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Die Erfindung betrifft ein intelligentes Kabel zum Fernbedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik und ein System zum Fernbedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, bei dem das intelligente Kabel eingesetzt wird.
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In Automatisierungsanlagen, insbesondere in Prozess- und Fabrikautomatisierungsanlagen, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen eines gasförmigen, flüssigen oder festen Mediums werden Sensoren verwendet, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, Feuchtemessgeräte, Spektrometer, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit, Feuchte, chemische Zusammensetzung des Mediums erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Heizsysteme, die ein Medium auf eine definierte Temperatur aufheizen. Als Feldgeräte werden im Zusammenhang mit der Erfindung im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten
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Nachfolgend wird als Anwendungsbereich die Feuchte- oder Leitfähigkeitsmessung von Medien beispielhaft herangezogen. Zur Feuchte- und/oder Leitfähigkeitsmessung sind planare Feuchtesensoren mit mehreren Messleitungen bekannt geworden. Bei planaren Feuchtesensoren werden entweder Mikrowellen eingesetzt, oder planare Feuchtesensoren arbeiten auf der Basis des kapazitiven Messprinzips. Bei den bekannten planaren Sensoren kommt das zu vermessende Medium unmittelbar mit dem sensitiven Element in Kontakt.
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Ein Verfahren ebenso wie eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte eines Produkts/Mediums über ein TDR-Verfahren, also die Laufzeit von hochfrequenten Messsignalen, ist aus der
EP 0 478 815 A1 bekannt geworden. Bei dem bekannten Verfahren wird mittels eines Messsignalgebers ein rechteckförmiges Signal auf eine Messleitung gegeben. Die Pulsdauer des Signals ist hierbei doppelt so groß gewählt wie die Laufzeit des Signals auf der Messleitung. Das Signal wird auf der Messleitung bzw. am Ende der Messleitung reflektiert. Am Eingang der Messleitung beziehungsweise am Ausgang des Messsignalgebers bildet sich daher durch die Überlagerung der Amplituden des auf die Messleitung eingespeisten Messsignals und des auf oder am Ende der Messleitung reflektierten Messsignals das Summensignal. Die Messleitung ist hierbei bevorzugt als Sonde ausgebildet.
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Beim TDR-Verfahren muss gewährleistet sein, dass ein elektrischer Impuls sich entlang der Messleitung/Sonde ausbreiten kann und am Ende der Messleitung/Sonde reflektiert wird. Über die Laufzeit des Impulses wird die Feuchte des Mediums ermittelt. Bei der bekannten Lösung läuft der Impuls, ausgelöst von der Signalverarbeitungseinheit über ein Kabel zur ersten Messleitung, vom Ende der ersten Messleitung zum Anfang der zweiten Messleitung, wird am Ende der zweiten Messleitung reflektiert und läuft wieder zurück zur Signalverarbeitungseinheit. Die Laufzeit des Impulses wird als Feuchtewert verrechnet und über Standard-Analogsignale, die z.B. auf dem 0-20mA- oder dem 4-20mA- Standard beruhen, ausgegeben. Parallel kann die Feuchte aber auch über eine digitale Schnittstelle, wie z.B. eine RS 485, ausgegeben werden.
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Aus der
DE 20 2013 102 514 U1 ist ein TDR-Füllstandsmessgerät zur Bestimmung des Füllstands eines Füllmediums in einem Behälter bekannt geworden. Dieses Füllstandsmessgerät ist so ausgestaltet, dass es neben der Füllstandsinformation auch Information über die Feuchtigkeit des Füllmediums liefert. Die Bestimmung beider Prozessgrößen erfolgt anhand der Echokurve des Messsignals, wobei die Echokurve die Amplitude des Messsignals, aufgetragen über die Laufzeit bzw. über den Laufweg wiedergibt.
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Unter der Bezeichnung Trime-GW ist eine stabförmige TDR-Messsonde der Anmelderin zur Bestimmung der Feuchte bzw. Leitfähigkeit von insbesondere grobkörnigen Produkten, wie Getreide, Maiskolben, Holzhackschnitzel, ölhaltige Früchte, usw., die in einem Behälter gelagert sind, bekannt geworden. Die aus elektrisch leitfähigem Material gefertigte, stabförmige TDR-Messsonde ist über Halterungen aus Glasfasern an der Innenwandung des Behälters befestigt. Sie ist so angeordnet und ausgerichtet, dass sie während des Messbetriebs mit dem zu messenden Medium in Kontakt ist.
Die Signalverarbeitungseinheit, die die hochfrequenten Messsignale erzeugt und anhand der gemessenen Daten die Feuchte bzw. die Leitfähigkeit bestimmt, ist außerhalb des Behälters angeordnet. Die Messsignale werden über ein flexibles Kabel zwischen der Signalverarbeitungseinheit und einem der beiden Endbereiche der stabförmigen Messsonde auf die Messsonde eingespeist.
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Eine Anwendung einer TDR-Messsonde bzw. einer Vielzahl von TDR-Messsonden zur Bestimmung der Feuchte von porösen Agrarprodukten ist in der
US 6,747,461 b1 beschrieben. Bei dieser Anwendung wird die von den verstreut im Behälter angeordneten TDR-Messsonden gelieferte Information dazu genutzt, ein Trocknersystem so zu steuern, dass der Trocknungsprozess der Agrarprodukte in dem Behälter optimal abläuft.
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Bei den zuvor genannten Messgeräten sind das sensitive Element bzw. der Sensor üblicherweise von der Messelektronik abgesetzt. Das sensitive Element ist in Kontakt mit dem Medium, während die Messelektronik auf zumindest einer Platine in einem bevorzugt außerhalb des Behälters angeordneten Gehäuse angeordnet ist. Die Messelektronik ist über ein Verbindungskabel, z.B. ein 12-adriges Kabel, mit einer entfernt angeordneten übergeordneten Steuereinheit verbunden. Über das Kabel erfolgt der Datenaustausch zwischen der Messelektronik und der übergeordneten Steuereinheit. Messdaten werden über ein Bussignal und z.B. ein 4-20mA Stromsignal zur übergeordneten Steuereinheit übertragen. Auch wird das Messgerät über das Kabel mit Energie versorgt. Mittels der übergeordneten Steuereinheit wird die Messelektronik über das Kabel parametriert und/oder der Sensor eingestellt. Unter Einstellung des Sensors ist im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere die Einstellung des Messbereichs gemeint, z.B. entspricht bei einem 4-20mA Feuchte-Messgerät 4mA einer Feuchte von 0% und 20mA einer Feuchte von 100%. Weiterhin kann z.B. das Parametrieren gemeint sein oder das Aktivieren oder Deaktivieren von Algorithmen zur Messdatenglättung. Allgemein gesprochen wird die Software des Sensors korrekt auf die jeweilige Anwendung eingestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät bzw. ein System mit mehreren Feldgeräten so auszugestalten, dass das Feldgerät bzw. die Feldgeräte über ein tragbares Bedientool bedienbar ist / sind.
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Die Aufgabe wird bezüglich des intelligenten Kabels zum Fernbedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, das eine physikalische oder chemische Prozessgröße eines Mediums bestimmt oder überwacht, folgendermaßen gelöst: Das intelligente Kabel hat eine erste Schnittstelle zum Verbinden mit dem Feldgerät und eine zweite Schnittstelle zum Verbinden mit einer übergeordneten Steuereinheit. In das intelligente Kabel sind eine Elektronikkomponente und eine Funkschnittstelle integriert. Die Elektronikkomponente ist so ausgestaltet, dass sie Daten mithört, die zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Steuereinheit ausgetauscht werden und auf entsprechende Anfrage über die Funkschnittstelle die mitgehörten Daten zumindest teilweise einem Bedientool, bevorzugt einem tragbaren Bedientool, zur Verfügung stellt, oder dass das Feldgerät über die Funkschnittstelle von dem Bedientool bedienbar ist.
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Was unter dem Begriff „Feldgeräte“ in Verbindung mit der Erfindung zu verstehen ist, wurde bereits an vorhergehender Stelle beschrieben. Unter dem Begriff ‚Bedienen von Feldgeräten‘ wird im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere das Konfigurieren und Parametrieren von Feldgeräten, aber auch die Diagnose und Wartung zwecks frühzeitiger Erkennung von Fehlern an den Feldgeräten oder im Prozess verstanden. Im weitesten Sinn umfasst der Begriff „Bedienen von Feldgeräten“ auch die Anzeige von Information, z.B. die Anzeige von Mess- oder Statusdaten.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Feldgerät um ein herkömmliches, von der übergeordneten Steuereinheit bedienbares Feldgerät. Durch Einfügen des intelligenten Kabels wird das herkömmliche Feldgerät in ein fernbedienbares Feldgerät umgerüstet bzw. nachgerüstet, so dass es über das Bedientool und die entsprechende App per Funk bedienbar ist.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Feldgerät um ein Feuchtemessgerät und/oder ein Messgerät zur Messung der Leitfähigkeit, das die Feuchte bzw. die Leitfähigkeit eines Mediums bestimmt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung arbeitet das Feuchte- oder Leitfähigkeitsmessgerät auf der Basis eines TDR-Laufzeitverfahrens. Bei dem Medium kann es sich um beliebige Fluide, ebenso wie um Feststoffe, z.B. Getreide, Getreidekolben oder Holzhackschnitzel, aber auch um Beton handeln.
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Bei der übergeordneten Steuereinheit handelt es sich bevorzugt um ein Leitsystem oder eine SPS, also eine Speicherprogrammierbare Steuerung.
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Auch bei dem Kabel kann es sich um ein herkömmliches, handelsübliches Kabel handeln, das zumindest eine Datenleitung und eine Energieversorgungsleitung aufweist. Die in das Kabel integrierte Elektronikkomponente ist so ausgestaltet ist, dass Daten von dem Feldgerät zur übergeordneten Steuereinheit oder von der übergeordneten Steuereinheit zum Feldgerät unverändert weitergeleitet werden. Die Daten werden „durchgeschleift“.
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Die Aufgabe wird bezüglich des Systems zum Fernbedienen eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik, das eine physikalische oder chemische Prozessgröße eines Mediums bestimmt oder überwacht, folgendermaßen gelöst: Das Feldgerät ist über eine Verbindungsleitung mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden. Der Datenaustausch zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Steuereinheit und die Energieversorgung des Feldgeräts erfolgt über eine Verbindungsleitung. Hierbei wird das zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen beschriebene intelligente Kabel in die Verbindungsleitung eingefügt. Weiterhin ist ein Bedientool vorgesehen, welches über die Funkschnittstelle und eine entsprechende App auf der Verbindungsleitung kommunizierte Daten über die Elektronikkomponente abruft und/oder das Feldgerät bedient.
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Bei dem Feldgerät handelt es sich um ein herkömmliches, von der übergeordneten Steuereinheit bedienbares Feldgerät. Durch Einfügen des intelligenten Kabels wird das herkömmliche Feldgerät in ein fernbedienbares Feldgerät umrüstbar ist, wobei die Bedienung über das Bedientool und die entsprechende App per Funk erfolgt. Bei dem Bedientool handelt es sich bevorzugt um ein tragbares Bedientool, insbesondere um ein Handy, ein Pad oder einen Laptop. Das Bedientool ist bevorzugt Internet-fähig, so dass Messdaten, Parametrierdaten, Statusdaten oder anderweitige zu dem Feldgerät gehörige Daten in einer Cloud-fähigen Datenbank abgespeichert werden können.
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Im Zuge der Schlagworte „Industrial Internet of Things (IIoT)“ und „Industrie 4.0“ werden vermehrt Daten aus industriellen Anlagen auf sogenannten Cloud-fähigen Datenbanken gespeichert. Als Cloud-fähige Datenbank wird eine Datenbank verstanden, welche kompatibel zur Cloud-Computing-Technologie ist. Unter Cloud-Computing wird in diesem Fall das Speichern von Informationen und das Zugreifen auf die gespeicherten Informationen über das Internet verstanden
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Zum Zugriff auf eine solche Datenbank und zum Austausch der Daten werden sogenannte Schnittstellen zur Anwendungsprogrammierung (engl.: „Application Programm Interface“, kurz „API“) verwendet. Diese definieren die erlaubten Befehle und Zugriffsarten auf eine Datenbank. Vor dem Zugriff kann die API eine Authentifikation des Benutzers verlangen. Diese Authentifikation wird üblicherweise über einen Schlüssel (einen sogenannten „API key“) realisiert. Bevorzugt kommen diese Technologien in Verbindung mit der Erfindung zum Einsatz.
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Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen System erachtet, wenn eine Vielzahl von Feldgeräten in einer Automatisierungsanlage vorgesehen sind, die zumindest teilweise mit dem intelligenten Kabel nachgerüstet sind. Weiterhin ist zumindest ein Router vorgesehen, dem die auf den Verbindungsleitungen ausgetauschten Daten über die zugeordneten Funkschnittstellen übertragen werden oder über den die Feldgeräte mittels des Bedientools bedient werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die auf der Verbindungsleitung kommunizierten Daten von dem Bedientool oder von dem Router in eine Cloud-fähige Datenbank übertragen werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Daten von jedem beliebigen Standort jederzeit aufgerufen und ggf. weiterverarbeitet werden können.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Feldgeräts zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße,
- 2: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Feldgeräts, das erfindungsgemäß mit einem intelligenten Kabel aufgerüstet ist, und
- 3: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Feldgeräts 2. Bei dem Feldgerät 2 handelt es sich beispielsweise um ein Feuchte-Messgerät, das die Feuchte eines in einem Behälter 15 gelagerten Mediums 3 bestimmt oder überwacht.
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Das Feldgerät 2, z.B. der Feuchtesensor, ist über eine Verbindungsleitung 12 mit einer entfernt - üblicherweise außerhalb des Behälters 15 - angeordneten übergeordneten Steuereinheit 6 verbunden. Die Verbindungsleitung 12 dient zur Energieversorgung des Feldgeräts 2 und zur Datenkommunikation zwischen Feldgerät 2 und übergeordneter Steuereinheit 6. Die Verbindungsleitung weist üblicherweise eine erste Schnittstelle 4 zum Verbinden mit dem Feldgerät 2 und eine zweite Schnittstelle 5 zum Verbinden mit der übergeordneten Steuereinheit 6 auf. Die Schnittstellen 4, 5 sind z.B. über MIL Stecker realisiert.
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Die Messwerte, die die zu bestimmende Prozessgröße repräsentieren, werden bevorzugt über ein z.B. 4-20 mA Signal auf der Verbindungsleitung 12 eingestellt. Darüber hinausgehende Datenkommunikation, wie die Übertragung von Statusinformationen des Feldgeräts 2 oder die Übermittlung von Parametrierdaten zum Feldgerät 2, erfolgt über eines der in der Automatisierungstechnik üblicherweise verwendeten Busprotokolle, z.B. das HART Protokoll. Die Bedienung, also insbesondere die Parametrierung, des Feldgeräts 2 erfolgt ausschließlich von der übergeordnete Steuereinheit 6 her und erfordert die Anwesenheit eines Servicetechnikers vor Ort.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Feldgeräts 2, das erfindungsgemäß mit einem intelligenten Kabel 1 aufgerüstet ist. Das intelligente Kabel 1 weist zumindest eine Datenleitung 10 und eine Energieversorgungsleitung 11 auf. Weiterhin verfügt es über eine erste mechanische und elektrische Schnittstelle 4 zum Verbinden mit dem Feldgerät 2 und eine zweite mechanische und elektrische Schnittstelle 5 zum Verbinden mit der übergeordneten Steuereinheit 6.
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In das intelligente Kabel 1 sind eine Elektronikkomponente 7 und eine Funkschnittstelle 8 integriert. Bevorzugt sind Elektronikkomponente 7 und Funkschnittstelle 8 /Funkmodul in das Kabel eingegossen. Abgesehen von den genannten Zusatzfunktionen, erfüllt das intelligente Kabel 1 die volle Funktion eines Standardkabels, das zwischen Feldgerät 2 und übergeordneter Steuereinheit 6 angeordnet ist.
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Die Elektronikkomponente 7 ist so ausgestaltet, dass sie die zwischen dem Feldgerät 2 und der übergeordneten Steuereinheit 6 ausgetauschten Daten mithört; sie ist also mit einer Listener Funktion ausgestattet. Auf entsprechende Anfrage über die Funkschnittstelle 8 werden die mitgehörten Daten zumindest teilweise einem Bedientool 9 oder einer Cloud-fähigen Datenbank 14 zur Verfügung stellt. Weiterhin ist es möglich, das Feldgerät 2 von dem Bedientool 9 aus - wiederum mittels einer entsprechenden App - über die Funkschnittstelle 8 zu bedienen, insbesondere zu parametrieren. Bei dem tragbaren Bedientool 9 handelt es sich bevorzugt um ein Internet-fähiges Smartphone, ein Tablet oder einen Laptop mit einer Nahfeld-Funkschnittstelle. Die Funkschnittstelle 8 kann Teil der Elektronikkomponente 7 sein; es kann sich jedoch auch um ein separates handelsübliches Funkmodul handeln. Die Funkschnittstelle 8 bzw. das Funkmodul arbeitet beispielsweise gemäß dem Bluetooth-Standard, dem WiFi-Standard oder einem anderweitigen handelsübliches Funk-Standard. Sämtliche Funktionen zur Einstellung, insbesondere zum Parametrieren des Messgeräts bzw. Feldgeräts 2, können von dem Bedientool und über die App per Funk vorgenommen werden - ein kabelgebundenes Programmiergerät ist also nicht mehr erforderlich. Anstelle des kabelgebundenen Programmiergeräts tritt ein handelsübliches tragbares Bedientool 8, das mittels einer vom Messgeräte-Hersteller bereitgestellten App den Zugriff auf das Feldgerät 2 ermöglicht.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die App den Zugang zu einer Cloud-fähigen Datenbank 14 bereitstellt. Die Datenbank 14 wird beispielsweise von dem Feldgerätehersteller zur Verfügung gestellt. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es dem Kunden beispielsweise, Parametrierdaten der einzelnen Feldgeräte 2 zentral zu erstellen, in der Cloud-fähigen Datenbank 14 zu speichern und nachfolgend für Feldgeräte 2 zu verwenden, die in vergleichbaren Prozessen an anderweitigen Standorten installiert sind.
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Da das intelligente Kabel 12 infolge des Durchschleifens aller elektrischen Signale die volle Funktion eines Standardkabels erfüllt, ist die Nachrüstung eines jeden Feldgeräts 2 durch einfaches Austauschen des bisher verwendeten Standardkabels möglich.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems. Eine Vielzahl von Feldgeräten 2, die zumindest teilweise mit dem erfindungsgemäßen intelligenten Kabel 1 aufgerüstet sind, sind in einer Anlage der Automatisierungstechnik installiert. Beispielsweise handelt es sich bei den Feldgeräten 2 um Feuchtemessgeräte, die in Behältern / Tanks 15 installiert sind, in denen z.B. Getreide zum Trocknen eingelagert ist. Die bereits zuvor genannten Funkmodule 8 haben eine relativ kurze Reichweite; auch behindern in Automatisierungsanlagen Hindernisse die Ausbreitung von Funkwellen. Daher ist in der Anlage zumindest ein Router 13 vorgesehen, der die Daten der einzelnen Feldgeräte 2 sammelt und auf Anfrage von einem Bedientool 9 die gewünschten Daten zur Verfügung stellt, oder der die einzelnen Feldgeräte 2 bedienbar macht. Bevorzugt ist der Router 13 auch mit einer Internet-Schnittstelle ausgestattet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Intelligentes Kabel
- 2
- Feldgerät
- 3
- Medium
- 4
- erste Schnittstelle
- 5
- zweite Schnittstelle
- 6
- übergeordnete Steuereinheit
- 7
- Elektronikkomponente
- 8
- Funkmodul
- 9
- Bedientool
- 10
- Datenleitung
- 11
- Energieversorgungsleitung
- 12
- Verbindungsleitung
- 13
- Router
- 14
- Cloud-fähige Datenbank
- 15
- Behälter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0478815 A1 [0004]
- DE 202013102514 U1 [0006]
- US 6747461 b1 [0008]
