DE102017110597A1

DE102017110597A1 - Feldgerät der Automatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102017110597A1
Application number: DE102017110597.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Schäuble; Max Bauer; Marc Schlederer; Armend Zenuni
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-22
Also published as: EP3625848A1; CN110574229B; US11011823B2; US20200185812A1; WO2018210490A1; CN110574229A

Abstract

Feldgerät der Automatisierungstechnik (1) zumindest aufweisend:
- ein zumindest teilweise metallisches Gehäuse (2) mit zumindest einer Gehäuseöffnung (3);
- eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Feldgerätelektronik (4);
- eine Kabelverschraubung (5), die in der Gehäuseöffnung (3) eingebracht ist, wobei durch die Kabelverschraubung (5) zumindest ein Kabel (6) in das Gehäuse (2) eingeführt und mit der Feldgerätelektronik (4) verbunden ist, so dass über das Kabel (6) drahtgebunden mit der Feldgeräteelektronik (4) kommuniziert werden kann;
- eine Antenne (7) zum Senden bzw. Empfangen von elektromagnetischen Wellen mit zumindest einer bestimmten Wellenlänge, wobei die Antenne (7) in die Kabelverschraubung (5) derartig eingebracht ist, dass die Antenne (7) das Kabel (6) zumindest teilweise umgibt und die Antenne (7) über einen Koaxialleiter (8) mit der Feldgeräteelektronik (4) verbunden ist, so dass über die Antenne (7) drahtlos mit der Feldgeräteelektronik (4) kommuniziert werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldgerät der Automatisierungstechnik sowie eine Kabelverschraubung für ein Feldgerät.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung, Optimierung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen 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. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os (elektrische Schnittstellen), Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Feldbusse mit übergeordneten Einheiten verbunden. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) bzw. 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 Prozessvariablen bzw. -daten werden über den angeschlossenen Feldbus 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 kann bspw. zu Diagnosezwecken dienen. Allgemein gesprochen, wird das Feldgerät über den Feldbus von der übergeordneten Einheit her bedient.
Neben einer drahtgebundenen Datenübertragung muss bei derartigen Feldgeräten auch Zunehmens die Möglichkeit geschaffen werden, dass Daten drahtlose (im Folgenden auch als „wireless“ bezeichnet) übertragen werden können. Sei es um Prozessdaten, d.h. im Wesentlichen Messwerte, zu der übergeordneten Einheit zu übertragen oder aber auch um eine Parametrierung des Feldgerätes durch eine mobile Einheit, bspw. ein Tablet, Smartphone, etc. zu ermöglichen. Damit eine drahtlose Datenübertragung realisiert werden kann, müssen die Feldgeräte mit einer entsprechenden Funkantenne ausgestattet sein, die zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen eingerichtet sind.
Die Ausstattung der Feldgeräte mit Funkantennen weist jedoch die Problematik auf, dass die Feldgerätegehäuse zumeist aus einem leitfähigen Material, insbesondere Metall, ausgebildet sind, welche dafür sorgen, dass die elektromagnetischen Wellen nur stark abgeschwächt oder evtl. auch gar nicht durchgelassen werden. Dies führt wiederum dazu, dass die Reichweite des Funksignals zur drahtlosen Datenübertragung mit dem Feldgerät sehr gering ist.
Um eine größere Reichweite des Funksignals zu erreichen, wird, bspw. in der DE 10 2014 118 391 A1 , ein Feldgerät vorgeschlagen, bei dem von einer innerhalb des Feldgerätes angeordneten Primärantenne ausgesendete elektromagnetische Wellen an eine erste Sekundärantenne innerhalb des Gehäuses koppeln und anschließend von der ersten Sekundärantenne zu einer zweiten Sekundärantenne außerhalb des Gehäuses übertragen werden, umso von der zweiten Sekundärantenne ausgekoppelt zu werden. Die Übertragung vom Gehäuseinneren nach dem Gehäuseäußeren erfolgt hierbei mittels geführten Wellen, deren Verluste geringer sind als freie Wellen. Die Sekundärantennen sind hierbei in eine Kabelverschraubung eingebracht. Nachteilig an der in der DE 10 2014 118 391 A1 beschriebenen Lösung ist, der komplexe Aufbau bestehend aus mehreren einzelnen Antennen, die aufeinander abgestimmt sein müssen, und dass die Kabelverschraubung, in die die Sekundärantenne integriert ist, lediglich als Blindstopfen und nicht mehr für den eigentlich vorgesehen Einsatz, des Durchführens eines Kabels, verwendet werden kann.
Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, hier Abhilfe zu leisten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Feldgerät der Automatisierungstechnik gelöst, welches zumindest folgendes aufweist:

- ein zumindest teilweise metallisches Gehäuse mit zumindest einer Gehäuseöffnung;
- eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Feldgerätelektronik;
- eine Kabelverschraubung, die in der Gehäuseöffnung eingebracht ist, wobei durch die Kabelverschraubung zumindest ein Kabel in das Gehäuse eingeführt und mit der Feldgerätelektronik verbunden ist, so dass über das Kabel drahtgebunden mit der Feldgeräteelektronik kommuniziert werden kann;
- eine Antenne zum Senden bzw. Empfangen von elektromagnetischen Wellen mit zumindest einer bestimmten Wellenlänge, wobei die Antenne in die Kabelverschraubung derartig eingebracht ist, dass die Antenne das Kabel zumindest teilweise umgibt und die Antenne über einen Koaxialleiter mit der Feldgeräteelektronik verbunden ist, so dass über die Antenne drahtlos mit der Feldgeräteelektronik kommuniziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die Antenne derartig auszugestalten und in die Kabelverschraubung einzubringen, dass diese zumindest teilweise das Kabel umgibt. Die Antenne ist dabei derartig ausgebildet, dass sie für eine vorherbestimmte Frequenz bzw. Wellenlänge abgestimmt ist. Übliche Frequenzen für bspw. eine Nahfeldkommunikation liegen für gewöhnlich bei 2,4 GHz (WLAN, Bluetooth, ANT). So kann die Antenne bspw. durch entsprechende Antennenstrukturen derartig ausgebildet sein, dass diese zur Übertragung von Daten gemäß dem Bluetooth-Standard IEEE 802.15 oder einer davon abgewandelten Variante, bspw. Bluetooth LE (engl. für „Low Energy“) dient.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antenne auf Basis eines flexiblen Substrates, insbesondere einer flexiblen Leiterplatte, ausgebildet ist und derartig in die Kabelverschraubung eingebracht ist, dass das flexible Substrat an einer inneren Wandung der Kabelverschraubung anliegt oder in die innere Wandung eingebracht ist. Insbesondere kann die Weiterbildung vorsehen, dass das flexible Substrat Polyimid umfasst.
Eine alternative Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antenne auf Basis eines metallischen, insbesondere flexiblen Drahtes ausgebildet ist und derartig in die Kabelverschraubung eingebracht ist, dass der metallische Draht an einer inneren Wandung der Kabelverschraubung anliegt oder in die innere Wandung eingebracht ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die innere Wandung der Kabelverschraubung eine Ausnehmung aufweist, die derartig ausgebildet ist, dass die Antenne durch die Ausnehmung zumindest teilweise aufgenommen und fixiert ist, wenn die Antenne an der inneren Wandung anliegt.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Kabelverschraubung eine PG-Kabelverschraubung, insbesondere eine M20 PG-Kabelverschraubung, umfasst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes.

1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feldgerätes 1, welches ein metallisches Gehäuse 2 umfasst, in dem eine Feldgeräteelektronik 4 angeordnet ist. Die Feldgeräteelektronik 4 ist derartig ausgebildet, dass diese Anschlussklemmen aufweist, über die ein Kabel 6, bspw. ein Zweidrahtkabel 12 oder auch ein Vierdrahtkabel 12 angeschlossen werden kann. Über das Kabel 6 wird die Feldgeräteelektronik 4 und somit das Feldgerät 1 an eine in 1 nicht gesondert dargestellte übergeordnete Einheit angeschlossen, um mit der übergeordneten Einheit Daten, insbesondere Daten bezogen auf Messwerte, drahtgebunden zu kommunizieren. Je nach konkreter Ausgestaltung des Feldgerätes 1, kann das Kabel 6 entweder als Zweidrahtleitung 12 ausgebildet sein, so dass sowohl die Daten als auch Energie zur Energieversorgung über insgesamt zwei Drähte der Feldgeräteelektronik zugeführt werden, oder als Vierdrahtleitung 12, so dass die Daten und Energie über insgesamt vier Drähte der Feldgeräteelektronik 4 zugeführt werden.
Um das von außerhalb des Gehäuses 2 kommende Kabel 6 an die im Gehäuse 2 angeordneten Anschlussklemmen 13 führen zu können, weist das metallische Gehäuse 2 eine Gehäuseöffnung 3 auf. In die Gehäuseöffnung 3 ist eine Kabelverschraubung 5 eingebracht, so dass das Kabel 6 durch die Kabelverschraubung 5 in das Gehäuse 2 einbringbar ist. Wie bereits angedeutet, kann die Kabelverschraubung 5 dabei derartig ausgebildet sein, dass ein Kabel 6 in Form einer Zweidrahtleitung 12 oder einer Vierdrahtleitung 12 in das Gehäuse 2 einführbar ist. Die Kabelverschraubung 5 weist vorzugsweise ein Kunststoff auf. Die Kabelverschraubung 5 kann bspw. als M20, d.h. einen Außendurchmesser von 20 mm aufweisend, PG-Kabelverschraubung ausgebildet sein.
In die Kabelverschraubung 5 ist eine Antenne 7 zum Empfangen und Senden von elektromagnetischen Wellen mit einer vorbestimmten Wellenlänge bzw. Frequenz erfindungsgemäß derartig eingebracht, dass die Antenne 7 das Kabel 6 im Bereich der Kabelverschraubung 5 zumindest teilweise umgibt.
Die Antenne 7 kann beispielsweise auf Basis eines flexiblen Trägermaterials bzw. Substrates 9 mit Antennenstrukturen 14 ausgebildet sein, so dass diese um das Kabel 6 wickelbar und das Kabel 6 mit der umwickelten Antenne 7 in die Kabelverschraubung 5 einbringbar ist. Damit die Antenne 7 die erforderliche Elastizität aufweist, ist die Stärke des Trägermaterials 9 auf dem die Antennenstrukturen 14 ausgebildet sind, so gewählt, dass das Trägermaterial 9 der Antenne 7 zum Einbringen in die Kabelverschraubung 5 um das Kabel 6 wickelbar ist. Die Antenne 7 kann beispielsweise in Form einer flexiblen Leiterplatte ausgebildet sein, bei der auf ein flexibles Substrat die Antenne bzw. die Antennenstrukturen aufgebracht sind. Das flexible Substrat, welches die Basis für die Antenne bildet, umfasst vorzugsweise Polyimid.
Die auf Basis eines flexiblen Substrates ausgebildete Antenne 7 kann entweder das Kabel 6 umgeben und an eine innere Wandung 10 der Kabelverschraubung 5 angelegt sein oder in die innere Wandung 10 der Kabelverschraubung 5 eingebracht bzw. integriert sein. Letzteres lässt sich bspw. dadurch realisieren, dass die Antenne 7 in die Kabelverschraubung 5 bei deren Herstellung eingebracht, bspw. eingespritzt wird.
In dem Fall, dass die Antenne 7 das Kabel 6 umgibt und an die innere Wandung 10 angelegt ist, kann es von Vorteil sein, wenn die innere Wandung 10 eine Ausnehmung 15 zur Aufnahme der Antenne 7 aufweist. Durch die Ausnehmung 15 kann die Antenne 7 in der Kabelverschraubung 5 fixiert und so verhindert werden, dass diese, bspw. beim Einführen bzw. Durchführen des Kabels 6 durch die Kabelverschraubung 5, verrutscht.
Alternativ kann die Antenne 7 statt auf Basis eines flexiblen Trägermaterials 9 auch auf Basis eines metallischen Drahtes ausgebildet sein, der um das Kabel 6 wickelbar und dann mit dem Kabel zusammen in die Kabelverschraubung 5 einbringbar ist. Ebenfalls kann der metallische Draht auch in die innere Wandung 10 der Kabelverschraubung 5 eingebracht sein, bspw. bei der Herstellung der Kabelverschraubung 5.
Die Antenne 7 weist ferner zumindest einen Anschlussbereich in Form eines Koaxialleiteranschlusses 11 auf. Über den Anschlussbereich ist die in die Kabelverschraubung 5 eingebracht Antenne 7 mit der Feldgeräteelektronik 4 über ein Koaxialleiter 8 verbunden. Die Anbindung des Koaxialleiters 8 an den Koaxialleiteranschlusses 11 kann hierbei sowohl festverdrahtet als auch lösbar erfolgen. Bei einer festverdrahteten Verbindung zwischen Koaxialleiter 8 und Koaxialleiteranschluss 11 sind diese vorzugsweise verlötet oder verklebt. Bei der lösbaren Anbindung können der Koaxialleiter 8 und der Koaxialleiteranschluss 11 bspw. in Form einer Stecker-Buchse-Verbindung realisiert sein.
Über die Antenne 7, können zwischen der Feldgeräteelektronik 4 und einer in 1 nicht gesondert dargestellten mobilen Bedieneinheit, die mit einer zu der Antenne korrespondierenden Antenne versehen ist, insbesondere Parameterwerte kommuniziert werden, umso eine Parametrierung des Feldgerätes 1 vorzunehmen, wohingegen über das Kabel 6, welches durch die Kabelverschraubung 5 geführt ist, die Feldgeräteelektronik 4 mit der übergeordneten Einheit, insbesondere Messwerte, kommuniziert. Als mobile Bedieneinheit kommen im Prinzip alle Geräte in Betracht, die eine zu der in der Kabelverschraubung 5 integrierten Antenne entsprechende Funkantenne aufweisen, bspw. Smartphones, Tablets oder dergleichen.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät der Automatisierungstechnik
2: Gehäuse
3: Gehäuseöffnung
4: Feldgeräteelektronik
5: Kabelverschraubung
6: Kabel zum Anschließen der Feldgeräteelektronik
7: Antenne
8: Koaxialleiter
9: Flexibles Substrat
10: innere Wandung der Kabelverschraubung
11: Koaxialleiteranschluss
12: Zweileiterkabel
13: Anschlussklemmen
14: Antennenstrukturen
15: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014118391 A1 [0006]

Claims

Feldgerät der Automatisierungstechnik (1) zumindest aufweisend: - ein zumindest teilweise metallisches Gehäuse (2) mit zumindest einer Gehäuseöffnung (3); - eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Feldgerätelektronik (4); - eine Kabelverschraubung (5), die in der Gehäuseöffnung (3) eingebracht ist, wobei durch die Kabelverschraubung (5) zumindest ein Kabel (6) in das Gehäuse (2) eingeführt und mit der Feldgerätelektronik (4) verbunden ist, so dass über das Kabel (6) drahtgebunden mit der Feldgeräteelektronik (4) kommuniziert werden kann; - eine Antenne (7) zum Senden bzw. Empfangen von elektromagnetischen Wellen mit zumindest einer bestimmten Wellenlänge, wobei die Antenne (7) in die Kabelverschraubung (5) derartig eingebracht ist, dass die Antenne (7) das Kabel (6) zumindest teilweise umgibt und die Antenne (7) über einen Koaxialleiter (8) mit der Feldgeräteelektronik (4) verbunden ist, so dass über die Antenne (7) drahtlos mit der Feldgeräteelektronik (4) kommuniziert werden kann.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei die Antenne auf Basis eines flexiblen Substrates (9), insbesondere einer flexiblen Leiterplatte, ausgebildet ist und derartig in die Kabelverschraubung (5) eingebracht ist, dass das flexible Substrat (9) an einer inneren Wandung (10) der Kabelverschraubung (5) anliegt oder in die innere Wandung (10) eingebracht ist.
Feldgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das flexible Substrat (9) Polyimid umfasst.
Feldgerät nach Anspruch 1, wobei die Antenne (7) auf Basis eines metallischen Drahtes ausgebildet ist und derartig in die Kabelverschraubung (5) eingebracht ist, dass der metallische Draht an einer inneren Wandung (10) der Kabelverschraubung (5) anliegt oder in die innere Wandung (10) eingebracht ist.
Feldgerät nach Anspruch 2 oder 4, wobei die innere Wandung (10) der Kabelverschraubung (5) eine Ausnehmung aufweist, die derartig ausgebildet ist, dass die Antenne (7) durch die Ausnehmung zumindest teilweise aufgenommen und fixiert ist, wenn die Antenne (7) an der inneren Wandung (10) anliegt.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kabelverschraubung (5) eine PG-Kabelverschraubung, insbesondere eine M20 PG-Kabelverschraubung, umfasst.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kabelverschraubung dazu eingerichtet ist, ein Zweileiterkabel oder ein Vierleiterkabel in das Gehäuse (2) einzuführen und wobei die Feldgerätelektronik (4) mit dem Zweileiterkabel oder dem Vierleiterkabel verbunden ist, so dass über das Zweileiterkabel oder das Vierleiterkabel drahtgebunden mit der Feldgeräteelektronik (4) kommuniziert werden kann.
Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldgerätelektronik (4) ferner dazu eingerichtet ist, dass Parameterwerte, die zum Einstellen eines Parameters des Feldgerätes (1) dienen, drahtlos über die Antenne (7) mit der Feldgeräteelektronik (4) kommuniziert werden können.
Kabelverschraubung (5), insbesondere PG-Kabelverschraubung, für ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, zumindest aufweisend eine Antenne (7) zum Senden bzw. Empfangen von elektromagnetischen Wellen mit zumindest einer bestimmten Wellenlänge, wobei die Antenne (7) in die Kabelverschraubung (5) derartig eingebracht ist, dass die Antenne (7) ein Kabel (6), welches in die Kabelverschraubung (5) einführbar bzw. durchführbar ist, zumindest teilweise umgibt und wobei die Antenne (7) ferner einen Koaxialleiteranschluss (11) zum elektrischen Kontaktieren der Antenne (7) aufweist.
Kabelverschraubung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Koaxialleiteranschluss (11) in Form einer Lötfläche ausgebildet ist, so dass die Antenne (7) durch Anlöten des Koaxialleiteranschlusses (11), bspw. an eine Feldgeräteelektronik, elektrisch kontaktierbar ist, nachdem die Kabelverschraubung (5), bspw. an einem Gehäuse eines Feldgerätes, angebracht wurde.
Kabelverschraubung nach Anspruch 9, wobei der Koaxialleiteranschluss (11) in Form eines Steckers ausgebildet ist, so dass die Antenne (7) durch Stecken des Koaxialleiteranschlusses (11), bspw. an eine entsprechende Buchse einer Feldgeräteelektronik (4), elektrisch kontaktierbar ist, nachdem die Kabelverschraubung (5), bspw. an einem Gehäuse eines Feldgerätes, angebracht wurde.