Alles Wesentliche zu HART-Kommunikation und dem IIoT

In einer Prozessanlage, die mit 4...20 mA/HART-Instrumentierung arbeitet, können unerwartete Situationen schnell aus dem Ruder laufen, wenn Diagnosefähigkeiten übersehen werden. Diese als Beispiel gewählte Geschichte beschreibt eine typische Wartungssituation:

Stellen Sie sich einen Tag vor, an dem es heftig regnet. Das Wartungsteam geht davon aus, dass Routinearbeiten mit minimalen Eingriffen zu erledigen sind. Dann kommt es jedoch gleichzeitig an mehreren Stellen zu Problemen, die sofortige Aufmerksamkeit erfordern. Das Team steht plötzlich vor einem Problem mit einer kritischen Füllstandsmessung.

Ein Bediener meldet, dass ein Füllstandsmessgerät schwankende Messwerte liefert und der Prozess ohne zuverlässige Füllstandsinformationen läuft. Das Messgerät befindet sich an einem abgelegenen Ort in der Anlage, weit von der Werkstatt entfernt. Um dorthin zu gelangen, muss man hinaus in das scheußliche Wetter.

Als der Techniker bei dem Gerät ankommt, stellt er fest, dass die lokale Konfiguration nicht verfügbar ist. Um das Problem zu diagnostizieren, wird ein Feldkonfigurator benötigt – doch seine Batterie ist leer. Dadurch ist der Techniker gezwungen, zurückzugehen, das Tool aufzuladen dann noch einmal das Messgerät zu überprüfen. Währenddessen läuft der Prozess ohne genaue Füllstandsmessung weiter, und die Bediener wissen nicht Bescheid, dass der Füllstand zu hoch angestiegen ist.

Schließlich spricht der Grenzstandschalter an, fährt den Prozess herunter und bringt die Produktion zum Stillstand. Das Sicherheitssystem funktioniert zwar so, wie vorgesehen, aber der Vorfall zeigt eine bedeutende Schwachstelle auf: Das Fehlen eines sofortigen Zugriffs auf die Diagnose verlängert die Fehlerbehebung und verursacht unnötige Stillstandszeiten – eine Geschichte wie aus dem Lehrbuch.

Kommt Ihnen das obige Beispiel bekannt vor? Situationen wie diese können durch Zugreifen auf die Gerätedaten direkt aus dem Feld oft schnell gelöst werden. Selbst wenn Feldgeräte nur mit 4...20-mA-Analogsignalen arbeiten, sind die meisten mit dem HART Communication Protocol ausgestattet – das in diesem Fall jedoch nicht genutzt wurde.

Wie die meisten von uns wissen, ist HART keine neue Technologie. Obwohl Millionen von HART-fähigen Geräten weltweit in vielen verschiedenen Branchen installiert sind, werden seine Grundlagen immer noch nicht von jedem verstanden.

HART steht für „Highway Addressable Remote Transducer“ und wurde Mitte der 1980er Jahre eingeführt. Nachdem es anfangs ein proprietäres Protokoll war, wurde es 1986 zu einem offenen Standard.

HART ist ein hybrides Protokoll, das ein digitales Signal über das traditionelle 4...20-mA-Anlaogsignal legt. Dieser Standard wird seit Jahrzenten verwendet und ist in vielen Anlagen auch heute noch weit verbreitet.

Aus technischer Sicht nutzt HART den Standard Bell 202 und verwendet Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK) bei 1200 bit/s. Zwei Frequenzen stellen binäre Werte dar: 1200 Hz steht für „1“, und 2200 Hz für „0“. Dieser Ansatz ermöglicht die Kommunikation zwischen Master- und Slave-Geräten, ohne das Analogsignal zu unterbrechen.

HART-fähige Feldgerät stellen einen vergleichbaren Umfang an Diagnose- und Betriebsdaten bereit wie vollständig digitale Geräte. Der Hauptunterschied besteht darin, wie auf diese Daten zugegriffen wird. Digitale Geräte übermitteln ihre Informationen kontinuierlich, unabhängig davon, ob sie aktiv genutzt werden. Im Gegensatz dazu bleiben bei vielen HART-Geräten die wertvollen Daten im Feld, sozusagen in den Geräten eingeschlossen.

Alle Geräte, die das HART Communication Protocol verwenden, unterstützen ein intelligentes Gerätemanagement (Intelligent Device Management, IDM), ähnlich wie das, was bei PROFIBUS, FOUNDATION Fieldbus und anderen digitalen Technologien zur Verfügung steht. HART bietet zwar einen Multi-Drop-Modus, mit dem Daten aus mehreren Geräten ausgelesen werden können, aber dieses Verfahren ist langsam und daher nicht weit verbreitet. Glücklicherweise gibt es alternative Lösungen, um diese wichtigen Informationen herauszuholen, ohne dafür Multi-Drop-Konfigurationen verwenden zu müssen.

Was also ist genau der Unterschied zwischen HART und vollständig digitalen Feldbusgeräten? Im Hinblick auf Art und Qualität der Informationen – beispielsweise Gerätezustand und Diagnose – gibt es praktisch keinen Unterschied. Die Standardinstallation von HART-Geräten bedeutet jedoch normalerweise, dass das Steuerungssystem nur das 4...20-mA-Analogsignal empfängt und nicht, wie bei digitalen Netzwerken, alle Gerätedaten kontinuierlich verfügbar sind.

Die gute Nachricht ist, dass moderne Lösungen, sowohl drahtgebundene als auch drahtlose, jetzt einen effizienten Zugriff auf HART-Daten ermöglichen und diese in verwertbare Erkenntnisse umwandeln können – beispielsweise über ein IIoT-Ökosystem wie Netilion von Endress+Hauser.

Situationen wie in dem weiter oben erwähnten Beispiel mit dem Füllstandsmessgerät können oft durch die Nutzung moderner Konnektivitätsoptionen vermieden werden. Es gibt praxistaugliche Möglichkeiten, mit denen IDM-Daten von HART-fähigen Feldgeräten ohne größere Investitionen oder Umbaumaßnahmen in der Anlage abgerufen werden können.

1. WirelessHART-Integration: Die drahtlose Lösung ist eines der einfachsten Verfahren zum Erfassen von Gerätedaten. Wenn vorhandene Feldgeräte zusätzlich mit einem WirelessHART-Adapter ausgestattet werden, können Daten an ein WirelessHART-Gateway übertragen werden. Dieses Gateway – z. B. das Fieldgate SWG70 von Endress+Hauser – kann dann mit einem Edge Device verbunden werden, das eine nahtlose Integration mit IIoT-Cloud-Plattformen ermöglicht. Drahtlose Lösungen sind in vielen Branchen bereits weit verbreitet und haben sich in zahlreichen Anwendungen als effektiv erwiesen.

2. HART-Gateways für die drahtgebundene Integration: Für Anlagen, die drahtgebundene Lösungen bevorzugen, bieten HART-Gateways eine zuverlässige Möglichkeit, um Daten aus der 4...20-mA-Schleife zu extrahieren und mit IIoT-Plattformen wie Netilion zu verbinden. Dieser Ansatz erfordert eventuell etwas höhere Anfangsinvestitionen als die drahtlose Lösung, macht sich aber in der Regel innerhalb weniger Monate bezahlt. Ein Beispiel ist das Fieldgate SFG250, ein Ethernet-basiertes HART-Gateway, das eine einfache und effiziente Methode für den Zugriff auf Gerätedaten und ihre Integration in Cloud-Systeme bereitstellt. HART über Ethernet ist eine der effektivsten Möglichkeiten, um wertvolle Informationen zu erschließen, ohne die Komplexität im täglichen Betrieb zu erhöhen.

Wie die vorherigen Beispiele zeigen, ist das IIoT gar nicht so unerreichbar oder komplex, wie es zunächst scheinen könnte. Der Nutzen von IIoT-Services liegt klar auf der Hand – wenn Sie sie in Ihrer Anlage implementieren, können sie für Ihren Betrieb bedeutende Vorteile bringen.

IIoT kann Ihnen beispielsweise einen umfassenden Überblick über Ihre installierte Basis verschaffen. Wussten Sie, dass in vielen Anlagen ca. 30 % der Betriebsmittel bereits veraltet sind? Mit IIoT-Services können Sie Geräte entweder manuell oder automatisch mit einem Edge Device registrieren und einen digitalen Zwilling erstellen.

Nachdem die Verbindung hergestellt ist, bieten digitale Services wie Netilion Analytics transparente Einblicke durch intuitive Dashboards und Grafiken. Diese Analysetechniken fördern wichtige Informationen zutage, z. B. den Status von Verfügbarkeit und Lebenszyklus der Geräte. Sie verringern die Komplexität und optimieren den Wartungsaufwand.

Eine weitere leistungsfähige Anwendung des IIoT in Kombination mit dem HART Communication Protocol ist die Zustandsüberwachung von Geräten. Digitale Services wie Netilion Health liefern Diagnoseinformationen sowohl für Geräte von Endress+Hauser als auch von Drittanbietern.

Unabhängig davon, ob sie drahtgebundene oder WirelessHART-Konnektivität nutzen, kann sich Ihr Gateway mit einem Edge Device verbinden, das seinerseits sicher mit der Cloud kommunizieren kann. Dies ermöglicht es, von überall auf die Informationen über den Gerätezustand zuzugreifen.

Das System zeigt die Statuswerte des Geräts basierend auf den Standards von NAMUR NE 107 an. Wenn eine Diagnosewarnung ausgegeben wird oder es zu einem Ausfall kommt, können Sie sich detaillierte Informationen anzeigen lassen, um die Ursache zu ermitteln und Korrekturmaßnahmen festzulegen. Darüber hinaus stehen historische Daten zur Verfügung, die zeigen, wann und wie oft Ereignisse aufgetreten sind. Das verschafft Ihnen ein klares Bild, wie sich die Leistungsfähigkeit der Betriebsmittel im Lauf der Zeit entwickelt hat.

Wäre ein solches Zustandsüberwachungssystem während des weiter oben beschriebenen Vorfalls bei der Füllstandsmessung vorhanden gewesen, hätte das Problem früher erkannt werden können. Das hätte Zeit gespart, ungeplante Stillstandszeit vermieden und die Kosten gesenkt.

Kurz gesagt: Das IIoT macht das Anlagenmanagement einfacher, intelligenter und effizienter.