Funktechnologie nimmt Fahrt auf

Gerrit Lohmann, Xenia Meyer

Kabellose Kommunikation für die Prozessautomation wird schon seit langem angekündigt. Nachdem sehr früh proprietäre Systeme installiert wurden, kam schnell die Forderung nach einem Standard. Auch die Namur hat sich mit diesem Thema frühzeitig beschäftigt und Anfang 2009 die Empfehlung NE124 veröffentlicht, in der sie ihre Anforderungen an kabellose Kommunikation in der Prozessindustrie festschreibt. WirelessHart wurde als erster Funkstandard für die Prozessautomation vorgestellt – frei verfügbare Produkte gab es allerdings bisher noch nicht und das aus guten Gründen. Ein ganz zentraler Grund ist die Realisierung der Interoperabilität verschiedener WirelessHart-Geräte. Ziel ist, im Bedarfsfall Geräte mehrerer Hersteller zu kombinieren und nicht von einem einzigen Hersteller abhängig zu sein. Aus diesem Grund müssen WirelessHart-Geräte zueinander kompatibel ausgelegt sein.

Die Erfahrung, wie wichtig Kompatibilität ist, wurde schmerzhaft bei der Einführung der Feldbusse gemacht. Nicht-kompatible Feldbus-Komponenten führten damals zu instabilen oder gar nicht funktionierenden Bussystemen. Bei kabelgebundenen Kommunikationssystemen kann jedoch mittels Diagnosetools jedes einzelne Protokollpaket verfolgt werden, sodass Fehler durch Beobachten der Busaktivitäten auf dem Kabel erkannt und diagnostiziert werden. Bei kabellosen Systemen ist dies aufwendiger, da der Kommunikationsweg nicht mit herkömmlichen Messwerkzeugen verfolgbar ist. Diese Systeme müssen einwandfrei funktionieren, bevor die Produkte vermarktet werden können, sodass sie beim Kunden zuverlässig arbeiten.

Um dies für WirelessHart sicherzustellen, hat die Hart Communication Foundation (HCF) zusammen mit der Namur und der BASF sowie mit den führenden Herstellern von WirelessHart-Produkten, darunter auch Pepperl+Fuchs, einen Feldtest durchgeführt. Hierbei hat die Namur mithilfe der BASF die Brauchbarkeit von WirelessHart im Hinblick auf die Empfehlung NE124 geprüft. Die Hersteller und die HCF haben diese Gelegenheit genutzt, den Reifegrad der Spezifikation und den darauf aufbauenden Entwicklungen zu prüfen. Pepperl+Fuchs hat sich an dem Feldtest mit dem WirelessHart-Gateway und dem WirelessHart-Temperaturmessumformer beteiligt. Der von Pepperl+Fuchs ebenfalls angebotene WirelessHart-Adapter wurde vom Kooperationspartner Endress+Hauser bereitgestellt.

Das Ergebnis des Feldtests offenbarte dabei positive, aber auch noch offene und verbesserungsfähige Punkte: Positiv fiel die Robustheit der Funkkommunikation auf. Auch im harschen Umfeld funktionierte die Kommunikation gut. Die von Pepperl+Fuchs beigesteuerten Temperaturmessumformer haben trotz der integrierten Antenne, bei der man frequenztechnisch zunächst Nachteile vermuten sollte, ebenfalls gut funktioniert. WirelessHart basiert auf dem selbstheilenden Mesh-Netzwerk, das im weltweiten Standard IEEE802.15.4 definiert ist. Vor allem die Realisierung, wie zuverlässig Nachrichten geroutet werden, macht diese Technologie für die Prozessautomation so interessant.

Ein weiteres positives Urteil fiel für die Sicherheitsmechanismen von WirelessHart. Die 128-Bit-AES-Verschlüsselung im CCM-Mode kann nicht abgeschaltet werden. Selbst bei hartnäckigen Versuchen kann der Schlüssel nicht geknackt und die Kommunikation nicht abgehört werden. Darüber hinaus wird der Schlüssel in regelmäßigen Intervallen ausgetauscht, was die Abhörversuche weiterhin erschwert. Hacking-Angriffe, wie man sie bei WLAN-Netzwerken kennt, sind von vornherein ausgeschlossen, da der MAC-Layer nicht dem von WLAN entspricht und entsprechende Nachrichten erst gar nicht annimmt. Eine Firewall ist also nicht notwendig.

Aber wo Licht ist, ist auch Schatten: Leider ist die Integration von WirelessHart in die Leitsysteme auf dem gleichen Stand wie bei den Feldbussen. Bisher sind die Tools DTM (Device Type Manager) und DD (Device Description) nicht vereinheitlicht. Auch gibt es unterschiedliche DD-Versionen, die nicht auf allen Host-Systemen laufen. Resultat ist, dass eine Vielzahl verschiedener Software-Versionen – sowohl DD als auch Host-Systemen – verwaltet werden müssen. Erschwerend kommt hinzu, dass nicht alle Kombinationen möglich sind. Das Thema wird gerade von der HCF mit Hochdruck angegangen, um eine Qualifizierung und damit eine Vereinheitlichung der Host-Systeme herbeizuführen. Das Ziel ist, dass jede DD in allen qualifizierten Host-Systemen reibungslos läuft.

Ein weiterer Kritikpunkt bezieht sich auf die Vielzahl der unterschiedlichen Batterien: Jeder Hersteller hat eigene Batteriepacks entwickelt, die jeweils für deren Feldgeräte optimiert sind. Technisch sicherlich begründet, aber keineswegs bedienerfreundlich. Diese Batterievielfalt erschwert das Handling, die Lagerhaltung und die Wartung für die Anlagenbetreiber. Aus diesem Grund hat auch hierzu die Namur eine Initiative gestartet, die in einer einheitlichen Batterie münden soll. Pepperl+Fuchs hat dieses schon zu Beginn der Entwicklung gesehen und verwendet daher im Temperaturmessumformer eine Batterie im handelsüblichen Format einer D-Zelle, die auch in Zone 1 gewechselt werden kann.

Zur Netzwerkdiagnose – also, um festzustellen, ob das WirelessHart-Netzwerk gut funktioniert und falls nicht, wo es klemmt – hat die BASF vereinheitlichte Key-Performance-Indikatoren (KPIs) vorgeschlagen. Wichtig für die Nutzer sind wenige Indikatoren, die über den Zustand des Netzwerkes auch ohne tiefergehendes Wissen und ohne umfangreiche Statistiken eine Diagnose, oder zumindest die Feststellung einer Fehlfunktion, ermöglichen. Pepperl+Fuchs wird diese KPIs so bald wie möglich in die Geräte integrieren.

Von Pepperl+Fuchs stehen drei WirelessHart-Produkte zur Verfügung, um eine kabellose Kommunikationsstruktur zu realisieren: Das WirelessHart-Gateway ist die zentrale Komponente und managt das Netzwerk. Zudem bildet es die Schnittstelle zwischen dem drahtlosen Netzwerk und verschiedenen verdrahteten Bussystemen. Auf der Feldgeräteseite kommen der WirelessHart-Temperaturmessumformer zur lokalen Temperaturmessung und der WirelessHart-Adapter zum Aufrüsten jedes beliebigen 4…20-mA- oder Hart-fähigen Feldgeräts zum Einsatz. Bis alle Hosts kompatibel sind, werden alle notwendigen DD- und DTM-Versionen von Pepperl+Fuchs unterstützt, um die WirelessHart-Geräte in die gängigen Leitsysteme reibungslos einzubinden.

Online-Info www.cav.de/1010515