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Die Erfindung betrifft ein System, umfassend zumindest zwei Feldgeräte der Automatisierungstechnik. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Feldgerät, welches zur Verwendung im erfindungsgemäßen System ausgestaltet ist.
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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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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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Eine solche Steuereinheit (SPS) wird programmiert, indem die Werte der in den Feldgeräten enthaltenen Sensoren (beispielsweise Temperatur/ Füllstand, etc.) und/oder Aktoren (beispielsweise Stellgrad eines Regelventil, Auf- Zu- Zustand eine Absperrklappe, etc.) eingelesen werden und die Aktoren so gesteuert werden, dass sich gewünschte Prozessparameter (registriert von den Sensoren als Sensormesswerte) ergeben. Einfache Zeitliche Steuervorgänge können ebenfalls über die Programmierung der Steuereinheit vorgegeben werden.
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Das Betreiben eines Anlagennetzwerks mit einer Steuereinheit ist aufwändig und teuer. Die Anschaffungskosten für eine Steuereinheit sind hoch, ebenso wie der Installationsaufwand. Für den etwaigen Ausfall einer Steuereinheit müssen Redundanzen vorhanden sein, wodurch die Kosten zusätzlich erhöht werden.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinheit in einem Anlagennetzwerk durch ein einfaches und kostengünstigeres System zu ersetzen.
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Die Aufgabe wird durch ein System gelöst, welches System zumindest zwei Feldgeräte der Automatisierungstechnik umfasst, wobei jedes der Feldgeräte eine Speichereinheit und eine Logikeinheit aufweist, wobei die entsprechende Logikeinheit einen Softwarebestandteil aufweist, wobei die Feldgeräte derart miteinander in Kommunikationsverbindung stehen und ein Netzwerk bilden, dass beide Feldgeräte hierarchisch identisch angeordnet sind, und wobei die Logikeinheiten der Feldgeräte derart ausgestaltet sind, dass die Feldgeräte als Feldgerätekomplex zusammenwirken und dass die Logikeinheiten die jeweiligen Softwarebestandteile gemeinsam als einzelne übergeordnete Software des Feldgerätekomplexes ausgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht es, Funktionalitäten und Software in einem Feldgerätekomplex auszuführen, die von einzelnen Feldgeräten aufgrund begrenzter Ressourcen nicht ausführbar wären. Dies wird dadurch erreicht, dass die Feldgeräte ihre Ressourcen (zum einen Rechenleistung durch Logikeinheiten und Softwarebestandteile, aber auch beispielsweise ein gemeinsamer Speicher) in einem Feldgerätekomplex oder Schwarmnetz bündeln und gemeinsam nutzen. Das bedeutet, dass die Feldgeräte einer verfahrenstechnischen Anlage ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Recheneinheiten bilden.
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Für den Feldgerätekomplex werden mindestens zwei Feldgeräte benötigt. Je größer und komplexer die Anlage - und somit die Anzahl der verfügbaren Feldgeräte - aber ist, desto mehr Ressourcen sind vorhanden. Die für die gemeinsame Software verfügbare Hardware, bzw. Ressourcen wachsen somit mit der Anzahl von in dem Feldgerätekomplex befindlichen Feldgeräten. Ermöglicht wird die technische Umsetzung der Erfindung durch die fortschreitende Entwicklung der Halbleitertechnik und Elektronik. Microcontroller und Speicher z.B. werden immer leistungsfähiger, benötigen weniger Energie und ermöglichen es, die Funktionalitäten von Feldgeräten zu erweitern.
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Die Feldgeräte sind in ein Kommunikationsnetzwerk eingebunden. Dieses ist vorteilhafterweise drahtgebunden ausgestaltet und basiert auf einem modernen Feldbusstandard (bspw. Foundation Fieldbus oder Profibus) oder ist ethernetbasiert, da drahtgebundene Netzwerke einen hohen Datendurchsatz ermöglichen. Auch drahtlose Netzwerktypen sind denkbar, wenn diese eine ausreichend hohe Bandbreite ermöglichen, um die zum Betreiben des Feldgerätekomplex erforderliche Kommunikation unter den Feldgeräten zu ermöglichen.
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Eine Ausgestaltung des Systems sieht vor, dass das System eine Bedieneinheit aufweist, welche Bedieneinheit Teil des Netzwerks ist. Bei der Bedieneinheit handelt es sich beispielsweise um einen Laptop oder PC mit entsprechender Schnittstelle für das Kommunikationsnetzwerk und Software zum Bedienen des Feldgerätekomplexes. Auch mobile Bedieneinheiten, beispielsweise im Sinne des von der Firma „Endress+Hauser“ vertriebenen „Field Xperts“ oder mobiler Endgeräte, sind im Rahmen der Erfindung einsetzbar.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Feldgerätekomplex mit einer cloudbasierten Plattform, kurz „Cloud“, verbunden wird. Eine solche Cloud besteht aus einem oder mehreren Serveranlagen und ist per Internet kontaktierbar. Auf der Cloud laufen eine oder mehrere Applikationen ab, mit deren Hilfe daten verarbeitet, Systeme gesteuert, etc. werden können. Die Cloud, bzw. eine darauf ablaufende Applikation, kann nach dem Anmelden des Feldgerätekomplexes an der Cloud dann als Bedieneinheit verwendet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems ist vorgesehen, dass die übergeordnete Software dazu ausgestaltet ist, die Kommunikation mit der externen Bedieneinheit derart zu steuern, dass das der Feldgerätekomplex von der Bedieneinheit unter einer gemeinsamen Netzwerkdresse kontaktiert werden kann. Über diese Netzwerkadresse können Befehle und Abfragen dann direkt an den Feldgerätekomplex, bzw. die übergeordnete Software gerichtet werden. Beispielsweise kann diese eine Netzwerkadresse sein, die bereits einem Feldgerät zugeordnet ist. Es kann sich aber auch eine eigenständige Netzwerkadresse handeln.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems sieht vor, dass die übergeordnete Software dazu ausgestaltet ist, den Feldgerätekomplex der Bedieneinheit als programmierbare Steuereinheit erscheinen zu lassen. Der Feldgerätekomplex erfüllt damit die Aufgaben und Funktionalitäten einer Steuereinheit. Für die Bedieneinheit, welche den Feldgerätekomplex unter der Netzwerkadresse anspricht, erscheint dieser als reguläre Steuereinheit (beispielsweise als SPS), welche wie eine normale Steuereinheit bedient werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems ist vorgesehen, dass die Bedieneinheit dazu ausgestaltet ist, Parameter und/oder Algorithmik in die übergeordnete Software zu schreiben, welche Parameter und/oder Algorithmik die Funktionalitäten des Feldgerätekomplexes und das Zusammenwirken der Feldgeräte im Feldgerätekomplex definieren. Soll der Feldgerätekomplex beispielsweise als Steuereinheit dienen, so kann zum einen definiert werden, wie sich der Feldgerätekomplex im Inneren verhält, also welche Feldgeräte des Komplexes die Aufgabe des Versendens der Steuerbefehle versenden, welche Feldgeräte einzelne Rechenoperationen ausführen, etc.
Zum anderen kann definiert werden, wie sich der Feldgerätekomplex nach außen hin (bspw. gegenüber der Bedieneinheit) verhält, beispielsweise welches Feldgerät für die Kommunikation nach außen hin zuständig ist, etc.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems sieht vor, dass zumindest eines der Feldgeräte zum Erfassen einer physikalischen Größe eines verfahrenstechnischen Prozesses ausgestaltet ist und wobei das andere der Feldgeräte zum Beeinflussen einer physikalischen Größe eines verfahrenstechnischen Prozesses ausgestaltet ist, wobei die übergeordnete Software dazu ausgestaltet ist, einen Regelkreis mit den beiden Feldgeräten zu etablieren. Die von dem Feldgerätekomplex ausgeführte übergeordnete Software wirkt also auf die Feldgeräte im Inneren des Feldgerätekomplexes als Steuereinheit. Neben der Regelkreisfunktionalität sind auch weitere Funktionen einer Steuereinheit (bspw. einer SPS) durch die Software ausführbar. Das System ermöglicht es also, auf eine Steuereinheit in einem Anlagennetzwerk verzichten zu können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems ist vorgesehen, dass die übergeordnete Software dazu ausgestaltet ist, auf den Feldgeräten zumindest Teile der Softwarebestandteile der weiteren Feldgeräte zu speichern. Der Feldgerätekomplex kann so gegen Ausfälle gesichert werden. Alternativ oder zusätzlich sind auch Backups ermöglicht, sollte der Feldgerätekomplex einen instabilen Zustand annehmen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems sieht vor, dass die übergeordnete Software dazu ausgestaltet ist, einen Ausfall von einem der Feldgeräte dadurch zu kompensieren, dass die verbleibenden Feldgeräte des Feldgerätekomplexes gemeinsam den Softwarebestandteil des weiteren Feldgeräts ausführen. Im Idealfall werden, je nach verfügbarem Speicherplatz der einzelnen Feldgeräte im Feldgerätekomplex, einzelne Softwarebestandteilen auf möglichst vielen anderen Feldgeräten gespeichert, so dass auch der Ausfall von mehr als einem Feldgerät kompensiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems ist vorgesehen, dass die übergeordnete Software dazu ausgestaltet ist, auf den Feldgeräten zumindest die Teile der Softwarebestandteile der weiteren Feldgeräte in einem RAID- Verfahren zu speichern. In einem RAID-Verfahren werden Redundanzen gezielt erzeugt, damit beim Ausfall einzelner Feldgeräte der Feldgerätekomplex als Ganzes seine Integrität und Funktionalität behält und nach Ersetzen des ausgefallenen Feldgeräts durch einen Rebuild der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Feldgerät gelöst, welche zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen System ausgestaltet ist, wobei das Feldgerät eine Speichereinheit und eine Logikeinheit aufweist, wobei die entsprechende Logikeinheit einen Softwarebestandteil aufweist, und wobei die Logikeinheiten dazu ausgestaltet ist, mit Logikeinheiten weiterer Feldgeräte zusammenzuwirken. Beispiele für Feldgeräte, welche im Sinne der Erfindung verwendet werden können, sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung aufgeführt worden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1: zwei Beispiele eines industriellen Kommunikationsnetzwerk mit einer Steuereinheit, wie aus dem Stand der Technik bekannt; und
- 2: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems.
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In 1 ist schematisch ein Automatisierungsnetzwerk gezeigt, wie dieses aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es sind eine Vielzahl von Feldgeräten (n-fache Anzahl) FG`, FG'', ..., FGn vorhanden, welche mit einer Steuereinheit ST, beispielsweise einer SPS, in Kommunikationsverbindung stehen. Bei den Feldgeräten handelt es sich um Geräte zur Erfassung einer oder mehrerer Prozessvariablen eines verfahrenstechnischen Prozesses (mittels einer oder mehreren Sensoreinheiten des entsprechenden Feldgeräts) oder um Geräte zur Beeinflussung einer oder mehrerer Prozessvariablen eines verfahrenstechnischen Prozesses (mittels einer oder mehreren Aktoreinheiten des entsprechenden Feldgeräts).
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Abhängig vom konkret verwendeten Netzwerktyp können die Feldgeräte FG', FG'', ..., FGn beispielsweise jeweils einzeln (siehe 1 (a)) mit der Steuereinheit ST verbunden sein, oder in einer Busanordung (siehe 1 (b)) mit der Steuereinheit ST verbunden sein. Es existieren neben den gezeigten Anordnungen noch weitere Möglichkeiten zur Verbindung, beispielsweise mittels einer Ring-Topologie.
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Die Steuereinheit ST übernimmt Regel-, Überwachungs- und Kontrollaufgaben für die Feldgeräteanordnung. Beispielsweise erfasst die Steuereinheit Messwerte der Sensoren der Feldgeräte FG', FG'', ..., FGn, vergleicht diese mit Referenzwerten und sendet anschließend Stellwerte an Aktoren der Feldgeräte FG', FG'', ..., FGn.
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Die Programmierung der Steuereinheit ST erfolgt mittels einer Bedieneinheit BE, beispielsweise ein PC, Laptop oder mobiles Endgerät, welche in Kommunikationsverbindung mit der Steuereinheit steht. Die interne Kommunikation der Steuereinheit ST mit den Feldgeräten FG', FG'', ..., FGn, der Betriebsablauf der Steuereinheit ST und die externe Kommunikation der Steuereinheit ST mit der Bedieneinheit BE wird mittels einer auf der Steuereinheit ST implementieren und ablaufenden Software SW gesteuert.
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In 2 ist ein System gezeigt, welches dieselben Funktionalitäten wie der in 1 gezeigte Stand der Technik ermöglicht, aber keine separate Steuereinheit ST ermöglicht.
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Hierfür werden mindestens zwei Feldgeräte FG', FG'' (erweiterbar auf eine n-fache Anzahl Feldgeräte FGn) in Kommunikationsverbindung gebracht. Jedes der Feldgeräte FG', FG'' weist eine Speichereinheit SP', SP'' (jeweils enthaltend ein oder mehrere Speicherbausteine und entsprechende Steuerelektronik) und eine Logikeinheit LE', LE'' (bspw. jeweils enthaltend ein oder mehrere Mikroprozessoren, Arbeitsspeicher, etc.) auf. Auf den entsprechenden Logikeinheiten LE', LE'' sind ein oder mehrere Softwarebestandteile SW', SW'' implementiert. 2 (a) zeigt die physikalische Ausgestaltung und Zusammenschaltung der Feldgeräte FG', FG''.
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Die Logikeinheiten LE', LE'' sind so ausgestaltet, dass diese zusammenwirken. Konkret erfassen diese bei Erstkontakt der Feldgeräte FG', FG'' die in den jeweils anderen Feldgeräten FG', FG'' implementierten Softwarebestandteile SW', SW''. Anschließend führen die Logikeinheiten LE', LE'' die Softwarebestandteile SW', SW'' gemeinsam aus. Es wird also gemeinsam eine übergeordnete Software SWko ausgeführt, die durch die einzelnen Softwarebestandteile SW', SW'' gebildet wird.
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Die Feldgeräte FG', FG'' bilden somit einen Feldgerätekomplex KO, oder auch Schwarmnetz, und bündeln ihre Ressourcen zur Ausführung der übergeordneten Software SWko. Logisch (siehe 2 (b)) bilden die einzelnen Teilkomponenten der Feldgeräte FG', FG'' gemeinsame Komponenten: Die Logikeinheiten LE', LE'' der einzelnen Feldgeräte FG', FG'' wirken als gemeinsame Logikeinheit LEko des Feldgerätekomplexes zusammen. Ebenso wirken die Speichereinheiten SP', SP'' der Feldgeräte als gemeinsame Speichereinheit SPko des Feldgerätekomplexes zusammen.
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Die auf dem Feldgerätekomplex KO ausgeführte übergeordnete Software SWko lässt den Feldgerätekomplex KO sowohl intern als auch extern als Steuereinheit wirken. Wie die in 1 beschriebene Steuereinheit ST kann der Feldgerätekomplex KO Regelfunktionalitäten durchführen. Ebenso ist er durch eine Bedieneinheit BE, welche an eine der Feldgeräte FG', FG'' angeschlossen ist, programmierbar. Der Feldgerätekomplex KO ist hierbei von der Bedieneinheit BE unter einer gemeinsamen Netzwerkadresse ansprechbar. Die Bedieneinheit BE muss daher nicht mit allen Feldgeräten FG', FG'' des Feldgerätekomplexes KO verbunden werden, um den Feldgerätekomplex KO, bzw. die durch diesen gebildete Steuereinheit, anzusprechen und ggf. zu programmieren. Die Bedieneinheit BE muss nicht - wie abgebildet - ständig, bzw. fest, mit dem Feldgerätekomplex verbunden sein, sondern dann, wenn eine Bedienung benötigt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass auf den Feldgeräten FG', FG'' die Softwarebestandteile SW', SW'' der jeweils anderen Feldgeräte gespeichert werden. So kann der Feldgerätekomplex KO, beispielsweise durch ein RAID-Verfahren, vor Ausfälle einzelner Feldgeräte FG', FG'' gesichert werden - die verbleibenden Feldgeräte FG', FG'' des Feldgerätekomplexes KO führen dann gemeinsam den Softwarebestandteil des ausgefallenen Feldgeräts aus des weiteren Feldgeräts ausführen. Alternativ oder zusätzlich sind auch Backups ermöglicht, sollte der Feldgerätekomplex KO einen instabilen Zustand annehmen.
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Bezugszeichenliste
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- BE
- Bedieneinheit
- FG', FG''
- Feldgeräte der Automatisierungstechik
- FGn
- n-fache Anzahl weiterer Feldgeräte
- KO
- Feldgerätekomplex
- LE', LE''
- Logikeinheiten der Feldgeräte
- LEko
- gemeinsame Logik des Feldgerätekomplexes
- SP', SP''
- Speichereinheiten der Feldgeräte
- SPko
- gemeinsamer Speicher des Feldgerätekomplexes
- ST
- Steuereinheit
- SW', SW''
- Softwarebestandteile
- SWko
- übergeordnete Software des Feldgerätekomplexes
