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Die Erfindung betrifft eine Bedieneinheit mit einem Energiespeicher für ein Feldgerät aus der Prozessmesstechnik gemäß Anspruch 1 sowie ein zugehöriges Feldgerät gemäß Anspruch 6.
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Feldgeräte sind ein wichtiger Bestandteil der Prozessautomatisierung in der Industrie, wo sie sie zum einen als optische, induktive oder kapazitive Näherungsschalter, und zum anderen in der Prozessmesstechnik zur Messung von Druck, Temperatur, Füllstand oder Durchfluss eingesetzt werden. Naturgemäß sind diese Messstellen in einer Anlage oft an schwer zugänglichen Orten im Feld verteilt, wobei die Anlagensteuerung über Feldbusse und neuerdings auch über die im Folgenden näher beschriebenen Industriekommunikations- Verbindungen mit den Feldgeräten kommuniziert.
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Die Industriekommunikation ist ein automatisiertes Kommunikationssystem, in das sowohl Sensoren als auch Aktoren integriert sein können.
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Ein Industriekommunikations-System arbeitet gemäß einer durch die Norm (IEC 61131-9) standardisierten Kommunikation, und wird dort mit SDCI (Single drop digital Communication Interface) bezeichnet. Es besteht aus einer Steuereinheit, dem Industriekommunikations-Master, und einem als Industriekommunikations-Device bezeichneten Feldgerät. Im Gegensatz zu den Feldbussen handelt es sich hier um eine Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle für den Anschluss beliebiger Sensoren oder Aktoren an ein Steuerungssystem (SPS) über eine Parallelverdrahtung. Neuerdings werden Industriekommunikations-Systeme auch zur Diagnose bzw. Maintenance-Planung eingesetzt. Die Kommunikation basiert auf dem üblichen 3-Leiter-Anschluss-Verfahren. Zusätzliches Kabelmaterial ist also nicht erforderlich.
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Die Industriekommunikation eignet sich sowohl für binäre als auch für analoge Sensoren und Aktuatoren. Der Unterschied zwischen Industriekommunikations-Sensoren und Standard-Sensoren liegt in der Kombination des Standard-Ausgangskanals mit einem zusätzlichen Datenkanal. So können vorhandene Anschlussleitungen auch für Industriekommunikations-Sensoren (Geräte) verwendet werden.
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Industriekommunikations-Sensoren beherrschen drei Arten der Kommunikation:
- - Binär, wie herkömmliche Sensoren,
- - Digitale Übermittlung von Messwerten und
- - Übertragung von Geräteparametern und Diagnosedaten.
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Die
DE 10 2016 221 662 B4 der Anmelderin offenbart einen Adapter zur Steuerung eines Feldgeräts über ein IO-Link-System, wobei das IO-Link-System eine nach der IEC 61131-9 arbeitende Ausgestaltung der betrachteten Industriekommunikations-Systeme darstellt.
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Die
DE 10 2016 217 706 B4 der Anmelderin beschreibt eine Zwischeneinheit für das IO-Link-System zur bidirektionalen Datenübertragung über längere Strecken. Sie besteht aus einem Sekundär-Master und einem generischen (IO-Link-) Device, wobei das generische Device erst auf Anfragen antwortet, wenn Inforationen vom (Sensor-) Device vorliegen.
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Die
EP 2 256 566 B1 beschreibt ein Feldgerät mit einer Steuereinrichtung und ein Verfahren zu dessen Steuerung. Die Steuereinheit ist zum wahlweisen Einnehmen eines Arbeitsmodus und eines Schlafmodus ausgeführt, wobei die Steuereinheit vor dem Einnehmen des Schlafmodus ein Deaktivierungssignal an die Überwachungseinheit sendet, und die Überwachungseinheit dazu ausgeführt ist, die Steuereinheit nach dem Empfang eines Aktivierungssignals wieder in den Arbeitsmodus zu bringen.
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Die
EP 3 598 078 A1 lehrt, ein Feldgerät energiesparend zu betreiben, d. h. nicht benötigte Verbraucher abzuschalten. Zu diesem Zweck ist ein gesteuerter Stromspeicher vorhanden.
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Die
EP 3 598 079 A1 offenbart ein batteriebetriebenes Feldgerät mit einem Energiespeicher, der mit einer Steuereinheit verbunden ist. Das Feldgerät weist Verbraucher auf, die über einen steuerbaren Schalter mit dem Energiespeicher verbunden sind, so dass sie alle stromlos geschaltet werden können. In einer Ausführungsform werden nur bestimmte Komponenten mit Strom versorgt, und andere in einem Sleep-Modus gehalten. Weiterhin wird eine Konsole vorgeschlagen, welche zur Wartung an das Feldgerät angesteckt, und zum Update von Software genutzt werden kann. Die Konsole kann auch für eine Verbindung mit dem Energiespeicher eingerichtet sein, und eine Stromversorgung beinhalten, die geeignet ist, einen wieder aufladbaren Energiespeicher des Feldgeräts aufzuladen.
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Der Nachteil des Standes der Technik wird zum einen darin gesehen, dass bei einer Störung in der Stromversorgung der aktuelle Prozesswert nicht ohne weiteres ausgelesen werden kann. Zum anderen fehlt eine effiziente Möglichkeit, Feldgeräte an schwer erreichbaren Positionen bei einem Stromausfall manuell zu bedienen. Gesucht wird ein bei Stromausfall flexibel einsetzbares Tool zur Unterstützung des Servicepersonals.
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Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Dabei sollte dem Servicepersonal ermöglicht werden, flexibler und effizienter auf Störungen in der Stromversorgung zu reagieren. Insbesondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, Feldgeräte an schwer erreichbaren Positionen manuell zu bedienen, um beispielsweise den aktuellen bzw. letzten Prozesswert auszulesen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen 1 und 6 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnungen.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, eine zwischen einem Feldgerät und dessen Versorgungseinheit anzuordnende, im Folgenden als Power-Box bezeichnete Bedieneinheit zu schaffen, die dazu geeignet ist, eine Unterspannung am Feldgerät zu erkennen und bei Stromausfall oder auch nur bei Unterspannung das Feldgerät in einen Stromsparmodus zu versetzen und wieder daraus aufzuwecken, wobei das Feldgerät im Stromsparmodus aus der Power-Box mit Strom versorgt wird, und wobei der aktuelle (letzte) Prozesswert angezeigt oder ausgelesen werden kann.
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Wie sich herausgestellt hat, bietet die oben genannte Industriekommunikations-Verbindung eine bisher nicht realisierbare Möglichkeit, eine Power-Box mit einem Akku-Pack und einer einfachen flexiblen Kommunikationsschnittstelle zu einem Feldgerät (Sensor)zu schaffen
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist die Power-Box eine Bedientaste auf, die einen Industriekommunikations-Befehl für das Feldgerät auslöst, und das Feldgerät zur Anzeige eines Prozesswerts, vorzugsweise des letzten bzw. des aktuellen, veranlasst.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung kann die Power-Box dazu ausgebildet sein, eine geeignete Bedientaste des Feldgeräts abzufragen, und das Feldgerät damit zur Anzeige eines gewünschten Prozesswerts zu veranlassen.
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In einer dritten vorteilhaften Ausgestaltung weist die Power-Box ein Display zur Anzeige des oben genannten Prozesswertes auf.
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Es versteht sich, dass die Verwendung der erfindungsgemäßen eben beschriebenen Power-Box ein Industriekommunikations-fähiges Feldgerät (Industriekommunikations-Device), erfordert, welches in der gewünschten Weise zu programmieren ist. Insbesondere muss das Feldgerät dazu ausgebildet sein, auf einen Industriekommunikations-Befehl in einen Stromsparmodus (Sleep-Modus) überzugehen, wobei das Feldgerät in einen Zustand versetzt wird, bei dem lediglich zur Anzeige des letzten Prozesswerts erforderlichen Baugruppen mit Strom versorgt werden. Das Aufwecken kann die Power-Box natürlich auch über einen Power-Down Befehl des Feldgeräts/Device erzwingen. Dann startet der Sensor einfach neu.
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Die erfindungsgemäße Power-Box besteht also im Wesentlichen aus einem Akku-Pack mit einer Industriekommunikations-fähiger Schnittstelle zum Sensor. Die Power-Box versorgt den angeschlossenen Sensor bei Stromausfall oder Unterspannung und kommandiert diesen in einen Stromspar Modus. Aus diesem Stromspar Modus wacht der Sensor auf, wenn die Versorgungsspannung wieder verfügbar ist. In diesem Fall geht er in seinen Normalzustand über.
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Nach Rückkehr der Stromversorgung aus der übergeordneten (speicherprogrammierbaren) Steuerung (SPS), einer Unterbaugruppe wie einem Industriekommunikations-Master Gateway oder einem Netzteil wird die Zeit des Ausfalls und der Ladezustand der Akkus an die Steuerung gemeldet. Damit kann entweder eine Wartung eingeleitet oder die zukünftige Verfügbarkeit vorhergesagt werden.
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Im Stromspar-Modus bleibt die Anzeige dunkel, bis eine Taste gedrückt wird. Dann zeigt sie den Prozesswert nur für einige Sekunden an. (Vergleichbar mit einer Display Off Funktion.)
Das macht eine Wartung an der Maschine oder Industrieanlage möglich, da selbst bei einem Stromausfall der Prozesswert noch sicher angezeigt werden kann.
Außerdem ist es möglich, den Sensor über einen Taster oder einen Kommunikations-Befehl über die Power-Box aufzuwecken. So ist es möglich, einen nur schwer oder im Extremfall überhaupt nicht erreichbaren Sensor (zum Beispiel auf einem Tank) zu aktivieren.
Das erhöht die Betriebsbereitschaft und reduziert die notwendige Kapazität der Akkus, was den Einsatz von wartungsfreien Ultra Kondensatoren (Super Caps, Gold Caps etc.) erlaubt.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt die elektronische Schaltung der Power-Box in einer vereinfachten Darstellung,
- 2 zeigt die zwischen einem Feldgerät und der Stromversorgung angeordnete Power-Box.
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Die 1 beschreibt eine vereinfacht dargestellte elektronische Schaltung der Power-Box. Sie weist einen Energiespeicher 1, einem ersten Anschluss 2, einem zweiten Anschluss 3 und einer Steuereinheit 4 auf, wobei der erste Anschluss 2 zur Verbindung mit einem Feldgerät 5 und zu dessen Stromversorgung, und der zweite Anschluss 3 zur Verbindung mit einer Versorgungseinheit 6 dient ist. Weiterhin ist eine mit communcation module bezeichnete Industriekommunikations-Schnittstelle 7 vorhanden.
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Wenn die Versorgung unter einen Schwellwert sinkt, (z.B. auf 18 V, siehe Spezifikation der Industriekommunikation), wird mit einem Regler (z.B. ein Aufwärtswandler) aus einem angeschlossenen Energiespeicher, Akku oder Kondensator 1 elektrische Energie für das Feldgerät 5 zur Verfügung gestellt. Dabei wird die Stromversorgung eines hier nicht explizit dargestellten Feldgerätes 5 während des Stromausfalls sichergestellt.
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Eine mit supply (circuit) bezeichnete Einheit stellt die Stromversorgung der Steuereinheit 4 (control unit) sicher. Diese übernimmt die Steuerung eines mit Charge control & converter bezeichneten Reglers und der KommunikationsSchnittstelle 7 (communication module).
Außerdem wird die Eingangsspannung permanent überwacht.
Der Ladezustand des Energiespeichers 1 (C1) wird ebenfalls mit der control unit erfasst und bei einem verfügbaren Industriekommunikations-Master-Gateway, einer SPS, oder einer anderen übergeordneten Steuereinheit, an diese übermittelt. Damit kann bei Bedarf eine Wartung durchgeführt, oder eine mögliche Überbrückungszeit berechnet werden.
Um den Energiespeicher 1 zu laden enthält die charge control eine geeignete Ladeschaltung, die bei vorhandener Stromversorgung den Energiespeicher 1 auffüllt.
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Die Industriekommunikations-Schnittstelle 7 (comunication module) stellt eine bidirektionale Verbindung zwischen dem Feldgerät 5 und einer übergeordneten Steuerung, wie einer SPS her. Bei vorhandener Versorgungsspannung ist diese transparent und gibt die Befehle zum und vom Feldgerät 5 einfach weiter. Der AUX-Anschluss kann zur Durchleitung von analogen Signalen vom (und zum) angeschossenen Feldgerät (Device) 5 verwendet werden.
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Im Unterspannungsfall kommandiert die Power-Box das Feldgerät 5 in einen Sleep-Modus, wobei das Feldgerät 5 seinen Strombedarf auf ein Mindestmaß reduziert. Trotzdem soll es statt im Bereich der für das hier als Beispiel betrachtete IO-Link-System üblichen Zykluszeit von 0,4 bis 132 Millisekunden in größeren Abständen wie z. B. alle 3...30s, seinen extra dafür ausgerüsteten IO-Link Receiver einschalten und bei Bedarf den Prozesswert ermitteln. Dies erhöht die Zeit, während der ein Stromausfall überbrückt werden kann erheblich. Hierzu ist jedoch ein IO-Link Receiver erforderlich, der die IO-Link Kommunikation versteht, aber größerer Zykluszeiten zulässt, weil ein normgerechter IO-Link-Master bei mehr als 132 Millisekunden einen Kommunikations-Fehler melden würde.
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Dazu ist eine Software-Anpassung des Feldgerätes erforderlich, denn IO-Link-Devices sind so ausgelegt, dass wenn die Kommunikation abreißt, weil der Zyklus vom Master nicht eingehalten wird, es zwar im Kommunikationsmodus bleibt, es aber zu Fehlermeldungen kommen kann. Somit ist eine spezielle Version erforderlich, die nicht dem IO-Link Standard folgt und damit eine größere Zykluszeit zulässt. Wenn das alles nicht gewünscht wird, kann auch ein Standard-Feldgerät hier angeschlossen werden. Dann dient die Power-Box lediglich als USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung).
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Die 2 zeigt die zwischen Feldgerät 5 und Stromversorgung 6 angeordnete Power-Box. Dargestellt ist eine IO-Link-Verbindung, die hier als Industriekommunikations-Verbindung wirkt. Eine zur Erläuterung nicht unbedingt erforderliche übergeordnete Steuereinheit (SPS) kann an die mit SPS bezeichnete Leitung angeschlossen werden. Sie würde hier als Master-Gateway der Industriekommunikation, in diesen Fall als IO-Link-Master fungieren.
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Wie oben bereits detaillierter gezeigt, weist die Power-Box neben dem Energiespeicher 1 einen ersten Anschluss 2, einen zweiten Anschluss 3 und eine Steuereinheit 4 auf. Der erste Anschluss 2 dient zur Verbindung mit einem Feldgerät 5 und zu dessen Stromversorgung. Der zweite Anschluss 3 dient zur Verbindung mit einer (Strom-) Versorgungseinheit 6, die im Regelfall zu einer übergeordneten Steuereinheit (SPS) gehört. Weiterhin ist eine als IO-Link ausgeführte Industriekommunikations-Schnittstelle 7 zur bidirektionalen Kommunikation vorhanden.
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Darüber hinaus ist eine Bedientaste 8 zur manuellen Eingabe von Steuerbefehlen, für die Bedieneinheit und damit auch für das Feldgerät 5 dargestellt. Beispielsweise kann die Taste 8 zum Auslösen eines Messzykluss on demand, ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das automatisch zeitgesteuert, z. B. alle 2 Minuten erfolgen, wobei der Prozesswert (Messwert) immer für 30 s angezeigt wird, wobei die Zeiten selbstverständlich an die Applikation durch Parameter angepasst werden können.
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Ein Display 9 kann sowohl zur Information des Servicepersonals als auch erfindungsgemäß zur Anzeige mindestens eines Prozesswerts dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeicher
- 2
- Erster Anschluss
- 3
- Zweiter Anschluss
- 4
- Steuereinheit
- 5
- Feldgerät
- 6
- Versorgungseinheit
- 7
- Industriekommunikations-Schnittstelle (z. B. IO-Link-Schnittstelle)
- 8
- Bedientaste
- 9
- Display
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016221662 B4 [0007]
- DE 102016217706 B4 [0008]
- EP 2256566 B1 [0009]
- EP 3598078 A1 [0010]
- EP 3598079 A1 [0011]