BE1025086A1

BE1025086A1 - Doorsturen van data

Info

Publication number: BE1025086A1
Application number: BE20175218A
Authority: BE
Inventors: Jo Nelissen
Original assignee: Smartlog N V
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-10-23
Also published as: FR3064864A1; DE202018001637U1; NL2020653B1; BE1025086B1

Abstract

Apparaat voor het doorsturen van data, waarbij het apparaat een Highway Addressable Remote Transducer (HART) module bevat en een Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) module bevat, waarbij het apparaat verder een voeding bevat voor het ontvangen van elektrisch vermogen en het verdelen hiervan naar de modules, en waarbij de HART module ingericht is om verbonden te worden met een extern HART-compatibel toestel om data van het extern toestel op te vragen en te ontvangen via een HART protocol, en waarbij de HART module operationeel verbonden is met de LPWAN module om de ontvangen data aan de LPWAN module te leveren, en waarbij de LPWAN module ingericht is om de ontvangen data te verzenden naar een externe LPWAN compatibele server.

Description

(30) Voorrangsgegevens :

(71) Aanvrager(s) :

SMARTLOG N.V.

3740, BILZEN

België (72) Uitvinder(s) :

NELISSEN Jo 3600 GENK België (54) Doorsturen van data (57) Apparaat voor het doorsturen van data, waarbij het apparaat een Highway Addressable Remote Transducer (HART) module bevat en een LowPower Wide-Area Network (LPWAN) module bevat, waarbij het apparaat verder een voeding bevat voor het ontvangen van elektrisch vermogen en het verdelen hiervan naar de modules, en waarbij de HART module ingericht is om verbonden te worden met een extern HART-compatibel toestel om data van het extern toestel op te vragen en te ontvangen via een HART protocol, en waarbij de HART module operationeel verbonden is met de LPWAN module om de ontvangen data aan de LPWAN module te leveren, en waarbij de LPWAN module ingericht is om de ontvangen data te verzenden naar een externe LPWAN compatibele server.

FIG.1

2017/5218

BE2017/5218

Doorsturen van data

De uitvinding heeft betrekking op een apparaat en een werkwijze voor het doorsturen van data.

In de industrie bestaat reeds vele jaren het zogenaamde Highway Addressable Remote Transducer (HART) protocol waarmee “slimme” veldtoestellen in de procestechniek aangestuurd of uitgelezen kunnen worden. HART maakt gebruik van een digitaal signaal dat boven op het conventioneel 4 tot 20 milliampère signaal gemoduleerd wordt en waarmee in twee richtingen gecommuniceerd kan worden. Hierdoor is het mogelijk om een combinatie van analoge niet HART-compatibele toestellen alsook oude en nieuwe HART compatibele toestellen te gebruiken, waarmee de nieuwere toestellen kunnen gebruikmaken van nieuwe functionaliteiten binnen het HART protocol. Elk toestel wordt primair aangestuurd via het conventioneel 4 tot 20 milliampère signaal terwijl HART-compatibele toestellen verder voorzien zijn om te communiceren door het moduleren van een hoogfrequent signaal op dit conventioneel signaal. Het HART protocol is beschreven door de “HART communication foundation”, en wordt in deze beschrijving beschouwd als een door de vakman gekend protocol.

Vele veldtoestellen die op dit moment gebruikt worden in de industrie, waaronder actuatoren zoals kleppen, pompen en positioneerelementen, alsook sensoren zoals vibratiesensoren, druksensoren en temperatuursensoren, zijn HART compatibel. Gebruikmakend van het HART protocol kan informatie van het veldtoestel opgevraagd worden. Zo kan bijvoorbeeld een status opgevraagd worden van het veldtoestel. Ook kunnen foutmeldingen opgevraagd worden via het HART protocol. In de praktijk wordt het HART protocol voornamelijk gebruikt om de industriële processen te sturen. Dit wil zeggen dat de informatie in het veldtoestel, bijvoorbeeld de status en/of de foutmeldingen, in de praktijk enkel lokaal gebruikt wordt om het proces te sturen. Deze informatie wordt typisch niet bijgehouden om twee redenen. Enerzijds is een traditionele processturing niet ingericht om informatie bij te houden. Anderzijds is het voor een processturing irrelevant wat vorige informatie van het veldinstrument was, bijvoorbeeld de status van het veldinstrument een week geleden.

Omdat het HART protocol primair ingericht is voor processturing is het protocol niet voorzien om informatie op te slaan. Hierdoor gaat waardevolle informatie verloren. Met name voor onderhoud is de evolutie van informatie van een veldinstrument zeer relevant. Bijvoorbeeld een klep die 100 keer per maand opent en sluit zal noemenswaardig vaker een onderhoud nodig hebben dan een klep die slechts één keer opent en sluit gedurende een maand. De vakman zal begrijpen dat dit slechts één voorbeeld is ter illustratie van de relevantie van het bijhouden van de informatie uit de veldinstrumenten.

2017/5218

BE2017/5218

Om de communicatie met HART compatibele veldtoestellen te vergemakkelijken, is het zogenaamde WirelessHART geïntroduceerd. WirelessHART is een draadloze sensornetworktechnologie gebaseerd op het HART protocol. WirelessHART ondersteunt werking in de 2,4 GHz band gebruikmakend van IEE 802.15.4 standaardradio’s. De onderliggende draadloze technologie is gebaseerd op de time synchronized mesh protocol (TSMP). WirelessHART is primair ontworpen om de communicatie tussen HART compatibele toestellen, bij het sturen van het proces, te vergemakkelijken. Het gebruik van WirelessHART voor het periodiek verzamelen van informatie van veldtoestellen, en het verzenden van deze informatie naar een server voor opslag daarvan is duur en risicovol.

Om trends in informatie van veldtoestellen te detecteren, wordt de informatie uit deze veldtoestellen bij voorkeur centraal opgeslagen, bijvoorbeeld in een server. Om de informatie te verzamelen zal de informatie periodiek worden opgevraagd bij de verschillende veldtoestellen, gebruikmakend van het HART protocol. De informatie wordt dan verzonden naar de centrale server voor opslag daarin. Op basis van de informatie van de veldtoestellen, periodiek opgeslagen, kunnen trends gedetecteerd worden op basis waarvan de werking en/of het onderhoud van de installatie kan verbeterd worden.

WirelessHART gebruiken om informatie van de veldtoestellen op te vragen, en door te sturen naar een centrale server is niet optimaal. In de praktijk kunnen veldtoestellen over een relatief grote oppervlakte verspreid zijn. Zo kan een klep bijvoorbeeld twee kilometer ver in een procesveld geplaatst zijn. Omdat WirelessHART op basis van een mesh-topologie werkt, zullen meerdere WirelessHART toestellen moeten voorzien worden om het relevante gebied te kunnen afdekken voor communicatie. Verder zullen knooppunten in het mesh netwerk zwaar belast worden en een bottleneck vormen voor het doorsturen van de informatie naar de server. Wanneer de knooppunten te zwaar belast worden, kan zelfs de processturing beïnvloed worden, hetgeen dramatische gevolgen kan hebben.

Het is een doel van de uitvinding om een manier te voorzien om informatie uit HART compatibele veldtoestellen op een efficiënte manier te verzamelen zonder risico op verstoring van de processturing.

Hiertoe voorziet de uitvinding in een apparaat voor het doorsturen van data, waarbij het apparaat een Highway Addressable Remote Transducer (HART) module bevat en een Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) module bevat, waarbij het apparaat verder een voeding bevat voor het ontvangen van elektrisch vermogen en het verdelen hiervan naar de modules, en waarbij de HART module ingericht is om verbonden te worden met een extern HART-compatibel toestel om data van het extern toestel op te vragen en te ontvangen via een HART protocol, en waarbij de HART module operationeel verbonden is met de LPWAN module

2017/5218

BE2017/5218 om de ontvangen data aan de LPWAN module te leveren, en waarbij de LPWAN module ingericht is om de ontvangen data te verzenden naar een externe LPWAN compatibele server.

Het apparaat volgens de uitvinding heeft enerzijds een HART module. Met de HART module kan het apparaat volgens de uitvinding communiceren met een HART compatibel veldtoestel. Daarmee kan het apparaat volgens de uitvinding een HART commando sturen voor het opvragen van informatie van het veldtoestel, en kan het apparaat volgens de uitvinding de informatie van het veldtoestel ontvangen. Het apparaat volgens de uitvinding heeft verder een lowpower wide area network (LPWAN) module. Met de LPWAN module kan het apparaat volgens de uitvinding data over grote afstanden verzenden. Daarbij is LPWAN gekenmerkt door een relatief laag energieverbruik, hetgeen voordelig is in afgelegen gebieden waar veldtoestellen kunnen geplaatst zijn.

Verder is de LPWAN module geoptimaliseerd voor het doorsturen van een relatief beperkte data over een grote afstand. Tests hebben uitgewezen dat dit optimaal is voor het verzenden van informatie van veldtoestellen. De informatie van veldtoestellen is typisch beperkt in grootte/omvang, en kan daarom gemakkelijk verzonden worden door de LPWAN module. Het apparaat volgens de uitvinding bevat een operationele verbinding tussen de HART module en de LPWAN module zodat de HART module de ontvangen informatie kan doorgeven aan de LPWAN module voor verdere verzending naar een externe server. Het apparaat volgens de uitvinding heeft verder een voeding die ingericht is voor het ontvangen van vermogen en het verdelen van vermogen naar de modules. De voeding kan in eerste instantie op verschillende manieren gevormd worden, bijvoorbeeld door een batterij voeding, bijvoorbeeld door een netaansluiting of door een voeding op basis van het HART signaal, zoals hieronder verder besproken wordt.

Het apparaat volgens de uitvinding laat toe op eenvoudige en efficiënte manier informatie uit een veldtoestel te extraheren, en voorziet in een mechanisme om deze informatie te versturen naar een centrale server zonder daarmee de processturing te beïnvloeden. De processturing wordt niet beïnvloed omdat de communicatieweg waarover de informatie verzonden wordt naar de centrale server niet samenvalt met communicatiewegen die gebruikt worden voor de processturing. Omdat de LPWAN module typisch opereert met een ster-topologie, in tegenstelling tot de mesh-topologie van de Wireless HART technologie, kan gemakkelijk selectief gekozen worden waar en bij welk veldtoestel een apparaat volgens de uitvinding geplaatst wordt. Eén apparaat volgens de uitvinding kan geplaatst worden in een veld op een verre afstand van andere gelijksoortige apparaten, waarbij het ene apparaat zelfstanding en correct kan werken. Dit geeft een installateur of ontwerper van een procesinstallatie een grote vrijheid.

Het apparaat volgens de uitvinding laat verder toe om een bestaande industriële installatie te upgraden door het toevoegen van apparaten volgens de uitvinding bij bepaalde

2017/5218

BE2017/5218 veldtoestellen om zo de informatie uit de veldtoestellen naar een centrale server te sturen. Hiermee kan onderhoud en/of werking van een bestaand industrieel proces op eenvoudige wijze verbeterd worden.

Bij voorkeur bevat het apparaat een processor die ingericht is om de operationele verbinding tussen de HART module en de LPWAN module te vormen. Verder bij voorkeur is de processor verbonden met een geheugen waarin HART module instructies en/of commando’s gerelateerd zijn aan LPWAN module instructies en/of commando’s zodat de processor de operationele verbinding vormt op basis van de gegevens in het geheugen. De gegevens in het geheugen vormen een vertaaltabel waarmee de processor kan vertalen, bij voorkeur in twee richtingen, tussen de HART module en de LPWAN module. De processor kan instructies en/of commando’s verzenden en ontvangen in het HART protocol, en respectievelijk instructies en/of commando’s in het LPWAN protocol ontvangen en verzenden. Daarbij gebruikt de processor de tabel in het geheugen om bij ontvangst van een instructie en/of commando in één protocol een vertaalslag te maken naar instructies en/of commando’s in het ander protocol. Hierdoor zorgt de processor ervoor dat de HART module met de LPWAN module kan communiceren in het apparaat, bij voorkeur in twee richtingen.

Bij voorkeur is de LPWAN module ingericht om de ontvangen data te verzenden naar een externe LPWAN compatibele server gebruikmakende van een LoRaWAN protocol. Tests hebben uitgewezen dat het LoRaWAN protocol optimaal is voor gebruik in een apparaat volgens de uitvinding.

Bij voorkeur is de voeding ingericht om verbonden te worden met het extern HART compatibel toestel om vermogen uit het HART signaal te ontvangen. Het HART signaal is, zoals hierboven beschreven, gebaseerd op een signaal van een stroombron met een stroomsterkte tussen 4 en 20 milliampère en een FSK gemoduleerd signaal, zoals beschreven in de algemene HART specificaties en zoals bekend bij de vakman. De digitale component van het HART signaal wordt gemoduleerd op het stroomsignaal. Het stroomsignaal kan gebruikt worden door de voeding om vermogen van af te tappen zodat het apparaat volgens de uitvinding kan gevoed worden. Een groot voordeel van deze techniek is dat geen externe voeding moet voorzien worden, geen netaansluiting moet voorzien worden, geen batterij moet voorzien worden, geen zonnepanelen moet voorzien worden, enz. Daarbij is de voeding aangepast om het HART-signaal niet noemenswaardig te verstoren tijdens het ontvangen van vermogen. Meer bepaald zal de grootte van de stroom niet noemenswaardig mogen veranderen wanneer de voeding vermogen van het HART signaal afneemt, anders zou de voeding ingrijpen op de processturing of de meting uitgestuurd door het HART veldtoestel, hetgeen niet de bedoeling is.

2017/5218

BE2017/5218

Bij voorkeur bevat de voeding verder een energieopslagmedium voor het bufferen van energie tussen het ontvangen van vermogen en het verdelen van vermogen naar de modules. Dit laat toe om de voeding een relatief klein vermogen te laten onttrekken van het HART signaal gedurende een relatief lange periode, en dit vermogen op te slaan, zodat bij het verzenden van data door de LPWAN module een vermogenpiek aan de LPWAN module kan gegeven worden door de voeding. Daarmee beïnvloedt de voeding enerzijds niet het HART signaal en levert de voeding anderzijds wel de vermogenpiek die nodig is voor het verzenden van de data.

Bij voorkeur bevat het apparaat verder een firewall die ingericht is om HART schrij facties door de HART module te blokkeren. De firewall is verder bij voorkeur van het type waarbij een hardwarematige authenticatie vereist is voor het bypassen van de firewall. Door het voorzien van de firewall die HART schrijfacties blokkeert door de HART module aan het extern HART compatibel toestel, kan gegarandeerd worden dat het apparaat volgens de uitvinding niet ingrijpt op de processturing. De hardwarematige authenticatie geeft de eigenaar van de procesuitrusting de garantie dat het proces niet ongewenst kan gestoord worden. Daarbij is de firewall bij voorkeur tussen de processor en de hartmodule geplaatst.

Bij voorkeur is de LPWAN module ingericht om een moment in de tijd te kiezen voor het verzenden naar de externe LPWAN compatibele server. Verder bij voorkeur is de LPWAN module ingericht om het moment in de tijd te kiezen gebaseerd op een status van de voeding. Voor het verzenden van data via de LPWAN module is een vermogenpiek nodig. De LPWAN module kan ingericht worden om de status van de voeding te controleren, om te evalueren of de voeding voldoende vermogen gebufferd heeft voor het verzenden van de data. Op basis daarvan kan het moment gekozen worden om de data te verzenden aan de server. Dit optimaliseert het vermogengebruik van het apparaat volgens de uitvinding.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het verzenden van data van een extern Highway Addressable Remote Transducer (HART) compatibel toestel naar een externe server, waarbij de werkwijze bevat het voorzien van een apparaat volgens een van de voorgaande conclusies, en waarbij de werkwijze verder bevat:

Opvragen van data van het extern HART compatibel toestel via een HART module van het apparaat;

Ontvangen van de data van het extern HART compatibel toestel op de HART module;

Transfereren van de ontvangen data naar een LPWAN module van het apparaat; Verzenden door de LPWAN module van de ontvangen data naar de externe server.

Voor de effecten en voordelen van de werkwijze volgens de uitvinding wordt verwezen naar de hierboven beschreven effecten en voordelen van het apparaat volgens de uitvinding. De werkwijze heeft dezelfde effecten en voordelen.

2017/5218

BE2017/5218

Bij voorkeur bevat de werkwijze verder het triggeren door de LPWAN module van de HART module om de data op te vragen.

Bij voorkeur gebeurt het triggeren op een moment in de tijd dat gekozen wordt door de LPWAN module gebaseerd op een status van de voeding. Alternatief gebeurt het triggeren op vaste momenten in de tijd of met vaste tussentijden, al dan niet cyclisch. Verder alternatief gebeurt het triggeren op basis van een ontvangen instructie op de LPWAN module, komende van het LPWAN netwerk. Deze instructies kunnen bijvoorbeeld via het LoRaWAN protocol worden ontvangen van een gateway. Verder alternatief en bij voorkeur worden meerdere triggers gecombineerd. Zo kan een LPWAN module een trigger ontvangen van een gateway, waarbij de LPWAN module verder evalueert of status van de voeding aan voorafbepaalde criteria voldoet. Daarbij kan gecontroleerd worden of de voeding voldoende vermogen heeft opgebouwd om data uit te sturen via de LPWAN module.

De uitvinding zal nu nader worden beschreven aan de hand van een in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld.

In de tekening laat :

figuur 1 een eerste uitvoeringsvorm zien van een apparaat volgens de uitvinding; en figuur 2 een tweede uitvoeringsvorm zien van een apparaat volgens de uitvinding.

In de tekening is aan eenzelfde of analoog element eenzelfde verwijzingscijfer toegekend.

Hieronder zal een korte toelichting gegeven worden van de verschillende technologieën die al dan niet bij voorkeur toegepast zijn in het apparaat en de werkwijze volgens de uitvinding.

LPWAN

Om te beginnen wordt een onderscheid gemaakt tussen enerzijds een draadloze licentie en anderzijds een draadloze licentie vrij ne twerkspectrum. Wanneer de meeste courant gebruikte frequenties waarop draadloze communicatie zich afspeelt beschouwd worden, zijn hier enkele banden die vrij gebruikt mogen worden, zonder dat hiervoor licentierechten moeten betaald worden.

Niet tegenstaande deze banden vrij in gebruik zijn, zijn de gebruikers ervan wel verbonden aan de lokale regels over het gebruik ervan. In België is het zogenaamde BIPT dat deze regels opstelt. Deze regels kunnen verschillen van land tot land, van regio tot regio, maar zijn over het algemeen zeer gelijklopend binnen hetzelfde continent. In deze beschrijving wordt verondersteld dat de vakman bekend is met deze regels, en de uitvinding kan aanpassen om conform te zijn met deze regels.

2017/5218

BE2017/5218

In België en bij uitbreiding in Europa, zijn de meest voorname licentievrije spectrums te vinden op 433Mhz, 868Mhz, 2.4Ghz. Onder licentiebanden worden de frequentiegebieden bedoeld waarop licentie en/of vergunningsplicht voor het gebruik ervan geldt. Voorbeelden zijn hiervan GSM 900, UMTS2100, Tetra. Voor toepassing van de uitvinding wordt bij voorkeur de licentievrij 868Mhz frequentieband gebruikt. De Amerikaanse tegenhanger bevindt zich op 915Mhz.

De uitvinding maakt gebruik van de Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) technologie. Bij voorkeur maakt de uitvinding gebruik van de LoRa technologie, die gebaseerd is op de LPWAN technologie. De modulatietechniek wordt beschreven in de stand van de techniek en is door de vakman bekend onder de naam LoRa. Als protocol wordt gekozen voor het LoRaWAN protocol. Het LoRAWAN protocol zal ervoor zorgen dat aan alle lokale regels voldaan wordt. In een voorkeursuitvoeringsvorm zal daarom de LPWAN module een LoRa module zijn.

Via de LPWAN technologie, of bij voorkeur de LoRa technologie, kan data van een LPWAN module of van een LoRa module verzonden worden naar een gateway die zich in een netwerk bevindt, bijvoorbeeld een TCP/IP netwerk. De LoRa topologie is een ster-topologie zodat elke LoRa module zijn data rechtstreeks naar de gateway stuurt. De gateway is dan voorzien om de data, ontvangen van de LoRa module, verder te verzenden over het TCP/IP netwerk naar een server. Wanneer in de huidige beschrijving besproken wordt dat data via de LPWAN module naar een externe server gestuurd wordt, zal duidelijk zijn dat de LPWAN module de data via de LPWAN of LoRa technologie naar de gateway verstuurt, en dat de gateway de data verder doorstuurt naar de server.

Europese octrooidocumenten EP2449690 en EP2763321 zijn hierin geïncorporeerd door referentie voor een gedetailleerde beschrijving van het LoRa modulatie schema en de LoRa technologie. In de huidige beschrijving zullen daarom slechts enkele details beschreven worden voor de duidelijkheid.

Lora modulatie is gebaseerd op een opeenvolging van frequentie piepjes (chirps in het Engels), waarvan de frequentie verandert volgens een vooraf bepaald tijdsinterval, van een initiële directe frequentiewaarde f ₀ naar een finale directe frequentie f _b Dit modulatie schema wordt gebruikt in de lange-afstands LoRa™ RF technologie van Semtech Corporation, en zal in deze beschrijving simpelweg ‘LoRa’ genoemd worden.

HART

Highway Addressable Remote Transducer (HART) is bij uitstek de meest gebruikte digitale communicatie technologie toegepast in de procesindustrie, met meer an 30 miljoen veldtoestellen wereldwijd geïnstalleerd, die de HART technologie ondersteunen.

2017/5218

BE2017/5218

HART is een wereldwijde standaard voor het zenden en ontvangen van digitale informatie over de 4-20mA analoge stroomlussen die de grote meerderheid van veldtoestellen verbinden. De HART technologie biedt een betrouwbare oplossing voor proces operatoren die de voordelen van intelligente toestellen met digitale communicatie willen gebruiken, terwijl de bestaande investering in analoge instrumentatie en bekabeling kan behouden blijven. HART is eenvoudig, betrouwbaar en gemakkelijk in gebruik.

Het HART signaal is een FSK gemoduleerd signaal bovenop een 4 tot 20 mA analoog signaal. Afhankelijk van de functie van het HART device zal deze het 4..20 mA signaal genereren als indicatie van zijn primaire waarde of zal hij een 4..20 mA signaal accepteren als setpoint voor zijn primaire waarde. Het HART signaal staat in principe los van dit primair 4..20mA signaal en kan beschouwd worden als extra bovenop de primaire functie van het netwerk.

De zogenaamde FieldComm Group is eigenaar van de HART specificaties en voorziet in de ontwikkeling van de specificaties, in training en in productregistraties die geassocieerd zijn met de technologie. HART is inmiddels een IEC standaard.

De vakman is bekend met het HART protocol, en kan het HART protocol toepassen volgens de specificaties. Daarom wordt het HART protocol en de HART technologie in deze beschrijving niet verder toegelicht.

Uitvoeringsvormen

Figuur 1 toont een apparaat 1 volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding. Het apparaat 1 voorziet in een operationele verbinding tussen enerzijds een extern HART compatibel veldtoestel 4 en anderzijds een gateway 16 die op een afstand geplaatst is van het extern HART compatibel veldtoestel 4. In deze context zal duidelijk zijn dat in de situatie uit figuur 1 geen fysieke communicatieverbinding ligt tussen het extern HART compatibel veldtoestel 4 en de gateway 16.

Het apparaat 1 bevat een HART module 2 en bevat een LoRa module 3. Daarom wordt het apparaat 1 hierna ook een HART-LoRa apparaat genoemd. Zoals hierboven reeds is uitgelegd, maakt de LoRa-module gebruik van de LPWAN technologie. Daarom zal duidelijk zijn voor de vakman dat de LoRa-module slechts een voorkeursuitvoeringsvorm is, en dat bij uitbreiding ook andere LPWAN technologieën in het apparaat 1 kunnen ingebouwd worden.

De HART module 2 bevat een HART transceiver 5. Via de Hart transceiver 5 is de

HART module 2 voorzien om aangesloten te worden met het extern HART compatibel veldtoestel

4. Via deze aansluiting kan de HART module 2, gebruik makend van het HART protocol, communiceren met het extern HART compatibel veldtoestel 4. Dit wil concreet zeggen dat de HART module 2 voorzien is om, via de HART transceiver 5, een HART commando te sturen aan het extern HART compatibel veldtoestel 4. In antwoord op het commando, kan het extern HART

2017/5218

BE2017/5218 compatibel veldtoestel 4 informatie terugsturen naar de HART module 2. Deze informatie kan bijvoorbeeld betrekking hebben op een status van het extern HART compatibel veldtoestel 4, en/of op foutmeldingen van het extern HART compatibel veldtoestel 4. Dit zijn slechts enkele voorbeelden van soorten informatie die via het HART protocol kunnen opgevraagd en doorgestuurd worden. De uitvinding is niet beperkt tot deze opsomming.

De LoRa module 3 bevat een LoRa transceiver 6 voor het verzenden van data via het LoRaWan protocol. Het verzenden van data is geïllustreerd in figuur 1 met referentiecijfer 15. Via het LoRa protocol kan data verzonden worden, door de LoRa module 3, naar een gateway 16. De gateway 16 bevindt zich typisch op een afstand van het apparaat 1, welke afstand tot enkele kilometers kan bedragen.

Het apparaat 1 is verder voorzien van een of meerdere processoren die de HART module 2 en de LORA module 3 operationeel verbindt. In de uitvoeringsvorm uit figuur 1 geeft de processor twee delen, getoond als eerste processor 13 die geplaatst is aan de HART module 2 kant, en een tweede processor 14 die geplaatst is aan de LoRa module 3 kant. De eerste processor 13 is ingericht om met de HART transceiver 5 te communiceren. Typisch bevat de eerste processor 13 daarvoor een zogenaamde HART protocol stack. De HART protocol stack is gedefinieerd in de HART protocolspecificatie, en bevat minstens de HART protocol commando’s en instructies. Anderzijds bevat de eerste processor 13 een interne protocol stack, waarmee de eerste processor 13 kan communiceren met de tweede processor 14. Met andere woorden is de eerste processor 13 voorzien om interne signalen, dit zijn signalen die tussen de eerste processor 13 en de tweede processor 14 gestuurd worden, te converteren naar HART signalen en vice versa.

De tweede processor 14 is ingericht en geconfigureerd analoog aan de eerste processor 13. De tweede processor 14 is voorzien om te communiceren met de LoRa transceiver 6. Hiertoe bevat de tweede processor 14 de LoRaWAN protocol stack. Verder bevat de tweede processor 14 de interne protocol stack voor het communiceren met de eerste processor 13. Daarmee voorziet de tweede processor 14 in een mechanisme voor het converteren van interne signalen naar LoRa compatibele signalen en vice versa.

Een belangrijk voorkeursaspect van de uitvinding heeft betrekking op de processturing. Meer bepaald zal het apparaat 1 niet mogen interfereren met de processturing, om te garanderen aan de operator van het proces dat de processturing niet negatief beïnvloed wordt. Omdat het apparaat 1 een HART module 2 bevat, kan theoretisch niet uitgesloten worden dat, zonder bijkomende maatregelen te treffen, de hartmodule 2 hartcommando’s stuurt aan het extern HART compatibel veldtoestel 4. Daarmee is het, zonder bijkomende maatregelen, theoretisch mogelijk dat de processturing beïnvloed wordt. Om dit te voorkomen wordt een beveiligingsmechanisme ingebouwd in het apparaat 1.

2017/5218

BE2017/5218

In de uitvoeringsvorm in figuur 1 is het beveiligingsmechanisme 12 voorzien om de communicatie tussen de eerste processor 13 en de tweede processor 14, in de richting van de eerste processor 13, te onderbreken en bij voorkeur fysiek te onderbreken. In de praktijk zal een fysieke onderbreking meer de voorkeur genieten boven een softwarematige onderbreking omdat de fysieke onderbreking typisch minder gevoelig is voor malafide manipulatie. Door het onderbreken van de communicatie van de tweede processor 14 naar de eerste processor 13 kan gegarandeerd worden dat de HART module 2 geen instructies ontvangt van de LoRa-module 3 om HART instructies uit te sturen naar het extern HART compatibel veldtoestel 4. Dit zorgt ervoor dat wanneer het apparaat 1 gehackt zou worden via de draadloze verbinding, en de LoRa module 3 instructies zou binnenkrijgen om een malafide HART commando te sturen, de LoRa module 3 deze instructies niet kan doorgeven aan de HART module 2. Daarbij is het beveiligingsmechanisme 12 bij voorkeur zodanig ingericht dat een fysieke sleutel nodig is om de verbinding tussen de HART module 2 en de LoRa module 3, in de richting van de HART module 2, te activeren. Een dergelijk beveiligingsmechanisme 12 geeft een operator van een industrieel proces de garantie dat het apparaat 1 geen negatieve invloed zal hebben op de processturing. In de verbinding tussen de eerste processor 13 en de tweede processor 14 kunnen diodes geplaatst worden die wel een stroom, en daarmee een signaal toelaten in de richting van de eerste processor 13 naar de tweede processor 14, maar niet omgekeerd. De eerste processor 13 kan dan ingericht zijn om via de HART tranceiver het extern HART compatibel toestel 14 periodiek te ondervragen zodat relevante informatie ook periodiek naar de LoRa module 3 kan gestuurd worden, zonder dat de LoRa module 3 erom moet vragen.

Het apparaat 1 bevat verder een voeding 11 die ingericht is om elektrisch vermogen te ontvangen, en die ingericht is om het elektrisch vermogen te verdelen tussen de modules in het apparaat 1. Een voorkeursuitvoeringsvorm van de voeding 11 zal hierna in detail besproken worden.

Figuur 2 toont een alternatieve voorkeursuitvoeringsvorm van een apparaat 1 met een HART module 2 en een LoRa module 3. In deze uitvoeringsvorm is de processor 7 voor het operationeel verbinden van de HART module 2 met de LoRa module 3 in één blok uitgevoerd. De processor 7 kan operationeel verbonden zijn met een geheugen 8 waarin een HART protocol stack en een LoRa protocol stack in relatie tot elkaar zijn opgeslagen. Op die manier kan de processor 7 een signaal uit de LoRa module 3 converteren naar een signaal voor de HART module 2 en vice versa.

De beveiliging is in de uitvoeringsvorm uit figuur 2 gevormd door een firewall 9.

De firewall 9 kan op verschillende manieren ingericht worden. Zo kan bijvoorbeeld een firewall voorzien worden met een geheugen waarin een lijst verboden HART commando’s zijn opgeslagen,

2017/5218

BE2017/5218 en waarin de firewall 9 geconfigureerd is om de commando’s uit het geheugen te blokkeren. Een dergelijke firewall 9 is bekend als een zogenaamde pass through processor. Wanneer de processor 7 een verboden commando zou uitzenden naar de transceiver 5, zal dit commando door de firewall 9 tegengehouden worden en dus niet aankomen bij de HART transceiver 5. Het geheugen van de firewall 9 kan gefused worden om software updates en/of hacking te voorkomen. De firewall 9 kan voorzien worden van een bypass 10. Bij voorkeur kan de bypass 10 ingeschakeld en uitgeschakeld worden door middel van een fysieke sleutel. De fysieke sleutel geeft de operator van het industriële proces de garantie, mede op basis van de specificaties van de firewall 9, dat het apparaat 1 de processturing niet ongewenst kan beïnvloeden.

Volgens een alternatieve voorkeursuitvoering is de firewall 9 omgekeerd opgebouwd in de zin dat de firewall 9 enkel een lijst voorafbepaalde toegelaten commando’s in een geheugen heeft opgeslagen. Daarbij is de firewall 9 geconfigureerd om enkel commando’s door te laten die in de lijst staan, en alle andere commando’s te blokkeren. Hierdoor kunnen slechts enkele commando’s opgenomen worden in de lijst, waarmee de HART module 2 informatie van het veldtoestel kan opvragen. Alle andere commando’s kunnen door de firewall 9 geblokkeerd worden.

Figuur 2 illustreert verder schematisch hoe de gateway 16 via een netwerk 17 met een server 18 verbonden is. Op die manier kan de gateway 16 de ontvangen informatie, via het netwerk 17, bijvoorbeeld een TCP/IP netwerk, doorsturen aan de server 18. Op de server 18 kan de data verwerkt worden, gecategoriseerd worden. Verder kunnen big data analyses uitgevoerd worden om trends in de data evolutie te herkennen. Hiermee kan onderhoud en/of processturing geoptimaliseerd worden.

Een verder belangrijk voorkeursaspect van de uitvinding heeft betrekking op de voeding van het apparaat. Figuren 1 en 2 tonen een principieel blok 11 als voeding, en illustreert met twee pijlen richting respectievelijk de HART module 2 en de LoRa module 3 dat de voeding 11 de modules van energie voorziet.

De voeding 11 is enerzijds voorzien om elektrisch vermogen te ontvangen van een externe bron en anderzijds voorzien om het ontvangen elektrisch vermogen op een correcte manier te bufferen en te verdelen naar de modules 2 en 3. De vakman zal begrijpen dat andere werkingscomponenten die in deze beschrijving al dan niet benadrukt zijn ook van energie kunnen voorzien worden door de voeding 11.

De externe bron die elektrisch vermogen levert aan de voeding 11 kan in de breedste zin op verschillende manieren gevormd zijn. Zo kan een batterij voorzien worden om externe energie te leveren. Ook kan een zonnepaneel voorzien worden, al dan niet in combinatie met een batterij. Verder kan een aansluiting voorzien worden voor een netspanning of een andere

2017/5218

BE2017/5218 voedingspanning die aanwezig is in de buurt van het apparaat 1, zodat een installateur het apparaat 1 met de externe netspanning of andere voedingspanning kan verbinden.

Bij voorkeur is de voeding 11 voorzien van een module om elektrische energie te extraheren uit het signaal waarmee het extern HART compatibel toestel 4 werkt. Zoals hierboven beschreven, bevat het signaal een analoge component, gestuurd vanuit een stroombron, die typisch tussen de 4 en 20mA bedraagt. In deze voorkeurs uitvoeringsvorm moet de voeding 11 ingericht zijn om energie te extraheren zonder daarmee de grootte van het analoge signaal noemenswaardig te beïnvloeden.

Hiertoe is de voeding 11 bij voorkeur voorzien van een interne energiebuffer.

Verder is de voeding 11 bij voorkeur voorzien om van het HART signaal een vooraf bepaald maximaal vermogen te onttrekken. Dit vooraf bepaald maximaal vermogen is gekozen door de vakman als een extra vermogen dat leverbaar is door de stroombron dat het HART signaal genereert, en dit op zo een manier dat het oorspronkelijke 4,.20mA signaal niet beïnvloed wordt. Met andere woorden zal dit vooraf bepaald maximaal vermogen bij voorkeur kleiner zijn dan het piekvermogen dat nodig is om de HART module 2 en/of de LoRa module 3 te laten werken. Eventueel kan dit vooraf bepaald maximaal vermogen conditioneel zijn. Het vermogen dat onttrokken wordt aan het HART signaal wordt dan gebufferd in de interne energiebuffer zodat de voeding 11 wel het nodig vermogen kan opbouwen in de buffer om aan de HART module 2 en/of LoRa module 3 te sturen. Technisch zijn IC’s beschikbaar voor het onttrekken van elektrisch vermogen uit een HART signaal zonder het signaal te beïnvloeden. Een voorbeeld van een dergelijke IC is de LTC3255 van Linear Technology. De vakman is bekend met dergelijke technische oplossingen, en daarom worden deze oplossingen niet verder in details beschreven.

Op basis van de beschrijving hierboven zal de vakman begrijpen dat de uitvinding op verschillende manieren en op basis van verschillende principes kan uitgevoerd worden. Daarbij is de uitvinding niet beperkt tot de hierboven beschreven uitvoeringsvormen. De hierboven beschreven uitvoeringsvormen, alsook de figuren zijn louter illustratief en dienen enkel om het begrip van de uitvinding te vergroten. De uitvinding zal daarom niet beperkt zijn tot de uitvoeringsvormen die hierin beschreven zijn, maar wordt gedefinieerd in de conclusies.

2017/5218

BE2017/5218

Claims

Conclusies

1. Apparaat voor het doorsturen van data, waarbij het apparaat een Highway Addressable Remote Transducer (HART) module bevat en een Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) module bevat, waarbij het apparaat verder een voeding bevat voor het ontvangen van elektrisch vermogen en het verdelen hiervan naar de modules, en waarbij de HART module ingericht is om verbonden te worden met een extern HART-compatibel toestel om data van het extern toestel op te vragen en te ontvangen via een HART protocol, en waarbij de HART module operationeel verbonden is met de LPWAN module om de ontvangen data aan de LPWAN module te leveren, en waarbij de LPWAN module ingericht is om de ontvangen data te verzenden naar een externe LPWAN compatibele server.
2. Apparaat volgens conclusie 1, waarbij het apparaat verder een processor bevat die ingericht is om de operationele verbinding tussen de HART module en de LPWAN module te vormen.
3. Apparaat volgens conclusie 2, waarbij de processor verder verbonden is met een geheugen waarin HART module instructies en/of commando’s gerelateerd zijn aan LPWAN module instructies en/of commando’s zodat de processor de operationele verbinding vormt op basis van de gegevens in het geheugen.
4. Apparaat volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de LPWAN module ingericht is om de ontvangen data te verzenden naar een externe LPWAN compatibele server gebruik makende van een LoRaWAN protocol.
5. Apparaat volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de voeding ingericht is om verbonden te worden met het extern HART-compatibel toestel om vermogen uit het HART-signaal te ontvangen.
6. Apparaat volgens conclusie 5, waarbij de voeding aangepast is om minstens de grootte van de stroom van het HART-signaal niet noemenswaardig te verstoren tijdens het ontvangen van vermogen.
7. Apparaat volgens conclusie 5 of 6, waarbij de voeding verder een energieopslagmedium bevat voor het bufferen van energie tussen het ontvangen van vermogen en het verdelen van het vermogen naar de modules.
8. Apparaat volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het apparaat verder een firewall bevat die ingericht is om HART schrijfacties door de HART module te blokkeren.
9. Apparaat volgens conclusie 8, waarbij de firewall van het type is waarvoor een hardwarematige authenticatie vereist is voor het bypassen van de firewall.

2017/5218

BE2017/5218
10. Apparaat volgens conclusie 8 of 9 en volgens conclusie 2 of 3, waarbij de firewall tussen de processor en de HART module geplaatst is.
11. Apparaat volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de LPWAN module ingericht is om een moment in de tijd te kiezen voor het verzenden naar de externe LPWAN compatibele server.
12. Apparaat volgens conclusie 11, waarbij de LPWAN module ingericht is om het moment in de tijd te kiezen gebaseerd op een status van de voeding.
13. Werkwijze voor het verzenden van data van een extern Highway Addressable

Remote Transducer (HART) compatibel toestel naar een externe server, waarbij de werkwijze bevat het voorzien van een apparaat volgens een van de voorgaande conclusies, en waarbij de werkwijze verder bevat:

Opvragen van data van het extern HART compatibel toestel via een HART module van het apparaat;

Ontvangen van de data van het extern HART compatibel toestel op de HART module;

Transfereren van de ontvangen data naar een LPWAN module van het apparaat;

Verzenden door de LPWAN module van de ontvangen data naar de externe server.
14. Werkwijze volgens conclusie 13, waarbij de werkwijze bevat:

Triggeren door de LPWAN module van de HART module om de data op te vragen.
15. Werkwijze volgens conclusie 14, waarbij het triggeren gebeurt op een moment in de tijd dat gekozen wordt door de LPWAN module gebaseerd op een status van de voeding.

BE2017/5218

BE2017/5218

2017/5218

BE2017/5218

Doorsturen van data