Drahtlos vom Feld in die Welt

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-plant – drahtlose Kommu- nikation innerhalb einer Anlage – (Industrial) Wireless LAN (IW-LAN) – WirelessHart – Wireless Sensors für die Fabrikautomation Near-plant – drahtlose Kommunikation bis zu einer Distanz von etwa 5km – IW-LAN mit Richtantennen – Funk mit Zeitschlitzverfahren, oft auf der Basis proprietärer Protokolle – Funk mit länderspezifischen Frequenzen, oft auf der Basis proprietärer Protokolle Remote – ohne Begrenzung, weltweit – GSM, GPRS, EDGE – UMTS, HSDPA In allen Kategorien sind bereits Produkte am Markt verfügbar – Siemens ist vor allem bei Industrial Wireless-LAN (IW-LAN) vertreten. Bild 1 zeigt so eine typische Installation mit WirelessHart, IW-LAN und Wireless Wide Area Networks. Wireless und Koexistenz In den heutigen Anlagen kommen in der Regel eine Fülle unterschiedlicher Kommunikationstypen und -protokolle zum Einsatz: Ethernet, Industrial Ethernet/Profinet, Profibus, Foundation Fieldbus, 4 bis 20mA und Hart. Störeinflüsse untereinander sind praktisch ausgeschlossen, da diese heute meist drahtgebunden arbeiten. Ganz anders stellt sich die Situation bei Wireless dar, da hier nur ein limitiertes Zeit- und Frequenzkontinuum zur Verfügung steht. Das ISM-Band im 2,4GHz-Bereich steht weltweit zur Verfügung und wird deshalb von IW-LAN, WirelessHart, Bluetooth und anderen genutzt. Da IW-LAN seit Langem in der Fertigungs- und Prozessautomation genutzt wird, war es bei der Standardisierung von WirelessHart ein absolutes Ziel, parallel zu IW-LAN-Netzwerken eine stabile und sichere Kommunikation sicherzustellen. Die Koexistenz von IW-LAN und WirelessHart ist bereits gegeben (s. unten). Bei der derzeitigen Definition des entsprechenden Standards für die drahtlose Sensorkommunikation in der Fabrikautomation, um die sich Profibus & Profinet International (PI) momentan bemühen, wird die Koexistenz zu den bestehenden Funksystemen ebenfalls unabdingbar sein. WirelessHart – drahtloser Standard WirelessHart wurde im Oktober 2007 mit Hart V7 freigegeben. Es setzt auf dem Standard IEEE802.15.4 auf, der einerseits gute Performance hat und andererseits eine kostengünstige Realisierbarkeit bietet. Der Frequenzbereich liegt im ISM-Band mit 2,4GHz. 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 Adaptern, die an die installierte Schleife (4 bis 20mA) angeschlossen werden und alle Hart-Daten des Feldgeräts drahtlos und ohne sonstige Eingriffe in das vorhandene Leitsystem an zentraler Stelle zur Verfügung stellen wie in Bild 2 verdeutlicht. Dadurch wird die Verfügbarkeit der Anlage deutlich erhöht und gleichzeitig werden die Kosten für Wartung reduziert. Jeder rote Punkt in Bild 2 steht dabei für einen WirelessHart-Adapter, der an diese Schleife angeschlossen ist und alle Hart-Daten des Geräts zentral zur Verfügung stellt. In der zweiten Kategorie entfällt die 4 bis 20mA-Leitung zum Leitsystem: Alle Daten, das heißt Prozesswerte, Parameter, Diagnoseinformationen und Funktionen werden dem Leitsystem drahtlos zur Verfügung gestellt. 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. Die ISA hat sechs Klassen von Applikationen definiert, die in Bild 4 dargestellt sind. Die dort genannten Anwendungsmöglichkeiten von Wireless decken sich mit unserer Einschätzung. Damit öffnet sich ein weites Feld für den Einsatz von WirelessHart, mit dem der Anwender alle Vorteile nutzen kann, wie z.B. Flexibilität und kostengünstige Installation. Hinzu kommt, dass WirelessHart eine evolutionäre Weiterentwicklung des Hart-Standards darstellt. Bewährte Hart-Geräte können mit Adaptern zur drahtlosen Kommunikation ertüchtigt 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. Industrial Wireless-LAN W-LAN dringt immer schneller in Automatisierungslösungen ein. Der wesentliche Erfolgsfaktor war die Definition der industriellen Ausprägung IW-LAN und die darauf aufsetzenden Produkte. Die wesentlichen Charakteristika von IW-LAN sind Zuverlässigkeit und Deterministik, Robustheit sowie Sicherheit (Security). Zuverlässigkeit und Determinismus 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. Ein wichtiges Kriterium bei Echtzeit-Applikationen ist nicht vordringlich die größtmögliche Datenrate, sondern der garantierte Datendurchsatz innerhalb eines fest eingehaltenen Zeitraums und dies unter allen Umständen. Unter Robustheit versteht man z.B. erhöhte Umweltanforderungen, das heißt 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-Plugs). Auch die Einsetzbarkeit im explosionsgefährdeten Be­reich der Ex-Zone 2 ist ein absolutes Muss für echte Industrial Wireless-LAN Access Points und Clients, um beispielsweise aus kritischen Umgebungen Prozessdaten an zentrale Überwachungsstationen ohne aufwändige Kabelverlegung übertragen zu können. Sicherheit wird durch die Verfügbarkeit von standardisierten Verschlüsselungsverfahren und Zugriffschutz sichergestellt. IW-LAN von Siemens wächst nach eigenen Angaben heute mit einem starken Produktportfolio etwa dreimal schneller als der Markt. So hat Toyota z.B. den \’Development Award\‘ an Siemens vergeben für sein \’Outstanding result of Wireless device development\‘. 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 W786-RR mit Rapid-Roaming \’wireless safety\‘ realisieren kann, das heißt, Not-Aus geht jetzt auch drahtlos. Das bedeutet, dass IW-LAN zuverlässig und robust ist. Die ET200pro-IW-LAN fügt sich in diese IW-LAN-Safety-Lösung ein. In der Ferne und doch so nah 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 drei, hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Preis unterschiedliche, Systeme an: Sinaut Micro, Sinaut ST7 und Simatic PCS 7 TeleControl. Beim ersten handelt es sich um ein einfaches System zum Überwachen und Steuern von dezentralen Anlagen über Mobilfunkkommunikation (GPRS) auf Basis Simatic S7-200 mit den Scada-Systemen WinCC flexible bzw. WinCC. Das zweite ist deutlich leistungsfähiger und vielseitiger. Es basiert auf Simatic S7-300, S7-400 und WinCC/PCS 7 für die vollautomatische Überwachung und Steuerung von dezentralen Prozessstationen, die über verschiedene WAN-Medien Daten untereinander und mit einer oder mehreren Leitzentralen austauschen. 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 Engineering und der Inbetriebnahme, in der Flexibilität, aber auch in der Aktualität der Daten bei gleichzeitig niedrigen Betriebskosten durch volumenbasierte und ständig sinkenden Volumentarife. Bild 6 zeigt eine typische Architektur einer Lösung basierend auf Sinaut Micro, in der GPRS für die quasi drahtlose Anbindung von Sensorik an die zentrale Leitstelle genutzt wird. Zusammenfassung Drahtlose Kommunikation vom Feld in die Welt ist heute möglich, nachdem WirelessHart die letzte Lücke zur drahtlosen Vernetzung von Prozesssensorik geschlossen hat. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Nutzbarkeit von Wireless im Ex-Bereich. Bereits heute stehen mit Scalance W IW-LAN-Komponenten für den Einsatz in Ex-Zone 2 zur Verfügung. Das Gleiche wird zunehmend auch für WirelessHart gelten. Mögliche Lösungen sind einfach und kostengünstig – nicht nur in der Realisierung, sondern auch in der Betriebsphase. Drahtgebundene Lösungen werden auch in Zukunft zum Einsatz kommen, wobei sich allerdings der Anteil von Wireless vergrößern wird, und zwar aufgrund höherer Flexibilität, geringerer Investitions- und Betriebs­kosten sowie mit zunehmender Erfahrung beim Umgang mit der neuen Technik. Das Produkt- und Systemportfolio des Unternehmens wird noch in 2009 mit neuen Komponenten, basierend auf WirelessHart, ergänzt werden.