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In
der Prozessmesstechnik 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 übergeordneten
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 mit einer möglichst
langen Standdauer.
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Bei
speziellen Anwendungen, insbesondere Tanklager, Silos oder Brunnen
steht an den Messstellen kein Energieversorgungsansschluss zur Verfügung, so
daß diesen
Anwendungen nur autonome Feldgeräte
eingesetzt werden können,
die über
eine interne Spannungsversorgung (z. Bsp. Batterie, Solarzellen)
verfügen
und somit nicht auf eine kabelgebundene Spannungsversorgung angewiesen
sind und die die Messwerte von Prozessvariablen an übergeordnete
Einheiten ebenfalls kabellos via Funk übertragen.
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In
der Regel stellen die Feldgeräte
Daten bereit, die von der übergeordneten
Einheit abgerufen werden. Die Kommunikation erfolgt häufig nach
dem Master-Slave oder Client-Server Prinzip.
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Um
jederzeit für
die übergeordnete
Einheit ansprechbar zu sein, muss ein Feldgerät permanent empfangsbereit
sein. Zur Aufrechterhaltung dieser Empfangsbereitschaft wird kontinuierlich
Energie verbraucht. Dies erfordert beim Batteriebetrieb ein häufiges Wechseln
der Batterie oder eine extrem leistungsfähige Batterie. Beim Solarbetrieb
müssen die
Solarzellen entsprechend groß ausgelegt
sein bzw. es müssen
entsprechend große
Energiespeicher im Feldgerät
vorhanden sein, um auch in Zeiten, in denen keine oder nur wenig
Solarenergie zur Verfügung
steht, ausreichend Energie kontinuierlich zur Verfügung stellen.
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Der
permanente Betrieb eines autonomen Feldgerätes erfordert sowohl beim Batteriebetrieb wie
auch beim Solarbetrieb einen entsprechend hohen Aufwand, um die
permanente Betriebsbereitschaft des Feldgerätes zu gewährleisten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines
autonomen Feldgerätes
der Prozessmesstechnik anzugeben, das die oben angegebenen Nachteile
nicht aufweist, das insbesondere weniger Energie verbraucht und
das einfach und kostengünstig
realisierbar ist.
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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, dass das Feldgerät überwiegend
in einem Energiesparmodus betrieben wird, indem das Feldgerät nicht
empfangsbereit ist und damit auch keinen Datenaustausch mit der übergeordneten
Einheit möglich
ist. Zum Datenaustausch wird das Feldgerät sporadisch in einen Aktivmodus
geschaltet. Dieser Aktivmodus wird zu ganz bestimmten Kommunikationszeitpunkten
aktiviert, die vorab zwischen der übergeordneten Einheit und dem
Feldgerät
vereinbart wurden. Nach der Aktivierung des Feldgerätes ist
eine einwandfreie Kommunikation zwischen Feldgerät und übergeordneter Einheit möglich. Durch dieses Verfahren
ist eine sichere Kommunikation gewährleistet, weil beiden Kommunikationspartnern
die Kommunikationszeitpunkte bekannt sind.
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In
einfacher Weise werden die Kommunikationszeitpunkte einem Feldgerät mitgeteilt,
wenn dieses seine Messwerte an die übergeordnete Einheit übertragen.
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Da
eine Kommunikation zwischen Feldgerät und übergeordneter Einheit nur während ganz
bestimmten Zeitpunkten möglich
ist, ist eine Synchronisation der Zeitgeber von Steuereinheit und
Feldgerät zwingend
notwendig.
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Da
die Zeitdauer für
die Erledigung von Kommunikationsaufgaben variabel sein kann, ist
es sinnvoll, wenn von der Steuereinheit aus die Möglichkeit besteht,
den Aktivmodus im Feldgerät
zu beenden. Dies kann durch ein entsprechendes Kommando, das an
das Feldgerät
gesendet wird, erfolgen.
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Auch
das Feldgerät
sollte die Möglichkeit
besitzen, den Aktivmodus beenden zu. können. In einfacher Weise erfolgt
dies dann, wenn die übergeordnete
Einheit während
eines längeren
vorgegebenen Zeitraums nicht auf das Feldgerät zugreift.
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Zu
den Kommunikationszeitpunkten möchte normalerweise
ein Anwender das Feldgerät
bedienen. Aus diesem Grund wird automatisch, wenn das Feldgerät aktiviert
ist, ein Bedienprogramm auf der übergeordneten
Einheit gestartet.
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Es
ist möglich,
dass zu einem geplanten Kommunikationszeitpunkt der Energiestatus
des Feldgerätes
für eine
einwandfreie Kommunikation nicht ausreichend sein wird. Das Feldgerät akzeptiert deshalb
nur Kommunikationszeitpunkte, wenn zu diesen der Energiestatus für eine einwandfreie
Kommunikation voraussichtlich ausreichend ist.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Anwendung
mit mehreren autonomen Feldgeräten
der Prozessmesstechnik in schematischer Darstellung.
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2–4 spezielle
Anwendung nach 1 mit einer zusätzlichen
Basisstation und 5 Feldgeräten
zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
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In 1 sind
zwei typische Anwendungen für
autonome Feldgeräte
schematisch dargestellt. Bei der ersten Anwendung ist ein autonomes
Feldgerät
F1 (Radarfüllstandsmessgerät) an einem
Behälter B1
(Silo, Tank, etc.) vorgesehen. Das Feldgerät F1 kommuniziert über eine
Funkstrecke FS1 mit einer entfernt angeordneten übergeordneten Einheit S1, die
zur Prozessüberwachung
bzw. Prozessvisualisierung dient. Diese Einheit S1 kann Informationen
des Feldgerätes
F1 auch weiteren übergeordneten
Einheiten S2 bzw. S3 zur Verfügung
stellen.
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Bei
der Funkverbindung FS1 kann es sich zum Beispiel um ein öffentliches
Kommunikationsnetzwerk (GSM/Satellit) handeln.
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Die
zweite Anwendung weist mehrere Feldgeräte F2, F3, F4, F5, F6 auf,
die jeweils an entsprechenden Behältern B2, B3, B4, B5, B6 angeordnet sind.
Diese Feldgeräte
kommunizieren über
eine zweite Funkstrecke FS2 mit einer Basisstation B und bilden
untereinander ein drahtloses Funknetzwerk FN2. Eine solche Basisstation
B, die mit mehreren Feldgeräten
kommunizieren kann, ist zum Beispiel das Produkt Fieldgate der Firma
Endress + Hauser. Die Basisstation B sammelt die Messdaten der Feldgeräte und überträgt sie an
die übergeordnete
Einheit S1 in gleicher Weise, wie das Feldgerät F1, nämlich über die Funkstrecke FS1.
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Nachfolgend
ist das erfindungsgemäße Verfahren
beispielhaft für
das Feldgerät
F1 näher
erläutert.
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Normalerweise
wird das Feldgerät
F1 in einem Energiesparmodus betrieben. In diesem Zustand verbraucht
das Gerät
extrem wenig Energie und kann auch nicht von der übergeordneten
Einheit S1 angesprochen werden.
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Zu
bestimmten Kommunikationszeitpunkten, die vorher zwischen der übergeordneten
Einheit S1 und dem Feldgerät
F1 vereinbart wurden, geht das Feldgerät von dem Energiesparmodus
in einen Aktivmodus über.
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Während des
Aktivmodus stehen alle Funktionalitäten des Feldgerätes zur
Verfügung,
insbesondere kann die übergeordnete
Einheit S1 auf das Feldgerät.
zugreifen. In der Regel erfolgt der Zugriff über ein entsprechendes Bedienprogramm
z. B. FieldCare der Fa. Endress + Hauser.
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Über das
Bedienprogramm kann der Anwender zu diesen Kommunikationszeitpunkten
Diagnoseinformationen abrufen oder Parametereinstellungen am Feldgerät F1 vornehmen.
Wenn der Bedienvorgang abgeschlossen ist, übertragt die übergeordnete
Einheit S1 ein entsprechendes Kommando an das Feldgerät F1, um
den Aktivmodus zu deaktivieren und den Energiesparmodus zu aktivieren.
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Um
möglichst
wenig Energie zu verbrauchen, schaltet das Feldgerät sicherheitshalber
in den Energiesparmodus, wenn im Aktivmodus über einen längeren definierten Zeitraum
die übergeordnete
Einheit S1 nicht auf das Feldgerät
F1 zugreift.
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Zur
Messwertbestimmung muss sich das Feldgerät ebenfalls im Aktivmodus befinden.
Normalerweise wird der Messwert am Ende einer Aktivphase in einer
Messwertübertragungsphase
an die übergeordnete
Einheit S1 übertragen.
Da zu diesen Zeitpunkten das Feldgerät F1 mit der übergeordneten Einheit
S1 kommuniziert, können
die Kommunikationszeitpunkte für
eine Bedienung ebenfalls zu diesen Zeitpunkten festgelegt werden.
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Das
Feldgerät
weist einen Zeitgeber auf (Timer/Kalender), der das Feldgerät zu dem
gewünschten
Kommunikationszeitpunkt aktiviert.
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Um
eine sichere Kommunikation zu den Kommunikationszeitpunkten zu gewährleisten,
werden die Zeitgeber im Feldgerät
F1 und in der übergeordneten
Einheit S1 regelmäßig synchronisiert.
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Die
Kommunikationszeitpunkte werden zwischen der übergeordneten Einheit S1 und
dem Feldgerät
F1 vereinbart.
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Möchte ein
Anwender von einer weiteren übergeordneten
Einheit S2 bzw. S3, die die Kommunikationszeitpunkte nicht kennen,
auf das Feldgerät F1
zugreifen, so wird die jeweilige übergeordnete Einheit S2, bzw.
S3 von der übergeordneten
Einheit S1 informiert, wenn eine Kommunikation mit dem Feldgerät möglich ist.
Der Anwender kann nun auch von diesen Einheiten mit einem entsprechenden
Bedienprogramm auf das Feldgerät
F1 zugreifen.
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In
einfacher Weise wird automatisch zu den Kommunikationszeitpunkten
ein Bedienprogramm auf der übergeordneten
Einheit gestartet.
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Benötigt das
Feldgerät
F1 nach einer Kommunikation mit der übergeordneten Einheit S1 längere Zeit
bis eine erneute Kommunikation wieder möglich ist, z. B. weil entsprechende
Energiespeicher aufzuladen sind, so werden Kommunikationszeitpunkte, die
in diesem Zeitraum liegen sollen, vom Feldgerät F1 nicht akzeptiert. Die
Steuereinheit S1 muss in diesem Fall einen späteren Kommunikationszeitpunkt vorschlagen.
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Es
ist sinnvoll der übergeordneten
Einheit S1 auch den aktuellen Energiestatus des Feldgerätes F1 zu übermitteln,
so dass dieser Status bei der Planung zukünftigen Kommunikationszeitpunkten
berücksichtigt
werden kann.
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Die
wesentliche Idee der zweiten Anwendung besteht darin, dass ein ganzes
lokales Funknetzwerk FN2 bestehend aus mehreren Feldgeräten mit
Funkschnittstelle und autonomer Energieversorgung überwiegend
in einem Energiesparmodus betrieben wird, in dem das Funknetzwerk
FN2 inklusive der Feldgeräte
F2–F6
und Basisstation B nicht empfangsbereit ist und damit auch keinen
Datenaustausch mit der übergeordneten
Einheit S1 möglich
ist. Zum Datenaustausch wird hier das gesamte Funknetzwerk inklusive
der Feldgeräte
F2–F6
und Basisstation B sporadisch in einen Aktivmodus geschaltet.
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In
den 2–4 sind
die Feldgeräte F2–F6 und
die Basisstation B zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass sich die Geräte überwiegend
in einem Energiesparmodus befinden. In diesem Energiesparmodus ist
weder eine Kommunikation noch eine Messwerterfassung möglich.
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In 2 befinden
sich sowohl die Basisstation B wie auch die Feldgeräte F2–F6 im Energiesparmodus
(ohne Schraffur dargestellt). Die Basisstation B ist so eingerichtet,
dass sie zu einem Zeitpunkt T–x, wobei
T ein bestimmter Kommunikationszeitpunkt ist, den Bootvorgang startet.
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Die
Basisstation B ist für
Aufbau und Koordination des Funknetzwerkes FN2 zuständig und
muss daher x Zeiteinheiten vor allen anderen Netzteilnehmern F2–F6 betriebsbereit
sein.
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In 3 befindet
sich die Basisstation im aktiven Zustand (schraffiert dargestellt)
und erwartet die Anmeldung der Feldgeräte F2–F6. Die Basisstation B wartet
nun, bis alle Feldgeräte
F2–F6
betriebsbereit sind und sich als lokale Netzteilnehmer des Netwerkes
FN2 angemeldet haben. Die Feldgeräte F2–F6 haben ebenso den zuvor
bestimmten Kommunikationszeitpunkt T als nächsten Aufwachzeitpunkt vorgegeben
und starten entsprechend der internen Zeitführung den Bootvorgang zum Zeitpunkt
T.
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4 zeigt
nun die Basisstation B wie auch die Feldgeräte F2–F6 im aktiven Zustand (schraffiert dargestellt).
Die Basisstation B authentifiziert die Netzteilnehmer F2–F6 und
koordiniert das nun aktive Funknetzwerk FN2. Anschließend ist
eine Kommunikation zwischen den Feldgeräten F2–F6 und der übergeordneten
Einheit S1 über
die Funkstrecke FS2 mit Funknetzwerk FN2, Basisstation B und Funkstrecke
FS1 möglich.
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Nachdem
alle Kommunikationsaufgaben abgearbeitet sind, gehen die Feldgeräte F2–F6 und
die Basisstation wieder in den Energiesparmodus (2) über.