DE102007032715A1

DE102007032715A1 - System und Verfahren zur Überwachung des Datenverkehrs bei einem Feldbus

Info

Publication number: DE102007032715A1
Application number: DE102007032715A
Authority: DE
Inventors: Michael Gienke
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-07-14
Also published as: US20090018672A1; DE102007032715B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung des Datenverkehrs bei einem Feldbus (2) eines Prozessautomatisierungssystems, das mehrere Feldgeräte (1a, 1b) zur Durchführung einer Prozessfunktion umfasst, die über mindestens eine übergeordnete Steuereinheit (3, 5, 6) ansteuerbar sind, wobei am Feldbus (2) ein Überwachungsgerät (7) für den Datenverkehr und Weiterleitung von im Datenverkehr enthaltenen Informationen an die übergeordnete Steuereinheit (3, 5, 6) angeschlossen ist. Es wird vorgeschlagen, dass das Überwachungsgerät (7) Qualitätsparameter des Datenverkehrs kontinuierlich erfasst und über einen Datenfunkkanal (8) direkt an die Ebene der übergeordneten Steuereinheit (3, 5, 6) kommuniziert, welche die Qualitätsparameter des Datenverkehrs analysiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung des Datenverkehrs bei einem Feldbus eines Prozessautomatisierungssystems, das mehrere Feldgeräte zur Durchführung einer Prozessfunktion umfasst, die über mindestens eine übergeordnete Steuereinheit ansteuerbar sind, wobei am Feldbus ein Überwachungsgerät für den Datenverkehr und Weiterleitung von im Datenverkehr enthaltenen Informationen an die übergeordnete Steuereinheit angeschlossen ist.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf Prozessautomatisierungssysteme, in denen Feldgeräte, wie Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, zum Einsatz kommen, um Prozessfunktionen durchzuführen oder Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck bzw. Temperatur, zu messen oder zu beeinflussen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie Ventile, welche den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bestimmen. Feldgeräte der hier interessierenden Art sind über einen Feldbus als Kommunikationsmittel in das Prozessautomatisierungssystem eingebunden. Geeignete standardisierte Busprotokolle sind beispielsweise HART, Profibus, Foundation Fieldbus. Hierüber kommunizieren die einzelnen Feldgeräte mit übergeordneten Steuereinheiten, welche unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und zum Bedienen der Feldgeräte vorgesehen sind. Neben den auf Prozessparameter einwirkenden Feldgeräte der vorstehend erwähnten Art existieren auch Feldgeräten, welche nicht auf Prozessvariablen einwirken und lediglich zur Kommunikation mit den übergeordneten Steuereinheiten dienen, wie Remote I/O, Gateways oder Linking Devices. Die Kommunikation all dieser Elemente des Prozessautomatisierungssystems verursacht einen entsprechenden Datenverkehr auf dem Feldbus.
Aus der DE 10 2005 063 053 A1 geht ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Überwachung des Datenverkehrs auf einem Feldbus eines Prozessautomatisierungssystems hervor. Der regelmäßige Datenverkehr auf dem Feldbus, der zur Prozesssteuerung dient, wird hier durch eine Anlagenüberwachungseinheit abgehört. Es erfolgt eine Prüfung der Bustelegramme des regelmäßigen Datenverkehrs auf Informationen, die auf ein Diagnoseereignis bei einem der Feldgeräte hinweisen. Falls ein Bustelegramm mit einem solchen Diagnoseereignis festgestellt wird, werden von der Anlagenüberwachungseinheit weitere Diagnoseinformationen von dem betreffenden Feldgerät angefordert.
Die Anlagenüberwachungseinheit stellt hierbei eine in das Prozessautomatisierungssystem eingebettetes Element dar, welches über den Feldbus mit den einzelnen Feldgeräten sowie auch mit der übergeordneten Steuereinheit kommuniziert. Die durch die Anlagenüberwachungseinheit ausgeübte so genannte „Gateway"- Funktion erfordert, dass andere Elemente des Prozessautomatisierungssystems die Diagnosefunktionen kennen und diese durch das System per Routing an den vorgesehenen Empfänger weiterleiten. Entsprechend aufwendig ist die Konfiguration des Gesamtsystems zur Realisierung solcher Anlagenüberwachungsfunktionen. Der Aufwand steigt dabei mit zunehmenden Umfang von Überwachungsfunktionen.
So ist es beispielsweise wünschenswert, den Datenverkehr auf einem Feldbus hinsichtlich seiner gesamten Qualität zu überwachen. Denn Probleme im Datenaustausch über einen Feldbus sind wie die Praxis zeigt oftmals direkt auf Qualitätsparameter, wie ansteigender Rauschpegel, beschädigte Bustelegramme oder fehlgeschlagene Datenübertragungsversuche zurückzuführen. Tests haben gezeigt, dass mehr als 75% der auftretenden Probleme mit solchen kritischen Qualitätsparametern zusammenhängen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung des Datenverkehrs hinsichtlich Qualitätsparameter zu schaffen, mit welchem unter geringem technischen Aufwand eine zuverlässige Überwachung darstellbar ist.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 10 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das im Feldbus eingebundene Überwachungsgerät Qualitätsparameter des Datenverkehrs kontinuierlich umfasst und über einen Datenfunkkanal direkt an die eine übergeordnete Steuereinheit kommuniziert, welche die Qualitätsparameter des Datenverkehrs analysiert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass sich diese ohne viel Aufwand in bereits bestehende Prozessautomatisierungssysteme integrieren lässt. Im Prinzip braucht lediglich ein Überwachungsgerät zum Auslesen des Datenverkehrs des Feldbuses dort angeschlossen zu werden. Seitens der datenauswertenden übergeordneten Steuereinheit ist ein Funkempfänger anzuschließen. Somit können die Daten über den Funkkanal direkt an die übergeordnete Steuereinheit weitergeleitet werden und es ist nicht erforderlich, entsprechende Routingmaßnahmen innerhalb des Prozessautomatisierungssystems zu treffen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Überwachungsgerät analysierbaren physikalischen Größen umfassen vorzugsweise die physikalischen Größen: maximaler Rauschpegel, Anzahl beschädigter Bustelegramme, Anzahl von fehlgeschlagenen Datenübertragungsversuchen. Anhand dieser und ähnlicher physikalischer Größen lässt sich die Qualität des Datenverkehrs innerhalb des Feldbuses beurteilen, so dass im Bedarfsfall zielgerichtete Wartungs- oder Reparaturarbeiten durchgeführt werden können.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Überwachungsgerät über den Feldbus mit der erforderlichen Betriebsspannung versorgt wird. Insoweit können zusätzliche Stromversorgungsmittel, wie Batterien und dergleichen entfallen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, das Überwachungsgerät zusätzlich mit Eingabemitteln zur lokalen Programmierung und Anzeigemitteln zur lokalen Kontrolle auszustatten. Als Eingabemittel können beispielsweise einzelne Tasten vorgesehen werden, über welche das Überwachungsgerät in Betrieb gesetzt wird, ein Selbsttest durchführbar ist und/oder die Initialisierung der Funkübertragungsstrecke ausgelöst werden kann. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, geeignete Anzeigemittel, die im einfachsten Falle als LED ausgebildet sind, zu nutzen, um beispielsweise den Betriebsstatus optisch anzuzeigen.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, das Überwachungsgerät mit einem zusätzlichen Steckanschluss auszustatten. Über diesen Steckanschluss kann ein tragbares Diagnosegerät an das Überwachungsgerät angeschlossen werden, um dessen Funktion von externer Stelle her bei Ausfall zu ersetzen oder ein im Überwachungsgerät abgespeichertes Fehlerprotokoll auszulesen.
Der Datenfunkkanal zwischen dem Überwachungsgerät und der die Qualitätsparameter analysierenden übergeordneten Steuereinheit muss hinsichtlich Signalübertragungsqualität und erforderliche Sendeleistung optimal sein. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, einen Datenfunkkanal nach dem WLAN-Standard einzurichten. Dieser Standard deckt die normalen Entfernungen bei einem Prozessautomatisierungssystem, welche durch die Funkstrecke zu überbrücken sind, zuverlässig ab und der gerätetechnische Aufwand ist minimal. Alternativ zu WLAN können für den Datenfunkkanal auch andere standardisierte Datenfunkübertragungsprotokolle zur Anwendung kommen, wie beispielsweise Bluethooth und dergleichen, soweit die baulichen Randbedingungen eine sichere Datenübertragung gewährleisten.
Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Analyseergebnis der Qualitätsparameter des Datenverkehrs zwecks Auswertung in Form einer graphischen Darstellung entlang einer Zeitachse angezeigt wird. Somit lässt sich das von der übergeordneten Steuereinheit bereitgestellte Analysenergebnis in anschaulicher Form dem Betreiber des Prozessautomatisierungssystems präsentieren. Dabei kann die graphische Darstellung beispielsweise mit Hilfe eines Monitors erfolgen. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, Analyseergebnisse zunächst zu speichern und bei Bedarf von der elektronischen Steuereinheit abzurufen, beispielsweise in Form eines Messschriebs.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Prozessautomatisierungssystems mit einer Einrichtung zur Überwachung des Datenverkehrs.
Gemäß der einzigen Figur umfasst das Prozessautomatisierungssystem mehrere Feldgeräte 1a und 1b, welche hier als Temperatursensoren ausgebildet sind. Die Feldgeräte 1a und 1b ermitteln die Temperatur eines Prozessmediums und kommunizieren diese über einen Feldbus 2 an eine übergeordnete Steuereinheit 3. Zur Anpassung der Systemebene der Feldgeräte 1a und 1b ist ein Gateway 4 im Kommunikationsweg zur Steuereinheit 3 vorgesehen.
Die Steuereinheit 3 lässt sich von einer als Betriebsterminal ausgebildeten weiteren Steuereinheit 5 bedienen. Ferner umfasst dieses Prozessautomatisierungssystem eine dritte Steuereinheit 6 als Anlagenoptimierungsterminal.
Am Feldbus 2 ist auf der Ebene der Feldgeräte 1a und 1b ein Überwachungsgerät 7 angeschlossen. Das Überwachungsgerät 7 liest den Datenverkehr auf dem Feldbus 2 aus, um Qualitätsparameter des Datenverkehrs, insbesondere Rauschpegel, beschädigte Bustelegramme, fehlgeschlagene Datenübertragungsversuche, zu erfassen. Diese speziellen Informationen werden über einen Datenfunkkanal 8 direkt an die Ebene der übergeordneten Steuereinheit 3, 5 und 6 kommuniziert, welche die Qualitätsparameter des Datenverkehrs analysieren. Diese Analyse umfasst Vergleiche, um festzustellen, ob beispielsweise ein vorgegebener maximaler Rauschpegel erreicht ist. Bejahendenfalls ist die fehlerlose Informationsübertragung auf dem Feldbus 2 in Gefahr und es können eine Fehlersuche sowie zielgerichtete Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen veranlasst werden. Übersteigt im Beispiel des Qualitätsparameters beschädigter Bustelegramme die Anzahl beschädigter Bustelegramme einem vorgegebenen Grenzwert, so können ebenfalls geeignete Maßnahmen zur Behebung dieser Situation getroffen werden.
Um die erfindungsgemäße Funkkommunikation zu gewährleisten, umfasst die Ebene der übergeordneten Steuereinheiten 3, 5 und 6 einen Funkempfänger 9, der über den Datenfunkkanal 8 mit einer Senderschnittstelle des Überwachungsgerätes 7 in Verbindung steht. Die Stromversorgung des Überwachungsgeräts 7 samt Senderschnittstelle erfolgt über den Feldbus 2.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, das Überwachungsgerät 7 mit weiteren Funktionen auszustatten. So kann beispielsweise über lokale Eingabemittel eine Programmierung des Überwachungsgeräts 7 erfolgen und über ergänzend hierzu vorgesehene Anzeigemittel, im einfachsten Falle in Form mehrere LED's, kann eine Funktionskontrolle vor Ort erfolgen.
Ferner kann das Überwachungsgerät 7 auch mit einem Steckanschluss zur Verbindung mit einem tragbaren Diagnosegerät ausgestattet werden, worüber Fehlerprotokolle auslesbar sind oder die Funktion des Überwachungsgeräts 7 bei Ausfall über ein solches tragbares Diagnosegerät zeitweise übernommen wird.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, das Überwachungsgerät 7 in das Gateway 4 zu integrieren. Vorteilhafterweise wird dadurch die Anzahl der Busteilnehmer am Feldbus 2 unabhängig von dem hinzugefügten Überwachungsgerät 7.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gateway 4 direkt mit den übergeordneten Steuereinheiten 5 und 6 verbunden ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Prozessregelung in den Feldgeräten 1a und 1b abläuft.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Feldbus 2 direkt an die übergeordnete Steuereinheit 3 angeschlossen ist.
Das erfindungsgemäße Überwachungsgerät mit integrierter Datenfunkfunktion lässt sich in einfacher Weise in bestehende Prozessautomatisierungssysteme integrieren, ohne das hierfür erhebliche systemtechnische Anpassungen erforderlich ist.

1: Feldgerät
2: Feldbus
3: Steuereinheit (Controller)
4: Gateway
5: Steuereinheit (Betriebsterminal)
6: Steuereinheit (Anlagenoptimierungssteuerung)
7: Überwachungsgerät
8: Datenfunkkanal
9: Funkempfänger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005063053 A1 [0003]

Claims

Einrichtung zur Überwachung des Datenverkehrs bei einem Feldbus (2) eines Prozessautomatisierungssystems, das mehrere Feldgeräte (1a, 1b) zur Durchführung einer Prozessfunktion umfasst, die über mindestens eine übergeordnete Steuereinheit (3, 5, 6) ansteuerbar sind, wobei am Feldbus (2) ein Überwachungsgerät (7) für den Datenverkehr und Weiterleitung von im Datenverkehr enthaltenen Informationen an die übergeordnete Steuereinheit (3, 5, 6) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsgerät (7) Qualitätsparameter des Datenverkehrs kontinuierlich erfasst und über einen Datenfunkkanal (8) direkt an die Ebene der übergeordneten Steuereinheit (3, 5, 6) kommuniziert, welche die Qualitätsparameter des Datenverkehrs analysiert.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätsparameter physikalische Größen darstellen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, umfassend: maximaler Rauschpegel, Anzahl beschädigter Bustelegramme, Anzahl von fehlgeschlagenen Datenübertragungsversuchen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Steuereinheit (3, 5, 6) an einem zugeordneten Funkempfänger (9) an geschlossen ist, der über den Datenfunkkanal (8) mit einer Senderschnittstelle des Überwachungsgeräts (7) in Verbindung steht.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung des Überwachungsgeräts (7) über den Feldbus (2) erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldbus (2) nach einem standardisierten Busprotokoll arbeitet, ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend: HART, Profibus, Foundation Fieldbus.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsgerät (7) mit Eingabemitteln zur lokalen Programmierung und Anzeigemitteln zur lokalen Kontrolle ausgestattet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsgerät (7) einen Steckanschluss zur Verbindung mit einem tragbaren Diagnosegerät aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenfunkkanal (8) nach dem WLAN-Standard ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldbus (2) über ein Gateway (4) mit einer übergeordneten Steuereinheit (3, 5, 6) verbunden ist und das Überwachungsgerät (7) in das Gateway (4) integriert ist.
Verfahren zur Überwachung des Datenverkehrs bei einem Feldbus (2) eines Prozessautomatisierungssystems, über den mehrere Feldgeräte (1a, 1b) zur Durchführung einer Prozessfunktion angeschlossen werden, die über mindestens eine übergeordnete Steuereinheit (7) angesteuert werden, wobei am Feldbus (2) ein Überwachungsgerät (7) für den Datenverkehr angeschlossen wird und die im Datenverkehr enthaltenen Informationen an die übergeordnete Steuereinheit (3, 5, 6) weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Überwachungsgerät (7) Qualitätsparameter des Datenverkehrs kontinuierlich erfasst werden und direkt über einen Datenfunkkanal (8) an die übergeordnete Steuereinheit (3, 5, 6) kommuniziert werden, worin die Qualitätsparameter des Datenverkehrs analysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Analyseergebnis der Qualitätsparameter des Datenverkehrs zwecks Auswertung in Form einer graphischen Darstellung entlang einer Zeitachse angezeigt wird.