DE102012112875A1

DE102012112875A1 - Verfahren zum Fernbedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102012112875A1
Application number: DE102012112875.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Birkhofer Rolf; Thorsten Deuser; Michael Gunzert; Robert Hartmann; Immanuel Vetter
Original assignee: CodeWrights GmbH
Current assignee: CodeWrights GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-07-10
Also published as: US20140181951A1; IN2013MU03910A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fernbedienen eines Feldgeräts (A) der Automatisierungs-technik, das sich in einem durch eine erste Firewall (F1) gesicherten ersten Netzwerk (L1) befindet, wobei die Fernbedienung über ein Bediengerät € erfolgt, das einem zweiten Netzwerk (L2), das durch eine zweite Firewall (F2) gesichert ist, zugeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: – Aufbau einer ersten Kommunikationsverbindung (1) zwischen einem dem ersten Netzwerk (L1) zugeordneten Gateway (B) und dem Feldgerät (A); – Aufbau einer zweiten Kommunikationsverbindung (2) zwischen dem ersten Gateway (B) und einem über Internet (WWW) adressierbaren Broker Server (C) über einen ungesicherten Zugang (Port80) des ersten Gateways (B); – Anmeldung des ersten Gateways (B) beim Broker Server (C); – Vergabe einer eindeutigen Identifizierung durch den Broker Server (C) für die erste Kommunikationsverbindung (2) zwischen dem ersten Gateway (B) und dem Broker Server (C); – Übermittlung der eindeutigen Identifizierung an ein zweites Gateway (D), das dem zweiten Netzwerk (L2) zugeordnet ist; – Aufbau einer dritten Kommunikationsverbindung (3) zwischen dem zweiten Gateway (D) und dem Broker Server (C) unter Verwendung der eindeutigen Identifizierung; – Herstellung einer Kommunikationsverbindung (3, 2) zwischen dem zweiten Gateway (D) und dem ersten Gateway (B), wobei der Broker Server (C) logisch die zweite Kommunikationsverbindung (2) und die dritte Kommunikationsverbindung (3) miteinander verbindet, so dass die Kommunikationsverbindung (1, 2, 3, 4) zwischen dem Bediengerät (E) und dem Feldgerät (A) hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fernbedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, das sich in einem durch eine erste Firewall gesicherten ersten Netzwerk befindet, wobei die Fernbedienung über ein Bediengerät erfolgt, das einem zweiten Netzwerk, das durch eine zweite Firewall gesichert ist, zugeordnet ist.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw. integriert sind, 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 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.
In modernen Industrieanlagen erfolgt die Kommunikation zwischen zumindest einer übergeordneten Steuereinheit auf der Systemebene und den Feldgeräten auf der Feldebene in der Regel über Bussysteme. Auf der Feldebene werden Feldbussysteme wie beispielsweise Profibus^® PA, Foundation Fieldbus^® oder HART^® eingesetzt. Der Vorteil der Feldbussysteme ist darin zu sehen, dass sie ein hohes Maß an Sicherheit bieten. Allerdings haben sie den Nachteil, dass die Datenübertragungsrate relativ gering ist, und die Kommunikation somit relativ langsam erfolgt.
Auf der Systemebene dient die übergeordnete Steuereinheit zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte und wird auch als Konfigurier-/Managementsystem bezeichnet. Programme, die auf übergeordneten Steuereinheiten 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. Die Protokollumsetzung zwischen der Feldebene und der Systemebene erfolgt über sog. Gateways.
Feldgeräte der Automatisierungstechnik, insbesondere der Prozessautomatisierung, verfügen üblicherweise über digitale Schnittstellen zum Bedienen der Feldgeräte. Unter dem Begriff ’Bedienen von Feldgeräten’ wird im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere das Konfigurieren und Parametrieren von Feldgeräten, aber auch die Diagnose und Wartung zwecks frühzeitiger Erkennung von Fehlern an den Feldgeräten oder im Prozess verstanden. Im weitesten Sinn umfasst der Begriff “Bedienen“ auch die Anzeige von Information.
Um die digitale Schnittstelle nutzen zu können, benötigt man im Allgemeinen einen direkten Zugriff auf das Feldgerät. Eine Fernbedienung der Feldgeräte ist üblicherweise nur im technologischen Rahmen der jeweiligen Schnittstellentechnologie möglich. In 2 ist eine bekannte Anwendung zur Fernbedienung von zwei Feldgeräten G1, G2 unter Nutzung des HART Protokolls über eine Zweileiterverbindung gezeigt. Die Bedieneinheit E1 koppelt die digitale Kommunikation über ein HART Modem C1 in die Zweileiteerverbindung ein und baut damit eine Datenkommunikation mit den entfernt angeordneten Geräten G1, G2 auf.
Wie bereits erwähnt, werden für den Datenaustausch über die Grenzen des Feldbussystems hinaus Gateways benutzt, die durch den Transport der Daten über zusätzliche Kommunikationsstrukturen den Zugriffsradius erweitern. Die vorgegebene und üblicherweise auch bewusst erzwungene Grenze für die Fernbedienung ist im Allgemeinen der LAN Bereich, also der Intranet Bereich des jeweiligen Nutzers, der durch zumindest eine Firewall vor Zugriffen aus dem Internet geschützt ist.
Es gibt Szenarien, in denen die Beschränkung der Fernbedienung auf den jeweiligen LAN Bereich nachteilig ist. Diese Szenarien werden im Folgenden aufgelistet:

– Beratung des Kunden im Falle des Fehlverhaltens eines Feldgeräts: Tritt ein Fehler im Betrieb eines Feldgeräts auf, so muss im Allgemeinen eine Service-Kraft anreisen, um das Fehlverhalten vor Ort zu analysieren. Die notwendige Anreise führt nicht nur zu erhöhten Kosten, sondern verlängert auch unnötig die Reaktionszeit.
– Entwicklung von gerätespezifischen Integrationslösungen, ohne dass die Möglichkeit besteht, vor Ort auf das Feldgerät zuzugreifen: Um ein Feldgerät der Automatisierung in ein übergeordnetes System zu integrieren, ist es notwendig, Integrationsmittel – also technisch lesbare Beschreibungen oder Treiber – zu entwickeln. Diese Aufgabe wird im Allgemeinen vom spezialisierten Dienstleistern übernommen. Die Dienstleistung besteht in der Entwicklung und Wartung der Integrationsmittel. Für Entwicklungs- und Wartungsaufgaben ist es notwendig, eine digitale Kommunikation mit dem Feldgerät aufzubauen. In der Prozess-Automatisierung gibt es weit über tausend Gerätetypen mit einer Vielzahl an Varianten. Es bedeutet einen hohen Kostenaufwand, alle Feldgeräte und ihre Varianten beim Dienstleister vorzuhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem die Fernbedienung eines Feldgeräts über gesicherte Kommunikationsgrenzen hinaus möglich ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

– Aufbau einer ersten Kommunikationsverbindung zwischen einem dem ersten Netzwerk zugeordneten Gateway und dem Feldgerät;
– Aufbau einer zweiten Kommunikationsverbindung zwischen dem ersten Gateway und einem über Internet adressierbaren Broker Server über einen ungesicherten Zugang des ersten Gateways;
– Anmeldung des ersten Gateways beim Broker Server;
– Vergabe einer eindeutigen Identifizierung durch den Broker Server für die erste Kommunikationsverbindung zwischen dem ersten Gateway und dem Broker Server;
– Übermittlung der eindeutigen Identifizierung an ein zweites Gateway, das dem zweiten Netzwerk zugeordnet ist;
– Aufbau einer dritten Kommunikationsverbindung zwischen dem zweiten Gateway und dem Broker Server unter Verwendung der eindeutigen Identifizierung;
– Herstellung einer Kommunikationsverbindung zwischen dem zweiten Gateway und dem ersten Gateway, wobei der Broker Server logisch die erste Kommunikationsverbindung und die zweite Kommunikationsverbindung miteinander verbindet, so dass die Kommunikationsverbindung zwischen dem Bediengerät und dem Feldgerät hergestellt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung bringt die folgenden Vorteile:

– Durch Schaffung einer Möglichkeit bewusst und gezielt vorgegebene Grenzen der lokalen Netzwerkstruktur (LAN Bereich) zu überspringen, werden die Reaktionszeiten und Kosten für Service-Einsätze drastisch reduziert.
– Durch Schaffung einer Möglichkeit, die vorgegebenen Grenzen der lokalen Netzwerkstruktur (LAN Bereich) zu überspringen, lässt sich die lokale Vorhaltung der Feldgeräte optimieren. Hierdurch lassen sich die Entwicklungs- und Wartungskosten stark reduzieren.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kommunikationsverbindung zwischen dem Bediengerät und dem Feldgerät über Standard HTML aufgebaut wird. Insbesondere werden über die Kommunikationsverbindung protokollspezifische Daten und/oder Bilddaten einer WebCam, insbesondere gerätespezifische Bilddaten, übertragen. Hierdurch hat der Dienstleister die Möglichkeit, sich aus der Ferne ein Bild von der Situation vor Ort zu machen. Da es sich bei den protokollspezifischen Daten und/oder die Bilddaten um sicherheitskritische Daten handeln kann, wird vorgeschlagen, die Daten verschlüsselt zu übertragen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass die beiden Gateways die Kommunikationsverbindung zum Brokerserver über einen bei Firewalls üblicherweise offenen Port, z.B. Port 80, aufbauen. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die beiden Gateways als Hardware-Lösung und/oder als Software-Lösung bereitgestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zeitliche Synchronisation der Gateways über den Broker Server durchgeführt wird, wobei die zeitliche Abfolge der Kommunikationsverbindungen protokolliert und/oder die Kommunikationslaufzeiten auf den einzelnen Kommunikationsverbindungen gemessen werden. Insbesondere können die protokollierten Kommunikationsverbindungen dazu verwendet werden, die Interaktion einer direkten Verbindung zwischen dem Bediengerät und dem Feldgerät in Form eines erneuten Abspielens der Aufzeichnungen unter Echtzeitbedingungen zu simulieren.
Die Erstellung der ersten Kommunikationsverbindung und/oder der zweiten Kommunikationsverbindung erfolgt entweder automatisch oder über Benutzer vor Ort.
Weiterhin wird im Zusammenhang mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Übermittlung der eindeutigen Identifizierung an das zweite Gateway automatisch oder manuell durch Benutzer im ersten Netzwerk und im zweiten Netzwerk erfolgt, wobei für die Übermittlung gängige Kommunikationsmittel, z.B. Email, Telefon, SMS, ... genutzt werden.
Bezüglich des Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass es sich bei dem ersten Netzwerk um ein gesichertes Firmennetzwerk des Besitzers des Feldgeräts handelt, dass es sich bei dem zweiten Netzwerk um ein gesichertes Firmennetzwerk einer Dienstleisters handelt, und dass der Broker Server über Internet erreichbar ist. Hierdurch ist ein weltweiter Zugriff auf das Feldgerät sichergestellt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur 1 näher erläutert. Gegenstand der Erfindung ist die Einrichtung einer Datenkommunikation zwischen einem Bediengerät E in einer entfernt angeordneten Beratungs- und/oder Entwicklungsstation und einem Feldgerät A. Beispiele für Feldgeräte wurden in der Beschreibungseinleitung bereits genannt.
Um eine Kommunikationsverbindung 1, 2, 3, 4 über die Grenzen des geschützten Netzwerks (LAN) L2 eines Dienstleisters und des geschützten Netzwerks (LAN) L1 des Benutzers des Feldgeräts A zu ermöglichen, werden zwei Gateways B, D benötigt. Diese bauen die Kommunikationsverbindung beispielsweise über Standard HTML auf. Da eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen den Gateways B, D im Allgemeinen von den Firewalls F1, F2 nicht zugelassen wird, wird ein Broker Server C im World Wide Web platziert. Über den Broker Server C tauschen die beiden Gateways B, D Ihre Daten aus. Neben den protokollspezifischen Daten, wie Parametrier- oder Diagnosedaten, können beispielsweise auch Bilddaten einer Webcam sicher und verschlüsselt über die Kommunikationsverbindung 1, 2, 3, 4 übertragen werden. Bei dem bevorzugt gerätespezifischen Bildmaterial handelt es sich beispielweise um Aufnahmen eines in der 1 nicht gesondert dargestellten Vor-Ort-Displays, das dem Feldgerät A zugeordnet ist.
Bevorzugt erfolgt die Realisierung der Kommunikationsverbindung zwischen den Gateways B, D über den Broker Server C mittels HTML-Post- und/oder HTML-Get-Methoden. Ab HTML 5 können auch HTML-Sockets zur Anwendung kommen. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, können die Gateways B, D als Hardware- und/oder Software-Komponenten realisiert sein.
Eine Zeitsynchronisation der Gateways B, D über den Broker Server C wird dazu genutzt, sehr präzise die zeitliche Abfolge der Datenkommunikation zu protokollieren und insbesondere die Kommunikationslaufzeiten auf den einzelnen Kommunikationswegen 1, 2, 3, 4 zu messen. Die protokollierten Aufzeichnungen werden in beiden Gateways B, D verwendet, um die Interaktion einer direkten Kommunikationsverbindung 1, 2, 3, 4 zwischen dem Feldgerät A und dem Bediengerät E in Form eines erneuten Abspielens der Aufzeichnung unter Echtzeitbedingungen zu simulieren.
Der Verbindungsaufbau erfolgt erfindungsgemäß in folgenden Schritten:

1. Das Gateway B erstellt die Kommunikationsverbindung 1 mit dem Feldgerät A. Die Herstellung der Kommunikationsverbindung 1 erfolgt entweder automatisch oder durch einen Nutzer vor Ort, wobei die Kommunikationsverbindung 1 unmittelbar oder mittelbar über die Infrastruktur vor Ort erfolgen kann. Beispielsweise erfolgt die Kommunikation unter Nutzung des HART Protokolls. Das Gateway B kann als Hardware-Lösung oder als Software-Lösung ausgeführt sein.
2. Das Gateway B verbindet sich mit dem Broker Server C, wobei die Kommunikationsverbindung 2 über Komponenten realisiert wird, welche für den LAN Bereich L1 des Besitzers gefahrlos verwendet werden können. Somit sind diese nicht durch die Schutzmechanismen, insbesondere die Firewall F1 des LAN Bereichs L1, blockiert. Bei Nutzung des HTLM-Standards handelt es sich bei einer geeigneten Komponente beispielsweise um den Port 80. Der Verbindungsaufbau wird entweder automatisch oder manuell durch einen Nutzer durchgeführt. Das Gateway meldet sich beim Broker Server C an und erhält von dem Broker Server C eine eindeutige Identifizierung, welche die Kommunikationsverbindung 2 kennzeichnet.
3. Die eindeutige Identifizierung wird an das Gateway D übermittelt. Wiederum erfolgt die Übermittlung der eindeutigen Identifizierung durch Nutzer in beiden LAN Bereichen L1, L2 automatisch oder manuell. Die Übermittlung der eindeutigen Identifizierung erfolgt mittels gängiger Kommunikationsmittel wie Telefon, Email, SMS, ...
4. Das Gateway D baut nun eine Kommunikationsverbindung 3 mit dem Server C bevorzugt im World Wide Web WWW unter Nennung der eindeutigen Identifizierung auf, wobei die Kommunikationsverbindung 3 Kommunikationsmittel nutzt, die auch für den Aufbau der Kommunikationsverbindung 2 genutzt werden.
5. Der Broker Server C verbindet nun logisch die Kommunikationsverbindungen 3, 2 und sorgt damit für den reibungslosen Datenverkehr zwischen dem Gateway B bzw. dem Feldgerät A und dem Gateway D bzw. dem Bediengerät E.
6. Der Broker Server C und das Gateway D können nun Daten austauschen, wobei bevorzugt einen Datenverschlüsselung eingesetzt wird. Wie bereits gesagt, können neben den Protokolldaten auch andere Daten, wie z.B. Bilddaten, übertragen werden.

Claims

Verfahren zum Fernbedienen eines Feldgeräts (A) der Automatisierungstechnik, das sich in einem durch eine erste Firewall (F1) gesicherten ersten Netzwerk (L1) befindet, wobei die Fernbedienung über ein Bediengerät € erfolgt, das einem zweiten Netzwerk (L2), das durch eine zweite Firewall (F2) gesichert ist, zugeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: – Aufbau einer ersten Kommunikationsverbindung (1) zwischen einem dem ersten Netzwerk (L1) zugeordneten Gateway (B) und dem Feldgerät (A); – Aufbau einer zweiten Kommunikationsverbindung (2) zwischen dem ersten Gateway (B) und einem über Internet (WWW) adressierbaren Broker Server (C) über einen ungesicherten Zugang (Port80) des ersten Gateways (B); – Anmeldung des ersten Gateways (B) beim Broker Server (C); – Vergabe einer eindeutigen Identifizierung durch den Broker Server (C) für die erste Kommunikationsverbindung (2) zwischen dem ersten Gateway (B) und dem Broker Server (C); – Übermittlung der eindeutigen Identifizierung an ein zweites Gateway (D), das dem zweiten Netzwerk (L2) zugeordnet ist; – Aufbau einer dritten Kommunikationsverbindung (3) zwischen dem zweiten Gateway (D) und dem Broker Server (C) unter Verwendung der eindeutigen Identifizierung; – Herstellung einer Kommunikationsverbindung (3, 2) zwischen dem zweiten Gateway (D) und dem ersten Gateway (B), wobei der Broker Server (C) logisch die zweite Kommunikationsverbindung (2) und die dritte Kommunikationsverbindung (3) miteinander verbindet, so dass die Kommunikationsverbindung (1, 2, 3, 4) zwischen dem Bediengerät (E) und dem Feldgerät (A) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationsverbindung (1, 2, 3, 4) zwischen dem Bediengerät (E) und dem Feldgerät (A) über den Standard HTML aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Gateways (B, D) ihre Kommunikationsverbindung (2, 3) zum Brokerserver (C) über einen bei Firewalls (F1, F2) üblicherweise offenen Port (Port 80) aufbauen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1–3, wobei über die Kommunikationsverbindung (1, 2, 3, 4) protokollspezifische Daten und/oder Bilddaten einer WebCam, insbesondere gerätespezifische Bilddaten, übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die protokollspezifischen Daten und/oder die Bilddaten verschlüsselt übertragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Gateways (B, D) als Hardware-Lösung und/oder als Software-Lösung bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, wobei die zeitliche Synchronisation der Gateways (B, D) über den Broker Server (C) durchgeführt wird und wobei die zeitliche Abfolge der Kommunikationsverbindungen (1, 2, 3, 4) protokolliert und/oder die Kommunikationslaufzeiten auf den einzelnen Kommunikationsverbindungen (1, 2, 3, 4) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die protokollierten Kommunikationsverbindungen (1, 2, 3, 4) dazu verwendet werden, die Interaktion einer direkten Kommunikationsverbindung (1, 2, 3, 4) zwischen dem Bediengerät (E) und dem Feldgerät (A) in Form eines erneuten Abspielens der Aufzeichnungen unter Echtzeitbedingungen zu simulieren.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erstellung der ersten Kommunikationsverbindung (1, 2) und/oder der zweiten Kommunikationsverbindung (3, 4) automatisch oder über einen Benutzer vor Ort erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1–9, wobei die Übermittlung der eindeutigen Identifizierung an das zweite Gateway (D) automatisch oder manuell durch Benutzer im ersten Netzwerk (L1) und im zweiten Netzwerk (L2) erfolgt, wobei für die Übermittlung gängige Kommunikationsmittel, z.B. Email, Telefon, SMS, ... genutzt werden.
System zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–10, wobei es sich bei dem ersten Netzwerk (L1) um ein gesichertes Firmennetzwerk des Besitzers des Feldgeräts (A) handelt, wobei es sich bei dem zweiten Netzwerk (L2) um ein gesichertes Firmennetzwerk einer Dienstleisters handelt, und wobei der Broker Server (C) über Internet (WWW) erreichbar ist.