DE102010064205A1

DE102010064205A1 - Verfahren zur Signalüberprüfung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010064205A1
Application number: DE201010064205
Authority: DE
Inventors: Walter Rombach; Kaj Uppenkamp
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung der korrekten Übertragung und Gültigkeit eines periodischen analogen Signals, wobei das Empfangssignal abgetastet und digitalisiert wird, indem dem jeweils abgetasteten Wert ein Bit zugeordnet wird, welches in Abhängigkeit des abgetasteten Werts relativ zu einem festgesetzten Schwellenwert gesetzt wird, wobei das Bit einer Testvariablen mit n Stellen zugeführt wird, wobei die digitalisierten Werte zumindest einer Periode des Signals in der Testvariablen speicherbar sind, wobei die Testvariable bitweise mit einer Referenzvariablen verglichen wird, welche einem auf die gleiche Weise wie das Empfangssignal digitalisierten Sendesignal entspricht, indem jeweils der Wert der i-ten Stelle der Testvariablen mit dem Wert der i-ten Stelle der Referenzvariablen auf Identität geprüft und ein Korrelationswert als Summe aller Identitäten bestimmt wird, wobei die Testvariable und die Referenzvariable schrittweise um insgesamt mindestens eine Periode des Sendesignals relativ zueinander verschoben werden, der jeweilige Korrelationswert bestimmt und der maximale Korrelationswert ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der korrekten Übertragung und/oder der Gültigkeit eines periodischen analogen Signals, welches von einem Sender an einen Empfänger übertragen wird. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Beispielsweise wird ein von einem Messgerät an eine Auswerteeinheit übertragenes Signal überprüft.
In der Prozessmesstechnik kommen häufig Messgeräte zum Einsatz, welche ihren Messwert in Form eines analogen Signals an eine nachfolgende Steuer- oder Kontrolleinheit übertragen. Bei der Übertragung des Messsignals kann es beispielsweise durch Einkopplung von Störsignalen oder einer Beschädigung eines zur Übertragung dienenden Kabels zu Fehlern kommen. Weiterhin können im Messgerät selbst Fehler auftreten, welche beispielsweise dazu führen, dass ein statisches Messsignal seinen Wert trotz Änderung des Messwerts nicht mehr verändert oder dass ein dynamisches Signal eine von einer Sollfrequenz abweichende Frequenz aufweist. Es handelt sich dann um ein ungültiges Signal. Werden diese Fehler nicht erkannt, kann das Messsignal falsch interpretiert werden und nachfolgende Einheiten, welche das Messsignal als Steuersignal verwenden, können die falsche Funktion ausführen, was schwerwiegende Folgen haben kann. Beispielsweise kann ein nicht signalisiertes Erreichen eines maximalen Füllstands eines Mediums in einem Behälter zum Überlauf des Behälters führen, da die entsprechende Sicherheitsfunktion, z. B. das Schließen eines Zulaufs, nicht eingetreten ist. Insbesondere in Bereichen, die hohe Sicherheitsstandards erfüllen müssen, ist eine Überprüfung der korrekten Übertragung und der Gültigkeit eines Signals daher sinnvoll. Die Überprüfung eines analogen Signals ist für Gleichstrom kaum möglich und für Wechselstrom zwar beispielsweise durch Abtasten der Flanken des analogen Signals zur Bestimmung der Frequenz möglich, jedoch mit hohem Hardware- und Rechenaufwand verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, welches die effiziente Überprüfung der korrekten Übertragung und der Gültigkeit eines analogen Signals erlaubt, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Überprüfung der korrekten Übertragung und/oder der Gültigkeit eines periodischen analogen Signals, welches als Sendesignal von einem Sender an einen Empfänger übertragen wird, von welchem es als Empfangssignal empfangen wird, wobei das Empfangssignal mit einer Abtastrate abgetastet und digitalisiert wird, indem dem jeweils abgetasteten Wert ein Bit zugeordnet wird, welches in Abhängigkeit des abgetasteten Werts relativ zu einem festgesetzten Schwellenwert auf Eins oder Null gesetzt wird, wobei das Bit einer Testvariablen mit n Stellen zugeführt wird, wobei die Anzahl n an Stellen derart gewählt und/oder an die Abtastrate und/oder die Frequenz des Signals angepasst wird, dass die digitalisierten Werte zumindest einer Periode des Signals in der Testvariablen speicherbar sind, wobei die Testvariable bitweise mit einer Referenzvariablen verglichen wird, welche die gleiche Anzahl n an Stellen wie die Testvariable besitzt, und welche einem auf die gleiche Weise wie das Empfangssignal digitalisierten Sendesignal entspricht, indem jeweils der Wert der i-ten Stelle der Testvariablen mit dem Wert der i-ten Stelle der Referenzvariablen auf Identität geprüft und ein Korrelationswert als Summe aller Identitäten bestimmt wird, wobei die Testvariable und die Referenzvariable schrittweise um insgesamt mindestens eine Periode des Sendesignals relativ zueinander verschoben werden und der jeweilige Korrelationswert bestimmt wird, wobei das Maximum der über mindestens eine Periode bestimmten Korrelationswerte bestimmt wird, und wobei an Hand des Maximums der Korrelationswerte eine Aussage über die Übertragung und/oder die Gültigkeit des Signals getroffen wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind sowohl Wechselstromsignale als auch Gleichstromsignale überprüfbar, wobei einem Gleichstromsignal zur Überprüfung ein Wechselstromsignal aufmoduliert wird, an Hand dessen auch die korrekte Übertragung des Gleichstromsignals, sowie die Gültigkeit des Gleichstromsignals kontrollierbar sind. Unter einem gültigen Signal ist ein Signal zu verstehen, welches korrekt erzeugt wurde und somit die korrekte Information trägt und übermittelt. Das periodische Sendesignal besitzt einen nominalen Low-Pegel und einen nominalen High-Pegel mit einem beliebigen Impulsdauer-Pausendauer-Verhältnis und einer bestimmten Frequenz. Beispielsweise handelt es sich um ein Rechtecksignal. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind sowohl ein fehlerhaftes Impulsdauer Pausendauer-Verhältnis, welches auf einen Fehler oder eine Störung bei der Übertragung hinweist, als auch eine fehlerhafte Frequenz des Signals, was auf einen Fehler bei der Erzeugung und somit die Ungültigkeit des übertragenen Signals hinweist, erkennbar.
Das Empfangssignal wird mit einer Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert, wobei zur Digitalisierung nur ein Bit bereitgestellt wird, d. h. es wird lediglich überprüft, ob der abgetastete Wert oberhalb oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt und das Bit entsprechend belegt. Die digitalisierten Werte werden sukzessive einer Testvariablen mit n Stellen zugeführt, um die so erstellte Abfolge mit einer in einer Referenzvariablen mit ebenfalls n Stellen ablegten Referenzabfolge zu vergleichen. Die Referenzabfolge entspricht einem auf die gleiche Weise wie das Empfangssignal digitalisierten Sendesignal. Ist das Sendesignal korrekt übertragen worden, entspricht die in der Testvariablen gespeicherte Abfolge der in der Referenzvariablen gespeicherten Abfolge mit einer bestimmten Phasenverschiebung. Die beiden Variablen werden durch Prüfen der einander entsprechenden Stellen auf Identität miteinander verglichen. Die Anzahl der übereinstimmenden Bits wird im Folgenden als Korrelationswert bezeichnet.
Da die Phasenverschiebung zwischen der Bitabfolge der Testvariablen relativ zu derjenigen der Referenzvariablen nicht bekannt ist, wird der Korrelationswert nicht nur einmal, sondern mehrmals hintereinander bestimmt. Die beiden Variablen werden gegeneinander verschoben, bzw. eine Variable relativ zu der anderen Variable verschoben, sodass sich die Phasenverschiebung ändert. Insgesamt wird um mindestens eine Periode verschoben, sodass die beiden Variablen mindestens einmal in Phase sind und somit der maximal mögliche Korrelationswert vorliegt. Dieser wird aus allen ermittelten Korrelationswerten bestimmt und zur Auswertung in Bezug auf die korrekte Signalübertragung und/oder Gültigkeit des Signals herangezogen. Je höher das Maximum der Korrelationswerte ist, desto höher ist die Übereinstimmung des Sendesignals mit dem Empfangssignal. Je mehr das Maximum der Korrelationswerte von n abweicht, desto fehlerhafter ist die Signalübertragung oder das Sendesignal ist bereits fehlerhaft.
Das Verfahren trägt für das System aus Sender und Empfänger zur Erfüllung vorgegebener Sicherheitsstandards wie einem bestimmten Safety Integrity Level (SIL) oder einem bestimmten Performance Level (PL) bei. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Systeme, welche auf höchste Sicherheitsstufen, z. B. SIL 3 oder PL e, ausgelegt sind. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine schnelle Überprüfung des übertragenen Signals, sodass eine Fehlübertragung oder ein Fehler bei der Signalerzeugung quasi sofort erkennbar ist und mögliche Folgefehler vermeidbar sind. Zudem ist das Verfahren mit geringem Speicherplatz durchführbar, sodass der für die Überwachungsfunktion zusätzlich benötigte Platz in der Elektronikeinheit des Empfängers, insbesondere auf RAM und ROM, gering ist. Darüber hinaus ist die für die Durchführung des Verfahrens benötigte Rechenleistung gering. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt daher eine sehr effiziente Lösung zur Überprüfung der korrekten Signalübertragung und/oder der Gültigkeit eines korrekt übertragenen Signals dar.
In einer ersten Ausgestaltung, der erfindungsgemäßen Lösung wird das Vorhandensein und/oder die Frequenz und/oder die Qualität des Signals überprüft. All diese Größen sind an Hand des Korrelationswerts überprüfbar. Das Signal kann beispielsweise nicht vorhanden sein, wenn das periodische Signal einem Gleichstromsignal aufmoduliert wird und auf Grund eines Fehlers in der Elektronikeinheit des Senders das Aufmodulieren fehlschlägt. Die Testvariable enthält dann in der Regel nur Nullen. Die Qualität des übertragenen Signals ist daran zu erkennen, ob das Signal an erwarteter Stelle den High-Pegel oder den Low-Pegel aufweist. Ist dies nicht der Fall, ist die Amplitude des Signals abgefallen oder Störsignale wurden eingekoppelt. Im abgetasteten digitalisierten Signal, sprich in der Testvariablen, äußert sich eine geringe Signalqualität daher als Bit-Fehler und spiegelt sich in einem verringerten Korrelationswert wieder.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Schwellenwert für das Empfangssignal festgesetzt, indem das arithmetische Mittel aus einem nominalen High-Pegel und einem nominalen Low-Pegel des Signals gebildet und der Schwellenwert dem arithmetischen Mittel gleichgesetzt wird. Vorzugsweise wird das zur Digitalisierung der abgetasteten Werte bereitgestellte Bit auf Null gesetzt, wenn der abgetastete Wert unterhalb des Schwellenwerts liegt und auf Eins gesetzt, wenn der abgetastete Wert oberhalb des Schwellenwerts liegt.
In einer Ausgestaltung wird das Empfangssignal von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert. Diese Ausgestaltung betrifft insbesondere den Fall, dass der Empfänger einen Mikrocontroller mit einem Analog-Digital-Wandler aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden die digitalisierten Werte des Empfangssignals nach dem First-In-First-Out-Prinzip in die Testvariable gespeichert. Mit anderen Worten wird die Testvariable aufgefüllt, indem die n Bits jeweils um ein Bit zu höherwertigeren Stellen geschoben werden, wobei das an höchster Stelle stehende Bit wegfällt und die niedrigstwertigste Stelle, d. h. die 0-te Stelle, neu gesetzt wird. Nach jedem Abtasten und Digitalisieren des abgetasteten Werts werden die i-ten Stellen geschoben und die 0-te Stelle neu beschrieben. Mit der so erhaltenen Testvariablen wird dann die Korrelation mit der Referenzvariablen ermittelt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Testvariable relativ zur Referenzvariablen oder die Referenzvariable relativ zur Testvariablen mit einer Frequenz, welche höher ist als die Abtastrate, verschoben.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass das Maximum des Korrelationswerts mit einem festgesetzten Grenzwert verglichen wird, und dass bei Unterschreiten des Grenzwerts ein Alarmsignal erzeugt wird, welches zumindest einen Fehler in der Übertragung und/oder eine Störung des Signals und/oder Sendesignals anzeigt. Die Höhe des Grenzwerts wird vorzugsweise derart festgesetzt, dass geringe Übertragungsfehler bzw. geringe eingekoppelte Störungen toleriert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Korrelationswerte in einer Korrelationsvariablen abgespeichert, wobei ein aktueller Wert der Korrelationsvariablen überschrieben wird, wenn ein neu ermittelter Korrelationswert größer ist als ein aktuell in der Korrelationsvariablen gespeicherter Korrelationswert, und wobei ein neu ermittelter Korrelationswert verworfen wird, wenn er geringer ist als der aktuell in der Korrelationsvariablen abgespeicherte Korrelationswert. Die Korrelationsvariable enthält somit stets das Maximum alter bislang für eine bestimmte Belegung der Testvariablen aufgenommenen Korrelationswerte. Die Korrelationsvariable wird neu beschrieben, wenn sich die Belegung der Testvariablen ändert, d. h. der Testvariablen ein neues Bit zugeführt wird, und die Korrelation für die veränderte Testvariable ermittelt wird. Das Überschreiben der Korrelationsvariablen spart Speicherplatz gegenüber dem Abspeichern aller in einem Durchlauf ermittelten Korrelationswerte und nachfolgendem Bestimmen des Maximums.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird für den Fall, dass die Testvariable im Wesentlichen nur eine Periode des Signals enthält, der Mittelwert mindestens zweier ermittelter Maxima der Korrelationswerte zur Auswertung in Bezug auf die Übertragung und/oder Gültigkeit des Signals herangezogen. Dies führt zu einer verbesserten Genauigkeit bei der Bestimmung des Maximums der Korrelationswerte.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einer der beschriebenen Ausgestaltungen, wobei es sich bei dem Sender um ein Feldgerät und bei dem Empfänger um eine Auswerteeinheit, welche das analoge Signal des Feldgerätes empfängt und auswertet, handelt, und wobei die Auswerteeinheit die Überprüfung der korrekten Übertragung und/oder der Gültigkeit des Signals ausführt. Eine Auswerteeinheit kann auch mehreren Feldgeräten zugeordnet sein und die Signalübertragung für mehrere Feldgeräte überwachen. Feldgerät und Auswerteeinheit sind Bestandteile der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Auswerteeinheit wertet das Empfangssignal aus und das Feldgerät erzeugt das Sendesignal so, dass es von der Auswerteeinheit gemäß dem beschriebenen Verfahren ausgewertet werden kann.
Unter einem Feldgerät sind jegliche, beispielsweise in der Prozess- oder Fabrikautomatisierungstechnik eingesetzte, Geräte zu verstehen, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, wie beispielsweise Füllstands- und/oder Dichtemessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Dichte, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit, usw. erfassen. Zur Beeinflussung der Prozessgrößen werden Aktoren verwendet, wie Ventile oder Pumpen, über die z. B. der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geregelt und/oder gesteuert wird. Unter dem in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Begriff 'Feldgeräte' sind somit alle Typen von Messgeräten und Aktoren zu subsumieren. Weiterhin sind im Zusammenhang mit der Erfindung alle Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Neben Messgeräten bzw. Sensoren und Aktoren werden als Feldgeräte allgemein auch solche Einheiten bezeichnet, die direkt an einem Feldbus angeschlossen sind und zur Kommunikation mit der übergeordneten Einheit dienen, wie z. B. Remote I/Os, Gateways, oder Linking Devices. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
Die Auswerteeinheit, welche die korrekte Signalübertragung und/oder die Gültigkeit des übertragenen Signals überwacht, ist getrennt von dem Feldgerät angeordnet und befindet sich vorzugsweise in einer Leitwarte. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit als Einzelgerät, Steckkarte oder Baugruppe aus mehreren Steckmodulen ausgestaltet. In einer Ausgestaltung versorgt die Auswerteeinheit das Feldgerät mit Energie. Vorzugsweise erfolgen Energieübertragung und Kommunikation über eine 4–20 mA Schnittstelle. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Feldgerät um ein Messgerät, welches mindestens eine Prozessgröße ermittelt und/oder überwacht und ein den Messwert repräsentierendes Signal an die Auswerteeinheit weiterleitet. Diese wertet den Messwert aus und erzeugt beispielsweise ein Alarmsignal bei Über- oder Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte oder steuert gegebenenfalls dem Messgerät nachgestellte Aktoren wie beispielsweise Pumpen oder Ventile. Ein Signal eines Aktors gibt beispielsweise den Zustand des Aktors an, z. B. den Öffnungsgrad eines Ventils. In einer Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit eine Speicherprogrammierbare Steuereinheit (SPS). Mit der SPS können mehrere Sensoren und Aktoren verbunden sein, wobei die Aktoren auf der Grundlage der Messwerte, welche die SPS von den Messgeräten empfängt, gesteuert werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Überprüfung der Gültigkeit und/oder der korrekten Übertragung des Signals;
2a zeigt ein periodisches Sendesignal und ein entsprechendes Empfangssignal mit Abtastzeitpunkten;
2b zeigt eine dem Sendesignal entsprechende Referenzvariable und dem Empfangssignal entsprechende Testvariablen mit verschiedenen Phasenverschiebungen;
3 skizziert schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In 1 ist ein Flussdiagramm einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Überprüfung des übertragenen Signals dargestellt. Das Verfahren wird vorzugsweise in direkt aufeinander folgenden Durchlaufen durchgeführt, sodass das übertragene Signal fortlaufend überwacht wird. Jeder Durchlauf beginnt mit dem Abtasten des Empfangssignals und endet mit dem Vergleich des als Kriterium für eine korrekte Übertragung bzw. Erzeugung ermittelten maximalen Korrelationswerts K_max mit einem Sollwert bzw. einem zulässigen Grenzwert G. Für einen Durchlauf steht die Zeit zwischen zwei Abtastvorgängen zur Verfügung. Die Abtastfrequenz f₂ gibt somit das Zeitfenster vor, welches für die Ermittlung des Maximums der Korrelationswerte K_max zur Verfügung steht. Die Abtastrate f₂ ist bevorzugt ein Vielfaches der Frequenz f₁ des Signals, z. B. das 20-fache, sodass genügend Messwerte zur Erfassung des Signals aufgenommen werden.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird das Empfangssignal abgetastet und der abgetastete Wert digitalisiert. Das Empfangssignal wird nicht komplett digitalisiert, sondern nur die zu bestimmten Zeitpunkten abgetasteten Werte werden digitalisiert. Dies geschieht, indem der Wert mit einem Schwellenwert verglichen und in Abhängigkeit davon, ob der abgetastete Wert den Schwellenwert überschreitet oder nicht, bzw. ob er den Schwellenwert unterschreitet oder nicht, in eine Binärziffer umgewandelt wird. Dies geschieht beispielsweise mittels eines Analog-/Digitalwandlers. Der Schwellenwert ist vorzugsweise als arithmetisches Mittel aus nominalem High- und Low-Pegel des Signals festgelegt.
In einem zweiten Schritt wird das Bit, welches den abgetasteten digitalisierten Wert enthält, einer Testvariablen s mit n Stellen zugeführt. Hierbei werden alle n Bits der Testvariablen an die jeweils nächsthöhere Stelle verschoben, wobei das bereits an höchster Stelle stehende Bit entfällt und nicht mehr berücksichtigt wird. Der neu abgetastete und digitalisierte Wert wird an die letzte Stelle der Testvariablen s gespeichert. Die Anzahl n an Stellen ist vorzugsweise zumindest an die Frequenz f₁ des Sendesignals derart angepasst, dass mindestens eine Periode T₁ des Signals, vorzugsweise mehrere Perioden, in der Testvariablen s codiert ist. Vorteilhaft ist die Abtastrate f₂ auf die Länge n der Testvariablen s und die Frequenz f₁ des Signals abgestimmt, sodass so viele Abtastpunkte wie möglich existieren. Es kann jedoch auch die Länge n der Testvariablen s an die Abtastrate f₂ angepasst sein.
Der dritte Schritt betrifft die Ermittlung einer Übereinstimmung der Testvariablen s mit einer Referenzvariablen r und ist in zwei sich wiederholende Unterschritte unterteilt. Die Referenzvariable r entspricht einem auf die gleiche Weise wie die Testvariable s digitalisierten Sendesignal und enthält somit eine Sollabfolge für die in der Testvariablen s gespeicherten Werte. Die Referenzvariable r umfasst die gleiche Anzahl an Stellen wie die Testvariable s.
Im ersten Unterschritt wird das jeweils i-te Element der Testvariablen s mit dem jeweils i-ten Element der Referenzvariablen r verglichen. Bei dem Vergleich wird ermittelt, ob die beiden an dieser Stelle gespeicherten Bits identisch sind oder verschieden. Der Vergleich entspricht einer XNOR-Operation. Diese Operation wird für alle n Stellen durchgeführt und die Ergebnisse zu einem so genannten Korrelationswert K_x addiert. Dieser Korrelationswert K_x gibt die Anzahl an Korrelationen an und nimmt entsprechend einen Wert zwischen Null und n an. Der Korrelationswert K_x wird vorzugsweise in einer Variablen, der Korrelationsvariablen, abgespeichert.
Im zweiten Unterschritt werden die Testvariable s und die Referenzvariable r relativ zueinander verschoben, bevorzugt um ein Bit. Der Wert an der i-ten Stelle der einen Variablen bleibt dann gleich, während der Wert an der i-ten Stelle der anderen Variablen nach dem Schieben an der (i + 1)-ten Stelle steht. Im Gegensatz zu dem Verschieben der Werte beim Beschreiben der Testvariablen s fällt das höchstwertigste Bit nicht weg, sondern wird an die niedrigste Stelle versetzt.
Der erste und der zweite Unterschritt werden so lange wiederholt, bis die Testvariable s oder die Referenzvariable r – je nachdem, welche verschoben wird – um mindestens eine ganze Periode T₁ des Signals verschoben wurde. Mit anderen Worten müssen für mindestens eine ganze Periode T₁ die Korrelationswerte K_x bestimmt worden sein. Umfasst die Testvariable s beispielsweise 60 Bit und enthält drei Perioden T₁, wird mindestens 20 Mal um jeweils ein Bit geschoben und 20 Mal der Korrelationswert K_x für die jeweils 60 Bit-Paare bestimmt.
Im vierten Schritt wird aus allen in einem Durchlauf ermittelten Korrelationswerten K_x das Maximum K_max bestimmt. Dieser Schritt kann entfallen, wenn die Korrelationswerte K_x nur dann in eine entsprechende Korrelationsvariable gespeichert werden, falls sie den dort gespeicherten Wert übersteigen, sodass die Korrelationsvariable stets das Maximum K_max der bislang in einem Durchlauf ermittelten Korrelationswerte K_x enthält.
In einem fünften Schritt wird das Maximum K_max der Korrelationswerte K_x mit einem vorgegebenen Grenzwert G verglichen. Liegt es oberhalb des Grenzwertes G, sind das Sendesignal und das Empfangssignal ausreichend gut korreliert, d. h. die Signalübertragung und/oder die Signalerzeugung erfolgt ausreichend korrekt. Liegt das ermittelte Maximum jedoch unterhalb des Grenzwertes G, liegt ein Fehler bei der Signalübertragung vor, signifikante Störsignale wurden eingekoppelt, oder die Frequenz des erzeugten Signals stimmt nicht mit der erwarteten Frequenz f1 überein. In diesem Fall ist nicht gewährleistet, dass beispielsweise ein durch das Signal repräsentierter Messwert korrekt angezeigt oder übertragen wird, weshalb ein Alarmsignal erzeugt wird. Das Alarmsignal wird von dem Empfänger des Signals erzeugt, beispielsweise einer Prozesssteuerung oder einer SPS. In einer Ausgestaltung steuert das Alarmsignal als Sicherheitsmaßnahme einen Aktor. Der Grenzwert für das Maximum K_max der Korrelationswerte, bei dessen Überschreiten das Signal als ausreichend korrekt übermittelt gilt, ist z. B. zu 2n/3 festgesetzt, d. h. wenn zwei Drittel aller in Bits umgewandelten Werte korrekt übertragen wurden, ist dies für eine korrekte Interpretation des Signals am Empfänger ausreichend. Auf welchen Wert der Grenzwert G festgesetzt wird, hängt von der Fehlertoleranz im jeweiligen Anwendungsfall ab.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Schritte eins bis vier mindestens einmal wiederholt, dann der Mittelwert der Maxima gebildet und dieser Mittelwert mit dem Grenzwert für die maximale Korrelation verglichen. Dies ermöglicht die genauere Bestimmung der maximalen Korrelation für den Fall, dass nur eine Periode T₁ des Signals in der Testvariablen s gespeichert ist.
In 2a sind ein analoges Empfangssignal mit Abtastzeitpunkten t_x und das zugehörige Sendesignal skizziert. Das Sendesignal ist in diesem Beispiel ein Rechtecksignal mit einem Impulsdauer-Pausendauer-Verhältnis von 1:1, welches einem Gleichstrom überlagert ist. Der Gleichstrom ist ein 4–20 mA Signal und repräsentiert beispielsweise einen Messwert eines Messgerätes. Das Rechtecksignal ist ein Hilfssignal, welches der Überprüfung des eigenlichten den Messwert repräsentierenden Signals dient. An Hand des Vorhandenseins eines derartigen, einem statischen Signal überlagerten, periodischen Signals ist erkennbar, ob das statische Signal beispielsweise einen Messwert repräsentiert oder auf Grund einer Fehlfunktion im Sender auf einem nicht repräsentativen Wert eingefroren ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nicht nur das Vorhandensein des dynamischen Signals überwachbar, sondern auch dessen charakteristische Größen wie beispielsweise die Frequenz. Die Abtastfrequenz f₂ ist in diesem Beispiel viermal so groß wie die Frequenz f₁ des Signals, d. h. das Signal wird pro Periode T₁ vier Mal abgetastet. Die Abtastzeitpunkte t_x sind voneinander jeweils um die Periodendauer T₂ beabstandet. Das dargestellte Signal wurde nicht vollkommen korrekt übertragen, wie an der zu kurzen Pause bei Abtastzeitpunkt t₆ zu erkennen ist. Die gestrichelte Linie stellt die Schwelle dar, oberhalb derer ein analoger Wert als 1 und unterhalb derer er als 0 digitalisiert wird.
2b illustriert die Ermittlung des maximalen Korrelationswerts K_max an Hand der nach dem Abtastzeitpunkt t₈ erstellten Testvariablen s₁ – s₄ mit je n = 8 Stellen, welche die letzten acht abgetasteten und digitalisierten Werte des in 2a dargestellten Signals enthalten. Die Testvariable s₁ ist aus der zum Zeitpunkt t₇ erstellten Testvariable hervorgegangen, indem die Werte der i-ten Stelle an die (i + 1)-te Stelle vorgerückt sind, wobei i = 0, ..., n – 1, und wobei der an (n – 1)-ter Stelle stehende Wert weggefallen ist und die 0-te Stelle mit dem zum Zeitpunkt t₈ neu abgetasteten und digitalisierten Wert belegt wurde. Die Testvariable s₂ ist aus der Testvariablen s₁ durch Verschieben aller Werte um jeweils ein Bit nach links hervorgegangen, wobei die an (n – 1)-ter Stelle stehende Binärziffer an die 0-te Stelle gerückt ist. Die Testvariablen s₃, s₄ sind ebenfalls durch Verschieben um ein Bit aus der jeweils vorherigen Testvariablen s_x-1 entstanden.
Weiterhin ist die Referenzvariable r dargestellt. Diese besitzt ebenfalls n = 8 Stellen und entspricht einem digitalisierten Sendesignal. Hinter jeder Testvariablen s_x ist der Korrelationswert K_x angegeben, der sich als Summe der Ergebnisse aus einer XNOR-Verknüpfung der jeweils i-ten Stelle der Testvariablen s_x mit der jeweils i-ten Stelle der Referenzvariablen r ergibt. Der Korrelationswert K_x kann in diesem Beispiel Werte zwischen Null und Acht annehmen.
Zwischen der Testvariablen s₁ und der Referenzvariablen r liegt eine Phasenverschiebung von 180° vor. Wäre das Signal vollkommen korrekt übertragen worden, betrüge der Korrelationswert K₁ Null. Durch die eingekoppelte Störung sind die jeweils an dritter Stelle der Testvariablen s₁ und der Referenzvariablen r stehenden Binärziffern identisch, sodass der Korrelationswert K₁ Eins beträgt.
Zwischen dem gegenüber der Testvariablen s₁ um ein Bit verschobenen Testvariablen s₂ und dem Referenzsignal r liegt eine Phasenverschiebung von 90° vor. Entsprechend ist der Korrelationswert K₂ höher als bei Vorliegen maximaler Phasenverschiebung und beträgt Fünf, an Stelle von Vier bei einer korrekten Übertragung.
Die Testvariable s₃ und die Referenzvariable r sind phasengleich. Der Korrelationswert K₃ nimmt den über eine Periode T₁ des Signals maximal möglichen Wert an und liegt in diesem Beispiel bei Sieben.
Die gegenüber der Testvariablen s₃ um ein Bit verschobene Testvariable s₄ weist eine Phasenverschiebung von 270° relativ zu dem Referenzsignal auf. Der Korrelationswert K₄ beträgt Zwei.
Das Maximum aller ermittelten Korrelationswerte K₁ bis K₄ beträgt Sieben und weicht von einem maximal möglichen Wert von n = 8 nur um Eins ab, d. h. die Korrelation beträgt über 85%. Je höher die Abtastrate f₂ ist, desto genauer ist die Korrelation ermittelbar. Auf die Aussagekraft des ermittelten maximalen Korrelationswerts K_max kann ebenfalls durch die Anpassung der Länge n der Testvariablen s an die Frequenz f₁ es Signals Einfluss genommen werden. Vorzugsweise umfasst die Testvariable s zwei oder mehr Perioden T₁ des zu überprüfenden Signals.
3 skizziert schematisch ein System, bei welchem das Verfahren zur Überwachung der korrekten Übertragung und/oder der Gültigkeit eines analogen Signals zur Anwendung kommt. Die wesentlichen Komponenten des Systems sind ein Messgerät 1, welches eine oder mehrere Prozessgrößen bestimmt und/oder überwacht und sich hierzu direkt am Prozess befindet und eine Auswerteeinheit 2, welche von dem Messgerät 1 beabstandet angeordnet ist. Das Messgerät 1 dient als Sender und überträgt an die Auswerteeinheit 2 ein analoges Signal, welches die Prozessgröße repräsentiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Messgerät 1 ein vibronischer Grenzstandschalter und überwacht den maximal zulässigen Füllstand eines flüssigen oder granularen Mediums in einem Behälter 4. Das Medium wird über eine Rohrleitung 5 zugeführt, in welche zur Regelung der Flüssigkeitszufuhr ein Aktor 6 in Form eines Ventils eingebracht ist. Das vom Messgerät 1 ausgesandte Signal ist ein periodisches Signal oder ein Gleichstromsignal, welchem zur Ermöglichung der Überprüfung, ob das Signal korrekt erzeugt und/oder korrekt übertragen wird, ein periodisches Signal aufmoduliert ist, beispielsweise ein 4–20 mA Signal mit einem überlagerten Rechtecksignal. Vorzugsweise wird das Signal über ein Bussystem 3 oder eine 2-Draht-Leitung 3 an die Auswerteeinheit 2 übertragen. Bei der Auswerteeinheit 2 handelt es sich beispielsweise um eine SPS oder ein Prozessleitsystem. Vorzugsweise verfügt die Auswerteeinheit 2 über einen Analog/Digital-Wandler 21 und einen Mikrocontroller 22, wobei der Analog/Digital-Wandler 21 auch Teil des Mikrocontrollers sein kann. Die Auswerteeinheit 2 ist mit dem Aktor 6 verbunden, welchen die Auswerteeinheit 2 in Abhängigkeit der von dem Messgerät 1 ermittelten oder überwachten Prozessgröße steuert. Vorzugsweise erzeugt auch der Aktor 6 ein periodisches analoges Signal, welches seinen Zustand repräsentiert und welches von der Auswerteeinheit 2 analog dem Signal des Messgerätes 1 überwachbar ist. Es können auch mehrere Messgeräte 1 und/oder Aktoren 6 mit der Auswerteeinheit 2 verbunden sein.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Auswerteeinheit
21: Analog-/Digital-Wandler
22: Mikrocontroller
3: Bussystem/2-Draht-Leitung
4: Behälter
5: Rohrleitung
6: Aktor
f₁: Frequenz des Signals
T₁: Periodendauer des Signals
f₂: Abtastfrequenz
T₂: Periodendauer des Abtastens
t_x: Abtastzeitpunkte
s, s_x: Testvariable
r: Referenzvariable
K, K_x: Korrelationswert

Claims

Verfahren zur Überprüfung, der korrekten Übertragung und/oder der Gültigkeit eines periodischen analogen Signals, welches als Sendesignal von einem Sender an einen Empfänger übertragen wird, von welchem es als Empfangssignal empfangen wird, wobei das Empfangssignal mit einer Abtastrate (f₂) abgetastet und digitalisiert wird, indem dem jeweils abgetasteten Wert ein Bit zugeordnet wird, welches in Abhängigkeit des abgetasteten Werts relativ zu einem festgesetzten Schwellenwert auf Eins oder Null gesetzt wird, wobei das Bit einer Testvariablen (s) mit n Stellen zugeführt wird, wobei die Anzahl n an Stellen derart gewählt und/oder an die Abtastrate (f₂) und/oder die Frequenz (f₁) des Signals angepasst wird, dass die digitalisierten Werte zumindest einer Periode (T₁) des Signals in der Testvariablen (s) speicherbar sind, wobei die Testvariable (s) bitweise mit einer Referenzvariablen (r) verglichen wird, welche die gleiche Anzahl n an Stellen wie die Testvariable (s) besitzt, und welche einem auf die gleiche Weise wie das Empfangssignal digitalisierten Sendesignal entspricht, indem jeweils der Wert der i-ten Stelle der Testvariablen (s) mit dem Wert der i-ten Stelle der Referenzvariablen (r) auf Identität geprüft und ein Korrelationswert (K_x) als Summe aller Identitäten bestimmt wird, wobei die Testvariable (s) und die Referenzvariable (r) schrittweise um insgesamt mindestens eine Periode (T₁) des Sendesignals relativ zueinander verschoben werden und der jeweilige Korrelationswert (K_x) bestimmt wird, wobei das Maximum (K_max) der über mindestens eine Periode (T₁) bestimmten Korrelationswerte (K_x) bestimmt wird, und wobei an Hand des Maximums der Korrelationswerte (K_max) eine Aussage über die Übertragung und/oder die Gültigkeit des Signals getroffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein und/oder die Frequenz (f₁) und/oder die Qualität des Signals überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert für das Empfangssignal festgesetzt wird, indem das arithmetische Mittel aus einem nominalen High-Pegel und einem nominalen Low-Pegel des Signals gebildet und der Schwellenwert dem arithmetischen Mittel gleichgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal von einem Analog-/Digital-Wandler (21) digitalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalisierten Werte des Empfangssignals nach dem First-In-First-Out-Prinzip in die Testvariable (s) gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testvariable (s) relativ zur Referenzvariablen (r) oder die Referenzvariable (r) relativ zur Testvariablen (s) mit einer Frequenz, welche höher ist als die Abtastrate (f₂), verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum der Korrelationswerte (K_max) mit einem festgesetzten Grenzwert (G) verglichen wird, und dass bei Unterschreiten des Grenzwerts (G) ein Alarmsignal erzeugt wird, welches zumindest einen Fehler in der Übertragung und/oder eine Störung des Signals und/oder des Sendesignals anzeigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelationswerte (K_x) in einer Korrelationsvariablen abgespeichert werden, wobei ein aktueller Wert der Korrelationsvariablen überschrieben wird, wenn ein neu ermittelter Korrelationswert (K_x) größer ist als ein aktuell in der Korrelationsvariablen gespeicherter Korrelationswert (K_x), und wobei ein neu ermittelter Korrelationswert (K_x) verworfen wird, wenn er geringer ist als der aktuell in der Korrelationsvariablen abgespeicherte Korrelationswert (K_x).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Testvariable (s) im Wesentlichen nur eine Periode (T₁) des Signals enthält, der Mittelwert mindestens zweier ermittelter Maxima (K_max) der Korrelationswerte zur Auswertung in Bezug auf die Übertragung und/oder die Gültigkeit des Signals herangezogen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sender um ein Feldgerät (1) und bei dem Empfänger um eine Auswerteeinheit (2), welche das analoge Signal des Feldgerätes (1) empfängt und auswertet, handelt, und dass die Auswerteeinheit (2) die Überprüfung der korrekten Übertragung und/oder der Gültigkeit des Signals ausführt.