EP1664949A2 - Method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe evaluation unit - Google Patents

Method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe evaluation unit

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EP1664949A2
EP1664949A2 EP04786968A EP04786968A EP1664949A2 EP 1664949 A2 EP1664949 A2 EP 1664949A2 EP 04786968 A EP04786968 A EP 04786968A EP 04786968 A EP04786968 A EP 04786968A EP 1664949 A2 EP1664949 A2 EP 1664949A2
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sensor
computer unit
intrinsically safe
measurement data
unit
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Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
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    • G05B2219/21—Pc I-O input output
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/24—Pc safety
    • G05B2219/24028—Explosion free control, intrinsically safe

Definitions

  • the invention relates to a method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe evaluation unit.
  • Sensors in process automation technology record different process variables and transmit the corresponding digital measured values to an evaluation unit (e.g. control room) in which the measured values are stored and, if necessary, processed further.
  • an evaluation unit e.g. control room
  • Such sensors are often used, in particular potentiometric sensors, in explosion-protected areas (Ex areas). Potentiometric sensors are generally suitable for use in hazardous areas.
  • PCs personal computers
  • PCs personal computers
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe evaluation unit, which can be carried out simply and inexpensively.
  • FIG. 2 shows a computer unit, which exchanges data with a sensor via a plug-in module, in a schematic illustration
  • Fig. 3 computer unit, which exchanges data with a sensor via a portable storage medium, in a schematic representation.
  • the sensor shown in FIG. 1 is a liquid or gas sensor, in particular a potentiometric sensor, which consists of a sensor module SM and a sensor module head.
  • Sensor module SM and sensor module head enable data and energy exchange via a galvanically decoupled transmission path.
  • the sensor S is connected to a calibration unit KA via a line L1. With the help of the calibration unit KA, sensors can be calibrated.
  • the measuring station designation for the sensor S can also be entered and transmitted via line L1 to a memory provided in the sensor module SM.
  • the calibration unit is supplied with power via a plug-in power supply SN.
  • the calibration unit K and the sensor S are both suitable for the Ex area and are therefore designed to be intrinsically safe.
  • the computing unit PC can be a personal computer, notebook or laptop.
  • the calibration unit K is connected to a computer unit (personal computer) PC via a data line D2 in which an interface CDI is provided.
  • the PC-side transmission takes place according to the USB (Universal Serial Bus) standard.
  • the sensor-side data transmission on data line D2 and on line L1 is carried out according to a proprietary protocol via an RS485 interface.
  • FIG. 2 shows a connection between the sensor S and the computer unit PC via a PCMCIA plug-in card.
  • PCMCIA plug-in card slots are often provided in today's personal computers.
  • the sensor S is connected here via a line L1 to an Ex barrier B and the PCMCIA plug-in module.
  • line L1 is connected to a multiplex unit MUX, to which various other sensors S1, S2, S3, S4, S5 are connected.
  • data is transmitted via line L1 according to a proprietary protocol.
  • the computer unit PC allows a connection to other communication networks (Internet, intranet, company networks).
  • the data transfer between sensor S or sensors S1-S5 takes place via the PCMCIA plug-in card designed as a plug-in module for a computer unit R.
  • the Ex barrier can be easily integrated into the plug-in module.
  • the galvanic isolation in the Ex-barrier B takes place in a known manner optically (by means of an optocoupler) or capacitively or inductively.
  • sensors can be connected directly to a computer unit in a simple manner.
  • the calibration unit K has an additional data interface (fieldbus, network, 4-20 mA).
  • the calibration unit K has a connection for a portable storage medium SP.
  • the computer unit PC also has a connection option for the portable storage medium SP via the interface CDI, which has already been described in FIG. 1.
  • the data transmission between the computer unit R and the sensor S takes place as follows:

Abstract

The invention relates to a method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe computer unit. According to said method, the data is transmitted via an interface that is configured as an Ex barrier or via a portable storage medium.

Description

Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einem eigensicheren Sensor und einer nicht eigensicheren Auswerteeinheit Process for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe evaluation unit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einem eigensicheren Sensor und einer nicht eigensicheren Auswerteeinheit.The invention relates to a method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe evaluation unit.
Sensoren in der Prozessautomatisierungstechnik erfassen unterschiedliche Prozessvariablen und Übertagen die entsprechenden digitalen Messwerte zu einer Auswerteeinheit (z. B. Warte), in der die Messwerte abgespeichert und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden.Sensors in process automation technology record different process variables and transmit the corresponding digital measured values to an evaluation unit (e.g. control room) in which the measured values are stored and, if necessary, processed further.
Häufig werden derartige Sensoren insbesondere potentio metrische Sensoren, in explosionsgeschützten Bereichen (Ex-Bereich) eingesetzt. Potentiometrische Sensoren sind in der Regel für den Einsatz in Ex-Bereichen geeignet.Such sensors are often used, in particular potentiometric sensors, in explosion-protected areas (Ex areas). Potentiometric sensors are generally suitable for use in hazardous areas.
Die Auswertung der Messdaten erfolgt häufig jedoch in Rechnereinheiten wie PCs (Personal Computer), die nicht für den Ex-Bereich geeignet sind. Es gibt auch PCs die für den Ex-Bereich geeignet sind, diese sind aber sehr teuer.However, the measurement data is often evaluated in computer units such as PCs (personal computers) that are not suitable for use in hazardous areas. There are also PCs that are suitable for hazardous areas, but they are very expensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einem eigensicheren Sensor und einer nicht eigensicheren Auswerteeinheit anzugeben, das einfach und kostengünstig durchführbar ist.The object of the present invention is therefore to provide a method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe evaluation unit, which can be carried out simply and inexpensively.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebenen Verfahrensschritte.This object is achieved by the process steps specified in the claims.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments shown in the drawing. Show it:
Fig. 1 Rechnereinheit, die mit einem Sensor über eine Schnittstelle Daten austauscht, in schematischer Darstellung;1 computer unit, which exchanges data with a sensor via an interface, in a schematic representation;
Fig. 2 Rechnereinheit, die über ein Einschubmodul mit einem Sensor Daten austauscht, in schematischer Darstellung;2 shows a computer unit, which exchanges data with a sensor via a plug-in module, in a schematic illustration;
Fig. 3 Rechnereinheit, die über ein tragbares Speichermedium Daten mit einem Sensor austauscht, in schematischer Darstellung.Fig. 3 computer unit, which exchanges data with a sensor via a portable storage medium, in a schematic representation.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Sensor handelt es sich um einen Flüssigkeitsoder Gassensor insbesondere einen potentiometrischen Sensor, der aus einem Sensormodul SM und einem Sensormodulkopf besteht. Sensormodul SM und Sensormodulkopf ermöglichen den Daten- und Energieaustausch über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke. Über eine Leitung L1 ist der Sensor S mit einer Kalibriereinheit KA verbunden. Mit Hilfe der Kalibriereinheit KA ist eine Kalibrierung von Sensoren möglich. Neben den Kalibrationsdaten können auch die Messstelienbezeichnung für den Sensor S eingegeben werden und über die Leitung L1 zu einem im Sensormodul SM vorgesehenen Speicher übertragen werden.The sensor shown in FIG. 1 is a liquid or gas sensor, in particular a potentiometric sensor, which consists of a sensor module SM and a sensor module head. Sensor module SM and sensor module head enable data and energy exchange via a galvanically decoupled transmission path. The sensor S is connected to a calibration unit KA via a line L1. With the help of the calibration unit KA, sensors can be calibrated. In addition to the calibration data, the measuring station designation for the sensor S can also be entered and transmitted via line L1 to a memory provided in the sensor module SM.
Die Spannungsversorgung der Kalibriereinheit erfolgt über ein Steckenetzteil SN.The calibration unit is supplied with power via a plug-in power supply SN.
Wie es aus Fig. 1 ersichtlich sind die Kalibriereinheit K und der Sensor S beide für den Ex-Bereich geeignet und damit eigensicher ausgelegt.As can be seen from FIG. 1, the calibration unit K and the sensor S are both suitable for the Ex area and are therefore designed to be intrinsically safe.
Bei der Rechnereinheit PC kann es sich um einen Personal Computer, Notebook oder Laptop handeln. Die Kalibriereinheit K ist über eine Datenleitung D2 in der eine Schnittstelle CDI vorgesehen ist, mit einer Rechnereinheit (Personal Computer) PC verbunden. Die PC-seitige Übertragung erfolgt gemäß dem USB (Universal Serial Bus)- Standard. Die sensorseitige Datenübertragung auf der Datenleitung D2 sowie auf der Leitung L1 erfolgt nach einem propretären Protokoll über eine RS485 Schnittstelle.The computing unit PC can be a personal computer, notebook or laptop. The calibration unit K is connected to a computer unit (personal computer) PC via a data line D2 in which an interface CDI is provided. The PC-side transmission takes place according to the USB (Universal Serial Bus) standard. The sensor-side data transmission on data line D2 and on line L1 is carried out according to a proprietary protocol via an RS485 interface.
Die Datenübertragung zwischen der Rechnereinheit R und dem Sensor S erfolgt wie folgt:The data transmission between the computer unit R and the sensor S takes place as follows:
A. Umwandeln der analogen Messwerte in digitale Messdaten im Sensormodul SM des Sensors S.A. Converting the analog measurement values into digital measurement data in the sensor module SM of the sensor S.
B. Übertragen der digitalen Messdaten zum Sensormodulkopf SMK des Sensors S über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke anschließend werden die Messdaten zur Kalibriereinheit K weiterübertragen.B. Transfer of the digital measurement data to the sensor module head SMK of the sensor S via a galvanically decoupled transmission path, the measurement data are then forwarded to the calibration unit K.
C. Übertragen der Messdaten von der Kalibriereinheit K zur Schnittstelle CDI, die als EX-Barriere dient.C. Transfer of the measurement data from the calibration unit K to the interface CDI, which serves as an EX barrier.
D. Übertragung der Messdaten von der Schnittstelle CDI zur Rechnereinheit R über eine an der Rechnereinheit R vorgesehene Standardschnittstelle (z.B. USB-Schnittstelle).D. Transfer of the measurement data from the interface CDI to the computer unit R via a standard interface provided on the computer unit R (e.g. USB interface).
In Fig. 2 ist eine Verbindung zwischen dem Sensor S und der Rechnereinheit PC über eine PCMCIA- Steckkarte dargestellt. PCMCIA-Steckkarten- Einschubplätze, sind bei heutigen Personal Computern häufig vorgesehen. Der Sensor S ist hier über eine Leitung L1 mit einer Ex-Barriere B und dem PCMCIA- Einschubmodul verbunden. Weiterhin ist die Leitung L1 mit einem Multiplexeinheit MUX verbunden, an die verschiedene weitere Sensoren S1 , S2, S3, S4, S5 angeschlossen sind. Auch hier erfolgt die Datenübertragung über die Leitung L1 nach einem proprietären Protokoll. Wie in Fig. 2 dargestellt, erlaubt die Rechnereinheit PC eine Verbindung mit weiteren Kommunikationsnetzwerken (Internet, Intranet, Firmennetzwerke).2 shows a connection between the sensor S and the computer unit PC via a PCMCIA plug-in card. PCMCIA plug-in card slots are often provided in today's personal computers. The sensor S is connected here via a line L1 to an Ex barrier B and the PCMCIA plug-in module. Furthermore, line L1 is connected to a multiplex unit MUX, to which various other sensors S1, S2, S3, S4, S5 are connected. Here too, data is transmitted via line L1 according to a proprietary protocol. As shown in Fig. 2, the computer unit PC allows a connection to other communication networks (Internet, intranet, company networks).
In Fig. 2 erfolgt der Datentransfer zwischen dem Sensor S bzw. der Sensoren S1 - S5 über die als Einschubmodul für eine Rechnereinheit R ausgelegte PCMCIA- Steckkarte. Die Ex-Barriere kann in einfacher Weise in das Einschubmodul integriert sein. Die galvanische Trennung in der Ex-Barriere B erfolgt in bekannter Weise optisch (mittels Optokoppler) bzw. kapazitiv oder induktiv. Bei dem Einsatz eines Einschubmoduls mit Ex-Barriere können in einfacher Weise Sensoren direkt mit einer Rechnereinheit verbunden werden.2, the data transfer between sensor S or sensors S1-S5 takes place via the PCMCIA plug-in card designed as a plug-in module for a computer unit R. The Ex barrier can be easily integrated into the plug-in module. The galvanic isolation in the Ex-barrier B takes place in a known manner optically (by means of an optocoupler) or capacitively or inductively. When using a plug-in module with Ex barrier, sensors can be connected directly to a computer unit in a simple manner.
Die Datenübertragung zwischen der Rechnereinheit R und dem Sensor S erfolgt wie folgt:The data transmission between the computer unit R and the sensor S takes place as follows:
A. Umwandlung der analogen Messwerte in digitale Messdaten im Sensormodul SM des Sensors S. B. Übertragung der digitalen Messdaten zum Sensormodulkopf SMK des Sensors über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke und weiter zum Einschubmodul PCMCI der Rechnereinheit R, das als Ex-Barriere ausgebildet ist.A. Conversion of the analog measurement values into digital measurement data in the sensor module SM of the sensor S. B. Transmission of the digital measurement data to the sensor module head SMK of the sensor via a galvanically decoupled transmission path and on to the plug-in module PCMCI of the computer unit R, which is designed as an Ex barrier.
In Fig. 3 ist eine weitere Möglichkeit für eine Datenübertragung zwischen einem Sensor S und einer Rechnereinheit R näher dargestellt. In diesem Fall weist die Kalibriereinheit K eine zusätzliche Datenschnittstelle (Feldbus, Netzwerk, 4-20 mA auf). Zusätzlich weist die Kalibriereinheit K einen Anschluss für ein tragbares Speichermedium SP auf. Die Rechnereinheit PC weist ebenfalls eine Anschlussmöglichkeit für das tragbare Speichermedium SP über die Schnittstelle CDI auf, die bereits in Fig. 1 beschrieben ist. Die Datenübertragung zwischen der Rechnereinheit R und dem Sensor S erfolgt wie folgt:3 shows a further possibility for data transmission between a sensor S and a computer unit R. In this case, the calibration unit K has an additional data interface (fieldbus, network, 4-20 mA). In addition, the calibration unit K has a connection for a portable storage medium SP. The computer unit PC also has a connection option for the portable storage medium SP via the interface CDI, which has already been described in FIG. 1. The data transmission between the computer unit R and the sensor S takes place as follows:
A. Umwandlung der analogen Messwerte in digitale Messdaten im Sensormodul SM des Sensors S.A. Conversion of the analog measurement values into digital measurement data in the sensor module SM of the sensor S.
B. Übertragung der digitalen Messdaten zum Sensormodulkopf SMK des Sensors S über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke und weiter zur Kalibriereinheit K.B. Transfer of the digital measurement data to the sensor module head SMK of the sensor S via a galvanically decoupled transmission path and further to the calibration unit K.
C. Abspeichern der Messdaten auf dem von der Kalibriereinheit K trennbaren tragbaren Speichermedium SP.C. Storage of the measurement data on the portable storage medium SP that can be separated from the calibration unit K.
D. Transportieren des Speichermediums SP im abgetrennten Zustand zur Rechnereinheit R.D. Transporting the storage medium SP in the separated state to the computer unit R.
E. Verbinden des Speichermediums SP mit der Rechnereinheit R.E. Connect the storage medium SP to the computer unit R.
F. Übertragung der Messdaten zur Rechnereinheit R über eine an der Rechnereinheit R vorgesehene Standardschnittstelle (z.B. USB-Schnittstelle).F. Transfer of the measurement data to the computer unit R via a standard interface provided on the computer unit R (e.g. USB interface).
Mit den vorgenannten Verfahren ist es möglich Daten zwischen dem eigensicheren Sensor S und der nicht eigensicheren Rechnereinheit R in einfacher Weise auszutauschen. Der Datenaustausch kann in allen beschriebenen Fällen in beiden Richtungen, d.h. vom Sensor S zur Rec nereinheit R bzw. von der Rechnereinheit R zum Sensor S hin erfolgen. In der Rechnereinheit R können unterschiedliche Sensoren und Messstellen verwaltet werden. An der Rechnereinheit R ist eine graphische Darstellung der Historie des Sensors möglich. Ebenfalls kann an der Rechnereinheit R eine Abschätzung der Lebensdauer einer Elektrode eines Sensors S erfolgen. Auch können Kalibrationsdaten eines Sensors S, bei einer Kalibrierung vor Ort, zur Rechnereinheit für die Sensorhistorie, einfach übertragen werden. With the aforementioned methods it is possible to exchange data between the intrinsically safe sensor S and the non-intrinsically safe computer unit R in a simple manner. In all the cases described, data can be exchanged in both directions, ie from sensor S to rec unit R or from computer unit R to sensor S. Different sensors and measuring points can be managed in the computer unit R. A graphic representation of the history of the sensor is possible on the computer unit R. The life of an electrode of a sensor S can also be estimated on the computer unit R. Also calibration data of a sensor S can be easily transferred to the computer unit for the sensor history during a calibration on site.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einem eigensicheren Sensor und einer nicht eigensicheren Rechnereinheit mit folgenden Verfahrensschritten:1. Method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe computer unit with the following method steps:
A. Umwandlung der analogen Messwerte in digitale Messdaten in einem Sensormodul des Sensors. B. Übertragung der digitalen Messdaten zum Sensormodulkopf des Sensors über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke und weiter zu einer Kalibriereinheit.A. Conversion of the analog measurement values into digital measurement data in a sensor module of the sensor. B. Transmission of the digital measurement data to the sensor module head of the sensor via a galvanically decoupled transmission path and further to a calibration unit.
C. Abspeichern der Messdaten auf einem von der Kalibriereinheit trennbaren tragbaren Speichermedium.C. Storage of the measurement data on a portable storage medium that can be separated from the calibration unit.
D. Transportieren des Speichermediums im abgetrennten Zustand zur Rechnereinheit. E. Verbinden des Speichermediums mit der Rechnereinheit.D. Transporting the storage medium to the computer unit in the separated state. E. Connect the storage medium to the computing unit.
E. Übertragung der Messdaten zur Rechnereinheit über eine an der Rechnereinheit vorgesehene Standardschnittstelle.E. Transmission of the measurement data to the computer unit via a standard interface provided on the computer unit.
2. Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einem eigensicheren Sensor und einer nicht eigensicheren Rechnereinheit mit folgenden Verfahrensschritten:2. Method for secure data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe computer unit with the following method steps:
A. Umwandlung der analogen Messwerte in digitale Messdaten in einem Sensormodul des Sensors.A. Conversion of the analog measurement values into digital measurement data in a sensor module of the sensor.
B. Übertragung der digitalen Messdaten zum Sensormodulkopf des Sensors über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke und weiter zu einer Kalibriereinheit.B. Transfer of the digital measurement data to the sensor module head the sensor via a galvanically decoupled transmission path and on to a calibration unit.
C. Übertragung der Messdaten von der Kalibriereinheit zu einer Schnittstelle CDI, die als EX-Barriere ausgebildet ist.C. Transfer of the measurement data from the calibration unit to an interface CDI, which is designed as an EX barrier.
D. Übertragung der Messdaten von der Schnittstelle CDI zur Rechnereinheit über eine an der Rechnereinheit vorgesehene Standardschnittstelle.D. Transfer of the measurement data from the interface CDI to the computer unit via a standard interface provided on the computer unit.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardschnittstelle an der Rechnereinheit eine USB-Schnittstelle ist.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the standard interface on the computer unit is a USB interface.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung zwischen Sensor und der Kalibriereinheit mit einem proprietären Protokoll nach dem RS485-Standard erfolgt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the data transmission between the sensor and the calibration unit is carried out with a proprietary protocol according to the RS485 standard.
5. Verfahren zur sicheren Datenübertragung zwischen einem eigensicheren Sensor und einer nicht eigensicheren Rechnereinheit mit folgenden Verfahrensschritten: A. Umwandlung der analogen Messwerte in digitale Messdaten in einem Sensormodul des Sensors.5. Process for the safe data transmission between an intrinsically safe sensor and a non-intrinsically safe computer unit with the following process steps: A. Conversion of the analog measurement values into digital measurement data in a sensor module of the sensor.
B. Übertragung der digitalen Messdaten zum Sensormodulkopf des Sensors über eine galvanisch entkoppelte Übertragungsstrecke und weiter zu einem Einschubmodul der Rechnereinheit, das als Ex-Barriere ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschubmodul eine PCMCIA-Steckkarte ist. B. Transfer of the digital measurement data to the sensor module head of the sensor via a galvanically decoupled transmission path and further to an insertion module of the computer unit, which is designed as an Ex barrier. A method according to claim 6, characterized in that the plug-in module is a PCMCIA plug-in card.
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