EP1520262A1 - Verfahren zur funktional sicheren daten bertragung zwischen einem sensor und einer auswerteeinheit - Google Patents
Verfahren zur funktional sicheren daten bertragung zwischen einem sensor und einer auswerteeinheitInfo
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- EP1520262A1 EP1520262A1 EP03732586A EP03732586A EP1520262A1 EP 1520262 A1 EP1520262 A1 EP 1520262A1 EP 03732586 A EP03732586 A EP 03732586A EP 03732586 A EP03732586 A EP 03732586A EP 1520262 A1 EP1520262 A1 EP 1520262A1
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
- G08C19/00—Electric signal transmission systems
- G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage
Definitions
- the invention relates to a method for functionally safe data transmission between a sensor and an evaluation unit, which are connected to one another via a signal line.
- sensors are often used to record process variables. Examples include temperature measuring devices that include the temperature of a process medium, flow meters that measure the flow of a process medium in a pipeline section, or level meters that measure the level of a liquid or a bulk material in a container.
- the information from sensors is not required in the immediate vicinity of the sensor, but in a more distant control room or in a control room.
- the sensor is connected to a corresponding evaluation unit via a signal line.
- the data transmission between the sensor and the evaluation unit can, for. B. according to the HART® standard.
- This enables digital communication between the sensor and the evaluation unit.
- the communication signals are generated using a microprocessor and appropriate software.
- the disadvantage here is that the combination of microprocessor and software offers a multitude of error possibilities that are not sufficient for security-relevant applications.
- the sensor Via the bidirectional digital communication between the sensor and the evaluation unit, e.g. B. the sensor can be configured from the evaluation unit.
- a simple way of data transmission between a sensor and an evaluation unit is in PFM technology.
- a 10 mA quiescent current is superimposed on current pulses, the repetition frequency of which corresponds to the sensor state.
- a vibration limit switch FTL325P from Endress + Hauser®
- FTL325P from Endress + Hauser®
- 50 Hz corresponds to the covered state
- 150 Hz to the free state errors are coded with O Hz.
- the disadvantage of this type of signal transmission is that no information is transmitted from the evaluation unit to the sensor.
- the object of the invention is to provide a method for functionally safe data transmission between a sensor and an evaluation unit which does not have the disadvantages mentioned above, which in particular enables safe data transmission and at the same time bidirectional communication between evaluation unit and sensor.
- An essential idea of the invention is to provide 2 channels for the data transmission between the sensor and the evaluation unit, the first channel being for digitally generated signals and the second channel being for analog generated signals.
- safety-relevant signals can be transmitted between the sensor and evaluation unit in a purely analog way.
- This analogous path corresponds to the strict safety-relevant regulations.
- Fig. 1 sensor with HART interface in a schematic representation.
- Fig. 2 sensor with PFM interface.
- Fig. 3 sensor and evaluation unit with 2 data channels.
- the 1 shows a sensor S1, which is connected to an evaluation unit AW via a signal line SL.
- the sensor S1 has a sensor MA, which detects the process variable to be determined.
- the sensor MA is connected to an AD converter, which is followed by a microprocessor ⁇ P S1.
- the microprocessor ⁇ P S1 digitally processes the sensor signal into an output variable. This output variable is transmitted to the evaluation unit AW via the interface 11.
- the evaluation unit has an interface 12 corresponding to the interface 11, which is connected to a microprocessor ⁇ P AW1.
- the microprocessor ⁇ P AW1 is connected to a display A and allows the switching of a limit value relay, not shown, depending on predetermined limit values. Via a further physical interface, also not shown, z. B. a connection to a personal computer (PC) for parameterization possible.
- PC personal computer
- the 2 shows a sensor S2, which is connected to an evaluation unit AW2 via a signal line SL.
- the sensor S2 also has a sensor MA, which is connected to an evaluation circuit AS1.
- the sensor signal is processed in the evaluation circuit AS1 using purely analog technology and converted into an output signal which is transmitted in a PFM interface 13 to an evaluation unit AW2 via a signal line SL.
- the evaluation unit AW2 has also has an interface 14 matching the interface 13, which is connected to an evaluation circuit AS2.
- the 3 shows a sensor S, which are connected to one another with an evaluation unit AW via a signal line SL by means of 2 data channels.
- the sensor S also has a sensor MA, an A / D converter A / D, a microprocessor ⁇ PS and an interface IS1. Digital signal processing takes place in the microprocessor ⁇ PS.
- the output signal of the microprocessor ⁇ PS is forwarded to the interface IS1, which converts the output signal into a HART signal.
- the sensor has an analog evaluation circuit ASS, which is connected to a superimposition unit U via a PFM interface IS3.
- the evaluation circuit ASS can also have a low-cost microprocessor, then two microprocessors are available on the sensor side, which increases safety. In a simpler variant, a microprocessor takes over the conversion into the HART signal and the PFM signal.
- the HART signal and the PFM signal are simply superimposed in the superimposition unit U and transmitted to the evaluation unit AW via the signal line SL.
- the HART signal and the PFM signal are separated in a separation unit T and supplied to the corresponding interfaces 12 and 14, respectively.
- the interface 12 is connected to a microprocessor ⁇ P, in which digital signal processing takes place.
- the interface 14 is connected to an analog evaluation circuit ASAW, in which the PFM signal is evaluated in analog technology.
- the HART part can be used, for example, to parameterize the sensor via the display in the evaluation unit AW (TAG, measuring range, unit, ).
- the PFM part can be used to switch off a pump or a valve via a relay, not shown. This is about a safe shutdown to prevent a container from overflowing.
- An essential idea of the invention is to transmit data between a sensor and an evaluation unit in two separate data channels, one data channel transmitting a signal that has been generated at least partially in digital technology and the second channel for signals that are purely analog Generated way.
- safety-relevant signals that comply with strict safety-relevant regulations can be transmitted on the second channel.
- the invention is not limited to vibration limit switches as sensors. It can be applied to any sensors (capacitive, radiometric, pressure, etc.).
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Abstract
Bei einem Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensors und einer Auswerteeinheit AW sind 2 Datenkanäle vorgesehen, wobei der eine Datenkanal für digital erzeugte Signale und der zweite für analog erzeugte Signale erzeugt ist. Dadurch ist für sicherheitsrelevante Signale auf dem zweiten Kanal eine den sicherheitstechnischen Vorschriften entsprechende Datenübertragung zwischen Sensors und Auswerteeinheit AW möglich.
Description
Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit, die über eine Signalleitung miteinander verbunden sind.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Sensoren zur Erfassung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele hierfür sind Temperaturmessgeräte, die die Temperatur eines Prozessmediums umfassen, Durchflussmesser, die den Durchfluss eines Prozessmediums in einem Rohrleitungsabschnitt erfassen oder Füllstandsmesser die den Füllstand einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts in einem Behälter erfassen.
In der Regel wird die Information von Sensoren nicht in unmittelbarer Nähe des Sensors benötigt sondern in einer weiter entfernten Warte oder in einem Schaltraum. Hierfür ist der Sensor mit einer entsprechenden Auswerteeinheit über eine Signalleitung verbunden. Die Datenübertragung zwischen dem Sensor und der Auswerteeinheit kann z. B. nach dem HART® Standard erfolgen. Dadurch ist eine digitale Kommunikation zwischen Sensor und Auswerteeinheit möglich. Auf Sensorseite werden die Kommunikationssignale mittels eines Mikroprozessors und einer entsprechenden Software generiert. Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Kombination von Mikroprozessor und Software eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten bietet, die für sicherheitsrelevante Anwendungen nicht ausreicht.
Über die bidirektionale digitale Kommunikation zwischen dem Sensor und der Auswerteeinheit kann z. B. der Sensor von der Auswerteeinheit aus konfiguriert werden.
Eine einfache Art der Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit erfolgt in PFM Technik. Hierbei werden einem 10 m A Ruhestrom Stromimpulse überlagert, deren Folgefrequenz dem Sensorzustand entspricht. Z. B. kann ein Vibrationsgrenzschalter (FTL325P von Endress+Hauser®) 3 Sensorzustände der Auswerteeinheit mitteilen. 50 Hz entspricht dabei dem Bedeckt-Zustand, 150 Hz dem Frei-Zustand, Fehler werden mit O Hz kodiert. Nachteil bei dieser Art von Signalübertragung ist, dass keine Information von der Auswerteeinheit an den Sensor übertragen werden.
Bei dieser Art der Datenübertragung werden die Signale in rein analoger Weise erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere eine sichere Datenübertragung und gleichzeitig eine bidirektionale Kommunikation zwischen Auswerteinheit und Sensor ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren. Vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Wesentliche Idee der Erfindung ist es, für die Datenübertragung zwischen Sensor und Auswerteeinheit 2 Kanäle vorzusehen, wobei der erste Kanal für digital erzeugte Signale und der zweite Kanal für analog erzeugte Signale ist. Dadurch können sicherheitsrelevante Signale auf rein analogem Wege zwischen Sensor und Auswerteeinheit übertragen werden. Dieser analoge Weg entspricht den strengen sicherheitsrelevanten Vorschriften.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Sensor mit HART-Schnittstelle in schematischer Darstellung.
Fig. 2 Sensor mit PFM-Schnittstelle.
Fig. 3 Sensor und Auswerteeinheit mit 2 Datenkanälen.
Fig. 1 zeigt einen Sensor S1 , der über eine Signalleitung SL mit einer Auswerteeinheit AW verbunden ist. Der Sensor S1 weist einen Messaufnehmer MA auf, der die zu bestimmende Prozessvariable erfasst. Der Messaufnehmer MA ist mit einem AD-Wandler verbunden, dem ein Mikroprozessor μP S1 nachgeschaltet ist. Im Mikroprozessor μP S1 erfolgt eine digitale Signalverarbeitung des Messaufnehmersignals in eine Ausgangsgröße. Diese Ausgangsgröße wird über die Schnittstelle 11 an die Auswerteeinheit AW übertragen. Die Auswerteeinheit besitzt eine zu der Schnittstelle 11 entsprechende Schnittstelle 12, die mit einem Mikroprozessor μP AW1 verbunden ist. Der Mikroprozessor μP AW1 ist mit einer Anzeige A verbunden und erlaubt das Schalten eines nicht dargestellten Grenzwertrelais in Abhängigkeit von vorgegebenen Grenzwerten. Über eine ebenfalls nicht dargestellte weitere physikalische Schnittstelle ist z. B. eine Verbindung mit einem Personal Computer (PC) zum Parametrieren möglich.
In Fig. 2 ist ein Sensor S2 dargestellt, der über eine Signalleitung SL mit einer Auswerteeinheit AW2 verbunden ist. Der Sensor S2 weist ebenfalls einen Messaufnehmer MA auf, der mit einer Auswerteschaltung AS1 verbunden ist. Das Messaufnehmersignal wird in der Auswerteschaltung AS1 in rein analoger Technik verarbeitet und in ein Ausgangssignal umgewandelt, das in einer PFM-Schnittstelle 13 über eine Signalleitung SL an eine Auswerteeinheit AW2 übertragen wird. Die Auswerteeinheit AW2 weist
ebenfalls eine zur Schnittstelle 13 passende Schnittstelle 14 auf, die mit einer Auswerteschaltung AS2 verbunden ist.
In der Auswerteeinheit AW2 werden Stromimpulse aufintegriert und in eine Gleichspannung umgewandelt. Kleine Gleichspannung bedeutet wenig Stromimpulse, hohe Gleichspannung bedeutet viele Stromimpulse.
Fig. 3 zeigt einen Sensor S, der mit einer Auswerteeinheit AW über eine Signalleitung SL mittels 2 Datenkanälen miteinander verbunden sind. Der Sensor S weist ebenfalls einen Messaufnehmer MA, einen A/D-Wandler A/D einen Mikroprozessor μPS sowie eine Schnittstelle IS1 auf. Im Mikroprozessor μPS erfolgt eine digitale Signalverarbeitung. Das Ausgangssignal des Mikroprozessors μPS wird an die Schnittstelle IS1 weitergeleitet, die das Ausgangssignal in ein HART-Signal umsetzt. Weiterhin weist der Sensor eine analoge Auswerteschaltung ASS auf, die über eine PFM-Schnittstelle IS3 mit einer Überlagerungseinheit U verbunden ist.
Die Auswerteschaltung ASS kann auch einen low-cost Mikroprozessor aufweisen, dann stehen auf Sensorseite zwei Mikroprozessoren zur Verfügung, das erhöht die Sicherheit. In einer einfacheren Variante übernimmt ein Mikroprozessor, die Umwandlung in das HART-Signal und das PFM-Signal.
In der Überlagerungseinheit U werden das HART-Signal und das PFM-Signal einfach überlagert und über die Signalleitung SL zur Auswerteeinheit AW übertragen. In einer Trenneinheit T wird das HART-Signal und das PFM- Signal getrennt und jeweils entsprechenden Schnittstellen 12 bzw. 14 zugeführt. Die Schnittstelle 12 ist mit einem Mikroprozessor μP verbunden, in dem eine digitale Signalverarbeitung statt findet. Die Schnittstelle 14 ist mit einer analogen Auswerteschaltung ASAW verbunden, in dem das PFM- Signal in Analogtechnik ausgewertet wir.
Der HART-Teil kann z.B. dazu verwendet werden um den Sensor über das Display in der Auswerteeinheit AW zu parametrieren (TAG, Messbereich, Einheit, ...).
Der PFM-Teil kann verwendet werden, um über ein nicht dargestelltes Relais eine Pumpe oder ein Ventil abzuschalten. Hierbei geht es um ein sicheres Abschalten zur Verhinderung des Überlaufens eines Behälters.
Wesentlich Idee der Erfindung ist es, Daten zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit in 2 getrennten Datenkanälen zu übertragen, wobei der eine Datenkanal ein Signal überträgt, das zumindest teilweise in digitaler Technik erzeugt worden ist und der zweite Kanal für Signale ist, die in rein analoger Weise erzeugt werden. Dadurch können auf dem zweiten Kanal sicherheitsrelevante Signale, die strengen sicherheitsrelevanten Vorschriften entsprechen, übertragen werden.
Die Erfindung ist nicht auf Vibrationsgrenzschalter als Sensoren beschränkt. Sie lässt sich auf beliebige Sensoren (kapazitiv, radiometrisch, Druck etc.) anwenden.
Claims
1. Verfahren zur funktional sicheren Datenübertragung zwischen einem Sensor S und einer Auswerteeinheit AW, die über 2 Datenkanäle auf einer Signalleitung SL miteinander kommunizieren, wobei der erste Kanal für digital erzeugte Signale und der zweite Kanal für analog erzeugte Signale ausgelegt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung auf dem ersten Kanal nach dem HART-Standard erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung auf dem zweiten Kanal mittels eines PFM-Signals erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Vibrationsgrenzschalter ist.
5. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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