CN102959479A - 用于确定或监测物理或化学过程变量的现场装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定或监测物理或化学过程变量的现场装置，其由以下组成：传感器，其根据定义的测量原理来工作；以及，控制/评估单元（10）；其中控制/评估单元（10）被实现在由多个单独的FPGA块单元（2）构成的部分地动态可再配置FPGA组件（1）上；其中每个单独的FPGA块单元（2）由多个逻辑块（5）构成，并且其中每个单独的FPGA块单元（2）或FPGA块单元（2）的组与全局资源（6、7、8）或全局功能块相关联；其中至少一个第一分区（3.1）和一个第二分区（3.2）被提供在所述FPGA组件（1）上并且由单独的FPGA块单元（2）和相应的全局资源（6、7、8）或全局功能块构成；并且其中数字测量路径（MP1、MP2）在每一分区（3.1、3.2）中部分地动态可再配置，并且由多个基于软件和/或基于硬件的功能模块（FM）构成。

Description

用于确定或监测物理或化学过程变量的现场装置

本发明涉及用于确定或监测物理或化学过程变量的现场装置。优选地，该现场装置应用在自动化技术中，特别是应用在过程和制造自动化中。与此相关，参考WO 2004/013585A1，从其已知一种解决方案，该解决方案特别关注能够在过程自动化中的安全关键应用中应用的现场装置的实施例。然而，本发明原则上不限于过程和制造自动化，而是也能够应用在汽车行业中的安全关键应用等等中。

在下文中，稍微更详细地描述自动化技术：用于确定和监测过程变量的现场装置应用在自动化技术中，特别是应用在过程自动化技术中。这种现场装置的示例是填充水平测量装置、流量测量装置、分析测量装置、压力和温度测量装置、湿度和电导率测量装置、密度和粘度测量装置。这些现场装置的传感器记录相应的过程变量，例如填充水平、流量、pH值、物质浓度、压力、温度、湿度、电导率、密度和粘度。

然而，术语“现场装置”也包括致动器，例如阀门或泵，例如经由其能够改变管线中的液体流量或者容器中的填充水平。从恩德莱斯和豪瑟尔（Endress+Hauser）公司可获得大量这种现场装置。

通常，在现代自动化技术工厂和汽车行业中的现场装置经由诸如HART多分支、点对点连接、Profibus、基金会现场总线、CAN总线的通信网络连接至上级单元；上级单元涉及控制系统或上级控制单元。该上级单元用于控制、诊断、可视化、监测现场装置，以及用于现场装置的起动和维修。也同样将现场总线系统操作必需的、被直接连接至现场总线并且特别用于和上级单元通信的补充组件称为现场装置。这些补充组件例如包括远程I/O、网关、链路装置、控制器、无线适配器等等。这些也属于术语“现场装置”。

现场装置的软件部分稳定增加。使用由微控制器控制的智能现场装置（智能型现场装置）的优点在于，能够在使用应用专用软件程序的现场装置中实施大量不同的功能性；也能够相对简单地做出程序改变。另一方面，由于通过程序的顺序推进而具有相对低的处理速度，并且由此具有相应的低测量速度，抵消了受程序控制的现场装置的高度灵活性。

为了提高处理速度，当经济上有理由时，在现场装置中使用ASIC——专用集成电路。通过应用专用配置，这些芯片能够比软件程序明显更快地处理数据和信号。因此，ASIC特别优异地适合用于计算密集型应用。

在ASIC的情况下的缺点在于，它们的功能性在产生后被固定。不太可能随后改变这些芯片的功能性。此外，ASIC的使用仅在相对大件数时取得收益，因为研发努力及与其相关的成本高。

从WO 03/098154 A1已知一种可配置现场装置，其中提供了以FPGA形式的可再配置逻辑芯片，以便避免固定功能性的缺点。在该已知的解决方案中，在系统启动时通过至少一个微控制器配置逻辑芯片，也将该微控制器称为嵌入控制器。在完成配置后，将所需软件载入微控制器中。在此所需的可再配置逻辑芯片必须使用足够的资源，也就是说逻辑、配线和存储资源，以便实现期望的功能性。具有大量资源的逻辑芯片需要大量能量，这从功能观点看使得仅有限可能地在自动化中使用该逻辑芯片。使用具有少量资源并且因而具有较低能耗的逻辑芯片的缺点在于相应现场装置功能性的偶尔相当大的限制性。

取决于应用，现场装置必须满足各种安全要求。为了满足相关的安全要求，例如在过程自动化中扮演重要角色的SIL-标准“安全完整性等级”，还必须经冗余地和/或相异地设计现场装置的功能性。

冗余意思是，通过所有安全相关的硬件和软件组件的双重或多重设计提高安全性。相异意思是，位于不同测量路径中的硬件组件，诸如微处理器或A/D转换器来自不同的制造商和/或它们属于不同类型。在软件组件的情况下，相异要求存储在微处理器中的软件源自不同来源，例如不同制造商或程序员。通过所有这些措施，应当确保，以高概率排除现场装置的安全关键故障以及在测量值中同时出现系统误差的发生。补充地，也已知冗余地和/或相异地设计评估电路的单独必要硬件和软件组件。单独硬件和软件组件的冗余和多样化设计能够进一步提高安全程度。

安全相关应用的示例是监测罐内的填充水平，在该罐中储存有可燃、爆炸性液体或者危及环境的非易燃液体。在此，必须确保一旦达到了最高可靠填充水平，就立即中断到该罐的液体供应。这继而要求测量装置以高可靠性检测填充水平，并且无故障地工作。

从2009/062954A1已知一种现场装置，其具有：传感器，其根据定义的测量原理来工作；以及，控制/评估单元，其将根据在各自安全关键应用中所要求的安全标准而由传感器沿至少两条相等测量路径传递的测量数据作为条件并且对其评估。控制/评估单元被至少部分地实施为具有多个部分地动态可再配置功能模块的可再配置逻辑芯片。控制/评估单元以使得现场装置被相应地设计以满足所要求安全标准的方式，根据定义的安全关键应用来配置测量路径中的功能模块。

在已知实施例情况下的问题在于，在一个分区中的故障，例如短路或温度变化自动影响其他分区。存在对其他分区的串扰，所以现场装置可能传递有误测量结果，并且不再可靠地工作。这特别在安全关键应用中出现不可接受的高风险。

2010年2月25日提交的未预先公布的DE 10 2010 002 346.9描述了一种现场装置，其中在单个FPGA芯片上实现控制/评估单元。利用标准FPGA芯片，在该情况下，在该FPGA芯片上提供至少第一分区和第二分区。在每个分区中，数字测量路径是部分地动态可再配置的；测量路径包括多个基于软件和/或基于硬件的功能模块。通过常设配置的间隔区域或禁止区域将单独的分区彼此隔离，其中间隔区域被实施为使得分区中的一个中的温度和/或电压变化不影响另一个分区或其他分区，并且在故障的情况下，分区之间不出现连接。控制/评估单元以现场装置满足所要求的安全标准的方式，根据每个定义的安全关键应用而在测量路径中部分地动态再配置功能模块。“部分地动态可再配置”意思是，在运行时间期间，即动态地再配置相应测量路径中的FPGA的功能模块。当发生故障时，这特别重要。例如通过进入的伽马或宇宙辐射，由此通过高能量辐射而发生一种这样的故障，该辐射改变或关闭一个或多个逻辑块或逻辑组件或其他资源的功能。

本发明的目标是提供一种在安全关键应用中使用的高度灵活性现场装置。

该目标通过一种现场装置实现，该现场装置包括：传感器，其根据定义的测量原理来工作；以及，控制/评估单元。控制/评估单元被实现为由多个FPGA块单元构成的部分地动态可再配置FPGA组件，其中，每个FPGA块单元包括多个逻辑块，并且其中，全局资源或全局功能块与每个FPGA块单元或定义的FPGA块单元的组相关联。在该FPGA组件上提供至少第一分区和第二分区；该分区包括FPGA块单元和对应的全局资源或全局功能块。在每个分区中，包括多个基于软件和/或基于硬件的功能模块的数字测量路径是部分地动态可再配置的。全局资源或全局功能块是DCM，即数字时钟管理器、全局配线、时钟或配置资源和/或输入/输出。此外，全局资源也能够是存储器芯片（RAM）和乘法器。最后提到的资源不是绝对必要的。

在本发明的现场装置的有益的实施例中，提供了，在FPGA块单元之间提供用于传输数据和/或信号的配线。通过该方式，能够将多个块单元适当地彼此连接，从而可实现更复杂的功能。

有益的实施例提供了，控制/评估单元根据定义的安全关键应用，优选地通过在测量路径中或在分区中的功能模块部分地动态再配置FPGA块单元，使得现场装置满足所要求的安全标准。例如，安全标准是标准IEC61508（第二版）。

为了实现定义的该分区的隔离，通过间隔区域将单独的分区彼此隔离，其中间隔区域包括具有相应全局资源或全局功能块的FPGA块单元。最初，FPGA组件包括多个FPGA块单元，然后将其连接在一起以构建分区。FPGA组件上的分区形成彼此隔离的岛，由此不发生相互影响。

优选地，间隔区域被实施以使得以如下方式实现分区之间的电势隔离，即使得该分区中的一个中的温度和/或电压变化对一个或多个相邻分区无影响，并且在故障的情况下分区之间不出现连接。在该情况下，用于电势隔离的间隔区域的尺寸取决于FPGA块单元的尺寸，其中间隔区域具有至少FPGA块单元的宽度。在任何情况下，间隔区域的宽度被选择为，使得排除分区之间的短路或串扰。此外，间隔区域用于分区的热去耦。间隔尺寸，即岛的尺寸，最终是在开销和灵活性程度之间的折衷，其中尤其配置资源被理解为在开销中。灵活性意思是，用户能够在研发阶段并且通过关注特定规则也在现场装置的操作期间自由定义块单元的组或分区的尺寸。

本发明的现场装置的有益的进一步发展提供了，在每个间隔区域中布置的逻辑块、全局资源或全局功能块以及相应的配线被连接到接地，或者通过关闭电流供应而被外部阻断。

根据存在的安全规则，冗余地、相异地或冗余和相异地设计具有部分地动态可配置功能模块的测量路径。

此外，提供了与控制/评估单元相关联的表决器或微控制器，其同样通过间隔区域与相邻测量路径隔离，并且将通过测量路径或在测量路径中可获得的并且彼此对应的测量数据相互比较，并且在偏离的情况下，其产生警告和/或错误报告。优选地，表决器或微控制器布置在FPGA块单元中。

在本发明的现场装置的有益形式中，提供了表决器或微控制器，其串行或并行地部分地动态再配置功能模块以用于奇数个冗余和/或相异的测量路径，其中表决器或微控制器将通过测量路径或在测量路径中可获得的测量数据相互比较，并且其中当通过定义的测量路径获得的测量数据偏离其余测量路径的测量数据时，表决器或微控制器产生定义的测量路径正在传递有误数据的警告报告。在故障的情况下，利用该实施例能够确定哪个测量路径发生误差。

此外，提供了静态区域，其通过提供在FPGA的选定分区上的间隔区域与相邻分区隔离；至少一个功能模块被常设配置在该静态区域中，在该至少一个功能模块中运行用于配置在单独的分区中将被动态配置的功能模块的控制程序。

本发明的现场装置的有益实施例提供通信线，其被布置在FPGA组件的外部。此外，在单独通信线中提供至少一个限制设备，以限制分区之间的电压和/或电流。

当全局资源或全局功能块中的至少一些与多个FPGA块单元相关联时，能够看出结合本发明特别有益。因而，优选地，用于电流/电压供应的全局资源或全局功能块与多个FPGA块单元相关联。通过插入电或电子隔离元件，相应的供电线是根据需要数量地可划分的。

此外，提供控制/评估单元，其根据各自应用在分区中或在测量路径以及相应间隔区域中部分地动态再配置FPGA块单元。

此外，在安全关键应用的情况下，提供控制/评估单元，其执行部分地动态再配置，使得通过至少一个间隔区域始终将单独的分区彼此隔离。

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图如下所示：

图1是从现有技术已知的FPGA组件的图示，

图2是本发明的FPGA组件的实施例的图示，

图3是作为示例的用于安全关键应用的本发明的FPGA组件的特定实施例，

图4是用于供应电压的配线的方框图，以及

图4是图4的分区A。

图1示出从现有技术已知的FPGA组件1的图示；FPGA组件被实施为部分地动态可再配置。在组件1上布置多个可再配置逻辑块5。此外，在FPGA组件1上存在全局资源，诸如中央电压供应6、称为数字时钟管理器的多个时钟资源7、以及配置资源8。此外，在FPGA组件1上布置诸如乘法器和/或存储器元件17以及输入/输出18的资源。

图2示出本发明的FPGA组件1的实施例的图示。虽然在图1中所示的FPGA组件1上逻辑块5被基本上均匀地布置，但是本发明的FPGA组件1具有多个FPGA块单元2，其中逻辑块5被布置在彼此极大地分开的岛中。块单元2每个都具有分开的电压供应6；专用时钟资源7，诸如DCM，全局连接线；专用配置资源8，诸如JTAG，配置线和专用输入/输出18。结合本发明，也将这些资源称为全局资源6、7、8。另外，任选地，存在专用的、较不重要的全局资源，诸如乘法器/存储器元件17等等。如上所述，全局资源6、7、8也能够与块单元2的组相关联。取决于应用，这样的实施例可以是合理的。

图3作为示例示出用于安全关键应用的本发明的FPGA组件1的特定实施例。在所示情况下，FPGA组件1被划分为四个分区3.1、3.2、3.3、3.4。分区3.1被实施为静态区域15。优选地，在此常设地配置微控制器或表决器11。在分区3.2、3.3、3.4中部分地动态再配置单独的冗余和/或多样化测量路径MP1、MP2、MP3。在该情况下，部分地意思是，能够仅再配置测量路径MP1、MP2、MP3中的一个中的单独功能模块FM。

单独块单元2被通过间隔区域4.1、4.2、4.3、4.4彼此隔离。间隔区域4.1、4.2…被实施为实现分区3.2、3.3…之间的电势隔离。以如下方式完成上述隔离，即使得分区MP1、MP2…中的一个中的温度和/或电压变化不影响一个或多个相邻分区，并且在故障的情况下分区MP1、MP2、MP3之间不出现连接。特别是，为电势隔离而安装的间隔区域4.1、4.2…的尺寸取决于FPGA块单元2的尺寸。在图3中，间隔区域4.1、4.2…的宽度对应于每个单独的FPGA块单元2。如图2中所示，每个块单元2或块单元2的组具有全局资源6、7、8。为了实现分区3.1、3.2…之间的安全隔离，块单元2的区域中的间隔区域4.1、4.2…被从电压供应6绝缘或者从电压供应6供电，并且被接地或相应配置。结合本发明的现场装置，能够在现场装置的操作期间再配置或部分地再配置单独测量路径MP1、MP2…。然而，在该情况下，当在安全关键应用中使用的情况下，必须留意，在测量路径MP1、MP2…的尺寸变化的情况下，始终首先配置安全分离，例如相应的间隔区域4.1、4.2…。

此外，在FPGA分区3.1、3.2…或测量路径MP1、MP2…之间的通信外部地发生，并且由电阻器19保护。

如上所述，取决于应用，能够将全局资源6、7、8和可变数目的块单元2相关联。这是可能的，在于为了供应电流/电压和/或时钟信号和/或为了配置多个FPGA块单元2，存在至少一个全局资源6、7、8或一个全局功能块。通过插入电或电子隔离元件16，相应的供电线（和/或时钟线和/或配置线——后者在图4和图4a中没有分开地示出）是根据需要数量地可划分的。隔离元件16例如是晶体管。

图4示出用于供应电压6的配线14的方框图。不允许供电线13交叉，并且因此在给定情况下，将供电线13布置在FPGA组件1的不同平面中。图4a示出图4中分区A的放大图。因为存在用于供应电压6的供电线13，所以存在用于另外全局资源7、8的分开的线，其能够在期望的程度上同样地利用隔离元件单独地或成组地接通和断开。

附图标记列表

1FPGA组件

2FPGA块单元

3.n分区

4.n间隔区域

5逻辑块

6用于电流/电压供应的全局资源

7用于时钟信号的全局资源

8用于配置的全局资源

10控制/评估单元

11表决器或微控制器

12通信线

13供电线

14配线

15静态区域

16隔离元件

17乘法器/存储器芯片

18输入/输出

19电阻器

Claims (17)

1.用于确定或监测物理或化学过程变量的现场装置，所述现场装置包括：传感器，所述传感器根据定义的测量原理来工作；以及，控制/评估单元（10）；其中所述控制/评估单元（10）被实现在部分地动态可再配置FPGA组件（1）上，所述部分地动态可再配置FPGA组件（1）由多个FPGA块单元（2）构成，其中每个FPGA块单元（2）包括多个逻辑块（5），并且其中全局资源（6、7、8）或全局功能块与每个FPGA块单元（2）或FPGA块单元（2）的组相关联；其中在所述FPGA组件（1）上提供至少第一分区（3.1）和第二分区（3.2），所述分区包括FPGA块单元（2）和对应的全局资源（6、7、8）或全局功能块；并且其中在每个分区（3.1、3.2）中，包括多个基于软件和/或基于硬件的功能模块（FM）的数字测量路径（MP1、MP2）是部分地动态可再配置的。

2.根据权利要求1所述的现场装置，

其中提供配线（14）以用于在所述FPGA块单元（2）之间的数据和/或信号的传输。

3.根据权利要求1所述的现场装置，

其中所述控制/评估单元（10）根据定义的安全关键应用，在所述测量路径（MP1、MP2）中或所述分区（3.1、3.2）中部分地动态再配置所述功能模块（FM），使得所述现场装置满足所要求的安全标准。

4.根据权利要求1、2或3所述的现场装置，

其中单独的分区（3.1、3.2）通过间隔区域（4.1、4.2）彼此隔离；其中所述间隔区域（4.1、4.2）包括具有对应的全局资源（6、7、8）或全局功能块的FPGA块单元（2）。

5.根据权利要求4所述的现场装置，

其中所述间隔区域（4.1、4.2…）被实施以使得以如下方式实现所述分区（3.2、3.3…）之间的电势隔离：所述分区中的一个（MP1；MP2）中的温度和/或电压变化不影响相邻分区（MP2；MP1）或多个相邻分区，并且在故障的情况下，所述分区（MP1、MP2）之间不出现连接。

6.根据权利要求4或5所述的现场装置，其中用于电势隔离而安装的所述间隔区域（4.1、4.2）的尺寸取决于所述FPGA块单元（2）的尺寸，并且具有至少FPGA块单元（2）的宽度。

7.根据权利要求2-6中的一项或多项所述的现场装置，其中在每个间隔区域（4.1、4.2）中布置的所述逻辑块（5）、所述全局资源（6、7、8）或全局功能块以及相应的配线（14）被连接到接地，或者通过关闭外部电流供应而被外部阻断。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的现场装置，其中冗余地、相异地或者冗余和相异地设计具有所述部分地动态可再配置功能模块（FM）的所述测量路径（MP1、MP2）。

9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的现场装置，其中表决器（2）或微控制器与所述控制/评估单元（10）相关联，所述表决器（2）或微控制器同样通过间隔区域（4.2）与相邻测量路径（MP1、MP2）隔离，其中所述表决器（2）或微控制器将通过所述测量路径（MP 1、MP2）或在所述测量路径（MP1、MP2）中可获得的并且彼此对应的测量数据相互比较，并且在偏离的情况下产生警告或错误报告。

10.根据权利要求1或9所述的现场装置，其中所述表决器（2）或微控制器串行或并行地部分地动态再配置所述功能模块以用于奇数个冗余和/或相异的测量路径（MP1、MP2、MP3…）；

其中所述表决器（2）或微控制器将通过所述测量路径（MP1、MP2、MP3…）或在所述测量路径（MP1、MP2、MP3…）中可获得的测量数据相互比较；并且

其中当通过定义的测量路径（MP1；MP2；MP3）可获得的测量数据偏离其余测量路径（MP1；MP2；MP3）的测量数据时，所述表决器（2）或微控制器产生定义的测量路径（MP1；MP2；MP3）正在传送有误数据的警告报告。

11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的现场装置，

其中在所述FPGA（1）的选定分区（11）上提供静态区域（15），所述静态区域（15）通过间隔区域（4.1、4.2）与相邻分区（3.1、3.2）隔离；并且

其中至少一个功能模块（FM）被常设配置在所述静态区域（15）中，在所述至少一个功能模块（FM）中运行用于配置在单独的分区（3.1、3.2）中将被动态配置的所述功能模块（FM）的控制程序。

12.根据前述权利要求中的一项或多项所述的现场装置，其中提供通信线（12），所述通信线（12）在所述FPGA组件（1）外部被布置分区（3.1、3.2）之间。

13.根据权利要求12所述的现场装置，其中在单独的通信线（12）中提供至少一个限制设备（13），用于限制所述分区（3.1、3.2）之间的电压和/或电流。

14.根据前述权利要求中的一项或多项所述的现场装置，其中全局资源（6、7、8）或全局功能块中的至少一些与多个FPGA块单元（2）相关联。

15.根据权利要求14所述的现场装置，其中用于电流/电压供应和/或用于时钟信号和/或用于配置的至少一个全局资源（6、7、8）或全局功能块与多个FPGA块单元（2）相关联；并且其中通过插入电气或电子隔离元件（16），相应的供电线和/或时钟线和/或配置线是根据需要尽可能地可划分的。

16.根据前述权利要求中的一项或多项所述的现场装置，其中所述控制/评估单元根据各自应用，在所述分区（3.1、3.2）中或所述测量路径（MP1、MP2）中以及相应的间隔区域（4.1、4.2）中部分地动态再配置所述FPGA块单元（2）。

17.根据权利要求16所述的现场装置，

其中在安全关键应用的情况下，所述控制/评估单元（10）执行部分地动态再配置，使得通过至少一个间隔区域（4.1、4.2）始终将单独的分区（3.1、3.2）彼此隔离。

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