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Die Erfindung betrifft ein Kommunikationsverfahren für die Prozessindustrie, bei dem über eine Zweidrahtleitung Prozessdaten in Form von analogen Stromwerten von einem ersten Gerät zu einem zweiten Gerät und zusätzliche Daten in digitaler Form zwischen beiden Geräten übertragen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des genannten Kommunikationsverfahrens ausgebildete und aus dem ersten Gerät, dem zweiten Gerät und der sie verbindenden Zweidrahtleitung bestehenden Kommunikationseinrichtung.
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In Anlagen der Prozessindustrie, z. B. der chemischen, petrochemischen, pharmazeutischen, Lebensmittel und andere Produkte herstellenden Industrie, führen in der Feldebene örtlich verteilte, dezentrale Feldgeräte (Prozessgeräte) vorgegebene Funktionen im Rahmen der Anlagenautomatisierung aus und tauschen dabei prozess-, anlagen- und/oder geräterelevante Informationen mit Komponenten eines übergeordneten Steuerungs- und Leitsystems und ggf. auch untereinander aus. Zu den Feldgeräten gehören Sensoren (Messumformer, Analysengeräte für Gas- oder Flüssigkeitsanalyse, Wägesysteme), die Prozessdaten in Form von Messwerten übermitteln, und Aktoren (Stellantriebe, Stellungsregler für Ventile, sonstige dezentrale Regler und Frequenzumrichter für elektromotorische Antriebe), die Prozessdaten in Form von Stelldaten erhalten.
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Ein in der Prozessindustrie weit verbreitetes Kommunikationsverfahren sieht die Übertragung der Prozessdaten in Form analoger Stromwerte in einem Bereich zwischen 4 und 20 mA über eine Zweidrahtleitung vor. Häufig erfolgt auch die Energieversorgung eines Feldgeräts über diese Leitung. Bei dem sendenden Gerät werden die zunächst digitalen Prozessdaten über eine geeignete Stromschnittstelle in die analogen Stromwerte umgesetzt. Zur Überwachung der Digital-/Analog-Umsetzung wird der erzeugte Strom gemessen, digitalisiert und mit den digitalen Soll-Prozessdaten verglichen. Im Fehlerfall wird eine Fehlermeldung in Form eines Stromwertes außerhalb des Bereichs von 4 bis 20 mA, beispielsweise > 21 mA oder < 3,8 mA ausgegeben. Da der Fehler innerhalb der Stromschnittstelle liegen kann, ist es ferner bekannt, die Fehlermeldung über eine zweite Ersatz-Stromschnittstelle auszugeben. (Automatisierungstechnische Praxis (atp) 42 (2000) 10, Seite 50f).
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In dem jeweils empfangenden Gerät werden die analogen Prozessdaten durch Messen des Stromes in der Zweidrahtleitung erfasst und in der Regel digitalisiert, bevor sie weiterverarbeitet werden. Auch hier ist es bekannt, die Erfassung der analogen Prozessdaten beispielsweise durch eine zweite unabhängige und redundante Messung und einen Vergleich beider Messergebnisse zu überwachen.
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Eine ebenfalls weit verbreitete Verbesserung der 4 bis 20 mA Instrumentierung sieht vor, zusätzlich zur analogen Übertragung von Prozessdaten weitere Diagnose- und Konfigurationsdaten in digitaler Form nach dem HART®−Protokoll bidirektional über die Zweidrahtleitung zwischen den Geräten zu übertragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf Basis der vorhandenen analogen Zweidrahtübertragung eine sichere Übertragung von Prozessdaten mit gegenüber dem Stand der Technik verringerten schaltungstechnischen Aufwand zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren der eingangs angegebenen Art entweder die von dem ersten Gerät gesendeten oder die von dem zweiten Gerät empfangenen und anschließend digitalisierten Prozessdaten oder aus Ihnen abgeleitete Daten zumindest annähernd gleichen Informationsgehalts als die zusätzlichen Daten zu dem jeweils anderen Gerät digital übertragen und dort bezüglich ihres Informationsgehalts mit den empfangenen und anschließend digitalisierten bzw. gesendeten Prozessdaten verglichen werden und dass bei einer ein vorgegebenes Maß übersteigenden Abweichung zwischen den verglichenen Informationsgehalten eine Fehlermeldung erzeugt wird.
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In Bezug auf die Kommunikationseinrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das erste und zweite Gerät zur Durchführung des vorstehend definierten Kommunikationsverfahrens ausgebildet sind.
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Die Prozessdaten werden also diversitär, hier analog und digital, und redundant zwischen den beiden Geräten übertragen und auf Übereinstimmung miteinander verglichen. In dem einen Fall erfolgt die Übertragung parallel von dem ersten zu dem zweiten Gerät, wo nach Digitalisierung der empfangenen analogen Prozessdaten der Vergleich stattfindet. Die dort erzeugte Fehlermeldung wird vorzugsweise dazu genutzt, eine Weiterverarbeitung der empfangenen Prozessdaten in dem zweiten Gerät zu unterbinden und dieses beispielsweise in einen sicheren Zustand zu überführen. Bei dem zweiten Gerät handelt es sich vorzugsweise um einen Aktor, wie z. B. ein Stellungsregler für Ventile, der Stelldaten empfängt und im Fehlerfall das Ventil in eine sichere Endstellung fährt. Die in dem zweiten Gerät erzeugte Fehlermeldung kann in vorteilhafter Weise in digitaler Form über die Zweidrahtleitung an das erste Gerät, hier z. B. eine Komponente des übergeordneten Steuerungs- und Leitsystems, übertragen werden, so dass dieses über den Fehler informiert wird.
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In dem anderen Fall erfolgt die Übertragung in analoger Form von dem ersten zu dem zweiten Gerät und von dort nach Digitalisierung der empfangenen analogen Prozessdaten in digitaler Form zurück zu dem ersten Gerät, wo dann der Vergleich stattfindet. Die dort erzeugte Fehlermeldung wird vorzugsweise an Stelle weiterer Prozessdaten in Form eines analogen Stromwertes über die Zweidrahtleitung zu dem zweiten Gerät übertragen. Bei dem oben diskutierten Stand der Technik wird zwar auch im Fehlerfall eine Fehlermeldung in Form eines Stromwertes außerhalb des Bereichs von 4 bis 20 mA, beispielsweise > 21 mA oder < 3,8 mA ausgegeben, jedoch wird dort zum detektieren des Fehlerfalls der erzeugte Strom gemessen, digitalisiert und mit den digitalen Soll-Prozessdaten verglichen. Da außerdem der Fehler innerhalb der Stromschnittstelle liegen kann, ist in sicherheitsgerichteten Geräten eine Ersatz-Stromschnittstelle erforderlich, um die Fehlermeldung auszugeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser schaltungstechnische Mehraufwand in vorteilhafter Weise entfallen; d. h., das erste Gerät arbeitet ohne Messung der analogen Stromwerte, ihre Digitalisierung und anschließenden Vergleich mit den zu sendenden Prozessdaten und benötigt auch keine Ersatz-Stromschnittstelle.
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Der zweitgenannte Fall, wo die Übertragung der Prozessdaten in analoger Form von dem ersten zu dem zweiten Gerät und von dort in digitaler Form zurück zu dem ersten Gerät erfolgt, kommt vorzugsweise dann zur Anwendung, wenn das erste Gerät ein Sensor, beispielsweise ein Messumformer ist, der Messdaten überträgt.
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Anstelle der in digitaler Form über die Zweidrahtleitung übertragenen Prozessdaten können auch aus Ihnen abgeleitete Daten zumindest annähernd gleichen Informationsgehalts übertragen werden. So können beispielsweise die aus den Prozessdaten abgeleiteten Daten aus Differenzwerten aufeinanderfolgender Prozessdaten bestehen. Für den späteren Vergleich können aus diesen Differenzwerten ohne jeden Informationsverlust die Prozessdaten rekonstruiert werden oder der Vergleich findet auf der Basis der Differenzwerte aufeinanderfolgender Prozessdaten statt. Anstelle der Bildung von Differenzwerten können auch andere datenkomprimierende Verfahren mit nur geringem Informationsverlust verwendet werden.
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Auf der Zweidrahtleitung kann neben den Prozessdaten auch Energie von dem einen zu dem anderen Gerät übertragen werden. Es können aber auch weitere Drähte zur Energieübertragung vorgesehen werden. Der in der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriff Zweidrahtleitung bezieht sich auf die Übertragung der Prozessdaten und schließt nicht aus, dass weitere Drähte vorhanden sein können (z. B. Drei- oder Vierdrahtleitung).
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen
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1 ein erstes und
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Kommunikation von Prozessdaten von einem ersten zu einem zweiten Gerät über eine Zweidrahtleitung.
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Gleiche Einzelheiten wie Komponenten, Signale usw. sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein erstes Gerät 1, dass über eine Zweidrahtleitung 2 mit einem zweiten Gerät 3 verbunden ist. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem ersten Gerät 1 um eine Komponente eines hier nicht gezeigten Steuerungs- und Leitsystems eines Prozessautomatisierungssystems und bei dem zweiten Gerät um einen von dieser gesteuerten Aktor, beispielsweise ein Stellungsregler für ein Ventil.
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In dem ersten Gerät 1 werden von einer Einheit 4 Prozessdaten, hier Stelldaten 5, vorgegeben, die an das zweite Gerät 3, den Aktor, übermittelt werden sollen. Die Stelldaten 5 werden in einer Signalverarbeitungseinheit 6 in geeignete Stellsignale 7 (z. B. PWM-Signale) umgesetzt, mit denen eine 4 bis 20 mA-Stromschnittstelle 8 angesteuert wird. Die Stromschnittstelle 8 liegt zusammen mit einer digitalen Kommunikations- und Stromversorgungseinheit 9 im Verlauf der Zweidrahtleitung 2. Die Kommunikations- und Stromversorgungseinheit 9 versorgt die Zweidrahtleitung 2 mit einer Spannung, wobei der Strom 10 in der Zweidrahtleitung 2 durch die Stromschnittstelle 8 eingestellt wird. Die Prozess- oder Stelldaten 5 werden also in Form von analogen Stromwerten von dem ersten Gerät 1 zu dem zweiten Gerät 3 übertragen. Die Kommunikations- und Stromversorgungseinheit 9 ist außerdem dazu ausgebildet, durch Modulation des Stroms 10 digitale Daten zu senden sowie auch digitale Daten zu empfangen.
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Das zweite Gerät 3 weist im Verlauf der Zweidrahtleitung 2 eine digitale Kommunikationseinheit 11 und eine Strommesseinrichtung 12 auf. Die Kommunikationseinheit 11 ist ebenfalls dazu ausgebildet, durch Modulation der Impedanz digitale Daten zu senden sowie auch digitale Daten zu empfangen. Die Strommesseinrichtung 12 misst den Strom 10 in der Zweidrahtleitung 2 und setzt die gemessenen Stromwerte in digitale Werte, hier also digitale Stelldaten 13 um, die in einer Einrichtung 14 zur Ansteuerung des genannten Ventils weiterverarbeitet werden.
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Um sicherzustellen, dass die empfangenen Stelldaten 13 den gesendeten Stelldaten 5 entsprechen, werden die Stelldaten 5 zusätzlich zu dem Strom 10 in digitaler Form von der Kommunikations- und Stromversorgungseinheit 9 des ersten Geräts 1 über die Zweidrahtleitung 2 an das zweite Gerät 3 übertragen und dort von der Kommunikationseinheit 11 empfangen. Die empfangenen digitalen Stelldaten 15 werden in einer Vergleichseinrichtung 16 mit den analog empfangenen und digitalisierten Stelldaten 13 auf Übereinstimmung verglichen. Bei fehlender Übereinstimmung erzeugt die Vergleichseinrichtung 16 eine Fehlermeldung 17, mit der eine Weiterverarbeitung der empfangenen Stelldaten 13 in der Einrichtung 14 unterbunden und stattdessen das zweite Gerät 3 in einen sicheren Zustand überführt wird. Wie durch die gestichelten Leitungspfade angedeutet ist, kann die Fehlermeldung 17 von der Kommunikationseinheit 11 in digitaler Form über die Zweidrahtleitung 2 an das erste Gerät 1 übertragen werden, um dieses über den Fehler zu informieren.
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2 zeigt ein erstes Gerät 18, das über eine Zweidrahtleitung 2 mit einem zweiten Gerät 19 verbunden ist. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem ersten Gerät 18 um einen Sensor, z. B. Messumformer, und bei dem zweiten Gerät 19 um eine Komponente eines hier nicht gezeigten Steuerungs- und Leitsystems eines Prozessautomatisierungssystems.
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In dem ersten Gerät 18 werden von einem Messaufnehmer mit zugehöriger Messsignalverarbeitung 20 Prozessdaten, hier Messdaten 21, erzeugt, die an das zweite Gerät 19 übermittelt werden sollen. Die Messdaten 21 werden in einer Signalverarbeitungseinheit 22 in geeignete Signale 23 (z. B. PWM-Signale) umgesetzt, mit denen eine 4 bis 20 mA-Stromschnittstelle 8 angesteuert wird. Die Stromschnittstelle 8 liegt im Verlauf der Zweidrahtleitung 2 und übermittelt die Prozess- oder Messdaten 21 in Form von analogen Stromwerten 10 über die Zweidrahtleitung 2 von dem ersten Gerät 18 zu dem zweiten Gerät 19. Eine zusätzlich in der Zweidrahtleitung 2 liegende Kommunikationseinheit 11 ist dazu ausgebildet, durch Modulation des Stroms 10 digitale Daten zu senden sowie auch digitale Daten zu empfangen.
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Das zweite Gerät 19 weist im Verlauf der Zweidrahtleitung 2 eine digitale Kommunikations- und Stromversorgungseinheit 9 und eine Strommesseinrichtung 12 auf. Die Kommunikations- und Stromversorgungseinheit 9 versorgt die Zweidrahtleitung 2 mit einer Spannung und ist ebenfalls dazu ausgebildet, durch Modulation des Stroms 10 digitale Daten zu senden sowie auch digitale Daten zu empfangen. Die Strommesseinrichtung 12 misst den Strom 10 in der Zweidrahtleitung 2 und setzt die gemessenen Stromwerte in digitale Werte, hier also digitale Messdaten 24 um, die in einer Einrichtung 25 weiterverarbeitet werden.
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Um sicherzustellen, dass die empfangenen Messdaten 24 den gesendeten Messdaten 21 entsprechen, werden die empfangenen und digitalisierten Messdaten 24 von der Kommunikations- und Stromversorgungseinheit 9 des zweiten Geräts 19 über die Zweidrahtleitung 2 an das erste Gerät 18 zurück übertragen und dort von der Kommunikationseinheit 11 empfangen. Die dort empfangenen digitalen Messdaten 26 werden in einer Vergleichseinrichtung 16 mit den gesendeten Messdaten 21 auf Übereinstimmung verglichen. Bei fehlender Übereinstimmung erzeugt die Vergleichseinrichtung 16 eine Fehlermeldung 17, Diese wird jetzt anstelle weiterer Messdaten in Form eines analogen Stromwertes außerhalb des Bereichs von 4 bis 20 mA über die Zweidrahtleitung 2 zu dem zweiten Gerät 19 übertragen. Die in dem zweiten Gerät 19 empfangene Fehlermeldung wird auf dieselbe Weise, wie vorstehend für die Messdaten beschrieben, durch digitale Rückübertragung an das erste Gerät 18 und dort stattfindenden Vergleich überprüft. Wird auch dabei eine fehlende Übereinstimmung festgestellt, so ist von einem Fehler in der Stromschnittstelle 8 und/oder Strommesseinrichtung 12 auszugehen. Ein eventueller Fehler in den Kommunikationseinheiten 9 und 11 kann durch bidirektionale Übertragung von Testdaten leicht erkannt werden. Wenn diese beiden Kommunikationseinheiten 9 und 11 ordnungsgemäß arbeiten, kann daher bei Feststellen des Ausfalls der Stromschnittstelle 8 und/oder Strommesseinrichtung 12 immer noch eine Fehlermeldung über den digitalen Weg von dem ersten Gerät 18 an das zweite Gerät 19 übermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Automatisierungstechnische Praxis (atp) 42 (2000) 10, Seite 50f [0004]
