[发明专利]用于确定或监测物理或化学过程变量的现场设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定或监测物理或化学过程变量的现场设备，该现场设备由传感器和控制/评估单元组成，该传感器根据特定的测量原理来工作，该控制/评估单元依赖于在相应的安全性至关重要的应用中所要求的安全标准沿着至少两个等价的测量路径来处理和评估由传感器所提供的测量数据。优选地，现场设备使用在自动化技术中，尤其是使用在过程自动化和工厂自动化中。由WO 2004/013585A1已公知一种解决方案，该解决方案研究的是现场设备的一种构造方式，该现场设备可以使用在过程自动化领域中的安全性至关重要的应用中。然而，本发明并不局限于过程自动化和工厂自动化的领域，而是同样可以使用在汽车行业及其它行业中的安全性至关重要的应用中。

背景技术

在自动化技术中，尤其是在过程自动化技术中使用了现场设备，这些现场设备用于确定和监测过程变量。此类现场设备的例子是料位测量设备、流量测量设备、分析测量设备、压力和温度测量设备、湿度和电导率测量设备、密度和粘度测量设备。这些现场设备的传感器采集相应的过程变量，例如料位、流量、PH值、物质浓度、压力、温度、湿度、电导率、密度或粘度。

然而，也将执行器(例如阀或泵)纳入“现场设备”的概念中，通过这些执行器例如可以改变管道中的液体的流量或容器中的料位。大量的这种现场设备由Endress+Hauser集团提供并销售。

一般，现场设备在现代的自动化技术的设施中以及在汽车行业中通过通信网络，例如HART多点网络、点对点连接、Profibus、Foundation Fieldbus、CAN-Bus，与上位单元相连接，该上位单元被称为引导系统或上位的控制单元。该上位单元用于控制、诊断、可视化、监测以及调试运行和操纵现场设备。对于现场总线系统的运行而言必需的附加部件(这些附加部件直接与现场总线连接并且尤其用于与上位单元通信)同样经常被称为现场设备。这些附加部件例如是指Remote I/O(远程I/O)、Gateway(网关)、Linking Device(链接设备)或控制器、Wireless Adapter(无线适配器)。也将这些附加部件纳入“现场设备”的概念中。

现场设备中的软件份额不断增加。使用受微控制器控制的智能现场设备(Smart Field Devices)的优点在于，通过专用的软件程序可以在现场设备中实现大量不同的功能；而且还可以相对简单地进行程序修改。另一方面，作为按顺序执行程序的结果，与受程序控制的现场设备的很高的灵活性对立的是相对小的处理速度和因此相应小的测量速率。

为了提高处理速度，总是只有当在经济上完全合理时才在现场设备中使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)。通过专用的配置，这些组件可以比软件程序明显更快地处理数据和信号。因此，尤其对于计算密集型的应用而言，ASIC是特别合适的。

在ASIC的应用中，不利的是，这些组件的功能被固定地预先给定。在这些组件中，不能容易地在后来改变功能。此外，ASIC的使用仅在相对大件数的情况下才值得，这是因为开发费用和与此相关的成本很高。

为了规避固定地预先给定的功能的弊端，由WO 03/098154A1公知一种可配置的现场设备，其中设置有FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)形式的可重新配置的逻辑组件。在该公知的解决方案中，系统启动时，利用至少一个微控制器(也被称为嵌入式控制器)来对逻辑组件进行配置。在配置完成之后，将需要的软件加载到微控制器中。在此所需的、可重新配置的逻辑组件必须具有足够的资源，更确切地说是逻辑资源、布线资源和存储器资源，以便满足所期望的功能。带有许多资源的逻辑组件需要大量能量，这又从功能上看可能使得其在自动化中的使用仅受限制地得以实现。在使用带有很少资源并且因地带有较少能量消耗的逻辑组件的情况下，不利的是，在相应的现场设备的功能中的明显的限制。

根据应用情况，现场设备必须满足各种不同的安全要求。为了满足相应的安全要求(例如SIL标准“Security Integrity Level(安全完整性等级)”，其在过程自动化中起到很大作用)，必须以冗余和/或多样化的方式来设计现场设备的功能。