DE102006009979A1

DE102006009979A1 - Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Feldgerät

Info

Publication number: DE102006009979A1
Application number: DE200610009979
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hammer; Stefan Lüder; Klaus RÖTHER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Feldgerät (1), das eine Schnittstelle (2) zur drahtgebundenen Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk, insbesondere nach dem HART- oder PROFIBUS-PA-Standard, aufweist. Ein Funkmodul (7, 8) dient zur Umsetzung der drahtgebundenen Kommunikation in eine drahtlose Kommunikation. Zur Minimierung des Energieverbrauchs und damit zur Verlängerung der Lebensdauer eines Energiespeichers (4) ist eine Energiemanagementeinheit (11) vorhanden, durch welche das Feldgerät (1) zu vorgebbaren Betriebszeiten mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgbar ist. Die Erfindung hat den Vorteil, dass zur Erweiterung um eine Schnittstelle zur drahtlosen Kommunikation keinerlei Veränderungen an einem herkömmlichen Feldgerät (1) mit drahtgebundener Kommunikation vorgenommen werden müssen und dass ein autarker Betrieb ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Feldgerät, das eine Schnittstelle zur drahtgebundenen Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der industriellen Automatisierung besteht der Trend, zunehmend drahtlose Kommunikation in Automatisierungsnetzwerken einzusetzen. Der Wegfall der Verdrahtung bei prozessnahen Automatisierungskomponenten führt nämlich zu einer erheblichen Aufwandsersparnis beim Aufbau einer prozesstechnischen Anlage. Dabei besteht jedoch das Problem, dass häufig nur wenige der in der Anlage erforderlichen Automatisierungskomponenten mit einer Schnittstelle zur drahtlosen Kommunikation verfügbar sind. Dies trifft insbesondere bei Feldgeräten zu.
Mit dem Begriff Feldgerät wird ein Gerät bezeichnet, das dezentral im Feld angeordnet sein kann, das heißt in einem Automatisierungsnetzwerk in der Nähe des zu steuernden Prozesses, und das Funktionen zur Erfassung von Prozessgrößen und/oder zur Beeinflussung des Prozesses ausübt. Derartige Geräte werden häufig auch als Messumformer, Sensor, Stellglied oder Aktuator bezeichnet. Sie besitzen üblicherweise Einrichtungen zum Anschluss an ein Netzwerk und nutzen zur Kommunikation Kommunikationsmechanismen der Automatisierungswelt. Beispiele für derartige Kommunikationsmechanismen sind CAN, HART, PROFIBUS oder auf der Basis von Ethernet:
PROFINET, Ethernet IP oder MODBUS TCP.
Aus der Applikationsschrift „Freewave Radio Application", die von MACTek Corporation am 01.02.2006 unter der Internetadresse www.mactekcorp.com/pdfs/freewave.pdf im Internet zugänglich war, ist eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Feldgerät bekannt, wobei das Feldgerät lediglich eine HART-Schnittstelle zur drahtgebundenen Kommunika tion in einem Automatisierungsnetzwerk aufweist. Über einen HART/RS232-Umsetzer ist ein Funkmodem an die HART-Schnittstelle des Feldgeräts angeschlossen. Der Umsetzer und das Funkmodem haben somit die Funktion eines Funkmoduls, welches die drahtgebundene Kommunikation nach HART-Standard in eine drahtlose Kommunikation im 900 MHz-Frequenzband umsetzt. Bezüglich weiterer Einzelheiten des bekannten Funkmoduls wird auf die genannte Applikationsschrift verwiesen.
Die Verwendung des bekannten Funkmoduls hat den Nachteil, dass die Versorgung von Feldgerät und Funkmodul mit der erforderlichen Betriebsenergie dauerhaft aufrechterhalten werden muss. Damit ist ein Betrieb der Einrichtung ohne externe Stromversorgung kaum möglich.
Aus der US 6,903,659 B2 ist ein batteriebetriebener Druckregler bekannt, bei welchem der Zustand der Batterie mit einem Sensor überwacht wird. Zur Minimierung des Stromverbrauchs werden einzelne Komponenten des Druckreglers zeitweise abgeschaltet. Betriebsdaten und Alarmmeldungen des Druckreglers können über eine Kommunikationsschnittstelle, die drahtgebunden oder drahtlos ausgeführt sein kann, an eine Leitstation übertragen werden. In nachteiliger Weise muss gegebenenfalls das bekannte Feldgerät selbst bereits die drahtlose Kommunikation ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Feldgerät, das eine Schnittstelle lediglich zur drahtgebundenen Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk aufweist, zu schaffen, durch welche die zum Betrieb des Feldgeräts erforderliche Energie verringert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Feldgerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die zum Betrieb des Feldgeräts erforderliche Energie bei Anwendungen, bei welchen das Feldgerät nicht ständig aktiviert sein muss, wesentlich reduziert wird. Das Feldgerät wird lediglich zu den Betriebszeiten mit der Betriebsenergie versorgt, zu welchen seine Funktion für die Erfüllung der jeweiligen, automatisierungstechnischen Steuerungsaufgabe erforderlich ist. Beispielsweise bei einem Messumformer, der in einem Abtastregelkreis an einem zu regelnden Prozess Temperaturmesswerte erfasst und diese an einen Regler meldet, genügt es, den Messumformer lediglich zu den vorgegebenen Abtastzeiten mit der erforderlichen Betriebsenergie zu versorgen. Bei einem längeren Abtastintervall kann dagegen in den Pausen zwischen den Abtastzeiten die Betriebsenergieversorgung abgeschaltet und eine erhebliche Energiemenge eingespart werden. Bei erneutem Zuschalten der Betriebsenergie befindet sich das Feldgerät nach kurzer Anlaufphase wieder im Normalbetrieb und kann seine Aufgabe im Regelkreis erfüllen. In vorteilhafter Weise ermöglicht somit die erfindungsgemäße Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation den Betrieb eines Feldgeräts ohne externe Spannungsversorgung, da die Versorgung des Feldgeräts bei längeren Pausen zwischen aktiven Phasen abgeschaltet werden kann und die Lebensdauer eines Energiespeichers und damit die der gesamten Anordnung mit der Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation und dem Feldgerät vervielfacht wird.

Die Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation kann in vorteilhafter Weise bei nahezu allen Feldgeräten zum Einsatz kommen, die über eine Schnittstelle zur drahtgebundenen Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk verfügen. Besonders vorteilhaft ist sie bei Feldgeräten mit einer Schnittstelle nach der HART- oder PROFIBUS-PA-Spezifikation einsetzbar, da diese sich durch einen besonders niedrigen Bedarf an Betriebsenergie auszeichnen. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung kann eine große Auswahl von Feldgeräten, die bisher lediglich für einen Einsatz mit drahtgebundener Kommunikation geeignet waren, für eine drahtlose Kommunikation erweitert und in drahtlosen Automatisierungsnetzwerken eingesetzt werden.

Die vorgebbaren Betriebszeiten, zu welchen das Feldgerät mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgt wird, kann zum einen parametriert werden, zum Beispiel als Abtastzeit in einem Abtastregelkreis, zum anderen ereignisgesteuert vorgegeben werden, zum Beispiel durch das Funkmodul, wenn in Reaktion auf einen Empfang einer entsprechenden Anforderung über drahtlose Kommunikation ein Messwert eines Messumformers bereitgestellt werden soll. Entsprechendes gilt selbstverständlich für die vorgebbaren Ruhezeiten, zu welchen die Betriebsenergie des Feldgeräts abschaltbar ist.

In vorteilhafter Weise wird eine weitere Energieeinsparung dadurch möglich, dass durch die Energiemanagementeinheit die Betriebsenergie des Funkmoduls zu vorgebbaren Ruhezeiten, zu welchen keine Kommunikation beabsichtigt ist, abschaltbar ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kommunikation in festen Zyklen stattfindet, das heißt, wenn Prozessvariablen zu vorgeplanten Zeitpunkten übertragen werden.

In dem Fall, dass ein Energiespeicher als Quelle der Betriebsenergie vorgesehen ist, wird dieser in vorteilhafter Weise durch eine Einheit überwacht, durch welche die aus dem Speicher entnommene Energiemenge gemessen und/oder die verbleibende Betriebsdauer des Energiespeichers als Kenngröße ermittelt wird. Damit ist der jeweilige Zustand des Energiespeichers bekannt und bei Bedarf kann eine Wartungsanforderung generiert werden. So kann ein Geräteausfall vermieden werden, der je nach Anwendungsfall mit einem Anlagenstillstand und mit hohen Kosten verbunden sein könnte. Die ermittelte Kenngröße und die Wartungsanforderung kann beispielsweise direkt an der Überwachungseinheit angezeigt werden. Alternativ oder ergänzend dazu ist es möglich, eine entsprechende Meldung über die Kommunikationsschnittstelle an eine übergeordnete Leitstation zu übertragen.

Weiterhin kann in vorteilhafter Weise eine Überwachungseinheit für die drahtlose Kommunikation des Funkmoduls vorgesehen werden, durch welche zumindest eine Kenngröße für die Bewertung und/oder Diagnose der drahtlosen Kommunikation ermittelt wird. Aufgrund der Offenheit des Übertragungsmediums bei der drahtlosen Kommunikation ist nämlich eine permanente Diagnose der Verbindungsqualität von großer Bedeutung. Mit der Überwachungseinheit ist es möglich, den Betreiber der Funkkommunikation über auftretende Probleme zu informieren und/oder automatisch weitere Schritte einzuleiten, beispielsweise automatisch den zur Kommunikation genutzten Kanal bei einer Störung zu wechseln. Als Kenngröße kann beispielsweise die Signalfeldstärke beim Empfänger, die Datenfehlerrate oder ähnliches ermittelt werden.

Eine Kommunikationseinheit, die an das Funkmodul angeschlossen ist, ermöglicht es in vorteilhafter Weise, eine von einer Überwachungseinheit ermittelte Kenngröße durch das Funkmodul mit drahtloser Kommunikation beispielsweise an eine übergeordnete Leitstation zu übertragen. Anhand der Kenngrößen kann dort eine weitere Verarbeitung vorgenommen werden, beispielsweise um kritische Zustände oder Trends frühzeitig zu erkennen, bevor eine Störung auftritt. Zum Beispiel kann durch eine Erkennung eines bevorstehenden Ausfalls des Energiespeichers ein rechtzeitiger Austausch des Speichers veranlasst werden. Die Kommunikationseinheit kann die Kommunikation zusätzlicher Kenngrößen erlauben, deren Kommunikation im Kommunikationsmechanismus der drahtgebundenen Kommunikation des Feldgeräts, beispielsweise einer HART-Kommunikation, nicht vorgesehen ist. Zusätzlich zu den Inhalten der HART-Telegramme können dann weitere Parameter durch Funkkommunikation übermittelt werden. Dies kann durch eine Erweiterung eines durch eine HART-Kommunikation initiierten Datentelegramms oder durch zusätzliche Datentelegramme zwischen den einzelnen HART-Telegrammen geschehen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
In der einzigen Figur ist ein Blockschaltbild eines autarken Feldgeräts dargestellt, das ohne jegliche externe Verdrahtung auskommt. Basis des autarken Feldgeräts bildet ein Feldgerät 1 mit einer Schnittstelle 2 zur drahtgebundenen Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach dem HART-Standard. Eine Schnittstelle zur drahtlosen Kommunikation ist bei dem Feldgerät 1 nicht vorgesehen. Feldgeräte mit lediglich einer Schnittstelle zur drahtgebundenen Kommunikation sind vielfältig verfügbar, beispielsweise als Sensor, auch Messumformer genannt, oder als Aktuator, zum Beispiel als Regelventil. Um bei dem Feldgerät 1 eine drahtlose Kommunikation zu ermöglichen, ist eine entsprechende Einrichtung 3 vorgesehen. Die Einrichtung 3 zur drahtlosen Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk, beispielsweise über Funk, enthält einen Energiespeicher 4, zum Beispiel eine Batterie oder eine Brennstoffzelle, deren abgegebene Energiemenge durch eine Überwachungseinheit 5 erfasst und als Kenngröße an eine Kommunikationseinheit 6 weitergegeben wird. Anhand der Anfangskapazität des Energiespeichers 4, der Betriebszeit, der in dieser Betriebszeit entnommenen Energiemenge und evtl. weiterer Parameter des Energiespeichers 4, beispielsweise der Selbstentladung, wird durch die Überwachungseinheit 5 eine verbleibende Betriebsdauer des Energiespeichers 4 als eine weitere Kenngröße ermittelt. Die Kommunikationseinheit 6, kann selbst Kommunikationstelegramme, insbesondere mit ermittelten Kenngrößen, erzeugen und befindet sich in der Kommunikationskette zwischen einem HART/RS232-Umsetzer 7, welcher die Telegramme nach HART-Standard in RS232-Signale wandelt, die zu einer Schnittstelle 9 der Kommunikationseinheit 6 kompatibel sind, und einem Funkmodem 8, welches von der Kommunikationseinheit 6 ausgegebene oder erzeugte Telegramme mit einer Antenne 10 zur drahtlosen Kommunikation in einem drahtlosen Automatisierungsnetzwerk aussendet. Durch eine Überwachungseinheit 16 wird die Signalfeldstärke der durch das Funkmodem 8 mit der Antenne 10 empfangbaren Signale gemessen. In der Überwachungseinheit 16 können daraus Kenngrößen bestimmt werden, die eine Qualitätsbeurteilung des jeweils verwendeten Funkkanals erlauben. Eine Energiemanagementeinheit 11 zur Ansteuerung von Schaltern 12, 13, 14 und 15 ermöglicht es, die Zufuhr von Betriebsenergie zeitweise abzuschalten. In der Zeichnung sind die Stromversorgungsleitungen an den Schaltern 12...15 der Anschaulichkeit wegen getrennt von den Datenflusspfeilen zwischen den Funktionseinheiten 1, 5...8, 11, 16 dargestellt. Dies darf jedoch nicht als eine Beschränkung bei der physikalischen Realisierung verstanden werden. Bei einigen Standards der drahtgebundenen Kommunikation in Automatisierungsnetzwerken erfolgt die Übertragung der Daten und der zum Betrieb des Geräts erforderlichen Energie über dieselben Leitungen. Dies ist zum Beispiel bei Feldbussen nach HART- und PROFIBUS-PA-Spezifikation der Fall. Um den Verbrauch an Energie, die im Energiespeicher 4 vorhanden ist, auf das in der jeweiligen Anwendung notwendige Maß zu minimieren, wird das Feldgerät 1 nur für die zur Durchführung seiner eigentlichen Aufgabe notwendige Zeit mit Energie versorgt. Beispielsweise ein Messumformer als Feldgerät 1 läuft mit Zuschalten der Betriebsenergie an, das heißt sein interner Prozessor führt eine Anlaufroutine aus, und liefert danach auf Anfrage seinen Messwert über die drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle 2. Sobald die Betriebsenergie wieder abgeschaltet wird, wechselt das Feldgerät 1 in einen Ruhezustand, in welchem es keine Energie benötigt. Die Erweiterung des Feldgeräts 1 mit drahtgebundener Schnittstelle 2 um die Einrichtung 3 zur drahtlosen Kommunikation erfordert somit keinerlei Veränderungen an dem Feldgerät 1, so dass in vorteilhafter Weise jedes herkömmliche Feldgerät mit drahtgebundener Schnittstelle eingesetzt werden kann. Für eine weitere Energieminimierung kann auch die Versorgung des HART/RS232-Umsetzers 7, der Kommunikationseinheit 6, des Funkmodems 8 und der Überwachungseinheit 16 zeitweise abgeschaltet werden, so dass diese nur für die Dauer der Kommunikation aktiviert sind. Zyklische Zeiten, zu welchen die Komponenten mit Be triebsenergie versorgt werden, können durch vorherige Parametrierung vorgegeben werden. Wenn durch die Ansteuerung lediglich die Kommunikationseinheit 6 und das Funkmodem 8 aktiviert sind, ist es selbstverständlich alternativ dazu möglich, auf eine über drahtlose Kommunikation eingegangene Anforderung hin ausgewählte Komponenten der Anordnung zu aktivieren.

Claims

Einrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit einem Feldgerät (1), das eine Schnittstelle (2) zur drahtgebundenen Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk, insbesondere nach dem HART- oder PROFIBUS-PA-Standard, aufweist, mit einem Funkmodul (7, 8), das an die Schnittstelle (2) anschließbar ist, zur Umsetzung der drahtgebundenen Kommunikation in eine drahtlose Kommunikation, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiemanagementeinheit (11) vorhanden ist, durch welche das Feldgerät (1) zu vorgebbaren Betriebszeiten mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgbar ist und durch welche die Betriebsenergie des Feldgeräts (1) zu vorgebbaren Ruhezeiten abschaltbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Energiemanagementeinheit (11) die Betriebsenergie des Funkmoduls (7, 8) zur vorgebbaren Ruhezeiten, zu welchen keine Kommunikation beabsichtigt ist, abschaltbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher (4) als Quelle der Betriebsenergie vorhanden ist und dass eine Überwachungseinheit (5) für den Energiespeicher (4) vorgesehen ist, durch welche die aus dem Speicher (4) entnommene Energiemenge messbar und/oder die verbleibende Betriebsdauer des Energiespeichers (4) als Kenngröße ermittelbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinheit (16) für die drahtlose Kommunikation des Funkmoduls (7, 8) vorhanden ist, durch welche zumindest eine Kenngröße für die Bewertung und/oder Diagnose der drahtlosen Kommunikation ermittelbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommunikationseinheit (6) vorhanden ist, die an das Funkmodul (7, 8) angeschlossen ist, so dass eine von der Überwachungseinheit (5, 16) ermittelte Kenngröße durch das Funkmodul (7, 8) mit drahtloser Kommunikation übertragbar ist.