DE102009027697A1 - System for controlling and / or monitoring a process plant in automation technology - Google Patents

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Dietmar FRÜHAUF
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung und/oder Überwachung einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik mit einer übergeordneten Steuereinheit (1) und mit zumindest einem Ethernet-fähigen Feldgerät (3), wobei die Steuereinheit (1) und das Feldgerät (3) über eine Ethernet-Verbindung (11), auf der das Ethernetprotokoll läuft, miteinander verbunden sind, wobei der Steuereinheit (1) ein Bediensoftware-Modul (9, 10) zugeordnet ist, das sowohl zur Bedienung über einen Feldbus (15) der Prozessautomatisierungstechnik mittels eines Feldbusprotokolls als auch zur Bedienung über Ethernet mittels des Ethernetprotokolls dient, und wobei dem Feldgerät (3) eine Kommunikationsschnittstelle (14) zugeordnet ist, die das entsprechende Feldbusprotokoll auf das Ethernet-Protokoll abbildet, so dass die Steuereinheit (1) direkt über die Ethernet-Verbindung (11) mit dem Feldgerät (3) kommuniziert.The invention relates to a system for controlling and / or monitoring a process plant in automation technology with a superordinate control unit (1) and with at least one Ethernet-capable field device (3), the control unit (1) and the field device (3) via an Ethernet -Connection (11), on which the Ethernet protocol runs, are connected to one another, the control unit (1) being assigned an operating software module (9, 10) which is used both for operation via a fieldbus (15) of the process automation technology using a fieldbus protocol as is also used for operation via Ethernet using the Ethernet protocol, and the field device (3) is assigned a communication interface (14) which maps the corresponding fieldbus protocol to the Ethernet protocol, so that the control unit (1) can be directly connected to the Ethernet connection ( 11) communicates with the field device (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung und/oder Überwachung einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik mit einer übergeordneten Steuereinheit und mit zumindest einem Ethernet-fähigen Feldgerät.The The invention relates to a system for control and / or monitoring a process plant in automation technology with a superordinate Control unit and with at least one Ethernet-capable field device.

In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte/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 Prozessgrößen werden Aktoren eingesetzt. Beispielsweise handelt es sich bei den Aktoren um Ventile oder Pumpen, über die sich beispielsweise der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter ändern lässt.In the process automation technology as well as in factory automation technology are often field devices used to capture and / or influencing process variables. For measuring process variables, measuring devices / sensors, such as level gauges, flowmeters, pressure and Temperature measuring devices, pH redox potential, Conductivity meters, etc., which the corresponding process variables level, flow, pressure, Temperature, pH or conductivity to capture. Actuators are used to influence process variables. For example, the actuators are valves or pumps via which For example, the flow of a liquid in a pipe section or the level in a container.

Als Feldgeräte werden alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Neben den zuvor genannten Messgeräten/Sensoren und Aktoren werden als Feldgeräte üblicherweise auch solche Einheiten bezeichnet, die direkt mit einem Feldbus verbindbar sind und zur Kommunikation mit der übergeordneten Einheit dienen. Bei diesen Geräten kann es sich um Remote I/Os, Gateways bzw. Linking Devices, um Wireless Adapters oder um Anzeigegeräte handeln. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.When field devices become all devices designated, which are used close to the process and the process-relevant Provide or process information. In addition to the aforementioned Measuring devices / sensors and Actuators are also commonly used as field devices refers to such units that can be directly connected to a fieldbus are and serve to communicate with the parent unit. With these devices These can be remote I / Os, gateways or linking devices to wireless Adapters or to display devices act. A large number of such field devices are provided by the Endress + Hauser Group manufactured and sold.

In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Feldbussysteme, wie z. B. Profibus®, Foundation Fieldbus®, HART®, etc. mit einer übergeordneten Einheit verbunden. Normalerweise handelt es sich bei der übergeordneten Einheit um ein Leitsystem oder eine Steuereinheit, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung). Die übergeordnete Einheit dient unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte.In modern industrial plants field devices are usually on fieldbus systems such. B. Profibus ® , Foundation Fieldbus ® , HART ® , etc. connected to a parent unit. Normally the higher-level unit is a control system or a control unit, such as a PLC (programmable logic controller). Among other things, the higher-level unit is used for process control, process visualization, process monitoring and commissioning of the field devices.

Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messwerte werden über das angeschlossene Bussystem an eine oder gegebenenfalls auch an mehrere übergeordnete Einheit(en) übermittelt. Die Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte dient insbesondere zur Konfigurierung und Parametrierung von Feldgeräten oder zu Diagnosezwecken. Allgemein gesprochen, wird das Feldgerät über das Bussystem von der übergeordneten Einheit her bedient bzw. gesteuert. Die Energieversorgung der an einen Feldbus angeschlossenen Feldgeräte, in denen das entsprechende Bus-Protokoll implementiert ist, erfolgt gleichfalls über den jeweiligen Feldbus.The from the field devices, in particular of sensors, measured values are recorded via the connected bus system to one or possibly also to several higher-level Unit (s) transmitted. The data transmission from the parent Unit over the bus system to the field devices is used in particular for configuring and parameterizing field devices or for diagnostic purposes. Generally speaking, the field device is over the Bus system from the parent Unit operated or controlled. The power supply of the a Fieldbus connected field devices in which the corresponding Bus protocol is also implemented via the respective fieldbus.

Nachteilig bei den in der Automatisierungstechnik bekannten Feldbussen sind deren verhältnismäßig geringe Übertragungsraten. Da die Feldgeräte in ihrer Funktionalität immer komplexer werden, führt dies insbesondere im Falle der Parametrierung und Konfigurierung aber auch im Falle der Übertragung von großen Mengen von Messdaten vom Feldgerät zur Steuereinheit zu langen Übertragungszeiten, was für den Kunden, sprich den Betreiber der Prozessanlage, natürlich nachteilig ist.adversely in the fieldbuses known in automation technology their relatively low transmission rates. Since the field devices in their functionality becoming more complex, this leads especially in the case of parameterization and configuration but even in the case of transfer of huge Quantities of measurement data from the field device to Control unit for long transmission times, what kind of the customer, ie the operator of the process plant, of course disadvantageous is.

Daher ist es in der Automatisierungstechnik bekannt geworden, die Daten zwischen der Steuerebene und der Feldebene vice versa über einen High Speed Ethernet-Bus zu übertragen. Im Gegensatz zu den aus der Office-Welt bekannten Ethernet Bussen müssen die industriellen Ethernet-Busse noch zusätzliche Anforderungen erfüllen. Insbesondere müssen Sie in der Lage sein,

  • – bei zeitkritischen Anwendungen die Daten auf Anforderung sehr schnell zu übertragen bzw. innerhalb kürzester Zeit hohe Datenraten zu übertragen,
  • – sie müssen unter rauen Umgebungsbedingungen in der unwirtlichen Umgebung in einer Industrieanlage funktionieren,
  • – sie müssen in hohem Maße unanfällig sein gegenüber Störeinflüssen, wie elektromagnetischen Einstrahlungen und mechanischen Vibrationen.
Therefore, it has become known in automation technology to transfer the data between the control level and the field level vice versa via a high-speed Ethernet bus. In contrast to the Ethernet buses known from the office world, the industrial Ethernet buses still have to meet additional requirements. In particular, you need to be able to
  • - to transfer the data very quickly on request in time-critical applications or to transmit high data rates within a very short time,
  • They must operate in harsh environmental conditions in the hostile environment in an industrial plant,
  • - They must be highly resistant to interference, such as electromagnetic radiation and mechanical vibration.

Bei den in der Prozessautomatisierung auf der Leitsystemebene eingesetzten High Speed Ethernet-Bussen handelt es sich beispielsweise um den Modbus/IDA, das Ethernet/IP, den FF HSE. Das Vermittlungsglied zwischen der Leitsystemebene, in der die Daten mit Übertragungsraten von 10 MBit/s übertragen werden, und der Feldebene, in der sich die Kommunikation z. B. für HART mit einer Übertragungsrate von 1.2 KBit/s erfolgt, bildet ein sog. Linking Device bzw. ein Gateway. Ein entsprechendes Gateway wird von der Firmengruppe Endress + Hauser unter der Bezeichnung Fieldgate angeboten und vertrieben. Während auf der Leitsystemebene das Gateway die Funktion eines Slaves hat, hat es auf der Feldebene die Funktion eines Masters.at the one used in process automation at the control system level High-speed Ethernet buses are, for example, the Modbus / IDA, the Ethernet / IP, the FF HSE. The mediator between the control system level, where the data is transmitted at transfer rates of 10 Mbit / s and the field level, in which the communication z. B. for HART with a transmission rate 1.2 kbps, forms a so-called linking device Gateway. An appropriate gateway is provided by the Endress group of companies + Hauser under the name Fieldgate offered and distributed. While at the control system level, the gateway has the function of a slave, it has the function of a master at the field level.

Der Vorteil dieser bekannten Lösung ist darin zu sehen, dass vorhandene Installationen von Feldgeräten in einer Prozessanlage, die als Kommunikationsstandard beispielsweise HART benutzen, an einen industriellen Ethernet Bus angebunden werden können. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass zwar auf der Leitsystemebene der Vorteil der hohen Übertragungsraten zum Tragen kommt; hingegen erfolgt auf der Feldebene die Datenübertragung mit der im Bereich der Feldbusse üblichen relativ geringen Datenübertragungsraten. Für Echtzeitanwendungen sind die bekannten Lösungen daher nur eingeschränkt geeignet.The advantage of this known solution can be seen in the fact that existing installations of field devices in a process plant, which use as a communication standard, for example HART, can be connected to an industrial Ethernet bus. The disadvantage of this solution is that Although at the control system level the advantage of high transmission rates comes into play; On the other hand, data transmission takes place at the field level with the relatively low data transmission rates customary in the area of fieldbuses. For real-time applications, the known solutions are therefore only limited suitable.

Für Echtzeitanwendungen ist es bekannt geworden, mit Ethernet über ein Gateway vom Leitsystem auf die Feldgeräte in der Feldebene durchzugreifen. Dies ist im Falle von Industrial Ethernet möglich. Hier bleibt die Hardware der Feldgeräte selbst unverändert, während die Schnittstelle so ausgestaltet ist, dass die Daten über Ethernet zwischen der Steuereinheit und dem Feldgerät übermittelt werden können. Bei bekannten Industrial Ethernet Lösungen für Real Time Anwendungen kommen hoch spezialisierte Hardware Lösungen zum Einsatz.For real-time applications It has become known with Ethernet via a gateway from the control system on the field devices to intervene in the field level. This is in the case of Industrial Ethernet possible. Here remains the hardware of the field devices even unchanged, while the interface is designed so that the data is via ethernet can be transmitted between the control unit and the field device. at known Industrial Ethernet solutions for Real Time applications come with highly specialized hardware solutions Commitment.

Nachteilig bei den bekannt gewordenen Lösungen betreffend Ethernet-fähige Feldgeräte ist natürlich auch die Verwendung einer zusätzlichen Kabelverbindung, die für die Stromversorgung des Gateways und der an den industriellen Ethernet-Bus angeschlossenen Feldgeräte vorgesehen sein muss.adversely in the solutions become known regarding Ethernet-capable field devices is natural also the use of an additional Cable connection for the power supply of the gateway and the connected to the industrial Ethernet bus field devices must be provided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System vorzuschlagen, das es erlaubt, Daten mit einer hohen Übertragungsrate zwischen der Leitsystemebene und der Feldebene zu übertragen.Of the Invention has for its object to propose a system which allows data with a high transfer rate between the Control system level and the field level.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit und das Feldgerät über eine Ethernet-Verbindung, auf der das Ethernetprotokoll läuft, miteinander verbunden sind, dass der Steuereinheit ein Bediensoftware-Modul zugeordnet ist, das sowohl zur Bedienung über einen Feldbus der Prozessautomatisierungstechnik mittels eines Feldbusprotokolls als auch zur Bedienung über Ethernet mittels des Ethernetprotokolls dient, und wobei dem Feldgerät eine Kommunikationsschnittstelle zugeordnet ist, die das entsprechende Feldbusprotokoll auf das Ethernet-Protokoll abbildet, so dass die Steuereinheit direkt über Ethernet mit dem Feldgerät kommuniziert. Bei der Kommunikationsschnittstelle handelt es sich bevorzugt um eine Ethernet-Schnittstelle. Die Erfindung ermöglicht es, standardisierte Industrieprotokolle, wie das HART-, Profibus PA- oder das Fieldbus Foundation-Protokoll, zu nutzen, wobei allerdings eine wesentlich höhere Datenübertragungsrate erreicht wird, als bei den bislang bekannt gewordenen Lösungen. Möglich wird dies durch den direkten Zugriff via Ethernet auf das Feldgerät, wodurch die Kommandos des im Einsatz befindlichen Feldbusprotokolls direkt verarbeitet werden können. Durch die höhere Datenübertragungsrate lässt sich natürlich auch die Performance des Feldgeräts erheblich verbessern. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass bekannte Konfigurations- oder Managementsysteme, beispielsweise das Tool FieldCare, das von der Endress + Hauser Gruppe angeboten und vertrieben wird, weiterhin unverändert genutzt werden können, da die Steuer-Software auf der Leitsystemebene überhaupt nicht beeinflusst wird.The Task is solved by that the control unit and the field device via an Ethernet connection, on which the Ethernet protocol is running, with each other are associated, that the control unit associated with an operating software module is that, both for operation over a fieldbus process automation technology using a fieldbus protocol as well as to the operation over Ethernet by means of the Ethernet protocol is used, and wherein the field device, a communication interface is assigned to the corresponding fieldbus protocol on the Ethernet protocol so that the control unit communicates directly with the field device via Ethernet. In the Communication interface is preferably an Ethernet interface. The Invention allows it, standardized industrial protocols, such as the HART, Profibus PA or the Fieldbus Foundation protocol, although one much higher Data transfer rate achieved as in the previously known solutions. Possible This is achieved by the direct access via Ethernet to the field device, thereby the commands of the fieldbus protocol in use directly can be processed. By the higher Data transfer rate let yourself Naturally also the performance of the field device significantly improve. It is also advantageous that known configuration or management systems, such as the FieldCare tool developed by the Endress + Hauser Group is offered and distributed unchanged can be used because does not affect the control software at the control system level at all becomes.

Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der Erfindung angesehen, wenn eine Power over Ethernet-Anschaltung vorgesehen ist, die in die Ethernet-Verbindung eingebracht ist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Energie- und die Datenübertragung über die gleiche Verbindungsleitung erfolgen können. Weiterhin ermöglicht Power over Ethernet den direkten Zugriff von der Steuerebene auf die Feldebene. Weiterhin ist es möglich, über Power over Ethernet genügend Energie für energieintensive Anforderungen zur Verfügung zu stellen. In diesem Zusammenhang wird darüber hinaus vorgeschlagen, die Power over Ethernet-Anschaltung eigensicher auszugestalten. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung im explosionsgefährdeten Bereich einzusetzen. Bevorzugt kommt in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Power over Ethernet Switch der Firma MTL zum Einsatz. Darüber hinaus können weitere eigensichere Komponenten, wie sie beispielsweise von der Firma MTL, angeboten und vertrieben werden, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Insbesondere handelt es sich bei diesen Komponenten um Lichtwellenleiter oder Funk-Übertragungskomponenten, die in der Lage sind, die übliche Ethernet-Übertragungsstrecke von ca. 100 m zu vergrößern.When it is considered particularly advantageous in connection with the invention, if a Power over Ethernet connection is provided in the the Ethernet connection is inserted. This solution has the advantage that the energy and the data transmission over the same connection line can be made. Furthermore, power allows via Ethernet direct access from the control level to the field level. Furthermore, it is possible over power enough over Ethernet Energy for to provide energy intensive requirements. In this Connection becomes about it It is also proposed to make the Power over Ethernet interface intrinsically safe. Due to this configuration, it is possible to the device according to the invention in the explosion hazard Insert area. Preferably comes in conjunction with the inventive solution Power over Ethernet Switch from MTL is used. Furthermore can Other intrinsically safe components, such as those of the Company MTL, offered and distributed in conjunction with the can be used in the present invention. In particular, it is these components are optical fibers or radio transmission components, who are able to do the usual Ethernet transmission link of about 100 m to enlarge.

Selbstverständlich ist auch eine separate Energieversorgungseinheit möglich, die das Feldgerät mit Energie versorgt.Of course it is Also, a separate power supply unit possible, which the field device with energy provided.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine serielle Schnittstelle vorgesehen, die zwischen einem ersten Mikroprozessor, der für die Umsetzung der Kommunikation vorgesehen ist, und einem zweiten Mikroprozessor, der dem Sensor/Aktor Frontend zugeordnet ist, angeordnet ist, so dass der Datenaustausch zwischen dem ersten Mikroprozessor und dem zweiten Mikroprozessor mit der bei Ethernet üblichen hohen Datenübertragungsrate erfolgen kann. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass z. B. ein HART-Feldgerät und das Gateway über entsprechende HART Kommandos auf der physikalischen Schicht miteinander kommunizieren. Erfindungsgemäß wird diese physikalische Schicht eliminiert, wodurch die beiden Mikroprozessoren auf einer Leiterkarte miteinander verbunden werden können.According to one advantageous embodiment of the device according to the invention is a serial interface provided, between a first microprocessor, for the implementation the communication is provided, and a second microprocessor, which is assigned to the sensor / actuator front end, is arranged so that the data exchange between the first microprocessor and the second microprocessor with the usual high Ethernet data transfer rate can be done. From the prior art it is known that z. A HART field device and the gateway over corresponding HART commands on the physical layer with each other communicate. According to the invention this eliminates physical layer, eliminating the two microprocessors can be connected together on a printed circuit board.

Die Datenübertragungsrate der HART Kommandos zwischen den beiden Mikroprozessoren hängt somit nur von der Taktfrequenz bzw. von der Performance der Mikroprozessoren ab; sie ist aber unabhängig von dem Transport der Daten auf der physikalischen Schicht, auf der die HART Kommandos üblicherweise übermittelt werden. Somit ist bevorzugt zwischen den beiden Mikroprozessoren eine Hochgeschwindigkeits-UART Schnittstelle vorgesehen. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Lösung zumindest eine der ansonsten dem Feldgerät und dem Gateway zugeordneten Energieversorgungseinheiten eingespart werden.The data transfer rate of the HART commands between the two microprocessors thus depends only on the clock frequency or on the performance of the microprocessors; but she is regardless of the transport of the data on the physical layer on which the HART commands are usually transmitted. Thus, a high-speed UART interface is preferably provided between the two microprocessors. Furthermore, at least one of the power supply units otherwise assigned to the field device and the gateway can be saved by the solution according to the invention.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt mehrere Ethernet-fähige Feldgeräte mit gleichen oder unterschiedlichen Feldbusprotokollen vor, die über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen mit der Steuereinheit kommunizieren. Die Kommunikation zwischen dem Ethernet-fähigen bzw. den Ethernet-fähigen Feldgeräten und der Steuereinheit erfolgt drahtlos oder drahtgebunden.A advantageous embodiment of the device according to the invention proposes several Ethernet-enabled field devices with the same or different fieldbus protocols that have different Communication links communicate with the control unit. Communication between the Ethernet-capable or the Ethernet-capable field devices and The control unit is wireless or wired.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:

1: eine Gegenüberstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung und der erfindungsgemäßen Lösung. 1 : A comparison of the known from the prior art solution and the inventive solution.

2: die Software Architektur der erfindungsgemäßen Lösung und 2 : the software architecture of the solution according to the invention and

3: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung in einer eigensicheren Ausgestaltung. 3 : A schematic representation of the solution according to the invention in an intrinsically safe embodiment.

1 zeigt eine Gegenüberstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung und der erfindungsgemäßen Lösung. Die Lösung des Standes der Technik ist im linken Bereich der 1 schematisch dargestellt. Das Konfigurations- und Managementsystem 1, bei dem es sich beispielsweise um das Tool ”FieldCare” der Endress + Hauser Gruppe handelt, ist mit einem Gateway 2 bzw. einem Linking Device über eine Ethernet MAU 8, also eine Medium Access Unit, verbunden. Das Gateway 2 stellt die Verbindung her zwischen der Leitsystem- oder Steuerebene, auf der aufgrund der Nutzung von Ethernet Datenübertragungsraten von 10 Mbit/sec vorliegen, und der Feldebene, auf der die Datenübertragungsraten üblicherweise um drei Größenordnungen niedriger liegen. Beim HART-Protokoll liegt die Datenübertragungsrate bei 1.2 Kbit/sec. 1 shows a comparison of the known from the prior art solution and the inventive solution. The solution of the prior art is in the left area of 1 shown schematically. The configuration and management system 1 , which is for example the tool "FieldCare" of the Endress + Hauser group, is with a gateway 2 or a linking device via an Ethernet MAU 8th , ie a medium access unit, connected. The gateway 2 establishes the connection between the control system or control plane, which has data rates of 10 Mbit / sec due to the use of Ethernet, and the field level, where data transfer rates are usually three orders of magnitude lower. In the HART protocol, the data transfer rate is 1.2 Kbit / sec.

Die Ethernetverbindung 11 kann übrigens sowohl drahtgebunden als auch drahtlos als Funkverbindung, z. B. WLAN, ausgestaltet sein. Das Gateway 2 wird über eine separate Energieversorgungseinheit 4 gespeist, was eine zusätzliche Verkabelung notwendig macht. Das Gateway 2 und das Feldgerät 3 sind über entsprechende Modems 5, 6, die dem Gateway 2 und dem Feldgerät 3 zugeordnet sind, miteinander verbunden. Im dargestellten Fall erfolgt die Datenübertragung auf Feldbusebene über das HART-Protokoll; entsprechend sind die Modems 5, 6 als HART Modems ausgestaltet. Die Übertragung der Daten über die HART Modems 5, 6 stellt zweifellos ein Bottleneck dar, da die Datenübertragungsrate mit der auf Feldbusebene üblichen langsamen Datenübertragungsrate erfolgt. Während auf der Feldbusebene die Feldgeräte 3 mit dem Gateway 2 als Master kommunizieren, agiert das Gateway 2 auf der Firmenebene als Slave in Bezug auf das Leitsystem 21. Bei dem Leitsystem 21 kann es sich beispielsweise um die Leitsysteme PCS7 von Siemens, Symphony von ABB und Delta V von Emerson handeln.The Ethernet connection 11 Incidentally, both wired and wireless as a radio connection, z. B. WLAN, be configured. The gateway 2 is via a separate power supply unit 4 fed, which makes additional wiring necessary. The gateway 2 and the field device 3 are via appropriate modems 5 . 6 that the gateway 2 and the field device 3 are associated with each other. In the case shown, the data transmission takes place at the field bus level via the HART protocol; accordingly are the modems 5 . 6 designed as HART modems. The transmission of data via the HART modems 5 . 6 undoubtedly represents a bottleneck, since the data transfer rate with the usual on the field bus level slow data transfer rate occurs. While at the field bus level, the field devices 3 with the gateway 2 communicate as master, the gateway acts 2 at the company level as a slave in relation to the control system 21 , At the control system 21 These can be, for example, PCS7 control systems from Siemens, Symphony from ABB and Delta V from Emerson.

Dargestellt ist die aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Lösung detaillierter im mittleren Bereich von 1. Zwischen dem ersten Mikroprozessor 9, der für die Umsetzung der Kommunikation vorgesehen ist, und zwischen dem HART Modem des Gateways 2 und dem zweiten Mikroprozessor 10, der dem Sensor/Aktor Frontend 3 zugeordnet ist, ist jeweils eine Schnittstelle 12 vorgesehen. Die Datenübertragung über die Schnittstellen 12 drosselt die bei Ethernet übliche hohe Datenübertragungsrate, so dass der Durchgriff auf das Feldgerät 3 mit der auf Feldbusebene üblichen langsamen Datenübertragungsrate erfolgt.Shown is the known from the prior art solution in more detail in the central region of 1 , Between the first microprocessor 9 which is intended for the implementation of the communication, and between the HART modem of the gateway 2 and the second microprocessor 10 which is the sensor / actuator frontend 3 is assigned, is in each case an interface 12 intended. The data transfer via the interfaces 12 throttles the usual high data transfer rate in Ethernet, so that the access to the field device 3 occurs at the fieldbus level usual slow data transmission rate.

Über die Prozessschnittstelle 7 ist ein nicht gesondert dargestellter Messaufnehmer mit dem Feldgerät 3 verbunden. Im gezeigten Fall handelt es sich um ein 4–20 mA Feldgerät 3, wobei dem Stromsignal die HART-Signale überlagert sind.About the process interface 7 is a not separately shown sensor with the field device 3 connected. In the case shown, it is a 4-20 mA field device 3 , wherein the current signal, the HART signals are superimposed.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im rechten Bereich der 1 zu sehen. Über einen schnellen Ethernet Bus erfolgt der Zugriff auf das Feldgerät 3. An dem Feldgerät 3 ist im gezeigten Fall eine Power over Ethernet Schnittstelle 14 vorgesehen. Je nach Anwendungsfall ist die Power over Ethernet Schnittstelle 14 eigensicher ausgestaltet.The solution according to the invention is in the right area of 1 to see. A fast Ethernet bus provides access to the field device 3 , At the field device 3 In the case shown is a Power over Ethernet interface 14 intended. Depending on the application, the Power over Ethernet interface 14 intrinsically safe designed.

Eine serielle Schnittstelle 13, im gezeigten Fall handelt es sich um eine UART Schnittstelle, die als serielle Schnittstelle mit hoher Datenübertragungsrate ausgestaltet ist, ist zwischen dem ersten Mikroprozessor 9 und dem zweiten Mikroprozessor 10 vorgesehen. Selbstverständlich können auch alternative serielle Schnittstellen, wie SPI- oder I2C-Schnittstellen verwendet werden.A serial interface 13 in the case shown, it is a UART interface, which is designed as a serial interface with a high data transfer rate, is between the first microprocessor 9 and the second microprocessor 10 intended. Of course, alternative serial interfaces such as SPI or I2C interfaces can also be used.

Der erste Mikroprozessor 9 sorgt für die Umsetzung der Kommunikation, während der zweite Mikroprozessor dem Sensor/Aktor Frontend zugeordnet ist und die Ansteuerung des Feldgeräts 3 und die Messwertverarbeitung durchführt. Über die serielle Schnittstelle 13 erfolgt der Datenaustausch zwischen dem ersten Mikroprozessor 9 und dem zweiten Mikroprozessor 10 mit der für die Mikroprozessoren 9, 10 üblichen Taktrate von 10–100 Mbit/sec.The first microprocessor 9 provides for the implementation of the communication, while the second microprocessor is assigned to the sensor / actuator frontend and the control of the field device 3 and performs the measured value processing. Via the serial interface 13 the data exchange takes place between the first microprocessor 9 and the second Mi kroprozessor 10 with the for the microprocessors 9 . 10 usual clock rate of 10-100 Mbit / sec.

Neben dem Tunneln von HART Daten auf dem Ethernet Protokoll ist es natürlich auch mögliche, beliebige Feldbusprotokolle zu tunneln. Hierzu muss lediglich die Software des Kommunikations-Mikroprozessors 9 entsprechend angepasst werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, einen oder beide Mikroprozessoren 9, 10 als FPGA auszugestalten. Somit ist eine optimale Anpassung an die vorliegenden Gegebeneinheiten möglich. Es versteht sich von selbst, dass die von den beiden Mikroprozessoren 9, 10 ausgeführten Funktionen ggf. auch in einem Mikroprozessor realisiert sein können.Besides tunneling HART data on the Ethernet protocol, it is of course also possible to tunnel any field bus protocols. All that is required is the software of the communications microprocessor 9 be adjusted accordingly. According to an advantageous embodiment is provided, one or both microprocessors 9 . 10 as FPGA. Thus, an optimal adaptation to the given given units is possible. It goes without saying that by the two microprocessors 9 . 10 executed functions may possibly be implemented in a microprocessor.

Wesentlich für die softwaremäßige Realisierung der Erfindung sind einerseits das Tunneln des Feldbusprotokolls, z. B. des HART Protokolls auf dem Ethernet Protokoll, und andererseits der von einem WebServer bereitgestellt WebService. Nähere Information zum prinzipiellen Aufbau der Software ist der 2 zu entnehmen.Essential for the software implementation of the invention, on the one hand, the tunneling of the fieldbus protocol, z. The HART protocol on the Ethernet protocol, and the web service provided by a Web server. Further information on the basic structure of the software is the 2 refer to.

Das sog. Embedded Operating System 16 spielt eine herausragende Rolle, da es u. a. das Aufgaben-, das Zeit-, und das Speicher-Management abwickelt. Bevorzugt handelt es sich um ein RTOS, also ein Real Time Operating System. Weiterhin sind hier die Protokoll-Stacks, gezeigt ist hier der TCP/IP Protokoll Stack, enthalten. Selbstverständlich kann es sich auch um UDP-Protokoll-Stacks handeln. Auf der Anwendungsebene können alle bekannten Intranet/Internet Protokolle verwendet werden.The so-called embedded operating system 16 plays a prominent role, since it handles, among other things, the task, the time, and the memory management. Preferably, it is an RTOS, so a Real Time Operating System. Furthermore, here are the protocol stacks, shown here is the TCP / IP protocol stack included. Of course, these can also be UDP protocol stacks. At the application level, all known intranet / internet protocols can be used.

Der WebServer Service 17 behandelt die Anfragen und erstellt die Antwort auf die Anfragen. Im Falle einer HART Anfrage über TCP/IP müssen die HART Kommandos aus dem TCP Paket entpackt werden. Der WebServer 17 aktiviert den HART Scanner/Master Service 18, um zu überprüfen, ob ein HART Kommandos korrekt ist. Nach dem Test sendet der HART Scanner/Master Service 18 das HART Kommando über die UART Schnittstelle 13 zu dem entsprechenden Sensor/Aktor 3. Die Antwort wird entsprechend zurückgeleitet. Im Falle einer HTTP Anfrage aktiviert der WebServer 17 den WebSeiten Generator Service 19. Der WebSeiten Generator Service 19 erzeugt HTML Seiten oder XML Daten. Die Antwort erfolgt entweder in Form einer WebSeite oder in Form eines XML Daten Files. Die Konfigurationsdaten, wie z. B. die IP Adresse, sind in der Daten Speicher Komponente 20 hinterlegt.The web server service 17 handles the requests and creates the answer to the requests. In the case of a HART request via TCP / IP, the HART commands must be unpacked from the TCP packet. The web server 17 activates the HART Scanner / Master Service 18 to check if a HART command is correct. After the test, the HART scanner / master service will send 18 the HART command via the UART interface 13 to the corresponding sensor / actuator 3 , The answer is returned accordingly. In case of an HTTP request the WebServer activates 17 the webpage generator service 19 , The WebSeiten Generator Service 19 generates HTML pages or XML data. The answer is either in the form of a web page or in the form of an XML data file. The configuration data, such as. As the IP address, are in the data memory component 20 deposited.

Die WebSeite kann von einem Standard WebBrowser aufgerufen werden. Der minimale Inhalt der WebSeite ist z. B. der Name des Feldgeräts, die Beschreibung des Feldgeräts und die von dem Feldgerät ermittelten Messwerte.The Web page can be called from a standard web browser. Of the minimal content of the web page is z. As the name of the field device, the description of the field device and those of the field device determined measured values.

Um die Eigensicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sicherzustellen, müssen folgende Anforderungen erfüllt sein:

  • – die Energieversorgung des Feldgeräts muss eine galvanische Trennung und energiebegrenzende Komponenten zwischen dem sicheren und dem gefährdeten Bereich aufweisen, so dass sichergestellt ist, dass die Energiezufuhr in den geschützten Bereich auf das den jeweiligen Ex-Schutz Anforderungen entsprechende Maß beschränkt ist.
  • – Der Power over Ethernet Switch 14 muss sowohl bezüglich der Energieübertragung als auch der Datenübertragung eigensicher ausgestaltet sein.
  • – Es muss die Eigensicherheit zwischen der PoE Schnittstelle 14 und der Schnittstelle 7 des Feldgeräts 3 zum Prozess sichergestellt sein.
In order to ensure the intrinsic safety of the device according to the invention, the following requirements must be met:
  • - The power supply of the field device must have a galvanic isolation and energy-limiting components between the safe and the hazardous area, so that it is ensured that the energy supply in the protected area is limited to the extent corresponding to the respective Ex protection requirements.
  • - The Power over Ethernet Switch 14 must be intrinsically safe both in terms of energy transmission and data transmission.
  • - There has to be intrinsic security between the PoE interface 14 and the interface 7 of the field device 3 to be assured of the process.

Das Ethernet auf der Steuerebene ist von dem eigensicheren Ethernet isoliert. Hierzu ist der Ethernet Switch 14 über einen Ethernet Isolator von dem nicht eigensicheren Ethernet entkoppelt. Beispielsweise sind an den Ethernet Switch 4 Feldgeräte bzw. Sensoren/Aktoren anschließbar. Jedes Feldgerät 3 erhält seine Energie über den Ethernet Switch 14. Sowohl der Ethernet Switch als auch die Ethernet Schnittstelle 14 sind eigensicher ausgestaltet.The control plane Ethernet is isolated from the intrinsically safe Ethernet. This is the Ethernet switch 14 decoupled from the non-intrinsically safe Ethernet via an Ethernet isolator. For example, to the Ethernet switch 4 Field devices or sensors / actuators can be connected. Every field device 3 gets its energy via the Ethernet switch 14 , Both the Ethernet switch and the Ethernet interface 14 are designed intrinsically safe.

Wie bereits zuvor erwähnt, kann die Energieversorgung auch über eine separate Energieversorgung erfolgen. Ggf. ist diese auch eigensicher ausgestaltet. Um das Netzwerk mit Ethernet Switch 14 und mit ggf. vier angeschlossenen Sensoren gegen einen unberechtigten Zugriff zu sichern, ist weiterhin eine Firewall, z. B. eine Tofino Komponente vorgesehen, die für eine sichere Netzwerkanbindung auf Feldbusebene sorgt. Da die Firewall nicht eigensicher ist, muss sie zwischen dem nicht eigensicheren Ethernet Netzwerk und der/den Begrenzungskomponente/n 22, also dem Ethernet Isolator, angeordnet sein.As already mentioned above, the energy supply can also take place via a separate energy supply. Possibly. This is also designed intrinsically safe. To the network with Ethernet switch 14 and with possibly four connected sensors to secure against unauthorized access, is still a firewall, z. B. a Tofino component provided, which ensures a secure network connection at the field bus level. Because the firewall is not intrinsically safe, it must be between the non-intrinsically safe Ethernet network and the limiting component (s) 22 , ie the Ethernet isolator.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäße Lösung, die für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich geeignet ist. Die Barrieren bzw. die Begrenzungskomponenten 22, die sowohl die Eigensicherheit der Leitungen für die Energieversorgung als auch die Leitungen für die Kommunikation sicherstellen, sind so ausgestaltet, dass die Kriterien für eine gewünschte Explosionsschutzart erfüllt sind. 3 shows a schematic representation of an advantageous embodiment of the solution according to the invention, which is suitable for use in potentially explosive atmospheres. The barriers or limiting components 22 , which ensure both the intrinsic safety of the lines for the power supply and the lines for communication, are designed so that the criteria for a desired explosion protection are met.

Über eine serielle Schnittstelle, hier gekennzeichnet mit RJ45, erfolgt die Kommunikation und die Energieversorgung der Hauptelektronik, die als Mikrocontroller bzw. FPGA bezeichnet ist, von der übergeordneten in 3 nicht gesondert dargestellten Steuereinheit her. Die Hauptelektronik ist mit der Sensorelektonik über eine Schnittstelle ”Interface to other components” verbunden.Via a serial interface, marked here with RJ45, the communication and the power supply of the main electronics, which is called microcontroller or FPGA, takes place from the superordinate in 3 not separately shown control unit ago. The main electronics are connected to the sensor electronics via an interface "Interface to other components".

Die Datenübertragung von der Hauptelektronik zur Sensorelektronik erfolgt über drei serielle Schnittstellen, bei denen es sich im gezeigten Fall um UART Schnittstellen handelt, die als serielle Schnittstelle mit hoher Datenübertragungsrate ausgestaltet ist. Selbstverständlich können auch alternative serielle Schnittstellen, wie SPI- oder I2C-Schnittstellen verwendet werden.The data transfer from the main electronics to the sensor electronics takes place via three serial interfaces, which in the case shown are UART Interfaces acting as a serial interface with high Data transfer rate is designed. Of course can also uses alternative serial interfaces, such as SPI or I2C interfaces become.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Konfigurations- oder Managementsystem/Steuereinheitconfiguration or management system / control unit
22
Linking Device oder GatewayLinking Device or gateway
33
Feldgerätfield device
44
Energieversorgungpower supply
55
HART ModemHARD modem
66
HART ModemHARD modem
77
Schnittstelle zum Prozessinterface to the process
88th
Medium Access Unit zum Ethernetmedium Access unit to the Ethernet
99
erster Mikroprozessorfirst microprocessor
1010
zweiter Mikroprozessorsecond microprocessor
1111
Ethernet VerbindungEthernet connection
1212
serielle Schnittstelleserial interface
1313
serielle Schnittstelleserial interface
1414
PoE Schnittstelle/Power over Ethernet AnschaltungPoE Interface / Power over Ethernet connection
15fifteen
Feldbusfieldbus
1616
Embedded Operating SystemEmbedded Operating System
1717
WebServerWebServer
1818
HART Scanner/MasterHARD Scanner / Master
1919
Web Seiten GeneratorWeb Pages generator
2020
Datenspeicherdata storage
2121
LeitsystemControl System
2222
Begrenzungskomponentelimiting component

Claims (8)

System zur Steuerung und/oder Überwachung einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik mit einer übergeordneten Steuereinheit (1) und mit zumindest einem Ethernet-fähigen Feldgerät (3), wobei die Steuereinheit (1) und das Feldgerät (3) über eine Ethernet-Verbindung (11), auf der das Ethernetprotokoll läuft, miteinander verbunden sind, wobei der Steuereinheit (1) ein Bediensoftware-Modul (9, 10) zugeordnet ist, das sowohl zur Bedienung über einen Feldbus (15) der Prozessautomatisierungstechnik mittels eines Feldbusprotokolls als auch zur Bedienung über Ethernet mittels des Ethernetprotokolls dient, und wobei dem Feldgerät (3) eine Kommunikationsschnittstelle (14) zugeordnet ist, die das entsprechende Feldbusprotokoll auf das Ethernet-Protokoll abbildet, so dass die Steuereinheit (1) direkt über die Ethernet Verbindung (11) mit dem Feldgerät (3) kommuniziert.System for controlling and / or monitoring a process plant in automation technology with a higher-level control unit ( 1 ) and with at least one Ethernet-capable field device ( 3 ), the control unit ( 1 ) and the field device ( 3 ) via an Ethernet connection ( 11 ), on which the Ethernet protocol is running, are interconnected, whereby the control unit ( 1 ) an operating software module ( 9 . 10 ), which is suitable both for operation via a field bus ( 15 ) of the process automation technology by means of a fieldbus protocol as well as for operation via Ethernet by means of the Ethernet protocol, and wherein the field device ( 3 ) a communication interface ( 14 ), which maps the corresponding field bus protocol to the Ethernet protocol, so that the control unit ( 1 ) directly via the Ethernet connection ( 11 ) with the field device ( 3 ) communicates. System nach Anspruch 1, wobei eine Energieversorgungseinheit für eine Power over Ethernet-Anschaltung (14) vorgesehen ist, die in die Ethernet-Verbindung (11) eingebracht ist.The system of claim 1, wherein a power supply unit for a Power over Ethernet interface ( 14 ) is provided in the Ethernet connection ( 11 ) is introduced. System nach Anspruch 2, wobei die Power over Ethernet-Anschaltung (14) mittels entsprechender Begrenzungselemente (22) eigensicher ausgestaltet ist.The system of claim 2, wherein the Power over Ethernet interface ( 14 ) by means of corresponding limiting elements ( 22 ) is designed intrinsically safe. System nach Anspruch 1, wobei eine separate Energieversorgungseinheit (16) vorgesehen ist, die das Feldgerät (3) mit Energie versorgt.The system of claim 1, wherein a separate power supply unit ( 16 ) is provided, the field device ( 3 ) supplied with energy. System nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Kommunikationsschnittstelle (14) um eine Ethernet-Schnittstelle handelt.A system according to claim 1, wherein the communication interface ( 14 ) is an Ethernet interface. System nach Anspruch 3, wobei eine serielle Schnittstelle (13) vorgesehen ist, die zwischen einem ersten Mikroprozessor (9), der für die Umsetzung der Kommunikation vorgesehen ist, und einem zweiten Mikroprozessor (10) der der Sensorschnittstelle (7) zugeordnet ist, angeordnet ist, und dass der Datenaustausch zwischen dem ersten Mikroprozessor (9) und dem zweiten Mikroprozessor (10) mit der bei Ethernet üblichen hohen Datenübertragungsrate erfolgt.The system of claim 3, wherein a serial interface ( 13 ) provided between a first microprocessor ( 9 ), which is intended for the implementation of the communication, and a second microprocessor ( 10 ) of the sensor interface ( 7 ), and that the data exchange between the first microprocessor ( 9 ) and the second microprocessor ( 10 ) with the usual high Ethernet data transfer rate. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Ethernet-fähige Feldgeräte (3) mit gleichen oder unterschiedlichen Feldbusprotokollen vorgesehen sind, die auf Feldbusebene über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen mit der Steuereinheit (1) kommunizieren.System according to one or more of the preceding claims, wherein several Ethernet-capable field devices ( 3 ) are provided with the same or different fieldbus protocols, which at field bus level via different communication links with the control unit ( 1 ) communicate. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommunikation zwischen dem Ethernet-fähigen bzw. den Ethernet-fähigen Feldgeräten (3) und der Steuereinheit (1) drahtlos oder drahtgebunden erfolgt.System according to one or more of the preceding claims, wherein the communication between the Ethernet-capable or the Ethernet-capable field devices ( 3 ) and the control unit ( 1 ) is wireless or wired.
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