DE102009054527A1

DE102009054527A1 - Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks in einer industriellen Prozessumgebung

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Publication number: DE102009054527A1
Application number: DE102009054527A
Authority: DE
Inventors: Christian Seiler; Stefan Probst; Jörg HÄHNICHE; Marc Fiedler
Original assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Current assignee: Endress and Hauser Process Solutions AG
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks (FN) in einer industriellen Prozessumgebung, wobei das Funknetzwerk (FN) mehrere Teilnehmer (A, B, C, D, E) umfasst, wobei die Teilnehmer (A, B, C, D, E) über das Funknetzwerk (FN) gesteuert und/oder überwacht werden, wobei wenigstens ein erster Teilnehmer (A) des Funknetzwerks in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, in welchem ersten Betriebsmodus Daten mit einer ersten Aktualisierungsrate von dem ersten Teilnehmer (A) gesendet werden, in welchem zweiten Betriebsmodus Daten mit einer zweiten Aktualisierungsrate von dem ersten Teilnehmer (A) gesendet werden, wobei die zweite Aktualisierungsrate höher ist als die erste Aktualisierungsrate, und wobei wenigstens ein Teil der während des zweiten Betriebsmodus gesendeten Daten von wenigstens einem zweiten Teilnehmer (B) des Funknetzwerks empfangen wird, wobei die von dem zweiten Teilnehmer (B) empfangenen Daten ausgewertet und ein erster Kennwert der Qualität der Datenübertragung ermittelt und einem Benutzer zur Verfügung gestellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks in einer industriellen Prozessumgebung.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung für den Einsatz in einer industriellen Prozessumgebung.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung der Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotential-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen 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 Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alte 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 Teilnehmer in einem Feldbus sind und zur Kommunikation mit den übergeordneten Einheiten in der Lage sind, wie z. B. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices und Funkadapter. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Bussysteme, wie 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). 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.
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.
Weiterhin 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 bzw. der Funkadapter über Funk von dem Gateway und/oder der übergeordneten Steuereinheit Daten empfangen und über die Feldbus-Kommunikations-Schnittstelle an das Feldgerät weiterleiten. Die Versorgung des Feldgerätes mit elektrischer Leistung erfolgt in der Regel über eine Stromquelle, die dem Funkadapter oder dem Feldgerät zugeordnet ist. Bei der Stromquelle handelt es sich üblicherweise um eine Batterie oder um einen Akku.
Funknetzwerke in der Automatisierungstechnik zeichnen sich durch einen geringen Energieverbrauch aus. 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 Funknetzwerk integrierte Feldgeräte – wie bereits erwähnt – über eine Batterie, also eine Energieversorgungseinheit mit einer begrenzten Leistungskapazität, gespeist.
Funknetzwerke für die Automatisierungstechnik, wie beispielsweise WirelessHART oder ISA 100, 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.
Ein autarker Knoten für ein Maschennetzwerk ist in der WO 2005/094312 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.
Handelt es sich bei den Feldgeräten bspw. um Messgeräte, so werden diese nur dann aktiviert wenn tatsächlich ein Messwert von der Messstelle angefordert oder abgerufen wird, weil dieser aktualisiert werden muss. In einigen Anlagen kann es aber der Fall sein, dass der Messwert nur bspw. 1 bis 2 Mal täglich abgefragt wird. Entsprechend selten werden dann Messwerte über das Funknetzwerk gesendet. Aufgrund dieser Ruhephasen weisen die Feldgeräte nur eine geringe Arbeitsauslastung auf. Die Aktualisierungsrate der Messwerte im vorgenannten Fall entspricht dann nur 1/(24 h) bis 2/(24 h). Daher ist es nur bedingt möglich, die Signalqualität der Funkverbindung eines solchen Teilnehmers zu seinen Nachbarn in dem Funknetzwerks zu ermitteln.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Qualität einer Funkverbindung zwischen einem Teilnehmer eines Funknetzwerks und seinen Nachbarn so schnell als möglich zu ermitteln.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Funknetzwerk mehrere Teilnehmer umfasst, wobei die Teilnehmer über das Funknetzwerk gesteuert und/oder überwacht werden, wobei wenigstens ein erster Teilnehmer des Funknetzwerks in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, in welchem ersten Betriebsmodus Daten mit einer ersten Aktualisierungsrate von dem ersten Teilnehmer gesendet werden, in welchem zweiten Betriebsmodus Daten mit einer zweiten Aktualisierungsrate von dem ersten Teilnehmer gesendet werden, wobei die zweite Aktualisierungsrate höher ist als die erste Aktualisierungsrate, und wobei wenigstens ein Teil der während des zweiten Betriebsmodus gesendeten Daten von wenigstens einem zweiten Teilnehmer des Funknetzwerks empfangen wird, wobei die von dem zweiten Teilnehmer empfangenen Daten ausgewertet und ein erster Kennwert der Qualität der Datenübertragung ermittelt und einem Benutzer zur Verfügung gestellt wird.
Funknetzwerke, wie bspw. WirelessHART, können heutzutage z. B. bis zu 255 Teilnehmer aufweisen. Ein solches Funknetzwerk kann dazu dienen, die Teilnehmer bspw. von einer Warte aus mittels einer Steuereinheit zu überwachen und/oder zu steuern. Bei den Teilnehmern eines solchen Funknetzwerks kann es sich bspw. um Feldgeräte wie Sensoren und/oder Aktoren usw. handeln, die wiederum einen Prozess in der industriellen Umgebung steuern und/oder überwachen. Bei den Teilnehmern kann es sich aber bspw. auch um o. g. Remote I/Os, Gateways, Linking Devices und Funkadapter handeln.
Erfindungsgemäß wird ein Teilnehmer des Funknetzwerks also in einem ersten Betriebsmodus oder einem zweiten Betriebsmodus betrieben. Bei dem ersten Betriebsmodus kann es sich bspw. um einen Messbetrieb zur Erfassung einer Messgröße handeln. Der erste Betriebsmodus kann allerdings wie oben beschrieben von Ruhephasen unterbrochen sein. Ein Teilnehmer eines Funknetzwerks in einer industriellen Prozessumgebung wie bspw. ein Messgerät sendet daher unter Umständen nur einige wenige Male täglich Messdaten oder andere prozessrelevante Information über das Funknetzwerk bspw. an eine Steuereinheit. Um den Energiebedarf niedrig zu halten, wird der Teilnehmer, insbesondere falls er mittels einer Batterie mit Energie versorgt wird, so häufig wie möglich inaktiv sein und bei Aktivität so wenig Bits wie möglich übertragen. Die Aktualisierungsrate mit der Daten, insbesondere Datenpakete, gesendet werden ist entsprechend gering. Zur Bestimmung der Qualität bzw. des Kennwerts der Qualität der Verbindung zu dem Funknetzwerk ist eine niedrige Arbeitsauslastung, d. h. eine niedrige Aktualisierungsrate der von dem Teilnehmer gesendeten Daten, aber nachteilig. Daher ist erfindungsgemäß ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen, der über eine gegenüber dem ersten Betriebsmodus erhöhte Aktualisierungsrate verfügt, mit der Daten gesendet werden können. Selbstverständlich können außer dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus auch weitere Betriebsmodi wie z. B. zur Diagnose und/oder Wartung usw. vorgesehen sein, in denen die Teilnehmer des Funknetzwerks, insbesondere der erste und/oder der zweite Teilnehmer, betrieben werden können. Die zweite Aktualisierungsrate kann zu diesem Zweck ausreichend hoch gewählt werden, um zeitnah Veränderungen in der Qualität der Funkverbindung, insbesondere der Datenübertragung, ermitteln zu können. Die Ermittlung der Qualität der Funkverbindung kann für die Ausrichtung der Antenne bzw. die Positionierung des Teilnehmers verwendet werden.
Bei der Aktualisierungsrate kann es sich bspw. um die Anzahl der Aktualisierungen von Daten handeln, die während einer vorgegebenen Zeitspanne gesendet werden. Die Daten können bspw. in Form von Datenpaketen oder Telegrammen gesendet werden. Die Telegramme sind dabei mit wenigstens einer Zieladresse versehen. Die Aktualisierungsrate gibt demnach bspw. an, wie oft Daten von einem Teilnehmer an einen anderen Teilnehmer oder allgemein gesagt an das Funknetzwerk gesendet werden. Jedes gesendete Datenpaket oder Telegramm kann dabei eine Aktualisierung darstellen. Die in den Daten bzw. dem Datenpaket oder Telegramm enthaltenen Informationen können sich dabei, z. B. im Fall von Messwerten einer sich ändernden Messgröße, von Aktualisierung zu Aktualisierung unterscheiden. Alternativ können die Daten aber auch immer wieder dieselbe Standard-Meldung beinhalten.
Speziell für die Kommunikation in einer industriellen Prozessumgebung sind Kommunikations-Standards bekannt geworden, bei denen ein Teilnehmer nur auf eine Anfrage hin Daten sendet. Solche Standards sind z. B. Foundation Fieldbus, Profibus oder HART. Entsprechende Feldgeräte senden dann unter Umständen entsprechend selten Daten über das Funknetzwerk. Aus dem Stand der Technik ist ein sog. Burst Mode bekannt geworden. In diesem Burst Mode werden Daten ohne spezielle Aufforderung durch eine übergeordnete Einheit von dem Teilnehmer gesendet. Die Aktualisierungsrate im Burst Mode kann bis zu 10/s oder nur bis zu 1/s betragen – dies hängt von dem verwendeten Funknetzwerk ab. Die Aktualisierungsrate im normalen, d. h. ersten, Betriebsmodus liegt bspw. bei weniger als 1/min oder weniger als 1/h insbesondere bei weniger als 1/d. Der Burst Mode kann daher bspw. als zweiter Betriebsmodus verwendet werden.
Von der Aktualisierungsrate mit der Daten gesendet werden, ist die Baudrate und die Übertragungsrate zu unterscheiden. So gibt bspw. die Baudrate an wie viele Symbole pro Zeiteinheit übertragen werden. Die Symbole können bspw. durch Bits codiert sein. Die Übertragungsrate, d. h. die Menge der pro Zeiteinheit übertragenen Daten kann dann anhand der verwendeten Codierung und der Baudrate bestimmt werden.
An einem von dem Standort des ersten Teilnehmers in der Anlage verschiedenen, jedoch über das Funknetzwerk erreichbaren Standort kann sich der zweite Teilnehmer befinden. Um von dem ersten Teilnehmer gesendete Daten zu empfangen, muss sich der Standort des zweiten Teilnehmers innerhalb der Reichweite der Funkverbindung des ersten Teilnehmers befinden. Wenigstens ein Teil der von dem zweiten Teilnehmer empfangenen Daten kann dann zur Bestimmung des ersten Kennwerts der Qualität der Datenübertragung über die Funkverbindung verwendet werden. Der ermittelte erste Kennwert kann dann einem Benutzer zur Verfügung gestellt werden. Der Benutzer, bei dem es sich bspw. um das Bedienpersonal der Anlage handeln kann, kann daher in kurzer Zeit eine Auskunft über die Qualität der Funkverbindung bzw. der Datenübertragung in dem Funknetzwerk erhalten. Davon Ausgehend kann ein Benutzer dann bspw. die Antenne des ersten oder ggf. des zweiten Teilnehmers ausrichten oder ggf. den Funkadapter von dem ersten oder zweiten Teilnehmer absetzen, d. h. den Funkadapter an einem anderen Ort platzieren als bspw. das Feldgerät selbst.
In der industriellen Umgebung kann es zudem aufgrund der geometrischen Anordnung von Vorrichtungen der Anlage wie bspw. Tanks oder Rohrleitungen usw. auch zu Reflektionen des Funksignals, d. h. zu einer Mehr-Wege-Ausbreitung kommen, die die Verbindung eines Teilnehmers zum Funknetzwerk bzw. zu räumlich benachbarten Teilnehmern beinträchtigen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Teilnehmer daher ebenfalls in einem ersten oder einem zweiten Betriebsmodus betrieben, wobei im ersten Betriebsmodus Daten mit einer dritten Aktualisierungsrate von dem zweiten Teilnehmer gesendet werden, und wobei im zweiten Betriebsmodus Daten mit einer vierten Aktualisierungsrate von dem zweiten Teilnehmer gesendet werden, wobei die vierte Aktualisierungsrate höher ist als die dritte Aktualisierungsrate, wobei wenigstens ein Teil der von dem zweiten Teilnehmer während des zweiten Betriebsmodus gesendeten Daten von dem ersten Teilnehmer empfangen wird, wobei die von dem ersten Teilnehmer empfangenen Daten ausgewertet und ein zweiter Kennwert der Qualität der Datenübertragung ermittelt und einem Benutzer zur Verfügung gestellt wird.
Wie oben erwähnt, kann es bspw. aufgrund der Mehr-Wege-Ausbreitung zur Beeinträchtigung der Funkverbindung kommen. Es hat sich herausgestellt, dass es bei dem Austausch von Daten zwischen zwei Teilnehmern über eine Funkverbindung zu einer Asymmetrie zwischen den beiden Übertragungsrichtungen kommen kann. Es kann somit der Fall auftreten, dass der erste Teilnehmer von dem zweiten Teilnehmer gesendete Daten mit einer höheren Qualität empfängt als der zweite Teilnehmer von dem ersten Teilnehmer gesendete Daten. Der zweite Teilnehmer kann in seinem zweiten Betriebsmodus bspw. Daten mit im Wesentlichen der zweiten Aktualisierungsrate, die auch von dem ersten Teilnehmer verwendet wird, senden. Anstelle der zweiten Aktualisierungsrate, mit der der erste Teilnehmer im zweiten Betriebsmodus Daten sendet, kann der zweite Teilnehmer selbstverständlich auch Daten mit der vierten Aktualisierungsrate senden, die nicht unbedingt der zweiten Aktualisierungsrate des ersten Teilnehmers entspricht. Jedoch sollte diese vierte Aktualisierungsrate zumindest höher sein als die dritte Aktualisierungsrate, so dass ein Kennwert der Qualität der Datenübertragung mit ausreichender Güte und möglichst zeitnah bestimmt werden kann. Der erste und der zweite Teilnehmer können sich dabei auch wenigstens zeitweise gleichzeitig im zweiten Betriebsmodus befinden.
Die Ermittlung der Qualität der Funkverbindung, insbesondere des ersten und/oder des zweiten Kennwerts, muss dabei möglichst zeitgleich zu einer Positionsveränderung einer der Teilnehmer erfolgen, u. a. um Rückschlüsse auf die richtige Positionierung und Ausrichtung der Antenne bzw. des Teilnehmers ziehen zu können.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der erste Kennwert an den ersten Teilnehmer bzw. der zweite Kennwert an den zweiten Teilnehmer zurückgesendet. Dadurch kann die Qualität bzw. der die Qualität repräsentierende Kennwert der Datenübertragung von dem ersten zum zweiten Teilnehmer bzw. vom zweiten zum ersten Teilnehmer an dem Standort des ersten bzw. zweiten Teilnehmers im Funknetzwerk einem Benutzer bspw. über eine Vor-Ort Anzeigeeinheit zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, lediglich den ersten Kennwert an den ersten Teilnehmer zurückzusenden. Anhand des ersten und des zweiten Kennwertes kann dann bspw. die Qualität des Signalpfads bspw. zwischen benachbarten Teilnehmern bestimmt werden.
Aus dem ersten und dem zweiten Kennwert kann ein dritter Kennwert, der die Qualität der Hin- und Rückübertragung von Daten zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer angibt, ermittelt werden. Der erste, zweite und/oder dritte Kennwert kann dann lokal am ersten und/oder zweiten Teilnehmer, einem dort ggf. vorhanden Display bspw. eines angeschlossenen Feldgerätes oder auf einem Handheld wiedergegeben werden. Als erster, zweiter oder auch dritter Kennwert kann bspw. die Amplitude des empfangenen Funksignals dienen welches die Daten überträgt. Alternativ kann der Anteil der im Vergleich zu den gesendeten Daten empfangenen Daten, d. h. die Verlustrate, als Kennwert der Qualität der Datenübertragung verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei den von dem zweiten Teilnehmer empfangenen Daten um unmittelbar von dem ersten Teilnehmer gesendete Daten. Die von dem zweiten Teilnehmer empfangenen Daten können direkt von dem ersten Teilnehmer stammen, ohne dass sie bspw. über eine Zwischenstation weitergeleitet werden. Dadurch können die räumlichen, insbesondere die räumlich nächsten, Teilnehmer in dem Funknetzwerk ermittelt werden, die von dem ersten Teilnehmer gesendete Daten noch empfangen können. Zudem kann die Qualität der Datenübertragung zu wenigstens einem dieser Nachbarn ermittelt werden.
In einer Variante des Verfahrens kann es sich bei den von dem ersten Teilnehmer empfangenen Daten um unmittelbar von dem zweiten Teilnehmer gesendete Daten handeln.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Teilnehmer des Funknetzwerks, insbesondere räumlich benachbarte Teilnehmer, in den zweiten Betriebsmodus versetzt. Dadurch kann die Qualität bzw. der Kennwert der Qualität einer Funkverbindung oder ein gemeinsamer Kennwert der Qualität mehrerer Funkverbindungen, insbesondere in einer bestimmten Zelle oder einem bestimmten räumlichen Bereich des Funknetzwerks oder in einem bestimmten Bereich der Anlage überwacht und/oder bestimmt werden. Da das Senden von Daten und das Empfangen von Daten, im Wesentlichen unabhängig voneinander sein kann, können in einer vorteilhaften Ausgestaltung mehrere, insbesondere räumlich benachbarte Teilnehmer des Funknetzwerks sich wenigstens zeitweise gleichzeitig in dem zweiten Betriebsmodus befinden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens stehen die Teilnehmer des Funknetzwerks im zweiten Betriebsmodus, zwischen denen eine Funkverbindung möglich ist, über eine Peer-to-Peer-Verbindung miteinander in Verbindung, wobei die Daten in dem zweiten Betriebsmodus zwischen den Teilnehmern über die Peer-to-Peer-Verbindung übertragen werden. Bei der hier verwendeten Peer-to-Peer-Verbindung handelt es sich um eine sog. Direktverbindung, bei der die Teilnehmer miteinander über das Funknetzwerk verbunden sind, ohne über eine, insbesondere hierarchisch übergeordnete, Zwischenstation wie. bspw. ein Gateway zu kommunizieren. Die von dem ersten Teilnehmer im zweiten Betriebsmodus übertragenen Daten werden dabei an den zweiten Teilnehmer, oder in dem Fall von mehreren räumlich benachbarten Teilnehmern an diese Teilnehmer adressiert. Für den Fall, dass sich auch der wenigstens eine zweite Teilnehmer im zweiten Betriebsmodus befindet, werden die von dem wenigstens einen zweiten Teilnehmer gesendeten Daten bspw. in Form von Telegrammen an den wenigstens einen ersten Teilnehmer adressiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden in dem Fall, dass der ermittelte erste und/oder zweite Kennwert oder ein aus dem ersten und/oder zweiten Kennwert abgeleiteter dritter Kennwert einen vorgegebenen Schwellwert über- bzw. unterschreitet, Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität der Datenübertragung ergriffen oder ein entsprechendes Signal ausgegeben. Es kann z. B. der Fall eintreten, dass unter bestimmten Betriebs- und/oder Umweltbedingungen noch eine Kommunikation über das Funknetzwerk möglich ist, diese Kommunikation aber bei sich geringfügig verschlechternden Betriebs- und/oder Umweltbedingungen zusammenbricht. Daher kann ein Schwellwert vorgesehen sein, der die Güte geforderten einer Mindestqualität der Verbindung angibt. Über- oder Unterschreitet der Kennwert diesen Schwellwert, so kann bspw. ein entsprechendes Signal, insbesondere durch den ersten Teilnehmer, an einen Benutzer, der sich bspw. vor Ort befindet, ausgegeben werden. Dabei kann es sich bspw. um das Blinken eines ggf. an dem ersten Teilnehmer vorhanden Displays oder die Einblendung einer entsprechenden Nachricht auf dem Display handeln.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei den Teilnehmern des Funknetzwerks um Feldgeräte. Wie bereits erwähnt, kann der Standort von Feldgeräten in einer industriellen Anlage nur bedingt verändert werden. Es ist daher erforderlich die Verbindung der Feldgeräte zu dem Funknetzwerk entsprechend sicherzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden während des ersten Betriebsmodus Messwerte und/oder prozessrelevante Daten übertragen. Bei den Feldgeräten handelt es sich meist um Aktoren oder Sensoren die prozessrelevante Daten über das Funknetzwerk übermitteln.
Zudem wird die Verwendung des Verfahrens gemäß einer der obigen Ausgestaltungen zur Inbetriebnahme und/oder Optimierung eines Funknetzwerks in einer industriellen Prozessumgebung vorgeschlagen.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Kommunikations-Schnittstelle zur Datenübertragung über ein Funknetzwerk aufweist, wobei die Kommunikations-Schnittstelle als Sender und/oder Empfänger zum Senden bzw. Empfangen von Daten dient, wobei die Kommunikations-Schnittstelle in einem ersten Betriebsmodus dazu dient, Daten mit einer ersten Aktualisierungsrate zu senden, wobei die Kommunikations-Schnittstelle in einem zweiten Betriebsmodus dazu dient, Daten mit einer zweiten Aktualisierungsrate zu senden, wobei die zweite Aktualisierungsrate höher ist als die erste Aktualisierungsrate und/oder wobei die Kommunikations-Schnittstelle, insbesondere in dem zweiten Betriebsmodus, dazu dient empfangene Daten auszuwerten und einen Kennwert für die Qualität der Datenübertragung zu ermitteln und den Kennwert einem Benutzer zur Verfügung zu stellen.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Funknetzwerk ein WirelessHART Netzwerk.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung dient der zweite Betriebsmodus dazu, Daten an die in dem WirelessHART Netzwerk räumlich, insbesondere unmittelbar erreichbaren, nächsten Teilnehmer zu senden.
Bei dem Burst Mode handelt es sich um einen Betriebsmodus in dem von einem Teilnehmer ohne Aufforderung durch eine übergeordnete Einheit wiederholt Daten gesendet werden. Im Burst Mode kann bspw. mit der höchstmöglichen Aktualisierungsrate, bspw. 2 bis 4 Mal die Sekunde die aktuellen Messdaten, gesendet. Alternativ kann Anstelle der Messdaten bspw. eine Standard-Meldung gesendet werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann also der erste, der zweite und und/oder eine bestimmte Gruppe von Teilnehmern des Funknetzwerks in den Burst Mode versetzt werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Funknetzwerks in einer industriellen Prozessumgebung, und
2: eine schematische Darstellung einer Mehr-Wege-Ausbreitung zwischen zwei Teilnehmern des Funknetzwerks.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Funknetzwerks FN in einer industriellen Prozessumgebung, wie bspw. einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik.
Das Funknetzwerk FN umfasst mehrere Teilnehmer A, B, C, D, E in diesem Fall Feldgeräte die jeweils als Funk-Feldgeräte ausgebildet sind, und ein Gateway G. Über das Gateway G kann über einen der in der Automatisierungstechnik bekannten Feldbusse auf die Teilnehmer A, B, C, D, E des Funknetzwerks FN zugegriffen werden. Das Gateway G hat im gezeigten Fall die Funktion eines Protokollumsetzers als auch die Funktion eines Netzwerkmanagers. Zudem fungiert das Gateway G selbst als Teilnehmer A, B, C, D, E, G in dem Funknetzwerk FN, da es wie die übrigen Teilnehmer A, B, C, D, E auch über eine eigene Adresse innerhalb des Funknetzwerks FN verfügt.
Die Teilnehmer A, B, C, D, E stehen untereinander und mit dem Gateway G in Funkverbindung FV, was in 1 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Da die Teilnehmer 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. Bei dem Gateway G kann es sich um ein Konfigurations-/Managementsystem, z. B. das Produkt 'Fieldgate' der Endress + Hauser Gruppe handeln. Das Gateway G kommuniziert über das Funknetzwerk FN bzw. den Feldbus mit der übergeordneten Einheit SE. Die Verbindung zu der übergeordneten Einheit SE kann über eine Kabelverbindung oder über eine Funkverbindung realisiert sein. Bevorzugt wird auf der Leitebene LE, auf der die übergeordnete Steuereinheit SE bspw. in einer Warte angeordnet ist, ein Protokoll mit hohen Übertragungsraten, z. B. das Ethernetprotokoll verwendet, während in der Feldebene, in der die Teilnehmer A, B, C, D, E und das Gateway G angeordnet sind, einer der üblichen Feldbusse eingesetzt wird.
Die Teilnehmer A, B, C, D, E, G in der gezeigten Zelle der Anlage können sowohl in einem ersten als auch in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Der erste Betriebsmodus dient dabei primär der Übertragung von Messwerten oder anderen prozessrelevanten Informationen. Der zweite Betriebsmodus kann zur Inbetriebnahme des Funknetzwerks FN oder zu dessen Optimierung verwendet werden.
In dem ersten Betriebsmodus können die Teilnehmer A, B, C, D, E, G entweder über eine Peer-to-Peer Verbindung oder über eine hierarchisch übergeordnete Einheit, wie bspw. das Gateway, miteinander kommunizieren. Gehen alle Pakete zunächst über den Knotenpunkt des Netzwerkes, hier das Gateway, hat dies vor allem Netzwerk-organisationstechnische Gründe. Das Routing ist bei komplexen synchronisierten Netzwerken so einfacher zu gestalten.
Alternativ können die Teilnehmer A, B, C, D, E, G auch über eine kabelgebundene Verbindung, nicht gezeigt, miteinander kommunizieren, d. h. Daten austauschen. Im ersten Betriebsmodus ist es auch möglich, dass ein Teilnehmer z. B. der Teilnehmer A über wenigstens einen weiteren Teilnehmern, in 1 ist dies der Teilnehmer B, mit einem anderen Teilnehmer z. B. Teilnehmer E oder mit dem Gateway G in Verbindung steht. Über eine solche Zwischenstation können die von einem Teilnehmer A, B, C, D, E gesendeten Daten weitergeleitet werden.
Zur Ermittlung der Signalqualität einer Datenübertragung in dem Funknetzwerk FN, werden wenigstens die Teilnehmer A, B, C, D, E des Funknetzwerks FN, zwischen denen die Qualität der Signalübertragung ermittelt werden soll, in den zweiten Betriebsmodus versetzt.
Soll beispielsweise nur die Qualität der Datenübertragung zwischen den Teilnehmern A und B ermittelt werden, kann es ausreichen, nur diese beiden Teilnehmer A, B in den zweiten Betriebsmodus zu versetzen.
Falls nur die einseitige Datenübertragung, d. h. von einem ersten Teilnehmer A an den zweiten Teilnehmer B ermittelt werden soll, so genügt es, lediglich den ersten Teilnehmer A in den zweiten Betriebsmodus zu versetzen, so dass er Daten mit einer gegenüber dem ersten Betriebsmodus erhöhten Aktualisierungsrate sendet. Die von dem ersten Teilnehmer A gesendeten Daten können dann wenigstens teilweise von dem zweiten Teilnehmer B empfangen werden. Anhand bspw. der Signalamplitude der Daten oder der Verlustrate der gesendeten Daten kann bspw. durch den zweiten Teilnehmer B die Qualität der Datenübertragung bestimmt werden. Mittels des Kennwerts kann bspw. die Verfügbarkeit des ersten Teilnehmers A bei verschiedenen Umgebungsbedingungen, z. B. bei verschiedenen Wetterbedingungen, abgeschätzt werden.
Der ermittelte erste Kennwert kann auch an den ersten Teilnehmer A zurückgesandt werden, so dass er an dem Standort des ersten Teilnehmers A, d. h. vor Ort zur Verfügung steht und einem Benutzer zur Verfügung gestellt werden kann. Alternativ können auch die von dem zweiten Teilnehmer B empfangenen Daten an den ersten Teilnehmer A gesendet werden. Der erste Teilnehmer kann dann anhand dieser rückübertragenen Daten einen Kennwert für die Datenübertragung ermitteln.
Die vom ersten Teilnehmer A gesendeten Daten können dabei explizit an den zweiten Teilnehmer B adressiert sein.
Um die Verbindungsqualität auch bidirektional zu bestimmen, kann auch der zweite Teilnehmer B in den zweiten Betriebsmodus versetzt werden, so dass auch der zweite Teilnehmer Daten mit einer Aktualisierungsrate sendet, die höher ist als im ersten Betriebsmodus.
Anstelle des Teilnehmers B aus 1 kann auch ein anderer Teilnehmer innerhalb der Reichweite der Funkverbindung des ersten Teilnehmers A zur Bestimmung der Qualität der Verbindung verwendet werden. In 1 ist dies bspw. der vierte Teilnehmer D.
Von dem Fünften Teilnehmer E aus, könnte bspw. die Qualität der Funkverbindung zu dem Gateway G, dem zweiten Teilnehmer B und/oder dem dritten Teilnehmer C bestimmt werden.
Wie erwähnt, können auch mehr als zwei Teilnehmer A, B, nämlich eine bestimmte Gruppe von Teilnehmer A, B, C, D, E in den zweiten Betriebsmodus versetzt werden. Dadurch können die Qualitätsparameter, d. h. Kennwerte in dem bestimmten Bereich der Anlage ermittelt werden. Die ermittelten Kennwerte können dann bspw. einem Benutzer vor Ort im Feld zur Verfügung gestellt werden oder an die Steuereinheit SE in der Leitebene LE übertragen werden.
Die von dem ersten Teilnehmer A im zweiten Betriebsmodus gesendeten Daten können bspw. von anderen Teilnehmern B, D die sich innerhalb der Reichweite der Funkverbindung des ersten Teilnehmers A befinden empfangen werden. Dadurch können die Kennwerte der jeweiligen Funkverbindung FV ermittelt werden.
Anhand dieser Kennwerte können dann bspw. durch einen Benutzer Maßnahmen ergriffen werden, um die Qualität der Verbindung zu verbessern. Dazu gehört bspw. das Ausrichten einer ggf. vorhandenen Antenne von einem der Teilnehmer A, B, D, das Hinzufügen eines weiteren Übertragungsknoten, oder das Absetzen der Funkeinheit/Antenne. Dadurch wird die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Funknetzwerks verbessert. Zudem kann bereits bei der Inbetriebnahme des Netzwerks die Netzwerksarchitektur vereinfacht werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehr-Wege-Ausbreitung des Funksignals zwischen zwei Funknetzwerk Teilnehmern F1, F2.
Handelt es sich bei den Teilnehmern um Feldgeräte F1, F2, so ist eine Versetzung des Standpunkts innerhalb einer Anlage oftmals nicht möglich, da die Feldgeräte F1, F2 an einer vorgegebenen Messstelle den Prozess steuern und/oder überwachen. Auf der Funkstrecke, wie bspw. zwischen den beiden in 2 gezeigten Teilnehmern, können zusätzlich noch Hindernisse wie z. B. Tanks T1, T2 vorhanden sein, an denen die gesendeten Funksignale reflektiert werden oder die Ausbreitung der Funksignale stören. Die Funksignale sind in 2 durch gestrichelte Linien angedeutet. Durch die Reflektion der Funksignale kann es daher zu dem Phänomen kommen, dass die Übertragungsqualität davon abhängt ob die Funksignale von dem ersten Feldgerät zum zweiten Feldgerät oder umgekehrt übertragen werden.
Eine asymmetrische Funkverbindung zwischen zwei Teilnehmer einer Funknetzwerks kann auch einfach an der Qualität des Sende- und Empfangsteils des jeweiligen Teilnehmers liegen. Es kann auch an unterschiedlichen Sendesignalstärken liegen, so kann ein Teilnehmer A mit 0 dB und eine anderer Teilnehmer B mit 10 dB senden. Der erste Teilnehmer A hört den zweiten Teilnehmer B, der zweite Teilnehmer B jedoch nicht den ersten Teilnehmer A.
Bezugszeichenliste

A

Erster Teilnehmer

B

Zweiter Teilnehmer

C

Dritter Teilnehmer

D

Vierter Teilnehmer

E

Fünfter Teilnehmer

F1

Erstes Feldgerät

F2

Zweites Feldgerät

G

Gateway

FN

Funknetzwerk

FV

Funkverbindung

SE

Übergeordnete Einheit

T1

Erster Tank

T2

Zweiter Tank

LE

Leitebene

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

WO 2005/103851 A1 [0007]
WO 2005/094312 A2 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard IEEE 802.15.4 [0006]
ISA 100 [0009]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Funknetzwerks (FN) in einer industriellen Prozessumgebung, wobei das Funknetzwerk (FN) mehrere Teilnehmer (A, B, C, D, E, G) umfasst, wobei die Teilnehmer (A, B, C, D, E, G) über das Funknetzwerk (FN) gesteuert und/oder überwacht werden, wobei wenigstens ein erster Teilnehmer (A) des Funknetzwerks in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, in welchem ersten Betriebsmodus Daten mit einer ersten Aktualisierungsrate von dem ersten Teilnehmer (A) gesendet werden, in welchem zweiten Betriebsmodus Daten mit einer zweiten Aktualisierungsrate von dem ersten Teilnehmer (A) gesendet werden, wobei die zweite Aktualisierungsrate höher ist als die erste Aktualisierungsrate, und wobei wenigstens ein Teil der während des zweiten Betriebsmodus gesendeten Daten von wenigstens einem zweiten Teilnehmer (B) des Funknetzwerks empfangen wird, wobei die von dem zweiten Teilnehmer (B) empfangenen Daten ausgewertet und ein erster Kennwert der Qualität der Datenübertragung ermittelt und einem Benutzer zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Teilnehmer (B) ebenfalls in einem ersten oder zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wobei im ersten Betriebsmodus Daten mit einer dritten Aktualisierungsrate von dem zweiten Teilnehmer (B) gesendet werden, und wobei im zweiten Betriebsmodus Daten mit einer vierten Aktualisierungsrate von dem zweiten Teilnehmer (B) gesendet, wobei die vierte Aktualisierungsrate höher ist als die dritte Aktualisierungsrate, wobei wenigstens ein Teil der von dem zweiten Teilnehmer (B) während des zweiten Betriebsmodus gesendeten Daten von dem ersten Teilnehmer (A) empfangen wird, wobei die von dem ersten Teilnehmer (A) empfangenen Daten ausgewertet und ein zweiter Kennwert der Qualität der Datenübertragung ermittelt und einem Benutzer zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Kennwert an den ersten Teilnehmer (A) bzw. der zweite Kennwert an den zweiten Teilnehmer (B) zurückgesendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei es sich bei den von dem zweiten Teilnehmer (B) empfangenen Daten um unmittelbar von dem ersten Teilnehmer (A) gesendete Daten handelt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mehrere Teilnehmer (A, B, C, D, E, G) des Funknetzwerks, insbesondere räumlich benachbarte Teilnehmer (A, B, C, D, E, G), in den zweiten Betriebsmodus versetzt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Teilnehmer (A, B, C, D, E, G) des Funknetzwerks im zweiten Betriebsmodus, zwischen denen eine Funkverbindung (FV) möglich ist, über eine Peer-to-Peer-Verbindung miteinander in Verbindung stehen, und wobei die Daten in dem zweiten Betriebsmodus zwischen den Teilnehmern (A, B, C, D, E, G) über die Peer-to-Peer-Verbindung übertragen werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Fall dass der ermittelte erste und/oder zweite Kennwert oder ein aus dem ersten und/oder zweiten Kennwert abgeleiteter dritter Kennwert einen vorgegebenen Schwellwert über- bzw. unterschreitet, Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität der Datenübertragung ergriffen werden oder ein entsprechendes Signal ausgegeben wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei den Teilnehmern (A, B, C, D, E) des Funknetzwerks um Feldgeräte handelt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei während des ersten Betriebsmodus Messwerte und/oder prozessrelevante Daten übertragen werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche zur Inbetriebnahme und/oder Optimierung eines Funknetzwerks (FN) in einer industriellen Prozessumgebung.
Vorrichtung für den Einsatz in einer industriellen Prozessumgebung, mit einer Kommunikations-Schnittstelle zur Datenübertragung über ein Funknetzwerk (FN), wobei die Kommunikations-Schnittstelle als Sender und/oder Empfänger zum Senden bzw. Empfangen von Daten dient, wobei die Kommunikations-Schnittstelle in einem ersten Betriebsmodus dazu dient, Daten mit einer ersten Aktualisierungsrate zu senden, wobei die Kommunikations-Schnittstelle in einem zweiten Betriebsmodus dazu dient, Daten mit einer zweiten Aktualisierungsrate zu senden, wobei die zweite Aktualisierungsrate höher ist als die erste Aktualisierungsrate und/oder wobei die Kommunikations-Schnittstelle, insbesondere in dem zweiten Betriebsmodus, dazu dient empfangene Daten auszuwerten und einen Kennwert für die Qualität der Datenübertragung zu ermitteln und den Kennwert einem Benutzer zur Verfügung zu stellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Funknetzwerk (FN) ein WirelessHART Netzwerk ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsmodus dazu dient, Daten an in dem Wireless HART-Netzwerk räumlich nächsten Teilnehmer (A, B, C, D, E, G) zu senden.