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HART-Gateway mit integriertem OPC UA-Server

: Phoenix Contact


Sensoren sind Träger zahlreicher Informationen, die zur Optimierung von Prozessen einsetzbar wären, aber nicht ausgelesen werden. Auf Basis des NOA-Konzepts lassen sich diese Daten via HART-Protokoll an ein HART-Gateway mit integriertem OPC UA-Server weiterleiten, aus denen sich überlagerte Systeme dann per OPC UA bedienen. Phoenix Contact hat sein Portfolio um ein entsprechendes Gerät erweitert.

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Wegen seiner Flexibilität, Skalierbarkeit und Zugriffssicherheit gilt OPC UA als eines der modernsten industriellen Kommunikationsprotokolle.

Wegen seiner Flexibilität, Skalierbarkeit und Zugriffssicherheit gilt OPC UA...

Das NOA-Konzept der NAMUR zielt darauf ab, alle ungenutzten Informationen, die in den Feldgeräten einer Anlage vorhanden sind, aber derzeit nicht ausgelesen werden, zu verwenden. Ein Durchflussmessgerät beispielsweise stellt neben dem Durchfluss Daten über den Druck, die Fließgeschwindigkeit und die Temperatur des Mediums zur Verfügung. Darüber hinaus liegen Informationen zum Sensor vor, u. a. der Name des Herstellers, die Serien- und Versionsnummer, der Messbereich und vieles mehr. Doch wie kann der Anlagenbetreiber auf diese Daten zugreifen?

Eine Möglichkeit stellt das HART-Protokoll dar. Bei diesem Kommunikationsstandard ist der Sensor über eine herkömmliche 4…20 mA-Verbindung an ein Leitsystem angekoppelt und verfügt außerdem über ein aufmoduliertes HART-Signal, das mit einer Stichleitung abgegriffen werden kann. Diese HART-Verbindung wird in den meisten Fällen lediglich für die Parametrierung des Sensors eingesetzt und bleibt danach ungenutzt. Speziell bei älteren Anlagen, die mit einem konventionellen Leitsystem ausgestattet sind, bietet sich diese Anbindung an, weil nicht in das Leitsystem eingegriffen werden muss.

Sicherer cloudbasierter Zugriff

Ein Fokus der NAMUR liegt auf der Sicherheit des NOA-Konzepts. Daten dürfen der Anlage nur kontrolliert entnommen werden. Ein schädlicher Einfluss auf die Anwendung – wie auch immer sich dieser gestaltet – ist zu unterbinden. Auf dieser Grundlage wurde das Modell der Datendiode entwickelt. Es beinhaltet, dass die Daten lediglich in eine Richtung fließen können. Wird das HART-Protokoll verwendet und werden die Schreibzugriffe verriegelt, kommt dieser Ansatz der
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An das modulare HART-Gateway GW-PL-ETH/BASIC-BUS von Phoenix Contact können bis zu 40 Sensoren angekoppelt werden.

An das modulare HART-Gateway GW-PL-ETH/BASIC-BUS von Phoenix Contact können...

Idealvorstellung sehr nahe. Als weitere Sicherheitskomponenten sind sichere Verbindungswege denkbar, die sich durch Security-Router umsetzen lassen. Die Datenquelle und das Ziel werden dabei durch einen gesicherten Tunnel verknüpft. In diesem Zusammenhang ist es prinzipiell unerheblich, ob der Kommunikationsweg durch das Internet oder die komplexe Werksinfrastruktur eines Chemieparks führt.

Der Ablageort der Informationen kann erheblich variieren. Eine lokale Datenbank schafft zwar maximalen Schutz vor unbefugten Zugriffen, aber wie sieht es mit der Verfügbarkeit des Servers aus? Ist dieser redundant aufgebaut, um einen Verlust der Daten bei einem Hardware-Defekt auszuschließen? Und wer kümmert sich um die Wartung der Hardware? Solche Fragen entfallen, wenn sich der Anlagenbetreiber zum Einsatz einer Cloud entschließt, die von einem professionellen Dienstleister wie IBM, Microsoft oder Amazon Web Services betrieben wird. Ein weiterer Punkt, der für eine Cloud-Lösung sprechen kann, ist die Zugänglichkeit. Auswertedienste und Analysen lassen sich global verteilen. Ferner wird externen Dienstleistern ein einfacher Zugriff auf die Informationen ermöglicht.

Verbesserte Prozesse und Wartungseinsätze

Durch neu hinzugekommene Messwerte lassen sich vor allem auch nachteilige Anlagenzustände erkennen. Durch einen weiteren Temperaturwert des Durchflusssensors könnte beispielsweise eine zu starke Abkühlung des Mediums auf dem Transportweg detektiert werden. Darüber hinaus erlauben die neu gewonnenen Daten die Einrichtung zusätzlicher Plausibilitätskontrollen.

Als andere Anwendungsmöglichkeit sei der digitale Zwilling
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Darstellung eines möglichen NOA-Technologieschemas.

Darstellung eines möglichen NOA-Technologieschemas.

genannt. Hinter dem durch das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 geprägten Begriff verbirgt sich die detaillierte digitale Abbildung einer Anlage. Lässt sich ein in der Anlage verbauter Sensor per Knopfdruck eindeutig identifizieren und erhält das Servicepersonal Zugriff auf dessen „Lebensgeschichte“, ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten. So lassen sich mit solchen Informationen beispielsweise Wartungsmaßnahmen effizienter organisieren. Ferner kann die im Feld installierte Sensorik einfacher und besser verglichen werden. So ist schnell ersichtlich, welcher Sensor sich mit seinem spezifischen Messbereich am besten eignet, um eine konkrete Messaufgabe durchzuführen. Die gesammelten Daten liefern somit eine zusätzliche Entscheidungshilfe.

Transparente Informationsübergabe

Zur Weiterleitung der im Feld erfassten Daten an die überlagerten Systeme bietet sich OPC UA als Schnittstelle an. Wegen seiner Flexibilität, Skalierbarkeit und Zugriffssicherheit erweist sich OPC UA als eines der modernsten industriellen Kommunikationsprotokolle. Der Standard umfasst mehr als eine klassische Schnittstelle wie Modbus RTU, denn er stellt dem Anwender komplexe Dienste zur Verfügung, die ihm die Arbeit erleichtern. Hinzu kommt, dass OPC UA in puncto Security dem neuesten Stand der Technik entspricht, da das Protokoll verschiedene Sicherheitsmaßnahmen unterstützt.

Der OPC UA-Server übergibt den Systemen, die die Daten einsammeln möchten und eine Berechtigung dazu haben, die Informationen transparent. Die übergeordneten Systeme können dabei wählen, welche Daten sie nutzen wollen. Im Gegensatz zum klassischen Modbus RTU, bei dem im Vorfeld
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Darstellung der durch NOA erweiterten Automatisierungspyramide.

Darstellung der durch NOA erweiterten Automatisierungspyramide.

bekannt sein muss, in welchem Register welche Variable abgelegt worden ist, browst der Anwender bei OPC UA durch den Server und prüft, was angeboten wird. Er erhält Informationen darüber, in welchen Formaten die Daten gespeichert wurden, wann genau sie abgelegt worden sind oder ob die Verbindung noch fehlerfrei besteht. All diese Funktionen führen zur stetig steigenden Verwendung von OPC UA in der Automatisierung.

Flexible Ankopplung von maximal 40 Sensoren

Als fehlendes Bindeglied, das zur praktischen Umsetzung des beschriebenen Szenarios erforderlich ist, fungiert ein HART-Gateway. Das Gerät baut die Verbindung zu den im Feld installierten HART-fähigen Sensoren auf und stellt die erfassten Daten den überlagerten Systemen auf einem OPC UA-Server bereit. Phoenix Contact hat sein bewährtes HART-Gateway daher um einen OPC UA-Server erweitert. Das Gateway lässt sich durch maximal fünf Eingangsmodule ergänzen, sodass bis zu 40 Sensoren angekoppelt werden können. Jeder Kanal ist dabei galvanisch vom HART-Signal getrennt.

Informationen wie Identifier, die Werte sämtlicher Prozessdaten oder die vom Wartungspersonal auf dem Sensor hinterlegten Nachrichten werden zyklisch ausgelesen. Aus einem normalen Drucksensor können so bis zu 40 zusätzliche Informationen entnommen werden – und das ohne Konfigurationsaufwand. Eine Device Description (DD) oder ein Device Type Manager (DTM) mit herstellerspezifischen Schnittstellen-Beschreibungen sind nicht notwendig. Die Kommunikation beschränkt sich auf die Standardkommandos des HART-Protokolls. Da das Gateway auch den HART-IP-Standard unterstützt, lässt es sich in Verbindung mit der
FDT-Rahmenapplikation PACTware oder dem M&M-Container als Kommunikationsgerät nutzen, um die Sensoren im Feld zu parametrieren.

Wegen seiner Flexibilität, Skalierbarkeit und Zugriffssicherheit gilt OPC UA als eines der modernsten industriellen Kommunikationsprotokolle.
An das modulare HART-Gateway GW-PL-ETH/BASIC-BUS von Phoenix Contact können bis zu 40 Sensoren angekoppelt werden.
Darstellung eines möglichen NOA-Technologieschemas.
Darstellung der durch NOA erweiterten Automatisierungspyramide.
OPC-Sicherheitsmechanismus eines Security-Routers der Produktfamilie FL mGuard.


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