CITplus - Durch den Einsatz des Hart-Multiplexers werden die Hart-Signale besser zur Optimierung sowohl neuer als auch vorhandener Anlagen genutzt.

Laut Hart Communication Foundation (HCF) waren im Jahr 2008 weltweit rd. 64,9 Mio. Feldgeräte installiert. Etwa 58 % dieser Geräte verfügten über Kommunikationsmöglichkeiten wie Hart oder eine Feldbus-Schnittstelle, wobei der überwiegende Teil - nämlich 30 Mio. Geräte - Hart-fähig war. Doch obwohl die Anwender im Hinblick auf einen sicheren, effizienten und nachhaltigen Prozess mehr über die Feldgeräte wissen möchten, wurde die Hart-Fähigkeit nur bei rund zehn Prozent, also drei Millionen Geräten, verwendet. Ein Großteil der Anwender verzichtet somit nicht nur auf eine einfachere Inbetriebnahme und Wartung, sondern auch auf die Erfassung wichtiger Diagnosedaten. Dies liegt unter anderem daran, dass viele Planer ursprünglich lediglich das 4 - 20 mA-Signal des Feldgerätes interessierte. Seine Hart-Fähigkeit war in keinem Anforderungskatalog festgeschrieben, hat aber auch nicht gestört. Hart-fähige I/O-Karten wurden selten verbaut.
Inzwischen spielt die Nutzung der Kommunikationsfähigkeit von Feldgeräten eine immer größere Rolle. Die Möglichkeiten, die sich aus einer zunehmend vernetzten Produktionsumgebung ergeben, erfordern jedoch einen durchgängigen Informationsfluss. Anders ausgedrückt: Was hilft dem Bediener das smarte Feldgerät, wenn die relevanten Daten nicht zur Verfügung stehen. In diesem Zusammenhang stellt die Hart-Kommunikation eine interessante Option dar.

Multiplexen ermöglicht wirtschaftliche Überwachung
Beschränkt sich der Anwender auf die Konfiguration und Wartung einzelner Geräte, kann er die Aufgaben mit einem Hart-Modem oder -Handheld umsetzen. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, dass der Mitarbeiter nur auf ein Hart-fähiges Gerät zugreifen kann - und das beim Handheld auch nur temporär. Während die Einschränkung im Bereich der Konfiguration hinnehmbar ist, erweist sich das Verfahren zur permanenten Kontrolle mehrerer wichtiger Feldgeräte als nicht ausreichend. Soll das Hart-Signal nachträglich umfassender verwendet werden, sind die herkömmlichen I/O-Karten gegen Hart-fähige Karten auszutauschen, die die Kommunikation mit dem übergeordneten Asset Management System sicherstellen. Das Auswechseln mehrerer Karten ist allerdings mit einem erheblichen finanziellen Aufwand sowie Rückwirkungen auf die bestehende Anlage und ihre Funktionen verbunden.
Als alternative Lösung wird deshalb das Hart-Multiplexen eingesetzt. Der Hart-Multiplexer organisiert den bidirektionalen Datenaustausch zwischen maximal 32 Feldgeräten und einem separaten PC oder einer Steuerung. Dabei verdrahtet der Anwender neben dem 4 - 20 mA-Signal zur Steuerung zusätzlich auf ein Übergabe-Board (Abb. 1). Das 4 - 20 mA-Signal wird nicht beeinflusst, da es sich um eine kapazitive Auskopplung der Information handelt. Der Hart-Multiplexer übernimmt das ausgekoppelte Hart-Signal und leitet es über eine RS485-Schnittstelle weiter. Auf diese Weise kann nacheinander via Hart-Multiplexer mit den Feldgeräten kommuniziert werden. Reicht das Anschlussvolumen nicht aus, kann das Übergabe-Board um ein zweites Board erweitert werden.

Comserver leitet Daten über die ­bestehende Infrastruktur weiter

• Je nach Anforderung sind verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten zwischen Multiplexer und PC erhältlich:
• Umsetzung mittels eines Schnittstellen-Konverters von RS485 auf RS232
• Datenaustausch mit dem Comserver via Ethernet TCP/IP

Die Ethernet-basierte Variante soll an einem Beispiel erläutert werden: Zur Messung der Temperatur verwendet ein Anlagenbetreiber Temperatur-Kopfmessumformer. Die Übertragung war bisher auf 4 - 20 mA-Signale beschränkt, das Hart-Signal wurde nicht genutzt. Aufgrund von Vorteilen bei der Anlagenüberwachung und der Einstellung von Temperaturbereichen möchte der Anlagenbetreiber nun mit den Feldgeräten kommunizieren. Mehrere der verbauten Kopfmessumformer sind Hart-fähig. Die Sensoren befinden sich im explosionsgefährdeten Bereich. Daher hat der Anwender eigensichere Kopfmessumformer sowie zusätzliche Ex-i-Speisetrennverstärker zur Trennung von eigensicherem und nicht-eigensicherem Stromkreis installiert. Es handelt sich nicht um eine sicherheitstechnische Funktion im Sinne der Funktionalen Sicherheit gemäß IEC 61508. Trotzdem möchte der Betreiber die Verfügbarkeit der Anlage und ihre Überwachung mit Hilfe der Hart-Informationen verbessern. Darüber hinaus sollen die Daten Web-basiert über TCP/IP übertragen werden, wobei der Aufwand möglichst gering zu halten ist.
Vor diesem Hintergrund benötigt der Betreiber Hart-fähige Feldgeräte, Hart-transparente Ex-i-Trennverstärker, die das Signal durch Filterung nicht zerstören, möglicherweise Klemmen zur Weiterleitung des 4 - 20 mA-Signals an die Steuerung sowie auf das Übergabe-Board, das Übergabe-Board für die Auskopplung der Signale, den Hart-Multiplexer sowie einen Comserver zur Kommunikation via Ethernet TCP/IP. Ferner ist z. B. ein PC mit geeigneten Programmen erforderlich (Abb. 2). Der vorhandene Platz im Schaltschrank erlaubt die Montage eines Hart-Multiplexers mit zwei Übergabe-Boards und einem Comserver. Die zusätzlichen Geräte, deren gesamte Baubreite 22 cm beträgt, ermöglichen die Einbindung von 32 Signalen. Die Hart-transparenten Trennverstärker müssen dabei nicht nebeneinander verbaut sein. Vielmehr lassen sich die Signale im Schaltschrank am Hart-Übergabe-Board einsammeln und mit Flachbandkabel an den Multiplexer weiterleiten. Sollen die Informationen anschließend via Ethernet kommuniziert werden, wandelt der Comserver von RS485 auf TCP/IP um und leitet sie über die vorhandene Netzwerkinfrastruktur an den PC weiter (Abb. 3).

Hart-OPC-Server zeigt wesentliche Gerätedaten an
Nachdem der Hart-Multiplexer über den Comserver per Ethernet mit dem PC verbunden ist, kann der Anlagenbetreiber die Web-Oberfläche des Comservers zur Konfiguration aufrufen. Dazu gibt er die IP-Adresse, die seitlich auf das Gerät aufgedruckt ist, in die Adressleiste des Browsers ein. Der Comserver gestattet die Kommunikation mit mehreren Multiplexern. Der Anlagenbetreiber benötigt zudem einen Hart-OPC-Server, den er für 500 US-$ auf der Internet-Seite der Hart Communication Foundation erwerben kann. Der Hart-Muliplexer von Phoenix Contact ist in der Version 3.2 des Hart-OPC-Servers hinterlegt. Sind alle angeschlossenen Multiplexer und die an sie angekoppelten Feldgeräte eingelesen worden, werden sie entsprechend angezeigt (Abb. 4). Wenn der Anlagenbetreiber nun eines der Geräte auswählt, kann er unter dem Menüpunkt „Properties" wesentliche Daten wie den aktuellen Prozesswert, das Datum sowie obere und untere Messbereichsgrenzen einsehen oder Beschreibungen einfügen. Bei Bedarf lassen sich weitere Informationen über den Status des Feldgerätes ablesen. Der Hart-OPC-Server unterstützt die grundlegenden und allgemeinen Hart-Kommandos. Darüber hinaus ist die manuelle Eingabe von gerätespezifischen Hart-Befehlen zur Parametrierung möglich, sofern der Gerätehersteller diese anbietet. Der Anlagenbetreiber kann die Hart-Informationen schließlich über eine auf dem Markt verfügbare Software abspeichern.
Durch den Einsatz des Hart-Multiplexers werden die Hart-Signale besser zur Optimierung sowohl neuer als auch vorhandener Anlagen genutzt. Da der Multiplexer den Datenaustausch mit den im Feld installierten Hart-Geräten zulässt, erhält der Anlagenbetreiber mehr Informationen über den Prozess, die er sich beispielsweise via TCP/IP an jedem gewünschten Ort visualisieren lassen kann.

Übersicht über die Hart-Befehle
Es gibt drei verschiedene Kategorien von Hart-Befehlen:

• grundlegende Befehle (Universal Commands) wie die Adressabfrage, die jedes Hart-Gerät unterstützen muss
• allgemein übliche Befehle (Common Practice), beispielsweise funktionsspezifische Informationen wie die Einstellung von Bereichsgrenzen, die nicht verpflichtend sind
• hersteller-/gerätespezifische Befehle (Device Specific), welche bei der Temperaturmessung zum Beispiel für die Parametrierung des Sensortyps benötigt werden.

Bei Verwendung des Hart-OPC-Servers kann der Anwender die grundlegenden und allgemein üblichen Befehle uneingeschränkt nutzen. Sie reichen für die Überwachung der Feldgeräte zumeist schon aus.