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1. WO2008080855 - FUNKFELDGERÄT DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK MIT INTEGRIERTER ENERGIEVERSORGUNG

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

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.
[001 1]
[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



[0048]