DE102020207201A1

DE102020207201A1 - Aktuator für einen Geräteverbund

Info

Publication number: DE102020207201A1
Application number: DE102020207201.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Grillenberger; Christopher Betzin; Andreas Gröger; Stefan Bucher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-12-09
Also published as: WO2021249793A1

Abstract

Ein Aktuator für einen Geräteverbund, der eine Mehrzahl von Geräten umfasst, von denen wenigstens ein Teil Aktuatoren sind, tauscht Zustandsdaten mit allen anderen Geräten des Geräteverbunds aus. Er ermittelt eine Aktivitätserlaubnis für die eigene steuerbare Aktuatorik mittels Datenaustausch mit wenigstens einem Teil der anderen Geräte des Geräteverbunds, wobei die Aktivitätserlaubnis so ermittelt wird, dass zu einer Zeit nur eines der Geräte des Geräteverbunds eine Aktivitätserlaubnis hat. Bei Vorliegen der Aktivitätserlaubnis ermittelt der Aktuator aus den zwischengespeicherten Zustandsdaten eine Aktivität für die Aktuatorik und führt diese aus.

Description

Durch die zunehmende Digitalisierung und zunehmende Anforderungen an alle Arten von Geräten werden immer mehr der Geräte in die Lage versetzt, eigenständig oder durch ein zusätzliches Hilfs-Gerät eine Verbindung zu anderen Geräten aufzubauen und Daten mit diesen auszutauschen, also kurz gesagt mit anderen Geräten zu kommunizieren. Geräte bekommen dazu stärkere Mikrocontroller und passende Kommunikationsschnittstellen.
Diese Kommunikation wird beispielsweise dazu verwendet, zeitaktuelle Zustandsdaten wie beispielsweise die Temperatur, die Drehzahl eines Motors, zeitunabhängige Kenndaten wie beispielsweise eine Nennleistung oder andere physikalische und nicht-physikalische Größen zu erfassen und an ein zentrales Steuergerät weiterzugeben.
Das zentrale Steuergerät, das die übergeordnete Ebene bildet, nimmt die Daten auf und bringt sie in Zusammenhang. Beispielsweise kann dort aus den gesammelten Daten eine Handlungsanweisung ermittelt werden, die dann wiederum an einen Aktuator übertragen wird. Heutzutage wird im Zusammenhang mit der einfachen Verfügbarkeit und Geschwindigkeit des Internets zunehmend dazu übergegangen, als übergeordnete Ebene einen Cloud-Service zu wählen. Der Cloud-Service kann zwar als dezentral bezeichnet werden, ist aber dennoch noch weiter von den Geräten entfernt als ein zentrales Steuergerät in derselben Anlage es wäre.
Fällt in einem solchen System eines der Geräte aus, kann das System - je nach Art des Geräteausfalls in beschränktem Maß - weiterarbeiten. Fällt aber die übergeordnete Ebene aus, ist das gesamte System blockiert. ein solcher Ausfall kann beispielsweise schon in einer unterbrochenen Datenverbindung zum zentralen Steuergerät bestehen. Damit ergibt sich ein Ausfall des Systems, obwohl keines der tatsächlich im System lokal vorhandenen Geräte defekt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aktuator für einen Geräteverbund anzugeben, der den genannten Nachteil vermeidet, insbesondere die Betriebssicherheit in einem solchen Geräteverbund erhöht.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Aktuators durch einen Aktuator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Aktuator ist ausgestaltet zum Betrieb und Einsatz in einem Geräteverbund, der eine Mehrzahl von Geräten umfasst. Der Aktuator umfasst eine Kommunikations-Schnittstelle zum bidirektionalen Datenaustausch mit anderen Geräten des Geräteverbunds. Der Aktuator umfasst eine Aktuatorik zur steuerbaren Einflussnahme auf ein System, das dem Geräteverbund zugeordnet ist.
Der Aktuator umfasst einen Speicher zum Zwischenspeichern von empfangenen Daten von anderen Geräten des Geräteverbunds, wobei die Daten Identifikationsdaten und Zustandsdaten der Geräte umfassen.
Der Aktuator ist weiterhin ausgestaltet, eine Aktivitätserlaubnis mittels Datenaustausch mit wenigstens einem Teil der anderen Geräte des Geräteverbunds zu ermitteln Die Aktivitätserlaubnis wird dabei so ermittelt, dass zu einer Zeit nur eines der Geräte des Geräteverbunds eine Aktivitätserlaubnis hat. Der Aktuator ist schließlich so ausgestaltet, dass er bei Vorliegen der Aktivitätserlaubnis aus den zwischengespeicherten Daten eine Aktivität für die Aktuatorik ermittelt und auszuführt.
Die Aktuatorik ist ein Mittel zur physischen Einflussnahme. Der Fachmann kennt eine Vielzahl von Aktuatoren, insbesondere Schalter wie beispielsweise Schütze, Pumpen, Fördermittel und Motoren. Der Aktuator kann dabei von einem elektronischen oder leistungselektronischen System wie beispielsweise einem Umrichter gesteuert sein. Das System, auf das der Aktuator Einfluss nimmt, kann ein elektrisches System wie beispielsweise ein Versorgungssystem für eine oder mehrere Lasten sein. Das System kann auch ein Flusssystem für ein flüssiges oder andersförmiges Medium sein, das Pumpen aufweist. Das System kann auch ein Fördersystem für insbesondere feste Materialien sein. Das System kann ferner robotische Einheiten einer Produktionsanlage umfassen.
Die ermittelte Aktivität bei Vorliegen der Aktivitätserlaubnis kann auch darin bestehen, keine Handlung vorzunehmen, also die Aktuatorik nicht zu verwenden.
Die Identifikationsdaten ermöglichen eine eindeutige Erkennung des Gerätes, für das sie stehen und somit eine eindeutige Unterscheidung von den anderen Geräten des Geräteverbunds. Die Zustandsdaten können zeitaktuelle Messdaten physikalischer Größen sein, insbesondere elektrische Spannung, Strom, Wirkleistung, Scheinleistung, Frequenz, Antriebsströme, Drehzahl, Drehmoment, Durchflussmenge, Durchflussgeschwindigkeit, Temperatur, Geschwindigkeit, Vorschub oder Druck. Weiterhin können die Zustandsdaten auch zeitunabhängige Daten umfassen, insbesondere gerätspezifische Daten, insbesondere Kenndaten der Geräte, beispielsweise Nennleistung, optimaler Arbeitspunkt, maximale Leistung, Förderleistung, maximales Drehmoment.
Der so geschaffene Aktuator ermöglicht es dem Geräteverbund, autark und wenigstens in Teilen selbstorganisiert zu handeln. Eine übergeordnete Instanz wie beispielsweise ein Cloudsystem oder eine lokale übergeordnete Steuerung ist dabei unnötig für die Festlegung von Handlungen der Aktuatorik, auch wenn die Handlungen verschiedener Aktuatoren im Geräteverbund sich gegenseitig beeinflussen und daher eine Koordination notwendig erscheint.
Insbesondere ermöglicht der so geschaffene Aktuator, Handlungen seiner Aktuatorik sicher und ohne überlappende oder widersprechende Handlungen anderer Aktuatoren im Geräteverbund vorzunehmen, indem Handlungen des Aktuators nur dann vorgenommen werden, wenn die Aktivitätserlaubnis bei diesem Aktuator liegt. Auf den Geräteverbund übertragen bedeutet das, dass nur derjenige Aktuator Handlungen vornehmen darf, bei dem die Aktivitätserlaubnis zu der gegebenen Zeit vorliegt.
Die Kommunikationsschnittstelle ist beispielsweise eine kabelgebundene Ethernetverbindung, eine WLAN- oder eine Mesh-Netzwerk-Verbindung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aktuators gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Ausführungsformen der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen sein:

Der Aktuator kann ausgestaltet sein, die Aktivitätserlaubnis durch einen Aktivitätstoken festzulegen, der mit den Daten zwischen den Geräten des Geräteverbunds ausgetauscht wird. Bevorzugt ist die Weitergabe der Aktivitätserlaubnis dabei so geregelt, dass stets nur eines Gerätes, insbesondere nur einer der Aktuatoren die Aktivitätserlaubnis haben kann. Dadurch wird sichergestellt, dass keine überlappenden Aktuatorhandlungen wie beispielsweise Schalthandlungen stattfinden, deren Ergebnisse einander entgegen arbeiten oder sich zu einem überschüssigen Ergebnis ergänzen. Bevorzugt wird dabei die Aktivitätserlaubnis zyklisch zwischen den Geräten ausgetauscht. Mit anderen Worten wird also dafür gesorgt, dass die Geräte die Aktivitätserlaubnis in weitgehend gleichen zeitlichen Abständen erhalten und so keines der Geräte systematisch häufiger agieren muss oder darf als andere Geräte. So wird eine Gleichbelastung der Geräte und Gleichberechtigung verschiedener Abschnitte des Geräteverbunds sichergestellt.

Bevorzugt werden auch die Daten durch die Geräte zyklisch versendet. Dies kann beispielsweise durch eine Steuerung erreicht werden, die die Versendung der Daten, die die Zustandsdaten enthält, an die Aktivitätserlaubnis koppelt. Dabei muss die Aktivitätserlaubnis dann auch an Geräte gegeben werden, die selbst keine Aktuatoren sind, damit auch diese ihre Daten versenden. In alternativen Ausgestaltungen wird die Aktivitätserlaubnis nur zwischen den Aktuatoren des Geräteverbunds ausgetauscht.
Um ein verteiltes Datenmodell in dem Geräteverbund zu realisieren und es allen Geräten zu ermöglichen, stets alle Daten des Geräteverbunds zur Verfügung zu haben, ist es zweckmäßig, wenn der Aktuator alle empfangenen Daten zwischenspeichert und zu einem späteren Zeitpunkt zu den anderen Geräten auch wieder versendet.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Aktuator mehrere Sätze von empfangenen Daten zwischenspeichert. Dadurch wird es möglich, aus den Daten zu ermitteln, welche der anderen Geräte des Geräteverbunds beispielsweise für einen Zeitraum inaktiv waren, keine Aktivitätserlaubnis erhalten haben oder die Aktivitätserlaubnis behalten haben.
Aus dem Aktuator, optional weiteren Aktuatoren mit den beschriebenen Eigenschaften und optional weiteren Geräten lässt sich ein vorteilhafter Geräteverbund mit einer Mehrzahl von Geräten aufbauen. Der Geräteverbund kann auch andere Typen von Geräten umfassen, insbesondere Messgeräte. Messgeräte sind solche Geräte, die physikalische Werte ermitteln. Diese ermittelten Werte werden von den Messgeräten den Daten zugefügt und zusammen mit den anderen Daten an die anderen Geräte des Geräteverbunds übermittelt.
Der Geräteverbund kann Geräte umfassen, die bezüglich der Weitergabe der Aktivitätserlaubnis passiv sind und somit bei der Aktivitätserlaubnis unberücksichtigt bleiben. Beispielsweise können Messgeräte als passive Geräte behandelt werden. Es ist aber auch möglich, dass Messgeräte an der Weitergabe der Aktivitätserlaubnis beteiligt sind.
Vorteilhaft ist es, wenn jedes Gerät des Geräteverbunds, Daten von den anderen Geräten des Geräteverbunds empfängt, zwischenspeichert und zusammen mit seinen eigenen Daten oder getrennt davon an die anderen Geräte im Geräteverbund weiterversendet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 ein Energieverteilsystem mit Transformatoren zur Versorgung einer Last,
2 ein Pumpsystem mit mehreren Pumpen zur Förderung einer Flüssigkeit.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Geräteverbund in Form eines Energie-Verteilsystems 10. Das Energie-Verteilsystem 10 umfasst drei parallele Arme 121...123, die ein Versorgungsnetzwerk 14 mit einer Last 16 verbinden. Das Versorgungsnetzwerk 14 ist beispielsweise das öffentliche Versorgungsnetzwerk, wobei der Anschluss der Arme 121...123 in diesem Beispiel direkt am Mittelspannungsnetz erfolgt.
Jeder der Arme 121...123 umfasst eine Serienschaltung eines Transformators 181...183 und eines Schalters 191...193. Zusätzlich ist in jedem der Arme ein Messgerät 201...203 vorhanden. Die Transformatoren übernehmen die Versorgung der Last 16 mit einer geeigneten Spannung, beispielsweise der Spannung des Ortsnetzes von 400 V. Über die Schalter 191...193 werden die Transformatoren 181...183 je nach Bedarf zugeschaltet oder abgeschaltet.
Die Last 16 ist in 1 als ein Element dargestellt. In Wirklichkeit ist die Last 16 aber die Summe aus vielen Elementen, die durch ihr individuelles Verhalten und ihre individuellen zeitlich variablen Leistungsanforderungen eine ebenfalls zeitlich variable und nur begrenzt vorhersagbare Gesamtleistung benötigen, die über die Arme 121...123 bereitgestellt werden muss. Daher ergibt sich ein zeitlich variabler Bedarf, der durch eine zeitliche variierende Zuschaltung der Transformatoren 181...183 gedeckt wird.
Es ist sinnvoll, wenn das Energie-Verteilsystem 10 möglichst effizient betrieben wird, d.h. wenn so wenige Transformatoren 181...183 wie möglich betrieben werden. Haben die Transformatoren 181...183 unterschiedliche Nennleistungen, ist es sinnvoll, so wenig Nennleistung wie für die Last 16 möglich zu verwenden. Dafür müssen die Schalter 191...193 bedarfsgerecht geschaltet werden.
Normalerweise wird eine entsprechende Steuerung der Schalter 191...193 durch eine zentrale Steuereinrichtung vorgenommen. Die zentrale Steuereinrichtung nimmt dafür die Daten der einzelnen Geräte 11 auf und ermittelt bedarfsgerechte Schaltereinstellungen. Die zentrale Steuereinrichtung kann dabei lokal angeordnet und ein Teil des Energie-Verteilsystems 10 sein. Alternativ kann die zentrale Steuereinrichtung auch örtlich entfernt oder völlig dezentral nach Art eines Cloud-Service beschaffen sein.
Nachteilig ist, dass der Betrieb des Energie-Verteilsystems 10 in diesem Fall völlig vom Funktionieren und von der Erreichbarkeit der zentralen Steuerung abhängig ist. Ist die zentrale Steuerung über ein Netzwerk wie das Internet angebunden, bewirkt eine Störung gleichzeitig, dass die Schalter nicht mehr geeignet angesteuert werden können. Auch wenn die zentrale Steuerung lokal angeordnet ist, hängt der Betrieb des Energie-Verteilsystems 10 von ihrem Funktionieren ab.
Um den Betrieb unabhängig von einer zentralen Steuerung zu machen, arbeiten die Geräte 11 im vorliegenden Ausführungsbeispiel für die Erfindung mit einem Verteilte-Daten-Modell. Dabei wird genutzt, dass moderne Geräte 11 immer häufiger ohnehin mit Mikroprozessoren zur Steuerung und mit einer Kommunikations-Schnittstelle ausgestattet sind und somit bestimmte Grundfunktionen zur Bildung eines Geräteverbunds mit dem Verteilte-Daten-Modell ohnehin vorhanden sind.
Im Verteilte-Daten-Modell tauschen die Geräte 11 des Energie-Verteilsystems 10 untereinander ihre Zustandsdaten aus. Zustandsdaten können dabei Messdaten sein, also zeitaktuelle Daten, die den physikalischen Zustand eines Systems angeben, sind. Unter Zustandsdaten werden aber auch zeitlich unveränderliche Kenndaten der Geräte 11 verstanden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel versenden die Messgeräte 201...203 die gemessene Leistung im jeweiligen Arm 121...123 an die anderen Geräte 11. Die Schalter 191...193 versenden ihren jeweiligen Schaltstatus ebenfalls an die anderen Geräte 11. Die Transformatoren 181...183 schließlich versenden ihre Nennleistung an die anderen Geräte 11.
Zumindest ein Teil der neun Geräte 11 kann die empfangenen Daten zwischenspeichern und wieder im Geräteverbund weiterverteilen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle Geräte 11 sämtliche empfangenen Daten zwischenspeichern und auch sämtliche so zwischengespeicherten Daten an die anderen Geräte 11 weiterversenden, da auf diese Weise der Ausfall eines einzelnen Geräts 11 oder einer Kommunikationsverbindung den geringsten Einfluss auf das Weiterarbeiten der verbleibenden Geräte 11 des Geräteverbunds hat.
Die Daten der Messgeräte 201...203 im Verteilte-Daten-Modell sehen bei Ausgabe im JSON-Format derart aus:


 "System1": [{
   "Device": "Messgerät1", 




   "Werte": [{
       "name": "Meter_Grid_Power_Sum1",
       "device class": "Sentron PAC2200",
       "value": "9.999",
       "unit": "W",
       "type": "data-source",
       "physical-binding": "Trafo1"
   }]
 }]
   "System2": [{
   "Device": "Messgerät2",
   "Werte": [{
       "name": "Meter_Grid_Power_Sum2",
       "device class": "Sentron PAC2200",
       "value": "0",
       "unit": "W",
       "type": "data-source",
       "physical-binding": "Trafo2"
   }]
 }]
   "System3": [{
   "Device": "Messgeräts",
   "Werte": [{
       "name": "Meter_Grid_Power_Sum3",
       "device class": "Sentron PAC2200",
       "value": "0",
       "unit": "W",
       "type": "data-source",
       "physical-binding": "Trafo3"
   }]
 }]

Dabei geben die Messgeräte 201...203 durch den Wert „type“: „data-source“ zu erkennen, dass sie Zustandsdaten in Form von Messwerten bereitstellen. Durch den jeweiligen Wert für „physical-binding“ wird die Zuordnung zu dem jeweiligen physischen Transformator angegeben, die sich für die weiter folgenden virtuellen Geräte 11 wiederholt.

Die entsprechenden Angaben für die drei virtuellen Transformatoren 201...203 sind wie folgt:


 "System4": [{
   "Device": "Trafo",
   "Werte": [{
       "name": "Trafo1",
       "device class": "Transformer 0815",
       "value": "10.000",
       "unit": "Nennleistung",
       "type": "data-source",
       "limit": "9.999",
       "physical-binding": "Trafo1"
   }]
   }]
   "System5": [{
   "Device": "Trafo",
   "Werte": [{
       "name": "Trafo2",
       "device class": "Transformer 0815",
       "value": "10.000",
       "unit": "Nennleistung in W",
       "type": "data-source",
       "limit": "9.999",
       "physical-binding": "Trafo2"
   }]
   }]
   "System6": [{
   "Device": "Trafo",
   "Werte": [{
       "name": "Trafo3",
       "device class": "Transformer 0815",
       "value": "5.000",
       "unit": "Nennleistung in W",
       "type": "data-source",
       "limit": "4.499",
       "physical-binding": "Trafo2" 




   }]
   }]

Dabei geben die Transformatoren 201...203 durch den Wert „type“: „data-source“ ebenfalls zu erkennen, dass sie Zustandsdaten bereitstellen, in diesem Fall die zeitlich konstante, weil baubedingte Nennleistung. Durch den jeweiligen Wert für „physical-binding“ wird wiederum die Zuordnung zu dem jeweiligen physischen Transformator angegeben.

Die entsprechenden Angaben für die drei Schalter 191...193 sind wie folgt:


 "System7": [{
   "Device": "Breaker",
   "Werte": [{
       "name": "Breaker1",
       "device class": "Breaker",
       "value _1": "on",
       "value _2": "off",
       "device type": "Actor",
       "type": "data-sink",
       "limit": "9.999",
       "physical-binding": "Trafo1",
       "activity-token": "hold"
   }]
 }]
   "System8": [{
   "Device": "Breaker",
   "Werte": [{
       "name": "Breaker2",
       "device class": "Breaker",
       "value _1": "on",
       "value _2": "off",
       "device type": "Actor",
       "type": "data-sink",
       "limit": "9.499",
       "physical-binding": "Trafo2", 

       "activity-token": "handover"
   }]
 }]
   "System9": [{
   "Device": "Breaker",
   "Werte": [{
       "name": "Breaker3",
       "device class": "Breaker",
       "value _1": "on",
       "value _2": "off",
       "device type": "Actor",
       "type": "data-sink",
       "limit": "4.499",
       "physical-binding": "Trafo3",
       "activity-token": "handover"
   }]
 }]

Dabei geben die Schalter 191...193 durch den Wert „type“: „data-sink“ zu erkennen, dass sie Zustandsdaten aufnehmen und verarbeiten. Durch den jeweiligen Wert für „physical-binding“ wird wiederum die Zuordnung zu dem jeweiligen physischen Transformator angegeben. Weiterhin geben die Schalter 191...193 durch die Angabe „device type“: „Actor“ zu erkennen, dass sie den physischen Zustand des Geräteverbunds durch steuernden Eingriff verändern können, also hier durch ein Zu- oder Abschalten des jeweiligen Arms 121...123. Andere Formen von Aktuatoren sind beispielsweise Umrichter.

In dem vorliegenden Text wird nur dort zwischen den virtuellen Geräten 11 und den physischen Geräten 11 unterschieden, wo es nötig ist, ansonsten werden diese als äquivalent betrachtet. Alle Geräte 11 im Geräteverbund haben eine eindeutige Kennung. Diese kann ein Name sein wie im gegebenen Beispiel die Werte der „Device“-Felder. Die eindeutige Kennung kann aber auch eine Seriennummer, ein QR-Code oder ein anderer Wert sein. Wichtig ist, dass die Geräte 11 eindeutig voneinander unterscheidbar sind, sodass übertragene Zustandsdaten dem jeweiligen Gerät 11 zugeordnet werden können.

Die Aktuatoren des Geräteverbunds, also die Schalter 191...193 haben also Daten von den Messgeräten 201...203 und den Transformatoren 181...183 sowie auch gegenseitig von den jeweils anderen Schaltern 191...193 zur Verfügung. Aus diesen Daten kann jeder Schalter bestimmen, ob eine Schalthandlung notwendig ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von einer Nennleistung von 10 kW für den ersten und zweiten Transformator 181, 182 und von einer Nennleistung von 5 kW für den dritten Transformator ausgegangen. Die Schalter 191...193 sind für die entsprechenden Ströme und Spannungen ausgelegt, aber ansonsten identisch.

Im Folgenden wird der Betrieb des Energie-Verteilsystems 10 anhand eines beispielhaften Verlaufs von Leistungsanforderungen der Last 16 beschrieben. Zu Beginn sind die Schalter 191...193 abgeschaltet, also offen. Die Messgeräte 201...203 messen in den Armen 121...123 jeweils eine Leistung von 0. Die Nennleistung der Transformatoren 181...183 ist durch die wechselseitige Übertragung der Zustandsdaten insbesondere den Schaltern 191...193 bekannt.

In einem ersten Schaltschritt wird der erste Schalter 191 aktiviert. Dies soll in diesem Beispiel durch eine externe, manuelle Handlung erfolgen. Die von der Last 16 bezogene Leistung beträgt für eine Weile 5 kW, was durch den ersten Transformator 181 problemlos bereitgestellt werden kann. Die Messgeräte 201...203 senden entsprechende Messwerte an die anderen Geräte 11, insbesondere die Schalter 191...193, die dadurch erkennen können, dass keine Schalthandlung notwendig sind.

In der Folge steigt die Leistung aber an, bis sie schließlich einen Wert von knapp unter 10 kW erreicht. Die Schalter 191...193, also die auf den jeweiligen Mikroprozessoren laufende Programme, erkennen, dass der erste Transformator 181 ausgelastet ist und ein weiterer Transformator 181...183 zugeschaltet werden muss.

Da keine zentrale Steuerung vorhanden ist, müssen die Schalter 191...193 selbständig erkennen, welcher Transformator 181...183 zweckmäßig zuzuschalten ist. Da die durch die Transformatoren 181...183 bereitstellbare Leistung nicht unnötig weit über der notwendigen Leistung zum Betreiben der Last 16 liegen soll, sollte im vorliegenden Beispiel der dritte Transformator 183 zugeschaltet werden, da er eine kleinere Nennleistung aufweist als der andere freie, also der zweite Transformator 182.

Im vorliegenden Beispiel kann also die Firmware des zweiten Schalters 192 selbständig aus den an sie übermittelten Zustandsdaten, nämlich den tatsächlichen Leistungen und den Nennleistungen erkennen, dass kein Handlungsbedarf für den zweiten Schalter 192 besteht. Die Firmware des dritten Schalters 193 kann erkennen, dass der dritte Schalter 193 schließen sollte, um den dritten Transformator 183 zur Versorgung der Last 16 zuzuschalten. Das wird in einem zweiten Schaltschritt durchgeführt, womit die maximal zur Verfügung stehende Leistung auf 15 kW steigt. Der zweite und dritte Schalter 192, 193 nutzen also unabhängig voneinander für die Bestimmung, ob ein Schaltvorgang nötig ist, die ihnen jeweils zur Verfügung stehenden Informationen des Geräteverbundes.

In der Folge steigt die von der Last 16 bezogene Leistung für einen Zeitraum auf 11 kW. Während dieser Zeit kann jeder der Schalter 191...193 ermitteln, dass keine weiteren Schalthandlungen erforderlich sind. Nach diesem Zeitraum fällt die von der Last 16 bezogene Leistung in diesem Beispiel auf 4,5 kW.

Wie bereits beschrieben, können die Schalter 191...193 nun unabhängig voneinander ermitteln, welche Schalthandlungen nötig sind. In diesem Beispiel sollte der erste Schalter 191 geöffnet werden, um die unnötigen 10 kW Nennleistung von der Last abzukoppeln, was in einem dritten Schaltschritt durchgeführt wird. Ein Abschalten des dritten Schalters 193 wäre ebenfalls möglich, würde aber mehr Nennleistung zur Verfügung stellen als nötig für die tatsächlich bezogene Leistung von 4,5 kW.

Nachfolgend soll in diesem Beispiel die bezogene Leistung wieder ansteigen auf 8 kW. Mit den gegebenen Nennleistungen der Transformatoren 181...183 ist es zweckmäßig, wenn nun der dritte Schalter 193 geöffnet wird und der erste oder der zweite Schalter 191, 192 geschlossen wird, um 10 kW Nennleistung bereitzustellen.

Da der Geräteverbund keine zentrale Steuerung aufweist, müssen der erste und zweite Schalter 191, 192 unabhängig voneinander und selbständig entscheiden, welche Schalthandlungen zu vollziehen sind. Da die Nennleistungen des ersten und zweiten Transformators gleich sind, gibt es keine eindeutige Entscheidung. Um gleichzeitige und überflüssige Schalthandlungen zu vermeiden und derartige Situationen aufzulösen, wird zwischen den Aktuatoren des Geräteverbunds, also hier zwischen den Schaltern 191...193 ein Aktivitätstoken ausgetauscht. Dieser kann beispielsweise zyklisch weitergegeben werden. Derjenige Aktuator, der den Aktivitätstoken hält, ist zu einer Handlung berechtigt, während die anderen Aktuatoren keine Handlungen vornehmen dürfen. Der Aktivitätstoken ist in oben aufgeführten Daten als „activity-token“ enthalten.

Hält im vorliegenden Beispiel der zweite Schalter 192 den Aktivitätstoken zu der Zeit des Lastwechsels, kann der zweite Schalter 192, also dessen Steuerung, entscheiden, dass ein Zuschalten des zweiten Transformators 182 nötig ist, da die Leistung vom dritten Transformator allein nicht bereitgestellt werden kann und da kein anderer, derzeit abgeschalteter Transformator 181...183 mit einer kleineren Nennleistung als der zweite Transformator 182 vorhanden ist. In einem vierten Schaltschritt wird daher der zweite Schalter 192 geschlossen.

Der dritte Schalter 193, der zu einem späteren Zeitpunkt den Aktivitätstoken erhält, kann anhand der Messwerte der Messgeräte 201...203 erkennen, dass der dritte Transformator 183 nicht mehr benötigt wird und kann daraufhin öffnen.

Der erste Schalter 191, der ebenfalls zu einem späteren Zeitpunkt den Aktivitätstoken erhält, kann anhand der Messwerte der Messgeräte 201...203 erkennen, dass ein Zuschalten des ersten Transformators 181 unnötig ist, also keine Schalthandlung des ersten Schalters 191 nötig ist.

Hält im vorliegenden Beispiel der erste Schalter 191 den Aktivitätstoken zu der Zeit des Lastwechsels, würde der erste Schalter 191 statt dem zweiten Schalter 192 schließen und der zweite Schalter 192 könnte aus den empfangenen Daten erkennen, dass kein Handlungsbedarf mehr besteht. Der Aktivitätstoken vermeidet also Konflikte bei nicht eindeutigen Situationen.

Die Weitergabe des Aktivitätstokens erfolgt dabei in einer möglichst ausfallsicheren und gleichmäßigen Weise. Beispielsweise kann ein Gerät 11 des Geräteverbunds, das den Aktivitätstoken weitergeben möchte, die Aktivitätserlaubnis für sich selbst als temporär ungültig markieren und dann ein anderes Gerät 11 auswählen, an das der Aktivitätstoken weitergegeben werden soll.

Diese Ermittlung kann beispielsweise stattfinden, indem das Gerät 11 eine Liste der zuletzt empfangenen Daten von den anderen Geräten 11 betrachtet. Aus diesen Daten, die den Aktivitätstoken und ihren jeweiligen Empfänger enthalten, kann das Gerät 11 ermitteln, welches der vorhandenen Geräte 11 die Aktivitätserlaubnis am längsten nicht mehr erhalten hat. Dafür ist es zweckmäßig, wenn das Gerät 11 die erhaltenen Daten zumindest bezüglich des Aktivitätstokens über eine Mehrzahl von Übermittlungszyklen speichert.

Ist ein geeigneter Empfänger für den Aktivitätstoken ermittelt, werden die gegenwärtig bekannten Daten und der Aktivitätstoken zusammen mit dem ermittelten Gerät 11, also seiner Identifikation, als Empfänger an die anderen Geräte 11 versendet. Dieses Versenden kann je nach verwendetem Medium und Protokoll ein Broadcast sein oder aber auch eine spezifische Nachricht an den Empfänger, wobei das Gerät 11 im zweiten Fall alle anderen Geräte 11 nacheinander als Empfänger auswählen muss. Da auch die anderen Geräte 11 zu einem späteren Zeitpunkt eine Weitergabe des Aktivitätstokens vornehmen müssen und dazu einen Empfänger auswählen müssen, ist auch bei einer Weitergabe mit einem einzelnen Empfänger zweckmäßig, den Empfänger des Aktivitätstokens an alle anderen Geräte 11 zu übermitteln.

Der Empfänger des Aktivitätstokens kann zweckmäßig eine Empfangsbestätigung an den Versender des Aktivitätstoken schicken. Bekommt das aktuelle Geräte 11 keine Empfangsbestätigung innerhalb eines Empfangs-Zeitfensters, kann das Gerät die eigene Aktivitätserlaubnis wieder als aktiv einstufen oder versuchen, den Aktivitätstoken an ein anderes Gerät 11 weiterzugeben. Dieses Empfangs-Zeitfenster kann beispielsweise 100 ms betragen.

Ebenso ist es möglich, dass die Geräte 11 des Geräteverbunds ermitteln, ob innerhalb eines festlegbaren Weitergabe-Zeitfensters der Aktivitätstoken überhaupt weitergegeben wird. Passiert das nicht, wird von einer Fehlfunktion bei demjenigen Gerät 11 ausgegangen, das den Aktivitätstoken derzeit innehat. Um den Betrieb des Geräteverbunds aufrechtzuerhalten, ist es zweckmäßig, den Aktivitätstoken nach einer solchen Fehlfunktion durch einen Mechanismus an eines der aktiven Geräte 11 im Geräteverbund zu geben. Das kann beispielsweise durch einen zufallsgesteuerten Mechanismus erfolgen, bei dem jedes der Geräte 11 eine zufällig bestimmte Zeit nach Ablauf des Weitergabe-Zeitfensters wartet und das Gerät 11, bei dem diese Zeit am kürzesten ist, einen neuen Empfänger für den Aktivitätstoken auswählt und so die Weitergabe des Aktivitätstokens wieder in Gang setzt.

Es versteht sich, dass die Schalter 191...193 zwar unabhängig voneinander entscheiden können, ob Schalthandlungen nötig sind, dass die Schalter 191...193 dafür aber Vorwissen erhalten müssen über die Zusammenhänge der im Datenmodell zyklisch ausgetauschten Zustandsdaten. Jeder der Schalter 191...193 muss beispielsweise wissen, auf welche anderen Systemteile er Einfluss nimmt. Im vorliegenden Beispiel muss jeder der Schalter wissen, dass er dem Transformator 181...183 und dem Messgerät 201...203 des jeweiligen Arms 121...123 zugeordnet ist und dass die gesamte Nennleistung, die für die Last 16 zur Verfügung steht, der Summe der drei Nennleistungen der Transformatoren 181...183 entspricht. Ebenso muss jeder der Schalter 191...193 wissen, dass die tatsächliche Leistung die Summe der Messwerte der Messgeräte 201...203 ist.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung, das in 2 dargestellt ist, ist eine Rohrverbindung 30 vorgesehen, in der ein Medium wie beispielsweise Öl oder Wasser gefördert wird. Ein Beispiel für ein solches System ist ein Klärwerk. Für die Förderung umfasst das System der 2 eine erste bis vierte Pumpe 311...314, die zusätzliches Medium aus eigenen Rohrverbindungen in die Rohrverbindung 30 pumpen können.

An den jeweiligen Anschlussstellen der Pumpen 311...314 ist weiterhin je ein Durchfluss-Messgerät 321...324 angeordnet, das den Fluss in der jeweiligen der Pumpe 311...314 zugeordneten Rohrverbindung misst. Die Pumpen 311...314 werden mittels eines ersten bis vierten Frequenzumrichters 331...334 betrieben. Schließlich ist ein weiteres Durchfluss-Messgerät 34 vorhanden, das den Gesamtdurchfluss misst.

Die Pumpen 311...314, ihre Frequenzumrichter 331...334 und die Durchfluss-Messgeräte 321...324, 34 bilden wiederum einen Geräteverbund, in dem die Zustandsdaten der Geräte untereinander ausgetauscht werden. In diesem Fall stellen die Pumpen als Zustandsdaten ihren jeweiligen maximalen Durchfluss und ihren optimalen Arbeitspunkt, also die optimale Drehzahl und den zugehörigen besten Wirkungsgrad zur Verfügung. Die Durchfluss-Messgeräte stellen den Momentanwert für den Durchfluss bereit. Die Frequenzumrichter 331...334 stellen die Aktuatoren des Geräteverbunds dar.

Die Aufgabe des Geräteverbunds des zweiten Ausführungsbeispiels ist es, einen bestimmten Volumenstrom des Mediums zu fördern und dazu die Pumpen 311...314 geeignet zu betreiben. Dabei soll jede Pumpe nach Möglichkeit in ihrem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden. Mit dem Mechanismus zum Austausch der verteilten Daten, der zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wird, optimiert sich der Geräteverbund nun selbständig und ohne das Eingreifen einer zentralen Steuerung.

Dabei ist es beispielsweise möglich, dass eine der Pumpen 311...314, die derzeit die Aktivitätserlaubnis hat, anhand der Daten der Messgeräte und der anderen Pumpen 311...314 ausrechnet, dass bei ihrer eigenen Abschaltung die anderen Pumpen bei konstant bleibendem Gesamt-Volumenstrom optimaler betrieben werden können, was insgesamt eine Stromersparnis bedeutet. In der Folge schaltet diese Pumpe 311...314 ab und gibt daraufhin den Aktivitätstoken weiter an ein anderes Gerät 11. Nach dem Verstreichen einer ausreichenden Zeit, in der die Messgeräte die Veränderung der Verhältnisse aufnehmen und an die Pumpen übermitteln, kann eine weitere Pumpe 311...314, die den Aktivitätstoken erhalten hat, nun ihre Leistung so anpassen, dass ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Dabei kann die Handlung der weiteren Pumpe 311...314 in einem Abschalten oder in einer Leistungserhöhung bestehen, je nach dem Zusammenhang ihres eigenen optimalen Arbeitspunktes mit dem Gesamtfluss und dem optimalen Arbeitspunkt der anderen Pumpen 311...314.

Es ist auch möglich, dass die Pumpen 311...314 als weitere Randbedingung für ihren Betrieb stets zwei der Pumpen 311..314 in Betrieb halten müssen, auch wenn dadurch ein nicht optimaler Betrieb vorliegt. Dadurch kann beispielsweise eine ständig verfügbare Leistungsreserve bestehen, da eine Verstärkung der Pumpleistung einer arbeitenden Pumpe 311...314 schneller zu erreichen ist als das Anschalten einer stehenden Pumpe 311...314. In solchen Fällen kann der Algorithmus, der die Handlungen der jeweiligen Pumpe 311...314 bestimmt, derart gestaltet sein, dass er ein Zuschalten einer dritten Pumpe erlaubt, obwohl dies kurzfristig eine Verschlechterung der Effizienz bewirkt. Dadurch wird aber erreicht, dass eine weitere Pumpe bei nächster Gelegenheit zur Effizienzverbesserung abschalten kann und dabei die Randbedingung zweier laufender Pumpen gewährleistet bleibt.

Bezugszeichenliste

10: Energieverteilsystem
11: Gerät
121...123: Arm
14: Versorgungsnetzwerk
16: Last
181...183: Transformator
191...193: Schalter
201...203: Messgerät
30: Rohrverbindung
311...314: Pumpen
321...324, 34: Durchfluss-Messgerät
331...334: Frequenzumrichter

Claims

Aktuator (191...193, 311...314) für einen Geräteverbund (10), der eine Mehrzahl von Geräten (11) umfasst, umfassend - eine Kommunikations-Schnittstelle zum bidirektionalen Datenaustausch mit anderen Geräten (11) des Geräteverbunds (10), - eine Aktuatorik zur steuerbaren Einflussnahme auf ein System, das dem Geräteverbund (10) zugeordnet ist, - einem Speicher zum Zwischenspeichern von empfangenen Daten von anderen Geräten (11) des Geräteverbunds (10), wobei die Daten Identifikationsdaten und Zustandsdaten der Geräte (11) umfassen, wobei der Aktuator (191...193, 311...314) ausgestaltet ist, - eine Aktivitätserlaubnis für die steuerbare Aktuatorik mittels Datenaustausch mit wenigstens einem Teil der anderen Geräte (11) des Geräteverbunds (10) zu ermitteln, wobei die Aktivitätserlaubnis so ermittelt wird, dass zu einer Zeit nur eines der Geräte (11) des Geräteverbunds (10) eine Aktivitätserlaubnis hat, und - bei Vorliegen der Aktivitätserlaubnis aus den zwischengespeicherten Daten eine Aktivität für die Aktuatorik zu ermitteln und auszuführen.
Aktuator (191...193, 311...314) nach Anspruch 1, derart ausgestaltet, dass die Aktivitätserlaubnis durch einen Aktivitätstoken festgelegt wird, der mit den Daten zwischen den Geräten (11) des Geräteverbunds (10) ausgetauscht wird.
Aktuator (191...193, 311...314) nach Anspruch 1, derart ausgestaltet, dass die Aktivitätserlaubnis zyklisch zwischen den Geräten (11) ausgetauscht wird.
Aktuator (191...193, 311...314) nach Anspruch 1, derart ausgestaltet, dass die Daten zyklisch von den Geräten (11) versendet werden.
Aktuator (191...193, 311...314) nach Anspruch 1, bei dem die Aktuatorik eine elektrische Schalteinrichtung (191...193), insbesondere ein Schütz ist.
Aktuator (191...193, 311...314) nach Anspruch 1, bei dem die Aktuatorik eine Schalteinrichtung mit einem oder mehreren leistungselektronischen Schaltern ist, insbesondere ein Stromrichter (331 ... 334).
Aktuator (191...193, 311...314) nach Anspruch 1, ausgestaltet, alle empfangenen Daten zu den anderen Geräten (11) zu versenden.
Geräteverbund (10) mit einer Mehrzahl von Geräten (11), von denen wenigstens ein Teil Aktuatoren (191...193, 311...314) nach einem der vorangehenden Ansprüche sind.
Geräteverbund (10) nach Anspruch 8 mit passiven Geräten, wobei die passiven Geräte bei der Aktivitätserlaubnis unberücksichtigt bleiben.
Geräteverbund (10) nach Anspruch 8, bei dem die Geräte (11) zyklisch Daten an die anderen Geräte (11) des Geräteverbunds senden, wobei die Daten Identifikationsdaten und Zustandsdaten der Geräte (11) umfassen, und wobei die Daten Zustandsdaten des sendenden Geräts (11) und anderer Geräte (11) umfassen.