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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Kalibrierzyklen für ein Feldgerät in einer Anlage der Prozessautomatisierung, wobei in der Anlage eine Vielzahl von Feldgeräten vorgesehen ist, wobei jedes der Feldgeräte zumindest eine Sensoreinheit aufweist, welche zum Erheben von zumindest einer Prozessgröße ausgestaltet ist, wobei die Feldgeräte in einem ersten Kommunikationsnetzwerk eingebunden sind und mit einer übergeordneten Einheit kommunizieren, wobei die Feldgeräte die erhobenen Prozesswerte und weitere Daten, insbesondere Diagnosedaten, Parameterdaten und Statusinformationen über das Kommunikationsnetzwerk an die übergeordnete Einheit übermitteln, wobei die übergeordnete Einheit die die erhobenen Prozesswerte und die weiteren Daten an eine Leitstelle der Anlage übermittelt.
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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 Sensoreinheiten. 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.
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In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Kommunikationsnetzwerke wie beispielsweise Feldbusse (Profibus®, Foundation® Fieldbus, HART®, etc.) mit übergeordneten Einheiten verbunden. Bei den übergeordneten Einheiten handelt es sich um Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder einen PLC (Programmable Logic Controller). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten, insbesondere von den Sensoreinheiten, erfassten Messwerte werden über das jeweilige Bussystem an eine (oder gegebenenfalls mehrere) übergeordnete Einheit(en) übermittelt, die die Messwerte gegebenenfalls weiterverarbeiten und an den Leitstand der Anlage weiterleiten. Der Leitstand dient zur Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung und Prozessteuerung über die übergeordneten Einheiten. Daneben ist auch eine Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte erforderlich, insbesondere zur Konfiguration und Parametrierung von Feldgeräten sowie zur Ansteuerung von Aktoren.
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Um zu gewährleisten, dass die von den Sensoreinheiten der Feldgeräte erhobenen Messwerte dem tatsächlichen Wert entsprechen, werden die Feldgeräte, bzw. deren Sensoreinheiten bei der Inbetriebnahme kalibriert. Hierbei wird die Sensoreinheit derart eingestellt, dass deren Messwerte den Messwerten eines geeichten Referenzgeräts entsprechen.
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Während des Betriebs eines Feldgeräts erfolgen Kalibrierzyklen in definierter zeitlicher Folge (sogenannte Kalibrierzyklen), unabhängig vom Zustand der Sensoreinheit. Das führt zum einen dazu, dass eine Kalibrierung auch dann durchgeführt wird, wenn diese nicht notwendig ist. Auch das Gegenteil kann der Fall sein: Eine Kalibrierung ist eigentlich benötigt, aber noch nicht vorgesehen/geplant. Zum anderen muss unter Umständen zu Zwecken der Kalibrierung der Prozess gestoppt werden, was hohe Kosten verursachen kann.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzustellen, welches es erlaubt, Kalibrierzyklen eines Feldgeräts dynamisch anzupassen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ermitteln von Kalibrierzyklen für ein Feldgerät in einer Anlage der Prozessautomatisierung gelöst, wobei in der Anlage eine Vielzahl von Feldgeräten vorgesehen ist, wobei jedes der Feldgeräte zumindest eine Sensoreinheit aufweist, welche zum Erheben von zumindest einer Prozessgröße ausgestaltet ist, wobei die Feldgeräte in einem ersten Kommunikationsnetzwerk eingebunden sind und mit einer übergeordneten Einheit kommunizieren, wobei die Feldgeräte die erhobenen Prozesswerte und weitere Daten, insbesondere Diagnosedaten, Parameterdaten und Statusinformationen über das Kommunikationsnetzwerk an die übergeordnete Einheit übermitteln, wobei die übergeordnete Einheit die erhobenen Prozesswerte und die weiteren Daten an eine Leitstelle der Anlage übermittelt, umfassend:
- - Übermitteln der Prozesswerte und der weiteren Daten der Feldgeräte an eine, insbesondere cloudbasierte, Serviceplattform mittels der übergeordneten Einheit;
- - Erstellen von Historiendaten auf Basis der übermittelten Prozesswerte und der weiteren Daten für jedes der Feldgeräte;
- - Etablieren eines Vergleichssystems auf Basis der Historiendaten, wobei die Serviceplattform, bzw. eine auf der Serviceplattform ablaufende Applikation, im Zuge des Etablierens des Vergleichssystems ermittelt, welche erste Prozessgröße einer ersten Sensoreinheit für eine zweite Prozessgröße einer zweiten Sensoreinheit als Vergleichsgröße fungieren kann;
- - Erfassen der ersten Prozessgröße und der zweiten Prozessgröße, ständig oder zu festgelegten Zeitpunkten;
- - Vergleichen der ersten Prozessgröße mit der zweiten Prozessgröße und Ermitteln einer Abweichung der zweiten Prozessgröße von der ersten Prozessgröße; und
- - Erstellen einer Wartungsnotifikation im Falle, dass die zweite Prozessgröße um einen vorbestimmten Maximalwert von der ersten Prozessgröße abweicht.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass für das Kalibrieren eines Feldgeräts, bzw. einer Sensoreinheit des Feldgeräts, keine starren vorgegebenen Kalibrierzeitpunkte verwendet werden müssen. Das Feldgerät, bzw. dessen Sensoreinheit wird dann kalibriert, wenn eine Kalibrierung tatsächlich notwendig ist. Zur Ermittlung der Notwendigkeit wird der Sensoreinheit eine weitere Sensoreinheit zugeordnet, welche idealerweise dieselbe Prozessgröße, oder eine vergleichbare Prozessgröße erhebt. Zur Auswahl der geeigneten Vergleichsgröße werden die erhobenen Werte der Prozessgrößen miteinander verglichen. Stimmen diese mit einer vorbestimmten Genauigkeit mit der ersten Prozessgröße überein, so kommt eine Prozessgröße potentiell als Vergleichsgröße in Frage. Es ist vorgesehen, dass diejenige Prozessgröße ausgewählt wird, welche die höchste Genauigkeit im Bezug zur ersten Prozessgröße aufweist.
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Im Falle, dass die Werte der beiden Sensoreinheiten über die Zeit gesehen um einen vorbestimmten Wert, insbesondere einen Differenzwert, voneinander abweichen, wird ein Kalibrierauftrag, bzw. eine Wartungsnotifikation erstellt.
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Im Falle, dass die erste und die zweite Prozessgröße einen konstanten systematischen Offset aufweichen, kann dieser direkt korrigiert werden, so dass die Wartungsnotifikation nur aufgrund einer detektierten zeitveränderlichen Abweichung der beiden Prozessgrößen detektiert wird.
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Beispiele für Feldgeräte und deren Sensoreinheiten, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt werden, sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft beschrieben worden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Zuge des Etablierens des Vergleichssystems weitere Eigenschaften eines Feldgeräts, bzw. eines Sensorsystems des Feldgeräts, an die übergeordnete Einheit übermittelt und verglichen werden. Die Genauigkeit der Eignung der Vergleichsgröße wird dadurch erhöht, da nicht nur die reinen Prozessmesswerte der eigentlichen Prozessgröße mit potentiellen Vergleichsgrößen verglichen werden, sondern weitere Metadaten miteinbezogen werden. Diese weiteren Daten werden in die Berechnung der Genauigkeit einer potentiellen Vergleichsgröße miteinbezogen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die weiteren Eigenschaften Informationen bezüglich der geografischen Lage des Feldgeräts beinhalten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass weiteren Eigenschaften Informationen bezüglich der Messstelle, in welche das Feldgerät eingebaut ist, und/oder der Funktion des Feldgeräts in der Messstelle beinhalten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die weiteren Eigenschaften von den Feldgeräten oder von der Serviceplattform an die übergeordnete Einheit übermittelt werden. Beispielsweise können diese Informationen von den Feldgeräten selbst erhoben werden, beispielsweise die Informationen bezüglich der Lage der Feldgeräte. Ein Bediener kann die weiteren Informationen auf der Serviceplattform beispielsweise eingeben oder seine eigenen Datenbanken auf der Serviceplattform einlesen lassen. Zum Erfassen ihrer Informationen bezüglich der Ortsposition weisen Feldgeräte beispielsweise GPS-Sensoren, oder GSM-Module auf, mittels welchen die Informationen erhoben werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Zuge des Etablierens des Vergleichssystems Historiendaten, Lageinformationen und/oder Informationen bezüglich einer Messstelle von Feldgeräten herangezogen werden, welche sich in zu der Anlage verschiedenen, weiteren Anlagen befinden. Hierdurch kann auf das Wissen weiterer Messstellen zugegriffen werden und die Qualität der Vergleichsgröße weiter erhöht werden. Diese weiteren Informationen befinden sich ebenfalls auf der Serviceplattform oder auf weiteren Plattformen, welche Schnittstellen zum Datenaustausch mit der Serviceplattform aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Serviceplattform, bzw. die auf der Serviceplattform ablaufende Applikation den Typ der ersten und der zweiten physikalischen Messgröße und das physikalische Messprinzip der ersten und der zweiten Sensoreinheit überprüft.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Prozessgröße nur dann als Vergleichsgröße für die zweite Prozessgröße eingesetzt wird, wenn die erste und die zweite physikalische Messgröße vom selben Typ sind und wenn die erste und die zweite Sensoreinheit ein unterschiedliches physikalisches Messprinzip aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Serviceplattform, bzw. die auf der Serviceplattform ablaufende Applikation, einen Kl-Algorithmus, insbesondere basierend auf neuronalen Netzwerken, verwendet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Serviceplattform, bzw. die auf der Serviceplattform ablaufende Applikation, im Zuge des Etablierens des Vergleichssystems auf Basis der Historiendaten den vorbestimmten Maximalwert der Abweichung der zweiten Prozessgröße von der ersten Prozessgröße bestimmt. Beispielsweise können in den Historiendaten kurzzeitige Abweichungen der beiden Prozessgrößen zueinander ersichtlich sein. Der Maximalwert sollte daher derart gewählt werden, dass solche kurzzeitigen Abweichungen nicht zum Erstellen einer Wartungsnotifikation führen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass als Kommunikationsnetzwerk ein drahtgebundenes, insbesondere ein Ethernetbasiertes, Kommunikationsnetzwerk verwendet wird. Es kann sich hierbei auch um einen Feldbus der Automatisierungstechnik handeln, beispielsweise basierend auf einem der Protokolle HART, Profibus PA/DP, Foundation Fieldbus, etc. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Kommunikationsnetzwerk aus mehreren Teilsegmenten besteht, welche unter Umständen auf unterschiedlichen Protokollen basieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass als Kommunikationsnetzwerk ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk verwendet wird. Insbesondere basiert dieses auf dem WLAN-, bzw. WiFi-Standard. Alternativ kann jeder weitere gebräuchliche Drahtlosstandard verwendet werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1: ein schematischer Überblick über eine Anlage der Prozessautomatisierung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist; und
- 2: ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 sind Teile einer Anlage A der Automatisierungstechnik abgebildet. Konkret handelt es sich um zwei Messstellen MS1, MS2. Diese bestehen jeweils aus einem Tank und einer von dem Tank abführenden Rohrleitung. Zur Messung des Füllstands des Tanks als Prozessgröße ist jeweils ein Feldgerät FG1, FG4, beispielsweise ein Füllstandsmessgerät mittels eines Radars als Sensoreinheit SE1, SE4, am Tank angebracht. Zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit in der Rohrleitung ist jeweils ein Feldgerät FG3, FG5 angebracht, dessen Sensoreinheit SE3, SE5 die Durchflussgeschwindigkeit eines die Rohrleitung durchströmenden Mediums als primäre Prozessgröße nach dem Coriolisprinzip bestimmt. Jedes der Feldgeräte F3, F5 verfügt des Weiteren über einen Temperatursensor SE3', SE5' als weitere Sensoreinheit, welche die Temperatur des die Rohrleitung durchströmenden Mediums als sekundäre Prozessgröße erfasst. Des Weiteren ist in der Messstelle MS1 ein weiteres Feldgerät FG2 angebracht, welches die Temperatur des die Rohrleitung durchströmenden Messmediums mittels eines hochpräzisen Temperatursensors SE2 als Sensoreinheit bestimmt.
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Die Feldgeräte FG1, ..., FG5 sind untereinander mittels eines ersten Kommunikationsnetzwerks KN1 verbunden und stehen miteinander in Kommunikationsverbindung. Bei dem ersten Kommunikationsnetzwerk KN1 handelt es sich insbesondere um ein Ethernet-Netzwerk. Alternativ handelt es sich bei dem ersten Kommunikationsnetzwerk KN1 um einen Feldbus nach einem der bekannten Feldbusstandards, beispielsweise Profibus, Foundation Fieldbus oder HART.
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Das erste Kommunikationsnetzwerk KN1 beinhaltet eine übergeordnete Einheit SPS, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, welche Befehle an die Feldgeräte FG1, ..., FG5 übermittelt, woraufhin die Feldgeräte FG1, ..., FG5 Prozesswerte, Diagnosedaten und Statusinformationen an die übergeordnete Einheit SPS übermitteln. Diese Prozesswerte, Diagnosedaten und Statusinformationen werden von der übergeordneten Einheit SPS an einen Workstation-PC in der Leitstelle LS der Anlage A weitergeleitet. Dieser dient unter anderem zur Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung und zum Engineering wie zum Bedienen und Überwachen der Feldgeräten FG1, ..., FG5.
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Des Weiteren beinhaltet das erste Kommunikationsnetzwerk KN1 ein Gateway GW, welches die von den Feldgeräten FG1, ..., FG5 an die übergeordnete Einheit SPS übermittelten Prozesswerte, Diagnosedaten und Statusinformationen mithört und über das Internet einer auf einer Cloud gelagerten Serviceplattform SP zur Verfügung stellt. Die Serviceplattform SP ist dazu ausgestaltet, Applikationen auszuführen. Beispielsweise handelt es sich bei einer solchen Applikation um ein Plant Asset Management-System, welches dem Verwalten der Assets, also dem Inventarbestand, der Anlage A dient.
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Im Folgenden ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben: Um auf möglichst schnelle Art und Weise die Notwendigkeit einer Rekalibrierung eines der Feldgeräte FG1, ..., FG5 zu detektieren, wird ein sogenanntes Vergleichssystem VS etabliert. Das Vergleichssystem VS dient dem Zweck, zu definieren, welche Prozessgröße eines Feldgeräts FG1, ..., FG5, bzw. einer Sensoreinheit SE1, ..., SE5', sich ähnlich zu einer Prozessgröße eines weiteren Feldgeräts FG1, ..., FG5, bzw. einer weiteren Sensoreinheit SE1, ..., SE5', verhält und somit als Vergleichs- oder Referenzgröße fungieren kann.
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Zu diesem Zweck werden die an die Serviceplattform SP übermittelten Informationen der Feldgeräte FG1, ..., FG5 analysiert. Auf Basis der Prozesswerte der einzelnen Feldgeräte FG1, ..., FG5, bzw. deren Sensoreinheiten SE1, ..., SE5', werden Historiendaten für jedes der Feldgeräte FG1, ..., FG5, bzw. jede der Sensoreinheiten SE1, ..., SE5' erstellt. Die Historiendaten bilden den zeitlichen Verlauf der Prozesswerte ab.
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Im Anschluss werden die Historiendaten der einzelnen Feldgeräte FG1, ..., FG5, bzw. deren Sensoreinheiten SE1, ..., SE5' miteinander verglichen und Übereinstimmungen gesucht. Stimmen Historiendaten mit einer vorbestimmten Genauigkeit mit der ersten Prozessgröße überein, so kommt eine Prozessgröße potentiell als Vergleichsgröße in Frage. Zusätzlich kann geprüft und für die Bewertung berücksichtigt werden, ob die Feldgeräte FG1, ..., FG5 welche die vergleichenden Prozessgrößen zur Verfügung stellen, geographisch nahe beieinander angeordnet sind, ob die Applikation der Prozessgrößen ähnlich ist, sowie ob die physikalischen Messprinzipien voneinander abweichen. Für die Erstellung des Vergleichssystem VS läuft auf der Serviceplattform SP eine Anwendungsapplikation ab, welche Kl-Algorithmen verwendet.
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2 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Vergleichssystem VS ist definiert, dass die Prozessgröße P2 des Temperatursensors SE3' des Feldgeräts FG3 als Vergleichsgröße der Prozessgröße P1 des Temperatursensors SE2 des Feldgeräts FG2 fungieren kann. Bei der Analyse der Historienwerte beider Prozessgrößen P1, P2 stellte sich heraus, dass sich der historische Verlauf beider Prozessgrößen in einem hohen Maße gleicht. Zudem sind beide Sensoreinheiten SE2, SE3' nahe zueinander angeordnet und messen beide die Temperatur des durch die Rohrleitung strömenden Messmediums. Vorteilhaft ist weiterhin, dass beide Sensoreinheiten SE2, SE3' ein verschiedenes physikalisches Messprinzip nutzen. Sensoreinheit SE2 nutzt einen Kaltleiter (PTC-Widerstand), während Sensoreinheit SE3' einen Heißleiter (NTC-Widerstand) nutzt. Ein langsamer Drift über die Zeit, welcher durch das Messprinzip verursacht sein könnte, würde detektiert werden können, was nicht möglich wäre, würden beide Sensoreinheiten SE2, SE3' dasselbe physikalische Messprinzip nutzen.
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In 2 ist der zeitliche Verlauf der Prozessgrößen P1 und P2 ab Etablierung des Vergleichssystems VS aufgezeichnet. Die Abszisse zeigt die verstrichene Zeit t; die Ordinate zeigt den Wert der Prozessgrößen P1 und P1 als Temperatur T, beispielsweise in Kelvin. Bis zu dem Zeitpunkt t1 verhalten sich beide Prozessgrößen P1 und P2 sehr ähnlich und weisen nur einen kleinen systematischen Offset auf. Ab dem Zeitpunkt t1 wird der Abstand zwischen beiden Prozessgrößen P1, P2 kontinuierlich größer, beispielsweise bedingt durch einen Langzeitdrift der Sensoreinheit SE3'. Sobald der Abstand der Prozessgrößen P1, P2 zueinander einen vorbestimmten Abstand ΔT erreicht, bzw. diesen überschreitet, wird eine Wartungsnotifikation WN erstellt und an die Leitstelle LS der Anlage A übermittelt. Auf diese Weise wird eine Überprüfung beider Sensoreinheiten SE2, SE3' und eine eventuelle Rekalibrierung zumindest einer der beiden Sensoreinheiten SE2, SE3' veranlasst.
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Der Vergleich der Prozessgrößen P1, P2 kann von verschiedenen Komponenten der Anlage A durchgeführt werden. Beispielsweise kann diese Funktion von der übergeordneten Einheit SPS, von dem Gateway GW, von der Serviceplattform SP oder direkt in der Leitstelle LS ausgeführt werden. Die entsprechenden Komponenten benötigen hierfür Kenntnis über das Vergleichssystem VS, welches die Serviceplattform SP zur Verfügung stellen kann.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Vergleichssystem VS von dem Gateway GW erstellt wird. In diesem Fall benötigt das Gateway GW die entsprechenden Funktionalitäten, welche das Erstellen des Vergleichssystems VS ermöglichen. Außerdem muss das Gateway GW auf die Historiendaten aller Feldgeräte FG1, ..., FG5 auf der Serviceplattform SP zugreifen können.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Anlage der Automatisierungstechnik
- FG1, FG2, FG3, FG4, FG5
- Feldgerät
- GW
- übergeordnete Einheit, Gateway
- KN
- Kommunikationsnetzwerk
- LS
- Leitstelle der Anlage
- MS1, MS2
- Messstelle
- P1
- erste Prozessgröße
- P2
- zweite Prozessgröße
- SE1, SE2, SE3, SE3', SE4, SE5, SE5'
- Sensoreinheit
- SP
- Serviceplattform
- SPS
- übergeordnete Einheit, Steuerung
- ΔT
- vorbestimmter Maximalwert der Abweichung
- VS
- Vergleichssystem
- WN
- Wartungsnotifikation
