Anlagenbau & Prozesstechnik

Prozessoptimierung durch HART-Messwerte

Hart Loop Converter erschließt zusätzliche Prozessgrößen und verbessert die Effizienz

17.06.2014 -

Die Messwerte aus HART-fähigen Feldgeräten werden trotz frei zugänglichem Protokoll meist nur zu einem kleinen Teil ausgelesen und weitergeleitet. Dabei würde eine vollständige Auswertung der Mess- und Diagnosedaten entscheidend dazu beitragen, Prozesse präziser zu regeln und den gesamten Prozessablauf transparenter und sicherer zu machen.

Mehr als 20 Jahre ist es her, dass die Marke HART und alle Rechte an dem Protokoll von Rosemount an die HART Communication Foundation übertragen wurden. Seitdem ist das standardisierte, bidirektionale Datentransferprotokoll, das den Zugriff auf die Daten intelligenter Feldgeräte und deren Hostsysteme erlaubt, jedem Benutzer zugänglich. Obwohl mittlerweile drei Viertel aller Smart-Geräte in der Industrie so genannte HART-Feldgeräte sind, liegen 85 % dieser Signale brach, da sie nicht ausgelesen und ausgewertet werden. Dabei sind die Vorteile offensichtlich: Neben einem primären Messergebnis wie beispielsweise dem Durchfluss können weitere Prozessparameter und auch wichtige Diagnose-Informationen aus den Feldgeräten über die klassische 4 ... 20 mA Schnittstelle an das Leitsystem weitergegeben und dort verarbeitet werden. Das trägt entscheidend dazu bei, Prozesse präziser zu regeln, kritische Situationen frühzeitig zu erkennen und den Prozessablauf transparenter und sicherer zu machen.

Alle Informationen aus dem Prozess verarbeiten

Wie das Potenzial HART-fähiger Feldgeräte optimal genutzt werden kann, zeigt der einkanalige HART Loop Converter (HLC) von Pepperl+Fuchs. Er erfasst bis zu vier digitale HART-Signale, von denen drei in unterschiedliche analoge 4...20 mA-Stromsignale gewandelt und einer Steuerung zur Verfügung gestellt werden. Das bietet die Möglichkeit, neben den primären Messergebnissen weitere Prozessparameter wie beispielsweise Temperatur, Absolutdruck oder Feuchte zu erfassen und gezielt zur Steuerung des Prozesses einzusetzen.

Bei Bedarf ist der HART Loop Converter so programmierbar, dass ein Signalwert über ein Signalsplitting in drei analoge Kanäle ausgegeben und dadurch von unterschiedlichen Systemen verwendet werden kann. Auch Grenzwertschaltungen über optionale Relais sind möglich.

Für die Kommunikation zwischen HART Loop Converter und Feldgerät stehen zwei unterschiedliche Topologien und Modi in 2-Leiter-Technik zur Verfügung. So kann ein HART-Signalkreis als Point-to-point-Verbindung oder Multidrop-Netzwerk aufgebaut sein. Bei der Point-to-point-Lösung ist jedes Feldgerät über die analoge Schnittstelle einzeln angebunden. Die Multidrop-Lösung für bis zu 15 Feldgeräte ermöglicht einen reduzierten Verdrahtungsaufwand und ist primär für Anwendungen gedacht, bei denen sich Prozessgrößen nur langsam verändern. Im aktiven Modus ist der HLC als Transmitterspeisegerät in Reihe zwischen Feldgerät und Steuerungsseite geschaltet. Beim passiven Modus wird er parallel zu einem bestehenden Messkreis geschaltet - ohne diesen zu beeinflussen. Hier können am Eingang auf der Feldseite eine aktive Stromquelle, ein separater Stromkreis mit Transmitter oder ein Stellungsregler angeschlossen werden.

Da HART ein Master-Slave-Protokoll ist, reagiert das Feldgerät als Slave nur dann, wenn es von einem Master angesprochen wird. Die Abfrage der dynamischen Variablen des Feldgeräts erfolgt entweder direkt im Command-and-Answer-Modus (Polling) oder durch Aktivierung des deutlich schnelleren Burst-Modus. In diesem Fall überträgt das Feldgerät bis zu vier aktuelle Messwerte pro Sekunde, die der HLC dann in analoge Werte wandelt.

Energieeinsparung durch optimierten Wirkungsgrad

Welche wirtschaftlichen und technischen Vorteile aus den zusätzlichen Messgrößen resultieren, zeigt der Einsatz des HART Loop Converters am Beispiel einer Steuerung für Industriebrenner. Der Heizwert des Wasserstoffs soll nicht nur präzise, sondern auch möglichst effizient ermittelt und die Wasserstoffmenge in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgrad automatisch korrigiert werden. Dazu hat HP Consulting, ein Planungsbüro für MSR-E-Technik mit Sitz in Grenzach-Wyhlen, mit dem Einsatz der HART Loop Converter eine elegante und vor allem wirtschaftliche Methode entwickelt. Die zusätzlichen Regelgrößen, die der HLC von dem HART-fähigen Feldgerät neben den Daten für den Durchfluss erhält, sind der Differenzdruck vor und hinter der Blende sowie der absolute Druck und die Temperatur des Wasserstoffs.

Sind die aktuellen Prozessparameter ausgelesen, werden sie vom HLC in analoge 4 ... 20 mA Stromsignale gewandelt und der SPS zur Verfügung gestellt. Auf Basis der zusätzlichen Daten wird der aktuelle Heizwert berechnet und die daraus resultierende Korrektur für die Dosierung der Wasserstoffmenge bestimmt. Die Vorteile sind die Energieeinsparung durch einen optimalen Wirkungsgrad des Brenners und eine schnellere Inbetriebnahme dank zielgerichteter Optimierung. Hinzu kommt der geringe Hardwareaufwand durch die bereits vorhandenen digitalen Variablen und die bestehende 4 ... 20 mA Infrastruktur. Da für HART ein Kabel ausreicht, wird auch die Zahl der Übergabestellen zum Ex-Bereich minimiert.

Der Hauptvorteil des HART Loop Converters von Pepperl+Fuchs im Vergleich zu ähnlichen Entwicklungen im Markt ist die Nutzung von Signalen aus dem explosionsgefährdeten Bereich entsprechend Zone 0 oder 1 - eine zusätzliche Trennbarriere ist also nicht notwendig. Hinzu kommen die Einbindung in FDT/DTM und die Option bis zu vier der integrierten Relais nutzen zu können, zum Beispiel durch das Setzen von Grenzwerten. Herausragend ist auch die Einstellung der HART-Variablen an den Ausgängen des HART Loop Converters. Sie erfolgt wahlweise über Pactware, eine offene, herstellerunabhängige und feldbusübergreifende Bedienoberfläche für Feldgeräte mit integrierter FDT Schnittstelle oder über Drucktasten und einem Display. Die Einstellung vor Ort bietet schon während der Inbetriebnahme die Chance den Signalfluss durch die Simulation spezieller Prozesswertes zu überprüfen.

Mit dem HART Loop Converter erschließt Pepperl+Fuchs das ohnehin vorhandene Informationspotenzial HART-fähiger Feldgeräte auch für die analoge Welt und stellt dem Anwender weitere aktuelle Messwerte und Diagnosedaten zur Verfügung. Diese tragen entscheidend dazu bei, den gesamten Prozessablauf transparenter und sicherer zu machen. Der HART Loop Converter gehört zum K-System und verfügt daher über sämtliche Vorteile dieser effizienten und mechanisch sehr stabilen Lösung. Dazu gehören unter anderem die Montage auf einer 35 mm-Normschiene, die einfache Versorgung über Power Rail und die Übertragung einer Sammelfehlermeldung zur Steuerung.

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