DE102005041427A1

DE102005041427A1 - Sensorsimulator

Info

Publication number: DE102005041427A1
Application number: DE102005041427A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Babel; Detlev Dr. Wittmer
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-01
Also published as: WO2007025797A1; EP1920302A1; US20090216511A1

Abstract

Sensorsimulator zum Testen des Verhaltens einer Prozessanlage in Abhängigkeit der Signale eines Sensors, dessen Signale durch den Sensorsimulator simuliert werden, wobei die Prozessanlage mindestens eine Messstrecke mit einer Sensorschnittstelle zum Anschluss des Sensors aufweist, an welche der Sensorsimulator anschließbar ist, wobei der Simulator eine Messstreckenschnittstelle aufweist, die an die Sensorschnittstelle der Messstrecke anschließbar ist, und Signale an die Messstrecke ausgibt und/oder Signale von der Messstrecke empfängt; und eine Steuerschaltung zur Simulation von Signalen, welche das Ausgangssignal an der Messstreckenschnittstelle bilden, wobei die Signale zeitliche Verläufe von Messsignalen umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Testvorrichtung für Prozessanlagen, bzw. für Messstrecken in Prozessanlagen, insbesondere ein Sensorsimulator.
Eine Messstrecke bezeichnet im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung den Übertragungsweg eines primären Sensorsignals, welches von einem zu messenden Parameter abhängt, zu einer dem Sensor nachgeordneten Einheit, welche das Sensorsignal oder ein aufbereitetes Sensorsignal empfängt, um dieses weiter zu verarbeiten oder um um darauf zu reagieren.
Diese Messstrecken umfassen häufig Messumformer bzw. Umformermodule welche mit einem Sensormodul über geeignete Schnittstellen verbunden sind und welche das Primärsignal des Sensormoduls aufbereiten und in anderer Form weiterleiten.

Die Deutsche Patentanmeldung 100 55 090.8 offenbart einen Steckverbinder zum Anschluss eines Sensormoduls an einen Messumformer bzw. an eine Messstrecke, wobei der Steckverbinder eine Schnittstelle mit galvanisch getrennter Übertragung von Signalen und Energie von der Übertragungsleitung zum Sensor umfasst. Der Sensor muss entsprechend mit einem Mindestmass an elektronischen Schaltungen ausgestattet sein, um das über die Schnittstelle übertragene Trägersignal mittels Lastmodulation modulieren zu können, um Messdaten zu übertragen. Gleichermassen muss der Umformer in der Lage sein, die übertragenen Daten auswerten zu können.

In der Offenlegungsschrift DE 102 18 606.5 offenbart die gleiche Anmelderin einen potentiometrischen Sensor, insbesondere einen pH-Sensor, welcher ein Speicherelement zum Speichern von Kalibrationsdaten, Historiendaten und logistischen Informationen aufweist. Diese Daten werden einem zum Sensor passenden Umformer über eine geeignete Schnittstelle zur Verfügung gestellt, damit der Umformer diese bei der Auswertung des vom Sensor übertragenen Sensorsignals berücksichtigen kann. Die Schnittstelle kann wiederum eine galvanisch getrennte Schnittstelle der zuvor beschriebenen Art sein. Mit der beschriebenen erhöhten Funktionalität der Sensormodule und der Umformermodule steigt naturgemäss die Zahl der theoretisch möglichen Fehlerquellen. Die beschriebenen erweiterten Kommunikationsmöglichkeiten zwischen der Schnittstelle eines Umformers und der komplementären Sensorschnittstelle geben jedoch einen Ansatz um die Funktionalitäten des Umformermoduls zu überprüfen.

Demgemäß offenbart die Offenlegungsschrift DE 103 22 278 A1 einen Simulator zum Testen eines Messumformers mit einer Messumformerschnittstelle, wobei der Sensorsimulator eine Simulatorschnittstelle, die an die Umformerschnittstelle anschliessbar ist, und Signale an den Umformer ausgibt und/oder Signale vom Umformer empfängt; und eine Steuerschaltung zur Simulation von Signalen aufweist, welche das Ausgangssignal an der Simulatorschnittstelle bilden. Der Simulator kann weiterhin einen Signaleingang umfassen, der an einen Kommunikationsausgang des Umformers angeschlossen werden kann, um eine Rückkopplung der Umformersignale zu ermöglichen. Die simulierten Signale können Messwerte, Zustandsdaten, oder Kalibrationsdaten simulieren. Der Simulator kann ein Speichermodul aufweisen, welches die Funktionalität eines Sensorspeichermoduls aufweist, wobei die Steuerschaltung geeignet ist, Signale zur Initialisierung von Lese- und/und oder Schreibbefehlen seitens des Umformers zu generieren. Die Schnittstelle des Simulators kann eine galvanisch getrennte Schnittstelle umfassen. Der Simulator kann in einen Sensor integriert sein, und die Steuerschaltung kann entweder in periodischen Abständen, oder ereigneisgesteuert, eine Testroutine durch Simulation von Sensorzuständen auslösen.

Die DE3431076 offenbart eine Anordnung zur Simulation einer Prozesssteuerung, die mehrere Eingänge für Messparameter aufweist. Die Messparameter werden entweder von modifizierten Sensoren simuliert, beispielsweise einem kapazitiven Füllstandssensor, auf dessen Messrohrschaft einer Metallhülse unterschiedlich weit geschoben wird, um eine Füllstandsänderung zu simulieren, oder von einem Sensorsimulatormodul, welches die verschiedenen Eingänge für die Messparameter versorgt. Bei der Simulation wird überprüft, ob die Prozesssteuerung Abweichungen von Sollzuständen korrekt feststellt und beanstandet und Stellglieder aktiviert, um die simulierten Ist-Werte den Soll-Werte anzupassen. Dies wird bei der beschriebenen Anordnung durch einen Bediener getan der die simulierten Ist-Werte von Hand nachregeln muss. Wenngleich dieses System den Test der logischen Struktur einer Prozessteuerung ermöglicht, erscheint dieser Lösungsansatz für dynamische Vorgänge ungeeignet. Die Funktionstauglichkeit einer realen Prozessinstallation kann insbesondere in sicherheits- und zeitkritischen mit dieser Anordnung nicht überprüft werden.

Die EP0433995 offenbart eine Vorrichtung Apparat für die Überprüfung eines Feldinstrumentsystems. Die Vorrichtung umfasst einen Testsignalgeber, der entfernt von dem Instrument an die Signalausgangsleitung des Instruments angeschlossen wird um über die Signalausgangsleitung Prüfsignale an einen Prüfsignalempfänger in der Nähe des zu prüfenden Instruments zu übertragen, wobei der Prüfsignalempfänger ebenfalls an die Signalausgangsleitung angeschlossen ist. Der Prüfsignalempfänger steuert einen Sensorsimulator, der an einen Sensorsignaleingang eines zu überprüfenden Instruments angeschlossen ist und Sensorsignale in Abhängigkeit von den Prüfsignalen simuliert und an den Sensorsignaleingang ausgibt. Das resultierende Ausgangssignal, welches bei korrekter Funktionsweise des Instruments die richtige Reaktion auf das simulierte Sensorsignal sein sollte, wird über die Signalausgangsleitung des Instruments ausgegeben und dem üblichen Empfänger im Feldinstrumentsystem zugeführt. Der Empfänger kann ein Anzeigegerät ein Datenschreiber oder ein Regler sein. Um die Überprüfungsschaltung logisch zu schließen, kann ein Ausgang des Empfängers einem Controller zugeführt werden, der den Testsignalgeber steuert. Die Vorrichtung ermöglicht damit die Überprüfung der bestimmungsgemäßen Funktion eines Feldinstrumentsystems, beispielsweise eines Füllstandsüberwachungssystems ohne tatsächlich den Füllstand variieren zu müssen. Die beschriebene Vorrichtung hat sicherlich ihre Berechtigung, ist aber in hohem Maße unflexibel, da der Installationsaufwand zur Einrichtung einer Sensorsimulation relativ groß ist.

Eine sicherheitsrelevante Funktionsüberprüfung von installierten Prozessanlagen oder Teilsystemen, ist mit den zuvor beschriebenen Simulatoren und Prüfvorrichtungen nur bedingt umzusetzen. Dies gilt insbesondere für solche Anlagen oder Teilsysteme, die zur Anpassung an verschiedene Prozesse gelegentlich rekonfiguriert werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensorsimulator bereitzustellen, bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Sensorsimulator gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Der Erfindung offenbart einen Sensorsimulator zum Testen des Verhaltens einer Prozessanlage in Abhängigkeit der Signale eines Sensors, dessen Signale durch den Sensorsimulator simuliert werden, wobei die Prozessanlage mindestens eine Messtrecke mit einer Sensorschnittstelle zum Anschluss des Sensors aufweist, an welche der Sensorsimulator anschließbar ist, wobei
der Simulator eine Messstreckenschnittstelle aufweist, die an die Sensorschnittstelle der Messstrecke anschliessbar ist, und Signale an die Messstrecke ausgibt und/oder Signale von der Messstrecke empfängt; und eine Steuerschaltung zur Simulation von Signalen, welche das Ausgangssignal an der Messstreckenschnittstelle bilden, wobei die Signale zeitliche Verläufe von Messsignalen umfassen.

Die Sensorschnittstelle der Messstrecke kann beispielsweise die Schnittstelle eines Buskoppler sein, der das Sensorsignal auf einen Datenbus, beispielsweise einen Feldbus wie Foundation Fieldbus, Profibus o.ä. überträgt, oder eine Schnittstelle eines Messsumformers der das Sensorsignal wandelt und dann einen Messwert in einem geeigneten Format ausgibt, beispielsweise 4 ..20 mA, oder als Feldbussignal mit einem der zuvor genannten Busprotokolle. Der Messumformer kann ggf. auch einen Steuerausgang aufweisen, um neben oder anstelle der Messwertausgabe Stellsignale in Abhängigkeit des ermittelten Messwertes auszugeben.

Die zeitlichen Verläufe der Messignale können beispielsweise in einem Programm errechnet oder aus einem Datenspeicher des Simulators ausgelesen werden. Vorzugsweise umfasst der Simulator verschiedene Testroutinen mit unterschiedlichen zeitlichen Verläufen, wobei die Testroutinen von einem Bediener wählbar oder sequentiell ausführbar sind.

Der Sensorsimulator kann einen zweiten Signalausgang aufweisen, über die gerade ausgegebenen Simulationssignale parallel an eine Kontrolleinheit kommuniziert, welche zugleich die Reaktion der überprüften Prozessanlage bzw. der überprüften Messstrecke auf das simulierte Sensorsignal erfasst. Die Kommunikation der Simulationssignale kann entweder durch parallele Übertragung der tatsächlichen Simulationssignale erfolgen, oder durch Übertragung von Indices und Startsignalen, durch welche die jeweils laufenden zeitlichen Verläufe und deren Startzeitpunkt identifiziert werden. Die Übertragung kann beispielsweise drahtlos beispielsweise per Infrarot, Funk, GSM, ZigBee, Bluetooth, UMTS, WLan oder drahtgebunden bzw. mit einem Lichtleiter erfolgen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sensorsimulator einen synchronisierte Uhr, durch welchen der Start der einzelnen zeitlichen Verläufe genau festgelegt und identifiziert werden kann. In diesem Fall ist eine parallele Übertragung der zeitlichen Signale nicht erforderlich. Das Funktionieren der Prozessanlage kann dann später durch Vergleich des zeitlichen Verlaufs von Signalen auf der Messstrecke und gegebenenfalls vorliegender Steuersignale von anderen Komponenten der Anlage mit den simulierten Sensorsignalen zu dem fraglichen Zeitpunkt überprüft werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sensorsimulator einen Steuerausgang zum Steuern bzw. Starten von mindestens einem abhängigen Slave-Simulator, der beispielsweise an einer Messstelle in der Umgebung des Sensorsimulators angeschlossen werden können, der in diesem Falle als Master-Simulator bezeichnet werden kann. Die Kommunikation zwischen dem Master-Simulator und dem mindestens einen Slave-Simulator kann drahtlos, beispielsweise per Infrarot, Funk, GSM, ZigBee, Bluetooth, oder drahtgebunden bzw. mit einem Lichtleiter erfolgen.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Sensorsimulator einen Signaleingang, über den beispielsweise ein Antwortsignal der Prozessanlage oder einer Komponente der Prozessanlage, beispielsweise eines Reglers zurückgeführt werden kann. In Abhängigkeit von dem Antwortsignal kann beispielsweise der zeitliche Verlauf des simulierten Signals variiert werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Simulators besteht darin, dass dezentral in eine Prozessanlage mit einer Simulation eingegriffen werden kann, um die Antwort der Prozessanlage auf kritische zeitliche Entwicklungen der Messdaten zu überwachen. Beispielsweise kann dies das Überhitzen oder Übersäuern eines Reaktors, das zu schnelle Entleeren eines Tanks, oder einen zu schnellen Druckabfall in einem Prozess betreffen, bei dem die jeweiligen Absolutwerte der Sensorsignale noch nicht zwingend problematisch sind, wobei sich aber anhand der Änderungsrate der Signale eine kritische Situation abzeichnen kann.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Simulators, erfolgt vorzugsweise bei der Überprüfung von Anlagen oder Anlagenteilen.

Der Sensorsimulator kann zudem einen Signaleingang umfassen, der von einem geeigneten Punkt der Messstrecke ein Signal zurückgeführt bekommt, beispielsweise 4 ... 20 mA-Signal eines Messumformers ein HART-Signal einen Profibus-Signal oder ein Foundation Fieldbus Signal, um die Richtigkeit der von der Messstrecke kommunizierten Signale zu überprüfen, bzw. um diese Signale mit den vom Sensorsimulator generierten Signalen zu korrelieren.

Die simulierten Signale können neben Messwerten auch Kalibrationsdaten repräsentieren, um beispielsweise die korrekte Wandlung durch einen Umformer zu überprüfen, und andererseits können sie Zustandsdaten treffen, wie beispielsweise den Ausfall einer Komponente des Sensors. In diesem Fall ist zu überprüfen, ob der Umformer die korrekte Fehlermeldung kommuniziert, falls dieses vorgesehen ist.

Sofern die Messstrecke für einen Sensor mit einem Speichermodul ausgelegt ist, so kann der Simulator verschiedene Lese- und Schreibroutinen auslösen, um die Kommunikation zwischen der Messstrecke und dem Speichermodul zu überprüfen. Dies betrifft insbesondere Messstrecken die einen Umformer aufweisen, an welche der Sensor bzw. das Sensormodul bestimmungsgemäß angeschlossen wird

Die Schnittstelle kann einerseits eine galvanisch getrennte Schnittstelle, insbesondere eine induktive Schnittstelle zur Übertragung von Energie zum Sensor und zum Datenaustausch zwischen Sensor und Umformer umfassen. Der Datenaustausch vom Umformer zum Sensor bzw. zum Simulator erfolgt beispielsweise durch umformerseitige Modulation des Energiesignals und die Datenübertragung vom Sensor zum Umformer erfolgt durch Sensorseitige bzw. sensorsimulatorseitige Lastmodulation des Energiesignals.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Sensorsimulator in einen Sensor integriert, wobei die Steuerschaltung entweder in periodischen Abständen, oder ereignisgesteuert eine Testroutine durch Simulation von Sensorzuständen auslöst.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Simulators und dessen Zweck wird nun anhand des Verlaufsdiagramms in 1 erläutert.
Es zeigt 1: Einen simulierten Messwertverlauf für einen pH-Sensor, sowie die Antwort eines Zweipunktreglers mit einem zugeordneten Alarmausgang.
Das Diagramm in 1 zeigt in seinem oberen Teil einen simulierten pH-Wert-Verlauf, der über die Sensorschnittstelle einer Messstrecke in eine Prozessanlage eingekoppelt wird. Das Antwortsignal eines Zweipunktreglers in der Prozessanlage wird beim Test der Prozessanlage aufgezeichnet und ist im unteren Teil des Diagramms dargestellt, wobei der Zweipunktregler einen zugeordneten Alarmausgang aufweist, dessen Signale ebenfalls dargestellt sind.
Der Zweipunktregler hat eine obere Schwelle und eine untere Schwelle als Schaltpunkt, wobei das Schalten bei Überqueren der Schwellwerte in extremer Richtung erfolgt. D.h., der Zweipunktregler schaltet bei Überschreiten der oberen Schwelle bzw. Unterschreiten der unteren Schwelle.
Weiterhin hat der Regler einen Alarmausgang, der bei Überschreiten einer oberen Alarmgrenze und Unterschreiten einer unteren Alarmgrenze aktiviert wird. Zusätzlich wird der Alarmausgang aktiviert, wenn sich der Messwert zwar noch in einem unkritischen befindet, aber wenn sich sein Wert zu schnell mit der Zeit ändert. Auch diese Funktion des Reglers, bzw. die Funktion der Messstrecke bis zum Regler kann mit dem erfindungsgemäßen Simulator überprüft werden.

Claims

Sensorsimulator zum Testen des Verhaltens einer Prozessanlage in Abhängigkeit der Signale eines Sensors, dessen Signale durch den Sensorsimulator simulierbar sind, wobei die Prozessanlage mindestens eine Messtrecke mit einer Sensorschnittstelle zum Anschluss des Sensors aufweist, an welche der Sensorsimulator anschließbar ist, wobei der Simulator eine Messstreckenschnittstelle aufweist, die an die Sensorschnittstelle der Messstrecke anschliessbar ist, und Signale an die Messstrecke ausgibt und/oder Signale von der Messstrecke empfängt; und eine Steuerschaltung zur Simulation von zeitlichen Verläufen von Messwerten, welche das Ausgangssignal an der Messstreckenschnittstelle bilden.
Sensorsimulator nach Anspruch 1, wobei die Sensorschnittstelle der Messstrecke die Schnittstelle eines Buskopplers umfasst, der das Sensorsignal auf einen Datenbus, beispielsweise einen Feldbus wie Foundation Fieldbus, Profibus o.ä. überträgt.
Sensorsimulator nach Anspruch 1, wobei die Sensorschnittstelle die Schnittstelle eines eines Messsumformers ist, welcher das Sensorsignal wandelt und dann einen Messwert auszugeben.
Sensorsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zeitlichen Verläufe der simulierten Messsignale in einem Programm errechnet oder aus einem Datenspeicher des Simulators ausgelesen werden.
Sensorsimulator nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Simulator verschiedene Testroutinen mit unterschiedlichen zeitlichen Verläufen der simulierten Messsignale umfasst,
Sensorsimulator nach Anspruch 5, wobei die Testroutinen von einem Bediener wählbar oder sequentiell ausführbar sind.
Sensorsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorsimulator einen zweiten Signalausgang aufweist, über den die ausgegebenen Simulationssignale parallel an eine Kontrolleinheit kommuniziert werden können.
Sensorsimulator nach Anspruch 7, wobei die Kommunikation der Simulationssignale kann durch parallele Übertragung der tatsächlichen Simulationssignale erfolgt.
Sensorsimulator nach Anspruch 7, wobei die Kommunikation der Simulationssignale durch Übertragung von Indices und Startsignalen, durch welche die jeweils laufenden zeitlichen Verläufe und deren Startzeitpunkt identifiziert werden.
Sensorsimulator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zweite Signalausgang Mittel zur Übertragung per Infrarot, Funk, GSM, ZigBee, Bluetooth umfasst.
Sensorsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorsimulator ferner einen Steuerausgang zum Steuern bzw. Starten von mindestens einem abhängigen Slave-Simulator, der beispielsweise an einer Messstelle in der Umgebung des Sensorsimulators angeschlossen werden kann.
Sensorsimulator nach Anspruch 11, wobei die Kommunikation zwischen dem Master-Simulator und dem mindestens einen Slave-Simulator drahtlos, beispielsweise per Infrarot, Funk, GSM, ZigBee, Bluetooth, UMTS, WLan oder drahtgebunden bzw. mit einem Lichtleiter erfolgt.
Sensorsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Sensorsimulator weiterhin einen Signaleingang umfasst, über den ein Antwortsignal der Prozessanlage oder einer Komponente der Prozessanlage, beispielsweise eines Reglers zurückgeführt werden kann.
Sensorsimulator nach Anspruch 13, wobei in Abhängigkeit von dem Antwortsignal der zeitliche Verlauf des simulierten Signals variiert wird.
Der Sensorsimulator nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Signaleingang geeignet ist, ein 4... 20 mA Signal ein HART-Signal, ein Profibus-Signal oder ein Foundation Fieldbus Signal zu empfangen, um die Richtigkeit der von der Messstrecke kommunizierten Signale zu überprüfen.
Sensorsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messstreckenschnittstelle eine induktive Schnittstelle zum Datenaustausch mit einer komplementären Sensorschnittstelle der Messstrecke umfasst.
Sensorsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgung des Sensorsimulators über die Sensorschnittstelle der Messstrecke erfolgt.
Sensorsimulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Simulator einen amperometrischen, insbesondere einen Gassensor, einen potentiometrischen Sensor, insbesondere einen pH-Sensor oder einen Redox-Sensor, oder einen Sensor zum Erfassen eines anderen Prozessparameters wie Temperatur, Druck, Füllstand, Durchfluss, Füllstand, Gas, Feuchte, Sauerstoffgehalt, Chlorgehalt, Nitratgehalt, Trübung o.ä. simuliert.