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Die
Erfindung betrifft eine Feldbusanordnung gemäß Gattungsbegriff
des Anspruchs 1. Es handelt sich um eine Feldbusanordnung mit einer
oder mehreren zentralen Einheiten (z. B. Prozesssteuereinrichtung,
Asset Management System oder SPS) zum Führen, Steuern,
Regeln, Warten und/oder Instandhalten einer Maschine oder Anlage
oder Teilen davon und mindestens einem Feldgerät (ausgebildet
als Sensor oder Aktor oder Sensor und Aktor), welches über
eine oder mehrere Feldbusleitungen direkt oder indirekt mit einer
oder mehreren zentralen Einheiten verbunden ist, wobei über
die Feldbusleitungen eine Datenkommunikation zwischen dem Feldgerät
und der Prozesssteuereinrichtung nach einem vorgegebenen Datenübertragungsprotokoll
erfolgt, mit einer Diagnoseeinrichtung, die mit den Adern der Feldbusleitung
in eine elektrische Wirkverbindung bringbar ist, um eine oder mehrere
elektrische und logische Eigenschaften der Kommunikationssignale
und Energieversorgung auf der Feldbusleitung zu ermitteln und diese
Eigenschaften an die zentrale Einheit oder Einheiten zu übermitteln.
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Die
Erfindung betrifft darüber hinaus eine Diagnoseeinrichtung
für eine eine Prozesssteuereinrichtung und eine Busleitung
aufweisende Feldbusanordnung, wobei die Diagnoseeinrichtung ein
ortsveränderliches Gerät ist mit elektrischen
Anschlüssen zum Anschluss an die Adern der Busleitung,
um ein oder mehrere Datenkommunikationseigenschaften der Feldbusleitung
zu ermitteln und die so ermittelten Datenkommunikationseigenschaften
an die Prozesssteuereinrichtung zu übermitteln.
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Aus
der
EP 1251416 B1 ist
eine Feldbusanordnung mit Diagnoseeinrichtung bekannt. Die Diagnoseeinrichtung
ist über eine Schnittstelle mit dem I/O-Bus einer SPS verbunden.
Die Diagnoseeinrichtung erhält ihre Diagnoseinformationen
von einer Feldbus-Anschaltbaugruppe über den I/O-Bus. Feldbusspezifi sche
Diagnoseinformationen werden über den I/O-Bus und ein Interface
an die Diagnose-Vorrichtung geleitet.
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Die
WO 2004/099889 beschreibt
ein Feldgerät für eine Feldbusanordnung mit einer
Diagnose-Service-Schnittstelle. Feldgerätespezifische Daten
werden dort von der Diagnose-Service-Schnittstelle über
den Feldbus übertragen.
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Die
WO 2006/089760 A1 beschreibt
eine Feldbusanordnung, bei der ein Feldgerät über
eine Funkübertragungseinrichtung mit einer Steuereinrichtung
kommuniziert. Über die Funkübertragungsstrecke
soll die gesamte Datenkommunikation, die normalerweise über
den Draht eines Feldbusses läuft, zwischen Feldgerät
und Steuereinrichtung übertragen werden.
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Die
WO 2004/029895 betrifft
ein Verfahren zum Datenaustausch zwischen Feldgeräten.
Alternativ zu einer drahtgebundenen Kommunikation soll dort der
Datenaustausch auch über eine Funkverbindung zwischen den
Feldgeräten erfolgen. Über die Funkverbindung
sollen die Feldgeräte Daten zu Prozessbedingungen austauschen.
Dadurch sollen die Eigenschaften zweier Feldgeräte in einfacher
Weise dupliziert werden können.
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Die
DE 19637187 B4 betrifft
ein Röntgengerät mit integriertem Mobilfunkgerät.
Mittels des Mobilfunkgerätes kann zwischen Herstellungswerk
und Röntgengerät zwecks Ferndiagnose eine Datenübertragung
stattfinden.
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Die
EP 1 390 822 beschreibt
einen Diagnoseschaltkreis, der eine Vielzahl von Messdaten, die den
Datentransfer betreffen, ermitteln kann. Die Energieversorgung und
die Kommunikation sollen über den Bus erfolgen.
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Die
WO 2006/073698 beschreibt
Feldgeräte in Form von Sensoren, mit denen Messgrößen
ermittelt werden, die drahtlos an einen Kontrollraum übermittelt werden.
Das Feldgerät soll auch eine Diagnoseeinrichtung und eine
Energieversorgung besitzen. Mit der Diagnoseeinrichtung soll insbesondere
die drahtlose Funktionsfähigkeit gemessen werden.
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Aus
der
EP 1 687 937 ist
ein diagnostisches System für ein modulares Feldbusboard
bekannt. Das Feldbusboard besitzt eine Diagnoseeinrichtung, mit
der sogenannte ”physical layer”, also Datenkommunikationseigenschaften,
ermittelbar sind. Ermittelt werden dort im Bereich des Boards die
Betriebsspannung, Kurzschlussströme, Hardwarefehler, Ruheströme,
die Rauscheigenschaften, das Signalniveau, der Jitter, das Übersprechen
usw..
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor erwähnten
Datenkommunikationseigenschaften in einfacher Weise an jeder zugänglichen Stelle
der Busleitung ermitteln zu können und unabhängig
von der vorhandenen Busleitung ohne Ortsveränderung der
Diagnoseeinrichtung und ohne zusätzliche Kommunikationskabel
mit der zentralen Einheit kommunizieren zu können.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene
Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung
der Aufgabe darstellt und mit jedem anderen Anspruch in beliebiger Weise
kombinierbar ist.
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Zunächst
und im wesentlichen ist eine Feldbusanordnung vorgesehen, die eine
drahtlose Nachrichtenübertragungsstrecke zwischen Diagnoseeinrichtung
und Prozesssteuereinrichtung aufweist, über welche die
Datenkommunikationseigenschaften übertragen werden. Das
zugehörige Handgerät besitzt eine integrierte
Sende-/Empfangseinrichtung, um die Datenkommunikationseigenschaften
drahtlos an eine der Prozesssteuereinrichtung zugeordneten Sende-/Empfangseinrichtung
zu übertragen. Die Datenkommunikationseigenschaften können
somit an jeder Stelle der Busleitung ermittelt werden. Das mobile
Handgerät wird hierzu mittels Anschlussleitungen mit den
Adern der Buslei tung verbunden. Dabei kann das Handgerät
einerseits in Art einer Abzweigung und andererseits in Art einer
Einschleifung mit der Busleitung verbunden werden. Mittels im Handgerät
angeordneter Messeinrichtungen können die Eigenschaften
der Busleitung ermittelt werden, die die Qualität der Datenübertragung
betreffen, also die Signalamplitude, die Signalform, die Zeittreue
der Signale und deren Nulldurchgänge. Außerdem
lassen sich Störungen wie Rauschen etc. ermitteln. Wird
die Busleitung als Energieversorgung für die Feldgeräte verwendet,
so kann mit der Diagnoseeinrichtung auch die Betriebsspannung überwacht
werden. Bevorzugt besitzt die Diagnoseeinrichtung eine autarke Energieversorgung
in Form einer Batterie. Hierdurch ist die Diagnoseeinrichtung auch
für den Betrieb im explosionsgeschützten Bereich
geeignet. Die Diagnoseeinrichtung kann aber auch über eine
externe Energieversorgung versorgt werden, beispielsweise über
ein Netzteil. Es ist auch möglich, die Diagnoseeinrichtung über
die vom Bussystem gebildete Energieversorgung zu betreiben. Die
Sende-/Empfangseinrichtung der Prozesssteuereinrichtung kann einem
Gateway zugeordnet sein. Bevorzugt besitzen Diagnoseeinrichtung
und Gateway bzw. Prozesssteuereinrichtung eine Antenne, über
die die Nachrichtenübertragung zwischen Prozesssteuereinrichtung
und Diagnoseeinrichtung stattfindet. Bevorzugt werden über
diese Funkübertragungsstrecke digitale Datenpakete übertragen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Diagnoseeinrichtung
zwei verschiedene Anschlussleitungen besitzt, mit einem ersten Typ
von Anschlüssen kann die Diagnoseeinrichtung in Art des
oben beschriebenen Zweiges mit dem Bus verbunden werden. Mit einem zweiten
Typ von Anschlüssen kann die Diagnoseeinrichtung in den
Bus eingeschleift werden, so dass sie Teil der Datenübertragungsstrecke
des Bussystems wird. Die Diagnoseeinrichtung kann entweder eine der
beiden Anschlusstypen oder beide Anschlusstypen aufweisen. Die Anschlüsse
können Steckbuchsen ausbilden, in die Kabel eingesteckt
werden können. Die Anschlüsse können
aber auch Anschlussleitungen aufweisen, die an ihren Enden Stecker
oder Krokodilklemmen aufweisen. Die Diagnoseeinrichtung besitzt
darüber hinaus ein Display zur Anzeige von Diagnosedaten
oder internen Funktionsbereitschaftsdaten. Darüber hinaus
kann die Diagnoseeinrichtung eine Eingabeeinheit aufweisen, mit
der verschiedene Funktionsabläufe zur Diagnose gesteuert werden
können. Über die drahtlose Datenkommunikationsstrecke
können auch Funktionsbefehle zwischen Prozesssteuereinrichtung
und Diagnoseeinrichtung ausgetauscht werden. So kann beispielsweise
die Prozesssteuereinrichtung die Diagnoseeinrichtung veranlassen, über
die Busleitung Testdaten an die Prozesssteuereinrichtung zu senden
oder umgekehrt, die Diagnoseeinrichtung die Prozesssteuereinrichtung
veranlassen, Testdaten über die Busleitung zu senden. In
diesem Falle werden über die drahtlose Nachrichtenübertragungsstrecke
nicht nur die die Qualität der Datenübertragung
charakterisierenden Datenkommunikationseigenschaften übertragen,
sondern auch Steuerungsdaten für einen Diagnoseprozess.
Innerhalb der Diagnoseeinrichtung befindet sich eine Messwerterfassungseinheit.
Mit dieser Messwerterfassungseinheit werden die gemessenen physikalischen
Werte in elektronische Datenpakete umgewandelt, die drahtlos an
die Prozesssteuereinrichtung übermittelt werden. Dies kann über das
zwischengeschaltete Gateway erfolgen. Im Gateway oder aber auch
in der Diagnoseeinrichtung kann auch eine Datenauswerteeinrichtung
vorgesehen sein, die in der Lage ist, aus den ermittelten physikalischen
Werten Analysedaten zu formen. Dies kann über eine Fourieranalyse,
eine Trendanalyse oder ein Datalogging erfolgen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Prinzipdarstellung einer Feldbusanordnung;
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2 eine
schematische Darstellung einer ersten Anschlussmöglichkeit
der Diagnoseeinrichtung an eine Busleitung;
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3 eine
zweite Möglichkeit des Anschlusses einer Diagnoseeinrichtung
an die Busleitung;
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4 schematisch
die Elemente einer Diagnoseeinrichtung 5;
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5 schematisch
eine alternative Anordnung der Funktionselemente einer Diagnoseeinrichtung
und
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6 schematisch
eine weitere Feldbusanordnung.
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Die
Feldbusanordnung besteht aus einer oder mehreren zentralen Einheiten
zum Führen, Steuern, Regeln, Warten und/oder Instandhalten
einer Maschine oder Anlage oder Teilen davon. Dieses kann ein Prozessleitsystem,
Asset Mangement System, SPS oder andere Prozesssteuereinrichtung sein.
Das Prozessleitsystem ist über eine oder mehrere Feldbusleitungen
direkt oder indirekt mit mindestens einem Feldgerät verbunden.
Es kann sich hierbei um verschiedene Feldbussysteme handeln. Die Energieversorgung
für den Feldbus kann durch die im Prozessleitsystem integrierten
Komponenten oder durch eine separate anzuschließende Energieversorgungseinheit
erfolgen. An die Prozesssteuereinrichtung ist eine Busleitung 2 angeschlossen.
Es kann sich hierbei um die Leitung eines Profibus, eines Hardbus
oder dergleichen handeln. Die Busleitung 2 ist mit mehreren
Verteilern 11 verbunden, wobei auch Verteiler 11 in
einem explosionsgeschützten Bereich 12 angeordnet
sein können. An die Verteiler 11 sind die Feldgeräte
angeschlossen. Die Feldgeräte sind entweder direkt oder über
Verteiler mit dem Feldbus verbunden. Bei den Feldgeräten
handelt es sich um Sensoren 3 oder Aktoren 4 oder
Kombination von Sensoren 3 und Aktoren 4. Als
Sensoren 3 kommen Temperatursensoren, Drucksensoren, Näherungsschalter
oder dergleichen in Betracht. Die Aktoren 4 können
Linearmotoren, Pumpen oder dergleichen sein. Die Feldgeräte 3, 4 werden über
die Busleitung 2 von der Prozesssteuereinrichtung 1 gesteuert. Hierzu
findet eine Datenkom munikation zwischen den Feldgeräten
und der Prozesssteuereinrichtung nach einem vorgegebenen Datenübertragungsprotokoll
statt.
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Bei
dem in 1 dargestellten Beispiel ist ein Gateway 10 an
die Prozesssteuereinrichtung angeschlossen. Dieses Gateway 10 besitzt
eine Sende-/Empfangseinrichtung, die durch die Antenne 9 symbolisiert
ist.
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Bei
dem in der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Sende-/Empfangseinrichtung 9 unmittelbar mit der
Prozesssteuereinrichtung 1 verbunden oder in diese integriert.
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Es
ist eine Diagnose-Einrichtung D in Form eines Handgerätes 5,
fest installierten Gerätes oder in die Verteiler integrierten
Schaltkreise vorgesehen.
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Die
Diagnose-Einrichtung D kann mit einem oder mehreren Feldbussen verbunden
werden, zu diesem Zweck sind n Anschlussklemmen vorhanden. Die n
Signaleingänge können galvanisch getrennt sein.
Neben den Anschlüssen für + und – sind
auch noch Anschlüsse für GND und Shield vorhanden,
um Isolationswiderstände und Impedanzen zu bestimmen.
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Dieses
Gerät ist für den mobilen Einsatz geeignet und
besitzt ein Gehäuse, in welchem eine Messwerterfassungseinrichtung
angeordnet ist. Dem Gehäuse sind Anschlussklemmen 13, 14 zugeordnet,
an die elektrische Leitungen angeschlossen werden können.
Die Anschlüsse 13, 14 können
von Steckbuchsen ausgebildet sein, in die Stecker von Anschlusskabeln
eingesteckt werden können. Die anderen Enden der Anschlusskabel
können ebenfalls Stecker oder Gegenstecker oder auch Krokodilklemmen
aufweisen, mit denen die Anschlussleitungen mit den Adern der Busleitung 2 verbunden
werden können. Die Anschlussleitungen bzw. die an deren
Enden angeordneten Stecker können bei spielsweise in Steckbuchsen
der Verteiler 11 eingesteckt werden. Die diesbezügliche
Schaltung zeigt 2.
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Alternativ
dazu kann die Diagnoseeinrichtung 5 aber auch in der in
den 3 bzw. 6 dargestellten Weise in eine
Busleitung 2 eingeschleift werden. Der Datenverkehr, der über
die Busleitung 2 erfolgt, geht dann durch die Diagnoseeinrichtung 5 hindurch.
Die diesbezüglichen Anschlussklemmen 14 bilden
demgemäß einen Eingang und einen Ausgang aus.
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Die
Diagnoseeinrichtung kann darüber hinaus ein Display 17 aufweisen,
mit dem Funktionseigenschaften der Diagnoseeinrichtung 5 angezeigt werden
können. Mit dem Display 5 können aber
auch Diagnosedaten angezeigt werden.
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Bevorzugt
befindet sich eine Sende-/Empfangseinrichtung 9 innerhalb
des Gehäuses der Diagnoseeinrichtung 5. Letztere
besitzt eine Antenne 8, mit der eine Funkdatenübertragung 7 mit
der Sende-/Empfangseinrichtung 9 der Prozesssteuereinrichtung 1 aufgebaut
werden kann. Es handelt sich hierbei bevorzugt um eine bidirektionale
Funkübertragungsstrecke.
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Die
Diagnoseeinrichtung 5 besitzt darüber hinaus eine
Eingabeeinheit 18 zur Eingabe von Daten oder Befehlen.
Mit dieser Eingabeeinrichtung 18 können verschiedene
Diagnosemodi ausgewählt und gesteuert werden.
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Schließlich
besitzt die Diagnoseeinrichtung 5 eine Energieversorgung.
Letztere wird bevorzugt von einer Batterie 15 oder einem
Akku ausgebildet, so dass die Diagnoseeinrichtung 5 autark
betrieben werden kann. Die Energieversorgung kann aber auch extern über
ein Netzteil erfolgen. Hierzu besitzt die Diagnoseeinrichtung 5 dann
Anschlussklemmen 16. Des weiteren ist es möglich,
die Diagnoseeinrichtung 5 über die Versorgungsspannung
der Busleitung 2 mit Energie zu versorgen.
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In
der 1 sind mittels gestrichelter Linien verschiedene
Anschlusspositionen einer Diagnoseeinrichtung 5 an die
Busleitung 2 dargestellt. Die Diagnoseeinrichtung 5 kann
nahezu an jeder beliebigen Stelle des Feldbussystems eingesetzt
werden und insbesondere auch in einem explosionsgefährdeten Bereich 12.
Die Diagnoseeinrichtung 5 ist in der Lage, mittels der
internen Messwerterfassungseinrichtung datenübertragungsspezifische
Eigenschaften der Busleitung 2 zu ermitteln. Hierzu gehört
beispielsweise die Signalamplitude, der Jitter, also die Zeittreue
und die Nulldurchgänge der Signale. Mit dem Gerät
lassen sich auch Störungen bzw. das Rauschen ermitteln.
Das Gerät ”hört” den auf dem
Bus laufenden Datenverkehr mit und misst im wesentlichen die Form,
aber nicht den Inhalt der Daten, sondern nur deren Signalqualität.
Es ist aber auch möglich, dass entweder die Prozesssteuereinrichtung 1 oder
die Diagnoseeinrichtung 5 Testdaten auf die Busleitung
gibt, die dann von der jeweils anderen Einrichtung, also der Diagnoseeinrichtung 5 oder
der Prozesssteuereinrichtung 1 ausgewertet werden. Parallel
zu diesen Testdaten kommunizieren Prozesssteuereinrichtung 1 und
Diagnoseeinrichtung 5 über die Funkübertragungsstrecke 7 miteinander. Über diese
Funkübertragungsstrecke 7 werden einzig die Diagnosedaten
ausgetauscht und insbesondere von der Diagnoseeinrichtung 5 an
die Prozesssteuereinrichtung 1 bzw. das Gateway 10 übermittelt.
Zu diesen Diagnosedaten zählen einerseits die zuvor erwähnten
Datenkommunikationseigenschaften und andererseits aber auch Steuerdaten
zur Erzeugung der Testdaten.
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Der
eigentliche Datenverkehr zum Ansteuern der Aktuatoren 4 bzw.
zur Übermittlung der Sensordaten der Sensoren 3 an
die Prozesssteuereinrichtung 1 erfolgt aber ausschließlich über
die Busleitung 2. Über die Busleitung 2 sollen
andererseits aber keine Diagnosedaten übertragen werden.
Letztere werden ausschließlich über die Funkübertragungsstrecke 7 übertragen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit
möglich, ohne Beeinträchtigung des bestimmungsgemäßen
Datenverkehrs auf der Busleitung 2 dessen Signalqualität
in Form von Datenkommunikationseigenschaften zu ermitteln und die
Datenkommunikationseigenschaften über einen separaten Datenübertragungskanal
an die Prozesssteuereinrichtung 1 zu übermitteln.
Da dieser separate der Übermittlung der Diagnosedaten vorbehaltene Datenübertragungskanal
eine Funkübertragungsstrecke 7 ist, kann das Diagnosehandgerät 5 auch
an schwer zugänglichen Stellen eine Diagnose vornehmen.
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Es
ist sogar möglich, die Diagnoseeinrichtung 5 für
eine gewisse Zeit oder permanent an einer bestimmten Stelle in die
Busleitung 2 entweder in der in 2 oder in
der in 3 dargestellten Weise zu schalten. Der diesbezügliche
Diagnosepunkt wird dann ständig über die Funkübertragungsstrecke 7 von
der Prozesssteuereinrichtung 1 überwacht.
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Da
der drahtlose Datenverkehr über die Funkübertragungsstrecke 7 bevorzugt
in digitaler Form abläuft, ist es auch möglich, über
dieselbe Betriebsfrequenz eine Vielzahl von Diagnoseeinrichtungen 5 zu
betreiben, die jeweils mit einer individuellen Sende-/Empfangseinrichtung 8 mit
der Sende-/Empfangseinrichtung 9 der Prozesssteuereinrichtung 1 kommunizieren.
Es ist also möglich, das Bussystem an einer Vielzahl von
Diagnosepunkten zu überwachen, ohne dass besondere Datenübertragungsleitungen
erforderlich sind, da der gesamte Diagnosedatenverkehr über
die Funkübertragungsstrecke 7 erfolgt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Diagnoseeinrichtung über
die Eingabeeinrichtung 18 auch in eine Betriebsart geschaltet
werden kann, in der sie einen Sensor 3 oder einen Aktuator 4 simuliert.
Dann kommuniziert die Diagnoseeinrichtung 5 zwar über
die Busleitung 2 mit der Prozesssteuereinrichtung 1.
Diese Kommunikation erfolgt aber, um betriebstypische Daten auszutauschen.
Die Diagnosedaten werden nach wie vor über die Funk übertragungsstrecke 7 übertragen,
um den bestimmungsgemäßen Datenverkehr auf der
Busleitung 2 nicht zu beeinträchtigen.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich.
In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt
der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1251416
B1 [0003]
- - WO 2004/099889 [0004]
- - WO 2006/089760 A1 [0005]
- - WO 2004/029895 [0006]
- - DE 19637187 B4 [0007]
- - EP 1390822 [0008]
- - WO 2006/073698 [0009]
- - EP 1687937 [0010]