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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Prozesssteuerungssysteme
der Art, wie sie in Prozessen in der Chemie-, Petroleum- oder anderen
Industrien eingesetzt werden, weisen typischerweise eine oder mehrere
zentrale Prozesssteuerungen auf, die über analoge, digitale oder
kombinierte analoge/digitale Busse mit mindestens einer Host- oder
Bedienerstation und einem oder mehreren Feldgeräten oder Relais kommunikativ
verbunden sind. Die Feldgeräte,
bei denen es sich beispielsweise um Ventile, Ventilsteller, Schalter
und Geber (beispielsweise Temperatur-, Druck- und Strömungsgeschwindigkeitssensoren)
handeln kann, erfüllen
innerhalb des Prozesses bestimmte Funktionen wie beispielsweise Öffnen oder
Schließen
von Ventilen und Messung von Prozessparametern. Die Relais, die
Solid-State-Relais, mechanische Relais, Schutzrelais, Überstromrelais,
Sicherheitsrelais etc. sein können, führen innerhalb
des Prozesses Funktionen aus, um ein Signal zu replizieren, mechanische
Stellglieder, Ventile und/oder Schalter zu öffnen und/oder zu schließen, um
selektiv Energie und/oder andere Signale an Feldgeräte etc.
zu übertragen.
Die Prozesssteuerungen empfangen Signale, die von den Feldgeräten durchgeführte Prozessmessungen
und/oder andere Informationen im Zusammenhang mit den Feldgeräten und
Relais repräsentieren,
verwenden diese Information zur Durchführung einer oder mehrerer Steuerungsroutinen
und erzeugen im Anschluss daran Steuersignale, die über die
Busse oder andere Kommunikationsleitungen zu den Feldgeräten und/oder
Relais übertragen
werden, um den Ablauf des Prozesses zu steuern. Die von den Feldgeräten, Relais
und den Steuerungen kommenden Informationen können einer oder mehreren Anwendungen
zur Verfügung
gestellt werden, die von der Bedienerstation ausgeführt werden,
damit ein Bediener gewünschte
Funktionen in Bezug auf den Prozess durchführen kann. Hierbei kann es
sich beispielsweise um die Betrachtung des aktuellen Status des
Prozesses, eine Änderung
des Prozessablaufs, das Testen des Betriebs des Prozesses etc. handeln.
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Einige
Prozesssteuerungssysteme oder Teile davon können erhebliche Sicherheitsrisiken
darstellen. Beispielsweise können
chemische Verarbeitungsanlagen, Kraftwerke etc. kritische Prozesse
implementieren, die, wenn sie nicht ordnungsgemäß kontrolliert und/oder rasch
mittels einer zuvor festgelegten Abschaltsequenz abgeschaltet werden,
zu erheblichen Personenschäden,
Umweltschäden und/oder
Schäden
an Ausrüstungen
führen
könnten. Um
den Sicherheitsrisiken zu begegnen, die mit derartige kritische
Prozesse aufweisenden Prozesssteuerungssystemen verbunden sind,
bieten viele Anbieter von Prozesssteuerungssystemen Produkte an, die
sicherheitsbezogenen Standards entsprechen wie beispielsweise dem
International Electrotechnical Commission (IEC) Standard 61508 und
dem Standard IEC 61511.
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Allgemein
werden Prozesssteuerungssysteme, die einem oder mehreren bekannten
sicherheitsbezogenen Standards entsprechen, mittels einer Sicherheits-Mess-,
Steuerungs- und Regelungssystemarchitektur implementiert, in der
die Steuerungen, Relais und Feldgeräte, die dem grundlegenden Prozesssteuerungssystem
zugeordnet sind, das für
die kontinuierliche Steuerung des Gesamtprozesses verantwortlich
ist, physisch und logisch getrennt von den speziellen Zwecken dienenden
Feldgeräten
und anderen speziellen Zwecken dienenden Steuerungselementen getrennt
sind, die dem Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungssystem
zugeordnet sind, das für
die Ausführung
von Sicherheits-Mess-,
Steuerungs- und Regelungsfunktionen zuständig ist, um die sichere Abschaltung
des Prozesses als Reaktion auf Steuerungsbedingungen zu gewährleisten,
die ein signifikantes Sicherheitsrisiko darstellen. Insbesondere
erfordert die Einhaltung zahlreicher bekannter sicherheitsbezogener
Standards, dass ein grundlegendes Prozesssteuerungssystem durch
speziellen Zwecken dienende Steuerungselemente wie beispielsweise
Logik-Solver, sicherheitszertifizierte Feldgeräte (beispielsweise Sensoren,
Sicherheitsrelais, Stellglieder wie beispielsweise pneumatisch betätigte Ventile)
und sicherheitszertifizierte Software oder Code (beispielsweise
zertifizierte Anwendungen, Funktionsmodule, Funktionsblöcke etc.)
ergänzt werden.
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Wie
zuvor diskutiert, können
Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungssysteme Sicherheitsrelais
aufweisen, was einen relativ hohen Grad an Diagnosereichweite und
Fehlertoleranz erfordern kann. Beispielsweise bedeutet eine Hardwaregeräte-Fehlertoleranz
von zwei, dass zwei Komponenten des Geräts ausfallen könnten und
die Funktion immer noch von dem Gerät ausgeführt würde. Aus diesen Forderungen
wurden Sicherheitsrelais entwickelt, die multiple Schaltelemente
zur Verfügung
stellen, um einen elektrischen Pfad beispielsweise zwischen einer
Stromquelle oder einer anderen Signalquelle und einem Feldgerät zu unterbrechen.
Allgemein verwenden diese Sicherheitsrelais multiple zwangsgeführte Relais,
die mechanisch verbundene Kontakte aufweisen. Demzufolge bewegen sich
die Relaiskontakte gemeinsam, wenn eine oder mehrere Relaisspulen
erregt oder entregt werden. Derartige zwangsgeführte Relais sind jedoch teuer zu
warten und zu betreiben, da derartige Relais physisch vom Prozess
entfernt werden müssen,
um den Betrieb der Relais zu testen. Gleichermaßen muss, wenn ein Fehler am
Relais wie beispielsweise ein oder mehrere nicht betriebsfähige Kontakte
(beispielsweise ein oder mehrere verschweißte Kontakte) vorliegt, der
Prozess abgeschaltet werden, um das fehlerhafte Relais zu ersetzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Nach
einem Aspekt weist ein Prozesssteuerungssystem, das eine Mehrzahl
von Feldgeräten steuern
kann, ein beispielhaftes Relaismodul auf, das als Sicherheitsrelais
mit unabhängig
testbaren Relaiskontakten konfiguriert ist. Spezifischer ist ein beispielhaftes
Sicherheitsrelais mit einer Mehrzahl den Relaisspulen zugeordneter,
parallel geschalteter Relaisspulen und einer Mehrzahl in Reihe geschalteter
Relaiskontakte konfiguriert, wobei der Betrieb eines jeden der Relaiskontakte
als Antwort auf ein an die Relaisspulen angelegtes Signal testbar
ist.
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Nach
einem weiteren Aspekt weist ein beispielhaftes Sicherheitsrelais
eine Mehrzahl von Relaisspulen, eine Mehrzahl von Schaltern und
eine Mehrzahl von Relaiskontakten auf. Spezifischer sind die Relaiskontakte
in Reihe geschaltet und die Relaisspulen sind parallel geschaltet,
sodass jeder Relaiskontakt von jeweils einem der Schalter unabhängig gesteuert
werden kann.
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Nach
noch einem weiteren Aspekt wird ein beispielhaftes Verfahren zum
Testen eines Sicherheitsrelais wie beispielsweise einem Sicherheitsrelais
mit unabhängig
testbaren Kontakten beschrieben. Das beispielhafte Verfahren stellt
einen Prozess zur Verfügung,
um einen Schalter an den beispielhaften Sicherheitsrelais zu öffnen, um
jeweils einen einer Mehrzahl von Relaiskontakten unabhängig zu testen
und um ein der Mehrzahl von Relaiskontakten zugeordnetes elektrisches
Potenzial zu testen. Das elektrische Potenzial identifiziert die
Betriebsfähigkeit oder
Betriebsunfähigkeit
des von dem Schalter gesteuerten Relaiskontakt, um beispielsweise
festzustellen, ob der Relaiskontakt verschweißt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines beispielhaften Prozesssteuerungssystems,
das die hierin beschriebenen beispielhaften Sicherheitsrelais verwenden
kann.
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2 ist
ein detailliertes Blockdiagramm eines Teils des Sicherheits-Mess-, Steuerungs-
und Regelungssystemteils des beispielhaften Prozesssteuerungssystems
in 1.
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3 ist
eine Schemadarstellung einer bekannten Sicherheitsrelaiskonfiguration.
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4 ist
eine Schemadarstellung eines beispielhaften Sicherheitsrelais mit
unabhängig
testbaren Relaiskontakten.
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5 ist
eine Schemadarstellung des beispielhaften Sicherheitsrelais in 4 in
einem Teststatus, in dem ein betriebsfähiger Relaiskontakt geöffnet ist.
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6 ist
eine Schemadarstellung des beispielhaften Sicherheitsrelais in 4 in
einem Teststatus, in dem ein nicht betriebsfähiger Relaiskontakt nicht öffnet.
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7 ist
eine Schemadarstellung eines zweiten beispielhaften Sicherheitsrelais
mit unabhängig
testbaren Kontakten.
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8 ist
eine Schemadarstellung eines dritten beispielhaften Sicherheitsrelais
mit unabhängig testbaren
Kontakten.
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9 ist
eine Schemadarstellung eines vierten beispielhaften Sicherheitsrelais
mit unabhängig testbaren
Kontakten.
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10 ist
ein ein beispielhaftes Verfahren zum Testen eines beispielhaften
Sicherheitsrelais zeigendes Flussdiagramm.
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11 ist
ein ein beispielhaftes Verfahren zeigendes Flussdiagramm, das verwendet
werden kann, um den in 10 dargestellten Sicherheitsrelaistestprozess
zu implementieren.
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12 ist
eine Schemadarstellung eines beispielhaften Verarbeitungssystem,
das zur Implementierung der hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen
verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Allgemein
beziehen sich die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren
auf Sicherheitsrelais, die beispielsweise innerhalb eines Prozesssteuerungssystems
und insbesondere eines Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungs-Prozesssteuerungssystems
verwendet werden können,
um ein redundantes, testbares und fehlertolerantes System zur Verfügung zu
stellen. Spezifischer wird in einer beispielhaften Implementierung
ein Sicherheitsrelais mit unabhängig
testbaren Kontakten offengelegt. Das beispielhafte Sicherheitsrelais
ist mit einer Mehrzahl den Relaisspulen zugeordneter, parallel geschalteter
Relaisspulen und einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Relaiskontakte
konfiguriert, wobei der Betrieb eines jeden der Relaiskontakte als
Antwort auf ein an die Relaisspulen angelegtes Signal testbar ist.
Im Fall eines oder mehrerer nicht betriebsfähiger Relaiskontakte (beispielsweise
verschweißte Kontakte)
kann das Signal die jeweiligen fehlerbehafteten Relaiskontakte auf
der Grundlage einer gemessenen elektrischen Kenngröße der Relaiskontakte (beispielsweise
eines elektrischen Potenzials, eines elektrischen Stroms etc.) identifizieren.
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In
einer weiteren hierin beschriebenen beispielhaften Implementierung
ist ein Sicherheitsrelais konfiguriert, das Testen eines Sicherheitsrelais
zu ermöglichen,
während
eines oder mehrere Feldgeräte, die
von dem Sicherheitsrelais gesteuert werden können, während des Testens weiterhin
von einer Energiequelle betätigt
werden können.
Spezifischer weist das beispielhafte Sicherheitsrelais einen Bypass-Schalter
auf, um einen alternativen elektrischen Pfad zwischen der Energiequelle
und den Feldgeräten
zur Verfügung
zu stellen.
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In
einem anderen Aspekt wird ein beispielhaftes Verfahren zum Testen
von Sicherheitsrelais beschrieben. Das beispielhafte Verfahren stellt
einen Prozess zur Verfügung,
um einen Schalter an den beispielhaften Sicherheitsrelais zu öffnen, um
jeweils einen einer Mehrzahl von Relaiskontakten unabhängig zu
steuern und um eine elektrische Kenngröße (beispielsweise ein elektrisches
Potenzial, einen elektrischen Strom etc.) der Mehrzahl von Relaiskontakten
zu messen. Die elektrische Kenngröße identifiziert die Betriebsfähigkeit
oder Betriebsunfähigkeit des
von dem Schalter gesteuerten Relaiskontaktes, um beispielsweise
festzustellen, ob der Relaiskontakt verschweißt ist.
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Im
Gegensatz zu bekannten Sicherheitsrelais versetzen die hierin beschriebenen
Sicherheitsrelais mithin einen menschlichen Bediener, eine elektronische
Steuerung und/oder jedes programmierbare Gerät, die Betriebsfähigkeit
der Sicherheitsrelais zu testen. Somit bieten die hierin beschriebenen
beispielhaften Sicherheitsrelais auch im Vergleich zu bekannten
Sicherheitsrelais einen hohen Grad an Testbarkeit, um die Sicherheit
weiter zu verbessern. Auch können
die hierin beschriebenen beispielhaften Sicherheitsrelais Feldgeräte und Prozesssteuerungssysteme
in die Lage versetzen, während
eines derartigen Testens kontinuierlich zu arbeiten, sodass die
betrieblichen Auswirkungen auf die Feldgeräte und Prozesssteuerungssysteme
signifikant reduziert werden. Entsprechend braucht das Testen der
hierin beschriebenen beispielhaften Sicherheitsrelais keine Außerbetriebsetzung
oder eine andere derartige Beendigung des Betriebs von Feldgeräten und/oder Prozesssteuerungssystemen
zu erfordern, was signifikante Produktionskosten und Zeit erfordern
kann. Beispielsweise kann das Testen der beispielhaften Sicherheitsrelais
und mithin der Sicherheit von Feldgeräten und/oder Prozesssteuerungssystemen
häufiger
erfolgen, da derartiges Testen keine Betriebsunterbrechnungen zu
beinhalten braucht.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines exemplarischen Prozesssteuerungssystems 10,
das die hierin beschriebenen beispielhaften Sicherheitsrelaisvorrichtungen,
Verfahren und Produkte verwendet. Wie in 1 dargestellt,
weist das Prozesssteuerungssystem 10 einen grundlegenden
Prozesssteuerungssystemteil 12 und einen Sicherheits-Mess-,
Steuerungs- und Regelungsteil 14 auf. Der grundlegende Prozesssteuerungssystemteil 12 ist
für die
kontinuierliche Ausführung
eines gesteuerten Prozesses verantwortlich, während der Sicherheits-Mess-,
Steuerungs- und Regelungsteil 14 für die Durchführung einer
Abschaltung des gesteuerten Prozesses als Antwort auf einen oder
mehrere unsichere Zustände verantwortlich
ist. Wie in 1 dargestellt, weist der grundlegende
Prozesssteuerungssystemteil 12 eine Steuerung 120,
eine Bedienerstation 122, eine aktive Anwendungsstation 124 und
eine Standby-Anwendungsstation 126 auf, von denen jeder/jede
kommunikativ über
einen Bus oder ein lokales Netzwerk (LAN) 130, das allgemein
als Anwendungssteuerungsnetzwerk (ACN) bezeichnet wird, verbunden sein
kann. Die Bedienerstation 122 und die Anwendungsstationen 124 und 126 können mittels
eines oder mehrerer Bedienrechner oder beliebige andere geeignete
Computersysteme oder Verarbeitungseinheiten implementiert werden.
Beispielsweise könnten die
Anwendungsstationen 124 und 126 mittels Personal
Computern ähnlich
dem nachstehend in 12 dargestellten beispielhaften
Prozessorsystem 1200, Einfach- oder Multi-Prozessor-Bedienrechnern etc.
implementiert werden. Zusätzlich
kann das LAN 130 mittels jedes gewünschten Kommunikationsprotokolls
und –mediums
einschließlich
festverdrahteter oder drahtloser Kommunikationsverbindungen implementiert
werden. So kann das LAN 130 beispielsweise auf einem festverdrahteten
oder drahtlosen Ethernet-Kommunikationssystem
basieren, das bestens bekannt ist und daher hierin nicht ausführlicherer
beschrieben wird. Für
den technisch Versierten ist jedoch sofort ersichtlich, dass auch
jedes andere geeignete Kommunikationsmedium und -protokoll verwendet
werden kann. Darüber
hinaus ist zwar nur ein einzelnes LAN dargestellt, jedoch können mehr
als ein LAN und geeignete Kommunikationshardware innerhalb der Anwendungsstationen 124 und 126 eingesetzt
werden, um redundante Kommunikationspfade zwischen der Bedienerstation 122,
den Anwendungsstationen 124 und 126 sowie der
Steuerung 120 zu schaffen.
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Die
Steuerung 120 kann über
einen digitalen Datenbus 132 und ein Eingabe/Ausgabe- (E/A-)
Gerät 128 mit
einer Mehrzahl intelligenter Feldgeräte 140 und 142 verbunden
werden. Das E/A-Gerät 128 stellt
eine oder mehrere Schnittstellen für die Steuerung 120 und
alle anderen mit dem digitalen Datenbus 132 verbundenen
Geräte
(beispielsweise die intelligenten Feldgeräte 140 und 142,
das Relaismodul 150 etc.) bereit, um gemeinsam mit über diese Schnittstellen
gesendeten und empfangenen Signalen zu kommunizieren. Beispielsweise
kann das E/A-Gerät 128 mittels
jedes Typs einer aktuellen oder zukünftigen Standardschnittstelle
wie beispielsweise eine externe Speicherschnittstelle, einen seriellen Port,
eine Eingabe/Ausgabe für
allgemeine Zwecke oder jedes anderen Typs eines aktuellen oder zukünftigen
Kommunikationsgeräts
wie beispielsweise ein Modern, eine Netzwerkschnittstellenkarte
etc. implementiert werden. Der digitale Datenbus 132 kann jedes
physische Arrangement sein, das logische Kommunikationsfunktionalität zur Verfügung stellt, wie
beispielsweise parallele elektrische Busse mit multiplen Verbindungen,
bitserielle Verbindungen, sowohl parallele als auch bitserielle
Verbindungen, Switched-Hub-Verbindungen,
eine Multidrop-Topologie, eine Daist-Chain-Topologie etc. Bei den
intelligenten Feldgeräten 140 und 142 kann
es sich um Feldbus-geeignete Ventile, Stellglieder, Sensoren etc.
handeln. In diesem Fall kommunizieren die intelligenten Feldgeräte 140 und 142 mittels
des bestens bekannten Feldbus-Protokolls über den digitalen Datenbus 132.
Statt dessen könnten
selbstverständlich jedoch
auch andere Arten von intelligenten Feldgeräten und Kommunikationsprotokollen
verwendet werden. So könnte
es sich beispielsweise bei den intelligenten Feldgeräten 140 und 142 statt
dessen um Profibus- oder HART-geeignete Geräte handeln, die mittels der
bestens bekannten Profibus- und HART-Kommunikationsprotokolle über den
Datenbus 132 kommunizieren. Mit der Steuerung 120 können zusätzliche
E/A-Geräte
(ähnlich
dem E/A-Gerät 128 bzw.
identisch mit diesem) verbunden werden, um zusätzliche Gruppen von intelligenten
Feldgeräten,
bei denen es sich um Feldbus-Geräte, HART-Geräte etc.
handeln kann, in die Lage zu versetzen, mit der Steuerung 120 zu
kommunizieren.
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Zusätzlich zu
den intelligenten Feldgeräten 140 und 142 kann
die Steuerung 120 über
den digitalen Datenbus 132 mit einem Relaismodul 150 verbunden
werden. Das Relaismodul 150 kann auf von der Steuerung 120 über den
Datenbus 132 gesendete Signale antworten. Beispielsweise
kann das Relaismodul 150 auf ein Signal von der Steuerung 120 antworten
und anschließend
einen oder mehrere Schalter am Relaismodul 150 öffnen und/oder
schließen.
In der hierin enthaltenen Diskussion kann ein Relaismodul ein oder
mehrere Relais aufweisen, die einen oder mehrere elektrische Schalter
veranlassen, als Antwort auf ein elektrisches Signal nicht notwendigerweise
gleichzeitig zu öffnen
und/oder zu schließen.
Die Komponenten des Relais oder der Relaismodule können eine
oder mehrere elektronische Solid-State Komponente(n) und/oder elektromechanische
Komponente(n) aufweisen, um diese Funktionalität zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich kann
die Steuerung 120 den Wert einer elektrischen Kenngröße wie beispielsweise
eines elektrischen Potenzials, eines elektrischen Stroms, eines
Widerstands etc. der Relaiskontakte auf dem Relaismodul 150 über den
digitalen Datenbus 132 erhalten.
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Das
Relaismodul 150 kann mit einem unintelligenten Feldgerät 144 über eine
festverdrahtete Verbindung 134 verbunden sein, das auf
ein Signal antworten kann, das von dem Relaismodul 150 als Antwort
auf ein Signal übertragen
wird, das an dem Relaismodul 150 von der Steuerung 120 empfangen wurde.
Das unintelligente Feldgerät 144 kann
beispielsweise bei einer hohen Spannung und/oder Stromstärke über einen
Wechsel- oder Gleichstrompfad arbeiten. Das Relaismodul 150 kann
elektronisch mit dem Feldgerät 144 verbunden
sein, um die Leitung von Energie und/oder anderen Signalen an das
Feldgerät 144 zu
steuern. Im Betrieb kann das Relaismodul 150 daher verwendet
werden, das Feldgerät 144 mit
Energie zu versorgen, die Energieversorgung von dem Feldgerät 144 zu
trennen oder jedes andere Signal an das Feldgerät 144 anzulegen und/oder
von diesem zu trennen. Weiterhin kann, obwohl das beispielhafte
Relaismodul 150 als mit einem einzelnen unintelligenten
Feldgerät
(beispielsweise dem unintelligenten Feldgerät 144) verbunden dargestellt
ist, das beispielhafte Relaismodul 150 mit einer Mehrzahl
von Feldgeräten
verbunden werden.
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Zusätzlich zu
Kommunikationen über
den digitalen Datenbus 132 kann die Steuerung 120 mit
einem beispielhaften Relaismodul 151 und den Feldgeräten 180 und 182 über die
festverdrahteten Kreise 170 und 172 verbunden
werden. Die festverdrahteten Kreise 170 und 172 können ein
digitales oder kombiniert analog/digitales Kommunikationsprotokoll (beispielsweise
HART, Fieldbus etc.) oder jedes analoge Kommunikationsprotokoll
implementieren. Gleichermaßen
können
das beispielhafte Relaismodul 151 und die Feldgeräte 180 und 182 als
Feldgeräte implementiert
werden, die mit konventionellen 4-20-Milliampère- (mA-) oder 0-10-Volt-Gleichstrom- (VGS-)
Schaltungen oder als mit Solid-State-Komponenten implementierte
Feldgeräte
implementiert sind.
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Bei
der Steuerung 120 kann es sich beispielsweise um eine Steuerung
DeltaVTM handeln, die von Fisher-Rosemount
Systems, Inc., und Emerson Process ManagementTM vertrieben
wird, handeln. Statt dessen könnte
jedoch jede andere Steuerung verwendet werden. Während in 1 zwar
nur eine einzelne Steuerung dargestellt ist, könnten jedoch zusätzliche
Steuerungen jedes gewünschten Typs
oder in jeder Kombination von Typen mit dem LAN 130 verbunden
werden. Die Steuerung 120 kann eine oder mehrere Prozesssteuerungsroutinen ausführen, die
dem Prozesssteuerungssystem 10 zugeordnet sind. Derartige
Prozesssteuerungsroutinen können
von einem Systemingenieur oder einem anderen menschlichen Bediener
mittels der Bedienerstation 122 erzeugt und in die Steuerung 120 heruntergeladen
und dort instantisiert werden.
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Wie
in 1 dargestellt, weist der Sicherheits-Mess-, Steuerungs-
und Regelungsteil 14 des Prozesssteuerungssystems 10 ein
Relaismodul 152, die Feldgeräte 146 und 148 sowie
die Logik-Solver 160 und 162 auf. Die Logik-Solver 160 und 162 können beispielsweise
mittels des von Fisher-Rosemount Systems, Inc, und Emerson Process
ManagementTM hergestellten und im Handel
erhältlichen
Logik-Solvers DeltaV SLS 1508 implementiert werden. Alternativ können die
Logik-Solver 160 und 162 durch jedes logische
Gerät wie
beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung ("SPS") oder einen Prozessor
implementiert werden. Allgemein arbeiten die Logik-Solver 160 und 162 als
ein redundantes Paar über
eine Redundanzverbindung 138 zusammen. Die redundanten
Logik-Solver 160 und 162 könnten statt
dessen jedoch ein einzelner, nicht redundanter Logik-Solver oder multiple,
nicht redundante Logik-Solver sein. Auch sind die beispielhaften Logik-Solver 160 und 162 im
allgemeinen sicherheitsgeprüfte
elektronische Steuerungen, die konfiguriert sind, eine oder mehrere
Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungsfunktionen zu implementieren.
Wie bekannt ist, ist eine Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungsfunktion
dafür zuständig, eine
oder mehrere Prozessbedingungen, die einer spezifischen Gefahr oder
einem spezifischen unsicheren Zustand zugeordnet sind, zu überwachen,
die Prozessbedingungen auszuwerten, um festzustellen, ob eine Abschaltung
des Prozesses erforderlich ist, und um ein oder mehrere Stellglieder
(beispielsweise Absperrventile) zu veranlassen, einen Prozess erforderlichenfalls
abzuschalten.
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Eine
Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungsfunktion kann mittels
eines Erfassungsgeräts,
eines Logik-Solvers, eines Relais und/oder eines Stellglieds (beispielsweise
eines Ventils) implementiert werden. Der Logik-Solver kann konfiguriert sein,
mindestens einen Prozesssteuerungsparameter über den Sensor zu überwachen
und bei Erkennen eines gefährlichen
Zustands das Stellgliedgerät über das
Relais zu betätigen,
um eine sichere Abschaltung des Prozesses zu bewirken. Beispielsweise
kann ein Logik-Solver
(beispielsweise der Logik-Solver 160) kommunikativ mit
einem Druckgeber (beispielsweise dem Feldgerät 146) verbunden werden,
das den Druck in einem Gefäß oder Tank
erfasst, und er kann konfiguriert werden, einem Relaismodul (beispielsweise
dem Relaismodul 152) zu signalisieren, ein Ablassventil
(beispielsweise das Feldgerät 148)
zu öffnen,
wenn über
den Druckgeber ein unsicherer Überdruckzustand
erkannt wird. Selbstverständlich
kann jeder Logik-Solver innerhalb eines Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungssystems
dafür verantwortlich
sein, eine oder multiple Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungsfunktionen
auszuführen,
und kann daher kommunikativ mit multiplen Sensoren, Relaismodulen
und/oder Stellgliedern verbunden sein, die sämtlich typischerweise sicherheitsgeprüft oder
zertifiziert sind.
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Wie
in 1 dargestellt, sind die Feldgeräte 146 und 148,
das Relaismodul 152 sowie die Logik-Solver 160 und 162 über die
Verbindungen 164, 166 und 168 verbunden.
Im Falle dass das Relaismodul 152 und die Feldgeräte 146 und 148 intelligente Geräte sind,
können
die Logik-Solver 160 und 162 mittels eines festverdrahteten
digitalen Kommunikationsprotokolls (beispielsweise HART, Fieldbus
etc.) kommunizieren. Statt dessen können jedoch alle anderen gewünschten
Kommunikationsmedien (beispielsweise festverdrahtet, drahtlos etc.)
und –protokoll(e)
verwendet werden. Wie in 1 dargestellt, sind die Logik-Solver 160 und 162 kommunikativ
mit der Steuerung 120 über
den digitalen Datenbus 132 und das E/A-Gerät 128 verbunden.
Die Logik-Solver 160 und 162 könnten alternativ kommunikativ
mit dem System 10 auf jede gewünschte Weise wie beispielsweise über ein
Standalone-Sicherheitssystem, das unabhängig von der Steuerung 120 arbeitet,
verbunden sein. Beispielsweise könnten
die Logik-Solver 160 und 162 direkt mit dem LAN 130 verbunden werden.
Ungeachtet der Art und Weise, auf die die Logik-Solver 160 und 162 mit
dem System 10 verbunden sind, sind die Logik-Solver 160 und 162 vorzugsweise,
jedoch nicht notwendigerweise, in Bezug auf die Steuerung 120 logisch
gleichberechtigt.
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Das
Relaismodul 152 kann ein sicherheitszertifiziertes oder
-geprüftes
Relaismodul sein, das verwendet werden kann, um eine kontrollierte
Abschaltung des Prozesssteuerungssystems 10 zu bewirken.
Während
der beispielhafte Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungsteil 14 des Prozesssteuerungssystems 10 mit
einem einzelnen Relais (beispielsweise dem Relaismodul 152)
dargestellt ist, kann das Prozesssteuerungssystem 10 mit einer
Mehrzahl von Relais oder Relaismodulen implementiert werden. Zusätzlich kann
das Relaismodul 152, während
das Relaismodul 152 als mit einem einzelnen Feldgerät (beispielsweise
dem Feldgerät 148) verbunden
dargestellt ist, statt dessen mit einer Mehrzahl von Feldgeräten verbunden
sein. Da das Relaismodul 152 ein sicherheitszertifiziertes
oder –geprüftes Relais
sein kann, können
die Logik-Solver 160 und 162 und die Steuerung 120 redundant
mit dem Relaismodul 152 über die Verbindungen 164– 168 kommunizieren.
Die Kommunikationen zwischen den Logik-Solvern 160 und 162,
der Steuerung 120 und dem Relaismodul 152 können implementiert werden,
um die Fehlertoleranz des Relaismoduls 152 zu testen, um
die Fehlertoleranz des Prozesssteuerungssystems 10 zu gewährleisten.
Wie nachstehend detaillierter beschrieben wird, kann die Steuerung 120 beispielsweise
das Relaismodul 152 testen, indem sie Signale zum Öffnen und
Schließen
von Schaltern innerhalb des Relaismoduls 152 und/oder zum
Messen einer einem Satz von Relaiskontakten des Relaismoduls 152 zugeordneten
elektrischen Kenngröße sendet.
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Die
Feldgeräte 146 und 148 können intelligente
oder unintelligente Sensoren, Stellglieder und/oder alle anderen
Prozesssteuerungsgeräte sein,
die verwendet werden können,
um Prozessbedingungen zu überwachen
und/oder eine kontrollierte Abschaltung des Prozesssteuerungssystems 10 zu bewirken.
Beispielsweise können
die Feldgeräte 146 und 148 sicherheitszertifizierte
oder -geprüfte
Durchflusssensoren, Temperaturfühler,
Druckgeber, Absperrventile, Entlüftungsventile,
Trennventile, kritische Ein-/Aus-Ventile, Kontakte etc. sein. Während lediglich
zwei Logik-Solver, zwei Feldgeräte
und ein Sicher heitsrelais in dem Sicherheits-Mess-, Steuerungs-
und Regelungsteil 14 des beispielhaften Prozesssteuerungssystems 10 in 1 dargestellt
sind, können
zusätzliche
Feldgeräte,
Relais und/oder Logik-Solver verwendet werden, um jede gewünschte Zahl
von Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und Regelungsfunktionen zu implementieren.
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2 ist
ein detailliertes Blockdiagramm eines Teils 200 des Sicherheits-Mess-, Steuerungs- und
Regelungsteils 14 des beispielhaften Prozesssteuerungssystems 10 in 1.
Das beispielhafte System 200 weist einen Logik-Solver 202,
der dem Logik-Solver 160 oder 162 in 1 entsprechen kann,
ein Relaismodul 204, das dem beispielhaften Relaismodul 152 in 1 entsprechen
kann, ein Feldstellglied 208, das dem beispielhaften Feldgerät 148 in 1 entsprechen
kann, sowie eine Feldstromquelle 206, die das Feldstellglied 208 mit
Strom versorgen kann, auf. Die Feldstromquelle 206 kann eine
Wechselstrom- oder Gleichstromquelle sein. Der Logik-Solver 202 kann
mit dem Relaismodul 204 durch einen oder mehrere festverdrahtete
Verbinder 210 verbunden sein, der/die beispielsweise einen Gleichstromkreis
zwischen dem Logik-Solver 202 und dem Relaismodul 204 herstellt/herstellen.
Auch kann das Relaismodul 204 mit der Feldstromquelle 206 durch
einen oder mehrere festverdrahtete Verbinder 212 und mit
dem Feldstellglied 208 durch einen oder mehrere festverdrahtete
Verbinder 214 verbunden sein. Die festverdrahteten Verbinder 212 und 214 können beispielsweise
einen oder mehrere Gleichstrom- und/oder Wechselstromkreise zwischen
der Stromquelle 206 und dem Feldstellglied 208 erzeugen.
Weiterhin können
die Verbinder 210, 212 und 214 als Drähte, Mehrleiterverkabelung
oder alle anderen Medien implementiert werden, die für den Transport
elektrischer Signale und/oder Energie geeignet sind.
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Beispielsweise
kann das Relaismodul 204 konfiguriert werden, die Feldstromquelle 206 mit
dem Feldstellglied 208 zu verbinden und die Feldstromquelle
vom Feldstellglied 208 zu trennen, um den Betrieb des Feldstellglieds 208 zu
steuern. Wenn beispielsweise der Logik-Solver 202 über die
festverdrahtete Verbindung(en) 210 signalisiert, kann das Relaismodul 204 die
festverdrahteten Verbinder 212 und 214 trennen
(beispielsweise um das Feldstellglied 208 zu schließen) oder
verbinden (beispielsweise um das Feldstellglied 208 zu öffnen),
um Strom aus der Stromquelle 206 zu dem Feldstellglied 208 zu
leiten oder die Stromversorgung des Feldstellglieds 208 zu
beenden. Der Logik-Solver 202 und das
Relaismodul 204 sind üblicherweise
nach dem Ruhestromprinzip konfiguriert (d.h. das Potenzial zu verringern
oder ein Potenzial von im Wesentlichen Null an dem/den festverdrahteten
Verbinder(n) 210 anzulegen, um den Status der Relaismodulkontakte zu ändern, um
die Energie vom Feldstellglied 208 zu entfernen), jedoch
kann er nach dem Arbeitsstromprinzip konfiguriert sein (d.h. das
Potenzial zu erhöhen
oder ein Potenzial von im Wesentlichen nicht Null an dem/den festverdrahteten
Verbinder(n) 210 anzulegen, um den Status der Relaismodulkontakte zu ändern).
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3 ist
eine Schemadarstellung eines bekannten Sicherheitsrelais 300,
das verwendet werden kann, um das beispielhafte Relaismodul 204 in 2 zu
implementieren. Das beispielhafte Sicherheitsrelais 300 weist
ein erstes Relais 310, ein zweites Relais 312 und
ein drittes Relais 314 auf, die parallel zwischen einem
ersten Knoten 302 und einem zweiten Knoten 304 konfiguriert
sind. Die Relais 310, 312 und 314 weisen
die jeweiligen Relaisspulen 320, 322 und 324 auf,
die elektromagnetisch mit den jeweiligen Relaiskontakten 330, 332 und 334 gekoppelt
sind. Die Relaiskontakte 330–334 sind in Reihe zwischen
einem dritten Knoten 306 und einem vierten Knoten 308 geschaltet.
In dieser Konfiguration bietet das beispielhafte Sicherheitsrelais 300 eine gewisse
Fehlertoleranz, da ein elektrisches Potenzial zwischen dem ersten
Knoten 302 und dem zweiten Knoten 304 die drei
parallelen Relaisspulen 320 und 324 erregt, von
denen jede beliebige den elektrischen Pfad zwischen dem dritten
Knoten 306 und dem vierten Knoten 308 öffnen kann.
Wenn beispielsweise der Relaiskontakt 330 nicht betriebsfähig ist
(beispielsweise verschweißt,
sodass die Relaiskontakte zu einem geschlossenen Zustand verschmolzen
sind) kann einer oder beide der verbleibenden Relaiskontakte 332 und 334 nach
wie vor betriebsfähig
sein, um den elektrischen Pfad zwischen dem dritten Knoten 306 und
dem vierten Knoten 308 zu öffnen.
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Der
Betrieb eines jeden der Relaiskontakte 330–334 ist
jedoch nicht unabhängig
testbar, da die Relais 310–314 direkt parallel
zwischen dem ersten Knoten 302 und dem zweiten Knoten 304 verbunden sind.
Spezifischer sprechen sämtliche
der Relaiskontakte 330–334 auf
dasselbe Signal an, das zur selben Zeit an sämtliche der Relaisspulen 320–324 angelegt wird.
Wenn daher der erste Relaiskontakt 330 nicht betriebsfähig wird
(beispielsweise verschweißt
wird, verschmilzt, schmilzt etc.) und das zweite und dritte Relais 322 und 324 betriebsfähig bleiben,
wird der elektrische Pfad zwischen dem ersten und zweiten Knoten 306 und 308 trotz
des verschweißten Relaiskontakts 330 nach
wie vor öffnen.
Das beispielhafte Sicherheitsrelais 330 ist daher nicht
vollständig
testbar, da das Testen nicht unmittelbar eine Reduzierung der Hardware-Fehlertoleranz
wie beispielsweise einen oder zwei nicht betriebsfähige Relaiskontakte
feststellen kann.
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4 ist
ein beispielhaftes Sicherheitsrelais 400 mit unabhängig testbaren
Relaiskontakten, das verwendet werden kann, um das Relaismodul 204 in 2 zu
implementieren. Das beispielhafte Sicherheitsrelais 400 weist
die Schalter 402, 404 und 406 auf, die
zwischen einem ersten Knoten 440 und einem zweiten Knoten 442 parallel
geschaltet sind. Der erste und der zweite Knoten 440 und 442 können jeweils
mit einer Steuerung oder einem Logik-Solver verbunden werden (beispielsweise über den/die
festverdrahteten Verbinder 210 in 2). Auch
weist das beispielhafte Sicherheitsrelais 440 die Relais 410, 412 und 414 auf,
die jeweils mit den entsprechenden einen der Schalter 402 und 404 in
Reihe geschaltet sind. Jedes der Relais 410–414 weist
eine der Relaisspulen 420, 422 und 424 auf,
die operativ oder elektromagnetisch mit einem Relaiskontakt der
drei Relaiskontakte 430, 432 und 434 gekoppelt
sind. Die Relaiskontakte 430, 432 und 434 sind
in Reihe zwischen einem dritten Knoten 444 und einem vierten Knoten 446 verbunden.
Der dritte und vierte Knoten 444 und 446 können jeweils
mit den festverdrahteten Verbindern 212 und 214 in 2 koppeln.
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Der
Begriff "Knoten" bezeichnet hierin
einen elektrischen Punkt innerhalb eines Stromkreises und kann beispielsweise
einer elektrischen Verbindung oder einem Verbinder, einem elektrischen
Abschlusspunkt, einem Punkt, an dem eine elektrische Messung durchgeführt werden
kann, etc. entsprechen. Zusätzlich
könnten,
während
die beispielhaften Sicherheitsrelais, die in Verbindung mit 4 oben
und 5 und 6 unten beschrieben sind, die
Verwendung von drei Relais und Kontakten zeigen, statt dessen Sicherheitsrelais
mit zwei Relais oder mehr als drei Relais verwendet werden, um ähnliche
Ergebnisse zu erzielen.
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Das
beispielhafte Sicherheitsrelais 400 ist dergestalt fehlertolerant,
dass, wenn ein elektrisches Potenzial von dem ersten und zweiten
Knoten 440 und 442 genommen und die Schalter 402–406 geschlossen
sind, jede beliebige der drei erregten Relaisspulen 420–424 jeweils
einen der Relaiskontakte 430–434 öffnen kann,
um den elektrischen Pfad zwischen dem dritten und vierten Knoten 444 und 446 zu öffnen. Auch
ist das beispielhafte Sicherheitsrelais 400 vollständig testbar,
da während
eines Feldtests, wie nachstehend beschrieben, die Schalter 402–406 verwendet
werden können,
um die Relaiskontakte 430–434 unabhängig zu
bedienen oder zu steuern, um beispielsweise festzustellen, ob einer
der drei Relaiskontakte 430–434 nicht betriebsfähig ist
(beispielsweise verschweißte
Kontakte). Die beispielhaften Schalter 402–406 können implementiert
werden, um manuell von einem menschlichen Bediener oder, wie nachstehend
beschrieben, von einer speicherprogrammierbaren Steuerung ("SPS"), einem Personal
Computer ähnlich
dem in 12 unten dargestellten beispielhaften
Prozessorsystem 1200, Ein-Prozessor oder Multiprozessor-Bedienrechnern etc.
betätigt
zu werden.
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5 ist
eine Schemadarstellung des beispielhaften Sicherheitsrelais 400 in 4 in
einem Teststatus, in dem ein betriebsfähiger Relaiskontakt offen ist.
Spezifischer sind, wenn der Schalter 402 geöffnet und
ein elektrisches Potenzial über
den ersten und zweiten Knoten 440 und 442 angelegt
wird, um die zweite und dritte Relaisspule 422 und 424 zu erregen,
der zweite und dritte Relaiskontakt 432 und 434 geschlossen.
In diesem Zustand ist der erste Relaiskontakt 430 offen
oder unterbricht den elektrischen Pfad zwischen dem dritten und
vierten Knoten 444 und 446 und veranlasst dadurch
das elektrische Potenzial über
den dritten und vierten Knoten 444 und 446, zu
steigen oder im Wesentlichen nicht Null zu sein. In diesem Fall
zeigt, da das elektrische Potenzial im Wesentlichen nicht Null ist,
der Test an, dass der erste Relaiskontakt6 430 betriebsfähig ist (beispielsweise
dass der Kontakt 430 in 5 nicht verschweißt ist).
Gleichermaßen
können
der zweite und dritte Relaiskontakt 432 und 434 getestet
werden, indem die jeweiligen Schalter 404 und 406 geöffnet werden.
Die Verfügbarkeit
des beispielhaften Sicherheitsrelais, um den elektrischen Pfad zwischen dem
dritten und vierten Knoten 422 und 424 zu öffnen oder
zu unterbrechen, ist mithin durch Beobachten der Betriebsfähigkeit
eines jeden der Relaiskontakte 430, 432 und 434 testbar.
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6 ist
eine Schemadarstellung des beispielhaften Sicherheitsrelais 400 in 4 in
einem Teststatus, in dem ein nicht betriebsfähiger Relaiskontakt nicht öffnet. Spezifischer
sind, wenn der Schalter 402 geöffnet und ein elektrisches
Potenzial über
den ersten und zweiten Knoten 440 und 442 angelegt
wird, um die zweite und dritte Relaisspule 422 und 424 zu
erregen, der zweite und dritte Relaiskontakt 432 und 434 geschlossen.
In diesem Zustand sollte der erste Relaiskontakt 430 den
elektrischen Pfad zwischen dem dritten und vierten Knoten 444 und 446 öffnen. Der
erste Relaiskontakt 430 ist jedoch nicht betriebsfähig (beispielsweise
verschweißt)
und öffnet
mithin nicht. Daher wird das elektrische Potenzial über den
dritten und vierten Knoten 444 und 446 im Wesentlichen
Null sein, da der Pfad über
den dritten und vierten Knoten 444 und 446 von
dem ersten Relaiskontakt 430 nicht geöffnet oder auf sonstige Weise
unterbrochen wird. Entsprechend kann jeder der Schalter 404 und 406 unabhängig geöffnet werden,
um seine jeweilige eine der Relaisspulen 442 und 424 zu
entregen, um jeweils einen seiner Relaiskontakte 432 und 434 zu öffnen. In
dem beispielhaften Teststatus in 6 ist die
beeinträchtigte
Verfügbarkeit
des beispielhaften Sicherheitsrelais 400, den elektrischen
Pfad zwischen dem dritten und vierten Knoten 422 und 424 redundant
zu öffnen oder
zu unterbrechen, zu beobachten. Spezifischer zeigt der beispielhafte
Teststatus in 6 insbesondere die Betriebsunfähigkeit
(beispielsweise Verschweißen)
des Relaiskontakts 430.
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7 ist
eine Schemadarstellung eines zweiten beispielhaften Sicherheitsrelais 700 mit
unabhängig
testbaren Relaiskontakten, das verwendet werden kann, um das Relaismodul 204 in 2 zu implementieren.
Das beispielhafte Sicherheitsrelais 700 weist die Schalter 702, 704 und 706 auf,
die zwischen einem ersten Knoten 740 und einem zweiten Knoten 742 parallel
geschaltet sind. Der erste und zweite Knoten 740 und 742 können jeweils
mit dem/den festverdrahteten Verbinder(n) 210 in 2 koppeln.
Das beispielhafte Sicherheitsrelais 700 weist auch die
Relais 712, 714 und 716 auf, die mit jeweils
einem der Schalter 702–706 in
Reihe geschaltet sind. Die Relais 712–716 weisen die jeweiligen
Relaisspulen 722, 724 und 726 auf, die
elektromagnetisch mit jeweils einem der Kontakte 732, 734 und 736 gekoppelt
sind, die zwischen einem dritten Knoten 744 und einem vierten
Knoten 746 in Reihe geschaltet sind. Der dritte und vierte
Knoten 744 und 746 können jeweils mit den festverdrahteten
Verbindern 212 und 214 in 2 koppeln.
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Das
beispielhafte Sicherheitsrelais 700 weist weiterhin einen
Widerstand 750 und eine Leuchtdiode ("LED") 752 auf,
um Licht abzustrahlen, wenn das elektrische Potenzial zwischen dem
ersten und zweiten Knoten 740 und 742 groß genug
ist, um die LED zu treiben. Die LED 750 bietet einem menschlichen Bediener
ein Anzeigelicht, dass das beispielhafte Sicherheitsrelais 700 erregt
ist. Zusätzlich
weist das beispielhafte Sicherheitsrelais 700 die Transistoren 762, 764 und 766 auf,
die jeweils einem der Schalter 702–706 entsprechen.
Auch sind die Dioden 772, 774 und 776 mit
den Transistoren 762–766 und
den Relaisspulen 722–726 gekoppelt.
Im Betrieb begrenzen die Dioden 772–776 die Spannung über die Relaisspulen 722–726 und
schalten die plötzliche Anderung
des Stromflusses durch die Relaisspulen 722–726 parallel,
die auftreten kann, wenn sich das an die Relaisspulen 722–726 angelegte
elektrische Potenzial rasch ändert.
Wenn sich beispielsweise das elektrische Potenzial über den
ersten und zweiten Knoten 740 und 742 von einer
positiven Spannung zu einer Spannung von im Wesentlichen Null ändert, kann
ein resultierendes Magnetfeld von den Relaisspulen 722–726 erhebliche
Stoßspannungen (beispielsweise
Flyback) erzeugen.
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Die
Transistoren 762–766 können konfiguriert
werden, eine hohe Eingangsimpedanz zur Verfügung zu stellen, um den durch
die Schalter 702–706 fließenden Strom
wesentlich zu begrenzen und ein Solid-State-Gerät zum Schalten des Stroms auf
die Relaisspulen 722–726 zur
Verfügung
zu stellen. In einer gefährlichen
Umgebung, die von geprüften
oder explosionsgeschützten
Komponenten profitieren und/oder diese erfordern kann, ist das beispielhafte Sicherheitsrelais 700 mithin
konfiguriert, ein Schalten ohne Erzeugen eines Zündfunken oder Lichtbogens zu
ermöglichen.
Beispielsweise kann das beispielhafte Sicherheitsrelais 700 innerhalb
petrochemischer, chemischer und pharmazeutischer Umgebungen konfiguriert
werden, die während
des normalen Betriebs und/oder während
abnormaler Umstände explosive
Gase oder Staub enthalten. Wenn beispielsweise der Schalter 702 offen
ist und der Transistor 762 ausgeschaltet wird (beispielsweise
wenn eine Steuerspannung an das Gatter und die Quelle angelegt wird,
um die Leitfähigkeit
zwischen Senke und Quelle zu erhöhen),
ist der Strom durch und das elektrische Potential am Schalter 702 im
Wesentlichen Null. Wenn der Schalter 702 schließt, erfolgt mithin
eine Entladung von im Wesentlichen Null an den Kontakten des Schalters 702 (beispielsweise
im Wesentlichen null Funkenbildung, im Wesentlichen null Lichtbogenbildung
etc.). Entsprechend sind, wenn der Schalter 702 geschlossen
ist und der Transistor 762 abgeschaltet wird, der Strom
durch den Schalter 702 und das an diesem anliegende elektrische
Potenzial im Wesentlichen Null. Wenn der Schalter 702 öffnet, erfolgt
mithin eine Entladung von im Wesentlichen Null an den Kontakten
des Schalters 702 (beispielsweise im Wesentlichen null
Funkenbildung, im Wesentlichen null Lichtbogenbildung etc.).
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Zusätzlich können die
Transistoren 762–766 konfiguriert
werden, eine im Wesentlichen konstante Stromquelle mit hoher Ausgangsimpedanz
zur Verfügung
zu stellen, um die Relaisspulen 722–726 von einem relativ
geringen elektrischen Potenzial an dem ersten und zweiten Knoten 740 und 742 zu
treiben. In einer derartigen Konfiguration bieten die Transistoren 762–766 unmittelbarere
Schaltfähigkeiten
und verhindern, dass die Relaisspulen in Sättigung geraten. Wenn beispielsweise
der Transistor 762 eingeschaltet wird (beispielsweise wird
eine Steuerspannung an das Gatter und die Quelle angelegt, um die
Leitfähigkeit
zwischen Senke und Quelle zu erhöhen),
ist der Strom zur Relaisspule 722 relativ konstant und
folglich ist das Magnetfeld über
der Relaisspule 722 relativ konstant. Wenn der Transistor 762 ausgeschaltet wird
(beispielsweise wird eine Steuerspannung vom Gatter und der Quelle
getrennt, um die Leitfähigkeit zwischen
Senke und Quelle zu senken), nimmt der Strom zur Relaisspule 722 rasch
ab und folglich bricht das Magnetfeld über der Relaisspule 722 schnell
zusammen.
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8 ist
eine Schemadarstellung eines dritten beispielhaften Sicherheitsrelais 800 mit
unabhängig
testbaren Relaiskontakten, das verwendet werden kann, um das Relaismodul 204 in 2 zu
implementieren. Das beispielhafte Sicherheitsrelais 800 weist
die Schalter 802, 804 und 806 auf, die
zwischen einem ersten Knoten 840 und einem zweiten Knoten 842 parallel
geschaltet sind. Der erste und zweite Knoten 840 und 842 können jeweils
mit dem/den festverdrahteten Verbinder(n) 210 in 2 koppeln. Das
beispielhafte Sicherheitsrelais 800 weist auch die jeweiligen
Relais 810, 812 und 814 auf, die mit
jeweils einem der Schalter 802–806 in Reihe geschaltet
sind. Die Relais 810–814 weisen
die jeweiligen Relaisspulen 820, 822 und 824 auf,
die elektromagnetisch mit den jeweiligen Relaiskontakten 830, 832 und 834 gekoppelt
sind. Die Relaiskontakte 830–834 sind in Reihe
zwischen einem dritten Knoten 844 und einem vierten Knoten 846 geschaltet.
Zusätzlich weist
das beispielhafte Relais 800 einen Bypass-Schalter 860 auf,
der verwendet werden kann, um die Relaiskontakte 830–834 von
dem dritten und vierten Knoten 844 und 846 zu
entkoppeln und um einen zweiten oder alternativen elektrischen Pfad
zwischen dem dritten und vierten Knoten 844 und 846 über einen
Bypass-Kreis 864 zur Verfügung zu stellen. Während der
Bypass-Schalter 860 in dem Beispiel in 8 implementiert
ist, um die Relaiskontakte 830–834 von dem vierten
Knoten 846 zu entkoppeln, kann der Bypass-Schalter 860 alternativ
implementiert werden, um die Relaiskontakte 830–834 von dem
dritten Knoten 844 zu entkoppeln.
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Um
das beispielhafte Sicherheitsrelais 800 zu testen, kann
ein menschlicher Bediener den Bypass-Schalter 860 manuell
betätigen.
Wie in 8 dargestellt, stellt der beispielhafte Bypass-Schalter 860 einen
zweiten elektrischen Pfad über
den Bypass-Kreis 864 zur Verfügung, der es ermöglicht, dass
ein beispielhaftes Feldgerät
(beispielsweise das Feldstellglied 208 in 2)
während
des Testens der Kontakte 830–834 weiterhin über den
dritten und vierten Knoten 844 und 846 (beispielsweise
die festverdrahteten Verbinder 212 und 214 in 2)
Energie erhält.
Insbesondere versetzt der beispielhafte Bypass-Schalter 860 einen menschlichen
Bediener in die Lage, die Relaiskontakte 830–834 mittels
der Schalter 802–806 zu
testen, wie dies vorstehend in Verbindung mit 4–6 beschrieben
wurde, ohne den elektrischen Pfad zwischen dem dritten und vierten
Knoten 844 und 846 zu öffnen und anschließend das/die
mit den Knoten 844 und 846 verbundene(n) Feldgerät(e) zu
sperren.
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Der
beispielhafte Bypass-Schalter 860 kann beispielsweise mittels
eines manuellen, federgespannten Schalters oder eines Zeitschalters
implementiert werden, der gewährleistet,
dass ein menschlicher Bediener den Bypass-Schalter 860 nicht
in einer falschen Stellung (beispielsweise mit den Relaiskontakten 830–834 von
dem vierten Knoten 846 entkoppelt) verlassen kann. Zusätzlich kann der
beispielhafte Bypass-Schalter 860 einen zwangsgeführten Mechanismus
verwenden, sodass ein menschlicher Bediener das Sicherheitsrelais 800 nicht
testen kann, wenn der Bypass-Schalter 860 nicht betriebsfähig ist
(beispielsweise wenn die Kontakte des Bypass-Schalters 860 verschweißt sind).
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9 ist
ein beispielhaftes Sicherheitsrelais 900 mit unabhängig testbaren
Relaiskontakten, das verwendet werden kann, um das Relaismodul 150 in 1 zu
implementieren. Das beispielhafte Sicherheitsrelais 900 weist
die Schalter 902, 904 und 906 auf, die
zwischen einem ersten Knoten 940 und einem zweiten Knoten 942 parallel
geschaltet sind. Das beispielhafte Sicherheitsrelais 900 weist
auch die Relais 910, 912 und 914 auf,
die mit jeweils einem der Schalter 902–906 in Reihe geschaltet
sind. Die Relais 910–914 weisen
die jeweiligen Relaisspulen 922, 924 und 926 auf,
die elektromagnetisch mit den jeweiligen einen der Relaiskontakte 930, 932 und 934 gekoppelt
sind. Die Relaiskontakte 930–934 sind in Reihe
zwischen einem dritten Knoten 944 und einem vierten Knoten 946 geschaltet.
Zusätzlich
weist das beispielhafte Relais 900 einen Bypass-Schalter 960 auf,
der verwendet werden kann, um die Relaiskontakte 930–934 von
dem vierten Knoten 946 zu entkoppeln und um einen zweiten
oder alternativen elektrischen Pfad zwischen dem dritten und vierten
Knoten 944 und 946 über einen Bypass-Kreis 964 zur Verfügung zu
stellen.
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Auch
sind in dem beispielhaften Sicherheitsrelais 900 die Schalter 902, 904 und 906 sowie
der Bypass-Schalter 960 mit einem Datenbus 944 wie beispielsweise
dem Datenbus 132 in 1 gekoppelt.
Als Antwort auf über
den Datenbus 944 übertragene
Kommunikationen oder Signale können
die beispielhaften Schalter 902–906 und/oder der
Bypass-Schalter 960 öffnen
und/oder schließen.
Die Kommunikationen oder Signale auf dem Datenbus 944 können beispielsweise
von einer Steuerung (beispielsweise der Steuerung 120 in 1),
einem Logik-Solver (beispielsweise den Logik-Solvern 160 und 162 in 1)
oder jedem anderen Gerät
gesendet werden, das zum Kommunizieren über einen Datenbus (beispielsweise
speicherprogrammierbare Steuerungen, Personal Computer ähnlich dem
in 12 unten dargestellten beispielhaften Prozessorsystem
1200, Ein- oder Multi-Prozessor-Bedienrechner etc.) freigegeben
ist. Mittels derartiger Signale zur Kommunikation mit dem beispielhaften
Sicherheitsrelais 900 und den vorgenannten Geräten kann ein
menschlicher Bediener das beispielhafte Sicherheitsrelais mittels
eines Prozesses ferntesten, der dem in Verbindung mit 4–6 beschriebenen Prozess ähnlich ist.
Weiterhin kann ein menschlicher Bediener mittels derartiger Signale
die Stellung des Bypass-Schalters 960 des beispielhaften
Sicherheitsrelais 900 ferntesten. Beispielsweise kann ein menschlicher
Bediener feststellen, ob die Relaiskontakte 930–934 von
dem elektrischen Pfad zwischen dem dritten und vierten Knoten 944 und 946 entkoppelt
sind. Alternativ oder zusätzlich
kann der Testprozess automatisch durchgeführt werden, wie nachstehend
in Verbindung mit 10 und 11 beschrieben.
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10 ist
ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Testen eines
beispielhaften Sicherheitsrelais wie beispielsweise der hierin beschriebenen
beispielhaften Sicherheitsrelais mit unabhängig testbaren Kontakten darstellt.
Die in Verbindung mit den in 10 und 11 dargestellten Verfahren
beschriebenen Operationen können
mittels maschinenlesbarer Anweisungen, Code, Software etc. implementiert
werden, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert und auf
die dort zugegriffen werden kann. Ein derartiges computerlesbares
Medium umfasst unter anderem optische Speichergeräte, Magnetspeichergeräte, einen
nichtflüchtigen
Solid-State-Speicher und einen flüchtigen Solid-State-Speicher.
Weiterhin können
einige oder sämtliche
der Operationen manuell durchgeführt werden
und/oder die Reihenfolge der Operationen kann geändert werden und/oder einige
der Operationen können
modifiziert oder ausgelassen werden. Gleichermaßen können einige oder sämtliche
der Operationen eines jeden Blocks iterativ ausgeführt werden.
Die in 10 und 11 dargestellten
Operationen können
von der beispielhaften Steuerung 120, den beispielhaften
Logik-Solvern 160 und 162, der beispielhaften
Bedienerstation 122 und/oder den Anwendungsstationen 124 und 126 in 1 ausgeführt werden,
um die beispielhaften Relaismodule 150–152 in 1 zu
testen.
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Wie
im Detail in 10 dargestellt, beginnt der
beispielhafte Prozess 1000 an einer Schleife, die feststellt,
ob der Prozess 1000 damit fortfahren sollte, ein Sicherheitsrelais
(beispielsweise das beispielhafte Sicherheitsrelais 900 in 9)
zu testen, oder ob er weiterhin warten soll (Block 1002).
Nach der Feststellung, dass es Zeit ist, ein Sicherheitsrelais zu
testen, und nach dem Verlassen der Schleife an Block 1002 umgeht
der beispielhafte Prozess 1000 das Sicherheitsrelais (beispielsweise
verbindet er den Knoten 946 und den Bypass-Kreis 964 mit
dem Bypass-Schalter 960 in 9) (Block 1004).
Nachdem das Sicherheitsrelais umgangen wurde (Block 1004), testet
der beispielhafte Prozess 1000 eine den Relaiskontakten
zugeordnete elektrische Kenngröße (beispielsweise
einen den Relaiskontakten 932–936 in 9 zugeordneten
elektrischen Strom, ein elektrisches Potenzial, einen Widerstand,
etc.), die anzeigt, dass die Relaiskontakte nicht umgangen sind (Block 1006).
Wenn eine derartige elektrische Kenngröße festgestellt wird (beispielsweise
ein elektrischer Strom von im Wesentlichen nicht Null oder ein durch
die Relaiskontakte 932–936 (9)
fließender elektrischer
Strom, der größer ist
als ein vorher bestimmter Wert) (Block 1006), verlangt
der beispielhafte Prozess 1000 einen manuellen Vorrangeingriff (Block 1014).
Der manuelle Vorrangeingriff (Block 1014) kann ein Signal
zur Verfügung
stellen, um einen Eingriff eines menschlichen Bedieners zu verlangen
(beispielsweise eine LED, eine Warnung auf einer grafischen Benutzerschnittstelle
etc.), und einen Zeitschalter starten, um ein Prozesssteuerungssystem
(beispielsweise das Prozesssteuerungssystem 10) auf eine
zuvor festgelegte Weise automatisch abzuschalten.
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Wenn
die elektrische Kenngröße festgestellt wird
(beispielsweise ein elektrischer Strom von im Wesentlichen Null
oder ein durch die Relaiskontakte 932–936 (9)
fließender
elektrischer Strom, der geringer ist als ein vorher bestimmter Wert),
der anzeigt, dass die Relaiskontakte umgangen werden (Block 1012),
testet der beispielhafte Prozess 1000 das Sicherheitsrelais
(Block 1008). Nachdem das Sicherheitsrelais getestet wurde
(Block 1008), bestimmt der beispielhafte Prozess 1000,
ob der Bypass in seine ursprüngliche
Stellung zurückzustellen ist,
um das Sicherheitsrelais zu reaktivieren (Block 1010).
Wenn beispielsweise festgestellt wird, dass eine spezifizierte Anzahl
von Relaiskontakten nicht betriebsfähig ist (beispielsweise verschweißte oder auf
andere Weise fehlerhafte Kontakte) (Block 1008) verlangt
der beispielhafte Prozess 1000, wie vorstehend diskutiert,
einen manuellen Vorrangeingriff (Block 1014). Alternativ
führt der
beispielhafte Prozess 1000 das Sicherheitsrelais wieder
in einen aktiven Zustand zurück
(beispielsweise verbindet er den Knoten 946 und die Relaiskontakte 930–934 mit
dem Bypass-Schalter 960 in 9) (Block 1012).
Nachdem der Bypass zurückgestellt
wurde und das Sicherheitsrelais aktiv ist, wartet der beispielhafte
Prozess 1000 auf einen weiteren Testzyklus (Block 1002).
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11 ist
ein ein beispielhaftes Verfahren zeigendes Flussdiagramm, das verwendet
werden kann, um den in 10 dargestellten Sicherheitsrelaistest 1008 zu
implementieren. Wie vorstehend diskutiert, kann der beispielhafte
Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 beispielsweise
verwendet werden, um die beispielhaften Relaismodule 150–152 in 1 zu
testen. Der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 beginnt,
indem er einen Schalter am Sicherheitsrelais (beispielsweise einen
der Schalter 902–906 in 9) öffnet, der eine
Relaisspule am Sicherheitsrelais (beispielsweise eine der Relaisspulen 922–926 in 9)
entregt (Block 1100). Nachdem der Schalter am Sicherheitsrelais
geöffnet
wurde (Block 1100), testet der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 eine
den Relaiskontakten am Sicherheitsrelais zugeordnete elektrische
Kenngröße (beispielsweise
ein den Relaiskontakten 932–936 in 9 zugeordnetes
elektrisches Potenzial, einen Widerstand etc.) (Block 1102).
Wenn der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 eine
elektrische Kenngröße feststellt
(beispielsweise ein elektrisches Potenzial von im Wesentlichen Null
oder ein elektrisches Potenzial an den Relaiskontakten 932–936 in 9,
das kleiner ist als ein zuvor bestimmter Wert), die anzeigt, dass
ein dem geöffneten Schalter
und der entregten Relaisspule zugeordneter Relaiskontakt nicht betriebsfähig ist
(beispielsweise ein verschweißter
Kontakt) (Block 1102), zeigt der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 an, dass
der dem geöffneten
Schalter und der entregten Spule zugeordnete Relaiskontakt nicht
betriebsfähig ist
(Block 1004). Der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 kann
den nicht betriebsfähigen Kontakt
beispielsweise durch Signalisierung an einen menschlichen Bediener
(beispielsweise mittels einer LED, einer Warnung auf einer grafischen
Benutzerschnittstelle etc.) und durch Erhöhen einer Zählervariablen anzeigen, die
die Anzahl nicht betriebsfähiger Relaiskontakte
addiert.
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Wenn
der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 eine
elektrische Kenngröße feststellt,
(beispielsweise ein elektrisches Potenzial von im Wesentlichen nicht
Null oder ein elektrisches Potenzial, das größer ist als ein zuvor bestimmter Wert
etc.), die anzeigt, dass der dem geöffneten Schalter und der entregten
Relaisspule zugeordneter Relaiskontakt funktioniert hat (Block 1102),
oder nachdem ein Relaiskontakt als nicht betriebsfähig angezeigt
wurde (Block 1104), schließt der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 den
Schalter, der in Block 1100 geöffnet wurde (Block 1106).
Nachdem der Schalter geschlossen wurde (Block 1106), stellt
der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 fest,
ob zusätzliche Schalter
am Sicherheitsrelais getestet werden müssen, indem ein jeweiliger
Schalter geöffnet
wird (Block 1108). Wenn ein zusätzlicher Schalter des Sicherheitsrelais
getestet werden muss, öffnet
der beispielhafte Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 den
nächsten
Schalter (Block 1108). Alternativ, wenn kein zusätzlicher
Schalter am Sicherheitsrelais getestet werden muss, endet der beispielhafte
Sicherheitsrelaistestprozess 1008 in 11 und
gibt alle Ergebnisse an den beispielhaften Prozess 1000 in 10 zurück.
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12 ist
eine Schemazeichnung einer beispielhaften Prozessorplattform 1200,
die verwendet und/oder programmiert werden kann, um die beispielhafte
Steuerung 120, die beispielhaften Logik-Solver 160 und 162,
die beispielhafte Bedienerstation 122 und/oder die Anwendungsstationen 124 und 126 in 1 zu
implementieren. Beispielsweise kann die Prozessorplattform 1200 von
einem oder mehreren Single-Thread- und/oder Multi-Thread-Prozessoren für allgemeine
Zwecke, Kernen, Mikrokontrollern etc. implementiert werden. Die Prozessorplattform 1200 kann
auch durch eines oder mehrere Computergeräte implementiert werden, die beliebige
einer Vielzahl gleichzeitig ausführender Single-Thread-
und/oder Multi-Thread-Prozessoren, Kerne, Mikrokontroller etc. enthalten.
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Die
Prozessorplattform 1200 des Beispiels in 12 weist
mindestens einen programmierbaren Prozessor für allgemeine Zwecke 1205 auf.
Der Prozessor 1205 führt
kodierte Anweisungen 1210 aus, die im Hauptspeicher des
Prozessors 1205 (beispielsweise ein Direktzugriffsspeicher
(RAM) 1215) vorhanden sind. Die kodierten Anweisungen 1210 können verwendet
werden, um die durch die beispielhaften Prozesse in 10 und 11 repräsentierten
Operationen zu implementieren. Der Prozessor 1205 kann
jeder Typ einer Verarbeitungseinheit wie beispielsweise ein Prozessorkern,
ein Prozessor und/oder Mikrokontroller sein. Der Prozessor ist über einen
Bus 1225 in Kommunikation mit dem Hauptspeicher (einschließlich eines
Nur-Lese-Speichers (ROM) 1220 und des RAM 1215).
Der RAM 1215 kann durch einen dynamischen RAM (DRAM), synchronen
DRAM (SDRAM) und/oder jeden anderen Typ eines RAM-Geräts implementiert
werden und der ROM kann durch ein Flash Memory und/oder jeden anderen
gewünschten
Typ eines Speichergeräts
implementiert werden. Der Zugriff auf den Speicher 1215 und 1220 kann
durch eine (nicht dargestellte) Speichersteuerung erfolgen.
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Die
Prozessorplattform 1200 weist weiterhin einen Schnittstellenkreis 1230 auf.
Der Schnittstellenkreis 1230 kann von jedem Typ eines Schnittstellenstandards
wie beispielsweise einer externe Speicherschnittstelle, einem seriellen
Port, einer Eingabe/Ausgabe für
allgemeine Zwecke etc. implementiert werden. Ein oder mehrere Eingabegeräte 1235 und
ein oder mehrere Ausgabegeräte 1240 sind
mit dem Schnittstellenkreis 1230 verbunden.
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Mindestens
einige der vorstehend beschriebenen beispielhaften Verfahren und/oder
Vorrichtungen werden durch eines oder mehrere auf einem Computerprozessor
laufende Software- und/oder Firmwareprogramme implementiert. Gleichermaßen können jedoch
dedizierte Hardwareimplementierungen einschließlich unter anderem anwendungsspezifischer
integrierter Schaltungen, programmierbarer logischer Arrays und
anderer Hardwaregeräte
ebenso konstruiert werden, um einige oder sämtliche der hierin beschriebenen
beispielhaften Verfahren und/oder Vorrichtungen entweder insgesamt
oder teilweise zu implementieren. Darüber hinaus können alternative
Softwareimplementierungen einschließlich unter anderem Distributed
Processing oder Component/Object Distributed Processing, Parallelverarbeitung
oder Virtual-Machine-Verarbeitung konstruiert werden, um die hierin
beschriebenen beispielhaften Verfahren und/oder Vorrichtungen zu
implementieren.
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Weiterhin
sei darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen beispielhaften
Software- und/oder Firmwareimplementierungen optional in einem greifbaren
Speichermedium gespeichert werden wie beispielsweise auf einem magnetischen
Medium (beispielsweise einer Magnetplatte oder Band), einem magnetooptischen
oder optischen Medium wie beispielsweise einer optischen Disk oder
einem Solid-State-Medium wie beispielsweise einer Speicherkarte
oder einem anderen Paket, das einen oder mehrere Nur-Lese- (nicht-flüchtige)
Speicher, Direktzugriffsspeicher oder andere wiederbeschreibbare (flüchtige)
Speicher aufweist, oder in einem Rechenanweisungen enthaltenden
Signal. Eine einer E-Mail angehängte
digitale Datei oder ein anderes Informationsarchiv oder ein Satz
von Archiven werden als ein Verteilungsmedium betrachtet, das einem
greifbaren Speichermedium gleichwertig ist. Entsprechend können die
hierin beschriebene beispielhafte Software und/oder Firmware auf
einem greifbaren Speichermedium oder Verteilungsmedium wie den vorstehend beschriebenen
oder auf Nachfolger-Speichermedien gespeichert werden.
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Soweit
die vorstehende Spezifikation beispielhafte Komponenten und Funktionen
unter Bezugnahme auf bestimmte Standards und Protokolle beschreibt,
ist darauf hingewiesen, dass der Umfang dieses Patents nicht auf
derartige Standards und Protokolle beschränkt ist. Diese Standards werden periodisch
durch schnellere oder effizientere Äquivalente ersetzt, die dieselbe
allgemeine Funktionalität aufweisen.
Entsprechend sind dieselben Funktionen aufweisende Ersatzstandards
und –protokolle
Aquivalente, die von diesem Patent berücksichtigt werden, und diese
sollen im Rahmen der beigefügten Ansprüche enthalten
sein.
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Weiterhin
legt dieses Patent zwar beispielhafte Systeme offen, die unter anderem
Software oder Firmware aufweisen, jedoch ist zu bedenken, dass diese
Systeme lediglich veranschaulichenden Charakter besitzen und nicht
als einschränkend
zu betrachten sind. So ist es beispielsweise denkbar, dass alle
diese Hardware- und Softwarekomponenten ausschließlich in
Hardware, ausschließlich
in Software, ausschließlich
in Firmware oder in jeder Kombination aus Hardware, Firmware und/oder
Software ausgeführt
werden könnten.
Während
die vorstehende Spezifikation mithin beispielhafte Systeme, Verfahren
und Produkte beschreiben, erkennt der technisch Versierte sofort,
dass die Beispiele nicht die einzige Art und Weise für die Implementierung derartiger
Systeme, Verfahren und Produkte darstellen. Hierin werden zwar bestimmte
beispielhafte Verfahren, Vorrichtungen und Produkte beschrieben,
jedoch ist der Umfang dieses Patents nicht darauf beschränkt. Dieses
Patent umfasst im Gegenteil sämtliche
Verfahren, Vorrichtungen und Produkte, die entweder dem Wortlaut
nach oder im Wege der Äquivalenz
in den Definitionsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.