Juni 2010

Wireless Hart bietet zahlreiche Vorteile:
  • Geringerer Stromverbrauch durch zeitsynchronisierte Kommunikation.
  • Zuverlässige und sichere Datenübertragung durch Kanalwechsel bei jedem Datenaustausch.
  • Verringerter Zeitaufwand für den Aufbau neuer und die Erweiterung bestehender Prozesseinheiten.
  • Für Wireless Hart können die gleichen Diagnose- und Wartungs-Tools wie bei herkömmlich verdrahteten Hart-Geräten genutzt werden.

Wesentliches Ziel bei der Entwicklung von Wireless Hart war das Erfassen zusätzlicher, zuvor nicht messbarer Diagnosedaten in den Anlagen. Der Funkstandard erfüllt dazu alle Anforderungen der Industrieumgebung an drahtlose Übertragungsverfahren hinsichtlich Zuverlässigkeit, Störungsunempfindlichkeit und Latenz. Darüber hinaus können die gleichen Diagnose- und Wartungs-Tools wie bei herkömmlich verdrahteten Hart-Geräten genutzt werden.

Geringer Stromverbrauch

Das gemäß IEEE 802.15.4 standardisierte Wireless-Hart-Protokoll sendet im weltweit verfügbaren 2,4-GHz-ISM-Band mit einem 10-mW-Funk-Transceiver. Aufgrund des Time Synchronized Mesh Protocol (TSMP), das die Redundanz und Failover-Funktionen in puncto Zeit, Frequenz und Raum sicherstellt, lässt sich ein Wireless-Hart-Netzwerk auch unter rauen Industriebedingungen betreiben. TSMP erlaubt darüber hinaus die Selbstorganisation und -heilung vermaschter Systeme. Der Anwender erhält ein Funknetzwerk mit kurzen Reichweiten von 50 bis 100 m, das ohne besondere Kenntnisse eingerichtet werden kann. Das Wireless-Hart-System passt sich automatisch an geänderte Umgebungsbedingungen an und ist bei Bedarf problemlos erweiterbar. Fünf TSMP-Funktionen ermöglichen eine zuverlässige Signalübertragung, einfache Installation sowie einen geringen Stromverbrauch:

zeitsynchronisierte Kommunikation,
Kanal-Hopping,
automatische Verknüpfung von Knoten und der Aufbau von Netzwerken,
die redundante vermaschte Weiterleitung der Signale,
eine sichere Nachrichtenübermittlung.

Aufgrund der zeitsynchronisierten Kommunikation weisen alle Geräte im Netzwerk die exakte Zeit auf und arbeiten daher synchron mit den benachbarten Geräten zusammen. Die gesamte Signalübertragung, die in einem geplanten Zeitfenster von 10 ms erfolgt, lässt sich somit einfach, Strom sparend und skalierbar umsetzen. Zur Kommunikation wird jeweils eine andere Frequenz verwendet (Kanal-Hopping). Auf diese Weise erhöht sich die effektive Bandbreite deutlich und der Stromverbrauch der Geräte wird reduziert, sodass sie über mehrere Jahre mit einer kleinen Batterie betrieben werden können.

Zuverlässige Datenübertragung

Das FHSS-Verfahren (Frequency Hopping Spred Spectrum) wechselt bei jedem Datenaustausch nach einem pseudozufälligen Muster automatisch den Kanal, damit Störungen im 2,4-GHz-Band toleriert und Signale weiterhin zwischen den Geräten übertragen werden. Bei jedem Kanalwechsel handelt es sich im Prinzip um eine schmalbandige Kommunikation innerhalb weniger Millisekunden, bevor ein neues Datenpaket über einen anderen Kanal weitergeleitet wird. Deshalb müsste es im gesamten Spektrum zu Störungen kommen, bevor die Funkverbindung ausfällt.

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) ist ein weiteres Frequenzsprungverfahren, das in den lizenzfreien ISM-Bändern eingesetzt wird. Ein DSSS-Funkteilnehmer mischt einen Teil der Anwendungsdaten mit einem Spreizcode, um die Funkübertragung auf das Frequenzspektrum zu verteilen. Zur Wiederherstellung der Daten wird der Code dann im Empfänger entfernt. Treten Störsignale im Frequenzband auf, werden die beschädigten Daten unterdrückt. Mit dem für die Übertragung genutzten breiteren Kanal können höhere Datenraten als mit FHSS erzielt werden. Allerdings ereignen sich häufiger Funkausfälle. Daher bietet sich eine Kombination beider Technologien an.

Hohe Zugriffssicherheit

Eine wichtige Eigenschaft von TSMP-Netzwerken ist die Selbstorganisation. Durch den Aufbau einer vollvermaschten Topologie verfügen alle Geräte über mehrere redundante Kommunikationspfade. Sie sind in der Lage, ihre Nachbarn zu erkennen, die Funksignal-Qualität zu messen sowie Daten zwecks Synchronisierung und Frequenz-Hopping zu sammeln. Eine Verbindung zu den benachbarten Geräten kann initiiert oder abgebrochen werden. Das Netzwerk weist eine eindeutige ID auf, die zur Verknüpfung von Knoten zu einem Netzwerk verwendet werden kann. So lassen sich mehrere Wireless-Hart-Systeme nebeneinander installieren, ohne Daten gemeinsam zu nutzen oder Nachrichten falsch zu übermitteln.

Die sichere Kommunikation über den Funkstandard wird durch drei Verfahren erreicht: Eine 128-Bit-AES-Verschlüsselung (Advanced Encryption Standard) unterbindet das Lesen der Daten durch unbefugte Dritte. Die Authentifizierung überprüft die Gültigkeit des Absenders, wobei die Quelladressen der Pakete mit einem 32-Bit Message Integrity Code (MIC) geschützt werden. Eine Integritätsfunktion stellt schließlich sicher, dass Nachrichten unverändert durch denselben MIC übertragen werden. Die pseudozufällige Sprungsequenz des Frequenz-Hoppings trägt zur weiteren Erhöhung der Sicherheit bei.

Wireless-Hart-Gerätetypen

Im Prinzip gibt es drei verschiedene Wireless-Hart-Gerätetypen: Adapter, Endgeräte und Gateways. Der Wireless-Hart-Adapter integriert ein verdrahtetes Hart-Gerät in ein Wireless-Hart-Netzwerk. Er wird mit den 4…20-mA-Drähten verbunden, um das Hart-Signal zu empfangen, während das 4…20-mA-Signal intakt bleibt. Der Adapter kann die Hart-Signale mehrerer Geräte aufnehmen. Seine Hauptaufgabe besteht im Sammeln der Hart-Daten eines Hart-Geräts, das an einen Host ohne Hart-Funktion angekoppelt ist.

Ein Wireless-Hart-Endgerät umfasst eine Einheit mit Mess- und Überwachungsfunktionen. Messstellen, die bislang aufgrund hoher Verdrahtungskosten oder schwieriger Umgebungsbedingungen nicht oder nur schwer erreichbar waren, können nun problemlos in das Netzwerk integriert werden. Das Wireless-Hart-Gateway setzt sich gemäß Hart-Standard aus drei Komponenten zusammen:

der Funkeinheit, die als Access Point die Verbindung zu den Feldgeräten herstellt;
dem Netzwerk-Manager, der für die Steuerung der vermaschten Verbindungen sowie für die Verwaltung der Sicherheit und Authentifizierung der Feldgeräte verantwortlich zeichnet;
dem Gateway, das als Portal zwischen dem Netzwerk oder Host-System der Anlage sowie dem Wireless-Hart-Netzwerk fungiert.

Die drei Komponenten können in einem Gerät kombiniert oder beliebig aufgeteilt sein.

Potentiale der Cluster-Bildung

Die Installation von Wireless-Hart-Netzwerken gestaltet sich aufgrund der begrenzten Zahl an Gerätetypen sowie der selbstorganisierenden Vermaschungsfunktion einfach. Wenn das Netzwerk wachsen soll, unterliegt die Technologie jedoch bestimmten Beschränkungen. In ausgedehnten Netzwerken werden in der Regel Geräte eingesetzt, die in der vermaschten Topologie mehr Frequenzsprünge (Hops) benötigen, um Daten zurück an den Host zu übertragen. Mit der Zahl der Hops nimmt auch die Latenz zu. Durch die geringe Reichweite der Funkeinheit müssen zusätzliche Geräte installiert werden, die als Repeater dienen. Im vermaschten Netzwerk werden Engpässe wahrscheinlicher, wobei ein Ausfall einen großen Teil des Netzwerks außer Betrieb setzen kann.

Eine Aufteilung großer Netzwerke in mehrere kleine Funkeinheiten bietet Vorteile. So reduziert die Cluster-Methode die Gesamtlatenz im Netzwerk, denn die Knoten müssen eine geringere Anzahl an Hops durchqueren, um das Gateway und anschließend den Host zu erreichen. Die Funkeinheiten sind weniger komplex und der Bedarf an Repeatern kann deutlich gesenkt werden. Auf diese Weise entsteht ein stabileres und zuverlässigeres Netzwerk, das keine Engpässe aufweist. Da auch die Beanspruchung der Router sinkt, verringert sich zudem die Belastung batteriegetriebener Geräte; dies reduziert den Wartungsaufwand.

Bei der Cluster-Methode kommt den Funktionen des Gateways eine besondere Bedeutung zu. Angesichts der geringen Reichweite von Wireless Hart setzt die Technologie voraus, dass die Gateways näher an den Feldgeräten montiert werden. Muss im Feld jedoch eine Kupfer- oder LWL-Leitung verlegt werden, entfällt ein erheblicher Teil der aus der Funkübertragung resultierenden Kosteneinsparung.

Merkmale des Gateway

Jetzt wurde ein Wireless-Hart-Gateway mit integriertem WLan-Transceiver entwickelt. Das RAD-WHG/WLan-XD, das auf einer 35 mm breiten Tragschiene aufgerastet ist, besteht aus einem Wireless-Hart-Access-Point, einem Netzwerk-Manager und einer Gateway-Schnittstelle mit einem WLan-Client. Über das Gateway können bis zu 250 Wireless-Hart-Feldgeräte in das Funknetz eingebunden werden. Die Funkkomponente wandelt die Hart-Daten dann zwecks einfacher Integration in beliebige Host-Systeme in Modbus TCP oder Hart UDP um. Die Verschlüsselung der WLan-Daten mit dem IEEE-802.11i-Standard (WAP2) und einer 128-Bit-AES sorgt für eine sichere Backhaul-Verbindung. Der WLan-Transceiver kann auch deaktiviert und die Host-Verbindung über einen kabelgebundenen Ethernet-Anschluss hergestellt werden. Alle Programmier- und Diagnosefunktionen lassen sich über den eingebauten Webserver aufrufen. Alternativ ist die Programmierung des Gateways per Hart-Handheld möglich.

infoDIRECT 1006ct610

 

Sie möchten gerne weiterlesen?

Unternehmen

Phoenix Contact Deutschland GmbH

Flachsmarktstraße 8
32825 Blomberg
Germany