Wireless-Technologie für die ganze Anlage

Die Wireless-Technologie ist die nächste bahnbrechende Technologie, die zu größeren Veränderungen bei der Prozessautomatisierung führt und neue Perspektiven für weitere Leistungssteigerungen aufzeigt. Das wird durch eine bessere Informationsreichweite für eine effektivere Prozesskontrolle und ein besseres Asset Management, durch die sicherere und produktivere Arbeit des Personals sowie durch einen kosteneffektiveren Weg zum Steuern der Geschäftsfunktionen, von der Sicherheit bis zur Personal- und Teileverfolgung, erzielt. Einige Beispiele zeigen dies: So lassen sich Sicherheitsduschen kabellos an 7 Tagen in der Woche und über 24 Stunden am Tag überwachen, sodass bei Notwendigkeit schnell Hilfe gerufen werden kann. Wireless-Vibrationssensoren liefern in Echtzeit eine Vorstellung vom aktuellen Zustand der Ausrüstung. Die Diagnose aller Hart-Geräte, einschließlich derer, die vorher nicht zugänglich waren, können für das Asset Management transparent gemacht werden. Sowohl das Personal als auch Ausrüstungsgegenstände wie Container können in der Anlage verfolgt werden.

Dies sind nur einige Beispiele. Viele dieser Anwendungen sind heute auch ohne die Wireless-Technologie möglich, jedoch durch die Kosten oder die technischen Limitierungen nicht praktikabel. Durch die einfache Integrierbarkeit der Wireless-Technologie lassen sich diese Beschränkungen überwinden und ein völlig neuer Blickwinkel auf die Anlage wird möglich. Prinzipiell lassen sich die Anwendungsbereiche in drei Kategorien unterteilen: Anlagen- und Prozessinformationen, Produktivität des Personals und Geschäfts- und Anlagenmanagement.

Je mehr man über den Prozess und den gesamten Betrieb der Anlage weiß, desto sicherer und profitabler kann die Anlage betrieben werden. Dieser Zugang zu zusätzlichen Daten schließt nicht nur die Prozessmessungen ein, sondern ebenso die Informationen über die Geräte und Ausrüstungen. Zum Beispiel haben viele Hart-Geräte heute einen bestimmten Grad an Diagnosemöglichkeiten erreicht. Leider verfügen viele Anlagen nicht über die notwendige Infrastruktur, um Informationen über Hart in geeigneten Systemen zu empfangen. Weil nur ein Bruchteil dieser Geräte digital überwacht wird, wäre bei einer umfassenden Nutzung der Daten dieser digitalen Feldgeräte der potenzielle Zugewinn an Diagnosedaten enorm.

Mit der Wireless-Technologie müssen diese Daten nicht länger in der Anonymität verschwinden. Bereits installierte Hart-Geräte können beispielsweise mit Wireless-Adaptern ausgerüstet werden, um Diagnoseinformationen an das Leitsystem oder die Werkstatt zu übertragen, wo entsprechendes Personal bei Bedarf korrigierende Maßnahmen einleiten kann. Die Prozessvariablen werden nach wie vor über die herkömmliche Verdrahtung übertragen.

Dass dies keine Zukunftsmusik ist, präsentierte Emerson Process Management bei einer Pressekonferenz in Wien. Zusätzlich zur bereits existierenden Wireless-Instrumentierung für Druck, Temperatur, Füllstand und Durchfluss (siehe cav 2/07, Seite 30) werden demnächst Geräte für die Messung von Vibrationen, der Korrosion, der diskreten, manuellen Ventilpositionen und des Massedurchflusses zur Verfügung stehen (siehe Kasten). Bereits in der Testphase ist das Hart-Erweiterungsmodul, das über Wireless den Zugang zu Diagnoseinformationen von traditionell verdrahteten Hart-Geräten ermöglicht.

Während des Normalbetriebes einer Anlage arbeiten viele Menschen weit weg von der Leitzentrale, der Werkstatt oder dem Büro. Durch die Anbindung des Anlagenpersonals mithilfe von Wireless-Tools kann die Produktivität deutlich verbessert werden. Emerson ist auch einer der führenden Anbieter von tragbaren Tools für die Wartung im Feld und liefert bereits seit dem Jahre 2001 Wireless-Werkzeuge für den Fernbetrieb und die Fernwartung. Die Produkte und Technologien zur Verbesserung der Produktivität des mobilen Personals umfassen für mobile Anlagenfahrer DeltaV Remote Operate, PlantWeb Alerts und Plant Messenger für PDAs. Für das mobile Wartungspersonal stehen in der AMS Suite der Intelligent Device Manager remote client sowie der CSI 2130 Machinery Health Analysator, der CSI 9800 Imager, der CSI SonicScan und der 375 Field Communicator zur Verfügung. Das Portfolio umfasst ebenfalls eine große Anzahl tragbarer Geräte, die den Anforderungen zum Betrieb in einer Ex-Zone genügen und dort vom mobilen Personal für bestimmte Anwendungen eingesetzt werden können.

Für den Einsatz von Kommunikationslösungen im rauen Umfeld der Prozessindustrie sind wichtige Voraussetzungen notwendig. Dazu gehören die Verträglichkeit mit dem industriellen Umfeld, die Störanfälligkeit gegenüber anderen Hochfrequenzstrahlungen, die Bandbreitenzuteilung und das Teilen des Luftraumes mit Kontrollinformationen anderer Wireless-Netzwerke, die über eine höhere Priorität verfügen. Um Wireless-Lösungen zu schaffen, die diesen Anforderungen genügen, haben Emerson und Cisco Systems, Inc. eine Allianz gebildet. Cisco ist das führende Unternehmen bei der Auslegung und Installation von offenen Wireless-Netzwerken.

Die Wireless-Technologie erlaubt einen erschwinglichen Zugang zu Informationen, die einen wirklichen Ein- bzw. Überblick geben, insbesondere in Bezug auf Schutz und Sicherheit. Zum Beispiel ist es einfach und kostengünstig, Wireless-Kameras an Orten zu installieren, an denen eine konventionelle Installation zu schwierig, zu kostspielig oder zu risikoreich ist. Die Wireless-Videoüberwachung mit Kameras und die auf RFID-basierende Zugangskontrolle erlaubt eine intelligente Sicherheitsüberwachung und Kontrolle, vom restriktiven Zugang zu spezifischen Bereichen über Sicherheitsstufen bzw. Zugangsberechtigungen, über Versuche, das Sicherheitsprotokoll zu verletzen, bis hin zur Unterstützung des Sicherheitsmanagers bei der Erkennung potenzieller Schwachstellen und deren Beseitigung. Wireless-Anwendungen können ebenfalls zur Überwachung explosionsgefährdeter Anwendungen herangezogen werden, um das Risiko für das Personal zu minimieren. Die Wireless-Ortungstechnologie erlaubt es, Bestände und wertvolle Ausrüstungen wie auch Arbeiter, die in eine Anlage gehen bzw. diese verlassen, schnell zu finden.

Um einen Nutzen aus den zuvor erwähnten Anwendungen ziehen zu können, ist als solide Basis ein Wireless-Netzwerk und eine entsprechende Infrastruktur notwendig. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Emerson eine Architektur entwickelt, die sich sowohl im Feld als auch direkt in der Anlage erweitern lässt. Sie integriert die konventionell verdrahtete Welt mit der Wireless-Technologie und liefert eine einfache, skalierbare Infrastruktur, die dabei hilft, Anwendungen über den gesamten Produktionsbereich zu optimieren. Emerson nutzt dazu offene Standards. Dadurch muss sich der Anwender nicht auf eine spezifische Technologie oder spezielle Lieferanten festlegen.

Auf der Feldnetzwerkebene basieren die Wireless-Feldgeräte auf WirelessHart und sind konform zu diesem Standard. Auf der Ebene von Wireless-Anlagennetzwerken werden für deren Architektur kommerzielle Standards, wie der IEEE 802.11 Wi-Fi, der sich im Aufwind befindliche 802.11s Wi-Fi Netzstandard und der 802.16 Wi-Max, verwendet.

Die Smart-Wireless-Lösungen im Feld verwenden sich selbst organisierende Netztechnologien, die im Feld erprobt und getestet wurden und die die Basis für den kürzlich zugelassenen WirelessHart-Standard darstellen. Jedes Wireless-Gerät in einem sich selbst organisierenden Netzwerk kann als Router für ein sich in der Umgebung befindliches Feldgerät fungieren und Informationen solange weitergeben, bis diese ihr Ziel erreicht haben. Durch diese Möglichkeiten entstehen redundante Kommunikationsstrecken und eine bessere Zuverlässigkeit als mit Lösungen, bei denen eine direkte, hindernisfreie Kommunikationslinie zwischen jedem Gerät und dem Gateway notwendig ist. Immer dann, wenn eine Veränderung im Netzwerk oder in den Bedingungen eintritt und die Kommunikation dadurch beeinflusst wird, finden Geräte und Gateway in einem sich selbst organisierendem Netzwerk selbst den besten Weg für jede zu übertragende Nachricht, wodurch die Datenzuverlässigkeit optimiert und die Leistungsaufnahme minimiert wird.

Sich selbst organisierende Netzwerke verringern auch den Aufwand und die not-wendige Infrastruktur, um erfolgreich ein Wireless-Netzwerk aufzubauen. Ein weiterer Vorteil eines sich selbst organisierenden Netzwerkes ist dessen Dynamik. Wenn neue Hindernisse in einer Anlage entstehen, wie zum Beispiel Gerüste, neue Ausrüstungen oder sich bewegende Fahrzeuge, kann sich das Netzwerk um diese Hindernisse herum neu organisieren. Die Anwender müssen nicht eingreifen.

Die Umorganisation des Netzwerkes wird automatisch ausgeführt. Das sich selbst organisierende Netzwerk verwendet ein Funknetz nach der IEEE 802.15.4 mit Channel Hopping als physikalische Grundlage. Die Funknetze sind so aufgebaut, dass diese sich mit anderen Wireless-Netzwerken in der Anlage nicht stören. Die Wireless-Feldgeräte von Emerson wurden in verschiedenen Anwendungen getestet und demonstrierten eine Datenzuverlässigkeit größer 99,9 %. Die Smart-Wireless-Architektur verwendet robuste Wireless-Zugangspunkte von Cisco, um eine entsprechende Wi-Fi-Abdeckung zu erzielen. Die Netzwerkzugangspunkte der Baureihe Cisco Aironet 1520 Wireless sind für die Errichtung in Zone 1 nach Class I, Div 2 zugelassen und unterstützen die Frequenzbereiche der Standards IEEE 802.11a und 802.11b/g. Weil diese Zugangspunkte auf offenen Standards und Protokollen basieren, liefern sie ein universelles Standardnetzwerk für die einfache Integration aller Wireless-Anwendungen in der Anlage, einschließlich der Sicherheit, der Standortbestimmung von Personal sowie von Ausrüstungen.

Die Architektur verwendet eine Cisco-Software für das Management von Wireless-Netzwerken (Wireless Control System Software WCS), die durch den Cisco-Sicherheitsservice für Netzwerksicherheit unterstützt wird. WCS ist die in der Industrie führende Plattform für die Planung, die Konfiguration, das Management und den mobilen Service von Wireless-LANs. Es ermöglicht, wireless übertragene Daten zu leiten, zu separieren und mit Prioritäten zu kennzeichnen, wie auch die Sicherheitsinfrastruktur für die Datenübertragung und den Zugang. Dadurch entsteht eine zusammenhängende Kommunikationsplattform über Wireless über den physikalischen wie auch funktionalen Bereich einer Anlage, sodass dieses gemeinsam genutzte Netzwerk diverse Anwendungen mit der notwendigen Sicherheit, der notwendigen Strategie und dem notwendigen Leistungsmanagement unterstützen kann.

Auf dem Level der Wireless-Feldnetzwerke wird eine robuste Sicherheit durch eine moderne und auf Standards basierende Verschlüsselung, Authentifizierung, Bestätigung, Schlüsselmanagement und verschiedene Entstörungstechniken erzielt. Zum Beispiel verwenden die Smart-Wireless-Lösungen von Emerson an beiden Enden eine 128-Bit-Verschlüsselung nach einem der modernsten Verschlüsselungsstandards (NIST-Standard FIPS-197). Zu Zwecken der Authentifizierung enthält jedes Gateway eine “Weiße Liste” von Geräten, mit denen die Kommunikation erlaubt ist. Ein individuelles Gerät akzeptiert eine Nachrichtenübertragung nur von einem vorher identifizierten Gateway oder von einem Gerät, das durch ein Gateway zugelassen wurde.

Getrennte Verbindungs- oder Netzwerkschlüssel können entweder automatisch oder auf Anforderung geändert werden. Nach der Einführung des WirelessHart-Standards werden Sessionschlüssel für die Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern des Netzwerkes eingeführt, sodass kein anderes Gerät den Inhalt einer solchen Kommunikation erkennen kann. Auch diese Schlüssel lassen sich automatisch ändern.

Nachrichtenintegritätscodes werden zur Prüfung von Nachrichten verwendet, und zwar per Sprung und an beiden Enden. Entstörungstechniken wie DSSS mit Ka-nalwechsel plus der Nachrichtenübermittlung auf unterschiedlichen Routen helfen dabei, Störquellen sicher zu passieren, unabhängig davon, ob diese bösartiger Natur oder nicht sind. Die Sicherheit beim Übergang vom Gateway zum Host und umgekehrt wird durch bekannte Standards wie SSL wie auch eine komplette Verschlüsselung/Authentifizierung erzielt. Auf dem Level der Wireless-Anlagennetzwerke wird die Sicherheit durch das standardisierte Cisco-Wireless-Netzwerk sichergestellt.

Bei der verwendeten Architektur handelt es sich um kein Von-unten-nach-oben- oder Von-oben-nach-unten-Modell. Mit den Smart-Wireless-Lösungen kann man beginnen, wo man will. Sie erfordern nicht, dass in eine teure Wireless-Infrastruktur in der gesamten Anlage investiert werden muss, um eine einfache Überwachungsfunktion zu installieren. Alle Gateways, Feldgeräte, Zugangspunkte und die Software nutzen Standards zur Wireless-Kommunikation und wurden einem rigorosen Koexistenztest unterzogen. Dadurch wird sichergestellt, dass nach dem Start diese Architektur zu einem späteren Zeitpunkt nahtlos und einfach erweitert werden kann.

cav 403

Emerson Process Management wird demnächst sein Portfolio an Wireless-Geräten aufstocken. Im Rahmen der Wiener Pressekonferenz stellte das Unternehmen unter anderem den Rosemount 702 Discrete Wireless Transmitter vor. Zu den Anwendungen gehören Füllstandsmessungen und Überfüllsicherungen, Sicherheit des Betriebspersonals und der Zustand der Produktionsausrüstung. Der 702 unterstützt eine Anzahl ungespeister Schalter mit Einzel- oder Doppelkanalfunktion und ist für Ex-Bereiche zugelassen. Der Rosemount 702 ist mit vorhandenen Smart-Wireless-Netzen kompatibel und liefert die gesamte Fülle der Hart-Diagnosedaten. Die Lebensdauer der SmartPower-Batterie beträgt 7 bis 15 Jahre. Die zuverlässige und sichere Leistung ist denen anderer Geräte in der Smart-Wireless-Familie vergleichbar.

Emersons Smart-Wireless-Lösung ist eine Erweiterung der digitalen PlantWeb-Anlagenarchitektur, die hochverfügbare, intelligente Messgeräte und kabellose Messumformer in einem Kommunikationsnetz vereint. Dieses selbstorganisierende Netz passt sich automatisch an, wenn Messpunkte hinzugefügt oder entfernt werden oder wenn Hindernisse die Datenübertragung beeinträchtigen. Das Netz nutzt das zeitsynchronisierte Maschen-Protokoll (Time Synchronised Mesh Protocol – TSMP) und wurde im Feld unter Prozessbedingungen intensiv getestet.

Von 2008 an wird der CSI 9420 Machinery Health Transmitter die Familie der Smart-Wireless-Feldgeräte zur Prozessüberwachung und vorausschauenden Diagnose erweitern. Dieser kabellose Vibrations-Messumformer dient zur Überwachung mechanischer Ausrüstung und liefert vorausschauende Diagnosedaten für höhere Verfügbarkeit und Sicherheit der Anlage. In der digitalen PlantWeb-Anlagenarchitektur liefert das Gerät Vibrationsdaten an das Bedien- und Wartungspersonal. Konfiguration, Diagnose und Störungsmeldung (Alerts) erfolgt mit der vorausschauenden Wartungssoftware der AMS Suite. Die Vibrationsdaten sind auch in der Historian-Software oder in jedem Leitsystem verfügbar und können langfristig gespeichert sowie gemeinsam mit anderen Prozessparametern analysiert werden. Zusätzlich zur Aufnahme der Vibrationsdaten ist der CSI 9420 Machinery Health Transmitter durch die integrierte PeakVue-Technologie in der Lage, eine Lagerdiagnose durchzuführen.

Ebenfalls von 2008 an wird ein Hochgeschwindigkeits-Korrosions-Messumformer ein Element der Smart- Wireless-Lösungen sein. Emerson Process Management und Rohrback Cosasco Systems (RCS) aus Santa Fe Springs, Kalifornien, haben den RCS Microcor Wireless Transmitter für die schnelle Übertragung von Korrosionsdaten gemeinsam entwickelt. Informationen über Korrosion werden vom Microcor an das Leitsystem übertragen, wo sie aufgezeichnet, als Trend dargestellt und gemeinsam mit anderen Informationen aus dem Prozess analysiert werden können. Sie stehen auch in der Software AMS Suite Intelligent Device Manager zur Verfügung, die in der Industrie häufig zur Konfiguration, Kalibrierung, Dokumentation und vorausschauenden Diagnose genutzt wird. Dadurch wird die vorausschauende Diagnose der AMS Suite auf die Korrosionsüberwachung ausgeweitet, was die Anwender in die Lage versetzt, vorausschauend zu agieren und somit Instandhaltungskosten zu sparen, ungeplante Stillstände zu vermeiden und die Nutzung der Anlagen-Assets zu optimieren. Der Korrosions-Messumformer baut auf der Microcor-Technologie von RCS auf und liefert Korrosionsraten in jedem Prozessmedium fast in Echtzeit. Diese Daten können Bediener dazu nutzen, Korrosionsspitzen zu erkennen, einen Inhibitor einzuleiten und sie in Verbindung mit anderen Prozessdaten für eine Ursachenanalyse zu nutzen.

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