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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und eine Arbeitsweise für die Weiterleitung von Daten.
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In der Industrie gibt es schon seit vielen Jahren das sogenannte „Highway Addressable Remote Transducer“-(HART)-Protokoll, mit dem „intelligente“ Feldgeräte in der Verfahrenstechnik angesteuert oder ausgelesen werden können. HART nutzt ein digitales Signal, das auf das herkömmliche 4- bis 20-Milliampere-Signal aufmoduliert wird und mit dem in zwei Richtungen kommuniziert werden kann. Dadurch ist es möglich, eine Kombination von analogen, nicht HART-kompatiblen Geräten sowie alten und neuen HART-kompatiblen Geräte zu benutzen, wobei die neueren Geräte neue Funktionalitäten innerhalb des HART-Protokolls nutzen können. Jedes Gerät wird primär angesteuert über das herkömmliche 4- bis 20-Milliampere-Signal, während HART-kompatible Geräte weiterhin dazu vorgesehen sind, durch die Aufmodulation eines hochfrequenten Signals auf dieses herkömmliche Signal zu kommunizieren. Das HART-Protokoll wurde beschrieben von der „HART Communication Foundation“ und wird in dieser Beschreibung als ein dem Fachmann bekanntes Protokoll betrachtet.
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Viele zurzeit in der Industrie benutzte Feldgeräte, wie unter anderem Stellglieder, wie Ventile, Pumpen und Positionierungselemente, und auch Sensoren, wie Vibrationssensoren, Drucksensoren und Temperatursensoren, sind HART-kompatibel. Unter Nutzung des HART-Protokolls können Informationen vom Feldgerät abgefragt werden. Beispielsweise kann ein Status des Feldgeräts abgefragt werden. Außerdem können über das HART-Protokolls Fehlermeldungen abgefragt werden. In der Praxis wird das HART-Protokoll hauptsächlich dazu genutzt, die industriellen Prozesse zu steuern. Dies bedeutet, dass die Informationen im Feldgerät, beispielsweise der Status und/oder die Fehlermeldungen, in der Praxis nur lokal zur Steuerung des Verfahrens genutzt werden. Diese Informationen werden üblicherweise nicht abgespeichert, und zwar aus zwei Gründen. Einerseits ist eine traditionelle Verfahrenssteuerung nicht darauf ausgelegt, Informationen abzuspeichern. Andererseits ist es für eine Verfahrenssteuerung irrelevant, was vorige Informationen des Feldinstruments waren, beispielsweise der Status des Feldinstruments vor einer Woche.
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Weil das HART-Protokoll primär für die Verfahrenssteuerung ausgelegt ist, ist das Protokoll nicht dazu vorgesehen, Informationen abzuspeichern. Dadurch gehen wertvolle Informationen verloren. Insbesondere für die Wartung ist die Entwicklung von Informationen eines Feldinstruments sehr relevant. Beispielsweise wird ein Ventil, das sich 100-mal pro Monat öffnet und schließt, einen erheblich größeren Wartungsbedarf haben als ein Ventil, das sich nur einmal pro Monat öffnet und schließt. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass dies nur ein Beispiel ist, das zur Illustration der Relevanz der Abspeicherung der Informationen aus den Feldinstrumenten dient.
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Zur Erleichterung der Kommunikation mit HART-kompatiblen Feldgeräten wurde das sogenannte WirelessHART eingeführt. WirelessHART ist eine drahtlose Sensor-Netzwerk-Technologie auf der Basis des HART-Protokolls. WirelessHART unterstützt die Funktion im 2,4 GHz-Band, unter Verwendung von Kommunikationsstandard IEE 802.15.4. Die zugrunde liegende drahtlose Technologie basiert auf dem „Time Synchronized Mesh Protocol“ (TSMP). WirelessHART wurde primär dazu entworfen, die Kommunikation zwischen HART-kompatiblen Geräten bei der Steuerung des Verfahrens zu erleichtern. Die Verwendung von WirelessHART für die regelmäßige Erfassung von Informationen von Feldgeräten und das Versenden dieser Informationen zwecks Abspeicherung an einen Server ist teuer und risikobehaftet.
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Zur Erfassung von Tendenzen in Informationen von Feldgeräten werden die Informationen aus diesen Feldgeräten vorzugsweise zentral abgespeichert, beispielsweise auf einem Server. Zur Sammlung der Informationen müssen die Informationen unter Nutzung des HART-Protokolls regelmäßig von den verschiedenen Feldgeräten abgefragt werden. Die Informationen werden dann an den zentralen Server zur Abspeicherung in diesem Server versendet. Ausgehend von den Informationen der regelmäßig abgespeicherten Informationen der Feldgeräte können Tendenzen detektiert werden, auf deren Basis Betrieb und/oder Wartung der Anlage verbessert werden können.
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Es ist nicht optimal, WirelessHART dazu zu nutzen, Informationen von den Feldgeräten abzurufen und an einen zentralen Server weiterzuleiten. In der Praxis können Feldgeräte über eine relativ große Fläche verteilt sein. Beispielsweise kann ein Ventil zwei Kilometer entfernt in einem Prozessfeld platziert sein. Weil WirelessHART auf der Basis einer Mesh-Topologie funktioniert, müssten dann mehrere WirelessHART-Geräte vorgesehen werden, damit das relevante Gebiet für die Kommunikation abgedeckt werden kann. Weiterhin werden Knotenpunkte im Mesh-Netzwerk schwer belastet werden und einen Engpass für die Weitersendung der Informationen an den Server bilden. Wenn die Knotenpunkte überlastet werden, kann sogar die Verfahrenssteuerung beeinflusst werden, was dramatische Folgen haben kann.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Weise zu bieten, auf effiziente Weise Informationen aus HART-kompatiblen Feldgeräten zu sammeln, ohne Risiko auf Störung der Verfahrenssteuerung.
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Zu diesem Zweck sieht die Erfindung ein Gerät für die Weiterleitung von Daten vor, wobei das Gerät ein „Highway Addressable Remote Transducer“- (HART-)Modul aufweist und ein „Low-Power Wide-Area Network“- (LPWAN-)Modul aufweist, wobei das Gerät weiterhin eine Speisung für dem Empfang von elektrischer Leistung und die Verteilung dieser Leistung an die Module aufweist und wobei das HART-Modul dazu ausgelegt ist, mit einem externen, HART-kompatiblen Gerät verbunden zu werden, um Daten des externen Geräts über ein HART-Protokoll abzufragen und zu empfangen, und wobei das HART-Modul operationell mit dem LPWAN-Modul verbunden ist, um die empfangenen Daten an das LPWAN-Modul bereitzustellen, und wobei das LPWAN-Modul dazu ausgelegt ist, die empfangenen Daten an einen externen, LPWAN-kompatiblen Server zu versenden.
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Das erfindungsgemäße Gerät hat einerseits ein HART-Modul. Mit dem HART-Modul kann das erfindungsgemäße Gerät mit einem HART-kompatiblen Gerät kommunizieren. Damit kann das erfindungsgemäße Gerät einen HART-Befehl senden, um Informationen vom Feldgerät abzufragen, und kann das erfindungsgemäße Gerät die Informationen von dem Feldgerät empfangen. Das erfindungsgemäße Gerät hat weiterhin ein „Low-Power Wide Area Network“-(LPWAN-)Modul. Mit dem LPWAN-Modul kann das erfindungsgemäße Gerät Daten über große Entfernungen versenden. Dabei kennzeichnet sich das LPWAN durch einen relativ niedrigen Energieverbrauch, was in entlegenen Gebieten, in denen Feldgeräte platziert sein können, vorteilhaft ist.
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Weiterhin ist das LPWAN-Modul optimiert für die Weiterleitung einer relativ beschränkten Daten{menge} über eine große Entfernung. Wie Versuche gezeigt haben, ist dies optimal für das Versenden von Informationen von Feldgeräten. Die Informationen von Feldgeräten sind üblicherweise größen-/umfangsmäßig beschränkt und können daher einfach über das LPWAN-Modul versendet werden. Das erfindungsgemäße Gerät weist eine operationelle Verbindung zwischen dem HART-Modul und dem LPWAN-Modul auf, sodass das HART-Modul die empfangenen Informationen zur weiteren Versendung an einen externen Server an das LPWAN-Modul weitergeben kann. Das erfindungsgemäße Gerät hat weiterhin eine Speisung, die darauf ausgelegt ist, Leistung zu empfangen und die Leistung an die Module zu verteilen. Die Speisung kann in erster Linie auf verschiedene Weisen gebildet werden, beispielsweise durch eine Batteriespeisung, beispielsweise durch einen Netzanschluss oder durch eine Speisung auf der Basis des HART-Signals, wie nachfolgend noch erörtert werden wird.
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Das erfindungsgemäße Gerät gestattet die Extraktion von Informationen aus einem Feldgerät auf einfache und effiziente Weise und sieht einen Mechanismus vor, um diese Informationen an einen zentralen Server zu versenden, ohne damit die Verfahrenssteuerung zu beeinflussen. Die Verfahrenssteuerung wird nicht beeinflusst, weil der Kommunikationsweg, über den die Informationen an den zentralen Server versendet werden, nicht mit für die Verfahrenssteuerung benutzten Kommunikationswegen zusammenfällt. Weil das LPWAN-Modul üblicherweise mit einer Stern-Topologie operiert, im Gegensatz zur Mesh-Topologie der Wireless HART-Technologie, kann einfach selektiv ausgewählt werden, wo und bei welchem Feldgerät ein erfindungsgemäßes Gerät platziert wird. Ein erfindungsgemäßes Gerät kann in einem Feld in einer großen Entfernung von anderen gleichartigen Geräten platziert werden, wobei das eine Gerät selbstständig und korrekt funktionieren kann. Dies verleiht einem Installateur oder Entwerfer einer Verfahrensanlage eine große Freiheit.
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Das erfindungsgemäße Gerät gestattet es weiterhin, eine bestehende Industrieanlage durch die Hinzufügung von erfindungsgemäßen Geräten bei bestimmten Feldgeräten nachzurüsten, um so die Informationen aus den Feldgeräten an einen zentralen Server zu versenden. Damit können die Wartung und/oder das Funktionieren eines bestehenden industriellen Verfahrens auf einfache Weise verbessert werden.
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Vorzugsweise weist das Gerät einen Prozessor auf, der darauf ausgelegt ist, die operationelle Verbindung zwischen dem HART-Modul und dem LPWAN-Modul zu bilden. Besonders bevorzugt ist der Prozessor mit einem Speicher verbunden, in dem HART-Modul-Anweisungen und/oder -Befehle mit LPWAN-Modul-Anweisungen und/oder -Befehlen in Verbindung gebracht werden, sodass der Prozessor die operationelle Verbindung auf der Basis der Daten im Speicher bildet. Die Daten im Speicher bilden eine Übersetzungstabelle, mit deren Hilfe der Prozessor zwischen dem HART-Modul und dem LPWAN-Modul übersetzen kann, vorzugsweise in zwei Richtungen. Der Prozessor ist dazu in der Lage, Anweisungen und/oder Befehle im HART-Protokoll zu versenden bzw. zu empfangen und Anweisungen und/oder Befehle im LPWAN-Protokoll zu empfangen bzw. zu versenden. Dabei nutzt der Prozessor die im Speicher enthaltene Tabelle dazu, bei Empfang einer Anweisung und/oder eines Befehls in dem jeweils einen Protokoll eine Übersetzung in Anweisungen und/oder Befehle in dem jeweils anderen Protokoll auszuführen. Dadurch sorgt der Prozessor dafür, dass das HART-Modul mit dem LPWAN-Modul im Gerät kommunizieren kann, vorzugsweise in zwei Richtungen.
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Vorzugsweise ist das LPWAN-Modul darauf ausgelegt, die empfangenen Daten an einen externen, LPWAN-kompatiblen Server zu versenden, wobei ein LoRaWAN-Protokoll benutzt wird. Versuche haben gezeigt, dass sich das LoRaWAN-Protokoll optimal für die Nutzung in einem erfindungsgemäßen Gerät eignet.
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Vorzugsweise ist die Speisung darauf ausgelegt, mit dem externen HART-kompatiblen Gerät verbunden zu werden, um Leistung aus dem HART-Signal zu empfangen. Das HART-Signal ist, wie oben beschrieben, basiert auf einem Signal einer Stromquelle mit einer Stromstärke von 4 bis 20 Milliampere und einem FSK-modulierten Signal, wie in den allgemeinen HART-Spezifikationen beschrieben und auch beim Fachmann bekannt. Die digitale Komponente des HART-Signals wird auf das Stromsignal aufmoduliert. Das Stromsignal kann von der Speisung dazu genutzt werden, Leistung abzugreifen, sodass das erfindungsgemäße Gerät gespeist werden kann. Ein großer Vorteil dieser Technik besteht darin, dass keine externe Speisung vorgesehen zu werden braucht, kein Netzanschluss vorgesehen zu werden braucht, keine Batterie vorgesehen werden muss, kein Sonnenkollektoren vorgesehen werden müssen, usw. Dabei ist die Speisung so angepasst, dass das HART-Signal während des Empfangs von Leistung nicht nennenswert gestört wird. Insbesondere darf sich die Größe des Stroms nicht nennenswert verändern, wenn die Speisung Leistung vom HART-Signal abgreift, da sonst die Speisung die Verfahrenssteuerung oder die vom HART-Feldgerät ausgesendete Messung beeinflussen würde, was unerwünscht ist.
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Vorzugsweise weist die Speisung weiterhin ein Energie-Speichermedium für die Zwischenspeicherung von Energie zwischen dem Empfangen von Leistung und dem Verteilen von Leistung an die Module auf. Dies gestattet es, die Speisung während relativ langer Zeit eine relativ kleine Leistung aus dem HART-Signal entziehen zu lassen und diese Leistung zu speichern, sodass beim Versenden von Daten durch das LPWAN-Modul von der Speisung eine Leistungsspitze an das LPWAN-Modul abgegeben werden kann. Damit beeinflusst die Speisung einerseits nicht das HART-Signal, und andererseits stellt die Speisung doch die für das Versenden der Daten benötigte Leistungsspitze bereit.
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Vorzugsweise weist das Gerät weiterhin eine Firewall auf, die darauf ausgelegt ist, HART-Schreibaktionen durch das HART-Modul zu blockieren. Besonders bevorzugt ist die Firewall von dem Typ, bei dem eine hardwaremäßige Authentifizierung zur Umgehung der Firewall erforderlich ist. Indem die Firewall vorgesehen wird, welche HART-Schreibaktionen durch das HART-Modul an das externe HART-kompatible Gerät blockiert, kann garantiert werden, dass das erfindungsgemäße Gerät die Verfahrenssteuerung nicht beeinflusst. Die hardwaremäßige Authentifizierung gibt dem Eigentümer der Verfahrensanlage die Garantie, dass das Verfahren nicht unerwünscht gestört werden kann. Dabei ist die Firewall vorzugsweise zwischen dem Prozessor und dem HART-Modul platziert.
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Vorzugsweise ist das LPWAN-Modul darauf ausgelegt, einen Zeitpunkt für das Versenden an den LPWAN-kompatiblen Server zu wählen. Besonders bevorzugt ist das LPWAN-Modul darauf ausgelegt, den Zeitpunkt basiert auf einem Status der Speisung zu wählen. Für das Versenden von Daten über das LPWAN-Modul wird eine Leistungsspitze benötigt. Das LPWAN-Modul kann dafür ausgelegt werden, den Status der Speisung zu kontrollieren, um zu beurteilen, ob die Speisung ausreichende Leistung für die Versendung der Daten zwischengespeichert hat. Ausgehend davon kann der Zeitpunkt für die Versendung der Daten an den Server gewählt werden. Dadurch wird der Leistungsverbrauch des erfindungsgemäßen Geräts optimiert.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Arbeitsweise für die Versendung von Daten von einem externen, „Highway Addressable Remote Transducer“-(HART-)kompätiblen Gerät an einen externen Server, wobei die Arbeitsweise sich darauf erstreckt, ein Gerät gemäß einem der obigen Ansprüche vorzusehen, und wobei die Arbeitsweise weiter aufweist:
- - Abfragen der Daten von dem externen HART-kompatiblen Gerät über ein HART-Modul des Geräts;
- - Empfangen der Daten von dem externen HART-kompatiblen Gerät auf dem HART-Modul;
- - Übertragen der empfangenen Daten an ein LPWAN-Modul des Geräts;
- - Versendung der empfangenen Daten durch das LPWAN-Modul an den externen Server.
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Hinsichtlich der Effekte und Vorteile der erfindungsgemäßen Arbeitsweise wird auf die oben beschriebenen Effekte und Vorteile des erfindungsgemäßen Geräts verwiesen. Die Arbeitsweise hat dieselben Effekte und Vorteile.
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Vorzugsweise weist die Arbeitsweise weiterhin das Triggern des HART-Moduls durch das LPWAN-Modul zum Abfragen der Daten auf.
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Vorzugsweise geschieht das Triggern zu einem Zeitpunkt, der vom LPWAN-Modul auf der Basis eines Status der Speisung gewählt wird. Als Alternative geschieht das Triggern zu festen Zeitpunkten oder mit festen Intervallen, zyklisch oder azyklisch. Als weitere Alternative geschieht das Triggern auf der Basis einer im LPWAN-Modul erhaltenen Anweisung, die vom LPWAN-Netzwerk kommt. Diese Anweisungen können beispielsweise über das LoRaWAN-Protokoll von einem Gateway empfangen werden. Als weitere Alternative und vorzugsweise werden mehrere Trigger kombiniert. So kann ein LPWAN-Modul einen Trigger von einem Gateway erhalten, wobei das LPWAN-Modul weiter beurteilt, ob der Status der Speisung vorgegebene Kriterien erfüllt. Dabei kann kontrolliert werden, ob die Speisung ausreichend Leistung aufgebaut hat, um Daten über das LPWAN-Modul auszusenden.
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Die Erfindung soll jetzt anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen beschrieben werden.
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In der Zeichnung zeigt:
- eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Geräts; und
- eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Geräts.
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In der Zeichnung wurde einem identischen oder analogen Element jeweils dieselbe Verweisziffer zugewiesen.
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Nachfolgend soll eine kurze Erläuterung der verschiedenen Technologien erteilt werden, die vorzugsweise oder nicht vorzugsweise im erfindungsgemäßen Gerät und in der erfindungsgemäßen Arbeitsweise angewendet wurden.
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LPWAN
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Anfänglich wird unterschieden zwischen einer drahtlosen Lizenz einerseits und einem drahtlosen lizenzfreien Netzwerkspektrum andererseits. Betrachtet man die am häufigsten verwendeten Frequenzen, auf denen sich die drahtlose Kommunikation abspielt, so gibt es einige Bänder, die frei verwendet werden dürfen, ohne dass dafür Lizenzrechte bezahlt werden müssen.
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Obwohl diese Bänder frei im Gebrauch sind, müssen ihre Nutzer trotzdem die örtlichen Regeln für ihren Gebrauch einhalten. In Belgien werden diese Regeln von dem sogenannten BIPT erstellt. Diese Regeln können von einem Land zum andern und von einer Region zur anderen unterschiedlich sein, sind aber im Allgemeinen innerhalb desselben Kontinents sehr ähnlich. In der vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass dem Fachmann diese Regeln bekannt sind und dass er die Erfindung so anpassen kann, dass sie den Regeln entspricht.
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In Belgien, und in der Erweiterung in Europa, befinden sich die wichtigsten lizenzfreien Spektren auf 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz. Mit Lizenzbändern sind die Frequenzgebiete gemeint, in denen die Lizenz und/oder die Genehmigungspflicht für deren Nutzung gilt. Beispiele dafür sind GSM 900, UMTS 2100, Tetra. Für die Verwendung der Erfindung wird vorzugsweise das lizenzfreie 868 MHz-Frequenzband benutzt. Das amerikanische Pendant befindet sich auf 915 MHz.
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De Erfindung nutzt die „Low-Power Wide-Area Network“-(LPWAN-) Technologie. Vorzugsweise nutzt die Erfindung die LoRa-Technologie, die auf der LPWAN-Technologie basiert. Die Modulationstechnik wird im Stand der Technik beschrieben und ist beim Fachmann unter dem Namen LoRa bekannt. Als Protokoll wird das LoRaWAN-Protokoll gewählt. Das LoRaWAN-Protokoll wird dafür sorgen, dass alle örtlichen Regeln eingehalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird darum das LPWAN-Modul ein LoRa-Modul sein.
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Mit Hilfe der LPWAN-Technologie, oder vorzugsweise der LoRa-Technologie, können Daten von einem LPWAN-Modul oder von einem LoRa-Modul an ein Gateway versendet werden, das sich in einem Netzwerk befindet, beispielsweise einem TCP-/IP-Netzwerk. Die LoRa-Topologie ist eine Stern-Topologie, sodass jedes LoRa-Modul seine Daten direkt an das Gateway sendet. Das Gateway ist dann dazu vorgesehen, die von dem LoRa-Modul empfangenen Daten über das TCP-/IP-Netzwerk an einen Server weiterzusenden. Wenn in der vorliegenden Beschreibung davon die Rede ist, dass Daten über das LPWAN-Modul an einen externen Server verschickt werden, ist offensichtlich, dass das LPWAN-Modul die Daten über die LPWAN-Technologie oder die LoRa-Technologie an das Gateway versendet und das Gateway die Daten weiter an den Server versendet.
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Die europäischen Patentdokumente
EP2449690 und
EP2763321 werden hinsichtlich einer detaillierten Beschreibung des LoRa-Modulationsschemas und der LoRa-Technologie durch Verweis in das vorliegende Dokument aufgenommen. In der vorliegenden Beschreibung werden darum nur einige Details zur Verdeutlichung beschrieben werden.
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Die LoRa-Modulation basiert auf einer Abfolge von Frequenz-Chirps (Chirp = Englisch für „Zwitschern“), deren Frequenz sich nach einem vorgegebenen Zeitintervall von einem anfänglichen direkten Frequenzwert f0 zu einer schlussendlichen direkten Frequenz f1 ändert. Dieses Modulationsschema wird benutzt in der für große Entfernungen vorgesehenen LoRa™ RF-Technologie von Semtech Corporation und wird in dieser Beschreibung einfach als „LoRa“ bezeichnet werden.
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HART
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Die „Highway Addressable Remote Transducer“-(HART-)Technologie ist die in der Verfahrensindustrie bei weitem meistverwendete digitale Kommunikationstechnologie, mit weltweit über 30 Millionen installierten Feldgeräten, die die HART-Technologie unterstützen.
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HART ist ein weltweiter Standard für das Senden und Empfangen von digitalen Informationen über die 4-20mA-Analog-Stromkreise, die die große Mehrzahl der Feldgeräte miteinander verbinden. Die HART-Technologie bietet eine zuverlässige Lösung für Verfahrensbetreiber, die die Vorteile von intelligenten Geräten mit digitaler Kommunikation nutzen wollen, während die bestehende Investition in Analog-Instrumentierung und -Verkabelung erhalten bleiben kann. HART ist einfach, zuverlässig und gebrauchsfreundlich.
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Das HART-Signal ist ein auf ein 4...20 mA-Analogsignal aufmoduliertes FSK-Signal. In Abhängigkeit von der Funktion des HART-Geräts wird dieses das 4..20 mA-Signal als Angabe seines primären Werts generieren, oder ein 4..20 mA-Signal als Sollwert für seinen primären Wert akzeptieren. Das HART-Signal ist grundsätzlich unabhängig von diesem primären 4..20 mA-Signal und kann als ein Extra, zusätzlich zur primären Funktion des Netzwerks, betrachtet werden.
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Die Firma „FieldComm Group“ ist Eigentümerin der HART-Spezifikationen und sorgt für die Entwicklung der Spezifikationen, für Schulungen und Produktregistrierungen im Zusammenhang mit der Technologie. HART ist inzwischen ein IEC-Standard.
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Für den Fachmann wird das HART-Protokoll als bekannt vorausgesetzt, und er ist dazu in der Lage, das HART-Protokoll den Spezifikationen entsprechend anwenden. Darum werden das HART-Protokoll und die HART-Technologie in dieser Beschreibung nicht weiter erläutert.
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Ausführungsformen
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zeigt ein Gerät 1 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Das Gerät 1 sieht eine operationelle Verbindung zwischen einerseits einem externen HART-kompatiblen Feldgerät 4 und andererseits einem Gateway 16 vor, das in einer Entfernung von dem externen HART-kompatiblen Feldgerät 4 platziert ist. In diesem Zusammenhang ist offensichtlich, dass in der Situation aus kein physische Kommunikationsverbindung zwischen dem externen HART-kompatiblen Feldgerät 4 und dem Gateway 16 liegt.
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Das Gerät 1 weist ein HART-Modul 2 auf und weist ein LoRa-Modul 3 auf. Darum wird das Gerät 1 nachfolgend auch als HART-LoRa-Gerät bezeichnet. Wie oben bereits erläutert, nutzt das LoRa-Modul die LPWAN-Technologie. Darum ist für den Fachmann offensichtlich, dass das LoRa-Modul nur eine bevorzugte Ausführungsform ist und dass als Erweiterung auch andere LPWAN-Technologien in das Gerät 1 eingebaut werden können.
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Das HART-Modul 2 weist einen HART-Transceiver 5 auf. Über den HART-Transceiver 5 ist das HART-Modul 2 dazu vorgesehen, mit dem externen HART-kompatiblen Feldgerät 4 angeschlossen zu werden. Über diesen Anschluss kann das HART-Modul 2, unter Nutzung des HART-Protokolls, mit dem externen HART-kompatiblen Feldgerät 4 kommunizieren. Dies bedeutet konkret, dass das HART-Modul 2 dazu vorgesehen ist, über den HART-Transceiver 5 einen HART-Befehl an das externe HART-kompatible Feldgerät 4 zu senden. Als Antwort auf den Befehl kann das externe HART-kompatible Feldgerät 4 Informationen an das HART-Modul 2 zurücksenden. Diese Informationen können sich beispielsweise beziehen auf einen Status des externen HART-kompatiblen Feldgeräts 4 und/oder auf Fehlermeldungen des externen HART-kompatiblen Feldgeräts 4. Dies sind nur einige Beispiele von Arten von Informationen, die über das HART-Protokoll abgefragt und weitergesendet werden können. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf diese Auflistung.
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Das LoRa-Modul 3 weist einen LoRa-Transceiver 6 für das Versenden von Daten über das LoRaWAN-Protokoll auf. Das Versenden von Daten ist in mit Referenzziffer 15 illustriert. Über das LoRa-Protokoll können Daten von dem LoRa-Modul 3 an ein Gateway 16 versendet werden. Das Gateway 16 befindet sich üblicherweise in einer Entfernung vom Gerät 1, wobei diese Entfernung bis zu einigen Kilometern betragen kann.
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Das Gerät 1 ist weiterhin versehen mit einem oder mehreren Prozessoren, die das HART-Modul 2 und das LoRa-Modul 3 operationell verbindet/verbinden. In der Ausführungsform aus hat der Prozessor zwei Teile, gezeigt als erster Prozessor 13, der an der Seite von HART-Modul 2 platziert ist, und einen zweiten Prozessor 14, der an der Seite von LoRa-Modul 3 platziert ist. Der erste Prozessor 13 ist darauf ausgelegt, mit dem HART-Transceiver 5 zu kommunizieren. Üblicherweise weist der erste Prozessor 13 dafür einen sogenannten HART-Protokollstapel auf. Der HART-Protokollstapel ist definiert in der HART-Protokollspezifikation und weist mindestens die HART-Protokoll-Befehle und -Anweisungen auf. Andererseits weist der erste Prozessor 13 einen internen Protokollstapel auf, mit dem der erste Prozessor 13 mit dem zweiten Prozessor 14 kommunizieren kann. Anders ausgedrückt, ist der erste Prozessor 13 dazu vorgesehen, interne Signale, worunter Signale zu verstehen sind, die zwischen dem ersten Prozessor 13 und dem zweiten Prozessor 14 versendet werden, in HART-Signale umzuwandeln, und umgekehrt.
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Der zweite Prozessor 14 ist analog zum ersten Prozessor 13 ausgelegt und konfiguriert. Der zweite Prozessor 14 ist dazu bestimmt, mit dem LoRa-Transceiver 6 zu kommunizieren. Dazu weist der zweite Prozessor 14 den LoRaWAN-Protokollstapel auf. Weiterhin weist der zweite Prozessor 14 den internen Protokollstapel für die Kommunikation mit dem ersten Prozessor 13 auf. Damit sieht der zweite Prozessor 14 einen Mechanismus vor für die Umwandlung interner Signale in LoRa-kompatible Signale, und umgekehrt.
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Ein wichtiger bevorzugter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Verfahrenssteuerung. Insbesondere darf Gerät 1 nicht mit der Verfahrenssteuerung interferieren, damit für den Betreiber des Verfahrens garantiert wird, dass die Verfahrenssteuerung nicht beeinträchtigt wird. Weil das Gerät 1 ein HART-Modul 2 aufweist, kann theoretisch nicht ausgeschlossen werden, dass, wenn keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden, das HART-Modul 2 HART-Befehle an das externe HART-kompatible Feldgerät 4 sendet. Damit ist es, wenn keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden, theoretisch möglich, dass die Verfahrenssteuerung beeinflusst wird. Um dies zu verhindern, wird in das Gerät 1 ein Sicherheitsmechanismus eingebaut.
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In der in gezeigten Ausführungsform ist der Sicherheitsmechanismus 12 dazu ausgelegt, die Kommunikation zwischen dem ersten Prozessor 13 und dem zweiten Prozessor 14, in der Richtung des ersten Prozessors 13, zu unterbrechen, und vorzugsweise physisch zu unterbrechen. In der Praxis ist eine physische Unterbrechung gegenüber einer softwaremäßigen Unterbrechung eher zu bevorzugen, weil die physische Unterbrechung üblicherweise weniger empfindlich für böswillige Manipulation ist. Durch die Unterbrechung der Kommunikation des zweiten Prozessors 14 zum ersten Prozessor 13 kann garantiert werden, dass das HART-Modul 2 keine Anweisungen von dem LoRa-Modul 3 empfängt, um HART-Anweisungen an das externe HART-kompatible Feldgerät 4 auszusenden. Dadurch wird dafür gesorgt, dass, wenn Gerät 1 über die drahtlose Verbindung gehackt werden würde und beim LoRa-Modul 3 Anweisungen eingehen würden, einen böswilligen HART-Befehl zu senden, das LoRa-Modul 3 diese Anweisungen nicht an das HART-Modul 2 weitergeben kann. Dabei ist der Sicherheitsmechanismus 12 vorzugsweise so ausgelegt, dass ein physischer Schlüssel benötigt wird, um die Verbindung zwischen dem HART-Modul 2 und dem LoRa-Modul 3, in der Richtung des HART-Moduls 2, zu aktivieren. Ein derartiger Sicherheitsmechanismus 12 verleiht dem Betreiber eines industriellen Verfahrens die Garantie, dass von Gerät 1 keine Beeinträchtigung der Verfahrenssteuerung ausgehen wird. In der Verbindung zwischen dem ersten Prozessor 13 und dem zweiten Prozessor 14 können Dioden angeordnet werden, die zwar einen Strom, und damit ein Signal, in der Richtung des ersten Prozessors' 13 zum zweiten Prozessor 14 zulassen, aber nicht umgekehrt. Der erste Prozessor 13 kann dann darauf ausgelegt sein, über den HART-Transceiver das externe HART-kompatible Gerät 14 regelmäßig abzufragen, sodass relevante Informationen auch regelmäßig an das LoRa-Modul 3 versendet werden können, ohne dass das LoRa-Modul 3 diese abzufragen braucht.
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Das Gerät 1 weist weiterhin ein Netzteil 11 auf, das darauf ausgelegt ist, elektrische Leistung zu empfangen, und das darauf ausgelegt ist, die elektrische Leistung zwischen den Modulen im Gerät 1 zu verteilen, Eine bevorzugte Ausführungsform der Speisung 11 wird nachfolgend im Einzelnen erörtert.
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zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform eines Geräts 1 mit einem HART-Modul 2 und einem LoRa-Modul 3. In dieser Ausführungsform ist der Prozessor 7 für die operationelle Verbindung des HART-Moduls 2 mit dem LoRa-Modul 3 in einem einzigen Block ausgeführt. Der Prozessor 7 kann operationell verbunden sein mit einem Speicher 8, in dem ein HART-Protokollstapel und ein LoRa-Protokollstapel untereinander verbunden gespeichert sind. Auf diese Weise kann der Prozessor 7 ein Signal aus dem LoRa-Modul 3 umwandeln in ein Signal für das HART-Modul 2 und umgekehrt.
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Die Sicherung wird in der Ausführungsform aus von einer Firewall 9 gebildet. Die Firewall 9 kann auf verschiedene Weisen ausgelegt werden. So kann beispielsweise eine Firewall ausgeführt werden mit einem Speicher, in dem eine Liste verbotener HART-Befehle gespeichert ist und in dem die Firewall 9 dazu konfiguriert ist, die Befehle aus dem Speicher zu blockieren. Eine derartige Firewall 9 ist als sogenannter „Pass-Through-Processor“ bekannt. Wenn der Prozessor 7 einen verbotenen Befehl an den Transceiver 5 aussenden würde, wird dieser Befehl von der Firewall 9 blockiert und folglich nicht beim HART-Transceiver 5 ankommen. Der Speicher bei Firewall 9 kann mittels Fusing verriegelt werden, damit er vor Software-Updates und/oder Hacking geschützt ist. Die Firewall 9 kann mit einem Bypass 10 versehen werden. Vorzugsweise kann der Bypass 10 mittels eines physischen Schlüssels eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Der physische Schlüssel verleiht dem Betreiber des industriellen Verfahrens die Garantie, unter anderem auf der Basis der Spezifikationen der Firewall 9, dass das Gerät 1 die Verfahrenssteuerung nicht in unerwünschter Weise beeinflussen kann.
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Entsprechend einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die Firewall 9 umgekehrt aufgebaut, in dem Sinne, dass die Firewall 9 nur eine Liste vorgegebener zulässiger Befehle in einem Speicher abgespeichert hat. Dabei ist die Firewall 9 dazu konfiguriert, nur Befehle durchzulassen, die in der Liste stehen, und alle anderen Befehle zu blockieren. Dadurch können nur einige Befehle in die Liste aufgenommen werden, womit das HART-Modul 2 Informationen vom Feldgerät abfragen kann. Alle anderen Befehle können von der Firewall 9 blockiert werden.
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illustriert weiter schematisch, wie der Gateway 16 über ein Netzwerk 17 mit einem Server 18 verbunden ist. Auf diese Weise kann das Gateway 16 die empfangenen Informationen, über das Netzwerk 17, beispielsweise ein TCP-/IP-Netzwerk, an den Server 18 weitersenden. Auf dem Server 18 können die Daten verarbeitet werden, kategorisiert werden. Weiterhin können Big-Data-Analysen ausgeführt werden, um Tendenzen in der Datenentwicklung zu erkennen. Damit kann die Wartung und/oder Verfahrenssteuerung optimiert werden.
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Ein weiterer wichtiger bevorzugter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Speisung des Geräts. Die und zeigen einen prinzipiellen Block 11 als Speisung, und illustriert mit zwei Pfeilen in Richtung von HART-Modul 2 bzw. LoRa-Modul 3, dass die Speisung 11 die Module mit Energie versorgt.
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Die Speisung 11 ist einerseits dazu vorgesehen, elektrische Leistung von einer externen Quelle zu empfangen, und andererseits dazu vorgesehen, die empfangene elektrische Leistung auf korrekte Weise zwischenzuspeichern und an die Module 2 und 3 zu verteilen. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass andere, in dieser Beschreibung hervorgehobene oder nicht hervorgehobene Funktionskomponenten ebenfalls von der Speisung 11 mit Energie versorgt werden können.
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Die externe Quelle, die die Speisung 11 mit elektrischer Leistung versorgt, kann im weitesten Sinne auf verschiedene Weisen gebildet sein. Beispielsweise kann eine Batterie zur Bereitstellung von externer Energie vorgesehen werden. Es kann auch ein Sonnenkollektor, gegebenenfalls mit einer Batterie kombiniert, vorgesehen werden. Weiterhin kann ein Anschluss für eine Netzspannung oder eine andere in der Nähe von Gerät 1 vorhandene Speisespannung vorgesehen werden, sodass ein Installateur das Gerät 1 mit der externen Netzspannung oder anderen Speisespannung verbinden kann.
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Vorzugsweise ist die Speisung 11 mit einem Modul zur Extraktion von elektrischer Energie aus dem Signal, mit dem das externe HART-kompatible Gerät 4 betrieben wird, versehen. Wie oben beschrieben, enthält das Signal eine von einer Stromquelle aus gesteuerte analoge Komponente, die üblicherweise von 4 bis 20 mA beträgt. In dieser bevorzugten Ausführungsform muss die Speisung 11 darauf ausgerichtet sein, Energie zu extrahieren, ohne damit die Größe des Analogsignals nennenswert zu beeinflussen.
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Dazu ist die Speisung 11 vorzugsweise mit einem internen Energiespeicher versehen. Weiterhin ist die Speisung 11 vorzugsweise darauf ausgelegt, aus dem HART-Signal eine vorgegebene Höchstleistung zu entziehen. Diese vorgegebene Höchstleistung wird vom Fachmann gewählt als zusätzliche Leistung, die von der Stromquelle, die das HART-Signal generiert, lieferbar ist, und zwar auf solche Weise, dass das ursprüngliche 4..20 mA-Signal nicht beeinflusst wird. Anders ausgedrückt wird diese vorgegebene Höchstleistung vorzugsweise kleiner sein als die Spitzenleistung, die benötigt wird, um das HART-Modul 2 und/oder das LoRa-Modul 3 zu betreiben. Gegebenenfalls kann diese vorgegebene Höchstleistung konditional sein. Die dem HART-Signal entzogene Leistung wird dann in dem internen Energiespeicher zwischengespeichert, sodass die Speisung 11 doch die benötigte Leistung im Zwischenspeicher aufbauen kann, um diese an das HART-Modul 2 und/oder das LoRa-Modul 3 zu senden. Technisch sind integrierte Schaltungen (ICs) für die Entziehung von elektrischer Leistung aus einem HART-Signal ohne Beeinflussung des Signals verfügbar. Ein Beispiel für eine solche integrierte Schaltung ist die LTC3255 von Linear Technology. Für den Fachmann werden derartige technische Lösungen als bekannt vorausgesetzt, darum werden diese Lösungen nicht weiter in den Einzelheiten beschrieben.
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Auf der Basis der obigen Beschreibung wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass die Erfindung in verschiedenen Weisen und auf der Basis unterschiedlicher Prinzipien ausgeführt werden kann. Dabei beschränkt sich die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sowie die Abbildungen haben nur illustrierenden Charakter und sollen nur dazu dienen, das Verständnis der Erfindung zu vergrößern. Die Erfindung beschränkt sich daher nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen, sondern wird in den Patentansprüchen definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2449690 [0033]
- EP 2763321 [0033]
