Sichere Seilschaft

Das Ringen um den Wireless-Standard

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13.10.2008 Die drahtlose Kommunikationstechnik ist für spezielle Anwendungen sicher eine optimale Lösung. Doch weder die Zahl der möglichen Anwendungen noch die zur Verfügung stehende Technik macht die Wireless-Kommunikation zu einem Überflieger. Noch fehlt es an Hardware, herstellerübergreifenden Standards und nicht zuletzt an einem Konzept für die dauerhafte Stromversorgung der kabellosen Sensoren. Denn so ganz können Sensoren noch nicht auf Kabel verzichten.

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Dass man Signale drahtlos übertragen kann ist weder eine besonders geniale Idee, noch mit den vorhandenen Stromversorgungskonzepten besonders nutzbringend,“ meint Dr. Gunter Kegel, Vorsitzender des ZVEI Fachverbands Automation und Geschäftsführer der Pepperl+Fuchs-Gruppe, zur aktuellen Diskussion um die Wireless-Technologie. Er bestätigt damit die Stimmungsbilder aus Umfragen der CHEMIETECHNIK, in der Anwender geteilter Meinung über die drahtlosen Kommunikation sind (siehe Abbildung S. 38 und Bericht S. 46). Trotz des großen Rummels um die Wireless-Technik wird diese wohl auch auf längere Sicht nur Nischenanwendungen besetzen können. „Die Potenziale für den Einsatz von Wireless-Anwendungen liegen eindeutig da, wo konventionelle Lösungen bislang unwirtschaftlich oder ungeeignet waren,“ beschreibt Martin Schwibach, Obmann des Namur Arbeitskreises 4.15 – Wireless Automation und Senior Automation Manager bei BASF, die Einsatzfelder der Funktechnologien und ergänzt: „Der alleinige Ersatz von kabelgebundenen Anwendungen ist für typische verfahrenstechnische Anlagen in der Prozessindustrie bis auf Ausnahmefälle eher uninteressant. Mag es auch hierfür im Einzelfall Beispiele für sinnvolle Einsatzfelder geben, so liegen dort, wo Flexibilität oder Mobilität gefordert sind, die wirklichen Potenziale. Hierunter können transportable Messsysteme, mobile Lösungsansätze zur Prozessführung oder -diagnose und vieles mehr fallen.“

Die wesentlichen Probleme, die der drahtlosen Kommunikation die Akzeptanz in der Chemischen Industrie erschweren, sind der fehlende herstellerübergreifende Standard und das ungelöste Problem, wie Messstellen kabellos über die Lebensdauer einer Anlage mit Strom versorgt werden. Eine Messstelle, die zwar drahtlos Messwerte übermittelt, aber für die Stromversorgung nicht auf Kabel verzichten kann ist eben nur die halbe Miete. Zwar stehen bereits jetzt Batterien zur Verfügung, die eine Lebensdauer von fünf bis zehn Jahren bestehen sollen, doch je nach Anzahl und Montageort der Sensoren kann der Austausch aufwändig sein.

Das Ringen um den Wireless-Standard ist eröffnet

Um einen übergreifenden Standard ringen die Instrumentation, Systems and Automation Society (ISA) und die Hart Communication Foundation (HCF). Die HCF veröffentlichte im vergangenen Jahr mit Hart 7.0 auch die Spezifikation für Wireless Hart, das sich über eine Aufrüstung bestehender Hart-fähiger Geräte verhältnismäßig schnell und flächendeckend einführen ließe. Doch noch ist Wireless Hart kein international anerkannter und von allen Herstellern unterstützter Standard. Und die Erfahrungen aus der Diskussion um die Feldbussysteme lehrte die Anwender, was es heißt, mit verschiedenen Kommunikations-Standards in einem Unternehmen umgehen zu müssen.

In der amerikanischen ISA bemüht sich das ISA100 Wireless Convergence Subcommittee um eine Vereinheitlichung der Wireless-Standards. Wayne Manges, ISA100 Chair, beschreibt die Arbeit im Komitee: „It is not rocket science but it is Maxwell´s Equations!“ und bringt damit zum Ausdruck, wie viele Interessen und Anforderungen hier berücksichtigt werden sollen. Forderungen an Verfügbarkeit, Echtzeitfähigkeit, Sicherheit und Datentransfer-Rate machen es schier unmöglich, eine universelle Lösung zu finden. Doch das ist nach Meinung von Martin Schwibach gar nicht nötig. Wichtig sei, die Anwendungen zu klassifizieren und allgemein gültige, technologieunabhängige Anforderungsprofile für diese Anwendungen zu definieren. Der Namur Arbeitskreis Wireless Automation werde dafür in absehbarer Zeit eine Empfehlung herausgeben. Und Schwibach fügt hinzu: „Damit sich ein Standard durchsetzen wird, muss sichergestellt werden , dass dieser eindeutig spezifiziert und überprüfbar ist, sowie lückenlos implementiert wird.“

Anwendungsspezifische Lösungen

Anwendungsspezifische Standards, die kompatibel und störungsfrei arbeiten, werden sicher die Akzeptanz der drahtlosen Kommunikation bei Anwendern erhöhen. Die Technik soll Probleme lösen, nicht weitere schaffen und insofern hofft Schwibach, dass Standards, Methoden und Tools, deren Vielfalt eigentlich keinen Zusatznutzen für die Anlagen und Prozesse bringen, weiter konsolidiert werden. Auch wenn es verschiedene Lösungen für unterschiedliche Aufgaben geben sollte, stellen sich die Frage nach der Kompatibilität und Koexistenz der Systeme. Wayne Magnes erklärt dazu, dass die ISA eine Gruppe von Standards entwickeln werde, die nicht notwendigerweise auf derselben Frequenz kommunizieren müssen. Schließlich gäbe es schon heute in der Kommunikationstechnik Geräte, wie Handys, die für mehrere Funkstandards ausgerüstet sind. Die Frage sei, ob das auch für industrielle Anforderungen möglich ist. Und wenn, wie von manchen gefordert, alle Geräte einer Anlage auf derselben Frequenz kommunizieren sollen, dann werde der fertige Standard veraltet sein noch bevor das erste Netzwerk installiert ist.

Eine Netzplanung ist unverzichtbar

Der einzige weltweit lizenzfrei nutzbare ISM-Frequenzbereich ist das 2,4GHZ Band. Anwendungen aus den Bereichen Logistik, IT oder der Office-Welt, wie Wlan und Bluetooth senden bereits auf diesem Frequenzband und die Forderung der Koexistenz ohne Störungen ist nicht trivial. Um verschiedene Netzwerke parallel zu betreiben, ist daher eine Planung unerlässlich. Dabei muss auf genügend Kanalabstand und die räumliche Anordnung geachtet werden. Ab einer gewissen Dichte stören sich die Netze, was sich auch in einem Verlust an Verfügbarkeit bemerkbar macht. Daher wird eine drahtlose Verbindung niemals die Sicherheit einer drahtgebundenen haben und die Verfügbarkeit ist geringer als bei kabelgebundenen Applikationen. Da Funktechnologien per se nicht deterministisch sind, müssen sie für Anwendungen in der Prozessindustrie kritisch geprüft werden, betont Martin Schwibach. Ziel der Anwender ist daher nicht, die kabelgebundene Technik zu ersetzen, sondern vielmehr Probleme zu lösen, wo kabelgebundene Techniken im Nachteil sind.

Ohne neue Stromversorgungskonzepte bleiben Sensoren an der Leine

„Doch die Wireles-Implementierung beschränkt sich keineswegs auf den Ersatz der Kabel. Viel wichtiger ist die Frage der Versorgung der Geräte. Das Power-Management ist das viel komplexere Problem als die Frage nach dem Übertragungsstandard,“ stellt Kegel die Wireless-Entwicklung dar. „Wenn wir es hin bekommen, einen Sensor über die gesamte Lebensdauer einer Anlage ohne Batteriewechsel mit Strom zu versorgen, ist ein wesentlicher Schritt getan.“ Denkbare Lösungen seien zum Beispiel polymerbasierte Photovoltaik oder batteriegepufferte Systeme. Um Wireless-Applikationen für die sicherheitsgerichtete chemische Industrie zu entwickeln, nutzen derzeit einige Hersteller die verfügbaren Wireless-Spezifikation. Doch „Echte Wireless-Geräte, die dem Wireless Hart Standard entsprechen, stehen de facto bislang noch von keinem Hersteller zur Verfügung. Der Standard ist noch gar nicht fertig, denn dazu gehört auch die Hardwareplattform wie der Chipsatz, der noch nicht soweit ertüchtigt ist,“ sagt Gunter Kegel. „Was wir derzeit anbieten, sind maximal Beta-Releases oder Prototypen. Diese liefern wir an bestimmte Kunden aus, um in Feldversuchen das Power-Management zu entwickeln.“

Fazit: Für einen übergreifenden Standard ist es nahezu unmöglich, allen Anforderungen von Seiten der Gesetze, der Technik und der Applikationen gerecht zu werden. Inwieweit die ISA in ihren Bemühungen um einen einheitlichen und von allen unterstützen Standard erfolgreich sein wird, bleibt abzuwarten. Der nächste Release ist für Dezember angekündigt. Doch neben der Standardisierung bleibt das Problem zu lösen, wie kabellose Sensoren mit Strom versorgt werden. Bislang stehen dafür noch keine sicheren und dauerhaften Konzepte zur Verfügung, so dass die Sensoren noch eine Weile an der Leine bleiben werden.

„Das Power-Management ist das viel komplexere Problem als die Frage nach dem Übertragungsstandard“
Dr. Gunter Kegel ist Vorsitzender des ZVEI Fachverbands Automation und Geschäftsführer von Pepperl+Fuchs

„Damit sich der Standard durchsetzen wird, muss sichergestellt werden, dass dieser eindeutig spezifiziert und überprüfbar ist sowie lückenlos implementiert wird “
Martin Schwibach ist Obman des Namur Arbeitskreises Wireless Automation und Senior Automation Manager bei BASF

Heftausgabe: Sonderausgabe Prozessautomatisierung 2008

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert, Redaktion
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