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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einer Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Feldgerätes.
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Aus dem Stand der Technik sind Feldgeräte zum Einsatz in der Prozessautomatisierung bekannt. Die Anmelderin vertreibt solche Feldgeräte bspw. zur Füllstand-Grenzstand- und Druckmessung. Aufgrund der Weiterentwicklung der zugrundeliegenden Messtechnik und gesunkener Herstellungskosten werden solche Feldgeräte auch für andere Anwendungsbereiche der Automatisierungstechnik interessant.
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Unter dem Begriff Automatisierungstechnik wird ein Teilgebiet der Technik verstanden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet, so kann das Teilgebiet der Prozessautomatisierung als niedrigster Grad der Automatisierung verstanden werden. Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu sind eine Vielzahl an Sensoren bekannt, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
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Ein anderes Teilgebiet der Automatisierungstechnik betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Bekannte Radarsysteme sind bislang nicht in der Lage, die Anforderungen hierbei zu erfüllen, weshalb im bekannten Stand der Technik unterschiedliche Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time off light, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
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Ein drittes Teilgebiet der Automatisierungstechnik betrifft die Fabrikautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar. Üblicherweise werden daher auch im Bereich der Fabrikautomation im großen Stil Sensoren auf Basis optischer Messverfahren eingesetzt.
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Sowohl im Bereich der Logistikautomation, als auch im Bereich der Fabrikautomation und der Sicherheitstechnik dominieren bislang optische Sensoren. Diese sind schnell und preisgünstig und können die Lage und/oder den Abstand zu einem Objekt aufgrund der relativ einfach fokussierbaren optischen Strahlung, welche der Messung zu Grunde liegt, zuverlässig ermitteln. Ein bedeutender Nachteil optischer Sensoren ist aber deren erhöhter Wartungsbedarf, da auch in den zuvor aufgezählten Bereichen nach einigen tausend Betriebsstunden ein Verschmutzen des Sensors zu beobachten ist, welche die Messung massiv beeinträchtigt. Zudem kann speziell beim Einsatz in Fertigungslinien die Messung durch Öldämpfe oder andere Aerosole mit Nebelbildung beeinträchtigt werden, und zu einer zusätzlichen Verschmutzung optischer Sensoren führen.
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In der Automatisierungstechnik hat der Anschluss einer Schirmung und/oder eines Erdungsanschlusses der Feldgeräte eine hohe Bedeutung in Hinblick auf Prozessstabilität und/oder Sicherheit. Durch fehlerhafte oder vergessene Schirmungsanschlüsse kann bspw. durch EMV-Störungen ein Prozess beeinflusst oder sogar unterbrochen werden. Ein vergessener Erdungsanschluss kann im Fehlerfall zu einem elektrischen Unfall führen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bekannte Feldgeräte so weiterzubilden, dass eine höhere Prozesssicherheit und/oder Unfallsicherheit erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Feldgeräts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Feldgerät mit einer Überwachungsvorrichtung für Erdung- und/oder Schirmanschlüsse, bei dem die Überwachungsvorrichtung mit einer Energieversorgung des Feldgeräts verbunden ist, und das eine Aktivierungsanordnung zur Aktivierung eines Überwachungstroms und wenigstens eine der Aktivierungsanordnung nachgeschaltet Vorrichtung zur Stromerfassung aufweist, ist die wenigstens eine Stromerfassungseinrichtung mit wenigstens einer zu erdenden und/oder zu schirmenden Komponente des Feldgeräts verbunden.
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Durch eine entsprechende Überwachungsvorrichtung wird es damit möglich, gezielt einen Überwachungsstrom auf die zu erdende und/oder zu schirmende Komponenten des Feldgeräts einzuspeisen und somit zu überprüfen, ob eine Erdung und/oder Schirmung zuverlässig erfolgt ist. Ist beispielsweise eine Erdung nicht oder nur unzureichend erfolgt, so kann der über die Überwachungsvorrichtung eingespeiste Überwachungsstrom nicht in Richtung Erde abfließen. Dies wird über die Stromerfassungseinrichtung, die zwischen Aktivierungssanordnung zur Einspeisung des Überwachungsstroms und die zu überwachende Komponente geschaltet ist, erkannt und kann entsprechend angezeigt werden.
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Die wenigstens eine Komponente kann insbesondere eine mit einem Schutzleiter/oder einem Erdungsleiter zu verbindende Komponente, insbesondere eine Messelektronik und/oder ein Gehäuse und/oder eine Befestigungsanordnung des Feldgerätes sein. Nachfolgend werden diese Komponenten auch als zu überwachende Komponenten bezeichnet. Für sämtliche der vorgenannten Komponenten kann es notwendig sein, dass diese geschirmt und/oder geerdet werden, um eine Messsicherheit, d. h. eine Zuverlässigkeit der ermittelten Messwerte und/oder eine Gerätesicherheit, d. h. insbesondere eine Sicherheit für das Gerät bedienende Personen zu gewährleisten.
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Ein elektromagnetischer Schirm bzw. eine Schirmung hat die Aufgabe, entweder ein im Innern des Schirms erzeugtes elektromagnetisches Feld einzuschließen und an seiner Ausbreitung zu hindern oder einen Raum frei von außen wirkenden Feldern zu schaffen.
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Ein Schutzleiter ist ein elektrischer Leiter zum Zweck der Sicherheit, zum Beispiel zum Schutz gegen elektrischen Schlag. Die Schutzmaßnahme Schutzerdung von elektrotechnischen Anlagen dient dazu, im Falle eines Schlusses eines aktiven (spannungsführenden) Leiters mit einem leitfähigen, berührbaren Teil (z. B. dem Gehäuse) dieses auf Erdpotenzial zu halten und so einen Stromfluss durch den (menschlichen) Körper gegen Erde zu verhindern oder zumindest zu verringern.
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Ein Erdungsleiter stellt die Verbindung mit dem Erdpotential her, viele Schutzleiter sind als Erdungsleiter ausgebildet.
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Mit einer Messsicherheit ist dabei insbesondere die Gewährleistung der Integrität der ermittelten Messwerte gemeint. Diese können häufig durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt werden, sodass eine Schirmung bestimmte Komponenten der Messelektronik des Messgeräts sowie eine korrekt aufgelegte Schirmung von verschiedenen Anschlussleitungen zur Signalübertragung für eine optimale Funktionalität des Feldgeräts wichtig ist. Durch Verbinden der Schirmung mit einem internen oder externen Massepotential können elektromagnetische Störungen bzw. durch diese induzierte Spannungen zuverlässig abgeleitet werden.
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Zur Gewährleistung der Gerätesicherheit sind außerdem von einem Bedienungspersonal berührbare Komponenten des Feldgeräts, beispielsweise ein Gehäuse ebenfalls mit einem Massepotential zu verbinden, sodass auch dort induzierte oder sonst wie auftretende Spannungen auf Erdpotential abgeleitet werden um so eine Schädigung des Bedienpersonals zu vermeiden.
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Unter Befestigungsanordnung wird insbesondere ein Prozessanschluss des Feldgerätes verstanden, mit dem das Feldgerät mechanisch mit einer Prozessumgebung verbunden werden kann.
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Insbesondere kann jeweils eine Stromerfassungseinrichtung mit je einer zu überwachenden Komponente verbunden sein. Durch eine solche eins zu eins Zuordnung zwischen Stromerfassungseinrichtungen und zu überwachenden Komponenten wird eine eindeutige Zuordnung eines erkannten Fehlers möglich. Ansonsten kann zwar ein Fehler bei der Schirmung oder Erdung erkannt werden, eine eindeutige Zuordnung ist aber nicht möglich.
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Alternativ kann auch ein Überwachungsstrom sequentiell den verschiedenen zu überwachenden Komponenten zugeführt werden. Hierfür ist dann eine Umschalteinrichtung notwendig, die der Strommesseinrichtung nachgeschaltet ist und den Überwachungsstrom den verschiedenen Komponenten zuführt, d. h. diese elektrisch mit der Überwachungseinrichtung verbindet.
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Die wenigstens eine Stromerfassungseinrichtung kann bspw. mit einer Recheneinheit verbunden sein. Durch eine solche Recheneinheit können die erfassten Ströme mit bspw. abgespeicherten Referenzwerten verglichen werden, oder es ist möglich, die erfassten Ströme mit abgespeicherten Strömen einer vorangegangenen Messung zu vergleichen, sodass Veränderungen in den erfassten Strömen erkannt werden können. Solche Veränderungen können auf eine Veränderung an der zu überwachenden Komponente hinweisen, bspw. dass ein zuvor noch korrekt aufgelegter Schirm nicht mehr korrekt aufliegt, sich lockert, oder, dass ein Erdungskontakt bspw. durch Korrosion oder Oxidation einen erhöhten Übergangswiderstand aufweist und zu einem Problem führen könnte.
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Als solche Recheneinheit kann im einfachsten Fall ein Komparator eingesetzte werden, der den ermittelten Strom bzw. eine dazu korrespondierende Spannung mit einem Referenzstrom bzw. einer Referenzspannung vergleicht. Typischerweise werden, wenn die Funktionalität der Überwachungseinrichtung unabhängig von einer restlichen Elektronik implementiert werden soll, ASICs oder Mikrocontroller zur Durchführung dieser Aufgabe zum Einsatz kommen. Alternativ kann aber auch ein ohnehin vorhandener Mikrocontroller des Feldgerätes, der bspw. zur Messwertaufbereitung eingesetzt wird, für die Überwachung der Schirmungs- und Erdungsanschlüsse mit verwendet werden.
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Wenn die Überwachungsvorrichtung mit einer Anzeigeeinheit verbunden ist, kann eine Warn- oder Fehlermeldung optisch angezeigt werden, sodass ein Benutzer bspw. bei der Inbetriebnahme des Feldgerätes direkt auf eine fehlende Schirmung oder Erdung hingewiesen wird. Eine solche Anzeigeeinheit kann bspw. ein alphanumerisches Display sein, aber auch durch LEDs bspw. in der Art einer Ampelschaltung realisiert werden. In dieser Ausgestaltung würde dann eine grün leuchtende LED einen fehlerfreien Zustand, eine gelb leuchtende LED eine Warnung und eine rot leuchtende LED einen Fehlerzustand bedeuten. Alternativ oder zusätzlich kann das Fehlen eines Schirmungs- oder Erdungsanschlusses über eine Funkschnittstelle an eine übergeordnete Einheit oder ein Bediengerät übermittelt und dort angezeigt werden. Auch eine Übermittlung über verschiedene Bus-Systeme oder ein Störungs-Modus gemäß den 4-20 mA Standard ist möglich.
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Die Überwachungsvorrichtung kann ferner einen Speicher zur Abspeicherung einer Höhe der Überwachungsströme aufweisen. Durch einen Speicher können z. B. mehrere ermittelte Ströme bzw. dazu korrespondierende Spannungen zu jeweils einer zu überwachenden Komponente abgespeichert und miteinander verglichen werden, so können bspw. Trendanalysen durchgeführt und eine Verschlechterung der Kontaktierung der Schirmung oder der Erdung frühzeitig erkannt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts mit einer Überwachungsvorrichtung für Erdungs- und Schirmanschlüsse zeichnet sich dadurch aus, dass die Aktivierungsanordnung der Überwachungsvorrichtung zumindest bei oder nach der Inbetriebnahme des Feldgerätes einen Überwachungsvorgang ausführt, indem sie einen Überwachungsstrom aussendet und mittels der wenigstens eine Stromerfassungseinrichtung den Strom misst, und wenn ein zu geringer Strom fließt eine Warnmeldung ausgibt.
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Auf diese Weise wird bei der Inbetriebnahme des Feldgerätes überprüft, ob die für das Feldgerät relevanten Erdungs- und Schirmanschlüsse hinreichend gut kontaktiert sind um eine Mess- und Gerätesicherheit zu gewährleisten. Durch eine Warnmeldung kann ferner erreicht werden, dass auch Erdungs- und Schirmanschlüsse erkannt werden, die nicht unmittelbar zu einem Funktionsfehler führen, aber möglicherweise zu einem späteren Zeitpunkt einen Fehler verursachen würden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn bei Inbetriebnahme z. B. Motoren oder Frequenzumrichter in der Umgebung nicht aktiv sind. Später würden zyklische Probleme durch EMV und fehlenden Schirmungsanschluss auftreten, wenn diese Komponenten in Betreib sind.
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Die Aktivierungsanordnung der Überwachungsvorrichtung kann nach der Inbetriebnahme des Feldgerätes den Überwachungsvorgang zyklisch ausführen, d. h. bspw. in regelmäßigen Zeitabständen. Auf diese Weise können Veränderungen an der Erdung und/oder Schirmung der zu überwachenden Komponenten erkannt und Fehlern durch ein Fehlen derselben schon frühzeitig verhindert werden.
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Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, dass die bei dem Überwachungsvorgang gemessenen Ströme abgespeichert und bei einem nachfolgenden Überwachungsvorgang die dann gemessenen Ströme mit den abgespeicherten Strömen verglichen werden, und wenn die gemessenen Ströme von den gespeicherten Strömen um mehr als 10 % abweichen, eine Warnmeldung ausgegeben wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Fehlen eines Schirmungs- oder Erdungsanschlusses über eine Funkschnittstelle an eine übergeordnete Einheit oder ein Bediengerät übermittelt und dort angezeigt werden. Auch eine Übermittlung über verschiedene Bus-Systeme oder ein Störungs-Modus gemäß den 4-20 mA Standard ist möglich.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Darstellung eines Blockschaltbilds eines Feldgeräts gemäß der vorliegenden Anmeldung und
- 2 einen möglichen Ablauf für ein Verfahren zur Überwachung von Erdungs- und Schirmanschlüssen gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.
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1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Feldgeräts 1 mit einer Überwachungsvorrichtung 3 für Schutzleiter 11 und Erdungsleiter 13.
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Das Feldgerät 1 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich schematisch dargestellt. Bei dem in 1 dargestellten Feldgerät 1 handelt es sich um ein Radar-Füllstandmessgerät, welches hier beispielhaft mit einem Gehäuse 4, einer vorderseitig an dem Gehäuse 4 als Prozessanschluss ausgebildeten Befestigungsanordnung 17 sowie einer zum Prozess hin orientierten Antenne 19 zur Aussendung der Radarsignale dargestellt ist. Das Feldgerät 1 weist ferner eine Anzeigeeinheit 2 zur Darstellung der Messwerte und möglicher Warnmeldungen einer Überwachungsvorrichtung 3 gemäß der vorliegenden Anmeldung auf. Eine Messelektronik zur Messwertverarbeitung ist in der vorliegenden Darstellung der 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Feldgerät 1 in dem Gehäuse 4 eine Überwachungsvorrichtung 3 zur Überwachung der Schutzleiter 11 und Erdungseiter 13 auf. Die Überwachungsvorrichtung 3 ist mit einer Energieversorgung 5 des Feldgeräts 1 verbunden und weist eine Aktivierungsanordnung 7 auf, die dazu ausgebildet ist, einen ersten Überwachungsstrom I1 und einen zweiten Überwachungsstrom I2 auszusenden. Die Aktivierungsanordnung 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem ersten Ausgang unter Zwischenschaltung einer Stromerfassungseinrichtung 9 mit einem Schutzleiter 11, einem sogenannten PE-Leiter, verbunden. Ein zweiter Ausgang der Aktivierungsanordnung 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls unter Zwischenschaltung einer Stromerfassungseinrichtung 9 mit der Befestigungsanordnung 17 des Feldgerätes 1 verbunden. Durch aussenden der Überwachungspflichtströme 11, 12 kann auf diese Weise überprüft werden, ob der Schutzleiter 11 mit einem internen oder externen Massekontakt verbunden ist, und ob die Befestigungsanordnung 17 mit einem Erdungsleiter verbunden ist. Nur wenn diese Verbindungen zuverlässig hergestellt sind können die von der Aktivierungsanordnung 7 ausgesendeten Überwachungsströme 11, 12 über den Schutzleiter 11 bzw. den Erdungsleiter 13 abfließen sodass von den Stromerfassungseinrichtungen 9 ein Strom erfasst werden kann.
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Die Stromerfassungseinrichtungen 9 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Recheneinheit 14 verbunden, die die erfassten Ströme mit in einem Speicher 15, der ebenfalls mit der Recheneinheit 14 verbunden ist, abgelegten Referenzwerten sowie den gemessenen Strömen aus vorangegangenen Messungen vergleicht. Durch den Vergleich der gemessenen Ströme mit Referenzwerten kann für den Fall, dass der gemessene Strom den Referenzwert unterschreitet festgestellt wollen, dass der Schutzleiter 11 oder Erdungsleiter 13 nicht oder nicht korrekt angeschlossen ist und darauf basierend eine Warnmeldung über eine mit der Überwachungsvorrichtung 3 verbundene Anzeigeeinheit 2 ausgegeben werden. Durch einen Vergleich der gemessenen Ströme mit den Messwerten aus vorangegangenen Messungen kann ein Trend über mehrere Messungen hinweg errechnet werden, sodass beispielsweise eine Korrosion von Anschlüssen und ein dadurch steigender Übergangswiderstand erkannt werden kann.
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In 2 ist ein möglicher Ablauf eines Verfahrens zur Überwachung von Erdungs- und Schirmanschlüssen gemäß der vorliegenden Anmeldung dargestellt.
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Durch das vorliegende Verfahren können dementsprechend auch Schirmanschlüssen, d. h. ob die Schirmung eines Verbindungskabels mit einem Masseanschluss verbunden ist, überprüft werden.
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Zur Überwachung der Erdungs- und Schirmanschlüsse sendet die Überwachungsvorrichtung 3, wie sie in 1 dargestellt ist zunächst Überwachungsströme 11, I2 aus. Dies wird in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Aktivierungsanordnung 7 ausgelöst. Anschließend wird über die Stromerfassungseinrichtungen 9 ein tatsächlich zu dem Schutzleiter 11 und der Befestigungsanordnung 17 fließender Strom gemessen und anschließend mit einem Referenzwert verglichen. Dieser kann wie im Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt in dem Speicher 15 abgespeichert sein oder aber auch analog erzeugt werden. Nach dem Vergleich wird eine Warnbedingung überprüft und eine Warnung ausgegeben, wenn die Warnbedingung erfüllt ist. Die Warnbedingung kann beispielsweise sein, dass der gemessene Strom den Referenzwert um mehr als 10 % unterschreitet. Zusätzlich kann der gemessene Strom abgespeichert werden, um Veränderungen über mehrere Messwerte hinweg ermitteln zu können. Der angegebene Wert kann je nach Anwendung variieren und dementsprechend einstellbar sein.
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In dem in 2 dargestellten Ablauf ist vorgesehen, dass die Überprüfung dauerhaft erfolgt, d. h. nach Abschluss der Überprüfung eine erneute Überprüfung stattfindet. Zur Energieeinsparung kann die Überprüfung auch nur einmalig bei einer Inbetriebnahme des Feldgerätes 1 oder zyklisch in fest vorgegebenen Zeitabständen erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feldgerät
- 2
- Anzeigeeinheit
- 3
- Überwachungsvorrichtung
- 4
- Gehäuse
- 5
- Energieversorgung
- 7
- Aktivierungsanordnung
- 9
- Stromerfassungseinrichtung
- 11
- Schutzleiter
- 13
- Erdungsleiter
- 14
- Recheneinheit
- 15
- Speicher
- 17
- Befestigungsanordnung/Prozessanschluss
- 19
- Antenne
- I1
- erster Überwachungsstrom
- I2
- zweiter Überwachungsstrom
