DE102009026785A1 - Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße - Google Patents

Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße, bestehend aus einem Sensor (2), der entsprechend einem vorgegebenen Messprinzip arbeitet, und einer Regel-Auswerteeinheit (14), die die von dem Sensor (2) gelieferten Messdaten/Messwerte in Abhängigkeit von einem in der jeweiligen sicherheitskritischen Anwendung geforderten Sicherheitsstandard entlang einer vorgegebenen Anzahl von redundanten oder diversitären oder redundanten und diversitären Messpfaden (MP1, MP2, MP3) aufbereitet und/oder auswertet, wobei für den Fall, dass sich die Antwortzeiten auf eine sprunghafte Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße in zumindest zwei Messpfaden (MP1, MP2, MP3) voneinander unterscheiden, die Regel-/Auswerteeinheit (14) so ausgestaltet ist, dass sie während der sprunghaften Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße automatisch den Messpfad (MP1, MP2, MP3) auswählt bzw. konfiguriert, der die geringere Antwortzeit aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße, bestehend aus einem Sensor, der entsprechend einem vorgegebenen Messprinzip arbeitet, und einer Regel-Auswerteeinheit, die die von dem Sensor gelieferten Messdaten/Messwerte in Abhängigkeit von einem in der jeweiligen sicherheitskritischen Anwendung geforderten Sicherheitsstandard entlang einer vorgegebenen Anzahl von redundanten oder diversitären oder redundanten und diversitären Messpfaden aufbereitet und/oder auswertet.
  • In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung und Überwachung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Analysemessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Feuchte- und Leitfähigkeitsmessgeräte, Dichte und Viskositätsmessgeräte. Die Sensoren dieser Feldgeräte erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, z. B. den Füllstand, den Durchfluss, den pH-Wert, die Stoffkonzentration, den Druck, die Temperatur, die Feuchte, die Leitfähigkeit, die Dichte oder die Viskosität.
  • Unter den Begriff 'Feldgeräte' werden aber auch Aktoren, z. B. Ventile oder Pumpen, subsumiert, über die beispielsweise der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand in einem Behälter veränderbar ist. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser angeboten und vertrieben.
  • In der Regel sind Feldgeräte in modernen automatisierungstechnischen Anlagen über Kommunikationsnetzwerke, wie HART-Multidrop, Punkt zu Punkt Verbindung, Profibus, Foundation Fieldbus, mit einer übergeordneten Einheit verbunden, die als Leitsysteme oder Leitwarte bezeichnet wird. Diese übergeordnete Einheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und zum Bedienen der Feldgeräte. Für den Betrieb von Feldbussystemen notwendige Zusatzkomponenten, die direkt an einen Feldbus angeschlossen sind und die insbesondere zur Kommunikation mit den übergeordneten Einheiten dienen, werden ebenfalls häufig als Feldgeräte bezeichnet. Bei diesen Zusatzkomponenten handelt es sich z. B. um Remote I/Os, um Gateways, um Linking Devices oder um Controller.
  • Der Software-Anteil bei Feldgeräten steigt stetig an. Der Vorteil beim Einsatz von Mikrocontroller-gesteuerten Feldgeräten besteht darin, dass sich über anwendungsspezifische Softwareprogramme eine Vielzahl von unterschiedlichen Funktionalitäten in einem Feldgerät realisieren lassen; auch lassen sich Programmänderungen relativ einfach durchführen. Der hohen Flexibilität der programmgesteuerten Feldgeräte stehen auf der anderen Seite als Folge der sequentiellen Programmabarbeitung eine relativ geringe Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit eine entsprechend geringe Messrate entgegen.
  • Um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, werden immer dann, wenn es sinnvoll ist, in den Feldgeräten ASICs – Application Specific Integrated Circuits – eingesetzt. Durch die anwendungsspezifische Konfiguration können diese Bausteine Daten und Signale wesentlich schneller verarbeiten, als dies ein Softwareprogramm tun kann. Insbesondere für rechenintensive Anwendungen sind ASICs hervorragend geeignet.
  • Nachteilig bei der Applikation von ASICs ist, dass die Funktionalität dieser Bausteine fest vorgegeben ist. Eine nachträgliche Änderung der Funktionalität ist bei diesen Bausteinen nicht ohne weiteres möglich. Weiterhin zahlt sich der Einsatz von ASICs nur bei relativ großen Stückzahlen aus, da der Entwicklungsaufwand und die damit verbundenen Kosten hoch sind.
  • Um den Missstand der fest vorgegebenen Funktionalität zu umgehen, ist aus der WO 03/098154 ein konfigurierbares Feldgerät bekannt geworden, bei dem ein rekonfigurierbarer Logikbaustein in Form eines FPGAs vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Lösung wird beim Systemstart der Logikbaustein mit mindestens einem Mikrocontroller, der auch als Embedded Controller bezeichnet wird, konfiguriert. Nachdem die Konfiguration abgeschlossen ist, wird die erforderliche Software in den Mikrocontroller geladen. Der hierbei benötigte rekonfigurierbare Logikbaustein muss über ausreichende Ressourcen, und zwar Logik-, Verdrahtungs- und Speicherressourcen, verfügen, um die gewünschten Funktionalitäten zu erfüllen. Logikbausteine mit vielen Ressourcen benötigen viel Energie, was wiederum aus funktioneller Sicht ihren Einsatz in der Prozessautomatisierung uneingeschränkt möglich macht. Nachteilig beim Einsatz von Logikbausteinen mit wenigen Ressourcen und somit mit einem geringeren Energieverbrauch ist die erhebliche Einschränkung in der Funktionalität des entsprechenden Feldgeräts.
  • Je nach Anwendungsfall müssen die Feldgeräte unterschiedlichsten Sicherheitsanforderungen genügen. Um den jeweiligen Sicherheitsanforderungen, z. B. dem SIL-Standard 'Security Integrity Level' zu genügen, müssen die Feldgeräte redundant und/oder diversitär ausgelegt sein.
  • Redundanz bedeutet erhöhte Sicherheit durch doppelte oder mehrfache Auslegung aller sicherheitsrelevanter Hard- und Software-Komponenten. Diversität bedeutet, dass die in den unterschiedlichen Messpfaden befindlichen Hardware-Komponenten, wie z. B. ein Mikroprozessor, von unterschiedlichen Herstellern stammen und/oder dass sie von unterschiedlichem Typ sind. Im Falle von Software-Komponenten erfordert die diversitäre, dass die in den Mikroprozessoren gespeicherte Software aus unterschiedlichen Quellen, sprich von unterschiedlichen Herstellern bzw. Programmierern stammt. Durch alle diese Maßnahmen soll sichergestellt werden, dass ein sicherheitskritischer Ausfall des Messgeräts ebenso wie das Auftreten von gleichzeitig auftretenden systematischen Fehlern bei der Messwertbereitstellung mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen ist. Auch ist es bekannt, zusätzlich auch noch einzelne wesentliche Hardware- und Software-Komponenten der Auswerteschaltung redundant und/oder diversitär auszulegen. Durch die redundante und diversitäre Auslegung einzelner von Hardware- und Software-Komponenten lässt der Grad der Sicherheit noch einmal erhöhen.
  • Ein Beispiel für eine sicherheitsrelevante Applikation ist die Füllstandsüberwachung in einem Tank, in dem eine brennbare oder auch eine nicht brennbare, dafür aber wassergefährdende Flüssigkeit gelagert ist. Hier muss sichergestellt sein, dass die Zufuhr von Flüssigkeit zu dem Tank sofort unterbrochen wird, sobald ein maximal zulässiger Füllstand erreicht ist. Dies wiederum setzt voraus, dass das Messgerät hoch zuverlässig den Füllstand detektiert und fehlerfrei arbeitet. Problematisch wird die redundante und/oder diversitäre Auslegung von Messpfaden, wenn die Verarbeitungsgeschwindigkeit in den zumindest zwei Messpfaden voneinander abweicht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät vorzuschlagen, das eine unterschiedliche Verarbeitungsgeschwindigkeit in zwei redundant und/oder diversitär ausgelegten Messpfaden kompensieren kann.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für den Fall, dass sich die Antwortzeiten auf eine sprunghafte Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße in zumindest zwei Messpfaden voneinander unterscheiden, die Regel-/Auswerteeinheit so ausgestaltet ist, dass sie während der sprunghaften Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße automatisch den Messpfad auswählt bzw. konfiguriert, der die geringere Antwortzeit aufweist.
  • Im Einzelfall richtet sich die Ausgestaltung der Messpfade nach dem jeweiligen Sicherheitsstandard, z. B. nach SIL1, SIL2, SIL3. Der Sicherheitsstandard erfordert beispielsweise eine redundante oder eine diversitäre Auslegung der Hard- und Software-Komponenten. Dies bedeutet, dass die redundanten Komponenten von unterschiedlichen Herstellern bezogen werden, wodurch systematische Fehlfunktionen der Komponenten mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden können. Im Falle von Software bedeutet diversitär, dass die Programme von unterschiedlichen Programmierfirmen bzw. unterschiedlichen Programmierern erstellt werden. Auch hierdurch soll mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit die Eliminierung von systematischen Fehlern erzielt werden.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts sieht vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit zumindest teilweise als rekonfigurierbarer Logikbaustein mit mehreren partiell dynamisch (FPGA) und/oder dynamisch rekonfigurierbaren Funktionsmodulen (FPAA) ausgebildet ist, und dass die Regel-/Auswerteeinheit die Funktionsmodule in den Messpfaden in Abhängigkeit von der jeweils definierten sicherheitskritischen Anwendung so konfiguriert, dass das Feldgerät entsprechend dem geforderten Sicherheitsstandard ausgelegt ist. Der Vorteil der partiell dynamisch oder dynamisch rekonfigurierbaren Funktionsmodule in den Messpfaden zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität bei kleinem Platzbedarf aus. Unter dynamisch wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Rekonfigurierung während des Betriebs des Feldgeräts erfolgt.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteeinheit in jedem der Messpfade digital-hardware- und/oder analog-hardware und/oder softwarebasierte Funktionsmodule rekonfiguriert.
  • Bei dem Logikbaustein handelt es sich vorteilhafter Weise um einen dynamisch partiell rekonfigurierbaren FPGA für die digitalen Funktionsmodule und/oder um einen dynamisch rekonfigurierbaren FPAA für die analogen Funktionsmodule.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Feldgeräts sieht vor, dass einer der Messpfade als analoger Kanal oder digitaler Kanal und ein anderer der Messpfade als digitaler Kanal oder analoger Kanal ausgestaltet ist, wobei einer der beiden Kanäle sich durch eine geringere Verarbeitungsgeschwindigkeit für die Bereitstellung eines Ausgangssignals oder eine höhere Genauigkeit des Ausgangssignals auszeichnet als der jeweils andere Kanal. Üblicherweise zeichnet sich der analoge Kanal durch eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit aber durch eine geringere Genauigkeit als der digitale Kanal aus. Es kann sich aber genauso gut um zumindest zwei analoge oder zumindest zwei digitale Kanäle handeln, die die o. g. Kriterien bezüglich Verarbeitungsgeschwindigkeit und Genauigkeit erfüllen.
  • Weiterhin sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldgeräts vor, dass der Regel-/Auswerteeinheit ein Voter, z. B. ein Mikrokontroller zugeordnet ist, der die von den einzelnen oder in den einzelnen Messpfaden zur Verfügung gestellten Ausgangssignale miteinander vergleicht und jeweils das Ausgangssignal des Kanals mit der höheren Genauigkeit bereitstellt, solange die Abweichung zwischen den Ausgangssignalen des Kanals mit der höheren Genauigkeit und des Kanals mit der geringeren Genauigkeit aber der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit innerhalb der Toleranzgrenzen des Kanals mit der höheren Reaktionszeit liegt.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass im Falle einer sprunghaften Änderung der Prozessgröße der Voter bzw. der Mikrokontroller so lange das Ausgangssignal mit der geringeren Genauigkeit und der höheren Verarbeitungsgeschwindig keit ausgibt, bis das Ausgangssignal mit der höheren Genauigkeit aber der geringeren Verarbeitungsgeschwindigkeit den Wert des Ausgangssignals mit der geringeren Genauigkeit aber der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit Geschwindigkeit erreicht hat.
  • Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn eine ungeradzahlige Anzahl von Messpfaden vorgesehen bzw. konfiguriert ist. Bei einem auftretenden Fehler ist es dann möglich, den fehlerhaften Messpfad zu definieren.
  • Hierbei erzeugt der Voter bzw. der Mikrocontroller im Falle einer Abweichung der Ausgangssignale von zwei Messpfaden bzw. Kanälen eine Warn- oder Fehlermeldung, wenn die Differenz zwischen den Ausgangssignalen von zwei Messpfaden größer ist als die Genauigkeit des Messpfades mit der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit und wenn sich in dem Ausgangssignal des Messpfades mit der geringeren Verarbeitungsgeschwindigkeit keine Reaktion auf die sprunghafte Änderung der Prozessgröße zeigt.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Regel-/Auswerteeinheit seriell oder parallel die Funktionsmodule für eine ungeradzahlige Anzahl von redundanten oder diversitären oder redundanten und diversitären Messpfaden partiell dynamisch oder dynamisch konfiguriert, dass die Regel-/Auswerteeinheit die von oder in den Messpfaden zur Verfügung gestellten Daten miteinander vergleicht, und dass die Regel-/Auswerteeinheit eine Warnmeldung generiert, dass ein definierter Messpfad fehlerhafte Daten liefert, wenn auf dem definierten Messpfad Daten zur Verfügung gestellt werden, die von den Daten der verbleibenden Messpfade abweichen.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Regel-/Auswerteeinheit die einzelnen Funktionsmodule oder eine in einem Messpfad angeordnete Gruppen von Funktionsmodulen in einem definierten ersten Bereich des Logikbaustein rekonfiguriert, und dass ein Mikrocontroller vorgesehen ist, der durch Vergleich der Daten einzelner Funktionsmodule oder Gruppen von Funktionsmodulen mit entsprechenden redundanten oder diversitären Funktionsmodulen oder Gruppen von Funktionsmodulen ermittelt, ob das Funktionsmodul oder die Gruppe von Funktionsmodulen in dem ersten Bereich des Logikbausteins korrekt arbeitet oder fehlerhaft ist.
  • Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Regel-/Auswerteeinheit im Fall eines ermittelten Fehlers das fehlerhafte Funktionsmodul bzw. die fehlerhafte Gruppe von Funktionsmodulen erneut in dem ersten Bereich rekonfiguriert und die entsprechenden Daten miteinander vergleicht.
  • Ebenso ist vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteeinheit im Falle des erneuten Auftretens eines Fehlers ein diversitäres Funktionsmodul oder die Gruppe von diversitären Funktionsmodulen in den ersten Bereich des Logikbausteins lädt.
  • Im Falle des abermaligen Auftretens eines Fehlers sperrt die Regel-/Auswerteeinheit den ersten Bereich des Logikbausteins und rekonfiguriert das entsprechende Funktionsmodul bzw. die entsprechende Gruppe von Funktionsmodulen in einem von dem ersten Bereich des Logikbausteins abweichenden zweiten Bereich des Logikbaustein; anschließend werden die entsprechenden Daten miteinander verglichen.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteeinheit im Falle des wiederholten Auftretens eines Fehlers eine Meldung ausgibt, dass das Funktionsmodul bzw. die Gruppe von Funktionsmodulen fehlerhaft arbeitet und wobei die Regel-/Auswerteeinheit einen redundanten und/oder diversitären Funktionsblock in dem zweiten Bereich rekonfiguriert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts ist ein Test-Mikroprozessor vorgesehen, der ein Testsignal oder ein Testmuster auf ein Funktionsmodul oder eine Gruppe von Funktionsmodulen gibt und durch einen Vergleich der IST-Antwortdaten auf das Testsignal oder das Testmuster mit entsprechenden abgespeicherten SOLL-Antwortdaten die Funktion des Funktionsmoduls oder die Funktion der Gruppe von Funktionsmodulen überprüft.
  • Üblicherweise ist in dem statischen Bereich zumindest ein Funktionsmodul, z. B. die der Voter, z. B. der Mikrokontroller, in dem das Steuerprogramm zur Konfigurierung der Funktionsmodule abläuft, permanent konfiguriert.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Logikbaustein eine Vielzahl von Logikzellen in einer fest verdrahteten FPGA/Standard ASIC Struktur aufweist, wobei die Logikzellen mittels Konfigurationsregistern so konfigurierbar sind, dass sie elementare Logikfunktionen ausführen, wobei eine Verknüpfungsmatrix mit einer Vielzahl von Speicherzellen vorgesehen ist, über die unterschiedliche logische Verknüpfungen der Logikzellen in definierten komplexen Verknüpfungen mittels der Konfigurationsregister konfigurierbar sind, und dass eine zweite Steuereinheit vorgesehen ist, die die Logikzellen und die Verknüpfungsmatrix über einen internen Bus und über die Konfigurationsregister mittels eines Konfigurations-Bitstrom partiell dynamisch so konfiguriert, dass die fest verdrahtete FPGA/ASIC Struktur sich funktional wie ein partiell dynamisch rekonfigurierbarer Standard Logikbaustein verhält.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: ein Blockschaltbild eines redundant/diversitär ausgestalteten Druckmessgeräts, das einem vorgegebenen Sicherheitsstandard entspricht,
  • 2: ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen partiell dynamisch rekonfigurierbaren Druckmessgeräts, das einem vorgegebenen Sicherheitsstandard entspricht,
  • 3: eine erste erfindungsgemäße diversitär analog/digital ausgestaltete Ausgestaltung der Regel-/Auswerteeinheit für sicherheitskritische Anwendungen,
  • 4a: eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regel-/Auswerteeinheit mit dreifacher Redundanz,
  • 4b: eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regel-/Auswerteeinheit mit dreifacher Redundanz,
  • 5: eine Visualisierung der Reaktionen zweier unterschiedlich ausgestalteter Messpfade auf eine sprunghafte Änderung der Prozessgröße und
  • 6: eine Visulaisierung einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regel-/Auswerteeinheit, bei der der Voter u. a. die Funktion eines Schalters übernimmt.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines redundant/diversitär ausgestalteten Druckmessgeräts. Obwohl an dieser Stelle auf eine Vorrichtung zur Druckmessung Bezug genommen wird, versteht es sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Lösung in Verbindung mit jeder Vorrichtung zur Messung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eingesetzt werden kann.
  • Entsprechende Vorrichtungen sind in der Beschreibungseinleitung der vorliegenden Patentanmeldung explizit – aber keinesfalls abschließend – beschrieben.
  • Bei Feldgeräten 1, die in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden und die nach SIL-Security/Safety Integrity Level nach IEC 61508 – klassifiziert sind, ist eine unabhängige Überprüfung des in einem Messpfad MP1, MP2, MP3 gelieferten Messergebnisses gefordert. Bisher wurden in Feldgeräten 1 hierfür zwei oder mehrere unterschiedliche Messpfade MP1, MP2, MP3 vorgesehen. Häufig wird dabei der Messwert hardwaremäßig in einem ersten Messpfad MP1 mit Hilfe eines ASICs 5 bestimmt. Zusätzlich wird der Messwert noch softwaremäßig in einem zweiten Messpfad MP2 mit einem auf einem Mikrocontroller 6 ablaufenden Programm bestimmt. Der mit dem Mikrocontroller 6 ermittelte diversitäre Messwert wird mit dem vom ASIC 5 ermittelten Messwert verglichen. Sind beide Messwerte innerhalb einer vorgegebenen Fehlertoleranz gleich – eine entsprechende Überprüfung erfolgt in dem Voter 7 –, so kann man davon ausgehen, dass das Feldgerät 1 einwandfrei arbeitet. Eine Abweichung wird stets als ein Indiz für eine Fehlfunktion gewertet. Bei Ungleichheit der beiden Messwerte wird folglich ein Alarm erzeugt, der über eine digitale Kommunikationselektronik 8, eine analoge Kommunikationselektronik 9 und ein Bussystem 10 an eine übergeordnete Steuereinheit oder Leitwarte 12 weitergeleitet wird. Ein entsprechendes Feldgerät 1 zur Druckmessung wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar S Evolution angeboten und vertrieben. Problematisch bei einer geradzahligen Anzahl von Messpfaden MP1, MP2 ist, dass nicht spezifiziert werden kann, in welchem der Messpfade MP1, MP2 der Fehler aufgetreten ist.
  • Das in 1 dargestellte Feldgerät 1 ist in 2 als Lösung mit einem partiell dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein 11 beschrieben. Das Feldgerät 1 arbeitet nach einem in der jeweiligen Applikation vorgeschriebenen SIL- Standard. Erfindungsgemäß werden in dem partiell dynamisch rekonfigurierbaren Bereich des FPGAs 11 die entsprechenden diversitären Funktionsmodule 5, 6 entweder seriell oder parallel konfiguriert. Dadurch lässt sich die Auswerteeinheit eines nicht SIL-fähiges Feldgerät erfindungsgemäß für den SIL-Betrieb vorbereiten. Da zeitlich versetzt hard- oder softwaremäßige Funktionsmodule 5, 6 nacheinander während des Messbetriebs in demselben Bereich, also auf derselben Fläche, konfiguriert werden können, ist der Speicherbedarf in Bezug auf die bekannten Lösungen des Standes der Technik entsprechend gering. Neben dem zeitweisen Entfernen einzelner Funktionsmodule 5, 6, 7, 8 und dem Ersetzen durch andere Funktionsmodule 5', 6', 7', 8' ist es auch möglich, einzelne Funktionsmodule 5, 6, 7, 8 in ihrer Fläche zeitweise zu verringern, wobei die reduzierte Fläche letztlich von der spezifischen Anwendung des Feldgerätes 1 abhängt.
  • Partiell dynamisch rekonfigurierbare Logikbausteine 11 bieten verschiedene Alternativen für die für den SIL-Betrieb notwendigen Messpfade MP1, MP2, wobei in 2 die Alternative Hardware 5/Software 6 dargestellt ist. Selbstverständlich können auch die Alternativen Hardware 5/Hardware 5' oder Software 6/Software 6' angewendet werden. Bei allen Alternativen mit zwei gleichwertigen Messpfaden MP1, MP2 – Hardware 5/Hardware 5' bzw. Software 6/Software 6' – können beide Gruppen von Funktionsmodulen sowohl redundant als auch diversitär ausgestaltet sein. Einzelne Beispiele sind anhand der nachfolgenden Figuren im Detail beschrieben.
  • 3 zeigt eine diversitäre analog/digital ausgestaltete Kontroll-/Auswerteeinheit 14 für sicherheitskritische Anwendungen, die dreifach diversitär ausgestaltet ist. Die für die jeweilige Applikation geeignete Ausgestaltung wird auf dem FPGA 11 partiell dynamisch rekonfiguriert, auf dem FPAA 18 werden die Analog-Komponenten bzw. die analogen Funktionsmodule dynamisch konfiguriert.
  • Tritt zwischen den Messergebnissen in den verschiedenen MP1, MP2, MP3 eine Abweichung auf, so wird diese als Warn- oder Fehlermeldung über die Datenleitung, bei der es sich bevorzugt um einen Datenbus 10 handelt, an die Leitwarte 12 bzw. an das Bedienpersonal ausgeben.
  • In den Figuren 4a und 4b ist jeweils eine Kontroll-/Auswerteeinheit 14 mit dreifacher Redundanz gezeigt. Während bei der in 4a gezeigten Lösung die dreifache Redundanz nur für die digitalen Funktionsmodule der Kontroll-/Auswerteeinheit 14 ausgeführt ist, betrifft die dreifache Redundanz bei der in 4b gezeigten Ausgestaltung auch die analogen sensorseitigen Funktionsmodule. Dreifach bzw. ungeradzahlig ausgelegte Messpfade haben gegenüber geradzahligen ausgelegten Messpfaden den Vorteil, dass im Fehlerfall der fehlerhafte Messpfade zweifelsfrei aufgefunden werden kann.
  • Im Folgenden wird Bezug auf die Figuren 5a, 5b, 5c und 5d genommen. In vielen Prozessen der Prozessautomatisierungstechnik hat die Antwortzeit auf eine sprunghaft auftretende Änderung, also die Verarbeitungsgeschwindigkeit denselben Stellenwert wie die Genauigkeit des ausgegebenen Ausgangssignals eines Messpfades. Üblicherweise hängen beide Größen miteinander zusammen, da eine höhere Genauigkeit entsprechend ausgestaltete A/D Wandler voraussetzt. Deshalb ist eine hohe Genauigkeit des Ausgangssignals eines Messpfades üblicherweise mit einer geringeren Verarbeitungsgeschwindigkeit in dem Messpfad verknüpft, während eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit mit einer geringeren Verarbeitungsgeschwindigkeit auf dem entsprechenden Messpfad einhergeht. Beispielsweise kann mit Hilfe des Voters und des analogen Messpfades eine möglichst kurze Antwortzeit bzw. eine möglichst geringe Verarbeitungsgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit erreicht werden. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang auch auf die 6, die einen als Schalter ausgestalteten Voter 7 aufweist, der dafür Sorge trägt, dass im Falle einer sprunghaften Änderung der Prozessgröße stets die optimalen Werte als Ausgangssignale zur Verfügung gestellt werden.
  • Der analog ausgestaltete Messpfad MP3 ist schneller aber weniger genau als die beiden digitalen Messpfade MP1, MP2, die üblicherweise denselben Typ von A/D Wandler verwenden. Der Voter 7 vergleicht die Ausgangssignale der beiden digitalen Messpfade MP1, MP2 mit dem Ausgangssignal des analogen Messpfades MP3. Liegt die Abweichung innerhalb der Toleranzgrenzen des analogen Messpfades MP3, so wird das Ausgangssignal der digitalen Messpfade MP1, MP2 an das analoge Stromausgangsmodul 9 weitergegeben.
  • Sobald sich während des Betriebs der vom entsprechenden Sensor/Messgerät gelieferte Eingangswert sprunghaft ändert, wird das analoge Ausgangssignals des analogen Messpfades MP3 dieser sprunghaften Änderung schneller folgen als die Ausgangssignale der beiden langsameren digitalen Messpfade MP1, MP2. Der Unterschied in den Ausgangssignalen der digitalen Messpfade MP1, MP2 und in dem Ausgangssignal des analogen Messpfades MP3 liegt dann außerhalb der Toleranz- bzw. Genauigkeitsgrenzen des analogen Messpfades MP3. In diesem Fall gibt der Voter 7 das Ausgangssignal des analogen Messpfades aus. Der Voter 7 gibt nachfolgend solange das Ausgangssignal des analogen Messpfades MP3 aus, bis die Ausgangssignale der digitalen Messpfade MP1, MP2 wieder im Bereich der Toleranzgrenzen des Ausgangssignals des analogen Messpfades MP3 liegen. Sobald die Ausgangssignale der beiden digitale Messpfade MP1, MP2 wieder innerhalb der Toleranzgrenzen des Ausgangssignals des analogen Messpfades MP3 liegen, gibt der Voter 7 wieder die digitalen Ausgangssignale zur Auswertung des Messwertes weiter. Obwohl in 3 drei Messpfade MP1, MP2, MP3 verwendet werden, versteht es sich von selbst, dass auch bereits bei zwei Messpfaden die erfindungsgemäße Lösung zur Anwendung kommen kann. Ebenso können anstelle eines langsamen digitalen Messpfades und eines schnellen analogen Messpfades auch zwei digitale und/oder analoge Messpfade mit unterschiedlicher Verarbeitungsgeschwindigkeit und unterschiedlicher Genauigkeit verwendet werden.
  • Wie bereits zuvor erwähnt, hat eine Ausgestaltung mit einer ungeradzahligen Anzahl von Messpfaden gegenüber einer Ausgestaltung mit einer geradzahligen Anzahl von Messpfaden den Vorteil, dass bei dem entsprechenden Feldgerät ein Fehlerfall automatisch in einem definierten Messpfad aufgespürt werden kann. Das Feldgerät bleibt aufgrund von drei nebeneinander existierenden Messpfaden stets sicher und verfügbar. Hierzu vergleicht der Voter 7 in jedem Fall die Ausgangssignale von z. B. drei Messpfaden MP1, MP2, MP3. Tritt ein Fehler in einem der beiden digitalen Messpfade MP1, MP2 auf, wird er automatisch erkannt, da die digitalen Messpfade MP1, MP2 zumindest näherungsweise die gleiche Antwortzeit bzw. die gleiche Verarbeitungsgeschwindigkeit aufweisen. Ein Fehler im analogen Messpfad MP3 ist auf Grund der schnellen Verarbeitungsgeschwindigkeit bzw. Reaktionszeit wesentlich kritischer; aber auch dieser lässt sich über die erfindungsgemäße Lösung eindeutig identifizieren.
  • Bei einer sprunghaften Änderung (5a) der zu messenden Prozessgröße reagiert der analoge Messpfad MP3 sehr schnell (5c), so dass sich im Ausgangssignal auch sehr schnell die entsprechende sprunghafte Änderung der Prozessgröße spiegeln wird. Hingegen reagiert das bzw. reagieren die digitalen Messpfade MP1, MP2 langsamer (5b). Folglich wird das Ausgangssignal des digitalen Messpfades bzw. der digitalen Messpfade MP1, MP2 eine signifikante Erhöhung in Reaktion auf die sprunghafte Änderung der Prozessgröße verzögert zeigen. Besitzt der A/D Wandler z. B. eine Architektur zweiter Ordnung, so zeigt sich diese zweite Ordnung auch in der Sprungantwort. Diese Änderung kann mit dem Ausgangssignal des analogen Messpfades MP3 verglichen werden.
  • Sofern die Differenz zwischen dem analogen Ausgangssignal und digitalen Ausgangssignal größer ist als die Genauigkeit des Ausgangssignals des analogen Messpfades und sofern das Ausgangssignal des digitalen Messpfades MP1, MP2 noch nicht – wenn auch verzögert – auf die sprunghafte Änderung hindeutet, so liegt auf einem der beiden Messpfade MP1, MP2, MP3 ein Fehler vor. Sind die Ausgangssignale in den beiden digitalen Messpfaden MP1, MP2 gleich, so liegt der Fehler eindeutig im analogen Messpfad MP3. Um nun diesen Fehler zu beheben, kann die Methode der Selbstheilung, wie sie bereits zuvor beschrieben wurde, angewendet werden.
  • Erfindungsgemäß wird für den Fall, dass sich die Antwortzeiten auf eine sprunghafte Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße in zumindest zwei Messpfaden MP1, MP2, MP3 voneinander unterscheiden, die Regel-/Auswerteeinheit so ausgestaltet ist, dass sie während der sprunghaften Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße automatisch den Messpfad auswählt bzw. konfiguriert, der die geringere Antwortzeit aufweist.
  • 1
    Feldgerät
    2
    Sensor
    3
    Analoge Sensorelektronik
    4
    A/D-Wandler
    5
    Funktionsmodul/ASIC
    6
    Funktionsmodul/Mikrocontroller
    7
    Funktionsmodul/Voter/Entscheidungslogik
    8
    Funktionsmodul/Digitale Kommunikationselektronik
    9
    Analoge Kommunikationselektronik
    10
    Datenbus
    11
    rekonfigurierbarer Logikbaustein, partiell dynamisch rekonfigurierbarer FPGA/dynamisch rekonfigurierbarer FPAA
    12
    Leitwarte/übergeordnete Steuereinheit
    13
    Steuereinheit
    14
    Regel-/Auswerteeinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 03/098154 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - IEC 61508 [0042]

Claims (17)

  1. Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße, bestehend aus einem Sensor (2), der entsprechend einem vorgegebenen Messprinzip arbeitet, und einer Regel-Auswerteeinheit (14), die die von dem Sensor (2) gelieferten Messdaten/Messwerte in Abhängigkeit von einem in der jeweiligen sicherheitskritischen Anwendung geforderten Sicherheitsstandard entlang einer vorgegebenen Anzahl von redundanten oder diversitären oder redundanten und diversitären Messpfaden (MP1, MP2, MP3) aufbereitet und/oder auswertet, wobei für den Fall, dass sich die Antwortzeiten auf eine sprunghafte Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße in zumindest zwei Messpfaden (MP1, MP2, MP3) voneinander unterscheiden, die Regel-/Auswerteeinheit (14) so ausgestaltet ist, dass sie während der sprunghaften Änderung der physikalischen oder chemischen Prozessgröße automatisch den Messpfad (MP1, MP2, MP3) auswählt bzw. konfiguriert, der die geringere Antwortzeit aufweist.
  2. Feldgerät nach Anspruch 1, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) zumindest teilweise als rekonfigurierbarer Logikbaustein (11) mit mehreren partiell dynamisch oder dynamisch rekonfigurierbaren Funktionsmodulen (5, 6) ausgebildet ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die Funktionsmodule (5, 6) in den Messpfaden (MP1, MP2, MP3) in Abhängigkeit von der jeweils definierten sicherheitskritischen Anwendung so konfiguriert, dass das Feldgerät (1) entsprechend dem geforderten Sicherheitsstandard ausgelegt ist.
  3. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) in jedem der Messpfade (MP1, MP2, MP3) digital-hardware- und/oder analog-hardware und/oder softwarebasierte Funktionsmodule (5, 6) rekonfiguriert.
  4. Feldgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei es sich bei dem Logikbaustein (11) um einen dynamisch partiell rekonfigurierbaren FPGA für die digitalen Funktionsmodule (5, 6, 7, 8) und/oder um einen dynamisch rekonfigurierbaren FPAA für die analogen Funktionsmodule handelt.
  5. Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer der Messpfade (MP3) als analoger Kanal oder digitaler Kanal und ein anderer der Messpfade (MP1, MP2) als digitaler Kanal oder analoger Kanal ausgestaltet ist, wobei einer der beiden Kanäle sich durch eine geringere Verarbeitungsgeschwindigkeit für die Bereitstellung eines Ausgangssignals oder eine höhere Genauigkeit des Ausgangssignals auszeichnet als der jeweils andere Kanal.
  6. Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regel-/Auswerteeinheit (14) ein Voter (7), z. B. ein Mikrokontroller zugeordnet ist, der die von den einzelnen oder in den einzelnen Messpfaden (MP1, MP2, MP3) zur Verfügung gestellten Ausgangssignale miteinander vergleicht und jeweils das Ausgangssignal des Kanals mit der höheren Genauigkeit bereitstellt, solange die Abweichung zwischen den Ausgangssignalen des Kanals mit der höheren Genauigkeit und des Kanals mit der geringeren Genauigkeit aber der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit innerhalb der Toleranzgrenzen des Kanals mit der höheren Reaktionszeit liegt.
  7. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 6, wobei im Falle einer sprunghaften Änderung der Prozessgröße der Voter (7) bzw. der Mikrokontroller so lange das Ausgangssignal mit der geringeren Genauigkeit und der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit ausgibt, bis das Ausgangssignal mit der höheren Genauigkeit aber der geringeren Verarbeitungsgeschwindigkeit den Wert des Ausgangssignals mit der geringeren Genauigkeit aber der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit Geschwindigkeit erreicht hat.
  8. Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine ungeradzahlige Anzahl von Messpfaden (MP1, MP2, MP3) vorgesehen bzw. konfiguriert ist.
  9. Feldgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–8, wobei der Voter (7) bzw. der Mikrokontroller im Falle einer Abweichung der Ausgangssignale von zwei Messpfaden bzw. Kanälen eine Warn- oder Fehlermeldung generiert, wenn die Differenz zwischen den Ausgangssignalen von zwei Messpfaden (MP1, MP2) größer ist als die Genauigkeit des Messpfades (Mp3) mit der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit und sich in dem Ausgangssignal des Messpfades (MP1, MP2) mit der geringeren Verarbeitungsgeschwindigkeit keine Reaktion auf die sprunghafte Änderung der Prozessgröße zeigt.
  10. Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) seriell oder parallel die Funktionsmodule (5, 6) für eine ungeradzahlige Anzahl von redundanten oder diversitären oder redundanten und diversitären Messpfaden (MP1, MP2, MP3) partiell dynamisch oder dynamisch konfiguriert, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die von oder in den Messpfaden (MP1, MP2, MP3) zur Verfügung gestellten Daten miteinander vergleicht, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) eine Warnmeldung generiert, dass ein definierter Messpfad (MP1) fehlerhafte Daten liefert, wenn auf dem definierten Messpfad (MP1) Daten zur Verfügung gestellt werden, die von den Daten der verbleibenden Messpfade (MP2, MP3) abweichen.
  11. Feldgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–10, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die einzelnen Funktionsmodule (5, 6, 7, 8) oder eine in einem Messpfad (MP1, MP2, MP3) angeordnete Gruppen von Funktionsmodulen in einem definierten ersten Bereich des Logikbaustein (11) rekonfiguriert, und wobei ein Mikrocontroller (13) vorgesehen ist, der durch Vergleich der Daten einzelner Funktionsmodule (5, 6) oder Gruppen von Funktionsmodulen mit entsprechenden redundanten oder diversitären Funktionsmodulen (5.1, 6.1) oder Gruppen von Funktionsmodulen ermittelt, ob das Funktionsmodul (5, 6) oder die Gruppe von Funktionsmodulen in dem ersten Bereich (A) des Logikbausteins korrekt arbeitet oder fehlerhaft ist.
  12. Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) im Fall eines ermittelten Fehlers das fehlerhafte Funktionsmodul (5, 6) bzw. die fehlerhafte Gruppe von Funktionsmodulen erneut in dem ersten Bereich (A) rekonfiguriert und die entsprechenden Daten miteinander vergleicht.
  13. Feldgerät nach Anspruch 12, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) im Falle des erneuten Auftretens eines Fehlers ein diversitäres Funktionsmodul (5, 6) oder die Gruppe von diversitären Funktionsmodulen in den ersten Bereich (A) des Logikbausteins (11) lädt.
  14. Feldgerät nach Anspruch 13, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) im Falle des abermaligen Auftretens eines Fehlers den ersten Bereich (A) des Logikbausteins (11) sperrt und das entsprechende Funktionsmodul (5, 6) bzw. die entsprechende Gruppe von Funktionsmodulen in einem von dem ersten Bereich (A) des Logikbausteins (11) abweichenden zweiten Bereich (A') des Logikbaustein (11) rekonfiguriert und die entsprechenden Daten miteinander vergleicht.
  15. Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) im Falle des wiederholten Auftretens eines Fehlers eine Meldung ausgibt, dass das Funktionsmodul (5, 6) bzw. die Gruppe von Funktionsmodulen fehlerhaft arbeitet und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) einen redundanten und/oder diversitären Funktionsblock (5', 6') in dem zweiten Bereich rekonfiguriert.
  16. Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem statischen (SB) Bereich zumindest ein Funktionsmodul, z. B. die der Voter, z. B. der Mikrokontroller, in dem das Steuerprogramm zur Konfigurierung der Funktionsmodule abläuft, permanent konfiguriert ist.
  17. Feldgerät nach einem der Ansprüche 1, 5, 7 und 14, wobei der Logikbaustein (11) eine Vielzahl von Logikzellen in einer fest verdrahteten FPGA/Standard ASIC Struktur aufweist, wobei die Logikzellen mittels Konfigurationsregistern so konfigurierbar sind, dass sie elementare Logikfunktionen ausführen, wobei eine Verknüpfungsmatrix mit einer Vielzahl von Speicherzellen vorgesehen ist, über die unterschiedliche logische Verknüpfungen der Logikzellen in definierten komplexen Verknüpfungen mittels der Konfigurationsregister konfigurierbar sind, und wobei eine zweite Steuereinheit vorgesehen ist, die die Logikzellen und die Verknüpfungsmatrix über einen internen Bus und über die Konfigurationsregister mittels eines Konfigurations-Bitstrom partiell dynamisch so konfiguriert, dass die fest verdrahtete FPGA/ASIC Struktur sich funktional wie ein partiell dynamisch rekonfigurierbarer Standard Logikbaustein verhält.
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