Bringt Welten zusammen

Dipl.-Ing. Stefan Pflüger

Highway Addressable Remote Transducer (Hart) ist der weltweit anerkannte Standard zur Kommunikation mit intelligenten Feldgeräten über den Foundation Feldbus. Die Mehrheit der Feldgeräte unterstützt mittlerweile Hart und bietet neben dem 4…20 mA-Analogsignal dieses digitale Protokoll an, um entscheidende Mess- und Statusinformationen zur Verfügung zu stellen. Das heißt, es gibt mittlerweile weltweit eine installierte Basis von über 20 Millionen intelligenter Aktoren und Sensoren. Sie dienen zum Beispiel zur Ventilsteuerung und zur Messung von Prozessvariablen, wie Durchfluss, Füllstand, Temperatur, Druck oder pH-Wert und haben sich seit Jahren in der Praxis bewährt.

Bisher ließen sich die digitalen Prozessdaten solcher Feldgeräte lediglich in Verbindung mit Anlagensteuerungen nutzen, die auf einer durchgängig digitalen Feldbus-Infrastruktur aufgebaut sind. Alle anderen Anlagen hingegen konnten lediglich das Analogsignal verarbeiten, während die digitalen Signale außen vor blieben.

Ein typisches Beispiel dafür ist ein multivariabler Hart-Durchflussmesser, wie er heute in vielen Prozessen der chemischen und petrochemischen Industrie zu finden ist. Er erfasst in aller Regel drei Prozessvariablen – Druck, Temperatur und Differenzialdruck – und berechnet daraus die Durchflussmenge des jeweiligen Mediums, die dann als analoges 4…20 mA-Signal an die Prozesssteuerung übertragen wird.

Mit dem Hart Loop Converter (HLC) erschließt Pepperl+Fuchs das ohnehin vorhandene Informationspotenzial Hart-fähiger Feldgeräte auch für die analoge Welt und stellt damit eine Fülle hochaktueller Messwerte zur Verfügung, die entscheidend dazu beitragen können, Prozesse noch gezielter zu steuern, kritische Situationen frühzeitig zu erkennen und den gesamten Prozessablauf transparenter und sicherer zu machen.

Der HLC ist Transmitter-Speisegerät und Hart-Monitor in einem. Er kommuniziert über das Hart-Protokoll mit einem angeschlossenen Feldgerät und wandelt die dabei empfangenen digitalen Messwerte in analoge 4…20-mA-Stromsignale um. Dabei lassen sich bis zu drei Hart-Variablen erfassen und jeweils als separate Analogsignale zur Verfügung stellen.

Bei dem genannten Durchflussmesser lassen sich dadurch neben dem eigentlichen Messergebnis auch die Prozessvariablen für Druck und Temperatur erfassen und gezielt zur Steuerung des Prozessablaufes einsetzen. Eine Überwachung solcher Variablen kann zum Beispiel wünschenswert sein, um die Sicherheit des Prozesses sicherzustellen oder bestimmte für die Einhaltung der Qualität entscheidenden Parameter zu überwachen.

Interessant ist, dass der HLC diese zusätzliche Funktionalität der installierten Hart-Feldgeräte für die Steuerung und Überwachung des Produktionsprozesses erschließt, ohne dass dafür eine zusätzliche Verkabelung oder irgendein anderer Eingriff in die bestehende Kommunikations-Infrastruktur erforderlich ist. Der Konverter trägt somit entscheidend zum Investitionsschutz bei und ermöglicht es, auch in einem analogen Kommunikationsumfeld die Hart-Funktionalität der bereits vorhandenen Feldgeräte zu nutzen.

Je nach Ausführung ist der HLC auch mit zwei oder vier Grenzwertrelais ausgestattet. Sie lassen sich frei programmieren, um beim Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes oder einem vom Feldgerät gemeldeten Fehlerzustand anzusprechen. Damit wird der Hart Loop Converter zu einem zuverlässigen Alarmgeber, der kritische Prozessparameter erkennt und damit eine umfassende Absicherung des Prozesses ermöglicht.

Der Vorteil dabei ist, dass die Alarmauslösung direkt durch das digitale Hart-Signal und nicht durch ein separates Analogsignal erfolgt, für das in der Regel ein eigener Sensor mit entsprechender Verkabelung erforderlich wäre. Um beim Durchflussmesser zu bleiben, könnte beispielsweise ohne zusätzlichen Hardwareaufwand eine Alarmfunktion eingerichtet werden, die ausgelöst wird, sobald das Prozessmedium eine bestimmte Temperatur überschreitet. Es ließen sich sogar bis zu vier Schwellwerte eingeben, bei denen dann jeweils eines der bis zu vier Relais angesprochen wird.

Anstatt bis zu drei digitale Hart-Signale in analoge Signale umzusetzen, kann der HLC auch so programmiert werden, dass ein einziges digitales Signal über drei analoge Kanäle ausgegeben wird. Durch dieses sogenannte Signalsplitting ist es beispielsweise möglich, ein und dasselbe Signal unterschiedlichen Systemen zur Verfügung zu stellen – zum Beispiel der Prozesssteuerung, einem Datenrekorder und einem Display zur Benutzer-Interaktion.

Je nach Feldgerät kann der HLC in zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden. Normalerweise arbeitet das Gerät im Burst-Modus, da dieser eine deutlich schnellere Kommunikation ermöglicht. Dabei liefert das Feldgerät automatisch drei- bis viermal in der Sekunde einen aktualisierten Messwert, der dann vom HLC innerhalb von 100 ms bestätigt wird. Unterstützt das Feldgerät diesen Modus nicht, schaltet der HLC in den Command-and-answer-Modus, bei dem in einer maximal möglichen Samplingfrequenz die dynamischen Messwerte vom Feldgerät abgefragt werden.

Physikalisch gesehen handelt es sich beim Hart Loop Converter von Pepperl+Fuchs um eine Schnittstellenkomponente, die in jeden Schaltschrank mit 35-mm-DIN-Schiene passt. Sie lässt sich auf unterschiedliche Weise in die Stromschleife mit dem Feldgerät einbinden. Beim aktiven Anschluss erfolgt die Stromversorgung des Feldgeräts über den HLC. In diesem Fall ist eine eigensichere Verbindung des Feldgeräts ohne zusätzliche Isolierung oder Zener-Barrieren gewährleistet. Beim passiven Anschluss wird der HLC einfach parallel zu einer bestehenden Stromversorgung angeschlossen, ohne dass dabei die Sicherheitsmerkmale beeinträchtigt werden.

Das Gerät kann als primärer oder sekundärer Master innerhalb eines Hart-Loops konfiguriert werden. Kommuniziert die Prozesssteuerung nicht digital über das Hart-Protokoll mit den Feldgeräten, wird der HLC als primärer Master konfiguriert. In diesem Fall kann ein sekundärer Master zum Beispiel in Form eines mobilen Kommunikationsgerätes angeschlossen werden, um digitale Signale auszulesen oder das Feldgerät zu programmieren. Ist beispielsweise bereits ein Asset Management System als primärer Master vorhanden, kann der HLC alternativ als sekundärer Master eingesetzt werden.

Anzeige und Programmierung des Konverters erfolgen ganz einfach über ein eingebautes LCD-Display und ein Bedienfeld aus vier Funktionstasten. Über eine Frontbuchse lässt sich außerdem ein externes Programmiergerät oder ein PC/Notebook anschließen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass es Pepperl+Fuchs mit dem Hart Loop Converter gelungen ist, einen wesentlichen Teil der digitalen Signale und dynamischen Messwerte, die heutige Hart-fähige Feldgeräte von Haus aus zur Verfügung stellen, auch unter den Bedingungen einer konventionell analogen Prozesssteuerung nutzbar zu machen.

Das sorgt nicht nur für einen nachhaltigen Investitionsschutz. Es führt auch zu einer entscheidenden Steigerung der Prozesssicherheit und Anlagenverfügbarkeit, weil mithilfe dieser Lösung auch Informationen in die Prozesssteuerung einfließen können, die bisher außen vor bleiben mussten oder einen zusätzlichen Installations- und Hardware-Aufwand erforderten.

Halle 7A, Stand 210

cav 435

SPS/IPC/DRIVES 2008

Funktechnologie in der Prozessautomation