DE102022108806A1

DE102022108806A1 - Kopplungsvorrichtung für ein Feldgerät, Prozesssteuerungssystem und Verfahren zum Steuern einer Behandlungsanlage

Info

Publication number: DE102022108806A1
Application number: DE102022108806.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Bauer-Wesely; Christian Seliger
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Holding GmbH
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung zur Überwachung und Bedienung von Feldgeräten, wie bspw. Sensoren und Aktoren, umfassend• eine Kommunikationseinheit zum drahtlosen Datenaustausch von Transferdaten mit einer externen Kommunikationseinheit,• eine Steuerungseinheit, die mindestens datenleitend mit der Kommunikationseinheit verbunden ist,• eine erste Verbindungseinheit, die ausgebildet und geeignet ist, eine leitende Verbindung zu einer höheren Systemebene herzustellen, insbesondere eine genormte Steckverbindereinheit,• eine zweite Verbindungseinheit, die ausgebildet und geeignet ist, die leitende Verbindung zu einem Feldgerät herzustellen, insbesondere eine genormte Steckverbindereinheit, und wobei mindestens eine zweiadrige Verbindungsleitung von der ersten Verbindungseinheit zur zweiten Verbindungseinheit verläuft, wovon mindestens eine Verbindungsader eine datenleitende Verbindungsader zur Weiterleitung Primärdaten ist und mindestens zwei Verbindungsadern stromleitend sind, wobei in der Verbindungleitung mindestens ein Schaltelement vorgesehen ist, mit dem mindestens eine stromführende Verbindungsader durch die Steuerungseinheit geschaltet werden kann. Weiterhin ist von der Erfindung eine Prozesssteuerungssystem und eine zugehöriges Steuerungsverfahren umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Prozesssteuerungssystem für eine Behandlungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und ein Verfahren zur Steuerung einer Behandlungsanlage von Werkstücken, Werkstoffen und/oder Medien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
In modernen, industriellen Behandlungs- und Fertigungsprozessen sind sogenannte Enterprice Resource Planning Systeme (ERP) üblich, die ergänzend zur Produktionsplanung und Prozesssteuerung auch übergeordnete Einflussgrößen verwalten, wie beispielsweise Einkaufs- und Logistikdaten oder Angeben zur Materialwirtschaft. Diese übergreifenden ERP-Systeme können ein sogenanntes Manufacturing Execution System (MES) umfassen oder hiermit im Austausch stehen, womit eine digitale Planungs- und Produktionsebene abgebildet wird, und die Produktion geplant und idealerweise in Echtzeit gesteuert und überwacht wird. Es ist ein permanentes Erfordernis während der Produktion möglichst vielen produktionsrelevante Informationen zu erfassen und auszuwerten. Hierbei sorgt das MES als zentrale Softwareebene dafür, dass alle Produktionsschritte mit den Vorgaben des ERP in Beziehung gesetzt werden können und zudem ein ständiges Monitoring und eine Dokumentation des Prozesszustandes möglich ist.
Hierzu ist der Einsatz von Sensoren und Messgeräten zur Erfassung von Messwerten, wie Druck, Temperatur, Abstand etc. oder Aktoren zur Ausführung von einfachen Aktionen, wie Öffnung, Verschluss, Halten etc. bekannt, wobei die Aus- und Eingangssignale (digital/analog) bedarfsweise gewandelt werden. Zur durchgängigen Kommunikation sind nach IEC 61158 normierte Feldbus-Systeme üblich, wie beispielsweise ARCNET, CAN, CANopen, EtherCAT, Modbus, PROFIBUS, VARAN etc. Diese Feldbusse nutzen definieret Übertragungsprotokolle. Weiterhin kann die Datenübertragung drahtgebunden oder drahtlos erfolgen, wobei zur drahtlosen Übertragung insbesondere standardisierte Funkprotokolle und Übertragungstechnologien genutzt werden, wie beispielsweise terrestrischer Funk, WLAN, Bluetooth, 3F, 4G, 5G, NFC, RFID etc.
Ein ergänzendes Kommunikationssystem der Automatisierungstechnik ist der IO-Link-Standard beispielsweise in der Norm IEC 61131-9 normiert und wird auch bezeichnet als „Singledrop digital communication interface for small sensors and actuators“ (SDCI). Dieser umfasst die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit der IO-Link-fähigen Steuereinheit oder IO-Link-Modulen kommunizieren. Ein alternatives Kommunikationssystem stellt das Single Pair Ethernet (SPE) dar, das beispielsweise hinsichtlich der Steckverbinder und Leitungen nach IEC 63171-2 (IP20) und IEC 63171-5 normiert ist. Sowohl das IO-Link als auch das SPE weisen eine Feldbusneutralität auf und können mit den meisten Feldbus-Systemen kommunizieren und realisieren dies über Schnittstellenprotokolle.
Insgesamt besteht ein wachsender Bedarf, alle verfügbaren Daten der Aktoren und Sensoren zentral zu erfassen und aufzubereiten, auch solche Daten, die für die eigentliche Steuerung des betroffenen Behandlungs- oder Fertigungsprozesses nicht benötigt werden.
Hierzu schlägt die DE 102016221662 B4 vor, mittels eines Adapters das IO-Link-Signal eines Feldgerätes, wie einem Sensor oder einem Aktor, an ein nachfolgendes analoges Empfangsgerät weiterzuleiten. Die EP 3324579 A1 offenbart einen vergleichbaren Y-Adapter zur Verbindung eines Feldgerätes mit einem Steuerungssystem und einem Kommunikationsgerät.
Schließlich offenbart die DE 10 2018 109 307 B3 ein Kommunikationssystem für die Automatisierungs- und Prozesstechnik, wobei zwischen einer Steuerung und einem Sensor eine Weicheneinheit vorgesehen ist. Vom Sensor kommende Daten werden an der Weiche auf einem ersten Datenpfad als digitale Daten nach dem lO-Link-Standard über eine angeschlossenen Datenempfänger übermittelt. Auf dem zweiten Datenpfad werden in einer Auswerte- und Verarbeitungseinheit die digitalen Daten die nach dem IO-Link Standard des Sensors in ein binäres Schaltsignal extrahiert und am zweiten Anschluss der Weiche der Steuerung zur Verfügung stellt. Auf diesem Wege kann der an die Weiche angeschlossene Datenempfänger die digitalen Daten des Sensors abfragen, ohne dass die Signale zwischen Sensor und Steuerung beeinflusst werden.
Diese vorbekannten Lösungen sind mit Blick auf die erhaltene, zusätzliche Datenmenge nachteilig, weil diese einen erhöhten Auswerteaufwand erzeugt und es fraglich bleibt, wozu und wie diese ausgewerteten Daten genutzt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und Verfahren zur Datennutzung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kopplungsvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Prozesssteuerungssystem den Merkmalen des Anspruches 6 sowie einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Danach wird die Aufgabe durch eine Kopplungsvorrichtung zur Überwachung und Bedienung von Feldgeräten gelöst, die als Sensoren und/oder Aktoren ausgebildet sein können. Die Kopplungsvorrichtung umfasst:

• eine Kommunikationseinheit zum drahtlosen Datenaustausch von Transferdaten mit einer externen Kommunikationseinheit,
• eine Steuerungseinheit, die mindestens datenleitend mit der Kommunikationseinheit verbunden ist,
• eine erste Verbindungseinheit, die ausgebildet und geeignet ist, eine leitende Verbindung zu einem übergeordneten Steuerungsmodul und/oder einer Steuerungsebene herzustellen, insbesondere eine genormte Steckverbindereinheit,
• eine zweite Verbindungseinheit, die ausgebildet und geeignet ist, eine leitende Verbindung zu einem Feldgerät herzustellen, insbesondere eine genormte Steckverbindereinheit, und

Hierbei ist in der Verbindungleitung mindestens ein Schaltelement vorgesehen, mit dem mindestens eine stromführende Verbindungsader durch die Steuerungseinheit der Kopplungsvorrichtung geschaltet werden kann.
Das übergeordnete Steuerungsmodul kann beispielsweise ein lO-Link-Master oder ein SPE-Master sein, die wiederum über einen in der zentralen Steuerungsebene angeordneten Steuerprozessor organisiert werden.
Unter Primärdaten sind vorliegend die Daten zu verstehen, die zwischen dem Feldgerät und einem übergeordneten Steuerungsmodul, Steuerungsebene oder einem Steuerprozessor ausgetauscht werden, die in der Regel den Hauptzweck der Prozess- oder Anlagensteuerung betreffen. So sind beispielsweise die übermittelten Temperaturmesswerte oder hieraus abgeleiteten Temperaturangaben eines Temperatursensors Primärdaten, im Unterschied zu beispielsweise Leistungsdaten des Sensors, wie der sensoreigene Stromverbrauch, der für den Hauptzweck der Prozess- und Anlagensteuerung nicht unmittelbar benötigt wird. Die zentralen Steuerungsebene ist nicht einschränkend zu verstehen und meint die Steuerungsebene alleinig oder im Zusammenwirken mit Steuerungsmodulen, Baugruppen und (Mikro-)Prozessoren, die bei Wegnahme mindestens einer oder aller Kopplungsvorrichtungen die Prozesssteuerung direkt oder mittelbar vornehmen.
Unter einem Feldgerät (Field Device) soll vorliegend ein technisches Gerät der (Prozess-)Automatisierungstechnik verstanden werden, das direkt mit einem Behandlungs- oder Produktionsprozess auf der Behandlungs-, Fertigungs- und/oder Feldebene in Kontakt steht, sich also insbesondere außerhalb einer Leitwarte und/oder eines Schaltschrankes befindet. Hierbei können Feldgeräte ausgebildet sein als (einfache) Aktoren, wie Schalter, Stellglieder, Ventile etc. oder als analoge oder digitale Sensoren für die Erfassung einer oder mehrerer Messgrößen, insbesondere chemische, elektrische und/oder physikalische Messegrößen. Vorliegend soll unter einem Feldgerät immer ein Gerät verstanden werden, das mindestens eindirektional datenleitend mit einer Steuereinheit und/oder einem weiteren Element verbindbar ist, insbesondere über ein Ethernet und/oder ein Feldbussystem, die Profibus, CAN-Bus, IO-Link, SPE etc. Die Datenleitung kann dabei leitungsgebunden oder leitungsungebunden (drahtlos) erfolgen. Weiterhin kann die Datenleitungen dauerhaft, getaktet und/oder temporär, d.h. bedarfsweise erfolgen, gegebenenfalls nach einer vorherigen Speicherung von Daten im Feldgerät oder einem verbundenen, auslesbaren Datenspeicher.
Eine verbesserte Ausführungsform kann darin bestehen, dass die Steuerungseinheit mindestens ein Erfassungselement umfasst oder hiermit verbunden ist, das ausgelegt ist, Übertragungswerte von mindestens einer Verbindungsader mindestens teilweise und/oder mindestens zeitweise zu erfassen, insbesondere teilweise oder zeitweise zu erfassen und beispielsweise in Kooperation mit der Steuereinheit auszuwerten. Diese Übertragungswerten sollen nicht einschränkend verstanden werden und können Primärdaten umfassen, die mindestens teilweise ausgelesen werden, elektrische Spannungswerte der datenleitenden Verbindungsader oder beispielsweise Datengeschwindigkeit, Datentaktung oder Datenmengen.
Diese vom Erfassungselement erfassten Übertragungswerte können intern in der Kopplungsvorrichtung aufbereitet werden, indem diese beispielsweise komprimiert, geeignete zeitabhängige mathematische Zusammenhänge ermittelt und/oder diese bedarfsweise gespeichert werden. Die vom Erfassungselement erfassten Übertragungswerte dienen insbesondere nachfolgend dazu, um als Transferdaten über die Kommunikationseinheit drahtlos mit einer externen Kommunikationseinheit einer weiteren Kopplungsvorrichtung und/oder mit einer zentralen Kommunikationseinheit der Steuerungsebene ausgetauscht zu werden.
Transferdaten können jegliche Messwerte und/oder Daten des Feldgerätes und/oder der Verbindungsleitung betreffen, die über die Kommunikationseinheit nach außen versendet werden. Transferdaten, die von der Kommunikationseinheit empfangen werden, können insbesondere Steuerdaten für mindestens ein Schaltelement umfassen oder mindestens eine Feldgerätsoftware oder Datensatz darstellen, wie ein APIs (Application Programming Interface), Treibersoftware etc., welche über die Kopplungsvorrichtung an das jeweils angeschlossene Feldgerät weiterleitbar sind.
Wie vorstehend schon ausgeführt, kann ein Speichermedium vorgesehen sein, in welchem Primärdaten oder Treiberdaten mindestens zeitweise speicherbar sind.
Es ist von großem Vorteil, wenn empfangene Transferdaten, die an ein Feldgerät weitergeleitet werden müssen, nicht eine zusätzliche Datenleitung zum Feldgerät erfordern. Somit kann es vorteilhaft sein, wenn ein Mikrochip oder ein vergleichbares elektronisches Bauteil vorgesehen ist, welcher kommunikativ mit der Steuerungseinheit verbunden und von dieser steuerbar ist, wobei mittels des Mikrochips Sekundärdaten auf die mindestens eine datenleitende Verbindungsader aufprägbar oder einfügbar sind, wobei die Sekundärdaten alternativ oder ergänzend zu den Primärdaten aufprägbar oder einfügbar sind.
Hierbei ist unter Sekundärdaten der Datenanteil der Transferdaten zu verstehen, der den Primärdaten hinzugefügt wird und/oder einen Teil der Primärdaten ersetzt. „Aufprägen“ ist ebenfalls nicht einschränkend zu verstehen und kann darin bestehen, dass über die Steuereinheit, einen weiteren Mikroprozessor und/oder einen geeigneten Mikrochip Sekundärdaten auf eine Verbindungsader einleitet, die eine reine Datenleitung ist oder eine daten- und stromleitend Verbindungsader ist (PoDL).
Insgesamt ist kann es vorteilhaft sein, wenn elektronischen Bauelemente des Kopplungsvorrichtung, insbesondere die Steuerungseinheit und/oder die Kommunikationseinheit, zur Leistungsversorgung mit mindestens einer stromleitenden Ader der Verbindungsleitung verbunden sind.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine kontaktlose Leistungsversorgungseinheit als interne Spannungsquelle vorgesehen ist, die insbesondere eine induktive Leistungsversorgungseinheit ist. Die Induktion kann hierbei durch Spulen veranlasst werden, die in elektro-magnetischer Wirkverdingung mit mindestens einer stromführenden Verbindungsader steht, die auch das Feldgerät mit Strom versorgt. Bei einer kontaktlosen Leistungsversorgung kann es vorteilhaft sein, wenn ein zwischengeschaltetes elektrisches Speicherelement vorgesehen ist, so dass eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung sichergestellt ist. Die Versorgung eines oder aller elektronischen Bauelemente der Kopplungsvorrichtung werden vorteilhafterweise unmittelbar oder mittelbar über diese Speicherelement vorgenommen. Auf diese Weise kann auch bei einem abgeschalteten Feldgerät über die Kopplungsvorrichtung ein Schaltbefehl veranlasst werden, der das Feldgerät wieder in Betrieb nimmt. Dies ist insbesondere bei sehr einfachen Sensoren von Vorteil, die keine eigne Steuerung umfassen und ausschließlich über die Schaltelemente der Kopplungsvorrichtung ein- und ausgeschaltet werden können. Von der Erfindung ist weiterhin ein Feldgerät für einen Behandlungs- oder Produktionsprozess umfasst, das als Aktoren, insbesondere für mechanischphysikalische Aktionen und/oder als Sensoren für die Erfassung von Messgrößen ausgebildet ist.
Das Feldgerät ist mindestens eindirektional datenleitend mit einer Steuereinheit und/oder einem weiteren Element verbindbar und weist die hierfür erforderlichen elektronischen Elemente auf, wobei hierbei analoge und/oder digitale Daten kommuniziert werden.
Als zentrales Element umfasst das Feldgerät eine Kopplungseinrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen und -varianten. Hierbei sind die Verbindungseinheiten in sinnvollerweise konstruktiv angepasst, so dass die Verbindungseinheit, die die Außenverbindung mit einem weiteren Element darstellt, ausgebildet und geeignet ist, eine leitende Verbindung zu einer höheren Systemebene und/oder einem über-/vorgeordnete Bauteil (Modul) zu ermöglichen. Insbesondere kann die erste Verbindungseinheit eine genormte Steckverbindereinheit sein, wie bspw. ein I/O-Link- und/oder SPE-Steckverbinder. Die zweite Verbindungseinheit ist im Feldgerät innenliegend und ebenfalls ausgebildet und geeignet ist eine leitende Verbindung zu mindestens einem (inneren) Bauteil oder einer (inneren) Komponenten des Feldgerätes herzustellen.
In vielen Fällen wird diese zweite Verbindungseinheit in einer einfachen Leitungsverbindung aus regelmäßig mindestens zwei Leitungsadern ggf. über geeignete Lötverbindungsstellen bestehen.
Die Kopplungseinrichtung stellt für ein einfaches Feldgerät eine Vorschalteinheit innerhalb des Feldgerätes dar, die die Funktionalität erweitert, insbesondere die unabhängig Schaltbarkeit als eigene, zusätzliche Steuerungsebene ermöglicht, indem Transferdaten ausgetauscht werden, insbesondere drahtlos ausgetauscht werden über die entsprechenden Empfangseinheiten.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die im Feldgerät integrierte Kopplungseinheit als integriertes Bauteil auf einer eigenen Leiterplatte (Platine) angeordnet ist, mit allen oder weitgehend allen zugehörigen elektronischen Elementen. Hierbei kann, wie vorstehend schon ausgeführt, mindestens eine Verbindungseinheit außerhalb der Leiterplatte angeordnet, insbesondere wenn diesen gemeinsamen, einzigen Außensteckverbinder des Feldgerätes darstellt. Weiterhin kann eine Verbindungseinheiten als verlötete Leitung und/oder als Lötverbindungstelle ausgebildet sein.
Die in einem Feldgerät integrierten Kopplungseinheiten bilden oder sind eingebunden in eine gemeinsame Sekundärsteuerebene, analog und ggf. gemeinsam mit den extern verbunden Kopplungseinheiten, wie vorstehend ausgeführt.
Insgesamt kann ein besonderer Vorteil darin bestehen, wenn eine (intern, extern) Kopplungseinheit ausgebildet ist und entsprechende elektronische Elemente umfasst und/oder diese geeignet zusammenwirken, wie Mikrochips, Mikroprozessoren, PHY etc., das mindestens ein aktiver Betriebszustand (eingeschaltet) und/oder weitere Betriebszustände des Feldgerätes gegenüber der Hauptsteuerungsebene simulierbar sind.
So kann ein Aktivmodus für einen Temperatursensor simuliert werden, indem beispielsweise der Messwert eines benachbarten Sensors oder ein sinnvoller, zulässiger SOLL-Wert als fiktiver Datensatz (Messwerte) an die zentrale Steuerungsebene (Hauptsteuerung) oder den Steuerprozessor gesendet werden, obwohl der bspw. Widerstandsensor abgeschaltet ist und sich in einem sehr energiearmen Standby-Modus befindet. Der Energieverbrauch beträfe in diesem Fall alleinige den Betrieb der Kopplungsvorrichtung und Übermittlung der fiktiven Daten.
Bei einem Normalbetrieb, veranlasst durch eine zentralen Steuerungsebene, würde jede Abschaltung eines Feldgerätes als negativer Ausfall und damit als Fehler gewertet werden, der einen entsprechenden Alarm auslösen würde. Der große Vorteil besteht also darin, dass keinerlei Anpassungen auf der zentralen Steuerungsebene erforderlich sind, keine logischen Abhängigkeiten beachtet werden müssen und falsch negative Fehlermeldungen vermieden werden, wenn parallel zur Abschaltung veranlasst über die Sekundärsteuerung(-sebene) eine geeignete Simulation der Funktion oder des Verhaltens eines Feldgerätes simuliert wird.
Weiterhin besteht durch die Simulation auch die Möglichkeit der Überwachung und Bewertung des „fiktiv“ ungestörten Behandlungs- oder Fertigungsprozesses in Abhängigkeit von Betriebsvorgaben.
Damit ist auch sofort erkennbar, dass sich eine sehr einfache, schrittweise Implementierung derartiger Kopplungsvorrichtungen (intern, extern) bei bestehenden Behandlungs- und Fertigungsprozessen ermöglicht wird und Ausfall- oder Umbauzeiten minimiert werden können.
Von der Erfindung ist weiterhin ein Prozesssteuerungssystem für eine Behandlungsanlage von Werkstücken, Werkstoffen und/oder Medien umfasst, dass mindestens eine Feldebene und mindestens eine zentrale Steuerungsebene umfasst, wobei auf der Feldebene mindestens ein Feldgeräte angeordnet sind, insbesondere Feldgeräte als elektronische Bauteile, die einfache Aktoren und Sensoren darstellen. Die Feldebene beziehungsweise die Feldgeräte können direkt und/oder über weitere Steuerungsebnen und/oder Steuerungsmodule, insbesondere Daten- und Feldbus-Module mit der Steuerungsebene verbunden sein. Die Steuerungsebene umfasst mindestens einen Steuerprozessor, um Primärdaten mit mindestens einem Feldgerät auszutauschen. Hierzu ist auf Feldebene mindestens ein Feldgerät mit einer verbundenen Kopplungsvorrichtung angeordnet, das nach einem der vorstehend genannten Ausführungsformen ausgebildet ist. Dabei gehört die mindestens eine Kopplungsvorrichtung des mindestens einen Feldgerätes zu einer Sekundärsteuerebene und/oder bildet diese. Insbesondere wird die Sekundärsteuerebene durch eine Vielzahl von zugehörigen Kopplungsvorrichtungen der Feldgeräte gebildet.
Als ein großer Vorteil ist erkennbar, dass durch die schaltbaren Kopplungsvorrichtungen, die als einfache Adapter, über beispielsweise standardisierte Steckerverbinder, vor jedes Feldgerät eingefügt werden können, eine vollständig neue Steuerungsebene eingefügt wird. Im Unterschied zum Stand der Technik werden nicht nur Primärdaten und versendete Transferdaten erfasst und auf einer zentralen Steuerungsebene ausgewertet, sondern es besteht auch die Möglichkeit, Feldgeräte gezielt anzusteuern, unabhängig von den Primärdaten und der laufenden Funktion der Feldgeräte.
Bei sehr großen Anlagen oder starken Abschattungen von Funksignalen kann ein Empfang von Transferdaten durch eine zentrale Kommunikationseinheit schwierig sein. Daher kann eine weiter verbesserte Ausführungsform darin gestehen, dass auf der Steuerungsebene, der Sekundärsteuerebene und/oder einer anderen Steuerungsebene, die nicht die Feldebene darstellt, eine externe, zentrale Kommunikationseinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, Transferdaten von mehr als einer Kommunikationseinheit einer Kopplungsvorrichtung zu empfangen und an den zentralen Steuerprozessor und/oder einen zentralen Sekundärprozessor weiterzuleiten. Somit erfolgt durch eine Kommunikationseinheit einer Kopplungsvorrichtung oder einer zentralen Kommunikationseinheit ein Durchleiten von Transferdaten. So können viele Kommunikationseinheiten von einer Vielzahl von Kopplungsvorrichtungen Transferdaten durchschleifen, bis diese von einer Kommunikationseinheit in einen zentralen Datenspeicher und/oder an den zentralen Steuerprozessor und/oder einen S(zentralen) Sekundärprozessor weitergeleitet werden können.
Mit dem Sekundärprozessor ist insbesondere eine Rechnereinheit gemeint, die die Transferdaten auswertet und geeignete Steuerungsroutinen entwickelt, insbesondere Steuerungsroutinen für unterschiedliche Betriebsvorgaben, wie nachstehend noch näher ausgeführt wird. Dieser Sekundärprozessor kann in einer Cloud angesiedelt sein und dem Steuerprozessor ergänzende Steuerungsbefehle mitteilen, insbesondere Steuerungsbefehle, die durch Anlagen- und Prozessverläufe oder Anlagen- und Prozesszustände definierte Betriebsvorgaben umsetzen.
Eine weiter verbesserte Ausführungsform des Prozesssteuerungssystems kann darin bestehen, dass der Sekundärprozessor mindestens ein Computerprogramm umfasst oder/und hierauf mindestens ein Computerprogramm betrieben werden kann, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher des mindestens einen Sekundärprozessors gespeichert ist und das von dem Sekundärprozessor lesbare Befehle umfasst, wobei das mindestens eine Computerprogramm eine künstliche Intelligenz (KI) umfasst oder eine künstliche Intelligenz (KI) darstellt, insbesondere eine künstliche Intelligenz (KI), die durch Transferdaten von mindestens einer Kommunikationseinheit einer Kopplungsvorrichtung angelernt werden kann, insbesondere durch Primärdaten der Feldgeräte und Transferdaten der Kopplungsvorrichtungen angelernt werden kann.
Es kann hierbei von Vorteil sein, wenn Prognosen für Anlagen- und Prozessverläufe oder Anlagen- und Prozesszustände im Zusammenhang mit Betriebsvorgaben aus den Transferdaten oder aus Transfer- und Primärdaten unter Verwendung der künstlichen Intelligenz erfolgen. Dabei wird eine künstliche Intelligenz vorgesehen, die mindestens teilweise aus Transferdaten angelernt wird und/oder wurde.
Zudem ist von der Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Behandlungsanlage von Werkstücken, Werkstoffen und/oder Medien umfasst. Hierbei wird ein Prozesssteuerungssystem mit mindestens einer Feldebene und mindestens einer zentralen Steuerungsebene vorgesehen, wobei in einem - ersten Steuerungsmodus, die Feldgeräte der Feldebene mittels Primärdaten direkt oder mittelbar mit der Steuerungsebene kommunizieren und/oder gesteuert werden, wobei ein Prozesssteuerungssystem vorgesehen ist, das nach einem der vorstehend genannten Ausführungsformen ausgebildet ist. Weiterhin wird in einem zweiten Steuerungsmoduls mindestens ein Feldgerät der Feldebene über eine hiermit verbundene Kopplungsvorrichtung der Sekundärsteuerebene ergänzend und/oder alternativ gesteuert und/oder geregelt.
Eine verbesserte Verfahrensvariante kann darin bestehen, dass die Steuerung nach unterschiedlichen Betriebsvorgaben erfolgen kann, wobei diese Betriebsvorgaben wie folgt definiert sein können.

• Primärenergieoptimierung:
- Diese Betriebsvorgabe ist auf den minimalen Verbrauch von Primärenergie, wie Öl, Gas oder Kohle ausgelegt und/oder einen Stromverbrauch, der nicht oder nur minimal aus solchen Energiequellen stammt.
• Stromoptimierung:
- Diese Betriebsvorgabe ist auf den minimalen Verbrauch von Strom ausgelegt, und kann beispielsweise tageszeitabhängig vorgegeben werden, um übermäßige Netzauslastungen zu umgehen.
• Energieartoptimierung:
- Diese Betriebsvorgabe ist auf den minimalen Verbrauch von Energie insgesamt ausgelegt und kann insbesondere vorgesehen werden, wenn im Rahmen des jeweiligen Behandlungs- oder Herstellungsprozesses nur sehr geringe Massen oder Mengen produziert werden sollen.
• Material- und/oder Einzelstoffoptimierung:
- Diese Betriebsvorgabe ist auf den minimalen Verbrauch von Material und/oder Stoffen ausgelegt. So kann beispielsweise ein Zuschnitt eines Werkstoffs bei einer langsamen Geschwindigkeit ausgeführt werden, um maximale Präzision und minimalen Ausschuss sicherzustellen.
• Emissionsoptimierung:
- Diese Betriebsvorgabe ist auf möglichst geringe Emission ausgelegt.
• CO2-Optimierung:
- Diese Betriebsvorgabe ist auf die minimale Produktion (Emission) von CO2 ausgelegt, gemäß gesetzlicher Definitionen und äquivalenter Werte.
• Output-Optimierung:
- Diese Betriebsvorgabe ist auf maximale Leistung des jeweiligen Behandlungs- oder Herstellungsprozesses ausgelegt.

Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn vorgenannte Betriebsvorgaben oder ggf. weitere Betriebsvorgaben in einer Kombination von mehr als einer der vorstehend genannten Betriebsvorgaben vorgesehen werden und idealerweise jeweils ein Optimum gefunden wird.
Es kann vorteilhaft sein, dass mindestens ein Teil der Einflussgrößen (Drittfaktoren) der Betriebsvorgaben in einem ERP gepflegt und gespeichert sind. Diese Drittfaktoren sind beispielsweise Weltmarktpreise für Primärenergie, aktuelle Verfügbarkeit von Rohstoff- und Energiearten auf dem Markt sowie gesetzliche Rahmenbedingungen, wie die Vergünstigung und aktuelle Verfügbarkeit von beispielsweise nachhaltig produziertem Strom. Diese Drittfaktoren werden vorteilhafterweise kontinuierlich oder getaktet der zentralen Steuerungsebene oder der Sekundärsteuerebene zur Verfügung gestellt, beispielsweise als Teil eines MES, in dem diesen an den jeweiligen Prozessor gesendet oder in verbundenen Datenspeichern abgelegt werden.
Ganz allgemein können die zentrale Steuerungsebene und/oder die Sekundärsteuerebene vorteilhafterweise ein Teil eines MES sein, das insbesondere mit einem ERP kommuniziert.
Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, dass im Fall einer geringen Auslastung, bei einem Produktions- oder Behandlungsauftrag ohne Zeitdruck, dieser Auftrag unter maximaler Nutzung von subventioniertem, nachhaltigem Strom gefertigt werden kann, sobald diese Stromart wetter- oder tageszeitabhängig in hinreichender Menge zur Verfügung steht, so dass die Produktionskosten minimiert werden. Weiterhin könnte in diesem Fall eine langsame Produktionsgeschwindigkeit gewählt werden, die erlaubt, dass mindestens eine Teilzahl von redundanten Sensoren abgeschaltet bleiben können, also zusätzlich Energie eingespart wird.
Hier zeigt sich auch einer der besonders vorteilhaften Effekte, dass auch einfachste analoge Sensoren, ohne eigne Schaltfunktion, durch die Schaltungselemente in der Kopplungsvorrichtung mindestens ein- und ausgeschaltet werden können und in die Optimierung eines Herstellungs- oder Behandlungsprozesses nach wechselnden Betriebsvorgaben eingebunden werden können.
Im Falle von programmierbaren Feldgeräten, die nach einer gespeicherten elektronischen Steuerkurve arbeiten und nicht über ein Kommunikationssystem wie ein IO-Link oder SPE direkt angesprochen werden können, könnte beispielsweise eine alternative Steuerkurve über Transferdaten und das Einspielen von Sekundärdaten aktiviert werden. Bei dem vorgenannten Beispiel könnte dies darin bestehen, dass beispielswiese langsamere Schließbewegungen oder geringere Haltekräfte vorsehen werden, was energetisch vorteilhaft ist.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens kann drin bestehen, dass mindestens für eine Zeitdauer mindestens ein Teil der Transferdaten, aber auch zusätzlich Primärdaten und/oder zugehörige Anlagen- und Prozesszustände/-verläufe erfasst und gespeichert werden und nachlaufend einer speziellen Betriebsvorgabe zugeordnet werden. Dabei werden die Transferdaten, zusätzliche Primärdaten und/oder zugehörige Anlagen- und Prozesszustände/-verläufe von dem Steuerprozessor und/oder dem Sekundärprozessor ausgewertet und/oder aufbereitet, insbesondere hinsichtlich der Eignung für einzelne Betriebsvorgaben ausgewertet und aufbereitet.
Es kann insbesondere bei sehr komplexen Behandlungs- und Herstellungsprozessen vorteilhaft sein, dass eine Lern- und Modellbildungsphase (Collection Phase) vorgesehen wird, in der das Anlagen- bzw. Verfahrensverhalten aus möglichst vielen vom ERP kommenden Randbedingungen, Drittfaktoren und/oder prozessrelevanten Daten erfasst wird, aus denen dann für die jeweiligen Betriebsvorgaben theoretische Steuerungsmodelle entwickelt werden.
Erst in einer nachfolgenden Produktivphase erfolgt dann die Anwendung und kontinuierliche Optimierung der jeweiligen Steuerungsmodell zu mindestens einer Betriebsvorgabe oder Kombinationen von Betriebsvorgaben. Somit können auch Altanlagen sehr einfach nachgerüstet werden, in denen unterschiedliche Kommunikationssysteme im Einsatz sind oder eine Vielzahl von sehr einfachen Sensoren und Stellgliedern verbaut sind.
Hierbei umfasst eine übergeordnete Betriebsvorgabe eine Vielzahl von Anlagen- und Prozessabläufen, die wiederum aus einer Vielzahl von statischen oder dynamischen Anlagen- und Prozesszuständen resultieren. Anlagen- und Prozesszustände werden als Primär- oder Transferdaten übermittelt, wobei auch Steuerungsdaten, gesendet von einer Steuerungsebene oder einem Steuermodul einen Teil der Primär- oder Transferdaten darstellen können.
Wird für das Verfahren in der Collecting Phase, zum Anlernen oder bei der Optimieren eine künstliche Intelligenz eingesetzt oder ist diese umfasst, kann es vorteilhaft sein, wenn die künstliche Intelligenz in einer Cloud bereitgestellt wird.
Hierbei kann vorteilhafterweise die Schätzung der Anlagen- oder Prozesszustände für mindestens einen Anlagen- oder Prozessablauf bei einer bestimmten Betriebsvorgabe aus den Transfer- und/oder den Primärdaten unter Verwendung der künstlichen Intelligenz erfolgen.
Die künstliche Intelligenz kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform angelernt werden, indem Transfer- und/oder den Primärdaten, welche einen Anlagen- und Prozesszustand wenigstens eines Elements einer (cyber-physischen) Anlage oder eines Prozesses repräsentieren oder von welchen ein solcher ableitbar ist, zusammen mit dem Anlagen- und Prozesszustand und den zugehörigen Transfer- und/oder Primärdaten, die während des laufenden Betriebs der das wenigstens eine Element umfassenden (cyber-physischen) Anlage oder des Prozesses oder einer baugleichen oder ähnlichen (cyber-physischen) Anlage oder eines Prozesses in einem überwachten Zustand und bevorzugt unter typischen Bedingungen erfasst wurden, bereitgestellt werden. Hierbei werden der Anlagen- und Prozessverlauf und/oder die Anlagen- und Prozesszustände gemeinsam mit den Transfer- und/oder Primärdaten der künstlichen Intelligenz zugeführt und die künstliche Intelligenz auf Basis dieser Daten angelernt.
Hierbei können unter „Element“ alle Maschinen, Komponenten, Leitungen, Feldgeräte oder beliebige Bauteile, insbesondere chemisch, physikalisch oder elektrisch in ihrem Zustand oder ihren Leistungsdaten erfassbare Bauteile, verstanden werden. Als „Element“ kann weiterhin ein Messgerät oder Sensor verstanden werden, der sonstige Werte ermittelt, wie beispielsweise die Luftfeuchtigkeit, die Raumtemperatur, Gasinhaltsstoffe, Vibration, Neigung oder Staubgehalt der Luft (Atmosphäre) etc. Dies können insbesondere auch Werte von Elementen sein, die keinen unmittelbaren und/oder nicht unmittelbar erkennbaren Bezug zur jeweiligen Behandlungsanlage oder deren Steuerung haben.
Weiterhin ist unter einem „überwachten Zustand“ ein derartiger Zustand zu verstehen, der eigenständig als „gewünscht“ oder „zulässig“ evaluiert und autorisiert wurde. So könnten beispielsweise in einer Kette von insgesamt drei Temperatursensoren entlang einer (Rohr-)Leitung, die aktive Temperaturerfassung durch mindestens einen Temperatursensor solch ein „gewünschter Zustand“ sein. Die Abschaltung aller Temperatursensoren hingegen würde beispielsweise einen unzulässigen Zustand darstellen.
Vorliegend wurde zwischen einem zentralen Steuerprozessor einerseits und einem Sekundärprozessor andererseits unterschieden, sowohl um die Prozessoren selbst als Hardware zu unterscheiden oder die Prozessschritte zu unterscheiden.
Ich vielen Fällen ist diese Trennung der Prozessoren als zwei oder mehr Hardwarebauteile und der zugehörigen Prozessorschritte/-arbeiten sehr sinnvoll, wobei diese Trennung und Benennung vorliegend nicht einschränkend zu verstehen sind. Der mindestens eine zentrale Steuerprozessor und der mindestens eine Sekundärprozessor können auch ein einziger Prozessor sein, mit hierreichender Prozessorleistung und/oder -geschwindigkeit, auf dem alle erforderlichen Rechen-, Analyse- und/oder Steuerungsschritte ablaufen und/oder veranlasst werden. Insbesondere kann dieser Prozessor über eine entsprechende Kommunikationseinheit datenleitend mit mindestens einer weiteren Kommunikationseinheit drahtlos in Verbindung stehen.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn mittels der Kopplungsvorrichtung, insbesondere mittels des Mikrochips im Zusammenwirken mit der Steuerungseinheit (µC) mindestens ein Betriebszustand, Betriebsdaten und/oder Messwerte des Feldgerätes gegenüber der zentralen Steuerebene oder der zentralen Prozesssteuerung dauerhaft oder zeitweise simuliert wird. Als Betriebszustand soll insbesondere eine SOLL-Funktion des Feldgerätes im Sinne eines Normalbetriebes und vorrangig die störungsfreie, eingeschaltete Funktion verstanden werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer Kopplungsvorrichtung in einem Prozesssteuerungssystem,
2 eine zweite Ausführungsform einer Kopplungsvorrichtung,
3 eine dritte Ausführungsform einer Kopplungsvorrichtung,
4 eine vierte Ausführungsform einer Kopplungsvorrichtung,
5 ein Prozesssteuerungssystem mit drei Steuerungsebenen und
6 ein Prozesssteuerungssystem mit zwei Feldgeräten, die eine integrierte Kopplungsvorrichtung aufweisen.

In der 1 ist schematisch ein Prozesssteuerungssystem 1 gezeigt, in dem ein erstes Feldgerät 50 und ein zweites Feldgerät 50.1 jeweils über eine Leitung 2, 2.1 mit einer zentralen Steuerungsebene 200 verbunden sind. Die Feldgeräte 50, 50.1 bilden eine Feldebene 100, die aus einfachen Sensoren oder Stellgliedern (Aktoren) gebildet wird. Nachfolgend wird aus Gründen vereinfachend nur Feldgerät 50 beschrieben, wobei die Beschreibung in analoger Weise auch für das zweite Feldgerät 50.1 in derselben oder in einer anderen hierin beschriebenen Ausführungsform gelten kann.
Zwischen dem Feldgerät 50 und der zentralen Steuerungsebene 200 ist die erfindungsgemäße Kopplungsvorrichtung 10 angeordnet, die zur Steuerungsebene 200 eine erste Verbindungseinheit 13 aufweist, die vorliegend beispielsweise als 2-adrige SPE- Verbindungsstecker ausgebildet ist. Auf der Seite des Feldgerätes 50 weist die Kopplungsvorrichtung 10 eine zweite Verbindungseinheit 14 auf, die ebenfalls ein nach SPE standardisierter Verbindungsstecker ist. Die Verbindungseinheit 14 ist unmittelbar, also ohne externes Kabel in einen passenden Gegensteckverbinder des Feldgerätes 50 eingefügt. Vorliegend ist das Feldgerät ein einfaches Thermoelement, das kein eigenes Schaltelement aufweist, also normalerweise im Dauerbetrieb ist, sobald es stromleitend verbunden wurde.
Die Kopplungsvorrichtung 10 umfasst zur Überwachung und Bedienung des Feldgerätes 50 eine Kommunikationseinheit 11, mittels der über eine Funkschnittstelle, wie beispielsweise ein WLAN oder Bluetooth, ein drahtloser Datenaustausch von Transferdaten T mit einer externen Kommunikationseinheit 11.1 einer benachbarten Kopplungsvorrichtung 50.1 oder einer Kommunikationseinheit 211 ermöglicht wird, die direkt mit der zentralen Steuerungseben 200 und insbesondere mit einem Steuerprozessor 201 verbunden ist.
Weiterhin ist eine Steuerungseinheit 12 umfasst, die mindestens datenleitend mit der Kommunikationseinheit verbunden ist.
In dem gezeigten Aufführungsbeispiel nach 1 besteht in der Kopplungsvorrichtung 10 eine zweiadrige SPE Verbindungsleitung 15 von der ersten Verbindungseinheit 13 zur zweiten Verbindungseinheit 14, über deren daten- und stromleitenden Verbindungsadern 15.1, 15.2 Primärdaten zwischen der zentralen Steuerungsebene 200 und dem Feldgerät 50 ausgetauscht werden und parallel die Stromversorgung erfolgt.
Die Kopplungsvorrichtung 10 weist als zentrales Bauteil ein Schaltelement 16 auf, mittels welchem, gesteuert durch die Steuerungseinheit 12, mindestens eine Verbindungsader 15.1, 15.2 an- und abgeschaltet werden kann.
Die Steuereinheit 12 wird über die beiden Verbindungsadern 15.1, 15.2 ebenfalls stromleitend versorgt. Im Normalbetrieb eines Verfahrens zur Behandlung von Werkstücken, Werkstoffen und/oder Medien erfolgt im ersten Steuerungsmodus ein ungehinderter Austausch von Primärdaten zwischen dem Feldgeräte 50 auf der Feldebene 100 und der Steuerungsebene 200. Dieser Datenaustausch kann über dazwischen liegende Steuerungseben oder Steuermodule erfolgen, die in der 1 nicht dargestellt sind.
Parallel kann ein Teil der Primärdaten auch von der Steuerungseinheit 12 erfasst und/oder extrahiert werden und als Transferdaten an eine externe Kommunikationseinheit 11.1, 211 weitergeleitet werden. Die hierzu gegebenenfalls erforderlichen mikroelektronischen Bauteile, wie bspw. eine PHY, sind nicht dargestellt. Entscheidend ist hierbei, dass der Datenaustausch von Primärdaten zwischen dem Feldgerät 50 und einer übergeordneten Steuerungsebne 200 oder Steuerungsmodulen nicht beeinflusst wird.
Beispielsweise könnte mittels der Steuerungseinheit 12 ein Datenvolumen und/oder eine Signalstärke erfasst werden, die als ergänzende Information, die für die eigentliche Steuerung des Verfahrens keine unmittelbare Relevanz haben, auf dem Funkweg und ohne die zentrale Leitung 2 zu belasten, als Transferdaten an den Steuerprozessor 201 geleitet leitet werden. In einem ersten Schritt werden diese Transferdaten in einen Datenspeicher 202 mindestens zeitweise gespeichert und können bedarfsweise ausgelesen und/oder ausgewertet werden. Die Steuerungsebene 200 ist vorliegend integraler Abstandteil eine MES, in dem Betriebsvorgaben, wie beispielsweise „Energieoptimierung“ oder „CO2-Optimierung“ veranlasst werden.
Im Falle einer derartigen Betriebsvorgabe kann, wenn keine anderen, höherwertigen Sicherheitsbedingungen dagegenstehen, der Thermosensor abgeschaltet werden. Insbesondere kann eine Abschaltung als logische Folge von Anlagen- und Prozesszuständen erfolgen, die in dem zentralen Steuerprozessor 201 verwaltet werden. Erhält beispielsweise das stromaufwärts befindliche Thermoelement (Feldgerät 50) ein niedriges Temperatursignal und ist es physikalisch abseits von zerstörerischen Ereignissen unmöglich, dass das stromabwärtsbefindliche Thermoelement (Feldgerät 50.1) in einer definierten Zeitdauer ein sicherheitsrelevantes Maximum erfassen kann, dann können entsprechende Abschaltzeiten für das stromabwärtsbefindliche Thermoelement (Feldgerät 50.1) über Transferdaten und das verarbeitende Schaltelement 16 geschaltet werden.
In der 2 ist eine zur 1 vergleichbare Kopplungsvorrichtung 10 für das Feldgerät 50 gezeigt. Das Feldgerät 50 ist hierbei eine IO-Link Aktor, der über zwei stromführende Verbindungsadern 15.1 (L-), 15.2 (L+) und eine datenleitende Verbindungsader 15.3 (C/Q) mit einem IO-Master 5 verbunden ist. Der IO-Master 5 steuert ebenfalls das benachbarte Feldgerät 50.1. Die übergeordnete Steuerungsebene 200 ist ein PROFIBUS oder ein vergleichbares Feldbus-System.
Alle drei Verbindungsadern 15.1, 15.2, 15.3 weisen jeweils ein Schaltelement 16.1, 16.2, 16.3 auf, Auf diese Weise kann gezielt der Datenfluss und/oder die Spannung abgeschaltet werden, wobei auch gezielt ein Abklingen oder Speichern von Kondensatorladungen über das gleichzeitige oder gesteuerte Schalten der stromführenden Verbindungsadern 15.1, 15.2 veranlasst werden kann. Das Wakeup-Signal wird über das (zentrale) Kommunikationselement 211 der Steuerungsebene 200 und das benachbarte Feldgerät 50.1 und dessen Kommunikationselement 11.1 an das Kommunikationselement 11 und die dortige Steuereinheit 12 geleitet, weil das Kommunikationselement 11 des Feldgerätes 50 außerhalb des Erfassungsbereiches des zentralen Kommunikationselementes 211 angeordnet ist. Die Bestromung erfolgt analog zur 1 über die Adern der Verbindungsleitung 15. Die Abschaltung der datenführenden Verbindungsader 15.3 kann der weiter verbesserten Energieeinsparung dienen.
Das Ausführungsbeispiel in der 3 unterscheidet sich von denen der 1 und 2 insbesondere darin, dass eine berührungslose, induktive Versorgungseinheit 18 als Spannungsquelle vorgesehen ist, die mit mindestens einer Spule eine elektromagnetische Kopplung zu einer Verbindungsader 15.1 erstellt. Mit dieser Versorgungseinheit 18 als Stromquelle ist ein elektrisches Speicherelement 19 verbunden, über welches die Bestromung der elektronischen Bauteile der Kopplungsvorrichtung 10 erfolgt. Weiterhin ist ein separates Erfassungselement 17 in der datenleitenden Verbindungsader 15.3 vorgesehen, mittels welcher ohne Einflussnahme auf die Primärdaten Messungen zu beispielsweise Datenvolumen, Datentaktung oder eine Spannungsmessung erfolgen kann.
Die Kommunikationseinheit 11 der Kopplungsvorrichtung 10 steht, wie eine Vielzahl nicht dargestellter weiterer Feldgeräte, in direktem, drahtlosen Datenaustausch von Transferdaten T über eine Kommunikationseinheit 511 als Funkschnittstelle mit einem Sekundärprozessor 500 verbunden, der über eine Speichereinheit 502 verfügt und Teil einer Künstlichen Intelligenz (KI) ist bzw. diese darstellt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 können über einen Mikrochip 21, der von der Steuerungseinheit 12 organisiert wird, Sekundärdaten bedarfsweise in die datenleitende Verbindungsader 15.3 eingebracht werden. Auf diesem Wege können beispielsweise Firmware-Updates in das Feldgerät 50 oder von Betriebsvorgaben abhängig Steuer- und Funktionskurven eingebracht werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem Datenframes oder Protokolleinträge der Primärdaten in hierzu vorgesehenen Feldern ergänzt oder ersetzt werden.
In der 5 ist schematisch ein Prozesssteuerungssystem 1 mit Feldgeräten 50, 50.1 ... 50.n auf der Feldebene 100 gezeigt, die jeweils über eine Kopplungsvorrichtung 10, 10.1 ... 10.n mit der Steuerebene 200 verbunden sind. Auf der Steuerungsebene 200 sind die SPS 22, 22.1 ... 22.n (Speicherprogrammierbare Steuerung) und das MES 23 angeordnet, dass kommunikativ mit einem übergeordneten ERP 24 verbunden ist.
Das MES 32 erhält direkt Primärdaten über die Verbindungsleitungen der angeschlossenen Bauteile, soweit die Protokolle dies übermitteln. Ergänzend werden Transferdaten T vom Sekundärprozessor 500 über die (zentrale) Kommunikationseinheit 511 empfangen und aufbereitet. Im Sekundärprozessor 500 werden vorliegend sowohl Primärdaten als auch Transferdaten gemeinsam ausgewertet und ergänzende oder verbesserte Steuermodelle für die unterschiedlichen Betriebsvorgaben ermittelt.
Es ist in der 5 insbesondere gut zu erkennen, dass die Kopplungsvorrichtungen 10, 10.1 ... 10n eine zusätzliche Sekundärsteuerungsebene 300 definieren, über die unabhängig oder ergänzend zur zentralen Steuerungseben 200 Anlagen- und Prozessverläufe oder Anlagen- und Prozesszustände einstellbar sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 sind auf der Feldebene 100 drei Feldgeräte 50, 60, 60.1 dargestellt, wobei das in der Mitte dargestellte Feldgerät 50 ein einfacher Aktor ist, der über einen nicht näher gezeigten Linearantrieb den Stellzylinder 27 bewegt. Die beiden anderen Feldgeräte 60, 60.1 weisen jeweils eine integrierte Kopplungsvorrichtung 10a, 10a.1 auf, die im Wesentlichen als SMD ausgebildet ist und auf einer Leiterplatte 27 bis auf die Verbindungseinheiten 13, 14 alle elektronischen Elemente aufweist. Diese entsprechen in ihrer Benennung und Funktion den Elementen, wie vorstehend zu den unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben wurde.
Das zweite Verbindungselement 14 ist eine Lötverbindungsstelle auf der Leiterplatte 27, die ihrerseits mit der Schaltanordnung 25 des Sensorkopfes 26 verbunden ist. Der Sensorkopf 26 ist ein induktiver Näherungssensor zur Erfassung von metallischen Gegenständen.
Die drei Kopplungsvorrichtungen 10, 10a, 10a. 1 bilden die Sekundärsteuerebene 300, über die die steuernde Einflussnahme durch den Sekundärprozessor 500 auf die Feldgeräte 50, 60 erfolgt. Dieser könnte auch der Sekundärsteuerebene 300 zugerechnet werden.
Der Mikrochip 21 im Zusammenwirken mit der Steuereinheit 12 dienen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Simulationseinheit, über die jede Betriebsart und jeder fiktive Messwert des Feldgerätes 60, insbesondere des Sensorkopfes 26, auf die Verbindungsader 15.3 (C/Q-Ader) aufgeprägt und an die zentrale Steuerungsebene 200 geleitet werden können. Das Steuerungselement 12 kann insbesondere ein Mikroprozessor (µC) sein oder diesen umfassen. Weiterhin kann das Steuerungselement 12 einen insbesondere nichtflüchtigen Datenspeicher umfassen oder hiermit verbunden sein.
Bezugszeichenliste

1: Prozesssteuerungssystem
2: Leitung, auch 2.1
5: IO-Master
10: Kopplungsvorrichtung (extern)
10a: Kopplungsvorrichtung (intern)
11: Kommunikationseinheit, auch 11.1, 11.2 ... 11.n
12: Steuerungseinheit
13: Verbindungseinheit, erste
14: Verbindungseinheit, zweite
15: Verbindungsleitung
15.1: Verbindungsader
15.2: Verbindungsader
15.3: Verbindunsader
16: Schaltelement, auch 16.1, 16.2, 16.3
17: Erfassungselement
18: Leitungsversorgungseinheit
19: Speicherelement
20: Thermoelement
21: Mikrochip
22: Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)
23: Management Execution System (MES)
24: Enterprise Resource Planning (ERP)
25: Schaltanordnung
26: Sensorkopf
27: Leiterplatte, Platine
28: Stellzylinder
50: Feldgerät, auch 50.1 ... 50.n
60: Feldgerät, auch 60, 60.1
100: Feldebene
200: Steuerungsebene, zentrale
201: Steuerprozessor
202: Datenspeicher
211: Kommunikationseinheit
300: Sekundärsteuerebene
500: Sekundärprozessor
502: Speichereinheit
511: Kommunikationseinheit
T: Transferdaten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016221662 B4 [0006]
EP 3324579 A1 [0006]
DE 102018109307 B3 [0007]

Claims

Kopplungsvorrichtung (10, 10a) zur Überwachung und Bedienung von Feldgeräten (50) umfassend • eine Kommunikationseinheit (11) zum drahtlosen Datenaustausch von Transferdaten (T) mit mindestens einer externen Kommunikationseinheit (11.1, 211), • eine Steuerungseinheit (12), die mindestens datenleitend mit der Kommunikationseinheit (11) verbunden ist, • eine erste Verbindungseinheit (13), die ausgebildet und geeignet ist, eine leitende Verbindung zu einer höheren Systemebene (200) herzustellen, insbesondere eine genormte Steckverbindereinheit, • eine zweite Verbindungseinheit (14), die ausgebildet und geeignet ist, die leitende Verbindung zu einem Feldgerät (50) herzustellen, insbesondere eine genormte Steckverbindereinheit, und wobei eine mindestens zweiadrige Verbindungsleitung (15) von der ersten Verbindungseinheit (13) zur zweiten Verbindungseinheit (14) verläuft, wovon mindestens eine Verbindungsader (15.1) eine datenleitende Verbindungsader zur Weiterleitung von Primärdaten ist und mindestens zwei Verbindungsadern (15.1, 15.2) stromleitend sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungleitung (15) mindestens ein Schaltelement (16, 16.1, 16.2) vorgesehen ist, mit dem mindestens eine stromführende Verbindungsader (15.1, 15.2) durch die Steuerungseinheit (12) geschaltet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (12) mindestens ein Erfassungselement (17) umfasst oder hiermit verbunden ist, das ausgelegt ist, Übertragungswerte von mindestens einer Verbindungsader (15.1, 15.2) mindestens teilweise und/oder mindestens zeitweise zu erfassen, insbesondere teilweise oder zeitweise zu erfassen und auszuwerten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopplungselement (18) vorgesehen ist, welches kommunikativ mit der Steuerungseinheit (12) verbunden und von diesem steuerbar ist, wobei mittels des Mikrochips (21) sekundäre Daten auf die mindestens eine datenleitende Verbindungsader (15.1, 15.2) aufprägbar oder einleitbar sind, wobei die Sekundärdaten alternativ oder ergänzend zu den Primärdaten aufprägbar oder einleitbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (12) und/oder die Kommunikationseinheit (11) zur Leistungsversorgung mit mindestens einer stromleitenden Ader der Verbindungsleitung (15) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontaktlose Leistungsversorgungseinheit (18) als interne Spannungsquelle vorgesehen ist, insbesondere eine induktive Leistungsversorgungseinheit (18), mittels welcher unmittelbar oder mittelbar über ein zwischengeschaltetes elektrisches Speicherelement (19) mindestens ein elektronisches Bauteil der Kopplungsvorrichtung (10) versorgt wird.
Feldgerät (50, 60) für einen Behandlungs- oder Produktionsprozess, ausgebildet als Aktor oder als Sensor für die Erfassung von Messgrößen, wobei Feldgerät mindestens eindirektional datenleitend mit einer Steuereinheit und/oder einem weiteren Element mindestens temporär verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopplungseinrichtung (10, 10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 - mit diesem verbunden ist, insbesondere über einen Steckverbinder verbunden ist oder - einen integralen Bestandteil darstellt, wobei die erste Verbindungseinheit (13) ausgebildet und geeignet ist, eine leitende Verbindung zu einer zentralen Systemebene (200) herzustellen, insbesondere eine genormte Steckverbindereinheit, und die Außenverbindungseinheit des Feldgerätes (60) darstellt und die zweite Verbindungseinheit (14) ausgebildet und geeignet ist eine leitende Verbindung zu mindestens einem elektronischen Bauteil des Feldgerätes (60) herzustellen und mindestens aus zwei Verbindungsadern (15.1, 15.2) besteht.
Feldgerät (50, 60) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Kopplungsvorrichtung (10a, 10a.2) als integriertes Bauteil auf einer Leiterplatte (27) angeordnet ist, wobei mindestens eine Verbindungseinheit (13) außerhalb der Leiterplatte (27) angeordnet ist und/oder als mindestens eine Lötverbindungstelle ausgebildet ist.
Prozesssteuerungssystem (1) für eine Behandlungsanlage von Werkstücken, Werkstoffen und/oder Medien, umfassend mindestens eine Feldebene (100) und mindestens eine zentrale Steuerungsebene (200), wobei auf der Feldebene (100) Feldgeräte (50, 50.1 ... 50.n) angeordnet sind, insbesondere Feldgeräte (50, 50.1 .. 50.n) als elektronische Bauteile, die einfache Aktoren und Sensoren darstellen, wobei die Feldebene (100) über weitere Steuerungsebenen und/oder Steuerungsmodule, insbesondere Daten- und Feldbus-Module, mit der Steuerungsebene (200) verbunden sein kann, wobei die Steuerungsebene (200) mindestens einen Steuerprozessor (201) umfasst, um Prozessdaten als Primärdaten mit mindestens einem Feldgerät (50) auszutauschen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Feldebene (100) - mindestens ein Feldgerät (50) mit einer verbundenen Kopplungsvorrichtung (10) angeordnet ist, das nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist, und/oder - mindestens ein Feldgerät (60) mit einer integrierten Kopplungsvorrichtung (10a, 1 0a.2) nach Anspruch 6 oder 7 ausgebildet ist, und wobei die mindestens eine Kopplungsvorrichtung (10, 10a) des mindestens einen Feldgerätes (50, 60) zu einer Sekundärsteuerebene (300) gehört und/oder diese bildet, insbesondere eine Vielzahl von Kopplungsvorrichtungen (10, 10.1 ... 10.n, 10a, 10a.1) zu einer Sekundärsteuerebene (300) gehören und/oder diese bilden.
Prozesssteuerungssystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Steuerungsebene (200), der Sekundärsteuerebene (300) und/oder einer anderen Steuerungsebene, die nicht die Feldebene (100) darstellt, eine externe, zentrale Kommunikationseinheit (111, 211, 511) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, Transferdaten von mehr als einer Kommunikationseinheit (11, 11.1 ... 11.n) einer Kopplungsvorrichtung (10) zu empfangen und an den zentralen Steuerprozessor (201) und/oder einen zentralen Sekundärprozessor (500) weiterzuleiten.
Prozesssteuerungssystem (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärprozessor (500) ein Computerprogramm umfasst oder/und Computerprogramm betrieben werden kann, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher des Sekundärprozessors (500) gespeichert ist und das von dem Sekundärprozessor (500) lesbare Befehle umfasst, wobei das Computerprogramm eine künstliche Intelligenz (KI) umfasst oder eine künstliche Intelligenz (KI) darstellt, insbesondere eine künstliche Intelligenz (KI), die durch Transferdaten von mindestens einer Kommunikationseinheit (11) einer Kopplungsvorrichtung (10) angelernt werden kann, insbesondere durch Primärdaten der Feldgeräte (50) und Transferdaten (10) der Kopplungsvorrichtungen (10) angelernt werden kann.
Verfahren zur Steuerung einer Behandlungsanlage von Werkstücken, Werkstoffen und/oder Medien, wobei ein Prozesssteuerungssystem (1) mit mindestens einer Feldebene (100) und mindestens einer zentralen Steuerungsebene (200) vorgesehen ist, wobei in einem ersten Steuerungsmodus, die Feldgeräte (50) der Feldebene (100) mittels Primärdaten direkt oder mittelbar mit der Steuerungsebene (200) kommunizieren und/oder gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozesssteuerungssystem (1) vorgesehen ist, das nach einem der Ansprüche 8 bis 10 ausgebildet ist, und wobei in einem zweiten Steuerungsmoduls mindestens ein Feldgerät (50, 60) der Feldebene (100) über eine hiermit verbundene (externe) Kopplungsvorrichtung (10) oder eine integrierte Kopplungsvorrichtung (10a) der Sekundärsteuerebene (300) ergänzend und/oder alternativ gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das die Steuerung nach unterschiedlichen Betriebsvorgaben erfolgen kann, wobei diese Betriebsvorgaben insbesondere wie folgt definiert sein können: • Primärenergieoptimierung • Stromoptimierung • Energieartoptimierung • Material- und/oder Einzelstoffoptimierung • Emissionsoptimierung • CO2-Optimierung • Einzelstoffoptimierung • Output-Optimierung • Produktionsdauerminimierung und/oder Kombinationen von mindestens zwei der vorgenannten Betriebsvorgaben.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zeitdauer mindestens ein Teil der relevanten Zustands- und Einflussgrößen für Betriebsvorgaben erfasst und gespeichert werden, wobei die Zustands- und Einflussgrößen von dem Steuerprozessor (201) und/oder dem Sekundärprozessor (501) ausgewertet und/oder aufbereitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kopplungsvorrichtung (10, 10a) mindestens ein Betriebszustand, Betriebsdaten und/oder Messwerte des Feldgerätes (50, 60) gegenüber der zentralen Steuerebene oder der zentralen Prozesssteuerung mindestens zeitweise simuliert wird.