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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät der Messtechnik und ein Verfahren zum Betreiben von Feldgeräten der Messtechnik.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Feldgeräten und Verfahren zum Betreiben von Feldgeräten bekannt. Solche Feldgeräte können bspw. Messgeräte, insbesondere als Füllstand- oder Grenzstandmessgeräte, Druckmessgeräte oder Temperaturmessgeräte ausgebildet sein.
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In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung.
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Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen Feldgeräten und übergeordneten Einheiten erfolgt häufig nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife beziehungsweise eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus-PA-Protokoll genannt.
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Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Alternativ kann nur die Energieversorgung über die Zweidrahtleitung erfolgen und die Signalübertragung auf einem separaten Weg, bspw. über Funk erfolgen.
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Aus dem Stand der Technik sind modular aufgebaute Feldgeräte bekannt, bei denen aus einer Mehrzahl von kombinierbaren Sensoren, Gehäusen, Elektronikeinheiten und Bedien- und/oder Anzeigeeinheiten ausgewählt und ein entsprechendes Feldgerät aufgebaut werden kann. Ein solches modulares Feldgerätekonzept wird bspw. von der Firma Vega Grieshaber KG angeboten. Kombinierbar sind in der Regel ein Sensor, ein entsprechendes Elektronikmodul, das eine Messwertverarbeitung und eine Schnittstelle zu einer Steuerung und ggf. einem verwendeten Feldbus bereitstellt, sowie verschiedene Anzeige- und/oder Bedieneinheiten. Die Sensoren, Elektronikmodule und Anzeige- und/oder Bedieneinheiten sind sowohl aneinander als auch an verschiedene verfügbare Gehäuse angepasst.
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Die Feldgeräte, insbesondere die Sensoren, die Elektronikeinheiten und die Bedien- und/oder Anzeigeeinheiten können empfindlich gegenüber elektromagnetischen Verunreinigungen/Störungen, die sich als Störspannungen und Störströme äußern, reagieren. Solche Störspannungen und -ströme können durch elektromagnetische Störungen, die bspw. durch im Umfeld des Feldgerätes liegende Motoren, oder Frequenzumrichter verursacht werden können, hervorgerufen werden und können bspw. Messungen negativ beeinflussen, oder sogar Komponenten des Feldgerätes, insbesondere elektronische Komponenten beschädigen oder zerstören.
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Elektromagnetische Störungen können über verschiedenen Kopplungsmechanismen auf ein Gerät einkoppeln, wobei das Phänomen je nach Übertragungsart der elektromagnetischen Störungen in zwei verschiedene Gruppen eingeteilt wird. Bei durch die Luft übertragenen Störsignalen spricht man von gestrahlten Störungen, während über Leitungen übertragene Störsignale als leitungsgebundene Störungen bezeichnet werden.
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Von Strahlungskopplung spricht man, wenn ein elektromagnetisches Feld diese Wirkung hervorruft. Dabei können elektrische Leiter eines Kabels oder auf Platinen als Antenne wirken und z. B. Radio- oder Funksignale empfangen, die auf dem Leiter als Störsignale entstehen. Es kann dabei noch die Art der Einkopplung der Störung unterschieden werden.
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Kapazitive Kopplung beschreibt die Beeinflussung durch ein elektrisches Feld, z. B. das Übersprechen auf parallel geführte Leiter in einem Kabel oder Kabelkanal oder parallel geführte Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Dieser Effekt kann z. B. zwischen parallelgeführten Leitungen mit hochohmigen Abschlussimpedanzen auftreten.
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Induktive Kopplung bezeichnet das Auftreten einer Störung aufgrund eines Magnetfelds. Die Induktive Kopplung entsteht durch die Wirkung eines Magnetfelds, bspw. in Leiterschleifen, z. B. zwischen parallelgeführten Leiterschleifen, die jeweils niederohmige Abschlussimpedanzen aufweisen.
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Beide Effekte können parallel auftreten.
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Bei leitungsgebundenen Störungen, wird von galvanischer Kopplung, technisch genauer, Impedanzkopplung, gesprochen. Diese entsteht an gemeinsamen Impedanzen des Störstromkreises mit dem Stromkreis, bspw. der Elektronik des Feldgerätes. Dies können gemeinsame Bauelemente oder Leitungsabschnitte beider Stromkreise sein, über die z.B. Ausgleichsströme fließen, die über die Impedanz des gemeinsamen Leitungsabschnitts Spannungen einkoppeln. Bei Leiterplatten entsteht eine Impedanzkopplung ggf. auch über nicht ausreichend dimensionierte Massebahnen und Stützkondensatoren.
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Leitungsgebundene elektromagnetische Störungen können bspw. durch das Schalten induktiver oder kapazitiver Lasten, oder durch induzierte leitungsgebundene Störungen hervorgerufen werden.
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Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezeichnet dabei die Fähigkeit eines technischen Geräts, andere Geräte nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Geräte gestört zu werden. Ein Block zur EMV kann dabei mehrere Schaltungselemente, bspw. eine Drossel, zur Sicherstellung der Unempfindlichkeit eines Geräts gegen elektromagnetische Störungen aufweisen.
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Zum Schutz gegen elektromagnetische Störungen/Verunreinigungen werden daher verschiedenen Maßnahmen getroffen. Diese Maßnahmen werden unter dem Begriff elektromagnetische Verträglichkeit zusammengefasst und umfassen beispielsweise Abschirmungen von Leitungen und Gehäusen sowie geeignete Erdungsmaßnahmen.
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Beispielsweise werden Schirmungen von Versorgungs- und/oder Kommunikationsleitungen des Feldgeräts oder der Prozessanschluss des Feldgeräts mit einem PE-Anschluss verbunden, um über diese Wege eingekoppelte elektromagnetische Verunreinigungen/Störungen auf Erdpotential abzuleiten.
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Der PE-Anschluss ist dabei mit einem sog. Schutzleiter verbunden, der als elektrischer Leiter z.B. zum Schutz gegen elektrischen Schlag, mit Erdpotential verbunden ist. Das Kurzzeichen für den Schutzleiter ist PE (englisch protective earth). Aufgabe des Schutzleiters in elektrischen Systemen ist der Schutz von Lebewesen im Falle eines Fehlers. Die Schutzmaßnahme Schutzerdung von elektrotechnischen Anlagen dient dazu, im Falle eines Schlusses eines aktiven (spannungsführenden) Leiters mit einem leitfähigen, berührbaren Teil (z. B. dem Gehäuse) dieses auf Erdpotenzial zu halten und so einen Stromfluss durch den (menschlichen) Körper gegen Erde zu verhindern oder zumindest zu verringern. Der PE-Leiter wird außerdem zur Ableitung von EMV-bedingten Verunreinigungen/Störungen verwendet.
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Wirken zu viele oder zu intensive EMV-Ereignisse, d.h. Verunreinigungen oder Störungen auf das Feldgerät ein, so kann dies zu einer Störung des Feldgeräts führen. Das bedeutet, dass das Feldgerät falsche oder keine Messwerte mehr liefert, oder elektronische Komponenten des Feldgerätes beschädigt, oder zerstört werden.
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Um eine Beschädigung oder Zerstörung von elektronischen Komponenten zu verhindern, schalten sich solche Feldgeräte bspw. bei EMV-Ereignissen, die bereits nahe an einer Beschädigung oder Zerstörung von Komponenten liegen, ab oder gehen in einen Störbetrieb, um die elektrischen Komponenten zu schützen. Bei Eintritt eines solchen Ereignisses wird ferner eine Störungsmeldung gesendet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Feldgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Feldgeräts derart weiterzubilden, dass Störungen weitestgehend vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Feldgeräts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche. Ein erfindungsgemäßes Feldgerät der Messtechnik, mit einem Sensor, einer dem Sensor nachgeschalteten Elektronik, wobei das Feldgerät wenigstens einen PE-Anschluss aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Feldgerät eine Messeinrichtung zur Erfassung von über den PE-Anschluss fließenden Signalen aufweist.
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Durch eine derartige Messeinrichtung wird es ermöglicht, Signale, die über den PE-Anschluss abfließen, zu erfassen und weiter zu verarbeiten, bspw. können diese nach deren Amplitude und Häufigkeit quantifiziert oder anderweitig ausgewertet werden. Durch eine derartige Erfassung kann schon bevor das Feldgerät in einen Störungszustand schaltet eingegriffen werden.
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Die Messeinrichtung kann bspw. als Strommesseinrichtung ausgebildet sein, sodass die Signale nach deren Stromstärke und Häufigkeit quantifizierbar sind. Eine Strommesseinrichtung kann bspw. als Stromwandler, Hallsensor, oder dergleichen ausgebildet sein. Mit diesen Strommesseinrichtungen können Ströme zuverlässig und berührungslos gemessen werden. Ferner sind die genannten Sensoren kostengünstig und gut verfügbar.
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Ein Stromwandler hat den Vorteil, dass er keine Hilfsstromquelle benötigt und durch den induzierten Strom ein unmittelbares Messergebnis liefert. Stromwandler bestehen meist aus einem Ringkern und sind wie ein Transformator ausgeführt. Das magnetische Wechselfeld eines vom zu erfassenden Wechselstrom durchflossenen Leiters induziert in der Messspule einen Wechselstrom, welcher über das reziproke Windungszahlverhältnis proportional zum Messstrom ist. Stromwandler stellen Stromquellen dar und benötigen daher keine eigene Energiequelle.
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Die Messeinrichtung kann bspw. zwischen dem PE-Anschluss und einer Schirmung von Versorgungs- und/oder Kommunikationsleitungen des Feldgeräts und/oder zwischen dem PE-Anschluss und dem Prozessanschluss angeordnet sein. Sowohl die vorgenannten Schirmungen als auch der Prozessanschluss sind Quellen, über die elektromagnetische Verunreinigungen/Störungen auf das Feldgerät wirken.
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Es können aber auch alle anderen Komponenten, die zur Einkopplung von elektromagnetischen Verunreinigungen führen können sowie Schirmungen mit der Messeinrichtung verbunden sein.
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Die Messeinrichtung ist vorzugsweise mit einer Auswertungseinrichtung verbunden. Die Auswertungseinrichtung kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die mittels der Messeinrichtung erfassten Signale nach Amplitude und/oder Häufigkeit mit abgespeicherten Referenzwerten verglichen werden. Auf diese Weise kann eine Auswertung erfolgen, aus der hervorgeht, in welcher Häufigkeit und mit welcher Intensität elektromagnetische Verunreinigungen/Störungen auf das Feldgerät einwirken. Als Referenzwerte können je nach Anwendung, d.h. insbesondere abhängig von einer Empfindlichkeit der verbauten Komponenten gegenüber EMV, Grenzwerte hinterlegt, bspw. in einem Speicher abgespeichert und zum Vergleich herangezogen werden.
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Werden die Grenzwerte überschritten, kann eine entsprechende Warnmeldung ausgegeben werden. Auf diese Weise kann vorausschauend eine Wartung veranlasst werden, sodass mögliche Fehlerquellen oder Probleme beseitigt werden können, bevor eine Störung des Feldgerätes auftritt. Ausfallzeiten der Feldgeräte können so minimiert werden.
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Die Auswertungseinrichtung kann als lokale oder entfernte Auswertungseinrichtung ausgebildet sein. In anderen Worten kann eine Auswertung, also bspw. ein Vergleich der erfassten Störsignale, lokal in dem Feldgerät selbst erfolgen und/oder entfernt erfolgen, bspw. in einer Leitwarte oder ausgelagert auf einem über ein lokales oder globales Datennetz mit dem Feldgerät verbundenen Server, d. h. bspw. in einer lokalen oder globalen Cloud.
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Lokale Auswertungen haben den Vorteil, dass kein Datentransfer notwendig ist und eine Auswertung und ein Hinweis unmittelbar vor Ort erfolgen können. Eine entfernte Auswertung kann den Vorteil haben, dass globale Ereignisse, die mehrere Feldgeräte betreffen, besser berücksichtigt und erkannt werden können. So kann bspw. ein Blitzschlag, dessen Auswirkungen auf mehrere Feldgeräte wirkt, besser erkannt und entsprechend reagiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Feldgerätes der Messtechnik mit einem Sensor, einer mit dem Sensor nachgelagerten Sensorelektronik und einer Geräteelektronik, wobei das Feldgerät wenigstens einen PE-Anschluss aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass über den PE-Anschluss fließende Signale erfasst werden.
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Es wird damit ermöglicht, Signale, die über den PE-Anschluss abfließen, zu erfassen und weiter zu verarbeiten, bspw. können diese nach deren Amplitude und Häufigkeit quantifiziert oder anderweitig ausgewertet werden. Durch eine derartige Erfassung kann schon bevor das Feldgerät in einen Störungszustand schaltet, eingegriffen werden.
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Insbesondere können zwischen einer Schirmung einer Versorgungs- und/oder Kommunikationsleitung des Feldgeräts und/oder zwischen einem Prozessanschluss des Feldgerätes und dem PE-Anschluss fließende Signale, insbesondere Ströme, erfasst werden.
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Wenn die Ströme zwischen den vorgenannten Komponenten erfasst werden, sind die hauptsächlichen Quellen für die Einkopplung elektromagnetischer Verunreinigungen/Störungen abgedeckt. Es können aber auch anwendungsspezifisch andere Quellen für elektromagnetische Verunreinigungen/Störungen bestehen, die dann miterfasst werden sollten.
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Die so erfassten Signale können mit gespeicherten Referenzwerten verglichen werden. Auf diese Weise ist es einfach möglich, die Intensität und Häufigkeit der elektromagnetischen Verunreinigungen/Störungen zu quantifizieren und zu bewerten. Abhängig vom konkreten Anwendungsfall können verschiedene Grenzwerte als Referenzwerte vorgegeben und hinterlegt werden.
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Vorteilhafterweise wird eine Wartungsmeldung ausgegeben, wenn die erfassten Signale die Referenzwerte, bspw. eine Amplitude oder Quantität, übersteigen.
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Die Erfindung beschreibt das permanente Überwachen von EMV-bedingten über den PE-Anschluss abgeleiteten Signalen.
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Durch die vorliegende Erfindung können damit Signale, insbesondere Störströme, die durch umliegende Störquellen erzeugt werden im Sensor gemessen und ausgewertet werden. Die Messeinrichtung, z.B. einen Stromwandler befindet sich zwischen Prozessanschluss und dem PE-Geräteanschluss und/oder zwischen Leitungsschirmung von Versorgungs- und/oder Kommunikationsleitung und dem PE-Geräteanschluss.
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Im realen Sensorbetrieb können die so erhaltenen Messdaten ständig mit den Referenzwerten über einen Server / Cloud oder eine lokale Speichereinheit verglichen werden. Falls Messwerte die Grenzvorgabe überschreiten, kann gezielt eine Meldung ausgegeben werden, noch bevor der Sensor in einen Störungszustand geht. Diese Erfindung kann für kontinuierlich messende Füllstandsensoren oder Grenzschalter eingesetzt werden.
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Auf diese Weise kann vorausschauend eine Wartung veranlasst werden, sodass mögliche Fehlerquellen oder Probleme beseitigt werden können, bevor eine Störung des Feldgerätes auftritt. Ausfallzeiten der Feldgeräte können so minimiert werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 nebeneinander schematisch dargestellt zwei Feldgeräte,
- 2 eine schematische Darstellung eines Feldgeräts gemäß 1 und
- 3 den Ablauf zum Betreiben eines Füllstandmessgeräts gemäß der vorliegenden Anmeldung
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
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1 zeigt in nebeneinander dargestellten Ausführungsbeispielen zwei Feldgeräte 1, wobei das auf der linken Seite dargestellte Feldgerät 1 als Radarfüllstandmessgerät mit einer Antenne 31 ausgebildet ist, über die elektromagnetische Signale in den freien Raum abgestrahlt werden, und das auf der rechten Seite dargestellte Feldgerät 1 als Radarfüllstandmessgerät, das nach dem Prinzip der geführten Welle arbeitet, wobei auf einen Stab oder ein Seil 32 eine elektromagnetische Welle gekoppelt und von diesem geführt wird.
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Beide Feldgeräte 1 weisen einen Sensor 3 zum Erzeugen, Aussenden und Empfangen der elektromagnetischen Signale auf. Dem Sensor 3 ist jeweils eine Elektronik 5 nachgeschaltet, wobei die Feldgeräte 1 insgesamt und die Elektronik 5 im Speziellen über eine Versorgungs- und Kommunikationsleitung 11 mit Energie versorgt sind und mit einer übergeordneten Einheit, die vorliegend nicht dargestellt ist, kommunizieren. Die Versorgungs- und Kommunikationsleitung 11 weist eine Schirmung 12 auf. Ferner sind die Feldgeräte 1 über einen Prozessanschluss 14 in einer Prozessumgebung anordenbar, wobei der Prozessanschluss 14 beispielsweise als Flansch ausgebildet sein kann.
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In 1 ist ferner eine Störquelle 21 dargestellt, von der elektromagnetische Verunreinigungen ausgesendet werden, die auf die beiden Feldgeräte 1 wirken.
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Die Feldgeräte 1 weisen ferner einen PE-Anschluss 7 zur Verbindung der Feldgeräte 1 mit einem Schutzleiter auf, der zum Schutz gegen elektrischen Schlag mit Erdpotential verbunden ist. Über den PE-Leiter 7 werden außerdem elektromagnetische Verunreinigungen und Störungen, die beispielsweise über den Prozessanschluss 3 der Feldgeräte 1 oder die Schirmung 12 der Versorgungs- Kommunikationsleitung 11 auf das Feldgerät 1 einkoppeln, auf Erdpotential abgeleitet.
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In 2 ist eine schematische Darstellung der Feldgeräte 1 als Blockschaltbild gezeigt.
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In 2 ist beispielhaft das Feldgerät 1 in einer vereinfachten Darstellung gezeigt. Das Feldgerät 1 und die in dem Feldgerät 1 angeordnete Elektronik 5 sind über die Versorgungs- und Kommunikationsleitung 11 mit Energie versorgt und kommunizieren mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einer Leitwarte. Die Schirmung 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Messeinrichtung 9 mit dem PE-Anschluss 7 des Feldgeräts 1 verbunden. Die Messeinrichtung 9 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Strommessgeräte 90 auf, wobei die Schirmung 12 über ein erstes Strommessgerät 91 mit dem PE Anschluss 7 verbunden ist. Über ein zweites Strommessgerät 92 ist der Prozessanschluss 14 ebenfalls mit dem PE-Anschluss 7 verbunden. Die Messeinrichtung 9 steht ferner in Verbindung mit der Elektronik 5 des Feldgeräts 1, in der im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Auswertungseinrichtung 16 zum Abgleich der mit den Strommessgeräten 91, 92 ermittelten Signalen mit abgespeicherten Referenzwerten, angeordnet ist.
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Alternativ können die von den Strommessgeräten 91, 92 ermittelten Werte unmittelbar in der Messeinrichtung 9 oder von einer übergeordneten Einheit ausgewertet werden.
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In 2 sind ferner beispielhaft zwei Störquellen 21 dargestellt, von denen Störsignale ausgehen, die einerseits auf die Versorgungs- und Kommunikationsleitung 11 wirken und dort von der Schirmung 12 abgehalten werden bzw. über den Prozessanschluss 14 auf das Feldgerät 1 einkoppeln. Die Störsignale sind beispielhaft mit ihrer Amplitude über der Zeit dargestellt. Durch die Pfeile ist angedeutet, dass die Störsignale auf die Komponenten des Füllstandmessgerätes 1 wirken.
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3 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben eines Feldgeräts 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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Nach dem Start des Verfahrens, bspw. bei Inbetriebnahme des Feldgerätes 1 werden in einem ersten Schritt 101 über den PE-Anschluss 7 abfließenden Störsignale erfasst. Die erfassten Störsignale werden in einem zweiten Schritt 102 mit gespeicherten Referenzwerten verglichen. Liegen die erfassten Störsignale innerhalb des durch die Referenzwerte vorgegebenen Bereichs, so kehrt das Verfahren zu dem ersten Schritt 101 zurück. Werden die Referenzwerte überschritten, so wird in einem dritten Schritt 103 eine Wartungsmeldung ausgegeben und mit dem ersten Schritt 101 fortgefahren. Es sei an dieser Stelle betont, dass eine Wartungsmeldung ausgegeben werden kann, wenn die erfassten Störsignale die Referenzwerte in Amplitude und/oder Häufigkeit übersteigen, d.h. insbesondere, wenn die über den PE-Anschluss 7 abfließenden Ströme zu groß sind, und/oder wenn zu häufig Störsignale erfasst werden. Beides kann ein Indikator dafür sein, dass eine Wartung notwendig ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feldgerät
- 3
- Sensor
- 5
- Elektronik
- 7
- PE-Anschluss
- 9
- Messeinrichtung/Strommesseinrichtung
- 11
- Versorgungs- und/oder Kommunikationsleitung
- 12
- Schirmung
- 14
- Prozessanschluss
- 16
- Auswertungseinrichtung
- 21
- Störquelle
- 31
- Antenne
- 32
- Seil/Stab
