DE102006062603A1

DE102006062603A1 - Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts in zwei Betriebszuständen

Info

Publication number: DE102006062603A1
Application number: DE102006062603A
Authority: DE
Inventors: Stefan Maier; Roland Dieterle
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-07-03
Also published as: WO2008080754A1

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts, das zwei Betriebszustände aufweist und das mit einem Speisegerät über zumindest eine Kommunikations-/Versorgungsleitung verbunden ist, wobei in einem ersten Betriebszustand eine gesamte Elektronik des Feldgeräts mit einer vorgegebenen Versorgungsleistung von dem Speisegerät versorgt wird und wobei in einem zweiten Betriebszustand zumindest Teile einer Elektronik des Feldgeräts mit einer vorgegebenen Erhaltungsleistung von dem Speisegerät versorgt werden. Die Erfindung sieht vor, dass ein Wechsel in den jeweilig anderen Betriebszustand durch eine Änderung der am Eingang der Kommunikations-/Versorgungsleitung (10) des Feldgeräts (1) anliegenden Klemmenspannung (K) bewirkt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts in zwei Betriebszust änden gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der industriellen Messtechnik, insb. in der Automatisierungs- und Prozesssteuerungstechnik, werden regelmäßig Feldgeräte eingesetzt, die im Prozessablauf mittels Sensoren Prozessvariablen messen oder mittels Aktoren Regelgrößen steuern. Die entsprechenden Feldgeräte ermitteln beispielsweise den Druck, den Durchfluss, den Füllstand, die Dielektrizitätskonstante, die Grenzschicht, die Temperatur oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße als eine Prozessvariable in einem Prozessablauf. Von der Anmelderin werden beispielsweise Feldgeräte unter dem Namen Cerabar, Deltabar, Deltapilot, Promass, Levelflex, Micropilot, Prosonic, Soliphant, Liquiphant, Easytemp produziert und vertrieben, die vorwiegend dazu bestimmt sind, zumindest eine der oben bezeichneten Prozessvariablen eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen.
Ein entscheidender Faktor in der Anwendung solcher Feldgeräte ist der Energieverbrauch des Feldgeräts, da diese aufgrund von Batteriebetrieb oder dem Explosionsschutz mit wenig zur Verfügung stehender Energie auskommen müssen. Es gibt verschieden Ansätze den Energieverbrauch im Feldgerät zu minimieren; einerseits wird der Energieverbrauch durch so genannte Niedrigenergie Elektronik-Bauteile generell gesenkt oder andererseits werden zumindest Teile des Feldgeräts für einen bestimmten Zeitraum ausgeschalten oder in einen Schlafmodus gefahren. Aus diesem Grund werden Feldgeräte und/oder Teile des Feldgeräts, wie z. B. der Mikrocontroller, für einen Zeitraum, in dem diese Teile des Feldgeräts oder das gesamte Feldgerät nicht genutzt werden, ausgeschalten. Hierzu ist meist eine intelligente Einheit zur Energiesteuerung im Feldgerät vorhanden. In der DE 10 2004 020 393 A1 wird eine solche Energie Steuer Einheit (ESE) für ein Funkmodul vorgestellt und gleichzeitig auf verschiedene Energieverwaltungsmöglichkeiten hingewiesen, wie intelligent und anwendungsabhängig der Energieverbrauch verringert werden kann. In dieser Veröffentlichung wird der Schlafmodus bzw. das Ausschalten von Teilen des Funkmoduls von der Energie-Steuer-Einheit (ESE) intern im Feldgerät geregelt und nicht durch ein externes Signal ausgelöst.
In der DE 11 2004 000 478 T5 wird eine Variante vorgestellt das Feldgerät durch eine externe Einheit über den Feldbus in den Schlafmodus zu versetzt und wieder aufzuwecken. Hierzu wird von der externen Einheit über den Feldbus in dem seriellen Übertragungssignal ein spezielles serielles Schlaf- oder Aufwecksignal an den Mikrocontroller übertragen, welche das Sensormodul in den Schlafmodus setzt und wieder aufweckt.
Nachteilig an den obigen Ausführungsbeispielen zur Senkung des Energieverbrauchs bei Feldgeräten ist, dass in den Feldgeräten ein kompliziertes und aufwendiges Energieverwaltungssystem integriert werden muss.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, das eine einfache, externe Signalisierung der Betriebszustandsänderung ermöglicht und die Initialisierungszeit des Feldgeräts verkürzt.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die Bauteile oder die Bauteilgruppen, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Betrieb eines Feldgeräts,
2: ein zweites Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Betrieb eines Feldgeräts und
3: ein Ausführungsbeispiel des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Messumformers des Feldgeräts.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts 1 in zwei Betriebzuständen über ein leitungsgebundenes Kommunikationsmittel, z. B. einen Feldbus 10 oder eine Zweidrahtleitung 10, aufgezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Feldgerät 1 als ein Prozessmessgerät zur Bestimmung des Füllstands nach dem Laufzeitprinzip von Mikrowellen dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf diese Art von Feldgerät 1 beschränkt, sondern der erfindungsgemäße Betrieb kann auf jedes Feldgerät angewendet werden. Das Feldgerät 1 enthält entweder zumindest einen Sensor 15 zur Ermittlung einer Messgröße der zu messenden Prozessgröße und einem Messumformer 4 zur Verarbeitung der ermittelten Messgröße aus oder zumindest einen Aktor 15 zum Beeinflussen einer Prozessgröße mittels einer Stellgröße und einem Messumformer 4 zum Einstellen der Stellgröße. Im Messumformer 4 wird aus der Prozessgröße ein Messwert und/oder der Stellgröße ein Stellwert ermittelt, der signaltechnisch weiterverarbeitet wird und/oder an eine übergeordnete Einheit, z. B. eine Leitstelle 6, gesendet wird. Die Kommunikation des Feldgeräts 1 zu der übergeordneten Einheit, z. B. einer Leitstelle 6, erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über ein Feldbussystem 10 beispielsweise nach einem HART-, PROFIBUS- oder FOUNDATION FIELDBUS-Standard, anhand der bekannten Kabelverbindungen. Über diesen Feldbus 10 bzw. Zweidrahtleitung 10 werden Daten D zwischen dem Feldgerät 1 und der Leitstelle 6 nach einem der oben erwähnten Standards gesendet und Leistung L von dem Speisegerät 5 in der Leistelle 6 dem Feldgerät 1 bereitgestellt. Diese Leistung wird beispielsweise aufgrund des Explosionsschutzes in Prozessanlagen auf einen maximalen Leistungswert beschränkt. Durch die Beschränkung der dem Feldgerät 1 zur Verfügung stehenden Leistung L ist somit auch der Leistungsverbrauch des Feldgeräts 1 beschränkt.
Wie schon beschrieben, gibt es grundsätzlich zwei Methoden den Leistungsverbrauch im Feldgerät 1 zu senken. Die erste Methode ist es, den Leistungsverbrauch der Bauteile zu senken, indem Niedrigenergie-Bauelemente in den Elektroniken des Feldgeräts 1 verwendet werden. In einer zweiten Methode, werden die Bauteile und Bauelemente, die viel Leistung verbrauchen und zumindest zeitweise nicht genutzt werden, abgeschaltet oder in einen Standby-Modus oder Schlaf-Modus versetzt. Die Elektronik im Messumformer 4 des Feldgeräts 1 stellt hierbei den größten Energieverbraucher dar.
Das Umschalten des Feldgeräts 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Wechsel des Speisegeräts 5 von der dem Feldgerät 1 bereitgestellten Versorgungsleitung VL auf eine Erhaltungsleistung EL. Der Wechsel in den Schlaf-Modus wird beispielsweise durch eine Erniedrigung der Klemmenspannung K unter einen definierten Schwellenwert bewirkt. Dieser Schwellenwert kann beispielsweise auch von dem aktuell fließenden Schleifenstrom I in eine Zweileiterschleife abhängig sein. Dadurch wäre der Wechsel in den Schlaf- oder Standby-Modus des Feldgeräts 1 nicht nur von einem festen Schwellwert der Klemmenspannung abhängig, sondern von der vom Speisegerät bereitgestellten tatsächlichen Leistung.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Betrieb des Feldgeräts 1 in zwei Betriebzuständen über ein drahtloses Kommunikationsmittel aufgezeigt. Die Leitstelle 6 sendet und empfängt Daten D von einem dem Feldgerät 1 beigeordneten Funkmodul 14 über die darin integrierten Sende-/Empfangseinheiten 8 und Antennen 9. Die Versorgung des Feldgeräts 1 mit der nötigen Leistung erfolgt in diesem Fall durch einen in dem Funkmodul 14 integrierten Energiespeicher 3, z. B. in der Form einer Batterie oder einer Brennstoffzelle. Das Feldgerät 1 ist über einen Feldbus bzw. Zweidrahtleitung 10 an das Funkmodul 14 angeschlossen. In dem Funkmodul 14 ist ein Speisegerät 5 vorgesehen, das das Feldgerät 1 mit der notwendigen Energie versorgt und das Feldgerät 1 in die beiden Betriebsmoden schaltet.
Das Feldgerät 1 mit dem beigeordneten Funkmodul 14 stellt ein autarkes System dar, das die Energieversorgung und die Kommunikation selbstständig regelt. Das Funkmodul 14 erhält über die drahtlose Kommunikationsstrecke von der Leistelle 6 ein entsprechendes Datensignal D das ein Umschalten des Betriebszustands in dem Speisegerät 5 des Funkmoduls 14 bewirken soll. Das Speisegerät 5 stellt je nach Anweisung der Leistelle 6 die Versorgungsleistung VL oder Erhaltungsleistung EI dem Feldgerät 1 bereit und kommuniziert den aktuellen Betriebszustand über die drahtlose Funkverbindung zur Leitstelle 6.
In 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aufbaus eines Messumformers 4 des Feldgeräts 1. Der Messumformer 4 umfasst eine Vielzahl von Elektronik 16, wie beispielsweise eine Messelektronik 12, einen Mikrokontroller 11, eine flüchtige Speichereinheit 2, eine Spannungsstabilisierungseinheit 13, einen Energiespeicher 3 und einen Komparator 7.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Messumformers arbeitet nach folgendem Prinzip. Das Speisegerät 5, das wie oben gezeigt in einer Leistelle 6 oder einem Funkmodul 14 integriert sein kann, versorgt das Feldgerät 1 im Betriebszustand mit einer Versorgungsleistung VL, die sich aus dem Schleifenstrom I und der Klemmenspannung K am Feldgerät zusammen setzt. Soll das Feldgerät in einen Schlafzustand versetzt werden, schaltet das Speisegerät 5 in eine Erhaltungsleistung EL um, indem die Klemmenspannung K am Feldgerät 1 unter Berücksichtigung des aktuellen Schleifenstromes I erniedrigt wird. In der Elektronik 16 des Feldgeräts 1 ist eine Spannungsstabilisierungseinheit 13 vorgesehen, die die Änderungen der Klemmenspannung K aufgrund der Betriebsumschaltungen stabilisiert, so dass der Mikrokontroller 11, die Messelektronik 12, der Sensor bzw. Aktor 15, die flüchtige Speichereinheit 2 und der Energiespeicher 3 immer mit der gleichen Spannung versorgt werden.
Der Komparator 7 im Messumformer 4 des Feldgeräts 1 ermittelt diese Änderung der Klemmenspannung K und gibt ein Betriebszustandsignal B an den Mikrokontroller 11 weiter. Dieser Mikrokontroller 1 versetzt dann die Messelektronik 12 und sich selbst in einen Schlaf-Modus oder schaltet die Messelektronik und sich selbst aus. Zuvor speichert jedoch der Mikrokontroller 11 alle notwendigen Daten in der flüchtigen Speichereinheit 2 ab, die während dem Schlaf-Modus zur Datenerhaltung von einem Energiespeicher 3 versorgt wird. Dadurch wird erreicht, dass bei einem Aufwecken oder Neustart der ausgeschalteten Elektronik 6 und insbesondere der Mikrokontroller 11 die Hochlauf- und Initalisierungsphase verkürzt wird. Es ist durch diese erfindungsgemäße Ausführung möglich, dass der Mikrokontroller 11 direkt nach dem Aufwecken wieder arbeiten kann, da die Parametersätze, der letzte Zustand und die letzten Werte in der flüchtigen Speichereinheit 2 gehalten wurden.
In der Initalisierungsphase des Feldgeräts 1 wird oft mehr Energie verbraucht als für den eigentlichen Messvorgang des Feldgeräts selbst notwendig ist. Dieser hohe Energieverbrauch in der Initalisierungsphase des Feldgeräts 1 kommt daher, dass Parametersätze, wie z. B. die Betriebsparameter und die Defaultwerte aus einem nichtflüchtigen Speicher, z. B. EPROM in den Mikrokontroller 11 oder in die flüchtigen Speichereinheit 2 eingelesen werden müssen. Bei solchen ungünstigen Verhältnissen wird die effektive Restlaufzeit des Feldgeräts 1, z. B. im Batteriebetrieb zum größten Teil durch den Energieverbrauch in der Initalisierungsphase bestimmt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung verkürzt die Initalisierungsphase und erzeugt somit eine günstigere Energiebilanz des Feldgeräts 1.
Es können auch halb-permanente Speicherelemente als Seichereinheit 2 in den Ausführungsbeispielen eingesetzt werden, wodurch auf einen Energiespeicher 3 zur Bereitstellung der Erhaltungsenergie der Speichereinheit verzichtet werden kann. Es gibt grundlegend zwei Arten von halb-permanenten Speicherelementen das FRAM oder das MRAM.
Das Ferroelectric Random Access Memory (FRAM oder FeRAM) ist ein nichtflüchtiger, elektronischer Speichertyp auf der Basis von Kristallen mit ferroelektrischen Eigenschaften. Der Aufbau entspricht dem einer DRAM-Zelle, nur wird anstelle eines "normalen" Kondensators ein ferroelektrischer Kondensator eingesetzt. Ferroelektrische Materialien können analog zu ferromagnetischen Materialien eine permanente Polarisation auch ohne externes Feld besitzen. Durch ein externes Feld kann diese Polarisation in eine andere Richtung "umgeschaltet" werden, worauf auch der Speicher-Mechanismus beruht.
Das Magneto-resistive Random Access Memory (MRAM) ist eine nichtflüchtige Speicher-Technik, die seit den 90er Jahren entwickelt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Speichertechniken, wie DRAM oder SRAM, werden die Informationen nicht mit elektrischen, sondern mit magnetischen Ladungselementen gespeichert, d. h. es wird die Eigenschaft bestimmter Materialien ausgenutzt, die ihren elektrischen Widerstand unter dem Einfluss magnetischer Felder ändern.

1: Feldgerät
2: flüchtige Speichereinheit
3: Energiespeicher
4: Messumformer
5: Speisegerät
6: Leitstelle
7: Komparator
8: Sende-/Empfangseinheit
9: Sendeelement, Antenne
10: Feldbus, Zweidrahtleitung, Kommunikations-Versorgungsleistung
11: Mikrocontroller
12: Messelektronik
13: Spannungsstabilisierungseinheit
14: Funkmodul
15: Sensor, Aktor
16: Elektronik
D: Daten, Datensignal
L: Leistung
EL: Erhaltungsleistung
VL: Versorgungsleistung
B: Betriebszustandssignal
K: Klemmenspannung
I: Schleifenstrom

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

- DE 102004020393 A1 [0003]
- DE 112004000478 T5 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts das zwei Betriebszustände aufweist und das mit einem Speisegerät über zumindest eine Kommunikations-Versorgungsleitung verbunden ist, wobei in einem ersten Betriebszustand die gesamte Elektronik des Feldgeräts mit einer vorgegebenen Versorgungsleistung von dem Speisegerät versorgt wird und wobei in einem zweiten Betriebszustand zumindest Teile der Elektronik des Feldgeräts mit einer vorgegebenen Erhaltungsleistung von dem Speisegerät versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass einen Wechsel in den jeweilig anderen Betriebszustand durch eine Änderung der am Eingang der Kommunikations-Versorgungsleitung (10) des Feldgeräts (1) anliegenden Klemmenspannung (K) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der am Eingang der Kommunikations-/Versorgungsleitung (10) des Feldgeräts (1) anliegenden Klemmenspannung (K) durch eine Änderung einer Ausgangsspannung (Ua) im Speisegerät (5) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der am Eingang der Kommunikations-/Versorgungsleitung (10) des Feldgeräts (1) anliegenden Klemmenspannung (K) durch eine Änderung eines Eingangswiderstands der Elektronik (16) im Feldgerät (1) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bedarfsfall dem Feldgerät (1) der Wechsel von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand mittels einer vorgegebenen Erniedrigung der Klemmenspannung (K) signalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem vorgegeben Zeitbereich und/oder durch eine Erhöhung der Klemmenspannung (K) der Wechsel des Feldgeräts (1) von dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand bewirkt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Klemmenspannung (K) durch ein Überschreiten oder ein Unterschreiten zumindest eines vorgegeben Schwellwerts der Klemmenspannung (K) mittels eines Komparators (7) in dem Feldgerät (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Komparator (7) ein Betriebszustandssignal (B) ausgegeben wird, mittels dem zumindest Teile der Elektronik (16) des Feldgeräts (1) in den zweiten Betriebszustand versetzt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen der vorgegeben Versorgungsleistung (VL) oder der vorgegeben Erhaltungsleistung (EL) die Änderung der Klemmenspannung (K) an einen aktuell vorhandenen Schleifenstrom (I) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 4, 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand zumindest eine flüchtige Speichereinheit (2) im Feldgerät (1) mit der zur Erhaltung der Daten (D) notwendigen Erhaltungsleistung (EL) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der flüchtigen Speichereinheit (2) im Feldgerät (1) zumindest die zur Initialisierung des Feldgeräts (1) und dem Hochfahren des Feldgeräts (1) in den ersten Betriebszustand notwendigen Daten (D) abgespeichert werden und diese Daten (D) zumindest für den Zeitraum des zweiten Betriebszustand durch die bereitgestellte Erhaltungsleistung (EL) in der flüchtigen Speichereinheit (2) aufrechterhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 7, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Elektronik (16) des Feldgeräts (1) oder die flüchtigen Speichereinheit (2) in dem Feldgerät (1) zumindest teilweise und/oder zeitweise mittels eines Energiespeichers (3) mit der notwendigen Erhaltungsleistung (EL) versorgt werden.