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Die Erfindung betrifft ein System zur Kommunikation von mehreren Clients mit mehreren Feldgeräten in der Automatisierungstechnik.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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In modernen Prozessanlagen erfolgt die Kommunikation zwischen zumindest einer übergeordneten Steuereinheit und den Feldgeräten auf der Feldebene in der Regel über ein Bussystem, wie beispielsweise Profibus® PA, Foundation Fieldbus® oder HART®. Die Bussysteme können sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgestaltet sein. Die übergeordnete Steuereinheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte und wird auch als Konfigurier-/Managementsystem bezeichnet. Programme, die auf übergeordneten Einheiten eigenständig ablaufen, sind beispielsweise das Bedientool FieldCare der Firmengruppe Endress+Hauser, das Bedientool Pactware, das Bedientool AMS von Fisher-Rosemount oder das Bedientool PDM von Siemens. Bedientools, die in Leitsystem-Anwendungen integriert sind, sind das PCS7 von Siemens, das Symphony von ABB und das Delta V von Emerson. Unter dem Begriff ‚Bedienen von Feldgeräten‘ wird insbesondere das Konfigurieren und Parametrieren von Feldgeräten, aber auch die Diagnose zwecks frühzeitiger Erkennung von Fehlern an den Feldgeräten oder im Prozess verstanden.
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Die Integration von Feldgeräten in Konfigurier-/ Managementsysteme erfolgt üblicherweise über Gerätebeschreibungen, die dafür sorgen, dass die Konfigurier-/Managementsysteme die von den Feldgeräten gelieferten Datensätze erkennen und interpretieren können. Bereit gestellt werden die Gerätebeschreibungen für jeden Feldgerätetyp bzw. für jeden Feldgerätetyp in unterschiedlichen Messstellen/Anwendungen in der Regel von dem jeweiligen Gerätehersteller. Damit die Feldgeräte in unterschiedliche Feldbussysteme integriert werden können, müssen unterschiedliche Gerätebeschreibungen für die unterschiedlichen Feldbussysteme erstellt werden. So gibt es - um nur einige Beispiele zu nennen - HART-, Fieldbus Foundation- und Profibus-Gerätebeschreibungen. Die Anzahl der Gerätebeschreibungen ist sehr groß, - entspricht sie doch der großen Zahl der unterschiedlichen Feldgeräte bzw. Feldgerätetypen in den unterschiedlichen Messstellen bzw. in den unterschiedlichen Anwendungen und in den unterschiedlichen Bussystemen. Üblicherweise werden die Gerätebeschreibungen in dem jeweiligen Konfigurier-/Managementsystem abgespeichert sein. Hinzu kommt, dass aufgrund der Weiterentwicklung der Feldgeräte die Gerätebeschreibungen immer wieder an die geänderte Funktionalität angepasst werden müssen.
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Zwecks Schaffung einer einheitlichen Beschreibungssprache für die Feldgeräte, haben die Fieldbus Foundation (FF), die HART Communication Foundation (HCF) und die Profibus Nutzerorganisation (PNO) eine einheitliche elektronische Gerätebeschreibungssprache (Electronic Device Description Language EDDL) erstellt. Die EDDL bzw. die entsprechende Electronic Device Description EDD ist in der Norm IEC 61804-2 definiert.
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Neben den zuvor beschriebenen Gerätebeschreibungen werden in zunehmendem Maße sog. Device Type Manager (DTM) bzw. Gerätemanager oder Gerätetreiber eingesetzt, die als Laufzeitumgebung einen Frame bzw. eine Rahmenapplikation benötigen. DTMs dienen zur vollumfänglichen Bedienung der Feldgeräte und entsprechen insbesondere der FDT - Field Device Tool - Spezifikation. Die als Industriestandard geltende FDT-Spezifikation entspricht einer Schnittstellenspezifikation und wird von der PNO - Profibus Nutzer Organisation - in Zusammenarbeit mit dem ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie - entwickelt. Die jeweils aktuelle FDT-Spezifikation ist über den ZVEI bzw. die PNO bzw. die FDT-Group erhältlich.
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Gerätetreiber, die auf dem FDT 1.2.x Standard beruhen, sind Microsoft Com basiert. Deshalb ist es notwendig, eine lokale Kopie der einzelnen Dateien, z.B. exe, dll, .. lokal zu installieren und eine COM definierte Registrierung auf dem entsprechenden Client vorzunehmen, auf dem die Applikation installiert ist, die auf die Feldgeräte zugreift. Weiterhin sind Kommunikationstreiber oftmals an lokale Schnittstellen, wie z.B. serielle Schnittstellen gebunden. Der Nachteil der bekannten Lösung ist darin zu sehen, dass ein lokales Projekt einer Prozessanlage auf Kommunikationszugänge der lokalen Recheneinheit bzw. des lokalen Clients beschränkt ist.
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Die
DE 10 2008 055 660 A1 offenbart ein Verfahren zum Zugreifen auf ein Funktionsmodul eines Automatisierungssystems vor, wobei das Automatisierungssystem eine als überlagertes Gerät ausgebildete Vorrichtung und ein Bediengerät umfasst, wobei das überlagerte Gerät dem Bediengerät eine Zugriffsapplikation auf das Funktionsmodul zur Verfügung stellt.
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Die
DE 101 51 118 A1 offenbart ein Verfahren zum Übertragen von Rohdaten zwischen einem Feldgerät und einer Nutzereinrichtung, wobei in dem Feldgerät eine Servereinrichtung ausgebildet ist und wobei auf der Nutzereinrichtung für eine Datenkommunikation mit der Servereinrichtung eine Browsereinrichtung installiert ist.
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Die
DE 10 2005 014 050 A1 offenbart ein Verfahren zum sicheren Bedienen eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik, wobei nach dem Aufruf einer zu diesem Feldgerät gehörenden Gerätebeschreibungsdatei ein Sicherheitsprogramm, das der Gerätebeschreibungsdatei zugeordnet ist, ausgeführt wird, wobei das Sicherheitsprogramm die Abfrage einer Benutzerkennung umfasst. Entsprechend der eingegebenen Benutzerkennung werden bestimmte Gerätefunktionalitäten freigeschaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System vorzuschlagen, das es ermöglicht, Kommunikationsanteile der Netzwerktopologie eines Projekts auf verschiedene Clients zu verteilen.
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Die Aufgabe wird durch ein System zur Kommunikation von mehreren Clients mit mehreren Feldgeräten gelöst, das folgendermaßen ausgestaltet ist: Einem Kommunikationsserver, der zumindest einen Kommunikationskanal adressiert, ist ein Kommunikationstreiber und pro Kommunikationskanal ein Stub-Treiber zugeordnet. Jedem Client sind ein Proxy-Treiber und mehrere Gerätetreiber zur Bedienung der Feldgeräte zugeordnet, wobei die Kommunikation zwischen den Clients und den Feldgeräten im Falle eines Kommunikationskanals über den Proxy-Treiber des entsprechenden Clients, den Stub-Treiber und den Kommunikationstreiber erfolgt. Der Stub-Treiber regelt die Kommunikationsverbindung der einzelnen Clients mit den Feldgeräten so, dass sichergestellt ist, dass jederzeit nur ein Client oder - im Falle eines Kommunikationstreibers, der diese Möglichkeit bietet - eine definierte Anzahl von Clients parallel auf ein ausgewähltes Feldgerät zugreifen kann/können.
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Unter Proxy-Treiber wird ein Programmcode verstanden, der stellvertretend für einen anderen Programmcode steht. Beispielsweise ist dieser andere Programmcode auf einem entfernten Server, einem entfernten Softwaresystem, installiert. Der Stub-Treiber ist der lokale Anknüpfpunkt, um ausgelagerte Softwarekomponenten aus der Ferne ansprechen zu können. Die Funktionalität eines entfernten, nur über ein Netzwerk erreichbaren Softwaresystems wird auf dem lokalen Client in Form eines Proxy-Treibers erreichbar - so als wäre die Funktion des entfernten Softwaresystems lokal vorhanden. Statt die gewünschte Funktionalität jedoch tatsächlich zu implementieren, übersetzt der Proxy-Treiber die Anfragen in Netzwerkanrufe, kommuniziert mit dem entfernten System und delegiert die entsprechende Aktion an das entfernte Softwaresystem weiter. Für den nutzenden Client bleibt diese Aktion verborgen. Der Stub-Treiber übernimmt gleichfalls die Funktion eines Stellvertreters. Als Stellvertreter eines Kommunikationstreibers kann der Stub-Treiber den Zugriff auf den Kommunikationstreiber steuern.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist darin zu sehen, dass es zu einer Lastverteilung kommt. Gerätetreiber eines Projekts können auf verschiedenen Recheneinheiten/Clients mit unterschiedlichen Applikationen gestartet und verwendet werden. Insbesondere können sie über verschiedene Recheneinheiten/Clients konfiguriert werden, ohne dass es zu Konflikten beim Zugriff auf die Feldgeräte kommt. Über eine Rahmenapplikation, z.B. eine FDT FrameApplication, werden Kommunikationsaufgaben auf den Kommunikationsserver ausgelagert. Generell lässt sich sagen, dass es mit dem erfindungsgemäßen System möglich ist, dass verschiedene Clients über die gleiche Kommunikationsverbindung bzw. die gleiche Kommunikationsstruktur auf die Feldgeräte zugreifen können, ohne dass Konflikte auftreten.
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Erfindungsgemäß handelt es sich bei den Clients um Software-Programme, die eine der nachfolgenden Aufgaben erfüllen können:
- - Das Software-Programm überwacht die korrekte Funktionalität der Feldgeräte. Entsprechende Software-Programme werden als Condition Monitoring (CM) Programme bezeichnet.
- - Das Software-Programm dient zur Parametrierung und/oder Konfigurierung der Feldgeräte. Entsprechende Software-Programme sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen verfügbar. In der Beschreibungseinleitung sind entsprechende Programme bereits beschrieben. Stellvertretend sei an dieser Stelle das Produkt FieldCare der Anmelderin genannt.
- - Das Software-Programm dient zur Verwaltung und/oder Überwachung der Feldgeräte über deren Lebensdauer. Entsprechende Programme werden auch als PAM-Systeme (Plant Asset Management) bezeichnet. Stellvertretend sei an dieser Stelle das Produkt W@M der Anmelderin genannt.
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Erfindungsgemäß sind die zum Einsatz kommenden Treiber entsprechend dem bereits zuvor erwähnten FDT-Standard ausgestaltet.
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Weiterhin ist in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zwischen dem Kommunikationstreiber und einer Kommunikationshardware [z.B. „PROFIdtm DPV1“ von Softing (Kommunikationstreiber) und „PROFIBUS Treiber“ von Softing (Treiber)] ein Treiber vorgesehen, der eine Umsetzung des FDT-Standards auf Windows unterstützt. Somit kann die Darstellung auf jedem Windows basierten PC erfolgen.
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Insbesondere kommt das erfindungsgemäße System dann zum Einsatz, wenn die Clients auf unterschiedlichen, räumlich verteilten Recheneinheiten angeordnet sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems schlägt vor, dass der Kommunikationstreiber ein vorgegebenes Feldbusprotokoll unterstützt. Bevorzugt handelt es sich um eines der Feldbusprotokolle, die in der Prozessautomatisierungstechnik eingesetzt werden. Bereits zuvor wurden als Beispiele die Busprotokolle HART, Profibus PA, Fieldbus Foundation genannt.
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Darüber hinaus schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems vor, dass der Kommunikationstreiber so ausgestaltet ist, dass er automatisch oder auf Anforderung des Bedienpersonals einen Feldgeräte-Scan initiiert und die Beschreibung der passenden Gerätetreiber für die aufgefundenen Feldgeräte dem jeweiligen Client zur Verfügung stellt. Der Client kann beispielsweise noch nicht installierte oder aktualisierte Gerätetreiber über Internet oder andere Verteilmechanismen laden oder fest installieren und diese anschließend verwenden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Proxy-Treiber so konfigurierbar ist, dass er automatisch oder auf entsprechende Eingabe des Bedienpersonals hin eine Kommunikationsverbindung zu dem Stub-Treiber herstellt. Hierdurch ist der gewünschte Stub-Treiber ansprechbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen betreffen die Ausgestaltungen des Stub-Treibers und des Proxy-Treibers. So ist beispielsweise vorgesehen, dass der Stub-Treiber die Kommunikationsverbindungen zwischen den Clients und den Feldgeräten verwaltet. Insbesondere überprüft der Stub-Treiber in gewissen Zeitabständen, ob die Clients, welche offene Kommunikationsverbindungen zu den Feldgeräten haben, überhaupt noch aktiv sind. Wird festgestellt, dass einer der Clients nicht mehr aktiv ist, so schließt der Stub-Treiber die nicht mehr verwendeten Kommunikationsverbindungen.
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Der Proxy-Treiber eines Clients ist so ausgestaltet, dass er überprüft, ob der Kommunikationsserver noch aktiv ist. Stellt der Proxy-Treiber fest, dass der Kommunikationsserver nicht mehr für den Client erreichbar ist, so unterbricht er die Kommunikationsverbindung im Client.
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Als vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System angesehen, wenn der Proxy-Treiber und der Stub-Treiber so ausgestaltet sind, das sie allgemeine Fehlerzustände in der Kommunikation zwischen dem Kommunikationstreiber und einem Gerätetreiber oder einem Gateway-Treiber detektieren, melden und/oder ggf. auch auflösen.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Proxy-Treiber und der Stub-Treiber die Kommunikationsdaten aufzeichnen, zwecks Analyse darstellen und/oder speichern. Falls erforderlich, können beide Treiber die Kommunikationsdaten für weitere Analysezwecke mergen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass der Stub-Treiber im Kommunikationsserver zusätzlich die Funktion eines Gateway-Treibers hat. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass die Gerätetreiber auch im Kommunikationsserver hinzugefügt und verwendet werden können. Auch in diesem Fall erfolgt die Synchronisierung der Zugriffe auf die Felgeräte - gemischt lokal und von den Clients - im Stub-Treiber.
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In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass der Kommunikationsserver mit dem enthaltenen Stub-Treiber bzw. den enthaltenen Stub-Treibern im Falle von mehreren Kommunikationskanälen als Windows Service ausgestaltet ist oder von einem Web Server gehostet wird. Somit kann der Kommunikationsserver auch auf Recheneinheiten ohne direkte Benutzerinteraktion von Ferne über Remote-Schnittstellen genutzt werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer Feldgerätetopologie in einer Automatisierungsanlage,
- 2: eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Lösung und
- 3: eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Feldgerätetopologie in einer Automatisierungsanlage. Dargestellt ist ein Feldbussegment FS, bei dem vier Feldgeräte F1, F2, F3 und F4 sowie eine übergeordnete Steuereinheit Control an einen Feldbus FB angeschlossen sind. Der Feldbus FB arbeitet auf der Basis eines der in der Automatisierungstechnik gebräuchlichen Feldbusprotokolle. Beispielsweise läuft die Kommunikation über den HART, Profibus PA oder den Fieldbus Foundation Standard. Es versteht sich von selbst, dass diese Aufzählung keineswegs eine Beschränkung darstellt.
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Bei der übergeordneten Steuereinheit Control handelt es sich beispielsweise um eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) oder eine PLS (Prozessleitsystem). Die Feldgeräte F1, F2, F3, F4 dienen zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße. Konkrete Beispiele sind in der Beschreibungseinleitung bereits genannt worden. Die übergeordnete Steuereinheit Control ist mit einer Anzeigeeinheit 2 verbunden, die als Visualisierungssystem (z.B. zur Anzeige von Prozessparametern, etc.) dient. Die übergeordnete Steuereinheit Control dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung und/oder zur Inbetriebnahme der Feldgeräte.
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An dem Feldbus FB ist in einem parallelen Zweig ein Feldbus-Interface FI bzw. eine Feldbuszugriffseinheit angeschlossen. Das Feldbus-Interface FI bzw. Gateway führt eine Protokollumsetzung zwischen dem Protokoll des übergeordneten Netzwerkes LAN und dem Protokoll des Feldbusses FB durch. Das übergeordnete Netzwerk LAN ist beispielsweise ein lokales Firmennetz, das als Ethernet-LAN ausgebildet ist. Dabei kann das übergeordnete Netzwerk LAN auch an das weltweite Internet angeschlossen sein. An dem übergeordneten Netzwerk LAN sind unterschiedliche räumlich verteilt angeordnete Clients C1, C2 angeschlossen. Beispielsweise läuft auf dem Client C1 ein Condition Monitoring Programm, während auf dem Client 2 ein Konfigurier-/Managementsystem installiert ist. Sowohl an dem Feldbus FB als auch an dem übergeordneten Netzwerk LAN können selbstverständlich auch noch weitere Feldgeräte und/oder Netzwerke und/oder Clients angeschlossen sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Topologie. Auf einem Client C1 ist eine Softwareapplikation installiert, beispielsweise das Konfigurier-/Managementsystem FieldCare der Anmelderin. Die Gerätetreiber DTM1, DTM2, ... der Feldgeräte F1, F2, ... sind auf dem Client C1 gespeichert. Der Zugriff von C1 auf die Feldgeräte F1, F2, .. erfolgt über den Kommunikationstreiber Comm-DTM, den Treiber für die Kommunikations-Hardware und die Kommunikations-Hardware selbst.
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Sind weitere Clients C2, C3, ... vorhanden, die gleichzeitig über den gleichen Kommunikationskanal auf die Feldgeräte F1, F2, ... zugreifen wollen, so gibt es Probleme. Mit der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist es nicht in allen Fällen möglich, dass zwei Kommunikationstreiber auf die gleiche Kommunikations-Hardware zugreifen. Es gibt Treiber und Hardware, welche einen parallelen Zugriff erlauben, andere wiederum erlauben dies nicht.
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Liegt der Client C2 auf einem anderen Rechner wie der Client C1, so erfolgt der parallele Zugriff vom Client C2 auf der Ebene der Kommunikations-Hardware (durchgezogene Linie).
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Wenn der Client C2 auf dem selben Rechner liegt wie der Client C1, so geschieht der parallele Zugriff vom Client C2 nicht erst auf Ebene der Kommunikations-Hardware sondern schon auf Treiberebene. Die entsprechende Verbindungslinie ist in 2 strichliert dargestellt.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems zur Kommunikation von mehreren, räumlich verteilt angeordneten Clients C1, C2, ... mit mehreren Feldgeräten F1, F2, ..., die in einer Prozessanlage installiert sind. Der Kommunikationsserver CommServer adressiert im gezeigten Fall einen Kommunikationskanal K1. Der Kommunikationskanal K1 stellt eine FDT Komponente bzw. allgemein, eine Softwarekomponente dar, welche sich zwischen dem Kommunikationstreiber Comm-DTM oder dem Gateway-Treiber Gateway-DTM und dem Gerätetreiber DTM1, DTM2, .. befindet. Dem Kommunikationsserver CommServer sind ein Kommunikationstreiber Comm-DTM und Stub-Treiber Stub-DTM zugeordnet. Jedem Client C1, C2, ... sind ein Proxy-Treiber Proxy-DTM und die Gerätetreiber DTM1, DTM2, ... der Feldgeräte F1, F2, .. zugeordnet, mit denen der Client C1 ,C2, .. kommunizieren möchte. Die Kommunikation zwischen den Clients C1, C2, ... und den Feldgeräten F1, F2, ... erfolgt über den Proxy-Treiber Proxy-DTM des entsprechenden Clients C1, C2, ..., den Stub-Treiber Stub-DTM und den Kommunikationstreiber CommDTM. Hierbei regelt der Stub-Treiber Stub-DTM die Kommunikationsverbindung der einzelnen Clients C1, C2, ... mit den Feldgeräten F1, F2, ... so, dass sichergestellt ist, dass jederzeit nur ein Client C1, C2, ... auf ein ausgewähltes Feldgerät F1, F2, ... zugreifen kann. Der Stub-Treiber Stub-DTM kann auch so ausgestaltet sein, dass er den parallelen Zugriff von Clients C1, C2, ... auf die Feldgeräte F1, F2, ... erlaubt.
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Der dem Kommunikationsserver CommServer zugeordnete Kommunikationstreiber (Comm-DTM) ist so ausgestaltet, dass er automatisch oder auf Anforderung des Bedienpersonals einen Feldgeräte-Scan initiiert und die Gerätetreiber DTM1, DTM2, ... der aufgefundenen Feldgeräte F1, F2, ... in dem jeweiligen Client C1, C2, ... für die Verwendung zugänglich machen kann.
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Der Proxy-Treiber (Proxy-DTM) ist bevorzugt so konfiguriert, dass er automatisch oder auf entsprechende Eingabe des Bedienpersonals hin eine Kommunikationsverbindung zu dem Stub-Treiber Stub-DTM herstellt. Der Stub-Treiber Stub-DTM und der Proxy-Treiber Proxy-DTM sind darüber hinaus so ausgestaltet, dass sie noch weitere, die Kommunikation verbessernde Funktionalitäten ausführen können. Auf eine Wiederholung dieser bereits zuvor genannten Funktionalitäten wird an dieser Stelle verzichtet.
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Da die Treiber bevorzugt nach der FDT Spezifikation erstellt sind, ist zwischen dem Kommunikationstreiber Comm-DTM und der Kommunikationshardware vielfach ein Treiber vorgesehen, der eine Umsetzung des FDT-Standards auf Windows unterstützt. Der Treiber kann auch im Comm-DTM integriert sein. Mit „Gateway“ ist ein spezielles DTM (Gateway-DTM) gemeint, das zwischen dem Kommunikationstreiber Comm-DTM und einem Gerätetreiber DTM1, DTM2, .. eingesetzt wird.
