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Die Erfindung betrifft ein Feldbusgerät zum Einsatz in Feldbussystemen, insbesondere zur Datenübertragung in Prozessleitsystemen, wie sie beispielsweise für die Steuerung, Regelung und Überwachung von chemischen Prozessen eingesetzt werden, mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
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Zum Hintergrund der Erfindung ist kurz festzuhalten, dass ein Feldbus als industrielles Kommunikationssystem mindestens ein zentrales Steuerungsgerät – ein so genanntes „Master-Gerät” – mit in der Regel einer Vielzahl von Feldbusgeräten verbindet. Bei Letzteren handelt es sich beispielsweise in Prozessleitsystemen um Messgeräte für Prozessgrößen, Stellglieder und Antriebe, mit denen eine Steuerung und Regelung eines Prozesses durchgeführt werden. Es sind unterschiedliche Feldbussysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften bekannt und etabliert, wie z. B. Profibus, Interbus oder CAN.
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Die bekannten Grundkomponenten von Feldbusgeräten sind einerseits eine an die Funktion des Feldbusgerätes angepasste Zentraleinheit zu dessen Funktionssteuerung. Unter Zentraleinheit sollen dabei alle Komponenten verstanden werden, die einen bestimmungsgemäßen Einsatz des Feldbusgerätes vor Ort gewährleisten, wie beispielsweise bei einem mikroprozessorgesteuerten Messgerät für eine elektrochemische Prozessgröße eine zentrale Prozessoreinheit mit Arbeits-, Programm- und Datenspeicher, eine Eingangsschaltung für das von einem entsprechenden Messsensor zur Verfügung gestellte Analogsignal, ein Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung des Messsignals und eine entsprechende Datenschnittstelle zur Übergabe der aufbereiteten digitalen Messdaten.
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Eine weitere zentrale Komponente eines Feldbusgerätes ist naturgemäß eine mit der Zentraleinheit gekoppelte Schnittstelleneinheit, über die das Feldbusgerät an einen Feldbus des Feldbussystems zur Datenkommunikation mit dem Master-Gerät des Feldbussystems angebunden ist.
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Mittels dieser Datenkommunikation erhalten Feldbusgeräte – insbesondere beispielsweise im Falle des Profibus – von dem Master-Gerät, also dem Leit- oder Engineering-System, Vorgaben, welche Informationen, wie beispielsweise Messwerte oder dergleichen, sie auf dem Feldbus kommunizieren sollen. Enthalten diese Vorgaben Fehler oder passen nicht zu den technischen Kapazitäten des Feldbusgerätes, so läuft die Buskommunikation bei der Inbetriebnahme des Feldbussystems nicht oder zumindest nicht wie gewünscht an.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im Folgenden Beispiele von Bus-Kommunikationsparametern kurz erörtert, aufgrund derer es bei der Inbetriebnahme eines Feldbussystems häufig zu Verzögerungen kommt. Diese gehen in der Regel auf Fehler in der Parametrierung seitens des Master-Gerätes, z. B. einer SPS-Steuerung, zurück.
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Grundsätzlich arbeiten Feldbussysteme beim Datenaustausch zwischen Feldbus und Master-Gerät mit einem festgelegten Kommunikationsprotokoll, welches zum Aufbau einer Kommunikationsbeziehung zwischen Feldbusgerät und Master-Gerät über den Bus transportiert wird. Beim standardisierten Profibus werden zum Verbindungsaufbau beispielsweise die drei Protokolldienste Set_Prm, Chk_Cfg und Slave_Diag genutzt.
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Mit Set_Prm und Chk_Cfg sendet das Leitsystem konfigurierende Anforderungen an das Feldbusgerät, wie beispielsweise Kennungen, Time-Out-Zeiten und die gewünschte Zusammenstellung der vom Feldbusgerät in einem zyklischen Datentelegramm zu sendenden Daten.
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Nach dem Empfang der als Telegramme angelegten Bus-Kommunikationsparameter Set_Prm und Chk_Cfg prüft das Feldbusgerät, ob es sämtliche darin enthaltenen Anforderungen erfüllen kann und signalisiert das Ergebnis mit dem Dienst Slave-Diag. Die darin enthaltene Antwort ist negativ, wenn eine der in den vorstehenden Konfigurationsdatentelegrammen enthaltenen Anforderungen vom Feldbusgerät nicht erfüllt werden kann. Es kommt damit nicht zur Aufnahme eines Nutzdatenaustausches.
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Problematisch in diesem Fehlerfall ist die Tatsache, dass die Meldung Slave_Diag des Feldbusgerätes keine Informationen darüber enthält, warum die Konfiguration mit Hilfe von Set_Prm und Chk_Cfg fehlgeschlagen hat.
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Für die Fehlerursachen gibt es in diesem Zusammenhang einschlägige Beispiele:
Die über den Feldbus gesendeten Inhalte von Set_Prm und Chk_Cfg entsprechen nicht den Soll-Inhalten, die bei der Auslegung des Systems vorgegeben wurden. In diesem Fall liegt entweder ein Fehler in der Leitsystemkonfigurierung seitens des Master-Gerätes oder im Leitsystem selbst vor. Um einen solchen Fehler zu identifizieren und zu beheben, ist aus dem Stand der Technik ein separates Werkzeug, der so genannte „Busmonitor”, bekannt. Damit ist es möglich, die über den Feldbus transportierten Daten der Telegramme Set_Prm und Chk_Cfg zu visualisieren und zu überprüfen, ob sie den projektierten Soll-Inhalten entsprechen.
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Im Falle des bereits oben erwähnten Beispielfehlers, dass ein Feldbusgerät eine oder mehrere der in Set_Prm und Chk_Cfg enthaltenen Anforderungen nicht erfüllen kann, besteht bekanntermaßen zur Lösung dieses Problems im Wesentlichen nur die Möglichkeit, auf der Leitsystem-Seite am Master-Gerät die Inhalte von Set_Prm und Chk_Cfg unter Zuhilfenahme der Spezifikation des Feldbusgerätes so lange zu variieren, bis die entsprechenden Anforderungen vom Feldbusgerät in der Meldung Slave_Diag positiv bestätigt werden.
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Schließlich liegt auch ein Problem im Austausch von Feldbusgeräten innerhalb einer laufenden Anlage beispielsweise wegen eines Geräteausfalls oder -modellwechsels. Versucht das Master-Gerät nun, das neue Gerät mit den Kommunikationsparametern des alten Gerätes zu aktivieren, startet die Kommunikation über den Feldbus naturgemäß nicht, wenn die feldbusspezifischen Eigenschaften nicht identisch sind. Zur Lösung dieses Problems müssen also die zum neuen Gerät passenden Kommunikationsparameter am Master-Gerät eingegeben werden. Deren Inhalte müssen aufwändig über die technische Dokumentation des Neugerätes ermittelt werden.
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Die Aufdeckung und Behebung der vorstehend beispielhaft erörterten Fehler ist in der Regel zeitaufwändig und verursacht entsprechende Kosten bei der Implementierung und im Betrieb beispielsweise eines komplexen Prozessleitsystems.
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Ein erster Lösungsansatz für die vorstehend erörterte Problematik ist der
DE 102 52 278 A1 zu entnehmen, die einen systemintegrierten Busmonitor offenbart. Dabei ist ein separater passiver Controller mit einem Profibus-Interface vorgesehen. Der integrierte Busmonitor liest die im Speicher des Profibus-Interface hinterlegten, auf den Feldbus übertragenen und gefilterten Daten aus, um sie mit Hilfe eines Ferndiagnosemechanismus dem Benutzer sichtbar zu machen. Hierfür ist direkt im passiven Controller ein Web-Server mit Auswertesoftware integriert. Damit können die Daten direkt aus dem passiven Controller mit Hilfe eines Internet-Browsers gelesen werden. Im Hinblick auf die einführend diskutierten Probleme auf Seiten der Feldbusgeräte insbesondere beim Verbindungsaufbau mit dem Master-Gerät stellt dieser systemintegrierte Busmonitor jedoch noch keine befriedigende Lösung dar, da dieser busorientiert, nicht jedoch einem jeweiligen Feldbusgerät zugeordnet arbeitet.
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Bei der
WO 2004/01 06 45 A1 erfasst der Busmonitor die Datentelegramme auf einem Bussystem in Form von Monitordaten, wofür unter anderem die Software der Busstation – gemeint ist beispielsweise ein Feldgerät – um die Funktionalität zum Erfassen dieser Datentelegramme erweitert wird.
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Die Busstation kann einen Monitor oder ein Display umfassen, um die mit Hilfe der integrierten Busmonitorfunktion gewonnenen Daten zu visualisieren. Der registrierte Datenverkehr kann dabei online oder auch offline zur Anzeige gebracht werden.
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Weiterhin umfasst die integrierte Busmonitoreinrichtung beim Gegenstand gemäß
WO 2004/01 06 45 A1 einen Filter, mit dem die erfassten Daten gefiltert werden. Durch eine derartige Filterfunktion wird die gezielte Darstellung bestimmter Telegrammtypen oder die Darstellung von Telegrammen bestimmter Geräte ermöglicht. Der erste Fall stellt ein „Befehlsfilter”, der zweit genannte Fall einen „Adressfilter” dar. Durch geeignete Filterabfragen ist die Busmonitorfunktion in der Lage, die aufgezeichneten Telegramme auf Vollständigkeit bzw. Gültigkeit zu überprüfen und im Fehlerfall dem Anwender durch eine geeignete Darstellung zu signalisieren, dass bestimmte Telegramme ungültig sind. Durch die Filterfunktion würde somit beispielsweise ermöglicht, nur die bei der Busstation fehlerhaft ankommenden Telegramme aufzuzeichnen, um diese während des laufenden Betriebs online dem Anwender zugänglich zu machen.
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Insgesamt beschreibt
WO 2004/01 06 45 A1 einen herkömmlichen Busmonitor, der den Telegrammverkehr bitgenau aufzeichnet und visualisiert.
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Aus der
DE 101 38 066 A1 ist ein Feldbusgerät bekannt, das eine an die Funktion des Feldbusgerätes angepasste Zentraleinheit in Form einer Recheneinheit zu seiner Funktionssteuerung und eine damit gekoppelte Schnittstelleneinheit umfasst, über die das Feldbusgerät an den Feldbus des Bussystems zur Datenkommunikation mit Geräten des Bussystems angebunden ist. Ein integrierter Detektor erfasst relevante Bus-Kommunikationsparameter der Recheneinheit, nämlich der innerhalb des Feldgerätes auftretenden Kommunikationsparameter insbesondere zur Erkennung von Zugriffsverletzungen. Schließlich weist das Feldbusgerät eine Anzeigeeinrichtung zur Visualisierung von Fehlerzustände in einer DP-Anwendung auf.
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Die
DE 101 19 791 A1 zeigt ein mikroprozessorgesteuertes Feldgerät zum Anschluss an ein Feldbussystem, das mit einem Sicherheitslayer zur Durchführung einer sicherheitsbewährten Kommunikation ausgestattet ist. Durch die Implementierung dieses Sicherheitslayers in ein an sich bekanntes betriebsbewährtes oder redundantes Standard-Feldgerät wird eine sichere und gleichzeitig kostengünstigere Kommunikation mit einer Steuerungseinrichtung über ein Feldbussystem möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldbusgerät so zu verbessern, dass Bus-Kommunikationsprobleme des Gerätes ohne aufwändige, gesonderte Analysegeräte visualisierbar sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Demnach weist das Feldbusgerät einen integrierten Detektor zur Erfassung relevanter Bus-Kommunikationsparameter und eine damit gekoppelte Anzeigeeinrichtung zur Visualisierung der erfassten Bus-Kommunikationsparameter direkt am Feldbusgerät auf.
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Dabei werden zusätzlich zur Visualisierung der erfassten Bus-Kommunikationsparameter im Feldbusgerät einen Analysator für die Bus-Kommunikationsparameter zur Auswertung von Fehlern darin vorgesehen und diese Fehler auf der Anzeigeeinrichtung visualisiert.
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Fehler in der Programmierung bzw. Konfigurierung des Master-Gerätes im Verhältnis zum jeweiligen Feldbusgerät können damit schnell erkannt werden. Dies kann in Form von Echtzeit-Daten angezeigt oder mit Hilfe einer Speichereinheit zur nachhaltigen Anzeige und gegebenenfalls späteren Auswertung der Daten ablegbar sein.
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Als erfasste, gegebenenfalls aufbereitete und visualisierte Bus-Kommunikationsparameter werden vom Master- bzw. Feldbusgerät übermittelte Konfigurations- oder Meldedatentelegramme herangezogen, wie sie bei Profibus mit Set_Prm, Chk_Cfg und Slave_Diag bezeichnet werden. In diesem Zusammenhang markiert mit Hilfe des angesprochenen Analysators das Feldbusgerät sowohl Fehler in den Telegrammen, beschreibt diese und gibt gegebenenfalls auch Hinweise zur Fehlerbehebung. Insoweit gehen die Fähigkeiten des erfindungsgemäßen Feldbusgertes über die von herkömmlichen Busmonitoren weit hinaus, da Letztere nur den reinen Datenfluss auf dem Bus darstellen können, nicht aber die „Hintergründe”, warum ein bestimmtes Feldbusgerät die ihm zugeleiteten Parametriertelegramme abgelehnt hat. Die für diese Analyse benötigten Informationen stehen dem Busmonitor nicht, wohl aber dem Feldbusgerät selbst jeweils zur Verfügung.
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Schließlich ist es mit Hilfe der Anzeigeeinrichtung auch möglich, am Feldbusgerät aktuell zu visualisieren, wieviele und welche Master-Geräte aktuell mit dem Feldbusgerät kommunizieren.
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Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Feldbusgerätes können Schnittstellen für die Übertragung der erfassten Bus-Kommunikationsparameter bzw. der darin ermittelten Fehler vorgesehen sein. So können die entsprechenden Daten beispielsweise auf einen Wechseldatenträger, wie eine SD-Karte oder einen USB-Stick, gespeichert und an anderer Stelle beispielsweise zur Fehleranalyse und -behebung weiterverwendet werden. Alternativ dazu können drahtlose oder drahtgebundene Datenübertragungseinrichtungen zur Übertragung der Parameter bzw. der darin ermittelten Fehler an eine entfernte Instanz in das Feldbusgerät integriert sein. Damit ist also ebenfalls eine Ferndiagnose und -wartung des Prozessleitsystems insbesondere im Bereich der prozessnahen Komponenten möglich.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines Prozessleitsystems, und
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2 bis 7 verschiedene Menüdarstellungen der Anzeigeeinrichtung eines in das Prozessleitsystem integrierten Feldbusgerätes.
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1 zeigt ein Prozessleitsystem zur Überwachung beispielsweise eines chemischen Prozesses, dessen Kommunikationsrückgrat ein Feldbussystem, wie beispielsweise ein Profibus 1, ist. In einer Leitwarte des Prozessleitsystems sind eine entsprechende Anzahl von zentralen Steuereinheiten vorgesehen, von denen in 1 beispielhaft ein Master-Gerät 2 gezeigt ist.
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Davon entfernt ist zur Überwachung des erwähnten Prozesses beispielsweise eine pH-Messsonde 3 vorgesehen, die den pH-Wert einer in einem Rohr 4 geführten Prozessflüssigkeit 5 misst. Die Messung mit entsprechender Ansteuerung der Messsonde 3 und die Erfassung deren Messsignals, die Umwandlung in entsprechende digitale Daten und die Meldung an das Master-Gerät 2 über den Profibus 1 werden von dem Feldbusgerät 6 vorgenommen.
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Das Feldbusgerät 6 ist dazu mit einer als Ganzes mit 7 bezeichneten Zentraleinheit versehen, die in üblicher Weise beispielsweise mit Hilfe eines Mikroprozessors die interne Funktionssteuerung des Feldbusgerätes 6 übernimmt. Die in diesem Zusammenhang vorgesehenen Komponenten, wie CPU, Programm-, Arbeits- und Datenspeicher usw., sind nicht gesondert dargestellt.
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Die Zentraleinheit 7 übernimmt auch die Messwerterfassung des von der pH-Messsonde 3 herangeführten und über einen Eingangsverstärker 8 gewandelten Messsignals und setzt dieses in einen entsprechenden digitalen Wert um. Über die Zentraleinheit 7 werden auch alle weiteren, hier nicht näher dargestellten Funktionskomponenten des Feldbusgerätes 6 gesteuert.
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Mit der Zentraleinheit 7 ist ferner eine Schnittstelleneinheit 9 gekoppelt, über die das Feldbusgerät 6 an den Profibus 1 zur Datenkommunikation mit dem Master-Gerät 2 angebunden ist. Wie bereits eingangs erörtert, wird das Feldbusgerät 6 über den Profibus 1 vom Master-Gerät 2 gesteuert, insbesondere was den Datenaustausch zwischen dem Feldbusgerät 6 und Master-Gerät 2 anbetrifft. Die Datentelegramme Set_Prm und Chk_Cfg werden vom Master-Gerät 2 an das Feldbusgerät 6 gesandt, die darauf geprüft werden, ob es sämtliche darin enthaltenen Forderungen erfüllen kann. Das Ergebnis dieser Prüfung wird mit dem Diensttelegramm Slave_Diag zurückgesandt. Die erwähnten Bus-Kommunikationsparameter werden nun von einem in das Feldbusgerät 6 integrierten Detektor 10 erfasst und auf geeignete Weise ausgewertet. Das Ergebnis dieser Auswertung wird in einer mit dem Detektor 10 gekoppelten Anzeigeeinrichtung 11 direkt am Feldbusgerät 6 visualisiert. Entsprechende Busparameter bzw. Telegramminhalte können dabei auf verschiedene Weise aufbereitet und zur Anzeige gebracht werden:
- – Anzeige als Rohdaten, als teilinterpretierte Daten oder als interpretierte Daten. Hierzu weist der Detektor 10 einen integrierten Analysator 12 auf, der in der Lage ist, Fehler in den Telegrammen zu übermitteln, zu markieren, zu beschreiben und gegebenenfalls auch dem Nutzer Hinweise zu ihrer Behebung oder Möglichkeiten zur Optimierung zu geben.
- – Anzeige einzeln oder in Kombination
- – Anzeige mit Zeitstempel
- – Echtzeitangabe der Daten oder als Historie. Hierzu ist der Detektor 10 mit einer Speichereinheit 13 ausgerüstet, in der die erfassten Bus-Kommunikationsparameter zur nachhaltigen Anzeige ablegbar sind.
- – Anzeige, wie viele und welche Master-Geräte 2 aktuell mit dem Feldbusgerät 6 kommunizieren.
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Die vorgenannten Busparameter bzw. Telegramminhalte sowie gegebenenfalls vom Analysator 12 ermittelte und aufbereitete Fehler in den Busparametern können auf verschiedene Weise auch zu einer entfernten Instanz übertragen werden. Dafür ist zum einen ein SD-Karten-Lese/Schreibgerät 17 im Feldbusgerät 6 vorgesehen, über das auch eine SD-Karte 18 die vom Detektor 10 ermittelten Busparameter von der Zentraleinheit 7 abgefragt und auf die SD-Karte 18 zur Verwendung der entsprechenden Daten an anderer Stelle geschrieben werden.
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Als weitere Datenschnittstelle ist eine IrDA-Schnittstelle 19 in das Feldbusgerät 6 integriert, über die die vom Detektor 10 erfassten Busparameter beispielsweise an ein PDA-Handgerät ausgegeben werden können.
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Schließlich ist im Feldbusgerät 6 noch ein Web-Server 20 vorgesehen, über den die Busparameter über das Internet 21 von einer entfernten Instanz abgefragt werden können.
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In den 2 bis 7 sind einzelne Menüs dargestellt, wie sie auf der Anzeigeeinheit 11 erscheinen. So zeigt 2 randseitig ein übergeordnetes Menü mit einer Zeitangabe 14 und einer Temperaturangabe 15 sowie dem verweisenden Menü 16 zu einem bestimmten Funktionsmodul des Feldbusgerätes 6. Darin ist der Menüpunkt „Feldbusdetails” aktiv.
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3 zeigt das nächste Untermenü dieser „Feldbusdetails”, in denen die Menüpunkte „Functionblocks, Parameterdaten „Prm_Data”, Konfigurationsdaten „Cfg_Data” und Diagnosedaten „Diag_Data” anwählbar sind.
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4 zeigt das in der nächsten Menüebene darunter erscheinende Menü „Functionsblocks”, das aktuelle Daten wiedergibt.
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In den 5 bis 7 sind die jeweiligen Untermenüs „Prm_Data”, „Cfg_Data” und „Diag_Data” gezeigt, bei denen es sich – wie aus einem Vergleich der Zeitangaben 14, 14' erkennbar ist – um gespeicherte Historiendaten handelt. Eine Beschreibung der angezeigten Daten und Parameter erübrigt sich an dieser Stelle, da diese jeweils explizit vom Feldbusgerät 6 abhängig sind und somit zur Erläuterung der Erfindung nichts Signifikantes beitragen können.