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In
der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt,
die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen.
Beispiele für
derartige Feldgeräte
sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck-
und Temperaturmessgeräte,
pH- und Leitfähigkeitsmessgeräte etc.,
die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand,
Durchfluss, Druck, Temperatur bzw. pH-Wert bzw. Leitfähigkeitswert
erfassen.
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Zur
Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, die z. B. als
Ventile den Durchfluss einer Flüssigkeit
in einem Rohrleitungsabschnitt oder als Pumpen den Füllstand
in einem Behälter
steuern.
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Als
Feldgeräte
werden auch Registriergeräte bezeichnet,
die vor Ort Messdaten aufzeichnen.
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Eine
Vielzahl solcher Feldgeräte
wird von der Fa. Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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In
der Regel sind Feldgeräte
in modernen Automatisierungssanlagen über Feldbussysteme (HART, Profibus,
Foundation Fieldbus, etc.), mit übergeordneten
Einheiten (z. B. Leitsysteme oder Steuereinheiten) verbunden. Diese
Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung,
Prozessüberwachung.
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Meist
sind Feldbussysteme in Unternehmensnetzwerke integriert. Damit kann
aus unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens auf Prozess- bzw. Feldgerätedaten
zugegriffen werden.
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Zur
weltweiten Kommunikation können
die Firmennetzwerke auch mit öffentlichen
Netzwerken, z. B. dem Internet verbunden sein.
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Moderne
Feldgeräte
weisen meist eine standardisierte Feldbusschnittstelle zur Kommunikation mit
einem offenen Feldbussystem auf.
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Vielfach
sind die Feldgeräte
in größere Automatisierungssysteme
integriert. Hierbei werden die Messwerte der Sensoren über den
Feldbus zyklisch kommuniziert und ausgewertet und Steuersignale
für die
Aktoren über
den Feldbus gesendet. Die Steuerung kann zentral von einer Speicherprogrammierbaren
Steuerung SPS bzw. von einem Prozessleitsystem PLS aus erfolgen.
Es ist aber auch eine dezentrale auf die Feldgeräte verteilte Steuerung möglich.
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Für den Anwender
sind bei Automatisierungssystemen folgende Kriterien für die Feldgeräte wichtig:
Interchangeability, Interconnectivity, Interoperability.
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Um
eine zuverlässige
Steuerung mit Feldgeräten
unterschiedlicher Hersteller zu gewährleisten, sind in den Spezifikationen
für die
jeweiligen Feldbussysteme eine Vielzahl von Parametern, die für den Betrieb
und für
die Kommunikation über
das Bussystem notwendig sind, für
die Feldgeräte
definiert.
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Die
Geräteparameter
lassen sich im Wesentlichen in drei Gruppen einteilen. Dynamische
Prozessparameter, wie Messwerte, Stellwerte und Statuswerte, die
zum Steuern der Automatisierungsanlage notwendig sind. Diese Parameter ändern sich
zeitlich. Sie werden zyklisch gelesen bzw. geschrieben und über den
Bus kommuniziert.
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Betriebs-
und Standardparameter, die bestimmte Gerätefunktionen und Einstellungen
definieren. Diese Parameter werden lediglich azyklisch gelesen bzw.
geschrieben.
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Herstellerspezifische
Parameter, die herstellerspezifische Funktionen bzw. Einstellungen
definieren.
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Je
nach Parametertyp werden die Parameter in einem flüchtigen
Speicher (z. B. RAM) oder nichtflüchtigen Speicher (z. B. EEPROM)
abgelegt.
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EEPROM-Speicher
erlauben nur jedoch eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen.
Ab einer vorgegebenen Maximalzahl garantieren Hersteller von EEPROMs
keine sicheren Schreibzugriffe mehr.
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Beispielsweise
ist der 16 KBit EEPROM des Typs 24C164 der Firma ATMEL mit 1 Mio.
Schreibzugriffen pro Speicherplatz (Speicherzelle), spezifiziert. Daraus
ergibt sich unter normalen Betriebsbedingungen mit einem Schreibzugriff
in ca. fünf
Minuten eine Lebensdauer von etwa 10 Jahren. Typische Lebensdauern
von Feldgeräte
liegen über
diesem Wert. Bei einer Erhöhung
der Frequenz der Schreibzugriffe, nimmt die Lebensdauer des EEPROM-Speichers entsprechend
ab.
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Wenn
in einem Feldgerät
ein Parameterwert nicht mehr geschrieben werden kann, führt dies
zu einem Gerätefehler.
Je nach der implementierten Gerätesoftware
(Firmware) kann dieser Fehler zu einem Ausfall des Gerätes und
damit zu einer Unterbrechung der gesamten Prozesssteuerung und gegebenenfalls
zu einem Anlagenstillstand führen.
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Bei
Anlagen mit einer Vielzahl von Feldgeräten (teilweise über 100)
ist die Fehlersuche immer sehr aufwendig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb ein Feldgerät anzugeben, das die oben angegebenen Nachteile
nicht aufweist, das insbesondere ein fehlerfreies Speichern von
verschiedenen Parameterwerten über
die gesamte Lebensdauer eines Feldgerätes ermöglicht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, bei einem Feldgerät für die Automatisierungstechnik
mit einem Mikroprozessor und einem nichtflüchtigen beschreibbaren Datenspeicher
zum Speichern von Parameterwerten, welcher für eine vorgegebene Maximalzahl
von Schreibzugriffen ausgelegt ist,
einen Zähler und eine Speicherverwaltungseinheit vorzusehen.
Der Zähler
dient zum Zählen
der Schreibzugriffe auf den Datenspeicher.
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Die
Speicherverwaltungseinheit wertet den Zählerstand des Zählers aus
und vermeidet das Überschreiten
der Maximalzahl von Schreibzugriffen auf den Datenspeicher.
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Hierdurch
kann der Ausfall eines Feldgerätes
durch Schreibfehler wirksam vermieden werden oder ein möglicher
Ausfall des Speichers wird zeitlich soweit hinausgezögert, dass
er bei einer typischen Lebensdauer eines Feldgerätes realistisch nicht auftritt.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung generiert die Speicherverwaltungseinheit
eine Fehlermeldung, wenn die Gefahr eines Speicherfehlers für den Datenspeicher
besteht bzw. absehbar ist. Dadurch wird der Anlagenbetreiber über den
drohenden Ausfall eines Feldgerätes
informiert und kann entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen.
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Häufig erfolgt
der fortlaufende Schreibzugriff auf einen Parameter durch eine Fehlprogrammierung,
die dadurch erkannt und behoben werden kann.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung ermöglicht die Speicherverwaltungseinheit
das Ändern des
Speicherplatzes mindestens eines Parameters.
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Durch
das Verschieben des Speicherplatzes wird ein zu häufiger Schreibzugriff
auf einen bestimmten Speicherplatz in sehr einfacher Weise vermieden.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung zählt der Zähler Z die Schreibzugriffe
auf den gesamten Datenspeicher. Ein solcher Zähler erfordert nur wenig oder
gar keinen Programmieraufwand. Bei Profibus bzw. Foundation Fieldbus
ist ein solcher Zähler
bereits spezifiziert und als „static
revision counter" bezeichnet.
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In
einer alternativen Weiterentwicklung der Erfindung zählt der
Zähler
die Schreibzugriffe auf einen Speicherbereich.
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Dadurch
kann der Speicherbereich erkannt werden, auf den zu häufig zugegriffen
wird.
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In
einer alternativen Weiterentwicklung der Erfindung zählt der
Zähler
die Schreibzugriffe auf einzelne Speicherplätze.
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Dies
erfordert einen größeren Rechen-
und Speicheraufwand, da zu jedem Parameter der entsprechende Zählerstand
bestimmt und gespeichert werden muss.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung ermöglicht die Speicherverwaltungseinheit
das Verschieben von einzelnen Speicherplätzen der Parameter.
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In
einer alternativen Weiterentwicklung der Erfindung ermöglicht die
Speicherverwaltungseinheit das Verschieben einzelner Speicherblöcke.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung erfolgt das Verschieben der
Speicherplätze
bzw. Speicherblöcke
in einer vorgegebenen Weise.
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In
einer alternativen Weiterentwicklung der Erfindung erfolgt das Verschieben
der Speicherplätze
bzw. Speicherblöcke
in zufälliger
Weise.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung ist ein flüchtiger Datenspeicher vorgesehen
in den die Speicherverwaltungseinheit Parameter mit häufigen Schreibzugriffen
auslagert. Nur bestimmte Zwischenwerte dieser Parameter werden im
nichtflüchtigen Datenspeicher
gespeichert.
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In
einer Weiterentwicklung der Erfindung ist ein flüchtiger Datenspeicher vorgesehen,
der einen Speicherbereich aufweist, der bei einer Unterbrechung
der Spannungsversorgung des Feldgerätes automatisch im nichtflüchtigen
Datenspeicher gespeichert wird der ist. Die Speicherverwaltungseinheit
lagert Parameter mit häufigen
Schreibzugriffen in diesen Speicherbereich des flüchtigen
Speichers aus.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Feldgerät als nichtflüchtigen
beschreibbaren Datenspeicher zum Speichern von Parameterwerten einen
MRAM- oder FRAM-Speicher auf.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist im Feldgerät eine interne
Spannungsversorgungseinheit vorgesehen ist, die beim Ausfall der
externen Spannungsversorgung des Feldgerätes einen Datenverlust im Datenspeicher
verhindert.
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Diese
Möglichkeit
ist prinzipiell nur bei Felgeräten
gegeben, die keinen Beschränkungen
im Hinblick auf Ex-Sicherheit unterworfen sind. Für Ex-Geräte wäre eine
solche Lösung
sehr aufwendig und damit auch sehr teuer.
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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 Netzwerk
der Prozessautomatisierungstechnik mit mehreren Feldgeräten in schematischer
Darstellung;
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2 Blockschaltbild
eines Feldgerätes;
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3a, 3b Speicher
mit mehreren Speicherplätzen;
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4 zwei
getrennte Speicher.
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In 1 ist
ein Netzwerk der Automatisierungstechnik näher dargestellt. An einem Datenbus D1
sind mehrere Rechnereinheiten in kleinere Workstations WS1, WS2,
angeschlossen. Diese Rechnereinheiten dienen als übergeordnete
Einheiten (Leitsysteme bzw. Steuereinheiten), unter anderem zur Prozessvisualisierung,
Prozessüberwachung
und zum Engineering sowie zum Bedienen und Überwachen von Feldgeräten. Der
Datenbus D1 arbeitet z. B. nach dem Profibus DP-Standard oder nach
dem HSE (High Speed Ethernet)-Standard der Foundation Fieldbus.
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Über ein
Gateway G1, das auch als Linking Device oder auch als Segment-Koppler bezeichnet wird,
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 entsprechend nach einem der bekannten Feldbusstandards
Profibus, Foundation Fieldbus oder HART.
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In 2 ist
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Feldgerätes z. B. F1 näher dargestellt.
Eine Mikroprozessor uP ist zur Messwertverarbeitung über einen
Analog-Digital-Wandler A/D und einen Verstärker V mit einem Messaufnehmer
MA verbunden, der eine Prozessvariable (z. B. Druck, Durchfluss
oder Füllstand)
erfasst. Der Mikroprozessor uP ist mit mehreren Speichern verbunden.
Ein Speicher VM dient als temporärer
(flüchtiger)
Arbeitspeicher RAM. Ein weitere Speicher EPROM oder Flash-Speicher
FLASH dient als Speicher für
das im Mikroprozessor auszuführende Steuerprogramm.
In einem nichtflüchtigen
beschreibbaren Datenspeicher NVM werden Parameterwerte (z. Kalibrierdaten
etc.) abgespeichert.
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Bei
dem Datenspeicher NVM handelt es sich um einen beschreibbaren EEPROM-
Speicher, der nur für
eine bestimmte vorgegebenen Maximalzahl von Schreibzugriffen ausgelegt
ist (z. B. 1 Mio. Zugriffe 16 KBit EEPROM 24C164 der Fa. ATMEL).
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Das
Steuerprogramm definiert die anwendungsbezogenen Funktionalitäten des
Feldgerätes (Messwertberechnung,
Hüllkurvenauswertung,
Linearisierung der Messwerte, Diagnoseaufgaben).
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Weiterhin
ist der Mikroprozessor mit einer Anzeigebedieneinheit A/B (z.B.
LCD-Anzeige mit mehreren Drucktasten) verbunden.
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Zur
Kommunikation mit dem Feldbus-Segment SM1 ist der Mikroprozessor über einen
Kommunikationscontroller COM mit einer Feldbusschnittstelle FBS
verbunden. Ein Netzteil NT liefert die notwendige Energie für die einzelnen
Elektronikkomponenten des Feldgerätes F1 es wird vom Feldbus
gespeist. Die Versorgungsleitungen zu den einzelnen Komponenten
sind der Übersichtlichkeit
halber nicht eingezeichnet.
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Nachfolgend
ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.
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Die
Feldgeräte
F sind in ein Automatisierungssystem integriert. Sensordaten und
Aktordaten werden zyklisch über
den Feldbus FB kommuniziert.
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Im
Betrieb werden Parameter entsprechend dem Steuerprogramm aus dem
Datenspeicher NVM ausgelesen bzw. in den Speicher geschrieben.
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Im
Mikroprozessor uP ist ein Zähler
vorgesehen, der die Schreibzugriffe SZ auf den Datenspeicher NVM
zählt.
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Dabei
können
z. B. die Schreibzugriffe SZSP auf einen bestimmten Speicherplatz
SP, die Schreibzugriffe SZSB auf einen Speicherblock SB oder die Schreibzugriffe
SZSG auf den gesamten Datenspeicher gezählt werden.
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Weiterhin
ist im uP eine Speicherverwaltungseinheit SV vorgesehen, die den
Zählerstand
Z entsprechend auswertet.
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So
kann die Speicherverwaltungseinheit SV eine Fehlermeldung generieren,
wenn die Gefahr besteht bzw. absehbar ist, dass die Maximalzahl
SZmax von Schreibzugriffen auf den Datenspeicher NVM erreicht wird.
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Hierdurch
kann der Anlagenbetreiber entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten, die dieser Gefahr
entgegenwirken.
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3a zeigt
wie der Zählerstand
Z und der Parameterwert eines Parameters P1 im Datenspeicher NVM
an einem Speicherplatz SP1 abgelegt sind.
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Der
Speicherplatz SP1' ist
frei aber er ist bereits für
den Parameter P1 vorgesehen.
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Beim
Erreichen des maximalen Zählerstandes
SZmax für
einen Parameter P1 veranlasst die Speicherverwaltungseinheit SV,
dass der Speicherplatz SP dieses Parameters P1 auf einen freien
Speicherplatz SP1' verschoben
und der Speicherplatz P1 als verbraucht markiert wird. Die Markierung
ist notwendig damit auf diesen Speicherplatz nicht mehr geschrieben
werden kann.
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Schreibzugriffsfehler
können
durch das Verschieben des Speicherplatzes nicht mehr auftreten.
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Das
Verschieben auf einen freien Speicherplatz kann auch zufällig erfolgen.
Die Speicherverwaltungseinheit SV prüft welche Speicherplätze im Datenspeicher
frei sind und verschiebt den Speicherplatz des Parameters P1 auf
einen dieser freien Speicherplätze.
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In 3b sind
belegte und freie Speicherblöcke
SB1, SB2 .. dargestellt. Erreicht der Zählerstand Z eines Speicherblocks
z. B. SB1 den Maximalwert SZmax so wird der gesamte Speicherblock,
wie oben beschrieben, verschoben.
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Schreibzugriffsfehler
können
durch das Verschieben von Speicherblöcken ebenfalls nicht mehr auftreten.
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In 4 ist
der Speicherbereich des flüchtigen
Speichers VM dargestellt. Der Speicher VM ist in zwei Speicherbereiche
ZP für
zyklische Parameter und AP für
azyklische Parameter aufgeteilt. Die azyklischen Parameter werden
normalerweise sofort in den nichtflüchtigen Datenspeicher NVM geschrieben.
Zyklische Parameter werden durch die Speicherverwaltungseinheit
SV nur bei einer Unterbrechung der Spannungsversorgung des Feldgerätes F in
den nichtflüchtigen
Datenspeicher NVM geschrieben. Für
diese automatische Sicherung ist ein kleiner Energiespeicher, die
interne Spannungsversorgungseinheit PWR, notwendig, die die zum
Schreiben der Daten notwendige Energie liefert. Je mehr Parameterwerte
gespeichert werden müssen,
desto größer muss
der Energiespeicher sein.
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So
können
Parameter Pi mit häufigen Schreibzugriffen,
durch die Speicherverwaltungseinheit SV in den Speicherbereich des
flüchtigen
Speicher VM ausgelagert werden, der bei einer Unterbrechung der
Spannungsversorgung automatisch gesichert wird.
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Dadurch
können
häufige
Schreibzugriffe auf den nichtflüchtigen
Datenspeicher vermieden werden und trotzdem gehen die Parameterwerte
nicht verloren.
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Diese
Möglichkeit
ist prinzipiell nur bei Felgeräten
gegeben, die keinen Beschränkungen
im Hinblick auf Ex-Sicherheit unterworfen sind. Für Ex-Geräte wäre eine
solche Lösung
mit einem Energiespeicher sehr aufwendig und damit auch sehr teuer.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist das Feldgerät als nichtflüchtigen
beschreibbaren Datenspeicher NVM zum Speichern von Parameterwerten
einen MRAM- oder FRAM-Speicher auf.
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Diese
magnetischen Speicher erlauben mehr Speicherzugriffe als EEPROM-Speicher,
so dass auch häufige
Speicherzugriffe auf diesen Speicher nicht zu Fehlern führen können.
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Alternativ
kann die Speicherverwaltungseinheit SV Parameter Pi mit häufigen Schreibzugriffen
in den flüchtigen
Speicher VM auslagern und nur Zwischenwerte Z der Parameter Pi werden
im nichtflüchtigen
Datenspeicher NVM speichert. Dadurch erfolgen die häufigen Schreibzugriffe
auf den flüchtigen Speicher
VM, der keiner Beschränkung
hinsichtlich der Schreibzugriffe unterworfen ist.
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Die
Speicherverwaltungseinheit SV und der Zähler Z sind in einfachster
Weise in die Gerätesoftware
des Feldgerätes
F integriert.