WirelessHART Der drahtlose Standard für die Prozessautomation

Autor / Redakteur: David Garces / Ines Stotz

Das Kommunikationsprotokoll HART ist in der Industrie weit verbreitet. Denn es bietet eine kostengünstige, komfortable und robuste Technik mit großem Funktionsumfang und ist einfach in jede Anlagenumgebung zu implementieren. Darauf setzt die HART Communication Foundation nahtlos mit der WirelessHART-Technologie zur drahtlosen Kommunikation auf.

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Die WirelessHART-Technologie eröffnet zusätzliche Möglichkeiten zur Erschließung von Anlagenbereichen, bei denen eine Anbindung über herkömmliche leitungsgebundene Systeme bislang technisch schwierig zu realisieren oder mit zu hohen Kosten verbunden war. Gleichzeitig setzt WirelessHART die im Feld installierte Basis an klassischen HART-Technologien und -Produkten optimal ein, indem es sicherstellt, dass diese Geräte gleichermaßen auch an einem Wireless-Netzwerk teilnehmen können. Ein WirelessHART-Gerät verwendet dieselbe Kommandostruktur wie 4-20 mA basierte HART-Geräte und arbeitet mit denselben Softwareanwendungen und entsprechenden anderen Tools.

Die WirelessHART-Technologie kann Anlagenbereiche erschließen, bei denen eine Anbindung über herkömmliche leitungsgebundene Systeme bislang technisch schwierig zu realisieren oder mit zu hohen Kosten verbunden war (Archiv: Vogel Business Media)

WirelessHART bildet eine Erweiterung eines verbreiteten Industriestandards, wobei es die einfachen Abläufe und Praktiken aus der verdrahteten Umgebung übernimmt. Die gleichen Tools, die für leitungsgebundene HART-Geräte eingesetzt werden, lassen sich problemlos durch einfaches Hinzufügen neuer Gerätebeschreibungsdateien an WirelessHART-Geräte anpassen. Hierbei wird die bestehende Erfahrung und Kompetenz in Bezug auf die Verwendung von HART gezielt dazu genutzt, den Schulungsaufwand wie auch den Wartungs- und Supportaufwand zu minimieren.

Dieser Beitrag fasst die wichtigsten technischen Aspekte von WirelessHART in einem Überblick zusammen und erläutert ihr Zusammenspiel bei der Realisierung eines einfachen, zuverlässigen und sicheren Kommunikationsnetzwerks.

Drahtlose Kommunikation

WirelessHART nutzt das weltweit lizenzfreie 2,4-GHz-ISM-Band. Über dieses Frequenzband können WirelessHART-Geräte überall auf der Welt betrieben werden. Die dazu eingesetzten Funkgeräte entsprechen der Norm IEEE 802.15.4, die zur Gewährleistung zuverlässiger, robuster und energiesparender drahtloser Kommunikation definiert wurde.

Bei einer maximalen Ausgangsleistung von zehn mW erreichen WirelessHART-Geräte normalerweise eine Single-Hop-Reichweite von 100 m im Außenbereich bzw. 30 m im Innenbereich. Da alle Geräte gleichzeitig als Router fungieren, erhöht sich die Netzabdeckung mit jedem Hop.

Um für eine robuste Funkübertragung zu sorgen, kombiniert WirelessHART die beiden Verfahren DSSS und FHSS. Das 2,4-GHz-Band ist in 16 Frequenzkanäle mit jeweils fünf MHz aufgeteilt. Das Spreizverfahren Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) bietet ein Modulationsschema, das die gesamte verfügbare Bandbreite im jeweiligen Kanal nutzt. Durch dieses Spreizverfahren wird die Robustheit des Signals gegenüber schmalbandigen Störungen verbessert. Bei dem Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) handelt es sich um ein Verfahren, mit dem der für die Funkkommunikation verwendete Frequenzkanal gewechselt wird. Da auch andere Wireless-Systeme wie Wi-Fi oder Bluetooth auf dem 2,4-GHz-Band eingesetzt werden könnten, ist FHSS erforderlich, um Kanalüberlappungen zu vermeiden und eine Koexistenz mit diesen Systemen zu ermöglichen.

Zeitsynchronisation

Das Zeitmultiplex-Verfahren TDMA (Time Division Multiple Access) bestimmt das Zeitraster für Übertragungen über das Netzwerk. Hierzu wird die Zeit in einzelne Time-Slots (Zeitschlitze) mit jeweils zehn ms eingeteilt. Eine Gruppe von Time-Slots bildet einen sogenannten Superframe. Hierbei handelt es sich um einen Zeitrasterplan, der sich periodisch wiederholt. Zwei WirelessHART-Geräte, die in einem bestimmten Time-Slot des Superframes miteinander kommunizieren, werden dementsprechend auch im selben Time-Slot des nächsten Superframes miteinander kommunizieren.

Innerhalb eines Time-Slots kommunizieren nur zwei Geräte aktiv auf einem Frequenzkanal (der eine als Sender und der andere als Empfänger), wodurch Kollisionen vermieden werden. Alle anderen Geräte befinden sich typischerweise im Standby-Zustand, was den Energieverbrauch senkt. Besteht keine Direktverbindung zwischen einem Feldgerät und dem Gateway, lässt sich die Latenz von Feldgerät zu Gateway dadurch reduzieren, dass die Time-Slots intelligent an Geräte vergeben werden, die als Router auf dem Kommunikationsweg zur Verfügung stehen.

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