WO2023117319A1 - Verfahren zum reduzieren der datenübertragungsmenge zwischen einem feldgerät der automatisierungstechnik und einer cloud - Google Patents

Verfahren zum reduzieren der datenübertragungsmenge zwischen einem feldgerät der automatisierungstechnik und einer cloud Download PDF

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WO2023117319A1
WO2023117319A1 PCT/EP2022/083500 EP2022083500W WO2023117319A1 WO 2023117319 A1 WO2023117319 A1 WO 2023117319A1 EP 2022083500 W EP2022083500 W EP 2022083500W WO 2023117319 A1 WO2023117319 A1 WO 2023117319A1
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cloud
measurement data
field device
process variables
configuration file
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PCT/EP2022/083500
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Peter WAZINSKI
Sushil Siddesh
Hermann Spohn
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Endress+Hauser Process Solutions Ag
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the amount of data transmitted between a field device used in automation technology and a cloud, with the field device acquiring measurement data for a large number of process variables, with the field device having a communication unit, with the field device being able to be connected to the cloud using the communication unit, with the cloud has an aggregator component and a distributor component, and a large number of cloud applications run on the cloud, which cloud applications each collect and/or further process the measurement data of the field device from at least one of the process variables.
  • Field devices that are used in industrial plants are already known from the prior art. Field devices are often used in process automation technology as well as in production automation technology. In principle, all devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information are referred to as field devices. Thus, field devices are used to record and/or influence process variables. Measuring devices or sensors are used to record process variables. These are used, for example, for pressure and temperature measurement, conductivity measurement, flow measurement, pH measurement, level measurement, etc. and record the corresponding process variables pressure, temperature, conductivity, pH value, level, flow rate, etc. Actuators are used to influence process variables. These are, for example, pumps or valves that can influence the flow of a liquid in a pipe or the fill level in a container. In addition to the measuring devices and actuators mentioned above, field devices also include remote I/Os, radio adapters or devices in general that are arranged at the field level.
  • field devices are usually connected to higher-level units via communication networks such as fieldbuses (Profibus®, Foundation® Fieldbus, HART®, etc.).
  • the higher-level units are control systems (DCS) or control units, such as a PLC (programmable logic controller).
  • DCS control systems
  • PLC programmable logic controller
  • the higher-level units are used, among other things, for process control, process visualization, process monitoring and for commissioning the field devices.
  • the measurement data recorded by the field devices, in particular by sensors are transmitted via the respective bus system to one (or optionally several) higher-level unit(s).
  • data transmission from the higher-level unit via the bus system to the field devices is also necessary, in particular for configuring and parameterizing field devices and for controlling actuators.
  • the data generated by the field devices is often collected directly from the field using so-called data conversion units, which are referred to as “edge devices” or “cloud gateways”, for example and automatically transmitted to a central cloud-enabled database (also referred to simply as “cloud”) on which an application is located.
  • This application which offers, among other things, functions for the visualization and further processing of the data stored in the database, can be accessed by a user via the Internet.
  • the field devices transmit their data independently to the cloud. You need electrical energy for this, in addition to the electrical energy required for your measurement operation.
  • the devices can be connected to the power grid for this purpose, for example if they are operated in a system. Alternatively, they can also be equipped with a battery without being connected to the mains, for example to transmit data from a hard-to-reach place - for example from a groundwater flow in a forest.
  • the battery power must be designed in such a way that it supplies the field device with electrical energy for several years, for example up to 10 years. Even a small one Daily power consumption adds up to a significant amount of energy over the years and can significantly reduce battery life.
  • the cloud sequentially queries the measurement data of the required process variables from the field device for each individual cloud application.
  • the field device responds separately to each of the requests.
  • the amount of time and amount of data required for the transmission of the requests from the cloud and the respective responses from the field device is high.
  • the object of the invention is to reduce the amount of data transmitted between a cloud and a field device communicating with the cloud.
  • the object is achieved by a method for reducing the amount of data transmitted between a field device used in automation technology and a cloud, with the field device acquiring measurement data for a large number of process variables, with the field device having a communication unit, with the field device being able to be connected to the cloud using the communication unit , wherein the cloud has an aggregator component and a distributor component, and wherein a large number of cloud applications run on the cloud, which cloud applications each collect and/or further process the measurement data of the field device from at least one of the process variables, comprising:
  • the essence of the invention is that the field device independently transmits all measurement data required by the cloud applications in a single transmission step. As a result, the operating time during which the field device transmits data is reduced, with the result that the energy requirement of the field device is also correspondingly reduced.
  • the method according to the invention is particularly advantageous since the service life of the battery is increased in this way.
  • the field device also acquires or generates measurement data and/or status information for a large number of defined process variables, which are transmitted separately to the cloud at the predetermined time periods.
  • defined process variables are often stored (hardcoded) in the field device by default, for example typical process variables such as volume flow or the temperature of the process medium. It is intended to transmit this measurement data and/or status information to the cloud first, before the measurement data for all of the process variables contained in the list of the configuration file are transmitted to the cloud.
  • the communication unit is operated in an idle state by default, with the communication unit being used to transmit the measurement data or
  • the field device is therefore designed in such a way that it continuously acquires the measurement data for the respective process variables, but only switches on its communication unit at specified time intervals or periodically. Alternatively, the measuring operation of the field device is also idle when the communication unit is not switched on.
  • the communication unit is switched on in one of the predetermined time periods or periodically.
  • the measurement data and/or the status information of the defined process variables are then first transmitted on the basis of the configuration file.
  • the measurement data for all of the process variables contained in the list of the configuration file are then transmitted.
  • the communication unit then switches itself off again.
  • the cloud transmits the configuration file for the first time as a response from the cloud to the transmission of the measurement data or status information for the large number of defined process variables to the field device.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the aggregator component transmits an updated configuration file to the field device in the event that measurement data from process variables not previously included in the list are required by the corresponding cloud applications, or if measurement data from one or more process variables contained in the list are no longer required by the corresponding cloud applications.
  • the updated configuration file is sent to the field device immediately after the transmission of the measurement data or status information for the large number of defined process variables or after the transmission of the measurement data for all of the process variables contained in the list of the configuration file, since the communication unit of the field device is at this point in time still in on mode. It can also be provided that a short "waiting time" is programmed into the field device, so that after the measurement data for all of the process variables contained in the list of the configuration file have been sent, the field device leaves the communication unit switched on for a predetermined period of time before it is switched off to to be able to receive any updated configuration file from the cloud.
  • Fig. 1 a schematic overview of a structure in which context the method according to the invention is applied;
  • FIG. 2 shows an example method for transmitting data from a field device to the cloud, as is known from the prior art
  • FIG. 5 a schematic sequence of the method according to the invention.
  • 1 shows an example scenario in which the method according to the invention is applied.
  • Three field devices FG1, FG2, FG3 are shown, which carry out different tasks.
  • Field device FG1 is a radar-based level gauge that measures the level of a medium in a tank.
  • the field device has a battery and a communication unit for connection to a Cloud CL.
  • the field device FG2 is an electromagnetic flow meter which is connected to a water pipe outdoors and which is connected to a communication unit which establishes a communication link with the Cloud CL.
  • the field device FG3 is a Coriolis flow meter that is used in a process plant A.
  • the field device FG3 is primarily connected to a fieldbus to which an edge device ED is connected.
  • the field device FG3 is connected to the cloud CL via the edge device ED.
  • Each of the field devices FG1, FG2, FG3 thus takes on different tasks and is connected to the cloud CL in different ways.
  • the field device types mentioned in FIG. 1, their number and their applications are to be regarded as purely exemplary. In principle, almost any number of field device types that are capable of transmitting data to the cloud CL can be used in the method according to the invention.
  • the Cloud CL is a database or server that can be accessed via the Internet.
  • a large number of cloud applications CA1, CA2, CA3 are executed on the cloud CL.
  • the cloud applications CA1, CA2, CA3 are used to visualize, further process and/or prepare data from the field devices FG1, FG2, FG3.
  • Application examples for such cloud applications CA1, CA2, CA3 are, for example, asset management (cloud application CA1), device monitoring (cloud application CA2) and predictive maintenance (cloud application CA3).
  • the data from the field devices FG1, FG2, FG3 reach the cloud CL as follows: 2 shows an overview of an example method in which the field device FG2 transmits data to the cloud. 3 shows the schematic sequence of the exemplary method.
  • a field device FG2 in the form of a flow meter typically contains more than 1000 variables that can be transmitted to the cloud CL. However, depending on the industry, application and customer, only some of these parameters need to be processed regularly in the Cloud CL. A small set of standard parameters (i.e. typical process variables such as volume flow and medium temperature) or predetermined variables is always periodically sent to the cloud. The configuration for these parameters can be hard-coded at production time so that the field device FG2 periodically sends these variables to the Cloud CL.
  • the field device FG2 or its communication unit is in a sleep mode.
  • time t1 which marks the beginning of the periodically repeated time period, the field device FG2 or its communication unit is switched to an active mode.
  • the field device FG2 transmits the current measurement data of the predetermined variables, and optionally further data such as status values, to the cloud CL, which the cloud receives at a point in time t2.
  • Such other process variables V1, V2, ..., Vn, in particular scenario-specific parameters, z. B. non-user visible state variables for predictive maintenance applications must be manually configured in the cloud at uptime CL.
  • the cloud sends on demand, i. H. at regular intervals, a request for these process variables V1, V2, ..., Vn to the field device FG.
  • the device must process the variable list for each request and respond with the desired variable values.
  • the cloud CL thus sends a request AF to the field device FG2 at a point in time t3.
  • the request AF concerns the cloud application CA1 , which requires current measurement data of the process variables V1 and V2.
  • the field device FG2 determines the current measurement data of the process variables V1 and V2 at time t4, or reads the current measurement data of the process variables V1 and V2 from a memory.
  • the field device FG2 transmits the measurement data of the process variables V1 and V2 in a response AT to the cloud, which receives them at a time t6.
  • the cloud CL then sends a request AF to the field device FG2 at a point in time t7.
  • the query AF relates to the cloud application CA2, which requires current measurement data for the process variables V2 and V3.
  • the field device FG2 determines the current measurement data of the process variables V2 and V4 at time t8, or reads out the current measurement data of the process variables V2 and V3 from a memory.
  • the field device FG2 transmits the measurement data of the process variables V2 and V3 to the cloud, which receives them at a time t10.
  • the field device FG collects and determines the measurement data of the measurement variables mentioned in the query, regardless of whether they have already been collected in a previous request and transmitted to the cloud.
  • the field device FG or its communication unit remains in the active mode for the entire period t1 to t9 and only switches back to the sleep mode after all requests AF have been processed, until it is woken up again at the beginning of a new cycle. As a result, it has a high energy requirement.
  • the cloud CL has an aggregator component AK.
  • the aggregator component AK ascertains from each of the cloud applications CA1, CA2, CA3 those process variables which V1, V2, Vn require the corresponding cloud applications and writes them in a list. It is intended that multiple entries will be combined into one entry. In the present case, the list therefore contains the process variables V1, V2 and V3, since the cloud application CA1 requires the process variables V1, V2 and the cloud application CA2 requires the process variables V2, V3.
  • the list is packed in a configuration file KD.
  • the aggregator component AK of the cloud CD transmits the configuration file KD to the field device FG2, which then stores it.
  • the transmission of the configuration file KD advantageously takes place as a response from the cloud CL to the measurement data of the predetermined process variables transmitted by the field device FG, or its status information.
  • the field device FG2 now transmits data DT to the cloud CL for each cycle in a predetermined scheme (see FIG. 4):
  • the field device FG changes from the sleep mode to the active mode and transmits the current measurement data of the predetermined process variables to the cloud CL in a method step t1'.
  • the field device FG2 then reads the configuration file KD and, according to the list contained in the configuration file, determines the current measurement data for the process variables V1, V2, V3 at time t2', or reads the current measurement data for the process variables V1, V2, V3 from the memory.
  • the field device FG2 transmits this data DT to the cloud CL in method step S2'.
  • the field device FG2 then switches back to the sleep mode.
  • the operating time of the field device FG2 or of its communication unit is drastically reduced compared to the known method described above. This increases the battery life.
  • the measurement data of the predetermined process variables, or the status information reach the cloud CL.
  • the measurement data of the process variables V1, V2, V3 reach the cloud CL.
  • a distributor component VK of the cloud CL analyzes the measurement data and forwards them to the respective cloud applications CA1, CA2, CA3 in accordance with the requirements.
  • the distributor component provides the measurement data so that the respective cloud applications CA1, CA2, CA3 can collect the measurement data required, for example in the sense of an event-driven architecture using a publish-subscribe pattern.
  • V1 , V2, Vn process variables

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Abstract

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Reduzieren der Datenübertragungsmenge zwischen einem Feldgerät (FG1, FG2, FG3) der Automatisierungstechnik und einer Cloud (CL), umfassend: - Erstellen einer Konfigurationsdatei (KD) durch eine Aggregatorkomponente (AG) der Cloud (CL), welche Konfigurationsdatei (KD) eine Liste genau derjenigen Prozessvariablen (V1, V2,..., Vn) enthält, welche jeweilige Cloud-Anwendungen (CA1, CA2, CA3) der Cloud (CL) zum Sammeln, bzw. Weiterverarbeiten benötigen; - Übermitteln der Konfigurationsdatei (KD) an das Feldgerät (FG1, FG2, FG3); - Erfassen aktueller Messdaten für alle der in der Liste der Konfigurationsdatei (KD) enthaltenen Prozessvariablen (V1, V2,..., Vn) durch das Feldgerät (FG1, FG2, FG3); - Gesammeltes Übermitteln der erfassten Messdaten an eine Verteilerkomponente (VK) der Cloud (CL) durch das Feldgerät (FG1, FG2, FG3); - Verteilen der Daten durch die Verteilerkomponente (VK) an die jeweiligen Cloud-Anwendungen (CA1, CA2, CA3), welche die jeweiligen Messdaten benötigen, oder Bereitstellen der Messdaten durch die Verteilerkomponente (VK) und Abholen der Messdaten durch die jeweiligen Cloud-Anwendungen (CA1, CA2, CA3), welche die jeweiligen Messdaten benötigen; und - Wiederholen der Schritte des Erfassens der aktuellen Messdaten und des gesammelten Übermittelns der erfassten Messdaten und des Verteilens der Messdaten in vorbestimmten Zeitabständen.

Description

Verfahren zum Reduzieren der Datenübertragungsmenge zwischen einem Feldgerät der Automatisierungstechnik und einer Cloud
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der Datenübertragungsmenge zwischen einem Feldgerät der Automatisierungstechnik und einer Cloud, wobei das Feldgerät Messdaten für eine Vielzahl von Prozessvariablen erfasst, wobei das Feldgerät über eine Kommunikationseinheit verfügt, wobei das Feldgerät mittels der Kommunikationseinheit mit der Cloud verbindbar ist, wobei die Cloud eine Aggregratorkomponente und eine Verteilerkomponente aufweist, und wobei auf der Cloud eine Vielzahl von Cloud-Anwendungen ablaufen, welche Cloud-Anwendungen jeweils die Messdaten des Feldgeräts von zumindest einer der Prozessvariablen sammeln und/oder weiterverarbeiten.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik 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.
Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Endress+Hauser-Gruppe produziert und vertrieben. In modernen Industrieanlagen sind Feldgeräte in der Regel über Kommunikationsnetzwerke wie beispielsweise Feldbusse (Profibus®, Foundation® Fieldbus, HART®, etc.) mit übergeordneten Einheiten verbunden. Normalerweise handelt es sich bei den übergeordneten Einheiten um Leitsysteme (DCS) bzw. Steuereinheiten, wie beispielsweise eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung). Die übergeordneten Einheiten dienen unter anderem zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung, Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme der Feldgeräte. Die von den Feldgeräten, insbesondere von Sensoren, erfassten Messdaten werden über das jeweilige Bussystem an eine (oder gegebenenfalls mehrere) übergeordnete Einheit(en) übermittelt. 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.
Im Zuge der Industrie 4.0, bzw. lloT („Industrial Internet of Things“) werden die von den Feldgeräten erzeugten Daten auch häufig direkt aus dem Feld mithilfe sogenannter Datenumsetzungseinheiten, welche beispielsweise als „Edge Devices“ oder „Cloud Gateways“ bezeichnet werden, erhoben und automatisiert an eine zentrale cloudfähige Datenbank (auch vereinfacht „Cloud“ genannt) übermittelt, auf welcher sich eine Applikation befindet. Auf diese Applikation, welche unter anderem Funktionen zur Visualisierung und weiteren Bearbeitung der auf der Datenbank gespeicherten Daten bietet, kann von einem Benutzer mittels Internet zugegriffen werden.
Alternativ übermitteln die Feldgeräte ihre Daten selbstständig in die Cloud. Hierfür benötigen Sie elektrische Energie, zusätzlich zu der für ihren Messbetrieb benötigten elektrischen Energie. Die Geräte können hierfür mit dem Stromnetz verbunden sein, beispielsweise wenn sie in einer Anlage betrieben werden. Alternativ können sie auch mit einer Batterie ausgestattet sein, ohne an das Stromnetz angeschlossen zu sein, um beispielsweise Daten von einem schwer zugänglichen Ort zu übertragen - beispielsweise von einem Grundwasserfluss in einem Wald.
Die Batterieleistung muss so ausgelegt sein, dass sie das Feldgerät für mehrere Jahre, beispielsweise bis zu 10 Jahre, mit elektrischer Energie versorgt. Selbst ein geringer täglicher Stromverbrauch summiert sich im Laufe der Jahre auf eine beträchtliche Energiemenge und kann die Lebensdauer der Batterie erheblich verkürzen.
Heutzutage fragt die Cloud nacheinander von dem Feldgerät für jede einzelne Cloudanwendung die Messdaten der jeweils benötigten Prozessvariablen ab. Für jede der Anfragen antwortet das Feldgerät separat. Die Zeitdauer und und Datenmenge, welche für das Übermitteln der Anfragen der Cloud und das jeweilige Antworten des Feldgeräts benötigt wird, ist hoch.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Übertragungsmenge von Daten, die zwischen einer Cloud und eines mit der Cloud kommunizierenden Feldgeräts übermittelt werden, zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Reduzieren der Datenübertragungsmenge zwischen einem Feldgerät der Automatisierungstechnik und einer Cloud gelöst, wobei das Feldgerät Messdaten für eine Vielzahl von Prozessvariablen erfasst, wobei das Feldgerät über eine Kommunikationseinheit verfügt, wobei das Feldgerät mittels der Kommunikationseinheit mit der Cloud verbindbar ist, wobei die Cloud eine Aggregratorkomponente und eine Verteilerkomponente aufweist, und wobei auf der Cloud eine Vielzahl von Cloud-Anwendungen ablaufen, welche Cloud-Anwendungen jeweils die Messdaten des Feldgeräts von zumindest einer der Prozessvariablen sammeln und/oder weiterverarbeiten, umfassend:
- Erstellen einer Konfigurationsdatei durch die Aggregatorkomponente der Cloud, welche Konfigurationsdatei eine Liste genau derjenigen Prozessvariablen enthält, welche die jeweiligen Cloud-Anwendungen zum Sammeln, bzw. Weiterverarbeiten benötigen;
- Übermitteln der Konfigurationsdatei an das Feldgerät;
- Erfassen aktueller Messdaten für alle der in der Liste der
Konfigurationsdatei enthaltenen Prozessvariablen durch das Feldgerät;
- Gesammeltes Übermitteln der erfassten Messdaten an die Verteilerkomponente der Cloud durch das Feldgerät;
- Verteilen der Messdaten durch die Verteilerkomponente an die jeweiligen Cloud-Anwendungen, welche die jeweiligen Messdaten benötigen, oder Bereitstellen der Messdaten durch die Verteilerkomponente und Abholen der Messdaten durch die jeweiligen Cloud-Anwendungen, welche die jeweiligen Messdaten benötigen; und
- Wiederholen der Schritte des Erfassens der aktuellen Messdaten und des gesammelten Übermittelns der erfassten Messdaten und des Verteilens der Daten in vorbestimmten Zeitabständen.
Der Kem der Erfindung besteht nun darin, dass das Feldgerät in einem einzelnen Übertragungsschritt selbstständig alle Messdaten übermittelt, welche die Cloud- Anwendungen benötigt werden. Dadurch wird die Betriebszeit, in welchem das Feldgerät Daten übermittelt, reduziert, womit auch der Energiebedarf des Feldgeräts entsprechend reduziert wird.
Bei Feldgeräten, welche batteriebetrieben sind, und über ein Mobilfunkmodem oder spezielle Netzwerkprotokolle wie LoRaWAN mit der Cloud kommunizieren, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, da so die Lebensdauer der Batterie erhöht wird.
Beispiele für solche Feldgeräte, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnt werden, sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung aufgeführt worden. Aber auch für netzbetriebene Feldgeräte, welche in einer Anlage eingebaut sind und indirekt über ein Edge-Device mit der Cloud kommunizieren, ist das Verfahren vorteilhaft, da die Übertragungsmenge zwischen Edge Device und Feldgerät reduziert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Feldgerät zusätzlich Messdaten und/oder Statusinformationen für eine Vielzahl von festgelegten Prozessvariablen erfasst, bzw. generiert, die zu den vorbestimmten Zeiträumen separat an die Cloud übermittelt werden. Diese festgelegten Prozessvariablen sind oftmals standardmäßig im Feldgerät gespeichert (hardcoded), beispielsweise typische Prozessvariablen wie Volumendurchfluss oder die Temperatur des Prozessmediums. Es ist vorgesehen, diese Messdaten und/oder Statusinformationen zuerst an die Cloud zu übermitteln, bevor die Messdaten für alle der in der Liste der Konfigurationsdatei enthaltenen Prozessvariablen an die Cloud übermittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kommunikationseinheit standardmäßig in einem Ruhezustand betrieben wird, wobei die Kommunikationseinheit zum Übermitteln der Messdaten bzw.
Statusinformationen für die Vielzahl von festgelegten Prozessvariablen und zum gesammelten Übermitteln der erfassten Messdaten in einen aktiven Modus wechselt, und wobei die Kommunikationseinheit nach dem Übermitteln und dem gesammelten Übermitteln zurück in den Ruhemodus wechselt. Das Feldgerät ist also derart ausgestaltet, dass es kontinuierlich die Messdaten für die jeweiligen Prozessvariablen erfasst, aber seine Kommunikationseinheit nur in festgelegten Zeiträumen oder periodisch einschaltet. Alternativ ruht auch der Messbetrieb des Feldgeräts, wenn die Kommunikationseinheit nicht eingeschaltet ist.
In einem der vorbestimmten Zeiträume, bzw. periodisch wird die Kommunikationseinheit eingeschaltet. Anschließend werden zuerst die Messdaten und/oder die Statusinformationen der festgelegten Prozessvariablen auf Basis der Konfigurationsdatei übermittelt. Anschließend werden die Messdaten für alle der in der Liste der Konfigurationsdatei enthaltenen Prozessvariablen übermittelt. Anschließend schaltet sich die Kommunikationseinheit wieder aus.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Cloud die Konfigurationsdatei erstmalig als Antwort der Cloud auf das Übermitteln der Messdaten bzw. Statusinformationen für die Vielzahl von festgelegten Prozessvariablen an das Feldgerät übermittelt. Die Messdaten bzw.
Statusinformationen für die Vielzahl der festgelegten Prozessvariablen werden damit als Triggersignal für die Cloud verwendet. Die Cloud weiß dadurch, dass sich die Kommunikationseinheit gerade im eingeschalteten Modus befindet und kann die Konfigurationsdatei daher an das Feldgerät übermitteln. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Aggregatorkomponente eine aktualisierte Konfigurationsdatei an das Feldgerät übermittelt, im Falle, dass Messdaten von bisher nicht in der Liste enthaltenen Prozessvariablen von den entsprechenden Cloud-Anwendungen benötigt werden, bzw. wenn Messdaten von eine oder mehrerer in der Liste enthaltenen Prozessvariablen von den entsprechenden Cloud-Applikationen nicht mehr benötigt werden.
Vorteilhafterweise wird die aktualisierte Konfigurationsdatei unmittelbar nach dem Übermitteln der Messdaten bzw. Statusinformationen für die Vielzahl der festgelegten Prozessvariablen oder nach dem Übermitteln der Messdaten für alle der in der Liste der Konfigurationsdatei enthaltenen Prozessvariablen an das Feldgerät gesendet, da sich die Kommunikationseinheit des Feldgeräts zu diesem Zeitpunkt noch im eingeschalteten Modus befindet. Es kann auch vorgesehen sein, eine kurze „Wartezeit“ im Feldgerät einzuprogrammieren, so dass das Feldgerät nach dem Aussenden der Messdaten für alle der in der Liste der Konfigurationsdatei enthaltenen Prozessvariablen die Kommunikationseinheit für eine vorbestimmte Zeitdauer eingeschaltet lässt, bevor diese ausgeschaltet wird, um eine eventuelle aktualisierte Konfigurationsdatei von der Cloud empfangen zu können.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 : eine schematische Überischt eines Aufbaus, in welchem Kontext das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird;
Fig. 2: ein Beispielverfahren zum Übermitteln von Daten eines Feldgeräts in die Cloud, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist;
Fig. 3: ein schematischer Ablauf des aus dem Stand der Technik bekannten Beispielverfahrens;
Fig. 4: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 5: ein schematischer Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 1 zeigt ein Beispielszenario, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Gezeigt sind drei Feldgeräte FG1 , FG2, FG3, welche verschiedene Aufgaben vornehmen.
Feldgerät FG1 ist ein radarbasiertes Füllstandsmessgerät, welches den Füllstand eines Mediums in einem Tank misst. Das Feldgerät verfügt über eine Batterie und eine Kommunikationseinheit zur Verbindung mit einer Cloud CL. Das Feldgerät FG2 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, welches outdoor an eine Wasserleitung angeschlossen ist und welches mit einer Kommunikationseinheit verbunden ist, welche eine Kommunikationsverbindung mit der Cloud CL etabliert. Das Feldgerät FG3 ist ein Coriolis-Durchflussmessgerät, welches in einer verfahrenstechnischen Anlage A eingesetzt ist. Das Feldgerät FG3 ist primär mit einem Feldbus verbunden, an welchem ein Edge Device ED angeschlossen ist. Über das Edge Device ED ist das Feldgerät FG3 mit der Cloud CL verbunden.
Jedes der Feldgeräte FG1 , FG2, FG3 übernimmt somit unterschiedliche Aufgaben und ist auf unterschiedliche Art und Weise mit der Cloud CL verbunden. Die in Fig. 1 genannten Feldgerätetypen, deren Anzahl und deren Applikationen ist als rein beispielhaft zu betrachten. Es lässt sich prinzipiell jeder Feldgerätetyp in nahezu beliebiger Anzahl, der in der Lage ist, Daten an die Cloud CL zu übermitteln, im erfindungsgemäßen Verfahren verwenden.
Bei der Cloud CL handelt es sich um eine Datenbank oder einen Server, welcher per Internet erreichbar ist. Auf der Cloud CL werden eine Vielzahl von Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 ausgeführt. Die Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 dienen dem Visualisieren, Weiterverarbeiten und/oder Aufbereiten von Daten der Feldgeräte FG1 , FG2, FG3. Anwendungsbeispiele für solche Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 sind beispielsweise Asset Management (Cloud-Anwendung CA1 ), Device Monitoring (Cloud- Anwendung CA2) und Predictive Maintenance (Cloud-Anwendung CA3).
In heutzutage aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gelangen die Daten der Feldgeräte FG1 , FG2, FG3 wie folgt auf die Cloud CL: Fig. 2 zeigt hierfür einen Überblick über ein Beispielverfahren, in welchem das Feldgerät FG2 Daten an die Cloud übermittelt. Fig. 3 zeigt den schematischen Ablauf des Beispielverfahrens.
Ein Feldgerät FG2 in Gestalt eines Durchflussmessgerätes enthält typischerweise mehr als 1000 Variablen, die an die Cloud CL übertragen werden können. Je nach Branche, Anwendung und Kunde muss jedoch nur ein Teil dieser Parameter regelmäßig in der Cloud CL verarbeitet werden. Ein kleiner Satz von Standardparametern (d.h. typische Prozessvariablen wie Volumenstrom und Mediumtemperatur), bzw. vorbestimmte Variablen wird immer periodisch an die Cloud gesendet. Die Konfiguration für diese Parameter kann zur Produktionszeit fest kodiert werden, so dass das Feldgerät FG2 diese Variablen periodisch an die Cloud CL sendet.
Zu einem Zeitpunkt vor t1 befindet sich das Feldgerät FG2 oder dessen Kommunikationseinheit in einem Schlummermodus. Zum Zeitpunkt t1 , welche den Beginn des periodisch wiederholten Zeitraums markiert, wird das Feldgerät FG2, bzw. dessen Kommunikationseinheit in einen aktiven Modus versetzt.
In einem Verfahrensschritt S1 übermittelt das Feldgerät FG2 die aktuellen Messdaten der vorbestimmten Variablen, und optional weitere Daten wie Statuswerte, an die Cloud CL, welche die Cloud zu einem Zeitpunkt t2 empfängt.
Auf der Cloud CL ist es vorgesehen, dass jede der Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 aktuelle Messdaten von weiteren Prozessvariablen V1 , V2, ... , Vn benötigt. Solche weiteren Prozessvariablen V1 , V2, ... , Vn, insbesondere szenariospezifischen Parameter , z. B. nicht für den Benutzer sichtbare Zustandsvariablen für vorausschauende Wartungsanwendungen, müssen zur Betriebszeit manuell in der Cloud konfiguriert werden CL. Die Cloud sendet bei Bedarf, d. h. in regelmäßigen Abständen, eine Anfrage für diese Prozessvariablen V1 , V2, ... , Vn an das Feldgerät FG. Das Gerät muss die Variablenliste für jede Anfrage verarbeiten und mit den gewünschten Variablenwerten antworten.
In einem Verfahrensschritt S2 sendet die Cloud CL zu einem Zeitpunkt t3 somit eine Anfrage AF an das Feldgerät FG2. Die Anfrage AF betrifft die Cloud-Anwendung CA1 , welche aktuelle Messdaten der Prozessvariablen V1 und V2 benötigt. Das Feldgerät FG2 ermittelt daraufhin zum Zeitpunkt t4 die aktuellen Messdaten der Prozessvariablen V1 und V2, bzw. liest die aktuellen Messdaten der Prozessvariablen V1 und V2 aus einem Speicher aus. Zum Zeitpunkt t5 übermittelt das Feldgerät FG2 die Messdaten der Prozessvariablen V1 und V2 in einer Antwort AT an die Cloud, welche diese zu einem Zeitpunkt t6 empfängt.
Daraufhin sendet die Cloud CL in einem Verfahrensschritt S4 einem Zeitpunkt t7 eine Anfrage AF an das Feldgerät FG2. Die Anfrage AF betrifft die Cloud-Anwendung CA2, welche aktuelle Messdaten der Prozessvariablen V2 und V3 benötigt. Das Feldgerät FG2 ermittelt daraufhin zum Zeitpunkt t8 die aktuellen Messdaten der Prozessvariablen V2 und V4, bzw. liest die aktuellen Messdaten der Prozessvariablen V2 und V3 aus einem Speicher aus. Zum Zeitpunkt t9 übermittelt das Feldgerät FG2 die Messdaten der Prozessvariablen V2 und V3 an die Cloud, welche diese zu einem Zeitpunkt t10 empfängt.
Dieser Vorgang kann sich beliebig je nach Anzahl und Anforderung der Cloud- Anwendungen FG1 , FG2, FG3 wiederholen. Das Feldgerät FG erhebt und ermittelt für jede Anfrage die Messdaten der in der Abfrage genannten Messvariablen, unabhängig davon, ob diese in einer vorherigen Anfrage bereits erhoben und an die Cloud übermittelt worden sind.
Das Feldgerät FG, bzw. dessen Kommunikationseinheit bleibt den gesamten Zeitraum t1 bis t9 im aktiven Modus und wechselt erst nach Abarbeitung aller Anfragen AF zurück in den Schlummermodus, bis es zu Beginn eines neuen Zyklus erneut geweckt wird. Dadurch hat es einen hohen Energiebedarf.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe Fig. 3) wird die zu übertragende Datenmenge für jedes Feldgerät FG1 , FG2, FG3, und somit deren jeweiliger Energiebedarf, reduziert.
Hierfür weist die Cloud CL eine Aggregatorkomponente AK auf. Die Aggregatorkomponente AK ermittelt von jeder der Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 diejenigen Prozessvariablen, welche V1 , V2, Vn die entsprechenden Cloud- Anwendungen benötigen und schreibt diese in eine Liste. Hierbei ist es vorgesehen, dass Mehrfachnennungen zu einem Eintrag zusammengefasst werden. Im vorliegenden Fall enthält die Liste also die Prozessvariablen V1 , V2 und V3, da die Cloud- Anwendung CA1 die Prozessvariablen V1 , V2 benötigt und die Cloud-Anwendung CA2 die Prozessvariablen V2, V3 benötigt.
Die Liste wird in einer Konfigurationsdatei KD verpackt. Die Aggregatorkomponente AK der Cloud CD übermittelt die Konfigurationsdatei KD an das Feldgerät FG2, welches diese anschließend speichert. Das Übermitteln der Konfigurationsdatei KD erfolgt vorteilhafterweise als Antwort der Cloud CL auf die von dem Feldgerät FG übersendeten Messdaten der vorbestimmten Prozessvariablen, bzw. dessen Statusinformationen.
Das Feldgerät FG2 übersendet der Cloud CL nun für jeden Zyklus Daten DT in einem vorbestimmten Schema (siehe Fig. 4):
Zu einem Zeitpunkt t1 ‘ wechselt das Feldgerät FG, bzw. dessen Konfigurationseinheit, von dem Schlummermodus in den aktiven Modus und übermittelt die aktuellen Messdaten der vorbestimmten Prozessvariablen in einem Verfahrensschritt t1‘ an die Cloud CL.
Anschließend liest das Feldgerät FG2 die Konfigurationsdatei KD aus und ermittelt entsprechend der in der Konfigurationsdatei enthaltenen Liste zum Zeitpunkt t2‘ die aktuellen Messdaten der Prozessvariablen V1 , V2 V3, bzw. liest die aktuellen Messdaten der Prozessvariablen V1 , V2, V3 Aus dem Speicher aus. Das Feldgerät FG2 übermittelt diese Daten DT im Verfahrensschritt S2‘ an die Cloud CL.
Anschließend wechselt das Feldgerät FG2 wieder in den Schlummermodus. Die Betriebszeit des Feldgeräts FG2, bzw. von dessen Kommunikationseinheit ist gegenüber dem obig beschriebenen bekannten Verfahren drastisch reduziert. Die Laufzeit der Batterie ist dadurch erhöht. Zum Zeitpunkt t3‘ erreichen die Messdaten der vorbestimmten Prozessvariablen, bzw. die Statusinformationen, die Cloud CL. Zum Zeitpunkt t4‘ erreichen die Messdaten der Prozessvariablen V1 , V2, V3 die Cloud CL. Eine Verteilerkomponente VK der Cloud CL analysiert die Messdaten und leitet diese entsprechend den Anforderungen an die jeweilig betreffenden Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 weiter. Alternativ stellt die Verteilerkomponente die Messdaten bereit, so dass die jeweiligen Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 die jeweils benötigten Messdaten abholen können, beispielsweise im Sinne einer ereignisgetriebenen Architektur unter Verwendung eines Publish-Subscribe- Musters.
Ist ein Update der Konfigurationsdatei KD vorgesehen, bspw. wenn eine neue Cloud- Anwendung zur Verfügung steht, wenn weitere Prozessvariablen V1 , V2, ..., Vn für eine oder mehrere der Cloud-Anwendungen CA1 , CA2, CA3 von Interesse sind oder wenn eine der bisherig benötigten Prozessvariablen V1 , V2, V3 nicht mehr benötigt werden, so erstellt die Aggregatorkomponente AK eine aktualisierte Konfigurationsdatei KD. Es ist hierbei vorgesehen, dass die aktualisierte Konfigurationsdatei KD an das Feldgerät FG übermittelt wird, wenn die Cloud CL die Messdaten der Prozessvariablen V1 , V2, V3 erhalten hat. Das Feldgerät FG2 wartet hierbei bevorzugt noch bis zu einem Zeitpunkt t5 > t4, bis es wieder in den Schlummermodus wechselt.
Bezugszeichenliste
1), 2), ... , 7) Verfahrensschritte (Stand der Technik)
1)‘> 2)‘ Verfahrensschritte
AF Anfrage der Cloud
AG Aggregatorkomponente
AN Anlage
AT Antwort des Feldgeräts
CA1 , CA2, CA3 Cloud-Applikationen
CL Cloud
DT regelmäßig übermittelte Daten
ED Edge Device
FG1 , FG2, FG3 Feldgeräte
KD Konfigurationsdatei t1 , t2, t9, Zeitpunkte (Stand der Technik) t1 ‘, t4‘ Zeitpunkte
V1 , V2, Vn Prozessvariablen
VK Verteilkomponente

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Reduzieren der Datenübertragungsmenge zwischen einem Feldgerät (FG1 , FG2, FG3) der Automatisierungstechnik und einer Cloud (CL), wobei das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3) Messdaten für eine Vielzahl von Prozessvariablen (V1 , V2, Vn) erfasst, wobei das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3) über eine Kommunikationseinheit verfügt, wobei das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3) mittels der Kommunikationseinheit mit der Cloud (CL) verbindbar ist, wobei die Cloud (CL) eine Aggregratorkomponente (AG) und eine Verteilerkomponente (VK) aufweist, und wobei auf der Cloud (CL) eine Vielzahl von Cloud- Anwendungen (CA1 , CA2, CA3) ablaufen, welche Cloud-Anwendungen (CA1 , CA2, CA3) jeweils die Messdaten des Feldgeräts (FG1 , FG2, FG3) von zumindest einer der Prozessvariablen (V1 , V2, ..., Vn) sammeln und/oder weiterverarbeiten, umfassend:
- Erstellen einer Konfigurationsdatei (KD) durch die Aggregatorkomponente (AG) der Cloud (CL), welche Konfigurationsdatei (KD) eine Liste genau derjenigen Prozessvariablen (V1 , V2, ..., Vn) enthält, welche die jeweiligen Cloud-Anwendungen (CA1 , CA2, CA3) zum Sammeln, bzw. Weiterverarbeiten benötigen;
- Übermitteln der Konfigurationsdatei (KD) an das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3);
- Erfassen aktueller Messdaten für alle der in der Liste der Konfigurationsdatei (KD) enthaltenen Prozessvariablen (V1 , V2, ..., Vn) durch das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3);
- Gesammeltes Übermitteln der erfassten Messdaten an die Verteilerkomponente (VK) der Cloud (CL) durch das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3);
- Verteilen der Messdaten durch die Verteilerkomponente (VK) an die jeweiligen Cloud-Anwendungen (CA1 , CA2, CA3), welche die jeweiligen Messdaten benötigen, oder Bereitstellen der Messdaten durch die Verteilerkomponente (VK) und Abholen der Messdaten durch die jeweiligen Cloud-Anwendungen (CA1 , CA2, CA3), welche die jeweiligen Messdaten benötigen; und - Wiederholen der Schritte des Erfassens der aktuellen Messdaten und des gesammelten Übermittelns der erfassten Messdaten und des Verteilens der Messdaten in vorbestimmten Zeitabständen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3) zusätzlich Messdaten und/oder Statusinformationen für eine Vielzahl von festgelegten Prozessvariablen erfasst, bzw. generiert, die zu den vorbestimmten Zeiträumen separat an die Cloud (CL) übermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kommunikationseinheit standardmäßig in einem Ruhezustand betrieben wird, wobei die Kommunikationseinheit zum Übermitteln der Messdaten bzw. Statusinformationen für die Vielzahl von festgelegten Prozessvariablen und zum gesammelten Übermitteln der erfassten Messdaten in einen aktiven Modus wechselt, und wobei die Kommunikationseinheit nach dem Übermitteln und dem gesammelten Übermitteln zurück in den Ruhemodus wechselt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Cloud (CL) die Konfigurationsdatei (KD) erstmalig als Antwort der Cloud (CL) auf das Übermitteln der Messdaten bzw. Statusinformationen für die Vielzahl von festgelegten Prozessvariablen an das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3) übermittelt.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Aggregatorkomponente (AG) eine aktualisierte Konfigurationsdatei an das Feldgerät (FG1 , FG2, FG3) übermittelt, im Falle, dass Messdaten von bisher nicht in der Liste enthaltenen Prozessvariablen von den entsprechenden Cloud- Anwendungen (CA1 , CA2, CA3) benötigt werden, bzw. wenn Messdaten von eine oder mehrerer in der Liste enthaltenen Prozessvariablen (V1 , V2, ..., Vn) von den entsprechenden Cloud-Anwendungen (CA1 , CA2, CA3) nicht mehr benötigt werden.
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