DE102022202748A1

DE102022202748A1 - Automatisierungsgerät mit verbessertem Energieversorgungssystem, Betriebsverfahren für das Automatisierungsgerät, Steuereinheit und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102022202748A1
Application number: DE102022202748.5A
Authority: DE
Inventors: Eric Chemisky; Frank Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-09-21
Also published as: WO2023180198A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Automatisierungsgerät (10), das eine Applikationselektronik (20), eine Kommunikationseinheit (30) und ein Energieversorgungssystem (40) zum Betreiben der Applikationselektronik (20) und der Kommunikationseinheit (30) umfasst. Das Energieversorgungssystem (40) weist eine Batterie (42) und einen Kondensator (44) auf, wobei die Batterie (42) und der Kondensator (44) über einen mittels einer Steuereinheit (50) betätigbaren Schalter (46) miteinander verbindbar sind. Erfindungsgemäß ist die Batterie (42) als Lithium-Thionylchlorid-Batterie (47) ausgebildet. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren (100) zum Betreiben eines derartigen Automatisierungsgeräts (10) und eine entsprechend ausgebildete Steuereinheit (50). Weiter betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt (80) zum Simulieren eines Betriebsverhaltens eines derartigen Automatisierungsgeräts (10) .

Description

Die Erfindung betrifft ein Automatisierungsgerät, das über ein verbessertes Energieversorgungssystem verfügt. Ebenso betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für ein derartiges Automatisierungsgerät. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechend ausgebildete Steuereinheit und ein Computerprogrammprodukt zum Simulieren des Betriebsverhaltens eines solchen Automatisierungsgeräts.
Die Patentschrift US 9,627,908 B2 offenbart eine Batterie-Kondensator-Anordnung, die in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist. Die Batterie-Kondensator-Anordnung verfügt über einen Ladecontroller, durch den Schalter betätigbar sind, so dass der Kondensator mit der Batterie verbindbar ist. Insbesondere ist die Batterie über den Kondensator wiederaufladbar.
Das Datenblatt zur Batterie LS 14500 der SAFT America Inc., Dokumentennummer 31064-2-0821 offenbart technische Angaben zu einer Lithium-Thionylchlorid-Batterie. Insbesondere gehen daraus unterschiedliche temperaturabhängige Betriebscharakteristiken derartiger Batterien hervor, die nicht wiederaufladbar sind.
In der Automatisierungstechnik werden in zunehmender Anzahl Automatisierungsgeräte unterschiedlicher Art eingesetzt, um verschiedene Prozessgrößen, beispielsweise in einem Anlagenprozess, zu messen, zu beeinflussen oder zu verarbeiten. Hierbei kommen unter anderem batteriebetriebene Automatisierungsgeräte zum Einsatz. Für einen zuverlässigen und kosteneffizienten Betrieb werden deshalb langlebige und gleichzeitig kostengünstige Batterien gefordert. Ebenso bestehen steigende Anforderungen an die Kompaktheit solcher Automatisierungsgeräte. Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, die in zumindest einem der dargelegten Aspekte eine Verbesserung bietet.
Die Aufgabenstellung wird durch ein erfindungsgemäßes Automatisierungsgerät gelöst. Das Automatisierungsgerät kann als Sensor, Aktor oder Datenverarbeitungseinheit ausgebildet sein. Das Automatisierungsgerät umfasst eine Applikationselektronik, beispielsweise Messvorrichtung, durch die eine zu erfassende Messgröße aufnehmbar und in ein Messsignal umwandelbar ist, wenn das Automatisierungsgerät als Sensor ausgebildet ist. Die Applikationselektronik kann auch als Betätigungsvorrichtung ausgebildet sein, mit der auf eine Messgröße eingewirkt werden kann, wenn das Automatisierungsgerät als Aktor ausgebildet ist, oder als eine Recheneinheit, mit der Messsignale verarbeitbar sind, wenn das Automatisierungsgerät als Datenverarbeitungseinheit ausgebildet ist. Ebenso umfasst das Automatisierungsgerät eine Kommunikationseinheit, die einen Datenaustausch mit einer Auswertungseinheit erlaubt, mit der das Automatisierungsgerät koppelbar ist. Das Automatisierungsgerät umfasst weiter ein Energieversorgungssystem, über das elektrische Energie bereitstellbar ist und das zum Betreiben der Applikationselektronik und der Kommunikationseinheit ausgebildet ist. Das Energieversorgungssystem umfasst eine Batterie und einen Kondensator, die zur Versorgung der Kommunikationseinheit und/oder der Applikationselektronik mit elektrischer Energie zusammenwirken. Die Batterie und der Kondensator sind elektrisch leitend über einen Schalter miteinander verbindbar. Der Schalter ist mittels einer Steuereinheit betätigbar, die auch zum Automatisierungsgerät gehört. Durch das Betätigen des Schalters ist beispielsweise der Kondensator aus der Batterie aufladbar und/oder ein batteriegestützter Betrieb des Automatisierungsgeräts durch den Kondensator unterstützbar. Erfindungsgemäß ist die Batterie des Energieversorgungssystems als Lithium-Thionylchlorid-Batterie oder als wiederaufladbare Batterie ausgebildet. Die für den größten Teil des Betriebs des Automatisierungsgeräts erforderliche Stromstärke ist relativ gering. Die Lithium-Thionylchlorid-Batterie weist bei geringen Stromstärken, beispielsweise unter 30 mA, einen gesteigerten nutzbaren Energieinhalt auf. Insbesondere weist die Lithium-Thionylchlorid-Batterie im erfindungsgemäßen Automatisierungsgerät eine Lebensdauer von mindestens fünf Jahren auf. Durch den über die Steuereinheit betätigbaren Schalter ist ein an veränderliche Umgebungsbedingungen und/oder Leistungsanforderungen angepasster Betrieb der Lithium-Thionylchlorid-Batterie möglich. Das erfindungsgemäße Automatisierungsgerät kommt hierbei mit einer reduzierten Anzahl an einfachen Komponenten aus und ist dadurch kosteneffizient.
In einer Ausführungsform des beanspruchten Automatisierungsgeräts ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, im Betrieb des Automatisierungsgeräts den Betriebsstrom an der Batterie durch ein Betätigen des Schalters zu minimieren. Unter dem Betriebsstrom ist dabei die von der Batterie abgegebene Stromstärke in einem Betriebszustand des Automatisierungsgeräts zu verstehen, beispielsweise bei einem gepulsten Betrieb der Kommunikationseinheit. Die Leistungsfähigkeit der Batterie, beispielsweise deren maximal bereitstellbarer Energieinhalt, ist umso geringer, je niedriger deren Temperatur ist. Der Kondensator hingegen ist in puncto bereitstellbarem Betriebsstrom, insbesondere einem Pulsstrom, weitestgehend temperaturunempfindlich. Jedoch ist ein Leckstrom des Kondensators umso höher, je höher dessen Temperatur ist. Durch den Schalter sind der Kondensator und die Batterie mit ihren entsprechend komplementären Eigenschaften kombinierbar. Infolge des minimierten Betriebsstroms dient das Betätigen des Schalters somit einem Verlängern der Lebensdauer der Batterie.
Des Weiteren kann im beanspruchten Automatisierungsgerät die Steuereinheit mit einem Temperaturerfassungsmittel verbunden sein. Das Temperaturerfassungsmittel kann dazu ausgebildet sein, eine Temperatur der Batterie, der Steuereinheit und/oder der Umgebung zu erfassen. Das Temperaturerfassungsmittel kann separat ausgebildet und mit der Steuereinheit verbindbar ausgebildet sein, oder in die Steuereinheit integriert ausgebildet sein. Die Steuereinheit kann ferner zu einem temperaturabhängigen Betätigen des Schalters ausgebildet sein. Dementsprechend ist der Kondensator durch den Schalter temperaturabhängig mit der Batterie verbunden oder von der Batterie getrennt. Das Temperaturerfassungsmittel kann eine Messtoleranz von mindestens +/-5°C aufweisen. Die Erfindung beruht unter anderem auf der überraschenden Erkenntnis, dass bereits mit einer derart reduzierten Messgenauigkeit ein besonders langlebiger Betrieb des Automatisierungsgeräts mit der Batterie erreichbar ist. Das technische Potential der Batterie ist dadurch stärker ausschöpfbar. Umgekehrt kann zum Erreichen einer geforderten Einsatzdauer eine Überdimensionierung, beispielsweise durch das Vorsehen von mehreren Batterien, vermieden werden. Das beanspruchte Automatisierungsgerät bietet damit neben der verlängerten erreichbaren Einsatzdauer ein hohes Maß an Kompaktheit.
Darüber hinaus kann der Kondensator zum Betreiben der Kommunikationseinheit mittels des Schalters zuschaltbar ausgebildet sein. Die Kommunikationseinheit weist in einem aktiven Betrieb, beispielsweise einem Sendebetrieb, einen erhöhten Energiebedarf auf. Durch Zuschalten des Kondensators kann durch diesen die Batterie während des Aktivbetriebs der Kommunikationseinheit unterstützt werden. Die währenddessen an der Batterie vorliegende Stromstärke ist dadurch reduzierbar. Ein laststarker Betrieb, der sich schädlich auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt, wird folglich verringert. Alternativ oder ergänzend kann im beanspruchten Automatisierungsgerät die Steuereinheit permanent durch die Batterie versorgt sein. Die Steuereinheit weist im Aktivbetrieb einen reduzierten Energiebedarf auf, der auch bei niedrigen Temperaturen ohne Weiteres durch die Batterie deckbar ist. Der Kondensator ist dadurch für den Betrieb der Kommunikationseinheit und/oder der Applikationselektronik gezielt zuschaltbar. Hierdurch sind die oben skizzierten technischen Vorzüge des beanspruchten Automatisierungsgeräts in besonderem Ausmaß erzielbar.
Ferner kann die Steuereinheit im beanspruchten Automatisierungsgerät zu einem zeitgesteuerten oder ereignisgesteuerten Betätigen des Schalters ausgebildet sein. Beim zeitgesteuerten Betätigen wird der Schalter für eine vorgegebene Dauer schaltend bzw. sperrend gestellt. Das zeitgesteuerte Betätigen ist in einfacher Weise durchführbar und ermöglicht es, eine Leistungsaufnahme, also vorliegende Stromstärke und entsprechende Dauer, an der Batterie vorherzusagen. Dementsprechend ist das Entladeverhalten der Batterie so in einfacher und gleichzeitig präziser Weise simulierbar. Dies wiederum ermöglicht es, einen Wartungszeitpunkt vorherzusagen, zu dem die Batterie auszutauschen ist. Das Vorhersagen des Wartungszeitpunkt ist folglich unabhängig vom Automatisierungsgerät selbst, beispielsweise mittels einer Auswertungseinheit durchführbar, die mit der Kommunikationseinheit des Automatisierungsgeräts kommunikativ koppelbar ist. Das ereignisgesteuerte Betätigen des Schalters kann so ausgebildet sein, dass der Kondensator durch die Steuereinheit so lange zugeschaltet wird, wie ein Aktivbetrieb der Kommunikationseinheit und/oder der Applikationselektronik vorliegt. Dadurch ist ein Entladen des Kondensators minimierbar, wodurch wiederum die nach dem Aktivbetrieb erforderliche Aufladedauer des Kondensators verringert wird. Hierdurch wird die im Energieversorgungssystem gespeicherte elektrische Energie besonders effizient eingesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Automatisierungsgeräts weist der Kondensator bei einer Temperatur von bis zu 20°C einen Leckstrom von bis zu 3 pA, insbesondere von bis zu 1 pA, auf. Dazu kann der Kondensator beispielsweise als sogenannter Super-Cap, als Hybrid-Super-Cap oder Ultra-Cap ausgebildet sein. Bei derartigen Temperaturen weist die Lithium-Thionylchlorid-Batterie einen reduzierten Energieinhalt auf, insbesondere bei einem gepulsten Betrieb. Der Kondensator ist bei einer entsprechenden Temperatur durch Betätigen des Schalters mit der Batterie verbindbar. Die Verluste durch den Leckstrom sind währenddessen minimiert. Insgesamt wird so eine verbesserte Speicherwirkung erreicht. Alternativ oder ergänzend kann die Batterie bei einer Temperatur von 55°C eine Kapazität, also einen Energieinhalt, von mindestens 2 Ah aufweisen und dazu ausgebildet sein, eine Stromstärke von mindestens 100 mA bereitzustellen. Bei derartigen Temperaturen weist der Kondensator einen erhöhten Leckstrom auf und ist durch den Schalter von der Batterie trennbar. Insgesamt wird so ausreichend elektrische Energie für einen intermittierenden Betrieb des Automatisierungsgeräts über eine gesteigerte Batterielebensdauer, beispielsweise von mindestens fünf Jahren, bereitgestellt.
Weiter kann der Schalter im beanspruchten Automatisierungsgerät als Feldeffekttransistor, insbesondere als so genannter MOSFET, oder als bistabiles Relais ausgebildet sein. Feldeffekttransistoren sind kompakt und bieten eine zuverlässige Sperrwirkung bei erhöhten elektrischen Spannungen. Ferner kann die Steuereinheit im beanspruchten Automatisierungsgerät als Mikrocontroller ausgebildet sein. Mikrocontroller können programmierbar ausgebildet sein und bieten bei minimiertem Energiebedarf eine breite Spanne an einstellbaren Steuerungsfunktionen. Alternativ oder ergänzend kann die Kommunikationseinheit als Funkkommunikationseinheit ausgebildet sein, beispielsweise als WLAN-, Bluetooth-, ZigBee, LoRaWAN-, oder Mobilfunk-Einheit, insbesondere als 5G-Einheit, ausgebildet sein. Der Verdrahtungsaufwand zum Verbinden des Automatisierungsgeräts mit einer Auswertungseinheit entfällt dadurch. Das beanspruchte Automatisierungsgerät ist dadurch in einfacher Weise im Rahmen einer Nachrüstung in einer bestehenden Anlage schnell implementierbar. Gleichermaßen wird durch den mit dem beanspruchten Automatisierungsgerät erreichbaren energiesparenden Betrieb eine gesteigerte Einsatzdauer erzielbar. Hierdurch werden Sensoren mit Funkkommunikationseinheit in einer Vielzahl an Anwendungen praktikabel oder zumindest kosteneffizienter.
Des Weiteren kann das beanspruchte Automatisierungsgerät ausschließlich durch das Energieversorgungssystem mit elektrischer Energie versorgt sein. Dementsprechend liegt keine Verbindung, insbesondere drahtgebundene Verbindung, zum Stromnetz vor. Der Betrieb des Automatisierungsgeräts erfolgt somit ausschließlich über die in der Batterie elektrochemisch gebundene elektrische Energie, also deren Energieinhalt. Das Energieversorgungssystem ist in erhöhtem Maße miniaturisierbar, so dass das beanspruchte Automatisierungsgerät insgesamt besonders kompakt ist. Das beanspruchte Automatisierungsgerät ist somit auch an Orten mit verringertem Bauraum, insbesondere einer bereits existenten Anlage, montierbar. Weiter umfasst das das Energieversorgungssystem einfache und zuverlässige Komponenten, die einen dauerhaften und robusten Betrieb erlauben. Des Weiteren ist das Energieversorgungssystem in einfacher Weise kapselbar, also gegen eindringende Gase oder Gasgemische abschirmbar. Durch ein gekapselt ausgebildetes Energieversorgungssystem ist das beanspruchte Automatisierungsgerät auch in Umgebungen mit zündfähigen oder explosionsfähigen Gasen bzw. Gasgemischen sicher einsetzbar. Alternativ oder ergänzend kann das Energieversorgungssystem des Automatisierungsgeräts mit einer fluktuierenden externen Energiequelle verbunden sein, die als Photovoltaikzelle oder Windkraftanlage ausgebildet sein kann. Durch die fluktuierende externe Energiequelle ist der Kondensator aufladbar. Eine als wiederaufladbare Batterie ausgebildete Batterie ist ferner durch die fluktuierende externe Energiequelle aufladbar.
In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Automatisierungsgeräts, das als Sensor ausgebildet ist, kann die Messvorrichtung, als die Applikationselektronik, einen Radaremitter, einen Lidaremitter, einen Ultraschallemitter, einen Tuned-Diode-Laser, einen Rauchdetektor und/oder eine Infrarot-Analytik umfassen. Derartige Messvorrichtungen weisen in einem Aktivbetrieb einen erhöhten Energiebedarf auf. Der Energiebedarf solcher Messvorrichtungen ist durch den Kondensator unterstützbar. Dabei wird eine erhöhte Stromstärke an der Batterie vermieden. Derart energieintensive Messvorrichtungen sind im beanspruchten Automatisierungsgerät gepulst betreibbar, ohne die Lebensdauer der Batterie signifikant zu beeinträchtigen. Insbesondere ist die Batterie länger in einem Auslegungspunkt für gesteigerte Lebensdauer bzw. Energieinhalt betreibbar. Alternativ oder ergänzend kann die Messvorrichtung über eine Schnittstelle verfügen, die mit 4 mA bis 20 mA betreibbar ist. Das beanspruchte Automatisierungsgerät kann somit bei gesteigerter Einsatzdauer eine Vielzahl an Messprinzipien verwirklichen. Folglich ist das beanspruchte Automatisierungsgerät an eine Vielzahl an Einsatzwecken ohne Weiteres anpassbar.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Automatisierungsgeräts gelöst. Das Automatisierungsgerät umfasst eine Applikationselektronik, eine Kommunikationseinheit und ein Energieversorgungssystem zum Betreiben der Applikationselektronik. Das Energieversorgungssystem weist eine Batterie und einen Kondensator auf, die über einen Schalter miteinander verbunden sind. Die Verbindung über den Schalter ist durch ein Betätigen des Schalters unterbrechbar und/oder schließbar. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt, in dem das Automatisierungsgerät in einem Betriebszustand bereitgestellt wird, in dem der Kondensator zumindest teilweise aufgeladen ist. Ebenso sind alle Komponenten des Automatisierungsgeräts in diesem Betriebszustand funktionstüchtig. Es folgt ein zweiter Schritt, in dem ein Erfassen einer Temperatur und ein Schlie-ßen des Schalters erfolgt. Das Schließen erfolgt während eines Ruhebetriebs des Automatisierungsgeräts, also wenn kein Aktivbetrieb der Applikationselektronik und/oder Sendebetrieb der Kommunikationsvorrichtung vorliegt. Ferner wird der Schalter geschlossen, wenn die im zweiten Schritt erfasste Temperatur eine Schwellentemperatur überschreitet. Alternativ erfolgt ein Öffnen des Schalters, wenn die im zweiten Schritt erfasste Temperatur die Schwellentemperatur unterschreitet. Die Schwellentemperatur definiert damit, bei welcher Temperatur der Kondensator zu einem Unterstützen der Batterie in einem Ruhebetrieb zugeschaltet wird. Bei niedrigen Temperaturen ist dadurch ein lebensdauerbeeinträchtigender Betrieb der Batterie reduzierbar. Umgekehrt ist bei erhöhten Temperaturen ein durch Leckströme am Kondensator verlustbehafteter Betrieb reduzierbar. Die im zweiten Schritt erfasste Temperatur kann eine Temperatur der Batterie, der Steuereinheit und/oder der Umgebung sein.
Alternativ oder ergänzend zum zweiten Schritt wird ein dritter Schritt im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt. Im dritten Schritt erfolgt ein Schließen des Schalters zur Unterstützung eines Aktivbetriebs des Automatisierungsgeräts, im dem die Kommunikationseinheit und/oder die Applikationselektronik betrieben werden. Insbesondere wird bei geschlossenem Schalter über den Kondensator elektrische Energie zum Betreiben der Kommunikationseinheit bzw. der Applikationselektronik bereitgestellt. Infolgedessen wird ein laststarker Betrieb der Batterie durch die vom Kondensator bereitgestellt elektrische Energie verringert.
Dabei ist die Kommunikationseinheit des Automatisierungsgeräts als Funkkommunikationseinheit ausgebildet, beispielsweise als WLAN-, Bluetooth-, ZigBee, LoRaWAN-, oder Mobilfunk-Einheit, insbesondere als 5G-Einheit. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird im Betrieb des Automatisierungsgeräts der dabei vorliegende Betriebsstrom minimiert, wodurch eine erhöhte Einsatzdauer der Batterie erzielt wird. Weiter wird die Beanspruchung der Batterie im Aktivbetrieb reduziert, was ebenfalls zu einer erhöhten Einsatzdauer der Batterie führt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es damit, ein Automatisierungsgerät mit einer Funkkommunikationseinheit mit einer reduziert dimensionierten Batterie zu betreiben und durch verstärktes Ausnutzen dieser die Dauer bis zu einem Wartungszeitpunkt, an dem die Batterie auszutauschen ist, zu verlängern. Das Verfahren kommt mit einem Minimum an einfachen Bauteilen aus und ist kosteneffizient umsetzbar. Automatisierungsgeräte mit Funkkommunikationseinheit werden somit für eine Vielzahl an Anwendungsfällen, insbesondere in der Anlagenautomatisierung, praxistauglich.
Gemäß einer Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens kann das Automatisierungsgerät nach zumindest einer der oben dargelegten Ausführungsformen ausgebildet sein. Die technischen Merkmale des beanspruchten Automatisierungsgeräts sind deshalb analog auf das Verfahren übertragbar und umgekehrt. Die technischen Vorzüge des beanspruchten Automatisierungsgeräts gelten damit in gleicher Weise auch für das beanspruchte Verfahren.
Ferner kann der dritte Schritt des beanspruchten Verfahrens zeitgesteuert oder ereignisgesteuert durchgeführt werden. Unter einer zeitgesteuerten Durchführung ist zu verstehen, dass der Schalter für eine vorgegebene Dauer schaltend oder sperrend gestellt wird. Das zeitgesteuerte Schließen ist in einfacher Weise durchführbar und ermöglicht es, eine Leistungsaufnahme, also vorliegende Stromstärke und entsprechende Dauer, an der Batterie vorherzusagen. Dementsprechend ist das Entladeverhalten der Batterie so in einfacher und gleichzeitig präziser Weise simulierbar. Dies wiederum ermöglicht es, einen Wartungszeitpunkt vorherzusagen, zu dem die Batterie auszutauschen ist. Das Vorhersagen des Wartungszeitpunkt ist folglich unabhängig vom Automatisierungsgerät selbst, beispielsweise mittels einer Auswertungseinheit durchführbar, die mit der Kommunikationseinheit des Automatisierungsgeräts kommunikativ koppelbar ist. Das ereignisgesteuerte Schließen des Schalters kann so ausgebildet sein, dass der Kondensator durch die Steuereinheit so lange zugeschaltet wird, wie ein Aktivbetrieb der Kommunikationseinheit und/oder der Messvorrichtung vorliegt. Dadurch ist ein Entladen des Kondensators minimierbar, wodurch wiederum die nach dem Aktivbetrieb erforderliche Aufladedauer des Kondensators verringert wird.
Ebenso wird die eingangs beschriebene Aufgabenstellung durch eine erfindungsgemäße Steuereinheit gelöst, die zu einem Betrieben eines Automatisierungsgeräts ausgebildet ist. Die Steuereinheit umfasst einen Speicher und eine Recheneinheit, die zu einem Speichern und Ausführen von Instruktionen ausgebildet sind. Weiter ist die Steuereinheit zu einem Empfangen von Messsignalen ausgebildet, die in einem Aktivbetrieb von einer Applikationselektronik, beispielsweise einer Messvorrichtung, des Automatisierungsgeräts erzeugbar sind. Gleichermaßen ist die Steuereinheit zu einem Ausgeben von Steuerbefehlen ausgebildet, mit denen ein Schalter im Automatisierungsgerät betätigbar ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit zum Durchführen zumindest eines Verfahrens nach einer der oben skizzierten Ausführungsformen geeignet. Dementsprechend sind die Merkmale des beanspruchten Verfahrens und des beanspruchten Automatisierungsgeräts auf die erfindungsgemäße Steuereinheit übertragbar. Zum Durchführen des beanspruchten Verfahrens kann die Steuereinheit über ein entsprechendes Programm verfügen.
Insbesondere kann die Steuereinheit als Mikrocontroller ausgebildet sein, der im Automatisierungsgerät angeordnet ist.
Die oben dargelegte Aufgabe wird ferner durch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt zum Simulieren eines Betriebsverhaltens eines Automatisierungsgeräts gelöst. Das Computerprogrammprodukt weist hierzu ein Physik-Modul auf, das zumindest zu einem Simulieren eines Energieverbrauchs des Automatisierungsgeräts ausgebildet ist. Ebenso kann das Physik-Modul dazu ausgebildet sein, ein Verhalten der Steuereinheit, also das Empfangen von Messsignalen und Ausgeben von Steuerbefehlen, nachzustellen. Hierzu umfasst das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ein digitales Abbild von zumindest einem Energieversorgungssystem des zu simulierenden Automatisierungsgeräts, das beispielsweise dessen baulichen Aufbau und/oder seine Funktionsweise nachstellt. Alternativ oder ergänzend kann das Energieversorgungssystem auch als Rechenmodell im Physik-Modul ausgebildet sein. Das Physik-Modul ist dazu ausgebildet, das Betriebsverhalten des Automatisierungsgeräts unter einstellbaren Betriebsbedingungen nachzustellen. Zu den einstellbaren Betriebsbedingungen gehören beispielsweise eine Dauer und Häufigkeit des Aktivbetriebs, also eines Messbetriebs einer Messvorrichtung und/oder eines Sendebetriebs einer Kommunikationseinheit, eines Temperaturverlaufs der Umgebung, thermische Eigenschaften einer Batterie des Energieversorgungssystems, eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine Betriebsdauer in welchem Temperaturbereich, ein Regelungsverhalten einer Steuereinheit, ein elektrisches Lastprofil durch die Messvorrichtung oder der Kommunikationseinheit, und/oder ein Schaltverhalten eines Schalters. Eine erreichbare Einsatzdauer der Batterie, also des Automatisierungsgeräts, ist dadurch prognostizierbar. Insbesondere ist ein bevorstehender Wartungsvorgang, beispielsweise ein Austausch der Batterie, genauer prognostizierbar. Das Computerprogrammprodukt kann über eine Datenschnittstelle verfügen, über die entsprechende Daten über eine Benutzereingabe und/oder andere simulationsgerichtete Computerprogramme vorgebbar sind. Ebenso kann das Computerprogrammprodukt über eine Datenschnittstelle zu einem Ausgeben von Simulationsresultaten an einen Benutzer und/oder andere simulationsgerichtete Computerprogrammprodukte verfügen. Mittels des Computerprogrammprodukts ist beispielsweise ein gemessener Ladestand der Batterie durch Simulation plausibilisierbar. Das beanspruchte Computerprogrammprodukt ist auch dazu ausgebildet, eine Fehlerdiagnose für ein erfindungsgemäßes Automatisierungsgerät zu gewährleisten. Weiter kann das Computerprogrammprodukt zumindest teilweise betriebsbegleitend auf dem beanspruchten Automatisierungsgerät ausgeführt werden zur Prognose von Wartungsvorgängen und/oder zur Störungssignalisierung.
Da das zugrundeliegende Automatisierungsgerät, dessen Betriebsverhalten durch das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt simulierbar ist, aus einfachen Komponenten hergestellt ist, kann dieser algebraisch, also frei von Finite-Elemente-Methoden, nachgestellt werden. Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt auch mit reduzierter Rechenleistung hinreichend schnell durchführbar. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt Echtzeitfähigkeit bieten, beispielsweise für eine EchtzeitÜberwachung eines simulierten Automatisierungsgeräts. Nähere Anforderungen, die die Echtzeitfähigkeit definieren, ergeben sich hierbei beispielsweise aus einem Anlagenprozess, in den das Automatisierungsgerät eingebunden sein kann. Darüber hinaus können mittels des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts auch mehrere Automatisierungsgeräte in praktikabler Weise in im Rahmen eines Anlagenprozesses überwacht werden. Das Computerprogrammprodukt kann als sogenannter Digitaler Zwilling ausgebildet sein, wie beispielsweise in der Druckschrift US 2017/286572 A1 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt von US 2017/286572 A1 wird durch Verweisung in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen. Das Computerprogrammprodukt kann monolithisch ausgebildet sein, also vollständig auf einer Hardwareplattform ausführbar. Alternativ kann das Computerprogrammprodukt modular ausgebildet sein und eine Mehrzahl an Teilprogrammen umfassen, die auf separaten Hardwareplattformen ausführbar sind und über eine kommunikative Datenverbindung zusammenwirken, beispielsweise einer Computer-Cloud und/oder einem Leitrechner. Eine solche kommunikative Datenverbindung kann eine Netzwerkverbindung oder eine Internetverbindung sein. Ferner kann durch das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ein Automatisierungsgerät per Simulation erprobt und/oder optimiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einzelner Ausführungsformen in Figuren näher erläutert. Die Figuren sind insoweit in gegenseitiger Ergänzung zu lesen, dass gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren die gleiche technische Bedeutung haben. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen sind untereinander auch kombinierbar. Ferner sind die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen mit den oben skizzierten Merkmalen kombinierbar. Es zeigen im Einzelnen:

1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems mit einer ersten Ausführungsform des beanspruchten Sensors;
2 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems mit einer zweiten Ausführungsform des beanspruchten Sensors;
3 schematisch einen Ablauf einer Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens.

In 1 ist eine Automatisierungssystem 70 dargestellt, das mit einem Automatisierungsgerät 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung versehen ist und als Sensor ausgebildet sein kann. Das Automatisierungssystem 10 umfasst eine Applikationselektronik 20, die als Messvorrichtung ausgebildet sein kann und die einen Radaremitter 22 aufweisen kann. Durch die Applikationselektronik 20 ist eine in einer Umgebung 25 des Sensors 10 vorliegende Messgröße 24 aufnehmbar, zu der korrespondiere Messsignale 23 erzeugbar sind. Die Messsignale 23 werden in einem Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 erzeugt und werden an eine Steuereinheit 50 geleitet, die als Mikrocontroller 51 ausgebildet ist. Zum Betreiben des Automatisierungsgeräts 10 ist die Steuereinheit 50 mit einem Programm 52 ausgestattet, das zum Empfangen und Verarbeiten der Messsignalen 23 ausgebildet ist. Darüber hinaus weist der Sensor 10 eine Kommunikationseinheit 30 auf, die über eine kommunikative Datenverbindung 59 mit der Steuereinheit 50 verbunden ist. Die Kommunikationseinheit 30 ist zu einem Herstellen einer kommunikativen Datenverbindung 35 mit einer Auswertungseinheit 60 ausgebildet, die zusammen mit dem Automatisierungsgerät 10 zu einem Automatisierungssystem 70 gehört. Die Applikationselektronik 20, die Kommunikationseinheit 30 und die Steuereinheit 50 bilden zumindest funktionell ein Verbrauchersystem 32. Das Automatisierungsgerät 10 weist ebenso ein Energieversorgungssystem 40 auf, das über elektrische Leitungen 41 mit dem Verbrauchersystem 32, also der Messvorrichtung 20, der Kommunikationseinheit 30 und der Steuereinheit 50 verbunden ist. Das Energieversorgungssystem 40 ist dazu eingerichtet, für diese über eine Einsatzdauer hinweg elektrische Energie bereitzustellen. Das Energieversorgungssystem 40 umfasst eine Batterie 42, die als Lithium-Thionylchlorid-Batterie 47 ausgebildet ist. Die Batterie 42 wiederum ist über elektrische Leitungen 41 und ein Strombegrenzungselement 43 mit einem Kondensator 44 verbunden. An den Leitungen 41 sind diodenartig wirkende Komponenten 26 angeordnet, die ein Einwirken von Stromspitzen auf die Batterie 42 verhindern. Des Weiteren ist zwischen dem Kondensator 44 und der Batterie 42 ein Schalter 46 angebracht, der als Feldeffekttransistor 48 ausgebildet ist. Der Schalter 46 ist über Steuerbefehle 55 betätigbar, die durch die Steuereinheit 50 ausgebbar sind.
In einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Automatisierungsgeräts 10 ist ein Verfahren 100 ausführbar, bei dem das Automatisierungsgerät 10 in einem ersten Schritt 110 in einem Betriebszustand bereitgestellt wird, in dem der Kondensator 46 zumindest teilweise geladen ist. Ein derartiger Betriebszustand liegt in 1 vor. Weiter wird in einem zweiten Schritt 120 eine Temperatur 15 durch ein Temperaturerfassungsmittel 16 erfasst, das mit der Steuereinheit 50 verbunden ist. Das Temperaturerfassungsmittel 16 ist zu einem Erfassen einer Temperatur 15 der Umgebung 25, der Batterie 42 und/oder des Kondensators 44 ausgebildet. Die erfasste Temperatur 15 wird als Temperaturmesswert 17 an die Steuereinheit 50 übermittelt. Weiter erfolgt im zweiten Schritt 120 ein Betätigen 45 des Schalters 46. Der Schalter 46 wird im zweiten Schritt 120 über einen Steuerbefehl 55 geschlossen, wenn die erfasste Temperatur 15 eine Schwellentemperatur 57 unterschreitet. Dadurch wird vom Kondensator 44 elektrische Energie zur Unterstützung des Betriebs des Automatisierungsgeräts 10, also zumindest einer Komponente des Verbrauchssystems 32, bereitgestellt. Ein laststarker, und damit degradationsträchtiger Betrieb der Batterie 42 bei einer niedrigen Temperatur 15 wird so minimiert. Umgekehrt wird im zweiten Schritt 120 der Schalter 46 über einen Steuerbefehl 55 geöffnet, wenn die erfasste Temperatur 15 die Schwellentemperatur 57 übersteigt. Dadurch ist die Batterie 42 in einem degradationsarmen Zustand betreibbar. Insgesamt wird so ein Betriebsstrom 21, also eine Stromstärke, die vom Energieversorgungssystem 40 in einem gepulsten Betrieb der Applikationselektronik 20, der Kommunikationseinheit 40 und der Steuereinheit 50 bereitzustellen ist. Unter einem gepulsten Betrieb ist eine Abwesenheit eines Aktivbetriebs der Applikationselektronik 20 und der Kommunikationseinheit 30 zu verstehen. Die Schwellentemperatur 57 ist in der Steuereinheit 50 gespeichert. Die Schwellentemperatur 57 kann durch eine Benutzereingabe, die Auswertungseinheit 60 vorgegeben werden, oder durch die Steuereinheit 50 selbsttätig ermittelt werden. Dazu können der Steuereinheit 50 Daten 54 zur Batterie 42, dem Kondensator 44 und/oder der Steuereinheit 50 selbst zur Verfügung gestellt werden. Weiter können die Daten 54 auch einen voraussichtlichen Temperaturverlauf der Umgebung 25 umfassen. Die Schwellentemperatur 57 ist dabei im Hinblick auf eine maximale Einsatzdauer der Batterie 42, und damit des Automatisierungsgeräts 10, optimierbar. Unter der Einsatzdauer ist hierbei die Dauer bis zu einem notwendigen oder zumindest gebotenen Austausch der Batterie 42 zu verstehen.
Alternativ oder ergänzend zum zweiten Schritt 120 kann im Verfahren 100 ein dritter Schritt 130 durchgeführt werden. Durch einen einsetzenden Aktivbetrieb der Messvorrichtung 20 und/oder der Kommunikationseinheit 40 steigt die geforderte Stromstärke an. Im dritten Schritt 130 wird bei Vorliegen eines derartigen Aktivbetriebs der Schalter 46 mittels eines Steuerbefehls 55 geschlossen. Dadurch wird vom Kondensator 44 elektrische Energie zur Unterstützung des Betriebs der Messvorrichtung 20 und/oder der Kommunikationseinheit 40 bereitgestellt. Die von der Batterie 42 bereitzustellende Stromstärke ist dadurch verringert. Auch hierdurch wird ein degradationsträchtiger Betriebszustand der Batterie 42 vermieden. Das Automatisierungsgerät 10 ist zur Durchführung eines derartigen Verfahrens 100 eingerichtet, so dass für die Batterie 42 eine Einsatzdauer von zumindest fünf Jahren erzielt wird. Das Betriebsverhalten des Automatisierungsgeräts 10 ist durch ein Computerprogrammprodukt 80 simulierbar, das ein digitales Abbild zumindest des Energieversorgungssystems 40 umfasst. Zum Betriebsverhalten gehören beispielsweise ein Ladestand der Batterie 42, ein Ladestand des Kondensators 44 und/oder eine Stromstärke des Betriebsstroms 21. Das Computerprogrammprodukt 80 ist als sogenannter Digitaler Zwilling ausgebildet und kann zu einem Erkennen einer defekten Komponente des Automatisierungsgeräts 10 geeignet ausgebildet sein. Das Computerprogrammprodukt 80 kann beispielsweise auf der Auswertungseinheit 60 durchgeführt werden, insbesondere begleitend zum Verfahren 100.
Ein Automatisierungssystem 70 mit einem Automatisierungsgerät 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in 2 schematisch abgebildet, wobei das Automatisierungsgerät 10 als Sensor ausgebildet sein kann. Das Automatisierungsgerät 10 umfasst eine Applikationselektronik 20, die als Messvorrichtung ausgebildet sein kann, die einen Radaremitter 22 aufweisen kann. Durch die Applikationselektronik 20 ist eine in einer Umgebung 25 des Automatisierungsgeräts 10 vorliegende Messgröße 24 aufnehmbar, zu der korrespondiere Messsignale 23 erzeugbar sind. Die Messsignale 23 werden in einem Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 erzeugt und werden an eine Steuereinheit 50 geleitet, die als Mikrocontroller 51 ausgebildet ist. Zum Betreiben des Automatisierungsgeräts 10 ist die Steuereinheit 50 mit einem Programm 52 ausgestattet, das zum Empfangen und Verarbeiten der Messsignalen 23 ausgebildet ist. Darüber hinaus weist das Automatisierungsgeräts 10 eine Kommunikationseinheit 30 auf, die über eine kommunikative Datenverbindung 59 mit der Steuereinheit 50 verbunden ist. Die Kommunikationseinheit 30 ist zu einem Herstellen einer kommunikativen Datenverbindung 35 mit einer Auswertungseinheit 60 ausgebildet, die zusammen mit dem Automatisierungsgerät 10 zu einem Automatisierungssystem 70 gehört. Die Applikationselektronik 20 und die Kommunikationseinheit 30 bilden zumindest funktionell ein Verbrauchersystem 32.
Das Automatisierungsgerät 10 weist ebenso ein Energieversorgungssystem 40 auf, das über elektrische Leitungen 41 mit dem Verbrauchersystem 32, also der Applikationselektronik 20 und der Kommunikationseinheit 30 verbunden ist. An den Leitungen 41 sind diodenartig wirkende Komponenten 26 angeordnet, die ein Einwirken von Stromspitzen auf die Batterie 42 verhindern. Das Energieversorgungssystem 40 ist dazu eingerichtet, für diese über eine Einsatzdauer hinweg elektrische Energie bereitzustellen. Das Energieversorgungssystem 40 umfasst die Steuereinheit 50 und eine Batterie 42, die als Lithium-Thionylchlorid-Batterie 47 ausgebildet ist. Die Steuereinheit 50 ist durch die Batterie 42 permanent mit elektrischer Energie versorgt. Die Batterie 42 ist ferner über elektrische Leitungen 41 und ein Strombegrenzungselement 43 mit einem Kondensator 44 verbunden. Des Weiteren ist zwischen dem Kondensator 44 und der Batterie 42 ein Schalter 46 angebracht, der als Feldeffekttransistor 48 ausgebildet ist. Der Schalter 46 ist über Steuerbefehle 55 betätigbar, die durch die Steuereinheit 50 ausgebbar sind.
In einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Automatisierungsgeräts 10 ist ein Verfahren 100 ausführbar, bei dem das Automatisierungsgerät 10 in einem ersten Schritt 110 in einem Betriebszustand bereitgestellt wird, in dem der Kondensator 46 zumindest teilweise geladen ist. Ein derartiger Betriebszustand liegt in 2 vor. Weiter wird in einem zweiten Schritt 120 eine Temperatur 15 durch ein Temperaturerfassungsmittel 16 erfasst, das mit der Steuereinheit 50 verbunden ist. Das Temperaturerfassungsmittel 16 ist zu einem Erfassen einer Temperatur 15 der Umgebung 25, der Batterie 42 und/oder des Kondensators 44 ausgebildet. Die erfasste Temperatur 15 wird als Temperaturmesswert 17 an die Steuereinheit 50 übermittelt. Weiter erfolgt im zweiten Schritt 120 ein Betätigen 45 des Schalters 46. Der Schalter 46 wird im zweiten Schritt 120 über einen Steuerbefehl 55 geschlossen, wenn die erfasste Temperatur 15 eine Schwellentemperatur 57 unterschreitet. Dadurch wird vom Kondensator 44 elektrische Energie zur Unterstützung des Betriebs des Automatisierungsgeräts 10, also zumindest einer Komponente des Verbrauchssystems 32, bereitgestellt. Ein laststarker, und damit degradationsträchtiger Betrieb der Batterie 42 bei einer niedrigen Temperatur 15 wird so minimiert. Umgekehrt wird im zweiten Schritt 120 der Schalter 46 über einen Steuerbefehl 55 geöffnet, wenn die erfasste Temperatur 15 die Schwellentemperatur 57 übersteigt. Dadurch ist die Batterie 42 in einem degradationsarmen Zustand betreibbar. Insgesamt wird so ein Betriebsstrom 21, also eine Stromstärke, die vom Energieversorgungssystem 40 in einem gepulsten Betrieb der Applikationselektronik 20, der Kommunikationseinheit 40 und der Steuereinheit 50 bereitzustellen ist. Unter einem gepulsten Betrieb ist eine Abwesenheit eines Aktivbetriebs der Applikationselektronik 20 und der Kommunikationseinheit 30 zu verstehen. Die Schwellentemperatur 57 ist in der Steuereinheit 50 gespeichert. Die Schwellentemperatur 57 kann durch eine Benutzereingabe, die Auswertungseinheit 60 vorgegeben werden, oder durch die Steuereinheit 50 selbsttätig ermittelt werden. Dazu können der Steuereinheit 50 Daten 54 zur Batterie 42, dem Kondensator 44 und/oder der Steuereinheit 50 selbst zur Verfügung gestellt werden. Weiter können die Daten 54 auch einen voraussichtlichen Temperaturverlauf der Umgebung 25 umfassen. Die Schwellentemperatur 57 ist dabei im Hinblick auf eine maximale Einsatzdauer der Batterie 42, und damit des Automatisierungsgeräts 10, optimierbar. Unter der Einsatzdauer ist hierbei die Dauer bis zu einem notwendigen oder zumindest gebotenen Austausch der Batterie 42 zu verstehen.
Alternativ oder ergänzend zum zweiten Schritt 120 kann im Verfahren 100 ein dritter Schritt 130 durchgeführt werden. Durch einen einsetzenden Aktivbetrieb der Messvorrichtung 20 und/oder der Kommunikationseinheit 40 steigt die geforderte Stromstärke an. Im dritten Schritt 130 wird bei Vorliegen eines derartigen Aktivbetriebs der Schalter 46 mittels eines Steuerbefehls 55 geschlossen. Dadurch wird vom Kondensator 44 elektrische Energie zur Unterstützung des Betriebs der Messvorrichtung 20 und/oder der Kommunikationseinheit 40 bereitgestellt. Die von der Batterie 42 bereitzustellende Stromstärke ist dadurch verringert. Auch hierdurch wird ein degradationsträchtiger Betriebszustand der Batterie 42 vermieden. Das Automatisierungsgerät 10 ist zur Durchführung eines derartigen Verfahrens 100 eingerichtet, so dass für die Batterie 42 eine Einsatzdauer von zumindest fünf Jahren erzielt wird. Das Betriebsverhalten des Automatisierungsgeräts 10 ist durch ein Computerprogrammprodukt 80 simulierbar, das ein digitales Abbild zumindest des Energieversorgungssystems 40 umfasst. Zum Betriebsverhalten gehören beispielsweise ein Ladestand der Batterie 42, ein Ladestand des Kondensators 44 und/oder eine Stromstärke des Betriebsstroms 21. Das Computerprogrammprodukt 80 ist als sogenannter Digitaler Zwilling ausgebildet und kann zu einem Erkennen einer defekten Komponente des Automatisierungsgeräts 10 geeignet ausgebildet sein. Das Computerprogrammprodukt 80 kann beispielsweise auf der Auswertungseinheit 60 durchgeführt werden, insbesondere begleitend zum Verfahren 100.
3 zeigt schematisch einen Ablauf einer Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens 100, das mittels eines Programms 52 in einer Steuereinheit 50 eines Sensors 10 durchführbar ist. Das Automatisierungsgerät 10 kann beispielsweise gemäß 1 oder 2 ausgebildet sein. Das Verfahren 100 geht von einem ersten Schritt 110 aus, in dem Der Sensor 57 in einem funktionstüchtigen Betriebszustand bereitgestellt wird, in dem ein zum Automatisierungsgerät 10 gehöriger Kondensator 44 zumindest teilweise aufgeladen ist. Ebenso ist im ersten Schritt 110 die Steuereinheit 50 parametriert. Die Parametrierung der Steuereinheit 50 umfasst, dass eine Schwellentemperatur 57 in der Steuereinheit 50 gespeichert ist.
An den ersten Schritt 110 schließt sich ein dritter Schritt 130 an, in dem durch die Steuereinheit 50 erfasst wird, ob ein Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 vorliegt oder bevorsteht. Unter einem Aktivbetrieb ist zu verstehen, dass eine Applikationselektronik 20 des Automatisierungsgeräts 10 betrieben wird, beispielsweise um eine Messgröße 24 zu erfassen. Alternativ oder ergänzend ist unter einem Aktivbetrieb beispielsweise ein Sendebetrieb einer Kommunikationseinheit 30 des Automatisierungsgeräts 10 zu verstehen. In Abhängigkeit davon ergibt sich im Verfahren 100 eine Verzweigung 135. Sollte ein Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 vorliegen oder bevorstehen, wird das Verfahren 100 mit einem Betätigen 45 eines Schalters 46 fortgesetzt, wie in 3 rechts versinnbildlicht. Wenn der Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 vorliegt, wird der Schalter 46 durch einen Steuerbefehl 55 von der Steuereinheit 50 geschlossen, so dass der Betrieb der Kommunikationseinheit 30 und/oder der Messvorrichtung 20 durch den Kondensator 44 unterstützt wird. Insbesondere wird eine als Lithium-Thionylchlorid-Batterie 47 ausgebildete Batterie 42 unterstützt, die über den Schalter 46 mit der Batterie 42 verbindbar ist. Im Anschluss an den Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 daran folgt ein vierter Schritt 140, in dem der Kondensator 44 wieder aufgeladen wird. Bei Vorliegen eines hinreichenden Ladezustands des Kondensators 44 wird der Schalter 46 wieder durch ein Betätigen 45 geöffnet, um den vorliegenden Ladezustand zu erhalten.
Für den Fall, dass kein Aktivbetrieb des Automatisierungsgerät 10 vorliegt bzw. kein Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 bevorsteht, folgt das Verfahren 100 an der Verzweigung 135 einem anderen Pfad, im dem ein zweiter Schritt 120 durchgeführt wird. Im zweiten Schritt 120 wird durch ein Temperaturerfassungsmittel 16 eine Temperatur 15 erfasst, die für den Betrieb der Batterie 42 relevant ist. Weiter wird im zweiten Schritt 120 ein Abgleich mit der Schwellentemperatur 57 durchgeführt, was zu einer Verzweigung 125 des Verfahrens 100 im zweiten Schritt 120 führt. Wenn die erfasste Temperatur 15 höher ist als die Schwellentemperatur 57, erfolgt ein Betätigen 45 des Schalters 46 mittels eines Steuerbefehls 55 von der Steuereinheit 50, durch das der Schalter 46 geöffnet wird. Dies ist 3 links dargestellt. Sollte der Schalter 46 bereits geöffnet sein, ist der entsprechende Steuerbefehl 55 zum Öffnen des Schalters 46 wirkungslos, so dass die vorliegende Stellung des Schalters 46 unverändert bleibt. Da die Temperatur 15 über der Schwellentemperatur 57 liegt, ist im skizzierten Fall ein degradationsarmer Betrieb der Batterie 42 möglich. Eine Unterstützung des Batterie 42 durch den Kondensator 44 ist nicht geboten.
Falls die im zweiten Schritt 120 erfasste Temperatur 15 niedriger ist als die Schwellentemperatur 57, erfolgt ein Schlie-ßen des Schalters 46. Zum Betätigen 45 des Schalters 46 wird durch die Steuereinheit 50 ein Steuerbefehl 55 ausgegeben. Durch den geschlossenen Schalter 46 wird der Betrieb der Batterie 42 unterstützt. Bei einer Temperatur 15, die niedriger ist als die Schwellentemperatur 57, ist der Betrieb der Batterie 42 umso degradationsträchtiger, je höher die durch die Batterie 42 bereitzustellende Stromstärke, also ein Betriebsstrom 21, ist. Durch das Schließen des Schalters 46 wird der Kondensator 44 in geeigneter Weise mit der Batterie 42 verbunden. Dementsprechend erfolgt ein Entladen des Kondensators 44, wodurch die Batterie 42 unterstützt wird. Im Anschluss daran erfolgt der vierte Schritt 140 des Verfahrens 100, in dem der Kondensator 44 wieder aufgeladen wird. Der vierte Schritt 140 kann im Hinblick auf einen geplanten späteren Betrieb abgestimmt durchgeführt werden. Nach dem vierten Schritt 140 bzw. dem dritten Schritt 140 erfolgt eine Rückführung 190, in dem das Verfahren 100 zum ersten Schritt 110 zurückkehrt. Begleitend zum Verfahren 100 wird ein Computerprogrammprodukt 80 ausgeführt, das über eine kommunikative Datenverbindung 35 mit der Steuereinheit 50 verbunden ist. Das Computerprogrammprodukt 80 ist ein sogenannter Digitaler Zwilling und dazu ausgebildet, das Betriebsverhalten des Sensors 10 während des Verfahrens 100 zu simulieren. Dazu umfasst das Computerprogrammprodukt 80 ein digitales Abbild 82 zumindest eines Energieversorgungssystem 40 des Sensors 10. Das Computerprogrammprodukt 80 ist mit reduzierter Rechenleistung durchführbar und erlaubt eine Echtzeitüberwachung des Sensors 10.
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

US 9627908 B2 [0002]
US 2017286572 A1 [0022]

Claims

Automatisierungsgerät (10), umfassend eine Applikationselektronik (20), eine Kommunikationseinheit (30) und ein Energieversorgungssystem (40) zum Betreiben der Applikationselektronik (20) und der Kommunikationseinheit (30), das eine Batterie (42) und einen Kondensator (44) umfasst, wobei die Batterie (42) und der Kondensator (44) über einen mittels einer Steuereinheit (50) betätigbaren Schalter (46) miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (42) als Lithium-Thionylchlorid-Batterie (47) oder als wiederaufladbare Batterie ausgebildet ist.
Automatisierungsgerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) zu einem Minimieren eines Betriebsstroms (21) an der Batterie (42) zu einem Betätigen des Schalters (46) ausgebildet ist.
Automatisierungsgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) mit einem Temperaturerfassungsmittel (16) verbunden ist und zu einem temperaturabhängigen Betätigen (45) des Schalters (46) ausgebildet ist.
Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (44) zum Betreiben der Kommunikationseinheit (30) mittels des Schalters (46) zuschaltbar ist und/oder die Steuereinheit (50) permanent durch die Batterie (42) versorgt ist.
Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) zu einem zeitgesteuerten oder ereignisgesteuerten Betätigen (45) des Schalters (46) ausgebildet ist.
Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (44) bei einer Temperatur (15) von bis zu 20°C einen Leckstrom von bis zu 3 µA aufweist und/oder die Batterie (42) bei einer Temperatur (15) von 55°C eine Kapazität von mindestens 2,0 Ah aufweist und dazu ausgebildet ist, eine Stromstärke von mindestens 20 mA bereitzustellen.
Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (46) als Feldeffekttransistor (48) ausgebildet ist, die Steuereinheit (50) als Mikrocontroller (51) ausgebildet ist, und/oder die Kommunikationseinheit (30) als Funkkommunikationseinheit ausgebildet ist.
Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungsgerät (10) ausschließlich über das Energieversorgungssystem (40) mit elektrischer Energie versorgt ist.
Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikationselektronik (20) als Messvorrichtung ausgebildet ist und einen Radaremitter (22), einen Lidaremitter, oder einen Ultraschallemitter, einen Tuned-Diode-Laser, einen Rauchdetektor und/oder eine Infrarot-Analytik umfasst.
Verfahren (100) zum Betreiben eines Automatisierungsgeräts (10), der eine Applikationselektronik (20), eine Kommunikationseinheit (30) und ein Energieversorgungssystem (40) zum Betreiben der Messvorrichtung (20) umfasst, wobei das Energieversorgungssystem (40) eine Batterie (42) und einen Kondensator (44) aufweist, die über einen Schalter (46) miteinander verbunden sind, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen des Automatisierungsgeräts (10) in einem Betriebszustand, in dem der Kondensator (44) zumindest teilweise aufgeladen ist; b) Erfassen einer Temperatur (15) und Schließen des Schalters (46) in einem Ruhebetrieb des Automatisierungsgeräts (10), wenn die Temperatur (15) eine Schwellentemperatur (57) unterschreitet oder Öffnen des Schalters (46) im Ruhebetrieb des Automatisierungsgeräts (10), wenn die Temperatur (15) die Schwellentemperatur (57) überschreitet; und/oder c) Schließen des Schalters (46) zur Unterstützung eines Betriebs der Kommunikationseinheit (30) und/oder der Applikationselektronik (20) in einem Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts (10); wobei die Kommunikationseinheit (30) als Funkkommunikationseinheit ausgebildet ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) zeitgesteuert oder ereignisgesteuert durchgeführt wird.
Steuereinheit (50) zum Betreiben eines Automatisierungsgeräts (10), umfassend einen Speicher und eine Recheneinheit, die zum Speichern und Ausführen von Instruktionen ausgebildet sind, und die Steuereinheit (50) zum Empfangen von Messsignalen (23) und Ausgeben von Steuerbefehlen (55) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) zum Durchführen eines Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt (80) zum Simulieren eines Betriebsverhaltens eines Automatisierungsgeräts (10), das zumindest ein digitales Abbild (82) eines Energieversorgungssystems (40) des Automatisierungsgeräts (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.