-
Die Erfindung betrifft ein Datenaufnahmegerät mit einem HART-Multiplexer zur kapazitiven Ankopplung von mehreren HART-Feldgeräten.
-
In Anlagen der Prozessindustrie, z. B. der chemischen, petrochemischen, pharmazeutischen, Lebensmittel und andere Produkte herstellenden Industrie, führen in der Feldebene örtlich verteilte, dezentrale Feldgeräte 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) für, z. B., Füllstand, Durchfluss, Druck und Temperatur, die Informationen in Form von Messwerten von Prozessgrößen übermitteln, und Aktoren, z. B. Stellantriebe oder Stellungsregler für Ventile, die Informationen in Form von Stellwerten erhalten, um den Prozess zu beeinflussen.
-
Ein weit verbreitetes Kommunikationsprotokoll zur Übertragung der Informationen ist HART (Highway Addressable Remote Transducer), bei dem der Hauptprozesswert, also der eigentliche Messwert oder Stellwert, über eine Stromschleife (Zweidrahtleitung) als analoges 4-20 mA Stromsignal übertragen wird, dem weitere Daten (HART-Informationen) mittels Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK) zwischen den HART-Frequenzen 1200 Hz und 2200 Hz aufmoduliert und digital übertragen werden können. Bei den digitalen HART-Informationen kann es sich um Kommandos, Antworten, Parameter und Variablen, wie z. B. einen Temperaturmesswert des Feldgerätes, handeln. Feldgeräte, die nach dem HART-Standard arbeiten, werden auch als HART-Geräte bezeichnet.
-
Das HART-Protokoll unterscheidet zwischen Master- und Slave-Geräten, wobei die HART-Feldgeräte in der Regel Slaves sind, die auf Kommandos des Masters reagieren. Typische Master sind dezentrale Ein-/Ausgabebaugruppen von Automatisierungssystemen, Handbediengeräte oder Parametrier-PCs mit HART-Modem, die zur Inbetriebnahme und Diagnose eines Feldgeräts temporär in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung an der Zweidrahtleitung angeschlossen werden können.
-
HART-fähige Ein-/Ausgabebaugruppen von Automatisierungssystemen ermöglichen eine permanente Punkt-zu-Punkt-Verbindung, jedoch verfügen viele Automatisierungssysteme nicht über einen solchen direkten Zugriff auf HART-Informationen. Da die Nachrüstung herkömmlicher Ein-/Ausgabebaugruppen mit HARTfähigen I/O-Karten finanziell sehr aufwendig sein kann, können stattdessen HART-Multiplexer verwendet werden, die die HART-Informationen von mehreren HART-Feldgeräten konzentrieren und über standardisierte Feldbusschnittstellen dem Automatisierungssystem zur Verfügung stellen (
EP 0 964 325 A1 ). Um die 4-20 mA Stromsignale nicht zu beeinflussen, werden die Kanäle des HART-Multiplexers vorzugsweise kapazitiv an die verschiedenen Zweidrahtleitungen angekoppelt. Die aufgrund des Multiplex-Betriebs ohnehin schon niedrige Übertragungskapazität wird weiter reduziert, wenn - was oft der Fall ist - zur Verringerung des gerätetechnischen Aufwands und der damit verbundenen Kosten mehrere HART-Kanälen nur einem HART-Modem zugeordnet werden.
-
Bei der Inbetriebnahme und dem Bring-up startet der Benutzer einen Scan der an dem HART-Multiplexer angeschlossenen Feldgeräte, wobei periodisch alle HART-Information gelesen und die einzelnen Feldgeräte identifiziert werden (HART-Kommando 0: Read Transmitter Unique Identifier). Dies kann aus den oben abgegeben Gründen je nach Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte mehrere Minuten in Anspruch nehmen. Wenn danach ein Feldgerät entfernt, ausgetauscht oder ein neues Feldgerät angeschlossen wird, muss der Scan manuell wiederholt werden, weil das Automatisierungssystem ansonsten keine Information über die vorgenommenen Änderungen hat. Ohne manuelle Triggerung des Scans kann die automatische Detektion eines neu angeschlossenen oder ausgetauschten Geräts mehrere Minuten, Stunden oder Tagen dauern, so dass die in der Zwischenzeit gelieferten Daten nicht der realen, neuen Konfiguration entsprechen. Wegen der kapazitiven Ankopplung an die Zweidrahtleitungen, kann der Schleifenstrom nicht erfasst werden, um eine Änderung der Anschlusskonfiguration der Feldgeräte zu erkennen.
-
Folgende Situationen sind möglich:
-
Ein Feldgerät wird entfernt. Das Automatisierungssystem erkennt die Konfigurationsänderung erst nach Minuten, Stunden oder sogar Tagen bei einem neuen Scan, wenn es auf das HART-Kommando 0 nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit keine Antwort erhält. Tatsächlich empfiehlt es sich nämlich, die Scan-Periode auf, z. B., einen Tag einzustellen, um die Kommunikationslast zu reduzieren und das Lesen wichtiger HART-Informationen, wie primäre HART-Variablen (primary variables, PV) zum Zwecke der sekundären Prozessüberwachung (condition monitoring), zu beschleunigen.
-
Ein vorhandenes Feldgerät wird gegen ein neues Feldgerät ausgetauscht. Auch hier erkennt das Automatisierungssystem die Änderung erst spät, wenn es als Antwort auf das HART-Kommando 0 die Langadresse des neuen Feldgeräts erhält.
-
Ein neues Feldgerät wird an einen bisher nicht belegten Kanal des Multiplexers angeschlossen. Es empfiehlt sich, unbelegte Kanäle zu deaktivieren, um die Kommunikation insgesamt zu beschleunigen. Bei einem deaktivierten Kanal wird daher das neu angeschlossene Feldgerät erst gar nicht detektiert werden können. Wenn der unbelegte Kanal nicht deaktiviert ist, erfolgt die Erkennung der Änderung wie bei den oben genannten Fällen erst spät.
-
Der Benutzer kann zwar selbst nach jeder Änderung der Konfiguration einen Scan starten, jedoch verbleibt es dann bei einem manuellen Eingriff.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Änderung der Anschlusskonfiguration von kapazitiv an einem HART-Multiplexer angekoppelten Feldgeräten schnell und automatisch zu erkennen.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Datenaufnahmegerät gelöst, von dem vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
-
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Datenaufnahmegerät
- - mit einem mehrkanaligen HART-Multiplexer, dessen Kanäle mit Kopplungsgliedern zur kapazitiven Ankopplung an mehrere über Stromschleifen gespeiste HART-Feldgeräte versehen sind,
- - mit einem dem HART-Multiplexer nachgeordneten HART-Modem und
- - mit einem dem HART-Modem nachgeordneten und zwischen diesem und einer Feldbusschnittstelle liegenden Prozessor, der eine HART-Kommunikation des Datenaufnahmegeräts steuert, wobei
- - an jedem Kanal ein Impulsdiskriminator angeschlossen ist, der durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms auf dem Kanal hervorgerufene und von HART-Signalen verschiedene Signalimpulse detektiert und bei Detektion ein Interruptsignal für den Prozessor erzeugt, und
- - der Prozessor dazu ausgebildet ist, auf ein Interruptsignal hin eine auf dem betreffenden Kanal laufende HART-Kommunikation zu beenden und ein HART-Kommando zur Anforderung einer Identifizierung eines HART-Feldgerätes an dem Kanal zu erzeugen.
-
Beim Entfernen oder Hinzufügen eines Feldgeräts wird die Stromschleife geöffnet bzw. geschlossen. In beiden Fällen erzeugt die Stromunterbrechung bzw. das Einschalten des Schleifenstroms eine Spannungsspitze auf dem betreffenden Kanal des HART-Multiplexers hinter der kapazitiven Ankopplung. Während HART-Signale mit einer Amplitude von etwa 1 mA Spitze-Spitze auf dem Schleifenstrom aufmoduliert werden, bewirkt eine Unterbrechung oder ein Einschalten des Schleifenstroms eine stoßartige Stromänderung zwischen 4 und 20 mA. Außerdem findet die HART-Modulation bei fest definierten Frequenzen statt. Es ist daher möglich, mit Hilfe der Impulsdiskriminatoren Signalimpulse auf den Kanälen des Multiplexers zu detektieren, die durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms verursacht sind. Bei Detektion eines solchen Ereignisses wird der Prozessor (Recheneinheit) dazu veranlasst, eine möglicherweise auf dem betreffenden Kanal stattfindende HART-Kommunikation zu beenden und über diesen Kanal ein HART-Kommando, insbesondere das HART-Kommando 0, auszugeben. Wurde ein Feldgerät entfernt, wird der Prozessor nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit keine Antwort erhalten. Das Datenaufnahmegerät weiß dann, dass der betreffende Kanal nicht belegt ist und kann dann z. B. diesen Kanal deaktivieren und/oder die Änderung der Schleifenkonfiguration über die Feldbusschnittstelle an eine übergeordnete Stelle melden. Wird ein Feldgerät erstmals oder im Austausch gegen ein bisheriges Feldgerät hinzugefügt, erhält der Prozessor als Antwort auf das HART-Kommando zur Identifizierung eine Kennung, z. B. die Langadresse, des neuen Feldgeräts und kann die Konfigurationsänderung an die übergeordnete Stelle melden.
-
Um eine sichere Detektion des Unterbrechens und/oder Einschaltens des Schleifenstroms zu ermöglichen, werden die Signalimpulse auf den Kanälen mit einer einstellbaren und darüber hinaus für jeden Kanal bzw. Impulsdiskriminator individuell vorgebbaren Detektionsschwelle diskriminiert. Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die durch Unterbrechung und/oder Einschalten des Schleifenstroms hervorgerufenen stoßartigen Stromänderung bezüglich Amplitude und Frequenz von den HART-Signalen. Da insbesondere im industriellen Umfeld mit Störungen, z. B. EMV-Störungen oder schlechte elektrische Kontakte, auf den Stromschleifen gerechnet werden muss, ist es von Vorteil, wenn in den Impulsdiskriminatoren eine Frequenzfilterung stattfindet. Dazu kann jeder Impulsdiskriminator jeweils ein für außerhalb des HART-Frequenzbereichs liegende Frequenzen durchlässiges Frequenzfilter, z. B. ein Bandpassfilter, mit einem nachgeordneten (Schwellenwert-) Komparator aufweisen, der das Interruptsignal für den Prozessor erzeugt, wenn das von dem Frequenzfilter durchgelassene gefilterte Signal die Detektionsschwelle (Schwellenwert) überschreitet.
-
Ergänzend oder alternativ kann in dem Prozessor des Datenaufnahmegeräts ein Software-Filter implementiert werden, das die Häufigkeiten der erhaltenen Interruptsignale analysiert, um Interruptsignale, welche durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms hervorgerufen werden, von solchen zu unterscheiden, die durch Störungen auf der Stromschleife verursacht sind. So treten die durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms hervorgerufenen Interruptsignale nur vereinzelt und selten auf, während durch EMV-Störungen oder schlechte Kontakte (Wackelkontakte) verursachte Interruptsignale eher häufig und über einen längeren Zeitraum vorliegen. Durch die Unterscheidung der Interruptsignale nach ihrer möglichen Ursache kann verhindert werden, dass der Prozessor im Fall von störungsbedingten Interruptsignalen ständig ein HART-Kommando zur Anforderung einer HART-Feldgeräte-Identifizierung erzeugt und damit die eigentliche HART-Kommunikation blockiert. Die Filterung nach Häufigkeit der Interruptsignale kann für alle Kanäle des Multiplexers gemeinsam oder für die unterschiedlichen Kanäle nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen, die ggf. durch den Benutzer vorgegeben werden. Weiterhin können die Detektionsschwellen in vorteilhafter Weise adaptiv verändert werden, bis die Häufigkeiten von störungsbedingten Interruptsignalen minimal sind.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; im Einzelnen zeigen
- 1 ein Beispiel eines Datenaufnahmegeräts mit einem HART-Multiplexer, der die HART-Information von Feldgeräten konzentriert und über eine standardisierte Schnittstelle einem Automatisierungssystem zur Verfügung stellt, und
- 2 ein detaillierteres Beispiel des erfindungsgemäßen Datenaufnahmegeräts.
-
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse.
-
1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein HART-Feldgerät 1, hier z. B. ein Messumformer, das über eine Stromschleife (Zweidrahtleitung) 2 an einer Ein-/Ausgabebaugruppe 3 eines hier nicht gezeigten Automatisierungssystems angeschlossen ist. Die Ein-/Ausgabebaugruppe 3 enthält eine Spannungsquelle 4, die den speist den Messumformer 1 mit Hilfsenergie speist, wobei der Messumformer 1 seine Stromaufnahme so regelt, dass der Schleifenstrom I in einem Bereich zwischen 4 und 20 mA dem aktuellen Messwerts entspricht. An einer in der Stromschleife 2 angeordneten Bürde 5 fällt daher eine zu dem Strom I und damit zu dem Messwert proportionale Spannung ab, die zum Zwecke der Anzeige oder Weiterverarbeitung ausgewertet wird. Die Spannungsquelle 4 kann auch außerhalb der Ein-/Ausgabebaugruppe 3 in einem separaten Speisegerät angeordnet sein. Wenn es sich bei dem Feldgerät 1 um einen Aktor handelt, wird der Schleifenstrom I in Ein-/Ausgabebaugruppe 3 geregelt.
-
Das HART-Feldgerät 1 ist in der Lage, zusätzlich zu dem analogen 4-20 mA-Signal auch digitale Informationen (HART-Informationen) zu senden und zu empfangen. Zum Senden der HART-Informationen wird dem Schleifenstrom I ein digitales HART-Signal mit etwa 1 mA Spitze-Spitze und den HART-Frequenzen 1200 Hz für eine binäre Eins und 2200 Hz für eine binäre Null überlagert. Es sei angenommen, dass die Ein-/Ausgabebaugruppe 3 nicht HART-fähig ist, weswegen ein Datenaufnahmegerät 6 vorgesehen ist, das die HART-Informationen, z. B. Diagnosedaten des Feldgeräts 1, von der Stromschleife 2 abgreift und an eine übergeordnete Stelle, z. B. ein Automatisierungssystem, oder, wie hier gezeigt, über ein Gateway 7 an eine Applikation in ein Cloud-System 8 überträgt. Umgekehrt können HART-Informationen, wie z. B. Kommandos, von dem Gateway 7 über das Datenaufnahmegerät 6 an das HART-Feldgerät 1 übermittelt werden.
-
Um mit mehreren, hier z. B. bis zu acht, HART-Feldgeräten 1 digital kommunizieren zu können, enthält das Datenaufnahmegerät 6 einen Multiplexer 9 mit acht Kanälen 10, wobei jeder Kanal 10 jeweils mit einem Kopplungsglied 11 zur kapazitiven Ankopplung an die Stromschleife 2 eines HART-Feldgeräts 1 versehen ist. Die Kopplungsglieder 11 bewirken, dass nur die HART-Signale auf die Kanäle 10 gelangen, während der Schleifenstrom I mit seinen die vergleichsweise langsamen Änderungen von dem Multiplexer 9 ferngehalten wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Übersichtlichkeit halber nur für einen der Kanäle 10 das an der Stromschleife 2 eines HART-Feldgeräts 1 angeschlossene Kopplungsglied 11 dargestellt. Da bereits eine Bürde 5 in der Ein-/Ausgabebaugruppe 3 vorhanden ist, ist das Kopplungsglied 11 parallel zum Feldgerät 1 angeschlossen. Anderenfalls kann die Bürde 5 in dem Kopplungsglied 11 integriert sein, das dann seriell in die Stromschleife 2 geschaltet ist.
-
Dem HART-Multiplexer 9 ist ein HART-Modem 12 nachgeordnet, das von den Feldgeräten 1 im Zeitmultiplex erhaltene HART-Signale demoduliert und an die Feldgeräte 1 zu übermittelnde HART-Signale moduliert.
-
Dem HART-Modem 12 ist ein Prozessor 13 nachgeordnet, der die HART-Kommunikation des Datenaufnahmegeräts 6 koordiniert und über eine standardisierten Feldbusschnittstelle, z. B. RS-485, eine Verbindung mit dem Gateway 7 herstellt und dabei als Protokollkonverter zur Umsetzung des HART-Protokolls in, z. B., ein Modbus- oder Ethernet-Protokoll und umgekehrt arbeitet.
-
2 zeigt detaillierteres Beispiel des Datenaufnahmegeräts 6. An jedem Kanal 10 ist ein Impulsdiskriminator 15 angeschlossen, der dazu ausgebildet ist, auf dem betreffenden Kanal 10 Signalimpulse zu detektieren, die durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms I auf dem Kanal 10 hervorgerufen werden und sich von den HART-Signalen unterscheiden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel enthält jeder der Impulsdiskriminatoren 15 jeweils ein Frequenzfilter 16, das für bestimmte außerhalb der HART-Frequenzen 1200 Hz und 2200 Hz liegende Frequenzen durchlässig ist. Bei dem Frequenzfilter 16 kann es sich z. B. um ein Bandpassfilter handeln. Den Frequenzfiltern 16 ist jeweils ein Komparator 17 nachgeordnet, der ausgangsseitig ein Interruptsignal 18 für den Prozessor 13 erzeugt, wenn das von dem Frequenzfilter 16 durchgelassene gefilterte Signal eine Detektionsschwelle 19 in Form eines Schwellenwerts überschreitet. Diese Schwelle 19 kann für jeden Kanal 10 individuell einstellbar oder auch für alle Kanäle 10 gleich sein. Der Prozessor 13 weist für jedes der Interruptsignale 18 jeweils ein Interrupt-Pin auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt der Prozessor 13 jeden Komparator 17 einen eigenen Schwellenwert 19. Es ist aber auch möglich, dass der Prozessor 13 einen gemeinsamen Schwellenwert 19 für alle Komparatoren 17 erzeugt.
-
Der Prozessor 13 enthält weiterhin ein Software-Filter 20, das für jeden Kanal 10 anhand der Häufigkeiten der erhaltenen Interruptsignale 18 diejenigen Interruptsignale, welche wahrscheinlich durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms I hervorgerufen worden sind, von anderen Interruptsignalen unterscheidet, die wahrscheinlich durch Störungen auf der Stromschleife 2 verursacht sind. Dabei werden Interruptsignale, die nur selten und dann einzeln auftreten, als solche identifiziert, die durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms I hervorgerufen worden sind.
-
Interruptsignale, die häufig und über einen längeren Zeitraum auftreten, werden als durch Störungen auf den entsprechenden Stromschleifen 2 hervorgerufen identifiziert. In Abhängigkeit von den ermittelten Häufigkeiten kann der Prozessor 13 automatisch oder benutzergeführt die Detektionsschwellen 19 adaptiv anpassen, bis die Häufigkeiten der störungsbedingten Interruptsignale 18 minimal sind. Wenn, beispielsweise im laufenden Betrieb, die Häufigkeiten der störungsbedingten Interruptsignale eine Schwelle überschreitet, kann dies dem Benutzer beispielsweise über eine LED 21 oder in sonstiger Weise angezeigt oder als Diagnoseinformation an das Gateway 7 zur Weiterleitung gesandt werden.
-
Bei Interruptsignalen, die als durch Unterbrechen und/oder Einschalten des Schleifenstroms I hervorgerufen identifiziert worden sind, beendet der Prozessor 13 zunächst eine HART-Kommunikation, wenn diese aktuell auf dem betreffenden Kanal 10 stattfindet. Danach erzeugt der Prozessor 13 ein HART-Kommando 0 für diesen Kanal 10, um von einem möglicherweise an dem Kanal 10 angeschlossenen Feldgerät 1 eine Identifizierung anzufordern. Bleibt eine Antwort innerhalb einer vorgegebenen Zeit aus, so erkennt der Prozessor 13 den entsprechenden Kanal 10 als nicht belegt. Galt der Kanal 10 bisher als nicht belegt und wird jetzt eine Antwort eines Feldgeräts 1 empfangen, so erkennt der Prozessor 13, dass ein neues Feldgerät hinzugekommen ist. Die von dem Prozessor 13 erkannte Konfigurationsänderung an dem Kanal kann dem Gateway 7 in Form eines „Change Bit“ in den übertragenen Informationen mitgeteilt werden, woraufhin das Gateway 7 die Informationen über die Konfigurationsänderung, also z. B. die Adresse eines neu hinzugekommenen Feldgerätes, mit höchster Priorität von dem Datenaufnahmegerät 6 auslesen kann.
