Feldgerät und Verfahren zur überprüfung der Kalibrierung eines Feidgeräts

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Feldbussystem gemäß dem Oberbegriff des Anspurchs 3. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten einer Messung in einem Feldgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 20 sowie ein Verfahren zur überprüfung der Kalibrierung eines Feldgeräts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21.

in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfiuss, Druck bzw. Temperatur erfassen.

Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, z. B, Ventile oder Pumpen über die der Durchftuss einer Flüssigkeit in einem Rohrieitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann.

Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessreievante Informationen liefern oder verarbeiten.

Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress+Hauser hergestellt und vertrieben.

Während des Betriebs werden die Feldgeräte teilweise unter agressiven

Umweltbedingungen betrieben. Insofern kommt es zu Verschmutzungen, Ablagerungen, Korrosion, und dies beeinflusst auch die Genauigkeit der vom Feldgerät gelieferten Messwerte. Aus diesen Gründen ist es notwendig, die Messgenauigkeit eines Feldgeräts in gewissen Abständen mit Hilfe eines Referenzgeräts des gleichen Typs zu überprüfen. Von dem Referenzgerät ist bekannt, dass es richtig kalibriert ist und korrekte Messwerte liefert.

Zur Durchführung einer Vergleichsmessung zwischen einem Prüflings-Feldgerät und einem Referenz-Feldgerät war es bisher erforderlich, jeweils über eine

Serviceschnittstelle auf die beiden Geräte zuzugreifen. über die Serviceschnittsteile wurde eine zeitsynchrone Messung durch Prüfling und Referenzgerät veraniasst, und anschließend wurden die so gemessenen Ergebnisse verglichen. Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass die überprüfung der Kalibrierung wegen der Latenzzeit des Feldbusses nicht über den Feldbus selbst erfolgen kann, sondern eine eigene Serviceschnittstelle erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine überprüfung der Kalibrierung eines Feldgeräts zu vereinfachen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 , 3, 20 und 21 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterentwickiungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben,

Um einen zeitgenauen Start einer Messung zu ermöglichen, wird bei der erfindungsgemäßen Lösung eine gewünschte Startzeit vom Feldbus aus in das Feldgerät geschrieben. Auf dem Feldgerät ist ein Zeitgeber vorgesehen, der ein lokales Zeitsignal erzeugt, das mit einer übergeordneten Systemzeit synchronisiert sein kann. Die abgespeicherte Startzeit wird mit dem lokalen Zeitsignal verglichen, und bei übereinstimmung wird die Messung durch das Feldgerät selbsttätig gestartet.

Mit Hälfe dieses AusSösemechanismus für die Messung wird ein zeitgenauer Start der Messung ermöglicht. Dadurch wird es möglich, eine gewünschte Messung über den Feldbus aufzusetzen, beim Timing der Messung aber von den Latenzzeiten auf dem Feidbus unabhängig zu sein. Würde man die Messung starten, indem ein Startbefehl über den Feldbus übertragen wird, käme es zu Verzögerungen, die durch die Zykluszeit des Feldbus bedingt sind.

Die Verwendung eines derartigen Auslösemechanismus ermöglicht es insbesondere, eine Vergleichsmessung zwischen einem Prüflings-Feldgerät und einem Referenz- Feldgerät durchzuführen. Hierzu wird über den Feldbus eine gemeinsame Startzeit zu dem Prüflings-Feldgerät und zu dem Referenz-Feldgerät übertragen und auf dem

jeweiligen Gerät abgespeichert. Sowohl auf dem Prüflings-Feldgerät a!s auch auf dem Referenz-Feldgerät wird die Messung zum vorgesehenen Startzeitpunkt gestartet. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die Messung und die Referenzmessung genau zeitsynchron durchgeführt werden. Da das Prüflings-Feldgerät und das Referenz- Feldgerät die selbe physikalische Größe messen und die Messung zeitsynchron erfolgt, sollte der vom Prüfling ermittelte Messwert genau mit dem vom Referenz-Feldgerät ermittelten Referenzwert übereinstimmen. Durch Vergleichen der vom Prüfling und vom Referenzgerät gelieferten Messwerte kann daher die Messgenauigkeit des Prüflings- Feldgeräts beurteilt werden. Dies ist insbesondere für das Qualitätsmanagement in der Prozesstechnik von wesentlicher Bedeutung.

Je näher der vom Prüfling ermittelte Messwert beim Referenzwert liegt, desto besser ist die Messgenauigkeit des Prüflings. Wenn die Abweichung zwischen dem Messergebnis des Prüflings und dem Referenzwert des Referenzgeräts dagegen eine gewisse Grenze überschreitet, dann ist die Messgenauigkeit des Prüflings nicht mehr ausreichend. In diesem Fall ist eine Neukalibrierung des Prüflings erforderlich. Durch die Neubestimmung der Kalibrierparameter des Prüflings kann die Messgenauigkeit wieder auf den früheren Stand gebracht werden,

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird im Falle einer schlechten übereinstimmung zwischen den vom Prüfling und vom Referenzgerät gemessenen Werten automatisch eine Neukaiibrierung des Prüflings durchgeführt. Hierzu werden von einer übergeordneten Steuereinheit aus, beispielsweise von einem Master aus, die zur Neukaiibrierung erforderlichen Messungen angestoßen. Die neu bestimmten Kalibrierparameter werden anschließend über den Feldbus zum Prüflings-Feldgerät übertragen, abgespeichert und fortan verwendet.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung können sowohl die Vergleichsmessung ais auch die Neukaiibrierung ausschließlich über den Feldbus durchgeführt werden. Zusätzliche Serviceschnittsteilen und aufwändige Kalibriertools sind nicht mehr erforderlich.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen;

Flg. 1 Feldgerät zur zeitgenauen Durchführung einer Messung; Fig. 2A Vergieichsmessung entsprechend dem Stand der Technik; Fig. 2B Vergleichsmessung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 Blockschaltbild einer Messanordnung.

Fig. 1 zeigt ein Feldgerät 1 gemäß einer Ausführungsform der voriiegenden Erfindung, weiches über eine Feldbus-Schnittstelle 2 und einen Feldbus 3 mit einer übergeordneten Steuereinheit 4 in Verbindung steht. Bei der übergeordneten Steuereinheit 4 kann es sich z. B. um einem Master der Klasse 2 handeln. Das Feldgerät 1 dient zur Erfassung einer für die Prozesstechnik relevanten Messgröße, beispielsweise von einer oder mehreren der folgenden: Volumenfluss, Massefluss, Druck, Temperatur, Differenzdruck, Füllhöhe, pH-Wert, etc.

Bei der übertragung von Befehlen und Daten über den Feidbus 3 kommt es zu Latenzzeiten, die in erster Linie durch die Zykluszeit des Feidbusses verursacht werden. Weitere Verzögerungen entstehen infolge von Gerätezykluszeiten und Systemzykluszeiten. Trotz dieser Latenzzeiten ermöglicht das erfindungsgemäße Feldgerät 1 , eine Messung punktgenau zu einem von der übergeordneten Steuereinheit 4 aus programmierbaren Startzeitpunkt zu starten. Hierzu ist auf dem Feldgerät 1 ein lokaler Zeitgeber 5 angeordnet, der mit einer systemweit vorhandenen Systemzeit synchronisiert wird. Diese Systemzeit wird durch einen Systemzeitgeber 6 erzeugt, der beispielsweise auf Seiten der übergeordneten Steuereinheit 4 angeordnet sein kann.

Die Art und Weise, wie die Synchronisation zwischen dem lokalen Zeitgeber 5 und dem Systemzeitgeber 6 hergestellt wird, unterscheidet sich je nach Typ des eingesetzten Feldbusses. Wenn als Feldbus 3 ein Foundation Fieldbus eingesetzt wird, kann die Synchronisation mittels eines Broadcast-Befehls bewerkstelligt werden. Der Systemzeitgeber 6 sendet zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Broadcast-Befeh! an sämtliche lokalen Zeitgeber 5 und ermöglicht auf diese Weise eine Synchronisation der lokalen Zeit mit der Systemzeit. Bei anderen Feldbus-Standards, beispielsweise dem Profibus, gibt es dagegen keinen Broadcast-Befehl. Bei derartigen Standards ist es zur Synchronisation der Zeitgeber erforderlich, von der übergeordneten Steuereinheit 4 aus

jedem der lokalen Zeitgeber 5 nacheinander ein Telegramm mit der jeweils aktuellen Systemzeit des Systemzeitgebers 6 zu senden. Auf diese Weise kann auch dann, wenn kein Broadcast-Befeh! zur Verfügung steht, eine Synchronisation zwischen dem lokalen Zeitgeber 5 und dem Systemzeitgeber 6 erzielt werden.

Das Feldgerät 1 umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Speicherzellen 7, die über den Feldbus 3 adressiert werden können. Bei einem Profibus-Gerät sind die Daten üblicherweise über den „Physical Block" adressierbar. Dagegen sind die Daten bei einem Foundation Fieldbus Gerät über den „Transducer Block" adressierbar.

in den Speicherzellen 7 werden Parameter der durchzuführenden Messung gespeichert. Insbesondere können in den Speicherzellen 7 Parameter wie beispielsweise eine Startzeit 8, eine Messdauer 9 sowie ein Messmodus 10 abgelegt werden. Diese Parameter der durchzuführenden Messung werden von der übergeordneten Einheit 4 aus über den azyklischen Datenverkehr des Feldbusses 3 in entsprechende Speicherzeilen 7 geschrieben.

Die Durchführung der Messung wird durch ein Steuermodul 11 gesteuert. Das Steuermodul 11 ist dazu ausgelegt, die Durchführung der Messung in Abhängigkeit von den in den Speicherzeilen 7 abgelegten Parametern zu steuern. Das Steuermodul 1 1 vergleicht die vom lokalen Zeitgeber 5 zur Verfügung gestellte Zeit mit der Startzeit 8, und bei übereinstimmung wird die Messung gestartet. Zur Durchführung der Messung umfasst das Feldgerät 1 einen Sensor 12, der ein Messsignai liefert, beispielsweise ein Stromsignai. Auf dem Feldgerät 1 sind Kalibrierparameter gespeichert, um das Messsignal in eine physikalische Messgröße 13 umzuwandeln. Messungen wie z. B. eine pH-Messung, eine Druckmessung oder eine Temperaturmessung werden zu einem bestimmten Zeitpunkt durchgeführt. Bei Voiumenfluss- oder Masseflussmessungen wird dagegen über eine vorgegebene Messdauer 9 hinweg das Volumen bzw. die Masse der am Sensor 12 vorbeifließenden Flüssigkeit aufintegriert. Die so ermittelte physikalische Messgröße 13 wird in einer der Speicherzellen 7 abgespeichert und kann von der übergeordneten Steuereinheit 4 aus über den Feldbus 3 im azyklischen Datenverkehr ausgelesen werden.

Der anhand von Fig, 1 beschriebene Mechanismus zur zeitgenauen Durchführung einer Messung eignet sich insbesondere dazu, die Kalibrierung eines Feldgeräts mit Hiife eines Referenz-Feldgerätes zu überprüfen und das Feldgerät gegebenenfalls neu zu kalibrieren.

In Fig. 2A ist dargestellt, wie die überprüfung der Kalibrierung eines Feldgeräts bei den Lösungen des Stands der Technik vorgenommen wird. Die jeweilige Messgröße, beispielsweise ein Volumenfluss 14 in einer Rohrleitung 15, wird gleichzeitig durch ein Prüflings-Feldgerät 16 und durch ein Referenz-Feldgerät 17 gemessen. Von dem Referenz-Feldgerät 17 ist bekannt, dass es richtig kalibriert ist und korrekte Messwerte liefert. Das PrüfSings-Feldgerät 16 kann an einen Feldbus 18 angeschlossen sein. Die Kalibriermessung wird allerdings nicht vom Feldbus 18 aus initiiert. Stattdessen sind sowohl das Prüflings-Feldgerät 16 als auch das Referenz-Feldgerät 17 jeweils mit einer Service-Schnittstelle 19, 20 ausgestattet. An diese Service-Schnittstellen 19 und 20 wird ein Servicegerät 21 , beispielsweise ein Laptop, angeschlossen. Unter der Kontrolle des Servicegeräts 21 wird der Volumenfluss vom Prüflings-Feldgerät 16 und vom Referenz- Feldgerät 17 zeitsynchron gemessen. Nach der Messung wird der vom Prüflings- Feidgerät 16 ermittelte Messwert mit dem vom Referenz-Feldgerät 17 ermittelten Referenzwert verglichen. Wenn der vom Prüflings-Feldgerät 16 ermittelte Messwert nur geringfügig vom Referenzwert abweicht, ist keine Neukalibrierung des Prüflings- Feldgeräts 16 erforderlich. Sind die Abweichungen dagegen größer, so ist es nötig, die im Prüflings-Feldgerät 16 abgespeicherten Kalibrierparameter neu zu bestimmen.

In Fig. 2B ist ein erfindungsgemäßes System zur Durchführung einer Kalibriermessung mit einem Prüflings-Feldgerät 22 und einem Referenz-Feldgerät 23 gezeigt. Das

Prüflings-Feldgerät 22 und das Referenz-Feidgerät 23 sind dazu ausgelegt, den

Durchfluss 24 in einer Rohrleitung 25 zu messen. Sowohl das Prüflings-Feldgerät 22 als auch das Referenz-Feldgerät 23 entsprechen der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform und sind daher in der Lage, selbsttätig zu einer frei programmierbaren Startzeit eine Messung durchzuführen.

Das Prüflings-Feldgerät 22 und das Referenz-Feldgerät 23 sind über einen Feldbus 26 mit einem Master 27 verbunden. Zur Durchführung der Vergleichsmessung schreibt der Master 27 einen Startzeitpunkt für den Start der Messung in die beiden Feldgeräte 22

und 23. Das Prüflings-Feldgerät 22 und das Refθrenz-Feldgerät 23 führen ab dem festgelegten Startzeitpunkt absolut synchron eine Durchflussmessung durch, wobei die erhaltenen Messergebnisse jeweils im Prüflings-Feldgerät 22 und im Referenz-Feldgerät 23 abgespeichert werden. Nach Beendigung der Messung werden die von den beiden Feldgeräten 22, 23 ermittelten Messwerte vom Master 27 aus abgefragt und miteinander verglichen. Wenn der vom Prüflings-Feldgerät 22 ermittelte Messwert hinreichend nah an dem vom Referenz-Feldgerät 23 ermittelten Messwert liegt, dann arbeitet das Prüflings-Feldgerät 22 noch hinreichend genau und muss nicht neu kalibriert werden. Wenn der vom Prüflängs-Feldgerät 22 ermittelte Messwert dagegen außerhalb eines Toleranzfensters um den Referenzwert liegt, dann ist eine Neukalibrierung des Prüflings-Feldgeräts 22 erforderlich. Zur Neukalibrierung werden vom Prüflings- Feldgerät 22 und vom Referenz-Feldgerät 23 eine Reihe von verschiedenen Messungen durchgeführt. Beispielsweise werden Messungen zu verschiedenen Durchflussgeschwindigkeiten, Drücken, Temperaturen etc. durchgeführt. Anhand der erhaltenen Messwerte und Referenzmesswerte können die Kalibrierparameter des Prüflings-Feldgeräts 22 neu festgelegt werden.

Anhand von Fig. 2B ist erkennbar, dass durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Feidgeräte 22, 23 die Vergleichsmessung über den Feldbus 26 gesteuert werden kann. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messauslösemechanismus können, sofern die jeweiligen lokalen Zeitgeber synchronisiert sind, die erforderlichen Messungen absolut synchron ausgeführt werden. Es ist daher nicht mehr erforderlich, das Prüflings- Feidgerät 22 und das Referenz-Feldgerät 23 jeweils mit separaten Service-Schnittstellen auszustatten.

In Fig. 3 Ist das erfindungsgemäße Messsystem in einem detaillierteren Blockschaltbild gezeigt. Die Messanordnung umfasst ein Prüflings-Feidgerät 28, das über eine Feldbus- Schnittstelle 29 und einen Feldbus 30 mit einem Master 31 verbunden ist, sowie ein Referenz-Feldgerät 32, das über eine Feldbus-Schnittstelle 33 und den Feldbus 30 mit dem Master 31 verbunden ist. Auf dem Prüflings-Feldgerät 28 ist ein erster Zeitgeber 34 angeordnet, und auf dem Referenz-Feldgerät 32 befindet sich ein zweiter Zeitgeber 35. Sowohl der erste Zeitgeber 34 als auch der zweite Zeitgeber 35 sind mit einem auf Seiten des Masters 31 angeordneten Systemzeitgeber 36 synchronisiert. Der

Systemzeitgeber 36 stellt die Systemzeit für die gesamte in Fig. 3 gezeigte Messanordnung zur Verfügung.

Das Prüflings-Feldgerät 28 umfasst außerdem einen ersten Sensor 37, ein erstes Steuermodul 38, das die Durchführung der Messung steuert, sowie Speicherzellen 39, in denen Parameter der durchzuführenden Messung, Messergebnisse und Kalibrierparameter abgelegt werden können. Entsprechend umfasst das Referenz- Feldgerät 32 einen zweiten Sensor 40, ein zweites Steuermodul 41 zur Steuerung der Referenzmessung, sowie Speicherzellen 42, in denen Parameter der Referenzmessung, Messergebnisse sowie Kalibrierparameter abgelegt werden können.

Zur Durchführung einer Vergleichsmessung zwischen Prüflings-Feldgerät 28 und Referenz-Feldgerät 32 werden eine Startzeit 43 und eine Messdauer 44 vom Master 31 aus in entsprechende Adressen der Speicherzellen 39, 42 eingeschrieben. Dieser Schreibvorgang erfolgt im azyklischen Datenverkehr des Feldbusses 30, Im ersten Steuermodul 38 wird die Startzeit 43 mit der vom ersten Zeitgeber 34 erzeugten Zeit verglichen. Bei übereinstimmung führt das Prüflings-Feldgerät 28 eine Messung durch, wobei die Messdauer 44 vorgegeben ist. Das so erhaltene Messergebnis 45 wird unter einer hierfür vorgesehene Speicheradresse der Speicherzellen 39 abgelegt. Auch das zweite Steuermodul 41 im Prüflings-Feldgerät 32 führt einen Vergleich zwischen der vom zweiten Zettgeber 35 erzeugten Zeit und der Startzeit 43 durch. Bei Erreichen der Startzeit wird die Referenzmessung gestartet, deren Dauer durch die Messdauer 44 vorgegeben ist. Das so ermittelte Referenz-Messergebnis 46 wird unter einer hierfür vorgesehenen Adresse der Speicherzellen 42 abgelegt.

Da der erste Zeitgeber 34 und der zweite Zeitgeber 35 beide mit dem Systemzeitgeber 36 synchronisiert sind und die jeweilige Startzeit und Messdauer der vom Prüflings- Feldgerät 28 und vom Referenz-Feldgerät 32 durchgeführten Messungen übereinstimmt, werden die beiden Messungen zeitsynchron durchgeführt.

Vom Master 31 aus können das Messergebnis 45 sowie das Referenz-Messergebπis 46 vom Prüflings-Feldgerät 28 und vom Referenz-Feldgerät 32 über den Feldbus 30 abgerufen werden, wobei die Datenübertragung wieder im azyklischen Datenverkehr erfolgt. Auf Seiten des Masters 31 kann nun beurteilt werden, ob das Prüflings-Feldgerät

28 hinreichend genau misst oder nicht. Hierzu wird das Messergebnis 45 mit dem Referenz-Messergebnis 46 verglichen. Wenn die Abweichung zwischen den beiden Messergebnissen unterhalb eines vordefinierten Schwellenwerts liegt, dann arbeitet das Prüflings-Feldgerät 28 hinreichend genau. In diesem Fall ist keine Neukalibrierung des Prüflings-Feldgeräts 28 notwendig. Wenn das Messergebnis 45 dagegen außerhalb eines um das Referenz-Messergebnis 46 herum definierten Toleranzbereichs liegt, dann ist eine Neukalibrierung des Prüfüngs-Messgeräts 28 erforderlich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese Neukalibrierung ebenfalls unter der Kontrolle des Masters 31 durchgeführt. Beispielsweise können sowohl vom Prüflings-Feldgerät 28 als auch vom Referenz-Feldgerät 32 eine Anzahl von Messungen ausgeführt werden, wobei die zu messende physikalische Größe variiert wird. Beispielsweise können Messwerte zu verschiedenen Drücken, Temperaturen und zu verschiedenen Durchflussgeschwindigkeiten aufgenommen werden. Im Fall einer Durchflussmessung können verschiedene Flüssigkeiten mit verschiedener Dichte vermessen werden. Aus den so bestimmten Messwerten lassen sich neue Kalibrierparameter für das Prüflings-Feidgerät 28 bestimmen. Diese Kalibrierparameter legen fest, wie das vom Messsensor 37 gelieferte Messsignal in eine physikalische Messgröße umgewandelt werden kann. Die Kalibrierparameter werden durch eine Kalkulationseinheit 47 auf Seiten des Masters 31 bestimmt und anschließend über den Feldbus 30 im azyklischen Betrieb zum Prüflings-Feldgerät 28 übertragen. Dort werden die Kalibrierparameter abgespeichert und fortan für die Umwandlung des Messsignals in die Messgröße herangezogen.

Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren bietet den Vorteil, dass die Kalibriermessung über den Feldbus 30 gesteuert und programmiert werden kann. Infolge des erfindungsgemäßen Auslösemechanismus wirkt sich die Latenzzeit des Feldbusses dabei nicht nachteilig auf die zeitliche Genauigkeit der Messungen aus. Die Kalibriermessung kann vom Master 31 entsprechend einem Zeitplan in regelmäßigen Zeitintervallen, beispielsweise im wöchentlichen oder monatlichen Abstand, durchgeführt werden, um auf diese Weise die Messgenauigkeit des Prüflängs-Feidgeräts 28 über längere Zeiträume hinweg zu überwachen. Die jeweiligen Ergebnisse der Kalibriermessungen können dabei dokumentiert und archiviert werden. Dies ist insbesondere im Rahmen des Qualitätsmanagements von Bedeutung. Durch die

regelmäßige überprüfung der eingesetzten Feldgeräte können Verschlechterungen der Messgenauigkeit infolge von Verschmutzungen oder Verschleiß frühzeitig erkannt und korrigiert werden, um so eine definierte Messgenauigkeit der eingesetzten Feldgeräte gewährleisten zu können.