HART und WirelessHART – Datenkommunikation über große Entfernungen

HART und WirelessHART – Datenkommunikation über große Entfernungen

Zur Weiterleitung analoger Sensorsignale wurden früher vorwiegend Einheitssignale im 4/20-mA-Bereich genutzt. Die Verdrahtung dieser Technologie ist auch heute noch weit verbreitet, das Verfahren selbst aber veraltet. Gerade eine Umstellung des kompletten Leitungssystems, wie es bei vielen digitalen Feldbussystemen gefordert wird, ist aber mit hohen Kosten und weitreichenden Eingriffen in den Betriebsalltag verbunden.

Unter der Bezeichnung HART (Highway Addressable Remote Transducer) existiert ein Standard, bei dem die vorhandenen Leitungen genutzt werden können, um ein digitales Sensornetz aufzubauen. HART ist mittlerweile ein anerkannter Standard und Teil der Feldbus-Norm IEC 61158.


Vor- und Nachteile von HART

Die Sensoren unterschiedlichster Hersteller, die die HART-Spezifikationen erfüllen, lassen sich problemlos in einem Netz betreiben. Dabei liegt die maximale Anzahl allerdings bei 16 Teilnehmern pro Feldbusleitung.

Sie sind allerdings nicht gezwungen, alle schon vorhandenen analogen Sensoren zu entfernen und gegen HART-kompatible auszutauschen. Analoge und digitale Endgeräte lassen sich parallel betreiben.

Ein gewisser Nachteil ist allerdings die sehr geringe Datenrate. Sie liegt bei ca. 2 Messwerten pro Sekunde. Aufgrund der geringen Datenrate und der sehr begrenzten Teilnehmerzahl werden leitungsgebundene HART-Produkte vorwiegend in der Prozesstechnik eingesetzt.

Das Übertragungsverfahren ist sehr einfach: Auf der 2-adrigen Leitung wird eine logische „0“ durch eine Frequenz von 2,2 kHz dargestellt, für eine „1“ liegt der Wert bei 1,2 kHz. Es gibt einen Master im System, der die Sensoren veranlasst, ihre Messwerte zu senden. Dieses Verfahren wird auch als Polling bezeichnet und weist einen gravierenden Nachteil auf: Der Sensor selbst kann von sich aus keine Mess- oder Steuersignale senden, wenn er z. B. einen Alarmwert überschritten hat. Aus diesem Grund gibt es bei HART noch eine weitere Betriebsart, den Burst-Modus. Wird ein Endgerät vom Master in diese Betriebsart versetzt, sendet es ständig Nachrichten an ihn.


WirelessHART: Drahtlos über weite Entfernungen

Die Entwicklungsgruppe um HART hat schnell erkannt, dass gerade in der Prozesstechnik drahtlose Systeme unumgänglich sind. Entfernungen im km-Bereich sind aber mit den herkömmlichen Technologien nicht überwindbar. Deshalb wurde in der neuesten Version HART 7 die leitungsgebundene Kommunikation um den drahtlosen Standard WirelessHART erweitert. Die Kombination von leitungsgebundener Kommunikation und Datenübertragung per Funk mit hohen Reichweiten macht das Ganze sehr flexibel.

Im Gegensatz zum leitungsgebundenen Netz werden Funksensoren häufig mit Batterien betrieben. Der Stromverbrauch wäre im Burst- Modus allerdings sehr hoch, eine Einschränkung auf das Polling wiederum würde bestimmte Anwendungen ausschließen. Aus diesem Grund gibt es bei HART 7 den Smart Burst Mode. Erst wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind (z. B. Messwert innerhalb eines Alarmbereichs), sendet der Sensor ständig seine Daten an den Master.


Basis für hohe Reichweiten: ein selbst organisierendes Maschennetz

Ein WirelessHART-Netz besteht aus einem „Schwarm“ von Teilnehmern, die alle miteinander kommunizieren können (Meshed Network, Maschennetzwerk). Dabei sendet ein Teilnehmer die Nachricht an seinen nächsten Nachbarn, dieser wiederum an seinen nächsten Nachbarn usw., bis der Empfänger sie erhält. Dieses Verfahren hat 2 gravierende Vorteile:

* Da jeder Teilnehmer wie ein Verstärker funktioniert, sind praktisch beliebig große Entfernungen möglich.
* Fällt ein Teilnehmer aus, schickt der Sender seine Nachricht alternativ an einen 2. Nachbarn und sucht so einen neuen Übertragungsweg.

Mit der Kombination aus Funk und Leitung sind praktisch alle Anwendungen ohne großen Aufwand realisierbar. Mehrere Sensoren in einem kleinen, sich selbst verwaltenden Netz z. B. an einer Maschine oder Anlage kommunizieren miteinander, und im Bedarfsfall werden die Informationen über leitungsgebundene Adapter in das Kabelnetz eingespeist.


Erhöhte Sicherheit durch geringe Verbreitung

WLAN-Netze, aber auch Bluetooth- Netze sind besonders anfällig gegen mutwillige Störungen und Eingriffe von außen, weil diese Technologien im Alltag eine extreme Verbreitung haben. Da die HART-Netze lediglich in Industriebereichen zum Einsatz kommen, gibt es nur eine geringe Motivation, in diese Netze einzudringen.

*Hinweis:*
Das Sicherheitsproblem beim WLAN ist die mangelhafte Konfiguration der Sicherheitseinstellungen. Viele Systeme werden standardmäßig mit deaktivierten Sicherheitsoptionen ausgeliefert, und der Anwender verfügt häufig nicht über die Kenntnisse, diese korrekt einzustellen.

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