DE102010040865A1

DE102010040865A1 - System mit zumindest einer Energie-Sendeantenne und zumindest einem Feldgerät

Info

Publication number: DE102010040865A1
Application number: DE102010040865A
Authority: DE
Inventors: Roland Grozinger; Peter Klöfer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2012034857A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) mit zumindest einer Energie-Sendeantenne (3) und zumindest einem Feldgerät (2) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in einer Prozessanlage, wobei zumindest eine Energie-Empfangsantenne (4) jedem Feldgerät (2) zugeordnet ist, wobei die zumindest eine Energie-Sendeantenne (3) und die Energie-Empfangsantenne (4) bzw. die Energie-Empfangsantennen räumlich voneinander beabstandet sind, und wobei die zumindest eine Energie-Sendeantenne (3) so ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass sie das Feldgerät (2) bzw. die Feldgeräte kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen mit Energie versorgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System mit zumindest einer Energie-Sendeantenne und zumindest einem Feldgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in einer Prozessanlage.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, 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.
In modernen Prozessanlagen erfolgt die Kommunikation zwischen zumindest einer übergeordneten Steuereinheit und den Feldgeräten in der Regel über ein Bussystem, wie beispielsweise Profibus^® PA, Foundation Fieldbus^® oder HART^®. Die Bussysteme können sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgestaltet sein. Die übergeordnete Steuereinheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte und wird auch als Konfigurier-/Managementsystem bezeichnet. Programme, die auf übergeordneten Einheiten eigenständig ablaufen, sind beispielsweise das Bedientool FieldCare der Firmengruppe Endress + Hauser, das Bedientool Pactware, das Bedientool AMS von Fisher-Rosemount oder das Bedientool PDM von Siemens. Bedientools, die in Leitsystem-Anwendungen integriert sind, sind das PCS7 von Siemens, das Symphony von ABB und das Delta V von Emerson. Unter dem Begriff 'Bedienen von Feldgeräten' wird insbesondere das Konfigurieren und Parametrieren von Feldgeräten, aber auch die Diagnose zwecks frühzeitiger Erkennung von Fehlern an den Feldgeräten oder im Prozess verstanden.
Standardmäßig werden die Feldgeräte in der Automatisierungstechnik über Leitungen mit Energie versorgt. Hierbei ist es üblich, dass die Kommunikation und die Energieversorgung entweder über dieselben Leitungen erfolgen, oder dass die Leitungen zur Energieversorgung von den Kommunikationsleitungen getrennt sind. Die Energieübertragung über Kabel bzw. über drahtgebundene Verbindungsleitungen hat neben dem Vorteil der geringen Übertragungsverluste aber auch einige Nachteile:

– Leitungsgebundene EMV-Störungen (leitungsgebundene elektromagnetische Verträglichkeit-Störungen) gelangen über das Kabel bzw. die Verbindungsleitung direkt zum Feldgerät;
– Die Energie ist durch Ex-Barrieren zwischen den Baugruppen begrenzt, da Kontaktstellen an Luft vorhanden sind;
– Die Feldgeräte weisen keine oder nur eine sehr begrenzte Mobilität auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, EMV-Störungen bei Feldgeräten der Automatisierung, insbesondere der Prozessautomatisierung auszuschließen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jedem Feldgerät zumindest eine Energie-Empfangsantenne zugeordnet ist und dass räumlich beabstandet von der Energie-Empfangsantenne eine Energie-Sendeantenne vorgesehen ist. Weiterhin sind die Energie-Sendeantenne und die Energie-Empfangsantenne so ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass das Feldgerät bzw. die Feldgeräte kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen mit Energie versorgt werden.
Die zuvor genannten Nachteile einer leitungsgebundenen Energieübertragung werden durch die erfindungsgemäße Lösung umgangen. Erfindungsgemäß werden leitungsgebundene EMV-Störungen komplett ausgeschaltet. Sehr vorteilhaft ist darüber hinaus, dass bei den Feldgeräten die Leistungs-versorgung komplett und galvanisch von der Sensorelektronik getrennt ist. Dies erleichtert und vereinfacht den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich, da leistungsverbrauchende Ex-Begrenzungen eingespart werden können. Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil, dass durch die räumliche Trennung automatisch auch eine klimatische Entkopplung erreicht wird.
Bevorzugt kommt als die der Energie-Sendeantenne und der Energie-Empfangsantenne zugrunde liegende Technologie die WREL Technik ”Wireless Resonant Energy Link” zum Einsatz. Mit dieser drahtlosen Energieübertragung per Resonanz ist es möglich, auch über größere Distanzen Energie von einer Energie-Sendeantenne zu einer Energie-Empfangsantenne zu übertragen. Das Grundprinzip der WREL Technologie beruht auf dem Phänomen der Resonanz: Ein WREL Empfänger kann mit einer Drahtspule aus einem Magnetfeld Energie aufnehmen, wenn sie von einem Sender über eine Drahtspule mit der entsprechenden Frequenz ausgestrahlt wird. Hierbei bestimmt der WREL Empfänger durch seine Größe exakt die gewünschte Stromstärke und Spannung. Weiterhin strahlt die WREL Sendeantenne stets nur so viel Energie aus, wie von der Empfangsantenne angefordert wird. Innerhalb des Ansprechbereichs der Sendeantenne kann die Position der Empfangsantenne geändert werden, ohne dass die Güte der Energieübertragung dadurch leidet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass das zumindest ein Feldgerät mit der zumindest einen Energie-Empfangsantenne im explosionsgefährdeten Bereich angeordnet ist. Auch dies ist problemlos möglich, da wie gesagt nur soviel Energie von der Energie-Sendeantenne in den explosionsgefährdeten Bereich zu dem Feldgerät übersandt wird, wie von dem entsprechend dimensionierten Feldgerät benötigt wird. Das Ex-Gerät ist so ausgelegt, dass sein Einsatz im explosions-gefährdeten Bereich möglich ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht eine übergeordnete Steuereinheit vor, die außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet ist. Bei der übergeordneten Steuereinheit handelt es sich beispielsweise um eine SPS, eine speicherprogrammierbare Steuerung, oder eine PCS, ein Prozessleitsystem. In einer ersten Ausführungsform ist die Energie-Sendeantenne der Steuereinheit zugeordnet, insbesondere ist sie in der Steuereinheit integriert. Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Energie-Sendeantenne außerhalb der Steuereinheit im explosionsgefährdeten Bereichs bzw. in dessen unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass mittels der übergeordneten Energie-Sendeantenne eine Vielzahl von Feldgeräten mit Energie versorgt werden können. Hierzu strahlt die Energie-Sendeantenne die Energie mit der Frequenz ab, die dann gezielt von den entsprechend ausgestalteten Energie-Empfangsantennen, die den einzelnen Feldgeräten zugeordnet sind, empfangen und für die Energieversorgung des entsprechenden Feldgeräts genutzt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Kommunikation zwischen der übergeordneten Steuereinheit und dem Feldgerät über eine Funkverbindung (W-LAN, BlueTooth, GSM/GPRS-Modem ...) oder drahtgebunden erfolgt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur 1 näher erläutert. 1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems 1. Das System 1 besteht zumindest aus einer Energie-Sendeantenne 3 und zumindest einem Feldgerät 2. Das Feldgerät 2 dient bevorzugt zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in einer Prozessanlage. Eine ausführliche Definition des Begriffs Feldgeräts findet sich in der Beschreibungseinleitung der vorliegenden Patentanmeldung. Im Prinzip kann jede in der Automatisierungsanlage befindliche Komponente erfindungsgemäß, ohne Verbindungsleitungen einzusetzen, mit Energie versorgt werden.
Dem Feldgerät 2 ist eine Energie-Empfangsantenne 4 zugeordnet. Die Energie-Sendeantenne 3 und die Energie-Empfangsantenne 4 sind räumlich voneinander beabstandet. Die Energie-Sendeantenne 3 und die Energie-Empfangsantenne 4 sind so aufeinander abgestimmt, dass die zum Feldgerät 2 übertragene Energie ausreicht, das Feldgerät 2 mit Energie zu versorgen. Die Energieversorgung erfolgt entweder kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Datenübertragung zwischen der übergeordneten Steuereinheit 5 und dem Feldgerät über eine Funkverbindung 6. Alternativ ist auch eine leitungsgebundene Datenübertragung möglich.
Da über die Auslegung und Dimensionierung der Energie-Empfangsantenne 4 die maximal zum Feldgerät 2 übertragene Energie definiert ist, ist es problemlos möglich, das Feldgerät 2 mit der Energie-Empfangsantenne 4 im explosionsgefährdeten Bereichs anzuordnen.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Energie-Sendeantenne 3 der übergeordneten Steuereinheit 5 zugeordnet ist. Insbesondere ist die Energie-Sendeantenne 3 in der übergeordneten Steuereinheit 5 integriert.
Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen System 1 angesehen, wenn die Energie-Sendeantenne 3, die entweder der übergeordneten Steuereinheit 5 zugeordnet oder die als separate Einheit ausgestaltet ist, eine Vielzahl von Feldgeräten 2 gleichzeitig mit Energie versorgt. Hierzu ist jedem der Feldgeräte 2 eine Energie-Empfangsantenne 4 zugeordnet, wobei die einzelnen Energie-Empfangsantennen 4 eine entsprechende Empfangsfrequenz aufweisen. Hierdurch ist es möglich, dass die Feldgeräte 2 gezielt von der Energie-Sendeantenne 3 über die entsprechende Resonanzfrequenz mit Energie versorgt werden können. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 5 die Energie-Sendeantenne bzw. die Energie-Sendeantennen getaktet betreiben, so dass die Energie in Abhängigkeit von dem jeweiligen aktuellen Bedarf der Feldgeräte 2 in der Automatisierungsanlage zur Verfügung gestellt werden kann.
Als vorteilhaft wird es darüber hinaus angesehen, wenn jedem der Feldgeräte 2 ein Energiespeicher, z. B. ein Akku zugeordnet ist. Hierdurch ist die Energieversorgung auch dann noch gewährleistet, wenn aus irgendeinem Grund die Energieversorgung gestört ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Energieversorgung auf der Funkstrecke durch einen Störer, z. B. einen Stapler oder dergleichen, kurzzeitig abgeschattet wird.
Bei der drahtlosen Energieübertragung handelt es sich um zwei oder um mehrere gekoppelte Resonanzspulen. Hierbei stellt eine der Spulen die Energiequelle bzw. den Energiesender dar und die andere Spule bzw. die anderen Spulen stellen die Energiesenke/Energiesenken bzw. den Energieempfänger/die Energieempfänger dar. Die Sendespule wird bevorzugt mit einer hochfrequenten Wechselspannung in der Größenordnung von 10 MHz gespeist. Empfängerspulen, die sich in einer geeigneten Distanz zu der Sendespule befinden und die die entsprechende Resonanzfrequenz haben, können Energie aus der Sendespule empfangen. Hierbei wird stets nur soviel Energie übertragen, wie von der Empfängerspule aktuell benötigt wird. An Empfängerspulen, deren Resonanzfrequenz nicht zur Sendefrequenz der Sendespule passt, wird keine Energie übertragen.
Das erfindungsgemäße System weist die folgenden Vorteile auf:

– Leitungsgebundene EMV-Störungen werden eliminiert;
– Eine durch Ex-Barrieren verursachte Energiebegrenzung entfällt;
– Innerhalb des Ansprechbereichs der Energie-Sendeantenne kann die Position eines Feldgeräts beliebig verändert werden, was insbesondere bei mobil eingesetzten Feldgeräten von erheblichem Vorteil ist.

Claims

System (1) mit zumindest einer Energie-Sendeantenne (3) und zumindest einem Feldgerät (2) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in einer Prozessanlage, wobei zumindest eine Energie-Empfangsantenne (4) jedem Feldgerät (2) zugeordnet ist, wobei die zumindest eine Energie-Sendeantenne (3) und die Energie-Empfangsantenne (4) bzw. die Energie-Empfangsantennen räumlich voneinander beabstandet sind, und wobei die zumindest eine Energie-Sendeantenne (3) so ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass sie das Feldgerät (2) bzw. die Feldgeräte kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen mit Energie versorgt.
System nach Anspruch 1, wobei das zumindest ein Feldgerät (2) mit der zumindest einen Energie-Empfangsantenne (4) im explosionsgefährdeten Bereich angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine übergeordnete Steuereinheit (5) vorgesehen ist, die außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs vorgesehen ist, und wobei die Energie-Sendeantenne (3) der übergeordneten Steuereinheit (5) zugeordnet ist.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Feldgeräte, wobei über die übergeordnete Energie-Sendeantenne (3) eine Vielzahl von Feldgeräten (2) mit Energie versorgt werden.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 4, wobei jedem der Feldgeräte (2) eine Energie-Empfangsantenne (4) zugeordnet ist, wobei die einzelnen Energie-Empfangsantennen (4) eine entsprechende Empfangsfrequenz aufweisen, so dass die Feldgeräte (2) gezielt von der Energie-Sendeantenne (3) über die entsprechenden unterschiedlichen Frequenzen mit Energie versorgbar sind.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommunikation zwischen der übergeordneten Steuereinheit (5) und dem Feldgerät (2) über eine Funkverbindung (6) oder drahtgebunden erfolgt.