DE102007048813B4

DE102007048813B4 - Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen

Info

Publication number: DE102007048813B4
Application number: DE102007048813.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Thoren; Jörg Reinkensmeier; Dr. Kaiser Ulrich
Original assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Current assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: WO2008125527A1; DE102007048813A1

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen mit folgenden Verfahrensschritten:a) Erfassen eines Messsignals mit Hilfe eines Feldgerätes (F1),b) Ermitteln eines Messwertes aus dem Messsignal mit Hilfe des Feldgerätes (F1),c) Ermitteln einer ersten Statusinformation (ST1), die von internen Bedingungen des Feldgeräts (F1) abhängt und die ein Maß für Güte des Messsignals istd) Übergabe des Messwertes mit der ersten Statusinformation (ST1) in einem Datenpaket vom Feldgerät (F1) an ein Netzwerk (TN, FN) der Prozessautomatisierungstechnik,e) Ermittlung einer zweiten Statusinformation, die ein Maß für die Qualität der Datenübertragung des Datenpakets in dem Netzwerk (TN, FN) ist und die Übertragungszeit des Datenpakets zwischen zwei Netzwerkkomponenten repräsentiert, wobei im Falle, dass keine Verzögerungen der Datenübertragung der Datenpakete erfolgen, die zweite Statusinformation (ST2) auf unverzögert gesetzt wird, und im Falle, dass Verzögerungen der Datenübertragung der Datenpakete erfolgen, die zweite Statusinformation (ST2) auf verzögert gesetzt wird,f) Ergänzung des Datenpakets mit der zweiten Statusinformation (ST2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte in Prozessautomatisierungsanwendungen eingesetzt, um Prozessvariablen zu erfassen bzw. zu beeinflussen. Verschiedene solcher Feldgeräte werden von der Firmengruppe Endress+Hauser hergestellt und vertrieben. In der Regel werden die Messwerte über kabelgebundene Feldbussysteme an Steuereinheiten übertragen, die zur Prozesssteuerung dienen und aufgrund aktueller Messwerte entsprechende Steuersignale für Aktoren generieren. Die Übertragung der Messwerte von den Feldgeräten zu den Steuereinheiten erfolgt mittels Telegramm in Datenpaketen, die entsprechend dem Feldbussystem spezifiziert sind. In der Regel wird immer mit dem Messwert auch eine Statusinformation an die Steuereinheiten übertragen. Aufgrund der Statusinformation kann eine Steuereinheit die Qualität des Messwerts erkennen. Bei Feldbussystemen stehen in der Regel drei unterschiedliche Kategorien von Statusinformationen zur Verfügung; gut („good“), unsicher („uncertain“) oder schlecht („bad“): Arbeitet das Feldgerät in seinem spezifizierten Bereich und ist das Messsignal sicher auszuwerten, so wird die Statusinformation „good“ vergeben. Arbeitet das Feldgerät außerhalb der spezifizierten Bereiche oder kann das Messsignal nur schwer ausgewertet werden, so wird die Statusinformation „uncertain“ vergeben. Sind die Bedingungen für die Auswertung des Messsignals schlecht und kann ein Messwert nur mit großer Schwierigkeit ermittelt werden, so wird die Statusinformation „bad“ vergeben.
Bisher eingesetzte kabelgebundene Feldbussysteme erlauben eine sichere Prozesssteuerung auf der Basis der mit den Messwerten übertragenen Statusinformationen.
Kabelgebundene Feldbussysteme können auch als deterministische Netzwerke bezeichnet werden, weil bei der Datenübertragung zwischen Feldgeräten, Steuereinheiten und Aktoren über das Feldbuskabel und die verwendeten Protokolle eine definierte Laufzeit des Signals garantiert wird.
Seit kurzem sind auch nicht deterministische Funknetzwerke zur Datenübertragung bei Prozessautomatisierungsanwendungen bekannt. Ein Beispiel hierfür ist der momentan in der Diskussion befindliche Standard für eine drahtlose HART-Kommunikation (Wireless HART). Als Beispiel für kabelgebundene, aber nicht deterministische Netzwerke sind TCP/IP-basierte Netzwerke zu nennen, wie LAN, Internet, etc. Auch hier kann es zu Verzögerungen bei der Datenübertragung kommen. Verarbeitet eine Steuereinheit einen Messwert, der zwar die Statusinformation „good“ aufweist, aber erst mit relevanter Verzögerung die Steuereinheit erreicht hat, so kann eine sichere Prozesssteuerung unter Umständen nicht mehr gewährleistet werden, da Steuersignale zu spät generiert werden. Die Statusinformation des Messwertes ist für eine sichere Prozesssteuerung nicht mehr zuverlässig genug.
Aus der US 6,505,247 B1 sind ein System und ein Verfahren zum Verbessern des Netzwerksverkehrs in einem industriellen Automatisierungssystem bekannt. Hierbei werden kontinuierlich Datenelemente von Feldgeräten auf einem Server gesammelt und von diesem mit Zeitstempeln und Qualitätswerten versehen. Ein Server sortiert diese Datenelemente nach ihren Zeitstempeln oder ihren Qualitätswerten und sendet nur jene Datenelemente eines Gerätes weiter, bei welchen sich die Zeitstempel oder die Qualitätswerte geändert haben. Dadurch wird der Datenverkehr auf dem Netzwerk zwischen dem Server und Clients reduziert.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und das insbesondere eine sichere Prozesssteuerung ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die bisher mit Messwerten übertragene Statusinformation durch eine weitere zusätzliche Statusinformation zu ergänzen, die ein Maß für die Qualität der Datenübertragung zwischen Feldgeräten und Steuereinheiten ist. Tritt eine Verzögerung bei der Übertragung eines Datenpakets auf, so wird die zweite Statusinformation entsprechend klassifiziert. Aufgrund der mit dem Messwert übertragenen zwei Statusinformationen ist nunmehr eine sichere Prozesssteuerung möglich.
Erfindungsgemäß repräsentiert die zweite Statusinformation die Übertragungszeit des Datenpakets zwischen zwei Netzwerkkomponenten, wobei im Falle, dass keine Verzögerungen der Datenübertragung der Datenpakete erfolgen, die zweite Statusinformation auf unverzögert gesetzt wird, und im Falle, dass Verzögerungen der Datenübertragung der Datenpakete erfolgen, die zweite Statusinformation (ST2) auf verzögert gesetzt wird.
Es sind zwei alternative Möglichkeiten der Ergänzung der Statusinformation denkbar. So kann die zweite Statusinformation separat in das Datenpaket aufgenommen werden, oder die erste und die zweite Statusinformation können zu einer einzigen Gesamt-Statusinformation kombiniert werden. Ein als „good“ klassifizierter Messwert kann bei der zweiten Alternative aufgrund von Verzögerungen in „uncertain“ umklassifiziert werden.
Wesentlich für die Qualität der Datenübertragung in einem nicht deterministischen Netzwerk ist die Übertragungszeit des Datenpakets. Je mehr Verzögerungen bei der Datenübertragung auftreten, desto schlechter ist die Qualität der Datenübertragung. Häufig ist zwischen einem deterministischen Netzwerk (Feldbus) und einem nicht deterministischen Netzwerk eine Gateway-Komponente vorgesehen, in der eine entsprechende Anpassungen der Physik der Datenübertragung (physical layer), sowie auch der Protokollanpassung vorgenommen werden. In vorteilhafter Weise wird die Qualität der Datenübertragung in dieser Gateway-Komponente bestimmt.
Bei nicht deterministischen Netzwerken kann es sich zum Beispiel um ein Funknetzwerk, aber auch um ein kabelgebundes Netzwerk mit entsprechendem Zeitverhalten handeln.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 herkömmliche Feldbusanwendung in schematischer Darstellung,
2 Feldbusanwendung mit einem Funknetzwerk,
3 Feldbusanwendung mit einem kabelgebundenenen, aber nicht deterministischen Netzwerk, z.B. TCP/IP-basiert,
4 Feldgerät in schematischer Darstellung, und
5 Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist eine typische Feldbusanwendung mit einem kabelgebundenen deterministischen Netzwerk DN dargestellt. Vier Feldgeräte F1, F2, F3 und F4 kommunizieren über einen Feldbus FB mit einer Steuereinheit SE. Die Steuereinheit SE ist für die Prozesssteuerung zuständig. Mit der Steuereinheit SE ist außerdem eine Rechnereinheit RE verbunden, die z.B. zur Visualisierung der Automatisierungsanwendung dient. Die Steuereinheit SE ermittelt aufgrund der aktuellen Messwerte entsprechende Steuersignale für die als Aktoren arbeitenden Feldgeräte. Aufgrund der kabelgebundenen Datenübertragung und Verwendung geeigneter Protokolle zwischen den Feldgeräten und der Steuereinheit SE treten hier keine undefinierten Verzögerungen auf. Bei dem Feldbus FB kann es sich zum Beispiel um einen Profibus PA handeln.
In 2 ist eine Prozessautomatisierungsanwendung mit einem Funknetzwerk FN als nicht deterministisches Netzwerk NDN1 dargestellt. Das Funknetzwerk FN umfasst mehrere Feldgeräte F1 bis F4 sowie eine Gateway-Komponente G1. Die Gateway-Komponente G1 ist über einen herkömmlichen Feldbus FB mit einer Steuereinheit SE verbunden. Die Steuereinheit SE entspricht der Steuereinheit SE aus 1 und bildet mit dem Feldbus FB und der Gateway Komponente G1 ein deterministisches Netzwerk DN.
Bei dem Funknetzwerk FN kann es sich um ein Netzwerk in MESH-Technologie handeln. Dabei sind die Datenübertragungswege zwischen den Feldgeräten und der Gateway-Komponente G1 nicht fest vorgegeben. Das Feldgerät F1 kann zum Beispiel direkt mit der Gateway-Komponente G1 kommunizieren oder aber im Extremfall über das Feldgerät F2, F3 und F4. Je nach dem ob bei der Datenübertragung „Umwege“ in Kauf genommen werden müssen, kann sich die Datenübertragung entsprechend verzögern.
In 3 ist eine Prozessautomatisierungsanwendung mit einem TCP/IP-basierten Netzwerk TN als nicht deterministisches Netzwerk NDN2 dargestellt. Auch hier sind vier Feldgeräte F1 bis F4 mit einer Gatewaykomponente G2 über das Netzwerk TN verbunden. In 3 ist die Gateway-Komponente G2 ebenfalls mit der Steuereinheit SE über den Feldbus FB verbunden. Zusammen bilden sie das deterministische Netzwerk DN. Bei dem TCP/IP-basierten Netzwerk TN handelt es sich um ein nicht deterministisches Netzwerk, weil bei der Datenübertragung Kollisionen auftreten können bzw. Umwege notwendig werden, oder Mehrfachversuche (Retries) notwendig werden.
In 4 ist ein Feldgerät, zum Beispiel das Feldgerät F1, schematisch dargestellt. Es weist einen Messaufnehmer MA auf, der zur Erfassung einer Prozessvariablen dient. Das vom Messaufnehmer MA gelieferte analoge Messsignal wird in einem Analog-Digital-Wandler A/D digitalisiert und an einen Mikrocontroller µC weitergeleitet. Im Mikrocontroller µC wird das Messsignal verarbeitet und in einen Messwert umgewandelt. Über eine entsprechend ausgebildete Kommunikationseinheit KE, die ebenfalls mit dem Mikrocontroller µC verbunden ist, kann das Feldgerät F1 entweder über den Feldbus FB oder über eines der beiden Netzwerke FN bzw. TN kommunizieren. Für die Kommunikation über den Feldbus FB wird eine Feldbusschnittstelle benötigt, für die Kommunikation über ein Funknetzwerk eine entsprechende Funkschnittstelle bzw. über ein TCP/IP-basiertes Netzwerk z.B. eine Ethernet-Schnittstelle. Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Mit Hilfe des Messaufnehmers MA wird das Messsignal, das zum Beispiel vom Druck, der Temperatur, dem Füllstand oder dem Durchfluss abhängt, erfasst und in dem Analog-Digitalwandler A/D digitalisiert. Das Messsignal wird im Mikrocontroller µC ausgewertet und in einen Messwert MW umgewandelt. Gleichzeitig wird im Mikrocontroller µC auch eine Statusinformation, die z.B. von der Qualität des Messsignals und/oder von den Betriebsbedingungen des Feldgerätes abhängt, erzeugt. Handelt es sich zum Beispiel bei dem Messaufnehmer MA um eine Radareinheit eines Füllstandsmessgeräts, so kann die Qualität des Radarechos unterschiedlich sein. Je nach Güte des Radarechos wird eine Statusinformation vergeben. Bei einem optimalen Radarechosignal wird die Status ST1 „good“ vergeben. Bei einem schlechten Radarechosignal wird der Status ST1 „uncertain“ definiert. Kann der Füllstand aus dem Radarechosingal überhaupt nicht oder nur mit einer großen Unsicherheit ermittelt werden, so wird der Status ST1 „bad“ vergeben. Der aktuelle Messwert und die entsprechende Statusinformation ST1 werden in ein Datenpaket verpackt und vom Feldgerät F1 über die Kommunikationseinheit KE an das jeweilige Netzwerk übergeben. Empfänger des Datenpaketes ist die Steuereinheit SE.
Bei nicht deterministischen Netzwerken kann es zu undefinierten Verzögerungen bei der Datenübertragung von Datenpaketen kommen. Je nach Qualität der Funkverbindung kann es notwendig sein, das Datenpaket mehrfach zwischen zwei Komponenten des Netzwerkes auf dem gleichen Weg oder über alternative Wege zu übertragen. Erfindungsgemäß wird die erste Statusinformation des Datenpakets durch eine zweite Statusinformation, die von der Qualität der Datenübertragung des Datenpakets im Netzwerk abhängt, ergänzt. Diese Ergänzung kann zum Beispiel durch eine separate zusätzliche Statusinformation ST2 im Datenpaket erfolgen.
Wenn keine Verzögerungen erfolgen, wird diese zweite Statusinformation ST2 auf unverzögert („undelayed“) gesetzt. Wenn jedoch Verzögerungen aufgetreten sind, wird sie auf verzögert („delayed“) gesetzt.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Statusinformation ST1 mit der zweiten Statusinformation ST2 zu einer gemeinsamen Statusinformation kombiniert. So kann ein als ST1 „good“ klassifizierter Messwert in einem Datenpaket aufgrund von Verzögerungen bei der Datenübertragung in ST1 „uncertain“ umklassifiziert werden.
Ein Maß für die Qualität der Datenübertragung eines Datenpakets kann zum Beispiel die Übertragungszeit des Datenpakets zwischen zwei Netzwerkkompontenten sein.
In dem Netzwerk gemäß 2 wären dies für ein Datenpaket, das vom Feldgerät F1 stammt, das Feldgerät F1 und das Gateway G1.
Da über das Gateway G1 alle Feldgeräte mit dem zweiten Netzwerk kommunizieren müssen, ist das Gateway G1 besonders geeignet, die Qualität der Datenübertragung zu ermitteln. Auch hat das Gateway ausreichend Rechenkapazität für eine solche Bestimmung. Allgemein kann diese Bestimmung nur in solchen Netzwerkkomponenten erfolgen, die Informationen über die Soll-Zeit für bestimmte Datenübertragungsstrecken besitzen.
Insbesondere an der Schnittstelle zwischen zwei Netzwerken kann es zu Verzögerungen bei der Weiterleitung von Messwerten kommen. Auch aus diesem Grund ist das Gateway G1 bzw. G2 besonders geeignet für die Qualitätsbestimmung.
Da sich die Erfindung für beliebige nicht deterministische Netzwerke eignet, kann sie sowohl bei Funknetzwerken als auch kabelgebundenen Netzwerken wie zum Beispiel TCP/IP basierten Netzwerken eingesetzt werden. Auch bei kabelgebundenen Netzwerken kann es zu nicht vorhersagbaren Verzögerungen bei der Übertragung von Datenpaketen mit Messwerten kommen.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen mit folgenden Verfahrensschritten: a) Erfassen eines Messsignals mit Hilfe eines Feldgerätes (F1), b) Ermitteln eines Messwertes aus dem Messsignal mit Hilfe des Feldgerätes (F1), c) Ermitteln einer ersten Statusinformation (ST1), die von internen Bedingungen des Feldgeräts (F1) abhängt und die ein Maß für Güte des Messsignals ist d) Übergabe des Messwertes mit der ersten Statusinformation (ST1) in einem Datenpaket vom Feldgerät (F1) an ein Netzwerk (TN, FN) der Prozessautomatisierungstechnik, e) Ermittlung einer zweiten Statusinformation, die ein Maß für die Qualität der Datenübertragung des Datenpakets in dem Netzwerk (TN, FN) ist und die Übertragungszeit des Datenpakets zwischen zwei Netzwerkkomponenten repräsentiert, wobei im Falle, dass keine Verzögerungen der Datenübertragung der Datenpakete erfolgen, die zweite Statusinformation (ST2) auf unverzögert gesetzt wird, und im Falle, dass Verzögerungen der Datenübertragung der Datenpakete erfolgen, die zweite Statusinformation (ST2) auf verzögert gesetzt wird, f) Ergänzung des Datenpakets mit der zweiten Statusinformation (ST2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzung durch Aufnahme der zweiten Statusinformation (ST2) im Datenpaket erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzung durch die Kombination der ersten und zweiten Statusinformation (ST1, ST2) zu einer Statusinformation im Datenpaket erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Datenübertragung des Datenpakets von der Übertragungszeit des Datenpaketes zwischen zwei Teilnehmern des Netzwerks (TN, FN) abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Datenübertragung in einer Gateway-Komponente (G1, G2), die zwischen dem ersten Netzwerk (TN, FN) und einem zweiten Netzwerk (KN) angeordnet ist, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Netzwerk (TN, FN) ein nichtdeterministisches und das zweite Netzwerk (KN) ein deterministisches Netzwerk ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtdeterministische Netzwerk ein Funknetzwerk ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtdeterministische Netzwerk kabelgebunden ist, z.B. ein TCP/IP basiertes Netzwerk.