DE102016202106B4

DE102016202106B4 - Verfahren zur Inbetriebnahme eines Sensors der Automatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102016202106B4
Application number: DE102016202106.0A
Authority: DE
Inventors: Werner Hoch
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2036-02-13
Also published as: DE102016202106A1

Abstract

Verfahren zur Inbetriebnahme eines Sensors (1) der Automatisierungstechnik, der mehrere separat schaltbare elektrische Verbrauchermodule (2, 4, 5, 10) aufweist, die von einem Mikrocontroller (3) angesteuert und geschaltet werden, wobei ein Verbrauchermodul als Testmodul (10) ausgebildet ist, dessen Last über den Mikrocontroller (3) einstellbar ist,
mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Verbinden des Sensors (1) mit einer externen Spannungsquelle
b) Starten des Mikrocontrollers (3)
c) Erfassen der intern zur Verfügung stehende Versorgungsspannung U_B, die für die einwandfreie Funktion des Sensors (1), d.h. wenn alle Verbrauchermodule (2, 4, 5) bis auf das Testmodul (10) eingeschaltet sind, eine Minimalspannung U_min nicht unterschreiten darf
d) Einschalten des Testmoduls (10), wobei die Last des Testmoduls (10) der Last eines ersten Verbrauchermoduls entspricht
e) Ermittlung der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung U_B
f) Abschalten des Testmoduls (10), Einschalten des ersten Verbrauchermoduls und Wiederholung des Verfahrens ab Schritt d) analog für alle Verbrauchermodule (2, 4, 5), falls U_B ≥ U_min,
oder
Abbruch des Inbetriebnahmevorgangs, falls U_B < U_min.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Sensors der Automatisierungstechnik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Modular aufgebaute Sensoren für die Automatisierungstechnik sind seit langem bekannt und werden von der Anmelderin für die verschiedensten Anwendungen hergestellt und vertrieben. Die Erfindung geht dabei insbesondere von Sensoren für die Prozesstechnik aus, die zur Messung von Druck, Strömung bzw. Durchfluss, Temperatur und Füllständen in Rohrleitungen, Behältern oder dergleichen eingesetzt werden.
Der grundsätzliche Aufbau dieser Sensoren umfasst im Wesentlichen zumindest einen Messwandler und einen Mikrocontroller. Zusätzliche verfügen viele Sensoren darüber hinaus noch über eine Spannungsregeleinheit, eine digitale oder analoge Kommunikationsschnittstelle und/oder eine Anzeige-/ Bedieneinheit. Der Messwandler ist dafür vorgesehen, eine physikalische Größe zu erfassen und daraus ein Messsignal zu generieren. Anschließend wird dieses Messsignal im Mikrocontroller verarbeitet, z.B. mit voreingestellten Schwellwerten verglichen oder in verschiedene Einheiten (bspw. bar, psi) umgerechnet, und sofern vorhanden über die digitale Kommunikationsschnittstelle oder als 4-20 mA-Signal und/oder in der Anzeige ausgegeben.
In dem Mikrocontroller läuft, während der Sensor im Betrieb ist, ein Steuerprogramm ab. Bei der Inbetriebnahme des Sensors werden durch dieses Steuerprogramm die einzelnen Module sequentiell aktiviert, d.h. es läuft eine Inbetriebnahme-Sequenz mit mehreren Teilschritten ab.
Eine zu lange Leitung mit entsprechend hohem Leitungswiderstand oder ein zu schwaches Netzteil oder wenn der Sensor falsch angeschlossen wird führt dazu, dass der Sensor nicht ordnungsgemäß hochgefahren werden kann, d.h. der Inbetriebnahmevorgang wird unerwartet abgebrochen und wieder von vorn begonnen. Der Sensor befindet sich dann in einer Endlosschleife und für den Anwender ist dabei nicht sofort ersichtlich, worin der Fehler liegt. Oftmals wird dann fälschlicherweise von einem defekten Sensor ausgegangen.
Aus der DE 10 2006 030 774 A1 ist das Überprüfen bzw. Überwachen einer ausreichenden Versorgungsspannung des Sensorsystems zur Sicherstellung eines einwandfreien Betriebs bekannt.
Ferner aus dem Stand der Technik vorbekannt, z.B. aus der DE 10 2005 048 464 A1 sowie der US 2014/0 176 166 A1 , ist das Verwenden von elektronischen Lasten zur Simulation von Komponenten bzw. Modulen eines elektronischen Systems bzw. zum Testen von Spannungs- oder Stromversorgungen, bspw. im Rahmen integrierter Schaltungen.
Aus der DE 43 14 127 A1 ist bekannt, einen realen, elektrischen Verbraucher mit einem digitalelektronischen Schaltwerk künstlich nachzubilden.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, den Inbetriebnahmevorgang eines in Rede stehenden Sensors zu verbessern.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass mittels eines Testmoduls in Form eines künstlichen Verbrauchers während des Inbetriebnahmevorgangs die Versorgungsleistung der Spannungsquelle vorab getestet wird, d.h. ob die anliegende Spannung ausreicht, den Sensor mit all seinen Verbrauchermodulen, wie Messwandler, Display oder diverse weitere Verbraucher, überhaupt versorgen zu können. Der Sensor schaltet dafür sequentiell die einzelnen Verbrauchermodule bzw. Funktionseinheiten zu und überprüft vor dem Zuschalten jedes Verbrauchermoduls mit Hilfe des Testmoduls bzw. künstlichen Verbrauchers und einer Spannungsmesseinheit, ob die Versorgungsspannung stabil bleibt, d.h. dass eine vorgegebene Mindestspannung nicht unterschritten wird. Erst bei einem positiven Überprüfungsergebnis wird dann das jeweilige Verbrauchermodul aktiv geschaltet. Bei einem negativen Überprüfungsergebnis könnte dem Anwender durch ein definiertes Blinken oder ein entsprechendes Kommunikationssignal, welche beide Male auch schon im Low-Power-Modus möglich sind, angezeigt werden, dass die Fehlerursache in der Versorgung zu suchen ist. Vorteilhafterweise wird die Art der Fehleranzeige der zur Verfügung stehenden Spannung angepasst.
Das Testmodul in Form einer künstlichen bzw. elektronischen Last ist hinsichtlich ihrer Stromaufnahme über den Mikrocontroller einstellbar. Dadurch ist es möglich, dass vor jedem Teilschritt die Last des Testmoduls auf den Verbrauchswert des einzuschaltenden Verbrauchermoduls eingestellt wird, um vor jedem Zuschalten eines Verbrauchermoduls dessen tatsächliche Stromaufnahme zu simulieren und damit der Spannungsüberprüfungseinheit reale Testbedingungen vorzugeben. Die genauen Werte für die Stromaufnahme der einzelnen Verbrauchermodule sind hierfür vorteilhafterweise im Mikrocontroller abgelegt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Last des Testmoduls schrittweise auf den Verbrauchswert des einzuschaltenden Verbrauchermoduls eingestellt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Testmodul ein bereits im Sensor vorhandenes Verbrauchermodul verwendet. Damit ließe sich ein Sensor mit den Vorteilen der Erfindung realisieren, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden, die die Herstellkosten erhöhen würden. Als Testmodul würde dann vorteilhafterweise das Verbrauchermodul gewählt werden, das die größte Stromaufnahme besitzt und das eine schrittweise Erhöhung der Stromzufuhr zulässt.
Die Erfindung stellt somit ein Verfahren dar, mit dem vor dem Zuschalten der einzelnen Verbrauchermodule die zu erwartende Belastung der Versorgungsspannung im Vorfeld simuliert wird, indem ein der zu erwartenden Belastung entsprechender Verbraucher als Testmodul schrittweise aktiviert und die Verträglichkeit dieser Belastung durch Messen der Versorgungsspannung festgestellt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Strom-Zeit-Diagramm, das die sequentielle Zuschaltung der einzelnen Verbrauchermodule des Sensors darstellt,
2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und
3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt ein Strom-Zeit-Diagramm, das die sequentielle Zuschaltung der einzelnen Verbrauchermodule des Sensors darstellt. Die Grundlage bildet dabei der Mikrocontroller 3. Danach wird in diesem Beispiel das Display 5 zugeschaltet, dann der eigentliche Messwandler 2 und schließlich noch diverse Stromverbraucher 4 des Sensors 1. Der Messwandler 2 umfasst dabei den Messaufnehmer zur Erfassung einer physikalischen Größe und Generierung eines Messsignals sowie eine für die Aufbereitung dieses Messsignals erforderliche Verstärkereinheit. Als Sensorverbraucher 4 sind diejenigen Funktionseinheiten innerhalb des Sensors 1 gemeint, die nicht unmittelbar für die Erfassung der Messgröße vorgesehen sind, aber die Rahmenbedingungen dafür schaffen, wie bspw. die Heizungseinheit bei kalorimetrischen Strömungsmessgeräten oder die Magnetfelderzeugungseinheit bei Magnetisch-Induktiven-Durchflussmessgeräten. Letztendlich ist die Reihenfolge, in der die einzelnen Verbrauchermodule bzw. Funktionseinheiten 2, 4, 5 zugeschaltet werden, und auch deren Anzahl in 1 nur beispielhaft gewählt und kann insbesondere abhängig vom Typ des jeweiligen Sensors 1 variieren.
Vor jedem Zuschalten eines Verbrauchermoduls 2, 4, 5 erfolgt eine Überprüfung der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung U_B, indem ein Testmodul 10 in Form einer elektronischen Last zugeschaltet wird. Die Versorgungsspannung U_B darf hierbei eine vorgegebene Minimalspannung U_min nicht unterschreiten. Ein typischer Wert für U_min ist bspw. 18 Volt.
Die Stromaufnahme des Testmoduls 10 wird nun stetig erhöht, wobei die maximale Stromaufnahme etwa der des zuzuschaltenden Verbrauchermoduls 2, 4, 5 entspricht. Vorteilhafterweise legt man die maximale Stromaufnahme etwas über die des zuzuschaltenden Verbrauchermoduls 2, 4, 5, um eine erhöhte Sicherheit zu erreichen, dass das später zugeschaltete Verbrauchermodul 2, 4, 5 auch in jedem Fall mit der erforderlichen Spannung versorgt werden kann. Die hierfür notwendige Information, wie hoch die jeweiligen Verbrauchswerte der einzelnen Verbrauchermodulmodule 2, 4, 5 sind, ist im Mikrocontroller 3 abgelegt, der auch das Zuschalten des Testmoduls 10 in Form einer elektronischen Last sowie der Verbrauchermodule 2, 4, 5 steuert. Typische Stromverbräuche sind bspw.: Controllerschaltung 2mA, Display 20mA, Messwandler 10mA, Sensorheizung 40mA. Der Anstieg und damit auch die Dauer der Zuschaltung der elektronischen Last 10 sind hierbei in 1 auch nur beispielhaft. Vorteilhafterweise sind die Anstiege aller Zuschaltungen gleich.
Durch das Diagramm wird nun deutlich, wie die sequentielle Zuschaltung der einzelnen Verbrauchermodule 2, 4, 5 erfolgt und wie sich dabei die vorgeschaltete künstliche Lastzuschaltung verhält.
In den 2 und 3 sind zwei alternative Ausführungsbeispiele dargestellt, die sich lediglich darin unterscheiden, dass das Testmodul 10 in der Ausführung gemäß 2 als separate Baugruppe in Form einer elektronischen Last dargestellt ist, während sie in 3 von einem vorhandenen Verbrauchermodul - vorliegend ein Sensorverbraucher 5 - übernommen wird.
Im Mittelpunkt beider Schaltbilder steht der Mikrocontroller 3, der mit den drei beispielhaften Modulen Messwandler 2, Sensorverbraucher 4 und Display 5 verbunden ist. Über den Spannungsregler 40 werden die Module 2, 4, 5 mit einer stabilisierten Betriebsspannung U_B versorgt. Die Diode 30 ist als Verpolschutz vorgesehen.
Als erster Schritt bei der Inbetriebnahme des Sensors 1 wird, nachdem der Sensor 1 mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist, der Mikrocontroller 3 aktiviert. Sobald der Mikrocontroller 3 in Betrieb ist, werden sequentiell die anderen Verbrauchermodul 2, 4, 5 zugeschaltet. Ausgehend vom Beispiel aus 1 wird nun das Display 5 zugeschaltet. Der Mikrocontroller 3 testet die Versorgung mit folgenden Verfahrensschritten:

1. Messen der Versorgungsspannung U_B mit der Spannungsüberwachung 20
2. Zuschalten der künstlichen, elektronischen Last 10
3. Messen der Versorgungsspannung U_B mit der Spannungsüberwachung 20 und überprüfen, ob die gemessene Spannung eine vorgegebene Minimalspannung U_min über- oder unterschreitet.

Die Messung der Versorgungsspannung mit der Spannungsüberwachung 20 erfolgt mittels eines Spannungsteilers und eines Analogeinganges im Mikrocontroller 3. Über den Spannungsteiler wird dem Mikrocontroller 3 ein fest vorgegebenes Spannungsverhältnis zugeführt. Der Mikrocontroller 3 ist dabei so programmiert, dass er dieses fest vorgegebene Spannungsverhältnis erwartet und eine Unterschreitung sofort als Fehler erkennt. Eine beispielhafte Dimensionierung könnte sein R₁ = 100 kOhm und R₂ = 10 kOhm. Das Zuschalten der künstlichen, elektronischen Last 10 erfolgt wie bereits geschildert vorteilhafterweise durch stetiges Erhöhen der Stromzufuhr. Dieses stetige Erhöhen wird erreicht durch ein PWM-Signal des Mikrocontrollers 3, d.h. konkret durch Änderung des Pulsweiten-Verhältnisses.
Sinkt die Versorgungsspannung U_B unter der elektronischen Last 10 als künstlichen Verbraucher unter den vorgegebenen Wert U_min kann der Sensor 1 darauf verschiedentlich reagieren: entweder der Sensor 1 wird nicht gestartet und verbleibt im Aus-Zustand oder er signalisiert mit einer stromsparenden Methode den Fehler, bspw. durch Blinken einer nicht weiter dargestellten LED im bzw. am Display 5 mit kleinem Tastverhältnis und in kurzen Pulsen. Ist die Versorgungsspannung U_B stabil, wird die künstliche Last 10 wieder deaktiviert und der eigentliche Verbraucher, vorliegend das Display 5, zugeschaltet.
Im nächsten Schritt wird der Messwandler 2 zugeschaltet. Wieder werden die eben genannten drei Verfahrensschritte durchgeführt. Sollten noch weitere Verbraucher vorhanden sein, wie z.B. eine Bedieneinheit, eine Kommunikationseinheit oder wie in 1 dargestellt ein Sensorverbraucher in Form einer Heizung, wird das Verfahren zur Inbetriebnahme für jedes Verbrauchermodul solange wiederholt, bis alle Verbrauchermodule des Sensors 1 gestartet sind und der Sensor 1 betriebsbereit ist.
Je nachdem, in welcher Phase des Inbetriebnahmevorgangs ein Fehler auftritt, kann die Art der Fehleranzeige variiert werden. So kann bspw. nach Aktivierung des Displays 5 nicht nur die o.g. LED blinken, sondern ein entsprechender Hinweistext im Display 5 erscheinen oder nach Aktivierung der Kommunikationseinheit ein entsprechendes Fehlersignal gesendet werden.
Im Unterschied zur Ausführung gemäß 2 wird die künstliche Last 10 in 3 nicht durch ein zusätzliches Bauelement gebildet, sondern diese Funktion wird durch ein bereits vorhandenes Verbrauchermodul übernommen. Vorteilhafterweise würde ein solches Verbrauchermodul gewählt werden, welches die größte Stromaufnahme besitzt und das eine schrittweise Erhöhung der Stromzufuhr zulässt. Ausgehend von dem Bsp. in 1 bietet sich hierfür der Sensorverbraucher in Form der Sensorheizung an. Der grundlegende Verfahrensablauf entspricht aber dem wie zuvor beschrieben.

Claims

Verfahren zur Inbetriebnahme eines Sensors (1) der Automatisierungstechnik, der mehrere separat schaltbare elektrische Verbrauchermodule (2, 4, 5, 10) aufweist, die von einem Mikrocontroller (3) angesteuert und geschaltet werden, wobei ein Verbrauchermodul als Testmodul (10) ausgebildet ist, dessen Last über den Mikrocontroller (3) einstellbar ist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Verbinden des Sensors (1) mit einer externen Spannungsquelle b) Starten des Mikrocontrollers (3) c) Erfassen der intern zur Verfügung stehende Versorgungsspannung U_B, die für die einwandfreie Funktion des Sensors (1), d.h. wenn alle Verbrauchermodule (2, 4, 5) bis auf das Testmodul (10) eingeschaltet sind, eine Minimalspannung U_min nicht unterschreiten darf d) Einschalten des Testmoduls (10), wobei die Last des Testmoduls (10) der Last eines ersten Verbrauchermoduls entspricht e) Ermittlung der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung U_B f) Abschalten des Testmoduls (10), Einschalten des ersten Verbrauchermoduls und Wiederholung des Verfahrens ab Schritt d) analog für alle Verbrauchermodule (2, 4, 5), falls U_B ≥ U_min, oder Abbruch des Inbetriebnahmevorgangs, falls U_B < U_min.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle U_B < U_min eine Fehleranzeige ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Art der Fehleranzeige danach richtet, welche Verbrauchermodule (2, 4, 5) bereits eingeschaltet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last des Testmoduls (10) schrittweise auf die Last des einzuschaltenden Verbrauchermoduls (2, 4, 5) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Testmodul (10) ein bereits im Sensor (1) vorhandenes Verbrauchermodul (2, 4, 5) verwendet wird.