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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen
Geräts
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, insbesondere eines elektrischen Geräts mit einer
internen Spannungsquelle, also z. B. einer Batterie, oder eines
elektrischen Geräts,
das seine Energieversorgung über
eine Verbindung erhält,
die ansonsten für
Kommunikationszwecke verwendet wird. Speziell betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Betrieb solcher elektrischer Geräte, die
als Feldgeräte
oder dezentrale Peripheriegeräte in
einer Automatisierungsumgebung fungieren. Beispiele für derartige
Geräte
sind Sensoren oder Aktoren oder als Schnittstelle zwischen solchen
Sensoren oder Aktoren und übergeordneten
Einheiten fungierende Geräte.
Die Geräte
sind normalerweise an ein Kommunikationsnetzwerk, z. B. einen Feldbus
oder dergleichen, angeschlossen oder anschließbar.
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Elektrische
Geräte
mit interner Spannungsquelle, z. B. Batterie, Akku, Kondensator
usw., verbrauchen naturgemäß während des
Betriebs die in der internen Spannungsquelle gespeicherte elektrische
Energie. Sobald die gespeicherte elektrische Energie zur Neige geht,
ist zu besorgen, dass eine ordnungsgemäße Funktionalität des jeweiligen
Geräts
nicht mehr gewährleistet
ist. Spätestens,
wenn die in der internen Spannungsquelle gespeicherte Energie aufgezehrt
ist oder einen unteren Schwellwert unterschreitet, fällt das
jeweilige elektrische Gerät
aus.
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Soweit
der Betrieb elektrischer Geräte
betroffen ist, die ihre Energie über
eine ansonsten für Kommunikationszwecke
bestehende Verbindung eingespeist bekommen, besteht die Situation,
dass über
die Kommunikationsverbindung nur in begrenztem Umfang elektrische
Energie übertragbar
ist, so dass die Anzahl anschließbarer Geräte beschränkt ist.
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Der
Betrieb von elektrischen Geräten
mit mindestens zwei Verarbeitungseinheiten, z. B. Prozessoren, ist
ebenfalls bekannt. Bei diesen elektrischen Geräten werden auszuführende Prozesse
auf die einzelnen, insbesondere baugleichen Prozessoren aufgeteilt,
so dass sich die Verarbeitungsleistung, üblicherweise aber auch die
Stromaufnahme erhöht. Es
sind auch Geräte
bekannt, bei denen die Stromaufnahme der einzelnen Prozessoren geringer
als die Stromaufnahme eines Prozessors in einem korrespondierenden
Gerät mit
nur einem Prozessor. Eine Energieeinsparung geht mit solchen Mehrprozessorlösungen üblicherweise
auch dann nicht einher, wenn die Stromaufnahme jedes Prozessors
in einem Gerät
mit genau zwei Prozessoren genau halb so hoch ist wie die Stromaufnahme
des Prozessors in dem korrespondierenden Gerät mit nur einem Prozessor,
weil der Energieverbrauch des elektrischen Geräts sich dadurch erhöht, dass
zwischen den Prozessoren nun eine Kommunikation stattfinden muss.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren
zum Betrieb eines elektrischen Geräts anzugeben, mit dem eine Betriebsbereitschaft
eines einzelnen Geräts
mit interner Spannungsquelle so lange wie möglich aufrechterhalten werden
kann oder bei externer Spannungseinspeisung die Anzahl anschließbarer oder
betreibbarer Geräte
erhöht
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Geräts mit mindestens
zwei Verarbeitungseinheiten zur Ausführung eines zyklischen Prozesses,
wobei die Verarbeitungseinheiten kommunikativ miteinander verbunden sind,
wobei der Prozess in mindestens einen ersten und einen zweiten Teilprozess
aufgeteilt ist, wobei den Verarbeitungseinheiten jeweils ein Teilprozess zur
Verarbeitung zugeteilt ist, wobei jede Verarbeitungseinheit nach
der Verarbeitung eines Teilprozesses in einen Kleinleistungsmodus
versetzt wird und wobei jede Verarbeitungseinheit an den ihr zugeteilten
Teilprozess angepasst ist, insbesondere in Bezug auf einen Funktionsumfang
und/oder einen Energieverbrauch, vorgesehen.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Energieverbrauch des
elektrischen Geräts
reduziert wird. Die Verwendung mehrerer Verarbeitungseinheiten,
auf die die Teilprozesse, also einzelne Bestandteile des Prozesses,
wie z. B. eine Datenerfassung oder -verarbeitung bei einem Sensor,
verteilt werden können,
erlaubt eine niedrigere Spannungsversorgung als bei Verwendung einer
einzelnen Verarbeitungseinheit zur Ausführung des gesamten Prozesses
nötig wäre. Die
Verarbeitungseinheiten werden in diesem Fall auch mit einer niedrigeren
Frequenz betrieben. Da die Verarbeitungseinheiten nur Teilprozesse
ausführen,
kann ihr Funktionsumfang angepasst und reduziert werden, z. B. können die Verarbeitungseinheiten
nur für
das Ausführen
bestimmter Teilprozesse, also z. B. die erste Verarbeitungseinheit
nur für
eine Datenerfassung und die zweite Verarbeitungseinheit nur für eine Datenverarbeitung,
ausgebildet sein. Die Verarbeitungseinheiten können auch derart ausgebildet
sein, dass sie die Teilprozesse mit besonders geringem Energieverbrauch
ausführen
können.
Auf diese Weise angepasste Verarbeitungseinheiten haben insgesamt
einen geringeren Energieverbrauch gegenüber nicht spezialisierten Verarbeitungseinheiten,
wodurch sich eine Betriebszeit eines elektrischen Geräts, das durch
eine interne Spannungsquelle versorgt wird, verlängert. Bei elektrischen Geräten, die über eine Kommunikationsverbindung
mit elektrischer Energie versorgt werden, kann somit eine höhere Anzahl
an Geräten
angeschlossen werden, um die zur Verfügung stehende Energie auszunutzen.
Die Kosten für eine
Verarbeitungseinheit, die nur für
bestimmte Teilprozesse ausgebildet ist, sind zudem reduziert, da sie
aufgrund des geringeren Funktionsumfangs weniger Komponenten aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei
verwendete Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind
nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen Schutzes
für die
Merkmalskombinationen der rückbezogenen
Unteransprüche
zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der
Ansprüche
bei einer näheren
Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch
davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden
Ansprüchen
nicht vorhanden ist.
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Bevorzugt
wird ein Kommunikationsprozess auf miteinander kommunizierenden
Verarbeitungseinheiten ausgeführt,
wobei der Kommunikationsprozess aus mehreren Kommunikationseinheiten
besteht und wobei nach jeder der Kommunikationseinheiten der Kleinleistungsmodus
aktiviert wird. Die Kommunikationseinheiten sind z. B. einzelne
Ereignisse während
einer Datenübertragung,
die nacheinander bearbeitet werden. Da bei einer seriellen Datenübertragung,
die z. B. über
ein (Glasfaser-)Kabel oder eine drahtlose Verbindung als kommunikative Verbindung
erfolgt, eine Datenübertragungsrate
sehr niedrig ist, dauert ein Kommunikationsprozess relativ lange
und verbraucht dabei eine beträchtliche
Menge Energie, wenn die Verarbeitungseinheiten während des gesamten Kommunikationsprozesses
aktiviert sind. Indem die Verarbeitungseinheiten nun zwischen den
einzelnen Ereignissen, also Kommunikationseinheiten, in den Kleinleistungsmodus
versetzt werden, lässt
sich eine zusätzliche
Energieeinsparung erreichen, da die Verarbeitungseinheiten nicht während des
gesamten Kommunikationsprozesses Energie verbrauchen, sondern nur
zu den Zeitpunkten, zu denen Kommunikationsdaten gesendet oder empfangen
werden.
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Besonders
bevorzugt wird der ersten Verarbeitungseinheit eine Datenerfassung
als erster Teilprozess und der zweiten Verarbeitungseinheit eine Datenverarbeitung
als zweiter Teilprozess zugeteilt. Bei der Datenerfassung erfasste
Daten werden dabei über
die kommunikative Verbindung an die zweite Verarbeitungseinheit übertragen.
Dadurch können bei
geringer Verzögerung
zwischen der Datenerfassung und der Datenverarbeitung aufgrund des
Kommunikationsprozesses beide Teilprozesse innerhalb eines Prozesszyklus
ausgeführt
werden. Somit entsteht zeitlich gesehen kein Nachteil gegenüber einem
elektrischen Gerät,
das nur eine Verarbeitungseinheit umfasst, mit der ein Prozess zwar
schneller, aber mit höherem
Energieverbrauch innerhalb eines Prozesszyklus durchgeführt wird.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die Teilprozesse zumindest teilweise parallel
ausgeführt
werden, wobei für
die Datenverarbeitung Daten aus einem vorhergehenden Prozesszyklus
vorgesehen sind. Da bei einem Hintereinanderausführen des ersten und zweiten
Teilprozesses zwischen diesen beiden Teilprozessen der Kommunikationsprozess
ausgeführt
wird, damit Daten aus der Datenerfassung zu Verarbeitung an die
zweite Verarbeitungseinheit übertragen
werden können,
kann je nach Dauer der Teilprozesse oder des Kommunikationsprozesses
eine, z. B. bei Verwendung einer einzelnen Verarbeitungseinheit,
vorgesehene Zyklusdauer überschritten
werden. Werden Daten aus einer Datenerfassung des aktuellen Prozesszyklus
jeweils erst im Anschluss an eine Datenverarbeitung von Daten aus
einem vorhergehenden Prozesszyklus in dem Kommunikationsprozess übertragen
und stehen dann in einem nächsten
Prozesszyklus zur Verarbeitung durch die zweite Verarbeitungseinheit
zur Verfügung,
können
die Teilprozesse zumindest teilweise parallel ausgeführt werden,
so dass ein Überschreiten
einer vorgesehenen Zyklusdauer vermieden oder die Zyklusdauer gegebenenfalls
sogar verkürzt
werden kann.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Einander
entsprechende Gegenstände
oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das
oder jedes Ausführungsbeispiel
ist nicht als Einschränkung
der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden
Offenbarung zahlreiche Abänderungen
und Modifikationen möglich,
insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel
durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit
den im allgemeinen oder spe ziellen Beschreibungsteil beschriebenen
sowie in den Ansprüchen
und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder
Verfahrensschritten für
den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar
sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand
oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.
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Es
zeigen
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1 ein
Automatisierungssystem mit darin als Prozessperipherie fungierenden
elektrischen Geräten,
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2 schematisch
vereinfacht ein elektrisches Gerät
gemäß der Erfindung
und
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3 Zeitdiagramme
eines zyklischen Prozesses, ausgeführt von einer einzelnen Verarbeitungseinheit
und zwei Verarbeitungseinheiten im Vergleich.
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1 zeigt
schematisch vereinfacht ein insgesamt mit 10 bezeichnetes
Automatisierungssystem, das zur Steuerung und/oder Überwachung
eines nicht näher
dargestellten technischen Prozesses 12 vorgesehen ist.
Das Automatisierungssystem 10 umfasst eine Anzahl kommunikativ
miteinander verbundener Einheiten. Für die kommunikative Verbindung
ist üblicherweise
ein Bus 14, z. B. ein Feldbus, vorgesehen. In der in 1 dargestellten
Situation umfasst das Automatisierungssystem 10 eine Leitstation 16,
z. B. eine speicherprogrammierbare Steuerung, und mehrere sogenannte
dezentrale Peripheriegeräte 18, 20, 22.
An eines der dezentralen Peripheriegeräte 20 sind Feldgeräte 24, 26 angeschlossen,
bei denen es sich um elektrische Geräte handeln kann, wie sie von
der Erfindung betroffen sind. Entsprechend werden die Feldgeräte 24, 26 nachfolgend
kurz als Gerät 24, 26 bezeichnet.
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Bei
den Geräten 24, 26 handelt
es sich z. B. um Feldgeräte
in Form von Sensoren. Diese umfassen im Allgemeinen eine einzelne
Verarbeitungseinheit, beispielsweise einen Mikrocontrol ler, die
zyklisch eine Anzahl verschiedener Aufgaben erledigt, z. B. eine
Messwerterfassung, Messwertbearbeitung, Displaysteuerung, Bus-Kommunikation
etc. Auf diese Weise fungieren die Geräte 24, 26 als
Schnittstelle zum technischen Prozess 12, indem sie Daten
aus dem technischen Prozess 12, z. B. Temperaturen, Füllstände usw.,
aufnehmen und diese Daten dem Automatisierungssystem 10 zur
Beeinflussung des technischen Prozesses 12 entsprechend
einer jeweils vorgegebenen Automatisierungslösung zur Verfügung stellen.
Abweichend von der Darstellung in 1 können die
Geräte 24, 26 auch
unmittelbar an den Bus 14 angeschlossen sein.
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2 zeigt
schematisch vereinfacht eines der elektrischen Geräte 24, 26 (1)
zur Darstellung weiterer Details. Das hier dargestellte elektrische
Gerät 24 umfasst
eine erste und eine zweite Verarbeitungseinheit 28, 30.
Als Verarbeitungseinheiten 28, 30 können z.
B. Mikrocontroller vorgesehen sein. Die Verarbeitungseinheiten 28, 30 sind
zum Austausch von Daten über
eine kommunikative Verbindung 32 miteinander verbunden.
Als kommunikative Verbindung 32 kann z. B. ein Kabel, z.
B. aus Glasfaser, oder eine drahtlose Funkverbindung verwendet werden.
Ein zyklischer Prozess 34, der von dem elektrischen Gerät 24 ausgeführt werden
soll, wird in einen ersten und einen zweiten Teilprozess 36, 38 aufgeteilt,
die dann jeweils einer der Verarbeitungseinheiten 28, 30 zugeteilt
werden. Bei dem elektrischen Gerät 24 in 2 wird
der ersten Verarbeitungseinheit 28 der erste Teilprozess 36 und
der zweiten Verarbeitungseinheit 30 der zweite Teilprozess 38 zugeteilt.
Die Verarbeitungseinheiten 28, 30 sind nun außerdem an
die ihnen zugeteilten Teilprozesse 36, 38 angepasst.
Sie umfassen also z. B. nur solche Mittel 40, 42,
die für
eine Ausführung
des entsprechenden Teilprozesses 36, 38 benötigt werden, oder
es werden speziell für
den Teilprozess 36, 38 geeignete Mittel 40, 42 mit
besonders geringem Energieverbrauch verwendet. Daher kann die Versorgungsspannung
der Verarbeitungseinheiten 36, 38 weniger als
halb so groß sein
wie bei der Verwendung einer einzelnen Verarbeitungseinheit 44 (nicht dargestellt)
zur Ausführung
des gesamten Prozesses 34. Da eine Leistungsaufnahme proportional
zu einem Quadrat der Versorgungsspannung ist, wird bei Reduzierung
der Versorgungsspannung um mehr als die Hälfte weniger als ein Viertel
der Leistung von jeder Verarbeitungseinheit 36, 38 aufgenommen.
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3 zeigt
Zeitdiagramme eines Prozesszyklus 46 des zyklischen Prozesses 34.
Dabei stellt das obere Zeitdiagramm eine Ausführung des gesamten zyklischen
Prozesses 34 durch eine einzelne Verarbeitungseinheit 44 (nicht
dargestellt) dar, während das
mittlere und untere Zeitdiagramm die Ausführung der Teilprozesse 36, 38 durch
jeweils eine der Verarbeitungseinheiten 28, 30 (2)
zeigen. Die Dauer des Prozesses 34 ist etwa halb so lang
wie die der beiden Teilprozesse 36, 38. Eine Leistungsaufnahme der
Verarbeitungseinheiten 44, 28, 30 bei
Ausführung
der Prozesse 34, 36, 38 ist anhand ihrer
dargestellten Höhe
erkennbar. Bei den Teilprozessen 36, 38 ist die
Leistungsaufnahme während
der Dauer der Ausführung
geringer als bei dem gesamten Prozess 34.
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Die
Verarbeitungseinheiten 28, 30 werden nach der
Ausführung
eines Teilprozesses 36, 38 in einen Kleinleistungsmodus 48 versetzt,
in dem ihr Energieverbrauch besonders gering ist. Da jeder Teilprozess 36, 38 in
einem Prozesszyklus 46 nur einmal ausgeführt wird,
bleibt der Kleinleistungsmodus 48 bis zu einem nächsten Prozesszyklus 50 aktiviert. Darüber hinaus
bleibt der Kleinleistungsmodus 48 für jede Verarbeitungseinheit 28, 30 außerdem bis
zu dem Zeitpunkt aktiviert, zu dem der ihr zugeteilte Teilprozess 36, 38 in
dem nächsten
Prozesszyklus 50 wieder ausgeführt wird.
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Das
mittlere und untere Zeitdiagramm in 3 zeigen
außerdem
einen Kommunikationsprozess 52, der auf der Kommunikation
zwischen den Verarbeitungseinheiten 28, 30 basiert.
Der Kommunikationsprozess 52 wird vor oder nach einem Teilprozess 36, 38 ausgeführt und
besteht aus mehreren Kommunikationseinheiten 54, z. B.
aus einer Folge von Ereignissen, die nacheinander bearbeitet werden.
Zwischen diesen Kommunikations einheiten 54 wird wiederum
der Kleinleistungsmodus 48 aktiviert, da in dieser Zeit
keine Ausführung
von Teilprozessen 36, 38 erfolgt. Dadurch ist
der Energieverbrauch der Verarbeitungseinheiten 28, 30 geringer
als wenn diese während
des gesamten Kommunikationsprozesses 52 aktiv blieben.
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Als
erster und zweiter Teilprozess 36, 38 können z.
B. eine Datenerfassung 56 und eine Datenverarbeitung 58 vorgesehen
sein. Daten, die während
der Datenerfassung 56 von der ersten Verarbeitungseinheit 28 erfasst
werden, sollen mit der Datenverarbeitung 58 verarbeitet
werden. Dazu müssen sie
an die zweite Verarbeitungseinheit 30 übertragen werden. Diese Übertragung
erfolgt mittels des Kommunikationsprozesses 52 über die
kommunikative Verbindung 32. Nachdem die zweite Verarbeitungseinheit 30 die
Daten empfangen hat, beginnt die Ausführung des zweiten Teilprozesses 38,
der Datenverarbeitung 58.
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Die
in 3 dargestellten Teilprozesse 36, 38 sind
im Vergleich zu einer Dauer des Prozesszyklus 46 – Zyklusdauer 60 – eher kurz,
so dass sie auch mit einer Verzögerung
aufgrund des Kommunikationsprozesses 52 nacheinander ausgeführt werden können, ohne
dass sich die Zyklusdauer 60 in diesem Fall gegenüber der
Zyklusdauer 60 bei Verwendung einer einzelnen Verarbeitungseinheit 44 verlängert. Es
ist jedoch auch möglich,
dass die Teilprozesse 36, 38 parallel ausgeführt werden.
Dies bedeutet jedoch, dass in einer Datenverarbeitung 58 nicht
direkt diejenigen Daten verarbeitet werden können, die parallel in der Datenerfassung 56 eingelesen
werden. Das elektrische Gerät 24 verfügt daher über geeignete Mittel,
so dass in einem jeweils vorhergehenden Prozesszyklus 62 erfasste
Daten in der Datenverarbeitung 58 verarbeitet werden können. Dazu
wird z. B. der Kommunikationsprozess 52 erst nach Beendigung
aller Teilprozesse 36, 38 ausgeführt. Durch
das parallele Ausführen
der Teilprozesse 36, 38 kann die bei Verwendung
einer einzelnen Verarbeitungseinheit 44, die den Prozess 34 schneller
ausführen kann,
vorgesehene Zyklusdauer 60 beibehalten werden. Gegebenenfalls
kann die Zyklusdauer 60 auch verkürzt werden.
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Damit
lässt sich
die Erfindung kurz wie folgt darstellen: Es wird ein Verfahren zum
Betrieb eines elektrischen Geräts 24, 26 mit
mindestens zwei Verarbeitungseinheiten 28, 30 zur
Ausführung
eines zyklischen Prozesses 34 angegeben, bei dem die Verarbeitungseinheiten 28, 30 kommunikativ
miteinander verbunden sind, wobei der Prozess 34 in mindestens
einen ersten und einen zweiten Teilprozess 36, 38 aufgeteilt
ist, wobei den Verarbeitungseinheiten 28, 30 jeweils
ein Teilprozess 36, 38 zur Verarbeitung zugeteilt
ist, wobei jede Verarbeitungseinheit 28, 30 nach
der Verarbeitung eines Teilprozesses 36, 38 in einen
Kleinleistungsmodus 48 versetzt wird und bei dem jede Verarbeitungseinheit 28, 30 an
den ihr zugeteilten Teilprozess 36, 38 angepasst
ist, insbesondere in Bezug auf einen Funktionsumfang und/oder einen
Energieverbrauch.