Der einfachere Weg

Die Autoren: Dr. Andreas J. Rampe Product Manager Wireless Sensor Networks, Endress+Hauser Sarah Caruso Marketing Manager Fieldbus, Endress+Hauser

Die Wireless-Kommunikation bietet in der Prozessindustrie jede Menge Vorteile. Dies konnte in den letzten Jahren im Rahmen zahlreicher Anwendungen dokumentiert und nachgewiesen werden. Eine der häufig geäußerten Bedenken von Endanwendern, bevor sie eine Umsetzung in ihrer Anlage in Betracht ziehen, ist die Integration des führenden Mesh-Netzwerks WirelessHart in die drahtgebundenen Netzwerke der Fieldbus Foundation und von Profibus. Viele Endbenutzer wollen einfach nicht umfassende Wireless-Systeme in ihren Anlagen implementieren, solange es noch keinen klaren und einfachen Weg für die Integration von WirelessHart gibt. Die tatsächlichen Vorteile der Wireless-Technologie konnten so bisher nicht ausgeschöpft werden.

Die Fieldbus Foundation, die Hart Communication Foundation (HCF) und die Profibus Nutzerorganisation (PNO) haben sich diesem Dilemma angenommen und arbeiten mit vereinten Kräften an der Entwicklung eines Konzeptes für ein Gateway-Gerät. Mit der Architektur und den zugehörigen Spezifikationen können die Hersteller nun Gateways bereitstellen, die die bidirektionale Kommunikation eines WirelessHart-Mesh-Netzwerks mit einem Host über das HSE-Protokoll (High Speed Ethernet) der Fieldbus Foundation oder über die PNO-Protokolle Profibus oder Profinet ermöglichen. Dabei ist es angedacht, dass die Gateway-Konfigurationssoftware im Host-Automatisierungssystem integriert ist. Die Spezifikation deckt die folgenden drei, für die Integration erforderlichen Hauptfunktionen ab: Gateway-Konfiguration, Wireless-Sensor-Konfiguration und Betrieb.

Die Gateway-Konfiguration erfolgt, wie in solchen Fällen üblich, über die Software des Automatisierungssystems. Das I/O-Mapping der Wireless-Sensor-Parameter (Geräteadresse, Gerätekennzeichen, Prozessvariablen, Prozessalarme usw.) wird per Client-Server-Kommunikation über HSE, Profibus oder Profinet konfiguriert. Dazu gibt es die Gerätebeschreibungsdateien, die vom Gateway-Hersteller und vom Wireless-Sensor-Hersteller bereitgestellt werden. Da diese Dateien auch während des Betriebs benötigt werden, sind sie im Hostsystem gespeichert. Nachdem das Gateway konfiguriert wurde, können das Wireless-Netzwerk gestartet und die einzelnen Sensoren im Netzwerk konfiguriert werden. Die Konfiguration der Sensoren erfolgt wieder durch die Engineering-Software des Automatisierungssystems. Dazu stellt das Gateway einen direkten Kommunikationskanal zur Verfügung.

Sind Gateway und Wireless-Sensoren konfiguriert, kann der normale Systembetrieb aufgenommen werden. Dies bedeutet, dass die Wireless-Sensoren periodisch die Messwerte an das Gateway schicken und das Gateway diese Werte dann in einem lokalen Prozessdatencache speichert, auf den der Anwender vom Host aus zugreifen kann.

Viele Unternehmen haben sich für WirelessHart als den Standard für Wireless-Mesh-Netzwerke entschieden oder werden es noch tun, da diese Technik ihnen neue Möglichkeiten eröffnet. Ein Beispiel: Auf einer rotierenden Trommel für die Vakuumtrocknung sollen Temperatur und Druck regelmäßig gemessen werden. Mit der Druckmessung erkennt man rechtzeitig, ob Filter sich zusetzen. Die Temperatur dient zur direkten Kontrolle des Trocknungsverfahrens. Der Vorgang kann zum optimalen Zeitpunkt beendet werden, ohne dass der Prozess für eine zeitaufwendige Probenentnahme unterbrochen wird. Dies spart nebenbei auch Energie, da der Prozess nicht unnötig länger läuft. Dazu müssen die Werte in das System, in diesem Fall eine Steuerung, mit Profibus DP integriert werden. Die jetzige Implementierung zeigt dabei auch das enorme Verbesserungspotenzial der oben skizzierten Lösung. Momentan werden die Prozesswerte mittels eines Konverters von Modbus (TCP oder RTU) auf Profibus DP umgesetzt. Da dieser Konverter nicht transparent ist, ist aber an eine Konfiguration der verschiedenen Komponenten im Wireless-Netzwerk mittels des Automatisierungssystems nicht zu denken. Die Integration ist also nicht optimal. Die oben skizzierte Lösung wird dies dann deutlich verbessern, indem sie die gemeinsame Verwendung eines WirelessHart-Mesh-Netzwerks mit unterschiedlichen Host-Automatisierungssystemen ermöglicht, vorausgesetzt sie unterstützen die Kommunikation über HSE, Profibus oder Profinet.

Natürlich gibt es Konkurrenzdenken zwischen den einzelnen Netzwerkorganisationen. Die Endbenutzer profitieren davon, da so jede Organisation zu kontinuierlichen Verbesserungen angespornt wird. Allerdings führt das Konkurrenzdenken auch zu Kompatibilitätsproblemen – ein Nachteil für Endbenutzer. Fieldbus Foundation, HCF und PNO haben diese Probleme erkannt und arbeiten proaktiv an einer gemeinsamen Architektur sowie weiteren Initiativen, um diese Probleme zu lösen.

Endress+Hauser bietet mit dem WirelessHart-Adapter SWA70 eine Speziallösung an. Der Adapter ist eine Komponente, die direkt oder abgesetzt mit dem Feldgerät verbunden wird, d. h. jedes bestehende 4…20 mA-, Hart-fähige Feldgerät kann über WirelessHart kommunizieren. Die abgesetzte Montage erlaubt es, die beste Empfangsmöglichkeit in einer Anlage zu erreichen. Der WirelessHart-Adapter wird über eine Batterie versorgt. Diese kann auch das verbundene Feldgerät mitspeisen und eine externe Spannungsversorgung ersparen.

Die Schnittstelle zwischen Leitsystem und WirelessHart-Netzwerk ist das WirelessHart-Gateway. Es erhält die Messwerte und Diagnoseinformationen vom Netzwerk und leitet diese an das Leitsystem weiter. Durch den integrierten Netzwerkmanager steuert das WirelessHart-Gateway die vermaschten Verbindungen im Mesh-Netzwerk, verwaltet die Zugriffssicherheit und die Authentifizierung von bis zu 250 Messgeräten. Die Konfiguration erfolgt über FDT-Technologie oder Webinterface.

Halle 4A, Stand 235

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WirelessHart basiert auf dem IEEE-Standard 802.15.4, der als Grundlage für eine zuverlässige Funktechnik dient und einen erweiterten Standard von Hart darstellt. Im Jahr 2010 gab es bereits über 32 Millionen installierte Hart-fähige Geräte. Zur optimalen Nutzung der verfügbaren Tools und Software ist es nur sinnvoll, auf diesem installierten Bestand aufzubauen. So reduziert sich nicht nur der Schulungsaufwand für das Personal, bei bestehenden Anlagen und vorhandenen Hart-Geräten lässt sich eine WirelessHart-Lösung einfach ergänzen, ohne Austausch der Peripherie. Als Anwendungen kommen die Überwachung von wichtigen, aber bisher nicht durchgehend gemessenen Prozessvariablen in Betracht, da eine Anbindung mittels Kabel bisher unwirtschaftlich erschien, oder die Überwachung von Tank- und Siloinhalten an Orten, an denen die elektrische Infrastruktur nicht geschaffen wurde, um solch ein Supply-Chain-Management zu etablieren.

Die Übertragung der Messwerte erfolgt wie bei Bluetooth und WLAN im lizenzfreien 2,4-GHz-Band. Das Frequency-Hopping-Verfahren ermöglicht eine störfreie Kommunikation parallel zu diesen Funksystemen und umgeht dadurch mögliche Interferenzen. Redundante Übertragungswege, zeitversetzte Nachrichtenübermittlung und der beständige Wechsel der Kanäle sorgen dafür, dass alle Informationen verlässlich im Leitsystem ankommen. Die im Standard IEEE 802.15.4 definierte 128-Bit-AES-Verschlüsselung gilt als neuester Stand der Technik und garantiert dadurch absolute Datensicherheit. Zusätzlich sorgen verschiedene Schlüssel dafür, dass nur autorisierte Geräte auf das Netzwerk zugreifen können.