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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch eines Feldgeräts mit einem Ersatzfeldgerät in einer Messstelle einer Anlage der Automatisierungstechnik, wobei das Feldgerät und das Ersatzfeldgerät einen zueinander verschiedenen Gerätetyp und/oder eine zueinander verschiedene Geräteversion aufweisen, wobei dem Feldgerät ein erster digitaler Zwilling zugeordnet ist, wobei dem Ersatzfeldgerät ein zweiter digitaler Zwilling zugeordnet ist, wobei der erste digitale Zwilling ein erstes Modell betreffend das Feldgerät aufweist, wobei der zweite digitale Zwilling ein zweites Modell betreffend das Ersatzfeldgerät aufweist, wobei das Feldgerät und das erste Modell jeweils identische erste Geräteeigenschaften, umfassend erste Geräteparameter, eine identische erste Logik, identische erste Events und identische erste Kommandos, beinhaltet und wobei das Austauschfeldgerät und das zweite Modell jeweils identische zweite Geräteeigenschaften, umfassend Geräteparameter, eine identische zweite Logik, identische zweite Events und identische zweite Kommandos, beinhaltet.
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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 (DCS) bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung). 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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Im Zuge der Industrie 4.0, bzw. lloT („Industrial Internet of Things“) werden die von den Feldgeräten erzeugten Daten auch häufig direkt aus dem Feld mithilfe sogenannter Datenumsetzungseinheiten, welche beispielsweise als „Edge Devices“ oder „Cloud Gateways“ bezeichnet werden, erhoben und automatisiert an eine zentrale cloudfähige Datenbank (auch vereinfacht „Cloud“ genannt) übermittelt, auf welcher sich eine Applikation befindet. Auf diese Applikation, welche unter anderem Funktionen zur Visualisierung und weiteren Bearbeitung der auf der Datenbank gespeicherten Daten bietet, kann von einem Benutzer mittels Internet zugegriffen werden.
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Als Ersatz für ein Feldgerät in bestehenden oder geplanten Anlagenkonfigurationen wird häufig ein unterschiedlicher Gerätetyp oder eine neuere Geräteversionen des zu ersetzenden Feldgeräts eingesetzt, beispielsweise wenn die Verfügbarkeit älterer Geräteypen bzw. Geräteversionen nicht mehr gegeben ist. In einem solchen Fall wird eine Anpassung der Anlagenkonfiguration auf Leitsystemebene notwendig, was aufwändig und sehr kostenintensiv ist.
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Um eine Kompatibilität zu einem Feldgerät unterschiedlichen Gerätetyps oder älteren Geräteversionen eines Feldgeräts zu gewährleisten, wird in der Regel innerhalb der Gerätefirmware eine Rückwärtskompatibilität in Form eines speziellen Modus einprogrammiert. Alternativ wird auch eine zusätzliche Gerätefirmwarevariante eingesetzt. Jedoch können beispielsweise Geräteparameter, Einheitencodes oder Modbusregister aus älteren Gerätetypen in modernen Anlagen inkompatibel sein, da neue Standards entsprechende neue Definitionen erfordern. Auch Diagnosecodes und deren Verhalten sind für ältere Anlagen von Bedeutung, oftmals aber nicht kompatibel zu den neueren Anforderungen der gleichen Diagnosen (insbesondere NAMURbasierend).
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Der Aufwand und die Pflege dieser Kompatibilitätsthemen innerhalb der Gerätefirmware sind sehr komplex. So muss beispielsweise das Verhalten einer älteren Firmwareversion in der neuen Architektur der aktuellen Firmwareversion abgebildet werden. Zudem sind diese Kompatibilitätsthemen häufig mit Zertifizierungsaufwand verbunden.
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Darüber hinaus ist der vorhandene Speicher innerhalb eines Feldgeräts, welches typischerweise als Embedded Device ausgestaltet ist, sehr eingeschränkt. Die führt dazu, dass nur sehr wenige dieser Kompatibilitäten tatsächlich abgebildet werden können. Auch das Konfigurieren des Kompatibilitätsmodus oder das Flashen der alternativen Firmware ist für jedes im Einsatz befindliche Feldgerät sehr aufwändig. Darüber lassen sich die erstellten Kompatibilitäten nur schwer aktualisieren.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzustellen, welches die Kompatibilität eines auszutauschenden Feldgeräts zu einem Ersatzfeldgeräts ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Austausch eines Feldgeräts mit einem Ersatzfeldgerät in einer Messstelle einer Anlage der Automatisierungstechnik gelöst, wobei das Feldgerät und das Ersatzfeldgerät einen zueinander verschiedenen Gerätetyp und/oder eine zueinander verschiedene Geräteversion aufweisen, wobei dem Feldgerät ein erster digitaler Zwilling zugeordnet ist, wobei dem Ersatzfeldgerät ein zweiter digitaler Zwilling zugeordnet ist, wobei der erste digitale Zwilling ein erstes Modell betreffend das Feldgerät aufweist, wobei der zweite digitale Zwilling ein zweites Modell betreffend das Ersatzfeldgerät aufweist, wobei das Feldgerät und das erste Modell jeweils identische erste Geräteeigenschaften, umfassend erste Geräteparameter, eine identische erste Logik, identische erste Events und identische erste Kommandos, beinhaltet und wobei das Austauschfeldgerät und das zweite Modell jeweils identische zweite Geräteeigenschaften, umfassend Geräteparameter, eine identische zweite Logik, identische zweite Events und identische zweite Kommandos, beinhaltet, umfassend:
- - Physisches Austauschen des Feldgeräts mit dem Ersatzfeldgerät in der Messstelle; und
- - Zugreifen auf den ersten digitalen Zwilling und Betreiben des Austauschfeldgeräts auf Grundlage der zweiten Geräteeigenschaften und zumindest eines Teils der ersten Geräteeigenschaften.
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Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass, anstatt die Gerätefirmware des Ersatzfeldgeräts anzupassen, zum Herstellen der Kompatibilität auf den digitalen Zwilling des auszutauschenden Feldgeräts zurückgegriffen wird. Hierfür lebt der erste digitale Zwilling des auszutauschenden Feldgeräts nach dem Austausch weiter.
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Ein digitaler Zwilling (englisch: „digital twin“), auch digitales Abbild genannt, ist eine virtuelle Repräsentation des Feldgeräts, welcher die identische Konfiguration, Parameterwerter, aktuelle Gerätestatus, Algorithmen, etc. des Feldgeräts aufweist. Der digitale Zwilling weist somit alle Eigenschaften des Feldgeräts auf, welche das Feldgerät für seinen bestimmungsgemäßen Zweck vollumfänglich beschreiben. Es ist vorgesehen, dass das Feldgerät und der digitale Zwilling stets identisch sind. Eine Änderung von Eigenschaften des Feldgeräts führt zu einer Synchronisation (über Industrie 4.0-, bzw. lloT-Techniken), so dass die Eigenschaften des digitalen Zwillings entsprechend aktualisiert werden.
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Da der digitale Zwilling des Austauschfeldgeräts die entsprechenden Geräteeigenschaften des auszutauschenden Feldgeräts aufweist, können diese verwendet werden, um Funktionalitäten dieses Feldgeräts zur Verfügung zu stellen und damit die Kompatibilität zu gewährleisten.
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Feldgeräte, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben werden, sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft aufgeführt und definiert worden.
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Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ersatzfeldgerät eine Anfrage über den zweiten digitalen Zwilling auf den ersten digitalen Zwilling stellt, wobei der zumindest eine Teil der ersten Geräteeigenschaften als Resultat der Anfrage von dem ersten digitalen Zwilling auf den zweiten digitalen Zwilling geladen wird und wobei die zweiten Geräteeigenschaften und der zumindest eine Teil der ersten Geräteeigenschaften von dem zweiten digitalen Zwilling an das Feldgerät übertragen werden. Insbesondere handelt es sich bei dem Ersatzfeldgerät um ein Feldgerät, welches einen zweiten Kommunikationskanal etablieren kann. Der erste Kommunikationskanal ist der klassische Kommunikationskanal, welcher über einen Feldbus oder eine Kommunikationsschleife mit einer übergeordneten Einheit etabliert ist. Ein zweiter Kommunikationskanal wird über ein lokales Netzwerk oder das Internet (bspw. per Mobilfunknetz) mit einem Server/Cloud oder einem Netzwerkgerät etabliert. Per zweitem Kommunikationskanal stellt das Ersatzfeldgerät eine Verbindung zu seinen (zweiten) digitalen Zwilling her und ruft über diesen die benötigten Geräteeigenschaften des auszutauschenden Feldgeräts ab.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ersatzfeldgerät seine Funktionalitäten auf Grundlage der zweiten Geräteeigenschaften und zumindest eines Teils der ersten Geräteeigenschaften ausführt. Von dem ersten digitalen Zwilling werden somit genau diejenigen Geräteeigenschaften abgerufen, welche zur Herstellung der Kompatibilität (also der Zustand, in welchem das Ersatzfeldgerät zuverlässig die Funktionalitäten des auszutauschenden Feldgeräts ausführt) benötigt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass sich der erste digitale Zwilling und der zweite digitale Zwilling auf einer gemeinsamen Instanz, insbesondere einer Cloud oder einem Netzwerkgerät, beispielsweise eine Steuerungseinheit, ein Gateway oder ein Edge Device, befinden. Insbesondere ist die Instanz als Cloudanwendung auf der Cloud integriert. Eine Cloudanwendung ist ein Programm, welches auf einer cloudbasierten Plattform (kurz Cloud genannt), bzw. einem Server abläuft, bzw. in diese integriert ist. Die Begriffe cloudbasierte Plattform, Cloud und Server sind im Rahmen dieser Anmeldung als synonym zu verstehen. Die Cloud ist per Internet erreichbar. Ein Benutzer kann sich per Internet mit der cloudbasierten Plattform verbinden und Modifikationen in den entsprechenden Cloudanwendungen der cloudbasierten Plattform vornehmen und/oder diese bedienen, also Daten in die Cloudanwendungen schreiben, Daten aus den Cloudanwendungen auslesen und/oder diese Daten bearbeiten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass sich der erste digitale Zwilling und der zweite digitale Zwilling auf separaten Instanzen, insbesondere jeweils einer Cloud oder jeweils einem Netzwerkgerät, befinden.
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Ferner ist im Falle, dass die beiden separaten Instanzen unterschiedlichen Typs, bzw. zueinander inkompatibel sind, vorgesehen, ein Übersetzungsmodul zu verwenden, wobei der Datenverkehr zwischen den beiden Instanzen über das Übersetzungsmodul läuft und wobei das Übersetzungsmodul den Datenverkehr einer sendenden Instanz in ein für eine empfangende Instanz kompatibles Format konvertiert.
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Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine übergeordnete Einheit vorgesehen ist, welche mit dem Ersatzfeldgerät in Kommunikationsverbindung steht, wobei die übergeordnete Einheit das Ersatzfeldgerät betreibt, indem die übergeordnete Einheit Zugriff auf den ersten digitalen Zwilling und den zweiten digitalen Zwilling hat und die zweiten Geräteeigenschaften und zumindest den einen Teil der ersten Geräteeigenschaften von dem entsprechenden digitalen Zwilling lädt. Die übergeordnete Einheit, beispielsweise eine Steuereinheit wie eine SPS oder ähnliches, steuert somit das Feldgerät und ruft von dem Feldgerät Roh- und/oder Messdaten ab. Die Herstellung der Kompatibilität (also der Zustand, in welchem das Ersatzfeldgerät zuverlässig die Funktionalitäten des auszutauschenden Feldgeräts ausführt) erfolgt durch Abrufen der entsprechend benötigten Geräteeigenschaften des auszutauschenden Feldgeräts.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die übergeordnete Einheit im Sinne des Betreibens des Feldgeräts Rohdaten von dem Feldgerät erhält und diese Rohdaten auf Grundlage der zweiten Geräteeigenschaften und zumindest eines Teils der ersten Geräteeigenschaften weiterverarbeitet.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Es zeigt
- 1: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Feldgerät FG1 abgebildet, welches alterungsbedingt ausgetauscht werden soll. Bei dem Feldgerät FG1 handelt es sich um ein berührungsloses radarbasiertes Füllstandsmessgerät, welches zum Erfassen des Füllstands eines Prozessmediums in einem Behälter ausgestaltet ist. Das Feldgerät FG1 steht über ein drahtgebundenes Kommunikationsnetzwerk, insbesondere eine 4-20 mA/HART-Kommunikationsschleife oder ein Feldbus, mit einer übergeordneten Einheit SU, beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung, in Kommunikationsverbindung, welche in regelmäßig Zeitabständen aktuelle Messwerte des Feldgeräts FG1 abruft und welche zum Bedienen des Feldgeräts FG1, insbesondere zum Abrufen von Statusinformationen und/oder Diagnosedaten und zum Einstellen von Parameterwerten, verwendet wird.
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Zum bestimmungsgemäßen Gebrauch weist das Feldgerät eine Vielzahl erster Geräteeigenschaften, enthaltend Parameterwerte PA1 (diese definieren unter anderem den Messbetrieb des Feldgeräts FG1), eine erste Logik LO1 (diese bestimmt beispielsweise, wie erfasste Rohmesswerte aufbereitet werden), erste Events EV1 (beispielsweise eine Liste von Ereignissen/Zustandsänderungen des Feldgeräts FG1) und erste Kommandos KO1 (diese definieren beispielsweise, wie protokollkonforme Standardkommandos des Kommunikationsnetzwerks auf Geräteebene umgesetzt werden) auf.
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Dem Feldgerät FG1 ist ein erster digitaler Zwilling DT1 zugeordnet. Der erste digitale Zwilling DT1 ist im vorliegenden Beispiel in einer Applikation einer Cloud integriert. Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Repräsentation eines Feldgeräts, welches sich exakt wie das physische Feldgerät verhält. Der erste digitale Zwilling DT1 umfasst hierfür ein erstes Modell MO1 des Feldgeräts FG1, welches alle ersten Geräteeigenschaften PA1, LO1, EV1, KO1 des Feldgeräts FG1 aufweist. Ein digitaler Zwilling ist derart ausgelegt, dass jede Änderung der Geräteeigenschaften des Feldgeräts zu derselben Änderung der Geräteeigenschaften im digitalen Zwilling führt, bzw. vice versa.
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Das Feldgerät FG1 soll nun mit einem Ersatzfeldgerät FG2 ausgetauscht werden. Bei dem Ersatzfeldgerät FG2 handelt es sich um ein Feldgerät unterschiedlichen Gerätetyps, im vorliegenden Fall um ein geführtes radarbasiertes Füllstandsmessgerät. Das Ersatzfeldgerät FG2 unterscheidet sich hinsichtlich der Geräteeigenschaften vielfältig von dem Feldgerät FG1. Dem Ersatzfeldgerät FG2 ist ein entsprechender zweiter digitaler Zwilling DT2 zugeordnet. Der digitale Zwilling DT1 des Feldgeräts FG1 bleibt bestehen, auch wenn das Feldgerät FG1 ausgebaut ist.
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Im Folgenden werden zwei verschiedene Ausgestaltungsvarianten beschrieben, wie eine Kompatibilität des Ersatzfeldgeräts FG zu dem Feldgerät FG1 erreicht werden kann:
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In der in 1 mit a) bezeichneten Variante wird das Ersatzfeldgerät FG2 vor dem Einbau als Ersatzgerät des Feldgeräts FG1 konfiguriert. Das Ersatzfeldgerät FG verfügt neben der Kommunikationsmöglichkeit über den ersten Kommunikationskanal (4-20 mA/HART-Kommunikationsschleife, bzw. Feldbus) über eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle, über welche es per zweitem Kommunikationskanal (bspw. per Mobilfunk) mit seinem digitalen Zwilling DT2 kommunizieren kann.
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Das Ersatzfeldgerät FG stellt nun über den zweiten Kommunikationskanal eine Anfrage zur Kompatibilitätsherstellung an seinen digitalen Zwilling DT2. Der zweite digitale Zwilling DT2 begibt sich daraufhin in einen Austausch mit dem ersten digitalen Zwilling DT1. Hierbei wird geprüft, welche Geräteeigenschaften im ersten Modell MO1 unterschiedlich zu den Geräteeigenschaften im zweiten Modell MO2 sind. Daraufhin werden die im zweiten Modell MO2 nicht vorhandenen Geräteeigenschaften von dem ersten Modell MO1 auf das zweite Modell MO2 übertragen. Liegen die Geräteeigenschaften der beiden Modelle MO1, MO2 in einem verschiedenen Format vor (da sich beispielsweise die Entwicklungsplattform beider Feldgeräte FG1, FG2 unterscheidet) oder befinden sich die beiden digitalen Zwillinge auf Applikationen verschiedener Clouds, so stellt ein Übersetzungsmodul in einem Dolmetschermodus die Datenkompatibilität zwischen beiden digitalen Zwillingen DT1, DT2 her (bspw. mittels Übersetzungstabellen und/oder mittels eines KI-Algorithmus). Im Falle, dass die Datenkompatibilität zwischen den beiden digitalen Zwillingen DT1, DT2 von vornherein gegeben ist, wird das Übersetzungsmodul TM nicht benötigt, oder das Übersetzungsmodul TM schaltet in einen transparenten Modus.
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Nachdem die benötigten Geräteeigenschaften von dem ersten Modell MO1 auf das zweite Modell MO2 kopiert wurden, findet eine Synchronisation zwischen dem zweiten digitalen Zwilling DT2 und dem Ersatzfeldgerät FG2 statt, so dass das Ersatzfeldgerät FG2 ebenfalls die fehlenden Geräteeigenschaften des Feldgeräts FG1 aufweist. Anschließend wird das Ersatzfeldgerät FG2 auf Grundlage der aktualisierten Geräteeigenschaften betrieben.
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In der in 1 mit b) bezeichneten Variante steht nicht das Ersatzfeldgerät FG2, sondern die übergeordnete Einheit SU mit der Instanz, bzw. den Instanzen, auf welchen sich die digitalen Zwillinge befinden, in Kommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet. Die übergeordnete Einheit SU ist dazu ausgestaltet, Rohdaten des Ersatzfeldgerät FG2 zu erfassen und entsprechend der zweiten Geräteeigenschaften weiterzuverarbeiten, bzw. das Ersatzfeldgerät FG auf Grundlage der zweiten Geräteeigenschaften weiterzuverarbeiten. Die zweiten Geräteeigenschaften erhält die übergeordnete Einheit SU von dem zweiten digitalen Zwilling DT2.
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Zum Herstellen der Kompatibilität sendet die übergeordnete Einheit SU die entsprechende Anfrage an den ersten digitalen Zwilling DT1. Dieser übermittelt der übergeordneten Einheit SU die entsprechenden fehlenden ersten Geräteparameter. Auch hier kann ggf. das Übersetzungsmodul TM verwendet werden. Anschließend betreibt die übergeordnete Einheit SU das Ersatzfeldgerät FG2 auf Grundlage der aktualisierten Geräteeigenschaften.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Ersatzfeldgerät FG2, dessen Gerätetyp sich von dem ursprünglichen auszutauschenden Feldgerät FG1 unterscheidet. Das Verfahren ist aber auch für Szenarien verwendbar, in welchen das Ersatzfeldgerät FG2 eine unterschiedliche, beispielsweise neuere und/oder inkompatible, Firmwareversion zum ursprünglichen auszutauschenden Feldgerät FG1 aufweist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die digitalen Zwillinge anstatt auf Applikation von Clouds auf einem oder mehreren Netzwerkgeräten, beispielsweise Edge Device oder Gateways, oder lokalen PCs befinden. Das allgemeine Vorgehen des Verfahrens ist hier aber analog ausgestaltet.
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Bezugszeichenliste
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- DT1
- erster digitaler Zwilling
- DT2
- zweiter digitaler Zwilling
- EV1
- erste Events
- EV2
- zweite Events
- FG1
- Feldgerät
- FG2
- Ersatzfeldgerät
- KO1
- erste Kommandos
- K02
- zweite Kommandos
- LO1
- erste Logik
- LO2
- zweite Logik
- MO1
- erstes Modell
- MO2
- zweites Modell
- PA1
- erste Geräteparameter
- PA2
- zweite Geräteparameter
- SU
- übergeordnete Einheit
- TM
- Übersetzungsmodul
