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Die Erfindung betrifft ein Netzwerk autonomer Feldgeräte und ein Verfahren zu deren Betrieb. Derartige Netzwerke umfassen eine Mehrzahl von Feldgeräte, die auf drahtlosem Wege miteinander und/oder mit einer zentralen Einrichtung kommunizieren und aus einer örtlichen Energiequelle gespeist werden. Typischerweise werden solche Netzwerke in der Prozessautomatisierung eingesetzt.
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Derartige Feldgeräte sind üblicherweise mit mindestens einem Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe und/oder mindestens einem Aktor zur Umwandlung einer elektrischer Größe in eine physikalische Größe ausgerüstet.
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Herkömmliche Feldgeräte sind an eine Leitung – üblicherweise eine Zwei-Draht-Leitung – angeschlossen, die gleichermaßen der Signalübertragung von Messwerten, Sollwerten und/oder Diagnaosedaten und der Energieversorgung des Feldgeräts dient.
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Drahtlose Feldgeräte, bei denen die Signalübertragung keiner Verbindungsleitung bedarf, sind prinzipiell bekannt und bieten neue Möglichkeiten in der Prozessautomatisierung. Sie ermöglichen die flexible Installation von Feldgeräten in vielen Situationen die herkömmlichen drahtgebundenen Feldgeräten nicht zugänglich sind, wie beispielsweise rotierenden Maschienen und/oder Teilen davon. Zur Energieversorgung derartiger drahtloser Feldgeräte können Batterien vorgesehen sein, die jedoch wegen ihres Wartungsaufwands auf mangelnde Akzeptanz seitens der Betreiber automatisierungstechnischer Anlagen stoßen.
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Autonome Feldgeräte weisen darüber hinaus eigene Mittel zu ihrer Stromversorgung durch Umwandlung örtlich verfügbarer nicht-elektrischer Energie in elektrische Energie auf. Gegenüber konventionellen Feldgeräten entfällt der Wartungsaufwand zum Austausch der Batterien.
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Damit sind autonome Feldgeräte eine flexible und einfach zu installieren Nachrüstlösung vor allem, wenn größere Entfernungen überwunden werden müssen oder der Verkabelungsaufwand die Anwendbarkeit von herkömmlichen, drahtgebundenen Geräten beschränkt.
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Netzwerke aus autonomen Feldgeräten können dazu beitragen, Kosten für die Einrichtung der Prozessautomatisierung zu reduzieren. Die Installation von mehreren autonomen Feldgeräten kann auch dazu beitragen, die Überwachung eines bestimmten Prozesses zu verbessern, um die Qualität des Hauptproduktes zu erhöhen.
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In dem Beitrag „Energieautarker drahtloser Temperaturtransmitter”, veröffentlicht in Automatisierungstechnische Praxis 10-11/2011, wird es als vielversprechend angesehen, mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren aus einem thermischen Gradienten durch Umwandlung elektrische Energie zu gewinnen.
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Mit einem vorgegebenen Messintervall und/oder Sende-Empfangs-Intervall weist jedes Geräts eine vorbekannte Leistungsaufnahme unter bestimmten Umgebungstemperaturen auf. Doch die Stromverbräuche der einzelnen Geräte können aufgrund zusätzlicher Belastungen und Aufgaben innerhalb des Sensornetzwerks unterscheiden. Einige Geräte fungieren als Router für andere Geräte. Die Anzahl der Geräte, mit ein bestimmtes Gerät kommuniziert, ist variabel und beeinflusst den Stromverbrauch ziemlich schwerwiegend. Insbesondere bei batteriegestützten Geräten sind die Wartungszyklen zum Austausch der Batterien dadurch höchst heterogen und damit teuer.
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Zwar liefern bekannte thermoelektrischen Generatoren mehr elektrische Energie, als die versorgten Geräte zu ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb benötigen. Jedoch ist die momentan tatsächlich zur Verfügung stehende Leistung der speisenden thermoelektrischen Generatoren unbekannt.
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Aus der
US 2011/0216695 A1 ist ein Netzwerk aus einer Mehrzahl von durch thermoelektrische Generatoren mit Energie versorgten Feldgeräten bekannt.
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Die
GB 2 479 156 A offenbart eine Einrichtung zur Spannungsmessung innerhalb eines Systems zur Energiegewinnung aus der Umgebung, die eine Schaltvorrichtung aufweist.
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Aus der
US 2011/0261738 A1 ist ein adaptives Netzwerk drahtloser Sensoren bekannt, das ausgebildet ist, Daten zwischen einem Sensor und einer Basisstation über weitere Sensoren zu leiten.
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Dere Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Netzwerk autonomer Feldgeräte, die mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren gespeist werden, anzugeben sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsmäßig durch ein Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem Netzwerk gattungsbildender Feldgeräte, die über das Netzwerk mit einer übergeordneten Einrichtung und untereinander kommunizieren. Jedes Feldgerät weist mindestens eine Wandlereinrichtung, eine Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation sowie Signalverarbeitungsmittel auf und ist durch einen thermoelektrischen Generator zu seiner Energieversorgung gespeist, der über Anschlussleitungen mit den Signalverarbeitungsmitteln verbunden ist.
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Je nach regelungstechnischer Aufgabe des Feldgeräts ist die Wandlereinrichtung ein Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe und/oder ein Aktor zur Umwandlung einer elektrischer Größe in eine physikalische Größe.
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Erfindungsgemäß ist das Feldgerät mit einer Energiesteuereinheit ausgestattet, die eine Schaltvorrichtung, eine Schaltsteuereinrichtung, eine Energiespeicheinheit und eine Spannungsmesseinrichtung umfasst und die mit der Kommunikationseinrichtung verbunden ist. Im Einzelnen ist die Schaltvorrichtung mit einem Öffnerkontakt ausgestattet. Der Öffnerkontakt ist in eine der Anschlussleitungen eingeschaltet, den Stromfluß vom thermoelektrischen Generator zu den Signalverarbeitungsmitteln in Abhängigkeit von einem Energiesteuersignal der Energiesteuereinheit zu unterbrechen. Zwischen der Schaltvorrichtung und den Signalverarbeitungsmitteln sind die Anschlussleitungen mit der Energiespeicheinheit verbunden, die geeignet ist, die Energieversorgung der Signalverarbeitungsmittel während der Zeit der Arbeitsstellung des Öffnerkontakts aufrechtzuerhalten. Der thermoelektrische Generator ist mit der Spannungsmesseinrichtung verbunden.
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Während des bestimmungsgemäßen Betriebs ist der Öffnerkontakt der Schaltvorrichtung in Ruhestellung. Dabei ist der Stromkreis zwischen dem thermoelektrischen Generator und den Signalverarbeitungsmitteln geschlossen und die Energiespeicheinheit befindet sich im Ladezustand. Die Spannungsmesseinrichtung ist spannungsfrei.
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Zur Ermittlung der aktuellen Leistung des thermoelektrischen Generators wird auf ein Energiesteuersignal der Energiesteuereinheit kurzzeitig der Öffnerkontakt der Schaltvorrichtung von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung verbracht. Während dieser Messphase ist der Stromkreis zwischen dem thermoelektrischen Generator und den Signalverarbeitungsmitteln geöffnet. Die Signalverarbeitungsmittel werden aus der Energiespeicheinheit gespeist. Der Stromkreis zwischen dem thermoelektrischen Generator und der Spannungsmesseinrichtung ist geschlossen.
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Während der Arbeitsstellung des Öffnerkontakts der Schaltvorrichtung wird mit der Spannungsmesseinrichtung die Leerlaufspannung der lastfreien Spannungsquelle des thermoelektrischen Generators gemessen.
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Die Leerlaufspannung UL ist über die Beziehung UL = N·S·ΔT, wobei
- N
- die Anzahl der Thermoelemente des thermoelektrischen Generators,
- S
- der Seebeck-Koeffizient und
- ΔT
- die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Ende des thermoelektrischen Generators sind, ein Maß für die aktuelle Leistung des thermoelektrischen Generators.
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Die maximale Leistung Pmax des thermoelektrischen Generators ergibt sich aus der Beziehung Pmax = (UL/2)2/Ri, wobei
- R1
- der Innenwiderstand des thermoelektrischen Generators ist.
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Die tatsächlich verfügbare elektrische Leistung des thermoelektrischen Generators des jeweiligen Feldgeräts wird an die übergeordnete Einrichtung im Netzwerk gemeldet.
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Die übergeordnete Einrichtung sammelt die tatsächlich verfügbaren elektrischen Leistungen der einzelnen Feldgeräte ermittelt aus dem Datenbestand diejenigen Feldgeräte, deren thermoelektrischen Generatoren aktuell ausreichend Leistung bereitstellen, um neben der bestimmungsgemäßen Funktion des jeweiligen Feldgeräts darüberhinausgehende kommunikationstechnische Aufgaben übernehmen zu können. Zu diesen kommunikationstechnischen Aufgaben gehört beispielsweise aber nicht abschließend die Entgegennahme und Weiterleitung von Nachrichten zum Datenaustausch zwischen anderen Feldgeräten und der übergeordneten Einrichtung.
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Vorteilhafterweise ist ein derart ausgebildetes Netzwerk in der Lage, Daten zwischen der übergeordneten Einrichtung und Feldgeräten zu übertragen, die außerhalb der Reichweite der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle des Feldgeräts oder der übergeordneten Einrichtung liegen. Ein derartiges Netzwerk ist bezüglich des konkreten Weges der Daten über die verschiedenen Netzknoten selbstorganisierend. Dabei wird stets ein Weg über diejenigen Netzknoten ausgewählt, die über ausreichende Energiereserven zur Behandlung weiterzuleitender Nachrichten verfügen.
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Vorteilhafterweise können in einem derartigen Netzwerk auch Feldgeräte an Orten einer Prozessanlage angeordnet und in den Datenaustausch eingebunden sein, die in Abschattungsbereichen der drahtlosen Kommunikation liegen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kommunikationsnetzes,
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2 eine Prinzipdarstellung des Aufbaus eines Feldgeräts
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In der 1 ein für sich bekanntes Kommunikationsnetz schematisch dargestellt, das aus einer Mehrzahl von Feldgeräten 11 bis 18 besteht, die über eine Mehrzahl von Kommunikationsverbindungen 20 miteinander und mit einer übergeordneten Einrichtung 10 drahtlos kommunizieren. Bedingt durch ein mindestens ein Hindernis 30 und die begrenzte Reichweite der einzelnen Kommunikationsverbindungen 20 besteht ausgehend von der übergeordneten Einrichtung 10 eine direkte Kommunikationsverbindung 20 nur mit den Feldgeräten 11 und 12. Alle weiteren Feldgeräte 13 bis 18 liegen räumlich entweder außerhalb der Reichweite der Kommunikationsverbindung 20 oder sind durch ein die Strahlung der drahtlosen Kommunikationsverbindung 20 dämfendes Hindernis 30 abgeschattet. Diese Feldgeräte 13 bis 18 sind nur über die Feldgeräte 11 und 12, die somit neben ihrer regelungstechnischen Aufgabe in einer nicht dargestellten Prozessanlage auch noch als Netzknoten zur Durchleitung von Informationen zwischen der übergeordneten Einrichtung 10 und den weiteren Feldgeräte 13 bis 18 beansprucht sind.
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Stellvertretend für die im wesentlichen gleichartigen Feldgeräte 11 bis 18 ist in 2 der Aufbau des Feldgeräts 11 prinzipiell dargestellt. Das Feldgerät 11 weist mindestens eine Wandlereinrichtung 115, eine Kommunikationseinrichtung 111 zur drahtlosen Kommunikation sowie Signalverarbeitungsmittel 114 auf.
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Je nach regelungstechnischer Aufgabe des jeweiligen Feldgeräts 11 bis 18 ist die Wandlereinrichtung 115 als Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe und/oder einen Aktor zur Umwandlung einer elektrischer Größe in eine physikalische Größe ausgebildet.
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Das Feldgerät 11 ist durch einen thermoelektrischen Generator 117 zu seiner Energieversorgung gespeist, der über Anschlussleitungen mit den Signalverarbeitungsmitteln 114 verbunden ist. Die Signalverarbeitungsmittel 114 sind ferner mit der Kommunikationseinrichtung 111 zum Datenaustausch mit der übergeordneten Einrichtung 10 und der Wandlereinrichtung 115 als Schnittstelle zum verfahrenstechnischen Prozess verbunden.
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Darüber hinaus ist das Feldgerät 11 mit einer Energiesteuereinheit 116 ausgestattet, die eine Schaltvorrichtung 118, eine Schaltsteuereinrichtung 119, eine Energiespeicheinheit 113 und eine Spannungsmesseinrichtung 112 umfasst.
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Die Schaltvorrichtung 118 ist mit einem Öffnerkontakt 1181 ausgestattet. Der Öffnerkontakt 1181 ist in eine der Anschlussleitungen eingeschaltet, den Stromfluß vom thermoelektrischen Generator 117 zu den Signalverarbeitungsmitteln 114 in Abhängigkeit von einem Energiesteuersignal der Schaltsteuereinrichtung 119 zu unterbrechen.
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Zwischen der Schaltvorrichtung 118 und den Signalverarbeitungsmitteln 114 sind die Anschlussleitungen mit der Energiespeicheinheit 113 verbunden, die geeignet ist, die Energieversorgung der Signalverarbeitungsmittel 114 während der Zeit der Arbeitsstellung des Öffnerkontakts 1181 aufrechtzuerhalten.
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Der thermoelektrischen Generator 117 ist mit der Spannungsmesseinrichtung 112 verbunden, die Klemmenspannung des thermoelektrischen Generator 117 in Abhängigkeit von einem Energiesteuersignal der Schaltsteuereinrichtung 119 zu erlauben. Die Spannungsmesseinrichtung 112 ist mit der Kommunikationseinrichtung 111 verbunden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Spannungsmesseinrichtung 112 ein Bestandteil der Signalverarbeitungsmittel 114 des Feldgeräts 11. Dabei werden vorhandene Mittel der Signalverarbeitungsmittel 114 wie etwa Analog-Digital-Wandler auch für die Spannungsmessung mitbenutzt. Die redundante Vorhaltung dieser Mittel ist damit verzichtbar.
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Die Energiespeicheinheit 113 ist in einfachster Ausgestaltung der Erfindung als Kondensator, insbesondere als hochkapazitiver Kondensator, ausgeführt. in alternativen Ausgestaltungen der Erfindung können Akkumulatoren oder Batterien als Energiespeicheinheit 113 vorgesehen sein.
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Während des bestimmungsgemäßen Betriebs ist der Öffnerkontakt 1181 der Schaltvorrichtung 118 in Ruhestellung, so wie in 2 darsgestellt. Dabei ist der Stromkreis zwischen dem thermoelektrischen Generator 117 und den Signalverarbeitungsmitteln 114 geschlossen und die Energiespeicheinheit 113 befindet sich im Ladezustand. Die Spannungsmesseinrichtung 112 ist spannungsfrei.
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Zur Ermittlung der aktuellen Leistung des thermoelektrischen Generators wird auf ein Energiesteuersignal der Schaltsteuereinrichtung 119 kurzzeitig der Öffnerkontakt 1181 der Schaltvorrichtung 118 von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung verbracht. Während dieser Messphase ist der Stromkreis zwischen dem thermoelektrischen Generator 117 und den Signalverarbeitungsmitteln 114 geöffnet. Die Signalverarbeitungsmittel 114 werden aus der Energiespeicheinheit 113 gespeist. Dabei befindet sich die Energiespeicheinheit 113 im Entladezustand. Der Stromkreis zwischen dem thermoelektrischen Generator 117 und der Spannungsmesseinrichtung 112 ist geschlossen.
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Während der Arbeitsstellung des Öffnerkontakts 1181 der Schaltvorrichtung 118 wird mit der Spannungsmesseinrichtung 112 die Leerlaufspannung UL der lastfreien Spannungsquelle des thermoelektrischen Generators 117 gemessen und dessen tatsächlich verfügbare elektrische Leistung bestimmt.
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Die tatsächlich verfügbare elektrische Leistung des thermoelektrischen Generators 117 des jeweiligen Feldgeräts 11 bis 18 wird über die drahtlose Kommunikationsverbindung 20 an die übergeordnete Einrichtung 10 im Netzwerk gemeldet.
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Die übergeordnete Einrichtung 10 sammelt die tatsächlich verfügbaren elektrischen Leistungen der einzelnen Feldgeräte 11 bis 18, ermittelt aus dem Datenbestand diejenigen Feldgeräte 11 bis 18, deren thermoelektrischen Generatoren 117 aktuell ausreichend Leistung bereitstellen, um neben der bestimmungsgemäßen Funktion des jeweiligen Feldgeräts 11 bis 18 darüberhinausgehende kommunikationstechnische Aufgaben übernehmen zu können. Zu diesen kommunikationstechnischen Aufgaben gehört beispielsweise aber nicht abschließend die Entgegennahme und Weiterleitung von Nachrichten zum Datenaustausch zwischen anderen Feldgeräten 11 bis 18 und der übergeordneten Einrichtung 10.
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Im Einzelnen wird unter Bezugnahme auf 1 der Kommunikationspfad zwischen der übergeordneten Einrichtung 10 und dem nicht direkt erreichbaren Feldgerät 18 bei unzureichender Leistungsbereitstellung im Feldgeräte 11 beispielsweise über die Feldgeräte 12, 13, 14 und 17 geleitet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, die tatsächlich verfügbaren elektrischen Leistungen der Feldgeräte 11 bis 18 periodisch zu ermitteln und an die übergeordnete Einrichtung 10 zu übermitteln.
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Die Veränderungen der tatsächlich verfügbaren elektrischen Leistungen der Feldgeräte 11 bis 18 werden mit der übergeordneten Einrichtung 10 kontinuierlich bewertet. Sobald die Leistungsbereitstellung eines Feldgeräts 11 bis 18 den Anforderungen zur Erfüllung der über die regelungstechnischen Aufgaben hinausgehenden kommunikationstechnischen Aufgaben nicht mehr genügt oder andere Feldgeräte 11 bis 18 diese mit höherer Reserve erfüllen können, werden die Kommunikationspfade zwischen der übergeordneten Einrichtung 10 und den Feldgeräten 11 bis 18 entsprechend angepasst.
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Für den Fall, dass im oben genannten Kommunikationspfad zwischen der übergeordneten Einrichtung 10 und dem nicht direkt erreichbaren Feldgerät 18 über die Feldgeräte 12, 13, 14 und 17 die Leistungsbereitstellung des Feldgeräts 17 abnimmt, wird der Kommunikationspfad zwischen der übergeordneten Einrichtung 10 und dem Feldgerät 18 beispielsweise über die Feldgeräte 12, 13, 14 und 16 geleitet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- übergeordnete Einrichtung
- 11 bis 18
- Feldgerät
- 20
- Kommunikationsverbindung
- 30
- Hindernis
- 111
- Kommunikationseinrichtung
- 112
- Spannungsmesseinrichtung
- 113
- Energiespeicheinheit
- 114
- Signalverarbeitungsmittel
- 115
- Wandlereinrichtung
- 116
- Energiesteuereinheit
- 117
- thermoelektrischer Generator
- 118
- Schaltvorrichtung
- 1181
- Öffnerkontakt
- 119
- Schaltsteuereinrichtung
