DE102017120032A1

DE102017120032A1 - Verfahren zur zeitsynchronisierten Verarbeitung von Daten eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung

Info

Publication number: DE102017120032A1
Application number: DE102017120032.0A
Authority: DE
Inventors: Fridolin Faist; Martin Gaiser; Andreas Isenmann
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US20190140815A1; US11139947B2

Abstract

Verfahren zur zeitsynchronisierten Verarbeitung von Daten eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung, bei dem die Daten und/oder Datenänderungen zusammen mit einem internen Zeitstempel eines internen Zeitgebers des Feldgerätes in einem Speicher des Feldgerätes abgelegt werden, wobei bei einem Auslesen der Daten aus dem Feldgerät ein Gangunterschied dem internen Zeitgeber des Feldgerätes und einem Zeitgeber eines Bediengerätes, mit dem die Daten ausgelesen werden, ermittelt wird, die internen Zeitstempel um den Gangunterschied korrigiert und als korrigierte Zeitstempel mit den Daten abgelegt werden.

Description

Feldgeräte in der Prozessautomatisierung werden häufig mit internen Zeitgebern bzw. einer Uhr ausgestattet. Verschiedene Feldgeräte benötigen solche Zeitgeber um zu einstellbaren Terminen bestimmte Aktionen, z.B. Schalten eines Relais, Versenden einer Nachricht, oder dergleichen auszulösen. Andere Feldgeräte verwenden den Zeitgeber, um beim Speichern von Messwerten oder Geräteinformationen , z.B. Historie-Daten, Protokollierung von Parameteränderungen, oder dergleichen, einen zugehörigen Zeitstempel ablegen zu können.
Ein bekanntes Problem der Zeitgeber von Feldgeräten der Prozessautomatisierung liegt in der Ganggenauigkeit. Einige Feldgeräte bieten inzwischen Möglichkeiten, die Ganggenauigkeit durch Vergleich mit einer Referenzuhr unter Verwendung eines geeigneten Kommunikationsprotokolls zyklisch nachzustellen. Hierbei wird ein Versatz zwischen einem geräteinternen Zeitgeber und einem Referenzgeber ermittelt, und abhängig davon, ob ein zeitlicher Versatz innerhalb vorgegebener Toleranzwerte liegt ein Parameter auf „good“ oder „bad“ gesetzt.
Im Bereich der Prozessindustrie oder auch allgemein im Bereich des Internet of Things (IoT) wird es immer wichtiger, dass Geräte und im Speziellen Feldgeräte Diagnoseinformationen sammeln. Auch das Sammeln von Historie-Daten zu den Messwerten oder das Sammeln von Echokurven zu komplexeren Messverfahren wird für spätere Analysen immer wichtiger. Um diese Informationen sinnvoll weiterverarbeiten zu können ist es notwendig, dass auch die zeitlichen Zusammenhänge dazu nachvollziehbar sind, das heißt, dass ein verlässlicher Zeitstempel zu den Einzelinformationen existieren muss.
Ein zyklisches Nachkorrigieren der Feldgeräte-Uhren, wie es im Stand der Technik beschrieben wird, kann nur erfolgen, wenn die entsprechende Infrastruktur zu einem Time-Server, typischerweise im Internet stehend, gegeben ist. Bei Feldgeräten der Prozessindustrie existiert diese Infrastruktur häufig nicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur zeitsynchronisierten Verarbeitung von Daten eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung derart weiter zu bilden, dass eine Synchronisierung und Verarbeitung auch ohne zusätzliche Infrastruktur möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Synchronisierung und Verarbeitung von Daten eines Feldgerätes der Prozessautomatisierung, bei dem die Daten und/oder Datenänderungen zusammen mit einem internen Zeitstempel eines internen Zeitgebers des Feldgerätes in einem Speicher des Feldgerätes abgelegt werden, zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Auslesen der Daten aus dem Feldgerät ein Gangunterschied zwischen dem internen Zeitgeber des Feldgerätes und einem Zeitgeber eines Bediengerätes, mit dem die Daten ausgelesen werden, ermittelt wird und die internen Zeitstempel um den Gangunterschied korrigiert und als korrigierte Zeitstempel mit den Daten abgelegt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, beim Auslesen von gespeicherten Daten eines Feldgerätes die vorherrschende Gangungenauigkeit im Feldgerät zu ermitteln und sämtliche Zeitinformationen auf die tatsächlich vorherrschende Uhrzeit zu korrigieren. Als Zeitbasis wird hierbei die Uhr des Bediengerätes, das die Daten ausliest, also beispielsweise eines PCs, Laptops, Tablets oder Smartphones verwendet. Die Korrektur kann dann zur sofortigen Visualisierung oder zum Abspeichern der Daten zur späteren Weiterverarbeitung genutzt werden. Auf diese Weise ist es nicht mehr nötig, dass das Feldgerät selbst permanent oder zumindest zyklisch eine Verbindung zu einem Time-Server im lokalen Netzwerk oder im Internet aufweist. Es kann auf diese Weise eine deutliche Vereinfachung der Netzwerkanforderungen erreicht werden.
Das vorliegende Verfahren ist besonders gut für Messwerte, Parameteränderung und Diagnoseinformationen geeignet. Wenn diese Daten mit dem internen Zeitstempel in dem Speicher des Feldgerätes abgelegt werden können sie sowohl untereinander als auch in Bezug auf Daten anderer Messgeräte synchronisiert und ausgewertet werden. Es ist auf diese Weise möglich auch die Auswirkungen von Veränderungen an einem Feldgerät auf bspw. die Messwerte an einem anderen Messgerät zu analysieren.
Durch eine zyklische Abfrage der Daten durch das Bediengerät werden weitere Analysemöglichkeiten eröffnet. Durch ein sog. Polling kann das Bediengerät die Daten, z.B. Messwerte oder Parameteränderungen eines oder mehrerer Feldgeräte direkt mitprotokollieren und direkt zueinander in Beziehung setzen.
Vorteilhafter weise kann das Bediengerät die Daten zusammen mit dem Zeitstempel in einer Datenbank ablegen, sodass eine sofortige oder nachgelagerte Analyse der Daten problemlos möglich ist.
Um eine Vergleichbarkeit von Daten verschiedener Feldgeräte untereinander zu ermöglichen, auch wenn die Feldgeräte bspw. in unterschiedlichen Zeitzonen eingesetzt werden, ist es sinnvoll, wenn die Zeitstempel von dem Bediengerät auf koordinierte Weltzeit (UTC) umgerechnet werden.
Die Daten können von dem Bediengerät direkt verarbeitet und/oder über eine Netzwerk an ein weiterverarbeitendes System weitergegeben werden.
Der geräteinterne Zeitgeber kann beispielsweise als Echtzeituhr ausgeführt sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen ersten Aufbau einer Messanordnung mit direkter Verbindung zwischen Feldgerät und Bediengerät,
2 einen zweiten Aufbau einer Messanordnung mit einer Feldbus-Anordnung zur Verbindung mehrerer Feldgeräte mit dem Bediengerät,
3 schematisch die Funktionsblöcke eines Feldgerätes zur Messwerterfassung
4 schematisch die Funktionsblöcke zur Parametrierung des Feldgeräts gemäß 3,
5 den Ablauf eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Anmeldung,
6 eine Netzwerkanordnung, bei der das Verfahren der vorliegenden Anmeldung vorteilhaft zum Einsatz kommen kann und
7 den Unterschied zwischen einer herkömmlichen Erfassung der Daten eines Feldgeräts und einer gemäß dem Verfahren der vorliegenden Anmeldung.

1 zeigt einen ersten Aufbau einer Messanordnung mit direkter Verbindung zwischen einem Feldgerät 3 und einem Bediengerät 1.
Bei diesem Aufbau weist das Bediengerät 1, das beispielsweise als PC, Laptop, Smartphone, Tabletcomputer oder dergleichen ausgebildet sein kann eine Kommunikationsschnittstelle 2 auf, über die es mit dem Feldgerät 3 verbunden ist. Über diese Verbindung können sowohl Parametereinstellungen im Feldgerät 3 realisiert werden, als auch autark im Feldgerät 3 gesammelte Messwert- und Diagnosedaten ausgelesen werden. Die Kommunikationsschnittstelle 2 kann sowohl als drahtgebundene als auch als drahtlose Schnittstelle ausgebildet sein. Eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle kann bspw. als Funkverbindung über Bluetooth, WIFI, LoRa, oder dergleichen ausgeführt sein. Bei der Bluetooth Verbindung handelt es sich um einen Industriestandard gemäß IEEE 802.15.1 für die Datenübertragung per Funksignal über kurze Distanzen.
Unter WIFI, auch als wireless LAN (WLAN) gemäß IEEE 802.11 bekannt, ist ebenfalls eine Datenübertragung per Funksignal gemeint. Es handelt sich hierbei um den wohl gängigsten Standard zur Datenübertragung per Funk im Office-, Heim- und Industriebereich.
Beim LoRa Netzwerk, auch Long Range Wide Area Network (LoRa-WAN) genannt, handelt es sich um einen Standard der LoRa Alliance. Hierin sind sowohl Funktechnik als auch Protokolltechnik beschrieben.
In 2 ist eine entsprechender Aufbau für eine Anordnung mit mehreren Feldgeräten 3 dargestellt, die über einen Feldbus 4 und ein Gateway 5 mit dem Bediengerät 1, verbunden sind.
3 zeigt schematisch die Funktionsblöcke eines Feldgeräts 3 zur Messwerterfassung.
Das Feldgerät 3 kann beispielsweise aus dem Bereich Druckmesstechnik oder Füllstandmessung stammen. Denkbar sind auch andere Messverfahren der Prozessindustrie. Hauptaufgabe dieser Geräte ist typischerweise die Erfassung eines Druck- bzw. Füllstandmesswerts 10 und anschließend die Weitergabe dieser Werte an übergeordnete Geräte über eine Kommunikationsschnittstelle 2 zur Steuerung des Prozesses bzw. zur Visualisierung der aktuellen Messwerte 10. Einige Feldgeräte 3 bieten darüber hinaus auch das autarke Sammeln von Messwerten 10 mittels einer Messwertsammeleinheit 11 und eines Messwertspeichers 13. Die erforderliche Zeitinformation wird hierbei aus einem geräteinternen Zeitgeber 12 gewonnen. Die im Messwertspeicher 13 gesammelten Daten können dann später über ein Bediengerät 1 über die Kommunikationsschnittstelle 2 abgerufen und zur Weiterverarbeitung genutzt werden. Erwähnenswert ist hierbei, dass der geräteinterne Zeitgeber 12 nicht permanent mit einem Time-Server synchronisiert und damit nachgeführt wird.
In 4 werden schematisch die Funktionsblöcke eines Feldgerätes 3 gemäß 3 gezeigt, bei dem ferner eine Parametrierung 17 des Feldgerätes 3 möglich ist. Hier kann das Bediengerät 1 über die Kommunikationsschnittstelle 2 Geräteparameter 14 mittels der Geräteparametrierung 17 direkt lesen. Schreibvorgänge der Geräteparameter 14 erfolgen ebenfalls über die Geräteparametrierung 17, wobei Schreibvorgänge zusätzlich von einer Parameteränderungssammeleinheit 15 registriert und in einem Parameteränderungsspeicher 16 abgelegt werden. Zu jedem gespeicherten Parameter wird auch der zugehörige Zeitstempel aus dem geräteinternen Zeitgeber 12 abgelegt. Die im Parameteränderungsspeicher 16 gesammelten Daten können dann später über ein Bediengerät 1 über die Kommunikationsschnittstelle 2 abgerufen und zur Weiterverarbeitung genutzt werden.
Die Funktionsblöcke der 3 und 4 können auch in Kombination oder erweitert um zusätzliche Funktionsblöcke auftreten. Bei beiden Varianten erhalten die einzelnen Datenpunkte einen Zeitstempel, der vom geräteinternen Zeitgeber abgenommen wird.
Gemäß 3 kann der aktuelle Messwert auch direkt von der Messwerterfassung 10 über die Kommunikationsschnittstelle 2 an ein übergeordnetes Gerät, z. B. an ein Bediengerät 1 mit einer Anwendungssoftware übertragen werden.
Auf diese Art und Weise kann die Anwendersoftware, wenn sie über einen längeren Zeitraum Messwerte 10 aus dem Feldgerät 3 ausliest, einen Messwertspeicher 13 direkt im Bediengerät 1 ablegen. Bei dieser Art, Messwerte 10 im sogenannten Polling-Verfahren, also zyklisch, auszulesen, wird zu jedem Datenpunkt der Zeitstempel des Bediengeräts 1, also des PCs oder des Smartphones verwendet.
In 5 ist das Verfahren beschrieben, das ein Bediengerät 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung implementieren muss.
In einem ersten Schritt zu Beginn einer Verbindung zwischen dem Feldgerät 3 und dem Bediengerät 1 wird ein Gangunterschied zwischen einem internen Zeitgeber des Bediengerätes 1 und dem internen Zeitgeber 12 des Feldgerätes 3 ermittelt. Dieser Gangunterschied, auch als Delta-t bezeichnet, wird für die spätere Kompensation gespeichert. Bei der anschließenden Abfrage der Daten über die Kommunikationsschnittstelle 2 des Feldgeräts 3 wird abgefragt, ob die auszulesenden Daten aus dem Messwertspeicher 13 oder dem Parameteränderungsspeicher 16 stammen, oder direkt von der Messwerterfassung 10 übertragen werden. Je nach Art der abgefragten Daten wird unterschiedlich Verfahren:
Daten aus dem Messwertspeicher 13 des Feldgeräts 3 werden mit einem um den Gangunterschied korrigierten Zeitstempel abgelegt: $korrigierter Zeitstempel = gelesener Zeitstempel + Delta - t$
Daten aus dem Parameteränderungsspeicher 16 des Feldgeräts 3 werden mit einem um den Gangunterschied korrigierten Zeitstempel abgelegt: $korrigierter Zeitstempel = gelesener Zeitstempel + Delta - t$
Daten aus der aktuellen Messwerterfassung 10 des Feldgeräts 3 werden mit dem aktuellen Zeitstempel des Bediengeräts 1 abgelegt: $korrigierter Zeitstempel = Uhrzeit des Bediengeräts$
Beim Abspeichern der oben genannten Daten zum Beispiel zur Weitergabe an andere Anwenderprogramme erfolgt eine Normierung auf koordinierte Weltzeit (UTC) durch folgende Berechnung: $\begin{matrix} Zeitstempel (UTC) = korrigierter Zeitstempel - Zeitzone des \\ Bediengeräts \end{matrix}$
Das hier beschriebene Verfahren erlaubt es nun, dass in den weiterverarbeitenden Anwenderprogramme oder einem zentralen Datensammler , wie er in 6 gezeigt ist, alle aus dem Feldgerät 3 gelesenen Daten bezüglich der Zeitstempel vergleichbar sind, unabhängig davon, ob Daten im Feldgerät 3 autark gesammelt wurden, oder ob sie zyklisch per Anwenderprogramm geladen wurden. Es spielt auch keine Rolle mehr, ob der geräteinterne Zeitgeber 12 einen Zeitversatz hat, oder nicht. Die Vergleichbarkeit ist auch gegeben, wenn man die Daten von verschiedenen Feldgeräten 3 miteinander vergleichen will. Die einzige Randbedingung, die erfüllt sein muss, ist dass die Uhrzeit des Bediengeräts 1 korrekt ist.
In 6 ist schematisch ein Netzwerk mit mehreren Feldgeräten 3, die jeweils mit einem Bediengerät 1, vorliegende sind ein Mobiltelefon und ein Laptop dargestellt, ausgelesen werden, dargestellt. Die Bediengeräte 1 sind ihrerseits über ein lokales Netzwerk 30 oder das Internet mit einem Server 31 zum Sammeln der ausgelesenen Daten verbunden. Dank des oben beschriebenen Verfahrens könne die Daten verschiedener Feldgeräte 3 unabhängig von der Ganggenauigkeit des jeweiligen internen Zeitgebers 12 untereinander verglichen werden.
7 zeigt beispielhaft den Fall, dass der geräteinterne Zeitgeber 12 relativ zur tatsächlichen Uhrzeit einige Minuten „nach“ geht, also die internen Zeitstempel einen negativen Gangunterschied haben.

Dargestellt sind die Messwertverläufe für unkompensierte Daten aus dem Messwertspeicher 13 des Feldgeräts 3 (Kennlinie (1)) für Daten aus der Messwerterfassung 10 (Kennlinie (2)) sowie unkompensierte Daten aus dem Parameteränderungsspeicher 16 (Markierung (3)). Gezeigt sind die identischen Ereignisse, die einmal direkt ausgelesen (Kennlinie (2)) werden und beim anderen mal aus dem Messwertspeicher 13 stammen. Dadurch, dass der interne Zeitgeber 12 gegenüber der tatsächlichen Zeit, die der Zeitgeber des Bediengeräts 3 anzeigt, entsteht der Gangunterschied Δt, der wie nachfolgend in 8 gezeigt ist, durch das vorliegende Verfahren kompensiert wird.

①	Daten aus Messwertspeicher des Feldgeräts	ohne Kompensation
②	Daten aus Messwerterfassung des Feldgeräts	ohne Kompensation
③	Daten aus Parameteränderungsspeicher des Feldgeräts	ohne Kompensation

In 8 ist das Ergebnis nach erfolgter Kompensation dargestellt. Der Zeitstempel für die aus dem Messwertspeicher 13 und dem Parameteränderungsspeicher 16 ausgelesenen Daten werden entsprechend dem vorliegenden Verfahren korrigiert, sodass nun kein Gangunterschied Δt zwischen den direkt aus der Messwerterfassung 10 ausgelesenen Daten und denen aus dem Messwertspeicher 13 mehr besteht.

	Daten aus Messwertspeicher des Feldgeräts	mit Kompensation
②	Daten aus Messwerterfassung des Feldgeräts	mit Kompensation
	Daten aus Parameteränderungsspeicher des Feldgeräts	mit Kompensation

Durch die Kompensation des Gangunterschiedes Δt werden die Daten mit einem korrekten Zeitstempel dargestellt und sind somit auch zu den Daten anderer Feldgeräte 3 vergleichbar.
Bezugszeichenliste

1: Bediengerät
2: Kommunikationsschnittstelle
3: Feldgerät
4: Feldbus
5: Gateway
10: Messwerterfassung
11: Messwertsammeleinheit
12: interner Zeitgeber
13: Messwertspeicher
14: Geräteparameter
15: Parameteränderungssammeleinheit
16: Parameteränderungsspeicher
17: Geräteparametrierung
30: Netzwerk
31: Server
Δt: Gangunterschied

Claims

Verfahren zur zeitsynchronisierten Verarbeitung von Daten eines Feldgerätes (3) der Prozessautomatisierung, bei dem die Daten und/oder Datenänderungen zusammen mit einem internen Zeitstempel eines internen Zeitgebers (12) des Feldgerätes (3) in einem Speicher (13, 16) des Feldgerätes (3) abgelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass - bei einem Auslesen der Daten aus dem Feldgerät (3) ein Gangunterschied (Δt) zwischen dem internen Zeitgeber (12) des Feldgerätes (3) und einem Zeitgeber (12) eines Bediengerätes (1), mit dem die Daten ausgelesen werden, ermittelt wird, die internen Zeitstempel um den Gangunterschied (Δt) korrigiert und als korrigierte Zeitstempel mit den Daten abgelegt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte und/oder Parameteränderung und/oder Diagnoseinformationen mit dem internen Zeitstempel in dem Speicher (13, 16) der Feldgerätes (3) abgelegt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bediengerät (1) die Daten mittels zyklischer Abfragen ausliest.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bediengerät (1) die Daten zusammen mit dem Zeitstempel in einer Datenbank ablegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitstempel von dem Bediengerät (1) auf koordinierte Weltzeit (UTC) umgerechnet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten von dem Auslesegerät über ein Netzwerk (30) an ein weiterverarbeitendes System (31) weitergegeben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weiterverarbeitende System ein Server (31), insbesondere ein Datenbankserver ist, auf dem die Daten zur Weiterverarbeitung abgespeichert werden.