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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Erweiterungsmodul gemäß Patentanspruch 10 sowie ein Verfahren zum Betreiben der vorgenannten Geräte gemäß Patentanspruch 11.
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Bekannte Feldgeräte der Automatisierungstechnik, insbesondere der Prozessautomatisierung oder auch der Fabrik- und/oder Logistikautomatisierung werden mit unterschiedlichen Funktechnologien ausgestattet und betrieben.
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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. Ein Ziel der damit zusammenhängenden Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, 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, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
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Ein 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 z.B. 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. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
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Ein weiteres Teilgebiet der Automatisierungstechnik betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. 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 (schnelle Befüllvorgänge mit >=10 Messungen / Sekunde) 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.
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In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, z. B. Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung.
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Unter dem Begriff Feldgerät werden dabei verschiedene technische Einrichtungen subsummiert, die mit einem Produktionsprozess in direkter Beziehung stehen. „Feld“ bezeichnet dabei den Bereich außerhalb von Leitwarten. Feldgeräte können damit insbesondere Aktoren, Sensoren, Datensammler (Datenlogger) und Messumformer sein. Weit verbreitet sind insbesondere drahtgebunden betriebene Automatisierungsgeräte, welche anlassbezogen über eine Nahfeldschnittstelle (Bluetooth, Zigbee oder andere) drahtlos mit einem tragbaren Bediengerät, beispielsweise einem Smartphone, verbunden werden können. Hierdurch lassen sich insbesondere Abläufe während der Inbetriebnahme oder Instandhaltung der Geräte vereinfachen. Darüber hinaus existiert im Stand der Technik eine Vielzahl an Automatisierungsgeräten, welche eine Drahtlosschnittstelle zur kontinuierlichen Übertragung von Messwerten oder Steuersignalen an eine zweite Automatisierungskomponente verwenden. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist, Funktechnologien zu verwenden, welche mit möglichst wenig Energie bei gleichzeitig hoher Reichweite betrieben werden können. Auf Basis solcher Technologien wird es möglich, Drahtloskommunikationssysteme in Automatisierungsgeräten einzusetzen, welche eine limitierte Menge an Energie aus ihrem jeweiligen Bussystem beziehen können.
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Auf Basis energiesparender Funkkommunikationstechnologien sind neuerdings auch autarke Systeme möglich, welche ihren Energiebedarf weitgehend oder vollumfänglich aus einem im Gerät integrierten Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, abdecken. Solche Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass sie oftmals in mobilen Applikationen, beispielsweise in Form von Sensoren in Logistikanwendungen verwendet werden, und somit in bestimmten zeitlichen Abständen ihren jeweiligen Betriebsort verändern.
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich ferner auf autarke Messanordnungen, insbesondere autarke Füllstand- oder Grenzstandsensoren. Die autarken Füllstand- oder Grenzstandsensoren sind vorzugsweise als Radarsensoren ausgebildet und weisen - um die Autarkie der Sensoren sicher zu stellen - neben einem Messaufnehmer zur Erfassung von Messdaten eine Übermittlungseinrichtung zur, vorzugsweise drahtlosen, Übermittlung erfasster Messdaten oder Messwerte und eine eigene Energieversorgung auf. Die Übermittlungseinrichtung kann bevorzugt ein Funkmodul für eine Schmalbandfunktechnologie (LoRa, Sigfox, LTE-M, NB-IOT) sein, das die Messdaten oder Messwerte in eine Cloud, d.h. auf einen Server im World Wide Web überträgt. Die Energieversorgung ist vorzugsweise als Batterie oder Akkumulator ausgebildet und kann zusätzlich ein Energy-Harvesting-Modul umfassen.
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Typische Anwendungsszenarien für solche Feldgeräte umfassen insbesondere Lagerbestandsverwaltung oder Messaufgaben an mobilen Behältnissen.
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Bekannte Feldgeräte der vorgenannten Art ermöglichen es bisher, Messwerte zu übermitteln, sodass eine übergeordnete Einheit basierend auf dem ermittelten Messwert eine vorbestimmte Aktion auslöst. Bspw. kann basierend auf dem Messwert eines Füllstandmessgerätes bei Überschreiten eines Grenzwertes ein Zulauf geschlossen, oder ein Ablauf geöffnet werden.
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Autarke Feldgeräte zeichnen sich durch eine besonders einfache Montage ohne Anbringen einer Kommunikations- oder Versorgungsleitung aus und eröffnen dadurch besonders flexible Möglichkeiten zur Anordnung, d.h. insbesondere deren Anbringung in der Prozessumgebung. Ein autarkes Feldgerät gemäß der vorliegenden Anmeldung weist bevorzugt wenigstens einen Sensor zur Erfassung einer Prozessgröße sowie eine Sensorelektronik, ein Funkmodul sowie eine Energieversorgung auf.
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Die von diesen Feldgeräten ermittelten Messwerte werden typischerweise unter Verwendung einer Schmalbandfunktechnologie (LoRa, Sigfox, NB-IOT) in eine Cloud, d.h. auf einen Server im World Wide Web übertragen. Typische Anwendungsszenarien für solche Feldgeräte umfassen Bereiche wie die Hochwasservorhersage, Lagerbestandsverwaltung oder auch andere dezentral verteilte Messaufgabe.
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Darüber hinaus existieren vorrangig für drahtgebunden betriebene Automatisierungsgeräte entworfene Erweiterungsmodule, welche in speziell dafür vorgesehene Erweiterungsschnittstellen der Geräte eingesetzt werden, um diese mit Drahtloskommunikationsmöglichkeiten zu erweitern. Es kann vorgesehen sein, dass diese Erweiterungsmodule mehrere Drahtloskommunikationstechnologien beinhalten. Weiterhin kann vorgesehen sein, solche Erweiterungsmodule nur temporär, beispielsweise im Rahmen einer Revision, in Verbindung mit einem Gerät zu betreiben, und anschließend in ein anderes Automatisierungsgerät einzubauen. Hierdurch ändert sich auch für solche Erweiterungsmodule der Betriebsort, auch wenn diese temporär drahtgebunden mit einem Automatisierungsgerät, beispielsweise einem Sensor, betrieben werden.
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Drahtloskommunikationseinrichtungen für Automatisierungsgeräte gewinnen seit einigen Jahren stark an Bedeutung. In den ersten Jahren wurden entsprechend ausgestatte und mit hinreichend Energie versorgte Geräte vorrangig zur Übermittlung von Messwerten über eine GSM-Mobilfunkverbindung genutzt. Neuere Ansätze verfolgen eher das Ziel, Sensoren über eine Nahfeldschnittstelle (z.B. Bluetooth) zur vereinfachten Bedienung mit einem tragbaren Gerät, beispielsweise einem Smartphone, zu verbinden. Ganz neue Verfahren aus der Klasse der Schmalbandfunktechnologien (z.B. LoRa, Sigfox, NB-IoT, CAT-M) ermöglichen seit kurzer Zeit die Übertragung von Messwerten über große Entfernungen hin zu einer Basisstation mit einem Minimum an Energie, wodurch vollständig autark betriebene Sensoren erst möglich werden.
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Insbesondere für LoRa, aber auch für andere Funkstandards existieren länderspezifische Vorgaben für die Zulassung und den Betrieb solcher Funkschnittstellen, d.h. abhängig von dem Land, in dem das Feldgerät mit der jeweiligen Funk-Kommunikationseinrichtung (nachfolgend auch Funkschnittstelle) betrieben wird, sind unterschiedliche Vorgaben zu berücksichtigen. Bislang wird für fest installierte Feldgeräte eine relevante Länderinformation bei einer Inbetriebnahme des Feldgeräts abgefragt und entsprechend einer Nutzereingabe in einem Speicher des Feldgeräts hinterlegt. In der Folge wird das Feldgerät entsprechend der durch den Nutzer eingegebenen Informationen betrieben.
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Dieses Vorgehen hat einerseits den Nachteil, dass es zu Fehleingaben kommen kann, andererseits ist es mit der aktuellen Entwicklung der Technologie bei Feldgeräten, die - wie oben beschrieben - zunehmend autark und mobil eingesetzt werden, nicht kompatibel.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feldgerät und ein Erweiterungsmodul für ein Feldgerät zur Verfügung zu stellen, das Fehleingaben vermindert und auch mit autarken und mobilen Feldgeräten kompatibel ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Feldgeräts sowie eines solchen Erweiterungsmoduls sowie einen das Verfahren implementierenden Computerprogrammcode anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch ein Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Erweiterungsmodul für ein Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, einen transportablen Behälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und einen das Verfahren implementierenden Computerprogrammcode gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Feldgerät weist wenigstens eine Funk-Kommunikationseinrichtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Betriebsmodi auf, wobei die unterschiedlichen Betriebsmodi abhängig von einem Betriebsort des Feldgeräts aktivierbar sind. Das Feldgerät zeichnet sich dadurch aus, dass es wenigstens eine Positionsermittlungseinrichtung aufweist, wobei das Feldgerät dazu eingerichtet ist, aus von der Positionsermittlungseinrichtung ermittelten Positionsdaten einen Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinrichtung zu ermitteln und entsprechend vorgegebener Bedingungen auszuwählen.
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Es ist auf diese Weise möglich, den Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinrichtung automatisiert, abhängig von der Position des Feldgerätes einzustellen. Beispielsweise kann für LoRa, aber auch für andere Funkstandards, ein länderspezifischer sog. Channel Plan, in dem definiert ist, welche Kanäle (Frequenzen und Bandbreiten) eine Funk-Kommunikationseinrichtung benutzen muss oder darf automatisiert angewendet werden. Für verschiedene Funkstandards existieren auch länderspezifische Vorgaben für die Zulassung und den Betrieb solcher Funk-Kommunikationseinrichtungen, d.h. abhängig von dem Land, in dem das Feldgerät mit der jeweiligen Funk-Kommunikationseinrichtung betrieben wird, müssen unterschiedliche Voraussetzungen erfüllt werden. Durch eine erfindungsgemäße Positionsermittlungseinrichtung wird es möglich, diese Voraussetzungen automatisiert umzuschalten und so ein universell einsetzbares Feldgerät zu schaffen.
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Es ist nicht mehr notwendig, eine Vielzahl unterschiedlicher Feldgeräte zu produzieren und auf Lager zu halten, da ein einziges, universell einsetzbares Feldgerät sämtliche Voraussetzungen erfüllt. Gleichzeitig werden die lokalen oder regionalen Vorgaben automatisiert umgesetzt, sodass nicht nur für den Hersteller, sondern auch für den Betreiber des Feldgeräts ein Mehrwert entsteht. Der Kunde muss einerseits bei der Bestellung des Feldgerätes nicht auf eine bestimmte Ländervariante achten und kann andererseits auch bei der Inbetriebnahme des Feldgerätes diesbezüglich keine Fehler machen. Ferner ist es möglich, dass eine Funkkommunikation in vorgegebenen Regionen, bspw. Grenzregionen oder für einen bestimmten Funkstandard gesperrtes Gebiet, deaktiviert wird.
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Der Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinrichtung umfasst gemäß der vorliegenden Anmeldung vorzugsweise wenigstens eine Kanalwahl und/oder ein verwendetes Frequenzband und/oder eine Einstellung einer Sendeleistung und/oder eine Einstellung eines Funkprotokolls und/oder eine Auswahl einer Antenne und/oder eine Menge übermittelter Nutzdaten und/oder die Übermittlung zusätzlicher Daten, bspw. weiterer Messwerte oder Diagnosedaten.
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Durch eine entsprechende Einstellung des Betriebsmodus können lokale Gegebenheiten und/oder Vorschriften berücksichtigt werden. Bspw. kann auf diese Weise bei der Verwendung von WLAN die Kanalwahl sowie die maximal erlaubte Sendeleistung an die jeweiligen nationalen Vorschriften angepasst werden. So ist die max. Sendeleistung im 2.4 GHz-Band gemäß Standard IEEE 802.11 g und n auf 100 mW beschränkt, während in den USA eine max. Sendeleistung von 1 W zulässig ist. Ebenso unterscheiden sich regional die zulässigen oder empfohlenen Kanäle.
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Für Funk-Kommunikationseinrichtungen des LoRa Netzwerkes sind die Frequenzen bspw. in 10 verschiedenen „Channel Plans“ z.B. AS923, EU868, EU433, US915 aufgeschlüsselt. Je nach Region unterscheiden sich noch andere regionale Parameter wie z.B. die Anzahl der Kanäle, Duty Cycles, maximaler Payload oder Sendeleistung. Abhängig vom jeweiligen Frequenzband sind hierfür verschiedene Funkmodule und/oder Antennen notwendig.
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Beispielhaft sind nachfolgend Parameter für die Channel Plans EU 868 und US 915 wiedergegeben:
| Channel Plan | EU 868 | US 915 |
| Channel Frequency | 867-86MHz | 902-928MHz |
| Number of Channels | 10 | 64 + 8 +8 |
| Channel BW Up | 125/250kHZ | 125/500kHz |
| Channel BW Dn | 125kHZ | 500kHz |
| TX Power Dn | +14 dBm | +27 dBm |
| Tx Power Up | +14 dBm | +20dBm typ (+30dBm allowed) |
| Data rate | 250bps-50kbps | 980bps-21.9kpbs |
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Die beispielhaft gezeigten Channel Plans unterscheiden sich neben dem verwendeten Frequenzband (Channel Frequency) beispielsweise in der Anzahl der verfügbaren Kanäle (Number of Channels), der Bandbreite der Kanäle (Channel BW Up/Dn = Bandbreite für Senden/Empfangen), der Sendeleistung (TX Power Dn/Up) sowie der verfügbaren Datenrate (Data rate).
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Bei dem Feldgerät handelt es sich insbesondere um ein mobiles Feldgerät, d.h. insbesondere ein nicht ortsgebunden installiertes oder betriebenes Feldgerät. Mobile Feldgeräte im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind Feldgeräte, die entweder mobil an unterschiedlichen Orten eingesetzt werden, oder Feldgeräte, die an mobilen Trägern, bspw. mobilen Behältern angebracht sind. Mobile Behälter sind bspw. sogenannte IBCs (Intermediate Bulk Container) oder andere transportable Behälter wie bspw. LKW-montierte Silos und dergleichen. Als transportabel im Sinne der vorliegenden Anmeldung gelten mittels üblicher Mittel wie bspw. Flurförderfahrzeugen, LKW und der gleichen transportierbare Behälter.
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Die Positionsermittlungseinrichtung kann bspw. als satellitengestützte Positionsermittlungseinrichtung ausgebildet sein. Durch eine derartige Ausgestaltung der Positionsermittlungseinrichtung kann in der Regel weltweit eine absolute geographische Position ermittelt und für die Auswahl des Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinrichtung verwendet werden. Beispielhaft seien an dieser Stelle GPS, GLONASS und GALILEO als mögliche Positionsermittlungseinrichtungen benannt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Positionsermittlungseinrichtung geeignet ausgebildet sein, Positionsdaten, welche von einem Drahtlosnetzwerk zur Verfügung gestellt werden, auszuwerten. Solche Daten können bspw. die Verfügbarkeit und Lokalisierung von WLAN-Signale in einer individuellen standortabhängigen Kombination sein. Diese Signale stammen von kommerziellen Hotspots, Firmennetzwerken oder von privaten Heimnetzwerken. Die Kenntnis über den Standort dieser Netzwerke (Router) erlaubt so die Berechnung des Standortes. Auf diese Weise kann eine Positionsbestimmung auch an Orten stattfinden, an denen Satellitensignale nicht verfügbar sind, z.B. in Gebäuden.
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Geeignete Signale können bspw. Mobilfunk, WLAN, LoRa, Sigfox, NB-IOT, oder NFC Signale sein, die beispielsweise über eine Funk-Kommunikationseinheit des Füllstandmessgeräts empfangen werden.
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Die Positionsermittlung kann dabei unmittelbar oder mittelbar erfolgen. Das heißt, dass eine Positionsermittlung unmittelbar in dem Feldgerät erfolgen oder mittelbar über ein verfügbares Funk-Kommunikationsnetz und bspw. einen über dieses kontaktierten Dienst. Für eine mittelbare Positionsermittlung wird das oder werden die eine Position des Feldgeräts indizierenden Positionssignale an den Dienst, der bspw. auf einem Server im Internet läuft, übermittelt. Dieser bestimmt die Position und überträgt diese an das Feldgerät zurück. Zusätzlich oder alternativ kann der Dienst die Verfügbarkeit von Funk-Kommunikationsnetzen ermitteln und an das Feldgerät übertragen, sodass dieses eine möglicherweise besser geeignete Funk-Kommunikationseinrichtung für die weitere Kommunikation auswählen kann.
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Um Energie für die Positionsbestimmung zu sparen, kann das Feldgerät dazu eingerichtet sein, eine Bewegung des Feldgeräts zu detektieren. Auf diese Weise wird es möglich, eine Positionsbestimmung nur bei einem Neustart des Feldgeräts und nach einer detektierten Bewegung, also wenn sich die Position des Feldgeräts verändert hat, durchzuführen, ansonsten wird der zuletzt ausgewählte Betriebsmodus weiterhin verwendet. So können unnötige Positionsbestimmungen und der damit verbundene Energieverbrauch vermieden werden.
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Es kann damit ermittelt werden, ob das Feldgerät an einem Ort stationär verharrt, oder ob es sich in Bewegung befindet. Das Feldgerät kann dazu über einen oder mehrere Sensoren verfügen, welche unmittelbar eine Bewegung des Feldgeräts anzeigen, wie beispielsweise einen akustischen, optischen und/oder auf Radar basierenden Dopplersensor, einen Beschleunigungssensor, einen Vibrationssensor und/oder einen Erdmagnetfeldsensor.
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Das Feldgerät ist bevorzugt als autarkes Feldgerät ausgebildet und damit besonders gut mobil einsetzbar.
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Autarke Feldgeräte, insbesondere autarke Sensoren gewinnen durch die Verwendung von einem oder mehreren der vorgenannten Funkstandards an zusätzlichen Einsatzmöglichkeiten. Autarke Sensoren, also Feldgeräte dieser Produktfamilie zeichnen sich durch eine besonders einfache Montage ohne Anbringen einer Kommunikations- oder Versorgungsleitung aus. Die von diesen Feldgeräten ermittelten Messwerte werden typischerweise unter Verwendung einer Schmalbandfunktechnologie (LoRa, Sigfox, NB-IOT) in eine Cloud, d.h. auf einen Server im World Wide Web übertragen. Typische Anwendungsszenarien für solche Feldgeräte umfassen Bereiche wie die Hochwasservorhersage, die Überwachung von Regenüberlaufbecken, die Lagerbestandsverwaltung, Messaufgaben an oder in Verbindung mit mobilen Behältern oder auch andere dezentral verteilte Messaufgaben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Erweiterungsmodul für eine Feldgerät, wobei das Erweiterungsmodul wenigstens eine Funk-Kommunikationseinrichtung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Betriebsmodi aufweist, wobei die unterschiedlichen Betriebsmodi abhängig von einem Betriebsort des Feldgeräts sind, und zeichnet sich dadurch aus, dass das Erweiterungsmodul wenigstens eine Positionsermittlungseinrichtung aufweist, wobei das Erweiterungsmodul dazu eingerichtet ist, aus den Positionsdaten einen Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinrichtung zu ermitteln und entsprechend vorgegebener Bedingungen auszuwählen.
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Auf diese Weise werden die Vorteile des oben beschriebenen Feldgeräts auch für Bestandsgeräte verfügbar gemacht. Die Bestandsgeräte können mit einem entsprechenden Erweiterungsmodul ausgestattet und so die erfindungsgemäße Funktionalität nachgerüstet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Erweiterungsmodul kann vorteilhafterweise insbesondere bei modular aufgebauten Feldgeräten zum Einsatz kommen.
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Modular aufgebaute Feldgeräte sind aus einem modularen Feldgerätekonzept zusammengestellt. Bei einem modularen Feldgerätekonzept können aus einer Mehrzahl von kombinierbaren Sensoren, Gehäusen, Elektronikeinheiten und Bedien- und/ oder Anzeigeeinheiten ausgewählt und ein entsprechendes Feldgerät aufgebaut werden. Ein solches modulares Feldgerätekonzept wird bspw. von der Firma Vega Grieshaber KG angeboten. Kombinierbar sind in der Regel ein Sensor, ein entsprechendes Elektronikmodul, das eine Messwertverarbeitung und eine Schnittstelle zu einer Steuerung und ggf. einem verwendeten Feldbus bereitstellt, sowie verschiedene Anzeige- und/oder Bedieneinheiten. Die Sensoren, Elektronikmodule und Anzeige und/oder Bedieneinheiten sind sowohl aneinander als auch an verschiedene verfügbare Gehäuse angepasst.
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In ein solches modulares Feldgerätekonzept ist das vorgenannte Erweiterungsmodul eingebunden und eröffnet damit die Möglichkeit, die so gebildeten Feldgeräte, insbesondere auch Bestandsfeldgeräte, mit der oben beschriebenen Funktionalität auszustatten.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen transportablen Behälter mit einem Feldgerät, das gemäß der obigen Beschreibung ausgebildet ist. Mobile Behälter können besonders gut mit mobilen und vorzugsweise autarken Feldgeräten versehen werden. In diesem Zusammenhang ist es ein Vorteil, dass die autarken Feldgeräte keine Anschlussleitungen benötigen und häufig mit öffentlich verfügbarer Infrastruktur betrieben werden können. So sind insbesondere die o.g. Schmalband-Funktechnologien häufig großflächig öffentlich verfügbar, sodass keine zusätzlichen Kosten für den Betrieb und eine Wartung einer privaten Infrastruktur anfallen. Entsprechend können mobile Behälter, bspw. sog. IBCs (Intermediate Bulk Container) bereits ab Werk mit einem mobilen Feldgerät, insbesondere einem autarken Füllstandmessgerät ausgestattet sein, das dann lediglich noch in das Warenwirtschaftssystem des jeweiligen Benutzers eigebunden werden muss um bspw. die Position und den Füllstand des Behälters zu überwachen. Insbesondere bei autarken Feldgeräten bietet es sich an, diese direkt in einen Behälter zu integrieren. Bspw. kann ein entsprechendes Feldgeräte mit einer Funk-Kommunikationseinheit in einen mobilen Behälter, bspw. einen IBC (Intermediate Bulk Container) integriert, bspw. bei der Herstellung des IBC in den Kunststoff eingespritzt oder anderweitig integriert werden. Alternativ kann das Feldgerät in einen Deckel des IBC integriert sein und somit auch bei herkömmlichen IBCs nachgerüstet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts oder eines Feldgeräts mit einem Erweiterungsmodul gemäß der obigen Beschreibung, weist wenigstens folgende Schritte auf:
- - Ermitteln einer Position und/oder eines eine Position indizierenden Positionssignals,
- - Ermitteln eines für die Position geltenden Betriebsmodus
- - Einstellen des Betriebsmodus,
- - Betreiben der Funk-Kommunikationseinrichtung in dem eingestellten Betriebsmodus.
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Das Verfahren wird bevorzugt nach dem Einschalten oder einem Aktivieren des Feldgeräts durchgeführt. Dadurch wird sichergestellt, dass wenn das Feldgerät erstmals eingeschaltet, d.h. erstmals in Betrieb genommen wird, eine Ermittlung der Position stattfindet. Zusätzlich kann das Feldgerät auch bei jeder Aktivierung, d.h. vorliegend bei jeder Überführung des Feldgeräts aus einem Stromspar-, Schlaf- oder Standby-Modus in einen aktiven oder Messmodus, eine Bestimmung der Position durchführen. Nach der Ermittlung der Position und/oder des eine Position indizierenden Positionssignals wird ein für die jeweilige Position geltender, Betriebsmodus ermittelt und eingestellt.
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Eine Liste von für bestimmte durch geographische Positionen zu verwendenden Betriebsmodi kann bspw. aus einem Speicher des Feldgeräts oder des Erweiterungsmoduls abgerufen werden. Ebenfalls könnte die Liste auch aus der Cloud abgerufen werden.
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Zur Positionsermittlung können bspw. Positionssignale, die mittels eines Satellitennetzwerks ermittelt werden, verwendet werden. Mögliche Satellitennetzwerke wurden oben beispielhaft benannt.
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Zusätzlich oder alternativ können zur Positionsermittlung Informationen verfügbarer Funk-Kommunikationsnetzwerke verwendet werden.
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Wird eine Bewegung des Feldgeräts erkannt und erfolgt eine Positionsermittlung nur nach dem Einschalten oder dem Aktivieren nach einer erkannten Bewegung und wird ansonsten der zuvor verwendete Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinrichtung weiterverwendet, so kann eine deutliche Reduktion der benötigten Energie erreicht werden.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Computerprogrammcode, der wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, ein Feldgerät dazu veranlasst, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Bevorzugte Ausführungsformen, Merkmale und Eigenschaften des vorschlagsgemäßen Feldgeräts entsprechen denjenigen des vorschlagsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Feldgeräts gemäß der vorliegenden Anmeldung,
- 2 einen beispielhaften Verfahrensablauf zum Betreiben des Feldgeräts gemäß 1 und
- 3 eine Weltkarte mit beispielhaft eingezeichneten Regionen für das LoRa-Netzwerk.
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldgeräts 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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Das Feldgerät 1 ist in 1 lediglich schematisch dargestellt und weist im Wesentlichen einen Sensor 7 zur Ermittlung eines Messwertes, bspw. eines Füllstandes, eine Steuer- und Auswerteeinheit 11 sowie ein zur Übermittlung des Messwertes und etwaiger weiterer Daten an eine übergeordnete Einheit ausgebildete Funk-Kommunikationseinrichtung 3 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Funk-Kommunikationseinrichtung 3 als LoRa-Funkmodul ausgebildet und mit einer Breitband-Antenne 9, die für unterschiedliche Frequenzbänder geeignet ausgebildet ist, gekoppelt.
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Ferner weist das Feldgerät 1 eine als GPS-Empfänger ausgebildete Positionsermittlungseinrichtung 5 auf, die mit der Steuer- und Auswerteeinheit 11 und der Funk-Kommunikationseinrichtung 3 gekoppelt ist. Die Positionsermittlungseinrichtung 5 ist geeignet ausgebildet, eine geographische Position des Feldgeräts 1 auf Anforderung der Steuer- und Auswerteeinheit 11 zu ermitteln und eine Positionsinformation zur Verfügung zu stellen.
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Anhand der zur Verfügung gestellten Positionsinformation ermittelt die Steuer- und Auswerteeinheit 11 anhand eines in einem Speicher 13 der Steuer- und Auswerteeinheit 11 abgelegten Channel-Plans, der eine Zuordnung von geographischen Positionen und an den geographischen Positionen zulässigen oder vorgeschriebenen Kombinationen aus Anzahl von zu verwendenden Kanälen (Frequenzen und Bandbreite), Duty Cycles, maximaler Payload und Sendeleistung, den Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinrichtung 3. Für die unterschiedlichen Frequenzen wird die Ansteuerung der Breitbandantenne 9 entsprechend angepasst.
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2 zeigt einen beispielhaften Verfahrensablauf, wie er zum Betreiben eines Feldgeräts 1, wie es in 1 gezeigt ist, zum Einsatz kommen kann. Beschrieben werden lediglich die in Bezug auf die Positionsermittlung und positionsabhängige Einstellung der Funk-Kommunikationseinrichtung 3 relevanten Schritte. Das Ermitteln von Messwerten mittels des Sensors 7, die Verarbeitung der Messwerte und deren Übermittlung über die Funk-Kommunikationseinrichtung 3 an eine übergeordnete Einheit, bspw. eine Leitwarte, oder einen Server in einer Datencloud unterscheiden sich nicht von den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden. Aus Gründen des Energiesparens können einzelne Verfahrensschritte anlassbezogen oder timergesteuert ausgeführt werden. Bspw. ist eine aktuelle Positionsermittlung nur notwendig, wenn tatsächlich eine Kommunikation über die Funk-Kommunikationseinrichtung 3 erfolgen soll und/oder wenn sich das Feldgerät 1 zuvor bewegt hat, d.h. sich die Position des Feldgeräts 1 wahrscheinlich verändert hat.
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In dem in 2 dargestellten, vereinfachten Verfahren wird in einem ersten Schritt 201 eine Ortsermittlung durchgeführt.
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In einem zweiten Schritt 202 wird ermittelt, ob sich die Position des Feldgeräts 1 gegenüber zuletzt ermittelten Position verändert hat und ob die neue Position einer neuen Region, d.h. einer Region, in der die Funk-Kommunikationseinrichtung 3 in einem anderen Betriebsmodus, bspw. Channel-Plan betrieben werden muss, zuzuordnen ist.
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Hat sich die Region des Feldgeräts 1 nicht verändert, so wird die Funk-Kommunikationseinrichtung 3 mit den zuvor verwendeten Einstellungen weiterverwendet und es wird das Verfahren vor einer erneuten Nutzung wieder mit Schritt 201 gestartet.
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Hat sich die Position derart verändert, dass sich das Feldgerät 1 in einer neuen Region, d.h. in einer Region befindet, in der es mit einem anderen Betriebsmodus betrieben werden muss, so wird in einem dritten Schritt 203 der geänderte Betriebsmodus eingestellt und die Funk-Kommunikationseinrichtung 3 in dem geänderten Betriebsmodus betrieben.
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In einer alternativen Ausgestaltungsform des Verfahrens wird vor eine Bewegung des Feldgeräts 1 bspw. durch einen Beschleunigungssensor überwacht. Um Energie für unnötige Positionsbestimmungen einzusparen wird eine Positionsbestimmung gemäß Schritt 201 nur dann durchgeführt, wenn zuvor eine Bewegung des Feldgeräts 1 festgestellt wurde.
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3 zeigt beispielhaft für das LoRa-Netzwek eine Weltkarte mit beispielhaft eingezeichneten Regionen, in denen sich der vorgeschriebene Betriebsmodus der Funk-Kommunikationseinheit 3 voneinander unterscheidet. Die gezeigte Weltkarte zeigt die Zuordnung regionaler Paramtersätze gemäß der Veröffentlichung RP002-1.0.1 LoRaWAN Regional Parameters der LoRa Alliance, Inc. (Stand 20. Februar 2020), gemäß der in den USA der Parametersatz US915, in Europa der Parametersatz EU868 und in Indien der Parametersatz IN865 anzuwenden sind.
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Ein Feldgerät, wie es in Bezug auf 1 beschrieben wurde, kann die jeweils anzuwendenden Parametersätze aufgrund seiner geographischen Position automatisiert ermitteln und anwenden.
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Nachfolgend sind einige wesentliche Unterschiede der Channel Plans für die Europäische Union (EU 868) und Nordamerika (US 915) angegeben.
| Channel Plan | EU 868 | US 915 |
| Channel Frequency | 867-86MHz | 902-928MHz |
| Number of Channels | 10 | 64 + 8 +8 |
| Channel BW Up | 125/250kHZ | 125/500kHz |
| Channel BW Dn | 125kHZ | 500kHz |
| TX Power Dn | +14 dBm | +27 dBm |
| Tx Power Up | +14 dBm | +20dBm typ (+30dBm allowed) |
| Data rate | 250bps-50kbps | 980bps-21.9kpbs |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feldgerät
- 3
- Funk-Kommunikationseinrichtung
- 5
- Positionsermittlungseinrichtung
- 7
- Sensor
- 9
- Antenne
- 11
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 13
- Speicher
- 201-203
- Verfahrensschritte
