-
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
-
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
-
In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Feldbus-systeme, wie z.B. Profibus®, Foundation Fieldbus®, HART®, etc. mit übergeordneten Einheiten verbunden. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder einen PLC (Programmable Logic Controller). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüber-wachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messwerte werden über das angeschlossene Bussystem an eine oder gegebenenfalls auch an mehrere übergeordnete Einheit(en) übermittelt. Daneben ist auch eine Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte erforderlich; diese dient insbesondere zur Konfigurierung und Parametrierung von Feldgeräten oder zu Diagnosezwecken. Allgemein gesprochen, wird das Feldgerät über das Bussystem von der übergeordneten Einheit her bedient. Beispielsweise können die Feldgeräte über Ethernet/IP mit der übergeordneten Einheit kommunizieren.
-
Um entsprechende den jeweiligen Feldbus betreffende Vorgaben zu erfüllen, müssen diese Feldgeräte eine bestimmte konstante oder eine Mindestleistung verbrauchen. Dies bedeutet, dass diese Feldgeräte so ausgebildet sind, dass diese eine Mindestleistung verbrauchen und in dem Fall, dass eine über der Mindestleistung liegende Leistung dem Feldgerät zur Verfügung steht, diese durch das Feldgerät in Wärme umgesetzt wird.
-
Neben den Feldgeräten die über einen Feldbus kommunizieren werden gegenwärtig in einer Vielzahl der bestehenden Automatisierungsanlagen aber auch noch sogenannte Zweileiterfeldgeräte eingesetzt. Diese sind über eine Zweidrahtleitung, d.h. eine Leitung mit zwei separat ausgebildeten Adern, zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS bzw. Leitsystem, verbunden. Die Zweileiterfeldgeräte sind dabei derartig ausgebildet, dass die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt-Prozessvariable über die Zweidrahtleitung bzw. das Zweileiterkabel analog in Form eines 4-20 mA Schleifenstroms bzw. Stromsignals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Hierbei wird ein Schleifenstrom der Zweidrahtleitung entsprechend der erfassten Prozessgröße durch das Feldgerät bzw. die übergeordnete Einheit auf einen spezifischen Wert gestellt.
-
Zur Übertragung aller anderen Daten hat sich insbesondere das HART Protokoll bewährt, bei dem analogen Stromsignal von 4-20 mA ein Frequenzsignal als digitales Zweileitersignal zur Datenübertragung überlagert wird. Gemäß des HART Protokolls wird zwischen 1200 Hz und 2400 Hz zur Datenübertragung umgeschaltet, wobei die niedriger Frequenz für eine logische „0“ und die höhere Frequenz für eine logische „1“ steht. Auf diese Weise bleibt das sich nur langsam veränderliche analoge Stromsignal von der Frequenzüberlagerung unberührt, so dass mittels HART analoge und digitale Kommunikation vereint wird.
-
Neben der Datenübertragung kann die Zweidrahtleitung auch zur Versorgung des Zweileiterfeldgerätes dienen. Hierbei wird dem Feldgerät, das über eine Anschlussklemme an die Zweidrahtleitung angeschlossen ist, eine zum Betrieb benötigte Leistung in Form einer Klemmenspannung, die über der Anschlussklemme anliegt, und eines Schleifenstroms, der über die Anschlussklemme fließt, zur Verfügung gestellt. Für gewöhnlich wird bei Zweileiterfeldgeräten eine Versorgungsspannung zwischen 10-35 V an den Anschlussklemmen angelegt. Somit steht diesem bei einem Fehlerstrom von ≤ 3,6 mA und einer minimalen Eingangsspannung von z.B. 12 V eine minimale Betriebsleistung von ≤ 43 mW zur Verfügung. Entsprechend werden die Feldgeräte so ausgelegt, dass diese auch mit dieser minimalen Betriebsleistung funktionieren. Sobald der Schleifenstrom aber über den 3,6 mA liegt, bspw. bei 20 mA (= 240mW = 20 mA * 12 V) liegt ein Leistungsüberschuss vor, welcher in Wärme umgewandelt wird.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine dem Feldgerät der Automatisierungstechnik zur Verfügung stehende Leistung, welche aktuell nicht zur Erfassung und/oder Beeinflussung einer Prozessvariablen benötigt wird, nutzbar zu machen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das System der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß Patentanspruch 7.
-
Das erfindungsgemäße System der Automatisierungstechnik umfasst:
- - einen ersten Teil eines Netzwerkes mit einer Vielzahl von Feldgeräten der Automatisierungstechnik, die jeweils dazu eingerichtet sind, einen Messwert zu erfassen und/oder einen Stellwert zu stellen und die ferner jeweils dazu eingerichtet sind über eine Ethernetschnittstelle eine Ethernet-basierte Kommunikation zur Übertragung von Daten, insb. von Mess- und/oder Stellwerten zu ermöglichen, wobei die Feldgeräte ferner jeweils dazu eingerichtet sind, Messwert zu erfassen und/oder Stellwerte zu stellen, wobei die Feldgeräte jeweils derartig ausgelegt sind, dass zum Erfassen der Messwerte und/oder zum Stellen der Stellwerte nicht eine dem jeweiligen Feldgerät zugeführte Gesamtleistung oder eine durch das jeweilige Feldgerät bereitgestellte Rechenleistung benötigt wird, sondern nur eine Teilleistung davon;
- - einen zweiten Teil des Netzwerkes mit zumindest einem Netzwerkteilnehmer, wobei zur Ausführung von Aufgabenpaketen, die sich auf den zweiten Teil des Netzwerks beziehen, neben der Speicher- und/oder Rechenleistung des zumindest einen Netzwerkteilnehmers oder von weiteren Netzwerkteilnehmern des zweiten Teil des Netzwerkes zusätzliche Speicher- und/oder Rechenleistung benötigt wird;
- - eine dem Netzwerk zugeordnete Aufgabenverteilungseinheit, die dazu eingerichtet ist, die Aufgabenpakete an die Vielzahl von Feldgeräten des ersten Teils des Netzwerkes zu verteilen, so dass die Aufgabenpakte durch die Vielzahl von Feldgeräten mittels einer zum Erfassen der Messwerte und/oder zum Stellen der Stellwerte von der Gesamtleistung nicht benötigten Teilleistung, bspw. in Form einer Speicher- und/oder Rechenleistung, bearbeitet werden.
-
Erfindungsgemäß wird ein System vorgeschlagen, bei dem Feldgeräte, die Teil eines Netzwerkes sind, zumindest einem anderen Netzwerkteilnehmer überschüssige Leistung in Form von Speicher- und/oder Rechenleistung zur Verfügung stellt. Hierzu ist ein zentrale Aufgabenverteilungseinheit, bspw. ein Aufgabenverteilungsserver oder eine entsprechende Softwareapplikation, vorgesehen, der bzw. die die zu bearbeitenden Aufgabenpakete an die Feldgeräte zur Bearbeitung verteilt. Die in den jeweiligen Feldgeräten überschüssige Leistung kann so in Speicher- und/oder Rechenleistung zur Bearbeitung der Aufgabenpakete umgewandelt werden, und muss nicht anderweitig, z. B durch Umsetzung in Wärme, verbraucht werden.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die Feldgeräte ferner derartig ausgebildet sind, dass die dem jeweiligen Feldgerät zugeführte Gesamtleistung abhängig von einem aktuelle zu übertragenden Mess- und/oder Stellwert ist.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die Aufgabenverteilungseinheit einen hardwaremäßig ausgebildeten Server oder eine Software-Anwendung, die auf zumindest einem Netzwerkteilnehmer des ersten und/oder des zweiten Teils des Netzwerkes ausgeführt wird, umfasst.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass der zumindest eine Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes eine Datenbank umfasst.
-
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass der zweite Teil des Netzwerkes ferner weitere Netzwerkteilnehmer in Form von Videoüberwachungskameras und der zumindest eine Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes ein Videoüberwachungsserver umfasst.
-
Eine weitere alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass der zumindest eine Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes ein Simulationsserver umfasst.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Systems der Automatisierungstechnik, aufweisend die Folgenden Schritte:
- - Ermitteln von Aufgabenpakten, die sich auf einen zweiten Teil des Netzwerkes beziehen und zu deren Ausführung, neben der Speicher- und/oder Rechenleistung von zumindest einem Netzwerkteilnehmer oder von weiteren Netzwerkteilnehmern des zweiten Teil des Netzwerkes, zusätzliche Speicher- und/oder Rechenleistung benötigt wird;
- - Übertragen der Aufgabenpaket an eine Vielzahl von Feldgeräten der Automatisierungstechnik in einem ersten Teil des Netzwerkes, wobei die Feldgeräte jeweils dazu eingerichtet sind, einen Messwert zu erfassen und/oder einen Stellwert zu stellen und die ferner jeweils dazu eingerichtet sind über eine Ethernetschnittstelle eine Ethernet-basierte Kommunikation zur Übertragung von Daten, insb. Mess- und/oder Stellwerten zu ermöglichen, wobei die Feldgeräte ferner jeweils dazu eingerichtet sind, Messwert zu erfassen und/oder Stellwerte zu stellen, wobei die Feldgeräte jeweils derartig ausgelegt sind, dass zum Erfassen der Messwerte und/oder zum Stellen der Stellwerte nicht eine dem jeweiligen Feldgerät zugeführte Gesamtleistung oder eine durch das jeweilige Feldgerät bereitgestellte Rechenleistung benötigt wird, sondern nur eine Teilleistung davon;
- - Bearbeiten der Aufgabenpakete durch ein oder mehrere der Vielzahl von Feldgeräte des ersten Teils des Netzwerkes, wobei zur Bearbeitung der Aufgabenpakte durch das eine oder die mehreren Feldgeräte jeweils eine zum Erfassen der Messwerte und/oder zum Stellen der Stellwerte nicht benötigte Teilleistung von der dem jeweiligen Feldgerät zugeführten Gesamtleistung oder der durch das jeweilige Feldgerät bereitgestellten Rechenleistung verwendet wird, so dass trotz der Bearbeitung der Aufgabenpakete weiterhin die Messwerte und/oder die Stellwerte durch das jeweilige Feldgerät erfasst bzw. gestellt werden;
- - Bereitstellen der Ergebnisse der bearbeiteten Aufgabenpakete von dem einen oder den mehren Feldgeräten des ersten Teils des Netzwerkes.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren ferner den folgenden Schritt aufweist:
- - Übermitteln der Ergebnisse der bearbeiteten Aufgabenpakete von dem einen oder den mehren Feldgeräten des ersten Teils des Netzwerkes an den zumindest einen Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes.
-
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren ferner den folgenden Schritt aufweist:
- - Übermitteln der Ergebnisse der bearbeiteten Aufgabenpakete von dem einen oder den mehren Feldgeräten des ersten Teils des Netzwerkes an einen definierten Empfänger außerhalb des Netzwerkes.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Aufgabenpakete ein Warten, eine Organisation bzw. Umorganisation und/oder eine Analyse von Daten in der Datenbank umfassen.
-
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Aufgabenpakete eine Analyse nach Auffälligkeiten bzw. ungewöhnlichen Aktivitäten bzw. ungewöhnlichen Ereignissen von durch die Videoüberwachungskameras aufgezeichneten Videostreams umfassen.
-
Eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Aufgabenpakete nummerische Simulation bspw. von EMV Simulationen und/oder mathematischen Berechnungen von bspw. Wärmeübertragungsvorgängen umfassen.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein System der Automatisierungstechnik, und
- 2: einen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt ein System der Automatisierungstechnik, welches aus einem Netzwerk mit einem ersten und einem zweiten Teilen 50, 60 besteht. Die beiden Teile des Netzwerkes 50, 60 sind über einen Switch 20 datenleitend miteinander verbunden.
-
Der erste Teil des Netzwerkes 50 umfasst eine Vielzahl von Feldgeräten der Automatisierungstechnik 10a-10n. Jedes der Feldgeräte 10a-10n ist dazu eingerichtet einen Messwert zu erfassen und/oder einen Stellwert zu stellen. Hierzu weist jedes Feldgerät 1 0a-1 0n ein Sensor- und/oder Stellelement 12 auf. Ferner weist jedes Feldgerät 10a-10n eine Elektronik 11 auf, die unter anderem die Verarbeitung von Daten, z.B. der Mess- und/oder Stellwerte vornimmt. Hierzu umfasst jede Elektronik 11 zumindest eine Recheneinheit, bspw. in Form eines Mikroprozessors. Auf der Recheneinheit kann ein Webserver 15 implementiert sein, um auf die Feldgeräte 10a-10n zugreifen zu können. Um die Daten, z.B. die Mess- und/oder Stellwerte kommunizieren zu können, umfasst ferner jedes Feldgerät 10a-10n eine Ethernetschnittstelle 16 und ist jeweils mit dem Switch 20 datenleitend verbunden. Über die Ethernetschnittstelle 16 wird eine Ethernet-basierte Kommunikation zur Übertragung von Daten ermöglicht. Beispielsweise kann die Ethernetschnittstelle 16 zur Übertragung der Daten mittels Ethernet/IP, ProfiNet, Modbus TCP oder EtherCAT eingerichtet sein. Die Feldgeräte 10a-10n können dabei jeweils über ein in 1 nicht gesondert dargestelltes Netzteil und/oder über die Ethernetschnittstelle 16 mit Energie versorgt werden, so dass ihnen jeweils eine Gesamtleistung bereitgestellt wird. Um ein Fehlfunktion eines Feldgerätes bzw. der Elektronik des Feldgerätes zu vermeiden, sind diese so ausgelegt, dass diese mit einer Minimalleistung, bspw. bei einer Minimalleistung von 43 mW funktionieren. Die Gesamtleistung kannist jedoch abhängigDie Gesamtleistung kann von dem aktuell bzw. augenblicklich zu übertragenden Mess- und/oder Stellwert abhängig sein, so dass in aller Regelmäßigkeit dem Feldgerät eine höhere Gesamtleistung zur Verfügung steht als die Minimalleistung, auf die es ausgelegt ist. Die Gesamtleistung muss allerdings nicht zwingend von dem aktuellen Mess- und/oder Stellwert abhängig sein. Die Feldgeräte können auch prinzipbedingt eine kontinuierliche oder Mindestleistung aufnehmen, da die Recheneinheit immer oder teilweise mit einer höheren Rechengeschwindigkeit läuft als für den Mess-/Stellbetrieb notwendig ist.
-
Das System der Automatisierungstechnik kann ferner, wie in 1 dargestellt, eine übergeordnete Einheit 30, bspw. in Form einer SPS (Speicherprogrammierbaren Steuerung), umfassen. Die übergeordnete Einheit 30 kann ebenfalls über den Switch 20 mit den Feldgeräten 10a-10n verbunden sein, so dass Mess- und/oder Stellwerte zwischen der übergeordneten Einheit 30 und den Feldgeräten 10a-10n kommuniziert werden können.
-
Der zweite Teil des Netzwerkes 60 umfasst zumindest einen Netzwerkteilnehmer, der entweder direkt mit dem Switch 20, der den ersten mit dem zweiten Teil des Netzwerkes 50, 60 verbindet, verbunden ist (in 1 nicht dargestellt) oder der über einen weiteren Switch 40 (wie in 1 dargestellt) mit dem ersten Teil des Netzwerkes 50 verbunden ist. Bei dem Netzwerkteilnehmer 42 kann es sich bspw. um einen Datenbankserver 42 handeln. Der zweite Teil des Netzwerkes 60 kann aber auch mehrere Netzwerkteilnehmer 42, 43a-43n aufweisen. Beispielsweise kann der zweite Teil des Netzwerkes 60 ein Videoüberwachungssystem 42, 43a-43n umfassen. Das Videoüberwachungssystem kann einen Videoüberwachungsserver 42 aufweisen, auf dem Videostreams von Videoüberwachungskameras 43a-43n, die ebenfalls dem zweiten Teil des Netzwerkes 60 als weitere Netzwerkteilnehmer angehören, gespeichert werden.
-
Ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung des zweiten Teils des Netzwerkes wäre ein Simulationsserver 42 als Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes 60. Der Simulationsserver 42 kann dazu eingerichtet sein, nummerische Simulationen, bspw. von EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) Maßnahmen zu simulieren und/oder andere mathematische Berechnungen, bspw. Wärmeübertragungsvorgänge zu berechnen.
-
Um für die Bearbeitung von spezifischen Aufgabenpakten der Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes 60 die benötigte Speicher- und/oder Rechenleistung bereitstellen zu können, die die Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes 60 nicht bereitstellen können, ist ferner ein Aufgabenverteilungsserver 41 oder eine entsprechende Softwareapplikation vorgesehen, der bzw. die die zu bearbeitenden Aufgabenpakete an die Feldgeräte 10a-10n des ersten Teils des Netzwerkes 50 zur Bearbeitung verteilt. Auf diese Weise kann die ungenutzte Energie der Feldgeräte 10a-10n in Form von Speicher- und/oder Rechenleistung, den Netzwerkteilnehmern des zweiten Teils des Netzwerkes 60 zur Verfügung gestellt werden.
-
2 zeigt einen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist in einem ersten Verfahrensschritt S100 vorgesehen, dass Aufgabenpakte ermittelt werden, die sich auf den zweiten Teil des Netzwerkes 60 beziehen und zu deren Ausführung, neben der Speicher- und/oder Rechenleistung der Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes 60 zusätzliche Speicher- und/oder Rechenleistung benötigt wird.
-
Derartige Aufgabenpakte können bspw. in dem Fall, dass der Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils eine Datenbank 42 darstellt, ein Warten, eine Organisation bzw. Umorganisation und/oder eine Analyse von Daten in der Datenbank umfassen.
-
Alternativ können die Aufgabenpakte, bspw. in dem Fall, dass die Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes ein Videoüberwachungssystem 42, 43a-43n darstellen, eine Analyse nach Auffälligkeiten bzw. ungewöhnlichen Aktivitäten bzw. ungewöhnlichen Ereignissen von durch die Videoüberwachungskameras aufgezeichneten Videostreams umfassen.
-
Eine weitere Alternative wäre, dass die Aufgabenpakete, bspw. in dem Fall, dass der Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes 60 der Simulationsserver42 ist, nummerische Simulation bspw. von EMV Simulationen und/oder mathematischen Berechnungen von bspw. Wärmeübertragungsvorgängen umfassen.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt S200 werden die ermittelten Aufgabenpakete an die Vielzahl von Feldgeräten der Automatisierungstechnik 10a-10n des ersten Teils des Netzwerkes 50 durch die Aufgabenverteilungseinheit 41 übertragen, so dass die Aufgabenpakten den jeweiligen Feldgeräten 10a-10n zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung stehen.
-
In einem daran anschließenden Verfahrensschritt S300 werden die Aufgabenpakete durch die Feldgeräte 10a-10n des ersten Teils des Netzwerkes 50 bearbeitet, in dem die Feldgeräte 10a-10n überschüssige Leistung, die ihnen aktuell zur Verfügung steht, zur Bearbeitung der Aufgabenpakte einsetzen. In anderen Worten, die Feldgeräte 10a-10n erfassen die Messwerte und/oder stellen die Stellwerte weiterhin kontinuierlich und bearbeiten parallel dazu die Aufgabenpakete, wenn überschüssige Leistung vorhanden ist.
-
Im Anschluss daran sieht das Verfahren vor, dass die Ergebnisse der bearbeiteten Aufgabenpakete von den Feldgeräten 10a-10n des ersten Teils des Netzwerkes 50 bereitgestellt werden S400.
-
Diese können anschließend, in einem optionalen Verfahrensschritt S500, wiederum an einen oder mehrere Netzwerkteilnehmer 42, 43a-43n des zweiten Teils des Netzwerkes 60 durch die Feldgeräte 10a-10n übermittelt werden. Alternativ und/oder ergänzend können die Ergebnisse auch an einen definierten Empfänger, welcher sich bspw. außerhalb des Netzwerkes befindet, bspw. durch eine Email übermittelt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10a-10n
- Feldgeräte der Automatisierungstechnik
- 11
- Elektronik mit einer Recheneinheit, z.B. Mikroprozessor
- 12
- Sensor- und/oder Stellelement
- 14
- Kunden- und/oder Anwendungsspezifischeapplikation
- 15
- Webserver
- 16
- Ethrnetschnittstelle
- 20
- Switch zur Verbindung des ersten Teils des Netzwerkes mit dem zweiten Teil des Netzwerkes
- 30
- Übergeordnete Einheit, z.B. Leitwarte
- 40
- Switch des zweiten Teils des Netzwerkes
- 41
- Aufgabenverteilungseinheit
- 42
- Datenbank, Videoüberwachungsserver, Simulationsserver, etc.
- 43a-43n
- Netzwerkteilnehmer des zweiten Teils des Netzwerkes
- 50
- Erster Teil des Netzwerkes
- 60
- Zweiter Teil des Netzwerkes
