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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Messstelle umfassend einen Messumformer und zumindest einen mit dem Messumformer über ein Kabel verbundenen Sensor zur Messung einer Messgröße der Prozessautomatisierungstechnik, wobei der Sensor vom Messumformer über das Kabel mit Energie versorgt wird und wobei ein bidirektionaler Austausch von Daten zwischen Messumformer und Sensor stattfindet. Die Erfindung betrifft weiter eine solche Messstelle.
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Messstellen im Sinne der Erfindung bestehen in der Regel aus einem Sensor und einem abgesetzten Messumformer, d.h. Messumformer und Sensor sind üblicherweise nicht in einem einzigen Gehäuse verbaut und sind über ein Kabel miteinander verbunden. Diese Messstellen sind meist als Master-Slave-Systeme aufgebaut. Der Messumformer als Master fragt über eine Schnittstelle beim Sensor als Slave, Messwerte, im Allgemeinen Daten, zyklisch oder azyklisch ab. Über den Zeitpunkt der Abfrage hat der Sensor jedoch keine Kenntnis. Dies bedingt, dass der Sensor kontinuierlich bzw. in diskreten definierten Zeitabständen misst, so dass bei einer Abfrage nach einer definierten minimalen Zykluszeit ein neuer gültiger Messwert zur Verfügung steht.
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Eine Parametrierung dieses Verhaltens ist nicht vorgesehen. Der Sensor selbst kann nur in Abhängigkeit von ihm selbst messbaren Randbedingungen wie dem Hauptmesswert oder wenigen Nebenmesswerten wie etwa der Temperatur eventuell Anpassungen des Messverhaltens vornehmen. Dieses Verhalten ist fest einprogrammiert und nicht anwendungsspezifisch.
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In Unkenntnis der tatsächlichen Anforderungen der jeweiligen Anwendung misst der Sensor in der Regel mit der höchsten, für das definierte Leistungsbudget konformen, Performance. Ob dies überhaupt notwendig ist, ist dem Sensor nicht bekannt. Durch diesen Umstand wird eine Anschaltung von mehreren Sensoren an ein System mit begrenztem Leistungsbudget, z.B. Zweidrahtmessumformern, erschwert oder unmöglich gemacht.
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Durch das Messen mit der höchstmöglichen Performance ergeben sich etliche Nachteile. So haben alle im System befindlichen Sensoren eine konstant hohe Leistungsaufnahme unabhängig von der tatsächlichen Notwendigkeit im konkreten Anwendungsfall. Eine Anpassung der Leistungsaufnahme an Anwendungsgegebenheiten ist nicht möglich. Durch eine zyklische Kommunikation mit dem Sensor wird eine erhöhte Stromaufnahme generiert und Messungen müssen gegebenenfalls unterbrochen werden, welche dann neu gestartet werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Messstelle mit verminderter Leistungsaufnahme bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Messumformer Kenntnisse über zumindest einen Betriebsparameter des Sensors und einer dem Betriebsparameter zugeordneten Leistungsaufnahme hat, und der Messumformer den Betriebsparameter je nach ihm zur Verfügung stehenden Energie so anpasst, dass der gesamte Energieverbrauch der Messstelle, insbesondere die gesamte Leistungsaufnahme des zumindest einen Sensors, unter einem maximalen Wert liegt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Messeigenschaften auch dynamisch den Anwendungsgegebenheiten angepasst werden. Damit wird auch die Leistungsaufnahme anpassbar und ein System aus einem Messumformer und ein oder mehreren Sensoren (siehe unten) kann auch dynamisch angepasst werden und optimal betrieben werden. Somit ist es möglich Sensoren an den Messumformer anzuschließen, die bisher aus Leistungsgründen nicht anschließbar waren oder mehrere Sensoren an einen Messumformer anzuschließen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der der Sensor nach dem Einschalten oder einem Neustarten in einen Modus mit geringer Leistungsaufnahme gesetzt, wobei dieser Modus auch aus einem normalen Messbetrieb initiiert werden kann.
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Als normaler Messbetrieb soll hier der Betrieb verstanden werden, bei dem der Sensor Messwerte aufnimmt und auf Abfrage oder regelmäßig an den Messumformer sendet. Aus dem Modus mit geringer Leistungsaufnahme heraus kann der Messumformer entscheiden wie viel Energie dem Sensor zur Verfügung gestellt werden kann bzw. wie viel Energie vom Sensor benötigt wird.
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Bevorzugt handelt es sich dem Betriebsparameter um einen Messbereich, Messmodus, Zykluszeit, Auflösung, Genauigkeit, Mittelungen, Messzeit, Messintervall, Filterverhalten, Vorverarbeitung, minimale Zeit bis zur nächsten Kommunikation, Kommunikationsintervall, Abhängigkeiten von anderen Betriebsparametern des Sensors und/oder Vorlaufzeiten für Messungen mit Leistungsmanagement wie eine Abschaltung von Hardware- oder Softwaremodulen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Betriebsparameter fest in einem Speicher des Messumformers eingespeichert und über eine eindeutige Kennung des Sensors identifizierbar. Alternativ wird der Betriebsparameter vom Sensor zur Verfügung gestellt. So können diese etwa vom Sensor bei jeder Abfrage des Messumformers vom Sensor an den Messumformer gesendet werden. Die Zuordnung von Betriebsparameter zu zugeordneter Leistungsaufnahme kann in einer Tabelle, Funktion o.ä. ausgestaltet sein.
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Bevorzugt ist jedem Betriebsparameter ein zulässiger Wertebereich zugeordnet. So kann ein Betriebsparameter, beispielsweise die Messgenauigkeit, auf einen bestimmten Wert begrenzt werden, da bei einer erhöhten Messgenauigkeit zu viel Energie verbraucht werden würde.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Betriebsparameter eine Funktion einer Einflussgröße, insbesondere einer Temperatur, Zeit oder Messwert. Der Betriebsparameter ist abhängig von einer Einflussgröße. So kann beispielsweise die Auflösung in einem bestimmten Temperaturbereich vergrößert werden, oder ab einem bestimmten Messwert wird mit einer höheren Genauigkeit gemessen. Weiter ist es möglich, die Leistungsaufnahme der Messstelle unterhalb eines maximalen Wertes zu halten indem beispielsweise die Messung unterbrochen wird, wenn sich eine Einflussgröße außerhalb eines zulässigen Wertebereichs befindet und somit mehr Leistung als erlaubt verbraucht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung teilt der Messumformer dem Sensor zumindest einen Betriebsparameter zur Reduzierung der Leistungsaufnahme mit, und der Sensor setzt nach dem Empfang des Betriebsparameters diesen entsprechend um. Somit kann eine Reduzierung der Leistungsaufnahme erreicht werden.
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Dieses Mitteilen kann auf zwei verschieden Arten erfolgen. Entweder der, dem Sensor mitgeteilte, Betriebsparameter wird nur bei einer Änderung eines solchen, insbesondere inkrementell, mittgeteilt. Oder alternativ wird der Betriebsparameter oder alle Betriebsparameter bei einer, insbesondere bei jeder, Abfrage eines Messwerts durch den Messumformer, insbesondere vollständig, vom Messumformer an den Sensor übertragen.
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Wie bereits erwähnt ist es besonders vorteilhaft wenn die Messstelle zumindest zwei Sensoren umfasst, die an den Messumformer angeschlossen sind, und der Messumformer Betriebsparameter der Sensoren unter Berücksichtigung der dem Messumformer zur Verfügung stehenden Energie so anpasst, dass beide Sensoren gleichzeitig, nacheinander, alternierend und/oder auf Abruf betrieben werden, Messwerte ermittelt und/oder zur Verfügung gestellt werden.
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Zur zusätzlichen Reduzierung der Leistungsaufnahme der Messstelle hat der Messumformer Kenntnisse über zumindest einen Betriebsparameter des Kabels und einer diesem Betriebsparameter zugeordneten Leistungsaufnahme. Dabei umfasst das Kabel zumindest eine Datenverarbeitungseinheit, und der Messumformer passt den Betriebsparameter des Kabels je nach ihm zur Verfügung stehenden Energie so an, dass der gesamte Energieverbrauch der Messstelle, insbesondere die gesamte Leistungsaufnahme des Kabels, unter einem maximalen Wert liegt.
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Beispiele für einen solchen Betriebsparameter des Kabels ist eine Leistungsabgabe an den Sensor, ein Kommunikationsintervall und/oder Parameter der Datenverarbeitungseinheit, insbesondere der Verstärkung.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Messstelle zur Ausführung eines wie oben beschriebenen Verfahrens, umfassend einen Messumformer und zumindest einen, mit dem Messumformer über ein Kabel verbundenen, Sensor, wobei der Sensor vom Messumformer über das Kabel mit Energie versorgt wird und wobei ein bidirektionaler Austausch von Daten zwischen Messumformer und Sensor stattfindet.
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Bevorzugt ist dabei der Messumformer als Zweidraht-Messumformer ausgestaltet. Ein Zweidraht-Messumformer wird nur über die zwei Drähte mit Energie versorgt, d.h. naturgemäß steht diesen Geräten relativ wenig Energie zur Verfügung und eine entsprechendes Leistungsmanagement ist besonders wichtig.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Kabel zur galvanischen Trennung von Messumformer und Sensor eine induktive Schnittstelle.
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Bevorzugt umfasst die Messstelle zumindest zwei Sensoren.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Messstelle, und
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2a/b ein Vergleich einer Leistungsaufnahme nach dem Stand der Technik (2a) und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (2b).
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Messstelle in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
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Die Messstelle 1 umfasst einen Messumformer 2 und ein oder mehrere Sensoren 3, 4, 5. Über eine Schnittstelle 7 kommunizieren die Sensoren 3, 4, 5 mit dem Messumformer 2. Am Messumformer 2 ist ein Kabel 9 vorgesehen, an dessen anderem Ende eine zur ersten Schnittstelle 7 komplementäre Schnittstelle 8 vorgesehen ist. Die Schnittstellen 7, 8 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive Schnittstellen ausgestaltet, die beispielsweise mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander koppelbar sind. Über die Schnittstellen 7, 8 werden Daten (bidirektional), beispielsweise Messdaten oder Betriebsparameter (siehe unten) und Energie, also Leistung, (unidirektional, d.h. vom Messumformer 2 zu den Sensoren 3, 4, 5) übertragen.
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Die Messstelle 1 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet. Bei dem Sensor 3, 4, 5 handelt es sich deswegen etwa um einen pH-, Redoxpotential-, auch ISFET-, Temperatur-, Leitfähigkeit-, Druck-, Sauerstoff-, insbesondere gelöster Sauerstoff-, oder Kohlenstoffdioxidsensor; um einen ionenselektiven Sensor; um einen optischen Sensor, insbesondere einen Trübungssensor, einen Sensor zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, oder einen Sensor zur Bestimmung der Anzahl von Zellen und Zellstrukturen; um einen Sensor zur Überwachung bestimmter organischer oder metallischer Verbindungen; um einen Sensor zur Bestimmung einer Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung; oder um einen Biosensor, z.B. einen Glukosesensor. Besonders vorteilhaft findet die Idee dieser Erfindung Anwendung in einem Leitfähigkeitssensor, einem Sauerstoffsensor oder einen optischen Sensor, insbesondere einen Trübungssensor oder einen Sensor zur optischen Bestimmung des pH-Werts.
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Der Messumformer 2 ist als Zweileitergerät ausgestaltet. Der Messumformer 2 hat etwa über ein weiteres Kabel Kontakt mit einer übergeordnete Einheit (nicht dargestellt), beispielsweise einem Leitsystem. Das zwischen Messumformer 2 und Leitstelle verwendete Protokoll ist ein Feldbus, etwa Fieldbus, Modbus, HART o.ä.
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2a zeigt die Leistungsaufnahme P einer Messstelle nach dem Stand der Technik. Sensoren weisen in der Regel eine gewisse Grundleistungsaufnahme (Leistung zur Aufrechterhaltung des „An“-Zustandes der Messstelle) auf. Hinzu kommt ein Leistungsaufnahmeanteil, welcher mess- und kommunikationsabhängig ist. Dieser wiederum hängt von den erforderlichen Messparametern (Auflösung, Genauigkeit, Messzeit, Messintervall etc.) und Kommunikationsparametern (z.B. Kommunikationsintervall) ab. In 2a findet kein Leistungsmanagement statt, die jeweiligen Sensoren messen in Unkenntnis der tatsächlichen Anforderungen mit der höchsten, für das definierte Leistungsbudget konformen, Performance. So haben alle im System befindlichen Sensoren eine konstant hohe Leistungsaufnahme unabhängig von der tatsächlichen Notwendigkeit im konkreten Anwendungsfall. In 2a geht die benötigte Leistungsaufnahme über einen maximalen Wert Pmax hinaus, was heißt, dass die Messstelle nicht wie vom Anwender gewünscht funktionieren kann.
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2b zeigt ein Abbildung der Leistungsaufnahme bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch Verteilung der Messzeiten mittels verschiedener Betriebsparameter (siehe unten) wie (Genauigkeit, Auflösung, Messbereich o.ä. und Anfragezeitpunkte, kann ein Überschreiten einer maximalen Leistungsaufnahme Pmax vermieden werden. Sind die eingestellten Betriebsparameter für die Anwendung ausreichend, kann somit das System effektiver genutzt werden oder der Betrieb in dieser Form, beispielsweise mit mehreren Sensoren 3, 4, 5 überhaupt erst ermöglicht werden.
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Der Messumformer 2 passt also die Betriebsparameter des Sensors an die tatsächlich notwendige Performance der Anwendung an. Wird eine geringe Performance benötigt, wird auch weniger Energie verbraucht. Insgesamt liegt die maximale Leistungsaufnahme unter einem maximalen Wert Pmax.
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Mögliche Betriebsparameter sind beispielsweise Messbereich, Messmodus, Zykluszeit, Auflösung, Genauigkeit, Mittelungen, Messzeit, Messintervall, Filterverhalten, Vorverarbeitung, minimale Zeit bis zur nächsten Kommunikation, Kommunikationsintervall, Abhängigkeiten von anderen Betriebsparametern des Sensors und/oder Vorlaufzeiten für Messungen mit Leistungsmanagement wie eine Abschaltung von Hardware- oder Softwaremodulen.
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Zur besseren Steuerung der Leistungsaufnahme mittels der Betriebsparameter wird der Sensor nach dem Einschalten oder einem Neustarten in einen Modus mit geringer Leistungsaufnahme gesetzt. Dieser Modus kann auch aus dem normalen Messbetrieb initiiert werden.
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Die Betriebsparameter sind fest in einem Speicher des Messumformers eingespeichert und sind über eine eindeutige Kennung des Sensors identifizierbar. Alternativ werden diese vom Sensor zur Verfügung gestellt.
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Einem oder mehreren Betriebsparametern ist ein zulässiger Wertebereich zugeordnet, um so zu verhindern, dass ein Extremwert eines bestimmten Betriebsparameters zu einem zu großen Leistungsverbrauch führt.
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Der Betriebsparameter ist eine Funktion einer Einflussgröße, zum Beispiel einer Temperatur, Zeit oder vom Messwert. Der Betriebsparameter ist somit abhängig von einer Einflussgröße. So kann beispielsweise die Auflösung in einem bestimmten Temperaturbereich vergrößert werden oder ab einem bestimmten Messwert wird mit einer höheren Genauigkeit gemessen.
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Zur Steuerung sendet der Messumformer 2 einen oder mehrere Betriebsparameter an den Sensor 3, 4, 5, wobei der Sensor diese entsprechend umsetzt. Der Betriebsparameter kann nur bei einer Änderung eines solchen übertragen werden. Oder es wird immer der ganze Satz an Betriebsparameter komplett übertragen.
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Wie erwähnt umfasst das Kabel 9 eine Schnittstelle 8 und bevorzugt auch eine Datenverarbeitungseinheit, etwa einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller steuert und regelt etwa die Kommunikation zwischen Kabel 9, und damit auch zwischen Messumformer 2 und Sensor 3, 4, 5. Zur zusätzlichen Reduzierung der Leistungsaufnahme der Messstelle hat der Messumformer Kenntnisse über zumindest einen Betriebsparameter des Kabels und einer dem Betriebsparameter zugeordneten Leistungsaufnahme. Der Messumformer 2 passt nun den Betriebsparameter des Kabels 9 in ähnlicher Weise wie beim Sensor 3, 4, 5 an. Und zwar je nach ihm zur Verfügung stehenden Energie, so dass der gesamte Energieverbrauch der Messstelle, insbesondere die gesamte Leistungsaufnahme des Kabels, unter dem maximalen Wert Pmax liegt.
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Beispiele für einen solchen Betriebsparameter des Kabels ist eine Leistungsabgabe an den Sensor, ein Kommunikationsintervall und/oder Parameter der Datenverarbeitungseinheit, insbesondere der Verstärkung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messstelle
- 2
- Messumformer
- 3
- Sensor
- 4
- Sensor
- 5
- Sensor
- 6
- Energieversorgung
- 7
- Schnittstelle
- 8
- Schnittstelle
- 9
- Kabel
- a.u.
- willkürliche Einheiten
- t
- Zeit
- P
- Leistungsaufnehme
- Pmax
- maximale Leistungsaufnahme
- S1
- Sensor = 3
- S2
- Sensor = 4
- S3
- Sensor = 5
