nach der Verarbeitung des Rohsignals
steht der eigentliche Messwert MW für weitere Zwecke zur Verfügung. Dieser
Messwert MW kann an andere Funktionsblöcke weitergeleitet werden.
Im einfachsten Fall wird der Messwert MW nur an einen Funktionsblock
F1 im Messumformer MU weitergeleitet. Dieser Funktionsblock F1 ist
dann ein AI-Funktionsblock
(analog input), der den Messwert MW anderen Kommunikationspartnern über den
Feldbus FB zur Verfügung stellt.
Neben einem AI-Block können
noch weitere Funktionsblöcke
im Messumformer MU eingesetzt werden, beispielhaft sei hier ein
PID-Block erwähnt. Mit
Funktionsblöcken
können
einfache aber auch sehr komplexe Kontrollstrategien aufgebaut werden.
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Zur
Erstellung von Kontrollstrategien werden entsprechende Werkzeug
z. B. ControlCare der Fa. Endress + Hauser eingesetzt. Die fertige
Kontrollstrategie wird bei der Inbetriebnahme des Feldbussystems
per Download in die einzelnen Feldgeräte übertragen.
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Den
zeitlichen Ablauf der Kommunikation zwischen den Funktionsblöcken steuert
bei Foundation Fielbus ein so genannter Link-Active-Scheduler LAS.
Er kontrolliert die Busaktivitäten
mit Hilfe verschiedener Kommandos, welche an die einzelnen Busteilnehmer
(Feldgeräte)
gesendet werden. Geräte
die die Funktion des LAS ausführen,
bezeichnet man als Link-Master. Da der LAS fortlaufend auch unbelegte
Geräteadressen
abfrägt,
ist es möglich
im laufenden Betrieb Feldgeräte
an den Feldbus anzuklemmen und die in den laufenden Betrieb zu integrieren.
In vorliegenden Fall ist der LAS im Gateway G1 vorgesehen.
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Prinzipiell
unterscheidet man bei Foundation Fieldbus zwischen der zyklischen
und der azyklischen Kommunikation. Zeitkritische Aufgaben wie z. B.
die Regelung der Prozessgrößen über die
Regelkreise werden ausschließlich über die
zyklische Kommunikation abgewickelt. Die Parametrierung und Diagnose
von Feldgeräten erfolgt über die
azyklische Kommunikation. Um alle Kommunikationsaufgaben zum richtigen
Zeitpunkt und ohne Zugriffskonflikte durchführen zu können, wird die zyklische Kommunikation
nach einem festen Bearbeitungszeitplan, der sich zyklisch wiederholt,
durchgeführt.
Einen Zyklus des Bearbeitungszeitplans nennt man auch Makrozyklus.
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Die
Kommunikation der Kommunikationsteilnehmer bei Foundation Fieldbus
erfolgt nach dem Publisher-Subscriber-Prinzip.
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Wie
bereits erwähnt,
liegt für
jedes Gerät (Busteilnehmer)
der Zeitpunkt fest, an dem das Gerät zum Senden seiner zyklischen
Daten vom LAS aufgefordert wird. Das angesprochene Gerät (der Publisher)
veröffentlicht
daraufhin seine Daten z. B. einen Messwert über den Feldbus. Diese Daten
werden dann von allen Geräten,
die als Subscriber für
diese Daten konfiguriert worden sind, gelesen.
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In 3 ist
das Publisher-Subscriber-Prinzip anhand der beiden Feldgeräten F1,
F2 mit vereinfacht ganz allgemein dargestellten Funktionsblöcken FB1
und FB2 schematisch dargestellt. Das Feldgerät F1 ist der Publisher für einen
Messwert MW, das Feldgerät
F2 ist der Subscriber für
diesen Messwert MW. Die Kommunikation zwischen den entsprechenden
Funktionsblöcken
FB1 (z. B. DI-Block) und FB2 (z. B. PID-Block) erfolgt über eine
entsprechende Kommunikationsbeziehung.
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In 4 Ist
der hardwaremäßige Aufbau
des Feldgerätes
F1 näher
dargestellt. Ein Mikroprozessor μP
im Messumformer ist über
eine RS485-Schnittstelle mit dem Messaufnehmer MA1 verbunden. Der Messaufnehmer
MA1 weist einen Sensor S einen Verstärker V und einen relativ einfach
aufgebauten Mikrocontroller μC
auf. Der Mikroprozessor μP
im Messumformer ist mit mehreren Speichereinheiten verbunden. Ein
Speicher VM dient als temporärer (flüchtiger)
Arbeitspeicher RAM. Als Speicher für das im Mikroprozessor μP auszuführende Softwareprogramm
SP dient ein EPROM-Speicher oder Flash-Speicher FLASH. In einem
nichtflüchtigen beschreibbaren
Datenspeicher NVM z. B. einem EEPROM-Speicher sind Parameterwerte
(z. B. Kalibrierdaten etc.) abgespeichert.
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Das
im Mikroprozessor μP
ablaufende Softwareprogramm SP definiert die anwendungsbezogenen
Funktionalitäten
des Feldgerätes
(z. B.
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Messwertberechnung,
Linearisierung der Messwerte, Diagnoseaufgaben etc.). Insbesondere werden
hier auch die verschiedenen Funktionsblöcke verwaltet.
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Weiterhin
ist der Mikroprozessor μP
mit einer Anzeige Bedieneinheit A/B (z. B. LCD-Anzeige mit mehreren Drucktasten) verbunden.
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Zur
Kommunikation mit einer Steuereinheit ist der Mikroprozessor μP über einen
Kommunikations-Einheit COM mit einer Feldbusschnittstelle FBS verbunden.
Eine Versorgungseinheit NT liefert die notwendige Energie für die einzelnen
Elektronikkomponenten des Feldgerätes F1. Die Energieversorgungsleitungen
zu den einzelnen Komponenten im Feldgerät sind der Übersichtlichkeit halber nicht
eingezeichnet.
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Nachfolgend
ist das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert. Wird
der Messaufnehmer MA1 mit dem Messumformer MU erstmalig verbunden,
so wird eine im Messaufnehmer MA1 gespeicherte Kennung KN1 aus dem
Messaufnehmer MA1 ausgelesen. Anhand dieser Kennung kann der Messaufnehmer
MA1 vom Messumformer MU identifiziert werden.
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Sind
im Messumformer verschiedene Übertragungsblöcke T1,
T2, T3 für
unterschiedliche Messaufnehmer MA1, MA2, MA3 mit entsprechenden Kennungen
KN1, KN2, KN3 gespeichert, so kann anhand der Kennung KN1 der zum
Messaufnehmer MA1 passende Übertragungsblock
TA1 aktiviert werden.
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Alternativ
ist ein generischer Übertragungsblock
T im Messumformer MU vorgesehen sein, der an unterschiedliche Messaufnehmertypen
MA1, MA2 oder MA3 anpassbar ist.
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Mit
Hilfe der Kennung KN1 kann auch der generische Übertragungsblock T entsprechend
angepasst werden.
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In
beiden Fällen
ist unmittelbar nach der Verbindung des Messaufnehmers MA1 mit dem
Messumformer MU1 der zum Messaufnehmer MA1 passende Übertragungsblock
aktiviert.
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Hierdurch
ergibt sich für
Gerätehersteller und
Anwender der Vorteil, dass Messumformer für unterschiedliche Messaufnehmertypen
erheblich einfacherer zu handhaben sind.
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Beim
Hersteller können
der generische Übertragungsblock
bzw. die verschiedenen Übertragungsblöcke bereits
bei der Fertigung ins Feldgerät übertragen
werden. Dies vereinfacht die Produktion, die Lagerhaltung und den
Bestellvorgang.
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Zusätzlich kann
der Anwender den Messaufnehmertyp problemlos und sicher wechseln.
Es steht immer automatisch der passende Übertragungsblock zur Verfügung.