DE102011105375A1

DE102011105375A1 - Verfahren zum Betrieb einer automatisierungstechnischen Einrichtung mit einem Regelkreis

Info

Publication number: DE102011105375A1
Application number: DE102011105375A
Authority: DE
Inventors: Peter Westerfeld
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: WESTERFELD, PETER, DIPL.-ING., DE
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer automatisierungstechnischen Einrichtung, bei der mindestens ein Feldgerät (1) aus einer lokalen leistungsbegrenzten Energiequelle (14) gespeist ist und über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (3) mit einer übergeordneten Einrichtung (2) Daten austauscht, und die einen Regelkreis (13) umfaßt. Zur Senkung des Energieverbrauchs bei periodischen Prozessen wird vorgeschlagen, aus der Regelabweichung (x) des Regelkreises (13) die Periode abzuleiten, mit der ein Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung (2) gesendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer automatisierungstechnischen Einrichtung mit einem Regelkreis, die aus einer lokalen leistungsbegrenzten Energiequelle gespeist ist und über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit einer übergeordneten Einrichtung Daten austauscht.
Neben den schleifengespeisten automatisierungstechnischen Einrichtungen, die über eine Zweidrahtleitung sowohl mit einer übergeordneten Einrichtung kommunizieren als auch die benötigte Energie zu ihrem Betrieb beziehen, sind neuerdings Einrichtungen bekannt geworden, die drahtlos – üblicherweise per Funk – mit der übergeordneten Einrichtung kommunizieren. Soweit diese Einrichtungen völlig auf eine Verbindungsleitung zur übergeordneten Einrichtung verzichten, sind sie aus einer lokalen Energiequelle, insbesondere aus einer Batterie, gespeist, deren Leistung und damit Lebensdauer begrenzt ist.
Bei derartigen drahtlosen automatisierungstechnischen Einrichtungen stellt der Sendebetrieb eine hohe Belastung der Energiequelle – der Batterie – dar. Insbesondere bei hohen Abtastraten der periodisch zu übertragenen Messwerte wird viel Energie verbraucht und die Kapazität der Batterie ist schnell erschöpft.
Aus der US 5,305,952 ist bekannt, in Abhängigkeit von einem manuellen Eingriff des Benutzers den Funktionsumfang eines elektrischen Betriebsmittels einzuschränken oder zu erweitern. Dies ist jedoch in automatisierungstechnischen Einrichtungen unakzeptabel.
Aus der EP 1 704 435 A1 ist bekannt, den Energieverbrauch durch eine intermittierende Arbeitsweise des Verbrauchers zu senken. Darüber hinaus ist in diesem Dokument die periodisch wechselweise Aktvierung eines Verbrauchers aus einer Mehrzahl gleichartiger Verbraucher erwähnt. In nichtperiodischen Prozessen wechselnder Volatilität kann diese Vorgehensweise unüberschaubare Folgen zeitigen.
Der US 5,375,247 ist die Lehre entnehmbar, einen inaktiven Verbraucher verzögert abzuschalten.
In der EP 1 684 467 A1 ist die Lehre offenbart, einen inaktiven Verbraucher durch eine vordefinierte Anzahl von Aufrufen eines vordefinierten Aufruftyps zu reaktivieren.
Die DE 10 2007 019 050 A1 offenbart ein ein Verfahren zum Betrieb einer funktionsmodularen automatisierungstechnischen Einrichtung mit einem Regelkreis, die an eine leistungsbegrenzte Speiseleitung angeschlossen ist. Dabei wird aus der Regelabweichung das Kriterium zum Aktivieren oder Deaktivieren von Funktionsmodulen des Betriebsmittels abgeleitet. Im eingeschwungenen Zustand des Reglers ist die idealisierte Regelabweichung gleich Null. In diesem Zustand befindet sich das Betriebsmittel in relativer Ruhe, die durch Beibehaltung des aktuellen Arbeitspunktes gekennzeichnet ist und in der die dynamisch geprägten Einzelfunktionen im Ergebnis derzeit fehlenden Gebrauchs deaktivierbar sind.
Nachteiligerweise führt eine Abschaltung der Kommunikationsmittel der automatisierungstechnischen Einrichtung zwar zu einer Verminderung des Energieverbrauchs aber zu Lasten der gesamten Kommunikationsfähigkeit. In automatisierungstechnischen Anlagen wird jedoch erwartet, dass zumindest in vorgegebenen Perioden erwartete Messwerte bei der übergeordneten Einrichtung eintreffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer gattungsgemäßen automatisierungstechnischen Einrichtung anzugeben, das bei periodischen Prozessen eine Senkung des Energieverbrauchs aus der lokalen leistungsbegrenzten Energiequelle herbeiführt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von einer verteilten automatisierungstechnischen Einrichtung, bei der ein Feldgerät über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit einer übergeordneten Einrichtung Daten austauscht aus, wobei die automatisierungstechnische Einrichtung einen Regelkreis umfasst, der aus dem Vergleich eines vorgegebenen Sollwerts mit dem Istwert einer Prozeßgröße eine Stellgröße ableitet.
Im Einzelnen ist vorgesehen, dass aus der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert – nachfolgend unabhängig vom Ort der Differenzbildung als Regelabweichung (x) bezeichnet – die Periode abgeleitet wird, mit der ein Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung gesendet wird.
Bei großer Regelabweichung (x_w) und entsprechender Prozessdynamik wird mit kleiner Periode ein aktueller Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung gesendet.
Im eingeschwungenen Zustand des Reglers ist die idealisierte Regelabweichung (x_w) gleich Null. In diesem Zustand befindet sich die automatisierungstechnische Einrichtung in relativer Ruhe, die durch Beibehaltung des aktuellen Arbeitspunktes gekennzeichnet ist und in der die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten gering oder Null ist. In diesem Betriebszustand der automatisierungstechnischen Einrichtung wird mit großer Periode ein aktueller Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung gesendet.
Vorteilhafterweise führt die dynamische Anpassung der Periode zur Übertragung eines Abtastwerts an die übergeordnete Einrichtung zu einer signifikanten Verringerung der Belastung der speisenden leistungsbegrenzten Energiequelle.
Insbesondere bei technischen Prozessen, die langfristig auf festen Sollwerten gehalten werden oder geringen zeitlichen Veränderungen des Sollwerts nachlaufen, erreicht die Energiequelle eine größere Lebensdauer.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird unabhängig von der Regelabweichung (x_w) innerhalb einer vorgegebenen Maximalperiode jeweils ein Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung gesendet.
Damit wird der Erwartung automatisierungstechnischer Anlagen gefolgt, dass zumindest in vorgegebenen Höchstabständen erwartete Messwerte bei der übergeordneten Einrichtung eintreffen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer automatisierungstechnischen Einrichtung mit einem Regelkreis, dessen Regeleinrichtung im leistungsbegrenzt gespeisten Feldgerät untergebracht ist
2 eine Prinzipdarstellung einer automatisierungstechnischen Einrichtung mit einem Regelkreis, dessen Regeleinrichtung in der übergeordneten Einrichtung untergebracht ist
3 eine Übertragungskennlinie zwischen der Regelabweichung und der Abtastperiode
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist gemäß 1 eine automatisierungstechnische Einrichtung mit einem Feldgerät 1 im Umfang ihrer erfindungswesentlichen Bestandteile prinzipiell dargestellt. Das Feldgerät 1 weist zumindest eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 11, eine Steuerschaltung 12 und einen Regelkreis 13 auf, die aus einer leistungsbegrenzten Energiequelle 14 gespeist werden. In einfachster Ausführungsform ist die leistungsbegrenzte Energiequelle 14 als Batterie ausgebildet.
Das Feldgerät 1 ist über eine drahtlose Kommunikationsverbindung 3 mit einer übergeordneten Einrichtung 2 zum Datenaustausch verbunden.
Der Regelkreis 13 umfasst eine Regeleinrichtung 130, die strukturell aus einem Summierer und einem Regelverstärker 131 besteht. Aus der Führungsgröße w, die den Sollwert darstellt, und der Regelgröße x, die den Istwert darstellt, wird mit dem Summier die Regelabweichung x_w ermittelt, die dem Regelverstärker 131 an dessen Eingang zugeführt wird. Am Ausgang des Regelverstärkers wird die Stellgröße y auf die Regelstrecke 132 ausgegeben, die Quelle der Regelgröße x ist.
Die Führungsgröße w wird als Sollwert von der übergeordneten Einrichtung 2 vorgegeben und über die drahtlose Kommunikationsverbindung 3 und Kommunikationsschnittstelle 11 von den Feldgerät 1 empfangen und dem Regelkreis 13 zugeführt.
Vorzugsweise ist die Regeleinheit als Mikrocontroller ausgeführt, in dem die Regelabweichung x_w und die Stellgröße y nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet werden. Dazu wird die Regelgröße x abgenommen und mit einem nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler quantifiziert.
Die Steuerschaltung 12 umfasst ferner ein Schaltmittel zur quantitativen Bewertung der Regelabweichung x_w und zur Ableitung der Periode, mit der ein Abtastwert der Regelgröße x über die drahtlose Kommunikationsverbindung 3 an die übergeordnete Einrichtung 2 gesendet wird.
Diese erste Ausführungsform der Erfindung eignet sich besonders für Aktoren, beispielsweise Stellgeräte mit Stellungsrückmeldung an eine übergeordnete Einrichtung 2.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die automatisierungstechnische Einrichtung gemäß 2 durch ein Feldgerät 1 und eine übergeordnete Einrichtung 2 gebildet, die über die drahtlose Kommunikationsverbindung 3 miteinander Daten austauschen. In dieser Ausführungsform ist die Regeleinrichtung 230 in der übergeordneten Einrichtung 2 untergebracht und das Feldgerät 1 ist als Messwertaufnehmer ausgebildet.
Das Feldgerät 1 weist zumindest eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 11, eine Steuerschaltung 12 und einen Wandler 15 zur Umsetzung einer physikalischen Größe (Istwert) in eine elektrische Größe auf, die aus einer leistungsbegrenzten Energiequelle 14 gespeist werden. In einfachster Ausführungsform ist die leistungsbegrenzte Energiequelle 14 als Batterie ausgebildet.
In für sich bekannter Art und Weise wird der Istwert als elektrische Größe von dem Feldgerät 1 über die drahtlose Kommunikationsverbindung 3 zu der übergeordneten Einrichtung 2 übertragen.
Die übergeordnete Einrichtung 2 weist zumindest eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 21, eine Steuerschaltung 22 und eine Regeleinrichtung 230 auf, die strukturell aus einem Summierer und einem Regelverstärker 231 besteht. Im Summierer wird der von dem Feldgerät 1 bezogene Istwert x mit der Führungsgröße w verglichen und die Differenz als Regelabweichung x_w ausgegeben und dem Regelverstärker 231 zugeführt. Am Ausgang des Regelverstärkers 231 ist die Stellgröße y abnehmbar, die über die Steuerschaltung 22 einem nicht dargestellten Aktor zugeführt wird.
In dieser Ausführungsform ist der Regelkreis verteilt über mehrere Einrichtungen, von denen das Feldgerät 1 den Istwert einer Prozeßgröße aufnimmt und die übergeordnete Einrichtung 2 die Regeleinrichtung umfasst, während der Aktor sowie die Regelstrecke nicht dargestellt sind.
Darüber hinaus wird die Führungsgröße w (Sollwert) über die drahtlose Kommunikationsverbindung 3 an das Feldgerät 1 ausgegeben.
Das Feldgerät 1 weist einen Summierer auf, dem der Istwert x der physikalischen Größe und die von der übergeordneten Einrichtung 2 bezogene Führungsgröße w zugeführt werden. Am Ausgang des Summierers steht ein Signal zur Verfügung, das gleich der Regelabweichung x_w ist. Aus der Regelabweichung x_w wird über eine Kennlinie 16 die Periode zur Ausgabe eines Istwerts x der physikalischen Größe an die übergeordnete Einrichtung 2 abgeleitet.
Bei beiden Ausführungsformen wird bei großer Regelabweichung x_w und entsprechender Prozessdynamik gemäß der Kennlinie in 3 mit kleiner Periode T ein aktueller Abtastwert x der physikalischen Größe an die übergeordnete Einrichtung 2 gesendet.
Im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises 13 ist die idealisierte Regelabweichung x_w gleich Null. In diesem Zustand befindet sich das Feldgerät 1 in relativer Ruhe, die durch Beibehaltung des aktuellen Arbeitspunktes gekennzeichnet ist und in der die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten gering oder Null ist. In diesem Betriebszustand des Feldgeräts 1 wird mit großer Periode T ein aktueller Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung 2 gesendet.
Zur Aufbereitung des Abtastwerts zwecks Übermittlung an die übergeordnete Einrichtung 2 kann vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung 12 mit einem nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler ausgerüstet ist. Derartige Analog-Digital-Wandler gehören in Abhängigkeit von dem realisierten Quantisierungsverfahren zu den Verbrauchern, die den Energiehaushalt der automatisierungstechnischen Einrichtung bei einer leistungsbegrenzten Speisung stark belasten.
Ein Bedarf zur Wandlung eines analogen Abtastwerts in ein digitales Äquivalent besteht jedoch nur bei Änderung der abgetasteten Prozeßgröße. Solange sich die Regelstrecke 132 in Ruhe befindet, ändert sich die Prozeßgröße nicht und es gilt die letzte Prozeßgröße fort. Während dieser Ruhephase ist der Analog-Digital-Wandler deaktiviert.
Beim Auftreten einer von Null verschiedenen Regelabweichung x_w wird der Analog-Digital-Wandler zur Wandlung der laufenden Positionsänderungen reaktiviert.
Vorteilhafterweise führt die dynamische Anpassung der Periode T zur Übertragung eines Abtastwerts an die übergeordnete Einrichtung 2 sowohl durch geringere Beanspruchung der drahtlose Kommunikationsschnittstelle 11 als auch des Analog-Digital-Wandlers zu einer signifikanten Verringerung der Belastung der speisenden Energiequelle.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird unabhängig von der Regelabweichung x_w des Regelkreises 13 innerhalb einer vorgegebenen Maximalperiode T_max jeweils ein Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung 2 gesendet.
Damit wird der Erwartung automatisierungstechnischer Anlagen gefolgt, dass zumindest in vorgegebenen Perioden erwartete Messwerte bei der übergeordneten Einrichtung 2 eintreffen.
Bezugszeichenliste

1: automatisierungstechnische Einrichtung
11, 21: Kommunikationsschnittstelle
12, 22: Steuerschaltung
13: Regelkreis
130, 230: Regeleinrichtung
131, 231: Regelverstärker
132: Regelstrecke
14: leistungsbegrenzte Energiequelle
15: Wandler
16: Kennlinie
2: übergeordnete Einrichtung
3: drahtlose Kommunikationsverbindung

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

US 5305952 [0004]
EP 1704435 A1 [0005]
US 5375247 [0006]
EP 1684467 A1 [0007]
DE 102007019050 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer automatisierungstechnischen Einrichtung, bei der mindestens ein Feldgerät (1) aus einer lokalen leistungsbegrenzten Energiequelle (14) gespeist ist und über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (3) mit einer übergeordneten Einrichtung (2) Daten austauscht, und die einen Regelkreis (13) mit einer Regeleinrichtung (131) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Regelabweichung (x_w) des Regelkreises (13) die Periode abgeleitet wird, mit der ein Abtastwert von dem Feldgerät (1) an die übergeordnete Einrichtung (2) gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von der Regelabweichung (x_w) des Regelkreises (13) innerhalb einer vorgegebenen Maximalperiode jeweils ein Abtastwert an die übergeordnete Einrichtung (2) gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelabweichung (x_w) zur Ableitung der Periode unabhängig vom Ort der Regeleinrichtung (130) in dem Feldgerät (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei automatisierungstechnischen Einrichtungen, deren Regeleinrichtung (130) in der übergeordnete Einrichtung (2) untergebracht ist, der Sollwert w des Regelkreises (13) zum Feldgerät (1) übertragen wird.