WO2004006206A1 - Verfahren zur funktional sicheren datenübertragung zwischen einem sensor und einer auswerteeinheit - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensors und einer Auswerteeinheit AW sind 2 Datenkanäle vorgesehen, wobei der eine Datenkanal für digital erzeugte Signale und der zweite für analog erzeugte Signale erzeugt ist. Dadurch ist für sicherheitsrelevante Signale auf dem zweiten Kanal eine den sicherheitstechnischen Vorschriften entsprechende Datenübertragung zwischen Sensors und Auswerteeinheit AW möglich.

Description

Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit, die über eine Signalleitung miteinander verbunden sind.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Sensoren zur Erfassung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele hierfür sind Temperaturmessgeräte, die die Temperatur eines Prozessmediums umfassen, Durchflussmesser, die den Durchfluss eines Prozessmediums in einem Rohrleitungsabschnitt erfassen oder Füllstandsmesser die den Füllstand einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts in einem Behälter erfassen.

In der Regel wird die Information von Sensoren nicht in unmittelbarer Nähe des Sensors benötigt sondern in einer weiter entfernten Warte oder in einem Schaltraum. Hierfür ist der Sensor mit einer entsprechenden Auswerteeinheit über eine Signalleitung verbunden. Die Datenübertragung zwischen dem Sensor und der Auswerteeinheit kann z. B. nach dem HART® Standard erfolgen. Dadurch ist eine digitale Kommunikation zwischen Sensor und Auswerteeinheit möglich. Auf Sensorseite werden die Kommunikationssignale mittels eines Mikroprozessors und einer entsprechenden Software generiert. Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Kombination von Mikroprozessor und Software eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten bietet, die für sicherheitsrelevante Anwendungen nicht ausreicht.

Über die bidirektionale digitale Kommunikation zwischen dem Sensor und der Auswerteeinheit kann z. B. der Sensor von der Auswerteeinheit aus konfiguriert werden. Eine einfache Art der Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit erfolgt in PFM Technik. Hierbei werden einem 10 m A Ruhestrom Stromimpulse überlagert, deren Folgefrequenz dem Sensorzustand entspricht. Z. B. kann ein Vibrationsgrenzschalter (FTL325P von Endress+Hauser®) 3 Sensorzustände der Auswerteeinheit mitteilen. 50 Hz entspricht dabei dem Bedeckt-Zustand, 150 Hz dem Frei-Zustand, Fehler werden mit O Hz kodiert. Nachteil bei dieser Art von Signalübertragung ist, dass keine Information von der Auswerteeinheit an den Sensor übertragen werden.

Bei dieser Art der Datenübertragung werden die Signale in rein analoger Weise erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere eine sichere Datenübertragung und gleichzeitig eine bidirektionale Kommunikation zwischen Auswerteinheit und Sensor ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren. Vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wesentliche Idee der Erfindung ist es, für die Datenübertragung zwischen Sensor und Auswerteeinheit 2 Kanäle vorzusehen, wobei der erste Kanal für digital erzeugte Signale und der zweite Kanal für analog erzeugte Signale ist. Dadurch können sicherheitsrelevante Signale auf rein analogem Wege zwischen Sensor und Auswerteeinheit übertragen werden. Dieser analoge Weg entspricht den strengen sicherheitsrelevanten Vorschriften. Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Sensor mit HART-Schnittstelle in schematischer Darstellung.

Fig. 2 Sensor mit PFM-Schnittstelle.

Fig. 3 Sensor und Auswerteeinheit mit 2 Datenkanälen.

Fig. 1 zeigt einen Sensor S1 , der über eine Signalleitung SL mit einer Auswerteeinheit AW verbunden ist. Der Sensor S1 weist einen Messaufnehmer MA auf, der die zu bestimmende Prozessvariable erfasst. Der Messaufnehmer MA ist mit einem AD-Wandler verbunden, dem ein Mikroprozessor μP S1 nachgeschaltet ist. Im Mikroprozessor μP S1 erfolgt eine digitale Signalverarbeitung des Messaufnehmersignals in eine Ausgangsgröße. Diese Ausgangsgröße wird über die Schnittstelle 11 an die Auswerteeinheit AW übertragen. Die Auswerteeinheit besitzt eine zu der Schnittstelle 11 entsprechende Schnittstelle 12, die mit einem Mikroprozessor μP AW1 verbunden ist. Der Mikroprozessor μP AW1 ist mit einer Anzeige A verbunden und erlaubt das Schalten eines nicht dargestellten Grenzwertrelais in Abhängigkeit von vorgegebenen Grenzwerten. Über eine ebenfalls nicht dargestellte weitere physikalische Schnittstelle ist z. B. eine Verbindung mit einem Personal Computer (PC) zum Parametrieren möglich.

In Fig. 2 ist ein Sensor S2 dargestellt, der über eine Signalleitung SL mit einer Auswerteeinheit AW2 verbunden ist. Der Sensor S2 weist ebenfalls einen Messaufnehmer MA auf, der mit einer Auswerteschaltung AS1 verbunden ist. Das Messaufnehmersignal wird in der Auswerteschaltung AS1 in rein analoger Technik verarbeitet und in ein Ausgangssignal umgewandelt, das in einer PFM-Schnittstelle 13 über eine Signalleitung SL an eine Auswerteeinheit AW2 übertragen wird. Die Auswerteeinheit AW2 weist ebenfalls eine zur Schnittstelle 13 passende Schnittstelle 14 auf, die mit einer Auswerteschaltung AS2 verbunden ist.

In der Auswerteeinheit AW2 werden Stromimpulse aufintegriert und in eine Gleichspannung umgewandelt. Kleine Gleichspannung bedeutet wenig Stromimpulse, hohe Gleichspannung bedeutet viele Stromimpulse.

Fig. 3 zeigt einen Sensor S, der mit einer Auswerteeinheit AW über eine Signalleitung SL mittels 2 Datenkanälen miteinander verbunden sind. Der Sensor S weist ebenfalls einen Messaufnehmer MA, einen A/D-Wandler A/D einen Mikroprozessor μPS sowie eine Schnittstelle IS1 auf. Im Mikroprozessor μPS erfolgt eine digitale Signalverarbeitung. Das Ausgangssignal des Mikroprozessors μPS wird an die Schnittstelle IS1 weitergeleitet, die das Ausgangssignal in ein HART-Signal umsetzt. Weiterhin weist der Sensor eine analoge Auswerteschaltung ASS auf, die über eine PFM-Schnittstelle IS3 mit einer Überlagerungseinheit U verbunden ist.

Die Auswerteschaltung ASS kann auch einen low-cost Mikroprozessor aufweisen, dann stehen auf Sensorseite zwei Mikroprozessoren zur Verfügung, das erhöht die Sicherheit. In einer einfacheren Variante übernimmt ein Mikroprozessor, die Umwandlung in das HART-Signal und das PFM-Signal.

In der Überlagerungseinheit U werden das HART-Signal und das PFM-Signal einfach überlagert und über die Signalleitung SL zur Auswerteeinheit AW übertragen. In einer Trenneinheit T wird das HART-Signal und das PFM- Signal getrennt und jeweils entsprechenden Schnittstellen 12 bzw. 14 zugeführt. Die Schnittstelle 12 ist mit einem Mikroprozessor μP verbunden, in dem eine digitale Signalverarbeitung statt findet. Die Schnittstelle 14 ist mit einer analogen Auswerteschaltung ASAW verbunden, in dem das PFM- Signal in Analogtechnik ausgewertet wir.

Der HART-Teil kann z.B. dazu verwendet werden um den Sensor über das Display in der Auswerteeinheit AW zu parametrieren (TAG, Messbereich, Einheit, ...). Der PFM-Teil kann verwendet werden, um über ein nicht dargestelltes Relais eine Pumpe oder ein Ventil abzuschalten. Hierbei geht es um ein sicheres Abschalten zur Verhinderung des Überlaufens eines Behälters.

Wesentlich Idee der Erfindung ist es, Daten zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit in 2 getrennten Datenkanälen zu übertragen, wobei der eine Datenkanal ein Signal überträgt, das zumindest teilweise in digitaler Technik erzeugt worden ist und der zweite Kanal für Signale ist, die in rein analoger Weise erzeugt werden. Dadurch können auf dem zweiten Kanal sicherheitsrelevante Signale, die strengen sicherheitsrelevanten Vorschriften entsprechen, übertragen werden.

Die Erfindung ist nicht auf Vibrationsgrenzschalter als Sensoren beschränkt. Sie lässt sich auf beliebige Sensoren (kapazitiv, radiometrisch, Druck etc.) anwenden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor S und einer Auswerteeinheit AW, die über 2 Datenkanäle auf einer Signalleitung SL miteinander kommunizieren, wobei der erste Kanal für digital erzeugte Signale und der zweite Kanal für analog erzeugte Signale ausgelegt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung auf dem ersten Kanal nach dem HART-Standard erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung auf dem zweiten Kanal mittels eines PFM-Signals erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Vibrationsgrenzschalter ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.