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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration eines zusätzlichen
Feldgeräts in ein Funknetzwerk der Automatisierungstechnik,
in dem bereits mehrere Feldgeräte integriert sind.
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In
der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte
eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen
dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie
beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte,
Druck- und Temperatur-messgeräte, pH-Redoxpotential-messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte,
etc., welche die entsprechenden Prozess-variablen Füllstand,
Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit
erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren,
wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss
einer Flüssigkeit in einem Rohrlei-tungsabschnitt bzw.
der Füllstand in einem Behälter geändert
werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte
bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante
Informationen liefern oder verarbeiten. Neben den zuvor genannten
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 Viel-zahl solcher Feldgeräte wird von der Endress
+ Hauser-Gruppe hergestellt und vertrie-ben.
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In
modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über
Bussysteme, wie Profi-bus® FOUNDATION
Fieldbus®, HART®,
etc. mit übergeordneten Einheiten verbunden. Nor-malerweise
handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme
bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare
Steuerung). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur
Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung
sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten,
hier insbesondere von Sensoren erfassten Messwerte werden über
das jeweilige Bussystem an eine oder ggf. mehrere übergeordnete
Einheit/Einheiten übermittelt. Daneben erfolgt auch zwecks
Konfigurierung, Parametrierung, Diagnose von Feldgeräten
oder zwecks Ansteuerung von Aktoren eine Datenübertragung
von der übergeordneten Einheit über das Bussystem
an die Feldgeräte.
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Neben
einer drahtgebundenen Datenübertragung zwischen den Feldgeräten
und der übergeordneten Einheit wird die drahtlose Datenübertragung
bzw. die Funkübertragung von Daten immer wichtiger. 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. 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 integralen Bestandteil auf, wobei durch die Stromquelle eine
autarke Stromversorgung des Feldgerätes ermöglicht
wird.
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Daneben
besteht die Möglichkeit, Feldgeräte ohne Funkeinheit,
insbesondere Sensoren und Aktoren, durch Anschluss eines Wireless
Adapters, der eine Funkeinheit aufweist, zu einem Funk-Feldgerät aufzurüsten.
Ein Wireless Adapter ist also eine Einheit, durch die ein „herkömmliches” Feldgerät,
das lediglich für einen drahtgebundenen Anschluss an einen
Feldbus ausgelegt ist, zu einem Funk-Feldgerät erweitert
wird. Beispielsweise ist in der Druckschrift
WO 2005/103851 A1 solch
ein Wireless Adapter beschrieben. Der Wireless Adapter wird dabei
an eine Kommunikationsschnittstelle, insbesondere an eine Feldbus-Kommunikationsschnittstelle,
des Feldgerätes angeschlossen, wobei die Verbindung zwischen Wireless
Adapter und Feldgerät in der Regel lösbar ist. Über
die Feldbus-Kommunikations-schnittstelle 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-Kommuni-kationsschnittstelle an das Feldgerät weiterleiten.
Die Versorgung des Feldgerätes mit elektrischer Leistung
erfolgt in der Regel über eine Stromquelle des Wireless
Adapters. Bei der Stromquelle handelt es sich üblicherweise
um eine Batterie oder um einen Akku.
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Funknetzwerke
in der Automatisierungstechnik zeichnen sich durch einen geringen
Energieverbrauch und die Nutzung eines schmalen Übertragungsbandes
aus. Das schmale Übertragungsband stellt jederzeit eine
zuverlässige Datenübertragung zu dem angesprochenen
Teilnehmer/Feldgerät sicher. Ein großer Vorteil
bei Funknetzwerken gegenüber den verdrahteten Bussystemen
ist in der Einsparung der Verkabelung und der damit verbundenen Wartung
zu sehen. Üblicherweise werden in ein Funknetzwerke integrierte
Feldgeräte – wie bereits erwähnt – über
eine Batterie, also eine Energieversorgungseinheit mit einer begrenzten
Leistungskapazität, gespeist. Die Standzeit der Batterie
sollte in der Regel zwischen 5 und 10 Jahren betragen.
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Funknetzwerke
für die Automatisierungstechnik, wie sie beispielsweise
von der Firma Dust Networks mit Sitz in Berkeley, Kalifornien angeboten werden,
sind als Maschennetzwerke unterschiedlicher Ausgestaltung ausgebildet.
Es wird darauf geachtet, dass jedes Feldgerät bzw. allgemein
gesprochen jeder Knoten mit zumindest zwei weiteren Knoten kommunizieren
kann, wodurch die notwenige Redundanz geschaffen wird.
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Ein
autarker Knoten für ein Maschennetzwerk ist in der
WO2005/094312 A2 beschrieben.
Bei den Funknetzwerken findet die Kommunikation üblicherweise
nur zu bestimmten Zeiten statt. Außerhalb der aktiven Betriebsphasen
werden die Feldgeräte zwecks Energieeinsparung in eine
Ruhephase versetzt. In den Ruhephasen ist der Energieverbrauch zumindest
näherungsweise gleich Null. Wie bereits zuvor erwähnt,
ist es bei Maschennetzwerken üblich, dass zwei Knoten bzw.
zwei Feldgeräte in einem schmalen Frequenzband während
der relativ kurzen Zeit eines sog. Time Slots miteinander kommunizieren.
Weiterhin ändert sich die Mittenfrequenz des Frequenzbandes
nach einem vorgegebenen Muster – dieses Verfahren wird üblicherweise
mit dem Fachbegriff ”Frequency Hopping” beschrieben.
Durch das Frequency Hopping wird die Störanfälligkeit
eines Funknetzwerks herabgesetzt.
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Die
Integration eines neuen Knotens in ein bestehendes Funknetzwerk
ist relativ zeitintensiv, da zwecks Integration eines zusätzlichen
Feldgeräts ein freier Kommunikationskanal, der durch die
Integrationsparameter: Zeitfenster und Frequenz definiert ist, getroffen
werden muss. Moderne Maschennetzwerke sind selbstorganisierend ausgebildet.
Hierzu verfügt jeder Knoten über ein Synchronisationsprotokoll, das
ihn in die Lage versetzt, die benachbarten Knoten zu erkennen, die
Stärke der übermittelten Signale zu bestimmen,
Synchronisations-Information und Information über das Frequency
Hopping zu erhalten und die direkten Funkverbindungen zu den Nachbarn zu
ermitteln. Abgesehen davon, dass jedem Feldgerät das Synchronisationsprotokoll
bereit gestellt werden muss, ergibt sich das Problem, dass das Feldgerät
während der Integrationsphase einen hohen Energieverbrauch
hat, was – wie bereits erwähnt – bei batteriebetriebenen
Feldgeräten mit einer beschränkten zur Verfügung
stehenden Leistungskapazität zu einer verkürzten
Standzeit führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnellen
und energiesparenden Integration eines neuen Teilnehmers in ein
bestehendes Funknetzwerk in der Prozessautomatisierungstechnik vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das sich durch
die folgenden Verfahrensschritte auszeichnet:
- – Ermittlung
der Integrationsparameter eines freien Kommunikationskanals des
Funknetzwerks durch ein Bediengerät, das sich temporär
in der Nähe des zusätzlichen Feldgeräts
befindet, oder Ermittlung der Integrationsparameter eines freien Kommunikationskanals
des Funknetzwerks durch ein ausgewähltes, in der Nähe
des zusätzlichen Feldgeräts im Funknetzwerk integriertes
Feldgerät;
- – Übertragung der Integrationsparameter des
ermittelten freien Kommunikationskanals von dem Bediengerät
oder von dem ausgewählten Feldgerät an das zusätzliche
Feldgerät;
- – Integration des zusätzlichen Feldgeräts
in das Funknetzwerk unter Nutzung des ermittelten freien Kommunikationskanals.
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In
diesem Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren werden unter dem Begriff 'Integrationsparameter' das Zeitfenster
bzw. der Time Slot und/oder das Frequenzwechselmuster bzw. das Frequency
Hopping Pattern verstanden. Bei dem Bediengerät handelt
es sich bevorzugt um ein Handheld, z. B. um ein PDA.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass das Funknetzwerk bevorzugt nach
den Regeln eines Maschennetzwerks arbeitet.
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Weiterhin
wird im Zusammenhang mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Übertragung
der Integrationsparameter von dem Bediengerät oder von
dem ausgewählten Feldgerät des Funknetzwerks an
das zusätzliche Feldgerät über Funk unter Verwendung
der für das Funknetzwerk notwendigen Funkschnittstellen
erfolgt.
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Neben
der Funkübertragung kann die Übertragung der Integrationsparameter
von dem Bediengerät bzw. von dem ausgewählten
Feldgerät zu dem zusätzlichen Feldgerät über
ein IR-Übertragungsverfahren, ein Induktions-Übertragungsverfahren
oder drahtgebunden über Kabel erfolgen.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass jedes in das Funknetzwerk integrierte Feldgerät
durch eine interne Energieversorgungseinheit mit Energie versorgt wird.
Wie bereits zuvor beschrieben, handelt es sich bei der Energieversorgungseinheit
um eine Batterie oder um einen Akku.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung eines bestehenden Funknetzwerks, in
das erfindungsgemäß ein zusätzliches
Feldgerät integriert wird, und
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2:
eine vergrößerte Darstellung des Bereichs X aus 1.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eines Funknetzwerks FN, in das gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ein zusätzliches Feldgerät F integriert
werden soll. Das Funknetzwerk FN umfasst mehrere Feldgeräte
A, B, C, D, E, die jeweils als Funk-Feldgeräte ausgebildet
sind, und ein Gateway G. Über das Gateway G kann via LAN
oder Feldbus auf die Feldgeräte A, B, C, D, E des Funknetzwerks
zugegriffen werden. Die Feldgeräte A, B, C, D, E stehen
untereinander und mit dem Gateway G in Funkverbindung FV, was in
der 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist.
Da die Feldgeräte A, B, C, D, E und das Gateway G jeweils über
mehrere redundante 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 können die bekannten
Technologien verwendet werden, wie beispielsweise das Frequency Hopping
Spread Spectrum (FHSS) Verfahren oder das 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. Bei dem Gateway kann es sich um
eine Fernübertragungseinheit, z. B. das Produkt 'Fieldgate'
der Endress + Hauser Gruppe handeln. Das Gateway kommuniziert über
das Netzwerk bzw. den Feldbus mit einer nicht gesondert dargestelllten übergeordneten
Einheit SE. Die Verbindung zu der übergeordneten Einheit
kann auch durch eine Funkverbindung realisiert sein.
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Soll
ein zusätzliches Feldgerät F in das bestehende
Funknetzwerk FN integriert werden, so werden erfindungsgemäß die
folgenden Verfahrensschritte dargestellt, die anhand von 1 und 2 skizziert
sind.
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In
einem ersten Schritt werden die Integrationsparameter, insbesondere
der Time Slot und das Frequenzwechselmuster, eines freien Kommunikationskanals
des Funknetzwerks FN entweder durch das portable Bediengerät
BE, das sich temporär in der Nähe des zusätzlichen
Feldgeräts F befindet, oder durch ein ausgewähltes,
in der Nähe des zusätzlichen Feldgeräts
F im Funknetzwerk FN platziertes Feldgerät E ermittelt.
Beispielsweise ist zur Ermittlung der geografischen Position der
Feldgeräte A, B, C, D, E, F in jedem der Feldgeräte
A, B, C, D, E, F ein GPS integriert. Der Vorteil des Bediengeräts
BE besteht darin, dass das Bediengerät BE mehr Energie
zur Verfügung hat. Dadurch hat es die Möglichkeit,
breiter in Zeit und Frequenz die Integrations- bzw. Netzwerksparameter
zu scannen. Somit wird die Energieversorgungseinheit EE des zusätzlichen Feldgeräts
F nicht belastet.
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In
einem zweiten Schritt werden die Integrationsparameter des ermittelten
freien Kommunikationskanals von dem Bediengerät BE oder
von dem ausgewählten Feldgerät E an das zusätzliche
Feldgerät F übermittelt. Die Übertragung
der Integrationsparameter erfolgt bevorzugt über die gleiche
Funkschnittstelle. Sowohl das zusätzliche Feldgerät
F als auch das Bediengerät BE sind für den Funkverkehr vorkonfiguriert.
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Nachfolgend
wird in einem dritten Schritt das zusätzliche Feldgerät
F unter Nutzung des ermittelten freien Kommunikationskanals in das
Funknetzwerk FN integriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/103851
A1 [0005]
- - WO 2005/094312 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Standard IEEE
802.15.4 [0004]