(Bild: weerasak - Adobe Stock)
- Die Smartlinks sind Teil einer NOA-konformen Komplettlösung, die den Secure Integration Server (SIS) umfasst.
- SIS führt alle Daten zusammen, die von den Sensoren und Aktoren der Prozesssteuerung und von den aufkommenden M+O-Sensoren erzeugt werden, sowie – mithilfe von Edge-Connectoren – die auch vom Steuerungssystem erzeugten M+O-spezifischen Informationen.
- Greenfield- und Brownfield-Anlagen profitieren gleichermaßen von den durch IIoT- und Industrie 4.0-Konzepte ermöglichten fortschrittlichen Datenanalysetechniken
Die zunehmende Nutzung intelligenter Feldgeräte und die Integration der IT-Technologie in die OT-Umgebung führen zu einem starken Anstieg von Felddaten. Zwei hier vorgestellte Gateway-Lösungen ermöglichen einen einfachen Zugang zu diesen Daten. Mit ihnen lassen sich digitale Strukturen in Bestandsanlagen integrieren. Auch in Neuanlagen bringt der Einsatz Vorteile.
An der Geschwindigkeitsgrenze
Die erste Generation serieller Multiplexer wurde nach dem Industriestandard ANSI/TIA/EIA-485-A-1998 entwickelt, um Hart-Geräte in ein prozessanlagenweites Kommunikationsnetz zu integrieren. Als in den Neunzigerjahren serielle Netzwerke nach und nach durch Industrial Ethernet ersetzt wurden, mussten die vorhandenen Multiplexer in das Ethernet-Backbone integriert werden. Dies geschah mittels serieller Server. Asset-Management-Aufgaben konnten von jeder Workstation ausgeführt werden, die mit dem Ethernet-Netzwerk der Anlage verbunden war. Die serielle Abfrage von Feldgeräten beschränkte jedoch weiterhin die Gesamtleistung der Hart-Technologie.
Hart IP – die nächste Stufe
Die Hart IP-Technologie kam 2012 auf den Markt. Ihr Funktionsprinzip ist die Kapselung von Hart-Nachrichten auf dem TCP-IP-Kommunikationsstack. Multiplexer der zweiten Generation mit Hart-IP-Unterstützung, die mit kompatiblen Leitsystemen arbeiten, waren nicht mehr durch die Bandbreite der RS-485-Technologie begrenzt. Hart-IP-Gateways ermöglichten Datenübertragungsraten von 100 Mbit/s bei Verwendung von Standard-Hardware. Durch den Einsatz von leistungsstarken Multitasking-CPUs, die mehrere Geräte parallel abfragen können, wurde die Transferrate erheblich verbessert. Ein weiterer Vorteil von Hart-Multiplexern der zweiten Generation waren vereinfachte Installationsanforderungen.
Historischer Hintergrund
Das Unternehmen Fisher Rosemount gab seiner Implementierung des Bell-202-FSK-Protokolls den Namen Hart (Highway Addressable Remote Transducer Protocol). Diese Technologie ermöglichte es intelligenten Messumformern, Primär- oder Prozessvariablen über ein 4-20-mA-Standardsignal an das Kontrollsystem zu übermitteln. Zusätzlich wurde ein digitaler Kommunikationskanal mittels Frequenzmodulation in die analoge 4-20-mA-Schleife eingebettet. Das Verfahren ermöglichte die Übertragung zusätzlicher Prozessdaten sowie die Remote-Abwicklung der Parametrierung, Konfiguration und Anlagenverwaltung von Feldgeräten. Die Hardware der Achtzigerjahre beschränkte die Datenübertragungsraten auf recht langsame 1.200 bps. Alternativ konnte man im Volldigital-Modus Multidrop-Topologien aufbauen, wenngleich dieser Modus in der Verkabelung einen Single Point of Failure (SpoF) provozierte. Daher wurde das Hart-Protokoll gewöhnlich in Verbindung mit einem Handheld-Konfigurationsgerät oder einem Laptop mit Hart-Modem verwendet.
Die dritte Generation der Hart-Multiplexer
Smartlink SW-HT, der Hart-Multiplexer von Softing, ist das erste Beispiel für Hart-Multiplexer einer neuen Generation. Wenn das Leitsystem der Anlage die Hardwareanforderungen erfüllt, was unter anderem auf Allen Bradleys Ethernet IP-fähige Steuerungen mit Hart-fähigen E/A-Karten, Schneider Electric-Steuerungen mit Stahls IS1+ Rio-Systemen und Siemens ET200 Rio-Systeme zutrifft, bleibt als einzige Integrationsanforderung die Smartlink-Software. Smartlink SW-HT ist ein softwarebasierter Hart-Multiplexer, der als virtuelle Maschine oder in einer Docker-Umgebung ausgeführt werden kann. Er nutzt die vorhandene Hardware für den Zugriff auf die Hart-Daten und stellt diese als Hart-Server im Anlagennetzwerk zur Verfügung.
Die Software und der Hart-IP-Client sollten aus Sicherheitsgründen auf demselben Rechner ausgeführt werden. Damit ist der Zugriff auf Hart-Daten nur auf dem Computer möglich, auf dem der Hart-IP-Client ausgeführt wird. Die Software ist zusätzlich auch im Bridge-Modus ausführbar, wodurch Hart-Daten für andere Maschinen im selben Netzwerk verfügbar gemacht werden.
Der Hart-Multiplexer Smartlink SW-HT von Softing ist eine interessante Option für den Zugriff auf Hart-Daten in Hart-Geräten, wenn diese an die genannten kompatiblen Lösungen angeschlossen sind. Zum Ausführen von Asset-Management-Aufgaben ist eine Anwendung wie Emerson AMS Device Manager erforderlich. Im Vergleich zu den umfangreichen Installationsanforderungen der RS-485-Hart-Multiplexer ermöglicht diese Lösung eine sauberere, einfachere und kostengünstigere Installation von Hart-fähigen E/A-Systemen.
Ein NOA-kompatibler zweiter Kanal
Ein weiteres Smartlink-Gerät aus der Produktlinie ist Smartlink HW-DP. Das Gerät ermöglicht die Übertragung von Hart-Daten aus Hart-Feldgeräten. Die Feldgeräte müssen hierzu an Hart-fähige AI- oder AO-Karten angeschlossen sein, die wiederum in Profibus-DP-Remote-I/O-Systemen eingebaut sind. Smartlink HW-DP kann für den Einsatz als Hart IP-Server, OPC UA-Server, MQTT-Publisher oder als Gerätekonfigurations-Tool für Hart-Geräte (mit Hart IP und FDT/DTM) und Profibus-DP-Geräte (mit FDT/DTM oder Siemens PDM) konfiguriert werden.
Bedarf nach ebenenübergreifender Kommunikation
Im traditionellen Automatisierungsmodell sind die Geräte hierarchisch als Pyramide organisiert. Jede Pyramidenebene enthält dabei ähnliche Geräte. Informationen können jedoch nur mit der nächsthöheren und nächstniedrigeren Ebene ausgetauscht werden, also nicht über mehrere Ebenen hinweg. Zukünftige und bereits verfügbare Technologien setzen dieses Modell unter Druck. Die zunehmende Verfügbarkeit und Nutzung intelligenter Feldgeräte und die Integration der IT-Technologie in die OT-Umgebung führen zu einer starken Zunahme von Felddaten. Traditionelle Leitsysteme sind nicht für die Verarbeitung derartiger Datenmengen ausgelegt und verfügen nicht über die in der IT-Welt gebräuchlichen Analysetools.
Monitoring und Optimierung
Die Namur Open Architecture (NOA) spezifiziert einen zweiten, parallelen Kommunikationskanal, der von der Automatisierungspyramide unabhängig ist. So bleiben die traditionellen, felderprobten Leitstrukturen erhalten, während die Felddaten zur Weiterverarbeitung in Monitoring- und Optimierungsanwendungen (M+O) zur Verfügung stehen. Die Daten, in leicht verständlicher Form aufbereitet, können Einblicke in die Zustandsüberwachung geben und tragen so zur vorbeugenden Wartung bei. Bis vor Kurzem war der einfache, aber detaillierte Zugriff auf Hart-Daten nicht möglich. Deshalb blieben die Status- und Diagnoseinformationen insbesondere auf den traditionellen 4-20-mA-Feldgeräten unerreichbar. Beschränkungen der Bandbreite und Verarbeitungsleistung behinderten oder verhinderten die Nutzung vorhandener Daten.
Die Smartlink-Lösungen von Softing eröffnen den Zugang zu allen Informationen, die auf aktuell verfügbaren intelligenten Geräten erzeugt werden. Die Lösungen sind darüber hinaus zukunftssicher und stellen die Kompatibilität mit zukünftigen Geräten sicher. Zu berücksichtigen ist außerdem, dass nicht alle von intelligenten Geräten erzeugten Informationen für die Prozesssteuerung relevant sind. Bestimmte Informationen sind etwa zur Messung der Energieeffizienz, der Kohlenstoffemissionen oder der Leistung der Nebeneinrichtungen einer Anlage nützlich. Eine Verarbeitung dieser Daten durch das Prozessleitsystem ist nicht sinnvoll. Steuerungen sollten für die Aufgabe eingesetzt werden, für die sie entwickelt wurden: die Echtzeitüberwachung der produktionsrelevanten Signalkreise.
In Anwendungen für die funktionale Sicherheit eingesetzte Sensoren werden in der Regel nicht mit der Prozesssteuerung verbunden, sondern mit einer separaten Steuerung für funktionale Sicherheit. Auch das NOA-Konzept der Namur beruht auf einem Sensornetzwerk außerhalb des Steuerungssystems, das etwa mit einem Datenanalysenetzwerk für Monitoring + Optimierung verbunden werden kann. Ein solches Netzwerk würde die von Zustandsüberwachungsgeräten gelieferten Informationen verarbeiten und relevante Daten für die Optimierung der Produktion bis hin zum Ausbau unternehmensweiter M+O-Verfahren erzeugen können.
