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WLAN-Lösungen für die drahtlose Datenkommunikation mit hohen Bandbreiten sind in Ex-Bereichen eine Herausforderung. Bild: christian42 – stock.adobe.com und R. Stahl

| von Kerstin Wolf, Marketing & Kommunikation, R. Stahl
  • Komponenten für drahtlose Kommunikationsnetzwerke mit Ex-Zulassung ermöglichen bislang meist kein leistungsstarkes zentrales Netzwerk-Management, während Geräte mit dieser Möglichkeit oft ungeeignet sind für industrielle Umgebungen, insbesondere explosionsgefährdete Bereiche.
  • Leistungsfähige und wirtschaftliche sowie einfach zu handhabende Funklösungen sind applikationsgerecht angepasste Schutzgehäuse und Anschlusslösungen für beliebige Antennen.
  • Kompakte Hochfrequenztrenner zur eigensicheren Funksignalwandlung ermöglichen den Einsatz von Standardantennen in den Ex-Zonen 1 und 2.

Nachdem Funknetzwerke als integraler Baustein der Industrie 4.0 besonders in der Logistik, der Maschinenwartung und -instandhaltung sowie der Produktionsüberwachung und Fertigungssteuerung Einzug gehalten haben, sind drahtlose Kommunikationsnetzwerke auch in der Prozessindustrie auf dem Vormarsch. Die Vorteile kommen hier speziell bei temporären Installationen, der Sensor/Aktor-Ausrüstung entlegener Anlagen und bei der Prozesskontrolle mit mobilen Endgeräten zum Tragen. Ein besonders relevantes Anwendungsfeld ist das Asset-Management, bei dem eine drahtlose Messwertermittlung die Zustandsbestimmung eingesetzter Produktionsmittel erheblich vereinfachen und die vorrauschauende Diagnostik verbessern kann.

Für industrielle Anforderungen steht heute eine Vielzahl verschiedener Funkstandards bereit, die abhängig vom Einsatzzweck ganz unterschiedliche Vorteile bieten. Für viele statische Sensor/Aktor-Anbindungen mit geringem Datenaufkommen eignen sich Sub-GHz- oder 2,4-GHz-Technologien wie Wireless-Hart, ISA100.11a, Lorawan oder auch Low Energy Bluetooth. Zur Kommunikation mit abgesetzten Produktionseinheiten oder hochmobilen Geräten empfehlen sich Technologien wie 3G, LTE, NB-IOT oder künftig 5G. Für eine schnelle und breitbandige Datenübermittlung zwischen mobilen Teilnehmern auf begrenztem Terrain hingegen sind leistungsstarke WLAN-Lösungen gemäß des IEEE 802.11-Standards, die auf ethernetbasierte Protokolle zugeschnitten sind, erste Wahl. Sie ermöglichen innerhalb von Produktionsbereichen eine unterbrechungsfreie Übergabe von Netzwerkteilnehmern von einem Access-Point zum nächsten.

Herausforderungen in Ex-Bereichen

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Die HF-isolator 9730 ermöglichen den sicheren Anschluss konventioneller Industrieantennen zur Funkvernetzung im Ex-Bereich und verhindern die Übertragung von niederfrequenten Signalen.

Da jedoch alle funkfähigen Betriebsmittel wie WLAN Access Points, Mobilfunk-Komponenten oder auch RFID-Lesegeräte und Antennen nach geltenden Ex-Schutz-Richtlinien grundsätzlich potenzielle Zündgefahren darstellen, erfordert deren Einsatz in Ex-Bereichen einen passenden, auch die Schnittstellen einschließenden Zündschutz. Zwar können elektromagnetische Felder in der Regel kein explosionsfähiges Gemisch entzünden, solange die Funkquelle nicht mit Sendeleistungen von mehreren Hundert Watt arbeitet. Es besteht aber die Gefahr, dass die Felder in unzureichend EMV-geschützten Metallobjekten oder elektronischen Schaltungen Ströme induzieren, die zur Funkenbildung führen. Deshalb definiert die internationale Norm IEC EN 60079-0 Grenzwertanforderungen für Funksignale im Ex-Bereich. Die Norm fordert neben der Einhaltung von Grenzwerten im Normalbetrieb auch eine Fehlerfallbetrachtung für Geräte in Zone 1, die Explosionsgefahren durch Kurzschlüsse, Nebenschlüsse oder Unterbrechungen berücksichtigt.

Während der Fertigungsindustrie heute ein großes Angebot geeigneter industrietauglicher Netzwerkkomponenten zur Verfügung steht, ergeben sich für Betreiber prozesstechnischer Anlagen, die bei der Suche nach geeigneten Betriebsmitteln auch den Explosionsschutz berücksichtigen müssen, spezielle Herausforderungen. Die erforderlichen Funkkomponenten für den Betrieb in der Ex-Zone 1 sind meist durch spezielle Gehäuse geschützt. Zum Einsatz nicht speziell zugelassener WLAN-Standardgeräte in Ex-Bereichen bietet sich ihr Einbau in druckfeste oder mit Überdruck gekapselte Gehäuse an, die den Zündschutzarten Ex d oder Ex p entsprechen. Damit ist allerdings noch nicht die „Antennenfrage“ geklärt, denn die meisten entsprechend gekapselten Gehäuse bestehen aus Metall, das die elektromagnetische Strahlung der Antenne stark abschirmt. Während sich RFID-Lesegeräte oder Bewegungsmelder aufgrund ihrer gerichteten Antennen in Ex-d-Gehäusen hinter einer Glasscheibe platzieren lassen, standen anfangs für die omnidirektionale Abstrahlung nur ex-zertifizierte externe Antennen in sehr begrenzter Auswahl zur Verfügung. Zudem erschweren ihre explosionsschutzbedingten Bauformen ohne die sonst üblichen Standard-Steckverbinder eine flexible Installation und die Wartung. Für die zuverlässige Funktion der Funkverbindung ist jedoch der Einsatz einer auf die Anwendung abgestimmten Antenne ein entscheidendes Kriterium.

Sicherer Anschluss industrietauglicher Antennen

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Explosionsgeschützt gekapselte Funksysteme für eine einheitliche WLAN-Vernetzung bis in Zone 1...

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... und Gehäuselösungen für WLAN-Installationen in Zone 2 . Bilder: R. Stahl

Auf Grundlage eines umfangreichen Gehäusesortiments und passender HF-Trenner stellt der Explosionsschutz-Experte R. Stahl Lösungen zum Einsatz konventioneller WLAN-Hardware in den Ex-Zonen 1 und 2 bereit, die nicht mit den üblichen Flexibilitäts- und Kostennachteilen herkömmlicher Antennenlösungen behaftet sind. Zur sicheren Kapselung potenziell gefährlicher WLAN-Access-Points in Zone 1/21 hat der Anbieter zunächst projektspezifisch dimensionierte, druckfest gekapselte Gehäuse für Geräte von Herstellern wie Cisco und Aruba in Schutzart Ex d konfektioniert. Ein separierter, in Ex e ausgeführter Anschlussraum gestattet den unkomplizierten Anschluss von CAT-Kabeln oder Lichtwellenleitern. Dafür sorgen auch die für den Einsatz in Ex-Zone 1 entwickelten Ethernet-Klemmen und LWL-Spleißkassetten.

Zudem verfügen die geprüften und für den weltweiten Einsatz zertifizierten Gehäuselösungen über eigensichere Durchführungen zum externen Anschluss beliebiger industrietauglicher Antennen. Für diesen Zweck hat der Hersteller kompakte Hochfrequenztrenner der Reihe 9731 für Frequenzbereiche von 150 MHz bis zu 8 GHz im Programm, die außer WLAN (WiFi) diverse andere Funkstandards wie Bluetooth, Lorawan, Wireless-Hart und ISA100.11a unterstützen. Die Hochfrequenztrenner verhindern, dass niederfrequente Signale im Fehlerfall übertragen werden, und führen den externen Antennen nur Signale auf eigensicherem Niveau entsprechend Ex ia IIC zu. Zugleich vereinfachen sich Installation und Handhabung der Lösungen deutlich, da Wireless-Geräte und externe Antennen nicht mehr mit unflexiblen Leitungen ohne Steckverbinder zu verbinden sind. Stattdessen lassen sich konfektionierte Verbindungskabel bei Bedarf einfach anstecken oder abziehen. Noch einfacher ist es, die Antenne direkt auf die Gehäusedurchführung zu montieren.

Viele Unternehmen verwenden bereits WLAN-Netzwerke in ihren Verwaltungs- und Logistikbereichen. Da die Funknetze erst dann maximalen Nutzen bieten, wenn sie firmenübergreifend homogen sind und sich zentral administrieren lassen, empfehlen die IT-Verantwortlichen in der Regel eine durchgängig abgestimmte Hardware. Eine andere Hürde ergibt sich durch das nachvollziehbare Ziel, Zusatzaufwand durch Lieferantenwechsel und Änderungen der Wartungsstrategien zu vermeiden. Daher sind viele Anwender bestrebt, bei Erweiterungen ihres WLAN-Netzwerkes in die Produktionsbereiche identische Geräte zum Einsatz zu bringen. Diese Geräte besitzen im Regelfall aber keine Ex-Zulassungen, was bisher dazu führte, dass diese Geräte auch für den Einsatz in der Zone 2 durch ein Ex-d-Gehäuse geschützt werden mussten.

Gehäuselösungen für Zone 2

Für Installationen in Zone 2 mussten Anwender bislang meist identische Gehäuse und Konfigurationen wie für Zone 1 verwenden – einschließlich desselben Installations- und Kostenaufwands. Eine wirtschaftliche Alternative bieten die schwadensicheren Gehäuse der Serie 9851 von R. Stahl. Die Kunststoffgehäuse sind in Zündschutzart Ex nR ausgeführt und beschränken das Eindringen explosionsfähiger Atmosphären auf ein ungefährliches Maß. Wie die Gehäuse für Zone 1 verfügen sie über einen abgesetzten ex-ec-geschützten Anschlussraum, der den Verkabelungsaufwand minimiert. Aufgrund der neuartigen Kombination von Ex-nR-Gehäusen zum Schutz der IT-Technik mit einem separaten Anschlussraum kann ihre Dichtigkeit bereits werksseitig geprüft werden und eine Überprüfung vor Ort entfallen. Der Anwender nutzt lediglich den Anschlussraum. Die in verschiedenen Größen erhältlichen Kunststoffgehäuse sind im Vergleich zu Ex-d-Lösungen bis zu 70 % leichter und deutlich montagefreundlicher. Zudem erlaubt das Gehäusematerial den problemlosen Einbau von Funkmodulen, die wie viele WLAN- oder RFID-Lesegeräte lediglich über interne Antennen verfügen.

Der Systemanbieter für die ex-geschützte Vernetzung führt außerdem ein großes Sortiment eigener Geräteentwicklungen und Netzwerkkomponenten wie Remote I/O-Systeme mit Ethernet-Schnittstellen für Zone 1 und 2, kompakte WLAN Access Points für Zone 2, VM-fähige, ex-geschützte Thin Clients oder für Zone 1 zertifizierte CCTV-Kameras im Sortiment. Explosions­geschützte Anschlusskomponenten zur Ethernet-Vernetzung per Kupferkabel oder LWL – zum Beispiel GBit/s-Ethernet-Klemmen, optisch eigensichere Medienkonverter und Switches oder Spleißboxen in Schutzart „Ex op pr“ – komplettieren das Angebot.

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