WO2005013020A1 - Verfahren zur automatischen anpassung eines busfähigen feldgerätes der prozessautomatisierungstechnik an das auf dem feldbus verwendete busprotokoll - Google Patents

Verfahren zur automatischen anpassung eines busfähigen feldgerätes der prozessautomatisierungstechnik an das auf dem feldbus verwendete busprotokoll Download PDF

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Wilhelm Schneider
Christian Heim
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Definitions

  • the invention relates to a method for automatically adapting a bus-compatible field device to the bus protocol used on the fieldbus.
  • Such field devices are level measuring devices, mass flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which as sensors detect the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH value or conductivity value.
  • Electrode cleaning systems, calibration systems and samplers are particularly worth mentioning here.
  • Input / output input units so-called remote I / Os, are also referred to as field devices.
  • Actuators are used to influence process variables.
  • Field devices are often connected to fieldbus systems (Profibus, Foundation Fieldbus, etc.), which enable digital data exchange between the field devices and higher-level units, for example control systems or control units. These higher-level units are mainly used for process control and process monitoring.
  • Profilebus Foundation Fieldbus, etc.
  • Data is exchanged via the fieldbus in the form of telegrams (frames) that have a very specific structure that is prescribed by the bus protocol used.
  • the user data is packed into a series of control and monitoring sequences in accordance with the respective bus protocol.
  • the Profibus PA protocol (Data Link Layer) is described in more detail in the EN50170 standard.
  • the Foundation Fieldbus specifications are summarized in the publicly available "Foundation Fieldbus Technical Specifications”.
  • Field devices must be adapted to the respective fieldbus system already during the manufacture of the field devices.
  • a corresponding fieldbus stack program (fieldbus stack) is implemented in the field device.
  • the task of the fieldbus stack is to obtain the user data from the telegrams sent via the fieldbus and to forward them to the respective application running in the field device for further processing.
  • Stacks for the different fieldbus systems are e.g. supplied by TMG-itec or Softing AG.
  • the memory requirement for a Profibus PA stack is around 50 kB and for a Foundation Fieldbus FF stack around 250 kB.
  • a special fieldbus stack is implemented in the field device, eg a Profibus stack
  • this field device can only be used in a Profibus fieldbus system.
  • Use in a Foundation Fieldbus fieldbus system or other systems is not possible.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for automatically adapting a bus-compatible field device of process automation technology to the protocol used on the fieldbus, which is simple and inexpensive to carry out and which is suitable in principle for any protocols.
  • the essential idea of the invention is to receive telegrams from the fieldbus and to forward them to various fieldbus stacks stored in the field device and to process them there.
  • the fieldbus stack that can process telegrams properly, ie with which further processable user data can be extracted from the telegrams, is selected. With this selected fieldbus stack, further data exchange with the fieldbus takes place.
  • Fig. 2 bus-compatible field device
  • FIG. 4 flow chart of the inventive method.
  • the data bus D1 works according to the HSE (high speed ethemet) standard of the Foundation Fieldbus.
  • the data bus D1 is connected to a fieldbus segment SM1 via a gateway G1, which is also referred to as a linking device.
  • the fieldbus segment SM1 consists of several field devices F1, F2, F3, F4, which are connected to one another via a fieldbus FB are connected.
  • the fieldbus FB also works according to the Foundation Fieldbus standard.
  • the field device F1 is shown in more detail in FIG. 2.
  • This field device is an example of a temperature transmitter with a sensor.
  • the field device F1 has a microcontroller ⁇ C which is connected to a sensor MA via an analog-digital converter AD.
  • a display / operating unit AB which is also connected to the microcontroller ⁇ C, is optionally used to operate the field device and to display various information.
  • Flash, EEProm and / or RAM memory serve as memory for programs and parameters.
  • the microcontroller ⁇ C is connected to the fieldbus FB via a fieldbus interface FBS. Fieldbus telegrams can be exchanged between the field devices and the higher-level units WS1 or WS2 via the fieldbus FB.
  • the Profibusframe FR1 consists of several data fields; SD3 start field, DA destination address, SA sender address, FC function code, data and FCS frame checksum.
  • the data field data can e.g. B. contain measured values, queries etc.
  • the field device F1 receives a telegram T1, which is structured according to the rules of the Foundation Fieldbus.
  • the telegram T1 contains a series of control sequences according to the fieldbus telegram used (here Foundation Fieldbus).
  • This fieldbus telegram T1 is forwarded by the fieldbus interface FBS to the fieldbus stack program ST1 after a successful CRC check.
  • the ST1 fieldbus stacking program is a Profibus stacking program (Profibus stack). Since the telegram T1 is structured according to the Foundation Fieldbus rules, user data from this telegram can also be used With the help of the batch program ST1, an application cannot be forwarded.
  • Profile stack Profibus stacking program
  • the fieldbus stacking program ST1 signals a processing error.
  • the batch program ST2 is then loaded and the next telegram T2 sent via the fieldbus FB is received.
  • the telegram T2 is transferred to the stack program ST2 and processed in it.
  • the stack program ST2 is a Foundation Fieldbus stack program (FF stack)
  • user data can be obtained from the telegram and passed on to the corresponding application in the field device F1.
  • field device F1 can e.g. Diagnostic programs started, measured values read out or parameter values changed. If the telegram T2 is correctly processed in the fieldbus stacking program ST2, this stacking program will continue to be used to read subsequent telegrams T or to send telegrams from the field device F1 via the fieldbus.
  • FF stack Foundation Fieldbus stack program
  • a major advantage of the method according to the invention is that it can be easily adapted to new protocols. All that is required is the appropriate one Batch program can be stored in the field device so that telegrams can also be processed with this.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur automatischen Anpassung eines busfähigen Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik an das auf dem Feldbus verwendete Busprotokoll werden Feldbustelegramme an unterschiedliche Feldbus-Stacks weitergegeben. Für den Datenaustausch mit dem Feldbus wird derjenige Feldbus-Stack ausgewählt, der die Telegramme ordnungsgemäß verarbeitet.

Description

Verfahren zur automatischen Anpassung eines busfähigen Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik an das auf dem Feldbus verwendete Busprotokoll
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Anpassung eines busfähigen Feldgerätes an das auf dem Feldbus verwendete Busprotokoll.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Ppozessvariablen dienen. r
Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massendurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- Redoxpotential-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH- Wert bzw. Leitfähigkeitswert erfassen.
Neben derartigen Messgeräten sind auch Systeme bekannt, die neben der reinen Messwerterfassung auch weitere Aufgaben erfüllen. Zu nennen sind hier insbesondere Elektrodenreinigungssysteme, Kalibriersysteme sowie Probenehmer.
Ebenfalls als Feldgeräte werden EinJAusgangseingabeeinheiten, sogenannte Remote I/Os bezeichnet.
Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, die z. B. als Ventile den Durchfluss einer Flüssigkeit an einem Rohrleitungsabschnitt steuern oder die als Pumpen den Füllstand in einem Behälter verändern.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Häufig sind Feldgeräte mit Feldbussystemen (Profibus, Foundation Fieldbus, etc.) verbunden, die einen digitalen Datenaustausch zwischen den Feldgeräten und übergeordneten Einheiten z.B. Leitsystemen oder Steuereinheiten ermöglichen. Diese übergeordneten Einheiten dienen hauptsächlich zur Prozesssteuerung und zur Prozessüberwachung.
Für die Prozesssteuerung und Prozessüberwachung ist es von großer Wichtigkeit, dass der Datenaustausch über das Feldbussystem sicher und zuverlässig erfolgt. Ausgetauscht werden Daten über den Feldbus in Form von Telegrammen (Frames), die einen ganz bestimmten nach dem verwendeten Busprotokoll vorgeschriebenen Aufbau haben. Die Nutzdaten sind entsprechend dem jeweiligen Busprotokoll in eine Reihe von Steuer- und Kontrollsequenzen eingepackt.
Bei den heutigen Feldbussystem werden unterschiedliche Busprotokolle eingesetzt. Sehr verbreitet in der Prozessautomatisierungswelt sind Profibus PA und Foundation Fieldbus H1 Feldbussysteme.
Das Protokoll (Data Link Layer) von Profibus PA ist in der Norm EN50170 näher beschrieben. Die Foundation Fieldbus Spezifikationen sind in den öffentlich zugänglichen „Foundation Fieldbus Technical Specifications" zusammengefasst.
Bereits bei der Herstellung der Feldgeräte müssen Feldgeräte an das jeweilige Feldbussystem angepasst werden. Hierzu wird ein entsprechendes Feldbus Stapelprogramm (Feldbus-Stack) im Feldgerät implementiert. Aufgabe des Feldbus-Stacks ist es, die Nutzdaten aus den über den Feldbus gesendeten Telegrammen zu gewinnen und an die jeweilige im Feldgerät laufende Anwendung zur Weiterverarbeitung weiterzuleiten.
Stacks für die verschiedenen Feldbussysteme werden z.B. von der Fa. TMG-itec oder Fa. Softing AG geliefert. Der Speicherbedarf für einen Profibus PA Stack liegt bei etwa 50 kB und für einen Foundation Fieldbus FF-Stack bei 250 kB.
Ist im Feldgerät ein spezieller Feldbus-Stack implementiert, z.B. ein Profibus- Stack, so kann dieses Feldgerät nur in einem Profibus Feldbussystem eingesetzt werden. Eine Verwendung in einem Foundation Fieldbus Feldbussystem oder anderen Systemen ist nicht möglich. Für den Hersteller von Feldgeräten bedeutet dies eine aufwendige und kostenintensive Produktion, da verschiedene Produktionslinien für Feldgeräte mit unterschiedlichen Feldbus-Stacks notwendig sind.
Auch auf Seite der Anwender ergeben sich Probleme durch die Vielfalt der möglichen Feldbussysteme. Vorhandene Feldgeräte können an einem anderen Bus nicht eingesetzt werden. Ein Wechsel von einem Feldbussystem auf ein anderes ist aufgrund des notwendigen Aufwands quasi unmöglich.
Aus dem Stand der Technik sind deshalb bereits verschiedene Verfahren zur Anpassung von Feldgeräten an Feldbussysteme bekannt. Diese aus den Druckschriften DE 198 47 701 C2 bzw. WO 03/039098 bekannten Verfahren analysieren jeweils die Telegramme, die über den Feldbus gesendet werden, nach bestimmten für das jeweilige Protokoll charakteristischen Eigenschaften. Hierzu müssen die Feldbusprotokolle im Vorfeld aufwendig nach charakteristischen Eigenschaften untersucht werden und diese charakteristischen Eigenschaften, in Programme mit entsprechenden Abfragenroutinen umgesetzt werden, die dann in den Feldgeräten abgespeichert werden müssen.
Diese Verfahren sind in der Regel nur für zwei vorgegebene Feldbusprotokolle geeignet. Auch ist die Anpassung dieser Verfahren an ein neue Busprotokolle relativ aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Verfahren zur automatischen Anpassung eines busfähigen Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik an das auf dem Feldbus verwendete Protokoll anzugeben, das einfach und kostengünstig durchführbar ist und das im Prinzip für beliebige Protokolle geeignet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, Telegramme vom Feldbus zu empfangen und diese an verschiedene im Feldgerät gespeicherte Feldbus- Stacks weiterzuleiten und in diesen abzuarbeiten. Ausgewählt wird derjenige Feldbus-Stack, der Telegramme ordnungsgemäß verarbeiten kann, d.h. mit dem weiterverarbeitbare Nutzdaten aus den Telegrammen extrahiert werden können. Mit diesem ausgewählten Feldbus-Stack erfolgt der weitere Datenaustausch mit dem Feldbus.
Damit ist es möglich, ein busfähiges Feldgerät in einfacher Weise an das auf dem Feldbus verwendete Protokoll anzupassen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Feldbussystem der Prozessautomatisierungstechnik in schematischer Darstellung;
Fig. 2 busfähiges Feldgerät;
Fig. 3 Aufbau eines Feldbustelegramms;
Fig. 4 Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist ein Feldbussystem der Prozessautomatisierungstechnik näher dargestellt das nach dem Foundation Fieldbus Standard arbeitet. An einen Datenbus D1 sind mehrere Leitsysteme bzw. Steuereinheiten (Workstations) WS1 , WS2, die zur Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung und zum Engineering dienen, angeschlossen. Der Datenbus D1 arbeitet nach dem HSE (high speed ethemet) Standard der Foundation Fieldbus. Über einen Gateway G1 , das auch als Linking Device bezeichnet wird, ist der Datenbus D1 mit einem Feldbussegment SM1 verbunden. Das Feldbussegment SM1 besteht aus mehreren Feldgeräten F1 , F2, F3, F4, die über einen Feldbus FB miteinander verbunden sind. Der Feldbus FB arbeitet ebenfalls nach dem Foundation Fieldbus Standard.
In Fig. 2 ist das Feldgerät F1 näher dargestellt. Bei diesem Feldgerät handelt es sich beispielhaft um einen Temperaturtransmitter mit Sensor. Das Feldgerät F1 weist einen Mikrocontroller μC auf, der über einen Analog-Digital-Wandler A D mit einem Messaufnehmer MA verbunden ist. Zum Bedienen des Feldgerätes und zur Anzeige verschiedener Informationen dient optional eine Anzeige/Bedieneinheit AB die ebenfalls mit dem Mikrocontroller μC verbunden ist.
Als Speicher für Programme und Parameter dienen Flash-, EEProm und /oder RAM-Speicher. Über eine Feldbusschnittstelle FBS ist der Mikrocontroller μC mit dem Feldbus FB verbunden. Über den Feldbus FB können Feldbustelegramme zwischen den Feldgeräten und den übergeordneten Einheiten WS1 bzw. WS2 ausgetauscht werden.
Fig. 3 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Telegramms anhand eines Profibusframes FR1. Der Profibusframe FR1 besteht aus mehreren Datenfeldern; SD3 Startfeld, DA Zieladresse, SA Senderadresse, FC Funktionscode, Daten und FCS Frame-Checksumme. Das Datenfeld Daten kann z. B. Messwerte, Abfragen etc. enthalten.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand des in Fig. 4 dargestellten Ablaufdiagramms näher erläutert.
Das Feldgerät F1 empfängt ein Telegramm T1 , das nach den Regeln des Foundation Fieldbus aufgebaut ist. Das Telegramm T1 enthält neben den Nutzdaten eine Reihe von Kontroll- und Steuersequenzen entsprechend dem verwendeten Feldbustelegramm (hier Foundation Fieldbus). Dieses Feldbustelegramm T1 wird von der Feldbusschnittstelle FBS nach erfolgreicher CRC-Überprüfung an das Feldbus-Stapelprogramm ST1 weitergeleitet. Bei dem Feldbus-Stapelprogramm ST1 handelt es sich um ein Profibus Stapelprogramm ( Profibus-Stack). Da das Telegramm T1 nach den Foundation Fieldbus Regeln aufgebaut ist, können Nutzdaten aus diesem Telegramm mit Hilfe des Stapelprogramms ST1 nicht gewonnen werden und somit auch nicht eine Anwendung weitergeleitet werden.
Das Feldbus Stapelprogramm ST1 signalisiert einen Verarbeitungsfehler. Daraufhin wird das Stapelprogramm ST2 geladen und das nächste über den Feldbus FB gesendete Telegramm T2 empfangen. Das Telegramm T2 wird an das Stapelprogramm ST2 übergeben und in diesem abgearbeitet Ist das Stapelprogramm ST2 ein Foundation Fieldbus Stapelprogramm (FF-Stack) so können Nutzdaten aus dem Telegramm gewonnen werden und an die entsprechende Anwendung im Feldgerät F1 weitergegeben werden. Mit Hilfe der Nutzdaten können so im Feldgerät F1 z.B. Diagnoseprogramme gestartet, Messwerte ausgelesen oder Parameterwerte geändert werden. Bei richtiger Verarbeitung des Telegramms T2 im Feldbus Stapelprogramm ST2 wird dieses Stapelprogramm auch weiterhin verwendet um nachfolgende Telegramme T zu lesen bzw. um Telegramme vom Feldgerät F1 aus über den Feldbus zu versenden.
Um eine schnelle Anpassung an das verwendete Busprotokoll zu ermöglichen, ist es sinnvoll, die Reihenfolge der Feldbus Stapelprogramme ST1 , ST2, ST3 entsprechend ihres Verbreitungsgrades in der Prozessautomatisierungswelt zu wählen. Am Anfang sollten die Stapelprogramme der am weitesten verbreiteten Feldbussysteme stehen.
Neben einer sequentiellen Abarbeitung von mehreren Telegrammen in verschiedenen Stapelprogrammen, ist auch die parallele Verarbeitung eines Telegramms in mehreren Stapelprogrammen denkbar. Dies ist nur eine Frage der Größe der Stapelprogramme und der Größe des Programmspeichers im Feldgerät. Eine parallele Abarbeitung ermöglicht natürlich eine schnellere Anpassung an das auf dem Feldbus verwendete Busprotokoll.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es leicht an neue Protokolle anpassbar ist. Hierzu muss nur das entsprechende Stapelprogramm im Feldgerät abgespeichert werden, so dass Telegramme auch mit diesem abgearbeitet werden können.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass dieses Verfahren nicht nur bei Feldbussystemen sondern bei beliebigen Kommunikationsnetzwerken eingesetzt werden kann, bei denen unterschiedliche Netzwerkprotokolle Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur automatischen Anpassung eines busfähigen Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik an das auf dem Feldbus verwendete Feldbusprotokoll, mit mehreren im Feldgerät abgespeicherten Feldbus Stapelprogrammen, die zur Gewinnung von Nutzdaten aus Telegrammen verschiedener Feldbussysteme dienen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrenschritte:
• Empfangen von über den Feldbus gesendeten Telegrammen • Übergabe der Telegramme an die Feldbus Stapelprogramme • Abarbeiten der Telegramme in den Feldbus Stapelprogrammen • Auswahl des Feldbus Stapelprogramms für den weiteren Datenaustausch mit dem Feldbus, das weiterverarbeitbare Nutzdaten aus mindestens einem Telegramm gewinnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die empfangenen Telegramme nacheinander an die verschiedenen Feldbus Stapelprogramme übergeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein Telegramm an verschiedene Feldbus Stapelprogramme übergeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Feldbus Stapelprogramme im Feldgerät abgespeichert sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Feldbus Stapelprogramm ein Profibus PA Stack oder ein Foundation Fieldbus Stack ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Feldgerät ein Temperatursensor ist. Feldgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2004/007979 2003-08-01 2004-07-16 Verfahren zur automatischen anpassung eines busfähigen feldgerätes der prozessautomatisierungstechnik an das auf dem feldbus verwendete busprotokoll WO2005013020A1 (de)

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