WO2021165012A1 - Verfahren zur übertragung von datenpaketen - Google Patents

Verfahren zur übertragung von datenpaketen Download PDF

Info

Publication number
WO2021165012A1
WO2021165012A1 PCT/EP2021/051995 EP2021051995W WO2021165012A1 WO 2021165012 A1 WO2021165012 A1 WO 2021165012A1 EP 2021051995 W EP2021051995 W EP 2021051995W WO 2021165012 A1 WO2021165012 A1 WO 2021165012A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
field devices
data packet
wireless
measuring system
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2021/051995
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Paul
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Priority to US17/904,463 priority Critical patent/US12362848B2/en
Publication of WO2021165012A1 publication Critical patent/WO2021165012A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0658—Clock or time synchronisation among packet nodes
    • H04J3/0661—Clock or time synchronisation among packet nodes using timestamps
    • H04J3/0667—Bidirectional timestamps, e.g. NTP or PTP for compensation of clock drift and for compensation of propagation delays
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0647—Synchronisation among TDM nodes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/50—Network services
    • H04L67/52—Network services specially adapted for the location of the user terminal
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/02—Services making use of location information
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40208—Bus networks characterized by the use of a particular bus standard
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40208—Bus networks characterized by the use of a particular bus standard
    • H04L2012/40221—Profibus
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/4026—Bus for use in automation systems

Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting data packets within a measuring system.
  • field devices are often used that are used to record various measured variables.
  • the measured variable to be determined can be, for example, a level, a flow rate, a pressure, the temperature, the pFI value, the redox potential, a conductivity or the dielectric value of a medium in a process plant.
  • the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement principles. A large number of such types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • the individual field devices are interconnected within a measuring system with a higher-level unit in order to be able to coordinate the corresponding process variables with suitable actuators such as Heitz elements, agitators, valves or pumps for inflows and outflows.
  • suitable actuators such as Heitz elements, agitators, valves or pumps for inflows and outflows.
  • higher-level unit means, in addition to memory-programmable units (“PLC”), also remote I / O's or edge devices (electrical interfaces), or general devices as well as handheld devices that are used at the field level.
  • the field devices are usually not only connected to the higher-level unit, but also to each other, for example via a "PROFIBUS", a "(wireless) HART or an industrial” Ethernet interface.
  • the communication can for example be implemented on the basis of a “Star”, “Mesh” or “Net topology”. Since the individual field devices within the process plant are often located in places that are difficult to access, the communication between the field devices and the higher-level unit within the measuring system is preferably carried out via wireless interfaces, such as the "Wireless HART", the "Bluetooth”, or a "l / l / LW" protocol.
  • the recorded measured values can be transmitted via the respective data packets.
  • other operationally relevant information of the field device can also be communicated, such as status information, calibration data, or the like.
  • the field device can also be communicated, such as status information, calibration data, or the like.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method which enables a reliable connection of all field devices to the higher-level unit.
  • the invention achieves this object by means of a method for the wireless transmission of at least one data packet within a measuring system from at least two field devices, each via a wireless interface, to a higher-level unit.
  • the process includes the following process steps:
  • the field devices are connected to one another in order to distribute the data packet among one another, starting from one of the field devices.
  • the field devices can be connected to one another in such a way that the data packet is distributed among the field devices according to a “Star”, “Mesh”, or “L / ef” topology.
  • Synchronization can also take place via the wireless interfaces themselves, for example in accordance with the IEEE 1588 standard.However, it is also conceivable that the wireless interfaces are synchronized via any wired interfaces of the field devices, for example again using the IEEE 1588 standard.
  • the method according to the invention can be expanded to the extent that the relative positions of the field devices and the higher-level unit are determined to one another.
  • the field devices and the superordinate unit can, for example, each have a
  • the field devices or the higher-level unit can also be designed in such a way that the relative positions can be determined by means of triangulation. For this purpose, for example, by measuring the runtime of a corresponding measurement signal via the wireless interfaces, the signal runtime or the signal strength and thus the distance between the field devices or the higher-level unit required for triangulation can be determined.
  • the determination of the positions can be used according to the invention to synchronize the wireless interfaces of the field devices according to the "beamforming" principle to such phase shifts that the data packet to be transmitted is transmitted with a common main radiation lobe directed towards the higher-level unit. This brings about a further improvement in the transmission security.
  • Design variants are suitable, must include at least the following components:
  • At least two field devices each with o a synchronizable wireless interface, o a control unit that is designed to
  • a higher-level unit which is designed to receive the data packet.
  • the method according to the invention can be applied to any number of field devices of a measuring system.
  • unit and interface are understood to mean in principle all electronic circuits that are designed to be suitable for the intended use. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding process steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit.
  • different electronic units of the level measuring device in the sense of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated by means of the same physical digital circuit.
  • the protocol with which the data packet is sent is not strictly prescribed within the scope of the invention.
  • the wireless interfaces can be designed in such a way that the data packet is sent in accordance with the “Wireless HART”, the “Bluetooth” or a “II / LA / V” protocol.
  • the higher-level unit must be designed accordingly in order to receive the data packet on the basis of the corresponding protocol.
  • the at least two field devices can also each include a wired interface in order, for example, to synchronize the wireless interfaces and / or to distribute the data packet to the field devices.
  • the wired interfaces can be based on the “PROFIBUS”, “HART” or an industrial “Ethernet” protocol. The invention is explained in more detail with the aid of the following figure. It shows:
  • Fig. 1 A measuring system with three field devices in a process plant.
  • FIG. 1 For a general understanding of the method according to the invention, an exemplary measuring system 1 is shown in FIG. 1, which is used for monitoring a
  • the exemplary measuring system 1 comprises, as field devices, a flow measuring device 12 at an inlet of the reactor 2, a level measuring device 11 on the reactor 2 itself, and a temperature measuring device 13 on an outlet of the reactor 2.
  • the field devices 11, 12, 13 measure the corresponding Measurement values each with an individually adjustable measurement rate, for example between 1 measurement per minute and 1000 measurements per second.
  • the field devices 11, 12, 13 shown in FIG. 1 are connected to one another via corresponding wired interfaces 112, 122, 132.
  • each of the field devices 11, 12, 13 is connected to every other field device 11, 12, 13 via the wired interface 112, 122, 132, the connection of the field devices 11, 12, 13 via the corresponds to wired interfaces 112, 122, 132 in the exemplary embodiment of a mesh topology shown in FIG. 1.
  • “HART,“ PROFIBUS ”or an industrial“ Ethernet ” can be implemented as the protocol by means of which communication takes place via the wired 112, 122, 132 interfaces.
  • the wired design of the field devices 11, 12, 13, they can be operated accordingly by means of a battery, so that no separate cabling has to be laid for this.
  • the measuring system 1 comprises, in addition to the field devices 11, 12, 13, a higher-level unit 21, to which the field devices 11, 12, 13 are also connected.
  • the higher-level unit 21 can be the process control system of the process installation, for example in the form of a “PLC”.
  • the field devices 11, 12, 13 and the superordinate unit 21 each include a wireless interface 111, 121, 131, with "wireless HART, the" Bluetooth ", or” WLAN ”can be implemented.
  • the measured values measured by the field devices 11, 12, 13 can be transmitted via the wireless interfaces 111, 121, 131 by means of corresponding data packets [d].
  • the superordinate unit 21 can, for example, again control corresponding pumps or valves at the outlet or at the inlet of the reactor in order to control the filling level or the reaction.
  • the transmission of the measured values or the data packets [d] can, however, be at risk if some of the interfaces 111, 121, 131 cannot transmit with sufficient power or if the distance to the superordinate unit 21 is too great. Flaps between one of the field devices 11, 12, 13 and the superordinate unit 21 can also endanger the data transmission.
  • the data packet [d] is therefore transmitted with the respective measured values from one of the field devices 11, 12, 13 to all further field devices 11, 12, 13.
  • This data packet [d] is then sent via the Wireless interfaces 111, 121, 131 of all field devices 11, 12, 13 are sent to the higher-level unit 21.
  • the data packet [d] is sent synchronized in such a way that the data packet [d] has a defined phase shift f, g between the wireless interfaces 111 in relation to the common transmission frequency , 121, 131 takes place.
  • the previous synchronization of the wireless interfaces 111, 121, 131 with one another can take place in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 either directly via the wireless interfaces 111, 121, 131, or via the wired interfaces 112, 122, 132. In both cases For example, synchronization can be based on the IEEE 1588 standard.
  • the wireless interfaces 111, 121, 131 can be synchronized to phase shifts f, g of 0 ° in order to increase the overall transmission power or to circumvent individual obstacles, so that the reception of the data packet [d] is carried out by the higher-level unit 21 is ensured.
  • the transmission method according to the invention can be further developed in particular to include the relative positions x, y, z of the field devices 11, 12, 13 and the higher-level unit 21 with respect to one another.
  • the relative positions x, y, z can be determined, for example, by means of a GNSS module implemented in each of the field devices 11, 12, 13 and in the superordinate unit 21.
  • the relative positions x, y, z between the devices 11, 12, 13, 21 are determined by means of triangulation.
  • the distances between the individual devices 11, 12, 13, which must be known for the triangulation-based determination of the relative positions x, y, z, can for this purpose, for example, by determining the signal transit times or the signal strength between the individual wireless interfaces 111, 121, 131 can be determined.
  • it is also conceivable to perform the triangulation by measuring the transit time / signal strength in relation to peripheral devices, such as cell phone masts or WLAN routers.
  • peripheral devices such as cell phone masts or WLAN routers.
  • the field devices 11, 12, 13 can in turn be synchronized to such phase shifts f, g with respect to one another that the data packet [d] is emitted with a common main radiation lobe directed in the direction of the superordinate unit 21 is, as is indicated schematically in Fig. 1.
  • This type of transmission is also known under the term “beamforming”.
  • the phase shifts f, g are to be set according to the formula cr ⁇ arcsin ( ⁇ p, y) so that the total radiation lobe of all wireless interfaces 111, 121, 131 in the direction of the higher-level unit 21 (in
  • the beamforming method is particularly advantageous within the scope of the invention insofar as the data packet [d] is sent out in a targeted manner in the direction of the superordinate unit 21.
  • the transmission security of the data packet [d] is further increased, but the transmission power of the individual wireless interfaces 111, 121, 131 can also be reduced, if necessary, in order to minimize the power consumption of the measuring system 1 as a whole .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Datenpaketen ([d]) innerhalb eines Mess-Systems (1) von mehreren Feldgeräten (11, 12, 13) über jeweils eine Drahtlos-Schnittstelle (111, 121, 131) des Gerätes an eine übergeordnete Einheit (21). Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte: Verteilen des Datenpaketes ([d]) auf die Feldgeräte (11, 12, 13); Derartiges Synchronisieren der Drahtlos- Schnittstellen (111, 121, 131) der Feldgeräte (11, 12, 13), dass die Drahtlos- Schnittstellen (111, 121, 131) mit jeweils einer definierten Phasenverschiebung (φ, γ) zueinander senden, und; Synchronisiertes Senden des Datenpaketes ([d]) über die Drahtlos-Schnittstellen (111, 121, 131) der zumindest zwei Feldgeräte (11, 12, 13) an die übergeordnete Einheit (21). Hierdurch kann das Datenpaket [d] durch die übergeordnete Einheit (21) erfindungsgemäß mit erhöhter Übertragungs-Sicherheit empfangen werden. Damit wird die Datenübertragung zwischen einem der Feldgeräte 11, 12, 13 und der übergeordneten Einheit 21 auch bei einzelnen Hindernissen ohne Repeater oder sonstigen Mehraufwand sichergestellt. (Fig. 1)

Description

Verfahren zur Übertragung von Datenpaketen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Datenpaketen innerhalb eines Mess-Systems.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung verschiedener Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pFI-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
In der jeweiligen Prozessanlage sind die einzelnen Feldgeräte innerhalb eines Mess-Systems mit einer übergeordneten Einheit zusammengeschaltet, um die korrespondierenden Prozessvariablen mit geeigneten Aktoren, wie Heitz- Elementen, Rührwerken, Ventilen oder Pumpen für Zu- und Abläufe koordinieren zu können. In diesem Zusammenhang werden unter dem Begriff „Übergeordnete Einheit neben Speicher-programmierbaren Einheiten („SPS“) auch Remote l/O’s oder Edge Devices (elektrische Schnittstellen), bzw. allgemein Geräte wie auch Handheld Devices verstanden, die auf der Feldebene eingesetzt werden.
Zur Kommunikation innerhalb des Mess-Systems sind die Feldgeräte in der Regel nicht nur jeweils mit der übergeordneten Einheit verbunden, sondern auch untereinander, beispielsweise über eine „PROFIBUS“-, eine „( Wireless ) HART- oder eine industrielle „Ethernet- Schnittstelle. Dabei kann die Kommunikation beispielsweise auf Basis einer „Star“-, „Mesh“-, oder die „Net- Topologie realisiert werden. Da die einzelnen Feldgeräte innerhalb der Prozessanlage oft auch an schwer zugänglichen Orten angeordnet sind, erfolgt die Kommunikation der Feldgeräte zur übergeordneten Einheit innerhalb des Mess-Systems vorzugsweise über Drahtlos-Schnittstellen, wie gemäß dem „Wireless- HART- , dem „Bluetooth“- , oder einem „l/l/L W“-Protokoll. Flierüber können in jeweiligen Datenpaketen beispielsweise die erfassten Messwerte übermittelt werden. Mittels entsprechender Datenpakete können jedoch auch anderweitige betriebsrelevante Informationen des Feldgerätes kommuniziert werden, wie beispielsweise Status-Informationen, Kalibrier-Daten, oder Vergleichbares. Gerade im Falle drahtloser Kommunikation kann die
Verbindung einzelner Feldgeräte zur übergeordneten Einheit jedoch durch Einbauten im Signalpfad gestört sein. Je nach Situation kann dies bis hin zu einer Gefahrenlage in der Prozessanlage führen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine zuverlässige Verbindung aller Feldgeräte zur übergeordneten Einheit ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung zumindest eines Datenpaketes innerhalb eines Mess-Systems von zumindest zwei Feldgeräten über jeweils eine Drahtlos-Schnittstelle an eine übergeordnete Einheit. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- Verteilen des Datenpaketes auf alle Feldgeräte, ausgehend von mindestens einem der Feldgeräte,
- Derartiges Synchronisieren der Drahtlos-Schnittstellen der Feldgeräte, dass die Drahtlos-Schnittstellen mit jeweils einer definierten Phasenverschiebung zueinander senden,
- Synchronisiertes Senden des Datenpaketes über die Drahtlos- Schnittstellen der zumindest zwei Feldgeräte an die übergeordnete Einheit, und
- Empfang des Datenpaketes durch die übergeordnete Einheit. Durch das Verteilen des Datenpaketes unter allen Feldgeräten und dem gemeinsamen, synchronisierten Absenden des Datenpaketes wird erfindungsgemäß die Übertragungs-Leistung und somit die Übertragungs- Sicherheit erhöht.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht fest vorgegeben, mittels welcher Topologie die Feldgeräte untereinander verbunden sind, um das Datenpaket ausgehend von einem der Feldgeräte untereinander zu verteilen. Beispielsweise können die Feldgeräte derart untereinander verbunden sein, dass das Datenpaket gemäß einer „Star“-, „Mesh“-, oder „L/ef -Topologie unter den Feldgeräten verteilt wird. Auch das Synchronisieren kann über die Drahtlos-Schnittstellen selbst erfolgen, beispielsweise gemäß dem Standard IEEE 1588. Daneben ist es jedoch auch denkbar, dass die Synchronisation der Drahtlos-Schnittstellen über etwaige drahtgebundene Schnittstellen der Feldgeräte erfolgt, beispielsweise wiederum mittels dem Standard IEEE 1588.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehen erweitert werden, dass die relativen Positionen der Feldgeräte und der übergeordneten Einheit zueinander ermittelt werden. Zur Bestimmung der relativen Positionen können die Feldgeräte und die übergeordnete Einheit beispielsweise jeweils ein
GNSS-Modul umfassen. Alternativ zu GNSS können die Feldgeräte bzw. die übergeordnete Einheit auch so ausgelegt werden, dass die relativen Positionen mittels Triangulation bestimmbar ist. Hierzu können beispielsweise per Laufzeit-Messung eines entsprechenden Mess-Signals über die Drahtlos- Schnittstellen die Signallaufzeit oder die Signalstärke und dadurch der bei Triangulation erforderliche Abstand zwischen den Feldgeräten bzw. zur übergeordneten Einheit ermittelt werden.
Die Ermittlung der Positionen kann erfindungsgemäß genutzt werden, um die Drahtlos-Schnittstellen der Feldgeräte gemäß dem „Beamforming“-Prinzip auf derartige Phasenverschiebungen zu synchronisieren, dass das auszusendende Datenpaket mit einer gemeinsamen Hauptabstrahlkeule, die in Richtung der übergeordneten Einheit gerichtet ist, ausgesendet wird. Hierdurch wird eine weitere Verbesserung der Übertragungs-Sicherheit bewirkt.
Ein entsprechendes Mess-System, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer der vorhergehenden
Ausführungsvarianten geeignet ist, hat zumindest folgende Komponenten zu umfassen:
- Zumindest zwei Feldgeräte mit jeweils o einer synchronisierbaren Drahtlos-Schnittstelle, o einer Steuer-Einheit, die ausgelegt ist, um
■ die jeweilige Drahtlos-Schnittstelle mit der/den anderen Drahtlos-Schnittstelle/n entsprechend zu synchronisieren,
■ die Verteilung des Datenpaketes unter den Feldgeräten zu koordinieren, und ■ das synchronisierte Aussenden des Datenpakets über die jeweilige Drahtlos-Schnittstelle zu steuern, und
- eine übergeordnete Einheit, die ausgelegt ist, das Datenpaket zu empfangen.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auf beliebig viele Feldgeräte eines Mess-Systems angewendet werden.
Unter den Begriffen „Einheit und „Schnittstelle“ werden im Rahmen der Erfindung prinzipiell alle elektronischen Schaltungen verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt sind. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie einem FPGA oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Füllstandsmessgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Das Protokoll, mit dem das Datenpaket versendet wird, ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Beispielsweise können die Drahtlos- Schnittstellen so ausgelegt sein, dass das Datenpaket gemäß dem „Wireless- HART- , dem „Bluetooth“- , oder einem „ll/LA/V“-Protokoll versendet wird. Die übergeordnete Einheit ist korrespondierend auszulegen, um das Datenpaket auf Basis des entsprechenden Protokolls zu empfangen.
Neben der Drahtlos-Schnittstelle können die zumindest zwei Feldgeräte außerdem jeweils eine drahtgebundene Schnittstelle umfassen, um beispielsweise die Drahtlos-Schnittstellen zu synchronisieren und/oder zur Verteilung des Datenpaketes auf die Feldgeräte. Dabei können die drahtgebundenen Schnittstellen auf dem „PROFIBUS“-, „HART- oder einem industriellen „Ethernet -Protokoll basieren. Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1: Ein Mess-System mit drei Feldgeräten in einer Prozessanlage.
Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 ein beispielhaftes Mess-System 1 gezeigt, das zur Überwachung einer
Prozess-Anlage 2, wie beispielsweise einem Chemie-Reaktor, dient. Flierzu umfasst das exemplarische Mess-System 1 als Feldgeräte ein Durchflussmessgerät 12 an einem Zulauf des Reaktors 2, ein Füllstandsmessgerät 11 am Reaktor 2 selbst, und ein Temperaturmessgerät 13 an einem Ablauf des Reaktors 2. Dabei messen die Feldgeräte 11, 12, 13 die entsprechenden Messwerte jeweils mit einer individuell einstellbaren Mess-Rate, beispielsweise zwischen 1 Messung pro Minute und 1000 Messungen pro Sekunde. Untereinander sind die in Fig. 1 gezeigten Feldgeräte 11, 12, 13 über entsprechende drahtgebundene Schnittstellen 112, 122, 132 verbunden. Da jedes der Feldgeräte 11, 12, 13 über die drahtgebundene Schnittstelle 112, 122, 132 jeweils mit jedem anderen Feldgerät 11, 12, 13 verbunden ist, entspricht die Verbindung der Feldgeräte 11, 12, 13 über die drahtgebundenen Schnittstellen 112, 122, 132 bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Mesh-Topologie. Als Protokoll, mittels dem über die drahtgebundenen 112, 122, 132 Schnittstellen kommuniziert wird, kann etwa „HART, „PROFIBUS“ oder ein industrielles „Ethernet implementiert sein. T rotz kabelgebundener Auslegung der Feldgeräte 11, 12, 13 können diese entsprechend mittels Batterie betrieben werden, so dass hierfür keine separate Verkabelung verlegt werden muss.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante umfasst das Mess-System 1 neben den Feldgeräten 11, 12, 13 eine übergeordnete Einheit 21, mit welcher die Feldgeräte 11, 12, 13 ebenfalls verbunden sind. Dabei kann es sich bei der übergeordneten Einheit 21 um das Prozessleitsystem der Prozessanlage handeln, beispielsweise in Form einer „SPS“. Zur Kommunikation mit der übergeordneten Einheit 21 umfassen die Feldgeräte 11, 12, 13 und die übergeordnete Einheit 21 jeweils eine Drahtlos-Schnittstelle 111 , 121, 131, wobei als Übertragungs-Protokoll „Wireless-HART- , dem „Bluetooth“- , oder „WLAN“ implementiert sein kann.
Über die Drahtlos-Schnittstellen 111, 121, 131 können mittels entsprechender Datenpakete [d] insbesondere die von den Feldgeräten 11, 12, 13 gemessenen Messwerte übermittelt werden. Auf Basis der erhaltenen Datenpakete [d] kann die übergeordnete Einheit 21 beispielsweise wiederum entsprechende Pumpen oder Ventile am Ablauf oder am Zulauf des Reaktors steuern, um den Füllstand bzw. die Reaktion zu kontrollieren. Die Übertragung der Messwerte bzw. der Datenpakete [d] kann allerdings dann gefährdet sein, wenn einzelne der Schnittstellen 111, 121, 131 nicht hinreichend leistungsstark senden können bzw. wenn die Distanz zur übergeordneten Einheit 21 zu groß ist. Auch Flindernisse zwischen einem der Feldgeräte 11, 12, 13 und der übergeordneten Einheit 21 können die Datenübertragung gefährden.
Erfindungsgemäß wird das Datenpaket [d] daher mit den jeweiligen Messwerten von einem der Feldgeräte 11, 12, 13 an alle weiteren Feldgeräte 11, 12, 13 übermittelt. Im Anschluss wird dieses Datenpaket [d] über die Drahtlos-Schnittstellen 111 , 121, 131 aller Feldgeräte 11 , 12, 13 an die übergeordnete Einheit 21 gesendet. Ausgehend von den Drahtlos- Schnittstellen 111, 121 , 131 erfolgt das Senden des Datenpaketes [d] dabei derart synchronisiert, dass das Datenpaket [d] in Bezug zur gemeinsamen Sende-Frequenz mit jeweils einer definierten Phasenverschiebung f, g zwischen den Drahtlos-Schnittstellen 111, 121, 131 erfolgt. Die vorherige Synchronisation der Drahtlos-Schnittstellen 111, 121, 131 aufeinander kann bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entweder direkt über die Drahtlos-Schnittstellen 111, 121, 131 erfolgen, oder über die drahtgebundenen Schnittstellen 112, 122, 132. In beiden Fällen kann die Synchronisation beispielsweise auf Basis des Standrads IEEE 1588 erfolgen.
Im einfachsten Fall können die Drahtlos-Schnittstellen 111, 121, 131 auf Phasenverschiebungen f, g von 0° synchronisiert werden, um die Gesamt- Sendeleistung zu erhöhen, bzw. einzelne Flindernisse zu umgehen, so dass der Empfang des Datenpaketes [d] durch die übergeordnete Einheit 21 sichergestellt wird. Weiterentwickelt werden kann das erfindungsgemäße Übertragungs-Verfahren jedoch vor allem dahingehend, dass die relativen Positionen x, y, z der Feldgeräte 11, 12, 13 und der übergeordneten Einheit 21 zueinander miteinbezogen werden. Dabei können die relativen Positionen x, y, z beispielsweise mittels jeweils eines in den Feldgeräten 11, 12, 13 und in der übergeordneten Einheit 21 implementierten GNSS-Moduls ermittelt werden.
Denkbar ist jedoch auch, dass die relativen Positionen x, y, z zwischen den Geräten 11, 12, 13, 21 mittels Triangulation ermittelt wird. Die Distanzen zwischen den einzelnen Geräten 11, 12, 13, die zur Triangulations-basierten Bestimmung der relativen Positionen x, y, z bekannt sein müssen, können hierzu beispielsweise durch Bestimmung der Signal-Laufzeiten oder der Signalstärke zwischen den einzelnen Drahtlos-Schnittstellen 111, 121, 131 ermittelt werden. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch, die Triangulation durch Laufzeit-/Signalstärke-Messung in Bezug zu peripheren Geräten, wie Mobilfunkmasten oder WLAN-Routern, durchzuführen. Alternativ ist es zudem möglich, die Positionen an den Feldgeräten 11, 12, 13 und der übergeordneten Einheit 14 manuell einzugeben, sofern die Einbauorte hinreichend genau bekannt sind.
Anhand der ermittelten Positionen x, y, z können die Feldgeräte 11, 12, 13 wiederum auf derartige Phasenverschiebungen f, g zueinander synchronisiert werden, dass das Datenpaket [d] mit einer gemeinsamen Hauptabstrahlkeule, die in Richtung der übergeordneten Einheit 21 gerichtet ist, ausgesendet wird, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Bekannt ist diese Art des Sendens auch unter dem Begriff „Beamforming“. Dabei sind beim Beamforming die Phasenverschiebungen f, g gemäß der Formel cr~arcsin (<p,y) einzustellen, damit sich für die Gesamt-Flauptabstrahlkeule aller Drahtlos- Schnittstellen 111, 121, 131 in Richtung der übergeordneten Einheit 21 (in
Bezug zu der Flauptabstrahlkeule der jeweils einzelnen Antenne) der korrekte Winkel a ergibt. Im Gegensatz zu der schematischen Darstellung in Fig. 1 gilt diese Formel näherungsweise unter der Annahme , dass die Abstände zwischen den einzelnen Feldgeräten 11, 12, 13 im Vergleich zur Distanz zur übergeordneten Einheit 21 gering ist.
Das Verfahren des Beamforming ist im Rahmen der Erfindung insofern besonders vorteilhaft, als dass das Datenpaket [d] gezielt in Richtung der übergeordneten Einheit 21 ausgesandt wird. Somit wird nicht nur die Übertragungs-Sicherheit des Datenpaketes [d] weiter erhöht, sondern auch die Sende-Leistungen der einzelnen Drahtlos-Schnittstellen 111, 121, 131 können gegebenenfalls reduziert werden, um den Leistungs-Verbrauch des Mess-Systems 1 insgesamt zu minimieren. Bezugszeichenliste
1 Mess-System
2 Prozess-Anlage
11 Füllstandsmessgerät
12 Durchflussmessgerät
13 Temperaturmessgerät
21 Übergeordnete Einheit
111 Erste Drahtlos-Schnittstelle
112 Erste drahtgebundene Schnittstelle
121 Zweite Drahtlos-Schnittstelle
122 Zweite drahtgebundene Schnittstelle
131 Dritte Drahtlos-Schnittstelle
132 Dritte drahtgebundene Schnittstelle
[d] Datenpaket x,y,z Position a Winkel
Y. F Phasenverschiebungen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur drahtlosen Übertragung zumindest eines Datenpaketes ([d]) innerhalb eines Mess-Systems (1 ) von zumindest zwei Feldgeräten (11 , 12,
13) über jeweils eine Drahtlos-Schnittstelle (111 , 121 , 131 ) an eine übergeordnete Einheit (21 ), folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Verteilen des Datenpaketes ([d]) auf die Feldgeräte (11 , 12, 13),
- Derartiges Synchronisieren der Drahtlos-Schnittstellen (111 , 121 , 131) der Feldgeräte (11 , 12, 13), dass die Drahtlos-Schnittstellen (111 , 121 , 131 ) mit jeweils einer definierten Phasenverschiebung (cp, y) zueinander senden,
- Synchronisiertes Senden des Datenpaketes ([d]) über die Drahtlos- Schnittstellen (111 , 121 , 131 ) der zumindest zwei Feldgeräte (11 , 12,
13) an die übergeordnete Einheit (21 ), und
- Empfang des Datenpaketes [d] durch die übergeordnete Einheit (21 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Datenpaket ([d]) gemäß einer „Star“-, „Mesh“-, oder „Net -Topologie unter den Feldgeräten (11 , 12, 13) verteilt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Drahtlos-Schnittstellen (111 , 121 , 131 ) gemäß dem Standard IEEE 1588 synchronisiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die relativen Positionen (x, y, z) der Feldgeräte (11 , 12, 13) und der übergeordneten Einheit (21 ) zueinander ermittelt werden, und wobei anhand der ermittelten Positionen (x, y, z) die Feldgeräte (11 , 12, 13) auf derartige Phasenverschiebungen (f, g) synchronisiert werden, dass das Datenpaket ([d]) mit einer gemeinsamen Flauptabstrahlkeule, die in Richtung der übergeordneten Einheit (21 ) gerichtet ist, ausgesendet wird.
5. Mess-System zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend:
- Zumindest zwei Feldgeräte (11 , 12, 13) mit jeweils o einer synchronisierbaren Drahtlos-Schnittstelle (111, 112, 113), o einer Steuer-Einheit, die ausgelegt ist, um
■ die jeweilige Drahtlos-Schnittstelle (111 , 112, 113) mit der/den anderen Drahtlos-Schnittstelle/n (111, 112, 113) entsprechend zu synchronisieren,
■ die Verteilung des Datenpaketes [d] unter den
Feldgeräten (11, 12, 13) zu koordinieren, und
■ das synchronisierte Aussenden des Datenpakets ([d]) über die jeweilige Drahtlos-Schnittstelle (111 , 121, 131) zu steuern, und
- eine übergeordnete Einheit (21), die ausgelegt ist, das Datenpaket ([d]) zu empfangen.
6. Mess-System nach Anspruch 5, wobei die zumindest zwei Feldgeräte (11 , 12, 13) jeweils eine drahtgebundene Schnittelle (112, 122, 132) zur
Synchronisierung der Drahtlos-Schnittstellen (111, 112, 113) und/oder zur Verteilung des Datenpaketes auf die Feldgeräte (11, 12, 13) umfassen.
7. Mess-System nach Anspruch 6, wobei die drahtgebundenen Schnittstellen (112, 122, 132) auf dem „PROFIBUS“-, „HART- oder einem industriellen
„Ethernet -Protokoll basieren.
8. Mess-System nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Drahtlos-Schnittstellen ausgelegt sind, das Datenpaket [d] gemäß dem „Wireless-HART- , dem „Bluetooth“- , oder einem „ll/LA/V“-Protokoll zu versenden, und wobei die übergeordnete Einheit (21) ausgelegt ist, das Datenpaket ([d]) auf Basis des entsprechenden Protokolls zu empfangen.
9. Mess-System nach Anspruch 4 und zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Feldgeräte (11, 12, 13) und die übergeordnete Einheit (21) zur
Bestimmung der relativen Positionen (x, y, z) jeweils ein GNSS-Modul umfassen.
PCT/EP2021/051995 2020-02-19 2021-01-28 Verfahren zur übertragung von datenpaketen Ceased WO2021165012A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/904,463 US12362848B2 (en) 2020-02-19 2021-01-28 Method for transmitting data packets

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020104319.8 2020-02-19
DE102020104319.8A DE102020104319A1 (de) 2020-02-19 2020-02-19 Verfahren zur Übertragung von Datenpaketen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021165012A1 true WO2021165012A1 (de) 2021-08-26

Family

ID=74505215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/051995 Ceased WO2021165012A1 (de) 2020-02-19 2021-01-28 Verfahren zur übertragung von datenpaketen

Country Status (3)

Country Link
US (1) US12362848B2 (de)
DE (1) DE102020104319A1 (de)
WO (1) WO2021165012A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023128594A1 (de) * 2023-10-18 2025-04-24 Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg System und Verfahren zum Erweitern der Funktionalität eines ersten Transmitters

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014117894A1 (de) * 2014-12-04 2016-06-09 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG System zum Einsatz in der Automatisierungstechnik
CN207491221U (zh) * 2017-07-31 2018-06-12 吉林大学 一种适用于协作波束成形技术的无线传感器网络节点
US20190190577A1 (en) * 2017-12-14 2019-06-20 Google Llc Opportunistic Beamforming

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7110048B2 (en) 2001-03-30 2006-09-19 Weiss S Merrill Digital signal transmitter synchronization system
EP2771707A4 (de) * 2011-09-29 2015-12-09 Gwacs Defense Inc Verwendung einer hybriden wandleranordnung für ein sicherheitsereignisdetektionssystem
US9264162B2 (en) * 2013-05-23 2016-02-16 Honeywell Limited Wireless position-time synchronization for scanning sensor devices

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014117894A1 (de) * 2014-12-04 2016-06-09 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG System zum Einsatz in der Automatisierungstechnik
CN207491221U (zh) * 2017-07-31 2018-06-12 吉林大学 一种适用于协作波束成形技术的无线传感器网络节点
US20190190577A1 (en) * 2017-12-14 2019-06-20 Google Llc Opportunistic Beamforming

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MUDUMBAI R ET AL: "Distributed transmit beamforming: challenges and recent progress", IEEE COMMUNICATIONS MAGAZINE, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, US, vol. 47, no. 2, 1 February 2009 (2009-02-01), pages 102 - 110, XP011280745, ISSN: 0163-6804, DOI: 10.1109/MCOM.2009.4785387 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20230092222A1 (en) 2023-03-23
DE102020104319A1 (de) 2021-08-19
US12362848B2 (en) 2025-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013111714B4 (de) Verfahren zur Funktionseinstellung einer Messstelle
DE102013213040B4 (de) Übertragungsvorrichtung für ein Messgerät und Verfahren zum Übertragen von Rohdaten mit einer Übertragungsvorrichtung
EP2984530B1 (de) Messumformerspeisegerät mit abschaltbarer funkschnittstelle
DE102008027846B4 (de) Vorrichtung zum automatischen Erfassen der Topologie der einzelnen Komponenten einer Prozessanlage in der Automatisierungstechnik
DE102011001794A1 (de) Verfahren und Geräte zum kommunikationsmäßigen Koppeln einer tragbaren Vorrichtung mit Prozessregelungsvorrichtungen in einem Prozessregelungssystem
EP1754116A1 (de) Funkmodul für feldgeräte der automatisierungstechnik
EP2759096B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum koppeln eines ersten sensors mit zumindest einem zweiten sensor
DE102012105446B4 (de) Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer chemischen oder physikalischen Prozessgröße in der Automatisierungstechnik
WO2010020534A1 (de) Verfahren zur überwachung des ladezustands bzw. der restkapazität einer batterie bzw. eines akkus in der automatisierungstechnik
CH702454A1 (de) Anordnung mit einer übergeordneten Steuereinheit und zumindest einem mit der Steuereinheit verbindbaren intelligenten Feldgerät.
DE102010040865A1 (de) System mit zumindest einer Energie-Sendeantenne und zumindest einem Feldgerät
EP3465364A1 (de) Funkadapter für ein feldgerät mit einer antenne für zwei kommunikationsstandards
EP3283928A1 (de) Verfahren zum automatischen hinzu- oder wegschalten eines kommunikationswiderstandes eines hart-gerätes
WO2021165012A1 (de) Verfahren zur übertragung von datenpaketen
WO2003049366A2 (de) Anordnung mit einem messumformer und mindestens einem messwertgeber, die gemeinsam über einen feldbus mit einer prozesssteuerung verbunden sind
EP3348021A1 (de) Verfahren zum sicherstellen des betriebs eines drahtlosmoduls eines feldgeräts
WO2008125526A1 (de) Verfahren zur überwachung eines netzwerkes der prozessautomatisierungstechnik
DE102013103212A1 (de) System zur Bestimmung und/oder Überwachung und/oder Beeinflussung zumindest einer Prozessgröße
WO2021115760A1 (de) Verfahren zur optimierung einer mess-rate eines feldgerätes
WO2023165838A1 (de) Füllstandsmessgerät
DE102017115517A1 (de) Verfahren und Datenumsetzungseinheit zum Überwachen einer Anlage der Automatisierungstechnik
DE102010043031A1 (de) Funk-Feldgerät
EP4428497B1 (de) Feldgerät, system und verfahren zum speichern von positionsinformationen in einem feldgerät
EP1189036A1 (de) Verfahren zum Bereitstellen von Messwerten und zur Berechnung der Kosten der Bereitstellung
EP4732509A1 (de) Verfahren zum etablieren einer drahtlosen kommunikationsverbindung zwischen einem feldgerät und einem mobilen endgerät und system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21702920

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21702920

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 17904463

Country of ref document: US