Digitales Protokoll lesen und interpretieren
Was sind Smart Transmitter und wie werden sie am besten konfiguriert und kalibriert? In diesem Beitrag beschreibt Beamex einen Vorgang, der tagtäglich in der Prozessindustrie durchgeführt werden muss. Nichts besonderes könnte man also denken, doch wie kalibriert man ein digitales Signal?
Die sogenannten Smart Transmitter sind in der Prozessindustrie angekommen, sie machen heutzutage den größten Anteil aller neu gelieferten Instrumente aus. Allerdings bringen die neuen Smart Instrumente auch neue Herausforderungen an den Kalibrier- und Konfigurationsprozess mit sich.
Was ist ein "Smart" Transmitter?
Ein Prozesstransmitter ist ein Gerät, das einen physikalischen Parameter wie Druck, Temperatur u.v.m. misst und dazu ein Ausgangssignal, das proportional zum gemessenen Eingang steht, erzeugt. Der Ausdruck „Smart" beruht dabei weniger auf einer eindeutigen technischen Definition, als vielmehr dem Ansinnen, einen passenden Ausdruck für diese Instrumente zu finden.
Im Allgemeinen versteht man unter einem Smart Transmitter ein Feldgerät, das mit Hilfe eines Mikroprozessors und einem digitalen Kommunikationsprotokoll, gemessene Werte übermittelt und eigene Konfigurationseinstellungen ermöglicht. Ein Mikroprozessorbasierender Transmitter besitzt einen internen Speicher für Berechnungen, Diagnoseprozeduren etc. Des Weiteren bietet ein moderner Smart Transmitter üblicherweise bessere Genauigkeiten und Stabilitäten als ein herkömmlicher analoger Transmitter.
Auf jeden Fall stellt das digitale Kommunikationsprotokoll für einen Messtechniker, der diese Geräte kalibrieren und konfigurieren muss, den größten Unterschied zu einem analogen Gerät dar. Es reicht nicht mehr aus einfach das analoge Ausgangssignal zu messen, es muss ein Weg gefunden werden mit dem Gerät zu kommunizieren um das digitale Ausgangssignal lesen zu können. Dies stellt den ersten Teil der neuen Herausforderungen dar - wie, bzw. womit, kann der digitale Ausgang gelesen werden?
Smart Transmitter Protokolle
Es existieren diverse digitale Kommunikationsprotokolle die bei Transmittern als "smart" angesehen werden können. Einige davon sind proprietäre Protokolle eines bestimmten Herstellers, doch diese sterben mehrheitlich aus. Protokolle, die auf einem offenem Standard basieren, werden heutzutage favorisiert und bilden die klare Mehrheit.
Das wohl populärste Protokoll ist das HART (Highway Addressable Remote Transducer) Protokoll. Ein HART Transmitter besitzt sowohl einen konventionelles, analoges mA-Signal als auch ein frequenzüberlagertes digitales Signal. Aufgrund des analogen mA-Signals eignen sich HART Transmitter auch für konventionelle Installationen. Einen neuerlichen Schub erhielten die HART Geräte durch das WirelessHART Protokoll.
Die Feldbustechnologie, wie Foundation Fieldbus und Profibus, sind mit rein digitalem Ausgang, gänzlich ohne Analogsignal, ausgestattet. Der Stellenwert der Feldbusgeräte wächst stetig im Bereich des Marktes für Prozesstransmitter. Im Rahmen dieses Artikels betrachten wir Smart Transmitter mit HART, WirelessHART, Foundation Fieldbus und Profibus PA Protokollen.
Konfiguration
Ein Hauptmerkmal von Smart Transmittern ist die Konfigurationsmöglichkeit mittels digitalem Protokoll. Dabei bezieht sich die Konfiguration auf das Einstellen der Geräteparameter und somit die Festlegung wesentlicher Eigenschaften, wie z. B. : Einheit, Sensortyp, Messbereich und vieles mehr. Da nun diese Konfigurationen ausschließlich über das digitale Protokoll erfolgen, benötigt man ein Konfigurationstool. Hierzu kann eine spezielle Software oder ein spezielles Gerät, ein sogenannter Kommunikator, eingesetzt werden.
Von wichtiger Bedeutung ist hierbei, dass weder Software noch Kommunikator ein Kalibriernormal darstellen, es sind keine metrologischen Kalibrierstandards. Auch wenn mit einem Kommunikator durchaus ein Adjustment bzw. Trim durchgeführt werden kann, bietet dies keinerlei Aussagekraft oder gar Garantie auf Genauigkeit. Eine metrologische Kalibrierung erfordert, per Definition, den Vergleich mit einem rückführbaren Referenzstandard (Normal).
Kalibrierung
Bei der Kalibrierung findet ein Vergleich mit einem Normal höherer Ordnung statt, dies gilt auch für die Kalibrierung von Smart Transmittern. In der Prozessindustrie wird dieses Normal üblicherweise als Kalibrator bezeichnet.
Auch wenn formal gesehen die Kalibrierung und die Justage zwei verschiedene Tätigkeiten darstellen, sieht der Arbeitsablauf im industriellen Alltag diese beiden Tätigkeiten als einen gemeinsamen Arbeitsablauf an. Neben der Kalibrierung kommt einem modernen Kalibrator noch eine zweite, sehr wichtige Funktion zu: Die Dokumentation der Messwerte und deren Abweichungen. Während eines Kalibrierprozess wird mittels der eigentlichen Kalibrierung festgestellt, ob eine Abweichung am Transmitter vorliegt und daraus ggf. eine Justage abgeleitet. Gleichzeitig werden die so aufgenommenen Werte dokumentiert.
Um analoge Transmitter zu kalibrieren genügt es das Eingangssignal zu generieren bzw. messen und zeitgleich das Ausgangssignal zu messen. In diesem Fall ist der Kalibriervorgang einfach und direkt und kann mit einem ausreichend genauen Kalibrator durchgeführt werden.
Aber wie kann ein Smart Transmitter kalibriert werden, wenn doch kein messbares Ausgangssignal vorhanden ist? Klar ist, dass hier wie bei einem konventionellen Transmitter, weiterhin der Transmittereingang erzeugt oder gemessen werden muss. Dazu genügt ein normaler Kalibrator. Um jedoch den Transmitterausgang verstehen zu können, ist ein Gerät oder eine Software nötig, die das digitale Protokoll lesen und interpretieren kann.
Die Kalibrierung wird damit zu einer Herausforderung, denn nun sind mehrere Geräte und mehrere Personen für diese Arbeit notwendig. Manchmal wird es sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, ein geeignetes Gerät zu finden, das vor allem im mobilen Einsatz den digitalen Ausgang lesen kann.
Eine Besonderheit stellen hier die die kabelgeführten HART Transmitter (im Gegensatz zum WirelessHART) mit einem Hybrid-Protokoll dar. Hier wird die digitale Kommunikation dem herkömmlichen analogen 4-20mA Ausgangssignal überlagert, wodurch das 4-20mA Ausgangssignal des Kabel-HART-Transmitters wie ein gewöhnlicher nicht digitaler Transmitter kalibriert werden kann. Allerdings stellt dies nur die halbe Miete dar; zum Einstellen, Anpassen oder Auslesen des digitalen Ausgangssignals ist ein HART-Protokoll fähiges Gerät notwendig.
Wieso überhaupt noch kalibrieren?
Die modernen Transmitter werden als so intelligent und präzise angepriesen, dass das Bertriebspersonal leicht in die Versuchung kommt, zu behaupten, sie bräuchten überhaupt nicht mehr kalibriert zu werden, weil sie eben so „smart" sind. Weshalb also müssen sie trotzdem immer noch kalibriert werden? Zunächst, weil die Einführung eines digitalen Ausgangsprotokoll nichts mit der grundlegenden Notwendigkeit der Kalibrierung zu tun hat. Es gibt zahlreiche Gründe für ein anfängliches Kalibrieren und späteres Rekalibrieren.Die wichtigsten sind:
Selbst die besten Geräte und Sensoren driften mit der Zeit, besonders wenn sie unter harten Bedingungen eingesetzt werden.
Die Prozessnormen insbesondere von Qualitätssicherungs-, Sicherheits-, Umweltschutz- und Normerfüllungssystemen erfordern periodisches Kalibrieren.
▪ Wirtschaftliche Erwägungen - Präzise Messungen bringen direkte finanzielle Vorteile.
▪ Sicherheitserwägungen - Die Sicherheit von Personal, Kunden oder Patienten hängt auch von der Gerätegenauigkeit ab.
Kalibrierte Geräte tragen zu ununterbrochen hoher Produktqualität und optimaler Prozessgestaltung bei.
Schutz der Umwelt.
Die Lösung
Der neue Beamex MC6 ist ein Gerät, das einen kompletten Feld-Kommunikator mit einem extrem genauen Multifunktions-Prozesskalibrator vereint. Damit kann der Eingang eines Smart Transmitter erzeugt bzw. gemessen werden, während er gleichzeitig dessen digitales Ausgangssignal liest. Die ermittelten Messwerte werden automatisch im Speicher abgelegt und können an eine Kalibriersoftware weitergegeben werden.
Zur Konfiguration von Smart Transmittern verfügt der MC6 über einen vollständigen Kommunikator für die Protokolle HART, WirelessHART, Foundation Fieldbus H1 und Profibus PA. Die notwendige Elektronik ist bereits integriert, einschließlich Stromversorgung und notwendige Widerstände für die Protokolle.
Der MC6 kann sowohl als Kommunikator für die Konfiguration als auch als Kalibrator zum Kalibrieren intelligenter Instrumente eingesetzt werden. Er unterstützt alle Protokollbefehle, die gemäß der Gerätebeschreibungsdatei (DD´s) des Transmitters notwendig sind; ein zusätzlicher Kommunikator ist überflüssig.
Es befinden sich einige andere „smarte" Prozesskalibratoren auf dem Markt, die die diversen Protokolle nur begrenzt unterstützen. Oft beherrschen sie nur ein einziges Protokoll, zumeist HART, und bieten daher nur begrenzte Dienste. In der Praxis ist dann auf jeden Fall weiterhin ein zweiter Kommunikator nötig.
