-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer Verbindung zwischen zwei Teilnehmern eines drahtlosen Maschennetzwerks in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik.
-
Ferner bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung dieses Verfahrens.
-
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt.
-
Aus dem Stand der Technik sind sog. Planungs-Anwendungen bekannt geworden, mit deren Hilfe es möglich ist, drahtlose Netzwerke vor deren tatsächlicher Installation in einer industriellen Anlage zu planen bzw. zu entwerfen. Derartige Planungs-Anwendungen werden bspw. von der Firma Emerson unter der Produktbezeichnung AMS Wireless SNAP-ON vertrieben. Bei der Planung eines drathlosen Maschennetzwerkes wird dort jedoch nicht auf die anlagenspezifische Installation eingegangen. Bspw. werden dort bei der Berechnung und Anzeige der Reichweite der Funkverbindung eines Teilnehmers nicht das Vorhandensein und die Position von Tanks etc. in der Anlage berücksichtigt, vgl. bspw. http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Asset%20Optimization%20Documents/ProductDataSheets/amsdm_ds_wirelesssnapon.pdf, Seite 2.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Planung eines drahtlosen Maschennetzwerks für eine Anlage der Prozessautomatisierungstechnik zu ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, die Verwendung des Verfahrens und ein Computerprogrammprodukt gelöst.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer Verbindung zwischen zwei Teilnehmern eines drahtlosen Maschennetzwerks in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik gelöst, wobei in einem ersten Schritt das Vorliegen wenigstens eines Hindernisses, welches Hindernis eine Signalübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer in der, vorzugsweise ersten, Fresnelzone zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer behindert, insbesondere dämpft, überprüft wird, wobei anhand des ersten Schritts ein erstes Model zur Simulation der Signalausbreitung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer verwendet wird, um einen ersten Wert der Qualität einer Signalübertragung zwischen dem ersten und zweiten Teilnehmer zu bestimmen, wobei in einem zweiten Schritt anhand einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft des Hindernisses, insbesondere anhand der Geometrie des Hindernisses, ein zweites Modell zur Simulation der Signalausbreitung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer ausgewählt wird, um einen zweiten Wert der Qualität der Signalübertragung zwischen dem ersten und zweiten Teilnehmer zu bestimmen, wobei anhand des ersten und/oder des zweiten Werts der Qualität der Signalübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer die Qualität der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer bestimmt wird.
-
Es ist natürlich auch möglich nur eines der Modelle, d. h. das erste oder das zweite Modell, zur Bestimmung der Qualität der Signalübertragung bzw. zur Bestimmung der Qualität der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer zu verwenden. Ferner ist es ebenso möglich die Qualität der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer lediglich anhand des ersten Schrittes bzw. des zweiten Schrittes zu bestimmen. Wird bspw. festgestellt, dass die (erste) Fresnelzone frei von einem Hindernis, das die Funksignalübertragung dämpft, ist, so kann die Bestimmung der Qualität der Verbindung bereits anhand des ersten Modells bzw. des daraus erhaltenen ersten Werts der Qualität der Signalausbreitung erfolgen.
-
Bei der Qualität der Verbindung handelt es sich also um einen Gesamtwert der Qualität der Datenübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer. Der bspw. aus dem ersten Wert der Qualität der Signalübertragung und dem zweiten Wert der Qualität der Signalübertragung abgeleitet wird. Bspw. können in dem Fall, dass es sich bei dem Wert um die Dämpfung handelt, die beiden Werte addiert werden.
-
Bei dem ersten Modell kann es sich bspw. um ein sog. empirisches Modell zur Funksignalausbreitung handeln, während es sich bei dem zweiten Modell um ein sog. deterministisches Modell zur Funksignalausbreitung handelt. bei dem emipirischen Modell wird anhand gewisser Grundvorraussetzungen wie bspw. gewisser Wahrscheinlichkeiten eine Dämpfung des Funksignals bestimmt, während bei deterministischen Modellen anhand der tatsächlichen Gegebenheiten, wie bspw. der Geometrie des Hindernisses, die Dämpfung des Funksignals bestimmt wird.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird nur in dem Fall, dass das Hindernis zumindest teilweise innerhalb eines vorgegebenen Abstands zu der, vorzugsweise direkten, Sichtlinie zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer liegt, der zweite Wert der Qualität der Signalübertragung anhand des zweiten Modells zur Simulation der Signalübertragung, besonders bevorzugt anhand der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft des Hindernisses, vorzugsweise anhand der Geometrie des Hindernisses, bestimmt.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens handelt es sich bei dem ersten Modell um die sog. Freiraumausbreitung von Funksignalen oder das sog. Green-Obaidat-Modell oder das sogenannte Log-Distance-Modell zur Ausbreitung von Funksignalen.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens handelt es sich bei dem zweiten Modell um ein sog. ray-tracing-Modell, vorzugsweise ein single-ray-tracing-Modell, zur Ausbreitung von Funksignalen.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens weist das drahtlose Maschennetzwerk mehrere Teilnehmer, insbesondere mehr als zwei Teilnehmer auf, und die Qualität der Verbindung zwischen jeweils zwei Teilnehmern wird anhand des ersten und/oder des zweiten Schrittes bestimmt. Dies kann bspw. für alle möglichen Verbindungen eines Teilnehmers des Maschennetzwerkes erfolgen. Die Verbindungen zwischen Teilnehmern deren Entfernung zueinander zu groß ist, und bspw. über einem gewissen Schwellwert liegt können aber vernachlässigt werden. Somit kann anhand des vorgeschlagenen Verfahrens die Qualität für Verbindungen zur Funksignalübertragung in dem drahtlosen Maschennetzwerk ermittelt werden.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird anhand des ersten und/oder des zweiten Werts der Signalübertragung eine Liste von Verbindungen zwischen den Teilnehmern erstellt. Somit kann eine Liste von Verbindungen erstellt werden über die eine zuverlässige Funksignalübertragung möglich ist. insbesondere können Verbindungen anhand eines Schwellwerts in diese Liste aufgenommen oder aus dieser Liste gelöscht werden, deren Qualität über oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens enthält die Liste Verbindungen zwischen Teilnehmern des drahtlosen Maschennetzwerkes, welche Verbindungen einen ersten und/oder einen zweiten Wert der Qualität der Signalübertragung oder einen daraus abgeleiteten Wert aufweisen, der oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts für die Qualität der Signalübertragung liegt bzw. liegen.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird diese Liste von Verbindungen zwischen Teilnehmern des drahtlosen Maschennetzwerkes von einem Maschennetzwerksimulator verwendet, um die Einhaltung von Mindeststandards, sog. Design Rules, für ein drahtloses Maschennetzwerk in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik zu überprüfen, sowie kommunikationsspezifische Parameter zu ermitteln, welche die Leistungsfähigkeit des Maschennetzwerks über die Signalqualität hinaus charakterisieren.
-
In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Überprüfung einer Dämpfung in der, vorzugsweise ersten, Fresnelzone zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer anhand von Entwurfsdaten, wie (bspw. CAD), für eine Anlage der Prozessautomatisierungstechnik, in der wenigstens der Standort der Teilnehmer des drahtlosen Maschennetzwerkes sowie der Standort von zumindest einem Teil von Anlagenteilen zum Betreiben der Anlage angegeben ist.
-
Hinsichtlich der Verwendung wird die Aufgabe durch die Verwendung des Verfahrens vor der Installation bzw. Inbetriebnahme eines drahtlosen Maschennetzwerks in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik zur Bestimmung von zuverlässigen Verbindungen, sowie vorzugsweise auch der zuverlässigen Gesamtleistung, in dem drahtlosen Maschennetzwerk gelöst.
-
Bei einer erfolgreichen Simulation des entworfenen Maschennetzwerks kann dieses dann in einer Anlage installiert werden.
-
Hinsichtlich des Computerprogrammprodukts wird die Aufgabe durch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln gelöst, die wenn sie ausgeführt werden zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche dienen.
-
Somit kann auch ein Computerprogramm zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens dienen. Bspw. können die erforderlichen Daten, die zur Bestimmung der Qualität der Verbindung zwischen den Teilnehmern des drahtlosen Maschennetzwerks dienen, aus einer Datenbank geladen und/oder von einem Benutzer eingegeben werden.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigt:
-
1: eine schematische Darstellung der ersten Fresnelzone zwischen einem ersten und einem zweiten Teilnehmer in einer industriellen Anlage.
-
2: eine schematische Darstellung einer Anordung von mehreren Teilnehmern in einer industriellen Anlage in der ein Hindernis zwischen zwei Teilnehmern vorhanden ist , und
-
3: eine Ablaufdiagramm gem. einer ersten Ausführungsform des vorgeschlagnen Verfahrens,
-
4: eine Ablaufdiagramm gem. einer zweiten Ausführungsform des vorgeschlagnen Verfahrens
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten und eines zweiten Teilnehmers T1, T2 in einem drahtlosen Maschennetzwerk. Ferner ist die erste Fresnelzone zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer schematische in Form einer Ellipse dargestellt.
-
Um eine durch ein Hindernis verursachte Dämpfung der Funksignalübertragung zwischen dem ersten Teilnehmer und dem zweiten Teilnehmer T2, T2 über die erste Fresnelzone zu bestimmen, wird bspw. anhand der Höhe h1, h2 des ersten Teilnehmers T1 und des zweiten Teilnehmers T2 über dem Boden und dem Radius RF der ersten Fresnelzone bestimmt, ob der Boden innerhalb der ersten Fresnelzone liegt. Dabei Bezeichnet RG die Entfernung in Verlängerung des Fresnelradius bis zum Boden, und hG die Höhe von der direkten Sichtverbindung, die die Achse der Ellipse bildet, aus bis zum Boden.
-
Um also zu überprüfen, ob die Fresnelzone frei von Hindernissen ist und in genügend großer Entfernung zum Boden ist, kann also überprüft werden, ob innerhalb des Fresnelradius Hindernisse liegen und insbesondere ob der Radius RF der Fresnelzone größer ist als die Entfernung RG in Verlängerung des Fresnelradius RF bis zum Boden.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten, eines zweiten und eines dritten Teilnehmers T1, T2, T3 in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik. Dabei ist die direkte Funkverbindung C13 zwischen dem ersten und dem dritten Teilnehmer durch ein Hindernis H1 gestört. Die direkte Funkverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten bzw. dem dritten und dem zweiten Teilnehmer C12, C23 ist dabei jedoch frei von Hindernissen, die eine Dämpfung der Verbindung bzw. der Funksignalübertragung verursachen könnten.
-
Bei Vernachlässigung der Anlagenteile wie bspw. des Hindernisses H1, bei dem es sich bspw. um einen Tank handelt, könnte bei der Planung eine Verbindungsliste zwischen den Teilnehmern erstellt werden, bei der von einer Verbindung mit hoher Qualität zwischen dem ersten und dem dritten Teilnehmer ausgegangen wird, während tatsächlich aufgrund des Hindernisses u. U. gar keine (direkte) Verbindung zwischen dem ersten und dem dritten Teilnehmer möglich ist.
-
3 zeigt ein Ablaufdiagramm gem. einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens.
-
Dabei wird zunächst bspw. anhand der vorgesehenen Standorte der Teilnehmer eines drahtlosen Maschenetzwerks in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik die Entfernung zu jedem anderen Teilnehmer oder nur einer Teilmenge der anderen Teilnehmer oder einer vorgegebenen Auswahl von anderen Teilnehmern des geplanten drahtlosen Maschennetzwerkes berechnet. Dies erfolgt bspw. in Schritt S1.
-
Anschließend kann bspw. ebenfalls gem. Schritt S2 eine Liste von Verbindungen erstellt werden, die bspw. nur Verbindungen enthält, die innerhalb eines vorgegebenen Radius von bspw. 500 m zu einem gegebenen Teilnehmer liegen.
-
Diese Liste von möglichen Verbindungen eines Teilnehmers zu weiteren Teilnehmern des drahtlosen Maschennetzwerks kann dann bspw. gem. Verfahrensschritt V1 weiter verarbeitet werden.
-
Für jede der in der Liste angegebenen Verbindungen werden dann folgende Schritte S3, und (S4 oder S5) durchgeführt, um eine Liste von Verbindungen zu erhalten, die eine ausreichende Qualität aufweisen, so dass über diese Verbindungen eine ausfallsichere Kommunikation zwischen den Teilnehmern des drahtlosen Maschennetzwerks betrieben werden kann.
-
Zu diesem Zweck wird für jede der in der Liste vorhandenen Verbindungen bspw. die Dämpfung eines über diese Verbindung übertragenen Funksignals anhand der über die geplante Anlage bzw. das geplante drahtlose Maschennetzwerk vorhandenen Informationen berechnet.
-
Dafür wird in einem Teilschritt S3 überprüft, ob die (erste) Fresnelzone einer Verbindung zwischen zwei Teilnehmern frei von Hindernissen ist. Ist dies der Fall, so kann als Dämpfungsmodell das Dämpfungsmodell zur Ausbreitung von elektromagnetischen Funksignalen gem. dem sog. Freifeldmodell verwendet werden, um die Dämpfung des Funksignals zwischen den beiden Teilnehmern, zwischen denen die Verbindung besteht, zu modellieren. Dies ist durch den Teilschritt S4 dargestellt.
-
Ist jedoch ein Hindernis (in der ersten) Fresnelzone vorhanden, so kann abweichend von dem Modell zur Freifeldausbreitung ein Modell verwendet werden, das eine Störung der (ersten) Fresnelzone bei der Signalübertragung der Funksignale über die Verbindung berücksichtigt. Dies ist in Schritt S5 dargestellt.
-
Anhand des jeweils ausgewählten Modells kann dann die Dämpfung des über die jeweilige Verbindung übertragenen Funksignals berechnet d. h. modelliert werden. Ausgehend von diesem Dämpfungswert können dann Verbindung aus der Liste entfernte d. h. gelöscht werden, deren Dämpfung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Gem. dem Ausführungsbeispiel in 3 sind dies bspw. Verbindungen deren Dämpfung über 100 dB liegt. Somit kann also eine bereinigte Liste L1 erhalten werden, die nur noch Verbindungen zwischen den Teilnehmern des drahtlosen Maschennetzwerks enthält, die eine Dämpfung aufweisen, die kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt V2 können dann die Verbindungen in dieser Liste daraufhin überprüft werden, ob das Hindernis, das die Übertragung von Funksignalen in der (ersten) Fresnelzone dämpft, in der direkten Sichtverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnehmer liegt. Dies wird in Teilschritt S6 ausgeführt.
-
Ist dies nicht der Fall, kann die Liste L1 bspw. unverändert (als Liste L2) ausgegeben werden.
-
Liegt das Hindernis jedoch bspw. in der direkten Sichtverbindung, vgl. C13 in 2. zwischen den beiden Teilnehmern T1, T3, zwischen denen die Qualität der Verbindung geprüft wird, so kann für die Funkverbindung ein Dämpfungswert angenommen werden, der diese Situation berücksichtigt.
-
Bspw. kann ein Dämpfungswert angenommen werden, der durch die spezifische Geometrie des Hindernisses oder anderer chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften des Hindernisses gegeben ist. Bspw. kann in Teilschritt S7 ein singel-ray-tracing-Modell zur Bestimmung der durch das Hindernis hervorgerufenen Dämpfung des Funksignals verwendet werden. Diese durch das Hindernis H1 anhand dieses zweiten Modells berechnet Dämpfung kann mit der durch das erste Model berechneten Dämpfung verrechnet werden. Bspw. können die Dämpfungswerte, die anhand des ersten Modells bestimmt wurden zu denen die anhand des zweiten Modells berechnet wurden, addiert werden. Dies ist Teilschritt S8 wiedergegeben. Verbindungen, deren Gesamtdämpfung dann unterhalb eines weiteren vorgegebenen Schwellwerts liegen, können dann aus der Liste von Verbindungen gelöscht werden, so dass die Liste L2 nur noch Verbindungen enthält, deren Dämpfung kleiner als ein vorgegebener Schwellwert von bspw. 100 dB ist, in der Liste vorhanden sind.
-
Somit sind in der Liste von Verbindungen L2 nur noch Verbindungen enthalten, die eine Dämpfung des Funksignals aufweisen, die eine zuverlässige Übertragung von Funksignalen über die jeweilige Verbindung ermöglicht.
-
In 4 ist ein weiteres Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens gezeigt. Anstelle des Freiraumausbreitungsmodells und des Green-Obaidat-Modelss wird jedoch das sog. log-distance-Modell mit einem entsprechenden Dämpfungsindex n verwendet. Ansonsten entspricht die in 4 gezeigte Ausführungsform der in 3 gezeigten und in der zugehörigen Figurenbeschreibung beschriebenen Ausführungsform.
-
Die anhand einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens bestimmte Liste L1 bzw. vorzugsweise L2 von Verbindungen kann anschließend an einen Simulator zur Simulation des Maschennetzwerks übergeben werden, der die Simulation und/oder die Auslastung einzelner Teilnehmer bzw. des gesamten Maschennetzwerks anhand der Liste von Verbindungen, die durch das vorgeschlagenen Verfahren bestimmt wurde, berechnet.
-
Somit kann also die Anlagenplanung und insbesondere die Planung eines drahtlosen Maschennetzwerkes in einer Anlage der Prozessautomatisierungstechnik entscheidend verbessert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
-
- α
- Winkel
- hG
- Bodenhöhe
- RG
- Bodenradius
- RF
- Radius der (ersten) Fresnelzone
- h1
- Höhe des ersten Teilnehmers über Boden
- h2
- Höhe des zweiten Teilnehmers über Boden
- Δh
- Höhenunterschied zw. erstem und zweiten Teilnehmer
- Y
- Ja
- N
- Nein
- T1
- erster Teilnehmer
- T2
- zweiter Teilnehmer
- T3
- dritter Teilnehmer
- V1
- erster Verfahrensschritt
- V2
- zweiter Verfahrensschritt
- L1
- erste Liste von Verbindungen
- L2
- zweite Liste von Verbindungen
- S1–S8
- Teilschritte des Verfahrens
- C13
- erste Verbindung
- C12
- zweite Verbindung
- C23
- dritte Verbindung
- H1
- Hindernis
-
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 Nicht-Patentliteratur
-
- http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/PM%20Asset%20Optimization%20Documents/ProductDataSheets/amsdm_ds_wirelesssnapon.pdf, Seite 2 [0004]
