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Entfernte Systeme flexibel anbinden

Funksysteme für die serielle Datenübertragung
Entfernte Systeme flexibel anbinden

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Lokale Automatisierungslösungen erhöhen die Prozesssicherheit, da die Steuerung im Fehlerfall schnell und gezielt verriegelt werden kann. Die Integration in ein bestehendes Visualisierungssystem scheitert häufig an den Kosten neuer Verkabelungen, mit denen die Installationen angebunden werden können. Oft ist ein direkter Zugang nicht möglich, da Anlagenteile durch Straßen, Flüsse oder Bahnlinien getrennt sind. Eine günstige Alternative sind Funksysteme – sie können nicht nur eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufbauen, sie ermöglichen eine großflächige Funkausleuchtung durch ein vermaschtes Netzwerk.

Dipl.-Ing. Andreas Senger

In einem sogenannten Mesh-Netzwerk besitzen die einzelnen Funkmodule eine Repeater-Funktion – Informationen anderer Teilnehmer im gleichen Funknetzwerk werden zum gemeinsamen Master weitergeleitet. Dazu muss eine Verbindung zu mindestens einem weiteren Funkmodul bestehen. Auch entfernte Punkte einer Anlage können so erreicht werden, und die Anlage kann weiträumig über eine Funk-Installation abgedeckt werden. Zusätzlich wird das Netzwerk flexibel erweiterbar, da der Funk-Master sich nicht mehr in direkter Funkreichweite befinden muss.
Wird ein Funknetzwerk so geplant, dass sich mehrere Funkmodule mit Repeater-Funktion innerhalb der Reichweite eines Funkmoduls befinden, kommt eine weitere Eigenschaft des Mesh-Netzwerks zum Tragen. Bei einem möglichen Ausfall einer Funkverbindung wird automatisch eine neue Verbindung zum Funk-Master über einen anderen Repeater gesucht, über den die Verbindung zum Master aufgebaut wird. Das Netzwerk heilt sich quasi selbst.
Diese Funktion sollte automatisch durch das betreffende Funkmodul wahrgenommen werden, damit sich die Kommunikation möglichst schnell wieder aufbaut. So erhöht sich auch die Verfügbarkeit der Anlage – ein wichtiger Punkt in der Prozessindustrie. Eine flexible und einfache Integration zusätzlicher Funkmodule ist dabei ebenso wichtig wie eine bedienerfreundliche Diagnose – direkt am Funkmodul oder über den Remote-Zugriff.
Anbindung autarker Steuerungen
Über ein Mesh-Netzwerk, das eine serielle Kommunikation zu den einzelnen Teilnehmern unterstützt, können auch Daten mit einer autarken Steuerung in einem weit entfernten Anlagenteil ausgetauscht werden. Sei es, um permanent Prozessdaten zum zentralen Leitstand zu übermitteln, oder um auf entsprechende Anforderung die gewünschten Informationen zur Verfügung zu stellen. Dabei wird beispielsweise eine RS485-Schnittstelle an der Remote-Steuerung genutzt und an die Funkmodule angeschlossen. Die Steuerungsfunktion erfolgt autark durch die Remote-Steuerung, und die notwendigen Informationen werden über die Funkschnittstelle der zentralen Steuerung oder Visualisierung zur Verfügung gestellt. Weil so das Datenvolumen auf der Funkschnittstelle reduziert wird, können Technologien eingesetzt werden, die eine größere Übertragungsdistanz bei geringerer Datenrate ermöglichen. Die maximale Reichweite steht im direkten Zusammenhang mit der Datenrate. Je größer das Verhältnis Sendeleistung zu Datenrate (Energie/Bit) ist, umso höhere Distanzen können überbrückt werden. Dieser Zusammenhang zeigt sich auch bei WLAN-Systemen, bei denen hohe Datenraten zu geringeren Reichweiten führen (siehe auch IEEE 802.11b/g).
Robuste Funkübertragung mit Frequenzsprung-Verfahren
Die marktgängigen Systeme zur Anbindung von Remote-Steuerungen unterscheiden sich hauptsächlich in der genutzten Übertragungsfrequenz und dem Übertragungsverfahren. In der Vergangenheit kamen zur Anbindung von entfernten Signalen oder Steuerungen vielfach Systeme zum Einsatz, die entweder nicht kontinuierlich senden konnten – wie beim Zeitschlitzverfahren – oder im lizenzfreien ISM-Frequenzband auf einer festen Frequenz die kontinuierliche Funkübertragung ermöglichen. Dabei waren oft nur geringe Datenraten möglich. Eine Übertragung auf einer festen Frequenz im ISM-Band (433/868 MHz) hat den Nachteil, dass die Frequenz gestört und damit eine sichere Funkverbindung auf dieser Frequenz nicht in jedem Fall ermöglicht werden kann.
Technologien, die das sogenannte Frequenzsprung-Verfahren (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum) einsetzen, sind hier im Vorteil. Bei diesem Verfahren wird die Übertragungsfrequenz nach einem festen Zeitmuster ständig geändert. Ist eine Frequenz gestört, so wird im nächsten Übertragungsschritt auf einer anderen Frequenz die Information sicher übertragen. Technologien, die FHSS einsetzen, sind zum Beispiel Bluetooth oder das speziell auf große Übertragungsdistanzen hin optimierte Trusted Wireless.
Zur Integration von Remote-Systemen bieten Systeme eine gute Alternative, die das Frequenzsprung-Verfahren im lizenzfreien ISM-Band mit 2,4 GHz nutzen und die Übertragung von mittleren Datenraten mit 250 kBit/s brutto ermöglichen. Dabei können Übertragungsdistanzen von mehreren Kilometern erreicht werden.
Da weltweit zahlreiche unterschiedliche Protokolle zum Einsatz kommen, muss die Funkübertragung Protokoll-transparent sein. In den Funksystemen werden die Daten ohne Eingriff in das Protokoll weitergeleitet. Damit sind die Funkmodule keine aktiven Teilnehmer im Bus-System, und sie benötigen somit keine eigene Bus-Adresse.
Transparente Übertragung im Mesh-Netzwerk
Die Produktfamilie RAD-Line Serial von Phoenix Contact bietet die erforderliche Flexibilität und Bedienerfreundlichkeit bei der Installation. Genutzt wird dabei die Funkübertragung über FHSS im lizenzfreien 2,4-GHz-ISM-Frequenzband. Damit wird eine robuste und störungsfreie Kommunikation erreicht.
Typischerweise können mit diesen Funkmodulen Distanzen von bis zu 2 km überbrückt werden. Bei einer möglichen Anzahl von 255 Teilnehmern im Mesh-Netzwerk kann somit eine Anlage großflächig „ausgeleuchtet“ und Informationen an die zentrale Steuerung weitergegeben werden. Gerade bei der Überwachung von ausgedehnten Prozess- oder Infrastruktur-Anlagen, wie in der Wasserversorgung oder bei der Überwachung von Firmengeländen, kann die Integration von Informationen aus der Anlage einfach und schnell durchgeführt werden.
Basierend auf einer transparenten seriellen Kommunikation können über die RS485-Schnittstelle busfähige Teilnehmer als Slaves angeschlossen werden. Dieses gilt für Remote-Steuerungen ebenso wie für die am häufigsten eingesetzten Bus-Systeme wie Modbus und Profibus als auch für herstellerspezifische RS485-basierte Bus-Systeme.
So wichtig wie die Überwachung der Prozessinformationen selber, ist auch die Diagnose der Funkstrecke. Gerade bei ausgedehnten Anlagen, in denen autarke Stromversorgungen wie Solarsysteme zum Einsatz kommen, ist eine Remote-Diagnose besonders interessant. Dabei sind nicht nur Informationen zur Qualität der Funkübertragung, sondern auch Angaben zur Höhe der Versorgungsspannung oder Umgebungstemperatur von Bedeutung.
Zusammen mit der robusten FHSS-Funkübertragung und der Selbstheilungs-Funktion im Mesh-Netzwerk steht hier eine Funk-Lösung zur Verfügung, die Signale in ausgedehnten Anlagen der Prozessindustrie flexibel erfassen kann.
cav 403

Direkte Einbindung in Modbus
Eine weitere Möglichkeit zur direkten Einbindung von E/A-Signalen in eine zentrale Steuerung bieten die seriellen Geräte vom Typ RAD-Line Data-BD-Bus, die Phoenix Contact auf der Hannover Messe 2008 vorgestellt hat. Sie können im Mesh-Netzwerk alternativ zur Anbindung von seriellen Schnittstellen auch direkt als Modbus-Slaves konfiguriert werden. Über einen integrierten Busfuß lassen sich Erweiterungsmodule für analoge und digitale Ein- und Ausgangsdaten mit dem Funkmodul verbinden. Die E/A-Daten stehen damit direkt im Modbus-Slave (Funkmodul) zur Weiterleitung an den Modbus-Master zur Verfügung. Da neben der Kommunikation vom Funkmodul zu den Erweiterungsmodulen auch die Versorgung dieser Module über den Busfuß erfolgt, wird der Aufwand für die Verdrahtung zusätzlich reduziert. Der kompakte Aufbau ist ein weiterer Vorteil dieser einfachen und sicheren Integration von Prozessinformationen in eine zentrale Steuerung.

Weitere Informationen zu Funk in der Prozessindustrie
13. Industrial Communication Congress
SPS/IPC/Drives 2008
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