WO2011032792A1

WO2011032792A1 - Messumformer für ein multisensorsystem, insbesondere als feldgerät für die prozessautomatisierungstechnik und verfahren zum betreiben des messumformers

Info

Publication number: WO2011032792A1
Application number: PCT/EP2010/061934
Authority: WO
Inventors: Stefan Robl
Original assignee: Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2011-03-24
Also published as: DE102009029495A1; US20190187664A1; US10310485B2; CN102498443A; US20120179423A1; US11079736B2; CN102498443B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Messumformer für ein Multisensorsystem, insbesondere als Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik, welcher zur Verarbeitung von Ein- und Ausgangssignalen einen Prozessor (1) aufweist, der mit einem Interface (8, 13) verbunden ist, an welchem ein Sensor (2, 3, 4) zur Übertragung von Daten über eine Übertragungsleitung (5, 6, 7) angeschlossen ist, wobei bei der Kommunikation zwischen dem Prozessor (1) und dem Interface (8, 13) bzw. dem Sensor (2, 3, 4) und dem Interface (8, 13) unterschiedliche Übertragungsraten der Daten auftreten. Um eine Vielzahl von mit unterschiedlichen Wirkprinzipien arbeitenden Sensoren an den Messumformer anschließen zu können, wobei trotz der Vielzahl von Sensoren ein Auftreten von Fehlern bei der Datenübertragung weitgehend verbunden wird, sind mindestens zwei Sensoren (5, 6, 7) vorhanden, wobei in dem Interface (8, 13) für jeden Sensor (5, 6, 7) ein diesem Sensor (5, 6, 7) zugeordnetes Funktionsmodul (9, 10, 11) vorhanden ist und das dem Sensor (5, 6, 7) zugeordnete Funktionsmodul (9, 10, 11) über jeweils eine separate Übertragungsleitung (5, 6, 7) mit dem jeweiligen Sensor (5, 6, 7) verbunden ist.

Description

Messumformer für ein Multisensorsystem, insbesondere als Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik und Verfahren zum Betreiben des

Messumformers Die Erfindung betrifft einen Messumformer für ein Multisensorsystem,

insbesondere als Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik, welcher zur Verarbeitung von Ein- und Ausgangssignalen einen Prozessor aufweist, der mit einem Interface verbunden ist, an welchem ein Sensor zur Übertragung von Daten über eine Übertragungsleitung angeschlossen ist, wobei bei der Kommunikation zwischen dem Prozessor und dem Interface bzw. dem Sensor und dem Interface unterschiedliche Übertragungsraten der Daten auftreten sowie ein Verfahren zum Betreiben des Messumformers.

In der Prozessautomatisierungstechnik wird mit vielen verschiedenen Sensoren gearbeitet. So finden Sensoren, welche den Füllstand, die Leitfähigkeit, den Druck, die Temperatur, einen Stellwinkel oder einen pH-Wert messen genauso Anwendung wie optische Sensoren, die beispielsweise als Trübungssensor oder Absorptionssensor ausgebildet sind. Auch ionensensitive Sensoren, welche unter anderem den Nitratgehalt einer Flüssigkeit detektieren, sind einsetzbar. Um die Eingangssignale dieser unterschiedlichen Sensoren zu verarbeiten, ist ein

Messumformer bekannt, bei welchem diese Sensoren mit je einer, eine geringe Übertragungsrate aufweisenden Übertragungsleitung an einen Adapter führen. Der Adapter ist weiterhin mit einem zentralen Prozessor über ein zentrales Bussystem verbunden, wobei das Bussystem eine hohe Übertragungsrate aufweist. Über den Adapter werden Daten zwischen den Sensoren und dem Prozessor bidirektional ausgetauscht, wobei der Adapter die hohe

Übertragungsrate des Bussystems in die geringe Übertragungsrate der

Übertragungsleitung des Sensors und umgekehrt umwandelt. Dabei werden zum großen Teil digitale Sensoren mit unterschiedlichen Protokollen und

Übertragungsraten verwendet.

Das Bussystem kann nur mit einem Kanal auf den Adapter zugreifen, welcher den Prozessor somit nur mit einem Sensor verbinden kann. Das bedeutet, dass der Prozessor die Sensoren nur nacheinander abfragen bzw. mit ihnen

kommunizieren kann. Bei einem großen Datenaufkommen beeinflussen sich die Sensoren in der einen begrenzten Zeitraum umfassenden Abfrageschleife gegenseitig und es kommt auf Grund des nur sehr langsam arbeitenden Adapters zu einer zeitlichen Überlappung in der Datenübertragung. Darüber hinaus wird die in dem Prozessor bearbeitete Software bei der

Herstellung des Messumfornners auf die vorgegebene Anzahl der

anzuschließenden Sensoren und auf die ausgewählten Typen der Sensoren abgestimmt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer und ein Verfahren zum Betreiben eines Messumformers anzugeben, an welchen eine Vielzahl von mit unterschiedlichen Wirkprinzipien arbeitenden Sensoren anschließbar ist, wobei trotz der Vielzahl von Sensoren ein Auftreten von Fehlern bei der Datenübertragung weitgehend unterbunden wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens zwei Sensoren vorhanden sind, wobei in dem Interface für jeden Sensor ein diesem Sensor zugeordnetes Funktionsmodul vorhanden ist und das dem Sensor zugeordnete Funktionsmodul über jeweils eine Übertragungsleitung mit dem jeweiligen Sensor verbunden ist. Die Erfindung hat den Vorteil, dass für jeden Sensor über das Funktionsmodul ein separater Datenübertragungskanal zum Prozessor gebildet ist. So können die beiden Sensoren gleichzeitig jeweils über das ihnen zugeordnete Modul mit dem Prozessor kommunizieren. Eine

Datenüberlappung wird dabei als Fehlerquelle ausgeschlossen. An den

Messumformer können gleichzeitig Sensoren mit unterschiedlichen Protokollen und verschiedenen Datenübertragungsraten angeschlossen werden.

Es können nicht nur Sensoren unterschiedlichster Konfiguration als

Eingangsbeschaltung an den Messumformer angeschaltet werden, sondern gleichzeitig auch Ausgangsbeschaltungen, die ebenfalls die verschiedensten Komplexitäten und Wirkprinzipien aufweisen und mit den unterschiedlichsten Übertragungsraten arbeiten können. Das Funktionsmodul ist dabei auf die jeweilige Eingangs- bzw. Ausgangsbeschaltung abgestimmt. In einer Ausgestaltung ist das mit dem digitalen Sensor verbundene

Funktionsmodul als UART-Schnittstelle ausgebildet.

In einer Weiterbildung ist das Interface Bestandteil des Prozessors. Damit wird eine Platz sparende Variante des Messumformers realisiert, welche den Einbau des Messumformers in Schalteinheiten gestattet. Vorteilhafterweise ist das Interface als zentraler I/O-Controller in Form eines, eine vorgegebene Menge von verschiedenen und/oder gleichen Funktionsmodulen enthaltenden Logikbaustein ausgebildet, an welchen eine Mehrzahl von Sensoren und Ausgangsschaltungen anschließbar sind. Dabei sind die

Eingangsbeschaltung der Sensoren und die Ausgangsschaltungen als

Erweiterungsblöcke vorgesehen, wobei jeder Erweiterungsblock eine

Identifikationseinheit zur Identifizierung des Erweiterungsblockes aufweist, die mit dem Prozessor verbunden ist, wobei der Prozessor mittels eines

Konfigurationsbitstromes den Erweiterungsblock mit mindestens einem in dem Logikbaustein vorinstallierten Funktionsmodul verbindet. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Auswahlmengen von Funktionsmodulen in unterschiedlichen Konfigurationsbitströmen enthalten sind. Je nach Gerätetyp, wie Messumformer, Analysator oder Probenehmer und/oder je nach Art des Erweiterungsblockes kann der Prozessor entscheiden, den Logikbaustein mit einem anderen, passenden Bitstrom zu konfigurieren.

Alternativ ist das Interface als zentraler I/O-Controller in Form eines partiell dynamisch rekonfigurierbaren Logikbausteins ausgebildet, in welchem das

Funktionsmodul für jeden Sensor frei programmierbar konfiguriert wird. Vor der Programmierung stellt der rekonfigurierbare Logikbaustein eine Hardware ohne Funktionalität dar, in welchen von dem Prozessor eine solche Funktionalität als Funktionsmodul einprogrammiert wird, dass das Funktionsmodul auf den betreffenden Sensor abgestimmt ist und mit diesem optimal zusammenarbeiten kann. Das für einen Sensor programmierte Funktionsmodul umfasst nur einen abgegrenzten Bereich auf dem rekonfigurierbaren Logikbaustein, welches auch als FPGA (field programmable gate array) bezeichnet wird. Somit können auf diesem Logikbaustein auch noch weitere Funktionsmodule konfiguriert werden, die sowohl für weitere Sensoren oder andere Ein- und Ausgabebeschaltungen eingerichtet werden. Die Funktionsmodule werden dabei auf Aufforderung eines in dem als Mikroprozessor ausgebildeten Prozessor ablaufenden

Steuerprogramms konfiguriert. Der Prozessor kann aber auch als

hardwarebasierte Steuereinheit mit einer entsprechenden Ablaufsteuerung ausgebildet sein. Wenn bestimmte Funktionmodule auf dem rekonfigurierbaren Logikbaustein aktuell nicht benötigt werden, stehen deren Ressourcen durch die Belegung mit anderen Funktionsmodulen zur Verfügung. Die partielle

Rekonfiguration des FPGA's hat den Vorteil, einzelne Funktionsmodule innerhalb der Struktur austauschen zu können. In einer Ausgestaltung erfolgt die Konfiguration der Funktionsmodule mittels eines Konfigurationsbitstromes, welcher in den konfigurierbaren Logikbaustein geladen wird. Die Konfigurationsbitströme sind normalerweise in einem externen Flash- Speicher abgespeichert, wobei der Ladevorgang durch das entsprechende Steuerprogramm des Prozessors eingeleitet wird.

In einer Weiterbildung ist an den rekonfigurierbaren Logikbaustein eine

Ausgangsschaltung anschließbar, wobei die Ausgangsschaltung als Aktor oder als Kommunikationssystem oder als Stromausgang oder als Alarmeinrichtung ausgebildet ist und für jeden Typ der Ausgangsschaltung ein entsprechendes Funktionsmodul in dem rekonfigurierbaren Logikbaustein konfiguriert wird. Auch für jede Ausgangsschaltung ist eine als Funktionsmodul ausgebildete Schnittstelle in dem rekonfigurierbaren Logikbaustein enthalten. Damit entfällt ein zentrales Bussystem, was die Ein- und Ausgangsbeschaltungen miteinander verbindet. Auf eine Intelligenz in Form eines Mikroprozessors kann in den Ein- und/oder

Ausgangschaltungen verzichtet werden, da die Intelligenz bereits in den

Funktionsmodulen im rekonfigurierbaren Logikbaustein enthalten ist. Deshalb können als Ein- bzw. Ausgangsschaltungen kostengünstige Bauteile verwendet werden, wobei eine zusätzliche Softwareentwicklung zur Programmierung der Intelligenz auf den Ein- bzw. Ausgangsschaltungen entfällt. Neben dem

Entwicklungsaufwand entfällt auch ein Wartungsaufwand am fertigen Gerät.

Nachträglich aufgefundene Schaltungsfehler können jederzeit im

rekonfigurierbaren Logikbaustein korrigiert werden. Vorteilhafterweise sind an den rekonfigurierbaren Logikbaustein eine Mehrzahl von Sensoren und Ausgangsschaltungen anschließbar, wobei die

Eingangbeschaltung der Sensoren und die Ausgangsschaltungen als

Erweiterungsblöcke vorgesehen sind. Erweiterungsblöcke erhöhen die Flexibilität des Messumformers. Auf Grund der Rekonfigurierbarkeit des Logikbausteines können jederzeit neue Funktionsmodule in den Logikbaustein eingearbeitet werden, wodurch verschiedenartige bzw. neue Protokolle eingelesen werden können. Durch ein einfaches Software- Update können in der Zukunft auch

Funktionsmodule für Sensoren bzw. Schaltungseinheiten konfiguriert werden, die zum heutigen Zeitpunkt noch unbekannt sind. Dadurch erhöht sich die

Lebensdauer des Messumformers bedeutend. In einer Ausgestaltung weist der Erweiterungsblock eine Identifikationseinheit zur Identifizierung des Erweiterungsblockes auf, die mit dem Prozessor verbunden ist, welcher aufgrund der von der Identifikationseinheit bereitgestellten Information das Funktionsmodul in dem rekonfigurierbaren Logikbaustein konfiguriert. Das

Identifikationsmodul informiert den Prozessor darüber, welche Art von Schaltung auf dem Erweiterungsblock angeordnet ist. Wenn es sich beispielsweise um einen Sensor handelt, wird gleichzeitig der genaue Sensortyp angegeben. Nach dem der Prozessor diese Information erhalten hat, konfiguriert er das entsprechende Funktionsmodul in dem Logikbaustein.

In einer Weiterbildung sind die Erweiterungsblöcke als leiterplattenähnliche

Steckmodule ausgebildet, wobei jedem Steckplatz, welcher auf einer zentralen Platine angeordnet ist, auf welcher auch der Prozessor und/oder die

rekonfigurierbare Logikeinheit angeordnet sind, eine Kennzeichnung zugeordnet ist, welche dem Prozessor mit der von der Identifikationseinheit bereitgestellten Information bekannt gemacht wird. Somit erhält der Prozessor nicht nur eine Information über die Art der Beschaltung, sondern kann die Beschaltung auch gleich einer festen Position zuordnen. Daraus folgt, dass das Funktionsmodul derart in der rekonfigurierbaren Logikschaltung platziert wird, dass die Ausgänge der Logikschaltung an den angezeigten Steckplatz führen.

Vorteilhafterweise kommuniziert die Identifikationseinheit des Erweiterungsblockes über ein Bussystem mit dem Prozessor. Dabei werden für diese Kommunikation Standard-Bussysteme eingesetzt, wie beispielsweise ein l²C-Bus, wodurch sich das Gerätekonzept weiter verbilligt.

In einer Ausgestaltung weist ein Erweiterungsblock eine Aufnahme für eine SD- Speicherkarte auf, mittels welcher die Software des Prozessors und/oder

Hardware der rekonfigurierbaren Logikeinheit aktualisiert wird. Dadurch wird die Flexibilität des Messumformers erhöht, da auch Software übertragen wird, welche dem Prozessor bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt noch nicht bekannt war und wodurch der Messumformer mit einer anderen Funktionalität ausgerüstet werden kann. In einer Weiterbildung dient ein Erweiterungsblock zur Ansteuerung einer Anzeige- und/oder Bedieneinheit. So ist nicht nur eine Darstellung der in dem Messumfornner ablaufenden Prozesse möglich, sondern das Kontrollpersonal kann durch eine Menüführung auf die Abläufe in dem Messumformer zugreifen.

Vorteilhafterweise dient der Erweiterungsblock zur Steuerung und/oder Regelung eines Probenehmers. Mittels eines solchen Probenehmers werden Flüssigkeiten oder ähnliches aus dem zu überwachenden Prozess entnommen. Diese Proben werden an ein Labor zur weiteren Untersuchung weitergegeben.

In einer Ausgestaltung dient der Erweiterungsblock zur Steuerung und/oder Regelung eines Analysators. Ein Analysator entnimmt nicht nur eine Probe, sondern analysiert diese vor Ort und speichert das Ergebnis ab.

Vorteilhafterweise sind mindestens zwei als Steckkarten ausgebildete

Erweiterungsblöcke gehäuselos zwischen zwei Seitenführungswände eingefügt und als solches Modul weiter verbaut. Auf diese Weise wird eine verbesserte Abfuhr der von den Schaltungen auf den Erweiterungsblöcken erzeugten

Verlustwärme möglich. Ein Wärmestau in einem Gehäuse wird somit verhindert.

Eine weitere Weiterbildung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines

Messumformers, insbesondere als Feldgerät für die

Prozessautomatisierungstechnik. Um eine Vielzahl von mit unterschiedlichen Wirkprinzipien arbeitenden Sensoren an den Messumformer anzuschließen und trotz der Vielzahl von Sensoren ein Auftreten von Fehlern bei der

Datenübertragung weitgehend auszuschließen, sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Ausführen eines Steuerprogramms in dem Prozessor, Erhalt einer Information zur Identifikation des Erweiterungsblockes, Aufruf eines dem

Erweiterungsblock entsprechenden Funktionsmoduls, Konfiguration eines dem Erweiterungsblock entsprechenden Funktionsmoduls auf dem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein. Durch dieses Verfahren ist ein einfaches Programmieren des rekonfigurierbaren Logikbausteins unter Maßgabe der durch den Erweiterungsblock vorgegebenen Bedingungen möglich.

Vorteilhafterweise erfolgt die Konfigurationsphase während der Betriebsphase des Messumformers. So können während des Betriebsablaufes die

Erweiterungsblöcke an dem Messumformer jederzeit ausgetauscht oder zusätzlich eingesteckt werden. Die durch die Identifikationseinrichtung ausgegebenen Signale werden sofort nach dem Einstecken eines neuen Erweiterungsblockes von dem Prozessor ausgewertet und ein dem Erweiterungsblock entsprechendes Funktionsmodul in der rekonfigurierbaren Logikschaltung konfiguriert. Wird ein Erweiterungsblock ausgetauscht, so wird auf dem Platz des Funktionsmoduls, welches dem entnommenen Erweiterungsblock entspricht, das neu zu

konfigurierende Funktionsmodul konfiguriert.

In einer Ausgestaltung wird die Fläche, welche das Funktionsmodul auf dem rekonfigurierbaren Logikbaustein einnimmt, erweitert oder verringert. So lassen sich Funktionsmodule unterschiedlicher Komplexität auf dem Logikbaustein realisieren.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit eines Messumformers mit UART-Schnittstellen Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit eines

Messumformers mit einem FPGA

Figur 3: Prinzipaufbau eines Messumformers mit mehreren

Erweiterungsschaltungen

Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Figur 1 ist eine CPU 1 dargestellt, welche mit drei externen Sensoren 2, 3, 4 verbunden ist, wobei die Sensoren 2, 3, 4 digitale Signale empfangen und abgegeben. Die CPU 1 ist in einem Feldgerät angeordnet, welches sich beispielsweise in einem Fließgewässer oder einer Abwasser- und Kläranlage befindet, in der die drei Sensoren an verschiedenen Orten verteilt angeordnet sind. Bei den Sensoren 2, 3, 4 handelt es sich um einen Füllstandsmesser, einen Trübungsmesser und einen Absorptionsmesser. Jeder Sensor 2, 3, 4 führt über jeweils eine Übertragungsleitung 5, 6, 7 an die CPU 1 . So ist der Sensor 2 mit der Übertragungsleitung 5, der Sensor 3 mit der Übertragungsleitung 6 und der Sensor 4 mit der Übertragungsleitung 7 verbunden. Die Übertragungsleitungen 5, 6, 7 übertragen die Daten der einzelnen Sensoren 2, 3, 4 mit einer Übertragungsrate von 9,6 KBit/s.

Zum Anschluss der Übertragungsleitungen 5, 6, 7 weist die CPU 1 ein Interface 8 auf. In diesem Interface 8 ist für jeden Sensor 2, 3, 4 eine UART-Schnittstelle angeordnet. Eine solche UART-Schnittstelle dient zum Senden und Empfangen von digitalen Signalen. Für jeden Sensor 2, 3, 4 ist somit ein eigenständiger Datenkanal vorhanden, über welchen die Daten von den einzelnen Sensoren 2, 3, 4 von der CPU 1 parallel abgerufen werden können. Die Daten des Sensors 2 laufen über die Datenleitung 5 zu der UART-Schnittstelle 9, während die Daten, die vom Sensor 3 bereitgestellt werden über die Datenleitung 6 auf die UART- Schnittstelle 10 geführt werden. Vom Sensor 4 werden die Daten über die

Übertragungsleitung 7 auf die UART-Schnittstelle 1 1 weitergeleitet. Alle drei UART-Schnittstellen 9, 10, 1 1 sind mit einem FIFO-Speicher 12 verbunden, welcher die von den UART-Schnittstellen 9, 10, 1 1 aufbereiteten Sensordaten der CPU 1 zur weiteren Bearbeitung bereitstellt. Eine gegenseitige Beeinflussung der Daten der verschiedenen Sensoren 2, 3, 4 bei der Datenübertragung wird auf Grund dieser Schaltung zuverlässig unterbunden. In Figur 2 ist die CPU 1 mit einem FPGA (field programmable gate array) 13 verbunden, an welchem Erweiterungsblöcke 14, 15 anliegen. Jeder der

Erweiterungsblöcke 14, 15 ist über je eine Übertragungsleitung 16, 17 an das FPGA 13 angeschlossen. Das FPGA 13 dient in dieser Ausführung als l/O- Controller. In der Figur 2 sind zum besseren Verständnis nur zwei

Erweiterungsblöcke 14, 15 dargestellt. An das FPGA 13 kann aber eine Mehrzahl von Erweiterungsblöcken angeschlossen werden. Die Erweiterungsblöcke 14, 15 sind als Leiterplatten karten ausgebildet und können unterschiedliche Schaltungen aufweisen. Zu diesen Schaltungen gehören ein Relais, Stromanschlüsse, binäre Eingänge, z.B. für Schaltkontakte, Analogeingänge, z.B. für Sensoren sowie Regler und Steuerungen. Auch ein Kommunikationssystem kann als intelligentes System auf einem Erweiterungsblock konfiguriert sein. Solche

Kommunikationssysteme umfassen an sich bekannte Feldbusse, wie Ethernet, Modbus, Profibus, Foundation fieldbus (FF), GSM oder WLAN. Jeder

Erweiterungsblock 14, 15 weist eine Speichereinheit in Form eines EEPROM's auf. Zu dem Erweiterungsblock 14 gehört der EEPROM 18, während der

EEPROM 19 zu dem Erweiterungsblock 15 gehört. Die EEPROM's 18, 19 führen über einen l²C-Bus 20 auf die CPU 1 . Jeder Erweiterungsblock 14, 15 wird an einem Steckplatz kontaktiert. Der

Steckplatz ist mit einer Nummerierung kodiert. Die CPU 1 erhält nach dem

Einsetzen des Erweiterungsblockes 14, 15 von dem zum Erweiterungsblock 14, 15 gehörenden EEPROM 18 oder 19 über den l²C-Bus 20 eine Information darüber, welche Art Schaltung auf dem Erweiterungsblock 14, 15 angeordnet ist. Gleichzeitig wird die CPU 1 darüber informiert, auf welchem Steckplatz der Erweiterungsblock 14,15 angeordnet ist. Ausgehend von dieser Information lädt die CPU 1 aus einem nicht weiter dargestellten Flash-Speicher ein

Funktionsmodul, welches kompatibel zum gemeldeten Erweiterungsblock 14, 15 ist. Meldet sich der Erweiterungsblock als Stromausgang wird das

Funktionsmodul einer frei programmierbaren Pulsweitenmodulation aufgerufen. Ist der Erweiterungsblock 14, 15 beispielsweise ein Relais umfasst das

Funktionsmodul einen Ein-/Ausschalter. Wird als Erweiterungsblock ein Sensor gemeldet, so wird als Funktionsmodul die schon erwähnte UART-Schnittstelle geladen. Diese Funktionsmodule werden auf Aufforderung eines in der CPU 1 ablaufenden Steuerprogramms in dem FPGA 13 konfiguriert.

Bei dem FPGA 13 handelt es sich zunächst um eine Hardware ohne

Funktionalität, die eine Vielzahl von Logikzellen aufweist, die über elektronische Schalter verschaltet sind. In einem dynamischen FPGA, welches hier zur

Anwendung kommt, werden Funktionsmodule zeitweise konfiguriert, wobei die Logikzellen dieser Funktionsmodule über die elektronischen Schalter zeitweise verschaltet sind. Jedes Funktionsmodul wird separat über einen entsprechenden Konfigurationsbitstrom konfiguriert, wobei die erforderlichen

Konfigurationsbitströme in einem externen Flash-Speicher abgespeichert sind und durch das Steuerprogramm der CPU 1 aufgerufen werden.

Die Erweiterungsblöcke 14, 15 können jederzeit, auch während des laufenden Betriebes des Messumformers, ausgetauscht werden, da bei einem Einsatz eines neuen Erweiterungsblockes 14, 15 von deren EEPROM 18, 19 sofort eine

Meldung an die CPU 1 ergeht, deren Steuerprogramm dann die Konfiguration des entsprechenden Funktionsmoduls initiiert.

Eine Ausführungsform für den Aufbau eines Messumformers mit der

erfindungsgemäßen Struktur ist in Figur 3 dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst einen Basisblock 21 , welcher einer Platine entspricht, auf der alle aktiven Bauelemente, wie die CPU, das FPGA, der Flash-Speicher und der

Arbeitsspeicher RAM angeordnet sind. Dieser Basisblock 21 umfasst weiterhin drei Steckplätze 22, 23, 24, wobei an dem Steckplatz 22 ein Netzsteil 25 zur Stromversorgung des Messumformers angeschlossen ist. Der Steckplatz 23 kontaktiert ein Basismodul 26, auf welchem Anschlüsse für zwei Sensoren vorgesehen sind, die über ein Kabel mit dem Basismodul 26 verbunden sind. Das Basismodul 26 weist einen Einschub für eine SD-Speicherkarte auf (nicht dargestellt), mittels welcher neue Software zu jedem Zeitpunkt auf die CPU 1 übertragen werden kann, wodurch eine neue Funktionalität innerhalb des

Messumformers eingerichtet werden kann. Weiterhin führt das Basismodul 26 an ein Display 27, welches als Anzeige- und Bedienmodul ausgeführt ist und das Bilddaten darstellen und Eingaben auswerten kann. Die Ansteuerschaltung des Displays 27 ist in der beschriebenen Weise in dem FPGA 13 integriert. In einer einfachen Variante ist das Display 27 in der Abdeckung des Gehäuses

untergebracht, wo es robust und störunempfindlich angeordnet ist.

Der dritte Steckplatz 24 auf dem Basisblock 21 steht zur freien Verfügung und kann mit einem beliebigen Erweiterungsblock 28 belegt werden.

Reicht der eine zusätzliche Steckplatz 24 nicht aus, ist auf dem Basismodul 26 eine Schiene vorgesehen, auf welcher eine Erweiterungsplatine 29 aufgesetzt wird, auf der fünf weitere Steckplätze 30, 31 , 32, 33, 34 vorhanden sind, an welche maximal fünf Erweiterungsblöcke 35, 36, 37, 38, 39 aufgesetzt werden können. Die Erweiterungsblöcke 35, 36, 37, 38, 39 sind dabei an beliebigen Steckplätzen 30, 31 , 32, 33, 34 anschließbar. Die Funktionsweise des

Messumformers ist somit sehr variabel gestaltbar, je nach dem, wie viele

Erweiterungsblöcke 28, 35, 36, 37, 38, 39 benötigt werden und von welcher Art die Erweiterungsblöcke 28, 35, 36, 37, 38, 39 sind. Soll beispielsweise ein

Probenehmer realisiert werden, wird neben dem Basisblock 21 , dem Netzteil 25 und dem Basismodul 26 lediglich ein weiterer Erweiterungsblock 28 benötigt, welcher Steuerungen bzw. einen Regler umfasst. Soll zum Beispiel ein Aktor angesteuert werden, so ist als Erweiterungsblock 35 eine

speicherprogrammierbare Steuerung denkbar, die einen von der CPU 1

ausgegebenen Wert verarbeitet und den Aktor entsprechend ansteuert.

In einer anderen Variante beinhaltet das FPGA 13 bereits mehrere

Funktionsmodule, die durch den von der CPU 1 aufgerufenen

Konfigurationsbitstrom je nach vorliegendem Erweiterungsblock mit dem

Erweiterungsblock verbunden werden. Diese dynamische Verschaltung geschieht hierbei durch eine Auswahl der sich statisch bereits im FPGA 13 befindlichen Funktionsmodule. So ist beispielsweise im FPGA 13 eine feste Menge von UART- Schnittstellen einprogrammiert. Jedem Erweiterungssteckplatz 22, 23, 24, 30, 31 , 32, 33, 34 kann eine bestimmt maximale Anzahl der UART-Schnittstellen aus der vorgegebenen fixen Menge zugeordnet werden. Benötigt ein Erweiterungsblock 14, 15, 28, 35, 36, 37, 38, 39 keine UART-Schnittstelle, verbleibt diese in der fixen Menge der verfügbaren UART-Schnittstellen und kann mit einem anderen

Erweiterungsblock 14, 15, 28, 35, 36, 37, 38, 39 verbunden werden. Gleiches gilt für andere Funktionskomponenten, wie z.B. Modulatoren (PWM, PFM...). Digitale Ein-/ Ausgänge SPI-Schnittstellen u.ä.

Um die Wärmeabfuhr in einem solchen, mehrere Schaltungen aufweisenden Messumwandler zu verbessern, kann auf ein Gehäuse des Messumwandlers verzichtet werden. Der Basisblock 21 , des Netzteil 25, das Basismodul 26 und beliebig viele Erweiterungsblöcke 28, 35, 36, 37, 38, 39 werden an zwei sich gegenüberliegenden Seitenführungswänden als Einsteckkarten eingefügt, wodurch die Belüftung der sich auf den genannten Bauteilen befindlichen

Schaltungen verbessert wird. Die Abmessungen eines solchen Moduls sind sehr klein gehalten und betragen 96mm x 96 mm. Somit ist dieses Modul für den Einsatz in ein Schalttafelgehäuse geeignet. Auch eine Montage auf den Hutschienen eines Schaltschrankes ist ohne ein Gehäuse möglich.

Wird ein Gehäuse aber auf Grund der Umgebungsbedingungen, in welchen der Messumformer eingebaut wird, notwendig, so werden für eine verbesserte

Wärmeabgabe durch die bereitgestellten Schaltungen andere Möglichkeiten vorgesehen. Die Wärmeabgabeleistung des Gehäuses ist auf einen Höchstwert von 9 W begrenzt. Werden beispielsweise mehr als zwei Hochenergiesensoren an den Messumwandler angeschlossen, welche beide bei einer Spannung von 24 V betrieben werden müssen, können diese Spannungen nicht in dem Gehäuse erzeugt werden, da sonst die Wärmebilanz des Gehäuses gestört wird. Aus diesem Grund wird ein Netzgerät, welches eine 24 V- Spannung für die ersten beiden Sensoren bereitstellt, im Gehäuse untergebracht, während ein zweites, ebenfalls 24 V für die weiteren Sensoren bereitstellendes Netzgerät außen an dem Gehäuse des Messumformers angeordnet ist, so dass die Energie außerhalb des Messumformers erzeugt wird und somit die von der

Stromversorgungsschaltung erzeugte Wärme nicht zu der von der restlichen Messumformer-Schaltung erzeugten Wärme addiert werden muss.

Claims

Patentansprüche

Messumfornner für ein Multisensorsystem, insbesondere als Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik, welcher zur Verarbeitung von Ein- und Ausgangssignalen einen Prozessor (1 ) aufweist, der mit einem Interface (8, 13) verbunden ist, an welchem ein Sensor (2, 3, 4) zur Übertragung von Daten über eine Übertragungsleitung (5, 6, 7) angeschlossen ist, wobei bei der Kommunikation zwischen dem Prozessor (1 ) und dem Interface (8, 13) bzw. dem Sensor (2, 3, 4) und dem Interface (8, 13) unterschiedliche

Übertragungsraten der Daten auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensoren (5, 6, 7) vorhanden sind, wobei in dem Interface (8, 13) für jeden Sensor (5, 6, 7) ein diesem Sensor (5, 6, 7) zugeordnetes Funktionsmodul (9, 10, 1 1 ) vorhanden ist und das dem Sensor (5, 6, 7) zugeordnete Funktionsmodul (9, 10, 1 1 ) über jeweils eine separate

Übertragungsleitung (5, 6, 7) mit dem jeweiligen Sensor (5, 6, 7) verbunden ist.

Messumformer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem digitalen Sensor (2, 3, 4) verbundene Funktionsmodul (9, 10, 1 1 ) als UART- Schnittstelle ausgebildet ist.

Messumformer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Interface (8) Bestandteil des Prozessors (1 ) ist.

Messumformer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Interface als zentraler I/O-Controller in Form eines, eine vorgegebene Menge von verschiedenen und/oder gleichen Funktionsmodulen aufweisenden

Logikbaustein (13) ausgebildet ist, an welchen eine Mehrzahl von Sensoren (2, 3, 4) und Ausgangsschaltungen (14, 15) anschließbar sind.

Messumformer nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die

Eingangsbeschaltung der Sensoren (2, 3, 4) und die Ausgangsschaltungen (14, 15) als Erweiterungsblöcke (26, 28, 35, 36, 37, 38, 39) vorgesehen sind, wobei jeder Erweiterungsblock (14, 15) eine Identifikationseinheit (18, 19) zur Identifizierung des Erweiterungsblockes (14, 15) aufweist, die mit dem

Prozessor (1 ) verbunden ist, wobei der Prozessor (1 ) mittels eines Konfigurationsbitstromes den Erweiterungsblock (14, 15) mit mindestens einem in der Logikeinheit (13) enthaltenen Funktionsmodul verbindet.

Messumformer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Interface als zentraler I/O-Controller in Form eines partiell dynamisch

rekonfigurierbaren Logikbausteins (13) ausgebildet ist, in welchem das Funktionsmodul für jeden Sensor (2, 3, 4) frei programmierbar konfiguriert wird.

Messumformer nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die

Konfiguration der Funktionsmodule mittels dem Konfigurationsbitstromes erfolgt, welcher in den konfigurierbaren Logikbaustein (13) geladen wird.

Messumformer nach Anspruch 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass an den rekonfigurierbaren Logikbaustein (13) die Ausgangsschaltung (14, 15) anschließbar ist, wobei die Ausgangsschaltung (14, 15) als Aktor oder Kommunikationssystem oder Stromausgang oder Alarmeinrichtung

ausgebildet ist und für jeden Typ der Ausgangsschaltung (14 15) ein entsprechendes Funktionsmodul in dem rekonfigurierbaren Logikbaustein (13) konfiguriert wird.

Messumformer nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass an den rekonfigurierbaren Logikbaustein (13) eine Mehrzahl von Sensoren (2, 3, 4) und Ausgangsschaltungen (14, 15) anschließbar sind, wobei die

Eingangsbeschaltung der Sensoren (2, 3, 4) und die Ausgangsschaltungen (14, 15) als Erweiterungsblöcke (26, 28, 35, 36, 37, 38, 39) vorgesehen sind.

Messumformer nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der

Erweiterungsblock (14, 15) die Identifikationseinheit (18, 19) zur

Identifizierung des Erweiterungsblockes (14, 15) aufweist, die mit dem

Prozessor (1 ) verbunden ist, welcher aufgrund der von der

Identifikationseinheit (18, 19) bereitgestellten Information das Funktionsmodul in dem rekonfigurierbaren Logikbaustein (13) konfiguriert.

Messumformer nach Anspruch 4 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass d Erweiterungsblöcke (14, 15) als leiterplattenähnliche Steckmodule

ausgebildet sind, wobei jedem Steckplatz (22, 23, 24), welcher auf einer zentralen Platine (21 ) angeordnet ist, auf welcher der Prozessor (1 ) und/oder die Logikeinheit (13) angeordnet sind, eine Kennzeichnung zugeordnet ist, welche dem Prozessor (1 ) mit der von der Identifikationseinheit (18, 19) bereitgestellten Information bekannt gemacht wird.

12. Messumformer nach Anspruch 10 und 1 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Identifikationseinheit (18, 19) des Erweiterungsblockes (14, 15) über ein Bussystem (20) mit dem Prozessor (1 ) kommuniziert. 13. Messumformer nach einem der Ansprüche 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein Erweiterungsblock (14, 15) eine Aufnahme für eine SD- Speicherkarte aufweist, mittels welcher die Software des Prozessors (1 ) und/oder die Hardware der Logikeinheit (13) aktualisiert wird. 14. Messumformer nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein

Erweiterungsblock (26) zur Ansteuerung einer Anzeige- und/oder

Bedieneinheit (27) dient.

15. Messumformer nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass der Erweiterungsblock (28) zur Steuerung und/oder Regelung eines Probenehmers dient.

16. Messumformer nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass der Erweiterungsblock (35) zur Steuerung und/oder Regelung eines Analysators dient.

17. Messumformer nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 6usgebildete Erweiterungsblöcke (26, 28, 35, 36, 37, 38, 39) gehäuselos zwischen zwei Seitenführungswände eingefügt sind und als solches Modul weiter verbaut ist.

Verfahren zum Betreiben eines Messumformers, insbesondere für die

Prozessautomatisierungstechnik, nach einem der vorhergehenden

Ansprüche gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Ausführen eines Steuerprogramms in dem Prozessor (1 )

- Erhalt einer Information zur Identifikation des Erweiterungsblockes (26, 28, 35, 36, 37, 38, 39) - Aufruf eines dem Erweiterungsblock (26, 28, 35, 36, 37, 38, 39)

entsprechenden Funktionsmoduls

- Konfiguration eines dem Erweiterungsblock (26, 28, 35, 36, 37, 38, 39) entsprechenden Funktionsmoduls auf dem dynamisch rekonfigurierbaren Logikbaustein (13).

Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass die

Konfigurationsphase während der Betriebsphase des Messumformers erfolgt. 20. Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche,

welche das Funktionsmodul auf dem rekonfigurierbaren Logikbaustein (13) einnimmt, erweitert oder verringert wird.