Grunderna i HART-kommunikation och IIoT

På en processanläggning med 4–20 mA-/HART-instrumentering kan oväntade situationer snabbt eskalera om diagnostikfunktionerna inte övervakas. Det här exemplet representerar en typisk underhållssituation:

Tänk dig en dag med häftigt regn. Underhållsteamet förväntar sig en rutinmässig dag, med minimala ingrepp. Men då uppstår flera problem samtidigt, som kräver omedelbar uppmärksamhet. Teamet står plötsligt inför ett kritiskt problem som gäller nivåmätning.

En operatör rapporterar att en nivåtransmitter ger fluktuerande avläsningar och processen körs utan tillförlitliga nivåuppgifter. Transmittern sitter på en avlägsen plats i anläggningen, långt från verkstaden, och för att få tillgång till den måste man ge sig ut i dåliga väderförhållanden.

När teknikern kommer fram till enheten upptäcker teknikern att den lokala konfigurationen inte går att nå. För att diagnostisera problemet krävs ett konfigureringsverktyg – men batteriet är dött. Det leder till en försening, eftersom teknikern måste gå tillbaka, ladda verktyget och sedan ta sig tillbaka till instrumentet. Under tiden fortsätter processen utan korrekt nivåmätning och operatörerna är omedvetna om att nivån har stigit för mycket.

Till slut utlöses nivåvakten och stänger ner hela processen så att produktionen stoppas. Säkerhetssystemet fungerar alltså som det ska, men incidenten belyser en stor säkerhetsrisk: bristen på tillgång till aktuell diagnostik förlänger felsökningsprocessen och kan leda till onödiga driftstopp – detta är ett typexempel.

Låter ovanstående exempel bekant? Situationer som denna kan oftast lösas snabbt med tillgång till enhetsdata direkt från driftmiljön. Även när fältenheterna körs med analoga 4–20 mA-signaler är de flesta utrustade med HART-kommunikationsprotokollet – men i det här fallet användes det inte.

HART är som de flesta av oss vet inte en ny teknik. Trots att det finns miljontals HART-kompatibla enheter installerade på olika industrianläggningar världen över är det inte alla som har förstått hur de fungerar.

HART står för Highway Addressable Remote Transducer och protokollet lanserades i mitten av 1980-talet. Det blev en öppen standard 1986, efter att inledningsvis ha varit proprietär.

HART är ett hybridprotokoll som lägger en digital signal ovanpå den traditionella analoga 4–20 mA-signalen – en standard som har använts i årtionden och fortfarande är vanlig på många anläggningar i dag.

Sett ur ett tekniskt perspektiv använder HART standarden Bell 202 med Frequency Shift Keying (frekvensskiftesmodulering, FSK) med 1200 bps. Två frekvenser representerar binära värden: 1200 Hz för ”1” och 2200 Hz för ”0”. Detta möjliggör kommunikation mellan enheter med styrande och underordnade noder utan att bryta den analoga signalen.

HART-kompatibla fältenheter ger diagnostiska och driftrelaterade data på jämförbar nivå med helt digitala enheter. Den främsta skillnaden är hur man får åtkomst till dessa data. Digitala enheter kommunicerar kontinuerligt och delar information, vare sig den används aktivt eller inte. Många HART-enheter är i stället kvar ute på anläggningen med värdefulla data ”fastlåsta” inuti.

Alla enheter som använder HART-kommunikationsprotokollet har stöd för Intelligent Device Management (intelligent enhetshantering, IDM), vilket liknar det som finns tillgängligt för PROFIBUS, FOUNDATION Fieldbus och andra digitala tekniska lösningar. Även om HART har ett multidrop-läge för avläsning av data från flera enheter är det en långsam metod och den används därför sällan. Som tur är finns det alternativa lösningar för att extrahera denna kritiska information utan att behöva förlita sig på multidrop-konfigurationer.

Så vad är då den faktiska skillnaden mellan HART och helt digitala fältbussenheter? När det gäller typen av och kvaliteten på information – som enhetsstatus och diagnostik – finns det ingen praktisk skillnad. Dock är det så att standardinstallationen av HART-enheter normalt sett innebär att styrsystemet bara tar emot den analoga 4–20 mA-signalen, till skillnad från digitala nätverk där alla enhetsdata finns tillgängliga samtidigt.

De goda nyheterna är att moderna lösningar, både trådbundna och trådlösa, nu kan ge effektiv åtkomst till HART-data och omvandla den till användbara insikter – exempelvis via ett IIoT-ekosystem som Endress+Hausers Netilion.

Situationer som det tidigare nämnda exemplet med nivåtransmittern kan ofta undvikas om man använder moderna anslutningsalternativ. Det finns praktiska sätt att hämta IDM-data från HART-fältenheter som inte kräver stora investeringar eller invecklade modifieringar av anläggningen.

1. WirelessHART-integrering: Den trådlösa metoden är en av de enklaste för att samla in enhetsdata. Genom att installera en WirelessHART-adapter i befintliga fältenheter kan data överföras till en WirelessHART-nätport. En sådan nätport – som Fieldgate SWG70 från Endress+Hauser – kan sedan anslutas till en gränsenhet och på så sätt möjliggöra sömlös integrering med IIoT-molnplattformar. Trådlösa lösningar används redan i stor utsträckning i olika branscher och har visat sig vara effektiva i flera olika tillämpningar.

2. HART-nätportar för trådbunden integrering För de anläggningar där man föredrar trådbundna lösningar erbjuder HART-nätportar ett tillförlitligt sätt att extrahera data från 4–20 mA-kretsen och ansluta den till IIoT-plattformar som Netilion. Även om den här strategin kan innebära något högre investeringskostnader i jämförelse med trådlösa lösningar har man vanligtvis tjänat in dessa kostnader redan inom ett par månader. Ett exempel är Fieldgate SFG250, en Ethernet-baserad HART-nätport som erbjuder en enkel och effektiv lösning för att få åtkomst till enhetsdata och integrera den i molnbaserade system. HART via Ethernet är ett av de mest effektiva sätten att få tillgång till värdefull information utan att göra den dagliga driften mer komplex.

Som vi har sett i exemplen ovan är IIoT inte så avlägset eller komplext som det kan verka. Nyttan med IIoT-tjänster är tydlig – att implementera dem i din anläggning kan ge tydliga driftsmässiga fördelar.

IIoT kan till exempel ge en omfattande översikt över din installerade bas. Visste du att ungefär 30 % av utrustningen på många anläggningar redan är föråldrad? Med IIoT-tjänster kan du enkelt registrera enheter manuellt eller automatiskt via en gränsenhet och skapa en digital tvilling.

När anslutningen är upprättad kan digitala tjänster som Netilion Analytics ge transparent insyn genom användarvänliga översiktsvyer och grafiska visualiseringar. Dessa analysfunktioner levererar kritisk information, som enheters tillgänglighet och livscykelstatus, vilket bidrar till mindre komplexitet och effektiviserar underhållsarbetet.

En annan användbar tillämpning av IIoT i kombination med HART-kommunikationsprotokollet är övervakning av enhetsstatus. Digitala tjänster som Netilion Health tillhandahåller diagnostik för enheter från både Endress+Hauser och andra leverantörer.

Oavsett om uppkopplingen sker trådbundet eller via WirelessHART kan din nätport kopplas till en gränsenhet med säker kommunikation med molnet. Detta möjliggör fjärråtkomst till information om enhetsstatus.

Systemet visar enhetsstatus baserat på NAMUR NE 107-standarder. När en diagnostikvarning eller ett fel uppstår har du mängder av detaljerad information nära till hands för att identifiera grundorsaken och vidta korrigerande åtgärder. Även datahistorik finns tillgänglig och visar när och hur ofta händelser har uppstått. Det ger dig en tydlig bild över anläggningens prestanda över tid.

Om en sådant statusövervakningssystem hade funnits tillgängligt vid den tidigare beskrivna nivåmätningsincidenten hade problemet kunnat upptäckas tidigt, vilket hade sparat tid, förhindrat ett oplanerat driftstopp och minskat kostnaderna.

Sammanfattningsvis: IIoT förenklar anläggningsdriften och gör den smartare och mer effektiv.