Wunsch wird Wirklichkeit: Einsatz von Funktechnologie in der Prozessautomation

Zunächst muss festgestellt werden, dass für unmittelbar an der Prozesssteuerung beteiligte und sicherheitskritische Mess- und Steuerwerte das Kabel die erste Wahl der Signalübertragung darstellt. Eine kabelgebundene Lösung ist einer Funklösung für kritischen Applikationen immer vorzuziehen. Ist das Verlegen eines Kabels aufgrund des Anlagenaufbaus für die verbleibenden unkritischen Applikationen technisch unmöglich oder wirtschaftlich nicht vertretbar, kommt Funk ins Spiel. Wo kann auf ein Kabel verzichtet werden? Eine Funklösung kann z.B. in folgenden Szenarien und Applikationen eingesetzt werden, ohne die Prozesssicherheit zu gefährden: – Bisher von Hand vorgenommene Füllstandsmessungen in Logistikunternehmen z.B. die Lagerung von Zwischenprodukten, bei der eine verdrahtete Lösung aufgrund von Hindernissen zwischen Leitwarte und Lagerort nicht möglich oder wirtschaftlich unvertretbar ist, – Umweltüberwachung, z.B. Korrosionsmessung mittels CorrTran MV von Pepperl+Fuchs an den für die Messung wichtigen Stellen ohne Verdrahtungsaufwand, – Überwachung von manuell im Feld betätigten Bedienelementen, z.B. Kugelhähnen, zur Abkürzung oder Einsparung von Kontrollgängen und zur Schaffung eines besseren Überblickes über den Anlagenzustand, – Qualitätssicherung durch zyklische Messung und direkte Übertragung am Leitsystem vorbei in eine Datenbank von qualitätsrelevanten, aber nicht für die Prozesssteuerung benötigten, Parametern, – Prozessoptimierung oder Fehlersuche durch temporär installierte drahtlose Messgeräte, die sekundäre Prozessgrößen beobachten oder – Prozesssteuerung in Anlagen, die nur kurzzeitig zur Produktion von Zwischenprodukten installiert und betrieben werden. Hier wird der Verdrahtungsaufwand gespart, der bei jedem Umbau anfällt. Drahtlose Technik verbessert in den genannten Beispielapplikationen die Information über den Anlagenzustand, Materialfluss und Prozessverlauf. Sie bildet die Basis zur Ablauf- und Prozessoptimierung, Asset Management sowie Entscheidungen zur vorbeugenden Wartung. Drahtlose Technik erhöht die Wirtschaftlichkeit von Prozessanlagen. Drahtlos: Das gibts doch schon Von verschiedenen Anbietern werden bereits seit einigen Jahren Produkte angeboten, um im Bedarfsfall eine drahtlose Verbindung herzustellen, aber diese Lösung muss oftmals erst aufwendig in die bestehende Anlagenstruktur eingebunden werden. Auch sind teilweise nur Verbindungen zwischen zwei Punkten möglich oder nur eine Kommunikationsrichtung. Auch die Kompatibilität zwischen Feldgeräten verschiedener Hersteller, die die heterogene Anlagenstruktur fordert, ist mit diesen Produkten nicht gegeben. Natürlich werden auch speziell auf die Applikation des Anwenders zugeschnittene Lösungen angeboten, diese sind jedoch relativ teuer. Anwender fordern berechtigterweise ein Funksystem, das – günstig und einfach in der Anwendung ist, – standardmäßig von mehreren Herstellern verfügbar ist – die Bedürfnisse der Prozessautomation hinsichtlich Übertragungssicherheit und Reichweite erfüllt. Diesem Ansatz will nun die Hart Communication Foundation mit WirelessHart gerecht werden. WirelessHart WirelessHart setzt auf dem mit 20Mio. Hart-fähigen Feldgeräten weit verbreiteten Hart-Standard auf. Das konventionelle Hart ist ursprünglich als Erweiterung der gebräuchlichen 4 bis 20mA Stromschleifen gedacht, um den Feldgeräten weitere Funktionalitäten zu verleihen. Nun steht der nächste Evolutionsschritt von Hart bevor. Der Anfang September 2007 freigegeben WirelessHart Standard setzt direkt auf das Hart Protokoll auf, verlässt jedoch den physischen Übertragungsweg. Als Übertragungsmedium wird nun die Luftschnittstelle herangezogen. Dabei wird das weltweit lizenzfreie 2,4GHz Band genutzt, welches auch für WLAN, Bluetooth, ZigBee und andere Funktechniken genutzt wird. Einsatz von WirelessHart ist also ohne Genehmigung möglich. Evolution einer Technologie WirelessHart nutzt als physikalischen Layer Funkmodule nach IEEE 802.15.4. Auf diesem Standard sind bereits etablierte Funksysteme aufgebaut, so z.B. ZigBee und WLAN. Vorteil ist, dass die Hardware bereits günstig verfügbar ist. WirelessHart jedoch einfach als WLAN zu bezeichnen, greift jedoch zu kurz. Während herkömmliches WLAN nur Punkt-zu-Punkt Verbindungen aufbauen kann, nutzt WirelessHart ein Flat Mesh Network. Hier bilden alle Funkteilnehmer ein Netz, in dem jeder Teilnehmer gleichzeitig als Signalquelle und Repeater dient. Der ursprüngliche Sender schickt eine Nachricht an seinen nächsten Nachbarn, dieser schickt diese Nachricht wiederum weiter, bis die Nachricht die Basisstation und damit den eigentlichen Empfänger erreicht. Dadurch kann das Netzwerk ein großes Areal abdecken. Außerdem werden in der Einrichtungsphase Alternativrouten eingerichtet. Falls die Nachricht auf einem Teilweg nicht übermittelt werden kann, weil z.B. ein Hindernis die Übertragung verhindert oder der Empfänger defekt ist, wird die Nachricht automatisch über eine Alternativroute weitergeleitet. Neben der Abdeckung großer Areale ist also eine erhöhte Übertragungssicherheit gegeben. Als zentrale Komponente des Netzwerks fungiert der Netzwerk Manager. Das Netzwerk wird beim Startup zentral durch den Netzwerk Manager organisiert. Er baut das Netzwerk auf, legt die Kommunikationsorganisation fest und bestimmt die redundanten Pfade. Der Netzwerk Manager erkennt auch neu hinzugekommene Teilnehmer und bindet sie während des laufenden Betriebs in das vorhandene Netzwerk ein, sodass eine Erweiterung möglich ist. Während des Betriebes überwacht der Netzwerk Manager die wichtigen Funktionen des Netzwerkes und aller Teilnehmer und greift im Falle von Störungen korrigierend ein. Die Kommunikationskoordinierung im Flat Mesh Network wird über das TDMA-Verfahren (Time Division Multiple Access) durchgeführt, welches die Funkteilnehmer hochgenau im 10ms Takt zeitlich synchronisiert. Die Teilnehmer nehmen die Kommunikation also auf 10ms genau auf. Dadurch verringern sich die Vor- und Nachlaufzeiten, in denen ein Teilnehmer aktiv sein muss. Um Störquellen aus dem Wege zu gehen und andere Funkteilnehmer im 2.4GHz-Band nicht zu stören, nutzt WirelessHart ein Verfahren namens FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Hier werden alle 16 in IEEE 802.15.4 definierten Frequenzen parallel genutzt. Bereits belegte Kanäle werden in eine Blacklist eingetragen und nicht mehr für die Kommunikation genutzt. Die Kombination von der genauen zeitlichen Synchronisation im 10ms Takt mittels TDMA und der Nutzung aller 16 Kanäle des IEEE 802.15.4 durch FHSS ermöglicht dem Gesamtnetzwerk 1.600 Kommunikationen in der Sekunde. Zu nennen ist auch das Sicherheitsbedürfnis der Anlagenbetreiber, dem mit einer Verschlüsselung der Kommunikation mit einem 128Bit Schlüssel Rechnung getragen werden soll. Das Abhören und Verfälschen der Kommunikation sowie der Nutzdaten ist damit ausgeschlossen. Wie gezeigt ist WirelessHart also die Symbiose zwischen dem bekannten, vielfach genutzten und bewährten Hart und der aus im privaten wie öffentlichen Bereich bereits etablierten Funktechnologie. Neben dem für Hart bekannten Anwendung der Geräteparametrierung wurde es schon immer genutzt für: – Überwachung von Mess- und Umweltwerten, – Asset Management und Optimierung, – Vorbeugende Wartung, – Performanceüberwachung – Energiemanagement Die Anforderungen dieser Applikationen an Verfügbarkeit, Übertragungsstrecke und Übertragungsgeschwindigkeit decken sich mit der mit Funktechnik erreichbarem Leistungsumfang. Daneben bietet das Konzept von WirelessHart die Integration in die vorhandene Infrastruktur bei gleichzeitiger Offenheit gegenüber neuen Strukturen. Bloße Theorie oder realisierbare Konzepte? Zurzeit wird an der Umsetzung dieser Konzepte gearbeitet. Pepperl+Fuchs plant, bis Anfang 2009 folgende Geräte verfügbar zu haben: Als zentrale Komponente ist ein WirelessHart Gateway geplant, welches das Netzwerk Management enthält und das drahtlose Netzwerk damit organisiert und kontrolliert und dieses an ein Leit- oder Scada-System über einen Feldbus anbindet. Die Signale der Feldgeräte werden empfangen und über das entsprechende Busprotokoll in den Feldbus weitergereicht. Ein WirelessHart Adapter bildet das andere Ende des Kommunikationspfades. Mit diesem Adapter können vorhanden Feldgeräte aufgerüstet werden. Hier sind drei verschiedene Versionen geplant: – Schleifengespeiste Adapter werden einfach in einen vorhanden Loop eingeschleift und entnehmen die Energie zum Betrieb aus diesem. Die vorhandene Verdrahtung wird für die herkömmliche 4 bis 20mA Signalübertragung genutzt, Hart wird drahtlos durch den Adapter versendet. Dies ist vor allem eine Alternative, um Hart Fähigkeit in den Feldgeräten der installierten Basis risikoarm nutzbar zu machen – Batteriebetriebene Adapter versorgen das Feldgerät mittels einer Batterie. In parametrierbaren Zeitabständen wird das Feldgerät \’aufgeweckt\‘, der Messwert abgefragt, drahtlos verschickt und danach das Feldgerät wieder abgeschaltet. Somit sind autonome Messstellen möglich. Je nach gewählten Zeitabständen können Batterielebenszeiten von mehreren Jahren erreicht werden – Eine netzgespeiste Variante entnimmt die notwendige Energie für das Feldgerät und den Adapter einer Speisespannung. In vielen Fällen ist ein Netzanschluss im Feld vorhanden, z.B. um Pumpen oder Ventile zu speisen. Wird kein Feldgerät angeschlossen, so kann die netzgespeiste Variante auch als Router dienen, um das Drahtlosnetzwerk dichter zu gestalten oder eine größere Entfernung zu überbrücken. Fazit Es gibt eine große Anzahl von Applikationen in der Prozessautomation, die mit Funk realisiert werden können oder durch Funktechnik wirtschaftlich erst ermöglicht werden. WirelessHart bewirkt den notwendigen Schritt von proprietären Lösungen zu einem übergreifenden Standard in der Prozess­technik, der die Anwendung von Funktechnologie ohne Systembruch vollziehbar macht. WirelessHart wird neue Möglichkeiten zur Qualitätsverbesserung, Anlagen- und Prozessoptimierung sowie Anlagenüberwachung eröffnen und leistet damit einen wertvollen Beitrag zum wirtschaftlichen Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen. HMI 2008: Halle 7, Stand C14