Die Prozessindustrie gilt bei der Umsetzung neuer Technologien als eher zögerlich. Doch auch sie kann sich dem Trend hin zur Digitalisierung und den wachsenden Möglichkeiten der zentralen Konfiguration von Feldgeräten sowie der steigenden Bedeutung vorausschauender Wartung beziehungsweise eines modernen Asset Management nicht verschließen. Insofern verwundert es nicht, dass digitale Kommunikationsprotokolle wie Feldbus und HART in diesem Umfeld mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Und dies gilt nicht nur für die drahtgebundene Vernetzung. Denn mit WirelessHART hat sich weltweit ein weiteres Protokoll für Prozessanwendungen etabliert. In einigen Anlagen lassen sich bereits bis zu 1000 Wireless-Funksender finden, die über mehrere Gateways verteilt verwaltet werden.
Nicht zuletzt ist das Thema Industrial Ethernet in der Prozessindustrie mittlerweile angekommen: Eine im Februar 2013 veröffentlichte Studie von IMS Research prognostiziert beispielsweise eine Verdopplung des Einsatzes von Industrial Ethernet ausgehend vom Jahr 2011 bis ins Jahr 2016. Die HART Communication Foundation (HCF) begegnet diesem Trend mit der Spezifikation des HART-IP Ethernet-Protokolls, welches letztlich die vertikale Daten-integration vom Feldgerät bis hin zur Leitwarte vereinfachen helfen soll. Das Protokoll unterstützt nicht nur den Zugang zu den Prozessvariablen eines Gerätes, sondern erlaubt auch die Geräteparametrierung und den Zugriff auf erweiterte Diagnose-Informationen. Um die Bedeutung von HART-IP besser einschätzen zu können, sei zunächst ein Blick auf die heutigen Herausforderungen bei der Systemintegration erlaubt.

Traditionell festverdrahtete Geräte liefern oft nur eine einzige Variable, den Prozesswert. Das Abbilden einer Variablen pro Gerät von einer Steuerung oder einem Modbus-RTU-Register in eine Prozessvisualisierungs mag noch einen überschaubaren Aufwand darstellen.

Systemintegration als ­Herausforderung

WirelessHART-Geräte hingegen unterstützen mehrere Messwerte, Steuersignale und Rückmeldungen mit oftmals zwei, drei oder vier dynamischen Variablen, jeweils mit einer zugeordneten Statusinformation. So stellt ein Temperaturgeber beispielsweise zwei oder mehr Temperaturwerte zur Verfügung, ein Druckgeber den aktuellen Druck und Differenzdruck, ein akustischer Sender Lautstärke und Temperatur oder ein Vibrationsgeber die Vibration, Beschleunigung und Temperatur.

Exemplarische Darstellung von HART-IP WirelessHART und HART in einer Systemarchitektur.

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Das Abbilden dieser dynamischen Variablen multipler Geräte auf Mod­bus-Register oder auf OPC-Gruppen und -Datenpunkte ist heutzutage zeitaufwendig und fehleranfällig. In vielen ­Anlagen übersteigt die Anzahl der WirelessHART-Geräte mittlerweile die Kapazität eines einzelnen WirelessHART-Gateways. Anlagenweite Anwendungen erfordern daher den Einsatz von Wire­lessHART-Gateways in den einzelnen Anlagenbereichen oder -segmenten, die dann in das Steuerungssystem integriert werden müssen. Dabei ist es notwendig, dass die Daten auch für Anwendungen außerhalb der Leitwarte zur Verfügung stehen. Damit nicht genug: HART-, aber auch WirelessHART-Geräte sind intelligent und sollten eine zentrale Konfiguration sowie Diagnose- und Batterieüberwachung unterstützen.

Ein Handgerät lässt sich außerdem für die Gerätekonfiguration und Fehlersuche einsetzen; für eine anlagenweite Verwendung ist dieses Vorgehen allerdings unpraktisch. Eine bessere Lösung ist eine Software für die intelligente ­Geräteverwaltung. Modbus-Register und OPC-Datenpunkte sind zwar für Prozessvariablen nutzbar, eignen sich jedoch nicht für eine intelligente Geräteverwaltung im Rahmen von Asset-Management-Systemen.

Unabhängig vom Medium

Vor diesem Hintergrund rückt HART-IP, das bereits seit Juni 2012 Teil der HCF-Network-Management-Spezifikation ist, zunehmend in den Fokus von Anwendern und Systemanbietern. HART-IP ermöglicht die vollständige und anlagenweite Integration von Lösungen in Groß­anlagen und bietet dabei ein hohes Maß an Interoperabilität zwischen Geräten und Anwendungen. Das Protokoll läuft über IP-basierte Netzwerke wie Ethernet und Wireless LAN und arbeitet über UDP und TCP mit IPv4 oder IPv6. Die HART-IP-Anwendungsschicht basiert auf denselben Befehlen wie das 4-bis-20-mA-basierte HART-Protokoll und wie WirelessHART.

: HART-IP liefert Informationen an übergeordnete Applikationen (SCADA, CMMS, DCS, ERP und andere) von drahtgebundenen und drahtlosen Geräten unabhängigh vom Übertragungsmedium.

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Im Vergleich zur seriellen Datenübertragung bietet Industrial Ethernet eine Reihe von Vorteilen. Zum Beispiel können Prozessdaten und IT-Daten über ein gemeinsames Medium übertragen werden. Es gibt einen großen Adressraum mit einer nahezu unbegrenzten Anzahl von Teilnehmern, darüber hinaus wird durch die Kaskadierung von Switches der Aufbau großer Netze möglich. Außerdem lassen sich größere Mengen an Daten effizient übertragen und außerdem ist die Kombination verschiedener Übertragungsmedien (Kupfer, Glas­faser, Funk) möglich.

Als High-Level-Applikationsprotokoll funktioniert HART-IP unabhängig vom Medium und kann mit Standard-Ethernet (IEEE 802.3), mit Kupfer und Glasfaser sowie mit Wireless LAN (IEEE 802.11) verwendet werden. Daher eignet es sich zudem für gängige Infrastruktur-Komponenten wie LAN-Switches, Router, Access Points, Kabel und Stecker. Ferner kann HART-IP bestehende Netzstrukturen mit redundanten Ethernet-Medien sowie Mesh-oder Ringstrukturen nutzen oder auch mit Power over Ethernet (PoE) betrieben werden. Außerdem unterstützt das Protokoll unterschiedliche Geschwindigkeiten wie 10 Mbit/s, 100 Mbit/s und 1 Gbit/s.

Die IP-basierte Kommunikation ermöglicht es, mehrere Protokolle für verschiedene Anwendungen über das identische Netz laufen zu lassen. Das heißt: HART-IP ist mit anderen IT- und Industrial Ethernet-Protokollen wie zum Beispiel http, Ethernet/IP oder Profinet einsetzbar und benötigt somit keine dedizierte Infrastruktur. Der ­Einsatz mehrerer Clients und Server wird ebenfalls unterstützt. Damit erhalten mehrere Steuerungen und ­Software-Anwendungen über dasselbe Netz Zugang zu Daten in einem oder mehreren Gateways oder Multiplexern.

HART-IP lässt sich sowohl für Geräte mit Ethernet nutzen als auch für HART-IP Backhaul-Netze in WirelessHART-Gateways und HART-Multi­plexern. In Software zur intelligenten Geräteverwaltung innerhalb von Asset-Management-Systemen kann es ebenso zum Einsatz kommen wie in OPC-Servern zum Zugriff auf Daten aus WirelessHART- und 4-bis-20-mA/HART-Feldgeräten. Bereits heute verwenden Spezialanwendungen wie etwa Software zur Überwachung von Kondensat-Ableitern oder zur Zustandsüberwachung von Maschinen dieses Protokoll für den Zugriff auf Gerätedaten. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass Steuerungssysteme und Automatisierungslösungen HART-Daten über HART-IP liefern werden. Auch Feldgeräte, die HART-IP zum Datenaustausch verwenden, sind zukünftig für eine nahtlose vertikale Integration in der Anlage denkbar.

Die Grenzen von HART-IP

Bis dato verfügen allerdings viele Geräte in einer Anlage noch nicht über eine Ethernet-Anbindung und werden diese auch in absehbarer Zukunft nicht haben. Dazu gehören einfache Signalgeber, Analysegeräte oder Ventile. Und es ist davon auszugehen, dass diese Geräte weiterhin mit 4-bis20 mA/HART, ­Feldbus oder WirelessHART arbeiten werden. Angesichts dessen ist HART-IP also nicht als vollständiger Ersatz für diese Protokolle auf Geräte-Ebene anzusehen beziehungsweise eignet sich dafür aus verschiedenen Gründen nicht:

■ Die mit Kupfer-Ethernet erreichbare Distanz (100 m) ist zu gering.
■ Ethernet auf Lichtwellenleiterbasis unterstützt keine Energieversorgung.
■ Power over Ethernet (PoE) ist bisher nicht eigensicher.
■ Es gibt tausende von Signalgebern und Ventilen in einer Anlage, so dass die Anzahl von Switches schnell ein unwirtschaftliches Maß erreichen würde.
■ Ethernet auf Lichtwellenleiterbasis erschwert den Gerätetausch und die Kalibrierung nach einem Gerätetausch.

■ TCP/IP erfordert die Beteiligung der IT-Abteilung um Cyber-Sicherheit zu gewährleisten.

Generell wird es vermutlich so sein, dass HART-IP überwiegend innerhalb einer Prozessanlage Verwendung finden wird. Im Fall einer Nutzung des Protokolls über Anlagengrenzen hinweg mittels einer Internet-Verbindung oder unter Verwendung von Wireless-LAN müssten Sicherheitsvorkehrungen für den Datentransport getroffen werden – zum Beispiel Firewalls, VPN-Tunneling, Secure Socket Layer (SSL) und Remote-Authentifizierung.

Zusammenfassend lässt sich festhalten: HART-IP ist aus heutiger Sicht das am besten geeignete Backhaul-Netzwerk für WirelessHART-Gateways und HART-Infrastruktur-Komponenten, da die Applikationsschichten von HART und HART-IP identisch sind und somit die zeitaufwendige und fehler­anfällige Abbildung der Daten wie beispielsweise bei Modbus oder OPC entfällt. Zudem ist das Ethernet-Protokoll einfach zu implementieren, da es auf die bereits bestehende Ethernet-Infrastruktur in den meisten Anlagen aufsetzen kann. Und auch wenn HART-IP vielleicht nicht die komplette Prozessindustrie revolutioniert, so wird es ­sicherlich einen wichtigen Beitrag dazu leisten, den Austausch von  Daten und Informationen in einer ­Prozessanlage zu vereinfachen und erfüllt ‑damit die Grundvoraus­setzung für die Implementierung von „Industrie 4.0“.

Autor: Thomas Hilz ist Market Segment Manager bei Softing Industrial Automation, Haar