HART-Kommunikation in der Prozessautomation Datenübertragung mit dem HART-Modem DS8500

Die HART-Technologie ist in der Prozessautomation sehr verbreitet, da sie einfach im Aufbau, Wartung und Unterhalt ist. Die Kommunikation setzt auf die bestehende Leitungsinstallation auf, ist störsicher und steht als offener, felderprobter Standard jedem Hersteller zur Verfügung. In diesem Beitrag wird die Schaltungstechnik von Prozessmessgeräten beschrieben und die Leistungsfähigkeit der HART-Kommunikation aufgezeigt.

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Obwohl schon seit mehr als 20 Jahren allgemein verfügbar, ist die HART-Technologie (Highway Addressable Remote Transducer) in der Prozessautomation immer noch sehr aktuell. Die HART-Kommunikation benutzt die in der Industrie seit mehreren Jahrzehnten bewährte und weit verbreitete Stromschnittstelle 4 bis 20 mA. Dadurch muss die bestehende Infrastruktur nicht grundlegend geändert werden, es fällt keine kostspielige Neuverdrahtung an und Vorschriften und Normen bleiben weiterhin gültig.

Analoge Stromschnittstellen werden schon seit langer Zeit in der industriellen Mess- und Steuerungstechnik eingesetzt. Die Datenübertragung ist über verdrillte zweiadrige Leitungen über größere Entfernungen möglich und in einem gewissen Rahmen immun gegen Leitungswiderstände und elektromagnetische Störfelder. Stromschnittstellen werden daher häufig in der Prozessindustrie eingesetzt, bei der chemische und physikalische Prozesse meist in größeren Anlagen, die sich im Freien befinden, überwacht und gesteuert werden müssen. Das zuverlässige Erfassen und Steuern von Prozessgrößen ist dabei sehr wichtig, da nicht nur die Qualität der Produkte sondern auch der sichere Betrieb davon abhängen.

Messsignale von Sensoren ermitteln

Messsignale von Sensoren, die zum Beispiel Druck, Temperatur, Füllstand und Gewicht ermitteln, werden in so genannten Feldgeräten in ein normiertes analoges Stromsignal (4 bis 20 mA) umgesetzt. Dabei sind 4 mA dem kleinsten Messwert und 20 mA dem größten zu erfassenden Messwert zugeordnet. Werte kleiner als 4 mA zeigen eine Unterbrechung der Stromschleife und Werte größer als 20 mA eine Störung wie zum Beispiel einen Kurzschluss an.

Die Stromschleife wird über ein Netzteil mit galvanischer Trennung versorgt, die Leistungsabgabe ist bauartbedingt begrenzt (eigensicher) und in der Stromschleife darf nur ein Masseanschluss erfolgen. Der typische Wert für die Versorgungsspannung liegt bei 24 V.

Um die gemessenen Werte in der Warte anzuzeigen, wird ein Serienwiderstand in die Stromschleife eingefügt. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand ist proportional zum Strom in der Schleife und kann mit einem tragbaren Spannungsmessgerät jederzeit abgegriffen werden, ohne die Leitung dafür zu unterbrechen. Übliche Widerstandswerte liegen im Bereich von einigen hundert Ohm. Bei einem Serienwiderstand von 250Ω fällt beispielsweise bei 20 mA eine Spannung vom 5 V ab.

Vorteil der Stromschnittstelle: Prompte Signalaufbereitung

Ein wesentlicher Vorteil der Stromschnittstelle ist, dass die zwei Leitungsadern auch die Stromversorgung für die Signalaufbereitung der Sensoren liefern können.

Fügt man dem Feldgerät einen A/D-Wandler, Mikrocontroller und D/A-Wandler hinzu, lassen sich nichtlineare Sensorsignale mit Hilfe von Algorithmen linearisieren, kalibrieren oder vor Ort auf einen anderen Sensortyp einstellen.

Die gesamte Schaltung darf jedoch nicht mehr als 3,6 mA aufnehmen, da man sonst keinen Sicherheitsabstand zur 4-mA-Grenze hat, ab der die Stromschleife Messwerte liefert. Um die Feldgeräte zu kontrollieren und einzustellen, ist die Kommunikation in beiden Richtungen notwendig. Die Stromschnittstelle kann jedoch nur Werte in einer Richtung übertragen.

Erweiterung mit überlagerten Sinussignalen

Der weltweit verwendete und felderprobte Standard „HART-Kommunikation“ bietet eine Lösung für dieses Problem. Das analoge Stromsignal wird mit einem sinusförmigen Signal moduliert und die Frequenz wechselt dabei von 1,2 auf 2,2 kHz – je nachdem ob eine logische „1“ der „0“ übertragen wird. Dieses Signal kann vom Feldgerät und vom Bedienterminal erzeugt und auch ausgewertet werden, so dass zusätzlich zum analogen Stromsignal eine digitale bidirektionale Halb-Duplex Datenübertragung erfolgt.

Der Frequenzwechsel wird mit einem FSK-Modem (Frequenz Shift Keying) erzeugt. Der Frequenzwechsel der Sinusschwingung beim Nulldurchgang erfolgt ohne Phasenverschiebung. Der Mittelwert dieser Überlagerung ist Null und beeinflusst das Signal von 4 bis 20 mA bei entsprechender Filterung und Signaltrennung nicht. Bei der sinusförmigen Überlagerung handelt es sich somit um ein Digitalsignal, für das von der Nutzerorganisation HART Communication Foundation (HCF) als ein offener Standard, das HART-Protokoll, ausgearbeitet wurde.

Für HART-Feldgeräte (Slaves) ist festgelegt, dass das HART-Signal in das Stromsignal von 4 bis 20 mA eingeprägt wird. Die Feldgeräte stellen in der Schleife einen vorgegebenen Strom ein, der von der angelegten Versorgungsspannung unabhängig ist. An der Stromschleife dürfen laut HART-Spezifikation maximal zwei Bediengeräte angeschlossen werden. Üblicherweise sind dies ein Hand-Terminal oder PC-Laptop für die mobile Erfassung und eine Konsole in der Leitstation.

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