Beschreibung

Funkfeldgerät der Automatisierungstechnik mit integrierter Energieversorgung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Funkfeldgerät der Automatisierungstechnik mit integrierter Energieversorgung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] In der Automatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandsmessgeräte, Massedurchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- und Leitfähigkeitsmessgeräte etc., die als Sensoren die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert oder Leitfähigkeit erfassen.

[0003] Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie z. B. Ventile die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt oder Pumpen die den Füllstand in einem Behälter beeinflussen.

[0004] Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.

[0005] In der Regel sind Feldgeräte in modernen Fabrikationsanlagen über standardisierte Feldbussysteme (Profibusä, FoundationäFieldbus, HART® etc.) mit übergeordneten Einheiten, z. Bsp. Leitsystemen oder Steuereinheiten verbunden. Diese Zentraleinheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte.

[0006] Meist sind Feldbussysteme auch in Unternehmensnetzwerke integriert. Damit kann aus unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens auf Prozess- bzw. Feldgerätedaten zugegriffen werden.

[0007] Zur weltweiten Kommunikation können Firmennetzwerke auch mit öffentlichen Netzwerken, z.B. dem Internet, verbunden sein.

[0008] Die einwandfreie Funktion der Feldgeräte bzw. aller an ein Feldbussystem angeschlossenen Einheiten ist von entscheidender Bedeutung für den reibungslosen und sicheren Prozessablauf in einem Unternehmen. Störungen im Prozessablauf aufgrund von Fehlfunktionen oder Ausfall einzelner Feldgeräte können erhebliche Kosten verursachen.

[0009] Um die vielfältigen Aufgaben, die an moderne Feldgeräte gestellt werden,

zu lösen, sind teilweise sehr leistungsfähige Soft- und Hardwarekomponenten notwendig. Man bezeichnet Feldgeräte häufig auch als „Embedded Systems", d. h. speziell an bestimmte Aufgaben angepasste Rechnersysteme.

[0010] Die bisher in der Prozessautomatisierungstechnik eingesetzten

Kommunikationssysteme sind in der Regel drahtgebunden. Vielfach erfolgt auch die Energieversorgung der Feldgeräte über die gleiche Drahtverbindung. Man spricht in diesem Fall von 2-Draht-Geräten. Ist neben der Kommunikationsleitung eine separate Energieversorgungsleitung vorgesehen so spricht man von 4-Draht-Geräten. Hier ist ein zusätzlicher Verkabelungsaufwand für die Energieversorgung notwendig.

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[0012] Seit kurzem gewinnen Funknetzwerke als Kommunikationssystem immer mehr an Bedeutung. Hier kann die aufwendige Verkabelung für die Kommunikation und/oder die Energieversorgung entfallen. Problematisch bei autonomen Feldgeräten ist aber der Energieverbrauch, da in der Regel nur ein begrenzter Energievorrat zur Verfügung steht. Der Anwender wünscht einen wartungsarmen Betrieb der Feldgeräte.

[0013] In der Automatisierungstechnik sind bereits Funkfeldgeräte bekannt, die zur Datenübertragung mit einer Zentraleinheit in ein Funknetzwerk integriert werden. Solche Funknetzwerke sind teilweise auch selbst organisierend (z. B. Mesh-Technik).

[0014] über ein Handbediengerät können Funkfeldgeräte einfach vor Ort bedient, d.h. konfiguriert und parametriert werden.

[0015] Herkömmliche Feldgeräte können in der Regel über die

Feldbusschnittstelle oder über eine separate meist Proprietäre Kommunikationsschnittstelle via Kabel bedient werden.

[0016] Bei Funkfeldgeräten einen Kabelanschluss vorzusehen ist teilweise nicht erwünscht oder aus Platzgründen einfach nicht möglich.

[0017] Wenn das Gerät keine Schnittstelle für eine kabelgebundene Kommunikation aufweist, kann die Kommunikation zwischen Handbediengerät und Funkfeldgerät nur per Funk erfolgen.

[0018] Hierfür muss sich das Handbediengerät zuerst als Teilnehmer im Funknetzwerk anmelden um über die am Feldgerät vorgesehene Funkschnittstelle bedient werden zu können. Dieser Anmeldevorgang kann unter Umständen längere Zeit dauern, unter Umständen mehrere Minuten. Erst nachdem das Handbediengerät in das Funknetzwerk integriert ist, kann das Feldgerät bedient werden.

[0019] Eine solche Verzögerung ist für den Anwender jedoch nicht akzeptabel, insbesondere, wenn er nur einen einzigen Parameter am Funkfeldgerät überprüfen bzw. ändern möchte oder nur den Messwert visualisiert haben möchte.

[0020] Teilweise arbeiten diese Funknetzwerke mit einer relativ geringen

Datenübertragungsrate, so dass ein Auslesen von großen Datenmengen, wie etwa Logbücher, sehr langwierig ist. Auch dies ist für den Anwender sehr störend.

[0021] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Funkfeldgerät für die Automatisierungstechnik mit integrierter Energieversorgung zu schaffen, das eine einfache und schnelle Vor-Ort-Bedienung ermöglicht.

[0022] Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

[0023] Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0024] Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, bei einem Funkfeldgerät der Automatisierungstechnik ein weiteres Funkmodul vorzusehen, das im Wesentlichen nur zum Bedienung dient. Somit stehen zwei getrennte Datenübertragungskanäle (Funkschnittstellen) zur Verfügung.

[0025] Damit kann das Funkfeldgerät mit Hilfe einer Bedieneinheit einfach und schnell via Funk konfiguriert und parametriert werden. Eine aufwendige Einwahl der Bedieneinheit in ein bestehendes Funknetzwerk ist nicht mehr notwendig.

[0026] Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen können die Funkmodule für den Austausch von Steuerungsdaten und die Funkmodule für die Bedienung nach völlig verschiedenen übertragungsstandards arbeiten.

[0027] Fig. 1 ist ein Funknetzwerk für Funkfeldgeräte der

Automatisierungstechnik näher dargestellt. Das Funknetzwerk FNW umfasst eine Vielzahl von Funkfeldgeräten F1-F8 und eine Zentraleinheit ZE. In der Regel übertragen die Funkfeldgeräte entweder Messwerte an die Zentraleinheit ZE oder empfangen von dieser Steuerinformationen. Bei der Zentraleinheit ZE kann es sich zum Beispiel um eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS oder ein Gateway handeln, das eine Verbindung zu einem Unternehmensnetzwerk mit weiteren Steuereinheiten ermöglicht. Bei dem Funknetzwerk FNW handelt es sich um ein Netzwerk in Mesh-Technik, bei dem die Kommunikationswege über die die Datenübertragungen stattfinden relativ variabel sind. Gestrichelt dargestellt sind in Fig. 1 die Kommunikationswege FV zu den jeweils nächsten Nachbarn der einzelnen Feldgeräte.

[0028] Diese Technologie eignet sich besonders bei Anwendungen, wo

Hindernisse eine direkte Funkverbindung zwischen einem bestimmten Feldgerät zum Beispiel dem Feldgerät F8 und der Zentraleinheit ZE verhindern.

[0029] Die Funkverbindung erfolgt dann zum Beispiel über das Feldgerät F4 zur Zentraleinheit ZE.

[0030] Bei dem Funknetzwerk FNW kann es sich zum Beispiel um ein

HART-Funknetzwerk handeln, wie es die Firma Dust® Networks anbietet. Eine Steuerungsanwendung in der Zentraleinheit wertet die Daten der einzelnen Feldgeräte F1-F8 aus und sendet je nach Anwendung entsprechende Steuerbefehle an einzelne Feldgeräte zurück. Die Datenübertragung für die Steuerungsanwendung ist zeitkritisch, d.h. die Messdaten bzw. Steuerbefehle müssen innerhalb bestimmter Zeitspannen übermittelt werden.

[0031] Verzögerungen bei einem Steuerbefehl für ein Ventil kann schwerwiegende Folgen für die Anlagensicherheit haben.

[0032] Die Feldgeräte weisen meist eine Vorortbedienung auf, über die

Parametereinstellungen vorgenommen werden können. In der Regel umfasst die Vorortbedienung auch ein Display, das zur Darstellung von Messwerten direkt am Feldgerät dient.

[0033] In Fig. 2 ist ein Funkfeldgerät, am Beispiel des Funkfeldgerätes F1 näher

dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, einer Sensoreinheit SE und einer Funkeinheit FE, die über eine Datenübertragungsleitung DL miteinander verbunden sind. Die Kommunikation über diese Datenübertragungsleitung DL kann zum Beispiel gemäß dem RS485-Standard erfolgen. Die Sensoreinheit SE dient zur Erfassung eines Messwertes, (zum Beispiel pH-Messwert) und überträgt diesen zur Zentraleinheit ZE. Die Funkeinheit FE weist zwei Funkmodule F1 , F2 auf, die jeweils mit einer Antenne A1 bzw. A2 verbunden sind. Die beiden Funkmodule F1 , F2 tauschen mit einem Verteilermodul V Daten aus, das mit der Datenübertragungsleitung DL verbunden ist.

[0034] Bei dem Funkmodul FM 1 kann es sich um das bereits erwähnte

HART-Funkmodul handeln. Das Funkmodul FM2 ist ein zum Beispiel ein Bluetooth-Modul.

[0035] Das Funkmodul FM1 tauscht zeitkritische Daten für die Prozesssteuerung mit der Zentraleinheit ZE aus. Das Funkmodul FM2 dagegen dient zur übertragung von zeitunkritischen Daten (zum Beispiel Bedien- und Konfigurierdaten). Diese Daten werden mit einem Handbediengerät H, das in Fig. 4 näher dargestellt ist, ausgetauscht. Das Handbediengerät H weist ebenfalls eine Funkeinheit FE auf. Da das Handbediengerät H eine eigene Energieversorgung (Batterie) aufweist, kann auf die Energieversorgungseinheit PW in der Funkeinheit FE verzichtet werden. Die Bedienung eines Feldgerätes mit dem Handbediengerät H erfolgt über ein Display zur Darstellung von Messwerten und Auswahlmenüs, sowie verschiedene Bedienelemente (Drehknopf DK, Tastschalter T1 , T2, T3). Mit dem Handbediengerät H können Parameter im Feldgerät ausgewählt und über entsprechende Auswahlmenüs eingestellt werden. Die Kommunikation mit dem Handbediengerät ist zeitunkritisch.

[0036] In Fig. 3 ist ein alternatives Funkfeldgerät dargestellt, bei dem zwischen der Sensoreinheit SE und der Funkeinheit FE noch eine Anzeigeeinheit AZ zwischengeschaltet ist. Die Kommunikation zwischen der Sensoreinheit SE und der Anzeigeeinheit AZ erfolgt über die Datenübertragungsleitung DL. Die Anzeigeeinheit AZ weist eine

Feldbusschnittstelle (HART, Profibus, Foundation Fieldbus) auf. über diese Feldbusschnittstelle kann die Anzeigeeinheit AZ mit dem Verteilermodul V kommunizieren. Die Funktionalität der Funkeinheit FE ist dieselbe wie die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Bei der Kombination von Anzeigeeinheit AZ und der Sensoreinheit SE kann es sich zum Beispiel um die Produkte Liquiline und Memosens der Firma Endress+Hauser handeln.

[0037] Die beiden Funkmodule FM1 und FM2 arbeiten völlig unterschiedlich.

[0038] Wenn das Funkmodul FM1 im Feldgerät F2 ein HART-Funkmodul ist, so ist es sinnvoll, wenn auch das Verteilermodul V mit der Anzeigeeinheit AZ eine entsprechende HART-Schnittstelle aufweist, so dass eine durchgängige HART-Kommunikation möglich ist. Das Gleiche gilt, wenn das Funkmodul einem anderen Standard entspricht.

[0039] Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung anhand von Fig. 5 mit zwei Feldgeräten F1 , F2 und einem Handbediengerät H sowie einer Zentraleinheit ZE näher erläutert. über das Funknetzwerk FNW tauschen die Feldgeräte F1 und F2 Daten mit der Zentraleinheit ZE aus. Für die Funkkommunikation weist die Zentraleinheit ZE ebenfalls eine Funkeinheit FE auf. Der übersichtlichkeit halber kommunizieren die beiden Feldgeräte F1 und F2 nur direkt mit der Zentraleinheit ZE. Die Kommunikation zwischen den Feldgeräten F1 , F2 und der Zentraleinheit ZE ist im Wesentlichen auf den Austausch von Steuerdaten beschränkt. Diese Daten müssen zeitkritisch übertragen werden, um eine sichere Prozesssteuerung zu gewährleisten.

[0040] Zum Bedienen vor Ort eines Feldgerätes muss der Anwender das betreffende Feldgerät aufsuchen, bevor er mit dem Handbediengerät H drahtlos mit dem Feldgerät (zum Beispiel F1) kommunizieren kann. Das Funkmodul FM2 im Handbediengerät H erkennt sobald sich der Anwender dem Feldgerät F1 nähert das passende Funkmodul FM2 im Feldgerät F1 und sorgt dafür, dass dieses aktiviert wird. Normalerweise befindet sich das Funkmodul FM2 nämlich in einem Sleep- oder Stand-by-Zustand, in dem es extrem wenig Energie verbraucht. Nach sehr kurzer Zeit ist das Funkmodul FM2 im Feldgerät F1 aktiviert und eine Kommunikation

zwischen Feldgerät und Handbediengerät H ist möglich. Neben der Einstellung von Parameterwerten mit dem Handbediengerät H kann der Anwender auch größere Datenmengen (Logbücher) aus dem Feldgerät F1 auslesen.

[0041] Die Kommunikationswege zur Bedienung und zur Steuerung sind völlig getrennt voneinander und können sich dadurch auch nicht beeinflussen.

[0042] Für den Fall, dass zwei Anfragen gleichzeitig an das Feldgerät F1 gerichtet werden, übernimmt das Verteilermodul V die Steuerung des Datenstroms und sorgt für die Datenintegrität.

[0043] Die Priorität liegt bei dem Austausch von Steuerungsdaten. Parametrier- bzw. Konfigurieranfragen werden im Verteilermodul V zwischengespeichert und erst nachdem die Steuerungsaufgabe erledigt ist, abgearbeitet.

[0044] Für den Fall, dass eine Funkverbindung im Funknetzwerk FNW ausfällt, können auch Steuerungsdaten unter gewissen Bedingungen über das Funkmodul FM2 an die Zentraleinheit ZE übertragen werden. In der Regel besitzt das Funkmodul FM2 nur eine geringe Reichweite auf. Hier müssen Vorkehrungen getroffen werden, dass das Funkmodul FM2 auch über weitere Strecken Daten übertragen kann. Weiterhin sollten auch keine Hindernisse in der Funkstrecke zwischen dem Feldgerät F1 und der Zentraleinheit ZE vorhanden sein; da diese die Datenübertragung beeinflussen können.

[0045] In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Funkeinheit FE und die

Sensoreinheit SE in einem gemeinsamen Sensorteil integriert. Handelt es sich bei der Sensoreinheit SE um einen zweigeteilten Sensor mit einem Steckerteil und einem Sensorteil, wie bei dem Produkt Memosens der Firma Endress+Hauser, so kann die Funkeinheit unmittelbar im Steckerteil integriert sein.

[0046] Bei Funkfeldgeräten, die nicht über einen Kabelanschluss gespeist werden, ist der Energieverbrauch eine entscheidende Größe. Diese Geräte müssen über Batterie, Solarzellen oder Brennstoffzellen versorgt werden. Teilweise muss die aktuell zu Verfügung stehende Energie für bestimmte Anwendungen auch in Energiespeichern gespeichert werden

(energy harvesting). Hierzu ist ein entsprechendes Energiemanagement notwendig.

[0047] Die vorliegende Erfindung ist besonders für Funkfeldgeräte geeignet, die die Steuerungsdaten via Funk an eine Zentraleinheit übertragen. Sie eignet sich jedoch auch für Feldgeräte die Steuerdaten über ein kabelgebundenes Kommunikationsnetzwerk übertragen. Auch für solche Feldgeräte kann eine Funkschnittstelle, die nur zum Bedienen des Feldgerätes dient, von Vorteil sein.

Bezugszeichenliste

Tabelle 1

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