Kabellose Datenübertragung im Ex-Bereich

Ulrich Hönninger

Unter einem Wireless Local Area Network (WLAN) versteht man in der Informationstechnik die drahtlose Erweiterung eines traditionellen, lokalen Ethernetnetzwerks. WLAN wird nicht nur in den klassischen Anwendungsbereichen Büro, Produktion, Logistik oder Gesundheitswesen, sondern auch im privaten Sektor immer verbreiteter. Dahinter steht der ständig steigende Grad an Mobilität der User von Laptops und PDA´s.

Verschiedene Funkstandards, nach IEEE 802.11 standardisiert, funken grundsätzlich auf zwei verschieden Frequenzen: Sendeleistungen von 100 bis 500 mW im 2,4 GHz-Bereich und von 30 bis 1000 mW im 5 GHz-Bereich erlauben Reichweiten von 10 bis 70 m in Gebäuden und 30 bis 300 m im Freien. Ein WLAN besteht aus mindestens einem oder mehreren Access Points, die miteinander über Ethernet verbunden sind und dem Nutzer mit einem mobilen Gerät erlauben, sich frei zu bewegen. Der verfügbare Datendurchsatz ist abhängig von der Entfernung zum Access Point. Je weiter weg sich der Nutzer vom Access Point aufhält, um so mehr regelt das System herunter, da dann die Bandbreite gebraucht wird, um die Störmeldungen zu übertragen und die Daten erneut zu senden.

Die einzelnen Varianten und Erweiterungen des WLAN-Standards basieren auf verschiedenen physikalischen Übertragungsverfahren. Sie nutzen unterschiedliche Frequenzbereiche und unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Datenraten. Der Datendurchsatz netto eines WLAN beträgt jedoch nur ca. 50 % der Bruttodatenrate.

Die erste Version des WLAN-Standards durch das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) wurde 1997 unter der Nummer 802.11 verabschiedet und erlaubt Datentransferraten von 1 und 2 Mbit/s. Im Jahr 1999 folgte die Erweiterung 802.11b, die ab dann Datenübertragungsraten bis 11 Mbit/s im lizenzfreien 2,4–GHz-ISM-Band ermöglichte. Netto erreicht er eine Übertragungsrate von 5,5 Mbit/s. Im Markt befinden sich heute unzählige Produkte nach diesem Standard. Er ist zur Zeit der erfolgreichste Wireless-LAN-Standard.

Im Jahr 1999 wurde auch der im 5-GHz-Band arbeitende Standard IEEE 802.11a verabschiedet. Dieser Frequenzbereich ist exklusiv für den WLAN-Bereich reserviert, dadurch treten keine Störungen auf. Jedoch verwenden auch das Militär und die Flugsicherung diesen Bereich. Daher kann er in Europa nur eingeschränkt genutzt werden. Konkret heißt das, er ist nur in Gebäuden zugelassen und nur mit einer gedrosselten Sendeleistung. Die Reichweite liegt aufgrund des höheren Frequenzbereichs und der niedrigen Sendeleistung bei nur 15 bis 25 m. Es werden Bruttodatenraten von 54 Mbit/s aufgrund des OFDM-Modulierungsverfahrens erreicht. Dieser Standard ist zur Zeit noch nicht verbreitet und es gibt auch noch keine Geräte für den Ex-Bereich.

Der in 2003 eingeführte WLAN-Standard hat das OFDM-Verfahren der 802.11a in das 2,4-GHz-Band übernommen. Da der 802.11g-Standard abwärtskompatibel zum älteren IEEE-802.11b-Standard ist, hat sich der neue Standard sehr schnell verbreitet und wird in den nächsten Jahren vermutlich den populären Standard IEEE 802.11b ablösen. Eine Datentransferrate von 54 Mbit/s wird erreicht, jedoch die Anzahl der benötigten Antennen ist relativ hoch, damit voller Durchsatz gewährleistet werden kann.

Der zukünftige Standard IEEE 802.11h funkt im 5-GHz-Bereich. Er ergänzt den IEEE 802.11a um Dynamic Frequency Selection (DFS) und Transmit Power Control (TPC). Dies ermöglicht höhere Sendeleistungen von bis zu 1000 mW und Reichweiten von 30 bis 70 m bei einer Datendurchsatzrate von 54 Mbit/s.

Die Arbeitsgruppe für WLAN-Sicherheitsstandards hat im Jahr 2004 den IEEE-802.11i-Standard verabschiedet. Bereits von 2002 an gab es mit WPA (WiFi Protected Access) übergangsweise einen Standard, der als sicher galt und die wichtigsten Sicherheitslücken von WEP schloss. WPA bietet gegenüber WEP besseren Schutz durch dynamische Schlüssel, die auf dem Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) basieren und abwärtskompatibel sind. Weiterhin wird durch die Nutzer-Authentifizierung mittels Pre-Shared-Keys (PSK) oder Extensible Authentication Protocol (EAP) die Sicherheit erhöht. Der IEEE 802.11i ist bereits in allen neueren WLAN-Produkten integriert. Darüber hinaus ermöglicht 802.11i die Verwendung des Advanced Encryption Standards (AES) zur Verschlüsselung der Daten. Derzeit ist er nur sehr selten verfügbar, Tendenz allerdings stark steigend. Momentan sind proprietäre Verschlüsselungen noch weit verbreitet und das führt zu Kompatibilitätsproblemen.

Der Funkstandard 802.11e ist im Moment kurz vor der Verabschiedung. Er spezifiziert einen erweiterten Kanalzugriff, der eine Priorisierung verschiedener Verkehrsklassen und eine durch den Access Point gesteuerte Kanalvergabe erlaubt.

Seit dem September 2003 arbeitet die „Task Group n“ unter dem Titel „Enhancements for higher effective Throughput“. Ziel ist eine Optimierung und Erweiterung von IEEE 802.11, die dem Nutzer eine Leistung von mindestens 100 Mbit/s Nettodatendurchsatzrate bietet. Mit einer Verabschiedung des Standards ist wahrscheinlich nicht vor Ende 2006 zu rechnen.

Die Funkwellen, über die in einem WLAN kommuniziert wird, sind stets ein Shared Medium. Eine Nachricht wird von allen Stationen innerhalb eines Gebietes empfangen. Die geographischen Grenzen dieses Gebietes sind zwar beschränkt, jedoch durch die Eigenschaft der Ausbreitung von Funkwellen nicht exakt beschreibbar. Eine Datenübertragung über Funk muss daher stets durch eine geeignete Kombination von Mechanismen zur Authentifizierung, Verschlüsselung und Integritätsprüfung abgesichert werden.

Waren anfangs die Betreiber von Ex-Anlagen noch skeptisch, mit WLAN-Technologie zu arbeiten, und fanden sie sich vor ein paar Jahren auch darin bestätigt, dass sich kaum Hardware-Komponenten auf dem Markt befanden, ist dieser Knoten heute ganz klar geplatzt. Dies zeigt sich an der Nachfrage nach explosionsgeschützten tragbaren Computern, die im Jahr 2005 sehr stark gestiegen ist. Für den Ex-Bereich kommen aus Kostengesichtspunkten nur die Funkstandards a, b, g, i sinnvoll infrage.

In einem Gebäude oder einer Freifläche muss zuerst eine Funkmessung durchgeführt werden, bei der festgelegt wird, wo ein Access Point angebracht wird. Kriterien hierbei sind die Funkausbreitung, die örtlichen Gegebenheiten und die Verkabelungsmöglichkeiten. Bei der Durchführung der Funkmessung ist darauf zu achten, dass die Messungen mit dem Gerät gemacht werden, das später auch zum Einsatz kommt. Ist der Bereich als Ex-Zone 1 eingeteilt, gilt es weitere Dinge zu beachten. Für die Messung muss mit explosionsgeschütztem Equipment gearbeitet werden oder es ist ein so genannter Feuerschein vorhanden, der besagt, dass zu der angegebenen Zeit keine explosive Atmosphäre vorherrscht. Dies wird dann zusätzlich mit einem Gaswarngerät abgesichert.

Die Anzahl und die Montageorte der Access Points, die erforderlich sind, um einen definierten Bereich mit Funk abzudecken, müssen in der Funkmessung vor Ort ermittelt werden. Dabei gilt als Grundlage der benötigte Datendurchsatz und die Anzahl der Clients. Im Ex-Bereich ist die geforderte Datentransferrate dabei wesentlich geringer als im Büroumfeld, da meist nur Barcodedaten, Lagerorte oder Rezepte übertragen werden und keine Powerpoint-Präsentationen von vielen Megabyte Größe.

Der Access Point selbst wird in ein explosionsgeschütztes druckfestes Gehäuse aus Metall eingebaut, das mit einem Glasdeckel ausgestattet ist. Hinter diesem Deckel werden zwei Flachantennen angebracht. Aufgrund der Dämpfung durch die Scheibe und das Metallgehäuse wird jedoch die Funkcharakteristik verändert. Alternativ können Ex-zugelassene externe Antennen an den Access Point angeschlossen werden. Diese haben eine höhere Leistung, schlagen sich aber in den Kosten nieder. Ein explosionsgeschützter Access Point ist rund drei bis fünf Mal so teuer wie ein Industriegerät.

Neben Funken, Flammen oder hohen Oberflächentemperaturen zählen auch elektromagnetische Wellen als Zündquellen für explosive Atmosphären und müssen daher bestimmte Basisgrenzwerte einhalten. Da es noch keine internationale Bestimmung dieser Grenzwerte gibt, ist auf nationale Normen zurückzugreifen. Zündgrenzwerte am Empfangsgebilde für kontinuierliche Hochfrequenzquellen und deren zulässigen Grenzwerte beschreibt die DIN EN 50014. Hierbei liegt der Zündgrenzwert der Wirkleistung Pzg für die explosiven Gase der Gasgruppe IIA bei 6 W und für IIB bei 4 W, gemittelt über 100 µs, und für IIC bei 2 W, gemittelt über 20 µs. Die Mittelung hat sich über die Zeitspannen der angegebenen Zündinduktionszeiten zu erstrecken, wodurch sich eine entsprechende Glättung der Leistungskurve ergibt.

Eine häufige Anwendung in der Zone 1 ist der Einsatz von Datenterminals in Lagern, wo ständig Waren aus und eingelagert werden. Die Datenterminals dienen hier in Verbindung mit einem Barcodescanner zum Steuern des Materialflusses.

Datenterminals werden häufig auch in der Produktion zur Erfassung und Verfolgung eines Produktes sowie zur Rezepturverwaltung benutzt. Durch WLAN können nicht nur Daten an das System gemeldet und verifiziert, sondern auch prozessrelevante Daten auf das Datenterminal übertragen werden, z. B. Mischverhältnisse, Temperaturen, Geräte-informationen usw.

In Produktionsanlagen besteht die Notwendigkeit regelmäßiger Wartungs- und Servicearbeiten. Diese werden behördlich oder technisch gefordert und müssen in turnusmäßigen Abständen durchgeführt und dokumentiert werden. Das seit Januar 2006 verbindlich erforderliche Ex-Schutzdokument sieht diese wiederkehrenden Prüfungen detailliert vor. Hier kann mit mobilen Geräten die Dokumentation sofort vom Bediener vor Ort erstellt werden.

Die Anbindung an das SAP-R/3-System stellt derzeit eine der häufigsten Anwendungen dar. Die Anbindung an die Datenterminals wird häufig mit einer Emulationssoftware realisiert. Dies bietet dem Nutzer die Möglichkeit, direkt auf dem ERP-System online zu arbeiten. Ein mobiler Nutzer kann auch an ein Prozessleittechniksystem angebunden sein und dann auf seinem mobilen PDA´s z. B. Alarmwerte angezeigt bekommen.

An Abfüllstationen oder an Batchanlagen zur Produktion von Feinchemikalien oder Pharmawirkstoffen werden fest stehende Bedienstationen zur Prozesssteuerung eingesetzt. Hier soll dem Bediener die gleiche Benutzeroberfläche wie in der Schaltwarte zur Verfügung gestellt werden. Diese Stationen können ebenfalls in ein WLAN eingebunden werden, um die Kosten der Verkabelung einzusparen. Sind diese Bedienstationen mobil auf einem Wagen installiert, bietet sich die Anbindung per WLAN erst recht an, da Stecktechnik im Ex-Bereich teuer ist und das Kabelhandling sehr umständlich und gefährlich.

Die nächsten Generationen von WLAN-Datenfunkterminals werden folgende drei Funkstandards gleichzeitig bedienen: IEEE 802.11a, b, g. Da im Consumer-Bereich der g-Standard bereits am stärksten vertreten ist, ist anzunehmen, dass der g-Standard mit den nächsten Generationen auch im Ex-Bereich Einzug halten wird. Dies stellt aufgrund der Kompatibilität zu dem b-Standard kein Problem für existierende Anlagen dar. Der a-Standard ist aufgrund seiner geringen Verbreitung derzeit noch uninteressant.

Achema, Halle 10.2, Stand F19

Hannover Messe, Halle 7, Stand B30

cav 490

Bartec bietet zahlreiche WLAN-Produkte für den Ex-Bereich an, vom leistungsstarken Mobile Computer bis hin zum Ex-geschützten Bedienterminal Polaris.

Der Mobile Computer der MC 9060ex-Serie ist durch die Ausführung in der Zündschutzart Eigensicherheit und Sandkapselung direkt im Ex-Bereich der Zone 1 einsetzbar. Er stellt eine kompakte Einheit für die anspruchsvolle Datenerfassung (Barcodeerfassung) im Feld dar. Dank des komfortabel platzierten Scan-Auslösers und des ergonomischen Designs, ist die Bedienung mit nur einer Hand möglich. Durch die Ausführung mit integriertem WLAN ist ein Real-Time-Datenaustausch mit dem Host-System möglich. Der MC 9060ex ist ein leistungsfähiger Hand-held Mobile Computer, der die Vorzüge der Microsoft-Pocket-PC-Plattform und die Stärken des Intel-XScale-PXA255-Prozessor mit 400 MHz vereint. Er bietet ein gut lesbares VGA-Color-Display mit ansprechender Touchscreen-Technologie. Die MC9060ex-Serie arbeitet mit 11 Mbps und entspricht dem IEEE 802.11b (Direct sequence)-Funkstandard.

Auch das Ex-geschützte Bedienpanel Polaris ist in einer Wireless-Variante erhältlich. Dadurch wird der gewohnte PC-Komfort auch im Ex-Bereich ermöglicht. Alle Polaris-Geräte wurden entwickelt für den Einsatz in der Zone 1 und 2 sowie 21 und 22. Die TFT-Colour-Grafikdisplays stehen mit WLAN in 2 verschiedenen Größen zur Auswahl. Mit den 15“- und 19“-Geräten lassen sich komplexe Anlagen wie Pharmawirkstoffproduktionen steuern und bedienen. Alle Geräte sind zugelassen nach Atex II 2G EEx qe ib IIC T4 und für den Einsatz im StaubEx-Bereich: Atex II 2D tD A21 T80°C IP6X. Der Fronttafeleinbau ermöglicht eine einfache Montage. Auf Wunsch sind die Geräte auch als Systemlösung im Edelstahlgehäuse für Wand-, Boden- oder Deckenmontage erhältlich. Die Panel-PCs sind serienmäßig mit Windows XP Embedded vorinstalliert und sorgen softwareseitig für Offenheit, beispielsweise für Standard-Visualisierungssoftware.

Darüber hinaus bietet Bartec Ex-geschützte Access Points mit internen oder externen Antennen für die Wireless-Kommunikation. Jeder marktübliche Access Point lässt sich für den Ex-Bereich tauglich machen. Dazu wird der Access Point in ein druckfest gekapseltes Gehäuse II 2G EEx d IIC T6 für die Ex-Zone 1 eingebaut. Es stehen dann zwei Antennentechniken – intern oder extern – zur Verfügung. Im ersten Fall werden Flachantennen hinter einer Glasscheibe angebracht, im zweiten Fall kommen explosionsgeschützte Antennen zum Einsatz, deren Abstrahlcharakteristik eine maximale Funkausbreitung bietet.

Die Access Points können entweder mit Kupferkabel oder mit LWL angeschlossen werden. Sollen die Access Points mit Power over Ethernet (PoE) mit Strom versorgt werden, muss zuvor die Umsetzung von LWL auf Kupfer erfolgen und entsprechend Spannung eingespeist werden. Diese Komponenten finden dann ebenfalls Platz im EEx d–Gehäuse.

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Interkama 2006