DE60206373T2 - Diagnose für die industrielle prozesssteuerung und messsysteme - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Feldvorrichtungen, die in der Prozesssteuerungs- und Messindustrie in Betrieb sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Feldvorrichtungen mit verbesserten Diagnosefähigkeiten.
  • Feldvorrichtungen, wie z.B. Prozessvariablensender, werden von einer Reihe von industriellen Einrichtungen eingesetzt, um eine Prozessvariable durch Fernmessung zu erfassen. Ein Regler kann die Steuerinformation dann an eine weitere Feldvorrichtung, wie z.B. ein Ventil, in dem Prozess übertragen, um einen Steuerparameter zu ändern. Beispielsweise können Informationen, welche mit dem Druck eines Prozessfluids in Zusammenhang stehen, an eine Steuerwarte übertragen und zur Steuerung eines Ventil in einem Ölraffinerieprozess verwendet werden. Die WO 99/19782 offenbart eine derartige Feldvorrichtung. Andere Beispiele für Feldvorrichtungen schließen handgehaltene Konfigurations- und/oder Kalibriervorrichtungen ein.
  • Einer von relativ kürzlich gemachten Fortschritten in der Prozesssteuerung und Messung ist die Einführung vollständig digi taler Prozesskommunikationsprotokolle. Ein Beispiel für ein derartiges vollkommen digitales Kommunikationsprotokoll ist FOUNDATION Feldbus. Feldbus ist darauf gerichtet, eine Kommunikationsschicht oder ein Protokoll zur Übertragung von Informationen auf einer Prozesskommunikationsschleife zu definieren. Die Feldbus-Protokollspezifikation ist ISA-S50.02-1992, die 1992 von der Instrument Society of America öffentlich bekannt gemacht wurde. Fieldbus ist ein Prozessindustrie-Kommunikationsprotokoll, das in der Feldbus-Technikübersicht "Understanding FOUNDATION®Fieldbus Technology" (1998), die von der Firma Rosemount Inc. in Eden Prairie, MN. zur Verfügung gestellt wird, beschrieben wird. Gemäß Verwendung hier soll "Feldbus" jedes beliebige Kommunikationsprotokoll bedeuten, das entsprechend der ISA-S50.02-1992 Spezifikation und äquivalenten Protokollen davon arbeitet, Prozesskommunikationsprotokollen, die rückkompatibel mit dem ISA-S50.02-1992 Protokoll sind, und andere Normen, die entsprechend der International Electrontechnical Commission (IEC) Feldbus-Norm 61158 arbeiten. Beispielsweise werden zum Zweck dieses Patentdokuments Profibus, ControlNet, P-Net, SwiftNet, WorldFIP und Interbus-S als Feldbus angesehen.
  • Vorteile des Feldbus schließen eine relativ hohe Geschwindigkeit für eine digitale Kommunikation sowie Signalgebungspegel ein, welche das Einhalten der Eigensicherheit erleichtern, wie es im APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSO-CIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III, Division 1, (klassifizierten) gefährlichen Orten, Klasse Nr. 3610, von der Firma Mutual Research im Oktober 1988 dargelegt wurde. Industrielle Verarbeitungsumgebungen, welche eine Einhaltung der Eigensicherheit erfordern, stellen eine zusätzliche Herausforderung für elektrische Instrumente und die Automatisierung des Prozesssteuerungssystems dar, da in derartigen Umgebungen brennbare oder explosive Dämpfe vorhanden sein können. Dementsprechend sind in derartigen Verarbeitungsumgebungen arbeitende Prozesskommunikationsschleifen für gewöhnlich energiebe schränkt. Es werden mehrere redundante Schaltkreise verwendet, um sicherzustellen, dass Energiepegel auf der Kommunikationsschleife unterhalb eines sicheren Energiepegels liegen, so dass die Energie auch dann die brennbaren Dämpfe nicht entzünden kann, wenn Fehlbedingungen vorliegen. Feldvorrichtung in derartigen Umgebungen sind auch im Allgemeinen energiebeschränkt. Prozesskommunikationsschleifen, welche durch den sicheren Bereich der brennbaren Prozessumgebung zu Außeneinrichtungen, wie z.B. einem Regler, gelangen, passieren für gewöhnlich energiebeschränkende Sperren, wie z.B. eine Eigensicherheitssperre, so dass ein außerhalb der brennbaren Umgebung auftretender Fehler keinen Funken innerhalb der häufig explosiven Fluidverarbeitungsumgebung erzeugt. Prozesskommunikationsschleifen, welche das Potential zu Signalen auf einem höheren Pegel haben, welche unter Fehlbedingungen Funken sprühen könnten, dürfen die Einrichtung in einer leicht entzündlichen Verarbeitungsumgebung oft nicht passieren oder mit dieser verbunden werden.
  • In einigen digitalen Prozess-Messinstallationen kommunizieren alle Feldvorrichtungen über im Wesentlichen dieselbe digitale Prozesskommunikationsschleife. In derartigen Fällen ist es viel wichtiger, Probleme zu diagnostizieren, bevor sie kritisch werden und den Betrieb der Schleife beeinträchtigen. Sollte beispielsweise eine einzele Vorrichtung versagen und beginnen, zuviel Energie zu entnehmen, könnten die Signalpegel auf der Prozesskommunikationsschleife zusammenbrechen und damit jegliche Kommunikation über die Schleife verhindern und so wirksam verursachen, dass das System versagt.
  • Während sich Feldbus als fortschrittlich beim Stand der Technik der Prozesssteuerung und Messung herausgestellt hat, nährt die Natur ihrer vollständig digitalen Kommunikation in Anwendungen, welche relativ fehleranfällig sind, einen weiteren Bedarf an verbesserten Diagnoseeinrichtungen, und zwar nicht nur für die Feldbusvorrichtungen selbst, sondern auch für das Pro zesssteuerungssystem im Allgemeinen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feldvorrichtung, welche mit einer Feldbus-Prozesskommunikationsschleife koppelbar ist, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: eine mit einer Feldbus-Kommunikationsschleife koppelbare Feldvorrichtung, wobei die Vorrichtung einen an die Schleife koppelbaren Antriebsmodul zum Antrieb der Vorrichtung mit von der Schleife erhaltener Energie aufweist; eine Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung, welche mit der Schleife koppelbar ist und dazu ausgelegt ist, zweiseitig oder bidirektional über die Schleife zu kommunizieren; einen mit der Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung koppelbaren Regler; eine Diagnose-Schaltkreisanordnung, welche mit dem Regler gekoppelt ist und betriebsbereit mit der Schleife koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung dazu ausgelegt ist, einen mit der Schleife in Zusammenhang stehenden Parameter zu messen; und dass der Regler betriebsbereit ist, um Vorhersage-Diagnoseinformationen auf der Basis des mit der Schleife zusammenhängenden Parameters zu liefern.
  • Die vorliegende Erfindung liefert zudem ein Verfahren zur Bereitstellung einer Diagnose einer Feldbus-Prozesskommunikationsschleife unter Verwendung einer an die Schleife gekoppelten Feldvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: betriebsbereites Koppeln der Diagnose-Schaltkreisanordnung der Feldvorrichtung mit der Feldbus-Prozesskommunikationsschleife; und wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Messen eines Parameters der Schleife unter Verwendung der Diagnose-Schaltkreisanordnung; und Analysieren des Parameters unter Verwendung eines Reglers der Feldvorrichtung zur Bereitstellung eines Voraussage-Diagnose-Ausgangssignals.
  • Eine Feldvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schließt eine Diagnose-Schaltkreisanordnung ein, die dazu ausgelegt ist, eine mit einem digitalen Prozesssteuerungs- und Messsystem in Zusammenhang stehende Diagnoseeigenschaft zu messen. Die gemessene Kennlinie wird zur Bereitstellung eines Diagnose-Ausgangssignals verwendet, das einen Zustand des digitalen Prozesssteuerungs- und Messsystems anzeigt, indem sie mit vorhergesagten oder angenommenen Kennlinien, die durch Modelle oder historische Daten entwickelt worden sind, verglichen wird. Abhängig vom Unterschied zwischen der gemessenen Kennlinie und der vorhergesagten Kennlinie können Fehler und/oder eine Verschlechterung in dem Prozess abhängig von der Art der überwachten Kennlinie erfasst werden.
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 ein System-Blockdiagramm eines Prozesssteuerungs- und Messsystems;
  • 2 ein System-Blockdiagramm einer Feldvorrichtung, in welche eine Diagnose-Schaltkreisanordnung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eingebaut ist;
  • 3 eine Diagrammveranschaulichung eines analytischen Moduls, das bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
  • 4 ein System-Blockdiagramm einer Feldvorrichtung, welches eine technische Herausforderung für den Erhalt von Diagnoseinformationen für eigensichere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 5 eine graphische Darstellung des Stroms im Verhältnis zur Zeit für eine Feldbusvorrichtung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 veranschaulicht ein beispielhaftes System, in welchem erfindungsgemäße Ausführungsformen nützlich sind. Das System 10 schließt einen Regler 12, ein Eingabe-/Ausgabe(I/O)- und Steuerungs-Subsystem 14, eine Eigensicherheits(ES)-Sperre 16, eine Prozesskommunikationsschleife 18 sowie Feldvorrichtungen 20 ein. Der Regler 12 ist mit dem I/O- und Steuerungs-Subsystem 14 über eine Verbindung 22 verbunden, bei der es sich um jede geeignete Verbindung, wie z.B. einem lokalen Netzwerk (LAN), handeln kann, das entsprechend Ethernet-Signalgebungsprotokollen oder jedem anderen geeigneten Protokoll arbeitet. Das I/O- und Steuerungs-Subsystem 14 ist mit der Eigensicherheitssperre 16 verbunden, die wiederum mit der Prozesskommunikationsschleife 18 verbunden ist, um eine Datenkommunikation zwischen einer Schleife 18 und dem I/O- und Steuerungs-Subsystem 14 auf eine Art und Weise zuzulassen, welche das Passieren von Energie durch dieses beschränkt.
  • Bei der Prozesskommunikationsschleife 18 handelt es sich um eine mit den Feldvorrichtungen 20 verbundene Feldbus-Prozesskommunikationsschleife, wobei die Feldvorrichtungen mit der Prozesskommunikationsschleife 18 in einer Mehrpunktkonfiguration verbunden gezeigt sind. Die gezeigte Verdrahtungskonfiguration zwischen mehreren Stationen vereinfacht die Systemverdrahtung im Vergleich zu anderen Topologien, wie z.B. der Sterntopologie, erheblich.
  • 2 ist ein System-Blockdiagramm der Feldvorrichtung 20 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 20 schließt einen Energiemodul 30, eine Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung 32, einen Regler 34, sowie eine Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 ein. Der Energiemodul 30 und die Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 sind mit der Prozesskommunikationsschleife 18 (nicht gezeigt) über Anschlüsse 38 (zwei davon sind gezeigt) verbunden. Der Antriebsmodul 30 empfängt elektrische Energie von der Prozesskommunikationsschleife 18 und liefert Energie an alle Bauteile der Feldvorrichtung 20, wie es durch den Pfeil 40 mit der Beschriftung "an alle" dargestellt ist.
  • Die Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 ist so ausgelegt, dass sie digital über die Prozesskommunikationsschleife 18 über die Anschlüsse 38 kommuniziert. Beispielsweise ist, wenn die Prozesskommunikationsschleife 18 in Übereinstimmung mit dem FOUNDATIONTM-Feldbusprotokoll arbeitet, die Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 auf ähnliche Weise für eine FOUNDATIONTM-Feldbuskommunikation ausgelegt. Die Schleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 empfängt Prozess-Kommunikationssignale über die Schleife 18 und liefert Prozess-Kommunikationsdaten basierend auf derartigen Signalen an einen Regler 34. Umgekehrt kann der Regler 34 Daten an die Schleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 liefern, welche dann in geeignete Prozesskommunikationssignale zur Übertragung über die Prozesskommunikationsschleife 18 umgewandelt werden.
  • Die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 ist an einen Regler 34 und eine Prozesskommunikationsschleife 18 gekoppelt, wie es durch die gebrochene Linie 42 angezeigt ist. Darüber hinaus ist die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 zudem betriebsbereit mit der Schleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 über die gebrochene Linie 44 verbunden. Wie später noch ausführlicher in der Beschreibung beschrieben wird, kann es sich bei den Verküpfungen oder Kopplungen 42, 44 um direkte oder indirekte Verknüpfungen handeln. Gemäß Verwendung hier soll der Ausdruck "Di rektverknüpfung" jeden beliebigen Diagnoseschaltkreis bedeuten, der elektrisch an einen betreffenden Schaltkreis koppelt, um einen Parameter davon zu messen. Umgekehrt soll "indirekte Verknüpfung" jeden beliebigen Diagnoseschaltkreis bedeuten, der einen Parameter eines betreffenden Schaltkreises misst, ohne dass er elektrisch mit dem betreffenden Schaltkreis verbunden ist. Die Verknüpfungen 42 und 44 arbeiten, um es der Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 zu ermöglichen, Kennlinien der Schleife 18 (über die Verknüpfung 42) und Schleifendaten (über die Verknüpfung 44) abzutasten.
  • Die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 misst eine Reihe von Parametern, welche mit der digitalen Prozesskommunikationsschleife 18 in Zusammenhang stehen, über die Verknüpfung 42. Durch Messen verschiedener Spannungen und Ströme auf der digitalen Schleife 18, können diese unterschiedlichen Parameter bestätigt oder auf andere Weise abgeleitet werden. Vorzugsweise werden die Spannungen mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers innerhalb der Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 gemessen und ein digitales Signal wird dann an einen Regler 34 weitergeleitet. Beispiele für schleifenabhängige Messungen schließen ohne Einschränkungen die folgenden Messungen ein:
    augenblicklicher Gleichspannungspegel auf der Schleife;
    langfristige Veränderung der Schleifen-Gleichspannung;
    augenblickliche Ströme, welche die Feldvorrichtung von der Schleife abzweigt;
    langfristige Veränderung des Stroms, den die Feldvorrichtung von der Schleife abzweigt;
    Spitze-Spitze-Kommunikationssignalstärke der Nachrichten auf der Schleife und Identifizierung durch die Tag-Vorrichtungsadresse, usw., um mitzuteilen, welche Vorrichtung welche Sig nalstärke aufweist (diese Messungen schließen auch die Nachrichtenübertragungen von der Feldvorrichtung 20 selbst ein);
    die niedrigste Signalquelle auf der Schleife und seine Vorrichtungs-ID und Adresse;
    den niedrigsten bzw. leisesten Rauschpegel auf der Schleife; und
    die charakteristische Impedanz der Schleife.
  • Die vorstehend aufgelisteten individuellen Schleifenparameter liefern jeweils ein Anzeichen für die Lebensfähigkeit des Systems. Beispielsweise ermöglicht das Messen einer langfristigen Veränderung der Schleifen-Gleichspannung der Feldvorrichtung 20, einen relativ langsamen Spannungabfall im Laufe der Zeit zu erfassen, der ansonsten nicht erfasst worden wäre, und wobei der Abfall eine Verschlechterung in der Prozesskommunikationsschleife anzeigt. Durch das Messen der Spitze-Spitze-Kommunikationssignalstärke werden Angaben über die richtige Installation, die richtige Anzahl an Bus-Endstücken, die richtige Art der Verdrahtung und den korrekten Netzwerkabschluss gemacht. Obwohl die vorstehend aufgelisteten netzwerkabhängigen Messungen individuell dargelegt sind, wird ausdrücklich in Betracht gezogen, dass zusätzliche Diagnoseinformationen bestätigt werden können, indem unterschiedliche Messungen kombiniert werden, und/oder indem Trendanalysen von individuellen oder kombinierten Messungen durchgeführt werden. Die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 kann ein Vorrichtungsversagen basierend auf der Analyse aller oder einiger der vorstehend genannten Parameter durchführen. Die Diagnoseinformation kann im Wesentlichen durch das System in ein computergesteuertes Wartungsverwaltungssystem (CWVS) zur Wartung von Arbeitsbefehlen "gedrückt" werden. Zudem können die Diagnoseinformationen ausgewählt werden, um einen Operator des Steuersystems zu warnen, die Steuerstrategien zu ändern.
  • Wie in 2 dargestellt, kann die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 an eine Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 derart gekoppelt sein, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 Zugang zu Daten hat, die durch die Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung 32 übertragen werden. In dieser Hinsicht ist die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 in der Lage, eine Reihe von protokollabhängigen Attributen zu bestätigen. Solche Attribute beeinhalten ohne Einschränkungen die folgenden Attribute:
    • – die Anzahl an Vorrichtungen auf der Schleife;
    • – die Frequenzüberwachung von zyklischen Blockprüfungen (CRC-Prüfungen), welche den Operator über die Frequenz von CRC-Fehlern informiert und darüber, ob eine derartige Frequenz ein bevorstehendes Problem anzeigt;
    • – Schleifenleistungsdaten, wie z.B. eine Belegungsbit-Rotationszeit; und
    • – Identifikation des vorliegenden Steuerprogramms für die aktive Verbindung (Aktivverbindungs-Scheduler).
  • Schließlich kann die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 auch eine Schienenüberwachung des Ruhestroms und der Ruhespannung der Vorrichtungselektronik der Feldvorrichtung 20 bereitstellen, um die stetige Unversehrtheit, usw. der Elektronik in der Feldvorrichtung 20 anzuzeigen.
  • Jede der vorstehend genannten individuellen oder kombinierten Messungen an sich liefert wertvolle Diagnosedaten für das digitale Prozesssteuerungs- und Messsystem. Solche Diagnosedaten ermöglichen eine frühere Erfassung von Problemen bei der Prozesskommunikationsschleife, oder Vorrichtungen auf der Prozesskommunikationsschleife, so dass ein Reparaturvorgang früher ergriffen und auf diese Weise ein Versagen abgewendet wer den kann. Andererseits liefern zusätzliche Analysen der gemessenen Diagnoseinformationen zusätzliche Informationen über das Prozesssteuerungs- und Messsystem. Derartige zusätzliche Diagnoseberechnungen und Analysen werden für gewöhnlich vom Regler 34 ausgeführt, welcher einen Mikroprozessor einschließen kann. In einer Ausführungsform wird Software im Speicher (nicht gezeigt) im Regler 34 zur Implementierung eines Neuronennetzes im Regler 34 verwendet, wie z.B. das in 3 dargestellte Neuronennetz 100. Neuronennetze sind allgemein bekannt, und das Netzwerk 100 kann trainiert werden, indem bekannte Trainingsalgorithmen, wie beispielsweise das Rückübertragungsnetzwerk (BPN), zur Entwicklung des Neuronennetzmoduls verwendet werden. Die Netzwerke schließen Eingangsknoten 102, versteckte Knoten 104 und Ausgangsknoten 106 ein. Verschiedene Datenmessungen D1 bis einschließlich Dn sind als Eingänge in die Eingangsknoten 102 vorgesehen, die als Eingabepuffer arbeiten. Die Eingangsknoten 102 modifizieren die empfangenen Daten auf unterschiedliche Art und Weise entsprechend einem Trainingsalgorithmus und die Ausgangssignale werden an die versteckten Knoten 104 geliefert. Die verdeckte Schicht 104 wird zur Charakterisierung und Analyse einer nicht-linearen Eigenschaft der Diagnoseinformationen verwendet. Die letzte Schicht, die Ausgangsschicht 106, stellt ein Ausgangssignal 108 bereit, das eine Angabe über Diagnoseinformationen ist, welche mit der Prozesssteuerung und der Messung in Zusammenhang stehen.
  • Das Neuronennetz 100 kann entweder durch im Stand der Technik bekannte Entwicklung oder empirische Verfahren trainiert werden, und in welchen tatsächliche Prozesskommunikationssignale und Informationssensoren verwendet werden, um eine Trainingseingabe in das Neuronennetz 100 bereitzustellen.
  • Ein weiteres Verfahren zur Analyse der von der Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 bereitgestellten Diagnosedaten erfolgt durch die Verwendung eines auf Regeln basierenden Systems, in welchem der Regler 34 Regeln, zu erwartende Ergebnisse und Empfindlichkeitsparameter speichert.
  • Ein weiteres Analyseverfahren ist das Fuzzy-Logik- oder Qualitativaussagelogik-Verfahren. Beispielsweise können Fuzzy-Logik-Algorithmen bei den Datenmessungen D1 bis Dn eingesetzt werden, bevor diese in das Neuronennetz 100 eingegeben werden. Zusätzlich kann das Neuronennetz 100 einen Fuzzy-Knotenalgorithmus einsetzen, in welchem die unterschiedlichen Neuronen des Netzwerks Fuzzy-Algorithmen verwenden. Die verschiedenen Analyseverfahren können separat oder in Kombinationen verwendet werden. Darüber hinaus werden weitere Analyseverfahren als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
  • Wie vorstehend bemerkt wurde, liefern eigensichere Anwendungen eine zusätzliche Hürde beim Erhalt der vorstehend erörterten Diagnoseinformationen. 4 ist ein Blockdiagramm einer Feldvorrichtung 200, welche die Herausforderung beim Erhalt von Diagnoseinformationen für eine eigensichere Feldvorrichtung veranschaulicht. Die Feldvorrichtung 200, ebenso wie die Feldvorrichtung 20, weist eine Isolier-Schaltkreisanordnung (in 2 nicht gezeigt) auf, die elektrisch zwischen der digitalen Prozesskommunikationsschleife 18 und der Vorrichtungs-Schaltkreisanordnung 202 zwischengeschaltet ist. Die Isolier-Schaltkreisanordnung 204 arbeitet ähnlich der Eigensicherheitssperre 16, welche in Hinblick auf 1 beschrieben worden ist, und zwar insofern, dass sie die Energiemenge, die zur Prozesskommunikationsschleife 18 gelangen kann, beschränkt. Wie vorstehend beschrieben wird eine Reihe von Diagnoseparametern durch Messen der Spannung auf der Prozesskommunikationsschleife 18 erhalten. Daher wäre man versucht, die Diagnose-Schaltkreisanordnung 36 direkt an die Schleife 18 zu koppeln. Jedoch umgeht in eigensicheren Anwendungen eine derartige direkte Verknüpfung die Isolier-Schaltkreisanordnung 204 und erzeugt auf diese Weise einen Doppelpfad, auf dem eine unbegrenzte Energiemenge vom Schaltkreis 202 auf die Schleife 18 gelangen könnte und möglicherweise einen Funken erzeugen könnte. Daher muss die Diagnose-Schaltkreisanordnung 206, falls sie direkt an die Schleife 18 gekoppelt werden soll, ihre eigene Isolier-Schaltkreisanordnung aufweisen. Eine derartige zusätzliche Isolier-Schaltkreisanordnung erhöht die Kosten pro Einheit, verbraucht zusätzliche Energie und nimmt zusätzlichen Raum in der Feldvorrichtung ein. Andererseits kann berücksichtigt werden, dass zur direkten Messung von Netzwerk- oder Schleifeneigenschaften bzw. -kennlinien in einer eigensicheren Umgebung eine derartige zusätzliche Isolier-Schaltkreisanordnung erforderlich ist.
  • Eine weitere Möglichkeit für den Erhalt von Diagnoseinformationen, die mit der Prozesskommunikationsschleife 18 in Zusammenhang stehen, ist über indirekte Verfahren. Wie vorstehend beschrieben worden ist, kommen indirekte Verfahren zur Messung eines betreffenden Parameters ohne eine elektrische Kopplung an den betreffenden Schaltkreis aus. Bei Feldbus zweigt jede Vorrichtung einen im Wesentlichen konstanten Strom ISegment ab und arbeitet mit einer Spannung zwischen ungefähr 9 Volt und ungefähr 32 Volt Gleichspannung. Die Feldbus-Kommunikationssignalgebung wird dadurch ausgeführt, indem die Vorrichtung dazu bewegt wird, den abgezweigten Strom zu modulieren und dabei zu übertragen. 5 zeigt Strom im Verhältnis zu Zeit Irst für eine typische Feldbusinstallation. Die meiste Zeit sind der Strom I und der Strom ISegment identisch. Zwischen der Zeit t0 und der Zeit t1 jedoch verändert sich der Strom rapide, während eine Feldbuskommunikation erfolgt. Der Kommunikationsstrom wird als IKommunikation bezeichnet. Wie ersichtlich ist, ist der Strom IKommunikation im Wesentlichen um ISegment zentriert und weist so einen Gleichstrom auf, der in etwa bei Null liegt. Für Fachleute in der Technik ist ersichtlich, dass die von der Feldbusvorrichtung abgezweigte Energie im Wesentlichen identisch dem Produkt aus ISegment und der Schleifenspannung (welche im Allgemeinen zwischen 9 V Gleichspannung und 32 V Gleichspannung liegt, jedoch im Wesentlichen konstant für eine gegebene Installation ist) ist. Die Feldbus-Signalgebungs-Schaltkreisanordnung strahlt Wärme aus und arbeitet auf diese Weise bei einer erhöhten Temperatur, die mit der Feldbusenergie und dem Wärmewiderstand der Feldbus-Signalgebungs-Schaltkreisanordnung in Zusammenhang steht. Nach Vervollständigung der Konstruktion der Feldbus-Signalgebungs-Schaltkreisanordnung ist der Wärmewiderstand im Wesentlichen konstant. Auf diese Weise ist die Arbeitstemperatur der Feldbus-Signalgebungs-Schaltkreisanordnung proportional zu der Energie der Feldbusvorrichtung. Da der Strom ISegment im Wesentlichen konstant ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Temperatur der Feldbus-Signalgebungs-Schaltkreisanordnung bei einer erhöhten Temperatur arbeitet, die in etwa proportional zu der Schleifenspannung ist. Auf diese Weise liegt die Messtemperatur einer derartigen Feldbus-Signalgebungs-Schaltkreisanordnung eine Angabe über die Schleifenspannung. Vorzugsweise erfolgt eine derartige Messung in Form eines Temperatursensors, der auf einer Schaltkreisplatte in relativer Nähe zu der Feldbus-Signalgebungs-Schaltkreisanordnung angeordnet ist, so dass von der Signalgebungs-Schaltkreisanordnung ausgestrahlte Wärme von dem Temperatursensor gemessen wird. Der Temperatursensor kann ein Thermoelement, ein Thermistor, eine Widerstands-Temperaturvorrichtung (RTD), oder jedes andere geeignete Temperatur-Messelement sein. Die gemessene Temperatur wird dann zur Berechnung der Schleifenspannung verwendet und liefert auf diese Weise eine indirekte Messung eines Diagnoseparameters.

Claims (17)

  1. Feldvorrichtung (20), welche mit einer Feldbus-Prozesskommunikationsschleife (18) koppelbar ist, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen mit der Schleife (18) koppelbaren Antriebsmodul zum Antrieb der Vorrichtung (20) mit von der Schleife (18) erhaltener Energie; eine Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung (32), welche mit der Schleife koppelbar ist und dazu ausgelegt ist, zweiseitig oder bidirektional über die Schleife (18) zu kommunizieren; einen mit der Feldbusschleifen-Kommunikationsvorrichtung (32) koppelbaren Regler (34); eine Diagnose-Schaltkreisanordnung (36), welche mit dem Regler (34) koppelbar ist und betriebsbereit mit der Schleife (18) koppelbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) dazu ausgelegt ist, einen mit der Schleife in Zusammenhang stehenden Parameter zu messen; und dass der Regler (34) betriebsbereit ist, um Vorhersage-Diagnoseinformationen auf der Basis des mit der Schleife zusammenhängenden Parameters zu liefern.
  2. Feldvorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldbus-Prozesskommunikationsschleife (18) aus der Gruppe bestehend aus FOUNDATION® Feldbus (H1), Profibus®, ControlNet, P-Net, SwiftNet, WorldFIP, Interbus-S, und FOUNDATION® Feldbus-Hochgeschwindigkeits-Ethernet (H2) ausgewählt wird.
  3. Feldvorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) weiter eine Eigensicherheitssperre aufweist und dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) direkt mit der Feldbus-Prozesskommunikationsschleife (18) koppelbar ist.
  4. Feldvorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) indirekt mit der Feldbus-Prozesskommunikationsschleife (18) koppelbar ist.
  5. Vorrichtung (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) einen Temperatursensor einschließt, der dazu ausgelegt ist, ein mit der Temperatur eines Feldbus-Kommunikationsschaltkreises (32) in der Feldvorrichtung (20) in Zusammenhang stehendes Signal zu liefern.
  6. Feldvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Schleife in Zusammenhang stehende Parameter aus einer augenblicklichen Gleichspannung, einer langfristigen Veränderung der Gleichspannung, einem von der Feldvorrichtung (120) entnommenen augenblicklichen Strom, einer Spitze-Spitze-Kommunikationssignalstärke auf der Prozesskommunikationsschleife (18), einer niedrigsten Signalquelle auf der Schleife (18) und einer Vorrichtungs-ID und Adresse der niedrigsten Signalquelle, einem unterdrückten Rauschpegel auf der Schleife (18) und einer charakteristischen Impedanz der Schleife (18) ausgewählt wird.
  7. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (34) so angeordnet ist, dass er eine Neuronennetzanalyse des mit der Schleife zusammenhängenden Parameters zur Bereitstellung der Diagnoseinformationen und/oder zur Ausführung einer Qualitativaussagenlogik am mit der Schleife in Zusammenhang stehenden Parameter zur Bereitstellung der Diagnoseinformationen ausführt.
  8. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) so angeordnet ist, dass sie eine Vielzahl von mit der Schleife in Zusammenhang stehenden Parametern misst, und dass der Regler (34) so angeordnet ist, dass er die Diagnoseinformationen auf der Basis einer Kombination der mit der Schleife in Zusammenhang stehenden Parameter bereitstellt.
  9. Feldvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) dazu ausgelegt ist, eine Vielzahl von mit der Schleife zusammenhängenden Parametern zu liefern und eine Ausfall-Vorhersage basierend auf der Vielzahl von mit der Schleife zusammenhängenden Parametern bereitzustellen.
  10. Feldvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseinformationen mit Hilfe der Schleifen-Kommunikationsvorrichtung (32) einem rechnergestützten Wartungssteuersystem (RWSS) für Wartungs-Arbeitsbefehle angezeigt werden.
  11. Feldvorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseinformationen ausgewählt werden, um einen Maschinenbediener zu warnen, Steuerstrategien zu verändern.
  12. Verfahren zur Bereitstellung einer Diagnose einer Feldbus-Prozesskommunikationsschleife (18) unter Verwendung einer an die Schleife (18) gekoppelten Feldvorrichtung (20), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – betriebsbereites Koppeln der Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) der Feldvorrichtung (20) mit der Feldbus-Prozesskommunikationsschleife (18); und wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: – Messen eines Parameters der Schleife (18) unter Verwendung der Diagnose-Schaltkreisanordnung (36); und – Analysieren des Parameters unter Verwendung eines Reglers (34) der Feldvorrichtung (20) zur Bereitstellung eines Voraussage-Diagnoseausgangssignals.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse des Parameters die Durchführung einer Neuronennetzanalyse des gemessenen Parameters einschließt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse des Parameters weiter die Durchführung einer Qualitativaussagenlogik am gemessenen Parameter einschließt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse des Parameters die Durchführung einer Qualitativaussagenlogik am gemessenen Parameter zur Lieferung des Diagnose-Ausgangssignals einschließt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebsbereite Kopplung der Dia gnose-Schaltkreisanordnung (36) mit der Schleife (18) die betriebsbereite Kopplung der Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) mit der Schleife (18) über eine Schleifen-Kommunikationsvorichtung (32) einschließt, um es der Diagnose-Schaltkreisanordnung (36) zu ermöglichen, auf von der Schleifen-Kommunikationsvorrichtung (32) übertragene Daten zuzugreifen.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse des Parameters zur Bereitstellung eines Diagnose-Ausgangssignals an die Schleife (18) weiter die Analyse des gemessenen Parameters durch Anwendung der Methode der kleinsten Quadarate, die Anwendung einer Neuronennetzanalyse des gemessenen Parameters, und/oder die Anwendung eines Qualitativaussagenlogik-Algorithmus am gemessenen Parameter aufweist.
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