HART
Digitale Daten huckepack auf der alten 4–20-mA-Stromschleife – ohne die bewährte Analogregelung anzutasten.
Das ist der Aufbau: ein Feldgerät und die Steuerung an einer Zweidraht-Leitung. Ein Handheld hängt zusätzlich an derselben Leitung.
In 30 Sekunden
HART (Highway Addressable Remote Transducer) ist ein Kommunikationsstandard für Sensoren und Stellgeräte in der Prozessindustrie. Der Trick: Auf die klassische analoge 4–20-mA-Stromschleife (bei der die Stromstärke den Messwert überträgt) wird zusätzlich ein leises digitales Signal aufmoduliert. So laufen zwei Kanäle über dieselben zwei Drähte – der analoge Wert für die Regelung und daneben digitale Daten für Diagnose, Konfiguration und Statusmeldungen. Weil HART die bestehende Verkabelung weiternutzt und rückwärtskompatibel ist, wurde es weltweit in Millionen Geräten verbaut und ist die mit Abstand am häufigsten installierte Feldbus-Technik der Prozessindustrie.
Stellen Sie sich ein Telefongespräch vor, bei dem im Hintergrund zusätzlich leise ein Faxton mitläuft. Das eigentliche Gespräch (der analoge Messwert) läuft ungestört weiter, während gleichzeitig – auf derselben Leitung – digitale Zusatzinformationen übertragen werden. Man braucht keine zweite Leitung; man nutzt die vorhandene doppelt.
Wo trifft man HART an?
Prozessindustrie (Chemie, Raffinerien, Pharma)
Der Kern-Anwendungsfall: Druck-, Temperatur-, Füllstand- und Durchfluss-Messumformer melden ihren Wert analog an die Leitwarte. Beispiel: Ein Druckmessumformer regelt über die 4–20-mA-Schleife den Prozess, liefert per HART aber zusätzlich seine Sensortemperatur und eine Warnung, wenn die Messzelle driftet.
Wartung und Diagnose (Asset Management)
Techniker lesen über HART den Gerätezustand aus, ohne in den Prozess einzugreifen. Beispiel: Statt ein Ventil zur Kontrolle stillzulegen, zeigt die Diagnose per HART, dass die Ventilreibung steigt – die Wartung wird geplant, bevor es zum Ausfall kommt.
Inbetriebnahme und Parametrierung
Messbereich, Einheiten und Dämpfung eines Geräts werden digital eingestellt, oft mit einem Handgerät direkt an der Leitung. Beispiel: Ein neuer Füllstandsensor wird per HART-Handterminal auf 0–5 Meter kalibriert, ohne den Schaltschrank zu öffnen.
Nachrüstung bestehender Anlagen
Alte Anlagen mit reiner 4–20-mA-Verkabelung werden ohne neue Kabel um digitale Diagnose erweitert. Beispiel: Eine 20 Jahre alte Raffinerie-Messstelle bekommt ein HART-fähiges Gerät und liefert plötzlich Zusatzdaten über dieselben zwei Drähte wie zuvor.
Sicherheitsgerichtete Anwendungen (Safety)
In Schutzeinrichtungen liefert der analoge Wert die schnelle Reaktion, während HART parallel prüft, ob das Gerät noch gesund ist. Beispiel: Ein Not-Abschalt-Kreis nutzt weiter das 4–20-mA-Signal, HART meldet aber im Hintergrund, ob die Selbstdiagnose des Messumformers Fehler findet.
Ferngelegene Messstellen per WirelessHART
Wo Kabelziehen zu teuer ist, überträgt WirelessHART die gleichen Daten per Funk-Mesh. Beispiel: Ein Temperaturfühler an einem weit abgelegenen Tank funkt seinen Wert über mehrere Zwischenstationen zurück zur Leitwarte.
Gut geeignet für
- Für das Nachrüsten digitaler Diagnose in bestehende Anlagen, weil HART die vorhandene 4–20-mA-Verkabelung weiternutzt und kein neues Kabel verlangt.
- Für Anwendungen, die den bewährten Analogwert für die Regelung behalten wollen, weil die 4–20-mA-Schleife unverändert weiterläuft und nur digital ergänzt wird.
- Für herstellerübergreifende Projekte, weil HART ein offener Standard ist und Geräte über standardisierte Beschreibungsdateien (EDD/FDI) einheitlich bedient werden.
- Für Wartung und vorausschauende Instandhaltung, weil Gerätestatus und weitere Prozessvariablen ausgelesen werden können, ohne den laufenden Prozess zu stören.
- Für abgelegene oder schwer verkabelbare Messstellen, weil mit WirelessHART dieselbe Datenwelt drahtlos als Funk-Mesh verfügbar ist.
Weniger geeignet für
- Für hohe digitale Datenraten, weil das aufmodulierte Signal mit rund 1200 bit/s sehr langsam ist; wer rein digital viel übertragen will, ist mit PROFIBUS PA oder Foundation Fieldbus besser bedient.
- Für schnelle, zyklische Digitalkommunikation vieler Werte, weil HART auf Frage-Antwort ausgelegt ist und pro Sekunde nur wenige Abfragen schafft; besser passen hier PROFIBUS PA oder Foundation Fieldbus.
- Für einfache Sensorik/Aktorik auf der Fabrikebene mit rein digitalem Anschluss, weil dort IO-Link günstiger und einfacher ist als eine analoge Stromschleife mit HART-Aufsatz.
- Für den Multidrop-Betrieb, wenn man den analogen Regelwert braucht, weil dort der Strom fest auf 4 mA steht und ausschliesslich digital gemessen wird – dann fehlt der schnelle Analogwert.
Fakten
- Highway Addressable Remote Transducer
- IEC 61158/61784; verwaltet von der FieldComm Group; WirelessHART als IEC 62591
- FSK-Modulation nach Bell 202 (1200 Hz und 2200 Hz) auf das 4–20-mA-Analogsignal aufgesetzt
- Bestehende Zweidraht-Stromschleife (4–20 mA); WirelessHART funkt im 2,4-GHz-Band
- 1200 bit/s
- Das FSK-Signal ist gleichstromfrei und verfälscht den analogen Messwert nicht – zwei Kanäle auf einer Leitung
- Punkt-zu-Punkt (analog + digital) oder Multidrop (mehrere Geräte digital, Strom fix auf 4 mA)
- Grösster installierter Bestand aller Feldbusse der Prozessindustrie; HART-Fähigkeit ist oft vorhanden, aber ungenutzt
Im Detail
Zwei Signale auf einem Draht
HART löst ein altes Problem elegant: Die 4–20-mA-Stromschleife ist seit Jahrzehnten der Industriestandard für analoge Messwerte – robust, einfach, überall verbaut. Sie kann aber nur eine einzige Zahl übertragen: den Messwert. HART legt zusätzlich ein digitales Signal darüber. Dieses wird als leichte Frequenzschwankung (Frequenzumtastung, FSK) aufmoduliert. Entscheidend ist, dass dieses Zusatzsignal keinen Gleichstromanteil hat: Über die Zeit gemittelt hebt es sich auf und verändert den analogen Mittelwert nicht. So bleibt der 4–20-mA-Wert für die Regelung exakt erhalten, während digital Daten fliessen.
Woher die Frequenzen kommen
Die verwendete Technik stammt vom Bell-202-Standard, ursprünglich aus der Telefon-Modemwelt. Zwei Töne kodieren die digitalen Bits: 1200 Hertz steht für eine Eins, 2200 Hertz für eine Null. Das ist mit rund 1200 bit pro Sekunde nach heutigen Massstäben sehr langsam – aber es genügt völlig, um Diagnosewerte, Konfiguration und Statusmeldungen zu übertragen, und es funktioniert zuverlässig auch über lange, alte Leitungen.
Der analoge Wert bleibt König
In der klassischen Betriebsart (Punkt-zu-Punkt) übernimmt der analoge 4–20-mA-Wert weiterhin die eigentliche Aufgabe: Er liefert schnell und ohne Umwege die Primärvariable an die Regelung. Digital kommen zusätzlich dazu: weitere Prozessvariablen (etwa die Sensortemperatur), Diagnosedaten, der Gerätestatus und die Möglichkeit, das Gerät aus der Ferne zu parametrieren. Genau diese Trennung macht HART so beliebt in kritischen Anlagen – die bewährte Analogregelung wird nicht angetastet.
Der riesige, oft ungenutzte Bestand
HART ist die mit Abstand am weitesten verbreitete Feldbus-Technik der Prozessindustrie. Ein grosser Teil der weltweit installierten Messumformer „kann HART“. In der Praxis wird diese Fähigkeit aber oft gar nicht genutzt: Die Geräte hängen an der 4–20-mA-Leitung, die digitalen Diagnosedaten werden aber nie ausgelesen. Für viele Betreiber liegt hier ein Schatz brach – die Zusatzinformationen für vorausschauende Wartung wären ohne neue Verkabelung sofort verfügbar.
Multidrop: mehr Geräte, aber ohne Analogwert
HART kennt auch einen Multidrop-Modus. Dabei hängen mehrere Geräte gemeinsam an einer Leitung und kommunizieren rein digital – jedes über eine eigene Adresse. Der Preis dafür: Der analoge Strom wird bei allen Geräten fest auf 4 mA gestellt und dient nur noch der Stromversorgung. Der schnelle Analogwert für die Regelung entfällt also. Multidrop spart Verkabelung, eignet sich aber nur, wo es auf schnelle Analogregelung nicht ankommt.
WirelessHART: dieselbe Datenwelt per Funk
Für Stellen, an denen Kabelziehen zu teuer oder unmöglich ist, gibt es WirelessHART (standardisiert als IEC 62591). Die Geräte funken im 2,4-GHz-Band und bilden ein selbstorganisierendes Mesh-Netz: Jedes Gerät kann Daten anderer Geräte weiterleiten, sodass sich das Netz zuverlässig um Hindernisse herum aufbaut. Die Datenwelt bleibt dabei dieselbe wie bei kabelgebundenem HART – nur der Übertragungsweg ist Funk statt Draht.
Wann etwas anderes passt
HART ist stark, wenn man Bestehendes ergänzen und den Analogwert behalten will. Wer dagegen von Grund auf eine rein digitale, schnelle Feldkommunikation aufbauen möchte, sollte Alternativen prüfen: PROFIBUS PA und Foundation Fieldbus sind auf durchgängig digitale Prozesskommunikation ausgelegt, IO-Link ist die einfache, günstige Wahl für Sensorik und Aktorik auf der Fabrikebene. HART ist bewusst der pragmatische Brückenschlag zwischen alter Analogwelt und digitaler Diagnose – nicht der schnellste rein digitale Bus.