HART-IP – De mogelijkheden van assetoptimalisatie in de procesindustrie
De digitalisering van veldapparatuur in de procesindustrie, het groeiend belang van predictief onderhoud en de toenemende mogelijkheden van gecentraliseerde veldapparatuurconfiguratie in moderne assetmanagementsystemen, hebben de weg vrijgemaakt voor het intensieve gebruik van digitale communicatieprotocollen als veldbus en HART. Tegelijkertijd is WirelessHART wereldwijd geaccepteerd als toonaangevend draadloos protocol voor procestoepassingen. Bij het implementeren van WirelessHART gateways of bij het toevoegen van HART multiplexers aan een bestaande infrastructuur, levert HART-IP een nieuw standaardprotocol dat zorgt voor efficiënte integratie. Daarnaast maakt HART-IP eenvoudige integratie van HART data in assetmanagementtoepassingen mogelijk.
Intelligente HART apparaten ondersteunen centrale configuratie en diagnose- en accumonitoring
De procesindustrie wordt beschouwd als nogal terughoudend als het gaat om de implementatie van nieuwe technologieën. Toch voorspellen toonaangevende technologische organisaties, zoals FieldComm Group, ODVA en Profibus & Profinet International een snelle toename van het gebruik van Industrial Ethernet in de procesindustrie. Ze verwachten dat Ethernet steeds meer zal worden gebruikt als vervanging van RS485 in fabrieken, terwijl Ethernet-APL uiteindelijk 4-20 mA zal vervangen. Al in 2012 reageerde de FieldComm Group (FCG) op deze trend met de introductie van het HART-IP Ethernet protocol. HART-IP biedt de mogelijkheid om WirelessHART gateways en HART multiplexers strak en efficiënt te integreren in de besturingssystemen van bestaande of nieuwe procesinstallaties. HART-IP maakt ook eenvoudige verticale data-integratie van veldapparatuur naar de controlekamer mogelijk. Het HART protocol kan worden uitgevoerd via Ethernet, wifi of andere netwerkmedia zonder dat dit ten koste gaat van de gedetailleerde apparaat setup of de diagnostische informatie die door bestaande netwerken wordt aangeboden. Het protocol biedt niet alleen toegang tot de procesvariabelen van een apparaat, maar ondersteunt ook de parametrisering van het apparaat en de geavanceerde diagnostiek. HART-IP zal daarom een belangrijke rol spelen bij de introductie van het Internet of Things in procesinstallaties.
HART-IP levert informatie van bedrade en draadloze apparaten aan applicaties op een overkoepelend niveau (SCADA, CMMS, DCS, ERP, enz.), onafhankelijk van de transmissiemedia.
De uitdaging van systeemintegratie
Systeemintegratie met traditionele PLC protocollen stuit steeds meer op zijn grenzen. Traditionele hardwired transmitters leveren vaak slechts één enkele variabele - de proceswaarde. Het in kaart brengen van één enkele variabele per apparaat vanuit een PLC of RTU Modbus register om visualisatiesoftware mee te voeden, is nog te doen. Maar apparaten leveren doorgaans meerdere metingen, besturingssignalen en feedback met tot vier dynamische variabelen per apparaat, elk met een bijbehorende status. Zo kunnen bijvoorbeeld temperatuurtransmitters twee of meer temperatuurwaarden leveren, druktransmitters zowel de actuele druk als de verschildruk, akoestische transmitters zowel de geluids- als de temperatuurwaarden, of triltransmitters zowel trillingen, als acceleratie- en temperatuurwaarden. Het in kaart brengen van al die dynamische variabelen die worden geleverd door dergelijke multivariabele apparaten in Modbus registers of OPC groepen en items, is tijdrovend en foutgevoelig. Modbus registers en OPC items werken voor procesvariabelen, maar zijn ongeschikt voor IDM (intelligent device management) software als onderdeel van assetmanagementsystemen. Intelligente HART apparaten ondersteunen daarentegen centrale configuratie, naast diagnostische en accubewaking. Hoewel een handheld veldcommunicator kan worden gebruikt voor apparaatconfiguratie en troubleshooting, is het niet praktisch voor fabrieksbrede implementatie. Intelligente apparaatbeheersoftware is een betere oplossing voor fabrieksbrede netwerken.
Met HART-IP kan HART-informatie geleverd worden aan overkoepelende applicaties.
HART-IP faciliteert end-to-end communicatie tussen apparaten
Naarmate diagnostische data belangrijker worden en veldapparatuur in procesinstallaties meer digitaal wordt, verleggen steeds meer gebruikers en systeemaanbieders hun focus naar HART-IP. HART-IP biedt complete fabrieksbrede, grootschalige oplossingen en een hoge mate van interoperabiliteit tussen apparaten en toepassingen. Het protocol loopt via IP-gebaseerde netwerken, zoals Ethernet en wifi en werkt via UDP (User Datagram Protocol) en TCP (Transmission Control Protocol) met IPv4 (Internet Protocol Version 4) of IPv6. De HART-IP applicatielaag is gebaseerd op dezelfde commando's als 4-20 mA/HART en WirelessHART. In tegenstelling tot seriële dataoverdracht kunnen proces- en IT-data over een gemeenschappelijk medium worden verzonden. De beschikbare adresruimte is groot met een bijna onbeperkt aantal deelnemers. Cascadeschakelaars maken het mogelijk om enorme netwerken te creëren. Daarnaast kunnen grotere hoeveelheden data efficiënt worden overgedragen en verschillende transmissiemedia (koper, optische vezels, radio) worden gecombineerd.
HART-IP is een overkoepelend applicatieprotocol dat onafhankelijk is van de onderliggende media en via standaard Ethernet (IEEE 802.3) werkt, zowel met koper als glasvezel, als wifi (IEEE 802.11) apparatuur. Het is daarmee geschikt voor gebruik met standaard infrastructuur componenten, zoals LAN switches, routers, access points, kabels en connectoren. HART-IP kan ook gebruik maken van bestaande netwerkstructuren met redundante Ethernet media en mesh- of ringtopologieën, dan wel Power over Ethernet (PoE). Verschillende snelheden zoals 10 Mbit/s, 100 Mbit/s en 1 Gbit/s worden ondersteund.
Door het gebruik van IP-gebaseerde communicatie kunnen meerdere protocollen hetzelfde netwerk delen, elk protocol met een specifieke toepassing. Hierdoor kan HART-IP naast IT-protocollen en andere industriële Ethernetprotocollen, zoals HTTP, Ethernet/IP of PROFINET, bestaan. Er is geen specifieke infrastructuur nodig. Het gebruik van meerdere clients en servers wordt ook ondersteund, waardoor meerdere controllers en softwareapplicaties toegang hebben tot de data in één of meerdere gateways of multiplexers via hetzelfde netwerk.
HART-IP kan worden gebruikt voor apparaten die gebruik maken van Ethernet en voor HART-IP backhaul netwerken in HART multiplexers. Het wordt gebruikt in Intelligent Device Management (IDM) software als onderdeel van assetmanagementsystemen en in OPC servers voor toegang tot data in 4-20 mA/HART veldapparatuur. Gespecialiseerde toepassingen, zoals software voor de bewaking van condenspotten of de ‘gezondheid’ van machines maken al gebruik van HART-IP om toegang te krijgen tot de data van apparatuur. Op termijn wordt verwacht dat besturingssystemen en automatiseringsoplossingen via HART-IP toegang zullen krijgen tot HART. Ook is het denkbaar dat HART-IP apparaten zullen worden gebruikt voor naadloze verticale integratie in fabrieken. Sommige apparaten, zoals flowmeters, ondersteunen Ethernet nu al.
Veel apparaten in procesinstallaties, zoals transmitters, analyzers of kleppen, hebben echter geen Ethernet connectiviteit - en dat zal binnen afzienbare tijd ook niet gebeuren. Deze apparaten zullen waarschijnlijk gebruik blijven maken van 4-20 mA/HART, veldbus of WirelessHART. HART-IP is nog niet klaar om deze protocollen op apparaatniveau te vervangen en is momenteel om meerdere redenen nog niet geschikt:
- Het bereik van koper-ethernet is te beperkt.
- Glasvezel Ethernet levert geen stroom.
- Power over Ethernet (PoE) is tot nu toe nog niet intrinsiek veilig.
- Aangezien er duizenden transmitters en kleppen in een installatie zitten, is het grote aantal te installeren LAN switches economisch gezien niet zinvol.
- Glasvezel Ethernet maakt vervanging van apparaten en de daaropvolgende kalibratie onpraktisch.
- TCP/IP vereist betrokkenheid van IT-afdelingen bij cybersecurity.
Geavanceerde fysieke laag maakt weg vrij voor Ethernet in procesinstallaties
Met de verwachte doorbraak van Ethernet Advanced Physical Layer (APL) in de komende jaren kan echter een einde komen aan het nichebestaan van Ethernet op veldniveau. In plaats daarvan zou de technologie breed toepassing kunnen vinden, omdat 4-20 mA kan worden vervangen door puur digitale tweedraads Ethernet APL (Advanced Physical Layer). APL is Single Pair Ethernet (SPE) en omzeilt de beperkingen van 4-20 mA. APL beschrijft een fysieke laag voor Ethernet communicatietechnologie die specifiek is ontworpen om te voldoen aan de eisen van de procesindustrie. Ethernet APL is ontwikkeld vanwege de behoefte aan snelle, lange-afstandscommunicatie, de behoefte om stroom- en communicatiesignalen te leveren over een enkele tweedraadskabel, en de behoefte om een veilige werking te garanderen binnen potentieel explosieve omgevingen. Als onderdeel van de veel gebruikte Ethernet standaard, die speciaal is ontwikkeld voor geavanceerde industriële toepassingen, biedt Ethernet APL een hoge mate van robuustheid bij een uiterst betrouwbare werking.
Ethernet is al lange tijd de standaard communicatieoplossing binnen de informatietechnologie. Industrial Ethernet is de algemene naam voor de variant van deze standaard die gebruikt wordt in de productie- en procesindustrie. Ethernet APL is ontwikkeld als ontbrekende schakel. Het breidt uniforme Ethernetcommunicatie verder uit naar veldinstrumentatie en maakt zo de weg vrij voor het gebruik van communicatieprotocollen als HART-IP, Ethernet/IP en Profinet.
Naar verwachting zal HART-IP voornamelijk binnen de fabrieksomgeving worden gebruikt. Als het protocol daar buiten wordt gebruikt via een internetverbinding of wifi, moeten veiligheidsmaatregelen worden genomen om de data tijdens transport te beschermen (zoals firewalls, VPN tunneling, Secure Socket Layer (SSL) en authenticatie op afstand). De standaard encryptieprotocollen zullen zich verder blijven ontwikkelen en HART-IP is zodanig ontworpen dat het zich kan aanpassen aan nieuwe versies.
Uitbreiding van de traditionele automatiseringspiramide met Namur Open Architecture
NAMUR Open Architecture wordt de zoveelste stimulans om het gebruik van HART-IP te bevorderen. Hoewel de structuur van de klassieke automatiseringspiramide een hoge mate van bedrijfszekerheid biedt, mist deze de benodigde flexibiliteit voor de implementatie van nieuwe technologieën voor Industry 4.0 oplossingen. Daarom heeft Namur het NOA concept (Namur Open Architecture) geïntroduceerd om de bestaande structuur verder uit te breiden met een open OPC UA interface. Het Namur Open Architecture concept biedt de mogelijkheid om data uit een vroegere automatiseringswereld te exporteren naar de systeemwereld voor bewakings- en optimalisatiedoeleinden, waarbij de kerntaken van de automatisering grotendeels onaangetast blijven. Daarnaast kan een tweede communicatiekanaal direct toegang krijgen tot informatie van bestaande veldapparatuur. In verband hiermee richten steeds meer gebruikers en systeemaanbieders zich nu op HART-IP als een extra open interface.
HART-IP ondersteunt Industrie 4.0 toepassingen
HART-IP is het meest geschikte backhaulnetwerk voor WirelessHART gateways en HART infrastructuurcomponenten, aangezien beide dezelfde applicatielaag hebben, waardoor tijdrovende en foutgevoelige datamapping (bijv. voor Modbus of OPC) wordt vermeden.
HART-IP is eenvoudig te implementeren omdat het gebruik maakt van de in de meeste fabrieken al beschikbare Ethernet infrastructuur. Bestaande intelligente software voor apparaatbeheer kan worden geüpgraded naar de nieuwste versie die HART-IP en de onderliggende WirelessHART gateways ondersteunt.
Hoewel HART-IP wellicht niet zorgt voor een omwenteling in de procesindustrie, zal het een belangrijke bijdrage leveren aan de bevordering en, cruciaal, aan een eenvoudiger data- en informatie-uitwisseling in procesinstallaties, één van de basisvereisten voor de implementatie van Industrie 4.0 toepassingen.
Met dit smartLink DP product biedt Softing een NOA-conforme gateway die data van HART apparaten via PROFIBUS remote I/O's verzamelt en die via OPC UA beschikbaar stelt volgens de bijbehorende specificaties. Bovendien biedt een in smartLink DP geïntegreerde HART-IP-server transparant toegang tot HART veldapparaten via Ethernet. In de toekomst zal het mogelijk zijn om elke HART-IP client te gebruiken, zoals Emerson's AMS Device Manager of ProComSol's DevComDroid Android app, om via deze open communicatiestandaard parameters te kunnen instellen en HART-veldapparatuur te monitoren en evalueren.
Kenmerken van de HART-IP technologie:
- Eenvoudig te implementeren door gebruik te maken van bestaande Ethernet infrastructuur
- Gestandaardiseerd gebruik in de gehele procesinstallatie
- Intelligent apparaatbeheer via Ethernet of wifi
- Bedrijfsbrede toegang tot apparaatgegevens en diagnostische informatie over de apparaatconditie en procesgegevens zonder mapping
- Ondersteunt proactieve onderhoudsstrategie door snelle toegang tot diagnostische gegevens
- Compatibel met gestandaardiseerde encryptieprotocollen voor datatransport.
