DE102017008524A1 - Fernüberwachungssystem für explosionsgfährdete Bereiche - Google Patents

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Michael Trautmann
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Abstract

Fehlerbus wobei jedem Schnittstellenmodul auf Basis eines kleinen µC oder als Variante ein beispielsweise 13,5 MHz RFID-Chip elektronisches Bauelement hinzugefügt ist, wobei die hinzugefügte Elektronik für alle Geräte auf dem gleichen Leiterplattenbereich platziert ist.

Description

  • Einleitung
  • Moderne Industrieanlagen versuchen, immer mehr Daten über den laufenden Prozess zu sammeln, um sie zu verbessern, und zusätzlich versuchen sie, auch mehr sekundäre Daten über den Status der installierten Geräte zu sammeln.
  • Während die Prozessdaten hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Korrektheit vor allem in Bezug auf Funktionssicherheit (SIL) und Sicherheit entscheidend sind, helfen die sekundären Statusinformationen, die vorbeugende Wartung zu verbessern und Fehler in den installierten Geräten zu lokalisieren. Daher sind die funktionalen Schutz- und Sicherheitsanforderungen für solche Informationen viel geringer.
  • Bei der Betrachtung von Schnittstellengeräten für den eigensicheren (IS) Explosionsschutz oder die Signalkonditionierung werden die meisten dieser Produkte als herkömmliche hardwarebasierte Geräte aufgebaut, da solche Ausführungen mit vertretbarem Aufwand hohe SIL-Einstufungen ermöglichen und immun gegen Sicherheitsvorfälle sind.
  • Die folgende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Einführen eines transparenten Fehlerinformationsbusses in Verbindung mit dem Vorteil einer hardwarebasierten Prozessdatenübertragung.
  • Grundprinzipien
  • Funktionalitäten, die beibehalten werden sollen
    • - Die Punkt-zu-Punkt-Übertragungsfunktionalität muss beibehalten werden
    • - Sicherheitsfunktion, die auf reinen Hardware-Designs basiert, muss beibehalten werden (falls zutreffend)
  • Funktionalitäten, die hinzugefügt werden sollen
    • - „Diagnosebus“ für weitere Informationsbereitstellung
    • - Zusätzliche interne Diagnosefunktionen
    • - Produktspezifische Informationen (Teilenummer / Name, Seriennummer, ...)
    • - Anwendungsinformationen (TAG, ...)
  • Die nachstehend beschriebene Implementierung einer unabhängigen Übertragung von Funktionsinformationen auf eine hardwarebasierte Punkt-zu-Punkt-Schicht und Diagnoseinformationen auf eine Busschicht verhindert jegliche negative Auswirkung auf das Messsignal aufgrund von Sicherheitsfragen.
  • Konzept: Fehlerbus
  • Stand der Technik
  • Heute werden für IS-Schnittstellengeräte nur sehr rudimentäre Systeme zur Fehleranzeige und Geräteidentifikation eingesetzt.
    Die Fehleranzeige auf modulbasierter Ebene ist in der NAMUR-Empfehlung NE 44 definiert. Die hier beschriebene Anzeige basiert auf unterschiedlich farbigen LEDs.
  • Ein weiterer angewendeter Ansatz für die in Betracht kommenden Vorrichtungen ist das Patent US 2015/0120004 A1 von Yokogawa, das eine Erfassung des Schnittstellentyps und der Fehleranzeige auf Basis eines ID-Widerstands beschreibt.
  • Ein dritter Ansatz ist der Summenfehlerbus von P + F, bei dem das Gerät bei einem festgestellten Fehler ein Signal runter bringt, das allen angeschlossenen Geräten gemeinsam ist, um einen erkannten Fehler anzuzeigen, ohne die Möglichkeit, zwischen Fehlertypen zu unterscheiden.
  • Für die Modulidentifikation gibt es Geräte z.B. von Phoenix oder Drago, die NFC-ICs verwenden (vergleichbar mit MTB L1, siehe unten).
  • Grundidee
  • Im Falle des Fehlerbusses wird jedem Schnittstellenmodul auf Basis eines kleinen µC (oder als Variante ein NFC / RFID-Chip) eine kleine Elektronik hinzugefügt, die für alle Geräte dient, die auf dem gleichen Leiterplattenbereich platziert sind (bei NFC / RFID).
  • Diese ICs sind in unterschiedlicher Komplexität verfügbar und können allein von der NFC-Antenne angetrieben werden, wenn nur ein Lese- / Schreibbefehl zum EEPROM eingeleitet werden soll. Für komplexere Funktionalitäten wäre eine externe Stromversorgung erforderlich.
  • Daher können verschiedene Stufen der Fehler-Bus (FB) Integration vorausgesetzt werden.
  • FB L1 (Stufe 1)
  • Einfacher NFC-Chip, der für die drahtlose Barrierenidentifikation verwendet wird, wobei die Barriere beim Lesen der Daten nicht in die Spule eingebaut ist.
  • In diesem Fall kann der NFC-IC z.B. durch ein NFC-fähiges Mobiltelefon geschrieben / abgelesen werden. Das NFC EEPROM enthält folgende Daten:
    • • Modulname (nur ablesbar)
    • • Modulteilnummer (nur ablesbar)
    • • Seriennummer (nur ablesbar)
    • • TAG-Nummer (lesen / schreiben)
  • Der verwendete NFC-IC ist extrem günstig (<0,10 €).
  • FB L2 (Stufe 2)
  • Komplexere NFC-IC mit externer busbasierter Schnittstelle (z.B. SPI / I2C, TBD) und externer Stromversorgung (und vermutlich mit einem größeren EEPROM). Die IC-integrierte Schnittstelle wird am Stromschienen-Steckverbinder (bei K-Systemen) oder am nicht-IS-ERNI-Steckverbinder (im Falle von H-Systemen) angeschlossen.
  • Diese Steckverbinder befestigen die Geräte entweder am Stromschienensystem (K-System) oder an der Terminierungsplatine (H-System), siehe auch Bilder in den folgenden Kapiteln. Über diese Busverbinder und ein entsprechendes Gateway ist es möglich, die Barrieren in das Asset-Management-System zu integrieren. Die gleichen Informationen wie in Stufe 1 stehen zur Verfügung:
    • • Modulname (nur ablesbar)
    • • Modulteilnummer (nur ablesbar)
    • • Seriennummer (nur ablesbar)
    • • TAG-Nummer (lesen / schreiben)
  • Hauptvorteil wird bei dem H-System die Möglichkeit sein, jedes einzelne Modul und dessen Position vom Kontrollraum aus genau zu identifizieren (siehe auch die folgenden Kapitel)
  • FB L3 (Stufe 3)
  • In diesem Fall wird ein NFC-IC mit zusätzlichen Logikeingängen verwendet. Diese Eingänge sind mit Diagnosesignalen verbunden, die ohnehin in vielen Modulen verfügbar sind.
  • Kombiniert mit den Möglichkeiten aus dem Ansatz aus Stufe 2 ermöglicht dies die Übertragung von spezifischen Diagnoseinformationen der IS Barrieren an das Asset-Management-System der Anlage. Verfügbare Informationen sind:
    • - Modulname (nur ablesbar)
    • - Modulteilnummer (nur ablesbar)
    • - Seriennummer (nur ablesbar)
    • - TAG-Nummer (lesen / schreiben)
    • - LB (nur ablesbar)
    • - SC (nur ablesbar)
    • - Niedrige Versorgungsspannung (nur ablesbar)
    • - Interner Fehler (nur ablesbar)
    • - ...
  • Die Implementierung würde durch einen NFC-Transceiver (~ 0.60 €) und einen kleinen µC (~ 1 €) erfolgen. Kombinierte Lösungen (NFC + µC in einem Gehäuse) sind derzeit teurer.
  • Dieser Ansatz würde es erlauben, detaillierte Diagnoseinformationen direkt und gerätespezifisch in den Kontrollraum zu übertragen.
  • Terminierungsplatinen (TB)-basierte Installierungsdetails
  • Im Falle des TB-Systems wäre jedes Modul einzeln mit einem Gateway verdrahtet. Mit diesem Ansatz ist es möglich, die genaue Position und den genauen Kanal auf einer Platine zu identifizieren und im Falle von FB L3, diese Informationen an das Asset-Management-System zu übertragen.
  • Auch die Platine selbst würde durch eine entsprechende NFC-IC identifiziert werden, so dass eine Hierarchie von Platinen und Modulen aufgebaut werden kann.
  • Hutschienenbasierte Einbaudetails
  • Im Falle des DIN-Systems ist die genaue Lokalisierung des Einzelmoduls nicht möglich, da dessen Position an der Stromschiene unbekannt ist. Als Kommunikationsbus würde ein Inlay für die Hutschiene mit Schienen zum Verbinden der einzelnen Geräte verwendet werden. Solche Inlays sind auf dem Markt erhältlich.
  • Gateway
  • Das Gateway ist ein Kernstück des kompletten Konzepts. Es wird die Modul- und Diagnoseinformationen der verschiedenen Barrieren sammeln und sie dem Asset-Management-System zur Verfügung stellen.
  • Als externe Schnittstelle sollten die folgenden Standards verfügbar sein (vermutlich in verschiedene Gateways bauen)
    • • Modbus
    • • TCP / IP / Ethernet
    • • RS485
  • Das Gateway würde mit einem DD und einem FDT DTM ausgestattet sein, um es in das Asset-Management-System zu integrieren.
  • Darüber hinaus könnte es sinnvoll sein, einen grundlegenden Befehlssatz als API zu verteilen.
  • Die Software des Gateways und dementsprechend die DD und DTM sollen derart aufgebaut werden, dass sie die Stufe und den Inhalt der MTB-Informationen der Geräte dynamisch übernehmen.
  • Kundenvorteile
    • - Ein weiterer Baustein im Aufbau bezüglich Transparenz der Anlage / Installation
    • - Keine zusätzlichen Sicherheitsprobleme, Messdaten und Diagnoseinformationen werden voneinander getrennt.
    • - Die Messdaten stehen weiter auf der bekannten und wartungsfreundlichen Punkt-zu-Punkt-Signalübertragungsmechanik zur Verfügung.
  • 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 2015/0120004 A1 [0007]

Claims (4)

  1. Fehlerbus wobei jedem Schnittstellenmodul auf Basis eines kleinen µC oder als Variante ein beispielsweise 13,5 MHz RFID-Chip elektronisches Bauelement hinzugefügt ist, wobei die hinzugefügte Elektronik für alle Geräte auf dem gleichen Leiterplattenbereich platziert ist
  2. Schnittstellenmodul mit wenigstens einem ersten elektronischen Bauelement, angeordnet in dem IS Bereich und wenigstens einem zweiten elektronischen Bauelement , angeordnet in einem nicht IS Bereich, wobei das erste elektronische Bauelement und das zweite elektronische Bauelement mittels eines Trenntransformators verbunden ist und wobei in dem nicht IS Bereich zusätzlich ein Nahfeldkommunikationsbauelement vorzugsweise auf 13,5 MHz Basis arbeitender RFID Chip angeordnet ist und das Nahfeldkommunikationsbauelement mit dem zweiten elektronischen Bauelement verschaltet ist, um das erste elektronische Bauelement zu überwachen und insbesondere eine Fehlfunktion des ersten elektronischen Bauelements zu detektieren.
  3. Schnittstellenmodul nach Anspruch 2, wobei das Nahfeldkommunikationsbauelement verschaltet ist mit einem Diagnose Gatewaygerät um die Position und eine Kanal-ID zu dem Diagnose Gatewaygerät zu übertragen, um eine Fernüberwachung des Schnittstellenmodul zu ermöglichen.
  4. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Vielzahl von Schnittstellenmodulen vorgesehen sind und jedes Schnittstellenmodul ein Nahfeldkommunikationsbauelement umfasst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20150120004A1 (en) 2013-10-29 2015-04-30 Yokogawa Electric Corporation Signal processing apparatus

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