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Dokumentenidentifikation DE102006028006A1 20.12.2007
Titel Feldgerät und Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Messgröße in einem Feldgerät
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Kaszkin, Andreas, 76870 Kandel, DE;
Stiehl, Wolfgang, 76744 Wörth, DE
DE-Anmeldedatum 14.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028006
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse G01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20060614, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01D 5/12(2006.01)A, L, I, 20060614, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Feldgerät, das als Bestandteil eines Automatisierungssystems gerätespezifische Funktionen bei der Automatisierung des Betriebsablaufs einer Anlage ausübt, weist Mittel zum Erfassen und Verarbeiten mindestens einer Messgröße aus der Anlage sowie eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit dem Automatisierungssystem auf.
Um mit einfachen Mitteln eine möglichst schnelle und genaue Messsignalfilterung zu ermöglichen, wird die von dem Feldgerät (1) aus der Anlage erfasste Messgröße (m) in einem Signalfilter (16) gefiltert, dessen Filtercharakteristik veränderbar ist und auf unterschiedliche vorgegebene Filtercharakteristiken in Abhängigkeit von über die Kommunikationsschnitte (18) erhaltenen Ereignisinformationen aus dem Betriebsablauf der Anlage angepasst wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Feldgerät und Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Messgröße in einem Feldgerät.

In Automatisierungssystemen für technische oder industrielle Anlagen, z. B. der Prozessindustrie, Produktions- und Fertigungsindustrie, Gebäudetechnik oder Netzwerktechnik, führen in der betreffenden Anlage örtlich verteilte, dezentrale Feldgeräte (Prozessgeräte) vorgegebene Funktionen im Rahmen der Anlagenautomatisierung aus und tauschen dabei prozess-, anlagen- und/oder geräterelevante Informationen ggf. untereinander, immer aber mit übergeordneten Komponenten des Automatisierungssystems, insbesondere dessen Leit- bzw. Engineeringsystem, aus. Zu den Feldgeräten gehören u. a. Messumformer für Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand usw., Analysengeräte für Gas- oder Flüssigkeitsanalyse, Wägesysteme, Stellantriebe, Stellungsregler für Ventile, sonstige dezentrale Regler und Frequenzumrichter für elektromotorische Antriebe. Zum Austausch der Daten innerhalb des Automatisierungssystems sind die Feldgeräte im dezentralen Peripheriebereich, ggf. zusammen mit dezentraler Steuerung und Regelung und Bedienung und Beobachtung, über Feldbusse oder andere Kommunikationswege miteinander verbunden, wobei unterschiedliche Feldbusse über Buskoppler miteinander verbunden sind. Die Feldbusse können wiederum über Steuereinrichtungen, wie z. B. speicherprogrammierbare Automatisierungsgeräte, an einem zentralen Anlagenbus angebunden sein, an dem auch das Leit- bzw. Engineeringsystem, also die zentrale Steuerung, Regelung, Bedienung und Beobachtung, angeschlossen ist.

Messgrößen, die von den Feldgeräten, insbesondere von Messumformern, in der Anlage erfasst werden, werden in der Regel gefiltert, um sie vor einer Weiterverarbeitung von nicht interessierende Frequenzanteilen und Störungen zu befreien (Messgröße (z. B. Druck) und das daraus abgeleitete elektrische Messsignal wird hier der Einfachheit halber synonym verwendet). Bei den dazu heute dazu verwendeten Signalfiltern wird die Filtercharakteristik üblicherweise fest eingestellt, so dass sie während des gesamten Betriebsablaufs der Anlage unverändert bleibt. Die Einstellung beispielsweise der Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters bzw. der Filterbreite eines Mittelwertfilters stellt somit einen Kompromiss zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit auf Signalveränderungen und der geforderten Messgenauigkeit dar. Es ist auch die Verwendung von adaptiven Signalfiltern bekannt, bei denen abhängig von dem Signalverlauf des gefilterten Signals die Filtercharakteristik verändert wird.

Der Erfindung liegt die Aufhabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine schnelle und genaue Messsignalfilterung zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Feldgerät bzw. das in Anspruch 5 angegebene Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Feldgeräts bzw. Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Feldgerät zur Ausübung gerätespezifischer Funktionen im Rahmen der Automatisierung des Betriebsablaufs einer Anlage, in der das Feldgerät zusammen mit weiteren örtlich verteilten Feldgeräten über ein Kommunikationssystem mit einem Leitsystem verbindbar ist,

  • – mit einer Kommunikationsschnittstelle zur Verbindung des Feldgeräts mit dem Kommunikationssystem,
  • – mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der gerätespezifischen Funktionen sowie der Kommunikation von Daten über die Kommunikationsschnittstelle,
  • – mit Mitteln zum Erfassen und Verarbeiten mindestens einer Messgröße aus der Anlage, wobei die Mittel ein Signalfilter mit veränderbarer Filtercharakteristik beinhalten, und
  • – mit einer von der Steuereinrichtung ansteuerbaren Filteranpasseinrichtung zum Anpassen der Filtercharakteristik auf unterschiedliche vorgegebene Filtercharakteristiken in Abhängigkeit von über die Kommunikationsschnittstelle erhaltenen Ereignisinformationen aus dem Betriebsablauf der Anlage,
bzw. ein

Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Messgröße in einem Feldgerät eines Automatisierungssystems, wobei das Feldgerät gerätespezifische Funktionen im Rahmen der Automatisierung des Betriebsablaufs einer Anlage ausübt und über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem Automatisierungssystem Informationen austauscht und wobei die von dem Feldgerät aus der Anlage erfasste Messgröße in einem Signalfilter gefiltert wird, dessen Filtercharakteristik veränderbar ist und auf unterschiedliche vorgegebene Filtercharakteristiken in Abhängigkeit von über die Kommunikationsschnittstelle erhaltenen Ereignisinformationen aus dem Betriebsablauf der Anlage angepasst wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine exakte bzw. schnelle Messung dadurch verbessert werden kann, indem die dynamische Anpassung der Signalfilterung direkt aus der Kenntnis über den Betriebsablauf der Anlage ereignisgesteuert wird. Ein solches Ereignis kann z. B. eine Druckerhöhung in der Anlage sein, wobei die Druckerhöhung beispielsweise durch ein Steuersignal zum Öffnen eines Ventils in der Anlage eingeleitet wird. Dieses Steuersignal für das Ventil geht der tatsächlichen Druckerhöhung voraus und wird entsprechend der Erfindung dazu verwendet, die Filtercharakteristik der Signalfilterung beispielsweise in einem Druckmessumformer an die folgende Druckerhöhung mit den daraus resultierenden vorübergehenden Druckschwankungen anzupassen. Wird beispielsweise das Drucksignal in dem Druckmessumformer tiefpassgefiltert, so wird vorzugsweise als Reaktion auf die erhaltene Ereignisinformation (hier das erwähnte Steuersignal für das Ventil) die Grenzfrequenz Signalfilters erhöht, damit das Signalfilter der Dynamik des Messsignals schneller folgen kann. Dies ist dann von Vorteil, wenn z. B. Druckspitzen erfasst werden sollen. Indem die Grenzfrequenz innerhalb einer vorgegebenen Zeit von dem höheren Wert wieder auf einen niedrigeren Wert geändert wird, wird das Ausgangssignal des Signalfilters sehr schnell wieder auf den Mittelwert des Messsignals gebracht, der exakt den Druck wiedergibt. Die Änderung der Grenzfrequenz folgt einer vorgegebenen Zeitfunktion, beispielsweise exp -t/&tgr; oder exp -(t/&tgr;)2, wobei t die Zeit und &tgr; eine vorgegebene, z. B. parametrierbare, Zeitkonstante bezeichnet.

Im Falle einer Mittelwertfilterung wird in analoger Weise die Filterbreite, d. h. die Anzahl der zur Mittelwertbildung herangezogenen Stützwerte des Messsignals, von einem vorgegebenen niedrigeren Wert auf einen vorgegebenen höheren Wert geändert.

Darüber hinaus kann die Filtercharakteristik auch noch bezüglich des Filtertyps, z. B. Bessel- oder Butterworth-Filter und/oder der Filterordnung veränderbar sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Automatisierungssystems,

2 ein Beispiel für das erfindungsgemäße Feldgerät, und

3 ein Beispiel für die Filterung einer von dem Feldgerät erfassten Messgröße.

1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein Beispiel für ein Automatisierungssystem mit Feldgeräten 1 bis 5, die in einem zu steuernden und/oder zu regelnden Prozess bzw. einer Anlage, in der ein solcher Prozess abläuft, vorgegebene Mess-, Steuer- und Regelungsfunktionen wahrnehmen und dabei über ein Netzwerk 6 prozess-, funktions- und/oder geräterelevante Daten mit dem Prozessautomatisierungssystem austauschen. Dazu sind die Feldgeräte 1 bis 5 über einen Feldbus 7, z. B. nach dem PROFIBUS-Standard, als einem Bestandteil des Netzwerkes 6 an Automatisierungsgeräten 8 und 9, z. B. speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), angeschlossen, welche wiederum über einen zentralen Anlagenbus 10 mit einer übergeordneten Steuerung und Regelung 11 und Bedienung und Beobachtung 12 verbunden sind. Ein solches Automatisierungssystem kann grundsätzlich eine unterschiedliche Anzahl von Automatisierungsebenen aufweisen, in denen die einzelnen Komponenten des Automatisierungssystems angeordnet sind und über ein aus unterschiedlichen Kommunikationswegen bestehendes Netzwerk miteinander kommunizieren.

Zumindest einige der Feldgeräte 1 bis 5 sind Messumformer, die Messgrößen aus der Anlage bzw. dem Prozess erfassen und verarbeiten. Auch andere Feldgeräte, wie z. B. Stellungsregler, können messwerte erfassen, ohne dass es sich bei den Geräten um Messumformer handelt.

2 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein Beispiel für das Feldgerät 1, bei dem es sich hier um einen Messumformer handelt. Dieser weist einen Messwertaufnehmer 13 auf, der in dem Prozess bzw. der Anlage eine Messgröße m, z. B. Durchfluss, erfasst und ein entsprechendes Messsignal erzeugt. Das Messsignal durchläuft nacheinander einen Messsignalverstärker 14, einen Analog-/Digital-Umsetzer 15 und ein Signalfilter 16 mit veränderbarer Filtercharakteristik, bevor es in einer Auswerteeinrichtung 17 zu einem Messwert für die Prozessführung ausgewertet wird. Das Feldgerät 1 ist über eine Kommunikationsschnittstelle 18 an dem Feldbus 7angeschlossen, so dass der Messwert an andere Komponenten des Automatisierungssystems übertragen werden kann. Die Auswertung des Messsignals und die Kommunikation über die Kommunikationsschnittstelle 18 werden durch eine Steuereinrichtung 19 gesteuert. Die Steuereinrichtung 19 steuert darüber hinaus auch eine Filteranpasseinrichtung 20, um die Filtercharakteristik auf unterschiedliche vorgegebene Filtercharakteristiken in Abhängigkeit von über die Kommunikationsschnittstelle 18 erhaltenen Ereignisinformationen aus dem Betriebsablauf der Anlage anzupassen.

3 zeigt einen beispielhaften den Verlauf der Messgröße m, hier z. B. eines Drucks in einer Fluidleitung der Anlage. Zu einem Zeitpunkt t0 wird ein Auslassventil in der Leitung durch ein entsprechendes Steuersignal geöffnet, so dass der Druck plötzlich absinkt. Aufgrund der Elastizität des Leitungssystems und der darin vorhandenen Komponenten kommt es zu Schwingungen in dem Messsignal m, wobei die anfangs hohe Schwingungsamplitude mit der Zeit abnimmt. Weitere Störsignale, wie von außen kommende Vibrationen, sind dem Messsignal m überlagert. Um möglichst schnell den exakten Druckmittelwert zu erhalten, der dem Mittelwert des Messsignals entspricht, wird das Steuersignal für das Auslassventil als Ereignismeldung an das Feldgerät 1 übertragen. Daraufhin wird die Grenzfrequenz f0 des hier z. B. als Tiefpassfilter ausgebildeten Signalfilters 16 auf einen höheren Wert f01 angehoben und anschließend mit einer vorgegebenen Zeitfunktion, hier z. B. &dgr;(t) = f02[1+ ((f01 – f02)/f02)exp – (t/&tgr;)2] auf einen vorgegebenen niedrigeren Wert f02 verändert. Damit wird erreicht, dass das Ausgangssignal m' des Signalfilters 16 zunächst den Schwingungen des Messsignals m folgen kann um dann aber sehr schnell auf den Mittelwert des Messsignals m gebracht zu werden.


Anspruch[de]
Feldgerät (1) zur Ausübung gerätespezifischer Funktionen im Rahmen der Automatisierung des Betriebsablaufs einer Anlage, in der das Feldgerät (1) zusammen mit weiteren örtlich verteilten Feldgeräten (2, 3, 4, 5) über ein Kommunikationssystem (6) mit einem Leitsystem (11, 12) verbindbar ist,

– mit einer Kommunikationsschnittstelle (18) zur Verbindung des Feldgeräts (1) mit dem Kommunikationssystem (6),

– mit einer Steuereinrichtung (19) zur Steuerung der gerätespezifischen Funktionen sowie der Kommunikation von Daten über die Kommunikationsschnittstelle (18),

– mit Mitteln (13, 14, 15, 16) zum Erfassen und Verarbeiten mindestens einer Messgröße (m) aus der Anlage, wobei die Mittel (13, 14, 15, 16) ein Signalfilter (16) mit veränderbarer Filtercharakteristik beinhalten, und

– mit einer von der Steuereinrichtung (19) ansteuerbaren Filteranpasseinrichtung (20) zum Anpassen der Filtercharakteristik auf unterschiedliche vorgegebene Filtercharakteristiken in Abhängigkeit von über die Kommunikationsschnittstelle (18) erhaltenen Ereignisinformationen aus dem Betriebsablauf der Anlage.
Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtercharakteristik bezüglich mindestens eines der folgenden Filterparameter veränderbar ist:

– Filtertyp,

– Filterordnung,

– Grenzfrequenz (f0), Mittenfrequenz und/oder Bandbreite.
Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranpasseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, nach Ansteuerung durch die Steuereinrichtung (19) die Grenzfrequenz (f0) des als Tiefpassfilter ausgebildeten Signalfilters (16) innerhalb einer vorgegebenen Zeit von einem vorgegebenen höheren Wert (f01) auf einen vorgegebenen niedrigeren Wert (f02) zu ändern. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranpasseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, nach Ansteuerung durch die Steuereinrichtung (19) die Filterbreite des als Mittelwertfilter ausgebildeten Signalfilters (16) innerhalb einer vorgegebenen Zeit von einem vorgegebenen niedrigeren Wert auf einen vorgegebenen höheren Wert zu ändern. Verfahren zum Verarbeiten mindestens einer Messgröße (m) in einem Feldgerät (1) eines Automatisierungssystems, wobei das Feldgerät (1) gerätespezifische Funktionen im Rahmen der Automatisierung des Betriebsablaufs einer Anlage ausübt und über eine Kommunikationsschnittstelle (18) mit dem Automatisierungssystem Informationen austauscht und wobei die von dem Feldgerät (1) aus der Anlage erfasste Messgröße (m) in einem Signalfilter (16) gefiltert wird, dessen Filtercharakteristik veränderbar ist und auf unterschiedliche vorgegebene Filtercharakteristiken in Abhängigkeit von über die Kommunikationsschnittstelle (18) erhaltenen Ereignisinformationen aus dem Betriebsablauf der Anlage angepasst wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtercharakteristik bezüglich mindestens eines der folgenden Filterparameter veränderbar wird:

– Filtertyp,

– Filterordnung,

– Grenzfrequenz (f0), Mittenfrequenz und/oder Bandbreite.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine erhaltene Ereignisinformation die Grenzfrequenz (f0) des als Tiefpassfilter ausgebildeten Signalfilters (16) innerhalb einer vorgegebenen Zeit von einem vorgegebenen höheren Wert (f01) auf einen vorgegebenen niedrigeren Wert (f01) geändert wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine erhaltene Ereignisinformation die Filterbreite des als Mittelwertfilter ausgebildeten Signalfilters (16) innerhalb einer vorgegebenen Zeit von einem vorgegebenen niedrigeren Wert auf einen vorgegebenen höheren Wert geändert wird.






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