WO2011006740A1 - System zur steuerung und/oder überwachung einer prozessanlage in der automatisierungstechnik - Google Patents

System zur steuerung und/oder überwachung einer prozessanlage in der automatisierungstechnik Download PDF

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WO2011006740A1
WO2011006740A1 PCT/EP2010/058783 EP2010058783W WO2011006740A1 WO 2011006740 A1 WO2011006740 A1 WO 2011006740A1 EP 2010058783 W EP2010058783 W EP 2010058783W WO 2011006740 A1 WO2011006740 A1 WO 2011006740A1
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PCT/EP2010/058783
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Dietmar FRÜHAUF
Armend Zenuni
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • G05B2219/25428—Field device

Definitions

  • the invention relates to a system for controlling and / or monitoring a process plant in automation technology with a higher-level control unit and with at least one Ethernet-capable field device.
  • Measuring devices / sensors such as
  • Level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc. which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity.
  • actuators are valves or pumps, via which, for example, the flow of a liquid in a pipe section or the
  • Field devices are all devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information.
  • field devices are usually also those units which can be connected directly to a field bus and are used for communication with the fieldbus
  • These devices can be remote I / Os, gateways or linking devices, wireless adapters or
  • Display devices act. A variety of such field devices is from the
  • the higher-level unit is a control system or a control unit, such as a PLC (programmable logic controller).
  • PLC programmable logic controller
  • the measured values acquired by the field devices, in particular by sensors, are transmitted via the connected bus system to one or possibly also to a plurality of higher-level unit (s).
  • Field devices are used in particular for configuring and parameterizing field devices or for diagnostic purposes. Generally speaking, the field device is operated or controlled via the bus system from the higher-level unit. The power supply to a fieldbus
  • Connected field devices in which the corresponding bus protocol is implemented also takes place via the respective fieldbus.
  • a disadvantage of the fieldbuses known in automation technology is their relatively low transmission rates.
  • the field devices become increasingly complex in their functionality, this leads, in particular in the case of parameterization and configuration, but also in the case of the transmission of large amounts of measurement data from the field device to the control unit to long transmission times, which for the customer, ie the operator of
  • the high-speed Ethernet buses used in process automation at the control system level are the high-speed Ethernet buses used in process automation at the control system level.
  • Modbus / IDA the Ethernet / IP
  • the FF HSE The switch between the control system level, in which the data is transmitted at transmission rates of 10 Mbit / s, and the field level, in which the communication is e.g. for HART with a transfer rate of 1.2 kbps, forms a so-called.
  • a corresponding gateway is offered and distributed by the company group Endress + Hauser under the name Fieldgate. While at the control system level the gateway has the function of a slave, it has the function of a master at the field level.
  • Ethernet For real-time applications, it has become known to use Ethernet to access the field devices at the field level via a gateway from the control system. This is possible in the case of Industrial Ethernet.
  • Well-known Industrial Ethernet solutions for real-time applications use highly specialized hardware solutions.
  • the invention has for its object to propose a system that allows data with a high transfer rate between the
  • Control system level and the field level are Control system level and the field level.
  • control unit and the field device are connected to one another via an Ethernet connection on which the Ethernet protocol runs, that the control unit is assigned an operating software module which is both for operation via a fieldbus of the process automation technology by means of a fieldbus protocol as well as for operation via Ethernet by means of the Ethernet protocol is used, and wherein the field device is assigned a communication interface that the
  • the communication interface is preferably an Ethernet interface.
  • the invention makes it possible to use standardized industrial protocols, such as the HART, Profibus PA or the Fieldbus Foundation protocol, whereby, however, a significantly higher data transmission rate is achieved than in the solutions that have become known hitherto. This is made possible by the direct access via Ethernet to the field device, whereby the commands of the fieldbus protocol in use can be processed directly. Of course, the higher data transmission rate also considerably improves the performance of the field device. It is also advantageous that known configuration or
  • Control system level is not affected at all. It is considered particularly advantageous in connection with the invention, if a Power over Ethernet interface is provided, which in the
  • Ethernet connection is introduced.
  • This solution has the advantage that the energy and the data transmission can take place via the same connection line.
  • Power over Ethernet enables direct access from the control level to the field level.
  • the Power over Ethernet interface be intrinsically safe
  • a Power over Ethernet Switch from MTL is used.
  • other intrinsically safe components such as those offered and sold by MTL, may be used in conjunction with the present invention.
  • these components are optical waveguides or radio transmission components that are able to increase the usual Ethernet transmission distance of about 100 m.
  • a separate power supply unit is possible, which supplies the field device with energy.
  • a serial interface is provided, which between a first
  • Microprocessor which is intended for the implementation of the communication
  • a second microprocessor which is associated with the sensor / actuator front end, is arranged so that the data exchange between the first microprocessor and the second microprocessor can be done with the usual Ethernet high data transmission rate. It is known from the prior art that e.g. a HART field device and the gateway via corresponding HART commands on the physical layer
  • the data transfer rate of the HART commands between the two microprocessors thus depends only on the clock frequency or of the
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention proposes several Ethernet-capable field devices with the same or different fieldbus protocols, which communicate with the control unit via different communication links.
  • the communication between the Ethernet-capable or the Ethernet-capable field devices and the control unit is wireless or wired.
  • Fig. 1 a comparison of the known from the prior art solution and the inventive solution.
  • Fig. 2 the software architecture of the inventive solution and
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the solution according to the invention in an intrinsically safe embodiment.
  • Fig. 1 shows a comparison of the known from the prior art solution and the inventive solution.
  • the solution of the prior art is shown schematically in the left portion of FIG. 1.
  • the configuration and management system 1 which is, for example, the "FieldCare" tool of the Endress + Hauser Group, is connected to a gateway 2 or a linking device via an Ethernet MAU 8, ie a medium access unit ,
  • the gateway 2 establishes the connection between the control system or control level, which has data transmission rates of 10 Mbit / sec due to the use of Ethernet, and the field level, where the data transmission rates are usually three orders of magnitude lower.
  • the data transfer rate is 1.2 Kbit / sec.
  • the Ethernet link 11 may be both wired and wireless as a radio link, e.g. Wi-Fi, be configured.
  • the gateway 2 is fed via a separate power supply unit 4, which necessitates additional wiring.
  • the gateway 2 and the field device 3 are via respective modems 5, 6, the gateway 2 and the
  • Field device 3 are associated with each other.
  • the data transmission takes place at the field bus level via the HART protocol; Accordingly, the modems 5, 6 configured as HART modems.
  • the transmission of data via the HART modems 5, 6 undoubtedly ceases Bottleneck, since the data transfer rate is done with the usual at the field bus level slow data transfer rate. While on the
  • the gateway 2 acts at the company level as a slave with respect to the control system 21.
  • the control system 21 may be
  • control systems PCS7 from Siemens, Symphony from ABB and Delta V from Emerson.
  • Microprocessor 9 which is intended for the implementation of the communication, and between the HART modem of the gateway 2 and the second
  • Microprocessor 10 which is assigned to the sensor / actuator front-end 3, an interface 12 is provided in each case.
  • the data transmission via the interfaces 12 throttles the usual high Ethernet data transmission rate, so that the access to the field device 3 takes place with the usual slow data transmission rate on the fieldbus level.
  • the solution according to the invention can be seen in the right-hand area of FIG. 1.
  • the field device 3 is accessed via a fast Ethernet bus.
  • a power over Ethernet interface 14 is provided on the field device 3.
  • a serial interface 13 designed intrinsically safe.
  • a serial interface 13 in the case shown is a UART interface, which is designed as a serial interface with a high data transmission rate, is between the first microprocessor 9 and the second Microprocessor 10 is provided.
  • alternative serial interfaces such as SPI or 12C interfaces can also be used.
  • the first microprocessor 9 provides for the implementation of the communication, while the second microprocessor is assigned to the sensor / actuator frontend and performs the control of the field device 3 and the measured value processing. Via the serial interface 13, the data exchange between the first microprocessor 9 and the second microprocessor 10 with the usual for the microprocessors 9, 10 clock rate of 10-100 Mbit / sec.
  • Essential for the software realization of the invention are, on the one hand, the tunneling of the fieldbus protocol, e.g. of the HART Protocol on the
  • Ethernet protocol and on the other hand WebService provided by a web server. Further information on the basic structure of the software is shown in FIG. 2.
  • the so-called Embedded Operating System 16 plays an outstanding role, since it handles, among other things, task, time and memory management.
  • it is an RTOS, so a Real Time Operating System.
  • protocol stacks shown here is the TCP / IP protocol stack included. Of course it can be too to handle UDP protocol stacks.
  • all known intranet / internet protocols can be used.
  • the WebServer Service 17 handles the requests and creates the response to the requests.
  • the WebServer Service 17 handles the requests and creates the response to the requests.
  • the request In case of a HART request via TCP / IP, the
  • HART commands are unpacked from the TCP packet.
  • the WebServer 17 activates the HART Scanner / Master Service 18 to check if a HART command is correct. After the test, the HART sends
  • the Generator Service 19 generates HTML pages or XML data. The answer is either in the form of a web page or in the form of an XML data file.
  • the configuration data such as the IP address, are stored in the data memory component 20.
  • the webpage can be called from a standard web browser.
  • the minimum content of the webpage is e.g. the name of the field device that
  • the power supply of the field device must be galvanic
  • the control plane Ethernet is isolated from the intrinsically safe Ethernet.
  • the Ethernet switch 14 is decoupled from the non-intrinsically safe Ethernet via an Ethernet isolator.
  • 4 field devices or sensors / actuators can be connected to the Ethernet switch.
  • Each field device 3 receives its energy via the Ethernet switch 14.
  • Both the Ethernet switch and the Ethernet interface 14 are configured intrinsically safe.
  • the energy supply can also take place via a separate energy supply. Possibly. This is also designed intrinsically safe.
  • a firewall e.g. A Tofino component is provided which ensures a secure network connection at the fieldbus level. Since the firewall is not intrinsically safe, it must be between the non-intrinsically safe Ethernet
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an advantageous embodiment of the solution according to the invention, which is suitable for use in potentially explosive atmospheres.
  • the barriers or limiting components 22, which ensure both the intrinsic safety of the power supply lines and the lines of communication, are designed to meet the criteria for a desired type of explosion protection.
  • a serial interface marked here with RJ45
  • the communication and the power supply of the main electronics which is referred to as a microcontroller or FPGA, forth from the parent control unit not shown separately in Fig. 3 forth.
  • the main electronics are connected to the sensor electronics via an interface 'Interface to other components'.
  • the data transmission from the main electronics to the sensor electronics takes place via three serial interfaces, which in the case shown are UART interfaces which are used as a serial interface with a high-level interface
  • Serial interfaces such as SPI or 12C interfaces can also be used.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung und/oder Überwachung einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik mit einer übergeordneten Steuereinheit (1) und mit zumindest einem Ethernet-fähigen Feldgerät (3), wobei die Steuereinheit (1) und das Feldgerät (3) über eine Ethernet-Verbindung (11), auf der das Ethernetprotokoll läuft, miteinander verbunden sind, wobei der Steuereinheit (1) ein Bediensoftware-Modul (9, 10) zugeordnet ist, das sowohl zur Bedienung über einen Feldbus (15) der Prozessautomatisierungstechnik mittels eines Feldbusprotokolls als auch zur Bedienung über Ethernet mittels des Ethernetprotokolls dient, und wobei dem Feldgerät (3) eine Kommunikationsschnittstelle (14) zugeordnet ist, die das entsprechende Feldbusprotokoll auf das Ethernet-Protokoll abbildet, so dass die Steuereinheit (1) direkt über die Ethernet Verbindung (11) mit dem Feldgerät (3) kommuniziert.

Description

System zur Steuerung und/oder Überwachung
einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik
Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung und/oder Überwachung einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik mit einer übergeordneten Steuereinheit und mit zumindest einem Ethernet-fähigen Feldgerät.
In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomati- sierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte/Sensoren, wie beispielsweise
Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von
Prozessgrößen werden Aktoren eingesetzt. Beispielsweise handelt es sich bei den Aktoren um Ventile oder Pumpen, über die sich beispielsweise der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der
Füllstand in einem Behälter ändern lässt.
Als Feldgeräte werden alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
Neben den zuvor genannten Messgeräten/Sensoren und Aktoren werden als Feldgeräte üblicherweise auch solche Einheiten bezeichnet, die direkt mit einem Feldbus verbindbar sind und zur Kommunikation mit der
übergeordneten Einheit dienen. Bei diesen Geräten kann es sich um Remote I/Os, Gateways bzw. Linking Devices, um Wireless Adapters oder um
Anzeigegeräte handeln. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der
Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Feldbussysteme, wie z.B. Profibus®, Foundation Fieldbus®, HART®, etc. mit einer übergeordneten Einheit verbunden. Normalerweise handelt es sich bei der übergeordneten Einheit um ein Leitsystem oder eine Steuereinheit, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung). Die übergeordnete Einheit dient unter anderem zur Prozesssteuerung,
Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte.
Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messwerte werden über das angeschlossene Bussystem an eine oder gegebenenfalls auch an mehrere übergeordnete Einheit(en) übermittelt. Die Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die
Feldgeräte dient insbesondere zur Konfigurierung und Parametrierung von Feldgeräten oder zu Diagnosezwecken. Allgemein gesprochen, wird das Feldgerät über das Bussystem von der übergeordneten Einheit her bedient bzw. gesteuert. Die Energieversorgung der an einen Feldbus
angeschlossenen Feldgeräte, in denen das entsprechende Bus-Protokoll implementiert ist, erfolgt gleichfalls über den jeweiligen Feldbus.
Nachteilig bei den in der Automatisierungstechnik bekannten Feldbussen sind deren verhältnismäßig geringe Übertragungsraten. Da die Feldgeräte in ihrer Funktionalität immer komplexer werden, führt dies insbesondere im Falle der Parametrierung und Konfigurierung aber auch im Falle der Übertragung von großen Mengen von Messdaten vom Feldgerät zur Steuereinheit zu langen Übertragungszeiten, was für den Kunden, sprich den Betreiber der
Prozessanlage, natürlich nachteilig ist.
Daher ist es in der Automatisierungstechnik bekannt geworden, die Daten zwischen der Steuerebene und der Feldebene vice versa über einen High Speed Ethernet-Bus zu übertragen. Im Gegensatz zu den aus der Office-Welt bekannten Ethernet Bussen müssen die industriellen Ethernet-Busse noch zusätzliche Anforderungen erfüllen. Insbesondere müssen Sie in der Lage sein, - bei zeitkritischen Anwendungen die Daten auf Anforderung sehr schnell zu übertragen bzw. innerhalb kürzester Zeit hohe Datenraten zu übertragen,
- sie müssen unter rauen Umgebungsbedingungen in der unwirtlichen Umgebung in einer Industrieanlage funktionieren,
- sie müssen in hohem Maße unanfällig sein gegenüber Störeinflüssen, wie elektromagnetischen Einstrahlungen und mechanischen
Vibrationen. Bei den in der Prozessautomatisierung auf der Leitsystemebene eingesetzten High Speed Ethernet- Bussen handelt es sich beispielsweise um den
Modbus/IDA, das Ethernet/IP, den FF HSE. Das Vermittlungsglied zwischen der Leitsystemebene, in der die Daten mit Übertragungsraten von 10MBit/s übertragen werden, und der Feldebene, in der sich die Kommunikation z.B. für HART mit einer Übertragungsrate von 1.2 KBit/s erfolgt, bildet ein sog.
Linking Device bzw. ein Gateway. Ein entsprechendes Gateway wird von der Firmengruppe Endress+Hauser unter der Bezeichnung Fieldgate angeboten und vertrieben. Während auf der Leitsystemebene das Gateway die Funktion eines Slaves hat, hat es auf der Feldebene die Funktion eines Masters.
Der Vorteil dieser bekannten Lösung ist darin zu sehen, dass vorhandene Installationen von Feldgeräten in einer Prozessanlage, die als
Kommunikationsstandard beispielsweise HART benutzen, an einen
industriellen Ethernet Bus angebunden werden können. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass zwar auf der Leitsystemebene der Vorteil der hohen Übertragungsraten zum Tragen kommt; hingegen erfolgt auf der Feldebene die Datenübertragung mit der im Bereich der Feldbusse üblichen relativ geringen Datenübertragungsraten. Für Echtzeitanwendungen sind die bekannten Lösungen daher nur eingeschränkt geeignet.
Für Echtzeitanwendungen ist es bekannt geworden, mit Ethernet über ein Gateway vom Leitsystem auf die Feldgeräte in der Feldebene durchzugreifen. Dies ist im Falle von Industrial Ethernet möglich. Hier bleibt die Hardware der Feldgeräte selbst unverändert, während die Schnittstelle so ausgestaltet ist, dass die Daten über Ethernet zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät übermittelt werden können. Bei bekannten Industrial Ethernet Lösungen für Real Time Anwendungen kommen hoch spezialisierte Hardware Lösungen zum Einsatz.
Nachteilig bei den bekannt gewordenen Lösungen betreffend Ethernet-fähige Feldgeräte ist natürlich auch die Verwendung einer zusätzlichen
Kabelverbindung, die für die Stromversorgung des Gateways und der an den industriellen Ethernet-Bus angeschlossenen Feldgeräte vorgesehen sein muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System vorzuschlagen, das es erlaubt, Daten mit einer hohen Übertragungsrate zwischen der
Leitsystemebene und der Feldebene zu übertragen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit und das Feldgerät über eine Ethernet-Verbindung, auf der das Ethernetprotokoll läuft, miteinander verbunden sind, dass der Steuereinheit ein Bediensoftware- Modul zugeordnet ist, das sowohl zur Bedienung über einen Feldbus der Prozessautomatisierungstechnik mittels eines Feldbusprotokolls als auch zur Bedienung über Ethernet mittels des Ethernetprotokolls dient, und wobei dem Feldgerät eine Kommunikationsschnittstelle zugeordnet ist, die das
entsprechende Feldbusprotokoll auf das Ethernet-Protokoll abbildet, so dass die Steuereinheit direkt über Ethernet mit dem Feldgerät kommuniziert. Bei der Kommunikationsschnittstelle handelt es sich bevorzugt um eine Ethernet- Schnittstelle. Die Erfindung ermöglicht es, standardisierte Industrieprotokolle, wie das HART-, Profibus PA- oder das Fieldbus Foundation-Protokoll, zu nutzen, wobei allerdings eine wesentlich höhere Datenübertragungsrate erreicht wird, als bei den bislang bekannt gewordenen Lösungen. Möglich wird dies durch den direkten Zugriff via Ethernet auf das Feldgerät, wodurch die Kommandos des im Einsatz befindlichen Feldbusprotokolls direkt verarbeitet werden können. Durch die höhere Datenübertragungsrate lässt sich natürlich auch die Performance des Feldgeräts erheblich verbessern. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass bekannte Konfigurations- oder
Managementsysteme, beispielsweise das Tool FieldCare, das von der Endress+Hauser Gruppe angeboten und vertrieben wird, weiterhin
unverändert genutzt werden können, da die Steuer-Software auf der
Leitsystemebene überhaupt nicht beeinflusst wird. Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der Erfindung angesehen, wenn eine Power over Ethernet-Anschaltung vorgesehen ist, die in die
Ethernet-Verbindung eingebracht ist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Energie- und die Datenübertragung über die gleiche Verbindungsleitung erfolgen können. Weiterhin ermöglicht Power over Ethernet den direkten Zugriff von der Steuerebene auf die Feldebene. Weiterhin ist es möglich, über Power over Ethernet genügend Energie für energieintensive Anforderungen zur Verfügung zu stellen. In diesem Zusammenhang wird darüber hinaus vorgeschlagen, die Power over Ethernet-Anschaltung eigensicher
auszugestalten. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es möglich, die
erfindungsgemäße Vorrichtung im explosionsgefährdeten Bereich
einzusetzen. Bevorzugt kommt in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Power over Ethernet Switch der Firma MTL zum Einsatz. Darüber hinaus können weitere eigensichere Komponenten, wie sie beispielsweise von der Firma MTL, angeboten und vertrieben werden, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Insbesondere handelt es sich bei diesen Komponenten um Lichtwellenleiter oder Funk-Übertragungskomponenten, die in der Lage sind, die übliche Ethernet-Übertragungsstrecke von ca. 100 m zu vergrößern. Selbstverständlich ist auch eine separate Energieversorgungseinheit möglich, die das Feldgerät mit Energie versorgt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine serielle Schnittstelle vorgesehen, die zwischen einem ersten
Mikroprozessor, der für die Umsetzung der Kommunikation vorgesehen ist, und einem zweiten Mikroprozessor, der dem Sensor/Aktor Frontend zugeordnet ist, angeordnet ist, so dass der Datenaustausch zwischen dem ersten Mikroprozessor und dem zweiten Mikroprozessor mit der bei Ethernet üblichen hohen Datenübertragungsrate erfolgen kann. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass z.B. ein HART-Feldgerät und das Gateway über entsprechende HART Kommandos auf der physikalischen Schicht
miteinander kommunizieren. Erfindungsgemäß wird diese physikalische
Schicht eliminiert, wodurch die beiden Mikroprozessoren auf einer Leiterkarte miteinander verbunden werden können.
Die Datenübertragungsrate der HART Kommandos zwischen den beiden Mikroprozessoren hängt somit nur von der Taktfrequenz bzw. von der
Performance der Mikroprozessoren ab; sie ist aber unabhängig von dem Transport der Daten auf der physikalischen Schicht, auf der die HART Kommandos üblicherweise übermittelt werden. Somit ist bevorzugt zwischen den beiden Mikroprozessoren eine Hochgeschwindigkeits-UART Schnittstelle vorgesehen. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Lösung zumindest eine der ansonsten dem Feldgerät und dem Gateway zugeordneten
Energieversorgungseinheiten eingespart werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt mehrere Ethernet-fähige Feldgeräte mit gleichen oder unterschiedlichen Feldbusprotokollen vor, die über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen mit der Steuereinheit kommunizieren. Die Kommunikation zwischen dem Ethernet-fähigen bzw. den Ethernet-fähigen Feldgeräten und der Steuereinheit erfolgt drahtlos oder drahtgebunden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 : eine Gegenüberstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung und der erfindungsgemäßen Lösung. Fig. 2: die Software Architektur der erfindungsgemäßen Lösung und
Fig. 3: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung in einer eigensicheren Ausgestaltung.
Fig. 1 zeigt eine Gegenüberstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung und der erfindungsgemäßen Lösung. Die Lösung des Standes der Technik ist im linken Bereich der Fig. 1 schematisch dargestellt. Das Konfigurations- und Managementsystem 1 , bei dem es sich beispiels- weise um das Tool "FieldCare" der Endress+Hauser Gruppe handelt, ist mit einem Gateway 2 bzw. einem Linking Device über eine Ethernet MAU 8, also eine Medium Access Unit, verbunden. Das Gateway 2 stellt die Verbindung her zwischen der Leitsystem- oder Steuerebene, auf der aufgrund der Nutzung von Ethernet Datenübertragungsraten von 10 Mbit/sec vorliegen, und der Feldebene, auf der die Datenübertragungsraten üblicherweise um drei Größenordnungen niedriger liegen. Beim HART-Protokoll liegt die Datenübertragungsrate bei 1.2 Kbit/sec.
Die Ethernetverbindung 11 kann übrigens sowohl drahtgebunden als auch drahtlos als Funkverbindung, z.B. WLAN, ausgestaltet sein. Das Gateway 2 wird über eine separate Energieversorgungseinheit 4 gespeist, was eine zusätzliche Verkabelung notwendig macht. Das Gateway 2 und das Feldgerät 3 sind über entsprechende Modems 5, 6, die dem Gateway 2 und dem
Feldgerät 3 zugeordnet sind, miteinander verbunden. Im dargestellten Fall erfolgt die Datenübertragung auf Feldbusebene über das HART-Protokoll; entsprechend sind die Modems 5, 6 als HART Modems ausgestaltet. Die Übertragung der Daten über die HART Modems 5, 6 stellt zweifellos ein Bottleneck dar, da die Datenübertragungsrate mit der auf Feldbusebene üblichen langsamen Datenübertragungsrate erfolgt. Während auf der
Feldbusebene die Feldgeräte 3 mit dem Gateway 2 als Master
kommunizieren, agiert das Gateway 2 auf der Firmenebene als Slave in Bezug auf das Leitsystem 21. Bei dem Leitsystem 21 kann es sich
beispielsweise um die Leitsysteme PCS7 von Siemens, Symphony von ABB und Delta V von Emerson handeln.
Dargestellt ist die aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Lösung detaillierter im mittleren Bereich von Fig. 1. Zwischen dem ersten
Mikroprozessor 9, der für die Umsetzung der Kommunikation vorgesehen ist, und zwischen dem HART Modem des Gateways 2 und dem zweiten
Mikroprozessor 10, der dem Sensor/Aktor Frontend 3 zugeordnet ist, ist jeweils eine Schnittstelle 12 vorgesehen. Die Datenübertragung über die Schnittstellen 12 drosselt die bei Ethernet übliche hohe Datenübertragungsrate, so dass der Durchgriff auf das Feldgerät 3 mit der auf Feldbusebene üblichen langsamen Datenübertragungsrate erfolgt.
Über die Prozessschnittstelle 7 ist ein nicht gesondert dargestellter
Messaufnehmer mit dem Feldgerät 3 verbunden. Im gezeigten Fall handelt es sich um ein 4-2OmA Feldgerät 3, wobei dem Stromsignal die HART-Signale überlagert sind.
Die erfindungsgemäße Lösung ist im rechten Bereich der Fig. 1 zu sehen. Über einen schnellen Ethernet Bus erfolgt der Zugriff auf das Feldgerät 3. An dem Feldgerät 3 ist im gezeigten Fall eine Power over Ethernet Schnittstelle 14 vorgesehen. Je nach Anwendungsfall ist die Power over Ethernet
Schnittstelle 14 eigensicher ausgestaltet. Eine serielle Schnittstelle 13, im gezeigten Fall handelt es sich um eine UART Schnittstelle, die als serielle Schnittstelle mit hoher Datenübertragungsrate ausgestaltet ist, ist zwischen dem ersten Mikroprozessor 9 und dem zweiten Mikroprozessor 10 vorgesehen. Selbstverständlich können auch alternative serielle Schnittstellen, wie SPI- oder l2C-Schnittstellen verwendet werden.
Der erste Mikroprozessor 9 sorgt für die Umsetzung der Kommunikation, während der zweite Mikroprozessor dem Sensor/Aktor Frontend zugeordnet ist und die Ansteuerung des Feldgeräts 3 und die Messwertverarbeitung durchführt. Über die serielle Schnittstelle 13 erfolgt der Datenaustausch zwischen dem ersten Mikroprozessor 9 und dem zweiten Mikroprozessor 10 mit der für die Mikroprozessoren 9, 10 üblichen Taktrate von 10-100 Mbit/sec.
Neben dem Tunneln von HART Daten auf dem Ethernet Protokoll ist es natürlich auch mögliche, beliebige Feldbusprotokolle zu tunneln. Hierzu muss lediglich die Software des Kommunikations-Mikroprozessors 9 entsprechend angepasst werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, einen oder beide Mikroprozessoren 9, 10 als FPGA auszugestalten. Somit ist eine optimale Anpassung an die vorliegenden Gegebeneinheiten möglich. Es versteht sich von selbst, dass die von den beiden Mikroprozessoren 9, 10 ausgeführten Funktionen ggf. auch in einem Mikroprozessor realisiert sein können.
Wesentlich für die softwaremäßige Realisierung der Erfindung sind einerseits das Tunneln des Feldbusprotokolls, z.B. des HART Protokolls auf dem
Ethernet Protokoll, und andererseits der von einem WebServer bereitgestellt WebService. Nähere Information zum prinzipiellen Aufbau der Software ist der Fig. 2 zu entnehmen.
Das sog. Embedded Operating System 16 spielt eine herausragende Rolle, da es u.a. das Aufgaben-, das Zeit-, und das Speicher-Management abwickelt. Bevorzugt handelt es sich um ein RTOS, also ein Real Time Operating System. Weiterhin sind hier die Protokoll-Stacks, gezeigt ist hier der TCP/IP Protokoll Stack, enthalten. Selbstverständlich kann es sich auch um UDP-Protokoll-Stacks handeln. Auf der Anwendungsebene können alle bekannten Intranet/Internet Protokolle verwendet werden.
Der WebServer Service 17 behandelt die Anfragen und erstellt die Antwort auf die Anfragen. Im Falle einer HART Anfrage über TCP/IP müssen die
HART Kommandos aus dem TCP Paket entpackt werden. Der WebServer 17 aktiviert den HART Scanner/Master Service 18, um zu überprüfen, ob ein HART Kommandos korrekt ist. Nach dem Test sendet der HART
Scanner/Master Service 18 das HART Kommando über die UART
Schnittstelle 13 zu dem entsprechenden Sensor/Aktor 3. Die Antwort wird entsprechend zurückgeleitet. Im Falle einer HTTP Anfrage aktiviert der WebServer 17 den WebSeiten Generator Service 19 . Der WebSeiten
Generator Service 19 erzeugt HTML Seiten oder XML Daten. Die Antwort erfolgt entweder in Form einer WebSeite oder in Form eines XML Daten Files. Die Konfigurationsdaten, wie z.B. die IP Adresse, sind in der Daten Speicher Komponente 20 hinterlegt.
Die WebSeite kann von einem Standard WebBrowser aufgerufen werden. Der minimale Inhalt der WebSeite ist z.B. der Name des Feldgeräts, die
Beschreibung des Feldgeräts und die von dem Feldgerät ermittelten
Messwerte.
Um die Eigensicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sicherzustellen, müssen folgende Anforderungen erfüllt sein: - die Energieversorgung des Feldgeräts muss eine galvanische
Trennung und energiebegrenzende Komponenten zwischen dem sicheren und dem gefährdeten Bereich aufweisen, so dass
sichergestellt ist, dass die Energiezufuhr in den geschützten Bereich auf das den jeweiligen Ex-Schutz Anforderungen entsprechende Maß beschränkt ist. - Der Power over Ethernet Switch 14 muss sowohl bezüglich der
Energieübertragung als auch der Datenübertragung eigensicher ausgestaltet sein.
- Es muss die Eigensicherheit zwischen der PoE Schnittstelle 14 und der Schnittstelle 7 des Feldgeräts 3 zum Prozess sichergestellt sein.
Das Ethernet auf der Steuerebene ist von dem eigensicheren Ethernet isoliert. Hierzu ist der Ethernet Switch 14 über einen Ethernet Isolator von dem nicht eigensicheren Ethernet entkoppelt. Beispielsweise sind an den Ethernet Switch 4 Feldgeräte bzw. Sensoren/Aktoren anschließbar. Jedes Feldgerät 3 erhält seine Energie über den Ethernet Switch 14. Sowohl der Ethernet Switch als auch die Ethernet Schnittstelle 14 sind eigensicher ausgestaltet. Wie bereits zuvor erwähnt, kann die Energieversorgung auch über eine separate Energieversorgung erfolgen. Ggf. ist diese auch eigensicher ausgestaltet. Um das Netzwerk mit Ethernet Switch 14 und mit ggf. vier angeschlossenen Sensoren gegen einen unberechtigten Zugriff zu sichern, ist weiterhin eine Firewall, z.B. eine Tofino Komponente vorgesehen, die für eine sichere Netzwerkanbindung auf Feldbusebene sorgt. Da die Firewall nicht eigensicher ist, muss sie zwischen dem nicht eigensicheren Ethernet
Netzwerk und der/den Begrenzungskomponente/n 22, also dem Ethernet Isolator, angeordnet sein. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäße Lösung, die für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich geeignet ist. Die Barrieren bzw. die Begrenzungskomponenten 22, die sowohl die Eigensicherheit der Leitungen für die Energieversorgung als auch die Leitungen für die Kommunikation sicherstellen, sind so ausgestaltet, dass die Kriterien für eine gewünschte Explosionsschutzart erfüllt sind. Über eine serielle Schnittstelle, hier gekennzeichnet mit RJ45, erfolgt die Kommunikation und die Energieversorgung der Hauptelektronik, die als MikroController bzw. FPGA bezeichnet ist, von der übergeordneten in Fig. 3 nicht gesondert dargestellten Steuereinheit her. Die Hauptelektronik ist mit der Sensorelektonik über eine Schnittstelle 'Interface to other components' verbunden.
Die Datenübertragung von der Hauptelektronik zur Sensorelektronik erfolgt über drei serielle Schnittstellen, bei denen es sich im gezeigten Fall um UART Schnittstellen handelt, die als serielle Schnittstelle mit hoher
Datenübertragungsrate ausgestaltet ist. Selbstverständlich können auch alternative serielle Schnittstellen, wie SPI- oder l2C-Schnittstellen verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Konfigurations- oder Managementsystem / Steuereinheit
2 Linking Device oder Gateway
3 Feldgerät
4 Energieversorgung
5 HART Modem
6 HART Modem
7 Schnittstelle zum Prozess
8 Medium Access Unit zum Ethernet
9 erster Mikroprozessor
10 zweiter Mikroprozessor
11 Ethernet Verbindung
12 serielle Schnittstelle
13 serielle Schnittstelle
14 PoE Schnittstelle / Power over Ethernet Anschaltung
15 Feldbus
16 Embedded Operating System
17 WebServer
18 HART Scanner/Master
19 Web Seiten Generator
20 Datenspeicher
21 Leitsystem
22 Begrenzungskomponente

Claims

Patentansprüche
1. System zur Steuerung und/oder Überwachung einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik mit einer übergeordneten Steuereinheit (1 ) und mit zumindest einem Ethernet-fähigen Feldgerät (3), wobei die Steuereinheit (1 ) und das Feldgerät (3) über eine Ethernet-Verbindung (11 ), auf der das Ethernetprotokoll läuft, miteinander verbunden sind, wobei der Steuereinheit (1 ) ein Bediensoftware-Modul (9, 10) zugeordnet ist, das sowohl zur
Bedienung über einen Feldbus (15) der Prozessautomatisierungstechnik mittels eines Feldbusprotokolls als auch zur Bedienung über Ethernet mittels des Ethernetprotokolls dient, und wobei dem Feldgerät (3) eine
Kommunikationsschnittstelle (14) zugeordnet ist, die das entsprechende Feldbusprotokoll auf das Ethernet-Protokoll abbildet, so dass die
Steuereinheit (1 ) direkt über die Ethernet Verbindung (11 ) mit dem Feldgerät (3) kommuniziert.
2. System nach Anspruch 1 , wobei eine Energieversorgungseinheit für eine Power over Ethernet-Anschaltung (14) vorgesehen ist, die in die Ethernet- Verbindung (11 ) eingebracht ist.
3. System nach Anspruch 2, wobei die Power over Ethernet-Anschaltung (14) mittels entsprechender Begrenzungselemente (22) eigensicher ausgestaltet ist.
4. System nach Anspruch 1 , wobei eine separate Energieversorgungseinheit (16) vorgesehen ist, die das Feldgerät (3) mit Energie versorgt.
5. System nach Anspruch 1 , wobei es sich bei der Kommunikationsschnittstelle (14) um eine Ethernet-Schnittstelle handelt.
6. System nach Anspruch 3, wobei eine serielle Schnittstelle (13) vorgesehen ist, die zwischen einem ersten Mikroprozessor (9), der für die Umsetzung der Kommunikation vorgesehen ist, und einem zweiten Mikroprozessor (10) der der Sensorschnittstelle (7) zugeordnet ist, angeordnet ist, und dass der Datenaustausch zwischen dem ersten Mikroprozessor (9) und dem zweiten Mikroprozessor (10) mit der bei Ethernet üblichen hohen
Datenübertragungsrate erfolgt.
7. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Ethernet-fähige Feldgeräte (3) mit gleichen oder unterschiedlichen Feldbusprotokollen vorgesehen sind, die auf Feldbusebene über
unterschiedliche Kommunikationsverbindungen mit der Steuereinheit (1 ) kommunizieren.
8. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommunikation zwischen dem Ethernet-fähigen bzw. den Ethernet- fähigen Feldgeräten (3) und der Steuereinheit (1 ) drahtlos oder
drahtgebunden erfolgt.
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