专利名称：现场电气设备和以现场电气设备产生与测量变量成比例的测量值的方法
技术领域：
本发明涉及一种现场电气设备，该现场电气设备带有用于采集测量变 量的测量装置和用于从测量变量确定测量值的计算装置。
背景技术：
现场电气设备目前通常用于自动化地监测和控制过程，例如生产工艺 技术的或化学的过程，工业制造过程，以及水、煤气或电能的分配过程。 在此，现场电气设备通常记录与测量变量成比例的测量值并且将其传递到 求值位置，所述的测量变量表征了自动化过程的运行状态。现场电气设备 也接收用于控制各自动化过程的命令并且将这此命令传递到特定的执行 器，例如阀或电气功率开关。在现场电气设备为电气保护设备的情况下， 现场设备自动地对被记录的测量值进行如下求值，即，自动化过程是否处 于其正常运行状态中。如果现场电气设备确定自动化过程不在其正常运行 状态中，则自动导致特定的应对措施，例如在供电网络中断开电气功率开 关。
以上所述的类型的现场电气设备例如从Siemens的设备手册 "SIPROTEC,Distanzschutz7SA522， V4.2",定货号C53000-G1100-C155-2 中已知，例如从第一章"引言"中已知。该已知的现场设备是用于监测和 保护供电网络的部件的远距离保护设备。该已知的远距离保护设备具有测 量装置，该测量装置包括用于电流和电压的测量转换器以及放大器和模数 转换器。借助于这样的测量装置将位于现场电气设备的测量输入处的测量 变量在现场电气设备内相应地整理，以便用于另外的处理，在此情况中测 量变量是相电流和相电压，它们例如在供电网络的测量位置上被采集。为 此，借助于测量转换器将测量变量转换为低的电压或电流水平，必要时被 滤波并且进行模数转换。在已知的现场设备中，测量装置连接到具有微处 理器系统的形式的计算装置，以该计算装置将采集到的测量值进行处理以 用于现场电气设备的功能方式。
现场电气设备的功能方式的控制经常通过控制软件(即所谓的设备固 件)和相应的设备硬件的协作进行。特别是在使用软件控制的现场设备时， 经常提出了可靠的复制保护的问题，以此可避免对各现场电气设备的模仿。
在现场设备中实现复制保护的出发点例如在于，为执行单一 的或全部
功能，使用特定地产生的硬件组件，例如所谓的ASIC,其中程序流程通过
组件内部的连接确定。这样的硬件组件很难复制或甚至根本不能复制，但 对于现场设备的制造商则在开发和生产中相对地昂贵。替代地，存在如下 的解决方案，即其中带有特定的内部连接的用于设备软件实施的硬件模块
必须与现场设备接触。这样的硬件模块通常也称为"硬件锁(Dongle)"。软 件仅在硬件锁与设备连接时才运行。此解决方法也相对地昂贵，此外现场 设备的使用者必须总是携带硬件锁以操作现场设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种现场电气设备，以及一种在 现场电气设备内产生与测量变量成比例的测量值的方法，其中以相对小的 费用可以保证高的安全性以防止对现场电气设备的未授权复制。
关于现场设备，根据本发明该技术问题通过以上所述类型的现场电气 设备解决，该现场电气设备具有参数装置，该参数装置至少提供了加密的 匹配参数，其中至少一个匹配参数考虑到测量装置的测量误差，该现场电 气设备还具有设计为在使用该至少 一个匹配参数的条件下从测量变量中确 定测量值的计算装置。
这种现场电气设备的特别的优点在于，以简单的方式可实现对现场电 气设备的保护以防止未授权的复制，而不需要用于现场电气设备的昂贵的 硬件部件。本发明利用了这样的事实，即在借助于测量装置采集测量变量 时典型地出现了测量误差。这样的测量误差例如由于测量传感器(例如感 应测量变换器)的运行而引起。特别是在对敏感的自动化过程的监测和控 制中，可能部分地严重失真所采集到的测量值的测量误差可能是不可接受 的。因此，必须校正在测量采集期间形成的测量误差。这样的校正必须专 门地对于各测量装置进行，因为不同的测量装置通常也产生了不同的测量 误差。通过根据本发明在考虑到测量装置的测量误差的匹配参数(其在现 场设备内仅以加密形式存在)上进行校正，可以可靠地保护各现场电气设
备不被未授权地复制。因为在复制现场电气设备时，必须使用与在剽窃物 中所使用的测量装置相匹配的匹配参数。利用原来设备的加密的匹配参数， 在复制中不能产生具有所要求精度的测量值。因为原来设备的模仿者不知 晓用于加密算法的密钥(必须以该密钥对相应产生的剽窃物的匹配参数加 密)，所以模仿者不能将匹配参数在参数装置中加密保存。因此，在复制的 现场设备中，不能对因测量装置的测量误差而失真的测量值进行校正。这 样地生产的原始设备的剽窃物尽管也许可以执行现场电气设备的功能，但 由于不能补偿的测量误差，仅提供了不精确的不可靠的结果。
在根据本发明的现场设备的有利的实施方式中，参数装置是现场设备 的数据存储器，在该数据存储器中存储了按照加密形式的至少 一个匹配参 数。按照这种方式，在现场电气设备内相对简单地提供了加密的匹配参数。
根据本发明的现场设备的实施方式，现场设备具有感应测量变换器。
这样的测量变换器目前广泛被使用并且其使用已被验证。同样，其它的常
规测量变换器(例如容性测量变换器)和非常规测量变换器(例如Rogowski
变换器)的使用也是可能的。
关于方法，根据本发明，以上所述的技术问题是通过一种在现场电气 设备内产生与测量变量成比例的测量值的方法来解决的，其中执行如下步
骤借助于测量装置在产生中间测量值的条件下采集测量变量；借助于参 数装置提供加密的匹配参数，该匹配参数考虑了测量装置的测量误差；将 该中间测量值和加密的匹配参数传递到计算装置；借助于计算装置将匹配 参数解密；和在形成与测量变量成比例的测量值时，使用解密的匹配参数 借助于计算装置将中间值进行转换。
通过这样的方法，可以如上所述相对廉价地保护现场电气设备不被未 授权地复制。
在根据本发明的方法的有利的实施方式中，参数装置提供匹配参数， 其中在使用第一密钥的条件下将匹配参数加密，并且计算装置在使用第二 密钥的条件下将匹配参数解密。在软件保护密码学中，软件密钥对的使用 例如从电子邮件加密领域中已知并且被验证。
在该上下文中，根据本发明的方法的另外的有利的实施方式在于，计 算装置至少在第一次将匹配参数解密前产生输入要求，并且只有在输入包 含了识别代码的代码数据后才允许使用第二密钥。按照这种方式，还可以
进一步提高现场电气设备的安全性标准，因为需要识别代码来激活计算装 置的第二密钥，仅现场电气设备的制造商和操作者知道该识别代码，而未
授权的模仿者不知道该识别代码。
为进一步解释本发明，在图1中以方框图示示出了现场电气设备。
具体实施例方式
根据图1，现场电气设备10包括如下基本部件测量装置ll，参数装 置12和计算装置13。测量装置11和参数装置12分别与计算装置13电连 接。
测量装置11在测量输入14上采集测量变量MG，测量变量MG例如 为电流和电压。为了简化，在图中仅示出了用于唯一的测量变量MG的输 入。然而实际上可以借助于现场电气设备10的测量装置11采集任意多个 测量变量。为此，测量装置11装备有相应的多个测量输入。
测量装置11在输入侧首先具有传感器以用于所采集的测量变量，传感 器例如是测量变换器15。在测量变量MG是电流的情况下，测量变换器15 例如是感应电流变换器。测量变换器15在输出侧与放大器和过滤器部件16 连接，利用该部件通过放大和过滤将所采集到并且转换的测量变量MG进 行匹配。放大器和过滤器部件16是可选择的部件。因此，测量装置U也 可以构思为不具有该部件。
在输出侧，放大器和过滤器部件16与模/数转换器17连接，该模/数转 换器17将模拟的测量变量MG转换为数字的中间测量值ZMW。模/数转换 器17也是可选择的部件。
将中间测量值ZMW传递到计算装置13。因为测量装置ll，特别是测 量变换器15通常具有一定的测量误差，中间测量值ZMW尚不对应采集到 的测量变量MG的准确的测量值。而是中间测量值ZMW由于测量装置11 的测量误差而失真。为校正失真的中间测量值ZMW，在参数装置12中提 供了匹配参数AP。匹配参数AP在现场电气设备10中仅以加密的形式存在。 与中间测量值ZMW相同，匹配参数AP也被传递到计算装置13。计算装置 13将匹配参数AP解密，并且最后从中间测量值ZMW和匹配参数AP中计
算出校正的测量值MW，该校正的测量值现已去除了测量装置11的测量误 差。该最终计算的测量值MW因此表示了在现场电气设备10的输入处的测 量变量MG的精确的测量值。
匹配参数AP因此考虑了现场电气设备10的测量装置11的测量误差。 通常，在例如使用测量装置11的测试测量的标定方法的范围内，确定这样 的匹配参数。匹配参数AP另外必须不是恒定值，而例如也可以是测量变量 的特征的函数，例如是测量变量的频率或幅值的函数。因此，例如补偿了 测量变换器15的非线性变换器特征曲线。
通过使得匹配参数AP仅加密地在现场电气设备10内存在并且加密地 传递到计算装置13，以简单的方式保护了现场电气设备10不被未授权地复 制。如果现场电气设备在其硬件及其设备固件上被模仿，则必须为复制的 设备产生与相应的复制的测量装置匹配的匹配参数。但是，该匹配参数不 能以相应的加密形式存储在参数装置内，因为仅原始设备的制造商知道用 于对匹配参数加密的加密算法的密钥。因此，虽然可以为复制的设备产生 匹配参数，但匹配参数不能被加密，使得不能向计算装置传输相应的加密 的匹配参数，并且因此也不能进行对中间测量值的校正。这意味着未授权 地生产的现场设备10的剽窃物虽然也许能产生中间测量值，但该中间测量 值不能以匹配参数校正，使得测量不准确并且位于现场设备10所要求的测 量公差范围之外。
例如，为了加密匹配参数AP可以使用密钥对，其中以第一密钥加密匹 配参数AP，并且计算装置13在使用第二密钥的条件下将加密的匹配参数 AP解密。然而，也可以的是仅使用一个密钥，该密钥用于加密和解密。
为了进一步提高防复制的安全性，在特别的情况中，可以至少在利用 现场电气设备IO进行第一测量过程前，例如在由制造商对现场电气设备起 动时，例如必须通过现场电气设备的输入键盘输入带有识别代码的代码数 据，以激活计算装置13的专有密钥。不输入正确的识别代码，则在此情况 中计算装置13不能激活第二密钥并且因此不能解密匹配参数AP。但这样 的代码数据输入的提供仅是用于保护现场设备不被复制的可选择的部件。
参数装置12在最简单的情况中可以是常规的数据存储器，其中将匹配 参数AP加密地存储。为提高防复制安全性，可以使用防未授权读取保护的 特殊的数据存储器作为参数装置12。
权利要求
1.一种现场电气设备(10)，带有-用于采集测量变量(MG)的测量装置(11)；和-用于从所述测量变量(MG)中确定测量值(MW)的计算装置(13)，其特征在于-所述现场设备(10)具有参数装置(12)，该参数装置(12)提供至少一个加密的匹配参数(AP)，其中，该至少一个匹配参数(AP)考虑了所述测量装置(11)的测量误差，和-所述计算装置(13)被设计为在使用所述至少一个匹配参数(AP)的条件下从所述测量变量(MG)中确定所述测量值(MW)。
2. 冲艮据权利要求1所述的现场电气设备(10),其特征在于-所述参数装置(12)是所述现场设备(10)的数据存储器，其中以 加密形式存储了所述至少一个匹配参数(AP)。
3. 根据权利要求1或2所述的现场电气设备(10)，其特征在于 -所述测量装置(11)包括感应测量变换器。
4. 一种用于利用现场电气设备(10)产生与测量变量(MG)成比例 的测量值(MW)的方法，其中执行如下步骤-借助于测量装置(11)在产生中间测量值(ZMW)的条件下采集所 述测量变量(MG);-借助于参数装置(12)提供加密的匹配参数(AP)，该匹配参数(AP)考虑了所述测量装置(11)的测量误差；-将所述中间测量值(ZMW)和所述加密的匹配参数(AP)传递到计 算装置(13);-借助于所述计算装置(13)将所述匹配参数(AP)解密；-在形成与所述测量变量(MG)成比例的所述测量值(MW)时，使用解密的匹配参数(AP )借助于所述计算装置(13 )将所述中间值(ZMW )进行转换。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于-所述参数装置(12)提供所述匹配参数(AP),其中，在使用第一密 钥的条件下将所述匹配参数(AP)加密，和-所述计算装置(13)在使用第二密钥的条件下将该匹配参数(AP)解密。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于-所述计算装置(13)至少在第一次将所述匹配参数(AP)解密前产 生输入要求，并且只有在输入包含了识别代码的代码数据后才允许使用所 述第二密钥。
全文摘要
本发明涉及一种现场电气设备(10)，带有用于采集测量变量(MG)的测量装置(11)和用于从测量变量(MG)中确定测量值(MW)的计算装置(13)。为了以相对小的费用保护这样的现场设备不被未授权复制，将现场设备(10)设计为具有提供了至少一个加密匹配参数(AP)的参数装置(12)，其中，该至少一个匹配参数(AP)考虑到测量装置(11)的测量误差，并且计算装置(13)设计为用于在使用该至少一个匹配参数(AP)的条件下从测量变量(MG)中确定测量值(MW)。本发明还涉及用于使用这样的现场电气设备产生与测量变量成比例的测量值的方法。
文档编号G01D9/00GK101356423SQ200680050735
公开日2009年1月28日 申请日期2006年1月11日 优先权日2006年1月11日
发明者哈拉尔德·卡普 申请人:西门子公司