HART-IP - möjliggör optimering av tillgångar i processindustrin

Digitaliseringen av fältenheter i processindustrin, den ökande betydelsen av förebyggande underhåll och de ökande möjligheter som centraliserad fältenhetskonfiguration erbjuder i moderna asset management har alla banat väg för tillväxten av digitala kommunikationsprotokoll som fieldbus och HART. Samtidigt har WirelessHART etablerat sig över hela världen som det ledande trådlösa protokollet för processapplikationer. När man implementerar WirelessHART-gateways eller när man lägger till HART-multiplexrar i en befintlig infrastruktur, tillhandahåller HART-IP ett nytt standardprotokoll som säkerställer effektiv integration. HART-IP möjliggör också enkel integration av HART-data i applikationer med asset management.

Intelligenta HART-enheter stöder centraliserad konfiguration samt diagnostik och batteriövervakning

Processindustrin anses vara ganska tveksamma när det gäller att implementera ny teknik. Ledande teknikorganisationer som FieldComm Group, ODVA och Profibus & Profinet International förutspår ändå en snabb ökning av användningen av Industrial Ethernet i processindustrin. De förväntar sig att Ethernet kommer att användas alltmer istället för RS485 i anläggningar, medan Ethernet-APL så småningom kommer att ersätta 4-20 mA. FieldComm Group (FCG) tog fasta på denna trend redan 2012 genom att införa Ethernet-protokollet HART-IP. Detta protokoll erbjuder möjligheten att effektivt integrera WirelessHART-gateways och HART-multiplexrar i styrsystemen för äldre eller nya processanläggningar. HART-IP möjliggör också enkel vertikal dataintegration från fältenheter till kontrollrummet. HART-protokollet kan köras via Ethernet, Wi-Fi eller andra nätverksmedia utan att offra detaljerade enhetsinställningar eller diagnostikinformation som finns i befintliga nätverk. Förutom åtkomst till en enhets processvariabler stöder protokollet också enhetsparameterisering och avancerad diagnostik. HART-IP kommer därför att spela en viktig roll för att möjliggöra IoT (Internet of Things) i processanläggningar.


HART-IP tillhandahåller information från trådbundna och trådlösa enheter till applikationer på högre nivå (SCADA, CMMS, DCS, ERP, etc.) oberoende av överföringsmedia

Utmaningen vid systemintegration
Systemintegration med traditionella PLC-protokoll når alltmer sina begränsningar. Traditionella trådbundna sändare levererar ofta bara en enda variabel - processvärdet. Kommunicera med en variabel per enhet, från ett PLC- eller RTU Modbus-register, i ett visualiseringsprogram, är hanterbart. Enheter tillhandahåller vanligtvis flera mätvärden, styrsignaler och feedback med upp till fyra dynamiska variabler per enhet, var och en med tillhörande status. Till exempel kan temperaturgivare ge två eller flera temperaturvärden, tryckgivare både aktuellt tryck och differenstryck, akustiska givare både buller- och temperaturvärden, eller vibrationsgivare - inte bara vibrationer utan också accelerations- och temperaturvärden. Att kartlägga alla dessa dynamiska variabler som levereras av sådana multivariabla enheter i Modbus-register eller OPC-grupper och -data skulle vara tidskrävande och öka risken för fel. Modbus-register och OPC-information fungerar för processvariabler, men är inte lämpliga för IDM-mjukvara (intelligent device management) som en del av ett enhetshanteringssystem. Intelligenta HART-enheter stöder å andra sidan centraliserad konfiguration såväl som diagnostik och batteriövervakning. Medan en handhållen fältkommunikator kan användas för enhetskonfiguration och felsökning, är det opraktiskt för distribution över hela anläggningen. Programvara för intelligent enhetshantering är en bättre lösning för anläggningsnätverk.


HART-IP gör det möjligt att leverera HART-information till applikationer på högre nivå

HART-IP möjliggör end-to-end-baserad enhetskommunikation
När diagnosdata blir viktigare och fältenheter i processanläggningar digitaliseras, flyttar ett ständigt ökande antal användare och systemleverantörer sitt fokus till HART-IP. HART-IP gör det möjligt med kompletta, stora anläggningsövergripande lösningar och erbjuder en hög grad av interoperabilitet mellan enheter och applikationer. Protokollet körs över IP-baserade nätverk som Ethernet och Wi-Fi, och fungerar över UDP (User Datagram Protocol) och TCP (Transmission Control Protocol) med IPv4 (Internet Protocol Version 4) eller IPv6. HART-IP:s applikationsnivå är baserat på samma kommandon som 4-20 mA/HART och WirelessHART. Till skillnad från seriell dataöverföring kan process- och IT-data överföras via ett gemensamt medium. Det finns ett stort adressutrymme med ett nästan obegränsat antal deltagare tillgängligt, och kaskadswitchar möjliggör skapandet av stora nätverk. Dessutom kan större mängder data överföras effektivt och olika överföringsmedier (koppar, optisk fiber, radio) kan kombineras.

HART-IP är ett högnivå applikationsprotokoll oberoende av det underliggande mediet och fungerar över standard Ethernet (IEEE 802.3), både koppar och fiber, samt Wi-Fi-utrustning (IEEE 802.11). Den är således lämplig för användning med vanliga infrastrukturkomponenter som LAN-switchar, routrar, accesspunkter, kablar och kontakter. HART-IP kan också använda befintliga nätverksstrukturer med redundanta Ethernet-media samt nät- eller ringtopologier eller PoE (Power over Ethernet). Olika hastigheter som 10 Mbit/s, 100 Mbit/s och 1 Gbit/s stöds.

Med hjälp av IP-baserad kommunikation kan flera protokoll dela samma nätverk, varje protokoll med en specifik applikation. Som ett resultat existerar HART-IP tillsammans med IT-protokoll och andra industriella Ethernet-protokoll som HTTP, Ethernet/IP eller PROFINET. Det finns inget behov av dedikerad infrastruktur. Användningen av flera klienter och servrar stöds också, vilket gör det möjligt för flera styrenheter och mjukvarutillämpningar att komma åt data i en eller flera gateways eller multiplexrar över samma nätverk.

HART-IP kan användas för enheter som använder Ethernet och för HART-IP-backhaul-nätverk i HART-multiplexrar. Den används i IDM-programvara (Intelligent Device Management) som en del av ett enhetshanteringssystem såväl som i OPC-servrar för att komma åt data i 4-20 mA/HART-fältenheter. Specialiserade applikationer som programvara för övervakning av ångfällor eller maskintillstånd använder redan HART-IP för att komma åt enhetsdata. I framtiden förväntas styrsystem och automationslösningar ge HART-genomgång via HART-IP. HART-IP-enheter för sömlös vertikal integration i anläggningar är också tänkbara. Vissa enheter, som flödesmätare, har redan stöd för Ethernet.

Men många enheter i processanläggningar, som givare, analysatorer eller ventiler, har inte Ethernet-anslutning - och kommer inte heller att ha det inom överskådlig framtid. Dessa enheter kommer antagligen att fortsätta använda 4-20 mA/HART, fieldbus eller WirelessHART. HART-IP är ännu inte redo att ersätta dessa protokoll på enhetsnivå och hittills skulle det inte vara lämpligt av många anledningar:

- Räckvidden för koppar-Ethernet är för begränsad.
- Fiberoptiskt Ethernet ger ingen ström.
- PoE (Power over Ethernet) är hittills inte egensäkert.
- Med tanke på att det finns tusentals transmittrar och ventiler i en anläggning, skulle det stora antalet LAN-switchar som ska installeras inte vara meningsfullt ekonomiskt.
- Fiberoptiskt Ethernet gör byte av enheter och efterföljande kalibrering opraktisk.
- TCP/IP kräver IT-avdelningar för att säkerställa cybersäkerhet.

Avancerat fysiskt lager som banar väg för Ethernet i processanläggningar
Med förväntade genombrottet för Ethernet APL (Advanced Physical Layer) under de närmaste åren kan dock nischexistensen av Ethernet på fältnivå komma till ett slut. Istället kan tekniken kanske hitta en utbredd tillämpning eftersom 4-20 mA kunde ersättas med rent digitalt 2-tråds Ethernet APL (Advanced Physical Layer). APL är SPE (Single Pair Ethernet) och kringgår begränsningarna på 4-20 mA. APL beskriver ett fysiskt lager för Ethernet-kommunikationsteknik som var särskilt utformat för att uppfylla processindustrins krav. Ethernet APL utvecklades på grund av behovet av höghastighetskommunikation, fjärrkommunikation, behovet av att tillhandahålla ström- och kommunikationssignaler över en enda 2-trådskabel och behovet av att säkerställa säker drift i potentiellt explosiva miljöer. Som en del av den allmänt använda Ethernet-standarden, som utvecklades speciellt för sofistikerade industriella tillämpningar, erbjuder Ethernet APL en hög robusthet för extremt tillförlitlig drift.

Ethernet har länge etablerats som en standardkommunikationslösning inom informationsteknik. Industrial Ethernet är det vanliga namnet på den variant av denna standard som används i tillverknings- och processindustrin. Ethernet APL utvecklades för att tillhandahålla den tidigare saknade länken. Det utökar enhetlig Ethernet-kommunikation hela vägen till fältinstrumentation, vilket banar väg för användning av kommunikationsprotokoll som HART-IP, Ethernet/IP och Profinet.

HART-IP förväntas övervägande användas inom anläggningens område. Om protokollet används bortom anläggningens område via en internetanslutning eller Wi-Fi måste säkerhetsåtgärder vidtas för att skydda data under transporten (t.ex. brandväggar, VPN-tunneling, Secure Socket Layer (SSL) och fjärrautentisering). Standardkrypteringsprotokollen fortsätter att utvecklas och HART-IP är utformad för att kunna anpassas till nya versioner.

Öka traditionell automationspyramiden genom Namur Open Architecture
NAMUR Open Architecture kommer att bli ännu en drivkraft som främjar användningen av HART-IP. Även om strukturen i den klassiska automationspyramiden erbjuder hög driftsäkerhet, saknas den flexibilitet som krävs för implementering av ny teknik i samband med Industry 4.0-lösningar. Det är därför Namur har introducerat NOA-konceptet (Namur Open Architecture) för att utvidga den befintliga strukturen med ett öppet OPC UA-gränssnitt. Konceptet Namur Open Architecture erbjuder möjligheten att exportera data från den tidigare automationsvärlden till systemvärlden för övervaknings- och optimeringsändamål, vilket gör att kärnautomationsuppgifterna i stort sett blir opåverkade. Alternativt kan en andra kommunikationskanal direkt få tillgång till information från befintliga fältenheter. Mot bakgrund av detta fokuserar fler och fler användare och systemleverantörer nu på HART-IP som ett ytterligare öppet gränssnitt.

HART-IP stöder Industry 4.0-tillämpningar
HART-IP är det lämpligaste backhaul-nätverket för WirelessHART-gateways och HART-infrastrukturkomponenter eftersom båda har samma applikationslager, vilket eliminerar tidskrävande och felbenägen data-mapping (t.ex. för Modbus eller OPC).

HART-IP är lätt att distribuera eftersom den använder Ethernet-infrastruktur som redan finns i de flesta anläggningar. Befintlig intelligent enhetshanteringsmjukvara kan uppgraderas till den senaste versionen som stöder HART-IP och de underliggande WirelessHART-gatewayerna.

Även om HART-IP kanske inte revolutionerar hela processindustrin, kommer det att ge ett betydande bidrag till att främja och, avgörande, förenkla utbytet av data och information i processanläggningar och därigenom uppfylla det grundläggande kravet för implementering av Industry 4.0-tillämpningar.

Med sin smartLink DP-produkt erbjuder Softing en NOA-kompatibel gateway som samlar in data från HART-enheter via PROFIBUS fjärr-I/O:er och gör dem tillgängliga via OPC UA i enlighet med kompletterande specifikationer. Dessutom ger en HART-IP-server, som är integrerad i smartLink DP, transparent åtkomst till HART-fältenheter via Ethernet. I framtiden kommer det att vara möjligt att använda valfri HART-IP-klient, såsom Emersons AMS Device Manager eller ProComSols DevComDroid Android-app, för att ställa in parametrar, övervaka och utvärdera HART-fältenheter via denna öppna kommunikationsstandard.

Funktioner i HART-IP-teknik:
- Lätt att implementera med befintlig Ethernet-infrastruktur
- Standardiserad användning i hela processanläggningen
- Intelligent enhetshantering via Ethernet eller Wi-Fi
- Företagsövergripande tillgång till enhetsdata och tillståndsbaserad diagnostikinformation samt processdata utan krav på mapping
- Stöder proaktiv underhållsstrategi genom att ge snabb åtkomst till diagnostikdata
- Kompatibel med standardiserade krypteringsprotokoll för datatransport

  Mer information…