DE102009046503A1 - Verfahren zum Bedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik in ein Funknetzwerk - Google Patents

Verfahren zum Bedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik in ein Funknetzwerk Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik in ein Funknetzwerk, bestehend aus mehreren Feldgeräten, wobei das zu integrierende Feldgerät (A, B, C, D, E) im Falle der Inbetriebnahme bzw. der Erstinbetriebnahme in einen spezifischen Inbetriebnahmemodus schaltet bzw. geschaltet wird, wobei in dem speziellen Inbetriebnahmemodus auf einem spezifischen Kanal (X) eine Peer to Peer (A, B, C, D, E) Verbindung zu einem Bediengerät (BE) oder zu einem ausgewählten Feldgerät (E) hergestellt wird und wobei die Integrationsdaten von dem Bediengerät (BE) oder dem ausgewählten Feldgerät (E) an das zu integrierende Feldgerät (F) übermittelt werden bzw. wobei Diagnosedaten von dem Feldgerät (F) an das Bediengerät (BE) oder an das ausgewählte Feldgerät (E) übermittelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik. Bevorzugt soll das Feldgerät in ein Funknetzwerk, bestehend aus mehreren Feldgeräten, integriert werden. Hierzu müssen dem Feldgerät die entsprechenden Konfigurations- bzw. Integrationsdaten übermittelt werden. Unter dem Begriff 'Bedienen' ist sowohl das Konfigurieren, als auch die Diagnose eines Feldgeräts mittels eines Bediengeräts oder eines benachbarten Feldgeräts zu verstehen. In der weitesten Auslegung umfasst der Begriff 'Bedienen' den Datenaustausch bzw. die Kommunikation zwischen einem Feldgerät und einem Bediengerät bzw. einem benachbarten Feldgerät.
  • In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Neben den zuvor genannten Sensoren und Aktoren werden als Feldgeräte allgemein auch solche Einheiten bezeichnet, die Teilnehmer in einem Feldbus sind und zur Kommunikation mit den übergeordneten Einheiten in der Lage sind, wie z. B. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices und Funkadapter. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
  • In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Bussysteme, wie Profibus®, FOUNDATION Fieldbus®, HART®, etc. mit übergeordneten Einheiten verbunden. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten, hier insbesondere von Sensoren erfassten Messwerte werden über das jeweilige Bussystem an eine oder ggf. mehrere übergeordnete Einheit/Einheiten übermittelt. Daneben erfolgt auch zwecks Konfigurierung, Parametrierung, Diagnose von Feldgeräten oder zwecks Ansteuerung von Aktoren eine Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte.
  • Neben einer drahtgebundenen Datenübertragung zwischen den Feldgeräten und der übergeordneten Einheit wird die drahtlose Datenübertragung bzw. die Funkübertragung von Daten immer wichtiger. Insbesondere in den Bussystemen Profibus®, FOUNDATION Fieldbus® und HART® ist eine drahtlose Datenübertragung über Funk spezifiziert. Ferner sind Funknetzwerke für Sensoren in dem Standard IEEE 802.15.4 näher spezifiziert. Zur Realisierung einer drahtlosen Datenübertragung sind neuere Feldgeräte, insbesondere Sensoren und Aktoren, teilweise als Funk-Feldgeräte ausgebildet. Diese weisen in der Regel eine Funkeinheit und eine Stromquelle als integralen Bestandteil auf, wobei durch die Stromquelle eine autarke Stromversorgung des Feldgerätes ermöglicht wird.
  • Weiterhin besteht die Möglichkeit, Feldgeräte ohne Funkeinheit, insbesondere Sensoren und Aktoren, durch Anschluss eines Wireless Adapters, der eine Funkeinheit aufweist, zu einem Funk-Feldgerät aufzurüsten. Ein Wireless Adapter ist also eine Einheit, durch die ein „herkömmliches” Feldgerät, das lediglich für einen drahtgebundenen Anschluss an einen Feldbus ausgelegt ist, zu einem Funk-Feldgerät erweitert wird. Beispielsweise ist in der Druckschrift WO 2005/103851 A1 solch ein Wireless Adapter beschrieben. Der Wireless Adapter wird dabei an eine Kommunikationsschnittstelle, insbesondere an eine Feldbus-Kommunikationsschnittstelle, des Feldgerätes angeschlossen, wobei die Verbindung zwischen Wireless Adapter und Feldgerät in der Regel lösbar ist. Über die Feldbus-Kommunikationsschnittstelle kann das Feldgerät die über das Bussystem zu übermittelnden Daten an den Wireless Adapter senden, der diese dann über Funk an den Zielort übermittelt. Umgekehrt kann der Wireless Adapter bzw. der Funkadapter über Funk von dem Gateway und/oder der übergeordneten Steuereinheit Daten empfangen und über die Feldbus-Kommunikationsschnittstelle an das Feldgerät weiterleiten. Die Versorgung des Feldgerätes mit elektrischer Leistung erfolgt in der Regel über eine Stromquelle, die dem Funkadapter oder dem Feldgerät zugeordnet ist. Bei der Stromquelle handelt es sich üblicherweise um eine Batterie oder um einen Akku.
  • Funknetzwerke in der Automatisierungstechnik zeichnen sich durch einen geringen Energieverbrauch und die Nutzung eines schmalen Übertragungsbandes aus. Das schmale Übertragungsband stellt jederzeit eine zuverlässige Datenübertragung zu dem angesprochenen Teilnehmer/Feldgerät sicher. Ein großer Vorteil bei Funknetzwerken gegenüber den verdrahteten Bussystemen ist in der Einsparung der Verkabelung und der damit verbundenen Wartung zu sehen. Üblicherweise werden in ein Funknetzwerk integrierte Feldgeräte – wie bereits erwähnt – über eine Batterie, also eine Energieversorgungseinheit mit einer begrenzten Leistungskapazität, gespeist. Die Standzeit der Batterie sollte in der Regel zwischen 5 und 10 Jahren betragen.
  • Funknetzwerke für die Automatisierungstechnik, wie beispielsweise WirelessHART oder ISA 100, sind als Maschennetzwerke unterschiedlicher Ausgestaltung ausgebildet. Es wird darauf geachtet, dass jedes Feldgerät bzw. allgemein gesprochen jeder Knoten mit zumindest zwei weiteren Knoten kommunizieren kann, wodurch die notwenige Redundanz geschaffen wird.
  • Ein autarker Knoten für ein Maschennetzwerk ist in der WO2005/094312 A2 beschrieben. Bei den Funknetzwerken findet die Kommunikation üblicherweise nur zu bestimmten Zeiten statt. Außerhalb der aktiven Betriebsphasen werden die Feldgeräte zwecks Energieeinsparung in eine Ruhephase versetzt. In den Ruhephasen ist der Energieverbrauch zumindest näherungsweise gleich Null. Wie bereits zuvor erwähnt, ist es bei Maschennetzwerken üblich, dass zwei Knoten bzw. zwei Feldgeräte in einem schmalen Frequenzband während der relativ kurzen Zeit eines sog. Time Slots miteinander kommunizieren. Weiterhin ändert sich die Mittenfrequenz des Frequenzbandes nach einem vorgegebenen Muster – dieses Verfahren wird üblicherweise mit dem Fachbegriff ”Frequency Hopping” beschrieben. Durch das Frequency Hopping wird die Störanfälligkeit eines Funknetzwerks herabgesetzt.
  • Die Integration eines neuen Knotens, sprich eines Ersatz- oder eines zusätzlichen Feldgeräts, in ein bestehendes Funknetzwerk ist relativ zeitintensiv, da zwecks Integration eines zusätzlichen Feldgeräts ein freier Kommunikationskanal, der durch die Integrationsparameter: Zeitfenster und Frequenz definiert ist, getroffen werden muss. Moderne Maschennetzwerke sind selbst organisierend ausgebildet. Hierzu verfügt jeder Knoten über ein Synchronisationsprotokoll, das ihn in die Lage versetzt, die benachbarten Knoten zu erkennen, die Stärke der übermittelten Signale zu bestimmen, Synchronisations-Information und Information über das Frequency Hopping zu erhalten und die direkten Funkverbindungen zu den Nachbarn zu ermitteln. Abgesehen davon, dass jedem Feldgerät das Synchronisationsprotokoll bereit gestellt werden muss, ergibt sich das Problem, dass das Feldgerät während der Integrationsphase einen hohen Energieverbrauch hat, was – wie bereits erwähnt – bei batteriebetriebenen Feldgeräten mit einer beschränkten zur Verfügung stehenden Leistungskapazität zu einer verkürzten Standzeit führt.
  • Um das Feldgerät zu bedienen, muss bei den bekannten Lösungen das Feldgerät bereits Teilnehmer in dem Funknetzwerk sein; alternativ muss eine Drahtverbindung zu dem Feldgerät hergestellt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das ein Bedienen eines Feldgeräts auch für den Fall erlaubt, wenn das Feldgerät noch nicht in das bestehende Funknetzwerk eingebunden ist.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das zu integrierende Feldgerät im Falle der Inbetriebnahme bzw. der Erstinbetriebnahme in einen spezifischen Inbetriebnahmemodus schaltet bzw. geschaltet wird, wobei in dem speziellen Inbetriebnahmemodus auf einem spezifischen Kanal eine Peer to Peer Verbindung zu einem Bediengerät oder zu einem ausgewählten Feldgerät hergestellt wird und wobei die Integrationsdaten von dem Bediengerät oder dem ausgewählten Feldgerät an das zu integrierende Feldgerät übermittelt werden bzw. wobei Diagnosedaten von dem Feldgerät an das Bediengerät oder an das ausgewählte Feldgerät übermittelt werden. Bei dem Bediengerät handelt es sich bevorzugt um ein Handheld, z. B. ein PDA, oder um einen Laptop. Erfindungsgemäß ist somit eine Integration bzw. eine Diagnose, oder allgemein ein Datenaustausch, möglich, wenn das Feldgerät nicht in das Funknetzwerk eingebunden ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in dem speziellen Inbetriebnahmemodus auf einem spezifischen Kanal eine Peer to Peer Verbindung zu einem Bediengerät oder zu einem ausgewählten Feldgerät hergestellt wird, sobald an das Feldgerät eine Spannung angelegt wird. Die Peer to Peer Verbindung steht somit zur Datenübertragung zur Verfügung, sobald das Feldgerät eingeschaltet wird.
  • Insbesondere ist für den Fall, dass es sich bei dem zu integrierenden Feldgerät um ein WirelessHART Feldgerät handelt, vorgesehen, dass ein fixer IEEE 802.15.4 Kanal gestartet wird, der auf die Übersendung eines Aktivierungspakets von dem Bediengerät bzw. von dem ausgewählten Feldgerät wartet.
  • Wie bereits gesagt ist es mit der Erfindung bzw. ihren vorteilhaften Ausgestaltungen möglich, eine Konfiguration und/oder Diagnose des Feldgeräts (F) durchzuführen, solange das Feldgerät noch nicht in das Funknetzwerk eingebunden ist. So können beispielsweise die entsprechenden Integrationsdaten zur Integration des Feldgeräts in das Funknetzwerk offline an das Feldgerät übermittelt werden.
  • Bei dem Feldgerät, das in seinen unterschiedlichen Ausgestaltungen bereits in der Beschreibungseinleitung definiert ist, handelt es sich entweder um ein herkömmliches Feldgerät, das durch Zuordnung eines Funkadapters in ein Funk-Feldgerät umgewandelt wird, oder das Feldgerät ist originär als Funk-Feldgerät mit zugeordnetem Funkmodul ausgestaltet.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Funknetzwerks mit mehreren Feldgeräten und
  • 2 eine bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eines Funknetzwerks FN, in das gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zusätzliches Feldgerät F integriert werden soll. Das Funknetzwerk FN umfasst mehrere Feldgeräte A, B, C, D, E, die jeweils als Funk-Feldgeräte ausgebildet sind, und ein Gateway G. Über das Gateway G kann über einen der in der Automatisierungstechnik bekannten Feldbusse auf die Feldgeräte A, B, C, D, E des Funknetzwerks FN zugegriffen werden. Das Gateway G hat im gezeigten Fall die Funktion eines Protokollumsetzers als auch die Funktion eines Netwerkmanagers.
  • Die Feldgeräte A, B, C, D, E stehen untereinander und mit dem Gateway G in Funkverbindung FV, was in der 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Da die Feldgeräte A, B, C, D, E und das Gateway G jeweils über mehrere redundante Funkverbindungen FV untereinander kommunizieren können, bleibt auch beim Ausfall einer der Funkverbindungen FV die Kommunikation über eine der anderen Funkverbindungen FV aufrechterhalten. Als Funkübertragungstechnologien für die Funkverbindungen FV können die bekannten Technologien verwendet werden, wie beispielsweise das Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Verfahren oder das Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Verfahren geeignet. Aufgrund der benötigten geringen Sendeleistungen ist auch die Ultrawideband-Technologie (UWB) sehr gut geeignet. Bei dem Gateway G kann es sich um ein Konfigurations-/Managementsystem, z. B. das Produkt 'Fieldgate' der Endress + Hauser Gruppe handeln. Das Gateway G kommuniziert über das Funknetzwerk FN bzw. den Feldbus mit der übergeordneten Einheit SE. Die Verbindung zu der übergeordneten Einheit SE kann über eine Kabelverbindung oder über eine Funkverbindung realisiert sein. Bevorzugt wird auf der Leitebene, auf der die übergeordnete Steuereinheit SE angeordnet ist, ein Protokoll mit hohen Übertragungsraten, z. B. das Ethernetprotokoll verwendet, während in der Feldebene, in der die Feldgeräte A, B, C, D, E und das Gateway G angeordnet sind, einer der üblichen Feldbusse eingesetzt wird. Diese sind in der Beschreibungseinleitung bereits benannt worden.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Falle der Inbetriebnahme bzw. der Erstinbetriebnahme wird das Feldgerät F in einen spezifischen Inbetriebnahmemodus geschaltet. Getriggert wird das Schalten in den spezifischen Inbetriebnahmemodus bevorzugt durch das Anlegen einer Spannung U an das Feldgerät F. Möglich ist es auch, dass das Bedienpersonal einen Schalter betätigt. Beispielsweise startet ein Wireless HART Gerät auf einem fixen IEEE 802.15.4 Kanal und wartet anschließend auf ein Aktivierungspaket von dem angeschlossenen Bediengerät BE. Bei dem Bediengerät handelt es sich beispielsweise um einen Laptop, ein PDA oder ein Handy. So erfolgt beispielsweise im Falle eines herkömmlichen Feldgeräts F, das über einen Wireless Adapter zu einem Funk-Feldgerät umgerüstet wird, die Stromversorgung des Feldgeräts F bevorzugt vom Wireless Adapter her. Entsprechende Wireless Adapter werden von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, das zu integrierende Feldgerät F auch ohne Netzwerkverbindung über einen Funkkanal zu konfigurieren. Bevorzugt wird hierzu auf einem spezifischen Kanal X eine Peer to Peer Verbindung zu dem Bediengerät BE hergestellt. Möglich ist es jedoch auch, die Peer to Peer Verbindung zu einem ausgewählten Feldgerät E herzustellen, das bereits in das Funknetzwerk FN eingebunden ist.
  • Für den Fall, dass es sich bei dem zu integrierenden Feldgerät F um ein WirelessHART Feldgerät F handelt, wird ein spezifischer IBN Kanal, z. B. ein fixer IEEE 802.15.4 Kanal, gestartet wird, der auf die Übersendung eines Aktivierungspakets von dem Bediengerät BE wartet.
  • Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, dass eine Konfiguration und/oder Diagnose des Feldgeräts F durchgeführt werden kann, auch wenn das Feldgerät F noch nicht in das Funknetzwerk FN eingebunden ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2005/103851 A1 [0005]
    • WO 2005/094312 A2 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Standard IEEE 802.15.4 [0004]
    • ISA 100 [0007]
    • IEEE 802.15.4 [0014]
    • IEEE 802.15.4 [0022]
    • IEEE 802.15.4 [0023]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Bedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik mit Funkkommunikation für ein Funknetzwerk, in dem mehrere Feldgeräte mit einer übergeordneten Steuereinheit (SE) über Funk kommunizieren, wobei das zu bedienende Feldgerät (A, B, C, D, E) im Falle der Inbetriebnahme bzw. der Erstinbetriebnahme in einen spezifischen Inbetriebnahmemodus schaltet bzw. geschaltet wird, wobei in dem speziellen Inbetriebnahmemodus auf einem spezifischen Kanal (X) eine Peer to Peer (A, B, C, D, E) Verbindung zu einem Bediengerät (BE) oder zu einem ausgewählten Feldgerät (E) hergestellt wird und wobei die Integrationsdaten von dem Bediengerät (BE) oder dem ausgewählten Feldgerät (E) an das zu integrierende Feldgerät (F) übermittelt werden bzw. wobei Diagnosedaten von dem Feldgerät (F) an das Bediengerät (BE) oder an das ausgewählte Feldgerät (E) übermittelt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem speziellen Inbetriebnahmemodus auf einem spezifischen Kanal (X) eine Peer to Peer (A, B, C, D, E) Verbindung zu einem Bediengerät (BE) oder zu einem ausgewählten Feldgerät (E) hergestellt wird, sobald an das Feldgerät eine Spannung angelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Fall, dass es sich bei dem zu integrierenden Feldgerät (F) um ein WirelessHART Feldgerät (F) handelt, ein fixer IEEE 802.15.4 Kanal gestartet wird, der auf die Übersendung eines Aktivierungspakets von dem Bediengerät (BE) bzw. von dem ausgewählten Feldgerät (E) wartet.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Konfiguration und/oder Diagnose des Feldgeräts (F) durchgeführt wird, solange das Feldgerät (F) noch nicht in das Funknetzwerk (FN) eingebunden ist.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Feldgerät (A, B, C, D, E) ein herkömmliches Feldgerät verwendet wird, das durch Zuordnung eines Funkadapters in ein Funk-Feldgerät umgewandelt wird.
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