WO2008125527A1 - Verfahren zum bereitstellen einer zuverlässigen statusinformation für messwerte in prozessautomatisierungsanwendungen - Google Patents

Verfahren zum bereitstellen einer zuverlässigen statusinformation für messwerte in prozessautomatisierungsanwendungen Download PDF

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Ulrich Kaiser
Jörg REINKENSMEIER
Werner Thoren
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Definitions

  • the invention relates to a method for providing reliable status information for measured values in process automation applications.
  • Process automation applications are used to detect or influence process variables.
  • Various such field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser Group.
  • the measured values are transmitted via wired fieldbus systems to control units which serve for process control and generate corresponding control signals for actuators on the basis of current measured values.
  • the transmission of the measured values from the field devices to the control units takes place by means of a telegram in data packets which are specified in accordance with the fieldbus system.
  • status information is always transmitted to the control units with the measured value. Due to the status information, a control unit can recognize the quality of the measured value.
  • Previously used wired fieldbus systems allow safe process control on the basis of the status information transmitted with the measured values.
  • Wired fieldbus systems can also be used as deterministic Networks are called, because in the data transmission between field devices, control units and actuators over the fieldbus cable and the protocols used a defined duration of the signal is guaranteed.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for providing a reliable status information for measured values in process automation applications, which does not have the above-mentioned disadvantages and in particular enables a secure process control.
  • Another status information which is a measure of the quality of data transmission between field devices and control units. If there is a delay in the transmission of a data packet, the second status information is classified accordingly. Due to the transmitted with the measured value two status information is now a safe process control possible.
  • the second status information may be included separately in the data packet, or the first and second status information may be combined into a single overall status information.
  • a measured value classified as "good” can be reclassified in the second alternative due to delays in "uncertain”.
  • a gateway component is provided between a deterministic network (fieldbus) and a non-deterministic network, in which a corresponding adaptation of the physics of the data transmission (physical layer), as well as the protocol adaptation are made.
  • the quality of the data transmission in this gateway component is determined.
  • non-deterministic networks may be, for example, a wireless network, but also to a wired network with appropriate timing.
  • Fig. 1 shows a conventional field bus application in a schematic representation
  • FIG. 2 shows a fieldbus application with a radio network
  • FIG. 3 Fieldbus application with a wired but non-deterministic network, e.g. TCP / l P-based,
  • Fig. 4 field device in a schematic representation
  • FIG. 5 flowchart of the method according to the invention.
  • a typical fieldbus application with a wired deterministic network DN is shown.
  • Four field devices F1, F2, F3 and F4 communicate via a field bus FB with a control unit SE.
  • the Control unit SE is responsible for process control.
  • a computer unit RE is connected, which serves for example for visualization of the automation application.
  • the control unit SE determines corresponding control signals for the field devices operating as actuators. Due to the wired data transmission and the use of suitable protocols between the field devices and the control unit SE occur here no undefined delays.
  • the fieldbus FB may be, for example, a Profibus PA.
  • Fig. 2 is a process automation application with a
  • Radio network FN shown as non-deterministic network NDN 1.
  • the radio network FN comprises a plurality of field devices F1 to F4 and a gateway component G1.
  • the gateway component G1 is connected via a conventional field bus FB to a control unit SE.
  • the control unit SE corresponds to the control unit SE of FIG. 1 and forms with the field bus FB and the gateway component G1 a deterministic network DN.
  • the radio network FN may be a network in
  • the data transmission paths between the field devices and the gateway component G1 are not fixed.
  • the field device F1 can, for example, communicate directly with the gateway component G1 or, in the extreme case, via the field device F2, F3 and F4. Depending on whether in the data transfer "detours" must be taken into account, the data transmission can be delayed accordingly.
  • Fig. 3 is a process automation application with a
  • TCP / l P-based network TN shown as non-deterministic network NDN2.
  • four field devices F1 to F4 are connected to a gateway component G2 via the network TN.
  • the gateway component G2 is also connected to the control unit SE via the fieldbus FB. Together they form the deterministic network DN.
  • the TCP / IP-based network TN is a non-deterministic network because in data transmission Collisions may occur or detours become necessary, or multiple retries (retries) are necessary.
  • Fig. 4 is a field device, for example, the field device F1, shown schematically. It has a sensor MA, which serves to detect a process variable.
  • the analog measurement signal delivered by the sensor MA is digitized in an analog-to-digital converter A / D and forwarded to a microcontroller ⁇ C.
  • the microcontroller ⁇ C the measurement signal is processed and converted into a measured value.
  • the field device F1 can communicate either via the fieldbus FB or via one of the two networks FN or TN.
  • a fieldbus interface is required, for communication via a radio network a corresponding radio interface or via a TCP / IP P-based network, e.g. an ethernet interface.
  • a radio network e.g. a radio network
  • a TCP / IP P-based network e.g. an ethernet interface.
  • the measurement signal which depends for example on the pressure, the temperature, the level or the flow, detected and digitized in the analog-to-digital converter A / D.
  • the measuring signal is evaluated in the microcontroller ⁇ C and converted into a measured value MW.
  • status information which depends, for example, on the quality of the measurement signal and / or on the operating conditions of the field device, is also generated in the microcontroller .mu.C.
  • the sensor MA is a radar unit of a level gauge
  • the quality of the radar echo may be different.
  • status information is given.
  • the status ST1 "good” is assigned, with a bad radar echo signal the status ST1 "uncertain” is defined. If the level can not be determined from the radar sounding valley at all or only with a high degree of uncertainty, the status ST1 "bad” is assigned Transfer the communication unit KE to the respective network.
  • the recipient of the data packet is the control unit SE.
  • the first status information of the data packet is supplemented by second status information, which depends on the quality of the data transmission of the data packet in the network. This supplement can be done, for example, by a separate additional status information ST2 in the data packet.
  • this second status information ST2 is set to undelayed, however, if delays have occurred, it is set to delayed.
  • Status information ST1 combined with the second status information ST2 to a common status information.
  • a measured value classified as ST1 "good” can be reclassified "uncertain” in a data packet due to delays in data transmission in ST1.
  • a measure of the quality of the data transmission of a data packet can be, for example, the transmission time of the data packet between two network components.
  • the gateway G1 Since all field devices must communicate with the second network via the gateway G1, the gateway G1 is particularly suitable for determining the quality of the data transmission. Also, the gateway has sufficient computing capacity for such a determination. In general, this determination can be made only in those network components that have information about the target time for certain data transmission links.
  • the gateway G1 or G2 is particularly suitable for the quality determination. Since the invention is suitable for any non-deterministic networks, it can be used in both radio networks and wired networks such as TCP / IP based networks. Even with wired networks, there may be unpredictable delays in the transmission of data packets with readings.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen wird neben der herkömmlichen Statusinformation ST1 eine zweite Statusinformation ST2 ermittelt, die von der Güte der Übertragung des Messwerts abhängt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen.
[0002] In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte in
Prozessautomatisierungsanwendungen eingesetzt, um Prozessvariablen zu erfassen bzw. zu beeinflussen. Verschiedene solcher Feldgeräte werden von der Firmengruppe Endress+Hauser hergestellt und vertrieben. In der Regel werden die Messwerte über kabelgebundene Feldbussysteme an Steuereinheiten übertragen, die zur Prozesssteuerung dienen und aufgrund aktueller Messwerte entsprechende Steuersignale für Aktoren generieren. Die Übertragung der Messwerte von den Feldgeräten zu den Steuereinheiten erfolgt mittels Telegramm in Datenpaketen, die entsprechend dem Feldbussystem spezifiziert sind. In der Regel wird immer mit dem Messwert auch eine Statusinformation an die Steuereinheiten übertragen. Aufgrund der Statusinformation kann eine Steuereinheit die Qualität des Messwerts erkennen. Bei Feldbussystemen stehen in der Regel drei unterschiedliche Kategorien von Statusinformationen zur Verfügung; gut („good"), unsicher („uncertain") oder schlecht („bad"): Arbeitet das Feldgerät in seinem spezifizierten Bereich und ist das Messsignal sicher auszuwerten, so wird die Statusinformation „good" vergeben. Arbeitet das Feldgerät außerhalb der spezifizierten Bereiche oder kann das Messsignal nur schwer ausgewertet werden, so wird die Statusinformation „uncertain" vergeben. Sind die Bedingungen für die Auswertung des Messsignals schlecht und kann ein Messwert nur mit großer Schwierigkeit ermittelt werden, so wird die Statusinformation „bad" vergeben.
[0003] Bisher eingesetzte kabelgebundene Feldbussysteme erlauben eine sichere Prozesssteuerung auf der Basis der mit den Messwerten übertragenen Statusinformationen.
[0004] Kabelgebundene Feldbussysteme können auch als deterministische Netzwerke bezeichnet werden, weil bei der Datenübertragung zwischen Feldgeräten, Steuereinheiten und Aktoren über das Feldbuskabel und die verwendeten Protokolle eine definierte Laufzeit des Signals garantiert wird.
[0005] Seit kurzem sind auch nicht deterministische Funknetzwerke zur
Datenübertragung bei Prozessautomatisierungsanwendungen bekannt. Ein Beispiel hierfür ist der momentan in der Diskussion befindliche Standard für eine drahtlose HART-Kommunikation (Wireless HART). Als Beispiel für kabelgebundene, aber nicht deterministische Netzwerke sind TCP/l P-basierte Netzwerke zu nennen, wie LAN, Internet, etc. Auch hier kann es zu Verzögerungen bei der Datenübertragung kommen. Verarbeitet eine Steuereinheit einen Messwert, der zwar die Statusinformation „good" aufweist, aber erst mit relevanter Verzögerung die Steuereinheit erreicht hat, so kann eine sichere Prozesssteuerung unter Umständen nicht mehr gewährleistet werden, da Steuersignale zu spät generiert werden. Die Statusinformation des Messwertes ist für eine sichere Prozesssteuerung nicht mehr zuverlässig genug.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und das insbesondere eine sichere Prozesssteuerung ermöglicht.
[0007] Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmale.
[0008] Vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0009] Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die bisher mit
Messwerten übertragene Statusinformation durch eine weitere zusätzliche Statusinformation zu ergänzen, die ein Maß für die Qualität der Datenübertragung zwischen Feldgeräten und Steuereinheiten ist. Tritt eine Verzögerung bei der Übertragung eines Datenpakets auf, so wird die zweite Statusinformation entsprechend klassifiziert. Aufgrund der mit dem Messwert übertragenen zwei Statusinformationen ist nunmehr eine sichere Prozesssteuerung möglich.
[0010] Es sind zwei alternative Möglichkeiten der Ergänzung der
Statusinformation denkbar. So kann die zweite Statusinformation separat in das Datenpaket aufgenommen werden, oder die erste und die zweite Statusinformation können zu einer einzigen Gesamt-Statusinformation kombiniert werden. Ein als „good" klassifizierter Messwert kann bei der zweiten Alternative aufgrund von Verzögerungen in „uncertain" umklassifiziert werden.
[0011] Wesentlich für die Qualität der Datenübertragung in einem nicht deterministischen Netzwerk ist die Übertragungszeit des Datenpakets. Je mehr Verzögerungen bei der Datenübertragung auftreten, desto schlechter ist die Qualität der Datenübertragung. Häufig ist zwischen einem deterministischen Netzwerk (Feldbus) und einem nicht deterministischen Netzwerk eine Gateway-Komponente vorgesehen, in der eine entsprechende Anpassungen der Physik der Datenübertragung (physical layer), sowie auch der Protokollanpassung vorgenommen werden. In vorteilhafter Weise wird die Qualität der Datenübertragung in dieser Gateway-Komponente bestimmt.
[0012] Bei nicht deterministischen Netzwerken kann es sich zum Beispiel um ein Funknetzwerk, aber auch um ein kabelgebundes Netzwerk mit entsprechendem Zeitverhalten handeln.
[0013] Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
[0014] Es zeigen:
[0015] Fig. 1 herkömmliche Feldbusanwendung in schematischer Darstellung,
[0016] Fig. 2 Feldbusanwendung mit einem Funknetzwerk,
[0017] Fig. 3 Feldbusanwendung mit einem kabelgebundenenen, aber nicht deterministischen Netzwerk, z.B. TCP/l P-basiert,
[0018] Fig. 4 Feldgerät in schematischer Darstellung, und
[0019] Fig. 5 Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0020] In Fig. 1 ist eine typische Feldbusanwendung mit einem kabelgebundenen deterministischen Netzwerk DN dargestellt. Vier Feldgeräte F1 , F2, F3 und F4 kommunizieren über einen Feldbus FB mit einer Steuereinheit SE. Die Steuereinheit SE ist für die Prozesssteuerung zuständig. Mit der Steuereinheit SE ist außerdem eine Rechnereinheit RE verbunden, die z.B. zur Visualisierung der Automatisierungsanwendung dient. Die Steuereinheit SE ermittelt aufgrund der aktuellen Messwerte entsprechende Steuersignale für die als Aktoren arbeitenden Feldgeräte. Aufgrund der kabelgebundenen Datenübertragung und Verwendung geeigneter Protokolle zwischen den Feldgeräten und der Steuereinheit SE treten hier keine Undefinierten Verzögerungen auf. Bei dem Feldbus FB kann es sich zum Beispiel um einen Profibus PA handeln.
[0021] In Fig. 2 ist eine Prozessautomatisierungsanwendung mit einem
Funknetzwerk FN als nicht deterministisches Netzwerk NDN 1 dargestellt. Das Funknetzwerk FN umfasst mehrere Feldgeräte F1 bis F4 sowie eine Gateway-Komponente G1. Die Gateway-Komponente G1 ist über einen herkömmlichen Feldbus FB mit einer Steuereinheit SE verbunden. Die Steuereinheit SE entspricht der Steuereinheit SE aus Fig. 1 und bildet mit dem Feldbus FB und der Gateway Komponente G1 ein deterministisches Netzwerk DN.
[0022] Bei dem Funknetzwerk FN kann es sich um ein Netzwerk in
MESH-Technologie handeln. Dabei sind die Datenübertragungswege zwischen den Feldgeräten und der Gateway-Komponente G1 nicht fest vorgegeben. Das Feldgerät F1 kann zum Beispiel direkt mit der Gateway-Komponente G1 kommunizieren oder aber im Extremfall über das Feldgerät F2, F3 und F4. Je nach dem ob bei der Datenübertragung „Umwege" in Kauf genommen werden müssen, kann sich die Datenübertragung entsprechend verzögern.
[0023] In Fig. 3 ist eine Prozessautomatisierungsanwendung mit einem
TCP/l P-basierten Netzwerk TN als nicht deterministisches Netzwerk NDN2 dargestellt. Auch hier sind vier Feldgeräte F1 bis F4 mit einer Gatewaykomponente G2 über das Netzwerk TN verbunden. In Fig. 3 ist die Gateway-Komponente G2 ebenfalls mit der Steuereinheit SE über den Feldbus FB verbunden. Zusammen bilden sie das deterministische Netzwerk DN. Bei dem TCP/l P-basierten Netzwerk TN handelt es sich um ein nicht deterministisches Netzwerk, weil bei der Datenübertragung Kollisionen auftreten können bzw. Umwege notwendig werden, oder Mehrfachversuche (Retries) notwendig werden.
[0024] In Fig. 4 ist ein Feldgerät, zum Beispiel das Feldgerät F1 , schematisch dargestellt. Es weist einen Messaufnehmer MA auf, der zur Erfassung einer Prozessvariablen dient. Das vom Messaufnehmer MA gelieferte analoge Messsignal wird in einem Analog-Digital-Wandler A/D digitalisiert und an einen MikroController μC weitergeleitet. Im MikroController μC wird das Messsignal verarbeitet und in einen Messwert umgewandelt. Über eine entsprechend ausgebildete Kommunikationseinheit KE, die ebenfalls mit dem MikroController μC verbunden ist, kann das Feldgerät F1 entweder über den Feldbus FB oder über eines der beiden Netzwerke FN bzw. TN kommunizieren. Für die Kommunikation über den Feldbus FB wird eine Feldbusschnittstelle benötigt, für die Kommunikation über ein Funknetzwerk eine entsprechende Funkschnittstelle bzw. über ein TCP/l P-basiertes Netzwerk z.B. eine Ethernet-Schnittstelle. Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
[0025] Mit Hilfe des Messaufnehmers MA wird das Messsignal, das zum Beispiel vom Druck, der Temperatur, dem Füllstand oder dem Durchfluss abhängt, erfasst und in dem Analog-Digitalwandler A/D digitalisiert. Das Messsignal wird im Mikrocontroller μC ausgewertet und in einen Messwert MW umgewandelt. Gleichzeitig wird im Mikrocontroller μC auch eine Statusinformation, die z.B. von der Qualität des Messsignals und/oder von den Betriebsbedingungen des Feldgerätes abhängt, erzeugt. Handelt es sich zum Beispiel bei dem Messaufnehmer MA um eine Radareinheit eines Füllstandsmessgeräts, so kann die Qualität des Radarechos unterschiedlich sein. Je nach Güte des Radarechos wird eine Statusinformation vergeben. Bei einem optimalen Radarechosignal wird die Status ST1 „good" vergeben. Bei einem schlechten Radarechosignal wird der Status ST1 „uncertain" definiert. Kann der Füllstand aus dem Radarechosingal überhaupt nicht oder nur mit einer großen Unsicherheit ermittelt werden, so wird der Status ST1 „bad" vergeben. Der aktuelle Messwert und die entsprechende Statusinformation ST1 werden in ein Datenpaket verpackt und vom Feldgerät F1 über die Kommunikationseinheit KE an das jeweilige Netzwerk übergeben. Empfänger des Datenpaketes ist die Steuereinheit SE.
[0026] Bei nicht deterministischen Netzwerken kann es zu Undefinierten
Verzögerungen bei der Datenübertragung von Datenpaketen kommen. Je nach Qualität der Funkverbindung kann es notwendig sein, das Datenpaket mehrfach zwischen zwei Komponenten des Netzwerkes auf dem gleichen Weg oder über alternative Wege zu übertragen. Erfindungsgemäß wird die erste Statusinformation des Datenpakets durch eine zweite Statusinformation, die von der Qualität der Datenübertragung des Datenpakets im Netzwerk abhängt, ergänzt. Diese Ergänzung kann zum Beispiel durch eine separate zusätzliche Statusinformation ST2 im Datenpaket erfolgen.
[0027] Wenn keine Verzögerungen erfolgen, wird diese zweite Statusinformation ST2 auf unverzögert („undelayed") gesetzt. Wenn jedoch Verzögerungen aufgetreten sind, wird sie auf verzögert („delayed") gesetzt.
[0028] In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die erste
Statusinformation ST1 mit der zweiten Statusinformation ST2 zu einer gemeinsamen Statusinformation kombiniert. So kann ein als ST1 „good" klassifizierter Messwert in einem Datenpaket aufgrund von Verzögerungen bei der Datenübertragung in ST1 „uncertain" umklassifiziert werden.
[0029] Ein Maß für die Qualität der Datenübertragung eines Datenpakets kann zum Beispiel die Übertragungszeit des Datenpakets zwischen zwei Netzwerkkompontenten sein.
[0030] In dem Netzwerk gemäß Fig. 2 wären dies für ein Datenpaket, das vom Feldgerät F1 stammt, das Feldgerät F1 und das Gateway G1.
[0031] Da über das Gateway G1 alle Feldgeräte mit dem zweiten Netzwerk kommunizieren müssen, ist das Gateway G1 besonders geeignet, die Qualität der Datenübertragung zu ermitteln. Auch hat das Gateway ausreichend Rechenkapazität für eine solche Bestimmung. Allgemein kann diese Bestimmung nur in solchen Netzwerkkomponenten erfolgen, die Informationen über die Soll-Zeit für bestimmte Datenübertragungsstrecken besitzen.
[0032] Insbesondere an der Schnittstelle zwischen zwei Netzwerken kann es zu Verzögerungen bei der Weiterleitung von Messwerten kommen. Auch aus diesem Grund ist das Gateway G1 bzw. G2 besonders geeignet für die Qualitätsbestimmung. Da sich die Erfindung für beliebige nicht deterministische Netzwerke eignet, kann sie sowohl bei Funknetzwerken als auch kabelgebundenen Netzwerken wie zum Beispiel TCP/l P basierten Netzwerken eingesetzt werden. Auch bei kabelgebundenen Netzwerken kann es zu nicht vorhersagbaren Verzögerungen bei der Übertragung von Datenpaketen mit Messwerten kommen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bereitstellen einer zuverlässigen Statusinformation für Messwerte in Prozessautomatisierungsanwendungen mit folgenden Verfahrensschritten: a) Erfassen eines Messsignals mit Hilfe eines Feldgerätes F1 , b) Ermitteln eines Messwertes aus dem Messsignal mit Hilfe des Feldgerätes F1 , c) Ermitteln einer ersten Statusinformation ST1 , die von internen Bedingungen des Feldgeräts F1 abhängt und die ein Maß für Güte des Messsignals ist d) Übergabe des Messwertes mit der ersten Statusinformation ST1 in einem Datenpaket vom Feldgerät F1 an ein Netzwerk TN, FN der Prozessautomatisierungstechnik, e) Ermittlung einer zweiten Statusinformation, die ein Maß für die Qualität der Datenübertragung des Datenpakets in dem Netzwerk TN, FN ist, f) Ergänzung des Datenpakets mit der zweiten Statusinformation ST2.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzung durch Aufnahme der zweiten Statusinformation ST2 im Datenpaket erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ergänzung durch die Kombination der ersten und zweiten Statusinformation ST1 , ST2 zu einer Statusinformation im Datenpaket erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Datenübertragung des Datenpakets von der Übertragungszeit des Datenpaketes zwischen zwei Teilnehmern des Netzwerks TN, FN abhängt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität der Datenübertragung in einer Gateway-Komponente G1 , G2, die zwischen dem ersten Netzwerk TN, FN und einem zweiten Netzwerk KN angeordnet ist, bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Netzwerk ein nichtdeterministisches und das zweite Netzwerk ein deterministisches Netzwerk ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtdeterministische Netzwerk ein Funknetzwerk ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtdeterministische Netzwerk kabelgebunden ist, z.B. ein TCP/IP basiertes Netzwerk.
PCT/EP2008/054126 2007-04-13 2008-04-07 Verfahren zum bereitstellen einer zuverlässigen statusinformation für messwerte in prozessautomatisierungsanwendungen WO2008125527A1 (de)

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