WO2004049641A2 - Verfahren zum übertragen von daten über einen feldbus einer automatisierungsanlage - Google Patents

Verfahren zum übertragen von daten über einen feldbus einer automatisierungsanlage Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting data via a fieldbus of an automation system according to the preamble of claim 1.
  • field devices are connected to one another in pairs via a fixed data channel on the data bus. This ensures a fixed assignment between sender and receiver.
  • FIG. 2 shows an example of the station A1 with a flow meter D1 which measures the amount or the mass of the product to be filled.
  • the filling quantity is regulated via a valve V1, which is also arranged in a feed line R1.
  • the product is fed to the filling station A1 via the feed lines R1.
  • a container B1 (outlined as a bottle) is arranged below the outlet of the feed line R1. After filling, the full container B1 is led away from the filling station A1 and a new empty container is fed.
  • the dwell time of a container at the respective filling station can be in the range from 0.1 to 1 second.
  • the line L1 is connected to the modem M and the computer unit RE via a supply slip ring VSR.
  • the field devices control the filling process without an additional control unit S.
  • Appropriate algorithms can be implemented in the field devices.
  • the field devices can also be accessed during operation to make special settings.
  • the line pair L1, L2 is only connected to the flow meters D, a control unit S and via the supply slip ring VSR to the modem M and the computer unit RE.
  • the control unit S controls the valves V1..Vn via the control lines S1, .., Sn accordingly.
  • the control unit S is arranged on the carousel K here.
  • the OFDM (Orthogonal Frequency Domain Multiplex) method forms the physical layer in the OSI reference model.
  • the protocols based on this layer are independent of this, e.g. B. Profibus®, Foundation Fieldbus® etc.
  • the invention is characterized in that several field devices can communicate simultaneously via a data bus, which is of great importance in time-critical applications.
  • the OFDM method is a robust method for data transmission that is also suitable for data buses that have sliding contacts as connecting elements.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Übertragen von Daten über einen Feldbus einer Automatisierungsanlage, an den mehrere Feldgeräte D1, D2, D3... , V1, V2, V3... angeschlossen sind, weist der Feldbus FB mehrere Datenkanäle auf, auf die die Feldgeräte gleichzeitig Zugriff haben.

Description

Verfahren zum Übertragen von Daten über einen Feldbus einer Automatisierungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten über einen Feldbus einer Automatisierungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Automatisierungstechnik werden häufig Feldgeräte eingesetzt, die Prozessvariablen in einer Automatisierungsanlage erfassen oder beeinflussen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Durchflussmesser,
Temperaturmesser, Druckmesser, die die entsprechenden Prozessvariablen Durchfluss, Druck bzw. Temperatur erfassen. Diese Gruppe der Feldgeräte bezeichnet man auch als Sensoren. Zu einer weiteren Gruppe gehören die Ventile, die als Aktoren den Durchfluss in einem Rohrleitungsabschnitt beeinflussen.
In der Regel sind die Feldgeräte über einen Feldbus mit einer Steuerungseinheit (z. B. Speicherprogrammierbare Steuerung SPS) verbunden. Meist ist der Feldbus auch noch mit übergeordneten Firmennetzwerken verbunden, die eine Überwachung und Beobachtung des Prozessablaufs ermöglichen.
Herkömmliche Feldbusse (Profibus®, Foundation Fieldbus® etc.) arbeiten im Zeitmultiplexbetrieb, d.h. zu einem bestimmten Zeitpunkt kann jeweils nur ein Busteilnehmer auf den Bus zugreifen und damit Daten senden.
Dies ist problematisch bei sehr schnellen Prozessabläufen, bei denen Daten von verschiedenen Sensoren quasi gleichzeitig erfasst werden müssen und die entsprechenden Aktoren ebenfalls gleichzeitig angesteuert werden müssen. Derartige schnelle Prozessabläufe findet man zum Beispiel bei Abfüllanlagen, insbesondere bei Rundabfüllem vor. Bei Abfüllanlagen gilt es, in sehr kurzer Zeit ein Produkt in einen Behälter in einer exakt vorgegebenen Dossierung abzufüllen. Die Abfüllzeiten für einen Behälter können z. B. bei 0,1 bis 1 Sekunde liegen.
Bei Rundabfüllem sind mehrere Abfüllstationen kreisförmig auf einem Karussell angeordnet und müssen in kurzen Zeitabständen angesteuert werden.
Ein weitere Nachteil bei Rundabfüllem ist, dass eine elektrische Verbindung zwischen einer ortsfesten Einrichtung und einer Einrichtung auf dem Karussell nur über Schleiferkontakte erfolgen kann. So erfolgt auch die Spannungsversorgung der auf dem Karussell befindlichen elektrischen Einrichtungen über solche Schleiferkontakte.
Bei herkömmlichen Feldbussystemen (Profibus®, Foundation Fieldbus®, etc.) ist eine schnelle und sichere Datenübertragung über Schleifkontakte im Betrieb nicht möglich. Aus diesem Grunde ist ein Feldbus immer auf den Bereich des Karussells beschränkt, d.h. auch die Steuerung, die das Abfüllen steuert, muss auf dem Karussell angeordnet sein.
Dies bedeutet aber gleichzeitig, dass im Betrieb die Steuerung vollkommen autark arbeitet und nicht von außen beeinflusst werden kann. Bei auftretenden Fehlern, beispielsweise dem Überfüllen eines Behälters immer an einer Abfüllstation oder zur Anpassung, z.B. einer Dichtekorrektur bei Coriolismassedurchflussmessem, muss die Abfüllanlage gestoppt werden und die entsprechenden Änderungen an der Steuerung bzw. an den Feldgeräten vorgenommen werden. Die Verfügbarkeit der Anlage wird dadurch verringert, was mit nicht unerheblichen Kosten verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten über einen Feldbus einer Automatisierungsanlage anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere einen schnellen und sicheren Datenaustausch ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren. Die wesentliche Idee der Erfindung ist es, mehrere Datenkanäle auf dem Datenbus für die Feldgeräte zur Verfügung zu stellen, so dass mehrere Feldgeräte gleichzeitig Zugriff auf den Feldbus haben.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In vorteilhafter Weise erfolgt der Zugriff auf die Datenkanäle im Frequenzmultiplexverfahren.
Beispiel für ein derartiges Frequenzmultiplexverfahren ist das OFDM (Orthogonal -Frequency-Domain-Multiplex) -Verfahren das sehr robust gegen Störungen ist.
In vorteilhafter Weise sind jeweils mehrere Feldgeräte paarweise über einen festen Datenkanal auf dem Datenbus miteinander verbunden. Somit ist eine feste Zuordnung zwischen Sender und Empfänger gegeben.
Ein Beispiel für eine paarweise Zuordnung ist ein Durchflussmesser und ein Ventil in einer Abfüllanlage. Die Verbindung zwischen einer ortsfesten Steuerung und den bewegten Feldgeräten erfolgt über einen Schleifring.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Rundabfüller in schematischer Darstellung;
Fig. 2 Abfüllstation eines Rundabfüllers gemäß Fig. 1 in schematischer Darstellung; Fig. 3 Kommunikationsverbindung auf einem Rundabfüller gemäß einer ersten Variante;
Fig. 4 Kommunikationsverbindung auf einem Rundabfüller gemäß einer zweiten Variante.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Abfüllanlage handelt es sich um einen Rundabfüller mit mehrere Abfüllstationen A1 , A2, A3 ... An, die kreisförmig auf einem Karussell K angeordnet sind. Die Drehachse des Karussells K ist mit DA bezeichnet. An der Drehachse DA ist ein Schleifring VSR angeordnet von dem aus Datenleitungen DL1 ,..,DLn zu den jeweiligen Abfüllstationen A1 ,...,An führen. Der Schleifring VSR ist über eine Datenleitung DL mit einem Modem M verbunden, an das einen Rechnereinheit RE angeschlossen ist.
Jede Abfüllstation ist identische aufgebaut. Fig. 2 zeigt beispielhaft die Station A1 mit einen Durchflussmesser D1 der die Menge oder die Masse des abzufüllenden Produkts misst. Geregelt wird die Abfüllmenge über ein Ventil V1 , das ebenfalls in einer Zuführleitung R1 angeordnet ist. Über die Zuführleitungen R1 erfolgt die Produktzuführung zu der Abfüllstationenen A1. Unterhalb des Austritts der Zuführleitung R1 ist ein Behälter B1 (als Flasche skizziert) angeordnet. Nach dem Befüllen wird der volle Behälter B1 von der Abfüllstation A1 weggeführt und einneuer leerer Behälter wird zugeführt. Die Verweildauer eines Behälters bei der jeweiligen Abfüllstation kann im Bereich von 0,1 bis 1 Sekunde liegen.
Bei grossen Rundabfüllem können bis 10000 Flaschen pro Stunde abgefüllt werden.
Die Ansteuerung des Ventils V1 erfolgt entweder von einer Steuereinheit S oder vom zugehörigen Durchflussmesser D1 über die Datenleitung DL1. Hierzu wird die Information des Durchflussmessers D1 in der Steuereinheit S oder im Durchflussmesser D1 selbst ausgewertet. Das Ventil V1 wird so angesteuert werden, dass die Menge des abgefüllten Produkts gerade der Sollmenge entspricht. Hierbei muss insbesondere die Nachlaufmenge des Ventils berücksichtigt werden. Das Steuersignal für das Ventil muss erzeugt werden, bevor der Durchflussmesser D1 die Sollmenge gemessen hat, da das Ventil V1 eine endliche Reaktionszeit besitzt und dadurch immer einen gewissen Nachlauf aufweist.
In Fig. 3 ist eine Kommunikationsverbindung für einen Rundabfüller schematisch dargestellt. Ein Datenbus DB weist ein Leitungspaar L1, L2 auf, das mit allen Feldgeräten auf dem Karussell K verbunden ist. Über das Leitungspaar L1 , L2 erfolgt die Kommunikation und die
Spannungsversorgung der Feldgeräte. Die Leitung L1 ist über einen Versorgungsschleifring VSR mit dem Modem M und der Rechnereinheit RE verbunden. Bei der dargestellten Variante steuern die Feldgeräte den Abfüllvorgang ohne eine zusätzliche Steuereinheit S. Entsprechende Algorithmen können in den Feldgeräten implementiert werden. Durch die Verbindung mit der Rechnereinheit RE kann auf die Feldgeräte auch im Betrieb zugegriffen werden, um spezielle Einstellungen vorzunehmen.
Eine weitere Variante einer Kommunikationsverbindung ist in Fig. 4 dargestellt.
Hier ist das Leitungspaar L1 , L2 nur mit den Durchflussmessern D, einer Steuereinheit S und über den Versorgungsschleifring VSR mit dem Modem M und der Rechnereinheit RE verbunden. Die Steuereinheit S steuert die Ventile V1..Vn über die Steuerleitungen S1 ,..,Sn entsprechend an. Die Steuereinheit S ist hier auf dem Karussell K angeordnet.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Dadurch dass die Abfüllzeit für einen jeweiligen Behälter relativ kurz ist und jede Abfüllstation parallel Daten zwischen dem jeweiligen Durchflussmesser, der Rechnereinheit RE und dem jeweiligen Ventile austauschen muss, weist der Feldbus mehrere Datenkanäle auf, auf die die Feldgeräte gleichzeitig
Zugriff haben.
Eine Möglichkeit des gleichzeitigen Zugriffs auf einen Feldbus erlaubt das
Frequenzmultiplexverfahren. Ein sehr sicheres und robustes Verfahren zur Datenübertragung ist das OFDM-Verfahren.
Als besonders günstig hat sich bei Abfüllanlagen erwiesen, dass jeweils der
Durchflussmesser D und das zugehörige Ventil V über einen Datenkanal verbunden sind.
Über die Rechnereinheit RE können Änderungen an den Einstellungen der Feldgeräte oder der Steuereinheit S vorgenommen werden, ohne dass der
Betrieb des Rundabfüllers unterbrochen wird.
Das OFDM (Orthogonal -Frequency-Domain-Multiplex)-Verfahren bildet die physikalische Schicht im OSl-Referenz-Modell.
Hierfür unabhängig sind die auf dieser Schicht aufsetzenden Protokolle wie z. B. Profibus®, Foundation Fieldbus® etc..
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Feldgeräte gleichzeitig über einen Datenbus kommunizieren können, was bei zeitkritischen Anwendungen von großer Bedeutung ist. Mit dem OFDM- Verfahren steht ein robustes Verfahren zur Datenübertragung zur Verfügung, das auch für Datenbusse geeignet ist, die Schleifkontakte als Verbindungselemente aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Übertragen von Daten über einen Feldbus einer Automatisierungsanlage, an den mehrere Feldgeräte D1 , D2, D3,..,Dn , V1 , V2, V3, ..,Vn angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der
Feldbus FB mehrere Datenkanäle aufweist, auf die die FeldgeräteDI , D2, D3,..,Dn ,V1 , V2, V3, ..,Vn gleichzeitig Zugriff haben.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zugriff auf die Datenkanäle nach einem Frequenzmultiplexverfahren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Frequenzmultiplexverfahren das OFDM-Verfahren eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Feldgeräte D1 , D2, D3,..,Dn , V1 , V2, V3, ..,Vn paarweise über einen festen Datenkanal verbunden sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Durchflussmesser D1 , D2, D3,..,Dn und ein Ventil V1 , V2, V3, ..,Vn ein
Paar bilden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Automatisierungsanlage eine Abfüllanlage ist.
7. Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.
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