DE102015117010A1

DE102015117010A1 - Modular aufgebautes Feldgerät

Info

Publication number: DE102015117010A1
Application number: DE102015117010.8A
Authority: DE
Inventors: Volker ALLGAIER; Holger Staiger
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-06
Also published as: US10983494B2; WO2017060018A1; CN108027598A; US20180307191A1

Abstract

Modular aufgebautes Feldgerät (1) mit einem Gehäuse, einem Sensor (5) und einer in dem Gehäuse angeordneten Elektronikeinheit (7), sowie einer mit der Elektronikeinheit lösbar verbindbaren Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9), wobei die Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) ein Funkmodul (11) zur drahtlosen Kommunikation mit wenigstens einer weiteren Einheit (13), und eine interne Energieversorgung (15), insbesondere eine Batterie oder einen Akkumulator zur wenigstens teilweisen Versorgung des Funkmoduls (11) mit Energie aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modular aufgebautes Feldgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein modulares Feldgerätesystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung.
Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen Feldgerät und übergeordneten Einheiten erfolgt häufig nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife beziehungsweise eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus-PA-Protokoll genannt.
Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungsleitungen vorzusehen.
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Bedieneinheiten bekannt, die zur Kommunikation mit dem Feldgerät physikalisch an die 4 mA bis 20 mA Stromschleife angeschlossen werden, um so die Bedienung des Feldgerätes über die 4 mA bis 20 mA Stromschleife mittels des HART-Protokolls zu ermöglichen. Derartige Bedieneinheiten weisen den Nachteil auf, dass sie wie bereits erwähnt, physikalisch an die 4 mA bis 20 mA Stromschleife angeschlossen werden müssen. Hierzu muss die Zweidrahtleitung derartig modifiziert, beispielsweise abisoliert und/oder durchtrennt, werden, sodass die Bedieneinheit angeschlossen werden kann. Dies stellt einen relativ hohen Aufwand dar und ist vor Ort nicht immer ohne Weiteres zu bewerkstelligen.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, Funkmodule zur leichteren Bedienung von Feldgeräten zu verwenden. Es sind Lösungen bekannt, bei denen die Feldgeräte integrierte Funkmodule aufweisen, Funkmodule nachgerüstet werden oder in einem Messumformerspeisegerät, einer Einrichtung zur Energieversorgung der Feldgeräte, angeordnet sind. Insbesondere bei den Varianten mit integriertem Funkmodul oder mit einem Funkmodul, das nachgerüstet werden soll, besteht im Stand der Technik das Problem, dass eine Energieversorgung über die 4 mA bis 20 mA Stromschleife nur äußerst geringe Leistungen zur Verfügung stehen und die über die Stromschleife zuführbare Energie teilweise nicht ausreicht, um das Funkmodul, die Elektronikeinheit und den Sensor gleichzeitig mit ausreichend Energie zu versorgen, sodass ein Betrieb nicht oder nur erschwert möglich ist.
Im Stand der Technik sind hierfür z.B. Lösungen bekannt, bei denen das Funkmodul mit einer eigenen externen Energieversorgung versehen ist.
Ferner sind aus dem Stand der Technik modular aufgebaute Feldgeräte bekannt, bei denen aus einer Mehrzahl von kombinierbaren Sensoren, Gehäusen, Elektronikeinheiten und Bedien- und/oder Anzeigeeinheiten ausgewählt und ein entsprechendes Feldgerät aufgebaut werden kann. Ein solches modulares Feldgerätekonzept wird bspw. von der Firma Vega Grieshaber KG angeboten. Kombinierbar sind in der Regel ein Sensor, ein entsprechendes Elektronikmodul, das eine Messwertverarbeitung und eine Schnittstelle zu einer Steuerung und ggf. einem verwendeten Feldbus bereitstellt, sowie verschiedene Anzeige- und/oder Bedieneinheiten. Die Sensoren, Elektronikmodule und Anzeige- und/oder Bedieneinheiten sind sowohl aneinander als auch an verschiedene verfügbare Gehäuse angepasst.
Es besteht bei solchen Feldgeräten der Bedarf eines Funkmoduls zur drahtlosen Übertragung Messwerten und/oder Bedieninformationen an mobile Bedien- und/oder Anzeigegeräte.
Wie bereits dargestellt, werden Schnittstellen zu verschiedenen Feldbussen in der Elektronikeinheit, die aber von Sensor zur Sensor variiert, bereitgestellt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein modular aufgebautes Feldgerät derart um ein Funkmodul zu erweitern, dass dieses mit möglichst geringem Aufwand in eine bestehende Serie integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein modular aufgebautes Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Ein modulares Feldgerätekonzept zur Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 14 widergegeben.
Ein erfindungsgemäßes modular aufgebautes Feldgerät weist ein Gehäuse, einen Sensor und eine in dem Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit sowie eine mit der Elektronikeinheit lösbar verbindbare Anzeige- und/oder Bedieneinheit auf, wobei die Anzeige- und/oder Bedieneinheit ein Funkmodul zur drahtlosen Kommunikation mit wenigstens einer weiteren Einheit und eine interne Energieversorgung, insbesondere eine Batterie oder einen Akkumulator zur wenigstens teilweisen Versorgung des Funkmoduls mit Energie aufweist.
Ein derart modular aufgebautes Feldgerät ermöglicht durch die Anordnung des Funkmoduls in der Anzeige- und/oder Bedieneinheit sowie die wenigstens teilweise Versorgung des Funkmoduls mit Energie aus einer internen Energieversorgung, beispielsweise aus einer Batterie oder einem Akkumulator, die Möglichkeit, vorhandene Feldgeräte mit einer mit der Elektronikeinheit lösbar verbindbaren Anzeige- und/oder Bedieneinheit auch nachträglich mit einem Funkmodul, das in die Anzeige- und/oder Bedieneinheit integriert ist, auszustatten. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da bei einem entsprechend modularen Aufbau eines Feldgerätes in der Regel die Elektronikeinheit an die verschiedenen einsetzbaren Sensoren jeweils angepasst ist und daher eine Vielzahl von unterschiedlichen Elektronikeinheiten existieren, die Elektronikeinheiten aber in der Regel eine einheitliche Schnittstelle zum Anschluss einer Anzeige- und/oder Bedieneinheit ausbilden. Es wird damit vermieden, eine Vielzahl von unterschiedlichen Elektronikeinheiten jeweils mit und ohne Funkmodul vorhalten zu müssen und ermöglicht durch ein zusätzliches Modul, nämlich eine Anzeige- und/oder Bedieneinheit mit einem Funkmodul eine entsprechende Erweiterung vorzunehmen. Um das bestehende Energiekonzept der Feldgeräte, die wie oben dargestellt beispielweise über eine Zweidrahtleitung über das 4 mA bis 20 mA Protokoll kommunizieren und daher nur eine begrenzte Energie zur Verfügung haben, nicht zu stören, wird durch die Integration einer internen Energieversorgung, insbesondere einer Batterie oder eines Akkumulators erreicht, dass die Erweiterung der Anzeige- und/oder Bedieneinheit um das Funkmodul das bereits vorhandene Energiekonzept nicht stört und der Betrieb des Funkmoduls dennoch ermöglicht wird.
Eine nahtlose Integration wird ermöglicht, wenn die Anzeige- und/oder Bedieneinheit über eine Datenleitung leitungsgebunden mit der Elektronikeinheit verbunden ist. Die Anzeige- und/oder Bedieneinheit kann mit der weiteren Einheit, beispielsweise einem mobilen Anzeige- und/oder Bediengerät dann ausschließlich drahtlos verbunden sein. Auf diese Weise können zwischen der weiteren Einheit und der Anzeige- und/oder Bedieneinheit über das Funkmodul Anzeige- und/oder Bedieninformationen ausgetauscht und so beispielsweise Konfigurationen vorgenommen oder Messwerte überprüft werden.
Ferner kann die Elektronikeinheit drahtgebunden mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise mit einer Prozesssteuerung oder einer Messwarte verbunden sein. Auf diese Weise können insbesondere eine Spannungsversorgung der Elektronikeinheit und des Sensors über die drahtgebundene Verbindung, insbesondere über eine Zweidrahtleitung erfolgen.
Vorteilhafterweise ist die Anzeige- und/oder Bedieneinheit derart ausgelegt, dass sie bei Unterschreiten eines vorgegebenen Ladezustands der Batterie oder des Akkumulators eine Warnmeldung generiert und versendet. Eine solche Warnmeldung kann beispielsweise über die Elektronikeinheit an die übergeordnete Einheit gesendet werden. Dafür ist es günstig, wenn die Anzeige- und/oder Bedieneinheit so ausgebildet ist, dass sie die Warnmeldung über die Elektronikeinheit an die übergeordnete Einheit versenden kann.
Um eine Funktion des Feldgeräts nicht zu gefährden, ist es sinnvoll, wenn das Funkmodul deaktiviert wird, wenn eine Versorgung des Funkmoduls durch die interne Energieversorgung nicht mehr gewährleistet ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass aufgrund der Versorgung des Funkmoduls über die Energieversorgung der Anzeige- und/oder Bedieneinheit eine Funktionalität der Elektronikeinheit oder der Anzeige- und/oder Bedieneinheit gefährdet wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Anzeige- und/oder Bedieneinheit eine Trennung der Anzeige- und/oder Bedieneinheit von der Elektronikeinheit signalisieren. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Anzeige oder ein akustisches Signal erfolgen. Auf diese Weise wird eine Warnung ausgegeben, die beispielsweise eine eingeschränkte Funktionalität des Feldgerätes signalisiert.
In einer alternativen Ausgestaltungsform können die Elektronikeinheit und die Anzeige- und/oder Bedieneinheit jeweils ein Funkmodul aufweisen, wobei die Funkmodule derart ausgebildet sind, dass die Funksignale eines anderen Funkmoduls empfangen und wieder versenden. Auf diese Weise kann eine Repeaterfunktionalität erreicht werden, die beispielsweise dann, wenn die Anzeige- und/oder Bedieneinheit von der Elektronikeinheit beabstandet angeordnet ist, auch die Funksignale anderer Funkmodule, beispielsweise anderer Elektronikeinheiten und/oder anderer Anzeige- und/oder Bedieneinheiten jeweils weiterleiten. Die weitere Einheit kann beispielsweise ebenfalls als Anzeige- und/oder Bedieneinheit ausgebildet sein und insbesondere als mobiles Endgerät, beispielsweise Smartphone, Tablet-PC, Laptop oder mobile Anzeige- und/oder Bedieneinheit mit speziellen Funktionalitäten ausgebildet sein.
In einer Ausgestaltungsform ist die interne Energieversorgung austauschbar ausgestaltet, sodass insbesondere ein Akkumulator oder eine Batterie ausgewechselt werden können.
Es kann außerdem vorteilhaft sein, wenn das Feldgerät einen Energieharvester, insbesondere ein Solarmodul, einen Bewegungsenergiewandler, einen Thermoenergiewandler und/oder eine Antenne zur Wandlung elektronischer Strahlungsenergie, zur Aufladung des Akkumulators aufweist. Auf diese Weise kann zusätzliche Energie zur Entlastung der internen Energieversorgung zur Verfügung gestellt und/oder diese wieder aufgeladen werden.
Erfindungsgemäß ist ferner ein modulares Feldgerätesystem mit einer Mehrzahl von Sensoren, einer Mehrzahl von mit Sensoren verbindbaren und auf diese abgestimmten Elektronikeinheiten und einer Mehrzahl von mit den Elektronikeinheiten verbindbaren und auf diese abgestimmten Anzeige- und/oder Bedieneinheiten, wobei das Feldgerätesystem wenigstens eine Anzeige- und/oder Bedieneinheit mit einem Funkmodul zur drahtlosen Kommunikation mit wenigstens einer weiteren Einheit umfasst und die Anzeige- und/oder Bedieneinheit eine interne Energieversorgung, insbesondere eine Batterie oder einen Akkumulator zur wenigstens teilweisen Versorgung des Funkmoduls mit Energie aufweist.
Bei einem solchen modularen Feldgerätesystem können unterschiedliche Sensoren und Elektronikeinheiten auf einfache Art und Weise mit einer Anzeige- und/oder Bedieneinheit mit einem Funkmodul zur drahtlosen Kommunikation mit weiteren Einheiten, insbesondere drahtlosen Anzeige- und/oder Bedieneinheiten erweitert werden ohne ein vorhandenes Energiekonzept des bereits vorhandenen Feldgeräts einzugreifen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und Bezugnahme auf die beigefügte Figur eingehend erläutert. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines Feldgerätes gemäß der vorliegenden Anmeldung.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines modular aufgebauten Feldgerätes 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Das Feldgerät 1 weist eine Elektronikeinheit 7 auf, die mit einem Sensor 5 zur Messung einer physikalischen Größe verbunden ist. Der Sensor 5 kann beispielsweise als Drucksensor, Grenzstandsensor oder Radarsensor zur Messung eines Füllstands ausgebildet sein. Die Elektronikeinheit 7 ist ferner mit einer übergeordneten Einheit 19, die beispielsweise als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder eine andere geeignete Steuereinheit ausgebildet sein kann, verbunden. Für eine Anzeige und Bedienung des Feldgeräts vor Ort ist die Elektronikeinheit 7 ferner über eine Datenleitung 17 mit einer Anzeige- und Bedieneinheit 9 verbunden. Die Elektronikeinheit 7 weist dazu eine Schnittstelle 21 auf, die in dem vorliegend dargestellten modularen Feldgerätekonzept sämtliche Anzeige- und Bedieneinheiten 9 einheitlich ausgebildet ist.
Die Anzeige- und Bedieneinheit 9 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl für eine Datenleitung als auch für eine Energieversorgung Schaltungsblöcke 29, 31 für einen Einsatz der Anzeige- und Bedieneinheit 9 in explosionsgeschützten Bereichen sowie zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen auf. Eine Spannungsversorgung 25 ist über einen geschalteten Kondensator über eine Strombegrenzung 27 einer Steuereinheit 3 der Anzeige und Bedieneinheit 9 zugeführt.
Die Steuereinheit 3 ist ferner über eine Datenleitung 23 mit dem Schaltungsblock 29 zum Explosionsschutz verbunden. An die Steuereinheit 3 sind ferner ein Display bzw. eine Anzeige 91, ein Tastenfeld 92 sowie eine Hintergrundbeleuchtung 93 für die Anzeige 91 angeschlossen. Die Steuereinheit 3 regelt in diesem Zusammenhang die Anzeige sowie die Eingaben über das Tastenfeld 92 und gibt über die Datenleitung 23 entsprechende Informationen an die Elektronikeinheit 7 weiter. Über eine weitere Datenleitung 37 ist mit der Steuereinheit 3 ein Funkmodul 11 zur Kommunikation mit einer weiteren Einheit 13, beispielsweise einer mobilen Anzeige und Bedieneinheit, verbunden. Das Funkmodul 11 ist über eine Batterie 15, die über eine von der Steuereinheit 3 über eine Steuerleitung 35 gesteuerte ideale Diode 33 mit Energie versorgt.
Über das Funkmodul 11 können auf diese Weise Anzeige- und/oder Bedieninformationen mit der weiteren Einheit 13 ausgetauscht werden. Auf diese Weise können beispielsweise Messwerte auf der weiteren Einheit 13 dargestellt oder Konfigurationsinformationen über die weitere Einheit 13 eingegeben werden.
Sinkt ein Ladezustand der Batterie 15 unter einen vorgegebenen Wert so kann von der Steuereinheit 3 über die Datenleitung 23 eine entsprechende Information an die Elektronikeinheit 7 und die damit verbundene übergeordnete Einheit 19 ausgegeben werden. Ist eine Energieversorgung des Funkmoduls 11 über die Batterie 15 aufgrund eines zu niedrigen Ladezustands nicht mehr gewährleistet, so wird ein Betrieb des Funkmoduls 11 eingestellt. Bei einem Trennen der Anzeige- und Bedieneinheit 9 von der Elektronikeinheit 7 kann dieses von der Steuereinheit 3 erkannt und ein entsprechendes Bestätigungssignal über die Funkeinheit 11 versandt oder beispielsweise in der Anzeige 91 angezeigt werden. Eine Energieversorgung für diese Anzeige kann ebenfalls über die Batterie 15 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
3: Steuereinheit
5: Sensor
7: Elektronikeinheit
9: Anzeige- und Bedienelement
11: Funkmodul
13: weitere Einheit
15: Batterie/Akku
17: Datenleitung
19: übergeordnete Einheit
21: Schnittstelle
23: Datenleitung
25: Spannungsversorgung
27: Strombegrenzung
29: Ex-Schutz Datenleitung
31: Ex-Schutz Energieversorgung
33: Energieversorgung, Funkmodul
35: Steuerleitung
37: Datenleitung
91: Display/Anzeige
92: Tastenfeld
93: Hintergrundbeleuchtung
V_DD: Versorgungsspannung

Claims

Modular aufgebautes Feldgerät (1) mit einem Gehäuse, einem Sensor (5) und einer in dem Gehäuse angeordneten Elektronikeinheit (7), sowie einer mit der Elektronikeinheit lösbar verbindbaren Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) ein Funkmodul (11) zur drahtlosen Kommunikation mit wenigstens einer weiteren Einheit (13), und eine interne Energieversorgung (15), zur wenigstens teilweisen Versorgung des Funkmoduls (11) mit Energie aufweist.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Energieversorgung als eine Batterie oder einen Akkumulator oder als Energieharvester ausgebildet ist.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) über eine Datenleitung (17) leitungsgebunden mit der Elektronikeinheit (7) verbunden ist.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) mit der weiteren Einheit (13) ausschließlich drahtlos verbunden ist.
Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (7) drahtgebunden mit einer übergeordneten Einheit (19) verbunden ist.
Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) derart ausgelegt ist, dass sie bei Unterschreiten eines Ladezustands der Batterie (15) oder des Akkumulators (15) eine Warnmeldung generiert und versendet.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) so ausgebildet ist, dass sie die Warnmeldung über die Elektronikeinheit (7) an die übergeordnete Einheit (19) sendet.
Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkmodul (11) deaktiviert wird, wenn eine Versorgung des Funkmoduls (11) durch die interne Energieversorgung (15) nicht mehr gewährleistet ist.
Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) eine Trennung der Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) von der Elektronikeinheit (7) signalisiert.
Feldgerät (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (7) und die Anzeige- und Bedieneinheit (9) je ein Funkmodul (11) aufweisen, wobei die Funkmodule (11) derart ausgebildet sind, dass sie Funksignale eines anderen Funkmoduls(11) empfangen und wieder versenden.
Feldgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Einheit (13) als Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) ausgebildet ist.
Feldgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Energieversorgung austauschbar ist.
Feldgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät einen Energieharvester, insbesondere ein Solarmodul, ei nen Bewegungsenergiewandler, einen Thermoenergiewandler und/oder eine Antenne zur Wandlung elektronischer Strahlungsenergie, zur Aufladung des Akkumulators aufweist.
Modulares Feldgerätesystem mit – einer Mehrzahl von Sensoren (5) – einer Mehrzahl von mit den Sensoren (5) verbindbaren Elektronikeinheiten (7) und – einer Mehrzahl von mit den Elektronikeinheiten (7) verbindbaren Anzeige- und/oder Bedieneinheiten (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerätesystem wenigstens eine Anzeige- und/oder Bedieneinheit (9) mit einem Funkmodul (11) zur drahtlosen Kommunikation mit wenigstens einer weiteren Einheit (13), und einer internen Energieversorgung (15), insbesondere eine Batterie oder einen Akkumulator zur wenigstens teilweisen Versorgung des Funkmoduls (11) mit Energie aufweist.