-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Energieverbrauchs eines Sensorsystems einer Anlage der Automatisierungstechnik. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Sensorsystem, umfassend eine Energieversorgungseinheit mit einem Energiespeicher mit einer endlichen Energiemenge, welches ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
-
Aus dem Stand der Technik sind bereits Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Automatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. So werden Feldgeräte zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen verwendet. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Sensorsysteme. Diese werden beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, pH-Messung, Füllstandmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktorsysteme verwendet. Diese sind beispielsweise Pumpen oder Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohr oder den Füllstand in einem Behälter beeinflussen können. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
-
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress+Hauser-Gruppe produziert und vertrieben.
-
Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung hinsichtlich der Schlagworte „Internet of Things (loT)“ und „Industrie 4.0“, welche auch vor Komponenten von Prozessanlagen nicht Halt macht, besteht ein erhöhter Bedarf, Daten von Feldgeräte, insbesondere Messdaten, Diagnosedaten, Parameterwerte, etc. an zentraler Stelle verfügbar zu machen und aus diesen Daten einen Mehrwert zu schaffen (Schlagworte hierfür sind „Big Data Analysis“, „Predictive Maintenance“, etc.). Unter der zentralen Stelle wird häufig eine über das Internet kontaktierbare Datenbank, insbesondere eine sogenannte Cloud-fähige Datenbank, verstanden.
-
Heutzutage werden Sensorsysteme hauptsächlich noch über industrielle Feldbusnetzwerke von einer übergeordneten Einheit aus angesteuert und deren Daten an die übergeordnete Einheit übermittelt. Die Intelligenz ist hierbei zentralisiert auf Seiten der übergeordneten Einheit verortet. Aufgrund des derzeitigen Wandels durch die fortschreitende Digitalisierung wird die Intelligenz zunehmend dezentral auf die einzelnen Feldgeräte verlagert. Die einzelnen Sensorsysteme werden sich in Zukunft zunehmend auf eigene Initiative hin Informationen beschaffen können.
-
Abhängig vom Einsatzort der Sensorsysteme beziehen diese ihre zum Betrieb notwendige Energie direkt aus dem Stromnetz oder verfügen, oftmals in exponierten und/oder abgelegenen Bereichen einer Anlage, über einen Energiespeicher mit einer begrenzten Energiequelle. Um einen Betriebsausfall eines Sensorsystems zu verhindern muss stets gewährleistet sein, dass eine zum Betrieb des Sensorsystems ausreichende Energiemenge in dem Energiespeicher vorhanden ist. Der Austausch des Energiespeichers ist hierbei oftmals ineffektiv: Entweder erfolgt der Austausch/die Aufladung des Energiespeichers zu einem planmäßigen Zeitpunkt, wobei der Energiespeicher möglicherweise noch über eine mehr als ausreichende Energiemenge verfügt, oder der Energiespeicher muss außerplanmäßig ausgetauscht/aufgeladen werden. In beiden Fällen können höhere Kosten, als eigentlich nötig wären, verursacht werden.
-
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzustellen, welches eine Optimierung des Energieverbrauchs eines Sensorsystems erlaubt.
-
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regelung des Energieverbrauchs eines Sensorsystems einer Anlage der Automatisierungstechnik gelöst, welches Sensorsystem einen ersten Betriebsmodus mit einem ersten Energieverbrauch und mindestens einen zweiten Betriebsmodus mit einem zweiten Energieverbrauch, sowie eine Energieversorgungseinheit mit einem Energiespeicher mit einer endlichen Energiemenge aufweist, wobei das Sensorsystem in dem ersten Betriebsmodus eine physikalische Messgröße erfasst und Messdaten bereitstellt, und wobei der erste Energieverbrauch größer als der zweite Energieverbrauch ist, umfassend:
- - Erfassen der aktuell verfügbaren Energiemenge des Energiespeichers;
- - Erfassen von Prognosedaten, welche Informationen darüber liefern, an welchen Zeitpunkten der Energiespeicher zumindest teilweise regeneriert wird;
- - Erstellen eines Ablaufplans anhand der aktuell verfügbaren Energiemenge des Energiespeichers und der Prognosedaten, wobei der Ablaufplan Zeitpunkte aufweist, in welchen das Sensorsystem von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus, bzw. von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus wechselt, wobei der Ablaufplan derart erstellt wird, dass sichergestellt ist, dass der Energiespeicher jederzeit zumindest eine definierte Mindestmenge an Energie aufweist; und
- - Betreiben des Sensorsystems auf Basis des erstellten Ablaufplans.
-
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Energieverbrauch eines Sensorsystems optimiert. Hierfür wird ein Ablaufplan auf Basis des maximal zulässigen Energieverbrauchs des Sensorsystems erstellt. Da bekannt ist, zu welchem Zeitpunkt der Energiespeicher regeneriert wird, kann der Ablaufplan vorausschauend erstellt werden. Ist beispielsweise die Zeitspanne zwischen zwei Zeitpunkten groß, so werden die Phasen, in denen sich das Sensorsystem im ersten Betriebsmodus befindet, verringert. Ist die Zeitspanne zwischen zwei Zeitpunkten gering, so werden die Phasen, in denen sich das Sensorsystem im ersten Betriebsmodus befindet, erhöht.
-
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Sensorsystem selbstständig den Ablaufplan erstellt und seinen Betrieb auf Basis des Ablaufplans verwaltet. Hierfür benötigt es eine interne Recheneinheit, beispielsweise einen Mikrocontroller. Des Weiteren muss es in der Lage sein, sich von der Energieversorgungseinheit Informationen über die aktuell im Energiespeicher befindliche Energiemenge beschaffen zu können. Die Prognosedaten werden entweder von einem Benutzer an das Sensorsystem übertragen, bzw. in diesem eingegeben, oder das Sensorsystem beschafft sich die Prognosedaten selbstständig, beispielsweise mittels einer an das Internet angeschlossenen Kommunikationsschnittstelle des Sensorsystems.
-
Alternativ erfolgt die Berechnung des Ablaufplans mittels einer übergeordneten Einheit oder eines mobilen Geräts. Der Ablaufplan wird anschließend an das Sensorsystem übertragen. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die übergeordnete Einheit den Ablaufplan ausführt und das Sensorsystem auf Basis des Ablaufplans steuert.
-
Beispiele für solche Sensorsysteme sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung genannt worden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die Prognosedaten zusätzlich Informationen über die Menge an Energie liefern, die dem Energiespeicher zu den jeweiligen Zeitpunkten bereitgestellt wird und wobei die Informationen über die Menge an bereitgestellter Energie zur Erstellung des Ablaufplans verwendet werden. Der Ablaufplan kann auf diese Art und Weise noch effizienter den Energieverbrauch des Sensorsystems optimieren. Falls beispielsweise ersichtlich ist, dass der nächste Regenerationszeitpunkt zwar nahe liegt, aber nur eine geringe Menge an Energie an den Energiespeicher übergeben wird, kann vorgesehen sein, die Phasen, in denen sich das Sensorsystem im ersten Betriebsmodus befindet, dementsprechend zu verringern.
-
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Prognosedaten aus Wetterdaten extrahiert werden, wobei die Prognosedaten Informationen über diejenigen Zeitpunkte liefern, an welchen die mit einem Solarmodul ausgestattete Energieversorgungseinheit Sonnenlicht empfängt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Prognosedaten zusätzlich die voraussichtliche Zeitdauer und die Intensität enthalten, mit welcher das Solarmodul zu den jeweiligen Zeitpunkten Sonnenlicht empfängt. Aus der Zeitdauer und der Intensität kann die voraussichtliche Energiemenge berechnet werden, welche das Solarmodul erzeugt, und an den Energiespeicher übermittelt werden. In den Sonnenstunden ist die Bewölkung des Himmels, und somit die effektive Sonnenstrahlung, miteinberechnet.
-
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Energiespeicher ein Brennstoffspeicher verwendet wird und dass die Energieversorgungseinheit den im Brennstoffspeicher enthaltenen Brennstoff in elektrische Energie umwandelt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Prognosedaten aus einem Lieferplan extrahiert werden, wobei der Lieferplan Informationen über diejenigen Zeitpunkte liefert, an denen eine Nachschublieferung des Brennstoffs an der Anlage eintrifft.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Prognosedaten zusätzlich die Menge an Brennstoff enthalten, welche an den jeweiligen Zeitpunkten geliefert wird.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Ablaufplan derart erstellt wird, dass Messwerte in einer vordefinierten Messrate erstellt und bereitgestellt werden, wobei sichergestellt wird, dass der Energiespeicher jederzeit zumindest die definierte Mindestmenge an Energie aufweist. Hierdurch ist eine bestmögliche Bereitstellung von Messwerten gewährleistet.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Fall, dass die vordefinierte Messrate der Erstellung und Bereitstellung von Messwerten nicht gewährleistet werden kann, die vordefinierte Messrate soweit verringert wird, bis sichergestellt ist, dass der Energiespeicher jederzeit zumindest die definierte Mindestmenge an Energie aufweist. Im umgekehrten Fall kann, falls ausreichend Energie vorhanden ist, die Messrate erhöht werden.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Ablaufplan in regelmäßigen Zeitabständen aktualisiert wird, wobei bei jedem Aktualisierungsvorgang des Ablaufplans die aktuell verfügbare Energiemenge des Energiespeichers und die Prognosedaten erfasst werden. Die Prognosedaten können sich mitunter dynamisch verändern, insbesondere falls die Prognosedaten auf Wetterdaten basieren. Auch die aktuelle Energiemenge kann mitunter von den vorausberechneten Energiemengen abweichen. Durch regelmäßiges Aktualisieren des Ablaufplans kann eine Änderung der Prognosedaten und/oder der aktuellen Energiemenge des Energiespeichers unmittelbar für den Betrieb des Sensorsystems berücksichtigt werden.
-
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Sensorsystem, umfassend eine Energieversorgungseinheit mit einem Energiespeicher mit einer endlichen Energiemenge, gelöst, welches ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Neben der Energieversorgungseinheit weist das Sensorsystem in dem Fall, dass es den Ablaufplan selbst erstellt, zusätzlich zumindest einen Mikrocontroller und einen Datenspeicher auf.
-
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass der Energiespeicher ein elektrischer Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator oder ein Kondensator, ist. Die aktuell verfügbare Energiemenge ist hierbei durch die verfügbare Menge an Ladungsträgern im Energiespeicher definiert.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinheit ein Solarmodul umfasst, welches zur Regeneration des Energiespeichers ausgestaltet ist.
-
Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass der Energiespeicher ein Brennstoffstoffspeicher ist und wobei die Energieversorgungseinheit dazu ausgestaltet ist, den im Brennstoffspeicher enthaltenen Brennstoff in elektrische Energie umzuwandeln. Die aktuell verfügbare Energiemenge ist hierbei durch die verfügbare Menge an Brennstoff im Brennstoffspeicher definiert.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinheit ein Generator ist und wobei es sich bei dem Brennstoff um einen organischen Brennstoff, insbesondere um Benzin, Öl oder Diesel, handelt. Natürlich kann hierfür auch jeder weitere gebräuchliche organische Brennstoff verwendet werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinheit eine Brennstoffzelle umfasst, welche den Brennstoff unter Zuhilfenahme eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, und wobei es sich bei dem Brennstoff um Wasserstoff, Methanol, Methan, Ameisensäure oder Magnesium handelt. Natürlich kann hierfür auch jeder weitere gebräuchliche Brennstoff verwendet werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass es sich bei dem zweiten Betriebsmodus um einen Bereitschaftsmodus, bzw. einen Sleep-Modus, handelt. In diesem sind die Grundfunktionalitäten des Sensorsystems, beispielsweise Empfangsbereitschaft für Aufwachsignale, aktiviert, jedoch nicht die Messfunktionalität des Sensorsystems.
-
Es versteht sich von selbst, dass das Sensorsystem neben dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus über weitere Betriebsmodi verfügen kann, welche auch in dem Ablaufplan berücksichtigt werden können.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist vorgesehen, dass das Sensorsystem eine Kommunikationsschnittstelle aufweist und über die Kommunikationsschnittstelle mit einem Kommunikationsnetzwerk, insbesondere mit dem Internet verbunden ist, wobei das Sensorsystem die Prognosedaten über das Kommunikationsnetzwerk erfasst. Hierzu ruft es beispielsweise Wetterdaten von einer Wetterstation oder einem Server im Internet ab.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einer Anlage der Prozessautomatisierung ist ein Sensorsystem 1 eingesetzt. Dieses ist beispielsweise an einem Tank befestigt und dient zum Überwachen des Füllstands des Tanks mittels des FMCW-Prinzips. Hierfür weist das Sensorsystem ein Radarelement und einen Messumformer 15 zum Aufnehmen eines Messwertes auf.
-
Das Sensorsystem 1 besitzt zwei verschiedene Betriebsmodi. In einem ersten Betriebsmodus erfasst das Sensorsystem 1 die Messwerte des Füllstands. In einem zweiten Betriebsmodus befindet sich das Sensorsystem 1 in einem Bereitschaftsmodus. Im Bereitschaftsmodus werden keine Messwerte erhoben, es werden lediglich bestimmte Bauteile des Sensorsystems, beispielsweise der Arbeitsspeicher 14 und/oder der Mikrocontroller 12, welcher in einem Sleep-Mode betrieben wird, mit elektrischer Energie versorgt. Der Energiebedarf des zweiten Betriebsmodus liegt daher weit unterhalb des Energiebedarfs des ersten Betriebsmodus.
-
Die Energieversorgung des Sensorsystems 1 erfolgt mittels einer Energieversorgungseinheit 11. Diese besteht aus einem Solarmodul 112 und einem Energiespeicher 111 in Form eines Akkumulators. Die von dem Solarmodul 112 aufgenommene Sonnenstrahlung wird in elektrische Energie umgewandelt, welche in dem Energiespeicher gespeichert wird.
-
Da die gespeicherte Energiemenge des Energiespeichers begrenzt ist, besteht die Gefahr bei geringer oder komplett ausbleibender Sonnenstrahlung, bedingt durch Wolken oder dem Tageszyklus, dass der Energiespeicher über eine zu geringe Energie verfügt, um das Sensorsystem 1 bis zur nächsten Regeneration des Energiespeichers betreiben zu können.
-
Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, erstellt das Sensorsystem 1 in regelmäßigen Zeitabständen einen Ablaufplan 2. Der Ablaufplan 2 bestimmt die Abfolge und die Zeitdauer der beiden Betriebsmodi.
-
Zum Erstellen des Ablaufplans 2 verbindet sich das Sensorsystem 1 mit einem Server 5. Hierfür ist das Sensorsystem über eine Kommunikationsschnittstelle 16 mit einem Kommunikationsnetzwerk 4, dem Internet, verbunden. Bei dem Server 5 handelt es sich um einen Server einer Wetterstation, auf welchem sich Wetterdaten 51 für die nachfolgenden Tage befinden. Das Sensorsystem 1 ruft nach Angabe seiner Position, beispielsweise mittels eines im Sensorsystem enthaltenen GPS-Sensors, die Prognosedaten 3 von der Server 5 ab. Bei den Prognosedaten handelt es sich um die zu erwartenden Sonnenstunden für den Standort des Sensorsystems 1, umfassend den Zeitpunkt und die Zeitdauer sowie die Intensität der zu erwartenden Sonnenstrahlung.
-
Aus diesen Prognosedaten 3 berechnet und erstellt der Mikrocontroller 12 unter Einbeziehung der aktuellen Energiemenge des Energiespeichers 111 den Ablaufplan 2. Dieser wird derart berechnet, dass das Sensorsystem 1 bis zum nächsten Eintreffen von Sonnenstrahlung, und daraus resultierend dem Aufladen des Energiespeichers 111, jederzeit über eine definierte Mindestmenge an Energie verfügt, welche zumindest zum Ausführen des zweiten Betriebsmodus ausreicht. Es kann hierbei festgelegt werden, den Ablaufplan 2 derart zu erstellen, dass das Sensorsystem 1 eine definierte Mindestrate an Messwerten generieren soll. Kann dies nicht erreicht werden, aufgrund eines zu langen Zeitraums ohne Regeneration des Energiespeichers, so wird die Messwertrate so lange sukzessive verringert, bis die Energiemenge zum Erreichen der nächsten Regenerationsphase ausreicht.
-
Da es sich bei Wetterdaten 51 mitunter um schnellveränderliche Daten handelt ist vorgesehen, den Ablaufplan 2 in regelmäßigen Zeitabständen zu aktualisieren, um auf kurzfristige Änderungen reagieren zu können. Neben den Sonnenstunden könnten weitere Informationen der Wetterdaten 51 genutzt werden. Beispielsweise könnte die Energieversorgungseinheit (zusätzlich) einen Windgenerator aufweisen, um mittels Windkraft zusätzliche elektrische Energie zu generieren. Aus den Wetterdaten könnte somit als Prognosedaten die zu erwartende Windstärke am Standort des Sensorsystems ausgelesen werden.
-
Der Ablaufplan 2 wird auf dem permanenten Speicher 13 des Sensorsystems gespeichert, so dass er beispielweise nach einem unerwarteten Ausschalten des Sensorsystems 1 nach dem Neustart weiter verwendet werden kann. Zum Betreiben des Sensorsystems 1 wird der Ablaufplan 2 in den Arbeitsspeicher 14 des Sensorsystems geladen.
-
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Energieversorgungseinheit 11 des Sensorsystems besteht in diesem Fall aus einem Generator 113 und einem Brennstofftank 111 als Energiespeicher.
-
Auch in diesem Fall ruft das Sensorsystem 1 Prognosedaten 3 von einem Server 5 ab. Bei den Prognosedaten handelt es sich in diesem Fall beispielsweise um einen Lieferplan 52. Der Lieferplan enthält die Zeitpunkte, an denen eine bestimmte Nachschubmenge an Brennstoff geliefert wird und der Brennstofftank 111 mit der gelieferten Menge an Brennstoff aufgefüllt wird. Bei dem Server 5 handelt es sich beispielsweise um einen Server des Brennstofflieferanten oder um den Logistikserver des Anlagenbetreibers. Alternativ können die Lieferzeitpunkte und die Rohstoffmenge, welche im Lieferplan enthalten sind, auch manuell im Sensorsystem 1 eingegeben werden.
-
Bei dem Generator 113 kann es sich beispielsweise um einen Generator handeln, welcher einen organischen Brennstoff, insbesondere Benzin, Öl oder Diesel, benötigt. Alternativ handelt es sich um eine Brennstoffzelle, welche den Brennstoff unter Zuhilfenahme eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, und wobei es sich bei dem Brennstoff um Wasserstoff, Methanol, Methan, Ameisensäure oder Magnesium handelt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sensorsystem
- 11
- Energieversorgungseinheit
- 111
- Energiespeicher
- 112
- Solarmodul
- 113
- Generator
- 12
- Mikrocontroller
- 13
- permanenter Speicher
- 14
- Arbeitsspeicher
- 15
- Messumformer
- 16
- Kommunikationsschnittstelle
- 2
- Ablaufplan
- 3
- Prognosedaten
- 4
- Kommunikationsnetzwerk
- 5
- Server
- 51
- Wetterdaten
- 52
- Lieferplan
