Drahtlos – grenzenlos kommunizieren

Der Autor: Kurt Polzer Business Developer Wireless Products for Process Automation, Siemens Industry Sector

Drahtlose Kommunikation kommt in der Automatisierungstechnik bereits seit geraumer Zeit zum Einsatz. Je nach Applikation werden unterschiedliche Technologien verwendet, und zwar in folgenden drei Kategorien:

In allen Kategorien sind bereits Produkte am Markt verfügbar – Siemens ist vor allem bei Industrial Wireless LAN (IWLAN) vertreten. Bild 1 zeigt eine typische Installation mit WirelessHart, IWLAN und Wireless Wide Area Networks.

In den heutigen Anlagen kommen in der Regel eine Fülle unterschiedlicher Kommunikationstypen und -protokolle zum Einsatz wie Ethernet, Industrial Ethernet/Profinet, Profibus, Foundation Fieldbus, 4 bis 20 mA und Hart. Störeinflüsse untereinander sind praktisch ausgeschlossen, da diese meist drahtgebunden arbeiten. Ganz anders stellt sich die Situation bei Wireless dar, da hier nur ein limitiertes Zeit- und Frequenzspektrum zur Verfügung steht. Das ISM-Band im 2,4-GHz-Bereich steht weltweit zur Verfügung und wird deshalb von IWLAN, WirelessHart, Bluetooth und anderen genutzt. Da IWLAN seit Langem in der Fertigungs- und Prozessautomation genutzt wird, war es bei der Standardisierung von WirelessHart ein absolutes Ziel, parallel zu IWLAN-Netzwerken eine stabile und sichere Kommunikation sicherzustellen. Die Koexistenz von IWLAN und WirelessHart wurde mittlerweile auch in der Praxis bestätigt.

WirelessHart wurde im September 2007 mit HART V7 freigegeben und ist seit April 2010 als IEC 62591 international standardisiert. Es setzt auf dem Standard IEEE 802.15.4 auf, der einerseits eine gute Performance hat und andererseits eine kostengünstige und energiesparende Realisierbarkeit bietet. Der Frequenzbereich liegt im ISM-Band mit 2,4 GHz.

WirelessHart hat sich mittlerweile für drahtlose Kommunikation auf der Feldebene in der Prozessautomatisierung durchgesetzt.

Die Applikationen mit WirelessHart lassen sich prinzipiell in zwei Kategorien einteilen. In der ersten geht es darum, Diagnosedaten und Funktionen von Feldgeräten mit Hart-Schnittstelle – auf die in über 90 % der installierten Systeme nur vor Ort und nicht vom Leitsystem aus zugegriffen werden kann – zentral ohne zusätzlichen Verkabelungsaufwand zur Verfügung zu stellen. Dies erfolgt mittels WirelessHart-Adaptern, die an die installierte Schleife (4 bis 20 mA) angeschlossen werden und den zentralen Zugriff auf alle Hart-Daten des Feldgeräts drahtlos und ohne sonstige Eingriffe in das vorhandene Leitsystem erlauben. Dadurch wird die Verfügbarkeit und die Transparenz der Anlage deutlich erhöht und gleichzeitig werden Kosten für die Wartung reduziert. Jeder rote Punkt in Bild 2 steht dabei für einen WirelessHart-Adapter, der an diese Schleife angeschlossen ist: Alle Hart- und damit Diagnosedaten des Geräts können fortan zentral und automatisiert ausgewertet werden.

In der zweiten Kategorie entfällt die 4 bis 20 mA-Leitung zum Leitsystem, da alle Daten wie Prozesswerte, Parameter, Diagnoseinformationen und Funktionen an das Leitsystem drahtlos angebunden werden. Dies kommt im Wesentlichen bei Umbaumaßnahmen und Erweiterungen bestehender Anlagen und natürlich bei Neuanlagen zum Tragen, aber auch bei temporären und mobilen Messungen. Bild 3 zeigt die gleichzeitige Nutzung drahtgebundener und drahtloser Kommunikation. Allerdings stellt sich hier die Frage, wofür die Messwerte genutzt werden. Waren nach dem Erscheinen des Standards die Applikationen weitestgehend auf Monitoring beschränkt, kommt WirelessHart mittlerweile auch in Steuer- und Regelalgorithmen zum Einsatz.

Bewährte Hart-Geräte können mit Adaptern zur drahtlosen Kommunikation ausgerüstet und erfolgreich eingesetzte Tools – z. B. Simatic PDM – weiter verwendet werden. Hinsichtlich Verfügbarkeit und Sicherheit hat WirelessHart einiges zu bieten. Die zugrunde liegende Architektur eines „meshed Networks“ (jedes Feldgerät ist gleichzeitig ein Repeater) mit redundanten Kommunikationspfaden, sich ständig ändernden Frequenzkanälen (Channel hopping), einer 128-Bit-Verschlüsselung in Verbindung mit Authentifizierung und Validierung eines jeden Datenpakets sind nur einige der angewandten Techniken.

Siemens hat Ende 2009 mit den Messumformern Sitrans P280 für Druckmessungen und Sitrans TF280 für Temperaturmessungen erste Geräte mit WirelessHart auf den Markt gebracht. Gleichzeitig wurde das Gateway IE/WSN-PA LINK freigegeben. Kurz darauf folgten der WirelessHart-Adapter Sitrans AW200 sowie diverse Produkte für die nahtlose Integration in das Prozessleitsystem Simatic PCS 7 sowie in Steuerungen vom Typ Simatic S7-300, S7-400 und ET200.

WLAN dringt immer schneller in Automatisierungslösungen ein. Der wesentliche Erfolgsfaktor ist die Definition der industriellen Ausprägung Industrial Wireless LAN (IWLAN) und die darauf aufsetzenden Produkte. Die wesentlichen Charakteristika von IWLAN sind Zuverlässigkeit und Deterministik, garantierter Datendurchsatz und Robustheit sowie Sicherheit (Security). Zuverlässigkeit und Deterministik sind notwendig, da in Abhängigkeit von der Automatisierungsaufgabe beim Steuern und Regeln von Prozessen sowohl ein deterministisches Verhalten (vorhersehbarer Datenverkehr) als auch die Unterstützung von Echtzeit (garantierte maximale Übertragungszeit) sichergestellt sein muss. Bei beweglichen Anlagenteilen wird eine schnelle und unterbrechungsfreie Übergabe der Funksignale zwischen Access Points benötigt. Dies wird über das WLAN-Zugriffsverfahren iPCF-MC (Industrial Point Coordination Function mit Management Channel), auch „Rapid Roaming“ genannt, erreicht.

Ein wichtiges Kriterium bei Echtzeit-Applikationen ist nicht vordringlich die größtmögliche Datenrate, sondern der garantierte Datendurchsatz innerhalb eines fest vorgegebenen Zeitraums und dies unter allen Umständen. Unter Robustheit versteht man z. B. erhöhte Umweltanforderungen wie beispielsweise UV-Beständigkeit und Umgebungstemperaturen von -40 bis 70 °C, aber auch redundante Stromversorgung sowie ein einfacher Tausch der Geräte mithilfe von Speichermodulen, die die Konfiguration beinhalten (C-Plug). Auch die Einsetzbarkeit im explosionsgefährdeten Bereich der Ex-Zone 2 ist ein wichtiges Feature für echte Industrial Wireless LAN Access Points und Clients, um beispielsweise aus kritischen Umgebungen Prozessdaten an zentrale Überwachungsstationen ohne aufwendige Kabelverlegung übertragen zu können.

Sicherheit (security) wird durch die Verfügbarkeit von standardisierten Verschlüsselungsverfahren und Zugriffschutz gewährleistet.

Die Produktfamilie Scalance W umfasst Access Points, Clients und besonderes Zubehör für industrielle Applikationen. Ein Novum ist das Mobile Panel 277 F IWLAN, das zusammen mit dem Outdoor Access Point Scalance W786-RR mit Rapid-Roaming „wireless safety“ realisieren kann. So können beispielsweise Applikationen mit Not-Aus jetzt auch drahtlos realisiert werden. Das bedeutet, dass IWLAN zuverlässig und robust ist. Die ET200pro IWLAN fügt sich in diese IWLAN-Safety-Lösung ein.

In weit verteilten Anlagen wird oftmals Fernwirken, Fernmelden oder Fernwarten gefordert. Der Zugriff auf Daten und Funktionen erfolgt über drahtgebundene und zunehmend auch über drahtlose Wide Area Networks (WAN). Hierfür bietet Siemens hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Preis unterschiedliche Systeme an. Bei TeleControl Basic handelt es sich um ein einfaches Telecontrolsystem zum Überwachen und Steuern von dezentralen Anlagen über Mobilfunkkommunikation (z. B. GPRS). Basis ist dabei Simatic S7-1200 mit dem Kommunikationsprozessor CP1242-7 sowie Scada-Clients wie z. B. Simatic WinCC, die über OPC eingebunden werden.

Das deutlich leistungsfähigere und vielseitigere System TeleControl Professional ist für die vollautomatische Überwachung und Steuerung von dezentralen Prozessstationen, die über verschiedene WAN Mediendaten untereinander und mit einer oder mehreren Leitzentralen austauschen, optimiert. Es basiert auf Simatic S7-300 und S7-400 mit Kommunikationsbaugruppen TIM (Telecontrol Interface Modul) und Simatic WinCC oder auch Simatic PCS 7 mit dem Add-on Telecontrol.

Beide Systeme können in einer Anlage miteinander kombiniert werden: Die Zusammenführung erfolgt in der Leitzentrale. Simatic PCS 7 Telecontrol führt die Automatisierung zentraler Anlagen und die Überwachung dezentral verteilter Prozessbereiche in einem Leitstand zusammen. Gemeinsame Bedienerführung, ein einfaches Datenmanagement sowie ein durchgängiges Engineering sind dabei die Hauptvorteile. Auch hier werden sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Wide Area Networks unterstützt.

Der zunehmende Erfolg der drahtlosen Kommunikation besteht in der Einfachheit des Engineerings und der Inbetriebnahme, in der Flexibilität, aber auch in der Aktualität der Daten bei gleichzeitig niedrigen Betriebskosten durch volumenbasierte und ständig sinkende Tarife. Bild 5 zeigt die typische Architektur einer Lösung basierend auf TeleControl Basic, in der GPRS für die Anbindung von Sensorik an die zentrale Leitstelle genutzt wird.

Halle 2, Stand 201

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