WO2021004753A1 - Verfahren zum betreiben eines feldgerätes der automatisierungstechnik - Google Patents

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WO2021004753A1
WO2021004753A1 PCT/EP2020/066955 EP2020066955W WO2021004753A1 WO 2021004753 A1 WO2021004753 A1 WO 2021004753A1 EP 2020066955 W EP2020066955 W EP 2020066955W WO 2021004753 A1 WO2021004753 A1 WO 2021004753A1
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field device
additional
input terminal
value
minimum
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PCT/EP2020/066955
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Florian ASAL
Simon Gerwig
Eric Schmitt
Wolfgang Trunzer
Martin Link
Markus Bothur
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Endress+Hauser SE+Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a field device in automation technology, a field device in automation technology which is set up to carry out the method, and a system in automation technology.
  • field devices are often used that are used to record and / or influence process variables.
  • Sensors such as, for example, are used to record process variables
  • Conductivity measuring devices etc., which record the corresponding process variables level, flow rate, pressure, temperature, pH value or conductivity.
  • field devices all devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information are referred to as field devices.
  • Automation systems still use so-called two-wire field devices. These are via a two-wire line, i.e. a line with two separately formed wires, to a higher-level unit, e.g. a
  • Control unit PLC or control system connected.
  • the two-wire field devices are designed in such a way that the measurement or control values are communicated, i.e. transmitted, as the main process variable via the two-wire line or the two-wire cable in the form of a 4-20 mA loop current or current signal.
  • a loop current of the two-wire line is set to a specific value by the field device or the higher-level unit in accordance with the recorded process variable.
  • the two-wire line is also used to supply the two-wire field device.
  • a field device electronics which is connected to the two-wire line via a connection terminal, a power required for operation in the form of a terminal voltage that is applied across the connection terminal, and a loop current that is supplied via the
  • Terminal flows, provided.
  • Terminal voltage and the set current is dependent, a current value in turn can change very quickly depending on a measured value of the process variable.
  • a circuit for fast monitoring of the input power is usually integrated into the devices.
  • Additional functions can be activated or switched on.
  • knowing the currently available power also means an increased system load for the field device, in particular a computing unit of the
  • the invention is based on the object of showing a simpler possibility of activating or switching on an additional functionality as a function of an additional power available in a two-wire field device.
  • the object is achieved according to the invention by the method according to claim 1, the field device of automation technology according to claim 9 and the system of automation technology according to claim 10.
  • Automation technology which is set up to record a measured value and / or control value or to transfer it to places and via a 4-20 mA signal on a two-wire line and with several separately switchable additional electrical modules for performing an additional functionality in a measuring operation, includes the following Process steps:
  • Field device in order to connect the field device to an external voltage source
  • Additional functionality is carried out by the field device in the measurement mode.
  • the initialization phase starts with a minimum current value (fail low), which is below a value representing a measured value
  • the minimum current value can be less than or equal to 3.6 mA.
  • the invention also assumes that an increase in the current value by, for example, 1 mA represents significantly more input power for the field device than an increase in the voltage value at the input terminal by, for example, 1 V. This is justified insofar as this assumption
  • the field device receives an additional power of approx. 3 mW when the
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that in the event that, minus the for operating the
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that each additional module is assigned a specific operating performance.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the operating power required to operate the respective additional module is stored in the field device, in particular the computing unit or a memory element.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that an order in which the additional modules are activated / switched on when there is sufficient power is firmly specified.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the minimum current value set is a value less than or equal to a current value representing the minimum measurement and / or control value.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the additional functionalities are selected from an activation of a display of the field device, an activation of a
  • the invention further relates to a field device in automation technology which is set up to carry out the method according to one of the previously described embodiment.
  • the invention further relates to a system of automation technology comprising:
  • the input terminal of the field device is connected,
  • an external total resistance of an external circuit of the field device which comprises at least the external voltage source and the two-wire line, is less than or equal to 2.5 kilohms, the external total resistance comprising at least an internal resistance of the voltage source and a line resistance of the two-wire line.
  • Fig. 1 a system of automation technology consisting of a
  • Voltage source a field device of automation technology and a two-wire line that connects the voltage source and the field device
  • FIG. 2 a voltage-current characteristic curve in which voltage values are plotted against current values at the input terminal of the field device
  • FIG. 1 shows a system of automation technology consisting of a voltage source, a field device of automation technology and a two-wire line which connects the voltage source and the field device to one another.
  • the field device includes an input terminal 14 on which the two-wire line
  • Terminal voltage UT at the input terminal 14 and a computing unit 17, for example a microprocessor, for control and / or evaluation.
  • the input terminal 14 and thus the field device 1 are connected to a voltage source via the two-wire line 12.
  • Voltage source 30 field device 10 is supplied with energy via two-wire line 20. For this purpose, depending on the terminal voltage UT, which is applied to the connection terminal 14, and the current I, which through the
  • a current value between 4 mA and 20 mA represents a corresponding measurement and / or control value.
  • a current value of 4mA (Imin, mess) represents a minimum measured and / or manipulated value and 20 mA represents a maximum measured and / or manipulated value (Imax, mess). Due to drifts and inaccuracies as well as the detection of range overflows, a somewhat larger range is usually permitted for the representation of the variables: 3, 8 ... 20, 5 mA. Current values that are less than 3.6 mA or greater than
  • the higher-level unit should no longer represent the measured and / or set value, but rather provide error information for the
  • the field device 10 comprises one or more additional modules 11, 12, 13, each of which is set up to carry out additional functionality.
  • the additional modules 11, 12, 13 can be activated separately.
  • the additional modules 11, 12, 13 can be activated by the computing unit 17.
  • an additional module By activating an additional module, a Additional functionality carried out, which with a basic functionality of the
  • Field device 0 is not available.
  • the basic functionality here comprises the pure measurement and / or setting of the process variable.
  • Additional functionalities can be, for example: the activation of a display on the field device 11, the activation of a radio interface 12, for example a radio interface according to a Bluetooth standard, in particular Bluetooth Low Energy and / or the activation of a backlight 13.
  • the activation of the individual additional modules is carried out by the processing unit and depends on whether an additional service necessary for operating the respective additional module is available for the corresponding additional module.
  • a minimum additional power Pzu which is made available to the field device 10 at the input terminal 14 and which is always available to the field device for executing at least one additional functionality in the measurement mode, is determined.
  • Pzu a minimum additional power Pzu
  • Additional service (“worst-case service”) Pzu is carried out in the initialization phase of the field device 10.
  • a fault current value less than or equal to 3.6 mA (I ⁇ 3.6 mA) must be set by the current setting unit 15 of the field device 10.
  • This fault current value corresponds to the minimum possible current value Imin and a corresponding maximum voltage value Ur max can be measured by the voltage measuring unit 16.
  • the minimum current value Imin and the maximum voltage value Ur max result in a minimum
  • Input power Pmin which is always available to the field device at input terminal 14 during measurement operation, since an increase in the current value by, for example, 1 mA represents significantly more input power for the field device than an increase in the voltage value at the input terminal by, for example, 1 V.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a typical voltage-current characteristic curve in which voltage values are plotted against current values at the input terminal 14 of the field device.
  • Point A is also shown in Fig. 2, which characterizes the minimum current value Imin and the maximum voltage value Ur max when the field device 10 is initialized.
  • the 4-20 mA range can be seen in which the field device 10 transmits the measurement and / or control value in measurement mode, ie after the initialization phase.
  • the total resistance R total of the system comprising field device 10, two-wire line 20 and external voltage source 30 can also be seen.
  • the total resistance RGesa mt includes a first and second line resistance Ru, R L 2 of the two-wire line, an internal resistance of the voltage source Ri and optionally a measuring or communication resistor Rshunt, which can be introduced into the two-wire line. Such a measuring resp.
  • Communication resistance Rshunt can have a resistance value of approx. 150-600 ohms, preferably of approx. 200-500 ohms, particularly preferably of approx. 220-500 ohms.
  • the increase in the current value only has a negative effect on the voltage value at the input terminal if the total external resistance is significantly greater than 2.5 kiloohms.
  • the minimum input power can be determined using the
  • maximum voltage value can be determined at minimum current value.
  • the computing unit 17 can use a difference between the maximum voltage value U Tmax and a minimum specified specifically for the field device
  • the “additional” input voltage Uadd can be multiplied by a device factor specific to the respective field device and results in a minimum additional power Pzu that is additionally available to the field device.
  • the device factor can for example be a mathematically and / or metrologically determined value. This is usually different from field device to field device.
  • the device factor can be a voltage-dependent value with the unit mWA /, which indicates an increase in power per voltage unit.
  • the voltage-dependent device factor can be approx. 3.4 mWA /.
  • the device factor can be a current-dependent value with the unit mW / A, which indicates an increase in power per unit of electricity.
  • the current-dependent device factor can be approx. 8.7 mW / A.
  • the processing unit 17 can activate one or more additional modules 11, 12, 13 if the available additional service Pzu is greater than or equal to an operating performance P11, P12, P13 necessary for operating the respective additional module.
  • Additional modules 11, 12, 13 can each require different operating services P11, P12, P13 for operation.
  • the operating services P11, P12, P13 can, for example, be stored in a memory element 18 of the field device 10 so that the computing unit 17 has access to them. Alternatively, however, the operating powers P11, P12, P13 can also be stored in the arithmetic unit 17. Knowing the operating services P11, P12, P13, the computing unit 17 can activate the additional modules 11, 12, 13 accordingly when there is sufficient additional service Pzu.
  • Additional modules 11, 12, 13 can be in a fixed order
  • the field device manufacturer can determine the sequence during the production of the field device 10. To check whether the system comprising field device 10, two-wire line 20 and voltage source 30 has changed since the initialization phase, the maximum voltage value U Tmax can be determined again at the minimum current value Imin in the measuring mode . For this purpose, the minimum current value Imin is initially set at the input terminal 14 of the field device by the current setting unit 15 of the field device during the measuring operation. Then the maximum
  • Voltage measuring unit 16 of the field device measured in measuring mode.
  • additional module e.g. backlight for display
  • computing unit for example microprocessor
  • External voltage source e.g. PLC

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik (10) umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Verbinden einer Zweidrahtleitung (20) mit einer Eingangsklemme (14) des Feldgerätes (10); - Einstellen eines minimalen Stromwerts (Imin) an der Eingangsklemme (14) des Feldgerätes in einer Initialisierungsphase (S200); - Messen eines maximalen Spannungswertes (UTmax) an der Eingangsklemme (14) in der Initialisierungsphase;10 - Ermitteln einer minimalen Zusatzleistung (Pzu), die dem Feldgerät an der Eingangsklemme (14) zugeführt wird und die dem Feldgerät zum Ausführen zumindest einer Zusatzfunktionalität zur Verfügung steht; - Aktivieren/Einschalten eines Zusatzmodules (11) durch die Recheneinheit (17), wenn die ermittelte minimale Zusatzleistung (Pzu) größer gleich einer zum Betreiben des Zusatzmodules (11) notwendigen Betriebsleistung (P11) ist, wobei durch das Aktivieren/Einschalten des Zusatzmodules (11) eine entsprechende Zusatzfunktionalität durch das Feldgerät in dem Messbetrieb ausgeführt wird (S500).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik, ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen und ein System der Automatisierungstechnik.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise
Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und
Temperaturmessgeräte, pFI-Redoxpotentialmessgeräte,
Leitfähigkeitsmessgeräte, etc., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Gegenwärtig werden in einer Vielzahl der bestehenden
Automatisierungsanlagen noch sogenannten Zweileiterfeldgeräte eingesetzt. Diese sind über eine Zweidrahtleitung, d.h. eine Leitung mit zwei separat ausgebildeten Adern, zu einer übergeordneten Einheit, bspw. eine
Steuereinheit SPS bzw. Leitsystem, verbunden. Die Zweileiterfeldgeräte sind dabei derartig ausgebildet, dass die Mess- bzw. Stellwerte als Haupt- Prozessvariable über die Zweidrahtleitung bzw. das Zweileiterkabel analog in Form eines 4-20 mA Schleifenstroms bzw. Stromsignals kommuniziert, d.h. übertragen, werden. Hierbei wird ein Schleifenstrom der Zweidrahtleitung entsprechend der erfassten Prozessgröße durch das Feldgerät bzw. die übergeordnete Einheit auf einen spezifischen Wert gestellt.
Zur Übertragung aller anderen Daten hat sich insbesondere das HART
Protokoll bewährt, bei dem analogen Stromsignal von 4-20 mA ein Frequenzsignal als digitales Zweileitersignal zur Datenübertragung überlagert wird. Gemäß des HART Protokolls wird zwischen 1200 Hz und 2400 Hz zur Datenübertragung umgeschaltet, wobei die niedriger Frequenz für eine logische„0“ und die höhere Frequenz für eine logische„1“ steht. Auf diese Weise bleibt das sich nur langsam veränderliche analoge Stromsignal von der Frequenzüberlagerung unberührt, so dass mittels HART analoge und digitale Kommunikation vereint wird.
Neben der Datenübertragung dient die Zweidrahtleitung auch zur Versorgung des Zweileiterfeldgerätes. Hierbei wird einer Feldgeräteelektronik, die über eine Anschlussklemme an die Zweidrahtleitung angeschlossen ist, eine zum Betrieb benötigte Leistung in Form einer Klemmenspannung, die über der Anschlussklemme anliegt, und eines Schleifenstroms, der über die
Anschlussklemme fließt, zur Verfügung gestellt.
Bei Zweileiterfeldgeräten ist die zur Verfügung stehende Leistung meist schon für das Betreiben von Grundfunktionalitäten kritisch. Hinzu kommt, dass neuere Zweileiterfeldgeräte immer mehr Funktionalitäten bieten sollen. Diese Zusatzfunktionalitäten, z.B. erweiterte Messmodi, Datenübertragung per Funk, etc. können aber nur dann aktiviert werden, wenn dem Zweileiterfeldgerät genügend Leistung zur Verfügung steht. Aus diesem Grund sind eine
Ermittlung und Überwachung der zur Verfügung stehenden Leistung unumgänglich. Problematisch hierbei ist, dass die verfügbare Leistung von der
Klemmspannung und dem gestellten Strom abhängig ist, wobei sich ein Stromwert wiederum in Abhängigkeit eines Messwertes der Prozessgröße sehr schnell ändern kann. Zusätzlich wirken sich externe Mess- oder
Kommunikationswiderstände, hohe Leitungswiderstände oder ähnliches ebenfalls auf die Klemmspannung aus. Um trotzdem Grund- und
Zusatzfunktionalitäten gewährleisten zu können, wird für gewöhnlich eine Schaltung zur schnellen Überwachung der Eingangsleistung in die Geräte integriert. Durch die Kenntnis der Eingangsleistung zu jeder zeit, können, in dem Fall, dass neben der zur Ausführung der Grundfunktionalität benötigten Leistung noch Leistung zur Verfügung steht (Zusatzleistung), Zusatzfunktionalitäten aktiviert bzw. eingeschaltet werden. Die Kenntnis der aktuell zur Verfügung stehenden Leistung bedeutet aber auch eine erhöhte System last für das Feldgerät, insbesondere eine Recheneinheit des
Feldgerätes. Ferner werden Hardwaremodule bzw. elektronische
Komponenten benötigt, die eine schnelle Reaktionszeit aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Möglichkeit aufzuzeigen, eine Zusatzfunktionalität in Abhängigkeit einer zur Verfügung stehenden Zusatzleistung in einem Zweileiterfeldgerät zu aktivieren bzw. einzuschalten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , dem Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 9 und dem System der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes der
Automatisierungstechnik welches dazu eingerichtet ist, einen Mess- und/oder Stellwert zu Erfassen bzw. zu Stellen und über ein 4-20mA Signal auf einer Zweidrahtleitung zu übertragen und mit mehreren separat schaltbaren elektrischen Zusatzmodulen zum Ausführen jeweils einer Zusatzfunktionalität in einem Messbetrieb, umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- Verbinden der Zweidrahtleitung mit einer Eingangsklemme des
Feldgerätes, umso das Feldgerät mit einer externen Spannungsquelle zu verbinden;
- Einstellen eines minimalen Stromwerts an der Eingangsklemme des Feldgerätes durch eine Stromstelleinheit des Feldgerätes in einer Initialisierungsphase;
- Messen eines maximalen Spannungswertes an der Eingangsklemme durch eine Spannungsmesseinheit des Feldgerätes in der
Initialisierungsphase, wobei der maximale Spannungswert bei dem eingestellten minimalen Stromwert gemessen wird;
- Ermitteln einer minimalen Zusatzleistung, die dem Feldgerät an der Eingangsklemme zugeführt wird und die dem Feldgerät zum Ausführen zumindest einer Zusatzfunktionalität zur Verfügung steht durch eine Recheneinheit, insbesondere einen Mikroprozessor, des Feldgerätes, wobei die Ermittlung der minimalen Zusatzleistung (Pzu) anhand zumindest des bei dem eingestellten minimalen Stromwert
gemessenen maximalen Spannungswertes (U-rmax) durchgeführt wird; - Aktivieren/Einschalten eines Zusatzmodules von den mehreren
Zusatzmodulen durch die Recheneinheit, wenn die ermittelte minimale Zusatzleistung größer gleich einer zum Betreiben des Zusatzmodules notwendigen Betriebsleistung ist, wobei durch das
Aktivieren/Einschalten des Zusatzmodules eine entsprechende
Zusatzfunktionalität durch das Feldgerät in dem Messbetrieb ausgeführt wird.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das Feldgerät in der
Initialisierungsphase aus SIL-Gründen mit einem minimalen Stromwert (Fail Low) startet, welcher unterhalb eines einen Messwert repräsentierenden
Stromwertes liegt. Beispielsweise kann der minimale Stromwert kleiner gleich 3,6 mA sein. Ferner geht die Erfindung davon aus, dass eine Erhöhung des Stromwertes um bspw. 1 mA deutlich mehr Eingangsleistung für das Feldgerät darstellt als eine Erhöhung des Spannungswertes an der Eingangsklemme um bspw. 1 V. Dies ist insofern gerechtfertigt, als dass diese Annahme
messtechnisch verifiziert werden konnte. So kann gezeigt werden, dass dem Feldgerät eine Zusatzleistung von ca. 3 mW bei einer Erhöhung des
Spannungswertes an der Eingangsklemme um 1 V und bei einer Erhöhung des Stromwertes um 1 mA dem Feldgerät eine Zusatzleistung von ca. 8,5 mW zur Verfügung steht. Ebenfalls messtechnisch gezeigt werden konnte, dass sich die Erhöhung des Stromwertes erst ab einem Gesamtwiderstand deutlich größer 2,5 Kiloohm negativ auf einen Spannungswert an der Eingangsklemme auswirkt. Da ein externer Gesamtwiderstand von größer 2,5 Kiloohm jedoch außerhalb der gängigen Normen, Standards und/oder Spezifikationen befindet, kann dieser Fall in der praktischen Anwendung ausgeschlossen werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in dem Fall, dass abzüglich der zum Betreiben des
aktivierten/eingeschalteten Zusatzmodules bereits benötigten Betriebsleistung noch genügend Leistung von der ermittelten Zusatzleistung zur Verfügung steht, weitere von den mehreren Zusatzmodulen aktiviert/eingeschaltet werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass jedem Zusatzmodule eine spezifische Betriebsleistung zugeordnet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zum Betreiben des jeweiligen Zusatzmodules benötigte Betriebsleistung in dem Feldgerät, insbesondere der Recheneinheit oder einem Speicherelement, hinterlegt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Reihenfolge, in der die Zusatzmodule bei ausreichender Leistung aktiviert/eingeschaltet werden, fest vorgegeben ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ferner die folgenden Verfahrensschritte vor:
- Einstellen des minimalen Stromwerts an der Eingangsklemme des
Feldgerätes durch die Stromstelleinheit des Feldgerätes in dem
Messbetrieb;
- Messen eines maximalen Spannungswertes im Messbetrieb an der Eingangsklemme durch die Spannungsmesseinheit des Feldgerätes, wobei der maximale Spannungswert bei dem im Messbetrieb
eingestellten minimalen Stromwert gemessen wird;
- Überprüfen, ob eine Änderung gegenüber dem minimalen Stromwert und dem maximalen Spannungswert in der Initialisierungsphase stattgefunden hat;
- Signalisieren der Änderung, falls eine festgestellt wurde.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als minimaler Stromwert ein Wert kleiner gleich einem einen den minimalen Mess- und/oder Stellwert repräsentierenden Stromwert eingestellt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Zusatzfunktionalitäten ausgewählt werden aus einer Aktivierung eines Displays des Feldgerätes, einer Aktivierung einer
Funkschnittstelle des Feldgerätes oder einer Aktivierung einer
Flintergrundbeleuchtung eines Displays.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Feldgerät der Automatisierungstechnik welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einer der zuvor beschrieben Ausführungsform auszuführen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System der Automatisierungstechnik umfassend:
- ein Feldgerät nach dem vorhergehenden Anspruch;
- eine externe Spannungsquelle;
- eine Zweidrahtleitung über die die externe Spannungsquellemit der
Eingangsklemme des Feldgerätes verbunden ist,
wobei ein externer Gesamtwiderstand einer externen Beschaltung des Feldgerätes, welche zumindest die externe Spannungsquelle und die Zweidrahtleitung umfasst, kleiner gleich 2,5 Kiloohm ist, wobei der externe Gesamtwiderstand zumindest einen Innenwiderstand der Spannungsquelle und einen Leitungswiderstand der Zweidrahtleitung umfasst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 : ein System der Automatisierungstechnik bestehend aus einer
Spannungsquelle, einem Feldgerät der Automatisierungstechnik und einer Zweidrahtleitung, die die Spannungsquelle und das Feldgerät miteinander verbindet,
Fig. 2: eine Spannungs-Strom-Kennlinie, in dem Spannungswerte gegenüber Stromwerten an der Eingangsklemme des Feldgerätes aufgetragen sind, und
Fig. 3: einen schematischen Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 1 zeigt ein System der Automatisierungstechnik bestehend aus einer Spannungsquelle, einem Feldgerät der Automatisierungstechnik und einer Zweidrahtleitung, die die Spannungsquelle und das Feldgerät miteinander verbindet.
Das Feldgerät umfasst eine Eingangsklemme 14 an der die Zweidrahtleitung
20 angeschlossen ist, eine Stromstelleinheit 15 zum Stellen eines
Stromwertes I, eine Spannungsmesseinheit zum Erfassen einer
Klemmspannung UT an der Eingangsklemme 14, und eine Recheneinheit 17, bspw. einen Mikroprozessor, zur Steuerung und/oder Auswertung.
Über die Zweidrahtleitung 12 ist die Eingangsklemme 14 und somit das Feldgerät 1 mit einer Spannungsquelle verbunden. Durch die
Spannungsquelle 30 wird das Feldgerät 10 über die Zweidrahtleitung 20 mit Energie versorgt. Hierfür wird, in Abhängigkeit der Klemmenspannung UT, die an der Anschlussklemme 14 anliegt, und dem Strom I, der durch die
Zweidrahtleitung fliest, dem Feldgerät eine Betriebsleistung zur Verfügung gestellt. Ferner werden über die Zweidrahtleitung Mess- und/oder Stellwerte übermittelt, bspw. zu einer übergeordneten Einheit, insbesondere einer SPS. Hierbei repräsentiert ein Stromwert zwischen 4 mA und 20 mA einen entsprechenden Mess- und/oder Stellwert. Hierbei repräsentiert ein Stromwert von 4mA (Imin, mess) einen minimalen Mess- und/oder Stellwert und 20 mA einen maximalen Mess und/oder Stellwert (Imax, mess). Aufgrund von Driften und Ungenauigkeiten sowie der Erkennung von Bereichsüberläufen wird für die Repräsentation der Größen üblicherweise ein etwas größerer Bereich zugelassen: 3, 8...20, 5 mA. Stromwerte die kleiner als 3,6 mA bzw. größer als
21 mA sind, sollen der übergeordneten Einheit nicht mehr als Repräsentation des Mess- und/oder Stellwertes, sondern als Fehlerinformation des
Feldgerätes dienen.
Ferner umfasst das Feldgerät 10 ein oder mehrere Zusatzmodule 11 , 12, 13, von denen jedes dazu eingerichtet ist, eine Zusatzfunktionalität auszuführen. Die Zusatzmodule 11 , 12, 13 sind separat aktivierbar. Beispielsweise können die Zusatzmodule 11 , 12, 13 durch die Recheneinheit 17 aktiviert werden. Durch das Aktivieren eines Zusatzmodules wird auf dem Feldgerät 10 l eine Zusatzfunktionalität ausgeführt, die bei einer Grundfunktionalität des
Feldgerätes 0 nicht vorhanden ist. Die Grundfunktionalität umfasst hierbei das reine Messen und/oder Stellen der Prozessgröße. Zusatzfunktionalitäten können beispielsweise sein: das Aktivieren eines Displays am Feldgerät 11 , das Aktivieren einer Funkschnittstelle 12, bspw. einer Funkschnittstelle gemäß einem Bluetooth-Standard, insbesondere Bluetooth Low Energy und/oder das Aktivieren einer Hintergrundbeleuchtung 13.
Die Aktivierung der einzelnen Zusatzmodule erfolgt durch die Recheneinheit und hängt davon ab, ob eine zum Betreiben des jeweiligen Zusatzmodules notwendige Zusatzleistung für das entsprechende Zusatzmodul vorhanden ist.
Hierzu wird erfindungsgemäß eine minimale Zusatzleistung Pzu, die dem Feldgerät 10 an der Eingangsklemme 14 bereitgestellt wird und die dem Feldgerät zum Ausführen zumindest einer Zusatzfunktionalität im Messbetrieb immer zur Verfügung steht ermittelt. Anders ausgedrückt, es wird die
Zusatzleistung ermittelt die in einem worst-case Szenario im eigentlichen Messbetrieb immer noch zum Betreiben eines Zusatzmodules 11 , 12, 13 zur Verfügung steht. Die Ermittlung der minimal zur Verfügung stehenden
Zusatzleistung („worst-case Leistung“) Pzu wird in der Initialisierungsphase des Feldgerätes 10 durchgeführt. In der Initialisierungsphase wird bzw. muss aus SIL-Gründen durch die Stromstelleinheit 15 des Feldgerätes 10 ein Fehlerstrom wert kleiner gleich 3,6 mA ( I < 3,6mA) eingestellt werden. Dieser Fehlerstromwert entspricht dem minimal möglichen Stromwert Imin und ein dazu korrespondierender maximaler Spannungswert U-rmax kann durch die Spannungsmesseinheit 16 gemessen werden. Der minimale Stromwert Imin und der maximale Spannungswert U-rmax ergeben eine minimale
Eingangsleistung Pmin, die dem Feldgerät an der Eingangsklemme 14 im Messbetrieb immer zur Verfügung steht, da eine Erhöhung des Stromwertes um bspw. 1 mA deutlich mehr Eingangsleistung für das Feldgerät darstellt als eine Erhöhung des Spannungswertes an der Eingangsklemme um bspw. 1 V.
Fig. 2 zeigt exemplarisch eine typische Spannungs-Strom-Kennlinie, in dem Spannungswerte gegenüber Stromwerten an der Eingangsklemme 14 des Feldgerätes aufgetragen sind. Ebenfalls in Fig. 2 ist der Punkt A dargestellt, der den minimalen Stromwert Imin und den maximalen Spannungswert U-rmax bei Initialisierung des Feldgerätes 10 kennzeichnet. Aus Fig. 2 wird der 4-20 mA Bereich ersichtlich, in dem das Feldgerät 10 im Messbetrieb, d.h. nach der Initialisierungsphase, die Mess- und/oder Stellwert überträgt. Ebenfalls ist der Gesamtwiderstand RGesamt der das System aus Feldgerät 10, Zweidrahtleitung 20 und externer Spannungsquelle 30 ersichtlich. Der Gesamtwiderstand RGesamt umfasst dabei einen ersten und zweiten Leitungswiderstand Ru, RL2 der Zweidrahtleitung, einen Innenwiderstand der Spannungsquelle Ri und optional einen Mess- bzw. Kommunikationswiderstand Rshunt, der in die Zweidrahtleitung eingebracht werden kann. Ein derartige Mess- bzw.
Kommunikationswiderstand Rshunt kann einen Widerstandswert von ca. 1 50- 600 Ohm, bevorzugt von ca. 200-500 Ohm, besonders bevorzugt von ca. 220- 500 Ohm aufweisen. Wie eingangs beschrieben, wirkt sich die Erhöhung des Stromwertes erst ab einem externen Gesamtwiderstand deutlich größer 2,5 Kiloohm negativ auf den Spannungswert an der Eingangsklemme aus. Da dieser Fall jedoch nicht weiter relevant ist, kann die minimale Eingangsleistung anhand des
maximalen Spannungswerts bei minimalen Stromwert ermittelt werden.
Zur Ermittlung der minimal zur Verfügung stehenden Zusatzleistung Pzu kann die Recheneinheit 17 eine Differenz aus dem maximalen Spannungswert UTmax und einer für das Feldgerät spezifisch vorgegebenen minimalen
Klemmenspannung bilden. Die Differenz ergibt eine
„zusätzliche“ Eingangsspannung Uadd. Die„zusätzliche“ Eingangsspannung Uadd kann mit einem für das jeweilige Feldgerät spezifischen Gerätefaktor multipliziert werden und resultiert in einer dem Feldgerät zusätzlich zur Verfügung stehenden minimalen Zusatzleistung Pzu. Der Gerätefaktor kann beispielsweise ein mathematisch und/oder messtechnisch ermittelter Wert sein. Dieser ist in der Regel von Feldgerät zu Feldgerät unterschiedlich. Der Gerätefaktor kann ein spannungsabhängiger Wert mit der Einheit mWA/ sein, der eine Leistungszunahme pro Spannungseinheit angibt. Beispielsweise kann der spannungsabhängige Gerätefaktor ca. 3,4 mWA/ sein. Alternativ kann der Gerätefaktor ein stromabhängiger Wert mit der Einheit mW/A sein, der eine Leistungszunahme pro Stromeinheit angibt. Beispielsweise kann der stromabhängige Gerätefaktor ca. 8,7 mW/A sein.
Basierend auf der ermittelten Zusatzleistung Pzu kann die Recheneinheit 17 ein oder mehrere Zusatzmodule 11 , 12, 13 aktivieren, wenn die zur Verfügung stehende Zusatzleistung Pzu größer gleich einer zum Betreiben des jeweiligen Zusatzmodules notwendige Betriebsleistung P11 , P12, P13 ist. Die
Zusatzmodule 11 , 12, 13 können zum Betreiben jeweils unterschiedliche Betriebsleistungen P11 , P12, P13 benötigen. Die Betriebsleistungen P11 , P12, P13 können bspw. in einem Speicherelement 18 des Feldgerätes 10 hinterlegt sein, sodass die Recheneinheit 17 Zugriff darauf hat. Alternativ können die Betriebsleistungen P11 , P12, P13 aber auch in der Recheneinheit 17 hinterlegt sein. Durch die Kenntnis der Betriebsleistungen P11 , P12, P13 kann die Recheneinheit 17 die Zusatzmodule 11 , 12, 13 bei ausreichend zur Verfügung stehender Zusatzleistung Pzu entsprechend aktivieren. Die
Zusatzmodule 11 , 12, 13 können dabei in einer festen Reihenfolge
nacheinander aktiviert werden. Die Festlegung der Reihenfolge kann durch den Feldgerätehersteller während der Produktion des Feldgerätes 10 erfolgen. Zur Überprüfung, ob sich das System aus Feldgerät 10, Zweidrahtleitung 20 und Spannungsquelle 30 seit der Initialisierungsphase verändert hat, kann in dem Messbetrieb eine erneute Ermittlung des maximalen Spannungswertes ÜTmax bei dem minimalen Stromwert Imin erfolgen. Hierzu wird zunächst während des Messbetriebes der minimale Stromwert Imin an der Eingangsklemme 14 des Feldgerätes durch die Stromstelleinheit 15 des Feldgerätes eingestellt. Anschließend wird der maximale
Spannungswert ÜTmax an der Eingangsklemme 14 durch die
Spannungsmesseinheit 16 des Feldgerätes im Messbetrieb gemessen.
Basierend auf dem gemessenen maximalen Spannungswert kann eine
Überprüfung, ob eine Änderung gegenüber dem minimalen Stromwert Imin und dem maximalen Spannungswert ÜTmax in der Initialisierungsphase stattgefunden hat. Eine erkannte Änderung kann anschließend signalisiert werden. Derartige Änderungen können beispielsweise durch Korrosion an der Anschlussklemme auftreten. Bezugszeichenliste
10 Feldgerät der Automatisierungstechnik
1 1 Zusatzmodul, bspw. Display
12 Zusatzmodul, bspw. Funkschnittstelle
13 Zusatzmodul, bspw. Flintergrundbeleuchtung für Display
14 Eingangsklemme
15 Stromstelleinheit
16 Spannungsmesseinheit
17 Recheneinheit, bspw. Mikroprozessor
18 Speicherelement
20 Zweidrahtleitung
30 Externe Spannungsquelle, bspw. SPS
Ru Erster Leitungswiderstand
RL2 Zweiter Leitungswiderstand
Rshunt Messwiderstand
Ri Innenwiderstand der Spannungsquelle
RGesamt Gesamtwiderstand
I Stromwert
Imin Minimaler Stromwert
lmin,mess Minimaler den Mess- und/oder Stellwert repräsentierender
Stromwert
lmax,mess Maximaler den Mess- und/oder Stellwert repräsentierender
Stromwert
Imax Maximaler Stromwert
Udd Zusätzliche Eingangsspanung
UT Klemmspannung
Ulmax Maximaler Spannungswert
Pzu Minimale Zusatzleistung
P11 Betriebsleistung erstes Zusatzmodul
P12 Betriebsleistung zweites Zusatzmodul
P13 Betriebsleistung drittes Zusatzmodul
S100 - Verfahrensschritte
S900

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes der Automatisierungstechnik (10) welches dazu eingerichtet ist, einen Mess- und/oder Stellwert zu Erfassen bzw. zu Stellen und über ein 4-20mA Signal auf einer Zweidrahtleitung (20) zu übertragen und mit mehreren separat schaltbaren elektrischen Zusatzmodulen (11 , 12, 13) zum Ausführen jeweils einer Zusatzfunktionalität in einem
Messbetrieb, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Verbinden der Zweidrahtleitung (20) mit einer Eingangsklemme (14) des Feldgerätes (10), umso das Feldgerät (10) mit einer externen
Spannungsquelle (30) zu verbinden (S100);
- Einstellen eines minimalen Stromwerts (Imin) an der Eingangsklemme (14) des Feldgerätes durch eine Stromstelleinheit (15) des Feldgerätes in einer Initialisierungsphase (S200);
- Messen eines maximalen Spannungswertes (U-rmax) an der
Eingangsklemme (14) durch eine Spannungsmesseinheit (16) des Feldgerätes in der Initialisierungsphase, wobei der maximale
Spannungswert (U-rmax) bei dem eingestellten minimalen Stromwert (Imin) gemessen wird (S300);
- Ermitteln einer minimalen Zusatzleistung (Pzu), die dem Feldgerät an der Eingangsklemme (14) zugeführt wird und die dem Feldgerät zum Ausführen zumindest einer Zusatzfunktionalität zur Verfügung steht durch eine Recheneinheit (17), insbesondere einen Mikroprozessor, des Feldgerätes (S400), wobei die Ermittlung der minimalen
Zusatzleistung (Pzu) anhand zumindest des bei dem eingestellten minimalen Stromwert gemessenen maximalen Spannungswertes (UTmax) durchgeführt wird;
- Aktivieren/Einschalten eines Zusatzmodules (11 ) von den mehreren Zusatzmodulen (11 , 12, 13) durch die Recheneinheit (17), wenn die ermittelte minimale Zusatzleistung (Pzu) größer gleich einer zum
Betreiben des Zusatzmodules (11 ) notwendigen Betriebsleistung (P11 ) ist, wobei durch das Aktivieren/Einschalten des Zusatzmodules (11 ) eine entsprechende Zusatzfunktionalität durch das Feldgerät in dem Messbetrieb ausgeführt wird (S500).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in dem Fall, dass abzüglich der zum Betreiben des aktivierten/eingeschalteten Zusatzmodules (11 ) bereits benötigten Betriebsleistung noch genügend Leistung von der ermittelten Zusatzleistung (Pzu) zur Verfügung steht, weitere von den mehreren
Zusatzmodulen (12, 13) aktiviert/eingeschaltet werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem Zusatzmodule (11 , 12, 13) eine spezifische Betriebsleistung (P11 , P12, P13) zugeordnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zum Betreiben des jeweiligen Zusatzmodules benötigte Betriebsleistung (P11 , P12, P13) in dem Feldgerät, insbesondere der Recheneinheit (17) oder einem Speicherelement (18), hinterlegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine
Reihenfolge, in der die Zusatzmodule (11 , 12, 13) bei ausreichender Leistung aktiviert/eingeschaltet werden, fest vorgegeben ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Einstellen des minimalen Stromwerts (Imin) an der Eingangsklemme (14) des Feldgerätes durch die Stromstelleinheit (15) des Feldgerätes in dem Messbetrieb (S600);
- Messen eines maximalen Spannungswertes (UTmax) im Messbetrieb an der Eingangsklemme (14) durch die Spannungsmesseinheit (16) des Feldgerätes, wobei der maximale Spannungswert (UTmax) bei dem im Messbetrieb eingestellten minimalen Stromwert (Imin) gemessen wird (S700);
- Überprüfen, ob eine Änderung gegenüber dem minimalen Stromwert und dem maximalen Spannungswert in der Initialisierungsphase stattgefunden hat (S800);
- Signalisieren der Änderung, falls eine festgestellt wurde (S900).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als minimaler Stromwert (Imin) ein Wert kleiner gleich einem einen den minimalen Mess- und/oder Stellwert repräsentierenden Stromwert (lmin,mess) eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Zusatzfunktionalitäten ausgewählt werden aus einer Aktivierung eines
Displays des Feldgerätes, einer Aktivierung einer Funkschnittstelle des Feldgerätes oder einer Aktivierung einer Flintergrundbeleuchtung eines Displays.
9. Feldgerät der Automatisierungstechnik welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
10. System der Automatisierungstechnik umfassend:
- ein Feldgerät (10) nach dem vorhergehenden Anspruch;
- eine externe Spannungsquelle (30);
- eine Zweidrahtleitung (20) über die die externe Spannungsquelle (30) mit der Eingangsklemme (14) des Feldgerätes (10) verbunden ist, wobei ein externer Gesamtwiderstand (RGesamt) einer externen Beschaltung des Feldgerätes, welche zumindest die externe Spannungsquelle (30) und die Zweidrahtleitung (20) umfasst, kleiner gleich 2,5 Kiloohm ist, wobei der externe Gesamtwiderstand (RGesamt) zumindest einen Innenwiderstand (Ri) der Spannungsquelle und einen Leitungswiderstand der Zweidrahtleitung (Ru, RL2) umfasst.
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