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Die Erfindung betrifft ein System zum Bedienen zumindest eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik 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 Messgeräte, bzw. Sensoren. 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 Aktoren 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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Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress+Hauser-Gruppe produziert und vertrieben.
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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. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder einen 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 Messwerte werden über das jeweilige Bussystem an eine (oder gegebenenfalls mehrere) übergeordnete Einheit(en) übermittelt. 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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Zur Bedienung der Feldgeräte sind entsprechende Bedienprogramme (Bedientools) notwendig, die auf den übergeordneten Einheiten entweder eigenständig ablaufen (Endress+Hauser FieldCare, Pactware, AMS Fisher-Rosemount, PDM Siemens) oder aber auch in Leitsystem-Anwendungen (Siemens PCS7, ABB Symphony, Emerson Delta V) integriert sind. Ebenso ist es möglich, die Bedienprogramme auf einem mobilen Bediengerät auszuführen, um die Feldgeräte über diese zu bedienen.
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Heute wird die Konfiguration und Parametrierung von Feldgeräten durch Bedieneinheiten mit speziellen Bedienprogrammen (bspw. „Device Care“, „Field Care“, „PACTware“ usw.) verwaltet. Diese Bedienprogramme stellen die Anwendungsschicht für Benutzer zur Verfügung, welche ein Feldgerät konfigurieren möchten (z.B. Netzwerkadresse einstellen, Freischalten von Sonderfunktionen des Feldgeräts, etc.). Der zugrunde liegende Transportmechanismus wird durch das vom Feldgerät unterstützte Protokoll realisiert, bspw. TCP/UDP, CDI, ISS, IPC, PCP und ist beispielsweise abhängig vom Gerätetyp und Hersteller des Feldgerätes.
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Um die Daten von der Anwendungsschicht (Bedienprogramm) protokollkonform an das Feldgerät zu übertragen, muss ein Medium („Physical Layer“) vorhanden sein. Das Feldgerät benötigt zwingend eine Hardwareschnittstelle, über welche das Feldgerät mit der Bedieneinheit verbindbar ist, um die Softwarebefehle in elektrische Signale umzuwandeln, die dann auf dem Physical Layer transportiert werden. Heutzutage wird dies über zwei bis vier Kupferkabeln mit speziellen Steckern oder per Funkübertragungstechnik (Bluetooth, WiFi und ähnliches) realisiert. Diese physikalischen Schichten haben diverse Nachteile:
- - Jeder Feldgerätetyp in Abhängigkeit von Releasejahr, bzw. Release-Version, Transportprotokoll und Hersteller erfordert unterschiedliche Hardwareschnittstellen (große Variation für Kunden).
- - Der Kunde muss oftmals das Gerätegehäuse öffnen, um die Bedieneinheit anzuschließen. Selbiges trifft auch für die herstellerseitige Erstkonfiguration, bzw. - parametrierung zu.
- - Hierfür benötigte Werkzeuge sind typischerweise nicht kompatibel mit Ex-Zonen. Geeignete Werkzeuge hingegen sehr teuer.
- - Die Konfiguration über eine übergeordnete Einheit ist äußerst komplex für ungeschultes Personal.
- - Die zur Konfiguration, bzw. Parametrierung notwendige Datenübertragung ist insbesondere in rauen Umgebungen oder in Umgebungen, in welchen viele Hochfrequenzübertragungen stattfinden, störanfällig.
- - Metallische Anlagenteile verursachen gegebenenfalls Reflexionen und/oder Abschirmungen gegen Funksignale, was die Störanfälligkeit weiter erhöht.
- - Typische zur Funkübertragung verwendete Frequenzbänder sind überfüllt, bzw. überlastet, was in Zukunft weiter zunehmen wird.
- - Die gleichzeitige Konfiguration mehrerer Feldgeräte unterschiedlicher, Leitsystemfremder Gerätehersteller ist nicht möglich.
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Der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Bedienung von Feldgeräten ohne Anschlussaufwand zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch ein System zum Bedienen zumindest eines Feldgeräts der Automatisierungstechnik gelöst, umfassend:
- - Eine Bedieneinheit mit einem Bedienprogramm, wobei das Bedienprogramm ausgestaltet ist, einen Bedienbefehl eines Benutzers zu registrieren, bzw. aufzunehmen;
- - Eine erste Lichtquelle mit einer ersten Steuereinheit, wobei die erste Lichtquelle in Kommunikationsverbindung mit der Bedieneinheit gebracht ist, wobei die erste Steuereinheit die erste Lichtquelle derart ansteuert, dass die erste Lichtquelle Licht moduliert ungeführt emittiert und dass ein von der Bedieneinheit an die erste Steuereinheit übersandter Bedienbefehl als Bedientelegramm aufmoduliert wird; und
- - Mindestens ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät in eine Messstelle einer Anlage installierbar ist, mit einer übergeordneten Einheit oder einer Leitstelle über ein Kommunikationsnetzwerk in Kommunikationsverbindung bringbar ist und dazu ausgestaltet ist, Messwerte eines verfahrenstechnischen Prozesses zu erheben, wobei das Feldgerät ein erstes Empfangsmodul für moduliertes Licht umfasst, welches ausgestaltet ist, die Bedientelegramme zu empfangen, wobei das Empfangsmodul ein optoelektronisches Tastelement ist, und wobei das Feldgerät ausgestaltet ist, die empfangenen Bedientelegramme auszuführen, bzw. zu verarbeiten, und zumindest eine zum jeweiligen Bedientelegramm korrespondierende Aktion durchzuführen.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine einfache Bedienung von Feldgeräten mittels modulierten Lichts. Hierdurch können die Nachteile der heutigen Standardmethoden der Gerätekonfiguration überwunden werden, da bei diesen üblicherweise eine Kabelverbindung verwendet wird, für diese das Gehäuse des Feldgeräts kontaktiert oder sogar geöffnet werden muss. Es beseitigt auch die oben beschrieben Nachteile, die bei Verwendung von drahtloser Datenübertragung (Bluetooth, WiFi und ähnliche) auftreten. Darüber hinaus ist auch keine aufwändige Zertifizierung für die einzelnen drahtlosen Kommunikationsprotokolle erforderlich. Die Übermittlung der Bedientelegramme per Licht stellt einen sekundären Kommunikationskanal dar, welcher klar von dem primären Datenkanal in Form des Kommunikationsnetzwerk getrennt ist, über welches die Feldgeräte die erfassten Messwerte übertragen.
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Die lokalen Bedienmodule moderner Feldgerätetypen besitzen optoelektronische Bedienelemente. Ein solches optoelektronisches Bedienelement weist für gewöhnlich eine transparente Bedienplatte auf, die an der Außenseite des Gehäuses des Bedienmoduls angeordnet ist und welche eine Berührfläche zur Betätigung durch den Bediener darstellt. Für gewöhnlich beruht eine solches optoelektronisches Bedienelement auf dem Prinzip der „offenen Lichtschranke“, bei dem durch ein Sende-/Empfangspaar Infrarot Licht ausgesendet, dieses Licht an einem Finger oder anderem Streuobjekt reflektiert bzw. gestreut und über einen Empfänger, bspw. eine Fotodiode, empfangen wird. In dem Fall, dass eine Schwellwertüberschreitung bzw. ein Schaltreferenzpegel überschritten wird, wird eine Berührung des Bedienelementes durch den Finger oder das andere Streuobjekt erkannt, was im übertragenen Sinne einem Tastendruck bei einem mechanischen Taster bzw. Schalter gleichkommt. Diese dienen als Ersatz für mechanisch betätigte Tasterelemente und ermöglichen den Bau von hermetisch gekapselten Feldgeräten. Die Funktionsweise solcher optoelektronischer Bedienelemente ist beispielsweise in der
DE 20 2016 117 289 A1 genauer erläutert.
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Der große Vorteil im Zusammenhang mit der Erfindung besteht darin, dass solche optoelektronischen Bedienelemente geeignet sind, die modulierten Lichtsignale zu empfangen. Ein Feldgerät benötigt daher keine zusätzliche Hardware, um die modulierten Lichtsignale empfangen zu können, so dass für den Kunden keine weiteren Kosten entstehen. Die Feldgeräte benötigen daher lediglich ein Softwareupdate, um die Lichtsignale zu demodulieren und die Bedientelegramme zu verarbeiten.
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Feldgeräte, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnt sind, sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft aufgeführt.
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Gemäß einer ersten Variante einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die Lichtquelle Teil der Bedieneinheit ist. Die Lichtquelle besteht beispielsweise aus einer leistungsfähigen LED, wie sie von Smartphones und Tablets als Blitzbeleuchtung, bzw. Taschenlampenfunktionalität, bekannt ist.
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Gemäß einer zweiten Variante einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die Lichtquelle eine oder mehrere Leuchtelemente einer Anlagenbeleuchtung umfasst. Durch Anschließen der ersten Steuereinheit an die Anlagenbeleuchtung kann diese die Lichtmodulation durchführen. Auf diese Art und Weise kann eine Vielzahl von Feldgeräten gleichzeitig bedient werden. Mittels geeigneter Protokolle können die Bedientelegramme so angepasst werden, dass diese, trotz dass das modulierte mehrere Feldgeräte erreicht, nur an bestimmte Feldgeräte adressiert sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die Bedieneinheit ein PC, ein Laptop oder ein mobiles Endgerät ist. Ein mobiles Endgerät umfasst beispielsweise Smartphones, Tablets, oder aber auch Wearables wie Smartwatches oder Datenbrillen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die Bedientelegramme zumindest eine der folgenden Bedienaktionen auslösen:
- - Ändern zumindest eines Parameterwerts des Feldgeräts;
- - Erheben zumindest einer Diagnoseinformation des Feldgeräts und/oder Übermitteln der Diagnoseinformation an das Feldgerät;
- - Freischalten oder Sperren von zumindest einer Mess- und/oder Bedienfunktionalität des Feldgeräts;
- - Aufspielen von Softwareupdates auf das Feldgerät;
- - Netzwerkparameter des Feldgeräts editieren;
- - Auslesen von Identifikationsinformationen des Feldgeräts.
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Diese Liste kann um beliebige handelsübliche oder spezielle Bedienaktionen ergänzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass das System eine zweite Lichtquelle mit einer zweiten Steuereinheit umfasst, wobei die zweite Lichtquelle Teil des Feldgeräts ist, und ein zweites Empfangsmodul für moduliertes Licht, welches Teil der Bedieneinheit oder der ersten Leuchtquelle ist, wobei die zweite Steuereinheit die zweite Lichtquelle derart ansteuert, dass die zweite Lichtquelle Licht moduliert ungeführt emittiert und dass vom Feldgerät erhobene und/oder generierte Daten aufmoduliert werden, und wobei das zweite Empfangsmodul ausgestaltet ist, die von der zweiten Leuchtquelle ausgesendeten Daten zu empfangen. Auf diese Art und Weise kann ein Feldgerät nicht nur Bedientelegramme per Licht empfangen, sondern auch selbst Daten auf diese Art und Weise versenden. Die im modulierten Licht enthaltenen Daten des Feldgeräts werden hierbei von der zweiten Steuereinheit extrahiert und an die Bedieneinheit weitergeleitet.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die zweite Lichtquelle durch eine Anzeigeeinheit des Feldgeräts, insbesondere ein Display oder eine LED, gebildet ist. Beispielsweise weist ein Feldgerät eine oder mehrere Status-LEDs auf, welche für die Lichtmodulation geeignet sind.
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Alternativ ist die Lichtquelle als Hardwaremodul ausgestaltet, welches an das Feldgerät angeschlossen werden kann.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die zweite Empfangseinheit eine lichtsensitive Empfangseinheit ist, insbesondere eine Fotodiode oder eine Kamera. Auch weitere geeignete elektronische Bauteile zum Quantisieren von Licht sind einsetzbar, beispielsweise Fotozellen, Fotomultiplier, COMS-Sensoren, CCD-Sensoren, Fototransistoren, Fotowiderstände, etc.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass das Feldgerät ausgestaltet ist, die von der zweiten Lichtquelle auszusendenden Daten als Aktion durch Ausführen, bzw. Verarbeiten, der entsprechenden von der ersten Lichtquelle empfangenen Bedientelegramme zu erheben und/oder zu generieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass die erste Steuereinheit und/oder die zweite Steuereinheit dazu ausgestaltet ist, das von der ersten Lichtquelle, bzw. das von der zweiten Lichtquelle, emittierte Licht entsprechend einem der Standards IEEE 802.15.7-2011, IEEE P802.15.13 oder IEEE P802.11bb zu modulieren. Allgemein ist für solche Lichtmodulation, bzw. Datenübertragungsverfahren, der Begriff „LiFi“ („Light Fidelity“) bekannt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Es zeigt
- 1: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems.
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In 1 ist ein Teilbereich einer Anlage der Automatisierungstechnik gezeigt. In diesem befinden sich mehrere Feldgeräte FG1, FG2, FG3, FG4. Die Feldgeräte FG1, FG2, FG3, FG4 erfassen Messwerte eines verfahrenstechnischen Prozesses, beispielsweise Temperaturwerte. Die Feldgeräte FG1, FG2, FG3, FG4 sind mittels eines hier nicht gezeigten Kommunikationsnetzwerks mit der Leitstation der Anlage verbunden und übermitteln an diese die erfassten Messwerte.
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Zwar kann eine Bedienung der Feldgeräte FG1, FG2, FG3, FG4 auch über dieses Kommunikationsnetzwerk erfolgen. Jedoch ist hierfür geschultes Personal vonnöten. Des Weiteren werden durch das Aussenden von Bedienbefehlen Ressourcen auf dem Kommunikationsnetzwerk belastet. Auch ermöglichen viele der Kommunikationsprotokolle solcher Netzwerke, nur eingeschränkte Bedienfunktionen.
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Aus diesem Grund weist das in 1 gezeigte System eine modifizierte Anlagenbeleuchtung auf, im Folgenden als erste Lichtquelle LQ1 bezeichnet. Hierfür wird eine erste Steuereinheit ST in die elektrischen Versorgungsleitungen eingebaut. Diese ermöglicht eine Modulation des von den Lampen der ersten Lichtquelle LQ1 emittierten Lichts entsprechend einem der LiFi-Standards, insbesondere IEEE 802.15.7-2011, IEEE P802.15.13 oder IEEE P802.11bb.
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Des Weiteren ist eine Bedieneinheit BE mit der ersten Steuereinheit ST1 verbunden. Die Verbindung kann drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. Bei der Bedieneinheit BE handelt es sich im vorliegenden Fall um ein Tablet, auf welchem eine App als Bedienprogramm BP abläuft. Es können aber auch andere Typen von Bedieneinheiten BE verwendet werden, beispielsweise ein Laptop, auf welchem eine FDT-Rahmenapplikation als Bedienprogramm BP aufgespielt ist, oder eine Bedieneinheit im Sinne des von der Anmelderin vertriebenen „Field Xperts“.
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Das Bedienprogramm BP dient dem Zweck, Bedienbefehle eines Bedieners BD zu registrieren. Der Bediener BD wählt hierfür eines oder mehrere der zu bedienenden Feldgeräte FG1, FG2, FG3, FG4 und den entsprechenden Bedienbefehlt aus. Dieser Bedienbefehl wird von der Bedieneinheit BE als Bedientelegramm an die erste Steuereinheit ST1 übermittelt. Diese moduliert das von den Lampen der erste Lichtquelle LQ1 emittierte Licht entsprechend einem der oben genannten Standards.
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Die Feldgeräte FG1, FG2, FG3, FG4 weisen optoelektronische Tastelemente als lokale Bedieneinheit zur Bedienung vor Ort auf. Diese sind derart ausgestaltet, dass diese zum Empfang des von der ersten Lichtquelle ausgesendeten modulierten Lichts dienen (fortan als erstes Empfangsmodul EM1 bezeichnet). Das per moduliertem Licht versandte Bedientelegram wird von dem ersten Empfangsmodul EM1 empfangen. Dieses demoduliert, bzw. extrahiert, das Bedientelegramm aus dem empfangenen Licht und leitet dieses der Elektronik des jeweiligen Feldgeräts FG1, FG2, FG3, FG4 weiter. Diese prüft anschließend, ob das Telegramm an das entsprechende Feldgerät FG1, FG2, FG3, FG4 adressiert ist und prüft gegebenenfalls die Integrität des Bedientelegramms, beispielsweise entsprechend der Standards TCP, CDI („Endress+Hauser Common Data Interface“), etc.
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Ist das Bedientelegramm beispielsweise an das Feldgerät FG1 adressiert und ist dessen Integrität erfolgreich geprüft, so führt das Feldgerät FG1 eine zum jeweiligen im Bedientelegramm enthaltenen Bedienbefehl korrespondierende Aktion aus.
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Beispielsweise wird als resultierende Aktion ein Parameterwert eines Parameters des Feldgeräts FG1 geändert (beispielsweise eine Anpassung der Messrate). Das Feldgerät FG1 sendet nach Änderung des Parameterwerts eine Bestätigung auf die Bedieneinheit BE des Bedieners BD. Hierfür weist das Feldgerät FG1 selbst eine Lichtquelle, im Folgenden zweite Lichtquelle LQ2 genannt, auf. Diese ist beispielsweise die Hintergrundbeleuchtung eines Displays des Feldgeräts FG1 oder eine Status-LED des Feldgeräts FG1. Alternativ kann auch eine externe Leuchtquelle modular mit dem Feldgerät FG1 verbunden werden. Weiterhin weist auch das Feldgerät eine Steuereinheit für die zweite Lichtquelle, im Folgenden zweite Steuereinheit ST2 genannt, auf. Analog zu dem bzgl. der ersten Leuchtquelle LQ1 beschriebenen Verfahren wird die Bestätigung dem von der zweiten Leuchtquelle LQ2 emittierten Licht aufmoduliert.
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Die Lampen der ersten Leuchtquelle weisen zusätzlich eigene Empfangsmodule, hier zweites Empfangsmodul EM2 genannt, auf. Mithilfe eines solchen zweiten Empfangsmoduls EM2 können mittels der zweiten Lichtquelle ausgesandte Daten empfangen und an die Bedieneinheit BE gesendet werden. In diesem Fall wird die Bestätigung der Eintragung des neuen Parameterwerts empfangen und an die Bedieneinheit BE gesendet, woraufhin dem Bediener BD diese als Notifikation per Bedienprogramm BP angezeigt wird.
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Alternativ weist die Bedieneinheit selbst die erste Leuchtquelle LQ1 und das zweite Empfangsmodul EM2 auf. Der Bediener BD kann auf diese Art und Weise ein Feldgerät FG1, FG2, FG3, FG4 vor Ort bedienen. Auch ist es somit möglich, ein Feldgerät FG1, FG2, FG3, FG4 bereits bei der Fertigung per Licht zu parametrieren, bzw. zu konfigurieren.
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Bezugszeichenliste
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- BD
- Bediener
- BE
- Bedieneinheit
- BP
- Bedienprogramm
- EM1, EM2
- Empfangsmodule
- FG1, FG2, FG3, FG4
- Feldgeräte
- LQ1, LQ2
- Lichtquellen
- ST1, ST2
- Steuereinheiten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202016117289 A1 [0011]
