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HART-Gateway mit integriertem OPC UA-Server

Einfach zusätzliche Daten erschließen

06.01.2020 Sensoren beinhalten zahlreiche zusätzliche Informationen, die zur Optimierung von Prozessen einsetzbar wären, aber nicht ausgelesen werden. Auf Basis des NOA-Konzepts lassen sich diese Daten via HART-Protokoll an ein HART-Gateway mit integriertem OPC UA-Server weiterleiten, aus denen sich überlagerte Systeme dann per OPC UA bedienen. Phoenix Contact hat sein Portfolio um ein entsprechendes Gerät erweitert.


Bildquelle: Profit_Image@Shutterstock
Das NOA-Konzept der NAMUR zielt darauf ab, alle ungenutzten Informationen, die etwa in den Feldgeräten einer Anlage vorhanden sind, aber derzeit nicht ausgelesen werden, endlich zu verwenden. Beispielsweise stellt ein Durchflussmessgerät neben dem Durchfluss Daten über den Druck, die Fließgeschwindigkeit und die Temperatur des Mediums zur Verfügung.

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Bild 1: Darstellung der durch NOA erweiterten Automatisierungspyramide

Darüber hinaus liegen Informationen zum Sensor vor, zum Beispiel der Name des Herstellers, die Serien- und Versionsnummer, der Messbereich und vieles mehr. Doch wie kann der Anlagenbetreiber auf diese Daten zugreifen? Eine Möglichkeit stellt das HART-Protokoll dar. Bei diesem Kommunikationsstandard ist der Sensor über eine herkömmliche 4…20mA-Verbindung an ein Leitsystem angekoppelt und verfügt außerdem über ein aufmoduliertes HART-Signal, das mit einer Stichleitung abgegriffen werden kann.

Diese HART-Verbindung wird in den meisten Fällen lediglich für die Parametrierung des Sensors eingesetzt und bleibt danach ungenutzt. Speziell bei älteren Anlagen, die mit einem konventionellen Leitsystem ausgestattet sind, bietet sich diese Anbindung an, weil nicht in das Leitsystem eingegriffen werden muss (Bild 1).

Sicherer cloudbasierter Zugriff

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Bild 2: OPC-Sicherheitsmechanismus eines Security-Routers der Produktfamilie FL mGuard

Ein Fokus der NAMUR liegt auf der Sicherheit des NOA-Konzepts. Daten dürfen der Anlage nur kontrolliert entnommen werden. Ein schädlicher Einfluss auf die Anwendung – wie auch immer sich dieser gestaltet – ist zu unterbinden. Auf dieser Grundlage wurde das Modell der Datendiode entwickelt. Es beinhaltet, dass die Daten lediglich in eine Richtung fließen können. Wird das HART-Protokoll verwendet und werden die Schreibzugriffe verriegelt, kommt dieser Ansatz der Idealvorstellung sehr nahe.

Als weitere Sicherheitskomponenten sind sichere Verbindungswege denkbar, die sich durch Security-Router umsetzen lassen. Die Datenquelle und das Ziel werden dabei durch einen gesicherten Tunnel verknüpft. In diesem Zusammenhang ist es prinzipiell unerheblich, ob der Kommunikationsweg durch das Internet oder die komplexe Werksinfrastruktur eines Chemieparks führt (Bild 2).

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Bild 3: Darstellung eines möglichen NOA-Technologieschemas

Der Ablageort der Informationen kann erheblich variieren. Eine lokale Datenbank schafft maximalen Schutz vor unbefugten Zugriffen. Diese Aussage ist zuerst einmal schlüssig. Doch wie sieht es mit der Verfügbarkeit des Servers aus? Wer kümmert sich um die Wartung der Hardware? Und ist der Server redundant aufgebaut, um einen Verlust der Daten bei einem Hardware-Defekt auszuschließen? Entsprechende Fragen entfallen, wenn sich der Anlagenbetreiber zum Einsatz einer Cloud entschließt, die von einem professionellen Dienstleister wie IBM, Microsoft oder Amazon Web Services betrieben wird.

Ein weiterer Punkt kann für eine Cloud-Lösung sprechen: die Zugänglichkeit. Auswertedienste und Analysen lassen sich global verteilen. Ferner wird externen Dienstleistern ein einfacher Zugriff auf die Informationen ermöglicht (Bild 3).

Verbesserte Prozesse und Wartungseinsätze

Was kann der Anlagenbetreiber nun mit den zusätzlich vorliegenden Daten machen? Zum einen könnte er sie zur Optimierung seiner Anlage nutzen. Durch die neu hinzugekommenen Messwerte lassen sich zum Beispiel nachteilige Anlagenzustände erkennen. Aufgrund des weiteren Temperaturwerts des Durchflusssensors wird etwa eine zu starke Abkühlung des Mediums auf dem Transportweg detektiert. Darüber hinaus erlauben die neu gewonnenen Daten die Einrichtung zusätzlicher Plausibilitätskontrollen.

Als andere Anwendungsmöglichkeit sei der digitale Zwilling genannt. Hinter dem durch das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 geprägten Begriff verbirgt sich die detaillierte digitale Abbildung einer Anlage. Auf diese Weise sind sämtliche Informationen über Aktoren, Sensoren sowie die weiteren Bestandteile der Anlage über ein System zugänglich. Liegen entsprechende Daten vor, können zum Beispiel Wartungen wesentlich intelligenter durchgeführt werden. Lässt sich ein in der Anlage verbauter Sensor per Knopfdruck eindeutig identifizieren und erhält das Servicepersonal Zugriff auf dessen „Lebensgeschichte“, ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten.

Ferner kann die im Feld installierte Sensorik einfacher und besser verglichen werden. So ist schnell ersichtlich, welcher Sensor sich mit seinem spezifischen Messbereich am besten eignet, um eine konkrete Messaufgabe durchzuführen. Die gesammelten Daten liefern somit eine zusätzliche Entscheidungshilfe.

Transparente Informationsübergabe

Zur Weiterleitung der im Feld erfassten Daten an die überlagerten Systeme bietet sich OPC UA als Schnittstelle an. Wegen seiner Flexibilität, Skalierbarkeit und Zugriffssicherheit erweist sich OPC UA als eines der modernsten industriellen Kommunikationsprotokolle.

Der Standard umfasst mehr als eine klassische Schnittstelle wie Modbus RTU, denn er stellt dem Anwender komplexe Dienste zur Verfügung, die ihm die Arbeit erleichtern. Hinzu kommt, dass OPC UA in puncto Security dem neusten Stand der Technik entspricht, da das Protokoll verschiedene Sicherheitsmaßnahmen unterstützt. Der OPC UA-Server übergibt den Systemen, die die Daten einsammeln möchten und eine Berechtigung dazu haben, die Informationen transparent.

Die übergeordneten Systeme können dabei wählen, welche Daten sie nutzen wollen. Bisher ließ sich der Vorgang des Datenabgriffs mit einem alten Kaufmannsladen vergleichen. Dem Verkäufer hinter dem Tresen musste genau gesagt werden, was benötigt wird, wobei nicht klar war, ob dies überhaupt zum Verkauf steht. Bei OPC UA kann der Nutzer hingegen wie bei einem Supermarkt durch die Gänge laufen, sich umschauen und am Ende nur das mitnehmen, woran er tatsächlich Bedarf hat.

Im Gegensatz zum klassischen Modbus RTU, bei dem im Vorfeld bekannt sein muss, in welchem Register welche Variable abgelegt worden ist, browst der Anwender bei OPC UA durch den Server und prüft, was angeboten wird. Er erhält die Information, in welchen Formaten die Daten gespeichert wurden, wann genau sie abgelegt worden sind oder ob die Verbindung noch fehlerfrei besteht. All diese Funktionen führen zur stetig steigenden Verwendung von OPC UA in der Automatisierung.

Flexible Ankopplung von maximal 40 Sensoren

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Bild 4: An das modulare HART-Gateway GW-PL-ETH/BASIC-BUS können bis zu 40 Sensoren angekoppelt werden

Als fehlendes Bindeglied, das zur praktischen Umsetzung des beschriebenen Szenarios erforderlich ist, fungiert ein HART-Gateway. Das Gerät baut die Verbindung zu den im Feld installierten HART-fähigen Sensoren auf und stellt die erfassten Daten den überlagerten Systemen auf einem OPC UA-Server bereit.

Phoenix Contact hat sein bewährtes HART-Gateway daher um einen OPC UA-Server erweitert. Das Gateway lässt sich durch maximal fünf Eingangsmodule ergänzen, sodass bis zu 40 Sensoren angekoppelt werden können. Jeder Kanal ist dabei galvanisch vom HART-Signal getrennt (Bild 4).

Informationen wie Identifier, die Werte sämtlicher Prozessdaten oder die vom Wartungspersonal auf dem Sensor hinterlegten Nachrichten werden zyklisch ausgelesen. Aus einem normalen Drucksensor können so bis zu 40 zusätzliche Informationen entnommen werden – und das ohne Konfigurationsaufwand. Eine Device Description (DD) oder ein Device Type Manager (DTM) mit herstellerspezifischen Schnittstellen-Beschreibungen sind nicht notwendig. Die Kommunikation beschränkt sich auf die Standardkommandos des HART-Protokolls.

Da das Gateway auch den HART-IP-Standard unterstützt, lässt es sich in Verbindung mit der FDT-Rahmenapplikation PACTware oder dem M&M-Container als Kommunikationsgerät nutzen, um die Sensoren im Feld zu parametrieren.

Neue Möglichkeiten nutzen

Bei NOA (NAMUR Open Architecture) handelt es sich um ein Konzept im Sinne von Industrie 4.0, das es erlaubt, die bislang ungenutzten Daten einer prozesstechnischen Anlage zur Analyse und Optimierung zu verwenden. NOA soll speziell bei bestehenden Anlagen zum Einsatz kommen, um die Daten sicher und rückwirkungsfrei aus der Anlage zu führen – und das ohne größeren Eingriff in die Anwendung. Doch welche technischen Mittel werden dazu benötigt? Stellen Anlagenbetreiber diese Frage, erhalten sie oftmals die gleiche Antwort: OPC UA. OPC UA ist eine neue Schnittstelle in der industriellen Kommunikation, die die Datenübertragung flexibel, skalierbar und sicher macht. Die Entwicklungen haben mittlerweile ein Stadium erreicht, in dem die Miniaturisierung so weit vorangeschritten ist, dass ein OPC UA-Server in ein HART-Gateway integriert werden kann. Das eröffnet neue Möglichkeiten, wie das entsprechende Gerät von Phoenix Contact zeigt.

Mehr Informationen:

www.phoenixcontact.de/prozess

Dipl.-Ing. (FH) Thilo Glas

Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Thilo Glas

Senior Specialist Engineering im Industry Management Process, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

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