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WO2018184766A1 - Power over ethernet-basiertes feldgerät der automatisierungstechnik - Google Patents

Power over ethernet-basiertes feldgerät der automatisierungstechnik Download PDF

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Publication number
WO2018184766A1
WO2018184766A1 PCT/EP2018/054928 EP2018054928W WO2018184766A1 WO 2018184766 A1 WO2018184766 A1 WO 2018184766A1 EP 2018054928 W EP2018054928 W EP 2018054928W WO 2018184766 A1 WO2018184766 A1 WO 2018184766A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
field device
ethernet
connection
power over
field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/054928
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Paul
Harald SCHÄUBLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of WO2018184766A1 publication Critical patent/WO2018184766A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/02—Details
    • H04L12/10—Current supply arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/40006—Architecture of a communication node
    • H04L12/40045—Details regarding the feeding of energy to the node from the bus
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40208—Bus networks characterized by the use of a particular bus standard
    • H04L2012/40221—Profibus
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/4026—Bus for use in automation systems

Definitions

  • Level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc. which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity.
  • actuators such as valves or pumps, are used to control the flow of a liquid in a single fluid
  • Pipe section or the level can be changed in a container.
  • field devices are all devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information. In the context of the invention, field devices are therefore in particular also remote I / Os,
  • Radio adapter or generally understood devices that are arranged on the field level.
  • Power over Ethernet designates a possibility with which networkable devices are also supplied with power via the Ethernet cable.
  • PoE Power over Ethernet
  • Automation systems still two- or four-wire field devices, which are connected via a two- or four-wire wiring with each other and at least one parent unit, for example.
  • a control unit PLC common.
  • the two- or four-wire field devices known from the prior art are designed such that the measured value communicates in an analog manner via the two-wire wiring or the two-wire line, i. is transmitted.
  • the transmission is usually based on the 4 to 20 mA standard.
  • Automation technology common field bus with each other and at least one parent unit are connected.
  • the bus-powered field devices known from the prior art are designed such that the measured value is communicated digitally via the fieldbus. Since usually the wiring of such an automation system, especially in the case that is to be switched from two- or four-wire field devices or bus-powered field devices on Power over Ethernet based field devices, a significant cost, it is desirable that a high cabling effort is avoided.
  • Cabling overhead can be converted to Pover over Ethernet-based field devices.
  • a power over Ethernet-based field device of automation technology comprising:
  • a sensor and / or actuator for determining and / or setting a process variable
  • an Ethernet connection arranged on the field device housing for connecting the field device to an Ethernet-based network, so that the field device can be supplied with energy via the Ethernet connection and can exchange data with the network;
  • a field device electronics is adapted to provide the at least one further field device connection with energy, so that a connected to the other field device connection further field device can be supplied with energy and further set up is, data with the other field device
  • the invention use is made of the fact that when powering a field device at a measuring point by means of Power-Over-Ethernet, a power of 3.84 W is already available in the smallest class at the terminal, ie the field device. This power is not completely required by the field device of the measuring point itself, so that it is possible according to the invention to supply at least one further field device, which is correspondingly connected to the field device fed by means of Power Over Ethernet, with energy.
  • the Power Over Ethernet based field device is included according to the invention arranged such that it communicates data, in particular measured values, with the connected field device, process them and can pass on accordingly. In this way, a step-by-step conversion of the existing automation systems to Power over Ethernet can take place without great initial costs and with minimal wiring effort.
  • the at least one further field device connection is set up so that at least one field device, which is configured to transmit at least one measured value digitally, can be connected as a further field device and the field device electronics are furthermore configured such that the at least one connected to the further field device terminal field device, which is adapted to transmit at least one measured value digitally, is supplied with energy and that data between the Ethernet-based network and the at least one field device can be communicated.
  • the field device electronics are furthermore configured such that the at least one connected to the further field device terminal field device, which is adapted to transmit at least one measured value digitally, is supplied with energy and that data between the Ethernet-based network and the at least one field device can be communicated.
  • the field device electronics to be set up such that the at least one field device, which is set up to transmit at least one measured value digitally, can transmit the at least one measured value according to one of the following protocols:
  • HART protocol which preferably provides a multidrop mode, a Profibus PA protocol, or
  • the at least one further field device connection is set up as a further field device, a field device, which is adapted to transmit at least one measured value analog, connectable and the field device electronics is further adapted to that on field device connectable to the field device field device, which is adapted to transmit at least one measured value analog, according to an analog 4 to 20-mA standard can be supplied with energy and that data with the at the other
  • Field device connection connectable field device according to the 4 to 20 mA standards are communicable.
  • the object is also according to the invention by a system of
  • Automation technology solved comprising an automation system with at least: an Ethernet-based network;
  • a Power over Ethernet cable that connects the Ethernet-based network to the Power over Ethernet-based field device via the Ethernet port; and at least one further non-Power over Ethernet-based field device, wherein the further field device is connected to the further supplying field device connection of the Power over Ethernet-based field device, so that the further supplying field device connection supplies the further field device with energy and further serves that the further Power over Ethernet-based field device data can not communicate with the Ethernet-based network through the Power over Ethernet-based field device.
  • the at least one further field device is designed as a field device, which is set up to transmit at least one measured value digitally
  • the system further comprises a field bus, which is at least the field device which is set up. to transmit at least one measured value digitally connected to the further supplying field device connection of the Power over Ethernet-based field device
  • the field device electronics is further configured to supply the field device connected to the field device connection with energy and data connected to the field device connected to the field device to communicate over the fieldbus according to a bus protocol.
  • the development may further comprise a plurality of field devices, which are each configured to transmit at least one measured value, which are connected via the fieldbus to the Power over Ethernet-based field device, wherein the field device electronics is further adapted to the multiple field devices with energy to supply and communicate data with the several other field devices according to the bus protocol.
  • the development can very particularly preferably provide that the fieldbus is designed as a HART fieldbus, a Profibus PA or an FF and the further field device or the further field devices is or are configured to have the at least one measured value corresponding to the
  • the further field device is designed as a field device which is set up to transmit at least one measured value analogously and the system further comprises a two-wire connection, which includes the further field device with the further supplying field device connection of the Power over Ethernet -based field device connects, wherein the field device electronics is further configured to provide the field device connected to the field device via the two-wire connection according to a 4 to 20-mA standard with power and data to the other field device according to the 4 to 20-mA standard communicate.
  • Fig. 1 a an example of a known from the prior art
  • Fig. 1 b an example of a known from the prior art
  • FIG. 2 a shows an example of a design of an automation system with Power-over-Ethernet-based field devices
  • FIG. 2 b shows an example of a configuration of an automation system with Ethernet-based field devices, which are supplied with energy via their own energy supply unit
  • FIG. 2 a shows an example of a design of an automation system with Power-over-Ethernet-based field devices
  • FIG. 2 b shows an example of a configuration of an automation system with Ethernet-based field devices, which are supplied with energy via their own energy supply unit
  • FIG. 3 is a schematic representation of a first embodiment of a power over Ethernet-based field device according to the invention.
  • Fig. 4 an automation system with a hazardous area and a non-hazardous area in which the power over Ethernet-based field device according to the invention is preferably used.
  • Figure 1 a shows an example of a known from the prior art
  • Automation system in which the field devices 20 and 30 of the individual measuring points via a two-wire line 21 to a parent unit 10, for example.
  • a programmable logic controller (short: PLC) are connected.
  • the automation system shown may refer to measuring or monitoring a level of a tank and includes two two-wire field devices 20, the first two-wire field device 20, the level by radar and the second field device 20, the temperature of the medium to calculate a normal volume measures .
  • the two two-wire field devices 20 are connected to the PLC 10 via a two-wire line 21 for this purpose, both to transmit data, in particular the measured value, as well as to be supplied with energy.
  • the two-wire field devices 20 are designed to communicate the data in such a way that they convert the data into an analog current signal, for example the analogue 4 ... 20 mA current signal common in automation technology, and vice versa.
  • the communication between the two-wire field devices 20 and the PLC 10 is then via the analog 4 ... 20 mA current signal.
  • the data is transmitted by Frequency Shift Keying (FSK) by superimposing a high-frequency oscillation on the low-frequency analog current signal.
  • FSK Frequency Shift Keying
  • each field device 30 is connected via a two-wire connection 21 to the parent unit 10.
  • HART also allows a digital communication to multiple field devices 30 via a common data bus or field bus 31.
  • 1 b shows an example of such a structure of an automation system, in which the field devices 30 of the individual
  • Measuring points are connected via a common fieldbus 31 to the parent unit 10.
  • the HART specification provides a so-called multidrop operation.
  • multidrop operation the superordinated unit 10, for example the
  • the current for operating the fieldbus 31 connected to the field devices 30 available by impressing a current of 4 mA on the field bus 31 for feeding and each parallel to the fieldbus connected field device 30 is set up such that it data with about +/- 0.5 mA modulated onto the impressed current for HART communication.
  • Automation system substantially corresponds to the structure shown in Fig. 1 b.
  • FIG. 2 a shows by way of example a basic structure of an automation system with Power-over-Ethernet-based field devices.
  • all field devices 40 used with the higher-level unit 10 for example, a PoE switch, respectively via a
  • Ethernet-based field devices 50 are used with switching functionality without Power over Ethernet, each having its own power supply 52, eg. A power supply , (Fig. 2b).
  • a power supply e. A power supply
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a Power over Ethernet-based field device 60 according to the invention.
  • the field device 60 has a field device housing 61, depending on the configuration, a sensor and / or an actuator 62, an Ethernet connection 63, which is arranged on the field device housing 61 is and a field device electronics 65, which controls the sensor and / or actuator 62 and controls the provided by the field device 60 provided functionality on.
  • the field device 60 has at least one further field device connection 64, which is likewise arranged on the field device housing 61.
  • the at least one further field device connection is designed in such a way and connected to the field device electronics, that a further field device 20 or 30 connected to the further field device connection can be supplied with energy.
  • the field device electronics 65 of the field device according to the invention is designed for this purpose such that the energy in the PoE-based field device 60 via the
  • Ethernet port 63 is provided, in part, the at least one other
  • Field device 20 or 30 is available when it is connected to the other field device port 64. Furthermore, the field device electronics 65 are set up so that data can be communicated between the Ethernet connection 63 of the PoE-based field device 60 and the at least one field device 20 or 30 connected to the further field device connection 64, so that the PoE-based field device as it were
  • the at least one further field device connection 64 either an ordinary two-wire field device 20, as shown in FIG. 1a and described accordingly, or a bus-fed field device 30, as shown in FIG is described accordingly connected. Furthermore, a number of bus-fed field devices 30 can also be connected to the further field device connection 64
  • Field device branch of an existing automation system can be connected.
  • the field device electronics 65 are configured so that the bus-powered field devices 30 connected in series can communicate their respective data with the PoE-based field device 60 via a corresponding Ethernet tunnel. In this way, the implementation effort at the system level or
  • Automation system with bus-powered field devices can be additionally facilitated.
  • the PoE-based field device 60 has a plurality of further field device connections 64 which are arranged on the field device housing 61, so that a plurality of further field devices 20 and 30 can be connected.
  • the PoE-based field device 60 may be designed such that both a plurality of further bus-fed field devices 30 can be connected to the several other field device connections 64 or that a further two-wire field device 20 can be connected to each further field device connection 64.
  • the PoE-based field device 60 may also be designed in such a way that both bus-fed field devices 30 and two-wire field devices 20 can be connected via respectively different further field device connections 64.
  • the bus-fed field devices 30 in particular such field devices come into consideration, which transmit their data according to the HART protocol, the Profibus PA or FF protocol.
  • the PoE-based field device can be used in particular in automation systems with explosion-endangered 80 and non-hazardous areas 90.
  • the PoE-based field device 60 can be arranged, for example, in the non-hazardous area 90 and at least one further field device in the form of a two-wire field device 20 or a bus-powered field device 30, which is arranged in the explosion-hazard region 80 via the at least one further field device connection 64 be connected.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Programmable Controllers (AREA)

Abstract

Power over Ethernet-basiertes Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend: - ein Feldgerätegehäuse (61); - ein Sensor und/oder Aktor (62) zum Bestimmen und/oder Stellen einer Prozessgröße; - einen am Feldgerätegehäuse angeordneten Ethernetanschluss (63) zum Anschließen des Feldgerätes an ein Ethernet-basiertes Netzwerk (70), so dass das Feldgerät über den Ethernetanschluss mit Energie versorgbar ist und Daten mit dem Netzwerk austauschen kann; - zumindest einen am Feldgerätegehäuse (61 ) angeordneten weiteren speisenden Feldgeräteanschluss (64) zum Anschließen zumindest eines weiteren Feldgerätes (20, 30), - eine Feldgeräteelektronik (65) die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen weiteren Feldgeräteanschluss (64) mit Energie zu versorgen, so dass ein an dem weiteren Feldgeräteanschluss (64) angeschlossenes weiteres Feldgerät (20, 30) mit Energie versorgbar ist und ferner dazu eingerichtet ist, Daten mit dem weiteren Feldgerät (20, 30) auszutauschen, so dass Daten zwischen dem Ethernet-basierten Netzwerk und dem an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossenen weiteren Feldgerät kommunizierbar sind.

Description

Power over Ethernet-basiertes Feldgerät der Automatisierungstechnik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Power over Ethernet-basiertes Feldgerät der
Automatisierungstechnik sowie ein System der Automatisierungstechnik.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen an einer Messstelle, in einer Automatisierungsanlage, dienen. Zur Erfassung von Prozess variablen dienen Sensoren, wie beispielsweise
Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH- Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem
Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also insbesondere auch Remote I/Os,
Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Power over Ethernet (im Folgenden auch: PoE) bezeichnet eine Möglichkeit mit der netzwerkfähige Geräte über das Ethernetkabel auch mit Leistung versorgt werden. Hierzu wurde der Standard IEEE 802.3-2015 im Februar 2015 veröffentlicht, in den auch der im Juli 2003 veröffentlichte Standard IEEE 802.3af komplett einfloss.
Zunehmend findet Power over Ethernet auch Verwendung in der
Automatisierungstechnik, insbesondere bei den zuvor beschriebenen Feldgeräten.
Nichtsdestotrotz sind heutzutage in einer Vielzahl der bestehenden
Automatisierungsanlagen noch Zwei- bzw. Vierleiterfeldgeräte, die über eine Zwei- bzw. Vierleiterverdrahtungen miteinander und zu mindestens einer übergeordneten Einheit, bspw. eine Steuereinheit SPS, verbunden sind, gängig. Die aus dem Stand der Technik bekannten Zwei- bzw. Vierleiterfeldgeräte sind derartig ausgebildet, dass der Messwert analog über die Zweileiterverdrahtung bzw. die Zweidrahtleitung kommuniziert, d.h. übertragen, wird. Die Übertragung basiert hierbei für gewöhnlich auf dem 4 bis 20 mA Standard. Daneben findet sich in den bestehenden Automatisierungsanlagen auch noch eine Vielzahl von busgespeisten Feldgeräten, die über einen in der
Automatisierungstechnik gängigen Feldbus miteinander und zu mindestens einer übergeordneten Einheit verbunden sind. Die aus dem Stand der Technik bekannten busgespeiste Feldgeräte sind derartig ausgebildet, dass der Messwert digital über den Feldbus kommuniziert wird. Da für gewöhnlich die Verdrahtung einer solchen Automatisierungsanlage, insbesondere in dem Fall, dass von Zwei- bzw. Vierleiterfeldgeräten oder busgespeisten Feldgeräten auf Power over Ethernet basierten Feldgeräte umgestellt werden soll, ein wesentlicher Kostenpunkt ist, ist es wünschenswert, dass ein hoher Verkabelungsaufwand vermieden wird.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mittels derer bestehende Automatisierungsanlagen mit einem möglichst geringen
Verkabelungsaufwand auf Pover over Ethernet-basierte Feldgeräte umgerüstet werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Power over Ethernet-basiertes Feldgerät der Automatisierungstechnik gelöst, aufweisend:
ein Feldgerätegehäuse;
ein Sensor und/oder Aktor zum Bestimmen und/oder Stellen einer Prozessgröße; - einen am Feldgerätegehäuse angeordneten Ethernetanschluss zum Anschließen des Feldgerätes an ein Ethernet-basiertes Netzwerk, so dass das Feldgerät über den Ethernetanschluss mit Energie versorgbar ist und Daten mit dem Netzwerk austauschen kann;
zumindest einen am Feldgerätegehäuse angeordneten weiteren speisenden Feldgeräteanschluss zum Anschließen zumindest eines weiteren Feldgerätes, eine Feldgeräteelektronik die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen weiteren Feldgeräteanschluss mit Energie zu versorgen, so dass ein an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossenes weiteres Feldgerät mit Energie versorgbar ist und ferner dazu eingerichtet ist, Daten mit dem weiteren Feldgerät
auszutauschen, so dass Daten zwischen dem Ethernet-basierten Netzwerk und dem an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossenen weiteren Feldgerät kommunizierbar sind.
Erfindungsgemäß wird sich zu Nutze gemacht, dass bei der Speisung eines Feldgerätes an einer Messstelle mittels Power-Over-Ethernet bereits in der kleinsten Klasse eine Leistung von 3,84W am Endgerät, also dem Feldgerät, zur Verfügung steht. Diese Leistung wird von dem Feldgerät der Messstelle nicht komplett selbst benötigt, so dass es erfindungsgemäß möglich ist, zumindest ein weiteres Feldgerät, welches an dem mittels Power Over Ethernet gespeisten Feldgerät entsprechend angeschlossen ist, mit Energie zu versorgen. Das Power Over Ethernet basierte Feldgerät ist erfindungsgemäß dabei derartig eingerichtet, dass es Daten, insbesondere Messwerte, mit dem angeschlossenen Feldgerät kommuniziert, diese verarbeiten und entsprechend weiterreichen kann. Auf diese Weise kann ohne große Initialkosten und mit minimalem Verdrahtungsaufwand eine schrittweise Umrüstung der bestehenden Automatisierungsanlagen auf Power over Ethernet erfolgen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zumindest eine weitere Feldgeräteanschluss dazu eingerichtet ist, dass als weiteres Feldgerät zumindest ein Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, anschließbar ist und die Feldgeräteelektronik ferner dazu eingerichtet ist, dass das zumindest eine an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossene Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, mit Energie versorgbar ist und dass Daten zwischen dem Ethernet-basierten Netzwerk und dem zumindest einem Feldgerät kommunizierbar sind. Insbesondere kann die
Weiterbildung vorsehen, dass die Feldgeräteelektronik ferner dazu eingerichtet ist, dass das zumindest eine Feldgeräte, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, den zumindest einen Messwerte gemäß einer der nachfolgenden Protokolle übertragen kann:
einem HART Protokoll, welches vorzugsweise einen Multidrop Modus vorsieht, einem Profibus PA Protokoll, oder
einem Foundation Fieldbus (kurz: FF) Protokoll.
Ein alternative Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zumindest eine weitere Feldgeräteanschluss dazu eingerichtet ist, dass als weiteres Feldgerät ein Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert analog zu übertragen, anschließbar ist und die Feldgeräteelektronik ferner dazu eingerichtet ist, dass das an dem weiteren Feldgeräteanschluss anschließbare Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert analog zu übertragen, gemäß einem analogen 4 bis 20-mA Standard mit Energie versorgbar ist und dass Daten mit dem an dem weiteren
Feldgeräteanschluss anschließbaren Feldgerät gemäß des 4 bis 20-mA Standards kommunizierbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls durch ein System der
Automatisierungstechnik gelöst, umfassend eine Automatisierungsanlage mit wenigstens: einem Ethernet-basierten Netzwerk;
einem Power over Ethernet-basierten Feldgerät gemäß einer zuvor
beschriebenen Ausgestaltung;
einem Power over Ethernetkabel, welches das Ethernet-basierte Netzwerk mit dem Power over Ethernet-basierten Feldgerät über den Ethernetanschluss verbindet; und zumindest einem weiteren nicht Power over Ethernet-basierten Feldgerät, wobei das weitere Feldgerät an dem weiteren speisenden Feldgeräteanschluss des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes angeschlossen ist, so dass der weitere speisende Feldgeräteanschluss das weitere Feldgerät mit Energie versorgt und ferner dazu dient, dass das weitere nicht Power over Ethernet- basierte Feldgerät Daten mit dem Ethernet-basierten Netzwerk über das Power over Ethernet-basierte Feldgerät kommunizieren kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Systems sieht vor, dass das zumindest eine weitere Feldgerät als ein Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, ausgebildet ist und das System ferner einen Feldbus umfasst, der zumindest das Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, mit dem weiteren speisenden Feldgeräteanschluss des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes verbindet, wobei die Feldgeräteelektronik ferner dazu eingerichtet ist, dass an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossene Feldgerät mit Energie zu versorgen und Daten mit dem an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossenen Feldgerät über den Feldbus gemäß eines Busprotokolles zu kommunizieren. Vorzugsweise kann die Weiterbildung ferner mehrere Feldgeräte umfassen, welche jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, die über den Feldbus mit dem Power over Ethernet-basierten Feldgerät verbunden sind, wobei die Feldgeräteelektronik ferner dazu eingerichtet ist, die mehreren Feldgeräte mit Energie zu versorgen und Daten mit den mehreren weiteren Feldgeräten gemäß des Busprotokolles zu kommunizieren. Ganz besonders bevorzugt kann die Weiterbildung vorsehen, dass der Feldbus als ein HART-Feldbus, ein Profibus PA oder ein FF ausgebildet ist und das weitere Feldgerät bzw. die weiteren Feldgeräte dazu eingerichtet ist bzw. sind, den zumindest einen Messwert entsprechend dem
ausgebildeten Feldbus zu übertragen.
Eine alternative Weiterbildung hierzu kann vorsehen, dass das weitere Feldgerät als ein Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert analog zu übertragen, ausgebildet ist und das System ferner eine Zweileiterverbindung umfasst, die das weitere Feldgerät mit dem weiteren speisenden Feldgeräteanschluss des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes verbindet, wobei die Feldgeräteelektronik ferner dazu eingerichtet ist, das an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossene Feldgerät über die Zweileiterverbindung gemäß einem 4 bis 20-mA Standard mit Energie zu versorgen und Daten mit dem weiteren Feldgerät gemäß des 4 bis 20-mA Standards zu kommunizieren.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung kann vorsehen, dass die Automatisierungsanlage einen explosionsgefährdeten Bereich und einen nicht explosionsgefährdeten Bereich aufweist, wobei das Power over Ethernet-basierten Feldgerät in dem nicht
explosionsgefährdeten Bereich und das zumindest eine weitere nicht Power over Ethernet-basierte Feldgerät, welches über den Feldgeräteanschluss des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes gespeist wird, in dem explosionsgefährdeten Bereich angeordnet ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 a: exemplarisch eine aus dem Stand der Technik bekannte
Automatisierungsanlage, bei der die Feldgeräte der einzelnen Messstellen jeweils über eine Zweidrahtleitung mit einer übergeordneten Einheit verbunden sind,
Fig. 1 b: exemplarisch eine aus dem Stand der Technik bekannte
Automatisierungsanlage, bei der die Feldgeräte der einzelnen Messstellen über eine Feldbus mit einer übergeordneten Einheit verbunden sind,
Fig. 2a: exemplarisch einen Aufbau einer Automatisierungsanlage mit Power over Ethernet-basierten Feldgeräten, Fig. 2b: exemplarisch einen Aufbau einer Automatisierungsanlage mit Ethernet-basierten Feldgeräten, die über jeweils eine eigene Energieversorgungseinheit mit Energie versorgt werden,
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines erstes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Power over Ethernet-basierten Feldgerätes, und
Fig. 4: eine Automatisierungsanlage mit einem explosionsgefährdeten und einem nicht explosionsgefährdeten Bereich in dem das erfindungsgemäße Power over Ethernet- basierte Feldgerät bevorzugt einsetzbar ist.
Figur 1 a zeigt exemplarisch eine aus dem Stand der Technik bekannte
Automatisierungsanlage, bei der die Feldgeräte 20 bzw. 30 der einzelnen Messstellen über eine Zweidrahtleitung 21 mit einer übergeordneten Einheit 10, bspw. eine speicherprogrammierbare Steuerung (kurz: SPS), verbunden sind. Beispielsweise kann sich die gezeigte Automatisierungsanlage auf das Messen bzw. Überwachen eines Füllstandes eines Tankes beziehen und umfasst hierfür zwei Zweileiterfeldgeräte 20, wobei das erste Zweileiterfeldgerät 20 den Füllstand mittels Radar und das zweite Feldgerät 20 die Temperatur des Mediums, um ein Normalvolumen zu berechnen, misst. Gemäß der aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen werden hierfür die beiden Zweileiterfeldgeräte 20 über jeweils eine Zweidrahtleitung 21 mit der SPS 10 verbunden, umso sowohl Daten, insbesondere den Messwert, zu übertragen als auch mit Energie versorgt zu werden. Die Zweileiterfeldgeräte 20 sind zur Kommunikation der Daten derartig ausgebildet, dass diese die Daten in ein analoges Stromsignal, bspw. dem in der Automatisierungstechnik gängigen analogen 4 ... 20 mA Stromsignal, wandeln und umgekehrt. Die Kommunikation zwischen den Zweileiterfeldgeräten 20 und der SPS 10 erfolgt dann über das analoge 4 ... 20 mA Stromsignal.
Bei der HART-Spezifikation (Abk. für„Highway Addressable Remote Transducer"), welche ebenfalls im Stand der Technik bekannt ist und welche auf der zuvor
beschriebenen Technologie basiert, werden die Daten durch Frequenzumtastung (engl.: Frequency Shift Keying, FSK) übertragen, indem dem niederfrequenten analogen Stromsignal eine hochfrequente Schwingung überlagert wird. Hierbei wird eine digitale „1 " mit einer spezifischen Frequenz von 1 ,2 kHz und eine digitale„0" mit einer spezifischen Frequenz von 2,2 kHz dargestellt. HART lässt somit eine digitale
Kommunikation über die Zweileiterverbindung zu, wobei jedes Feldgerät 30 über jeweils eine Zweileiterverbindung 21 mit der übergeordneten Einheit 10 verbunden ist. Daneben lässt HART aber auch eine digitale Kommunikation mehrere Feldgeräte 30 über einen gemeinsamen Datenbus bzw. Feldbus 31 zu. Fig. 1 b zeigt exemplarisch einen solchen Aufbau einer Automatisierungsanlage, bei der die Feldgeräte 30 der einzelnen
Messstellen über eine gemeinsamen Feldbus 31 mit der übergeordneten Einheit 10 verbunden sind. Hierbei sieht die HART-Spezifikation einen sogenannten Multidrop- Betrieb vor. Im Multidrop-Betrieb stellt die übergeordnete Einheit 10, bspw. die
Steuereinheit, den Strom zum Betreiben der an den Feldbus 31 angeschlossenen Feldgeräte 30 zur Verfügung, indem es einen Strom von 4 mA auf dem Feldbus 31 zur Speisung einprägt und jedes parallel an den Feldbus angeschlossene Feldgerät 30 ist derartig eingerichtet, dass es Daten mit ca. +/- 0,5 mA auf den eingeprägten Strom zur HART-Kommunikation aufmoduliert.
Neben der HART-Spezifikation gibt es aber auch noch andere im Stand der Technik bekannte Feldbus-Spezifikationen, gemäß derer eine Kommunikation der Feldgeräte in einer Automatisierungsanlage über einen einzigen Feldbus 31 realisiert sein können. So können die Feldgeräte bspw. auch gemäß dem Profibus-Standard, insbesondere Profibus PA/FF, Daten kommunizieren. Der prinzipielle Aufbau einer entsprechenden
Automatisierungsanlage entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 1 b dargestellten Aufbau.
Fig. 2a zeigt exemplarisch einen prinzipiellen Aufbau einer Automatisierungsanlage mit Power over Ethernet-basierten Feldgeräten. Hierbei müssen alle eingesetzten Feldgeräte 40 mit der übergeordneten Einheit 10, bspw. ein PoE-Switch, jeweils über ein
entsprechendes PoE-Kabel 41 verbunden sein, da Power over Ethernet keine
Kaskadierung zulässt. Über das PoE-Kabel wird jedes angebundene PoE-basierte Feldgerät 40 mit Energie versorgt und kann seine Daten gemäß dem Ethernet Standard kommunizieren.
Wie bereits eingangs beschrieben, führt dies bei der Umstellung von bereits bestehenden Automatisierungsanlagen mit Zweileiterfeldgeräten, die ihre Daten analog übertragen, oder mit busgespeisten Feldgeräten, die ihre Daten digital, bspw. über HART, HART- Multidrop oder auch Profibus PA/FF, übertragen, zu einem erheblichen Mehraufwand hinsichtlich Verkabelung und/oder Kosten. So müssen bei der Umrüstung von
Automatisierungsanlagen mit Feldgeräten, die Daten digital über einen Feldbus übertragen, wie dies exemplarisch in Fig. 1 b dargestellt ist, Ethernet-basierte Feldgeräte 50 mit Switching-Funktionalität ohne Power over Ethernet eingesetzt werden, die jeweils eine eigenständige Energieversorgung 52, bspw. ein Netzteil, benötigen (Fig. 2b). Hierbei wäre also ein hoher zusätzlicher Aufwand beim Wechsel auf Power over Ethernet nötig, weil eine neue Verdrahtung zur Speisung der Feldgeräte installiert werden müsste.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Power over Ethernet-basierten Feldgerätes 60. Das Feldgerät 60 weist ein Feldgerätegehäuse 61 , je nach Ausgestaltung ein Sensor und/oder ein Aktor 62, ein Ethernetanschluss 63, welcher an dem Feldgerätegehäuse 61 angeordnet ist und eine Feldgeräteelektronik 65, welche den Sensor und/oder Aktor 62 ansteuert und die durch das Feldgerät 60 zur Verfügung gestellte Funktionalität regelt, auf. Ferner weist das Feldgerät 60 erfindungsgemäß zumindest einen weiteren Feldgeräteanschluss 64, welcher ebenfalls an dem Feldgerätegehäuse 61 angeordnet ist, auf. Der zumindest eine weitere Feldgeräteanschluss ist derartig ausgebildet und mit der Feldgeräteelektronik verbunden, dass ein an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossenes weiteres Feldgerät 20 bzw. 30 mit Energie versorgbar ist.
Die Feldgeräteelektronik 65 des erfindungsgemäßen Feldgerätes ist hierfür derartig eingerichtet, dass die Energie die in dem PoE-basierten Feldgerät 60 über den
Ethernetanschluss 63 bereitgestellt wird, teilweise auch dem zumindest einen weiteren
Feldgerät 20 bzw. 30 zur Verfügung steht, wenn es an dem weiteren Feldgeräteanschluss 64 angeschlossen ist. Ferner ist die Feldgeräteelektronik 65 dazu eingerichtet, dass Daten zwischen dem Ethernetanschluss 63 des PoE-basierten Feldgerätes 60 und dem zumindest einen an dem weiteren Feldgeräteanschluss 64 angeschlossenen Feldgerät 20 bzw. 30 kommunizierbar sind, so dass das PoE-basierte Feldgerät quasi als
Vermittlungsstation agiert.
Durch den zumindest einen weiteren Feldgeräteanschluss 64 kann entweder ein gewöhnliches Zweileiterfeldgerät 20, wie es in Fig. 1 a dargestellt und entsprechend beschrieben ist, oder ein busgespeistes Feldgerät 30, wie es in Fig. 1 b dargestellt und entsprechend beschrieben ist, angeschlossen werden. Ferner können an dem weiteren Feldgeräteanschluss 64 auch eine Reihe von busgespeisten Feldgeräte 30
angeschlossen werden, so dass in Abhängigkeit davon, wie viel Energie schlussendlich in dem PoE-basierten Feldgerät 60 noch zur Verfügung steht, ein gesamter
Feldgerätezweig einer bereits bestehenden Automatisierungsanlage anbindbar ist. In diesem Fall ist die Feldgeräteelektronik 65 dazu eingerichtet, dass die in Reihe angebundenen busgespeisten Feldgeräte 30 ihre jeweiligen Daten über einen entsprechenden Ethernet-Tunnel mit dem PoE-basierten Feldgerät 60 kommunizieren können. Auf diese Weise ist der Implementierungsaufwand auf Systemebene bzw.
Feldgeräteebene minimal und die schrittweise Umrüstung einer bestehenden
Automatisierungsanlage mit busgespeisten Feldgeräten kann zusätzlich erleichtert werden.
Darüber hinaus kann aber auch vorgesehen sein, dass das PoE-basierte Feldgerät 60 mehrere weitere Feldgeräteanschlüsse 64 aufweist, die an dem Feldgerätegehäuse 61 angeordnet sind, so dass mehrere weitere Feldgeräte 20 bzw. 30 anbindbar sind. Hierbei kann das PoE-basierte Feldgerät 60 derartig ausgebildet sein, dass sowohl mehrere weitere busgespeiste Feldgeräte 30 an den mehreren weiteren Feldgeräteanschlüssen 64 angeschlossen werden können oder dass an jedem weiteren Feldgeräteanschluss 64 jeweils ein weiteres Zweileiterfeldgerät 20 angeschlossen werden kann.
Selbstverständlich kann das PoE-basierte Feldgerät 60 auch derartig ausgebildet sein, dass über jeweils unterschiedliche weitere Feldgeräteanschlüsse 64 sowohl busgespeiste Feldgeräte 30 als auch Zweileiterfeldgeräte 20 anschließbar sind. Hinsichtlich der busgespeisten Feldgeräte 30 kommen insbesondere derartige Feldgeräte in Betracht, die ihre Daten gemäß dem HART-Protokoll, dem Profibus PA- oder FF- Protokoll übertragen.
Wie in Fig. 4 exemplarisch dargestellt, kann das erfindungsgemäße PoE-basierte Feldgerät insbesondere in Automatisierungsanlagen mit explosionsgefährdeten 80 und nicht explosionsgefährdeten Bereichen 90 eingesetzt werden. So kann das PoE-basierte Feldgerät 60 bspw. in dem nicht explosionsgefährdeten 90 Bereich angeordnet sein und über den zumindest einen weiteren Feldgeräteanschluss 64 kann zumindest ein weiteres Feldgerät in Form eines Zweileiterfeldgerätes 20 oder eines busgespeisten Feldgerätes 30, welches in dem explosionsgefährdeten Bereich 80 angeordnet ist, angeschlossen sein. Bezugszeichenliste Leitwarte bzw. SPS
Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, einen Messwert analog zu übertragen
Zweileiterverbindung
Feldgerät, welches dazu eingerichtet ist, einen Messwert digital zu übertragen
Feldbus, insbesondere HART Multidrop, Profibus PA/FF
PoE-Feldgerät gemäß dem Stand der Technik
PoE-Kabel
Ethernet-Feldgerät gemäß dem Stand der Technik
Ethernet-Kabel
Netzteil
PoE-Feldgerät gemäß der Erfindung
Feldgerätegehäuse
Sensor und/oder Aktor
Ethernetanschluss
weiterer speisender Feldgeräteanschluss
Feldgeräteelektronik
Ethernet-basiertes Netzwerk
Explosionsgefährdeter Bereich
Nicht explosionsgefährdeter Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Power over Ethernet-basiertes Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend: ein Feldgerätegehäuse (61 );
- ein Sensor und/oder Aktor (62) zum Bestimmen und/oder Stellen einer
Prozessgröße;
einen am Feldgerätegehäuse angeordneten Ethernetanschluss (63) zum
Anschließen des Feldgerätes an ein Ethernet-basiertes Netzwerk (70), so dass das Feldgerät über den Ethernetanschluss mit Energie versorgbar ist und Daten mit dem Netzwerk austauschen kann;
zumindest einen am Feldgerätegehäuse (61 ) angeordneten weiteren speisenden Feldgeräteanschluss (64) zum Anschließen zumindest eines weiteren Feldgerätes (20, 30),
eine Feldgeräteelektronik (65) die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen weiteren Feldgeräteanschluss (64) mit Energie zu versorgen, so dass ein an dem weiteren Feldgeräteanschluss (64) angeschlossenes weiteres Feldgerät (20, 30) mit Energie versorgbar ist und ferner dazu eingerichtet ist, Daten mit dem weiteren Feldgerät (20, 30) auszutauschen, so dass Daten zwischen dem Ethernet-basierten Netzwerk und dem an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossenen weiteren Feldgerät kommunizierbar sind.
2. Feldgerät nach Anspruch 1 , wobei der zumindest eine weitere Feldgeräteanschluss (64) dazu eingerichtet ist, dass als weiteres Feldgerät zumindest ein Feldgerät (30), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, anschließbar ist und die Feldgeräteelektronik (65) ferner dazu eingerichtet ist, dass das zumindest eine an dem weiteren Feldgeräteanschluss (64) angeschlossene Feldgerät (30), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, mit Energie versorgbar ist und dass Daten zwischen dem Ethernet-basierten Netzwerk (70) und dem zumindest einem Feldgerät (30) kommunizierbar sind.
3. Feldgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Feldgeräteelektronik (65) ferner dazu eingerichtet ist, dass das zumindest eine Feldgeräte (30), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, den zumindest einen Messwerte gemäß einer der nachfolgenden Protokolle übertragen kann:
- einem HART Protokoll, welches vorzugsweise einen Multidrop Modus vorsieht, einem Profibus PA Protokoll, oder
einem FF Protokoll.
4. Feldgerät nach Anspruch 1 , wobei der zumindest eine weitere Feldgeräteanschluss (64) dazu eingerichtet ist, dass als weiteres Feldgerät ein Feldgerät (20), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert analog zu übertragen, anschließbar ist und die Feldgeräteelektronik (65) ferner dazu eingerichtet ist, dass das an dem weiteren
Feldgerateanschluss (64) anschließbare Feldgerät (20), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert analog zu übertragen, gemäß einem analogen 4 bis 20-mA Standard mit Energie versorgbar ist und dass Daten mit dem an dem weiteren
Feldgeräteanschluss (64) anschließbaren Feldgerät (20) gemäß des 4 bis 20-mA
Standards kommunizierbar sind.
5. System der Automatisierungstechnik, umfassend eine Automatisierungsanlage mit wenigstens:
einem Ethernet-basierten Netzwerk (70);
einem Power over Ethernet-basierten Feldgerät nach Anspruch 1 ;
einem Power over Ethernetkabel (41 ), welches das Ethernet-basierte Netzwerk (70) mit dem Power over Ethernet-basierten Feldgerät (60) über den
Ethernetanschluss (63) verbindet; und
zumindest einem weiteren nicht Power over Ethernet-basierten Feldgerät (20; 30), wobei das weitere Feldgerät (20; 30) an dem weiteren speisenden
Feldgeräteanschluss (64) des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes (60) angeschlossen ist, so dass der weitere speisende Feldgeräteanschluss (64) das weitere Feldgerät (20; 30) mit Energie versorgt und ferner dazu dient, dass das weitere nicht Power over Ethernet-basierte Feldgerät (20; 30) Daten mit dem Ethernet-basierten Netzwerk (70) über das Power over Ethernet-basierte
Feldgerät (60) kommuniziert kann.
6. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das zumindest eine weitere Feldgerät (20; 30) als ein Feldgerät (30), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, ausgebildet ist und das System ferner einen Feldbus (31 ) umfasst, der zumindest das Feldgerät (30), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, mit dem weiteren speisenden Feldgeräteanschluss (64) des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes (60) verbindet, wobei die
Feldgeräteelektronik (65) ferner dazu eingerichtet ist, dass an dem weiteren
Feldgeräteanschluss (64) angeschlossene Feldgerät (30) mit Energie zu versorgen und Daten mit dem an dem weiteren Feldgeräteanschluss angeschlossenen Feldgerät (30) über den Feldbus (31 ) gemäß eines Busprotokolles zu kommunizieren.
7. System nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend mehrere Feldgeräte (30), welche jeweils dazu eingerichtet sind, zumindest einen Messwert digital zu übertragen, die über den Feldbus (31 ) mit dem Power over Ethernet-basierten Feldgerät (60) verbunden sind, wobei die Feldgeräteelektronik (65) ferner dazu eingerichtet ist, die mehreren Feldgeräte (30) mit Energie zu versorgen und Daten mit den mehreren weiteren Feldgeräten (30) gemäß des Busprotokolles zu kommunizieren.
8. System nach Anspruch 6 und/oder 7, wobei der Feldbus als ein HART-Feldbus, ein Profibus PA oder ein FF ausgebildet ist und das weitere Feldgerät (30) bzw. die weiteren Feldgeräte (30) dazu eingerichtet ist bzw. sind, den zumindest einen Messwert entsprechend dem ausgebildeten Feldbus zu übertragen.
9. System nach Anspruch 5, wobei das weitere Feldgerät (20; 30) als ein Feldgerät (20), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Messwert analog zu übertragen, ausgebildet ist und das System ferner eine Zweileiterverbindung (21 ) umfasst, die das weitere Feldgerät (20) mit dem weiteren speisenden Feldgeräteanschluss (64) des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes (60) verbindet, wobei die Feldgeräteelektronik (65) ferner dazu eingerichtet ist, das an dem weiteren Feldgeräteanschluss (64)
angeschlossene Feldgerät (20) über die Zweileiterverbindung (41 ) gemäß einem 4 bis 20- mA Standard mit Energie zu versorgen und Daten mit dem weiteren Feldgerät gemäß des 4 bis 20-mA Standards zu kommunizieren.
10. System nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die
Automatisierungsanlage einen explosionsgefährdeten Bereich (80) und einen nicht explosionsgefährdeten Bereich (90) aufweist, wobei das Power over Ethernet-basierten Feldgerät (60) in dem nicht explosionsgefährdeten Bereich (90) und das zumindest eine weitere nicht Power over Ethernet-basierte Feldgerät (20; 30), welches über den
Feldgeräteanschluss (64) des Power over Ethernet-basierten Feldgerätes gespeist wird, in dem explosionsgefährdeten Bereich (80) angeordnet ist.
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