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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Sicherstellung der Verfügbarkeit eines Bussystems in der Automatisierungstechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zur Erkennung von Kommunikationsfehlern auf einem Bussystem oder zur Erkennung einer Fehlfunktion an zumindest einem der Feldgeräte. Ebenfalls ist es möglich, das erfindungsgemäße System zum Parametrieren oder Konfigurieren eines Feldgeräts bzw. der Feldgeräte zu verwenden.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik und der Fabrikautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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In modernen Industrieanlagen erfolgt die Kommunikation zwischen zumindest einer übergeordneten Steuereinheit und den Feldgeräten in der Regel über ein Bussystem, wie beispielsweise Profibus® PA, Foundation Fieldbus® oder HART®. Die Bussysteme können sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgestaltet sein. Die übergeordnete Steuereinheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte und wird auch als Konfigurier-/Managementsystem bezeichnet. 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. Unter dem Begriff 'Bedienen von Feldgeräten' wird insbesondere das Konfigurieren und Parametrieren von Feldgeräten, aber auch die Diagnose zwecks frühzeitiger Erkennung von Fehlern an einem der Feldgeräte oder im Prozess verstanden. Im einfachsten Fall ist unter dem Begriff ”Bedienen” die Anzeige von Information auf einem Display oder generell einer Ausgabeeinheit zu verstehen.
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Die Integration von Feldgeräten in Bedien-/Steuereinheiten erfolgt üblicherweise über elektronische Gerätebeschreibungen, die dafür sorgen, dass die Bedien-/Steuereinheiten die von den Feldgeräten gelieferten Daten erkennen und interpretieren können. In zunehmendem Maße werden zwecks Geräteintegration in ein Bussystem Gerätetreiber, insbesondere DTMs nach dem FDT Standard verwendet. Bereit gestellt werden die Gerätebeschreibungen bzw. die Gerätetreiber für jeden Feldgerätetyp bzw. für jeden Feldgerätetyp in unterschiedlichen Applikationen in der Regel von dem jeweiligen Gerätehersteller. Damit die Feldgeräte in unterschiedliche Feldbussysteme integriert werden können, müssen unterschiedliche Gerätebeschreibungen bzw. unterschiedliche Gerätetreiber für die unterschiedlichen Feldbussysteme erstellt werden. So gibt es – um nur einige Beispiele zu nennen – HART-, Fieldbus Foundation- und Profibus-Gerätebeschreibungen bzw. Gerätetreiber.
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Um eine Prozessanlage automatisch betreiben zu können, muss üblicherweise eine Vielzahl von Feldgeräten in ein Bussystem integriert und in Betrieb genommen werden. Während des Betriebs muss die korrekte Funktionsweise der einzelnen Feldgeräte sichergestellt werden. Wird ein Feldgerät aufgrund einer Fehlfunktion oder aufgrund einer funktionalen Änderung ausgetauscht und nachträglich wieder in Betrieb genommen, so muss der Austausch gleichfalls schnell und sicher erfolgen, da Ausfallzeiten und Stillstandszeiten in Prozessanlagen üblicherweise mit hohen Kosten einhergehen. Ein großes Augenmerk liegt daher auf der Minimierung der Stillstandzeiten einer Prozessanlage.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren vorzuschlagen, die die Verfügbarkeit eines Bussystems, das in der Automatisierungstechnik eingesetzt ist, optimieren.
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Die Aufgabe wird bezüglich des Systems zur Sicherstellung bzw. Optimierung der Verfügbarkeit eines Bussystems in der Automatisierungstechnik dadurch gelöst, dass in das Bussystem mehrere Feldgeräte integriert sind, die über einen Feldbus der Automatisierungstechnik miteinander und/oder mit einer übergeordneten Steuer- und/oder Bedieneinheit kommunizieren. Hierzu ist ein Gerätemodul vorgesehen, das mit einer Recheneinheit verbunden ist, wobei das Gerätemodul Funktionsmodule aufweist, die zur Kommunikation in dem Bussystem erforderlich sind. Darüber hinaus ist dem Gerätemodul ein über die Recheneinheit bedienbares Steuerprogramm zugeordnet, wobei das Steuerprogramm so ausgestaltet ist, dass es Kommunikationsfehler auf dem Feldbus oder eine Fehlfunktion von zumindest einem der Feldgeräts erkennt. Das Gerätemodul ist über eine Feldbusschnittstelle wahlweise mit dem Feldbus oder einem vom Feldbus entkoppelten Feldgerät verbindbar, wobei im Falle der Verbindung mit dem Feldbus die Funktionsmodule zur Kommunikation zwischen den Feldgeräten und der Steuer- und/oder Bedieneinheit deaktiviert sind und die Recheneinheit über das Steuerprogramm Kommunikationsfehler auf dem Feldbus erkennt, und wobei im Falle der Verbindung des Gerätemoduls mit dem vom Feldbus entkoppelten Feldgerät die Funktionsmodule zur Kommunikation zwischen den Feldgeräten und der Steuer- und/oder Bedieneinheit aktiviert sind, und die Recheneinheit über das Steuerprogramm eine Fehlfunktion des Feldgeräts erkennt. Was unter dem Begriff ”Feldgeräte” zu verstehen ist, ist bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird die Sicherstellung der Verfügbarkeit des Bussystems also insbesondere durch die Erkennung von Kommunikationsfehlern auf einem Bussystem und/oder durch die Erkennung einer Fehlfunktion an einem Feldgerät realisiert. Weiterhin ist die Erfindung zur Parametrierung und/oder zur Konfiguration von Feldgeräten geeignet.
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Die einzelnen Funktionsmodule des Gerätemoduls sind bevorzugt in einem Gehäuse angeordnet und bilden eine Einheit. Das Gerätemodul ist so ausgestaltet, dass es eine Doppelfunktion ausüben kann. Es übernimmt einerseits die Rolle eines Masters – also üblicherweise die Rolle einer übergeordneten Steuer- und/oder Bedieneinheit – und macht in diesem Fall eine Diagnose an dem Feldgerät oder parametriert oder konfiguriert das Feldgerät. Generell dient das Gerätemodul in dieser Funktion als Bedien- und/oder Überwachungstool. Andererseits übernimmt das Gerätemodul die Funktion einer Anzeigeeinheit oder eines Monitors, der an das Bussystem angeschlossen wird und den Datenverkehr auf dem Bussystem überwacht und anzeigt. In ein Bussystem sind üblicherweise eine Vielzahl von Feldgeräten integriert, die über ein Busprotokoll mit einer übergeordneten Steuereinheit und/oder mit anderen Feldgeräten kommunizieren. In der Monitorfunktion überwacht das Gerätemodul, ob in der Kommunikation auf dem Bussystem Fehler auftreten. Ein solcher Fehler ist beispielsweise, dass ein definiertes Feldgerät nicht innerhalb der vorgeschriebenen Zeitabstände eine Meldung, z. B. seinen Messwert, abgibt. Da diese Fehlfunktion auf einen Defekt am Feldgerät hinweist, wird nunmehr das Gerätemodul in seine zweite Funktion geschaltet und führt eine Diagnose an dem identifizierten möglicherweise fehlerhaften Feldgerät durch.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass es sich bei den Funktionsmodulen zur Kommunikation zwischen den Feldgeräten und der Steuer- und/oder Bedieneinheit um eine Spannungsversorgung, einen Segmentkoppler bzw. einen Power Conditioner und zumindest einen Terminator handelt.
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Der Segmentkoppler hat üblicherweise zwei Funktionen:
- a) die Funktion, eine Umsetzung zwischen den beiden unterschiedlichen Busprotokollen auf der Systemebene und auf der Feldebene vorzunehmen, und
- b) eine Listener- bzw. eine Monitorfunktion über die der auf dem Bussystem herrschende Datenverkehr mit- oder abgehört wird.
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Die Terminatoren sind Widerstände und Kondensatoren, die die Eingangs- und/oder die Endbegrenzung an einem Bussystem durchführen. Die Terminatoren ermöglichen erst durch geeingete Dämpfung von Signalen die Übertragung von Daten auf dem Bussystem.
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Arbeitet das Gerätemodul im Masterbetrieb, so sind eine Energieversorgung und eine Steuer- und/oder Bedieneinheit, z. B. ein PC, ein Laptop, usw. mit USB Anschluss notwendig, um die Feldgeräte in Betrieb zu nehmen, oder allgemein gesprochen, um die Feldgeräte zu bedienen. Der gleichfalls notwendige Protokollumsetzer – bei Profibus als Segmentkoppler und bei Fieldbus Foundation als Power Conditioner bezeichnet – und zumindest ein Terminator – üblicherweise werden zwei Terminatoren verwendet, aber prinzipiell genügt ein Terminator – sind gleichfalls in das Gerätemodul integriert. Alternativ sind diese Komponenten bzw. Funktionsmodule dem Gerätemodul zugeordnet. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann das Gerätemodul zwecks Bedienung direkt an das zu testende Feldgerät angeschlossen werden. Unter dem Begriff ”Bedienen” sind übrigens die in der Beschreibungseinleitung genannten Funktionalitäten zu verstehen.
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Arbeitet das Gerätemodul hingegen im Monitorbetrieb und hört den Datenverkehr auf dem Bussystem mit, so wird das Gerätemodul an das Bussystem angekoppelt. Die Funktionsmodule: Energieversorgung, Segmentkoppler und Terminator bzw. Terminatoren werden im Monitorbetrieb deaktiviert. Terminatoren, die üblicherweise in den beiden Endbereichen eines Bussystems angeordnet sind, haben die Aufgabe, die auf dem Bus kommunizierten Signale so zu dämpfen, dass eine Übertragung von Daten technisch möglich ist.
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Darüber hinaus wir ein Schaltelement vorgeschlagen, über das die Deaktivierung oder Aktivierung der Funktionsmodule in Abhängigkeit von der jeweiligen Funktion des Gerätemoduls erfolgt. Bei dem Schaltelement kann es sich um einen analogen Schalter oder um einen über den PC oder ein sonstiges Bedieneinheit aktivierbaren bzw. deaktivierbaren digitalen Schalter handeln.
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Bei dem Feldbus handelt es sich bevorzugt um einen Bus, der nach dem Profibus PA oder dem Fieldbus Foundation Standard arbeitet.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Gerätemodul über eine USB-Schnittstelle mit der Recheneinheit verbunden ist.
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Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zur Sicherstellung bzw. Optimierung der Verfügbarkeit eines Bussystems in der Automatisierungstechnik mit mehreren Feldgeräten dadurch gelöst, dass ein Gerätemodul über eine Feldbusschnittstelle wahlweise mit dem Bussystem oder mit einem vom Feldbus entkoppelten Feldgerät verbunden wird, wobei im Falle der Verbindung mit den Feldbus Funktionsmodule zur Kommunikation zwischen den Feldgeräten und einer übergeordneten Steuer- und/oder Bedieneinheit deaktiviert werden und eine Recheneinheit über ein Steuerprogramm Kommunikationsfehler auf dem Feldbus erkennt, und wobei im Falle der Verbindung des Gerätemoduls mit dem vom Feldbus entkoppelten Feldgerät die Funktionsmodule zur Kommunikation zwischen den Feldgeräten und der übergeordneten Steuer- und/oder Bedieneinheit aktiviert werden und die Recheneinheit über das Steuerprogramm eine Fehlfunktion des Feldgeräts erkennt. Auch hier wird ein und dasselbe Gerätemodul wahlweise dazu verwendet, im Masterbetrieb oder im Monitorbetrieb zu arbeiten. Die für die jeweilige Funktion benötigten bzw. nicht benötigten Funktionsmodule werden entsprechend aktiviert oder deaktiviert.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine beispielhafte Darstellung eines auf dem Profibus Standard beruhenden Bussystems,
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2: eine beispielhafte Darstellung eines auf dem Fieldbus Foundation Standard beruhenden Bussystems,
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3: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
- a) im Masterbetrieb zur Bedienung des Feldgeräts
- b) im Monitorbetrieb zur Überwachung und Anzeige der Kommunikation auf dem Bussystem.
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1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines auf dem Profibus Standard beruhenden Bussystems 6, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Auf der Steuerebene SE ist eine zentrale Steuer-/Bedieneinheit 1 angeordnet. Die Steuer-/Bedieneinheit 1 hat die Funktion eines Masters. Die Kommunikation auf der Steuerebene SE erfolgt über einen Datenbus 4, der zur Kommunikation bzw. zum Datenaustausch das Profibus DP Kommunikationsprotokoll verwendet. Profibus DP ist ein Hochgeschwindigkeits-Bus, der Datenübertragungsraten bis zu 12 Mbit/s auf verdrillten Zweidrahtleitungen und/oder Lichtwellenleiter ermöglicht.
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Auf der Feldebene FE sind mehrere Feldgeräte 3 angeordnet, die von der Steuer-/Bedieneinheit 1 gesteuert bzw. bedient werden. Nähere Ausführungen zu den Feldgeräten 3 und der Steuer-/Bedieneinheit 1 finden sich in der Beschreibungseinleitung. Die Kommunikation auf der Feldebene FE erfolgt über einen Feldbus 5, der das Profibus PA Protokoll verwendet. Diese Variante des PROFIBUS ist für explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Zone 0 und 1) ausgelegt. Bei Profibus PA fließt auf den Busleitungen in einem eigensicheren Stromkreis nur ein begrenzter Strom, so dass auch im Störfall keine Funkenbildung auftreten kann, die u. U. eine Explosion auslöst. Der Nachteil des PROFIBUS PA-Busses ist die relativ langsame Datenübertragungsrate von 31,25 kbit/s. Die Kopplung der beiden Bussysteme 4, 5, die Energieversorgung und die Umsetzung der beiden Busprotokolle Profibus DP, Profibus PA erfolgt über einen Segmentkoppler 2. Die Terminatoren sind in dieser Ausgestaltung nicht explizit dargestellt. Ihr Vorhandensein ist für die Funktion des Datenverkehrs auf dem Bussystem 5, 6 jedoch unbedingt erforderlich.
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2 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines auf dem Fieldbus Foundation Standard beruhenden Bussystems 4, 5, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Steuer-/Bedieneinheit 1 – hier als Host bezeichnet – befindet sich auf der Steuerebene SE. Die Kommunikation erfolgt hier über einen High Speed Ethernet (HSE) Bus 4 mit einem entsprechenden Kommunikationsprotokoll. Auf der Feldebene FE erfolgt die Kommunikation über das Busprotokoll Fieldbus Foundation. Die Energieversorgung 8 ist über den Power Conditioner 2, der eine analoge Funktion erfüllt wie der Segmentkoppler 2 in 1, mit dem HSE Bus gekoppelt. Über die Knotenpunkte sind auf der Feldebene die Feldgeräte 3 mit dem Bussystem 4 verbunden. Die Terminatoren 7 führen eine geeignete Signalbegrenzung/Signaldämpfung durch.
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In den Figuren 3a und 3b ist schematisch die Doppelfunktion des erfindungsgemäßen Gerätemoduls 9 visualisiert. 3a zeigt das Gerätemodul 9, wenn es im Masterbetrieb zur Bedienung eines Feldgeräts F1 eingesetzt wird, während in 3b das Gerätemodul 9 im Monitorbetrieb zur Überwachung der Kommunikation auf dem Bussystem 4, 5 zu sehen ist.
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Das Gerätemodul 9 ist über eine USB-Schnittstelle 10 mit einer Recheneinheit 11 verbunden. Im gezeigten Fall handelt es sich bei der Recheneinheit 11 um einen PC. Selbstverständlich kann es sich bei der Recheneinheit 11 auch um einen Laptop, ein Smart Phone oder eine sonstige geeignete intelligente, möglichst mobile Einheit handeln.
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In das Bussystem 4, 5 sind mehrere Feldgeräte integriert, die über einen Feldbus 4 der Automatisierungstechnik miteinander und/oder mit einer übergeordneten Steuer- und/oder Bedieneinheit 1 kommunizieren. Das Gerätemodul 9 ist mit der Recheneinheit 11 verbunden. In dem Gerätemodul 9 sind Funktionsmodule integriert bzw. dem Gerätemodul 9 sind die Funktionsmodule zugeordnet, die erforderlich sind, um eine Kommunikation zwischen zumindest einem der Feldgeräte 3 und der Steuer- und/oder Bedieneinheit 1 – hier der Recheneinheit 11 – zu simulieren. Bei diesen Funktionsmodulen handelt es sich um einen Segmentkoppler bzw. einen Power Conditioner 2, üblicherweise zwei Terminatoren 7 und eine Energieversorgung 8. Weiterhin ist dem Gerätemodul 9 ein bedienbares Steuerprogramm 12 zugeordnet. Das Steuerprogramm 12 ist so ausgestaltet, dass es Kommunikationsfehler auf dem Feldbus 4, 5 oder Fehlfunktionen eines der Feldgeräte 3 erkennen kann.
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Das Gerätemodul 9 ist über eine Feldbusschnittstelle 13 wahlweise mit dem Bussystem 4, 5 (3b) oder einem vom Bussystem 4, 5 entkoppelten Feldgerät F1 (3a) verbindbar. Im Falle der Verbindung des Gerätemoduls 9 mit dem Feldbus 5 (3b) sind die Funktionsmodule zur Kommunikation zwischen den Feldgeräten 3 und der Steuer- und/oder Bedieneinheit 1 deaktiviert, und die Recheneinheit 11 erkennt über das Steuerprogramm 12 Kommunikationsfehler auf dem Feldbus 5.
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Im Falle der Verbindung des Gerätemoduls 9 mit dem vom Feldbus 5 entkoppelten Feldgerät F1 sind die Funktionsmodule zur Kommunikation zwischen den Feldgeräten 3 und der Steuer- und/oder Bedieneinheit 1 aktiviert, und die Recheneinheit 11 erkennt über das Steuerprogramm 12 eine auftretende Fehlfunktion bei einem der Feldgeräte 3. Hierzu werden der zyklische und der azyklische Datenverkehr angewandt.
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Darüber hinaus kann die Störfestigkeit des Feldgerätes überprüft werden, indem die Amplitude der Anfrage zum Feldgerät F1 verändert werden kann und die Anfrage mit einem Jitter versehen werden kann, gesteuert über das Steuerprogramm 12.
