Modular aufgebautes Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik

Die Erfindung betrifft ein modular aufgebautes Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik das eine Grundkarte mit einem ausführbaren Grundprogramm aufweist, wobei die Grundkarte durch zumindest eine Erweiterungskarte mit zumindest einem ausführbaren Erweiterungsprogramm erweiterbar ist, wobei zur Ausführung des Grundprogramms die Grundkarte zumindest eine Recheneinheit und zumindest eine auf den Speicherplatz des ausführbaren Grundprogramms ausgelegte, erste Speichereinheit umfasst. In der industriellen Messtechnik, insb. in der Automatisierungs- und Prozesssteuerungstechnik, werden stets Feldgeräte eingesetzt, die im Prozessablauf mittels Sensoren Prozessvariablen ermitteln oder mittels Aktoren Regelgrößen steuern. Diese entsprechenden Feldgeräte ermitteln und/oder regeln beispielsweise den Druck, den Durchfluss, den Füllstand, die Temperatur oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße als eine Prozessvariable in einem Prozessablauf. Von der Anmelderin werden solche Feldgeräte beispielsweise unter dem Namen Cerabar, Deltabar, Deltapilot, Promass, Levelflex, Micropilot, Prosonic, Soliphant, Liquiphant und Easytemp produziert und vertrieben, die vorwiegend dazu bestimmt sind, zumindest eine der oben bezeichneten Prozessvariablen eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen.

Eine Gemeinsamkeit aller oben erwähnten Mess- bzw. Feldgeräte ist, dass aus den durch die Sensoren ermittelten Prozessgrößen mittels einer nachgeschalteten Geräteelektronik ein Messwert ermittelt und ausgewertet wird. Diese Geräteelektronik ist meist auf die entsprechenden Messanforderungen und die zu messende Prozessgröße so angepasst, dass für jedes Sensorprinzip, für jede zu messende Prozessgröße und für jede Messperformance eine eigenständige Geräteelektronik entwickelt werden muss. Eine andere Lösung besteht z.B. darin, Feldgeräte von unterschiedlichen Messgenauigkeitsstandards mit einer einheitlichen Geräteelektronik und mit einer maximalen Messperformance auszustatten

und die einzelnen Funktionalitäten z.B. per Software zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dies hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der Ausstattung des Feldgeräts mit der maximalen Performance auch der maximal mögliche Speicherplatz für das Programm und die Daten zu Verfügung stehen muss und die Geräteelektronik alle Erweiterungselektroniken schon vorweg enthalten muss, was sehr teuer ist.

[0004] Eine weitere Möglichkeit die Funktionalität einer grundlegenden, standardisierten Geräteelektronik zu erhöhen kann durch das Hinzufügen einer Erweiterungselektronik erfolgen. Nachteilig an der Erhöhung der Funktionalität des gesamten Feldgeräts durch diese Erweiterungselektroniken ist, dass die Programme des Feldgeräts mit einer neuen, auf die Erweiterungselektronik angepassten Version eines Betriebsprogramms bzw. Firmware überschrieben werden müssen und auch hier die maximale Speichergröße für das Programm und die Daten vorab zur Verfügung stehen muss.

[0005] Diese Lösungen haben den Nachteil, dass sobald der Funktionsumfang eines Feldgerätes erweitert werden soll, der Kunde oder Betreiber bislang entweder ein komplett neues Feldgerät erwerben oder, nach dem eventuellen Zustecken eines neuen Gerätemoduls, eine neue Firmware in das Feldgerät schreiben musste. Der Kunde oder Betreiber möchte bei einer Erweiterung der Funktionalität des Feldgeräts im Allgemeinen kein komplett neues Feldgerät kaufen und der Hersteller kann nicht bei jedem Feldgerät die Möglichkeit zum überschreiben der Firmware anbieten, da dies neben reinen Hardwarekosten, wie z.B. Stecker, galvanisch getrennten Leitungen, auch einen nicht zu unterschätzenden logistischen Aufwand in der Verwaltung der verschiedenen Programme und verschieden Geräteelektroniken impliziert.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Feldgerät anzugeben, dessen

Performance und Funktionalität sich entsprechend den Anforderungen einfach anpassen lässt und das kostengünstig zu realisieren ist.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Erweiterungskarte zumindest eine auf den Speicherplatz des Erweiterungsprogramms ausgelegte, zweite Speichereinheit umfasst, dass

eine automatische Erkennung der angeschlossenen Erweiterungskarte durch die Grundkarte vorgesehen ist, und dass zur Erweiterung des Grundprogramms durch die entsprechenden Erweiterungsprogramme ein teilweiser und/oder zeitweiser Zugriff der Recheneinheit auf die zweite Speichereinheit vorgesehen ist.

[0008] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts ist auf der Erweiterungskarte eine Erweiterungselektronik vorgesehen.

[0009] Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldgeräts sieht vor, dass die erste Speichereinheit aus einem ersten Datenspeicher und einem ersten Programmspeicher aufgebaut ist.

[0010] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Feldgeräts sieht vor, dass die zweite Speichereinheit aus einem zweiten Datenspeicher und/oder einem zweiten Programmspeicher aufgebaut ist.

[0011] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgeräts ist ein Adressdekoder zum Ansprechen der einzelnen adressierbaren Speicherbereiche der Datenspeicher und Programmspeicher vorgesehen.

[0012] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldgeräts wird davon ausgegangen, dass die Datenspeicher und Programmspeicher in fest vordefinierten Speicherbereichen der Recheneinheit liegen.

[0013] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldgeräts ist eine Kennzeichnung an definierten Positionen der Programmspeicher der ersten Speichereinheit, und / oder der Programmspeicher der zweiten Speichereinheit vorgesehen.

[0014] Eine ergänzende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feldgeräts erlaubt, dass zum automatischen Erkennen des Anschlusses einer Erweiterungskarte an die Grundkarte eine wiederkehrende elektronische Abfrage der einzelnen Erweiterungskarte vorgesehen ist.

[0015] Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen

Feldgeräts berücksichtigen, dass zum automatischen Erkennen des Anschlusses einer Erweiterungskarte an die Grundkarte ein mechanisch-elektrischer Verriegelungsmechanismus vorgesehen ist.

[0016] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren übersicht und zur Vereinfachung die Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0017] Es zeigen:

[0018] Fig. 1 ein modular aufgebautes Feldgerät nach dem Stand der Technik,

[0019] Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen modularen

Feldgeräts mit einer zweiten Speichereinheit auf der Erweiterungskarte,

[0020] Fig. 3 ein Funktionsablaufdiagramm mit der Einbindung eines Erweiterungsprogramms in das Grundprogramm,

[0021] Fig. 4 eine Speicherzuordnung, und

[0022] Fig. 5 eine Verriegelungsmechanismus der Erweiterungskarten.

[0023] In Fig. 1 wird eine Feldgerät 1 nach dem Stand der Technik aufgezeigt, dessen Geräteelektronik aus einer Grundkarte 2 besteht, die durch eine Erweiterungskarte 3 modular erweiterbar ausgestaltet ist.

[0024] Bei dem Feldgerät 1 handelt es sich beispielsweise um ein Messgerät der Prozessautomatisierungstechnik mit einem Sensor der eine physikalische Prozessgröße ermittelt. Ein Sensor bzw. Messfühler ist ein technisches Element, welches bestimmte physikalische oder chemische Prozessgrößen, wie z. B. den Füllstand, Durchfluss, Druck, den pH-Wert, die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Leitfähigkeit als elektrische Messgröße M quantitativ ermittelt. Diese Prozessgrößen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte von den Sensoren erfasst und in eine proportionale, weiterverarbeitbare, elektrische Messgröße umgeformt. Die Felgeräteelektronik auf der Grundkarte 2 beinhaltet beispielsweise auch eine Signalaufbereitungseinheit, die das ermittelte Messsignal entsprechend linearisiert, verstärkt, skaliert und/oder kalibriert. Desweiteren ist es auch möglich, dass das Feldgerät 1 einen Aktor bzw. Stellglied umfasst, das über eine Regelgröße eine physikalische oder chemische Prozessgröße in einem Prozess beeinflusst. Ein Feldgerät 1

der Prozessautomatisierungstechnik kommuniziert über eine Zweidraht -Verbindungsleitung oder einem Feldbus mit weiteren Feldgeräten oder einer übergeordneten Leitstelle nach z.B. 4-20 mA-Stromsch leiten-, Profibus PA-, FF- oder HART-Standard. Desweiteren kann das Feldgerät über den Feldbus mit der notwendigen Energie versorgt werden.

[0025] Zur Ausführung dieser Mess-, Regel-, und

Kommunikations-Funktionalitäten weist das Feldgerät eine Feldgeräteelektronik mit zumeist einer Recheneinheit 4 bzw. einem Mikrocontroller auf. Diese Feldgeräteelektronik des Feldgeräts 1 ist beispielsweise auf einer Leiterplatte 14 zumindest als Grundkarte 2 ausgeführt.

[0026] Die Grundkarte 2 des Feldgeräts 1 umfasst zumindest eine Recheneinheit 4, einen Adressdekoder 10 und eine erste Speichereinheit 6, die über Datenleitungen miteinander verbunden sind. Die Speichereinheit 6 besteht aus einem ersten Datenspeicher 8a zur Speicherung von Daten und einem ersten Programmspeicher 9a zur permanenten Speicherung eines Grundprogramms. Das im ersten Programmspeicher 9a enthaltene Grundprogramm wird über den Adressdekoder 10 von der Recheneinheit 4 ausgelesen und abgearbeitet. Die bei der Abarbeitung des Grundprogramms entstandenen Daten und Zwischenergebnisse werden in dem ersten Datenspeicher 8a gespeichert. Dieses Grundprogramm umfasst nur die Grundfunktionalitäten des Feldgeräts 1 , so dass das Feldgerät 1 die Basisfunktionen wie z.B. die Regelung der Feldgeräts 1 und die Ausführung der grundlegenden Messfunktion ausführen kann. Um Erweiterungsfunktionalitäten des Feldgeräts 1 ausführen zu können ist es notwendig, weitere Funktionen durch Erweiterungsprogramme in dem ersten Programmspeicher 8a und/oder eine Erweiterungselektronik 5 auf der Erweiterungskarte 3 hinzuzufügen.

[0027] Wird zur Erweiterung der Funktionalität des gesamten Feldgeräts 1 eine Erweiterungskarte 3 mit einer Erweiterungselektronik 5 an die Grundkarte 2 angeschlossen und/oder das Grundprogramm durch weitere Programmteile zweckdienlich ergänzt, so muss das Grundprogramm, das im ersten Programmspeicher 8a der Grundkarte 2 gespeichert ist,

ausgetauscht werden. Dies kann einerseits durch einen Austausch der Grundkarte 2, die das alte Grundprogramm enthält, mit einer neuen Grundkarte 2, die ein durch die Programmteile erweitertes Grundprogramm enthält erfolgen oder andererseits durch das überschreiben des ersten Programmspeichers 8a mit einem durch diese Programmteile erweiterten Grundprogramm.

[0028] Durch eine Erweiterung des Funktionsumfangs eines Feldgerätes 1 auf diese Art und Weise muss der Betreiber des Feldgeräts 1 entweder das komplette Feldgerät 1 bzw. die Grundkarte 2 des Feldgeräts 1 austauschen oder nach dem Erweitern der Grundkarte 2 durch eine Erweiterungskarte 3 ein komplett neues Grundprogramm bzw. eine neue Firmware in den ersten Programmspeicher 8a einspielen.

[0029] Unter dem Begriff der Firmware versteht man im allgemeinen ein

Programm bzw. eine Software, das elementare Funktionen zur Steuerung und Regelung des Feldgeräts 1 enthält und die in den ersten Programmspeicher 8a des Feldgeräte 1 eingebettet ist. Dieser erste Programmspeicher 8a ist beispielsweise als ein Flash-Speicher, einem EPROM oder einem EEPROM ausgestaltet, der heutzutage auch direkt in der Recheneinheit 4 bzw. einem MikroController integriert sein kann.

[0030] Jedoch haben diese Lösungsansätze zur Erweiterung der Funktionalität des Feldgeräts 1 den Nachteil, dass einerseits der Kunde bei jeder Nachrüstung des Feldgeräts 1 kein komplett neues Gerät kaufen möchte und/oder der Hersteller nicht zu jedem Typ und jedem Nachrüstungssatz eines Feldgeräts 1 die Möglichkeit zum überschreiben des Grundprogramms bzw. der Firmware bieten kann. Diese Service-Leistung des Anbieters, das Grundprogramm bzw. die Firmware solcher Feldgeräte 1 zu überschreiben bzw. zu flashen, ist meistens nicht in allen Ausgestaltungen des Feldgeräts 1 möglich, da dies neben reinen Gerätekosten, wie beispielsweise von zusätzlichen Steckern und galvanisch getrennten Leitungen, auch einen nicht zu unterschätzenden logistischen Verwaltungsaufwand der verschiedenen Grundprogrammen bzw. Firmware bedeutet würde.

[0031] Das in Fig.2 gezeigte, erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel vermeidet

diese Nachteile, indem die zusätzlichen Programmteile zu dem Grundprogramm bzw. die zusätzlichen Funktionen der Firmware in einem zweiten Programmspeicher 9b auf der Erweiterungskarte 3 mitgeliefert werden. Hierzu ist auf der Erweiterungskarte 3 eine zweite Speichereinheit 7 integriert, die einen zweiten Datenspeicher 8b zur flüchtigen Speicherung weiterer Daten und Zwischenwerte aus einer Berechnung der Recheneinheit 4 speichert und einen zweiten Programmspeicher 9b zur permanenten Speicherung des Erweiterungsprogramms, das die ergänzenden Programmteile des Grundprogramms enthält, umfasst. Die Erweiterungskarte beinhaltet somit nicht nur die zusätzliche Hardware in Form einer Erweiterungselektronik 5, wie z.B. einem A/D-Wandler, einem Regler, einem Mikroprozessor, einem digitalen Signalprozessor, einem Temperaturfühler und sonstigen Sensoren oder Aktoren, welche eventuell für die erweiterte Funktionalität notwendig ist, sondern ebenfalls die benötigte Erweiterung des Speichers und der Programme. Als weitere Möglichkeit enthält die Erweiterungskarte noch einen zusätzlichen zweiten Datenspeicher 8b als Arbeitsspeicher, so dass der maximal benötigte Arbeitspeicher nicht auf der Grundkarte 3 ungenutzt vorgehalten werden muss, sondern genau entsprechend den Anforderungen der Erweitungsprogramme auf der Erweiterungskarte 3 verfügbar ist. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, dass das Grundprogramm bzw. die Firmware in dem ersten Programmspeicher 9a der Grundkarte 2 überschrieben oder sogar die gesamte Grundkarte 2 ausgetauscht werden muss, da die Erweiterungskarte 3 die fehlenden Programmteile zur Funktionserweiterung beinhaltet und den notwendigen Arbeitspeicher in Form eines zweiten Datenspeichers 8b vervollständigt. Der zweite Datenspeicher 8b und der zweite Programmspeicher 9b der zweiten Speichereinheit 7 werden über den Adressdekoder 10 von der Recheneinheit 4 angesprochen. Wird eine externe Erweiterungskarte 3 erkannt und beispielsweise durch eine Betriebsartenumschaltung aktiviert, so führt die Recheneinheit 4 die zusätzliche Funktionalität des Erweiterungsprogramms, welches in dem zweiten Programmspeicher 9b der Erweiterungskarte 3 gespeichert ist, aus. Durch die Erweiterung des

Grundprogramms durch ein Erweiterungsprogramm kann es notwendig sein, dass bei der Abarbeitung des Grundprogramms und dem Erweiterungsprogramm durch die Recheneinheit 4 der auf der Erweiterungskarte 3 befindliche zweite Datenspeicher 8b von der Recheneinheit 4 als Arbeitsspeicher mitbenutzt wird.

[0033] Die Erweiterungskarte 3 ist über eine standardisierte Schnittstelle 12 mit der Grundkarte 2 verbunden. über diese Schnittstelle 12 kann zumindest einen Erweiterungskarte 3 an ein Grundkarte 2 elektrisch angeschlossen werden. Beispielsweise ist die Schnittstelle 12 als Rack-System ausgebildet in dem die Grundkarte 2 und die Erweiterungskarte 3 über Führungsschienen in das Rack-System eingeschoben werden und über einen Steckverbindung mit dem parallelen Bussystem verbunden sind.

[0034] Die Einbindung von Programmteilen des Erweiterungsprogramms in das Grundprogramm ist in dem Funktionsablaufdiagramm in Fig. 3 dargestellt.

[0035] Die externe Funktionen F _e des Erweiterungsprogramms in dem zweiten Programmspeicher 9b der externen Erweiterungskarte 3 werden in den Funktionsablauf des Grundprogramms in dem ersten Programmspeicher entsprechend einer in der Recheneinheit 4 vorliegenden Programm-Ablaufliste integriert. Diese Integration erfolgt beispielsweise indem die einzelnen Funktionen F _e des Erweiterungsprogramms oder die einzelnen Funktionen F ₁ , F ₂ des Grundprogramms über den Adressdekoder 10 von der Recheneinheit 4 entsprechend dieser Programm-Ablaufliste aufgerufen und abgearbeitet werden.

[0036] Bei dem Feldgerät 1 handelt es sich beispielsweise um ein

Füllstandmessgerät das in einem Prozess einen Füllstand ermittelt anhand dem ein Pumpenregelung an einer Pumpe vorgenommen werden soll. Das Feldgerät 1 mit der Grundkarte 2 beinhaltet beispielsweise das Grundprogramm mit der ersten Funktion F ₁ zur Füllstandsmessung und der zweiten Funktion F ₂ zur Kommunikation eines Messwerts über den Feldbus. Zur Pumpensteuerung wird hingegen noch eine externe Funktion F _e benötigt, die einen Regler beinhaltet, der aus dem Messwert des Füllstands einen entsprechenden Regelwert für die Pumpe berechnet. Diese externe Funktion F _e liegt erfindungsgemäß in dem zweiten

Programmspeicher 9b auf der Erweiterungskarte vor, so dass diese zusätzliche Funktionalität zur Pumpensteuerung durch das Verbinden einer Erweiterungskarte 3 mit einer Grundkarte 2 in die Basisfunktionalität des Feldgeräts integriert werden kann.

[0037] Damit das Grundprogramm das zusätzliche Erweitungsprogramm in dem zweiten Programmspeicher 9b erkennen kann, könnte dieser zweiten Programmspeicher 9b beispielsweise wie in Fig. 4 dargestellt an vorher definierten Speicherbereichen über den Adressdekoder 10 in den Adressbereich der Recheneinheit 4 eingeblendet werden. Zusätzlich kann eine eindeutige Kennzeichnung 11 , z.B. eine Speicheradresse, verwendet werden, die am Anfang des jeweiligen Speicherbereichs liegt und eine eindeutige Identifizierung des Erweiterungsprogramms ermöglicht. Es kann aber auch ein beliebiges anderes Verfahren zur Anschlusserkennung der Erweiterungskarte 3, dass eventuell sowieso benötigt wird, benutzt werden.

[0038] Da die einzelnen Funktionen des Grundprogramms und der

Erweiterungsprogramme auf die unterschiedlichen Speichereinheiten 6 und 7 verteilt sind, müssen so genannte globale Programmablauflisten angelegt werden, die den logischen Programmablauf steuern. Ein weiteres Augenmerk muss auf weitere Informationen, wie beispielsweise Parameteradressen, Menustrukturen und Texte einer Vorortanzeige gelegt werden, da diese nun ebenfalls verteilt in den zweiten Speichereinheiten 7 auf den Erweiterungskarten 3 und der ersten Speichereinheit 6 der Grundkarte 2 vorliegen. Die Handhabung dieser verteilten Informationen erfolgt beispielsweise nach folgender Art und Weise, dass beim Initialisieren eines aus einer Grundkarte 2 und zumindest einer Erweiterungskarte 3 bestehenden Feldgeräts 1 , mittels einer Initialisierungsroutine eine einteilige, globale Liste in dem Arbeitsspeicher, der aus zumindest dem ersten Datenspeicher 8a und/oder zumindest einem zweiten Datenspeicher 8b besteht, angelegt wird und die verteilt vorliegenden Informationen so zusammengefasst werden.

[0039] Da die Software des Geräts nicht mehr komplett an einem Ort vorliegt, ist es auch möglich, Erweiterungskarten im laufenden Betrieb des Geräts zu

wechseln: Hierzu ist es notwendig die änderungsanforderung zu erkennen. Das Feldgerät 1 muss erkennen, dass änderungen an den Programmen und/oder der Feldgeräteelektronik ausgeführt werden sollen, wodurch das Feldgerät 1 in eine Grundfunktionalität des Grundprogramms übergeht, in der kein Zugriff auf den externen zweiten Datenspeicher 8b oder zweiten Programmspeicher 9b erfolgt. Dadurch wird verhindert, dass es beim Einbau oder Ausbau der Erweiterungskarten zu Daten- und Programmfehlern aufgrund von falschen, inkonsistenten oder unvollständigen Datensätzen kommt. Ist die änderung bzw. Erweiterung der Programme und/oder der Feldgeräteelektronik abgeschlossen, kann die dann zusätzlich vorhandene Funktionalität auf der Erweiterungskarte 3 in Betrieb genommen werden. Zur Erkennung der änderungsanforderung bietet sich neben einer parameterorientierten Eingabe, besonders auch ein automatischer mechanisch-elektronischer Verriegelungsmechanismus der Erweiterungskarten 3 an. Die einzelnen Leiterplatten 14 sind zur Verbindung der Signalleitungen mit Verbindungsstücken 16, wie z.B. Federleisten, ausgestattet. Am Ende der letzten Leiterplatte 14 wird ein Abschlussstück 15 montiert, welches zwei Leitungen kurzschließt und so den korrekten Zusammenbau anzeigt. Wird eine Erweiterungskarte 3 oder das Abschlussstück 16 , beispielsweise zur Montage einer weiteren Erweiterungskarte 3, entfernt, so ist die Kurzschlussverbindung unterbrochen und durch diese änderungsanforderung geht das Feldgerät 1 in seine Basisfunktionalität über. In der Basisfunktionalität führt das Feldgerät 1 nur noch das Grundprogramm des ersten Programmspeichers 8a auf der Grundkarte 2 aus. Eine weitere Möglichkeit zum Anzeigen eine änderungsanforderung wären beispielsweise Erweiterungskarten 3, welche in ein Rack-System eingeschoben werden. Diese Rack-Systeme besitzen generell einzelne Einschübe in denen jede Erweiterungskarte 3 und/oder Grundkarte 2 mittels eines Verriegelungsmechanismus verriegelt werden. Dieser Verriegelungsmechanismus kann gleichzeitig als elektrischer Schalter dienen, der eine änderungsanforderung signalisiert.

Bezugszeichenliste

Tabelle 1 1]