DE102016120444A1 - Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes für die Automatisierungstechnik - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes (1) für die Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät (1) über ein Anschlussklemmenpaar (2) mit einer Zweidrahtleitung (3) zur Energieversorgung verbunden ist, wobei eine Klemmspannung (U) durch das Feldgerät (1) überwacht wird und in dem Fall, dass die Klemmspannung (U) einen spezifischen Spannungswert (U) unterschreitet, entweder eine Messrate (f) mit der das Feldgerät (1) eine Prozessgröße (4) erfasst herabgesetzt und ein Funkmodul (5) zur drahtlosen Kommunikation mit dem Feldgerät (1) aktiviert wird bzw. dessen Leistungsaufnahme im Wesentlichen unverändert bleibt oder aber, dass das Funkmodul (5) in einen Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme versetzt wird und die Messrate (f) im Wesentlichen nicht verändert wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes für die Automatisierungstechnik, sowie ein Feldgerät für die Automatisierungstechnik.
  • In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte bzw. Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen 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.
  • Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
  • In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Feldbussysteme, wie z.B. 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) oder einen PLC (Programmable Logic Controller). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messwerte werden über das angeschlossene Bussystem an eine oder gegebenenfalls auch an mehrere übergeordnete Einheit(en) übermittelt. Daneben ist auch eine Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte erforderlich; diese dient insbesondere zur Konfigurierung und Parametrierung von Feldgeräten oder zu Diagnosezwecken. Allgemein gesprochen, wird das Feldgerät über das Bussystem von der übergeordneten Einheit her bedient.
  • Neben einer drahtgebundenen Datenübertragung, wie bspw. Ethernet/IP zwischen den Feldgeräten und der übergeordneten Einheit besteht auch die Möglichkeit einer drahtlosen Datenübertragung. Um eine drahtlose Datenübertragung zu ermöglichen weisen heutige Feldgeräte diverse Funkschnittstellen, wie bspw. WLAN, Bluetooth, und/oder Nahfeldkommunikation bzw. NFC, auf. Mittels dieser Schnittstellen lässt sich eine Verbindung zu dem entsprechenden Feldgerät herstellen, um so einen Zugriff auf dessen Prozessdaten und/oder Feldgerätedaten bzw. Parameter zu ermöglichen. Die Funkschnittstellen sind dabei für gewöhnlich über ein im Feldgerät angeordnetes Wireless-Modul, z.B. Bluetooth-Modul, realisiert. Unter erschwerten Einsatzbedingungen erfordert das Wireless-Modul deutlich mehr Energie zum Senden und Empfangen als im Feldgerät bei einer geforderten Messrate dafür übrig wäre. Gerade bei tief im Gerät verbauten Wireless-Modulen wird für dessen Funktion bei gewünschter Reichweite viel Energie aus der Stromschleife, über die das Feldgerät gespeist wird, benötigt. Andererseits hängt die zur Verfügung stehende Energie bei 4-20mA Stromschleifen gespeisten Feldgeräten vom Messwert selbst ab und schwankt entsprechend stark. Der Messwerts selbst und dessen entsprechend eingestellter 4-20mA Schleifenstrom lässt sich vom Energiemanagement des Feldgerätes nicht planen, so dass nicht vorhersehbar ist wie viel Energie zu welchem Zeitpunkt zum Betreiben des Wireless-Moduls zur Verfügung steht.
  • Ebenfalls nicht planbar ist die Bedienung des Feldgerätes mittels eines Bediengerätes, wie bspw. ein Tablet oder ein Smartphone, über das Wireless-Modul, da die Funkverbindung sporadisch durch einen Benutzer, bspw. einen Servicetechniker, initiiert wird. Somit kann es im ungünstigen Fall dazu kommen, dass sowohl der Messwert erfasst als auch eine Funkverbindung aufgebaut werden soll. Dies führt dann im schlimmsten Fall dazu, dass das Feldgerät in einen undefinierten Funktionszustand geht, in dem möglicherweise der Messwert nicht erfasst wird und/oder das Wireless-Modul nicht wunschgemäß arbeitet.
  • Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen ein Energie-Pufferspeicher in dem Feldgerät integriert ist, um den Betrieb des Wireless-Moduls auch dann zu ermöglichen, wenn das Feldgerät gerade einen Messwert erfasst. Nachteilig hieran ist, dass auch ein Energie-Pufferspeicher nur eine begrenzte Energiemenge speichern kann, der Energieverbrauch des Wireless-Moduls allerdings durch die übertragene Datenmenge und Dauer der Funkverbindung bestimmt wird, und wie bereits ausgeführt, wenig planbar ist. Somit kann es zu Situationen kommen, in denen ein unerwünschter Funktionsabbruch bzw. eine Funktionseinschränkung entweder der Funkverbindung und/oder der Erfassung des Messwertes stattfindet.
  • Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen sicheren Betrieb eines Feldgerätes mit Funkmodul zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes für die Automatisierungstechnik gelöst, wobei das Feldgerät über ein Anschlussklemmenpaar mit einer Zweidrahtleitung zur Energieversorgung verbunden ist, wobei eine Klemmspannung durch das Feldgerät überwacht wird und in dem Fall, dass die Klemmspannung einen spezifischen Spannungswert unterschreitet, entweder eine Messrate mit der das Feldgerät eine Prozessgröße erfasst herabgesetzt und ein Funkmodul zur drahtlosen Kommunikation mit dem Feldgerät aktiviert wird bzw. dessen Leistungsaufnahme im Wesentlichen unverändert bleibt oder aber, dass das Funkmodul in einen Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme versetzt wird und die Messrate im Wesentlichen nicht verändert wird.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in dem Fall, dass das Feldgerät in einem SIL-Betrieb betrieben wird, das Funkmodul in den Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme versetzt wird und die Messrate im Wesentlichen nicht verändert wird, wenn die Klemmspannung den spezifischen Spannungswert unterschreitet. Um das Feldgerät in dem SIL-Betrieb betreiben zu können, muss dieses derartig ausgeführt sein, dass es der Norm IEC61508 SIL (Safty Integrity Level), welche speziell für sicherheitskritische Anwendungen in der Industrieautomatisierung entwickelt wurde, entspricht. Durch diese Sicherheitsnorm soll ein Risiko, welches in dem vorliegenden Fall bspw. durch eine Fehlfunktion des Feldgerätes auftreten kann, minimiert werden, so dass eine möglichst geringe Gefahr für Mensch und Umwelt besteht.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in dem Fall, dass das Feldgerät nicht in einem SIL-Betrieb betrieben wird, die Messrate herabgesetzt und das Funkmodul aktiviert wird bzw. dessen Leistungsaufnahme im Wesentlichen unverändert bleibt, wenn die Klemmspannung den spezifischen Spannungswert unterschreitet, so dass das Funkmodul in einen Betriebszustand mit im Wesentlichen uneingeschränkter Leistungsaufnahme betrieben wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zumindest in dem Fall, dass das Funkmodul in den Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme versetzt wird, bzw. die Klemmenspannung für einen parallelen Betrieb des Funkmoduls und Messungen mit unveränderter Messrate zu niedrig ist, ein Hinweis auf das deaktivierte bzw. leistungsbeschränkte Funkmodul durch das Feldgerät ausgegeben wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zumindest in dem Fall, dass das Funkmodul (5) in den Betriebszustand uneingeschränkter Leistungsaufnahme versetzt wird, bzw. die Klemmenspannung für einen parallelen Betrieb des Funkmoduls (5) und Messungen mit unveränderter Messrate (fM) zu niedrig ist, ein Hinweis auf eine maximal mögliche reduzierte Messrate bei uneingeschränkter Leistungsaufnahme des Funkmoduls (5) ausgegeben wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in dem Fall, bei dem die Klemmspannung den spezifischen Spannungswert überschreitet, die Messrate nicht verändert und das Funkmodul aktiviert wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als spezifischer Spannungswert ein Wert von ca. 14 V, bevorzugt von 15 V, besonders bevorzugt von 16V verwendet wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in dem Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme das Funkmodul deaktiviert wird.
  • Die Aufgabe wird ferner durch ein Feldgerät für die Automatisierungstechnik gelöst, welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Feldgeräts mit einem integrierten Wireless-Modul.
  • 1 zeigt exemplarisch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Feldgeräts 1 für die Automatisierungstechnik. Das Feldgerät 1 kann prinzipiell eine Sensor-/Aktoreinheit 6 zum Erfassen und/oder Stellen einer Prozessgröße umfassen. In 1 ist ein Feldgerät 1 mit einer Sensoreinheit in Form eines Messwandlers dargestellt. Die Sensoreinheit 6 erfasst die Prozessgröße mit einer Messrate fM und liefert ein davon abhängiges Prozessgrößensignal an eine Auswerteeinheit 7, welche vorzugsweise ebenfalls innerhalb des Feldgerätes 1 angeordnet ist. Die Auswerteeinheit 7 ermittelt ausgehend von dem Prozessgrößensignal einen die Prozessgröße repräsentierenden Messwert, welcher von dem Feldgerät 1 ausgebbar ist. Dieser Messwert kann, bspw. über eine Zweidrahtleitung 3, welche über ein Anschlussklemmenpaar 2 des Feldgerätes 1 mit diesem verbunden ist, ausgeben werden.
  • Über die Zweidrahtleitung 3 wird das Feldgerät 1 ebenfalls mit Energie versorgt, so dass das Feldgerät 1 seiner eigentlichen Messaufgabe nachkommen kann. Beispielsweise kann über die Zweidrahtleitung 3 ein 4-20mA Stromsignal übertragen werden, welches zum einen zur Energieversorgung und zum anderen zur Messwertübertragung dient.
  • Das Feldgerät 1 umfasst ferner ein Funkmodul bzw. Wireless-Modul 5, bspw. ein Bluetooth-Modul, welches vorzugsweise innerhalb des Feldgerätes 1 bzw. einem Feldgerätegehäuse angeordnet ist oder alternativ über eine weitere Schnittstelle außerhalb des Feldgerätes angebunden ist. Das Funkmodul 5 ist dazu eingerichtet, eine drahtlose Kommunikation über eine Antenne 9 des Feldgerätes 1 zur Datenübertragung mit dem Feldgerät 1 zu ermöglichen. Beispielsweise soll über die drahtlose Kommunikation eine Parametrierung des Feldgerätes 1 durch ein Bediengerät 10, bspw. ein Tablet oder Smartphone, durchführbar sein. Der Aufbau der drahtlosen Kommunikation zu dem Feldgerät 1 findet dabei nicht planbar, sondern sporadisch nach Bedarf statt. Darüber hinaus lässt sich auch die mittels der drahtlosen Kommunikation zu übertragende Datenmenge und die Dauer der drahtlosen Kommunikation in der Regel nicht planen bzw. steuern.
  • Im Hinblick darauf, dass die über die Zweidrahtleitung 3 für das Feldgerät 1 zur Verfügung stehende Energie begrenzt ist, so dass nicht genügend Energie zur Verfügung steht, um alle Funktionen des Feldgerätes 1 parallel auszuführen und die Gefahr, dass eine drahtlose Kommunikation in dem Moment zu dem Feldgerät 1 aufgebaut werden soll, in dem nicht ausreichend Energie in dem Feldgerät 1 zur Verfügung steht, kann es zu einem undefinierten Zustand des Feldgerätes 1, insbesondere des Funkmodules, kommen.
  • Um dies zu vermeiden, weist das Feldgerät erfindungsgemäß eine Überwachungseinheit 8 zur Überwachung der Klemmspannung UK auf. Die Überwachungseinheit 8 überwacht bzw. prüft, ob eine Klemmspannung UK des Anschlussklemmenpaares 2 einen spezifischen Spannungswert USoll unterschreitet. Als spezifischer Spannungswert USoll kann bspw. ein Wert von ca. 14 V, bevorzugt von 15 V, besonders bevorzugt von 16V verwendet werden. Der spezifische Spannungswert USoll kann in einem Speicher des Feldgerätes 1 durch den Feldgerätehersteller hinterlegt sein. Ferner kann dieser editierbar sein, so dass der spezifische Spannungswert USoll an Bedingungen eines Einbauorts des Feldgerätes 1 in einer Automatisierungsanlage anpassbar ist.
  • In dem Fall, dass die Klemmspannung UK den spezifischen Spannungswert USoll unterschreitet, wird das Feldgerät 1 in einem der folgenden Betriebsmodi betrieben:
    • - Im ersten Betriebsmodus wird die Messrate fM herabgesetzt und gleichzeitig wird das Funkmodul 5 zur drahtlosen Kommunikation mit dem Feldgerät 1 aktiviert bzw. dessen Leistungsaufnahme im Wesentlichen nicht verändert, falls das Funkmodul 5 bereits zuvor mit einer für das Funkmodul 5 maximalen Leistungsaufnahme betrieben wurde. In ersten Betriebsmodus wird das Funkmodul 5 mit im Wesentlichen uneingeschränkter Leistungsaufnahme betrieben.
    • - Im zweiten Betriebsmodus wird das Funkmodul 5 in einen Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme als die maximale Leistungsaufnahme versetzt und es wird die Messrate fM im Wesentlichen nicht verändert. Der zweite Betriebsmodus kann auch vorsehen, dass das Funkmodul 5 deaktiviert wird.
  • In welchem Betriebsmodus das Feldgerät 1 betrieben wird, hängt unter anderem davon ab, ob das Feldgerät in einer sicherheitskritischen Anwendung in der Automatisierungsanlage gemäß der SIL-Norm IEC61508 betrieben wird, oder nicht.
  • In dem Fall, dass das Feldgerät 1 in einer sicherheitskritischen Anwendung betrieben wird und entsprechend der SIL-Norm IEC61508 ausgebildet ist, wird beim Unterschreiten der Klemmspannung UK das Feldgerät 1 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben, so dass das Feldgerät 1 seine Messaufgabe unverändert fortsetzen kann, d.h. die Prozessgröße wird mit der gleichen Messrate fM wie zuvor erfasst. Vorzugsweise kann in diesem Fall auch vorgesehen sein, dass das Feldgerät 1 einen Hinweis, bspw. optisch, akustisch oder über eine digitale Kommunikationsschnittstelle wie z.B. HART ausgibt. So kann das Feldgerät bspw. auf einem Display 11 eine Meldung ausgeben, anhand derer der Bediener darauf aufmerksam gemacht wird, dass das Funkmodul 5 aufgrund zu geringer Energie augenblicklich nicht funktioniert bzw. es notwendig ist die Klemmenspannung zu erhöhen, um die Funkschnittstelle uneingeschränkt nutzen zu können.
  • Im ersten Betriebsmodus, bei dem das Funkmodul im Wesentlichen mit uneingeschränkter Leistungsaufnahme betrieben wird, kann es vorgesehen sein, dass eine aktuell maximal erreichbare Messrate als Hinweis ausgegeben wird.
  • In dem Fall, dass das Feldgerät 1 nicht in einer sicherheitskritischen Anwendung betrieben wird und entsprechend eben nicht gemäß der SIL-Norm IEC61508 ausgebildet ist, wird beim Unterschreiten der Klemmspannung UK das Feldgerät 1 beispielsweise in dem ersten Betriebsmodus betrieben, so dass dem Funkmodul 5 jederzeit genügend Energie zur Verfügung steht, um ein drahtlose Kommunikation mit dem Feldgerät 1 aufzubauen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zweidrahtleiter-Feldgerät der Automatisierungstechnik
    2
    Anschlussklemmenpaar
    3
    Zweidrahtleitung
    4
    Prozessgröße
    5
    Funkmodul
    6
    Sensor-/Aktoreinheit z.B. Messwandler bzw. Messumformer
    7
    Auswerteeinehit
    8
    Überwachungseinheit
    9
    Antenne
    10
    Bediengerät
    11
    Display des Feldgerätes
    USoll
    spezifischen Spannungswert
    UK
    Klemmspannung

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes (1) für die Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät (1) über ein Anschlussklemmenpaar (2) mit einer Zweidrahtleitung (3) zur Energieversorgung verbunden ist, wobei eine Klemmspannung (UK) durch das Feldgerät (1) überwacht wird und in dem Fall, dass die Klemmspannung (UK) einen spezifischen Spannungswert (USoll) unterschreitet, entweder eine Messrate (fM) mit der das Feldgerät (1) eine Prozessgröße (4) erfasst herabgesetzt und ein Funkmodul (5) zur drahtlosen Kommunikation mit dem Feldgerät (1) aktiviert wird bzw. dessen Leistungsaufnahme im Wesentlichen unverändert bleibt oder aber, dass das Funkmodul (5) in einen Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme versetzt wird und die Messrate (fM) im Wesentlichen nicht verändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Fall, dass das Feldgerät (1) in einem SIL-Betrieb betrieben wird, das Funkmodul (5) in den Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme versetzt wird und die Messrate (fM) im Wesentlichen nicht verändert wird, wenn die Klemmspannung (UK) den spezifischen Spannungswert (USoll) unterschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Fall, dass das Feldgerät nicht in einem SIL-Betrieb betrieben wird, die Messrate (fM) herabgesetzt und das Funkmodul (5) aktiviert wird bzw. dessen Leistungsaufnahme im Wesentlichen unverändert bleibt, wenn die Klemmspannung (UK) den spezifischen Spannungswert (USoll) unterschreitet, so dass das Funkmodul (5) in einen Betriebszustand mit im Wesentlichen uneingeschränkter Leistungsaufnahme betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest in dem Fall, dass das Funkmodul (5) in den Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme versetzt wird, bzw. die Klemmenspannung für einen parallelen Betrieb des Funkmoduls (5) und Messungen mit unveränderter Messrate (fM) zu niedrig ist, ein Hinweis auf das deaktivierte bzw. leistungsbeschränkte Funkmodul (5) durch das Feldgerät ausgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei zumindest in dem Fall, dass das Funkmodul (5) in den Betriebszustand uneingeschränkter Leistungsaufnahme versetzt wird, bzw. die Klemmenspannung für einen parallelen Betrieb des Funkmoduls (5) und Messungen mit unveränderter Messrate (fM) zu niedrig ist, ein Hinweis auf eine maximal mögliche reduzierte Messrate bei uneingeschränkter Leistungsaufnahme des Funkmoduls (5) ausgegeben wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Fall, dass die Klemmspannung (UK) den spezifischen Spannungswert (USoll) überschreitet, die Messrate (fM) nicht verändert und das Funkmodul (5) aktiviert wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei als spezifischer Spannungswert (USoll) ein Wert von ca. 14 V, bevorzugt von 15 V, besonders bevorzugt von 16V verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Betriebszustand mit niedrigerer Leistungsaufnahme das Funkmodul (5) deaktiviert wird.
  9. Feldgerät für die Automatisierungstechnik, welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
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