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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustands
bzw. der Restkapazität einer Batterie bzw. eines Akkus,
die bzw. der zur Energieversorgung eines ersten Feldgeräts
der Automatisierungstechnik verwendet wird.
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In
der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik
werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung
und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen.
Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte
bzw. Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte,
Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte,
pH-Redox-potentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte,
etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss,
Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen.
Zur Beeinflussung von Prozessgrößen dienen Aktoren,
wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss
einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der
Füllstand in einem Behälter geändert
werden kann.
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Als
Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet,
die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen
liefern oder verarbeiten. Neben den zuvor genannten Messgeräten/Sensoren
und Aktoren werden als Feldgeräte allgemein auch solche
Einheiten bezeichnet, die direkt an einem Feldbus angeschlossen
sind und zur Kommunikation mit den übergeordneten Einheiten
dienen, wie z. B. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices und Wireless
Adapters. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der
Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
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In
modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über
Bussysteme (Profibus®, Foundation
Fieldbus®, HART®,
etc.) mit übergeordneten Einheiten verbunden. Normalerweise
handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme bzw.
Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare
Steuerung) oder eine PLC (Programmable Logic Controller). Die übergeordneten
Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung,
Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die
von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten
Messwerte werden über das angeschlossene Bussystem an eine
oder gegebenenfalls auch an mehrere übergeordnete Einheit(en) übermittelt.
Daneben ist auch eine Datenübertragung von der übergeordneten
Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte erforderlich;
diese dient insbesondere zur Konfigurierung und Parametrierung von
Feldgeräten oder zu Diagnosezwecken. Allgemein gesprochen,
wird das Feldgerät über das Bussystem von der übergeordneten
Einheit her bedient.
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Neben
einer drahtgebundenen Datenübertragung zwischen den Feldgeräten
und der übergeordneten Einheit besteht auch die Möglichkeit
einer drahtlosen (wireless) Datenübertragung. Insbesondere
in den Bussystemen Profibus®, Foundation Fieldbus® und HART® ist
eine drahtlose Datenübertragung über Funk spezifiziert.
Ferner sind Funknetzwerke für Sensoren in dem Standard
IEEE 802.15.4 näher spezifiziert.
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Zur
Realisierung einer drahtlosen Datenübertragung sind neuere
Feldgeräte, insbesondere Sensoren und Aktoren, teilweise
als Funk-Feldgeräte ausgebildet. Diese weisen in der Regel
eine Funkeinheit und eine Stromquelle als integrale Bestandteile auf.
Dabei können die Funkeinheit und die Stromquelle in dem
Feldgerät selbst oder in einem dauerhaft an dem Feldgerät
angeschlossenen Funkmodul vorgesehen sein. Durch die Stromquelle
wird eine autarke Energieversorgung des Feldgerätes ermöglicht.
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Daneben
besteht die Möglichkeit, Feldgeräte ohne Funkeinheiten – also
die installierte Basis – durch die Kopplung mit jeweils
einem Wireless Adapter, der eine Funkeinheit aufweist, zu einem Funk-Feldgerät
aufzurüsten. Ein entsprechender Wireless Adapter ist beispielsweise
in der Druckschrift
WO
2005/103851 A1 beschrieben. Der Wireless Adapter wird in
der Regel an eine Feldbus-Kommunikationsschnittstelle des Feldgerätes
lösbar angeschlossen. Über die Feldbus-Kommunikationsschnittstelle
kann das Feldgerät die über das Bussystem zu übermittelnden
Daten an den Wireless Adapter senden, der diese dann über
Funk an den Zielort übermittelt. Umgekehrt kann der Wireless
Adapter über Funk Daten empfangen und über die
Feldbus-Kommunikationsschnittstelle an das Feldgerät weiterleiten.
Die Versorgung des Feldgeräts mit elektrischer Leistung
erfolgt dann in der Regel über eine Energieversorgungseinheit
des Wireless Adapters.
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Bei
autarken Funk-Feldgeräten mit oder ohne Wireless Adapter
wird die Kommunikation, beispielsweise mit einer übergeordneten
Einheit, in der Regel über die drahtlose Schnittstelle
des Funk-Feldgerätes bzw. des Wireless Adapters abgewickelt.
Zusätzlich weisen solche Funk-Feldgeräte bzw.
Wireless Adapter in der Regel eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle
auf. Beispielsweise ist in dem HART®-Standard
vorgesehen, dass Funk-Feldgeräte neben einer drahtlosen
Schnittstelle auch eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle
aufweisen müssen. Über solch eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle
ist beispielsweise vor Ort eine Konfiguration des Funk-Feldgerätes
bzw. des Wireless Adapters über eine Service- und/oder Bedieneinheit,
wie beispielsweise einen Handheld Communicator, die/der an der drahtgebundenen Kommunikationsschnittstelle
angeschlossen wird, möglich. Ferner kann die drahtgebundene
Kommunikationsschnittstelle als Feldbus-Kommunikationsschnittstelle
ausgebildet sein, so dass die Kommunikation darüber entsprechend
einem Bussystem, wie beispielsweise entsprechend einem der standardisierten Bussysteme
Profibus®, Foundation Fieldbus® oder HART®,
abgewickelt wird. Über solch eine Feldbus-Kommunikationsschnittstelle
kann das Funk-Feldgerät bzw. der Wireless Adapter auch
an einen entsprechenden drahtgebundenen Feldbus angeschlossen werden.
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Die
Energieversorgungseinheit bzw. die Stromquelle eines Wireless Adapters
oder eines Funk-Feldgerätes ist üblicherweise
eine Batterie oder ein Akku. Bekannt ist es, die Batterie oder den Akku
mit einem Datenspeicher zu versehen. In dem Datenspeicher ist statische
Information über den Typ und die Charakteristik der Batterie
bzw. des Akkus hinterlegt. Aus der Batterie bzw. aus dem Akku werden
Feldgeräte in stationären oder temporären
Einsätzen versorgt. Üblicherweise ist an den Feldgeräten
eine Möglichkeit zur Überwachung des Batterie- oder
Akkuzustandes vorgesehen.
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Folgen
mehrere Einsätze der Batterie oder des Akkus bei unterschiedlichen
Feldgeräten, so ist der Ladezustand der Batterie oder des
Akkus bzw. die Restkapazität der Batterie oder des Akkus
nicht bekannt. Darüber hinaus ist die Überwachung
des Zustandes der Batterie oder des Akkus nur noch eingeschränkt
oder überhaupt nicht mehr möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem eine Überwachung
des Zustandes der Batterie oder des Akkus auch bei wechselnden,
temporären Einsätzen möglich ist.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Batterie bzw. dem
Akku ein Datenspeicher zugeordnet ist, wobei in dem Datenspeicher
spezifische Information über die Batterie bzw. den Akku
gespeichert wird, wobei prozessspezifische und betriebsspezifische
Information über den Energieverbrauch in den Datenspeicher
geschrieben wird, und wobei im Falle der Verwendung der Batterie
bzw. des Akkus in einem zweiten Feldgerät der Automatisierungstechnik auf
der Basis der prozess- und betriebsspezifischen Informationen die
Reststandzeit der Batterie bzw. des Akkus berechnet und ausgegeben
wird. Die Ausgabe der Information erfolgt entweder über
eine digitale Kommunikation an eine übergeordnete Leitwarte,
und/oder die Information wird dem Bedienpersonal auf einer Anzeigeeinheit,
die dem zweiten Feldgerät zugeordnet ist, angezeigt.
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Bei
dem Datenspeicher handelt es sich bevorzugt um einen Flashspeicher,
insbesondere um EEPROM, das über eine serielle Schnittstelle
beschrieben und gelesen werden kann. In dem Datenspeicher werden
spezifische Daten, wie die eindeutige Identifkation der Batterie
und des Feldgeräts, der Gerätetyp einmalig abgespeichert.
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Gemäß vorteilhafter
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Speicherung der Informationen automatisch; alternativ
kann die Speicherung auch manuell getriggert werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass die prozessspezifischen und betriebsspezifischen
Informationen über den Energieverbrauch ereignisgesteuert in
den Datenspeicher geschrieben werden. Bei einem derartigen Ereignis
handelt es sich beispielsweise um einen Vorgang mit hohem Energieverbrauch. Insbesondere
wird hierunter die Inbetriebnahme des Feldgeräts, die Konfigurierung
oder Parametrierung des Feldgeräts oder die Durchführung
eines Diagnosevorgangs an dem Feldgerät verstanden. Beispielsweise
werden im Falle einer Parameterierung des Feldgeräts, also
bei einem Ereignis mit hohem Energieverbrauch, die entsprechenden
Verbrauchsdaten automatisch oder manuell getriggert in den Datenspeicher
geschrieben. Gleiches gilt für den Fall, dass der Batterie-
oder Akkupack bzw. die Batterie oder der Akku von dem zugehörigen
Feldgerät abgetrennt wird. Hier erfolgt die Speicherung
alternativ oder additiv durch einen externen, bevorzugt durch einen manuellen
Trigger.
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Additiv
oder alternativ ist vorgesehen, dass die prozessspezifischen und
betriebsspezifischen Informationen über den Energieverbrauch
zeitgesteuert in den Datenspeicher geschrieben werden. Im einfachsten
Fall erfolgt die Abspeicherung in vorgegebenen Zeitintervallen.
In regelmäßigen Zeitabständen werden
die Verbrauchsdaten der Batterie bzw. des Akkus und Daten zu den
Prozessbedingungen am Einsatzort, wie beispielsweise die Temperatur,
in den Datenspeicher geschrieben. Bei Verwendung der Batterie bzw.
des Akkus in einem anderen Feldgerät wird die Reststandzeit
der Batterie bzw. des Akkus auf der Basis dieser prozess- und betriebsspezifischen
Daten neu ermittelt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens schlägt vor, dass die gespeicherten Informationen
zur Diagnose der Batterie bzw. des Akkus herangezogen werden.
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Bevorzugt
schlägt eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens einen Batteriepack
oder Akkupack mit mehreren Batterien oder Akkus vor, wobei dem Batteriepack
bzw. dem Akkupack ein Datenspeicher, insbesondere ein EEPROM zugeordnet
ist. In dem Datenspeicher sind Betriebs- und Verbrauchsdaten bzw.
die betriebs- und prozessspezifischen Informationen, abgespeichert.
Diese werden zur Batterie- bzw. Akku-Überwachung herangezogen.
Bevorzugt werden die erfassten Daten über den Lebenszyklus
der Batterie bzw. des Akkus für Diagnosezwecke verwendet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass es sich bei der spezifischen
Information über die Batterie bzw. den Akku um Information
handelt, die es erlaubt, die Batterie bzw. den Akku eindeutig zu
identifizieren.
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Bei
der prozess- und betriebsspezifischen Information kommen charakteristische
Prozessgrößen am Einsatzort des Feldgeräts
zu Tragen, die die Reststandzeit der Batterie bzw. die Restkapazität
des Akkus beeinflussen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung schlägt vor, dass die Batterie bzw. der Batteriepack
oder der Akku bzw. der Akkupack in das Feldgerät oder in
einen an das Feldgerät adaptierbaren Funk-Adapter zur Funkübertragung
von Daten zwischen dem Feldgerät und einer übergeordneten
Steuereinheit integriert ist.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
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1:
schematische Darstellung eines Funknetzwerks, in das mehrere Feldgeräte
eingebunden sind,
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2:
eine schematische Darstellung des Blockschaltbilds eines Funk-Feldgeräts,
bei dem die erfindungsgemäße Lösung zum
Einsatz kommt, und
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3:
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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In 1 ist
ein Funknetzwerk mit mehreren Feldgeräten F1, F2, ...,
F6, die jeweils als Funk-Feldgeräte ausgebildet sind, und
einem Gateway G dargestellt. Die Feldgeräte F1, F2, ...,
F6 stehen untereinander und mit dem Gateway G in Funkverbindung FV,
was in 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist.
Da die Feldgeräte F1, F2, ..., F6 und das Gateway G jeweils über
mehrere Funkverbindungen FV untereinander kommunizieren können,
bleibt auch beim Ausfall einer der Funkverbindungen FV die Kommunikation über
eine der anderen Funkverbindungen FV aufrechterhalten. Als Funkübertragungstechnologien
für die Funkverbindungen FV sind beispielsweise Frequency
Hopping Spread Spectrum (FHSS) oder Direct Sequence Spread Spectrum
(DSSS) Verfahren geeignet. Aufgrund der benötigten geringen
Sendeleistungen ist auch die Ultrawideband-Technologie (UWB) sehr
gut geeignet. Bei dem Gateway G kann es sich um eine Fernübertragungseinheit,
z. B. das Produkt „Fieldgate” der Firma Endress
+ Hauser, handeln. In diesem Fall kann das Gateway G weltweit zum
Beispiel via Internet, GSM oder Festnetz mit einer übergeordneten
Einheit kommunizieren. Ferner kann/können eine (nicht dargestellte) übergeordnete
Einheit und/oder ein (nicht dargestelltes) Bediengerät
auch direkt über eine entsprechende Funkverbindung mit
dem dargestellten Funknetzwerk kommunizieren.
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In 2 ist
schematisch ein Blockschaltbild eines Funk-Feldgerät 2 dargestellt.
Das Funk-Feldgerät 2 ist als Sensor ausgebildet
und kann beispielsweise eines der in 1 dargestellten
Funk-Feldgeräte F1, F2, ..., F6 bilden. Es weist einen
Messwertaufnehmer 4, eine Steuereinheit in Form eines Mikroprozessors 6,
einen Batteriepack 8 mit mindestens einer Batterie 8a, 8b,
... und einen an der Batteriepack 8 angeschlossenen Spannungswandler 10 auf. Zur
Messwertverarbeitung ist der Mikroprozessor 6 in der Regel über
einen Analog-Digital-Wandler und einen Verstärker mit dem
Messwertaufnehmer 4 verbunden.
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Der
Batteriepack 8 bildet eine autarke Stromquelle zur Versorgung
sämtlicher Systemkomponenten des Funk-Feldgerätes 2.
Der Spannungswandler 10 transformiert die von dem Batteriepack 8 bereitgestellte
Spannung auf einen von den jeweiligen Systemkomponenten benötigten
Spannungswert. Die einzelnen Systemkomponenten des Funk-Feldgerätes 2 werden über
den Spannungswandler 10 und Energieversorgungsleitungen 28 von
dem Batteriepack 8 mit elektrischer Leistung versorgt.
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Zum
Datenaustausch mit der übergeordneten Einheit 30 ist
der Mikroprozessor 6 mit einer Funkeinheit 12 verbunden,
die ein RF-Chipset und eine Antenne 14 aufweist. Die Funkeinheit 12 ist
dabei derart ausgebildet, dass die drahtlose Kommunikation in dem
gezeigten Fall gemäß dem HART®-Standard
erfolgt. Ferner weist das Funk-Feldgerät 2 eine drahtgebundene
Kommunikations-schnittstelle 16 auf. Die drahtgebundene
Kommunikationsschnittstelle 16 ist wiederum gemäß dem
HART®-Standard ausgebildet. Der
drahtgebundenen Kommunikationsschnittstelle 16 ist ein
ASIC 18 zugeordnet, durch den das Senden und/oder Empfangen
von digitalen Signalen über die drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle 16 durchgeführt
wird und der zum Datenaustausch mit dem Mikroprozessor 6 in
Verbindung steht. Ein HART® Handheld
Communicator 22 kann an die drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle 16 angeschlossen
werden, um das Funk-Feldgerät F1 vor Ort zu konfigurieren.
Wie bereits zuvor erwähnt kann die Konfigurierung/Parametrierung
des Feldgeräts F2 auch von der übergeordneten
Steuereinheit (30) über das Funknetzwerk FN erfolgen.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. In dem Batteriepack 8, der einem Feldgerät
F1 zugeordnet ist, sind zwei Batterien 8a, 8b vorgesehen.
Entweder ist der Batteriepack 8 direkt in dem Feldgerät
F1 integriert bzw. diesem zugeordnet – wie dies in 2 dargestellt
ist –, oder der Batteriepack ist in den Wireless Adapter
integriert.
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Erfindungsgemäß ist
den Batterien 8a, 8b ein Datenspeicher 24 zugeordnet.
In diesem Datenspeicher 24 ist spezifische Information über
den Batteriepack 8 bzw. die Batterie 8; 8a, 8b oder
den Akku gespeichert. Die Energieversorgung der Systemkomponenten
des Feldgeräts F1 erfolgt über die Energieversorgungsleitung 28.
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Weiterhin
wird erfindungsgemäß prozessspezifische und betriebsspezifische
Information über den Energieverbrauch in den Datenspeicher 24 geschrieben.
Die prozess- oder betriebsspezifische Information wird in gewissen
zeitlichen Abständen oder getriggert durch gewisse Ereignisse
in den Datenspeicher 24 geschrieben. Hierdurch ist es möglich,
im Falle der Verwendung der Batterie 8; 8a, 8b bzw.
des Akkus in einem zweiten Feldgerät F2 der Automatisierungstechnik
auf der Basis der prozess- und betriebsspezifischen Information
die Reststandzeit der Batterie 8; 8a, 8b bzw.
des Akkus zu berechnen und/oder auszugeben. Hierzu ist der Datenspeicher 24 über
eine serielle Datenleitung 26 mit dem Mikroprozessor 6 verbunden.
Beispielsweise errechnet der Mikroprozessor auf der Grundlage einer
Summenbildung von empirisch ermittelten Verbrauchsdaten für einen
Parametriervorgang oder für den standardmäßigen
Betrieb des Feldgeräts, z. B. die Messwertbereitstellung,
in vorgegebenen oder von außen getriggerten Zeitabständen
die Reststandzeit bzw. die Restkapazität des Batteriepacks 8 bzw.
der Batterie 8a, 8b oder des Akkus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/103851
A1 [0007]