DE102008020508A1 - Vorrichtung zur Erfassung oder Beeinflussung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße - Google Patents

Vorrichtung zur Erfassung oder Beeinflussung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Beeinflussung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße mit zumindest einem Sensor (S) oder Aktor (A), der eine erste Feldbusschnittstelle (FBS1) zum Anschluss an einen Feldbus (FB) aufweist, und mit zumindest einer Auswerteeinheit (AWS, AWA), die eine zweite Feldbusschnittstelle (FBS2) zum Anschluss an den Feldbus (FB) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (AWS, AWA) die Daten des Sensors (S) oder des Aktors (A) aufbereitet, wobei der zumindest eine Sensor (S) oder Aktor (A) und die Auswerteeinheit (AWS, AWA) über die Feldbusschnittstellen (FBS1, FBS2) an den Feldbus (FB) angeschlossen sind und wobei der Sensor (S) oder der Aktor (A) und die Auswerteeinheit (AWS, AWA) im Querverkehr Daten über den Feldbus (FB) austauschen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung oder Beeinflussung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße.
  • In der Prozess- ebenso wie in der Fabrikautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Sensoren bzw. Messgeräte, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren verwendet, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die z. B. der Durchfluss einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder der Füllstand eines Mediums in einem Behälter geändert wird. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser angeboten und vertrieben.
  • In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Bussysteme, wie beispielsweise über Profibus®, Foundation Fieldbus® oder HART® mit zumindest einer übergeordneten Einheit verbunden. Normalerweise handelt es sich bei der übergeordneten Einheit um ein Leitsystem oder eine Steuereinheit, wie beispielsweise eine SPS, eine speicherprogrammierbare Steuerung, oder ein PLC, ein Programmable Logic Controller. Die übergeordnete Einheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte. Programme, die auf übergeordneten Einheiten eigenständig ablaufen, sind beispielsweise das Bedientool 'FieldCare' der Firmengruppe Endress + Hauser, das Bedientool 'Pactware', das Bedientool 'AMS' von Fisher-Rosemount oder das Bedientool 'PDM' von Siemens. Bedientools, die in Leitsystem-Anwendungen integriert sind, sind das 'PCS7' von Siemens, das 'Symphony' von ABB und das 'Delta' V von Emerson.
  • Feldgeräte bestehen aus zumindest einem Sensor oder Aktor und einer zugeordneten Auswerteeinheit, die die von dem Sensor oder Aktor gelieferten Messwerte aufbereitet. Feldgeräte, die an einen Feldbus bzw. an ein Kommunikationsnetzwerk angeschlossen sind, weisen eine entsprechend ausgestaltete Feldbusschnittstelle aus. Über die Feldbusschnittstelle leiten die Feldgeräte die aufbereiteten Messdaten an die übergeordnete Steuereinheit weiter. Weiterhin werden die Feldgeräte über die Feldbusschnittstelle von der übergeordneten Steuereinheit bedient. Bedienen umfasst hierbei u. a. das Konfigurieren, Parametrieren und Überprüfen des Feldgeräts von der übergeordneten Steuereinheit her. Auch ist es bekannt – erwähnt werden kann in diesem Zusammenhang das Liquiline, eine Auswerteeinheit der Endress + Hauser Gruppe – die so ausgelegt ist, dass mehrere Sensoren an ein Liquiline angeschlossen werden können. Hierzu muss das Liquiline eine entsprechende Anzahl von Anschlußverbindungen für die Sensoren aufweisen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung oder Beeinflussung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße vorzuschlagen, die sich durch eine hohe Flexibilität auszeichnet.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die folgenden Komponenten umfasst: Zumindest einen Sensor oder Aktor, der eine erste Feldbusschnittstelle zum Anschluss an einen Feldbus aufweist, und zumindest eine Auswerteeinheit, die eine zweite Feldbusschnittstelle zum Anschluss an den Feldbus aufweist. Die Schnittstellen können eine drahtgebundene oder eine drahtlose Kommunikation unterstützen. Die Auswerteeinheit bereitet die Daten des Sensors oder des Aktors auf. Der Sensor oder Aktor und die Auswerteeinheit sind über die Feldbusschnittstellen an den Feldbus angeschlossen. Hierbei tauschen der Sensor oder der Aktor und die Auswerteeinheit im Querverkehr Daten über den Feldbus aus. Querverkehr bezeichnet hierbei die Möglichkeit, dass Busteilnehmer eine direkte Kommunikation zueinander aufbauen können, wobei der vorhandene Feldbus genutzt wird. Der Querverkehr wird busspezifisch realisiert: Gemäß einer Ausgestaltung kann der Host, sprich die Steuereinheit, die Funktion des Verteilers übernehmen. Es können aber auch Broad Cast Messages oder eine direkte Adressierung für den Querverkehr genutzt werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Auswerteeinheit in ein externes Modul unter Nutzung der Bustechnologie ausgelagert. Durch den Einsatz moderner Feldbusse, die schnelle Datenübertragungsraten und Querverkehr zulassen, ist es möglich, die Auswerteeinheit sozusagen nach außen zu verlagern, wo sie vom Sensor oder Aktor entkoppelt ist. Die Auswerteeinheit operiert dann quasi als eigenständiges Gerät um Feldbus bzw. am Kommunikationsnetzwerk. Erfindungsgemäß werden hierdurch die folgenden Ziele erreicht:
    • – Die Fähigkeit bzw. die Kapazität der Auswerteeinheit wird verbessert. So können eine Vielzahl von Sensoren oder Aktoren mit einer Auswerteeinheit verbunden werden. Insbesondere wird es dadurch möglich, auf einfache Art und Weise größere kundenspezifische Anwendungen zu realisieren. Beispielsweise können die Daten von mehreren Sensoren, die zur Überwachung des Inhalts eines Tanks notwendig sind, zusammengeführt werden, um die für den Kunden relevanten Informationen zu ermitteln und bereitzustellen. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang der 'Tank Side Monitor', eine Vorrichtung, die von der Endress + Hauser Gruppe angeboten und vertrieben wird.
    • – Die Flexibilität der Auswerteeinheit wird erhöht. Insbesondere wird die unmittelbare Abhängigkeit von der Hardware der Sensoren aufgehoben.
    • – Maintenance-Aufgaben lassen sich vereinfacht durchführen. Als besonders vorteilhaft wird es in diesem Zusammenhang erachtet, dass der Austausch von Softwaremodulen zwecks Aufspielen einer Update-Version erheblich vereinfacht wird, da das Software-Modul nur noch in einige wenige Auswerteeinheiten implementiert werden muss. Ebenso einfach und problemlos lassen sich Softwaremodule, die Zusatzfunktionen beinhalten, implementieren. Darüber hinaus eröffnet sich die Möglichkeit, über einen PC und einen LAN-Anschluss einen WebServer anzuschließen und die Updates oder Zusatzmodule direkt via Internet oder Intranet auf die Auswerteeinheit zu übermitteln. Auch können einzelne Komponenten oder Anwendungen entsprechend den Kundenwünschen auf einfache Weise modifiziert werden.
    • – Die sowieso bereits vorhandene Feldbus-Infrastruktur wird erfindungsgemäß einfach mitbenutzt. Zusätzlich Aufwand muss nicht betrieben werden.
  • Gemäß einer bevorzugten, da kostengünstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommunizieren im Falle eine Vielzahl von Sensoren oder Aktoren diese allesamt mit einer einzigen Auswerteeinheit. Allgemein lässt sich sagen, dass die Anzahl der Sensoren oder Aktoren die Anzahl der Auswerteeinheiten übertrifft. Ein direkter Austausch zwischen einer Vielzahl von Sensoren und der Auswerteeinheit ist möglich, ohne dass hardwaremäßige Änderungen an der Vorrichtung vorgenommen werden müssen.
  • Bei dem Feldbus handelt es sich um einen der bekannten Feldbusse. Beispielhaft können in diesem Zusammenhang Feldbusse genannt werden, die auf dem HART-, Profibus- oder Fieldbus Foundation-Protokoll basieren.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der zumindest eine Sensor oder Aktor die aktuellen Mess- oder Stellwerte an die Auswerteeinheit über die Feldbusschnittstellen im Querverkehr weiterleitet; die Auswerteeinheit leitet nachfolgend die überarbeiteten Daten über die Feldbusschnittstellen an den Sensor oder den Aktor zurück. Anschließend überträgt der Sensor oder der Aktor diese überarbeiteten Daten an die übergeordnete Steuereinheit. Bei dieser übergeordneten Steuereinheit kann es sich um ein Leitsystem oder eine Steuereinheit, wie beispielsweise eine SPS, eine speicherprogrammierbare Steuerung, oder ein PLC, einen Programmable Logic Controller handeln.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass zumindest eine Auswerteeinheit über eine Schnittstelle an das Internet oder an ein firmeninternes Intranet angeschlossen ist. Somit kann die als separates Modul an den Feldbus angeschlossene Auswerteeinheit eine Brücke in andere Feldbusse bilden, z. B. ins Ethernet oder an einen anderen Feldbus, der auf dem Profibus-Protokoll basierend arbeitet. Vorteilhaft ist hierbei weiterhin die Unabhängigkeit von der übergeordneten Steuereinheit. Möglich wird es hierdurch insbesondere, dass auf direktem Wege Updates oder Maintenance Aufgaben durchgeführt werden können.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Auswerteeinheit ein Analysetool zugeordnet ist, welches so ausgestaltet ist, dass es die Funktionalität der angeschlossenen Sensoren oder Aktoren, sprich Feldgeräte, in vorgegebenen zeitlichen Abständen überprüfen kann. Somit übernimmt die Auswerteeinheit neben der Bereitstellung von ausgewerteten und aufbereiteten Daten der Sensoren oder Aktoren auch Aufgaben, die im Bereich von Predictive Maintenance, Condition Monitoring und/oder Advanced Diagnostics liegen. Beispielsweise wird von der Auswerteeinheit her einen Algorithmus gestartet, mit dem einzelne Sensoren oder Aktoren dahingehend überprüft werden, ob nicht aufgrund von z. B. Ansatzbildung am Sensorelement, Verschleiß der mechanischen Komponenten, Ablauf der Standzeit von elektrischen oder elektronischen Komponenten die Mess- oder Stellwerte derart verfälscht sind, dass sie für die ihnen zugewiesene Aufgabe nicht mehr zu gebrauchen sind. Bevorzugt gibt die Auswerteeinheit bei Erkennung einer Fehlfunktion oder- im Falle von Advanced Diagnostics bereits vor Auftreten der Fehlfunktion – eine Warn- oder Fehlermeldung aus, die das Servicepersonal auf die Mängel hinweist; entsprechende Gegenmaßnamen können dann in die Wege geleitet werden.
  • Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung angesehen, wenn die Auswerteeinheit eine Datenlogger-Funktion zur Aufzeichnung von zumindest einer Teilmenge der von den Feldgeräten gelieferten Daten umfasst. Beispielsweise werden über das Analysetool aufgefundene Fehler aufgezeichnet und ggf. mit einem Zeitstempel versehen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt darüber hinaus vor, dass die Auswerteeinheit als OPC Server ausgebildet ist. Dieser stellt beispielsweise die Information für Predictive Maintenance-Applikationen zur Verfügung. Hierzu verbindet sich die Auswerteeinheit mit anderen externen Einheiten, z. B. einem PC, ohne den Feldbus zusätzlich zu belasten. OPC ist ein Standard für die herstellerunabhängige Kommunikation in der Automatisierungstechnik: Mit OPC wurde eine universelle Möglichkeit zum Datenaustausch zwischen Anwendungen unterschiedlicher Hersteller von Feldgeräten geschaffen. Gemäß der Weiterbildung als OPC-Server kann eine erfindungsgemäß ausgestaltete Auswerteeinheit Feldgeräte unterschiedlicher Hersteller bedienen.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung von Feldgeräten, die entsprechend dem Stand der Technik an ein Bussystem angeschlossen sind,
  • 2: eine schematische Darstellung von Feldgeräten, die gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an ein Bussystem angeschlossen sind,
  • 3: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Kommunikation zwischen einem Sensor und einer Auswerteeinheit wiedergibt.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung von Feldgeräten, die entsprechend dem Stand der Technik an ein Bussystem, hier den Feldbus FB, angeschlossen sind. Ein Messgerät zur Erfassung einer Prozessgröße oder ein Aktor zur Beeinflussung einer Prozessgröße besteht üblicherweise aus zwei Komponenten: einem entsprechend ausgestalteten Sensorelement bzw. einer Armatur (Stellantrieb mit einem Schieber, einer Klappe, einem Ventil, usw. ...) und einer Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit wird oftmals auch als Transmitter bezeichnet. Die beiden Komponenten sind entweder in Form einer integralen Einheit als Kompaktgerät ausgestaltet, oder der Transmitter und der Sensor bzw. der Aktor sind räumlich voneinander abgesetzt und über ein Verbindungskabel miteinander verbunden.
  • Der Sensor S bzw. der Aktor A mit der zugehörigen Auswerteeinheit AWS, AWA sind jeweils über eine Schnittstelle FBS an einen Feldbus FB – oder allgemein gesprochen an ein in der Automatisierungstechnik gebräuchliches Kommunikationsnetzwerk – angeschlossen. An einen Datenbus DB ist eine Rechnereinheit, z. B. eine Workstation, ein Host-Rechner, ein Bedientool WS angeschlossen. Diese Rechnereinheit WS dient als übergeordnete Steuereinheit, z. B. als Leitsystem, PLC oder Bedientool zur Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung und zum Engineering aber auch zum Bedienen und Überwachen der Feldgeräte S, A. Zum einflachen Zugriff auf die Feldgeräte S, A ist eine graphische Benutzeroberfläche vorgesehen.
  • Der Datenbus DB arbeitet z. B. nach dem Profibus® DP-Standard, dem HSE (High Speed Ethernet)-Standard der Foundation® Fieldbus, dem HART-Standard oder einem der bekannten in der Automatisierungstechnik verwendbaren Standards.
  • In 2 ist eine schematische Darstellung von Feldgeräten zu sehen, die gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an ein Bussystem FB angeschlossen sind. Von der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung (1) unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch, dass Sensor S bzw. Aktor A und die zugehörigen Auswerteeinheiten AWS, AWA über eine zugehörige Feldbusschnittstelle FBS als eigenständige Einheiten an dem Feldbus FB angeschlossen sind.
  • Anhand der 3, die einen Ausschnitt von 2 zeigt, ist zu erkennen, wie der Datenaustausch zwischen dem Sensor S und der Auswerteeinheit AWS gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt. Der Sensor S übermittelt die aktuellen Messwerte über die Feldbusschnittstellen FBS und den Feldbus FB im Querverkehr an die Auswerteeinheit AWS. Für den Querverkehr nutzt der Sensor S einen einfachen Kanal der Feldbusanschaltung. Die Auswerteeinheit AWS bereitet die Messwerte geeignet auf und leitet die überarbeiteten und aufbereiteten Daten über die Feldbusschnittstellen FBS an den Sensor S zurück. Anschließend leitet der Sensor S die überarbeiteten Daten an eine übergeordnete Steuereinheit WS weiter. Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht in Richtung Rationalisierung noch einen Schritt weiter: Mehrere Sensoren S oder Aktoren A bedienen sich einer Auswerteeinheit AWS. Erfindungsgemäß werden die Mess- oder Stellwerte der einzelnen Sensoren S und Aktoren A zu der Auswerteeinheit AWS geführt, die anhand der Werte Daten zur Verfügung stellt, die sich aus mehreren Mess- oder Stelllwerten errechnen lassen. Als Beispiel für entsprechende Anwendungen können der 'Flow Computer' und der 'Tank Side Monitor' der Firma Endress + Hauser genannt werden. Es versteht sich von selbst, dass auch einfach die Messwerte der Sensoren S oder Aktoren A einzelnen von der Auswerteeinheit AWS weiterverarbeitet werden.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung oder Beeinflussung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße mit zumindest einem Sensor (S) oder Aktor (A), der eine erste Feldbusschnittstelle (FBS1) zum Anschluss an einen Feldbus (FB) aufweist, und mit zumindest einer Auswerteeinheit (AWS, AWA), die eine zweite Feldbusschnittstelle (FBS2) zum Anschluss an den Feldbus (FB) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (AWS, AWA) die Daten des Sensors (S) oder des Aktors (A) aufbereitet, wobei der zumindest eine Sensor (S) oder Aktor (A) und die Auswerteeinheit (AWS, AWA) über die Feldbusschnittstellen (FBS1, FBS2) an den Feldbus (FB) angeschlossen sind und wobei der Sensor (S) oder der Aktor (A) und die Auswerteeinheit (AWS, AWA) im Querverkehr Daten über den Feldbus (FB) austauschen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrere Sensoren (S) oder Aktoren (A) mit einer Auswerteeinheit (AWS; AWA) über den Feldbus (FB) kommunizieren.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem Feldbus um einen Feldbus handelt, der beispielsweise auf dem HART-, Profibus- oder Fieldbus Foundation Protokoll basiert.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine Sensor (S) oder Aktor (A) die aktuellen Mess- oder Stellwerte an die Auswerteeinheit (AWS; AWA) über die Feldbusschnittstellen (FBS1, FBS2) im Querverkehr weiterleitet, wobei die Auswerteeinheit (AWS, AWA) die überarbeiteten Daten über die Feldbusschnittstellen (FBS2, FBS1) an den Sensor (S) oder den Aktor (A) zurückleitet, und wobei der Sensor (S) oder der Aktor (A) diese überarbeiteten Daten an eine übergeordnete Steuereinheit (WS) weiterleitet.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei zumindest eine der Auswerteeinheiten (AWS, AWA) über eine Schnittstelle (SCH) an das Internet oder ein Intranet oder einen weiteren Feldbus angeschlossen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (AWS, AWA) ein Analysetool aufweist, über das die Funktionalität der aus den Sensoren (S) bzw. Aktoren (A) und den Auswerteeinheiten (AWS, AWA) bestehenden Feldgeräte überprüfbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, wobei die Auswerteeinheit (AWS, AWA) eine Datenlogger-Funktion zur Aufzeichnung von zumindest einer Teilmenge der von den Feldgeräten gelieferten Daten aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (AWS, AWA) als OPC Server ausgebildet ist.
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