Gesicherte Verbindung von Anfang an

Der Autor: Gerrit Lohmann Manager Product Group Remote Systems, Pepperl+Fuchs

Es beginnt bereits damit, dass WirelessHart im 2.4-GHz-Band arbeitet, das auch andere Funklösungen, wie zum Beispiel WLAN, benutzen. Daher ist es wichtig, bereits vor der Installation eines WirelessHart-Netzwerks zu überprüfen, ob bereits ein anderes 2.4-GHz-System installiert ist. WirelessHart passt sich zwar automatisch an die Gegebenheiten an und blendet Kanäle aus, die von anderen Systemen genutzt werden, aber besser ist auf jeden Fall ein geplantes Frequenzmanagement nach IEC 62657, bei dem durch gezieltes Blacklisting unterschiedlichen Systemen ganz bestimmte Frequenzen zugewiesen werden.

Ist die Koexistenz mit anderen Funknetzwerken geklärt, geht es darum, das WirelessHart-Netzwerk zu planen. Zunächst sollten die Sensoren dabei so geplant werden, wie sie für die jeweilige Messaufgabe notwendig sind. Hier gibt es keinen Unterschied zu konventionell verdrahteten Sensoren. Zu beachten ist jedoch, dass die Antennen der Sensoren mindestens 1,5 m über dem Boden, 0,5 m von vertikalen Flächen wie Wänden oder Schaltschränken und mindestens 0,5 m voneinander entfernt installiert werden. Danach ist eine Reichweitenabschätzung der einzelnen Geräte erforderlich. Unter idealen Bedingungen, also im freien Feld ohne Hindernisse, können WirelessHart-Geräte über Entfernungen von bis zu 250 m miteinander kommunizieren. Die Reichweite verringert sich jedoch mit dem Grad der Bebauung erheblich. So sinkt sie bei leicht bebautem Gelände wie bei einem Tanklager auf ca. 150 m, bei mittlerer Bebauungsdichte auf 75 m und im Extremfall in einer dicht gepackten Infrastruktur, wie sie oft innerhalb von Anlagen zu finden ist, auf 30 m. Eine Reichweitenabschätzung nach diesen Kriterien gibt erste Aufschlüsse darüber, ob sich die Sensoren gegenseitig empfangen können. Die oben genannten Richtwerte können extrem durch örtliche Besonderheiten beeinflusst werden. So kann zum Beispiel ein Sensor komplett vom Netzwerk abgeschnitten werden, da er durch einen Schaltschrank abgeschattet wird. Durch diese Positionierung ist die Verbindung unmöglich, auch wenn sich der nächste Sensor vielleicht nur einige Meter entfernt auf der anderen Seite des Schaltschrankes befindet.

Um ein ausfallsicheres WirelessHart-Netzwerk aufzubauen, sollte jeder Sensor mindestens zwei oder besser drei Nachbarn haben. Die Verbindung zu diesen Nachbarn sollte eine Empfangsschwelle von -70 dBm nicht unterschreiten. Sollte sich herausstellen, dass dies nicht der Fall ist, sind zusätzliche WirelessHart-Geräte als Repeater einzuplanen. Diese nehmen zwar keine primäre Messaufgabe wahr, ermöglichen aber eine zuverlässige Funktion der WirelessHart-Infrastruktur. Dabei kann man Repeater entweder zur Umgehung von Hindernissen nutzen oder aber strategisch eine Repeater-Ebene über der gesamten Infrastruktur vorsehen. Diese Repeater funken dann über dem dichten Teil der Anlage und stellen kurze Wege zu den eigentlichen Sensoren sicher. Die Platzierung des WirelessHart-Gateways sollte so gewählt werden, dass es mit mindestens 25 % aller Geräte im direkten Kontakt steht.

Nach den oben beschriebenen Regeln lässt sich bereits mit einfachen Mitteln ein funktionierendes WirelessHart-Netzwerk installieren. Für kleinere Testinstallationen oder temporär genutzte Netzwerke – zum Beispiel zu kurzzeitigen Messungen oder zur Prozessverbesserung – ist dieses Vorgehen meist völlig ausreichend. Bei Verbindungsproblemen reicht es in aller Regel aus, einfach einen zusätzlichen Repeater zu setzen, um eine einwandfreie Kommunikation zu erreichen. Sobald es jedoch um die permanente Installation einer komplexen Netzwerk-Infrastruktur geht, ist es effizienter, das gesamte Netzwerk vorab mit einem geeigneten Planungswerkzeug zu simulieren.

Pepperl+Fuchs wird Ende 2011 ein solches Simulationswerkzeug zur Planung von WirelessHart-Netzwerken einführen. Dabei kommt ein dreidimensionales Modell zum Einsatz, um die bestehende Umgebung realistisch nachzubilden. Die damit erzielbaren Ergebnisse berücksichtigen zwar nicht alle Einflussgrößen im vollen Umfang, doch die Unsicherheiten bewegen sich in einem geringen Rahmen.

Für eine solche Netzwerk-Simulation ist es zunächst erforderlich, die Umgebung zu modellieren. Das kann beispielsweise durch den Import bereits vorhandener zwei- oder dreidimensionaler CAD-Daten geschehen. Sollten solche Daten nicht vorliegen, muss die Anlage manuell modelliert werden, was jedoch je nach Struktur der Anlage und dem gewünschten Detaillierungsgrad einige Zeit in Anspruch nehmen kann. So ist beispielsweise ein Tanklager per Copy & Paste in weniger als einer Stunde modelliert. Dasselbe trifft auf eine reine Außenanlage zu, bei der lediglich die vorhandenen Gebäude zu modellieren sind. Geht es jedoch um eine Fabrikhalle mit Anlagenteilen in mehreren Stockwerken einschließlich Treppenhaus, benötigt selbst ein geübter Anwender meist mehrere Tage. Neben der reinen Geometrie der Umgebung muss jedem Anlagen- oder Gebäudeteil ein bestimmtes Material wie zum Beispiel Stein, Beton oder Stahl zugewiesen werden, das einer Bibliothek entnommen wird.

Im nächsten Schritt geht es um die geeignete Platzierung der Sensoren. Dabei ist aufgrund der Dreidimensionalität auch die Montagehöhe zu berücksichtigen. Am besten ist es, wenn man in dieser Phase den Sensoren gleich eine eindeutige Bezeichnung gibt, die auch im später installierten Netzwerk verwendet wird. Dadurch lässt sich von der Planung bis zur Installation ein eindeutiger Bezug herstellen, um beispielsweise die geplanten mit den tatsächlichen Verhältnissen zu vergleichen.

Um die Abstrahlcharakteristik der Antennen mit einzubeziehen, müssen die Sensoren im Planungstool genauso ausgerichtet werden, wie sie auch später montiert werden. Das Planungswerkzeug von Pepperl+Fuchs bietet dafür eine Bibliothek zur direkten Auswahl unter allen WirelessHart-Geräten dieses Unternehmens und einem generischen Gerät. Darin sind alle für eine realistische Simulation erforderlichen Parameter bereits vorkonfiguriert.

Nachdem die Abbildung des Szenarios in einem 3-D-Modell abgeschlossen ist, lässt sich das Netzwerk im Rechner simulieren. Dies geschieht mithilfe eines Prognosemodells, basierend auf einem Raytracing-Algorithmus, mit dem sich für das Frequenzband, in dem WirelessHart operiert, die besten Ergebnisse erzielen lassen. Das Tool berechnet die Empfangsfeldstärken der Funksignale jedes einzelnen Sensors an jedem Punkt im Umfeld des Netzwerks. Daraus lässt sich im nächsten Schritt ableiten, ob die Funkverbindung der Sensoren von ausreichend guter Qualität ist. Die Simulationsergebnisse wie die Empfangsfeldstärken der einzelnen Sensoren, die Summenfeldstärke aller Geräte des Funknetzwerkes sowie die sich ausbildenden Kommunikationspfade sind nun grafisch darstellbar. Dadurch ist mit einem Blick zu erkennen, welche Reichweiten die einzelnen Sensoren haben, wo Versorgungslücken sind, welchen Bereich das Funknetzwerk abdeckt und an welcher Stelle zusätzliche Repeater eingeplant werden müssen.

Halle 7A, Stand 338

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