DE102011081268A1

DE102011081268A1 - Feldgerät zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in der Automatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102011081268A1
Application number: DE102011081268A
Authority: DE
Inventors: Romuald Girardey; Michael Hübner
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-02-21
Also published as: US9964555B2; US20140214366A1; WO2013026631A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in der Automatisierungstechnik mit zumindest einer Sende-/Empfangselement (2.1), wobei ein FPGA-Bauteil (1) vorgesehen ist, wobei die Sende-/Empfangselement (2) in Form einer Spirale aus bestehenden internen Verbindungsleitungen (3) des FPGA-Bauteils (1) konfiguriert ist und wobei die Spirale der Sende-/Empfangselement (2) die Daten induktiv zu einer zweiten aus einer Spirale bestehenden Sende-/Empfangselement (2.2) überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in der Automatisierungstechnik mit einer Vorrichtung zum induktiven Senden und/oder Empfangen von Daten.
In der Automatisierungstechnik erfolgt die Datenübertragung oftmals über galvanisch voneinander getrennte bzw. galvanisch entkoppelte Stromkreise. Da bei galvanisch getrennten Verbindungen elektrische Potentiale voneinander getrennt sind, spricht man auch von potentialfreien Verbindungen. Wichtig ist der Einsatz von galvanisch getrennten Stromkreisen insbesondere beim Einsatz von Feldgeräten, wie Sensoren, Aktoren, Ventilen, usw. in explosionsgefährdeten Bereichen.
Eine bekannte Methode zur Datenübertragung stellt der Sog. Print-Übertrager dar. Beim Print- oder auch Spiral-Übertrager werden als Übertrager zwei in oder auf einer Leiterplatte gegenüberliegend angeordnete spiralförmige Leiterbahnen verwendet. Die Übertragung der Daten erfolgt über eine induktive Kopplung, wodurch die galvanische Trennung sichergestellt ist. Eine entsprechende Lösung ist beispielsweise in der US 7,852,186 B2 offenbart.
Print-Übertrager werden oftmals auch in integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Sie lassen sich relativ einfach in die Metalllagen integrieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine galvanische getrennte Datenübertragung innerhalb einer auf einem FPGA realisierten Schaltung vorzusehen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest eine Sende-/Empfangselement in Form einer Spirale auf einem FPGA-Bauteil realisiert ist, wobei die Spirale aus internen Verbindungsleitungen des FPGA-Bauteils konfiguriert ist. Die Spirale der Sende-/Empfangselement überträgt die Daten induktiv zu einer zweiten aus einer Spirale bestehenden Sende-/Empfangselement. Bei dem FPGA-Bauteil handelt es sich entweder um einen einmalig konfigurierbaren FPGA (Antifuse FPGA), um einen rekonfigurierbaren Flash-FPGA oder um einen dynamisch bzw. partiell dynamisch, also zur Laufzeit, rekonfigurierbaren FPGA. Ein Feldgerät, das einen partiell dynamisch rekonfigurierbaren FPGA enthält ist detailliert in der WO 2008/046696 A2 beschrieben. Der Inhalt dieser Patentanmeldung ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung hinzuzurechnen.
Die Form der Spirale kann übrigens beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere hat die Spirale eine runde oder eine eckige Form. Darüber hinaus kann sich die zweite Spirale auf demselben oder einem anderen FPGA-Bauteil befinden, oder sie ist auf einer beliebigen von dem FPGA-Bauteil abgesetzten Komponente, z. B. einer Leiterplatte, vorgesehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts sieht vor, dass die Spirale aus Verbindungsleitungen konfiguriert ist, die in mehreren Verbindungsleitungsebenen des FPGA-Bauteils angeordnet sind. So ist es durchaus üblich, dass FPGA-Bauteile 12 Lagen von Verbindungsleitungsebenen aufweisen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die zumindest eine Spirale des ersten Sende-/Empfangselements permanent auf dem FPGA-Bauteil konfiguriert ist. Alternativ wird vorgeschlagen, dass die zumindest die Spirale des ersten Sende-/Empfangselements auf dem FPGA-Bauteil dynamisch rekonfigurierbar ist.
Als besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Feldgerät angesehen, wenn es für den Einsatz in Bereich mit erhöhter Sicherheitsstufe eingesetzt wird. Hierzu sind auf dem FPGA-Bauteil zumindest ein erster Teilbereich und ein zweiter Teilbereich vorgesehen. In jedem Teilbereich ist ein digitaler Messpfad partiell dynamisch rekonfigurierbar, wobei der Messpfad aus mehreren softwarebasierten und/oder hardwarebasierten Funktionsmodulen besteht.
Darüber hinaus ist eine Kontroll-/Auswerteeinheit vorgesehen, die die Funktionsmodule in den Messpfaden bzw. in den Teilbereichen in Abhängigkeit von einer definierten sicherheitskritischen Anwendung partiell dynamisch rekonfiguriert, so dass das Feldgerät einen geforderten Sicherheitsstandard erfüllt. Ein Feldgerät, das in einer sicherheitskritischen Anwendung anwendbar ist, ist in der WO 2009/062954 A1 beschrieben. In dieser Patentanmeldung wird ein Feldgerät zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße in der Prozessautomatisierung vorgeschlagen. Das Feldgerät besteht aus einem Sensor, der nach einem definierten Messprinzip arbeitet, und einer Kontroll-/Auswerteeinheit, wobei die Kontroll-/Auswerteeinheit die die vom Sensor gelieferten Messdaten in Abhängigkeit von einem in der jeweiligen sicherheitskritischen Anwendung geforderten Sicherheitsstandard entlang von mindestens zwei gleichwertigen Messpfaden aufbereitet und auswertet. Hierbei ist die Kontroll-/Auswerteeinheit zumindest teilweise als rekonfigurierbarer Logikbaustein mit mehreren partiell dynamisch rekonfigurierbaren Funktionsmodulen ausgebildet. Die Kontroll-/Auswerteeinheit konfiguriert die Funktionsmodule in den Messpfaden in Abhängigkeit von der jeweils definierten sicherheitskritischen Anwendung so, dass das Feldgerät entsprechend dem geforderten Sicherheitsstandard ausgelegt ist.
Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass jeweils zwei Teilbereiche durch einen Distanzbereich voneinander getrennt sind. Bevorzugt ist der Distanzbereich so ausgestaltet, dass eine Potentialtrennung zwischen den Teilbereichen erreicht wird, die derart ist, dass eine Temperatur- und/oder eine Spannungsänderung in einem der Teilbereiche keinen Einfluss auf den benachbarten Teilbereich bzw. die benachbarten Teilbereiche hat und dass im Fehlerfall keine Verbindung zwischen den Teilbereichen auftritt. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Kontroll-/Auswerteeinheit in einem Teilbereich des FPGA-Bauteils permanent konfiguriert ist.
Verschiedene Ausgestaltungen eines in Verbindung mit der Erfindung einsetzbaren FPGA-Bauteils sind in der WO 2011/023469 A2 , in der DE 10 2010 002 346 A1 und in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2919 943 706.9 , angemeldet am 28.07.2010, bzw. in der korrespondierenden US 61/344,438 , angemeldet am 22.07.2010, beschrieben. Der Offenbarungsgehalt der zitierten Anmeldungen ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung hinzuzurechnen.
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Feldgerät wird es als vorteilhaft erachtet, wenn jedem Messpfad bzw. jedem Teilbereich ein aus einer Spirale bestehendes Sende-/Empfangselement zugeordnet ist. Damit ist die geforderte elektrische Trennung gewährleistet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines FPGA-Bauteils,
2: eine auf dem Ausschnitt des FPGA-Bauteils als Sende-/Empfangselement ausgebildete Spirale,
3: eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,
4: die in 3 dargestellte Ausgestaltung ohne Magnetfeldlinien,
5: eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,
6: die in 5 dargestellte Ausgestaltung ohne Magnetfeldlinien,
7: eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien,
8: die in 7 dargestellte Ausgestaltung ohne Magnetfeldlinien und
9: eine bevorzugte Anordnung von zwei Sende-/Empfangselementen auf bzw. in einer Leiterplatte.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines FPGA-Bauteils 1. Ein FPGA-Bauteil 1 besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Verbindungsleitungsebenen 4 und einer Transistorebene. Die unterste Ebene ist die Transistorebene. Sie beinhaltet die konfigurierbaren Logikbausteine 8 und die konfigurierbaren Switchmatrizen 7. Die darüberliegenden Ebenen sind die Verbindungsleitungsebenen 4 mit Verbindungsleitungen 3 verschiedener Länge zwischen den verschiedenen Switchmatrizen 7. Durch entsprechende Verknüpfungen der Logikbausteine 8 lassen sich die erforderlichen Funktionsmodule (in 1 nicht gesondert dargestellt, aber z. B. in der WO 2009/062954 A1 beschrieben) auf dem FPGA-Bauteil 1 bevorzugt partiell dynamisch rekonfigurieren. Die Konfiguration erfolgt über eine Kontroll-/Auswerteeinheit, die in der 1 nicht gesondert dargestellt ist. Üblicherweise ist die Kontroll-/Auswerteeinheit permanent auf dem FPGA konfiguriert.
2 zeigt eine erfindungsgemäß auf dem FPGA-Bauteil 1 als Sende-/Empfangselement 2 ausgebildete Spirale. Die Spirale des Sende-/Empfangselements 2 ist entweder permanent auf dem FPGA-Bauteil 1 konfiguriert, oder die Spirale des Sende-/Empfangselements 2 ist auf dem FPGA-Bauteil 1 dynamisch oder partiell dynamisch rekonfigurierbar. Die Spirale kann – wie bereits zuvor erwähnt – jede beliebige Form aufweisen.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils 1 mit eingezeichneten Magnetfeldlinien 12.1, 12.2. In 4 sind die Magnetfeldlinien 12.1, 12.2 weggelassen.
Das FPGA-Bauteil 1 weist einen ersten Teilbereich 5.1 und einen zweiten Teilbereich 5.1 auf, wobei in jedem Teilbereich 5.1, 5.2 ein digitaler Messpfad MP1, MP2 partiell dynamisch rekonfiguriert ist. Hierzu sind in jedem digitalen Messpfad MP1, MP2 mehrere softwarebasierte und/oder hardwarebasierte Funktionsmodule, die in der 3 nicht gesondert dargestellt sind, konfigurierbar.
Weiterhin ist eine in 3 gleichfalls nicht gesondert dargestellte Kontroll-/Auswerteeinheit vorgesehen, die die Funktionsmodule in den Messpfaden MP1, MP2 bzw. in den Teilbereichen 5.1, 5.2 in Abhängigkeit von einer definierten sicherheitskritischen Anwendung partiell dynamisch rekonfiguriert, so dass das Feldgerät einen geforderten Sicherheitsstandard erfüllt. Die einzelnen Teilbereiche 5.1, 5.2 sind durch den Distanzbereich 6 voneinander getrennt, wobei der Distanzbereich 6 so ausgestaltet ist, dass eine Potentialtrennung zwischen den Teilbereichen 51, 5.2 erreicht wird. Diese Potentialtrennung verhindert, dass eine Temperatur- und/oder eine Spannungsänderung in einem der Teilbereiche 5.1, 5.2 Einfluss auf den benachbarten Teilbereich 5.2, 5.1 hat und dass im Fehlerfall eine Verbindung zwischen den Teilbereichen 5.1, 5.2 auftritt.
Über eine Kontaktierungsschicht 11 ist das FPGA-Bauteil 1 mit der Leiterplatte 9 verbunden. In oder auf der Leiterplatte 9 sind zwei Sende-/Empfangselemente 2.2, 2.4 angeordnet. Diese korrespondieren mit den Sende-/Empfangselementen 2.1, 2.3 auf dem FPGA-Bauteil 1, so dass eine induktive Kopplung zwischen den Sende/Empfangselementen 2.1, 2.3; 2.2, 2.4 stattfindet. In der 3 sind die entsprechenden Magnetfeldlinien 12.1, 12.2 zwischen den jeweils korrespondieren Sende-/Empfangselementen 2.1, 2.3; 2.2, 2.4 eingezeichnet.
Die Datenübertragung zwischen den beiden galvanisch voneinander getrennten Messpfaden MP1, MP2 erfolgt über die beiden Sende-/Empfangselemente 2.1, 2.3, die elektrische Verbindung 13 zwischen den Sende-/Empfangselementen 2.2 und 2.4 und die beiden Sende-/Empfangselemente 2.4, 2.3. Zwecks Verstärkung der übertragenen Signale ist zwischen den beiden in oder auf der Leiterplatte 9 angeordneten Sende-/Empfangselementen 2.2, 2.4 ein Treiber 10 bzw. ein Verstärker vorgesehen.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils 1 mit eingezeichneten Magnetfeldlinien 12.1, 12.2. In 6 sind die Magnetfeldlinien 12.1, 12.2. weggelassen.
Bei dieser Ausgestaltung erfolgt die induktive Datenübertragung zwischen den beiden galvanisch voneinander getrennten Teilbereichen 5.1, 5.2 bzw. den Messpfaden MP1, MP2 über einen jeweils oberhalb und unterhalb der Leiterplatte 9 mit befestigtem FPGA-Bauteil 1 angeordneten magnetischen Kern 14.1, 14.2. Die Kerne 14.1, 14.2 sind bevorzugt aus Ferrit gefertigt und bündeln und verstärken die Magnetfeldlinien 14.1, 14.2.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FPGA-Bauteils mit eingezeichneten Magnetfeldlinien. In 8 sind die Magnetfeldlinien 14.1, 14.2 wiederum weggelassen. Die in den Figuren 7 und 8 gezeigte Ausgestaltung unterscheidet sich von der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausgestaltung dadurch, dass sich die Leiterplatte 9.2, in oder auf der die Sende-/Empfangselemente 2.3, 2.4 angeordnet sind, oberhalb des FPGA-Bauteils 1 befindet. Die Verbindung zwischen dem FPGA-Bauteil 1 und der Leiterplatte 9.2 erfolgt in der üblichen Art und Weise, wobei die Leiterplatte 9.2 auch durchaus von dem FPGA-Bauteil 1 beabstandet angeordnet sein kann.
In 9 sind beide Anordnungen eines Sende-/Empfangselements 2.2, 2.4 bezüglich der Leiterplatte 9, 9.2 gezeigt. Bei im oberen Teil gezeigten Ausgestaltung ist das Sende-/Empfangselement 2.3, 2.4 auf der Leiterplatte 9 angeordnet. Bei der im unteren Teil gezeigten Ausgestaltung ist das Sende-/Empfangselement 2.3, 2.4 in der Leiterplatte 9 zu finden.
Bezugszeichenliste

1: FPGA-Bauteil
2.n: Sende-/Empfangselement/Spirale
3: Verbindungsleitung
4: Verbindungsleitungsebene
5.n: Teilbereich
6: Distanzbereich
7: Programmierbare Switchmatrix
8: Logikbaustein
9: Leiterplatte
10: Treiber
11: Kontaktierungsschicht
12: Magnetfeldlinien
13: elektrische Verbindungsleitung
14.1: Kern
14.2: Kern

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

US 7852186 B2 [0003]
WO 2008/046696 A2 [0006]
WO 2009/062954 A1 [0011, 0025]
WO 2011/023469 A2 [0013]
DE 102010002346 A1 [0013]
DE 102919943706 [0013]
US 61/344438 [0013]

Claims

Feldgerät zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in der Automatisierungstechnik mit zumindest einer Sende-/Empfangselement (2.1), wobei ein FPGA-Bauteil (1) vorgesehen ist, wobei die Sende-/Empfangselement (2) in Form einer Spirale aus bestehenden internen Verbindungsleitungen (3) des FPGA-Bauteils (1) konfiguriert ist und wobei die Spirale der Sende-/Empfangselement (2) die Daten induktiv zu einer zweiten aus einer Spirale bestehenden Sende-/Empfangselement (2.2) überträgt.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei die Spirale aus Verbindungsleitungen (3) konfiguriert ist, die in mehreren Verbindungsleitungsebenen (4) des FPGA-Bauteils (1) angeordnet sind.
Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest die Spirale des ersten Sende-/Empfangselements (2.1) permanent auf dem FPGA-Bauteil (1) konfiguriert ist, oder wobei zumindest die Spirale des ersten Sende-/Empfangselements (2.1) auf dem FPGA-Bauteil (1) dynamisch rekonfigurierbar ist.
Feldgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–3, wobei auf dem FPGA-Bauteil (1) zumindest ein erster Teilbereich (5.1) und ein zweiter Teilbereich (5.1) vorgesehen sind, und wobei in jedem Teilbereich (5.1, 5.2) ein digitaler Messpfad (MP1, MP2) partiell dynamisch rekonfigurierbar ist, der aus mehreren softwarebasierten und/oder hardwarebasierten Funktionsmodulen besteht.
Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kontroll-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Funktionsmodule in den Messpfaden (MP1, MP2) bzw. in den Teilbereichen (5.1, 5.2) in Abhängigkeit von einer definierten sicherheitskritischen Anwendung partiell dynamisch rekonfiguriert, so dass das Feldgerät einen geforderten Sicherheitsstandard erfüllt.
Feldgerät nach Anspruch 5, wobei die einzelnen Teilbereiche (5.1, 5.2) durch zumindest einen Distanzbereich (6) voneinander getrennt sind
Feldgerät nach Anspruch 6, wobei der Distanzbereich (6) so ausgestaltet sind, dass eine Potentialtrennung zwischen den Teilbereichen (51, 5.2) erreicht wird, die derart ist, dass eine Temperatur- und/oder eine Spannungsänderung in einem der Teilbereiche (5.1, 5.2) keinen Einfluss auf einen benachbarten Teilbereich 5.2, 5.1) bzw. die benachbarten Teilbereiche hat und dass im Fehlerfall keine Verbindung zwischen den Teilbereichen (5.1, 5.2) auftritt.
Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontroll-/Auswerteeinheit in einem Teilbereich (5.1, 5.2) des FPGA-Bauteils (1) permanent konfiguriert ist.
Feldgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem Messpfad (MP1, MP2) bzw. jedem Teilbereich (5.1, 5.2) ein aus einer Spirale bestehendes Sende-/Empfangselement (2.1, 2.3) zugeordnet ist.