DE102015121867A1 - Verfahren zum Bereitstellen eines generischen Diagnosemodells - Google Patents

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Abstract

Computerimplementiertes Verfahren zum Bereitstellen eines generischen Diagnosemodells (2) in einem Knotenpunkt (3) eines Automatisierungsnetzwerkes (1), wobei das Automatisierungsnetzwerk (1) mehrere mit dem Knotenpunkt (3) verbundene untergeordnete Feldbussegmente (4a, 4b, 4c) mit jeweils mehreren Feldbusteilnehmern (5) aufweist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
– Bereitstellen von spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) durch die Feldbusteilnehmer (5) des jeweiligen Feldbussegmentes (4a, 4b, 4c);
– Zusammenführen der durch die Feldbusteilnehmer (5) bereitgestellten spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) in dem Knotenpunkt (3);
– Überführung von allen zusammengeführten Diagnoseinformationen in das generische Diagnosemodel (2), wobei die spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) zusätzlich mit Metainformationen angereichert werden, sodass über das generische Diagnosemodell (2) auf spezifische Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) jeweiligen Feldbusteilnehmers (5) zugegriffen werden kann.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Computerimplementiertes Verfahren zum Bereitstellen eines generischen Diagnosemodells in einem Knotenpunkt eines Automatisierungsnetzwerkes sowie ein System der Automatisierungstechnik.
  • In der Prozessautomatisierungstechnik 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, etc., 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. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
  • In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel in Automatisierungsnetzwerken über verschiedene Feldbussegmente bzw. Bussysteme mit übergeordneten Einheiten verbunden. Beispiele für solche Feldbussegmente mit unterschiedlichen Bussystemen sind Profibus®, Foundation® Fieldbus, HART®, etc. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder PLC (Programmable Logic Controller). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung, Prozesssteuerung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte.
  • Um die Anlagenverfügbarkeit zu optimieren, werden in modernen Anlagen Diagnosesysteme im Bereich der einzelnen Feldgeräte sowie teilweise auch übergreifend für Teilsegmente oder die gesamte Anlage eingesetzt. Auf Ebene der Feldgeräte werden teilweise zur Erstellung einer Diagnose verschiedene Eigenschaften des Feldgerätes selbst sowie Eigenschaften eines Prozesses, in dem das Feldgerät eingesetzt wird, durch das jeweilige Feldgerät überwacht und gegebenenfalls ausgewertet. Die daraus erhaltenen Diagnoseinformationen werden in dem Feldgerät durch entsprechende Parameter (die auch als Diagnoseparameter bezeichnet werden) bereitgestellt. Die Diagnoseinformationen können in Form von Diagnosemeldungen an eine übergeordnete Einheit, welche die Diagnoseinformationen für die Ausführung ihrer Funktionen benötigt, übermittelt werden. Die durch ein Feldgerät bereitstellbaren Diagnosemeldungen unterscheiden sich in der Regel je nach Feldbussegment, nach Feldgerätetyp, je nach Hersteller und oftmals auch je nach Geräteversion des Feldgerätes. So weisen insbesondere Profibus DP, Profibus PA und HART unterschiedlich Diagnoseinformationen in unterschiedlichsten Formaten und Zugriffsverfahren auf. Dementsprechend sind die durch ein Feldgerät bereitstellbaren Diagnosemeldungen in der Regel busspezifische Diagnoseinformationen.
  • In modernen Anlagen der Prozessautomatisierungstechnik werden häufig mehrere Teilsegmente mit unterschiedlichen Feldbussen vernetzt, sodass in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik eine hohe Anzahl von unterschiedlichen Diagnoseinformationen auftreten. Die unterschiedlichen Diagnoseinformationen der einzelnen Netzwerknoten lassen sich jedoch nicht durch alle Teilnehmer einheitlich erfassen und/oder interpretieren, da deren Datenstruktur, Zugriffsverfahren und zeitliche Synchronisationsmechanismen unterschiedlich bzw. nicht einheitlich/standardisiert ist. Dies erschwert es insbesondere für eine übergeordnete Einheit auf Diagnosemeldungen von Feldgeräten unterschiedlicher Feldbussegmente zuzugreifen. Als übergeordnete Einheiten kommen dabei insbesondere eine Zustandsüberwachungseinheit (engl: Condition Monitoring Unit), eine Mensch- Maschine-Schnittstelle (engl: Human-Machine-Interface, kurz: HMI) und/oder ein SCADA-System (engl Ausdruck: Supervisory Control and Data Acquisition) in Betracht.
  • Erst in jüngerer Zeit wurden einheitliche Diagnosekonzepte entwickelt, in denen einheitliche, Feldgerätetyp bzw. feldbusspezifische übergreifende Diagnosemeldungen definiert wurden. Solch ein Diagnosekonzept ist insbesondere in der NAMUR-Empfehlung NE 107 beschrieben. Darin werden vier Statussignale (bzw. vier Feldgerät-Zustandsklassen) definiert, die jeweils Aussagen über den Zustand des betreffenden Feldgerätes liefern. Bei modernen, dieser NAMUR-Empfehlung entsprechenden Feldgeräten müssen die in einem Feldgerät erstellten Diagnosemeldungen in genau eine dieser vier Feldgerät-Zustandsklassen kategorisiert werden. Anhand der Feldgerät- Zustandsklasse kann ein Anlagenbetreiber schnell die Bedeutung und Relevanz einer auftretenden Diagnosemeldung eines Feldgerätes erfassen und die erforderlichen Schritte einleiten. Allerdings bleibt, das grundsätzliche Problem, dass es aktuelle nicht möglich ist, auf die unterschiedlichen (feldbus-)spezifischen Diagnoseinformationen harmonisiert und zeitlich synchronisiert selbst zuzugreifen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der auf alle Diagnoseinformationen harmonisiert und zeitlich synchronisiert zugegriffen werden kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Computerimplementiertes Verfahren zum Bereitstellen eines generischen Diagnosemodells sowie ein System der Automatisierungstechnik gelöst.
  • Hinsichtlich des Computerimplementierten Verfahrens wird die Aufgabe durch Computerimplementiertes Verfahren zum Bereitstellen eines generischen Diagnosemodells in einem Knotenpunkt eines Automatisierungsnetzwerkes gelöst, wobei das Automatisierungsnetzwerk mehrere mit dem Knotenpunkt verbundene untergeordnete Feldbussegmente mit jeweils mehreren Feldbusteilnehmern aufweist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • – Bereitstellen von spezifischen Diagnoseinformationen durch die Feldbusteilnehmer des jeweiligen Feldbussegmentes;
    • – Zusammenführen, vorzugsweise zeitliches und/oder inhaltliches Zusammenführen, der durch die Feldbusteilnehmer bereitgestellten spezifischen Diagnoseinformationen in dem Knotenpunkt;
    • – Überführung von allen zusammengeführten Diagnoseinformationen in das generische Diagnosemodel, wobei die spezifischen Diagnoseinformationen zusätzlich mit Metainformationen angereichert werden, sodass über das generische Diagnosemodell auf spezifische Diagnoseinformationen jeweiligen Feldbusteilnehmers zugegriffen, insbesondere einheitlich und/oder zeitlich synchronisiert zugegriffen werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird ein generisches Diagnosemodell vorgeschlagen, welches eine konsolidierte Sicht der spezifischen Diagnoseinformationen der Feldgeräte in untergeordneten Feldbussegmenten zur vereinheitlichten Weitergabe ermöglicht. Durch Anreicherung der Metainformationen werden die Struktur des Diagnosemodells und die Merkmale der Diagnoseinformation maschinenlesbar zur Verfügung gestellt. Dies ist insbesondere für Industrie 4.0 Szenarien vorteilhaft.
  • Als spezifische Diagnoseinformationen sind hierbei Informationen bezüglich der Zustände eines Feldgerätes zu verstehen. Derartige Diagnoseinformationen werden gemäß der Namur Empfehlung NE 107 in vier Feldgerät-Zustandsklassen (Wartungsbedarf, Außerhalb der Spezifikation, Funktionskontrolle und Ausfall) definiert, die jeweils Aussagen über den Zustand des betreffenden Feldgerätes liefern. Diese Diagnoseinformationen beinhalten den Zustand des Gerätes, textuelle Beschreibung und Abhilfemaßnahmen um etwaige Fehlzustände des Gerätes zu beheben. Beispielsweise kann eine solche Diagnoseinformation in Form einer Kurzbeschreibung (engl. ShortText) mit „Feldgerät korrodiert“ vorliegen. Entsprechende Abhilfemaßnahmen wie beispielsweise „Sensor mit Reiningungsflüssigkeit reinigen“ sind in den Diagnoseinformationen ebenfalls enthalten.
  • Metainformationen stellen im Sinne der vorliegenden Erfindung Informationen dar, die (zusätzliche) Merkmale über Prozesswerte enthalten, aber nicht die Prozesswerte selbst umfassen. Als Beispiel sei an Feldgerät mit einem Motor gedacht, welches als Prozesswert die Drehzahl des Motors ausgibt. Metainformationen sind dann bspw. der Wertebereich, die physikalische Einheit der Drehzahl, ein Maximalwert oder aber auch einen Minimalwert.
  • Durch Anreicherung der Metainformationen werden die Struktur des Diagnosemodells und die Merkmale der Diagnoseinformation maschinenlesbar zur Verfügung gestellt. Dies ist insbesondere für Industrie 4.0 Szenarien vorteilhaft.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird auf das generische Diagnosemodell durch eine dem Knotenpunkt übergeordnete Einheit zugegriffen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Zugriff der übergeordneten Einheit auf den Knotenpunkt über ein OPC-UA Protokoll durchgeführt.
  • OPC UA ist ein neues Standardprotokoll zur Hersteller-unabhängigen Kommunikation, insbesondere in der Prozessautomatisierung, spezifiziert durch die OPC Foundation. Der ursprüngliche Name für OPC war zwar OLE for Process Control, OPC wird aber inzwischen ohne einen Hinweis auf eine Abkürzung benutzt. UA steht für Unified Architecture. Nachstehend werden häufig englischsprachige Begriffe benutzt, da sie bestimmte im Standard definierte Funktionen oder Spezifikationen umschreiben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird als untergeordnete Feldbussegmente zumindest ein Profibus DP-, ein Profibus PA-, HART-, Ehternet IP-, Profinet- oder ein Foundation Fieldbus-Segment verwendet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden über die Metainformationen des generischen Diagnosemodells auf spezifische Diagnoseinformationen zugegriffen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die spezifischen Diagnoseinformationen über ein OPC-UA Protokoll in dem Knotenpunkt zusammengeführt werden.
  • Hinsichtlich des Systems wird die Aufgabe durch ein System der Automatisierungstechnik gelöst, welches zumindest folgendes aufweist:
    • – ein Automatisierungsnetzwerk;
    • – mehrere innerhalb des Automatisierungsnetzwerkes befindliche Feldbussegmente mit jeweils mehreren Feldbusteilnehmern, wobei die Feldbusteilnehmer jedes Feldbussegments spezifische Diagnoseinformationen umfassen;
    • – ein Knotenpunkt innerhalb des Automatisierungsnetzwerkes, wobei die Feldbussegmente mit dem Knotenpunkt verbunden sind, und der Knotenpunkt dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass das System ferner zumindest eine übergeordnete Einheit, die über ein OPC-UA Protokoll auf das generische Diagnosemodell in dem Knotenpunkt zugreift, aufweist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass der Knotenpunkt ein Gateway umfasst.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die Feldbussegmente zumindest ein Profibus DP-, ein Profibus PA- oder HART-Segment aufweisen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die spezifischen Diagnoseinformationen zumindest eine Profibus DP, ein Profibus PA oder HART spezifische Diagnoseinformation aufweisen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die spezifischen Diagnoseinformationen Informationen, insbesondere Diagnoseinformationen, gemäß der NAMUR Empfehlung NE107 umfassen.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Automatisierungsnetzwerkes zur Erklärung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Automatisierungsnetzwerkes 1 zur Erklärung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Automatisierungsnetzwerk 1 umfasst dabei drei Feldbussegmente 4a, 4b, 4c die über einen gemeinsamen Knotenpunkt 3 mit mehreren übergeordneten Einheiten 11 verbunden sind.
  • Als übergeordnete Einheiten kommt dabei eine Vielzahl von Systemen in Betracht, insbesondere solche, die eine OPC-UA Anbindung an den Knotenpunkt ermöglichen. Bspw. kann die übergeordnete Einheit eine speicherprogrammierbare Steuerung (kurz: SPS) bzw. Prozessleitsystem (kurz: PLS), ein Manufacturing Execution System (kurz: MES), ein Produktionsplanung und -steuerung System (kurz: PPS), ein Customer- Relationship-Management System (kurz: CRM), ein Webserver, eine Mensch- Maschine-Schnittstelle (kurz: HMI) und/oder eine Supervisory Control and Data Acquisition System (kurz: SCADA) sein.
  • Die übergeordnete Einheit bzw. Einheiten ist bzw. sind über ein Feldbus mit OPC-UA Protokoll 10 mit dem Knotenpunkt verbunden, sodass die Einheit bzw. Einheiten auf den zentralen Knotenpunkt zugreifen kann bzw. können. Der Knotenpunkt 3 ist wiederum über einen Feldbus mit den verschiedenen Feldbussegmenten verbunden.
  • Das erste Feldbussegment 4a stellt ein auf Profibus DP basiertes Segment dar. Entsprechend weisen die dem ersten Feldbussegment zugehörigen Feldgeräte spezifische Profibus DP Diagnoseinformationen auf. Das zweite Feldbussegment 4b stellt ein auf Profibus PA basiertes Segment dar. Entsprechend weisen die dem zweiten Feldbussegment zugehörigen Feldgeräte spezifische Profibus PA Diagnoseinformationen auf. Das dritte Feldbussegment 4b stellt ein auf HART basiertes Segment dar. Entsprechend weisen die dem dritten Feldbussegment zugehörigen Feldgeräte spezifische HART Diagnoseinformationen auf. Im Fall des HART- Segmentes werden die spezifischen Diagnoseinformationen in einem Switch bzw. Gateway, z.B. einem Remote I/O verarbeitet, bevor sie dem Knotenpunkt zugeführt werden. Der Switch bzw. das Gateway haben zusätzlich eigene spezifische Diagnoseinformationen, bspw. physikalische Netzwerkeigenschaften, welche ebenfalls dem Knotenpunkt zugeführt werden. Aus den Profibus DP und Profibus PA Segmenten werden die feldbusspezifischen Diagnoseinformationen der jeweiligen Feldbusteilnehmer dem Knotenpunkt direkt zugeführt. Wie aus 1 ersichtlich, können die Feldbusteilnehmer neben den busspezifischen Diagnoseinformationen A, C, D oder E auch Informationen B gemäß der NAMUR Empfehlung NE107 aufweisen. In diesem Fall umfassen die spezifischen Diagnoseinformationen also die busspezifischen Diagnoseinformationen A, C, D oder E und die Diagnoseinformationen B gemäß der NAMUR Empfehlung NE107 (in der Version mit Stand vom 12.06.2006).
  • Die Zuführung der unterschiedlichen spezifischen Diagnoseinformationen zu dem Knotenpunkt erfolgt über eine OPC-UA Protokoll. Der Knotenpunkt, welcher bspw. ein Gateway ist, verarbeitet und/oder transformiert und zeitlich synchronisiert die spezifischen Diagnoseinformationen zu einem generischen bzw. einheitlichen Diagnosemodell bzw. Informationsmodell. In diesem Modell werden zusätzlich Metainformationen eingebracht, sodass es übergeordneten Einheiten ermöglicht wird, auf spezifische Diagnoseinformationen des jeweiligen Feldbusteilnehmers zu zugriffen und die Struktur bzw. Merkmale des Modells bzw. Informationen automatisiert abzufragen. Die Bereitstellung der Metainformationen durch einen zentralen Knotenpunkt ermöglicht viele Use-Cases der Industrie 4.0, wie bspw. erhöhte Automatisierbarkeit der Überwachungsfunktion eines Systems. Ebenfalls kann durch Metainformationen die Visualisierung der spezifischen Diagnoseinformationen automatisch erfolgen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Automatisierungsnetzwerk
    2
    generisches Diagnosemodell
    3
    Knotenpunkt
    4a
    Erstes Feldbussegment, insbesondere Profibus DP-Segment
    4b
    Zweites Feldbussegment, insbesondere Profibus PA-Segment
    4c
    Drittes Feldbussegment, insbesondere HART-Segment
    5
    Feldgerät
    6
    Switch/Gateway des HART-Segmentes
    7
    Profibus DP Feldbus
    8
    Profibus PA Feldbus
    9
    HART Feldbus
    10
    Feldbus mit OPC-UA Protokoll
    11
    Übergeordnete Einheit
    A, B, C, D, E
    Spezifische Diagnoseinformation

Claims (12)

  1. Computerimplementiertes Verfahren zum Bereitstellen eines generischen Diagnosemodells (2) in einem Knotenpunkt (3) eines Automatisierungsnetzwerkes (1), wobei das Automatisierungsnetzwerk (1) mehrere mit dem Knotenpunkt (3) verbundene untergeordnete Feldbussegmente (4a, 4b, 4c) mit jeweils mehreren Feldbusteilnehmern (5) aufweist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen von spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) durch die Feldbusteilnehmer (5) des jeweiligen Feldbussegmentes (4a, 4b, 4c); – Zusammenführen der durch die Feldbusteilnehmer (5) bereitgestellten spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) in dem Knotenpunkt (3); – Überführung von allen zusammengeführten Diagnoseinformationen in das generische Diagnosemodel (2), wobei die spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) zusätzlich mit Metainformationen angereichert werden, sodass über das generische Diagnosemodell (2) auf spezifische Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) jeweiligen Feldbusteilnehmers (5) zugegriffen werden kann.
  2. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf das generische Diagnosemodell (2) durch eine dem Knotenpunkt (3) übergeordnete Einheit (11) zugegriffen wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Zugriff der übergeordneten Einheit (11) auf den Knotenpunkt über ein OPC-UA Protokoll durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei als untergeordnete Feldbussegmente (4a, 4b, 4c) zumindest ein Profibus DP-, ein Profibus PA- oder HART-Segment verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei über die Metainformationen des generischen Diagnosemodells auf spezifische Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) zugegriffen wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) über ein OPC- UA Protokoll (10) in dem Knotenpunkt (3) zusammengeführt werden.
  7. System der Automatisierungstechnik zumindest aufweisend: – ein Automatisierungsnetzwerk (1); – mehrere innerhalb des Automatisierungsnetzwerkes befindliche Feldbussegmente (4a, 4b, 4c) mit jeweils mehreren Feldbusteilnehmern (5), wobei die Feldbusteilnehmer (5) jedes Feldbussegments (4a, 4b, 4c) spezifische Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) umfassen; – ein Knotenpunkt (3) innerhalb des Automatisierungsnetzwerkes (1), wobei die Feldbussegmente (4a, 4b, 4c) mit dem Knotenpunkt (3) verbunden sind, und der Knotenpunkt (3) dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
  8. System nach Anspruch 7, ferner aufweisend zumindest eine übergeordnete Einheit (11), die über ein OPC-UA Protokoll (10) auf das generische Diagnosemodell (2) in dem Knotenpunkt (3) zugreift.
  9. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Knotenpunkt (3) ein Gateway umfasst.
  10. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Feldbussegmente (4a, 4b, 4c) zumindest ein Profibus DP-, ein Profibus PA-, HART-, Ehternet IP-, Profinet- oder ein Foundation Fieldbus-Segment aufweisen.
  11. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, wobei die spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) zumindest eine Profibus DP, ein Profibus PA oder HART spezifische Diagnoseinformation aufweisen.
  12. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, wobei die spezifischen Diagnoseinformationen (A, B, C, D, E) Informationen, insbesondere Diagnoseinformationen, gemäß der NAMUR Empfehlung NE107 umfassen.
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