WO2004102288A1 - Verfahren zur bestimmung einer charakteristischen grösse eines prozessmediums - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer charakteristischen grösse eines prozessmediums Download PDF

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WO2004102288A1
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Roland Müller
Frank Van Bekkum
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    • G05B2219/25428—Field device

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a characteristic size of a process medium according to the preamble of claim 1.
  • Field devices are often used in automation and process control technology, which measure various process variables (sensors) or control variables (actuators) in an industrial process.
  • Controllable valves which regulate the flow of a liquid or a glass in a pipe section, can be mentioned as an example of actuators.
  • Sensors for flow, level, pressure, temperature determination etc. are generally known.
  • the sensors are arranged in the immediate vicinity of the relevant process component to record the corresponding process variables of mass or volume flow, fill level, pressure, temperature, etc.
  • Each sensor delivers a measured value that corresponds to the current value of the recorded process variables. This measured value is forwarded to a control unit PLC (e.g. programmable logic controller, waiting or process control system PLS) via a data bus.
  • a control unit PLC e.g. programmable logic controller, waiting or process control system PLS
  • the process is controlled by the control unit, where the measured values of various field devices are evaluated and control signals for the corresponding actuators are generated on the basis of the evaluation.
  • the field device can also transmit additional information (diagnosis, status, etc.) to the control unit.
  • field devices can be parameterized and configured via the data bus.
  • the signal transmission between the field device and the control unit can take place in analog or digital form (e.g. current loop or digital data bus).
  • analog or digital form e.g. current loop or digital data bus.
  • Well-known international standards for signal transmission are 4-20 mA current loops, Hart®, Profibus®, Foundation Fieldbus® or CAN®-Bus.
  • the signal processing in the field device and the communication of the field device with the control unit or other field devices is becoming more and more complex. For this purpose, various hardware components with corresponding software are implanted in the field device.
  • control unit is not directly connected to the data bus, but to a higher-level company network.
  • a controller serves as a gateway between the data bus (fieldbus) and the company network.
  • the control unit not only carries out process control, but also process monitoring and process visualization and engineering.
  • the measured values can be processed in the control system or in the PLC or in the Remote l-O.
  • the measured values are evaluated and the characteristic size z. B. determined a product in a container.
  • the characteristic size can be e.g. B. the mass, or the net standard volume of the product.
  • Another disadvantage is that the applications can only function with a very special combination of sensors.
  • the object of the invention is a method for determining a characteristic size of a process medium e.g. to specify a filling material in a container which does not have the disadvantages mentioned above, which is in particular very flexible.
  • the essential idea of the invention is to determine a characteristic calculated size of a process or a product with the aid of an evaluation program, the evaluation program being encapsulated and capable of communicating independently.
  • the evaluation program has defined interfaces for this, e.g. the measured values of different sensors are fed.
  • the evaluation program can run on the various units that are connected to the data bus.
  • the evaluation program is not limited to a special combination of sensors (device constellation).
  • a process control system normally uses a master-slave configuration. All data run via the master and are therefore only available to the master without the intermediary. If you choose a topology in which the sensors (slaves) can exchange data with each other, the calculations of a derived variable can be carried out in one of the slaves without having to burden the control system with the data exchange. Furthermore, with the evaluation program according to the invention, plausibility checks of a measured value in a sensor are possible (pressure in relation to head pressure, fill level in relation to a temperature profile). Expensive intermediary stations are no longer necessary. Measured values from other sensors can also be displayed on one sensor. Communication between the sensors (slave-slave communication) reduces the bus load.
  • FIG. 1 Process application with several sensors in a schematic representation.
  • Figure 2 inventive evaluation program in a schematic representation.
  • a process application for determining a characteristic size of a filling material 1 in a container 3 is shown schematically in FIG.
  • the fill level of the product is designated with h.
  • the Filling level of eg crude oil in larger containers e.g. 150 m diameter and 30 m height
  • Sensor S1 can e.g. B. is a temperature sensor that the
  • Places (Prothermo® from Endress + Hauser System & Gauging) determined in container 3.
  • the filling level h of the filling material 1 in the container 3 is determined with the sensor S2.
  • the sensor S2 can be, for. B. a radar level sensor
  • the sensor S3 measures the vapor pressure above the filling material 1. It is only necessary if the filling material 1 is a liquid.
  • the density of the filling material 1 is detected with the sensor S4.
  • a display unit 4 is provided on the container 3, which in particular allows the measurement values of the sensors S1, S2, S3, S4 to be displayed.
  • the sensors S1, S2, S3, S4 and the display unit 4 are via a
  • the data bus 5 is connected to a remote I-O, which allows the connection of various 4-20 mA measuring devices.
  • a controller 7 is arranged, which as
  • the evaluation program A has several communication interfaces L_IN, WJN, T_IN and Z_IN. These communication interfaces are inputs via which the measured values filling level (L_IN), density (WJN), temperature TJN and possibly additional measured values (Z_IN) are made available to the evaluation program via data bus 5. These measured values are processed in application program A using algorithms known per se. Reference is made to the disclosure of the FuilsManager® 2000 from Endress + Hauser or the Applipac from Endress + Hauser. The individual components of the application program are a Manual Data Switch MDS, a Tank Corrective Tabel TCT, one
  • API / ASTM table
  • the evaluation program A has two further communication inputs
  • the application program A has different defined communication interfaces and is capable of communicating independently, as a result of which it can be used by any unit connected to the data bus 5 (e.g. S1, S2, S3, S4, 4, 9, 7 or in the computer systems 11, 12) expire.
  • the required information can easily be made available to the evaluation program via the data bus 5 via the defined interfaces.
  • the characteristic size of the filling material is the net standard volume or the mass of the filling material available in this special evaluation program A.
  • the liquid and gas phase temperature can be determined using a corresponding evaluation program.
  • This evaluation program requires the measured value of the level sensor S2. This makes it possible to differentiate between temperature elements covered with liquid and temperature elements in the gas phase. The liquid temperature and the gas phase temperature can thus be determined in a simple manner using the encapsulated evaluation program.
  • a temperature jump occurs at the liquid-gaseous interface. If the temperature jump is not due to the measured value (height h) transmitted by the level sensor S2, the level sensor S2 may be malfunctioning. A plausibility check of the level sensor S2 is thus possible with the corresponding evaluation program. In the event of a malfunction, a corresponding error message is generated by the evaluation program. If two pressure sensors are provided on a container, one of which measures the head pressure and the other the hydrostatic pressure or the density of the liquid (1), a plausibility check can also be carried out here with another evaluation program if the evaluation program still has the fill level h im Container 3 is made available. If the level h is below the lower pressure sensor, the measured values of the two pressure sensors must match, otherwise there is a defect. Furthermore, the density of the liquid can no longer be determined precisely if the filling height h is close to or below the lower pressure sensor.
  • the data bus 5 is advantageously a Foundation Fieldbus® / H1.
  • the specification for this fieldbus can be obtained from the Foundation Fieldbus ®.
  • evaluation program A is a corresponding function block (flexible function block).
  • Flexible Function Blocks are also specified by the Foundation Fieldbus ®.
  • the data bus 5 can be a Profibus® and thus the evaluation program A can be a Profibus function block.
  • the evaluation program A can be a Profibus function block.
  • other process applications are of course also conceivable, which can be covered with a corresponding evaluation program A encapsulated according to the invention.
  • the process medium M can be a liquid, a gas or a bulk material.
  • the Compart DXF 351 steam computer from Endress + Hauser can be integrated into an evaluation program A.
  • Evaluation program A can also include company-specific know-how.
  • Evaluation program A is based on the various units that are connected to the
  • Data bus 5 connected are executable.
  • evaluation program A is not based on a special combination of
  • Sensors (device constellation) limited. Sensors can be easily exchanged and evaluation program A can be transferred to a new sensor.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung einer charakteristischen Größe eines Prozessmediums ist das Auswerteprogramm A gekapselt und selbständig kommunikationsfähig mit definierten Kommunikationsschnittstellen.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer charakteristischen Größe eines
Prozessmediums
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer charakteristischen Größe eines Prozessmediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Automatisierungs- und Prozesssteuerungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die in einem industriellen Prozessablauf verschiedene Prozessvariable messen (Sensoren) oder Regelgrößen steuern (Aktoren). Als Beispiel für Aktoren sind steuerbare Ventile zu nennen, die den Durchfluss einer Flüssigkeit oder eines Glases in einem Rohrleitungsabschnitt regeln.
Sensoren zur Durchfluss-, Füllstands-, Druck-, Temperaturbestimmung etc. sind allgemein bekannt. Zur Erfassung der entsprechenden Prozessvariablen Massenoder Volumendurchfluss, Füllhöhe, Druck, Temperatur, etc. sind die Sensoren in unmittelbarer Nähe zu der betreffenden Prozesskomponente angeordnet.
Jeder Sensor liefert einen Messwert, der dem aktuellen Wert der erfassten Prozessvariablen entspricht. Dieser Messwert wird an eine Steuereinheit SPS (z. B. Speicherprogrammierbare Steuerung), Warte- oder Prozessleitsystem PLS) über einen Datenbus weitergeleitet.
In der Regel erfolgt die Prozesssteuerung von der Steuereinheit, wo die Messwerte verschiedener Feldgeräte ausgewertet werden und aufgrund der Auswertung Steuersignale für die entsprechenden Aktoren erzeugt werden.
Neben der reinen Messwertübertragung kann das Feldgerät auch zusätzliche Informationen (Diagnose, Status etc.) an die Steuereinheit übertragen. Außerdem können Feldgeräte über den Datenbus parametriert und konfiguriert werden.
Die Signalübertragung zwischen Feldgerät und Steuereinheit kann in analoger oder digitaler Form erfolgen (z. B. Stromschleife oder digitaler Datenbus). Bekannte internationale Standards für die Signalübertragung sind 4-20 mA Stromschleifen, Hart®, Profibus®, Foundation Fieldbus® oder CAN®-Bus. Die Signalverarbeitung im Feldgerät und die Kommunikation des Feldgerätes mit der Steuereinheit oder anderen Feldgeräten wird immer aufwendiger. Hierfür sind verschiedene Hardwarekomponenten mit entsprechender Software im Feldgerät implantiert.
Vielfach ist Steuereinheit nicht direkt mit dem Datenbus verbunden, sondern mit einem übergeordneten Firmennetzwerk. Zwischen dem Datenbus (Feldbus) und dem Firmennetzwerk dient ein Controller als Gateway.
Von der Steuereinheit aus erfolgt nicht nur die Prozesssteuerung sondern auch Prozessbeobachtung und sowie die Prozessvisualisierung und das Engineering.
Die Verarbeitung der Messwerte kann im Leitsystem oder in der SPS oder in der Remote l-O stattfinden.
Entsprechende Anwendungen sind bekannt, z. B. im Petro-Bereich der FuilsManager® 2000 von Endress + Hauser System & Gauging oder der Applipac® ebenfalls von der Firma Endress + Hauser.
Mit Hilfe dieser Anwendung werden die Messwerte ausgewertet und die charakteristische Größe z. B. eines Füllgutes in einem Behälter bestimmt. Bei der charakteristischen Größe kann es sich z. B. um die Masse, oder das Netto- Standard-Volumen des Füllgutes handeln.
Nachteil dieser Anwendungen ist, dass sie die Messwerte aufwendig zu der entsprechenden Auswerteeinheit übertragen werden müssen und dass die Anwendung nur auf speziellen Systemen lauffähig ist.
Häufig müssen zusätzliche Komponenten installiert werden, die die Übertragung der Messwerte bewerkstelligen oder in denen die Anwendung abläuft (Commutec S-Modul von der Firma Endress + Hauser).
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Anwendungen nur mit einer ganz speziellen Kombination von Sensoren funktionsfähig sind.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Bestimmung einer charakteristischen Größe eines Prozessmediums z.B. eines Füllguts in einem Behälter anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere sehr flexibel ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, eine charakteristische berechnete Größe eines Prozesses oder eines Produktes mit Hilfe eines Auswerteprogramms zu bestimmen, wobei das Auswerteprogramm gekapselt und selbständig kommunikationsfähig ist. Hierfür weist das Auswerteprogramm definierte Schnittstellen auf, über z.B. die Messwerte verschiedener Sensoren zugeführt werden. Das Auswerteprogramm ist auf den verschiedenen Einheiten, die mit dem Datenbus verbunden sind lauffähig.
Dadurch ist das Auswerteprogramm nicht auf eine spezielle Kombination von Sensoren (Gerätekonstellation) beschränkt.
Normalerweise verwendet ein Prozeßleitsystem eine Master Slave Konfiguration. Alle Daten laufen über den Master und stehen somit ohne die Vermittlung des Masters nur diesem zur Verfügung. Wählt man eine Topologie in der die Sensoren (Slaves) untereinander Daten austauschen können, so kann die Berechungen einer abgeleiteten Größe in eimem der Slaves erfolgen, ohne hierzu das Leitsystem mit der Datenvermittlung belasten zu müssen. Weiterhin sind mit dem erfindungsgemäßen Auswerteprogramm Plausibilitätsprüfungen eines Messwertes in einem Sensor möglich (Druck in Beziehung zum Kopfdruck, Füllstand in Beziehung zu einem Temperaturprofil). Teure Vermittlerstationen werden überflüssig. Außerdem können Messwerte von anderen Sensoren an einem Sensor dargestellt werden. Durch die Kommunikation zwischen den Sensoren (Slave-Slave Kommunikation) verringert sich die Busbelastung.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 Prozessanwendung mit mehreren Sensoren in schematischer Darstellung.
Figur 2 erfindungsgemäßes Auswerteprogramm in schematischer Darstellung.
In Figur 1 ist eine Prozessanwendung zur Bestimmung einer charakteristischen Größe eines Füllgutes 1 in einem Behälter 3 schematisch dargestellt. Die Füllhöhe des Füllguts ist mit h bezeichnet. Bei Anwendungen im Petro-Bereich wird die Füllhöhe von z.B. Rohöl in größeren Behältern (z. B. 150 m Durchmesser und 30 m Höhe) bestimmt.
Am Behälter 3 sind mehrere Sensoren S1, S2, S3, S4 angeordnet. Bei dem
Sensor S1 kann es sich z. B. um einen Temperatursensor handeln, der die
Temperatur an einer bestimmten Stelle im Tank oder aber auch an mehreren
Stellen (Prothermo® von Endress + Hauser System & Gauging) im Behälter 3 ermittelt.
Mit dem Sensor S2 wird die Füllhöhe h des Füllgutes 1 im Behälter 3 bestimmt.
Bei dem Sensor S2 kann es sich z. B. um einen Radarfüllstandssensor
(Micropilot® Firma Endress + Hauser) handeln.
Der Sensor S3 misst den Dampfdruck über dem Füllgut 1. Er ist nur notwendig, wenn es sich bei dem Füllgut 1 um eine Flüssigkeit handelt.
Mit dem Sensor S4 wird die Dichte des Füllgutes 1 erfasst.
Weiterhin ist am Behälter 3 eine Anzeigeeinheit 4 vorgesehen, die insbesondere die Anzeige der Messwerte der Sensoren S1, S2, S3, S4 erlaubt.
Die Sensoren S1, S2, S3, S4 sowie die Anzeigeeinheit 4 sind über einen
Datenbus 5 miteinander verbunden.
Weiterhin ist der Datenbus 5 mit einer Remote l-O verbunden, die den Anschluss verschiedener 4-20 mA Messgeräte erlaubt. Zwischen dem Datenbus 5 und einem übergeordneten Firmennetzwerk 15 ist ein Controller 7 angeordnet, der als
Gateway dient. An das Firmen netzwerk 15 sind verschiedene Rechnersysteme
11 , 12 angeschlossen, die z. B. eine Prozessvisualisierung, Prozesssteuerung oder Prozessvisualisierung ermöglichen.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Auswerteprogramm A schematisch dargestellt. Das Auswerteprogramm A weist mehrere Kommunikationsschnittstellen L_IN, WJN, T_IN und Z_IN auf. Bei diesen Kommunikationsschnittstellen handelt es sich um Eingänge über die die Messwerte Füllhöhe (L_IN), Dichte (WJN), Temperatur TJN und evtl. Zusatzmesswerte (Z_IN) dem Auswerteprogramm über den Datenbus 5 zur Verfügung gestellt werden. Diese Messwerte werden im Anwendungsprogramm A mit an sich bekannten Algorithmen verarbeitet. Hierbei wird auf die Offenbarung des FuilsManager® 2000 von Endress+Hauser bzw. dem Applipac von Endress+Hauser verwiesen. Bei den einzelnen Komponenten des Anwendungsprogramms handelt es sich um einen Manual Data Switch MDS, einer Tank Corrective Tabel TCT, einem
Differenzbildner -, einem Multiplikator X und einer weiteren allgemein bekannten
Tabelle API / ASTM.
Die einzelnen Variablen bedeuten TOF Tank Observed Volume, GOV Gross
Observed Volume, VCF Volume Correction Factor, GSV Gross Standard Volume,
NSV Net Standard Volume und MASS Masse.
Das Auswerteprogramm A besitzt noch zwei weitere Kommunikationseingänge
TANK und Product über die die Tankform und das Füllgut 1 spezifiziert werden.
Als Ausgangsgrößen stehen das Nettostandardvolumen NSV_OUT und die Masse
MASS_OUT zur Verfügung.
Das Anwendungsprogramm A besitzt verschiedene definierte Kommunikationsschnittstellen und ist selbständig kommunikationsfähig, dadurch kann es von einer beliebigen an den Datenbus 5 angeschlossenen Einheit (z. B. S1 , S2, S3, S4, 4, 9, 7 oder in den Rechnersystemen 11 , 12) ablaufen. Über die definierten Schnittstellen können die benötigten Informationen (Messwerte) einfach dem Auswerteprogramm über den Datenbus 5 zur Verfügung gestellt werden. Als charakteristische Größe des Füllgutes den bei diesem speziellen Auswerteprogramm A Nettostandardvolumen oder die Masse des Füllgutes zur Verfügung.
Misst der Temperatursensor S1 die Temperatur im Behälter 3 mit mehreren Temperaturelementen, so kann die Flüssigkeits- und Gasphasentemperatur mit einem entsprechenden Auswerteprogramm bestimmt werden. Hierfür benötigt dieses Auswerteprogramm den Messwert des Füllstandssensors S2. Dadurch ist eine Unterscheidung zwischen mit Flüssigkeit bedeckten Temperaturelementen und Temperaturelementen in der Gasphase möglich. So kann in einfacher Weise die Flüssigkeitstemperatur sowie die Gasphasentemperatur mit dem gekapselten Auswerteprogramm bestimmt werden.
Weiterhin tritt an der Grenzfläche flüssig-gasförmig ein Temperatursprung auf. Liegt der Temperatursprung nicht an der vom Füllstandssensor S2 übertragenen Messwert (Höhe h), so liegt möglicherweise eine Fehlfunktion des Füllstandssensors S2 vor. Dadurch ist mit dem entsprechenden Auswerteprogramm eine Plausibilitätsprüfung des Füllstandssensors S2 möglich. Bei einer Fehlfunktion wird eine entsprechende Fehlermeldung vom Auswerteprogramm erzeugt. Sind zwei Ducksensoren an einem Behälter vorgesehen, wobei der eine den Kopfdruck und der andere den hydrostatische Druck bzw. die Dichte der Flüssigkeit (1) misst, so kann hier mit einem weiteren Auswerteprogramm ebenfalls eine Plausibilitätsprüfung stattfinden, wenn dem Auswerteprogramm noch die Füllhöhe h im Behälter 3 zur Verfügung gestellt wird. Liegt der Füllstand h unterhalb des unteren Drucksensors, so müssen die Messwerte der beiden Drucksensoren übereinstimmen, andernfalls liegt ein Defekt vor. Weiterhin kann die Dichte der Flüssigkeit nicht mehr genau bestimmt werden, wenn die Füllhöhe h in der Nähe oder unterhalb des unteren Drucksensors liegt.
In vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem Datenbus 5 um einen Foundation Fieldbus® / H1. Die Spezifikation für diesen Feldbus ist bei der Foundation Fieldbus ® zu beziehen. In diesem Fall handelt es sich bei dem Auswerteprogramm A um einen entsprechenden Funktionsblock (Flexibel Function Block). Flexibel Function Blocks sind ebenfalls von der Foundation Fieldbus ® spezifiziert.
In analoger Weise kann es sich bei dem Datenbus 5 um einen Profibus® handeln und damit bei dem Auswerteprogramm A um einen Profibus Funktionsblock. Neben der Füllstandsbestimmung in einem Behälter sind selbstverständlich noch weitere Prozessanwendungen denkbar, die mit einem entsprechenden erfindungsgemäß gekapselten Auswerteprogramm A abgedeckt werden können. Das Prozessmedium M kann eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Schüttgut sein. Beispielsweise kann der Dampfrechner Compart DXF 351 von der Firma Endress + Hauser in ein Auswerteprogramm A integriert werden.
Das Auswerteprogramm A kann auch firmenspezifische Know-how beinhalten.
Das Auswerteprogramm A ist auf den verschiedenen Einheiten, die mit dem
Datenbus 5 verbunden sind lauffähig.
Dadurch ist das Auswerteprogramm A nicht auf eine spezielle Kombination von
Sensoren (Gerätekonstellation) beschränkt. Sensoren können leicht ausgetauscht werden und das Auswerteprogramm A auf einen neuen Sensor übertragen werden.
Weiterhin sind mit dem erfindungsgemäßen Auswerteprogramm A
Plausibilitätsprüfungen eines Messwertes in einem Sensor möglich (Druck in Beziehung zum Kopfdruck, Füllstand in Beziehung zu einem Temperaturprofil). Teure Vermittlerstationen werden überflüssig. Außerdem können Messwerte von anderen Sensoren an einem Sensor dargestellt werden. Durch die Kommunikation zwischen den Sensoren (Slave-Slave Kommunikation) verringert sich die Busbelastung.

Claims

Patentansprüche
. Verfahren zur Bestimmung einer charakteristischen Größe eines Prozessmediums M, mit einem Auswerteprogramm A, dem verschiedene Messwerte wie Temperatur, Dichte und Druck etc. des Prozessmediums M von entsprechenden Sensoren (S1, S2, S3, S4), die über einen Datenbus (5) verbunden sind, zur Verfügung gestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerteprogramm A gekapselt und selbständig kommunikationsfähig mit definierten Kommunikationsschnitten ist, so dass es in einem der mit dem Datenbus verbundenen Sensoren (z. B. S1, S2, S3, S4) oder in einer weiteren mit dem Datenbus verbundenen Einheit lauffähig ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Auswerteprogramm A die charakteristische Größe eines Füllguts (1) in einem Behälter (3) bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerteprogramm A firmenspezifisches Know-how enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Größe die Masse des Füllgutes (1) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Größe das Nettostandardvolumen des Füllgutes (1) ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerteprogramm ein Foundation Fieldbus® Funktionsblock oder ein Profibus® Funktionsblock ist.
PCT/EP2003/004166 2002-04-19 2003-04-22 Verfahren zur bestimmung einer charakteristischen grösse eines prozessmediums WO2004102288A1 (de)

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