Alles über das HART-Kommunikationsprotokoll und das Industrial Internet of Things.

HART-Feldgeräte liefern uns Tonnen von wichtigen Daten, aber es gibt immer noch Unternehmen, die diese Daten einfach im Feld untergehen lassen. Wie lässt sich dieses Problem lösen

Wir tendieren zu der Annahme, dass all diese Innovationen, die die ganze Zeit aus dem Boden schießen, für unser Unternehmen unerreichbar sind. Es gibt viele Sorgen und Befürchtungen, wenn es um die Frage geht, ob diese neuen Technologien im Unternehmen eingeführt werden sollen oder nicht. Eine dieser Sorgen betrifft die Kosten, die für die Modernisierung der Anlage anfallen, damit sie dann auch wirklich mit der ganzen neuen Technologie arbeiten kann.

Auf der einen Seite befinden sich diejenigen, die die Einführung einer neuen Lösung gar nicht erst in Betracht ziehen wollen. Und auf der anderen Seite sind Menschen wie Sie zu finden! Ja, ich meine genau Sie, diejenigen, die gerade jetzt diesen Artikel lesen.

Selbst wenn Sie noch immer einige Zweifel in Bezug auf das neue Industrial Internet of Things haben, sind Sie doch offen dafür, mehr über seine Vorteile zu erfahren, und Sie würden es auch durchaus testen, je nachdem, wie einfach und erschwinglich die Lösung ist, richtig?

Ich bin wirklich froh, dass Sie heute zu meinem Publikum gehören. Lassen Sie uns doch zusammen einen Blick darauf werfen, wie das HART-Kommunikationsprotokoll auch weiterhin bedeutende Informationen bereitstellt und welche Möglichkeiten bestehen, das IIoT Cloud Computing mit Ihren HART-Feldgeräten zu niedrigen Kosten zu integrieren.

Holen Sie sich etwas zu trinken, lehnen Sie sich zurück, und lassen Sie mich Ihnen dann erläutern, wie Sie Ihre Anlage mit HART-Feldgeräten und HART-Schnittstellen aufpeppen können.

Ein Tag in einer Anlage mit 4-20-mA-Technologie.

Es war ein regnerischer Tag, und ich hatte so das Gefühl, dass es ein schöner ruhiger Tag werden würde, mit nicht allzu vielen Anrufen aus dem Betrieb. Wissen Sie was? Ich wusste es zu dem Zeitpunkt zwar noch nicht, aber ich lag mit meinem Gefühl völlig falsch. Mir sollte vielmehr einer dieser Tage bevorstehen, an denen absolut alles schief läuft und das auch noch zur selben Zeit.

Ich arbeitete damals im Wartungsteam und die meiste Zeit über war ich mit den üblichen täglichen Aufgaben beschäftigt, wie Kalibrierung, Reinigung der Geräte, Installation von neuen Komponenten und Diskussionen mit dem Bediener. Ja, ich finde mich leider oft in der Situation wieder, beweisen zu müssen, dass das Durchflussmessgerät vollkommen richtig misst und das Problem im Prozess selbst liegt.

An manchen Tagen erhielten wir auch Notrufe, wenn ein Gerät nicht funktionierte und wir so schnell wie möglich herausfinden mussten, was los war. Normalerweise war das Wartungsteam jedoch mit den üblicherweise auftretenden Fehlern und Problemen vertraut.

An jenem regnerischen Tag wollte ich nicht ins Feld hinaus, weil es wirklich heftig regnete. Außerdem hatte ich nur ein paar Praktikanten bei mir, denn der größte Teil des Teams war auf einer Schulung. Doch später an diesem Tag erhielt ich einen Anruf von einem Bediener, in dem es um eine Füllstandsmessung ging.

Mir war klar, ich würde die Messstelle aufsuchen müssen, um herauszufinden was los war, und dabei patschnass werden. Ich suchte alle notwendigen Werkzeuge zusammen und machte mich auf den Weg. Natürlich war der betroffene Füllstandstransmitter LT-305 im hintersten Winkel der Anlage installiert, weit weg von der Stelle, an der ich mich befand. Auf meinem Weg dorthin erhielt ich eine weitere Meldung aus dem Betrieb, in der es hieß, dass man den Prozess ohne diese Messstelle laufen ließ.

Mir war sofort klar, dass es sich um eine ernste Angelegenheit handelte und so beeilte ich mich noch mehr, um so schnell wie möglich zur Messstelle gelangen.  Als ich schließlich vor dem Gerät stand, erlebte ich meine erste Überraschung: Es gab überhaupt keine lokale Konfiguration. Der Bediener erklärte mir, dass die Messung schwankte und sie keinerlei Füllstandsinformationen hatten.

Um herauszufinden, was los war, holte ich den Feldkonfigurator aus meinem Werkzeugkasten, um die Gerätedaten zu lesen, und erlebte auch schon gleich die zweite Überraschung. Die Batterie des Feldkonfigurators war leer, und ich hatte keine Chance, festzustellen, welches Problem mit dem Gerät bestand.

Die Lösung war, den Feldkonfigurator kurz ein bisschen aufzuladen und dann wieder zum Messgerät zurückzukehren. Ich schätze, Sie wissen schon, was als Nächstes passierte, stimmt's? Der Betrieb ließ den Prozess ohne eine genaue Füllstandsmessung laufen und niemandem war klar, dass der Füllstand zu hoch war. Daraufhin funktionierte der Füllstandgrenzschalter perfekt, fuhr den Prozess ordnungsgemäß herunter und stoppte die Produktion.

Eben ein rundum perfekter Regentag für das Wartungsteam.

Was ist das HART-Kommunikationsprotokoll?

Haben Sie sich selbst auch schon in einer solchen Situation gesehen wie die, die ich oben beschrieben habe? Ich bin sicher, die Antwort lautet "Ja". Dieses Problem kann allerdings schnell behoben werden, indem die Gerätedaten aus dem Feld erfasst werden. Obwohl die Feldgeräte noch mit 4-20 mA kommunizierten, waren sie doch alle mit dem HART-Kommunikationsprotokoll ausgestattet – und wir nutzten es nicht.

Das HART-Protokoll ist nichts Neues, wie wir alle wissen, und diese Geräte sind außerdem tonnenweise in unterschiedlichen Industrien installiert, aber die Grundlagen sind trotzdem noch nicht jedem klar.

HART steht für Highway Addressable Remote Transducer Protocol und wurde Mitte der 1980er Jahre entwickelt. Erst 1986 wurde das HART-Kommunikationsprotokoll zu einem offenen Protokoll. Bis dahin war es ein proprietäres Protokoll.

Es handelt sich um eine Art hybrides Protokoll, in dem digitale und analoge Technologie zusammenkommen. Das HART-Protokoll arbeitet mit der traditionellen 4-20-mA-Kommunikation, die zwar älter ist als Sie und ich zusammen, aber noch immer zuverlässig arbeitet.

Das HART-Protokoll wurde auf der Basis von Bell-202 entwickelt, das es für die Modulation und Demodulation mit Frequency Shift Keying (FSK) bei 1200 bps nutzt.

Das Signal entsteht durch zwei verschiedenen Frequenzen, 1200 Hz und 2.200 Hz, um "1" und "0" darzustellen. So kann der Master ohne Unterbrechung in 4-20 mA mit dem Slave kommunizieren. Das ist in Kürze die Erläuterung des HART-Protokolls; natürlich gibt es noch weitere Punkte, auf die wir vielleicht bei einer anderen Gelegenheit genauer eingehen können, so z. B. HART-Befehl, HART Multi-drop etc.

Welcher Unterschied besteht zwischen dem HART-Protokoll und den neuen digitalen Feldprotokollen?

Die HART-Feldgeräte bieten ein ähnliches Datenniveau wie die digitalen Geräte. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die digitale Lösung diese Daten in jedem Fall übermittelt, ob Sie sie nun verwenden oder nicht. Einige HART-Geräte dagegen sind im Feld "verendet§ und haben dabei alle Daten mit sich genommen.

Alle Geräte mit HART-Kommunikationsprotokoll bieten Ihnen ein intelligentes Gerätemanagement (Intelligent Device Management, IDM), wie es auch in PROFIBUS-, FOUNDATION Fieldbus- und anderen digitalen Geräten zu finden ist.

Die digitale Art, alle Informationen aus den HART-Geräten auszulesen, ist allerdings nicht sehr populär. Ich spreche von Multi-drop. Aber es gibt auch andere Möglichkeiten, all diese wertvollen Informationen aus dem Feld zu retten.

Um nun also mit wenigen Worten die Frage nach dem Unterschied zwischen HART- und digitalen Geräten zu beantworten: Es gibt keinen Unterschied, was das Informationsniveau anbelangt, das Sie von Ihren Feldgeräten erhalten können. Alle Lösungen werden Ihnen die gleichen wertvollen Daten zum Gerätezustand liefern.

Die schlechte Nachricht ist, dass im Gegensatz zu einem konventionellen Feldnetzwerk mit digitalen Geräten, überall dort wo HART-Geräte installiert sind, die Standardmethode darin besteht, dass das Steuerungssystem nur die 4-20-mA-Signale liest.

Die gute Nachricht ist aber, dass wir über kabelgebundene und drahtlose Möglichkeiten verfügen, um diese Daten aus dem Feld zu holen und sie in wertvolle Einblicke zu verwandeln, indem wir sie z. B. in Netilion Health verwenden.

Welche Art von HART-Schnittstellen kann ich in meiner IIoT Cloud-Lösung verwenden?

Ich bin sicher, Sie haben selbst schon einmal eine ähnliche Geschichte erlebt, wie die Situation mit dem Füllstandstransmitter, die ich eingangs geschildert habe und die hätte verhindert werden können.

Ich möchte Ihnen nun zwei Möglichkeiten vorstellen, wie Sie die IDM-Daten ohne hohe Investitionen oder eine Modifizierung Ihrer Anlage aus Ihren HART-Feldgeräten retten können.

Als Erstes erwähne ich an dieser Stelle immer gerne, dass eine drahtlose Lösung die einfachste Methode ist, um diese Informationen zu erfassen. Wenn Sie Ihre Feldgeräte um einen WirelessHART-Adapter erweitern, überträgt er alle Daten an das WirelessHART Gateway.

Dieses WirelessHART Gateway, wie beispielsweise das SWG70 von Endress+Hauser, kann in ein Edge Device integriert werden und dann all diese Daten dem IIoT Cloud Computing bereitstellen.

Die drahtlose Technologie ist bereits in vielen unterschiedlichen Industrien eine konsolidierte Lösung; es gibt zahlreiche Fälle, in denen Endbenutzer sie auf unterschiedliche Arten nutzen. Ich sage gerne, dass "drahtlos" Leben bedeutet. Ich meine, das stimmt schon irgendwie, oder könnten Sie ohne WiFi überleben? Ich schätze nicht.

Zweitens: Wenn Sie noch nicht mit der ganzen drahtlosen Technologie vertraut sind, gibt es trotzdem eine großartige Methode, Ihre Feldgeräte mit der IIoT Cloud zu verbinden. Ja, HART-Gateways sind eine der einfachsten Methoden, um die HART-Kommunikation vom 4-20-mA-Loop umzuleiten und in eine IIoT-Plattform wie Netilion zu integrieren.

Je nach Anzahl und Komplexität muss in ein HART-Gateway natürlich etwas mehr investiert werden als in eine drahtlose Lösung. Was Sie dabei im Hinterkopf behalten sollten, ist, dass sich die Implementierung dieser Art von Lösung in Ihrer Anlage innerhalb einiger weniger Monate auszahlen kann.

An dieser Stelle würde ich gerne das Fieldgate SFG250, das Ethernet-HART-Gateway, als ein herausragendes Beispiel nennen, um IIoT in Ihrer Anlage zu implementieren. HART over Ethernet ist eine der einfachste Methoden, um all diese Daten auszulesen, ohne den Arbeitstag mit Kopfschmerzen zu beschließen.

Sollte ich eine Industrial Internet of Things-Lösung in meiner Anlage haben?

Lassen Sie mich mit einer Gegenfrage antworten: Warum denn nicht? Wie wir bereits gesehen haben, ist das Industrial Internet of Things gar nicht so unerreichbar, wie Sie sich anfangs vorgestellt haben. Und die Vorzüge der IIoT Services liegen klar auf der Hand. Sie können von einer Vielzahl von Vorteilen profitieren, wenn Sie es in Ihrer Anlage implementieren.

Dazu gehört beispielsweise, dass das IIoT Ihnen helfen kann, einen klaren Überblick über Ihre Anlage zu haben. Wussten Sie, dass rund 30 % Ihrer Anlagenbestandteile bereits veraltet sind?

Mithilfe eines der IIoT Services können Sie auf natürliche Art ihre Geräte manuell registrieren und einen digitalen Zwilling in der Cloud erzeugen oder den ganzen Prozess automatisch über das Edge Device ablaufen lassen.

Danach haben Sie Zugriff auf Analytics, wo Sie auf transparente Art mithilfe leistungsstarker Einblicke und Grafiken alle Informationen zu Ihrer installierten Basis anzeigen können. Sie erhalten Tonnen von Informationen, so z. B. welche Geräte nicht mehr erhältlich sind, können sich einen Überblick über alle Geräte verschaffen und die Komplexität und den Wartungsaufwand reduzieren etc.

Die Vorteile der Zustandsüberwachung mit dem HART-Kommunikationsprotokoll

Eine andere leistungsstarke Möglichkeit, das HART-Kommunikationsprotokoll und das IIoT zu nutzen, ist die Zustandsüberwachung. Netilion Health beispielsweise ist eine der einfachsten Lösungen, die Informationen zu Geräten von Endress+Hauser und sogar von Drittanbietern liefert.

Nachdem Sie entschieden haben, ob Sie eine drahtlose (Wireless Gateway) oder eine kabelgebundene (HART-Gateway) Lösung verwenden möchten, wird alles mit dem Edge Device verbunden. Es wird sicher mit der Cloud-Lösung kommunizieren und Ihnen jederzeit und überall alle Zustandsinformationen bereitstellen.

Auf der Übersichtsseite können Sie ganz einfach alle Zustände der Geräte auf Basis der NAMUR NE 107 sehen. Sollten Geräte eine Diagnose und eine Störung anzeigen, können Sie sich die vom Gerät gelieferten Informationen im Detail ansehen, feststellen, wo das Problem liegt und wie es behoben werden kann.

Zudem können Sie sich die Historie zum Gerätezustand anzeigen lassen und abrufen, wann welche Ereignisse in welchen Intervallen aufgetreten sind, sodass Sie ein klares Bild der Situation erhalten. Jede Wette, Sie hätten nie gedacht, dass es so einfach sein könnte, richtig?

Es ist klar, eine ähnliche Situation wie das Problem mit der eingangs beschriebenen Füllstandsmessung hätte leicht vermieden werden können, wenn das Unternehmen über ein System zur Überwachung des Gerätezustands verfügt hätte. Das hätte Zeit und Geld bei der Problembehebung gespart und die ungeplante Stillstandszeit verhindert.

Jawohl, so einfach geht's!