Mehrere Kilometer ohne Kabel überbrücken

Der Autor: Jörg Brasas Produktmarketing Wireless, Phoenix Contact Electronics

Funktechnologie nimmt mittlerweile einen festen Platz in allen Bereichen des Lebens ein. Im privaten wie auch industriellen Umfeld reduziert die drahtlose Datenübertragung den Installationsaufwand. Entlegene oder schwer zugängliche Teilnehmer können per Funk einfach in das Netzwerk eingebunden werden. Aufgrund der technischen und wirtschaftlichen Vorteile bietet sich daher der Einsatz von Funknetzwerken auch in petrochemischen Produktionsumgebungen an, um den Aufwand bei der Errichtung oder Erweiterung einer Prozesseinheit zu senken. Die Installation drahtloser Knoten erlaubt eine temporäre Fehlerdiagnose, sodass sich die Verfügbarkeit erhöht, während Messpunkte zur Optimierung der Effizienz und Sicherheit beitragen.

Das Produktportfolio von Phoenix Contact umfasst seit mehr als zehn Jahren Wireless-Technologien für die industrielle Nutzung. Die besonderen Anforderungen des Marktes führten zur Entwicklung der proprietären Technologie Trusted Wireless, die stetig fortgesetzt wurde. Mit der Version 2.0 erhält der Anwender nun eine Lösung, die sich insbesondere für die drahtlose Weiterleitung von Sensor- und Aktorinformationen sowie zur Übertragung geringer bis mittlerer Datenmengen in ausgedehnten Anlagen eignet. Bei freier Sicht lassen sich Distanzen von mehreren hundert Metern bis zu fünf Kilometern zwischen zwei Funkteilnehmern überbrücken. Die wesentlichen Merkmale von Trusted Wireless 2.0 sind:

Aufgrund der hohen Flexibilität, Robustheit, Sicherheit und Zuverlässigkeit bietet sich Trusted Wireless 2.0 im Prozessumfeld zur Füllstandüberwachung, Detektierung von Fehlern oder Temperaturüberwachung an. Die einfach handhabbaren Systemkomponenten sind gemäß den Richtlinien 94/9/EG (Atex) zertifiziert und für IECEx vorgesehen, sodass sie national und international in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 2) verwendet werden können.

Im lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband verwendet Trusted Wireless 2.0 das FHSS-Verfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum). Die Technologie nutzt hier eine Auswahl von bis zu 127 Kanälen aus dem Gesamtspektrum des Frequenzbands. Da diese Kanäle auf Basis eines pseudozufälligen Musters durchsprungen werden, erhöht sich die Robustheit der Kommunikation. Das sogenannte Black-Listing stellt ein sehr gutes Koexistenzmanagement sicher, denn es blendet bestimmte Frequenzen gezielt aus, damit der Anwender beispielsweise WLAN-Systeme ohne Leistungseinschränkungen parallel betreiben kann. Darüber hinaus werden unterschiedliche RF-Bänder (Radio Frequency) eingesetzt. Jedes Frequenzband verwendet hier verschiedene Frequenzen im 2,4-GHz-Band, weshalb mehrere Trusted-Wireless-2.0-Systeme parallel arbeiten können.

In puncto Zugriffssicherheit ist eine proprietäre Technologie wie Trusted Wireless 2.0 prinzipiell besser vor möglichen Angriffen geschützt, weil das Protokoll nicht veröffentlicht wurde. Außerdem wurden mit der 128-Bit-AES-Datenverschlüsselung und der Authentifizierung zwei Sicherheitsmechanismen implementiert. Die Datenverschlüsselung sorgt dafür, dass theoretisch mitgehörte Datenpakete nicht verstanden werden können. Im Rahmen der Authentifizierung wird die Echtheit des Senders überprüft, eine veränderte Nachricht also als nicht gültig erkannt und verworfen. Dazu wird die übertragene Nachricht um einen laufenden Code ergänzt, der sich nicht wiederholen darf.

Aufgrund der zunehmenden Nutzung des 2,4-GHz-Bands kommt den Mechanismen zur Sicherstellung der Koexistenz mehrerer Funksysteme eine immer größere Bedeutung zu. Dies zeigt sich in der gerade überarbeiteten Norm EN 300328 v.1.8.1. Sie definiert die wesentlichen Anforderungen an Funksysteme im 2,4-GHz-Band mit einer Sendeleistung von mehr als 10 mW. Funksysteme werden in Zukunft darauf verpflichtet, die Umgebung im Hinblick auf andere Nutzer zu prüfen und unter Umständen nicht zu senden oder auf einen anderen Frequenzbereich zu wechseln. Als möglicher Mechanismus sei das sogenannte „Listen-before-Talk“ genannt.

Nicht alle auf dem Markt verfügbaren Funktechnologien haben derartige Mechanismen bereits vorgesehen oder entsprechen den Festlegungen des neuen Standards. Trusted Wireless 2.0 ist hingegen vorbereitet und setzt die Rahmenbedingungen der EN3000328 v1.8.1 um. Bei einer voraussichtlich dreijährigen Übergangsfrist vom alten zum neuen Standard schafft das Investitionssicherheit für den Anwender.

In den Sende- und Empfangseinheiten der Komponenten, die Trusted Wireless 2.0 unterstützen, werden nur hochwertige Bauteile eingesetzt. Eine einstellbare Datenrate der Funkschnittstelle von 16 bis 250 kBit/s erhöht die Empfindlichkeit. Auf diese Weise lässt sich bei einer niedrigen Datenrate eine größere Distanz überbrücken als bei einer hohen Datenrate. Der Anwender kann also je nach Applikation und gewünschter Reichweite eine entsprechende Einstellung vornehmen. Die zu überwindenden Distanzen reichen von einigen hundert Metern bis zu mehreren Kilometern und übertreffen damit die Werte von Bluetooth- und WLAN-Systemen um ein Vielfaches.

Mit den Funkmodulen können Netzwerkstrukturen mit bis zu 250 Teilnehmern aufgebaut werden. In diesem Fall verfügt jeder Teilnehmer über eine Repeater-Funktion zur Weiterleitung der Daten. Vorteilhaft ist auch, dass das Trusted-Wireless-Netzwerk Verbindungsabbrüche selbst heilen kann, indem es automatisch alternative Verbindungspfade initiiert. Von der einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindung bis zu komplexen Mesh-Netzwerken lassen sich unterschiedliche Strukturen flexibel realisieren.

Technologien wie WirelessHart oder Zigbee verfolgen beim Netzwerkmanagement einen zentralen Ansatz. Das bedeutet, dass alle Nachrichten über einen zentralen Manager laufen und so erheblichen Verkehr im Funknetzwerk verursachen können. Trusted Wireless 2.0 setzt hingegen auf ein dezentrales Netzwerkmanagement. Dazu werden Parent-Child-Zonen im Funknetzwerk aufgebaut, wobei ein übergeordnetes Funkmodul als Parent und die dort angekoppelten Module als Child bezeichnet werden. Das gesamte Netzwerkmanagement wird innerhalb der Parent-Child-Zone abgewickelt und muss daher nicht über den zentralen Manager geführt werden. Das reduziert den Nachrichtenverkehr im kompletten Netzwerk und beschleunigt den Datenaustausch.

Halle 11.1, Stand A27

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Das Funksystem Radioline, das auf der Technologie Trusted Wireless 2.0 basiert, ist speziell für die drahtlose Signalübertragung in ausgedehnten Anlagen konzipiert. Die Ein- und Ausgänge der Funkkomponenten werden dazu einfach mit einem Dreh am Rändelrad zugewiesen. Da keine Programmierung erforderlich ist, vereinfacht sich das I/O-Mapping – also die Verteilung von I/O-Signalen in der Anlage – ebenso wie die Einrichtung von Funknetzwerken. Je nach Anwendung lassen sich verschiedene Strukturen umsetzen: von der einfachen Punkt-zu-Punkt- oder Stern-Verbindung bis zu leistungsfähigen Mesh-Netzwerken.

Jedes Funkmodul kann im Netzwerk als Repeater/Slave oder nur als Slave arbeiten sowie bidirektional kommunizieren. Mit der Repeater-Funktion wird die Funkstrecke verlängert oder ein Hindernis umgangen. Die I/O-Stationen des Funksystems sind modular erweiterbar. Die Module zeichnen sich dabei durch eine hochwertige galvanische Kanal-zu-Kanal-Trennung sowie den Austausch im laufenden Betrieb aus. Digitale Kanäle mit Weitbereichsein- und Relaisausgängen sorgen für nahezu unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten bis 250 V.