EP4630760A1 - Verfahren zur überprüfung eines feldgeräts der automatisierungstechnik während des betriebs, sowie entsprechendes feldgerät - Google Patents

Verfahren zur überprüfung eines feldgeräts der automatisierungstechnik während des betriebs, sowie entsprechendes feldgerät

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Publication number
EP4630760A1
EP4630760A1 EP23813296.3A EP23813296A EP4630760A1 EP 4630760 A1 EP4630760 A1 EP 4630760A1 EP 23813296 A EP23813296 A EP 23813296A EP 4630760 A1 EP4630760 A1 EP 4630760A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
preproc
preprocessing block
data
preprocessing
output signals
Prior art date
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Pending
Application number
EP23813296.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Koch
Robert Lalla
Christoph Meyer
Dieter Schweizer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP4630760A1 publication Critical patent/EP4630760A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/08—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for safeguarding the apparatus, e.g. against abnormal operation, against breakdown
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/8431—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details electronic circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2218/00—Indexing scheme relating to details of testing or calibration
    • G01D2218/10—Testing of sensors or measuring arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for online testing of a field device in automation technology.
  • online testing of the field device means testing without interrupting the normal measurement or control operation of the field device. Neither the acquisition of the measurement or control data nor the processing or preparation of the measurement signals is interrupted.
  • field devices A wide variety of field devices have become known from the state of the art and are used in industrial automation systems - both in process automation and in production automation.
  • field devices are all devices that are used close to the process and that provide and/or process process-relevant information.
  • field devices record and/or influence physical, chemical or biological process variables of at least one process medium.
  • Measuring devices consisting of at least one sensor unit - also known as a measuring sensor - and a measuring transducer unit are used to record the process variables of a medium.
  • Each sensor unit delivers analogue measured values, which are usually digitally processed in one or more measuring channels of the measuring transducer unit.
  • So-called raw measured values are available at the output of the measuring channels, which are further processed by a computing unit to create the actual process variable.
  • the measuring devices are measuring devices for measuring pressure and temperature, conductivity, flow, pH value or level
  • the measuring device delivers information about the determined process variables: pressure, temperature, conductivity, flow, pH value or level of a medium in a container.
  • a large number of such measuring devices are developed, manufactured and sold by the Endress+Hauser Group.
  • Actuators such as pumps or valves are used to influence process variables, for example to control or monitor the flow of a liquid in a pipeline or the fill level in a container.
  • a variant of a Coriolis flowmeter - or more precisely - a variant of the sensor unit of a Coriolis flowmeter is described in more detail in Fig. 1.
  • a flowmeter based on the ultrasonic transit time principle is described, for example, in the international patent application WO 2014/001027 A1.
  • a flowmeter that works according to the thermal measuring method is shown, for example, in the international patent application WO 2014139786 A1.
  • Measuring devices based on the vortex measuring principle and the magnetic-inductive measuring principle are also well known from the state of the art in a wide variety of designs.
  • the section of pipe in which the flow is to be determined can be a closed pipe, a section of an open pipe or a body of water. All flowable media can be used as process media.
  • Measuring devices are often used in safety-critical applications, which requires that both the hardware and software components work correctly and without errors.
  • the functionality of the measuring device must be subjected to constant monitoring with regard to both analog and digital signal processing. For example, diagnostic measures are carried out to detect random hardware defects.
  • diagnostic measures are carried out to detect random hardware defects.
  • the measuring or control operation of a field device especially in a safety-critical application, must not be interrupted during the check. But this constant checking of the analog or digital signal paths is not only required in safety-critical applications. Rather, users generally expect that the installed base of field devices in their automation system works correctly and that malfunctions, especially in the process of occurring, are detected and rectified promptly. This is the only way to effectively prevent the failure of a field device and any resulting downtime of the automation system.
  • Another known testing method involves feeding a test pattern to the measurement channel to be tested via a multiplexer. This method can be used to check the correct function of the digital preprocessing blocks of the measurement channels with bit or clock precision.
  • the disadvantage of this method is that the signal paths must be interrupted during the test. This is
  • the invention is based on the object of providing a method for highly accurate online testing of at least one digital measuring channel of a field device in automation technology.
  • the object is achieved by a method for (online) checking a field device for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium, wherein the field device has a sensor unit and a control/evaluation unit with a first measuring channel formed by means of a, in particular configurable, first preprocessing block, with a second measuring channel formed by means of a, in particular configurable, second preprocessing block and with a verification channel formed by means of a configurable (verifying) third preprocessing block, in which method: the sensor unit generates a first sensor signal dependent on the at least one process variable and the first sensor signal is transmitted to the first measuring channel and simultaneously therewith the sensor unit generates a second sensor signal dependent on the at least one process variable and the second sensor signal is transmitted to the second measuring channel; wherein the first sensor signal in the first measuring channel is converted into a first digitized sensor signal and the first digitized sensor signal is transmitted to the first preprocessing block and simultaneously the second sensor signal in the second measuring channel is converted into a second digitized sensor signal
  • the field device can also be an actuator.
  • online checking of the field device in connection with the invention means that the check is carried out during the regular measuring operation of the field device: The regular measuring operation is neither interrupted nor disturbed by the check. Due to the precise clock synchronization of the output signals of the verifying preprocessing block and the preprocessing block being checked, the output signals of the verification channel can be checked with bit accuracy with each of the preprocessing blocks in the x measuring channels (with x > 1).
  • an error message is generated if the output signals of the first preprocessing block or the output signals of the second preprocessing block and the output signals of the (verifying) third preprocessing block exhibit a deviation.
  • an error message is only output if the deviation manifests itself in at least two consecutive measuring cycles.
  • the online checking of the at least two measuring channels is carried out cyclically or acyclically.
  • a further development of the method according to the invention proposes that the following method steps are carried out for the purpose of clock-accurate synchronization of the output signals of the (verifying) third preprocessing block with the output signals of the preprocessing block to be checked: the preprocessing block of a measuring channel to be checked continuously provides output signals at a defined time interval and signals the provision of the output signal with a ready pulse, after the verifying preprocessing block is configured identically to the preprocessing block to be checked, the synchronization unit receives a command pulse from the control/evaluation unit at any time, upon receipt of the following ready pulse from the preprocessing block to be checked, the synchronization unit sends a reset pulse (r) to the (verifying) third preprocessing block after a defined waiting time (T), the waiting time (T) being dimensioned such that the output signals of the (verifying) third preprocessing block and the output signals of the preprocessing block to be checked are clock-accurately synchronized.
  • T n - (m mod n), where m indicates a time period that is known for the preprocessing block to be checked and consequently for the (verifying) third preprocessing block - as a result of the identical calibration. m does not necessarily have to be >n, but usually will be. The number m indicates how many time units/cycles the processing block needs after a reset until the first valid result value is available. This is due to the settling time of the preprocessing block after a reset. In a typical/real version, m is 3*n+7, ie 3 processing cycles including settling time, plus a total of ? time units/cycles overhead to complete the reset process and generate a ready pulse.
  • the invention further consists in a field device of automation technology, for example a Coriolis flow meter, set up to carry out one of the methods according to the invention, wherein an A/D converter is provided in each of the first and second measuring channels, which is followed by the respective preprocessing block, wherein a switching element is provided via which the digital output signals of the A/D converters can be switched, for example successively, to the input of the (verifying) third preprocessing block for the predetermined (first or second) period of time, wherein a synchronization unit is provided which is set up to control the (verifying) third preprocessing block in such a way that the output signals of the (verifying) third preprocessing block and the output signals of the preprocessing block to be checked are synchronized, in particular with precise timing, and wherein the control/evaluation unit is set up to determine, based on a comparison of the synchronized output signals of the preprocessing block to be checked and the (verifying) third preprocessing block, whether the preprocessing block being
  • the third pre-processing block is (re-)configurable.
  • the third pre-processing block is the same, for example identically configured, as the first pre-processing block during the first period of time, for example not identically configured as the second pre-processing block and/or that the third Preprocessing block is configured the same, for example identically, as the second preprocessing block during the second time period, for example not identically configured as the first preprocessing block.
  • the first preprocessing block and/or the second preprocessing block can also be (re-)configurable, for example.
  • the measuring channels are constructed identically in terms of hardware.
  • the preprocessing blocks of the measuring channels and the verifying preprocessing block can be constructed identically in terms of hardware.
  • the A/D converters in the first measuring channel and in at least one further measuring channel are sigma-delta converters.
  • the following embodiments of the field device according to the invention relate to the preprocessing blocks. These can be designed in such a way that they provide low-pass filtered digital signals of the analog sensor signals of the measuring sensor as output signals. Alternatively, they provide digital signals as output signals that correspond to statistical parameters, such as min/max values or standard deviations, of the analog sensor signals. According to a third variant, the preprocessing blocks are designed in such a way that they provide digital signals as output signals that represent components of the analog sensor signals separated by frequency.
  • Fig. 1 a longitudinal section through a Coriolis flowmeter with a straight measuring tube, as known from the prior art
  • Fig. 2 a block diagram of an embodiment of the components relating to the invention of a measuring transducer unit of a measuring device with x measuring channels,
  • Fig. 3 a flow chart illustrating an embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 4 a representation of the signal curves for the purpose of accurate synchronization of the output signals of the verifying preprocessing block and the preprocessing block to be verified.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a Coriolis flowmeter 1 with a sensor unit or a measuring sensor 10 and a control/evaluation unit or a measuring transducer unit 11 in a schematic representation.
  • the housing with the control/evaluation unit 11 can be attached to the sensor unit 10 - as shown here - but it can also be arranged separately from the sensor unit 10.
  • the sensor unit 10 is mounted via flanges 3a, 3b in a pipeline (not shown separately).
  • the pipeline as well as the aligned measuring tube 2 are flowed through by a fluid medium F, the mass flow of which is to be determined.
  • the flow direction of the fluid medium F is indicated by the arrow.
  • the measuring tube 2 is designed as a straight measuring tube 2, which is fixed on the inlet and outlet sides via an end plate 4a, 4b to the flange 3a or to the flange 3b.
  • the flanges 3a, 3b and the end plates 4a, 4b are fastened to or in a support tube 5.
  • a large number of other designs of Coriolis flow meters with at least one measuring tube are known from the prior art.
  • measuring sensors with a measuring tube with cantilever mass as described in EP 97 81 0559, measuring sensors with a curved measuring tube (EP 96 10 9242), measuring sensors with two parallel straight or curved measuring tubes (US 4793191 or US 41 27 028) or measuring sensors with four curved measuring tubes.
  • the measuring tube 2 is set into bending vibrations by a centrally arranged vibration exciter 6. These bending vibrations occur in the plane of the drawing.
  • the vibration exciter 6 can be, for example, an electromagnetic drive consisting of a permanent magnet 7 and a coil 8.
  • the coil 8 is fixed to the support tube 5 and the permanent magnet 7 to the measuring tube 2.
  • the amplitude and frequency of the bending vibrations of the measuring tube 2 can be controlled via the current flowing in the coil 8.
  • the Coriolis forces acting on the flowing medium in the plane of the drawing cause a phase shift in the vibrations of the measuring tube that depends on the mass flow and is measured using the two vibration sensors 9a, 9b.
  • the two vibration sensors 9a, 9b are also arranged on the support tube 5, symmetrical to the vibration exciter 6.
  • the vibration sensors 9a, 9b can be, for example, electromagnetic transducers, each consisting of a permanent magnet 12a, 12b and a coil 13a, 13b, the arrangement of which can be constructed in a similar way to the permanent magnet-coil arrangement of the vibration exciter 6:
  • the two permanent magnets 12a, 12b are fixed to the measuring tube 2 and the two coils 13a, 13b to the support tube 5.
  • the oscillating movement of the measuring tube 2 causes an induction voltage in the corresponding coil 13a, 13b via the permanent magnet 12a, 12b.
  • the signals output by the measuring sensor 10 are analog sensor signals that are fed to the measuring channels of the control/evaluation unit 11.
  • at least one temperature sensor is also provided, which Measures the temperature of the flowing medium F.
  • the temperature sensor is not shown separately in the figures.
  • Fig. 2 shows a block diagram of an embodiment of a measuring transducer unit 11 of a field device 1 with x measuring channels MKx, which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the method according to the invention is designed in such a way that it checks the digital measuring channels MKx for their functionality online - i.e. without interrupting the provision of the measured values MW.
  • X analog measurement signals Sx are tapped from a measuring device 1 (not shown and specified separately in Fig. 1) and preprocessed in x associated measuring channels MKx.
  • the number of measuring channels MKx is equal to or greater than two (x > 2).
  • two analog measurement signals S1, S2 are supplied by the vibration sensors 9a, 9b of the Coriolis flow meter 1 shown in Fig. 1.
  • an analog temperature measurement signal S3 is also provided by a temperature sensor (not shown separately), which is fed to a third measuring channel MK3.
  • Each of the measuring channels MKx contains an AD converter, here a sigma-delta converter SDM, which generates a continuous digital data stream Bitstr x from the analog measuring signal Sx.
  • the data stream Bitstr x is fed to a configurable preprocessing block Preproc x.
  • Preproc x At the output of each of the (individually) configurable preprocessing blocks Preproc x, raw measuring signals or output signals DATA x are made available at equidistant time intervals, which are passed on to the microcontroller pC for further processing.
  • the microcontroller pC is part of the control-evaluation unit 11 and continuously determines measured values MW from the digital raw measuring signals DATA x of the individual measuring channels MKx - usually at defined time intervals or with a clock rate n - which represent the process variable of the medium F to be determined.
  • a verification channel VK with a configurable verification block Preproc V is provided.
  • a synchronization unit SYNC and a delay unit Delay are assigned to the verification block Preproc V.
  • the verification block Preproc V it is checked at predetermined or predeterminable time intervals, namely during a predetermined first time period for the first measuring channel MK1 or during a predetermined first time period for the first measuring channel MK2, whether each of the x preprocessing blocks Preproc x (possibly configured individually or in a manner different from at least one of the other preprocessing blocks Preproc) in the measuring channels MKx is working correctly.
  • the data stream Bitstr x of the (currently) to be verified measuring channel MKx is switched in parallel to the verification channel VK.
  • the verification can be carried out as follows:
  • the verification block Preproc V is configured in the same way, for example identically, as the preprocessing block Preproc x to be verified; the data stream Bitstr x of the measuring channel MKx to be verified is switched in parallel to the input of the verification block Preproc V - in Fig. 2 this is the measuring channel MKx;
  • the verification block Preproc V is initialized and started using a synchronization function;
  • the output signals DATA x or DATA V of the measuring channel MKx to be verified and the verification channel VK, which are synchronized, for example with precise timing, are examined for similarity or deviations, with a deviation being evaluated as a malfunction of the preprocessing block Preproc x being checked.
  • Any malfunction detected can be signaled to the operating personnel of the automation system via the microcontroller pC.
  • the clock signal Clkx is used to operate the sigma-delta converter SDMx. With each period of the clock signal Clkx, the sigma-delta converter SDMx supplies new data/bits bitstr x to the preprocessing block Preproc x.
  • the Ready signal at the output of the processing block Preproc x only appears every "n" periods of the respective clock signal Clkx.
  • the frequency of the clock signal Clkx and the factor "n" can be the same or different for the measuring channels MKx.
  • the flow chart shown in Fig. 3 describes the method steps that are carried out according to a further embodiment of the method according to the invention for (online) checking one of the measuring channels MKx, e.g. the measuring channel MK2.
  • the checking of the individual measuring channels MKx is preferably carried out cyclically.
  • a test is carried out at point 21 to determine whether the specified time period or verification interval for checking the previously checked measuring channel MK, e.g. MK1, has expired. This test is carried out successively until the verification interval for checking the previously checked measuring channel MK 1 has ended. As soon as the verification interval of the previously checked measuring channel MK1 has ended, the verification channel VK or the verification block Preproc V is configured at point 22 identically to the measuring channel MK 2 to be checked next.
  • the data stream Bitstr 2 of the measuring channel MK2 to be checked is connected in parallel to the verification channel VK; the output signals DATA 2 of the preprocessing block Preproc 2 and the output signals DATA V of the (verifying) third preprocessing block Preproc V are synchronized and the verification channel MK V is started.
  • the system waits until the verification channel MK V delivers a result DATA V.
  • the output signals DATA 2 of the checked measuring channel MK 2 are compared with the clock-accurate output signals DATA V of the verification channel MK V with bit accuracy. If the two output signals DATA 2 and DATA V are identical, the process steps in points 21 to 26 are repeated successively for the measuring channel MKx to be checked next. If a deviation occurs when checking one of the measuring channels MKx, the process steps described in points 21 to 26 are repeated at least once. If the check shows that the deviation is a recurring one, an error message is generated and output at point 28.
  • Fig. 4 a-g shows a representation of the signal curves for the purpose of accurate synchronization of the output signals DATA x of the preprocessing block Preproc x currently to be checked in the measuring channel MKx and of the (verifying) third preprocessing block Preproc V in the verification channel MK V.
  • the preprocessing block Preproc x to be verified in the measuring channel MKx continuously provides output signals DATA x at a defined time interval n.
  • the clocked provision of the output signals DATA x is signaled to the microcontroller pC by a ready pulse Rdy x (Fig. 4c).
  • the ready pulse Rdy x which is sent to the control/evaluation unit 11 or to the microcontroller pC, is also shown in Fig. 2.
  • the verifying preprocessing block Preproc V is configured identically to the preprocessing block Preproc x to be checked, the synchronization unit Sync (see Fig.
  • the time period t is random and depends on when the control-evaluation unit or the microcontroller pC sends the command pulse k. In order to be deterministic, the system waits for the next Rdy n pulse and only then can T be calculated.
  • the output signals DATA V of the (verifying) third preprocessing block Preproc V and the output signals DATA x of the preprocessing block Preproc x to be checked are synchronized with clock precision.
  • the control/evaluation unit 11 or the microcontroller pC now compares the output signals DATA V of the (verifying) third preprocessing block Preproc V and the output signals DATA x of the preprocessing block Preproc x to be checked with bit precision with regard to possible deviations.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Online-Überprüfung eines Feldgeräts (1) der Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät (1) eine Sensoreinheit (10) und eine Regel-/Auswerteeinheit (11) aufweist und wobei das Feldgerät (1) zumindest eine Prozessgröße eines Mediums anhand von zumindest zwei Sensorsignalen (Sn) bestimmt oder überwacht, wobei das Sensorsignal (S1) in einen Messkanal (MK1) zu einem konfigurierbaren Vorverarbeitungsblock (Preproc 1) übertragen wird, wobei das Sensorsignal (S2) in einem Messkanal (MK 2) zu einem konfigurierbaren Vorverarbeitungsblock (Preproc 2) übertragen wird, wobei das Sensorsignal (S1) und das Sensorsignal (S2) sukzessive für eine vorgegebene Zeitdauer auf einen Verifikationskanal (VK) mit einem konfigurierbaren (verifizierenden) Vorverarbeitungsblock (Preproc V) parallelgeschaltet werden, wobei der (verifizierenden) Vorverarbeitungsblock (Preproc V) während der Zeitdauer der parallelen Aufschaltung des digitalisierten Sensorsignals (S1) identisch konfiguriert ist wie der Vorverarbeitungsblock (Preproc 1), wobei der (verifizierenden) Vorverarbeitungsblock (Preproc V) während der Zeitdauer der parallelen Aufschaltung des digitalisierten Sensorsignals (S2) identisch konfiguriert ist wie der Vorverarbeitungsblock (Preproc 2), und wobei die Ausgangssignale (DATA V) des Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) sukzessive mit den Ausgangssignalen (DATA 1) des Vorverarbeitungsblocks (Preproc 1) und den Ausgangssignalen (DATA 2) des Vorverarbeitungsblocks (Preproc 2) taktgenau synchronisiert und bitgenau verglichen werden.

Description

VERFAHREN ZUR ÜBERPRÜFUNG EINES FELDGERÄTS DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK WÄHREND DES BETRIEBS, SOWIE ENTSPRECHENDES FELDGERÄT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Online-Überprüfung eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik. Unter Online-Überprüfung des Feldgeräts wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Überprüfung ohne Unterbrechung des normalen Mess- oder Stellbetriebs des Feldgeräts verstanden. Es wird weder die Erfassung der Mess- oder Stelldaten noch die Verarbeitung bzw. Aufbereitung der Messsignale unterbrochen.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen der Automatisierungstechnik zum Einsatz kommen - und zwar sowohl in der Prozessautomatisierung als auch in der Fertigungsautomatisierung. Als Feldgeräte werden im Zusammenhang mit der Erfindung alle Geräte angesehen, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Information liefern und/oder verarbeiten. Feldgeräte erfassen und/oder beeinflussen - je nach Einsatzbereich - physikalische, chemische oder biologische Prozessgrößen von zumindest einem Prozessmedium.
Zur Erfassung von Prozessgrößen eines Mediums dienen Messgeräte, die aus zumindest einer Sensoreinheit - auch als Messaufnehmer bezeichnet - und einer Messumformereinheit bestehen. Jede Sensoreinheit liefert analoge Messwerte, die üblicherweise in einem oder mehreren Messkanälen der Messumformereinheit digital aufbereitet werden. Üblicherweise wird in diesem Zusammenhang von der Vorverarbeitung der Messwerte gesprochen. Am Ausgang der Messkanäle stehen sog. Rohmesswerte zur Verfügung, die von einer Recheneinheit zur eigentlichen Prozessgröße weiterverarbeitet werden. Wenn es sich beispielsweise bei den Messgeräten um Messgeräte zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, pH- Wert- oder Füllstandmessung handelt, so liefert das Messgerät Information über die ermittelten Prozessgrößen: Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, Durchfluss, pH-Wert oder Füllstand eines in einem Behältnis befindlichen Mediums. Eine Vielzahl solcher Messgeräte wird von der Endress+Hauser- Gruppe entwickelt, hergestellt und vertrieben.
Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren wie Pumpen oder Ventile verwendet, über die beispielsweise der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand in einem Behälter geregelt oder überwacht wird.
Ohne den Fokus des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der entsprechenden Vorrichtung zu beschränken, wird nachfolgend auf den Stand der Technik im Bereich der Messgeräte, insbesondere der Durchflussgeräte Bezug genommen. Die Durchflussmessung von fließenden Medien beruht auf unterschiedlichen Messprinzipen, wobei die Wahl des letztendlich genutzten Messgeräts bzw. Messprinzips oftmals von der jeweiligen Anwendung abhängig ist. Endress+Hauser bietet Durchflussmessgeräte an, die auf fünf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen und entweder den Massedurchfluss oder den Volumendurchfluss eines Mediums bestimmen. Coriolis-Durchflussmessgeräte sind in der Lage, hochgenau den Massedurchfluss eines Mediums durch eine Rohrleitung zu bestimmen. Alternativ oder additiv liefern sie Information über die Dichte oder die Viskosität des strömenden Mediums. Eine Variante eines Coriolis- Durchflussmessgeräts - bzw. genauer - eine Variante der Sensoreinheit eines Coriolis- Durchflussmessgeräts wird in Fig. 1 näher beschrieben. Ein auf dem Ultraschall-Laufzeit-Prinzip basiertes Durchflussmessgerät ist beispielsweise in der Internationalen Patentanmeldung WO 2014/001027 A1 beschrieben. Ein nach dem thermischen Messverfahren arbeitendes Durchflussmessgerät zeigt z.B. die Internationale Patentanmeldung WO 2014139786 A1 . Auf dem Vortex-Messprinzip und dem Magnetisch-Induktiven Messprinzip basierte Messgeräte sind gleichfalls aus dem Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausführungen hinlänglich bekannt geworden.
Je nach Ausgestaltung der Automatisierungsanlage oder je nach Einsatzort kann es sich bei dem Leitungsabschnitt, in dem der Durchfluss zu bestimmen ist, um eine geschlossene Rohrleitung, einen Abschnitt einer offenen Leitung oder um ein Gewässer handeln. Als Prozessmedien kommen alle fließfähigen Medien in Frage.
Messgeräte werden vielfach in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt, was erfordert, dass sowohl die Hardware- als auch die Software-Komponenten korrekt und fehlerfrei arbeiten. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss die Funktionsfähigkeit des Messgeräts hinsichtlich der analogen als auch der digitalen Signalverarbeitung einer steten Kontrolle unterzogen werden. Beispielsweise werden Diagnose-Maßnahmen durchgeführt, über die zufällige Hardware-Defekte erkannt werden. Es versteht sich von selbst, dass der Mess- oder Stellbetrieb eines Feldgeräts, insbesondere in einer sicherheitskritischen Anwendung, während der Überprüfung nicht unterbrochen werden darf. Aber nicht nur in sicherheitskritischen Anwendungen wird diese ständige Überprüfung der analogen oder digitalen Signalpfade gefordert. Vielmehr erwarten Anwender generell, dass die installierte Basis von Feldgeräten in ihrer Automatisierungsanlage korrekt arbeitet und dass Fehlfunktionen, insbesondere im Entstehungsprozess, zeitnah erkannt und behoben werden. Nur so lässt sich der Ausfall eines Feldgeräts und ggf. ein dadurch bedingter Stillstand der Automatisierungsanlage effektiv verhindern.
Aus der DE 10 2005 025 354 A1 ist ein Coriolis-Durchflussmessgerät bekannt geworden, bei dem zwecks Funktionsüberprüfung analoge Messsignale mit einem Hilfssignal bekannter Frequenz und Kurvenform überlagert werden. Das Hilfssignal wird anschließend in der digitalen Verarbeitung wieder vollständig von den eigentlichen Messsignalen separiert und zur Plausibilitätsprüfung für die korrekte Funktion der Messkanäle herangezogen. Für eine hochgenaue - also bit- und/oder taktgenaue - Überprüfung des Digitalteils eines Messkanals ist das bekannte Überprüfungsverfahren nicht ausgelegt.
Weiterhin ist es bekannt geworden, die Vorverarbeitungsblöcke eines jeden Messkanals redundant
- also doppelt - auszulegen. Diese Überprüfungsmethode erfordert eine Verdopplung des digitalen Schaltungsaufwands, was auch einen erhöhten Energieverbrauch mit sich bringt.
Bei einerweiteren bekannten Überprüfungsmethode wird ein Testmuster per Multiplexer auf den zu überprüfenden Messkanal eingespeist. Mit dieser Methode lässt sich die korrekte Funktion der digitalen Vorverarbeitungsblöcke der Messkanäle bit- bzw. taktgenau checken. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass die Signalpfade während der Überprüfung unterbrochen werden müssen. Dies ist
- wie bereits zuvor erwähnt - in vielen Anwendungsfällen nicht akzeptabel. Beispielsweise führt bereits eine kurzzeitige Unterbrechung bei einem Coriolis-Durchflussmessgerät zu einer Störung der Frequenz- und Amplitudenregelung und folglich auch zu einer Störung beim Zur-Verfügung-Stellen der Messwerte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hochgenauen Online-Überprüfung von zumindest einem digitalen Messkanal eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur (Online-)Überprüfung eines Feldgeräts zum Bestimmen und/oder Überwachen wenigstens einer Prozessgröße eines Mediums, wobei das Feldgerät eine Sensoreinheit und eine Regel-ZAuswerteeinheit mit einem mittels eines, insb. konfigurierbaren, ersten Vorverarbeitungsblocks gebildeten ersten Messkanal, mit einem mittels eines, insb. konfigurierbaren, zweiten Vorverarbeitungsblocks gebildeten zweiten Messkanal und mit einem mittels eines konfigurierbaren (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks gebildeten Verifikationskanal aufweist, bei welchem Verfahren: die Sensoreinheit ein von der wenigstens einen Prozessgröße abhängiges erstes Sensorsignal erzeugt und das erste Sensorsignal an den ersten Messkanal übertragen wird und simultan dazu die Sensoreinheit ein von der wenigstens einen Prozessgröße abhängiges zweites Sensorsignal erzeugt und das zweite Sensorsignal an den zweiten Messkanal übertragen wird; wobei das erste Sensorsignal im ersten Messkanal in ein erstes digitalisiertes Sensorsignal gewandelt und das erste digitalisierte Sensorsignal zum ersten Vorverarbeitungsblock übertragen wird und simultan dazu das zweite Sensorsignal im zweiten Messkanal in ein zweites digitalisiertes Sensorsignal gewandelt und das zweite digitalisierte Sensorsignal gewandelt zum zweiten Vorverarbeitungsblock übertragen wird; wobei das erste digitalisierte Sensorsignal für eine vorgegebene (erste)
Zeitdauer - beispielsweise nämlich einer Zeitdauer, während der der dritte Vorverarbeitungsblock identisch konfiguriert ist wie der erste Vorverarbeitungsblock - zum Verifikationskanal übertragen und in ein vom ersten digitalisierten Sensorsignal abhängiges (digitales) Ausgangssignal des dritten Vorverarbeitungsblocks gewandelt wird und nämliches Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal des ersten Vorverarbeitungsblocks, beispielsweise bitgenau, verglichen wird, beispielsweise nämlich taktgenau synchronisiert und bitgenau verglichen wird; und wobei das zweite digitalisierte Sensorsignal für eine vorgegebene (zweite) Zeitdauer - beispielsweise nämlich einer Zeitdauer, während der der Vorverarbeitungsblock identisch konfiguriert ist wie der zweite Vorverarbeitungsblock - zum Verifikationskanal übertragen und in ein vom zweiten digitalisierten Sensorsignal abhängiges (digitales) Ausgangssignal des dritten Vorverarbeitungsblocks gewandelt wird und nämliches Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal des zweiten Vorverarbeitungsblocks, beispielsweise bitgenau bzw. bitweise, verglichen wird, beispielsweise nämlich taktgenau synchronisiert und bitgenau verglichen wird.
Alternativ oder in Ergänzung wird die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Online- Überprüfung eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät eine Sensoreinheit und eine Regel-ZAuswerteeinheit aufweist und wobei das Feldgerät zumindest eine Prozessgröße eines Mediums anhand von zumindest zwei Sensorsignalen bestimmt oder überwacht, wobei das erste Sensorsignal in einen ersten Messkanal zu einem konfigurierbaren ersten Vorverarbeitungsblock übertragen wird, wobei das zweite Sensorsignal in einem zweiten Messkanal zu einem konfigurierbaren zweiten Vorverarbeitungsblock übertragen wird, wobei das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal sukzessive für eine vorgegebene Zeitdauer auf einen Verifikationskanal mit einem konfigurierbaren (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock parallelgeschaltet werden, wobei der (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock während der Zeitdauer der parallelen Aufschaltung des ersten digitalen Sensorsignals identisch konfiguriert ist wie der erste Vorverarbeitungsblock, wobei der (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock während der Zeitdauer der parallelen Aufschaltung des zweiten digitalen Sensorsignals identisch konfiguriert ist wie der zweite Vorverarbeitungsblock, und wobei die Ausgangssignale des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks sukzessive mit den Ausgangssignalen des ersten Vorverarbeitungsblocks und den Ausgangssignalen des zweiten Vorverarbeitungsblocks mittels einer Synchronisationseinheit taktgenau synchronisiert und bitgenau verglichen werden. Wie bereits gesagt, kann es sich bei dem Feldgerät auch um einen Aktor handeln. Der Begriff “Online Überprüfung des Feldgeräts“ bedeutet in Verbindung mit der Erfindung, dass die Überprüfung während des regulären Messbetriebs des Feldgeräts durchgeführt wird: Der reguläre Messbetrieb wird durch die Überprüfung weder unterbrochen noch gestört. Aufgrund der taktgenauen Synchronisation der Ausgangssignale von verifizierendem Vorverarbeitungsblocks und jeweils überprüftem Vorverarbeitungsblock lassen sich die Ausgangssignale des Verifikationskanals mit jedem der Vorverarbeitungsblöcke in den x Messkanälen (mit x > 1) bitgenau überprüfen.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Fehlermeldung generiert wird, wenn die Ausgangssignale des ersten Vorverarbeitungsblocks oder die Ausgangssignale des zweiten Vorverarbeitungsblocks und die Ausgangssignale des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks eine Abweichung aufweisen. Bevorzugt wird eine Fehlermeldung erst dann ausgegeben, wenn sich die Abweichung in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Messzyklen manifestiert.
Weiterhin ist in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Online- Überprüfung der zumindest zwei Messkanäle zyklisch oder azyklisch durchgeführt wird.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass zwecks taktgenauer Synchronisation der Ausgangssignale des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks mit den Ausgangssignalen des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: der zu überprüfende Vorverarbeitungsblock eines Messkanals stellt fortlaufend Ausgangssignale in einem definierten Zeitabstand bereit und signalisiert die Bereitstellung der Ausgangssignals jeweils mit einem Ready-Impuls, nachdem der verifizierende Vorverarbeitungsblock identisch konfiguriert ist wie der zu überprüfende Vorverarbeitungsblock, erhält die Synchronisationseinheit zu einem beliebigen Zeitpunkt von der Regel-ZAuswerteeinheit einen Kommando-Impuls, mit Zugang des folgenden Ready-Impulses des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks schickt die Synchronisationseinheit nach einer definierten Wartezeit (T) einen Reset-Impuls (r) an den (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock, wobei die Wartezeit (T) SO bemessen ist, dass die Ausgangssignale des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks und die Ausgangssignale des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks taktgenau synchronisiert sind.
Als vorteilhaft wird es in Verbindung mit der Erfindung angesehen, wenn die Wartezeit T über folgende Gleichung ermittelt wird:
T = n - (m mod n), wobei m eine Zeitdauer angibt, die für den zu überprüfenden Vorverarbeitungsblock und folglich für den (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock - infolge der identischen Kalibrierung - bekannt ist. m muss nicht zwingend >n sein, wird es aber in der Regel sein. Die Zahl m gibt an, wie viele Zeiteinheiten/Takte der Verarbeitungsblock nach einem Reset braucht, bis der erste gültige Ergebniswert bereitsteht. Dies ist bedingt durch die Einschwingzeit des Vorverarbeitungsblocks nach einem Reset. In einer typischen/realen Ausprägung beträgt m z.B. 3*n+7, d.h. 3 Verarbeitungszyklen inkl Einschwingzeit, plus insgesamt ? Zeiteinheiten/Takte Overhead zum Abschluss des Reset-Vorgangs und zur Erzeugung eines Ready-Pulses.
Beispielsweise werden von dem Feldgerät zur Bestimmung oder Überwachung der Prozessgröße eines Mediums zumindest zwei analoge Sensorsignale erzeugt, die in den zugehörigen Messkanälen digitalisiert und vorverarbeitet werden. Bei dem Feldgerät kann es sich z.B. um ein Coriolis-Durchflussmessgerät handeln, das den Massefluss, die Dichte und/oder die Viskosität eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums bestimmt. Der Massedurchfluss lässt sich anhand der Phasendifferenz, die zwischen dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal auftritt, unterbrechungsfrei bestimmen oder überwachen.
Darüberhinaus besteht die Erfindung ferner in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik, beispielsweise einem ein Coriolis-Durchflussmessgerät, eingerichtet zur Durchführung eines der erfindungsgemäßen Verfahren, wobei in in den ersten und zweiten Messkanälen jeweils ein A/D-Wandler vorgesehen ist, dem der jeweilige Vorverarbeitungsblock nachgeschaltet ist, wobei ein Schaltelement vorgesehen ist, über das die digitalen Ausgangssignale der A/D- Wandler, beispielsweise sukzessive, für die vorgegebene (erste bzw. zweite) Zeitdauer auf den Eingang des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock schaltbar sind, wobei eine Synchronisationseinheit vorgesehen ist, die eingerichtet ist, den (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock so anzusteuern, dass die Ausgangssignale des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks und die Ausgangssignale des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks, insb. taktgenau, synchronisiert sind, und wobei die Regel-ZAuswerteeinheit eingerichtet ist, anhand eines Vergleichs der synchronisierten Ausgangssignale des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks und des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks zu ermitteln, ob der jeweils überprüfte Vorverarbeitungsblock korrekt arbeitet.
Nach einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der dritte Vorverarbeitungsblocks (re-)konfigurierbar ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung weiterbildend ist ferner vorgesehen, daß der dritte Vorverarbeitungsblock während der ersten Zeitdauer gleich, beispielsweise identisch konfiguriert, ist wie der erste Vorverarbeitungsblock, beispielsweise nämlich nicht identisch konfiguriert ist wie der zweite Vorverarbeitungsblock und/oder daß der dritte Vorverarbeitungsblock während der zweiten Zeitdauer gleich, beispielsweise identisch, konfiguriert ist wie der zweite Vorverarbeitungsblock, beispielsweise nämlich nicht identisch konfiguriert ist wie der erste Vorverarbeitungsblock. Alternativ oder in Ergänzung können zudem der erste Vorverarbeitungsblock und/oder der zweite Vorverarbeitungsblock beispielsweise ebenfalls (re-)konfigurierbar sein.
Nach einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Messkanäle hardwaremäßig identisch aufgebaut. Zudem können die Vorverarbeitungsblöcke der Messkanäle und der verifizierende Vorverarbeitungsblock hardwaremäßig identisch aufgebaut sein.
Gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei den A/D-Wandlern im ersten Messkanal und in dem zumindest einen weiteren Messkanal um Sigma-Delta-Wandler.
Die nachfolgend genannten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Feldgeräts beziehen sich auf die Vorverarbeitungsblöcke. So können diese derart ausgestaltet sein, dass sie als Ausgangssignale tiefpassgefilterte Digitalsignale der analogen Sensorsignale des Messaufnehmers bereitstellen. Alternativ stellen sie als Ausgangssignale Digitalsignale zur Verfügung, die statistischen Kenngrößen, wie beispielsweise Min-/Max-Werten Oder standardabweichungen, der analogen Sensorsignale entsprechen. Gemäß einer dritten Variante sind die Vorverarbeitungsblöcke derart ausgestaltet, dass sie als Ausgangssignale Digitalsignale bereitstellen, die nach Frequenzen separierte Komponenten der analogen Sensorsignale repräsentieren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch ein Coriolis-Durchflussmessgerät mit einem geraden Messrohr, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist,
Fig. 2: ein Blockschaltbild einer Ausgestaltung der die Erfindung betreffenden Komponenten einer Messumformereinheit eines Messgeräts mit x Messkanälen,
Fig. 3: ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht, und
Fig. 4: eine Darstellung der Signalverläufe zwecks taktgenauer Synchronisation der Ausgangssignale von verifizierendem Vorverarbeitungsblock und zu überprüfendem Vorverarbeitungsblock.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Coriolis-Durchflussmessgerät 1 mit einer Sensoreinheit bzw. einem Messaufnehmer 10 und einer Regel-ZAuswerteeinheit bzw. einer Messumformereinheit 11 in schematischer Darstellung. Das Gehäuse mit der Regel-/Auswerteeinheit 11 kann - wie hier gezeigt - an der Sensoreinheit 10 befestigt sein, es kann jedoch auch von der Sensoreinheit 10 abgesetzt angeordnet sein. Die Sensoreinheit 10 ist über Flansche 3a, 3b in einer nicht gesondert dargestellte Rohrleitung montiert. Die Rohrleitung ebenso wie das fluchtend sich anschließende Messrohr 2 werden von einem fluiden Medium F durchströmt, dessen Massedurchfluss bestimmt werden soll. Die Strömungsrichtung des fluiden Mediums F ist durch den Pfeil gekennzeichnet.
Das Messrohr 2 ist im gezeigten Fall als gerades Messrohr 2 ausgestaltet, welches einlass- und auslassseitig über jeweils eine Endplatte 4a, 4b am Flansch 3a bzw. am Flansch 3b fixiert ist. Die Flansche 3a, 3b und die Endplatten 4a, 4b sind an oder in einem T rägerrohr 5 befestigt. Eine Vielzahl anderer Ausgestaltungen von Coriolis-Durchflussmessgeräten mit zumindest einem Messrohr ist aus dem Stand der Technik bekannt geworden. Zu erwähnen sind z.B. Messaufnehmer mit einem Messrohr mit Auslegermasse, wie z.B. in der EP 97 81 0559 beschrieben, Messaufnehmer mit einem gebogenen Messrohr (EP 96 10 9242), Messaufnehmer mit zwei parallelen geraden oder gebogenen Messrohren (US 4793191 bzw. US 41 27 028) oder Messaufnehmer mit vier gebogenen Messrohren.
Um den Corioliseffekt zur Bestimmung des Massedurchflusses eines Mediums durch das Messrohr 2 nutzen zu können, wird das Messrohr 2 durch einen mittig angeordneten Schwingungserreger 6 in Biegeschwingungen versetzt. Diese Biegeschwingungen verlaufen in der Zeichenebene. Bei dem Schwingungserreger 6 kann es sich z.B. um einen elektromagnetischen Antrieb, bestehend aus einem Permanentmagneten 7 und einer Spule 8, handeln. Die Spule 8 ist am Trägerrohr 5 und der Permanentmagnet 7 am Messrohr 2 fixiert. Über den in der Spule 8 fließenden Strom lässt sich die Amplitude und die Frequenz der Biegeschwingungen des Messrohrs 2 steuern. Die in der Zeichenebene auf das strömende Medium wirkenden Corioliskräfte, verursachen eine von dem Massedurchfluss abhängige Phasenverschiebung der Schwingungen des Messrohrs, die mittels der beiden Schwingungssensoren 9a, 9b gemessen wird.
Die beiden Schwingungssensoren 9a, 9b sind symmetrisch zum Schwingungserreger 6 ebenfalls am Trägerrohr 5 angeordnet. Bei den Schwingungssensoren 9a, 9b kann es sich z. B. um elektromagnetische Wandler, jeweils bestehend aus Permanentmagnet 12a, 12b und Spule 13a, 13b handeln, deren Anordnung analog aufgebaut sein kann wie die Anordnung Permanentmagnet- Spule des Schwingungserregers 6: Die beiden Permanentmagnete 12a, 12b sind am Messrohr 2 und die beiden Spulen 13a, 13b am Trägerrohr 5 fixiert. Die Schwingbewegung des Messrohrs 2 bewirkt jeweils über den Permanentmagnet 12a, 12b eine Induktionsspannung in der korrespondierenden Spule 13a, 13b. Bei den vom Messaufnehmer 10 ausgegebenen Signalen handelt es sich analoge Sensorsignale, die den Messkanälen der Regel-/Auswerteeinheit 11 zugeführt werden. Üblicherweise ist auch zumindest einem Temperatursensor vorgesehen, der die Temperatur des strömenden Mediums F misst. Der Temperatursensor ist in den Figuren nicht gesondert dargestellt.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausgestaltung einer Messumformereinheit 11 eines Feldgeräts 1 mit x Messkanälen MKx, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist so ausgelegt, dass es online - also ohne Unterbrechung der Bereitstellung der Messwerte MW - die digitalen Messkanäle MKx auf ihre Funktionstüchtigkeit hin überprüft.
Von einem in der Fig. 1 nicht gesonderten dargestellten und spezifizierten Messgerät 1 werden x analoge Messsignale Sx abgegriffen und in x zugehörigen Messkanälen MKx vorverarbeitet. Die Anzahl der Messkanäle MKx ist gleich oder größer als zwei (x > 2). Beispielsweise werden von den Schwingungsaufnehmern 9a, 9b des in Fig. 1 dargestellten Coriolis-Durchflussmessgeräts 1 zwei analoge Messignale S1 , S2 geliefert. Üblicherweise wird auch von einem nicht gesondert dargestellten Temperatursensor ein analoges Temperaturmesssignal S3 bereitgestellt, das einem dritten Messkanal MK3 zugeführt wird.
In jedem der Messkanäle MKx befindet sich ein AD-Wandler, hier ein Sigma-Delta- Wandler SDM, der aus dem analogen Messsignal Sx einen kontinuierlichen digitalen Datenstrom Bitstr x erzeugt. Der Datenstrom Bitstr x wird auf einen konfigurierbaren Vorverarbeitungsblock Preproc x gegeben. Am Ausgang von jedem der (individuell) konfigurierbaren Vorverarbeitungsblöcke Preproc x werden in äquidistanten Zeitintervallen Rohmesssignale bzw. Ausgangssignale DATA x zur Verfügung gestellt, die dem Mikrocontroller pC zur Weiterverarbeitung übergeben werden. Der Mikrocontroller pC ist Teil der Regel-ZAuswerteeinheit 11 und ermittelt aus den digitalen Rohmesssignalen DATA x der einzelnen Messkanäle MKx fortlaufend - üblicherweise in definierten Zeitabständen bzw. mit einer Taktrate n - Messwerte MW, die die zu bestimmende Prozessgröße des Mediums F repräsentieren.
Erfindungsgemäß ist zusätzlich zu den Messkanälen MKx mit x = 2, 3 ... ein Verifikationskanal VK mit einem konfigurierbaren Verifikationsblock Preproc V vorgesehen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem Verifikationsblock Preproc V eine Synchronisationseinheit SYNC und eine Verzögerungseinheit Delay zugeordnet. Mittels des Verifikationsblocks Preproc V wird in vorgegebenen bzw. vorgebbaren Zeitabständen, nämlich während einer vorgegebenen ersten Zeitdauer für den ersten Meßkanal MK1 bzw. während einer vorgegebenen ersten Zeitdauer für den ersten Meßkanal MK2, überprüft, ob jeder der x (ggf. jeweils individuell bzw. in einer von wenigstens einem der anderen Vorverarbeitungsblöcke Preproc abweichenden Weise konfigurierten) Vorverarbeitungsblöcke Preproc x in den Messkanälen MKx korrekt arbeitet. Zum Zweck der (Online-)Überprüfung wird der Datenstrom Bitstr x des (aktuell jeweils) zu verifizierenden Messkanals MKx parallel auf den Verifikationskanal VK geschaltet.
Die Verifikation kann beispielsweise folgendermaßen durchgeführt werden:
Der Verifikationsblock Preproc V wird gleich, beispielsweise auch identisch, wie der jeweils zu verifizierende Vorverarbeitungsblock Preproc x konfiguriert; der Datenstrom Bitstr x des zu verifizierenden Messkanals MKx wird parallel auf den Eingang des Verifikationsblocks Preproc V geschaltet - in Fig. 2 ist das der Messkanal MKx; Der Verifikationsblock Preproc V wird initialisiert und mit Hilfe einer Synchronisationsfunktion gestartet;
Die, beispielsweise taktgenau, synchronisierten Ausgangssignale DATA x bzw. DATA V des zu verifizierenden Messkanals MKx und des Verifikationskanals VK werden auf Gleichheit bzw. auf Abweichungen hin untersucht, wobei eine Abweichung als Fehlfunktion des überprüften Vorverarbeitungsblocks Preproc x gewertet wird.
Eine allfällich ermittelte Fehlfunktion kann dem Bedienpersonal der Automatisierungsanlage über den Mikrocontroller pC entsprechend signalisiert werden.
Das Clock-Signal Clkx dient zum Betrieb der Sigma-Delta- Wandlers SDMx. Mit jeder Periode des Clock-Signals Clkx liefert der Sigma-Delta-Wandler SDMx an den Vorverarbeitungsblock Preproc x neue Daten/Bits bitstr x. Das Ready Signal am Ausgang des Verarbeitungsblocks Preproc x erscheint nur alle "n" Perioden des jeweiligen Clock-Signals Clkx. Die Frequenz des Clock- Signals Clkx und der Faktor "n" können für die Messkanäle MKx gleich oder auch unterschiedlich sein.
Das in Fig. 3 gezeigte Flussdiagramm beschreibt die Verfahrensschritte, die gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur (Online-)Überprüfung eines der Messkanäle MKx, z.B. des Messkanals MK2, durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt die Überprüfung der einzelnen Messkanäle MKx übrigens zyklisch.
Nach dem Start des Verfahrens unter Punkt 20 wird bei Punkt 21 getestet, ob die vorgegebene Zeitdauer bzw. Verifikationsintervall zur Überprüfung des zuvor überprüften Messkanals MK, z.B. MK1 , abgelaufen ist. Dieser Test wird solange sukzessive durchgeführt, bis das Verifikationsintervall zur Überprüfung des zuvor überprüften Messkanals MK 1 beendet ist. Sobald das Verifikationsintervall des zuvor überprüften Messkanals MK1 beendet ist, wird der Verifikationskanal VK bzw. der Verifikationsblock Preproc V bei Punkt 22 identisch konfiguriert wie der nachfolgend zu überprüfende Messkanal MK 2. Der Datenstrom Bitstr 2 des zu überprüfenden Messkanals MK2 wird auf den Verifikationskanal VK parallelgeschaltet; die Ausgangssignale DATA 2 des Vorverarbeitungsblocks Preproc 2 und die Ausgangssignale DATA V des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks Preproc V werden synchronisiert und der Verifikationskanal MK V wird gestartet.
Unter Punkt 24 wird solange zugewartet, bis der Verifikationskanal MK V ein Ergebnis DATA V liefert. Unter Punkt 25 werden die Ausgangssignale DATA 2 des überprüften Messkanals MK 2 mit den taktgenauen Ausgangssignalen DATA V des Verifikationskanals MK V bitgenau verglichen. Sind die beiden Ausgangssignale DATA 2 und DATA V identisch, wiederholen sich die Verfahrensschritt der Punkte 21 bis 26 sukzessive für den nachfolgend zu überprüfenden Messkanal MKx. Tritt bei der Überprüfung eines der Messkanäle MKx eine Abweichung auf, so werden die Verfahrensschritte, die unter den Punkten 21 bis 26 beschrieben sind, zumindest noch einmal wiederholt. Stellt sich bei der Überprüfung heraus, dass es sich um eine wiederholt auftretende Abweichung handelt, so wird bei Punkt 28 eine Fehlermeldung generiert und ausgegeben.
Fig. 4 a-g zeigt eine Darstellung der Signalverläufe zwecks taktgenauer Synchronisierung der Ausgangssignale DATA x des aktuell zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks Preproc x im Messkanal MKx und des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks Preproc V im Verifikationskanal MK V.
In Fig. 4a und Fig. 4b ist zu sehen, dass der zu verifizierende Vorverarbeitungsblock Preproc x im Messkanal MKx fortlaufend Ausgangssignale DATA x in einem definierten Zeitabstand n bereitstellt. Die getaktete Bereitstellung der Ausgangssignale DATA x wird jeweils durch einen Ready-Impuls Rdy x an den Mikrocontroller pC signalisiert (Fig. 4c). Der Ready-Impuls Rdy x, der zur Regel- /Auswerteeinheit 11 bzw. zum Mikrocontroller pC geschickt wird, ist auch in Fig. 2 dargestellt. Nachdem der verifizierende Vorverarbeitungsblock Preproc V identisch konfiguriert ist wie der zu überprüfende Vorverarbeitungsblock Preproc x, erhält die Synchronisationseinheit Sync (sh. Fig. 2) zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt von der Regel-ZAuswerteeinheit pC einen Kommando- Impuls k. Anschließend wartet die Synchronisationseinheit Sync auf den nächsten Ready-Impuls Rdy x des Messkanals MKx. Die entsprechende Zeitdauer des Wartens bzw. die Wartezeit ist mit T gekennzeichnet (Fig. 4d).
Die Zeitdauer t ist zufällig und abhängig davon, wann die Regel-ZAuswerteeinheit bzw. der Mikrocontroller pC den Kommando-Impuls k schickt. Um deterministisch zu sein, wird daher auf den nächsten Rdy n Impuls gewartet und erst ab diesem Zeitpunkt kann T berechnet werden.
Ab dem Zugang des nächsten Ready-Impulses Rdy x des Messkanals MKx wartet die Synchronisationseinheit Sync weitere Zeiteinheiten T = n - (m mod n). Nach Ablauf der Wartezeit T = n - (m mod n) schickt die Synchronisationseinheit Sync einen Reset-Puls Reset V bzw. r an den Verifikationsblock Preproc V im Verifikationskanal MK V (Fig. 4e, Fig. 3). Der Verifikationskanal MK V liefert nach dem Ablauf der Zeiteinheit m sein erstes synchronisiertes Ausgangssignal DATA V (Fig. 4f) und einen dazugehörigen Ready-Impuls (Fig. 4g). Ab diesem Zeitpunkt sind die Ausgangssignale DATA V des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks Preproc V und die Ausgangsignale DATA x des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks Preproc x taktgenau synchronisiert. Die Regel-/Auswerteeinheit 11 bzw. der Mikrocontroller pC vergleicht nun die Ausgangssignale DATA V des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks Preproc V und die Ausgangsignale DATA x des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks Preproc x bitgenau im Hinblick auf mögliche Abweichungen.
Bezugszeichenliste
1 Feldgerät / Messgerät / Coriolis-Durchflussmessgerät
2 Messrohr
3 Flansch
4 Endplatte
5 Trägerrohr
6 Schwingungserreger
7 Permanentmagnet
8 Spule
9 Schwingungsaufnehmer
10 Sensoreinheit / Messaufnehmer
11 Messumformereinheit
12 Permanentmagnet
13 Spule
14 Schaltelement
MK Messkanal
VK Verifikationskanal
SDM Sigma-Delta-Wandler
Clk Clock
Bitstr Datenstrom
Preproc Vorverarbeitungsblock
DATA Rohmesssignale / Ausgangssignale
Sn analoge Messsignale
Config Konfigurationsblock
Rdy / r Readysignal pC Mikrocontroller
Delay Verzögerungssignal
Start / s Startsignal
Sync Synchronisationssignal

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur (Online-)Überprüfung eines Feldgeräts (1) zum Bestimmen und/oder Überwachen wenigstens einer Prozessgröße eines Mediums, wobei das Feldgerät (1) eine Sensoreinheit (10) und eine Regel-ZAuswerteeinheit (11) mit einem mittels eines, insb. konfigurierbaren, ersten Vorverarbeitungsblocks (Preproc 1) gebildeten ersten Messkanal (MK1), mit einem mittels eines, insb. konfigurierbaren, zweiten Vorverarbeitungsblocks (Preproc 2) gebildeten zweiten Messkanal (MK2) und mit einem mittels eines, insb. konfigurierbaren, (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) gebildeten Verifikationskanal (VK) aufweist, bei welchem Verfahren: die Sensoreinheit (10) ein von der wenigstens einen Prozessgröße abhängiges erstes Sensorsignal (S1) erzeugt und das erste Sensorsignal (S1) an den ersten Messkanal (MK1) übertragen wird und simultan dazu die Sensoreinheit (10) ein von der wenigstens einen Prozessgröße abhängiges zweites Sensorsignal (S2) erzeugt und das zweite Sensorsignal (S1) an den zweiten Messkanal (MK2) übertragen wird; wobei das erste Sensorsignal (S1) im ersten Messkanal (MK1) in ein erstes digitalisiertes Sensorsignal gewandelt und das erste digitalisierte Sensorsignal zum ersten Vorverarbeitungsblock (Preproc 1) übertragen wird und simultan dazu das zweite Sensorsignal (S2) im zweiten Messkanal (MK2) in ein zweites digitalisiertes Sensorsignal gewandelt und das zweite digitalisierte Sensorsignal gewandelt zum zweiten Vorverarbeitungsblock (Preproc 2) übertragen wird; wobei das erste digitalisierte Sensorsignal für eine vorgegebene (erste) Zeitdauer - insb. nämlich einer Zeitdauer, während der der dritte Vorverarbeitungsblock (Preproc V) identisch konfiguriert ist wie der erste Vorverarbeitungsblock (Preproc 1) - zum Verifikationskanal (VK) übertragen und in ein vom ersten digitalisierten Sensorsignal abhängiges (digitales) Ausgangssignal (DATA V) des dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) gewandelt wird und nämliches Ausgangssignal (DATA V) mit dem Ausgangssignal (DATA 1) des ersten Vorverarbeitungsblocks (Preproc 1), insb. bitgenau, verglichen wird, insb. nämlich taktgenau synchronisiert und bitgenau verglichen wird; und wobei das zweite digitalisierte Sensorsignal für eine vorgegebene (zweite) Zeitdauer - insb. nämlich einer Zeitdauer, während der der Vorverarbeitungsblock (Preproc V) identisch konfiguriert ist wie der zweite Vorverarbeitungsblock (Preproc 2) - zum Verifikationskanal (VK) übertragen und in ein vom zweiten digitalisierten Sensorsignal abhängiges (digitales) Ausgangssignal (DATA V) des dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) gewandelt wird und nämliches Ausgangssignal (DATA V) mit dem Ausgangssignal (DATA 2) des zweiten Vorverarbeitungsblocks (Preproc 2), insb. bitgenau bzw. bitweise, verglichen wird, insb. nämlich taktgenau synchronisiert und bitgenau verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine Fehlermeldung generiert wird, wenn die Ausgangssignale (DATA 1) des ersten Vorverarbeitungsblocks (Preproc 1) oder die Ausgangssignale (DATA 2) des zweiten Vorverarbeitungsblocks (Preproc 2) und die Ausgangssignale (DATA V) des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) eine Abweichung aufweisen
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die (Online-)Überprüfung der zumindest zwei Messkanäle (MKx) zyklisch oder azyklisch durch geführt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-3, wobei zwecks taktgenauer Synchronisation der Ausgangssignale (DATA V) des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) mit den Ausgangssignalen (DATA x) des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks (Preproc x) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: der zu überprüfende Vorverarbeitungsblock (Preproc x) eines Messkanals (MKx) stellt fortlaufend Ausgangssignale (DATA x) in einem definierten Zeitabstand (n) bereit und signalisiert die Bereitstellung der Ausgangssignale (DATA x) jeweils mit einem Ready-Impuls (Rdy x), nachdem der verifizierende Vorverarbeitungsblock (Preproc V) identisch konfiguriert ist wie der zu überprüfende Vorverarbeitungsblock (Preproc x), erhält eine Synchronisationseinheit (Sync) zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt von einem Rechner (pC) einen Kommando- Impuls (k), mit Zugang des folgenden Ready-Impulses (Rdy x) des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks (Preproc x) schickt die Synchronisationseinheit (Sync) nach einer definierten Wartezeit (T) einen Reset-Impuls (r) an den (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock (Preproc V), wobei die Wartezeit (T) SO bemessen ist, dass die Ausgangssignale (DATA V) des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) und die Ausgangssignale (DATA x) des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks (Preproc x) taktgenau synchronisiert sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Wartezeit (T) über folgende Gleichung ermittelt wird:
T = n - (m mod n), wobei m eine Zeitdauer angibt, die für den zu überprüfenden Vorverarbeitungsblock (Preproc x) und den (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock (Preproc V) infolge der identischen Kalibrierung bekannt ist.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von dem Feldgerät (1) zur Bestimmung oder Überwachung der Prozessgröße des Mediums (F) zumindest zwei analoge Sensorsignale (Sn) erzeugt werden, die in den zugehörigen Messkanälen (MKx) digitalisiert und vorverarbeitet werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand der Phasendifferenz zwischen dem ersten Sensorsignal (S1) und dem zweiten Sensorsignal (S2) der Massedurchfluss eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums (F) unterbrechungsfrei bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der dritte Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) (re-)konfigurierbar ist.
9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch wobei der dritte Vorverarbeitungsblock (Preproc V) während der ersten Zeitdauer gleich, insb. identisch konfiguriert, ist wie der erste Vorverarbeitungsblock (Preproc 1), insb. nämlich nicht identisch konfiguriert ist wie der zweite Vorverarbeitungsblock (Preproc 2); und/oder wobei der dritte Vorverarbeitungsblock (Preproc V) während der zweiten Zeitdauer gleich, insb. identisch, konfiguriert ist wie der zweite Vorverarbeitungsblock (Preproc 2), insb. nämlich nicht identisch konfiguriert ist wie der erste Vorverarbeitungsblock (Preproc 1 ).
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der ersteVorverarbeitungsblock (Preproc 1) (re-)konfigurierbar ist; und/oder wobei der zweite ersteVorverarbeitungsblock (Preproc 2) (re-)konfigurierbar ist.
11. Feldgerät der Automatisierungstechnik, insb. ein Coriolis-Durchflussmessgerät, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in in den ersten und zweiten Messkanälen (MK1 , MK2) jeweils ein A/D-Wandler (SDM1 ; SDM2) vorgesehen ist, dem der jeweilige Vorverarbeitungsblock (Preprod ; Preproc2) nachgeschaltet ist, wobei ein Schaltelement (14) vorgesehen ist, über das die digitalen Ausgangssignale (Bitstr x) derA/D-Wandler (SDM1 ; SDM2), insb. sukzessive, für die vorgegebene (erste bzw. zweite) Zeitdauer auf den Eingang des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock (Preproc V) schaltbar sind, wobei eine Synchronisationseinheit (Sync) vorgesehen ist, die eingerichtet ist, den (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock (Preproc V) so anzusteuern, dass die Ausgangssignale (DATA V) des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc V) und die Ausgangssignale (DATA x) des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks (Preprod ; Preproc2 ), insb. taktgenau, synchronisiert sind, und wobei die Regel-ZAuswerteeinheit (11) eingerichtet ist, anhand eines Vergleichs der synchronisierten Ausgangssignale (DATA V, DATA x) des zu überprüfenden Vorverarbeitungsblocks (Preprod ; Preproc2) und des (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblocks (Preproc x) zu ermitteln, ob der jeweils überprüfte Vorverarbeitungsblock (Preprod ; Preproc2) korrekt arbeitet.
12. Feldgerät nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Messkanäle (MKx) hardwaremäßig identisch aufgebaut sind; und/oder wobei die Regel-ZAuswerteeinheit (pC, 11) eingerichtet ist, den (verifizierenden) dritten Vorverarbeitungsblock (Preproc V) jeweils für die vorgegebene (erste bzw. zweite) Zeitdauer identisch zu konfigurieren wie den zu überprüfenden Vorverarbeitungsblock (Preprod ; Preproc2); und/oder wobei die Vorverarbeitungsblöcke (Preproc x) der Messkanäle (MKx) und der verifizierende Vorverarbeitungsblock (Preproc V) hardwaremäßig identisch aufgebaut sind; und/oder wobei es sich bei den A/D-Wandlern (SDM1 , SDM2) der ersten und zweiten Messkanälen (MK1 , MK2) jeweils um Sigma-Delta-Wandler handelt.
13. Feldgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Vorverarbeitungsblöcke (Preproc x, Preproc V) derart ausgestaltet sind, dass sie als Ausgangssignale (DATA x, DATA V) tiefpassgefilterte Digitalsignale der analogen Sensorsignale (Sx) bereitstellen.
14. Feldgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Vorverarbeitungsblöcke (Preproc x, Preproc V) derart ausgestaltet sind, dass sie als Ausgangssignale (DATA x, DATA V) Digitalsignale bereitstellen, die statistischen Kenngrößen, wie beispielsweise Min-ZMax-Werte Oder standardabweichungen, der analogen Sensorsignale (Sx) entsprechen.
15. Feldgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei die Vorverarbeitungsblöcke (Preproc x, Preproc V) derart ausgestaltet sind, dass sie als Ausgangssignale (DATA x, DATA V) Digitalsignale bereitstellen, die nach Frequenzen separierte Komponenten der analogen Sensorsignale (Sx) repräsentieren.
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