WO2023180198A1 - Automatisierungsgerät mit verbessertem energieversorgungssystem, betriebsverfahren für das automatisierungsgerät, steuereinheit und computerprogrammprodukt - Google Patents

Automatisierungsgerät mit verbessertem energieversorgungssystem, betriebsverfahren für das automatisierungsgerät, steuereinheit und computerprogrammprodukt Download PDF

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WO2023180198A1
WO2023180198A1 PCT/EP2023/056874 EP2023056874W WO2023180198A1 WO 2023180198 A1 WO2023180198 A1 WO 2023180198A1 EP 2023056874 W EP2023056874 W EP 2023056874W WO 2023180198 A1 WO2023180198 A1 WO 2023180198A1
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WO
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automation device
battery
designed
control unit
switch
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Application number
PCT/EP2023/056874
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Inventor
Eric Chemisky
Frank Probst
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery

Definitions

  • Automation device with improved power supply system, operating method for the automation device, control unit and computer program product
  • the invention relates to an automation device that has an improved energy supply system.
  • the invention also relates to an operating method for such an automation device.
  • the invention also relates to a correspondingly designed control unit and a computer program product for simulating the operating behavior of such an automation device.
  • the patent US 9, 627, 908 B2 discloses a battery-capacitor arrangement that can be used in a motor vehicle.
  • the battery-capacitor arrangement has a charge controller through which switches can be actuated so that the capacitor can be connected to the battery.
  • the battery can be recharged via the capacitor.
  • the data sheet for the LS 14500 battery from SAFT America Inc. discloses technical information on a lithium thionyl chloride battery. In particular, this results in different temperature-dependent operating characteristics of such batteries that are not rechargeable.
  • the automation device can be designed as a sensor, actuator or data processing unit.
  • the automation device can be designed as an industrial automation device.
  • the automation device includes application electronics, for example a measuring device, through which a measured variable to be recorded can be recorded and converted into a measurement signal if the automation device is designed as a sensor.
  • the application electronics can also be designed as an actuating device with which a measured variable can be acted upon if the automation device is designed as an actuator, or as a computing unit with which measurement signals can be processed if the automation device is designed as a data processing unit.
  • the automation device also includes a communication unit that allows data exchange with an evaluation unit with which the automation device can be coupled.
  • the automation device further includes a power supply system through which electrical energy can be provided and which is designed to operate the application electronics and the communication unit.
  • the energy supply system includes a battery and a capacitor, which work together to supply the communication unit and/or the application electronics with electrical energy.
  • the battery and the capacitor can be electrically connected to one another via a switch.
  • the switch can be operated using a control unit, which is also part of the automation device. By activating the switch, for example, the capacitor can be charged from the battery and/or battery-assisted operation of the automation device can be supported by the capacitor.
  • the battery of the energy supply system is designed as a lithium thionyl chloride battery or as a rechargeable battery. The ones required for most of the operation of the automation device- before current strength is relatively low.
  • the lithium thionyl chloride battery has an increased usable energy content at low currents, for example below 30 mA.
  • the lithium thionyl chloride battery in the automation device according to the invention has a service life of at least five years.
  • the switch which can be operated via the control unit, allows the lithium thionyl chloride battery to be operated in a manner adapted to changing environmental conditions and/or performance requirements.
  • the automation device according to the invention makes do with a reduced number of simple components and is therefore cost-efficient.
  • the control unit is designed to minimize the operating current on the battery by activating the switch during operation of the automation device.
  • the operating current is understood to mean the current output by the battery in an operating state of the automation device, for example in pulsed operation of the communication unit.
  • the performance of the battery for example its maximum energy content that can be provided, is lower the lower its temperature is.
  • the capacitor on the other hand, is largely insensitive to temperature in terms of the operating current that can be provided, in particular a pulse current. However, the higher the capacitor's temperature, the higher the leakage current from the capacitor.
  • the switch allows the capacitor and the battery to be combined with their correspondingly complementary properties. As a result of the minimized operating current, operating the switch serves to extend the life of the battery.
  • the control unit can be connected to a temperature detection means.
  • the temperature detection means can be designed to detect a temperature of the battery, the control unit and/or the environment.
  • the temperature detection means can be designed separately and with the control unit be designed to be connectable, or designed to be integrated into the control unit.
  • the control unit can also be designed to operate the switch in a temperature-dependent manner. Accordingly, the capacitor is connected to the battery or disconnected from the battery depending on the temperature by the switch.
  • the temperature detection means can have a measurement tolerance of at least +/-5 ° C. The invention is based, among other things, on the surprising finding that particularly long-lasting operation of the automation device with the battery can be achieved even with such a reduced measurement accuracy.
  • the capacitor for operating the communication unit can be designed to be switched on using the switch.
  • the communication unit has an increased energy requirement during active operation, for example a transmission operation.
  • the battery can be supported during active operation of the communication unit. This allows the current present in the battery to be reduced. Heavy-duty operation, which has a detrimental effect on battery life, is therefore reduced.
  • the control unit in the automation device in question can be permanently supplied by the battery. When active, the control unit has a reduced energy requirement, which can easily be covered by the battery even at low temperatures. The capacitor can therefore be switched on in a targeted manner for the operation of the communication unit and/or the application electronics. As a result, the technical advantages of the claimed automation device outlined above can be achieved to a particular extent.
  • control unit in the claimed automation device can be designed to operate the switch in a time-controlled or event-controlled manner.
  • time-controlled the switch switches or switches off for a specified period of time. blocked.
  • the time-controlled actuation can be carried out in a simple manner and makes it possible to predict the power consumption, i.e. the current intensity and the corresponding duration, on the battery. Accordingly, the discharging behavior of the battery can be simulated in a simple and at the same time precise manner. This in turn makes it possible to predict a maintenance time when the battery needs to be replaced. Predicting the maintenance time can therefore be carried out independently of the automation device itself, for example by means of an evaluation unit that can be communicatively coupled to the communication unit of the automation device.
  • the event-controlled actuation of the switch can be designed in such a way that the capacitor is switched on by the control unit as long as the communication unit and/or the application electronics are in active operation. As a result, discharging of the capacitor can be minimized, which in turn reduces the charging time of the capacitor required after active operation. As a result, the electrical energy stored in the energy supply system is used particularly efficiently.
  • the capacitor has a leakage current of up to 3 pA, in particular up to 1 pA, at a temperature of up to 20 ° C.
  • the capacitor can be designed, for example, as a so-called super cap, as a hybrid super cap or ultra cap.
  • the lithium thionyl chloride battery has a reduced energy content, particularly in pulsed operation.
  • the capacitor can be connected to the battery at an appropriate temperature by operating the switch. Meanwhile, the losses due to the leakage current are minimized. In total This achieves an improved storage effect.
  • the battery can have a capacity, i.e.
  • the capacitor has an energy content, of at least 2 Ah at a temperature of 55 ° C and be designed to provide a current of at least 100 mA. At such temperatures, the capacitor has an increased leakage current and can be separated from the battery using the switch. Overall, sufficient electrical energy is provided for intermittent operation of the automation device over an increased battery life, for example of at least five years.
  • the switch in the claimed automation device can be designed as a field effect transistor, in particular as a so-called MOSFET, or as a bistable relay. Field effect transistors are compact and offer a reliable blocking effect at increased electrical voltages.
  • the control unit in the claimed automation device can be designed as a microcontroller. Microcontrollers can be designed to be programmable and offer a wide range of adjustable control functions with minimized energy requirements.
  • the communication unit can be designed as a radio communication unit, for example as a WLAN, Bluetooth, ZigBee, LoRaWAN, or mobile radio unit, in particular as a 5G unit. This eliminates the need for wiring to connect the automation device to an evaluation unit.
  • the claimed automation device can therefore be quickly implemented in a simple manner as part of a retrofit in an existing system.
  • the energy-saving operation that can be achieved with the claimed automation device means that an increased operating time can be achieved. This makes sensors with radio communication units practical or at least more cost-efficient in a wide range of applications.
  • the claimed automation device can only be powered by the energy supply system with electrical be supplied with fresh energy. Accordingly, there is no connection, especially a wired connection, to the power grid.
  • the automation device is therefore operated exclusively via the electrical energy electrochemically bound in the battery, i.e. its energy content.
  • the energy supply system can be miniaturized to an increased extent, so that the automation device in question is particularly compact overall.
  • the claimed automation device can therefore also be installed in locations with reduced installation space, in particular in an already existing system.
  • the energy supply system also includes simple and reliable components that allow long-term and robust operation. Furthermore, the energy supply system can be easily encapsulated, i.e. shielded against penetrating gases or gas mixtures.
  • the automation device in question can also be used in environments with ignitable or explosive gases or Gas mixtures can be used safely.
  • the energy supply system of the automation device can be connected to a fluctuating external energy source, which can be designed as a photovoltaic cell or wind turbine.
  • the capacitor can be charged by the fluctuating external energy source.
  • a battery designed as a rechargeable battery can also be charged by the fluctuating external energy source.
  • the measuring device can include a radar emitter, a lidar emitter, an ultrasonic emitter, a tuned diode laser, a smoke detector and/or infrared analytics .
  • Such measuring devices have an increased energy requirement in active operation. The energy requirement of such measuring devices can be supported by the capacitor. This avoids an increased current on the battery.
  • Such energy-intensive measuring devices can be operated in pulsed mode in the automation device in use without significantly increasing the service life of the battery affect. In particular, the battery is longer in a design point for increased service life or. Energy content operable.
  • the measuring device can have an interface that can be operated with 4 mA to 20 mA. The automation device in question can therefore implement a large number of measuring principles with an increased period of use. Consequently, the claimed automation device can be easily adapted to a wide range of uses.
  • the underlying object is also achieved by a method according to the invention for operating an automation device.
  • the automation device includes application electronics, a communication unit and a power supply system for operating the application electronics.
  • the power supply system has a battery and a capacitor, which are connected to one another via a switch. The connection via the switch can be interrupted and/or closed by pressing the switch.
  • the method includes a first step in which the automation device is provided in an operating state in which the capacitor is at least partially charged. All components of the automation device are also functional in this operating state. This is followed by a second step in which a temperature is detected and the switch is closed. Closing occurs during idle operation of the automation device, i.e. when there is no active operation of the application electronics and/or transmission operation of the communication device.
  • the switch is closed if the temperature recorded in the second step exceeds a threshold temperature.
  • the switch opens when the temperature recorded in the second step falls below the threshold temperature.
  • the threshold temperature thus defines the temperature at which the capacitor is switched on to support the battery in idle mode. At low temperatures, this reduces battery life-threatening operation. The reverse is true at elevated temperatures lossy operation due to leakage currents on the capacitor can be reduced.
  • the temperature recorded in the second step can be a temperature of the battery, the control unit and/or the environment.
  • a third step is carried out in the method according to the invention.
  • the switch is closed to support active operation of the automation device in which the communication unit and/or the application electronics are operated.
  • electrical energy is generated via the capacitor to operate the communication unit or provided by the application electronics.
  • heavy-load operation of the battery is reduced by the electrical energy provided by the capacitor.
  • the communication unit of the automation device is designed as a radio communication unit, for example as a WLAN, Bluetooth, ZigBee, LoRaWAN, or mobile radio unit, in particular as a 5G unit.
  • a radio communication unit for example as a WLAN, Bluetooth, ZigBee, LoRaWAN, or mobile radio unit, in particular as a 5G unit.
  • Automation devices with radio communication units are therefore suitable for a wide range of applications, particularly in system automation.
  • the automation device can be designed according to at least one of the embodiments set out above.
  • the technical features of the claimed automation device can therefore be transferred analogously to the method and vice versa.
  • the technical advantages of the claimed automation device therefore also apply to the claimed method.
  • the third step of the claimed method can be carried out in a time-controlled or event-controlled manner.
  • a time-controlled implementation means that the switch is switched or blocked for a predetermined period of time.
  • the time-controlled closing can be carried out in a simple manner and makes it possible to predict the power consumption, i.e. the current intensity and the corresponding duration, on the battery. Accordingly, the discharging behavior of the battery can be simulated in a simple and at the same time precise manner. This in turn makes it possible to predict a maintenance time when the battery needs to be replaced. Predicting the maintenance time can therefore be carried out independently of the automation device itself, for example by means of an evaluation unit that can be communicatively coupled to the communication unit of the automation device.
  • the event-controlled closing of the switch can be designed in such a way that the capacitor is switched on by the control unit as long as the communication unit and/or the measuring device is in active operation. As a result, discharging of the capacitor can be minimized, which in turn reduces the charging time of the capacitor required after active operation.
  • control unit which is designed to operate an automation device.
  • the control unit includes a memory and a computing unit, which are designed to store and execute instructions.
  • the control unit continues to receive formed by measurement signals that can be generated in active operation by application electronics, for example a measuring device, of the automation device.
  • the control unit is designed to issue control commands with which a switch in the automation device can be actuated.
  • the control unit is suitable for carrying out at least one method according to one of the embodiments outlined above. Accordingly, the features of the claimed method and the claimed automation device can be transferred to the control unit according to the invention.
  • the control unit can have a corresponding program to carry out the claimed method.
  • control unit can be designed as a microcontroller, which is arranged in the automation device.
  • the computer program product has a physics module that is designed to at least simulate energy consumption of the automation device.
  • the physics module can also be designed to simulate the behavior of the control unit, i.e. receiving measurement signals and issuing control commands.
  • the computer program product according to the invention includes a digital image of at least one energy supply system of the automation device to be simulated, which, for example, simulates its structural structure and/or its functionality. Alternatively or additionally, the energy supply system can also be designed as a calculation model in the physics module.
  • the physics module is designed to simulate the operating behavior of the automation device under adjustable operating conditions.
  • the adjustable operating conditions include, for example, a duration and frequency of active operation, i.e. a measuring operation of a measuring device and/or a transmitting operation of a communication unit, a temperature Course of the environment, thermal properties of a battery of the energy supply system, a probability distribution for an operating time in which temperature range, a control behavior of a control unit, an electrical load profile through the measuring device or the communication unit, and / or a switching behavior of a switch.
  • This makes it possible to predict the achievable service life of the battery, i.e. the automation device.
  • an upcoming maintenance procedure for example a battery replacement, can be predicted more precisely.
  • the computer program product can have a data interface via which corresponding data can be specified via user input and/or other simulation-oriented computer programs.
  • the computer program product can have a data interface for outputting simulation results to a user and/or other simulation-oriented computer program products.
  • a measured charge level of the battery can be made plausible through simulation.
  • the claimed computer program product is also designed to ensure error diagnosis for an automation device according to the invention.
  • the computer program product can be executed at least partially during operation on the claimed automation device to predict maintenance processes and/or to signal faults.
  • the computer program product according to the invention can be carried out sufficiently quickly even with reduced computing power.
  • the computer program product according to the invention can offer real-time capability, for example for real-time monitoring of a simulated automation device. More detailed requirements that define the real-time capability arise In this case, for example, from a system process in which the automation device can be integrated.
  • several automation devices can also be monitored in a practical manner as part of a system process using the computer program product according to the invention.
  • the computer program product can be designed as a so-called digital twin, as described, for example, in the publication US 2017/286572 Al.
  • the disclosure content of US 2017/286572 Al is incorporated by reference into the present application.
  • the computer program product can be designed to be monolithic, i.e. executable entirely on a hardware platform.
  • the computer program product can be modular and include a plurality of subprograms that can be executed on separate hardware platforms and interact via a communicative data connection, for example a computer cloud and/or a master computer.
  • a communicative data connection can be a network connection or an Internet connection.
  • an automation device can be tested and/or optimized via simulation using the computer program product according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor system with a first embodiment of the claimed sensor
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a sensor system with a second embodiment of the claimed sensor; 3 shows schematically a sequence of an embodiment of the claimed method.
  • the automation system 10 includes application electronics 20, which can be designed as a measuring device and which can have a radar emitter 22.
  • the application electronics 20 can record a measurement variable 24 present in an environment 25 of the sensor 10, to which corresponding measurement signals 23 can be generated.
  • the measurement signals 23 are generated in active operation of the automation device 10 and are passed to a control unit 50, which is designed as a microcontroller 51.
  • the control unit 50 is equipped with a program 52 which is designed to receive and process the measurement signals 23 .
  • the sensor 10 has a communication unit 30 which is connected to the control unit 50 via a communicative data connection 59.
  • the communication unit 30 is designed to establish a communicative data connection 35 with an evaluation unit 60, which, together with the automation device 10, belongs to an automation system 70.
  • the application electronics 20, the communication unit 30 and the control unit 50 form, at least functionally, a consumer system 32.
  • the automation device 10 also has an energy supply system 40 which is connected to the consumer system 32, i.e. the measuring device 20, the communication unit 30 and the control unit 50, via electrical lines 41.
  • the energy supply system 40 is set up to provide electrical energy for this over a period of use.
  • the energy supply system 40 includes a battery 42, which is designed as a lithium thionyl chloride battery 47.
  • the battery 42 in turn is connected to a capacitor 44 via electrical lines 41 and a current limiting element 43.
  • Diode-like components 26 are connected to the lines 41. ordered, which prevent current peaks from affecting the battery 42. Furthermore, a switch 46, which is designed as a field effect transistor 48, is attached between the capacitor 44 and the battery 42. The switch 46 can be actuated via control commands 55, which can be output by the control unit 50.
  • a method 100 can be carried out in which the automation device 10 is provided in a first step 110 in an operating state in which the capacitor 46 is at least partially charged.
  • a temperature 15 is detected by a temperature detection means 16, which is connected to the control unit 50.
  • the temperature detection means 16 is designed to detect a temperature 15 of the environment 25, the battery 42 and/or the capacitor 44.
  • the detected temperature 15 is transmitted to the control unit 50 as a temperature measurement value 17.
  • the switch 46 is actuated 45.
  • the switch 46 is closed in the second step 120 via a control command 55 when the detected temperature 15 falls below a threshold temperature 57.
  • the capacitor 44 is opened via a control command 55 when the detected temperature 15 exceeds the threshold temperature 57.
  • This allows the battery 42 to be operated in a low-degradation state.
  • an operating current 21, i.e. a current intensity which is to be provided by the energy supply system 40 in a pulsed operation of the application electronics 20, the communication unit 40 and the control unit 50.
  • Pulsed operation means an absence of active operation of the application electronics 20 and the communication unit 30 to understand.
  • the threshold temperature 57 is stored in the control unit 50.
  • the threshold temperature 57 can be specified by a user input, the evaluation unit 60, or can be determined automatically by the control unit 50.
  • the control unit 50 can be provided with data 54 about the battery 42, the capacitor 44 and/or the control unit 50 itself.
  • the data 54 can also include an expected temperature profile of the environment 25.
  • the threshold temperature 57 can be optimized with regard to a maximum service life of the battery 42, and thus of the automation device 10.
  • the duration of use is here understood to mean the time until the battery 42 is replaced, whether necessary or at least necessary.
  • a third step 130 can be carried out in the method 100.
  • the switch 46 is closed by means of a control command 55.
  • electrical energy is provided by the capacitor 44 to support the operation of the measuring device 20 and/or the communication unit 40.
  • the current strength to be provided by the battery 42 is thereby reduced. This also avoids an operating state of the battery 42 that is prone to degradation.
  • the automation device 10 is set up to carry out such a method 100, so that a service life of at least five years is achieved for the battery 42.
  • the operating behavior of the automation device 10 can be simulated by a computer program product 80, which includes a digital image of at least the energy supply system 40.
  • the operating behavior includes, for example, a charge level of the battery 42, a charge level of the capacitor 44 and/or a current intensity of the operating current 21.
  • the computer program product 80 is designed as a so-called digital twin and can be used to detect a defective component of the vehicle. tomato device 10 be designed suitably.
  • the computer program product 80 can, for example, be carried out on the evaluation unit 60, in particular accompanying the method 100.
  • FIG. 2 An automation system 70 with an automation device 10 according to a second embodiment of the invention is shown schematically in FIG. 2, wherein the automation device 10 can be designed as a sensor.
  • the automation device 10 includes application electronics 20, which can be designed as a measuring device that can have a radar emitter 22.
  • the application electronics 20 can record a measurement variable 24 present in an environment 25 of the automation device 10, to which corresponding measurement signals 23 can be generated.
  • the measurement signals 23 are generated in active operation of the automation device 10 and are passed to a control unit 50, which is designed as a microcontroller 51.
  • the control unit 50 is equipped with a program 52 which is designed to receive and process the measurement signals 23 .
  • the automation device 10 has a communication unit 30 which is connected to the control unit 50 via a communicative data connection 59.
  • the communication unit 30 is designed to establish a communicative data connection 35 with an evaluation unit 60, which, together with the automation device 10, belongs to an automation system 70.
  • the application electronics 20 and the communication unit 30 form, at least functionally, a consumer system 32.
  • the automation device 10 also has an energy supply system 40 which is connected to the consumer system 32, i.e. the application electronics 20 and the communication unit 30, via electrical lines 41. Diode-like components 26 are arranged on the lines 41 and prevent current peaks from acting on the battery 42 .
  • the energy supply system 40 is set up to provide electrical energy for this over a period of use to provide.
  • the power supply system 40 includes the control unit 50 and a battery 42, which is designed as a lithium thionyl chloride battery 47.
  • the control unit 50 is permanently supplied with electrical energy by the battery 42.
  • the battery 42 is further connected to a capacitor 44 via electrical lines 41 and a current limiting element 43.
  • a switch 46 which is designed as a field effect transistor 48, is attached between the capacitor 44 and the battery 42. The switch 46 can be actuated via control commands 55, which can be output by the control unit 50.
  • a method 100 can be carried out in which the automation device 10 is provided in a first step 110 in an operating state in which the capacitor 46 is at least partially charged.
  • a temperature 15 is detected by a temperature detection means 16, which is connected to the control unit 50.
  • the temperature detection means 16 is designed to detect a temperature 15 of the environment 25, the battery 42 and/or the capacitor 44.
  • the detected temperature 15 is transmitted to the control unit 50 as a temperature measurement value 17.
  • the switch 46 is actuated 45.
  • the switch 46 is closed in the second step 120 via a control command 55 when the detected temperature 15 falls below a threshold temperature 57.
  • an operating current 21, al- such as a current intensity that is to be provided by the energy supply system 40 in a pulsed operation of the application electronics 20 , the communication unit 40 and the control unit 50 .
  • Pulsed operation means an absence of active operation of the application electronics 20 and the communication unit 30.
  • the threshold temperature 57 is stored in the control unit 50.
  • the threshold temperature 57 can be specified by a user input, the evaluation unit 60, or can be determined automatically by the control unit 50.
  • the control unit 50 can be provided with data 54 about the battery 42, the capacitor 44 and/or the control unit 50 itself.
  • the data 54 can also include an expected temperature profile of the environment 25.
  • the threshold temperature 57 can be optimized with regard to a maximum service life of the battery 42, and thus of the automation device 10.
  • the duration of use is here understood to mean the time until the battery 42 is replaced, whether necessary or at least necessary.
  • a third step 130 can be carried out in the method 100.
  • the switch 46 is closed by means of a control command 55.
  • electrical energy is provided by the capacitor 44 to support the operation of the measuring device 20 and/or the communication unit 40.
  • the current strength to be provided by the battery 42 is thereby reduced. This also avoids an operating state of the battery 42 that is prone to degradation.
  • the automation device 10 is set up to carry out such a method 100, so that a service life of at least five years is achieved for the battery 42.
  • the operating behavior of the automation device 10 can be simulated by a computer program product 80, which includes a digital image of at least the energy supply system 40.
  • the operating behavior includes, for example, a charge level of the battery 42, a charge level of the capacitor 44 and/or a current intensity of the operating current 21.
  • the computer program product 80 is designed as a so-called digital twin and can be designed to detect a defective component of the automation device 10.
  • the computer program product 80 can, for example, be carried out on the evaluation unit 60, in particular accompanying the method 100.
  • FIG. 3 shows schematically a sequence of an embodiment of the claimed method 100, which can be carried out by means of a program 52 in a control unit 50 of a sensor 10.
  • the automation device 10 can be designed, for example, according to FIG. 1 or FIG. 2.
  • the method 100 is based on a first step 110 in which the sensor 57 is provided in a functional operating state in which a capacitor 44 belonging to the automation device 10 is at least partially charged.
  • the control unit 50 is also parameterized in the first step 110.
  • the parameterization of the control unit 50 includes that a threshold temperature 57 is stored in the control unit 50.
  • the first step 110 is followed by a third step 130, in which the control unit 50 detects whether active operation of the automation device 10 is present or imminent.
  • Active operation means that an application electronics 20 of the automation device 10 is operated, for example in order to record a measured variable 24.
  • active operation means, for example, a transmission operation of a communication unit 30 of the automation device 10.
  • a branch 135 results in method 100. If active operation of the automation device 10 is present or imminent, the method 100 is continued by actuating 45 a switch 46, as symbolized on the right in FIG.
  • the switch 46 is activated by a control command 55 is closed by the control unit 50, so that the operation of the communication unit 30 and/or the measuring device 20 is supported by the capacitor 44.
  • a battery 42 designed as a lithium thionyl chloride battery 47 is supported, which can be connected to the battery 42 via the switch 46.
  • a fourth step 140 follows, in which the capacitor 44 is recharged. If the capacitor 44 has a sufficient state of charge, the switch 46 is opened again by actuating 45 in order to maintain the current state of charge.
  • the method 100 follows a different path at the branch 135, in which a second step 120 is carried out.
  • a temperature 15 that is relevant to the operation of the battery 42 is detected by a temperature detection means 16.
  • an adjustment with the threshold temperature 57 is carried out, which leads to a branch 125 of the method 100 in the second step 120. If the detected temperature 15 is higher than the threshold temperature 57, the switch 46 is actuated 45 by means of a control command 55 from the control unit 50, by which the switch 46 is opened. This is shown on the left in FIG. 3.
  • the switch 46 If the switch 46 is already open, the corresponding control command 55 for opening the switch 46 is ineffective, so that the current position of the switch 46 remains unchanged. Since the temperature 15 is above the threshold temperature 57, low-degradation operation of the battery 42 is possible in the case outlined. A support of the battery 42 by the capacitor 44 is not required.
  • the switch 46 closes. To actuate 45 the switch 46 A control command 55 is issued by the control unit 50.
  • the operation of the battery 42 is supported by the closed switch 46. At a temperature 15 that is lower than the threshold temperature 57, the operation of the battery 42 is more prone to degradation, the higher the current strength to be provided by the battery 42, i.e. an operating current 21, is.
  • Closing switch 46 appropriately connects capacitor 44 to battery 42 . Accordingly, the capacitor 44 is discharged, thereby supporting the battery 42.
  • the fourth step 140 can be carried out in a coordinated manner with a view to planned later operation. After the fourth step 140 or In the third step 140 there is a return 190 in which the method 100 returns to the first step 110.
  • a computer program product 80 is executed, which is connected to the control unit 50 via a communicative data connection 35.
  • the computer program product 80 is a so-called digital twin and is designed to simulate the operating behavior of the sensor 10 during the method 100 .
  • the computer program product 80 includes a digital image 82 of at least one energy supply system 40 of the sensor 10.
  • the computer program product 80 can be carried out with reduced computing power and allows real-time monitoring of the sensor 10.

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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

Beschreibung
Automatisierungsgerät mit verbessertem Energieversorgungssystem, Betriebsverfahren für das Automatisierungsgerät , Steuereinheit und Computerprogrammprodukt
Die Erfindung betri f ft ein Automatisierungsgerät , das über ein verbessertes Energieversorgungssystem verfügt . Ebenso betri f ft die Erfindung ein Betriebsverfahren für ein derartiges Automatisierungsgerät . Die Erfindung betri f ft auch eine entsprechend ausgebildete Steuereinheit und ein Computerprogrammprodukt zum Simulieren des Betriebsverhaltens eines solchen Automatisierungsgeräts .
Die Patentschri ft US 9 , 627 , 908 B2 of fenbart 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 of fenbart 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 kostenef fi zienten Betrieb werden deshalb langlebige und gleichzeitig kostengünstige Batterien gefordert . Ebenso bestehen steigende Anforderungen an die Kompaktheit solcher Automatisierungsgeräte . Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrun- de , 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 . Insbesondere kann das Automatisierungsgerät als Industrie-Automatisierungsgerät 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 erfordern- ehe 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 kostenef fi zient .
In einer Aus führungs form 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 Betriebs zustand des Automatisierungsgeräts zu verstehen, beispielsweise bei einem gepulsten Betrieb der Kommunikationseinheit . Die Leistungs fähigkeit der Batterie , beispielsweise deren maximal bereitstellbarer Energieinhalt , ist umso geringer, j e 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, j e 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 Ein- satzdauer 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 ski z zierten 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 Wartungs zeitpunkt vorherzusagen, zu dem die Batterie aus zutauschen 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 ef fizient eingesetzt .
In einer weiteren Aus führungs form 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 Feldef fekttransistor, 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 Mobil funk-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 Viel zahl an Anwendungen praktikabel oder zumindest kostenef fi zienter .
Des Weiteren kann das beanspruchte Automatisierungsgerät ausschließlich durch das Energieversorgungssystem mit elektri- scher 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 explosions fähigen 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 auf ladbar . Eine als wiederaufladbare Batterie ausgebildete Batterie ist ferner durch die fluktuierende externe Energiequelle auf ladbar .
In einer weiteren Aus führungs form 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 signi fikant 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 Viel zahl an Messprinzipien verwirklichen . Folglich ist das beanspruchte Automatisierungsgerät an eine Viel zahl 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 Betriebs zustand bereitgestellt wird, in dem der Kondensator zumindest teilweise auf geladen ist . Ebenso sind alle Komponenten des Automatisierungsgeräts in diesem Betriebs zustand funktionstüchtig . Es folgt ein zweiter Schritt , in dem ein Erfassen einer Temperatur und ein Schließen 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 Öf fnen 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 Mobil funk- 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 aus zutauschen ist , zu verlängern . Das Verfahren kommt mit einem Minimum an einfachen Bauteilen aus und ist kostenef fi zient umsetzbar . Automatisierungsgeräte mit Funkkommunikationseinheit werden somit für eine Viel zahl an Anwendungs fällen, insbesondere in der Anlagenautomatisierung, praxis taug lieh . Gemäß einer Aus führungs form des beanspruchten Verfahrens kann das Automatisierungsgerät nach zumindest einer der oben dargelegten Aus führungs formen 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 Wartungs zeitpunkt vorherzusagen, zu dem die Batterie aus zutauschen ist . Das Vorhersagen des Wartungs zeitpunkt 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 Aus führen 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 ski z zierten Aus führungs formen 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 Temperatur- Verlaufs 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 prognosti zierbar . Insbesondere ist ein bevorstehender Wartungsvorgang, beispielsweise ein Austausch der Batterie , genauer prognosti zierbar . 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 Echt zeit fähigkeit bieten, beispielsweise für eine Echtzeit- Überwachung eines simulierten Automatisierungsgeräts . Nähere Anforderungen, die die Echt zeit fähigkeit 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 Druckschri ft US 2017 /286572 Al beschrieben . Der Of fenbarungsgehalt von US 2017 /286572 Al wird durch Verweisung in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen . Das Computerprogrammprodukt kann monolithisch ausgebildet sein, also vollständig auf einer Hardwareplattform aus führbar . Alternativ kann das Computerprogrammprodukt modular ausgebildet sein und eine Mehrzahl an Teilprogrammen umfassen, die auf separaten Hardwareplattformen aus führbar 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 Aus führungsformen in Figuren näher erläutert . Die Figuren sind insoweit in gegenseitiger Ergänzung zu lesen, dass gleiche Bezugs zeichen in unterschiedlichen Figuren die gleiche technische Bedeutung haben . Die Merkmale der einzelnen Aus führungs formen sind untereinander auch kombinierbar . Ferner sind die in den Figuren gezeigten Aus führungs formen mit den oben ski z zierten Merkmalen kombinierbar . Es zeigen im Einzelnen :
FIG 1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems mit einer ersten Aus führungs form des beanspruchten Sensors ;
FIG 2 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems mit einer zweiten Aus führungs form des beanspruchten Sensors ; FIG 3 schematisch einen Ablauf einer Aus führungs form des beanspruchten Verfahrens .
In FIG 1 ist eine Automatisierungssystem 70 dargestellt , das mit einem Automatisierungsgerät 10 gemäß einer ersten Aus führungs form 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 an- geordnet , 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 Feldef fekttransistor 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 aus führbar, bei dem das Automatisierungsgerät 10 in einem ersten Schritt 110 in einem Betriebs zustand bereitgestellt wird, in dem der Kondensator 46 zumindest teilweise geladen ist . Ein derartiger Betriebs zustand liegt in FIG 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 degradationsträch- tiger 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 geöf fnet , 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 Betriebs zustand 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 Au- tomatisierungsgeräts 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 Aus führungs form der Erfindung ist in FIG 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 Feldef fekttransistor 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 aus führbar, bei dem das Automatisierungsgerät 10 in einem ersten Schritt 110 in einem Betriebs zustand bereitgestellt wird, in dem der Kondensator 46 zumindest teilweise geladen ist . Ein derartiger Betriebs zustand liegt in FIG 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 degradationsträch- tiger 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 geöf fnet , 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 , al- so 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 Betriebs zustand 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 .
FIG 3 zeigt schematisch einen Ablauf einer Aus führungs form des beanspruchten Verfahrens 100 , das mittels eines Programms 52 in einer Steuereinheit 50 eines Sensors 10 durchführbar ist . Das Automatisierungsgerät 10 kann beispielsweise gemäß FIG 1 oder FIG 2 ausgebildet sein . Das Verfahren 100 geht von einem ersten Schritt 110 aus , in dem Der Sensor 57 in einem funktionstüchtigen Betriebs zustand bereitgestellt wird, in dem ein zum Automatisierungsgerät 10 gehöriger Kondensator 44 zumindest teilweise auf geladen ist . Ebenso ist im ersten Schritt 110 die Steuereinheit 50 parametriert . Die Paramet- rierung 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 FIG 3 rechts versinnbildlicht . Wenn der Aktivbetrieb des Automatisierungsgeräts 10 vorliegt , wird der Schalter 46 durch einen Steuer- befehl 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 geöf fnet , 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 geöf fnet wird . Dies ist FIG 3 links dargestellt . Sollte der Schalter 46 bereits geöf fnet sein, ist der entsprechende Steuerbefehl 55 zum Öf fnen 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 ski z zierten 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 Schließen 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 , j e 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 Echt Zeitüberwachung des Sensors 10 .

Claims

Patentansprüche
1. 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) ausgebildet ist .
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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 pA 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Verfahren (100) zum Betreiben eines Automatisierungsgeräts (10) , das eine Applikationselektronik (20) , eine Kommunikationseinheit (30) und ein Energieversorgungssystem (40) zum Betreiben der Messvorrichtung (20) umfasst, wobei das Energieversorgungssystem (40) eine Batterie (42) aufweist, die als Lithium-Thionylchlorid-Batterie ausgebildet ist und einen Kondensator (44) , wobei die Batterie (42) und der Kondensator (44) 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.
11. Verfahren (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Automatisierungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
12. Verfahren (100) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) zeitgesteuert oder ereignisgesteuert durchgeführt wird.
13. 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.
14. 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.
PCT/EP2023/056874 2022-03-21 2023-03-17 Automatisierungsgerät mit verbessertem energieversorgungssystem, betriebsverfahren für das automatisierungsgerät, steuereinheit und computerprogrammprodukt WO2023180198A1 (de)

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