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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einsatz in einer Anlage der Automatisierungstechnik. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zum Überwachen einer Anlage der Automatisierungstechnik, welches System die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Prozessautomatisierung ebenso wie in der Fertigungsautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. So werden Feldgeräte zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen verwendet. Zur Erfassung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, bzw. Sensoren. Diese werden beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, pH-Messung, Füllstandmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren verwendet. Diese sind beispielsweise Pumpen oder Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohr oder den Füllstand in einem Behälter beeinflussen können. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind.
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Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress+Hauser-Gruppe produziert und vertrieben.
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In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Kommunikationsnetzwerke wie beispielsweise Feldbusse (Profibus®, Foundation® Fieldbus, HART®, etc.) mit übergeordneten Einheiten verbunden. Bei den übergeordneten Einheiten handelt es sich um Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder einen PLC (Programmable Logic Controller). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messwerte werden über das jeweilige Bussystem an eine (oder gegebenenfalls mehrere) übergeordnete Einheit(en) übermittelt, die die Messwerte gegebenenfalls weiterverarbeiten und an den Leitstand der Anlage weiterleiten. Der Leitstand dient zur Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung und Prozessteuerung über die übergeordneten Einheiten. Daneben ist auch eine Datenübertragung von der übergeordneten Einheit über das Bussystem an die Feldgeräte erforderlich, insbesondere zur Konfiguration und Parametrierung von Feldgeräten sowie zur Ansteuerung von Aktoren.
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Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung hinsichtlich der Schlagworte „Internet of Things (loT)“ und „Industrie 4.0“, welche auch vor Komponenten von Prozessanlagen nicht Halt macht, besteht ein erhöhter Bedarf, Daten von Feldgeräte, insbesondere Messdaten, Diagnosedaten, Parameterwerte, etc. an zentraler Stelle verfügbar zu machen und aus diesen Daten einen Mehrwert zu schaffen (Schlagworte hierfür sind „Big Data Analysis“, „Predictive Maintenance“, etc.). Unter der zentralen Stelle wird häufig eine über das Internet kontaktierbare Datenbank, insbesondere eine sogenannte Cloud-fähige Datenbank, verstanden.
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Zukünftig ist vorgesehen, dass die Mehrzahl der auf dem Markt verfügbaren Feldgeräte eine Ethernet-Schnittstelle aufweist. Mittels Ethernet ist eine einfach Kommunikation der Feldgeräte mit dem Internet möglich. Die Mehrzahl der heute noch im Einsatz befindlichen und/oder auf dem Markt erhältlichen Feldgeräte besitzt jedoch noch keine solche Ethernet-Schnittstelle, also keine Möglichkeit der direkten Verbindung zum Internet. Ein nachträglicher Einbau einer Ethernet-Schnittstelle ist entweder mit hohem Aufwand und Kosten verbunden, oder je nach Feldgerätemodell überhaupt nicht möglich (aufgrund von Inkompatibilitäten sowohl der Hardware als auch der Software). Jedoch besitzt mittlerweile eine große Zahl von Feldgeräten eine Bluetooth-Schnittstelle, welche insbesondere zum Konfigurieren und zur Diagnose verwendet wird.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein System vorzustellen, welches es erlauben, Daten von Feldgeräten einer Anlage der Prozessautomatisierung an zentraler Stelle verfügbar zu machen, ohne die Feldgeräte aufwändig nachträglich aufrüsten zu müssen.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Einsatz in einer Anlage der Automatisierungstechnik gelöst, wobei die Anlage eine Vielzahl von Feldgeräten aufweist, wobei die Vorrichtung eine Funkschnittstelle, eine Ethernet-Schnittstelle, über welche die Vorrichtung an ein drahtgebundenes Ethernet-Netzwerk angeschlossen ist, und eine Protokollwandlungselektronik umfasst, und wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, mittels der Funkschnittstelle auf zumindest eines der Feldgeräte zuzugreifen und auf dem Feldgerät verfügbare, bzw. von dem Feldgerät generierte Daten auszulesen, die ausgelesenen Daten mittels der Protokollwandlungselektronik in ein Ethernetprotokoll-konformes Datenformat zu konvertieren, und die konvertierten Daten über die Ethernet-Schnittstelle zumindest einem weiteren Teilnehmer des Ethernet-Netzwerks bereitzustellen.
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Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass mit Hilfe der Vorrichtung Daten von Feldgeräten über einen separaten Kommunikationskanal ausgelesen werden können und direkt mittels der Vorrichtung konvertiert und über ein Ethernet-Kommunikationsnetzwerk versendet werden können. Ein Aufrüsten der Feldgeräte mit zusätzlichen Ethernet-Kommunikationsschnittstellen ist nicht notwendig.
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Die Feldgeräte sind für gewöhnlich über einen Feldbus mit übergeordneten Einheiten verbunden und tauschen mit diesen Daten aus. Da die Feldgeräte zusätzlich eine Funkeinheit, entweder integriert in der Feldelektronik oder per zusätzlichen Adaptern, aufweisen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die Daten auslesen, ohne den Feldbus zu belasten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere als Gateway oder als Bridge realisiert sein.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk Power-over-Ethernet (PoE) nach dem IEEE-Standard 802.3 ermöglicht. In diesem Fall sind die Datenleitungen, also die physischen Kabel des Ethernet-Kommunikationsnetzwerks, als Zweidrahtleitung ausgestaltet, über die sowohl die über das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk ausgetauschten Daten, als auch die Stromversorgung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt. In diesem Fall benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung keine separate Energieversorgung.
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Feldgeräte, welche im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannt sind, wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft genannt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, im Ex-Bereich betrieben zu werden. Für einen Ex-Bereich, also einen explosionsgefährdeten Bereich einer Anlage, bestehen besondere Sicherheitsanforderungen an die Vorrichtung. So benötigt diese ein Gehäuse, welches keine Umgebungsmedien, beispielsweise Gase, in das Innere der Vorrichtung gelangen lässt. Des Weiteren darf die Vorrichtung für ihren Betrieb nur eine geringe elektrische Leistung benötigen, um die Gefahr eines Kurzschlusses aufgrund von Wärmeentwicklung oder aufgrund der elektrischen Versorgungsleitungen auszuschließen. Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ihre zum Betrieb benötigte Energie aus dem Ethernet-Kommunikationsnetzwerk bezieht (mittels PoE), dürfen die Datenleitungen nicht mehr als 100 mA Stromstärke übermitteln.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der Funkschnittstelle um eine Bluetooth-Funkschnittstelle. Insbesondere wird das Protokoll „Bluetooth Low Energy“ zur Funkübertragung verwendet. Es kann sich bei der Funkschnittstelle alternativ um eine Funkschnittstelle mit einem beliebigen gebräuchlichen Funkprotokoll und Physical Layer, insbesondere ZigBee, WLAN, etc., handeln. Selbstverständlich müssen die Feldgeräte zur Funkschnittstelle der Vorrichtung korrespondierende Funkschnittstellen aufweisen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass es sich bei dem Ethernet-Protokoll entweder um ein Industrial-Ethernet-Protokoll, beispielsweise Profinet, Ethernet/IP oder HART-IP, oder um ein Ethernet-TCP/IP-Protokoll handelt. Es kann aber auch jedes weitere Ethernet-Protokoll verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Speichereinheit aufweist, welche die ausgelesenen Daten vor dem Übermitteln über die Ethernet-Schnittstelle zwischenspeichert. Die Daten können je nach Bedarf vor dem Übermitteln mit Zusatzinformationen, beispielsweise einem Zeitstempel oder der Identifikation des Feldgeräts (beispielsweise dem TAG des Feldgeräts) versehen werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, die ausgelesenen Daten verschlüsselt, bzw. digital signiert zu übermitteln. Hierfür wird beispielsweise ein SSL(Secure Sockets Layer)-, bzw. TSL(Transport Layer Security)-Verschlüsselungsprotokoll verwendet. Zusätzlich oder alternativ werden die beteiligten Komponenten, also die erfindungsgemäße Vorrichtung und der weitere Teilnehmer in ein virtuelles privates Netzwerk (VPN) eingebunden, über welches die Daten übertragen werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass es sich bei den Daten um statische Gerätedaten, insbesondere Parameterwerte und/oder Konfigurationsdaten, und/oder dynamische Gerätedaten, insbesondere Messwerte und/oder Diagnosewerte, handelt.
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Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein System zum Überwachen einer Anlage der Automatisierungstechnik gelöst, welches System umfasst:
- - Eine Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche;
- - Ein Ethernet-Kommunikationsnetzwerk; und
- - Eine Versorgungseinheit, welche mit dem Ethernet-Kommunikationsnetzwerk verbunden ist und welche dazu ausgestaltet ist, zumindest die Vorrichtung über das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk mit ihrer zum Betrieb benötigen elektrischen Energie zu versorgen.
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Bei der Versorgungseinheit handelt es sich beispielsweise um eine Spannungsversorgung, welche an einen Ethernet-Switch angeschlossen ist. Der Ethernet-Router verteilt die von der Spannungsversorgung bereitgestellte elektrische Energie über das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen System ist zumindest ein weiterer Teilnehmer des Ethernet-Netzwerks vorgesehen, wobei der weitere Teilnehmer zum Empfangen von der Vorrichtung übermittelten Daten ausgestaltet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen System handelt es sich bei dem weiteren Teilnehmer um eine Steuereinheit oder um einen Workstation-PC. Dieser befindet sich bevorzugt in Anlagennähe.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass es sich bei dem weiteren Teilnehmer um eine Datenbank, insbesondere in dem Falle, dass das Ethernet-Netzwerk an das Internet angeschlossen ist, um eine in einer über das Internet kontaktierbare Cloud-Umgebung eingebettete Datenbank, handelt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen System ist vorgesehen, dass das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk Datenleitungen zur Übermittelung von Daten und elektrischer Energie aufweist, wobei die Datenleitungen als Zwei-Leiter-Datenleitungen gemäß dem IEEE-Standard 802.3 ausgestaltet sind.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1: einen schematischen Überblick über ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt einen schematischen Überblick über ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In einer Anlage der Prozessautomatisierung sind eine Vielzahl von Feldgeräten F1, ..., F7 implementiert. Beispiele und Funktionen solcher Feldgeräte F1, ..., F7 sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft beschrieben worden. Die Feldgeräte F1, ..., F7 sind mittels eines nicht abgebildeten Feldbusses untereinander und mit zumindest einer übergeordneten Einheit verbunden und übersenden dieser die aktuellen Prozesswerte und/oder, im Falle eines Auftreten eines Fehlers, Diagnosedaten.
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Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise „Predictive Maintenance“, also dem Vorhersagen eines Fehlerfalles von einem der Feldgeräte F1, ..., F7, ist es nötig, Daten der Feldgeräte F1, ..., F7 über einen langen Zeitraum zu erheben, zu speichern und zu analysieren. Häufig ist die Infrastruktur der Anlage hierfür nicht geeignet. Insbesondere wenn eine ältere Anlage anstelle eines Feldbusses 4-20 mA-Stromschleifen aufweist, sind lediglich die Primärvariablen der von den Feldgeräten F1, ..., F7 erhobenen Prozesswerte erfassbar.
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Als zusätzliche Kommunikationsmöglichkeit weisen die Feldgeräte F1, ..., F7 Bluetooth-Kommunikationsschnittstellen auf. Mittels dieser sind die Daten der Feldgeräte F1, ..., F7 von einer Vorrichtung 1 abrufbar. Bei der Vorrichtung 1 handelt es sich insbesondere um ein Gateway, einen Router oder um eine Bluetooth-Bridge. Die Vorrichtung 1 weist selbst eine Bluetooth-Kommunikationsschnittstelle 1.1 auf, mittels derer die Vorrichtung die besagten Daten der Feldgeräte F1, ..., F7 über eine Bluetooth-Funkverbindung auslesen kann. Hierbei kann vorab festgelegt werden, in welcher Regelmäßigkeit die Vorrichtung 1 die Daten der Feldgeräte F1, ..., F7 ausliest. Beispielsweise kann für jedes Feldgerät F1, ..., F7 das Auslesen zu definierten Zeitintervallen initiiert werden, oder durch einen Anwender instantan ausgelöst werden. Außerdem kann festgelegt werden, welche spezifischen Daten eines jeweiligen Feldgeräts F1, ..., F7 ausgelesen werden.
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Die ausgelesenen Daten werden einer Protokollumwandlungseinheit 1.3 zugeführt. Diese konvertiert die ausgelesenen Daten in ein Ethernet-Protokoll konformes Format. Anschließend können die Daten in einer Speichereinheit 1.4 der Vorrichtung zwischengespeichert werden. Zusätzlich können die Daten weiter vorverarbeitet werden. Unter dem Begriff Vorverarbeiten wird beispielsweise verstanden, dass die Daten gefiltert werden, oder dass diesen Daten weitere Informationen, wie beispielsweise Zeitstempel oder Identifikationsinformationen desjenigen Feldgeräts F1, ..., F7, von welchem die Daten stammen, hinzugefügt werden.
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Über eine Ethernet-Schnittstelle 1.2 ist die Vorrichtung 1 mit einem Ethernet-Kommunikationsnetzwerk 2 verbunden. Die ausgelesenen, bzw. zwischengespeicherten Daten werden einem weiteren Teilnehmer 4 des Ethernet-Kommunikationsnetzwerks 2 zur Verfügung gestellt. In 1 stellt eine Datenbank 4 diesen weiteren Teilnehmer 4 dar. Die Daten werden von der Vorrichtung 1 über das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk 2 an den weiteren Teilnehmer 4 übermittelt. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 die Daten an den weiteren Teilnehmer 4, bzw. die Datenbank 4 übermittelt, aber auch, dass der weitere Teilnehmer 4, bzw. die Datenbank 4 die bereitgestellten Daten abruft. Die Vorrichtung 1 kann hierbei derart konfiguriert werden, dass das Übermitteln der Daten zu definierten Zeitpunkten erfolgt. Alternativ können die Daten aber auch per Befehl eines Anwenders übertragen werden.
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Die Datenbank 4 ist hierbei in einer Cloud-Umgebung eingebettet und für einen Anwender mittels des Internets kontaktierbar. Die auf der Datenbank 4 gespeicherten Daten können dadurch von dem Anwender eingesehen werden, bzw. heruntergeladen und weiterverarbeitet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass diese Datenbank 4 die Möglichkeit zur Ausführung von Anwendungsapplikationen bereitstellt. Eine Anwendungsapplikation kann hierfür auf die Datenbank 4 geladen werden und von dieser ausgeführt werden. Beispielsweise handelt es sich bei einer solchen Anwendungsapplikation um „Predictive Maintenance“-Berechnungen oder um Big Data-Analyseverfahren.
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Aus Sicherheitsgründen wird zu Übermittlung der Daten von der Vorrichtung 1 an den weiteren Teilnehmer 3 beispielsweise ein SSL(Secure Sockets Layer)-, bzw. TSL(Transport Layer Security)-Verschlüsselungsprotokoll verwendet. Zusätzlich oder alternativ werden die beteiligten Komponenten, also die Vorrichtung 1 und der weitere Teilnehmer 3 in ein virtuelles privates Netzwerk (VPN) eingebunden, über welches die Daten übertragen werden.
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Die Energieversorgung der Vorrichtung 1 erfolgt insbesondere über das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk 2 selbst. Das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk 2 ermöglicht hierfür Power-over-Ethernet (PoE) nach dem IEEE-Standard 802.3. In diesem Fall sind die Datenleitungen, also die physischen Kabel des Ethernet-Kommunikationsnetzwerks 2, als Zweidrahtleitung ausgestaltet, über die sowohl die Übermittlung der Daten, als auch die Stromversorgung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erfolgt. Eine Versorgungseinheit 3 liefert hierbei die benötigte elektrische Energie. Bei der Versorgungseinheit 3 handelt es sich beispielsweise um eine Spannungsversorgung, welche an einen Ethernet-Switch angeschlossen ist. Der Ethernet-Switch verteilt die von der Spannungsversorgung 3 bereitgestellte elektrische Energie über das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk 2.
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In einem ersten Fall, in 1 als a) bezeichnet, befindet sich die Vorrichtung 1 in einer unkritischen Stelle der Anlage. Die Vorrichtung 1 benötigt keine sicherheitsrelevante Ausgestaltung und kann mit einer relativ hohen elektrischen Energie über das Ethernet-Kommunikationsnetzwerk 2 betrieben werden.
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In einem zweiten Fall, in 1 als b) bezeichnet, befindet sich die Vorrichtung 1 in einem explosionsgefährdeten Teil der Anlage.
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Für einen Ex-Bereich, also einen explosionsgefährdeten Bereich einer Anlage, sind besondere Sicherheitsanforderungen, einen Ex-Schutz, an die Vorrichtung 1 gestellt. So benötigt diese ein Gehäuse, über welches keine Umgebungsmedien, beispielsweise Gase, in das Innere der Vorrichtung gelangen können. Des Weiteren erfordert ein Ex-Schutz eine geringe Betriebsleistung der Vorrichtung 1, um die Gefahr eines Kurzschlusses aufgrund von Wärmeentwicklung oder aufgrund der elektrischen Versorgungsleitungen auszuschließen. Beispielsweise dürfen die Datenleitungen nicht mehr als 100 mA Stromstärke an die Vorrichtung 1 übermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung, Bluetooth-Bridge
- 1.1
- (Bluetooth-)Funkschnittstelle
- 1.2
- Ethernet-Schnittstelle
- 1.3
- Protokollwandlungselektronik
- 1.4
- Speichereinheit
- 2
- Ethernet-Kommunikationsnetzwerk
- 3
- Versorgungseinheit
- 4
- Weiterer Teilnehmer
- F1, ..., F7
- Feldgeräte