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Die
Erfindung betrifft ein Funkfeldgerät der Automatisierungstechnik
mit integrierter Energieversorgung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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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.
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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.
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Eine
Vielzahl solcher Feldgeräte
wird von der Firma Endress + Hauser, hergestellt und vertrieben.
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In
der Regel sind Feldgeräte
in modernen Fabrikationsanlagen über
standardisierte Feldbussysteme (Profibus®, Foundation® Fieldbus,
HART® etc.)
mit übergeordneten
Einheiten, z. Bsp. Leitsystemen oder Steuereinheiten verbunden.
Diese Zentraleinheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung,
Prozessüberwachung
sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte.
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Meist
sind Feldbussysteme auch in Unternehmensnetzwerke integriert. Damit
kann aus unterschiedlichen Bereichen eines Unternehmens auf Prozess-
bzw. Feldgerätedaten
zugegriffen werden.
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Zur
weltweiten Kommunikation können
Firmennetzwerke auch mit öffentlichen
Netzwerken, z. B. dem Internet, verbunden sein.
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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.
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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.
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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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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.
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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).
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Über ein
Handbediengerät
können
Funkfeldgeräte
einfach vor Ort bedient, d. h. konfiguriert und parametriert werden.
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Herkömmliche
Feldgeräte
können
in der Regel über
die Feldbusschnittstelle oder über
eine separate meist Proprietäre
Kommunikationsschnittstelle via Kabel bedient werden.
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Bei
Funkfeldgeräten
einen Kabelanschluss vorzusehen ist teilweise nicht erwünscht oder
aus Platzgründen
einfach nicht möglich.
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Wenn
das Gerät
keine Schnittstelle für
eine kabelgebundene Kommunikation aufweist, kann die Kommunikation
zwischen Handbediengerät
und Funkfeldgerät
nur per Funk erfolgen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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.
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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.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Anforderungen können die Funkmodule für den Austausch
von Steuerungsdaten und die Funkmodule für die Bedienung nach völlig verschiedenen Übertragungsstandards
arbeiten.
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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 1 die Kommunikationswege FV zu den jeweils nächsten Nachbarn
der einzelnen Feldgeräte.
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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.
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Die
Funkverbindung erfolgt dann zum Beispiel über das Feldgerät F4 zur
Zentraleinheit ZE.
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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.
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Verzögerungen
bei einem Steuerbefehl für
ein Ventil kann schwerwiegende Folgen für die Anlagensicherheit haben.
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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.
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In 2 ist
ein Funkfeldgerät,
am Beispiel des Funkfeldgerätes
F1 nähen
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.
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Bei
dem Funkmodul FM1 kann es sich um das bereits erwähnte HART-Funkmodul handeln.
Das Funkmodul FM2 ist ein zum Beispiel ein Bluetooth-Modul.
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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 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.
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In 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 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.
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Die
beiden Funkmodule FM1 und FM2 arbeiten völlig unterschiedlich.
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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.
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Nachfolgend
ist die Funktion der Erfindung anhand von 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.
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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.
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Die
Kommunikationswege zur Bedienung und zur Steuerung sind völlig getrennt
voneinander und können
sich dadurch auch nicht beeinflussen.
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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.
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Die
Priorität
liegt bei dem Austausch von Steuerungsdaten. Parametrier- bzw. Konfigurieranfragen werden
im Verteilermodul V zwischengespeichert und erst nachdem die Steuerungsaufgabe
erledigt ist, abgearbeitet.
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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.
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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.
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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.
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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
| Antenne | A1,
A2 |
| Anzeigeeinheit | AZ |
| Datenübertragungsleitung | DL |
| Drehknopf | DK |
| Funkeinheit | FE |
| Funkfeldgeräten | F1 |
| Funkmodul | FM1,
FM2 |
| Funknetzwerk | FNW |
| Handbediengerät | H |
| Kommunikationswege | FV |
| Tastschalter | T1,
T2, T3 |
| Verteilermodul | V |
| Zentraleinheit
(SPS, Gateway) | ZE |
| Display | D |