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Wireless-Technologien

Wireless-Technologien bieten in der Prozessautomatisierung völlig neue Möglichkeiten

18.10.2007 | Autor / Redakteur: Ralf Küper / Gerd Kielburger

Kabellose Technologien eröffnen Möglichkeiten, die Anwender mit herkömmlich verkabelten Systemen nicht realisieren können.
Kabellose Technologien eröffnen Möglichkeiten, die Anwender mit herkömmlich verkabelten Systemen nicht realisieren können.

Viele von uns profitieren jeden Tag von kabellosen Technologien, wenn wir z.B. das Mobiltelefon nutzen oder über „wireless hot spots“ kabellos im Internet surfen. Für industrielle Anwendungen wurde die kabellose Technologie bisher nur in ausgewählten Bereichen der Prozessindustrie eingesetzt.

Für den Umstand, dass kabellose Technologien bisher noch nicht in großem Maße in der Prozessautomatisierung eingesetzt wurden, gibt es mehrere Gründe. Die Auswahl an Sensoren und Transmittern für die Ermittlung von Daten war bisher stark beschränkt, und auch die Zuverlässigkeit war ein Thema. Die Technologie berücksichtigte nicht den Wunsch der Kunden nach Sicherheit oder effektivem Betrieb von Feldgeräten. Es gab weder Normen noch eine einheitlich technologische Plattform für kabellose Technologien. Anlagenbetreiber und -bediener konnten bisher nur proprietäre Punkt-zu-Punkt-Lösungen erwerben und aufbauen.

Durch die jüngsten technologischen Weiterentwicklungen ändert sich dies nun. Die erst kürzlich eingeführte Smart-Wireless-Lösung von Emerson Process Management veranschaulicht diesen Durchbruch, damit dieser Lösung die digitale PlantWeb-Anlagenarchitektur des Unternehmens ausgebaut und losgelöst wird, indem kabellose Netzwerke aus Produkten der Familie der Intelligenten Feldgeräte (Intelligent Field Devices) aufgebaut werden. Die kabellosen Netzwerke sind dabei als offene Lösungen ausgelegt, sie erlauben eine Vielzahl von Messverfahren, wobei Steuerungsmöglichkeiten bereits integriert sind. Die Einbindung in digitale Automatisierungssysteme und die Asset Management-Software mit vorausschauender Wartung verläuft problemlos.

Vorteile kabelloser Technologien

Die kabellosen Technologien eröffnen Möglichkeiten, die Anwender mit herkömmlich verkabelten Systemen nicht realisieren könnten. Die kabellose Technologie ermöglicht den Zugang zu Geräten, die sich an schwer zugänglichen, unbesetzten Stellen befinden und öffnet tote Bereiche einer Anlage, an denen Messungen nicht so oft durchgeführt werden, wie es eigentlich notwendig wäre. Durch die Überwindung von anlagenbedingten Hürden, die eine teure Verkabelung erfordern, können die Installationskosten um 90 Prozent gesenkt werden. Es gibt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise den Wegfall von bisher manuell durchgeführten Inspektionen, inkrementelle Messpunkte und Messungen von rotierenden oder beweglichen Anlagenteilen etc. Die Installation ist einfach – bei kabellosen Netzwerken müssen keine Kabel zu jedem Gerät verlegt werden. Durch den Einsatz von Feldgeräten, die abgesehen vom kabellosen Anschluss in Aufbau und Funktion denen gleich sind, die an anderen Stellen in der Anlage verwendet werden und auch gleiche Prozessanschlüsse haben, sind die Techniker bereits mit allem vertraut. Sie können bestehende Verfahren verwenden, um die Installation fertig zu stellen, und können auch die Kalibrierung des Sensors mit der gleichen Werkzeugkonfiguration durchführen wie bei traditionell verkabelten Hart-Geräten.

Industrielle Einsatzgebiete

Es stehen verschiedene kabellose Technologien zur Verfügung, nicht alle sind jedoch für die rauen Umgebungsbedingungen geeignet, die an den meisten Kundenstandorten anzutreffen sind, einschließlich der unvermeidlichen „Berge an Metall“, die man überall findet und die zwangsläufig Probleme für kabellose Signale mit sich bringen.

Um diese speziellen Anforderungen zu erfüllen, hat Emerson seit 1998 aktiv Forschung und Entwicklung im Bereich der auf offenen Standards basierenden kabellosen Kommunikation von Feldgeräten in Prozessanlagen betrieben und verschiedene Technologien getestet sowie umfangreiche Versuche beim Kunden durchgeführt.

Selbstverständliche Grundlage dabei: Eine hohe Netzwerkzuverlässigkeit, die als Prozentsatz der Meldungen ausgedrückt wird, die tatsächlich ihre Zieladresse erreichen, ist in jeder Prozessanlage unerlässlich. Auf den ersten Blick könnte man denken, dass die Natur der kabellosen Technologie Risiken in Bezug auf die Zuverlässigkeit birgt. Die typische Anlage verfügt über viele Einrichtungen, die diese Übertragung unterbrechen könnten – von vorübergehend aufgebauten Baugerüsten bis zu Hochfrequenzstörungen, die durch andere Geräte in der Nähe verursacht werden. Diese Unterbrechungen können ein Problem für kabellose Punkt-zu-Punkt-Netzwerke darstellen, bei denen jedes Gerät immer einen direkten Kommunikationspfad im Sichtbereich zum zugewiesenen Gateway haben muss. Daher ist es nicht überraschend, dass Punkt-zu-Punkt-Lösungen eine effektive Zuverlässigkeit von lediglich 40 Prozent aufweisen können.

Anwender erwarteten von jeder Anwendung auch niedrigere Installationskosten und einfachen Einsatz ohne Einbindungsschwierigkeiten oder spezielle Anforderungen an die Schnittstellen. Auch hier ist es nicht überraschend, dass Kunden den großen Wunsch nach standardisierten Lösungen äußern.

Eine andere Anforderung der Anwender war, dass sie ihre Wartungsgewohnheiten nicht ändern wollten. Also mussten die kabellosen Geräte einen niedrigen Stromverbrauch mit langlebigen Batterien aufweisen. Kunden suchen auch nach Lösungen, mit denen man nicht nur überwachen kann. Sie wollen kostengünstige Überwachungslösungen, die aber auch für Steuerungsaufgaben ausreichend robust sind.

Nach umfangreichen Tests und dem Feedback der Kunden kam Emerson zu dem Schluss, dass das selbstorganisierende Netzwerk eindeutig die beste Technologie für In-Plant-Smart-Wireless-Lösungen sei.

Selbstorganisierendes Netzwerk

Die „Smart Wireless”-Lösungen von Emerson nutzen erstmalig in der Branche die selbstorganisierende Netzwerktechnologie. Smart Wireless beinhaltet TSMP (Timely Synchronised Mesh Protocol), die nächste Generation der selbstorganisierenden Technologie, die beim Kunden getestet und geprüft wurde. Das TSMP Protokoll, IEEE 802.15.4 mit Kanalwechsel (channel hopping) wurde so ausgelegt, dass es unempfindlich gegen fast alle Arten von Störungen ist, was sich in Feldversuchen auch erwiesen hat. Es kann neben anderen kabellosen Netzwerken bestehen, die der Kunde möglicherweise in seiner Anlage hat. Es handelt sich um ein hoch skalierbares System, das eine Sekunde bei niedriger Latenzzeit scannen kann (die Latenzzeit ist die Verzögerung bei der Verarbeitung von Daten).

Wenn ein selbstorganisierendes Netzwerk ausgebaut wird, werden neue Geräte automatisch verbunden. Befindet sich ein neues Gerät nicht innerhalb des Bereichs eines Gateway, werden dessen Meldungen über andere Geräte geleitet, bis sie ihre Zieladresse erreichen. Dadurch sind sie einfach zu installieren. Umfangreiche Überprüfungen des Standorts sind nicht erforderlich, und sobald ein Gerät installiert ist, ist es betriebsbereit. Falls die Kommunikation zwischen Geräten durch irgendetwas unterbrochen wird, erkennt das selbstorganisierende Netzwerk das Problem und leitet die Meldungen automatisch über den nächstbesten Pfad weiter. Dadurch liegt die Zuverlässigkeit bei mehr als 99 Prozent.

Die robuste kabellose Technologie kann auch für bestimmte Steuerungsarten verwendet werden – insbesondere dort, wo die ausgewählte Lösung Anforderungen in Bezug auf die Latenzzeit und Aktualisierung der Anwendung erfüllen kann. Dazu gehören typischerweise Steuerungsanwendungen mit offenem Regelkreis und unkritische Steuerungen, die für die zurzeit erreichbare Latenzzeit unempfindlich sind.

Eines der Ziele, die Emerson mit dem Angebot der Wireless-Technologie verfolgte, war die Entwicklung kostengünstiger Lösungen für die Überwachung, die aber auch ausreichend widerstandsfähig für Steuerungsaufgaben sind. Diese Smart-Wireless- Lösungen wurden für die SP-100 Klassen 1-5 ausgelegt und für die Klassen 3-5 von Anwendern bereits erprobt. Diese Lösungen ermöglichen die Steuerung und Überwachung mit ein und demselben Netzwerk.

Sicherheit

Bei den umfangreichen Untersuchungen bei Kunden und in Feldversuchen wurde deutlich, dass Anwender sich über den Schutz und die Sicherheit der Prozessdaten Sorgen machen. Entsprechend muss jede kabellose Lösung auf Sicherheit ausgelegt sein. Sicherheit kann am wirksamsten umgesetzt werden, wenn Verschlüsselung, Authentifizierung, Verifizierung, einfache Anwendung und Entstörung berücksichtigt werden. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, hat Emerson sein Sicherheitskonzept mit Kunden, Experten sowie dem Ministerium für innere Sicherheit der USA geprüft.

Standards und Produkte

Emerson hat sich zu offenen Standards und Normen verpflichtet, und Wireless stellt da keine Ausnahme dar. Dazu gehört die aktive Teilnahme an Wireless Hart sowie ISA SP-100 Ausschüssen. Der Wireless-Hart-Ausschuss arbeitet derzeit an der Entwicklung eines Standards, der auf die kabellose Technologie in der Prozessautomatisierungsindustrie ausgerichtet ist und die mehr als 20 Millionen installierten Hart-Geräte abdecken kann.

Die Wireless-Hart-Spezifikation wurde von der Hart Communication Foundation Anfang September bestätigt. Der SP-100 Ausschuss hat jüngst für industrielle kabellose Netzwerke für eine Vielzahl von Branchen wie Luftfahrt, Automatisierung, Prozessautomatisierung etc. einen Standard erarbeitet. Dieser neue Standard richtet sich auf die gesamte Architektur vom Sender bis zur Leitwarte.

Zu den aktuellen Produkten des Smart- Wireless-Angebots gehören Transmitter zur Füllstandmessung, Durchflussmessung, Druckmessung und Temperaturmessung. Ebenso sind Gateways zur Übertragung von Wireless-Daten an einen Host und zur übergangslosen Einbindung der Informationen in ein Prozessleitsystem unter Verwendung einer Vielzahl von gängigen Protokollen einschließlich OPC, Ethernet und Modbus erhältlich.

Diesen Produkten werden in Kürze kabellose Durchflussmessgeräte, analytische Messgeräte und digitale Ventilsteuerungen sowie ein Wireless Hart Upgrade Modul für bestehende Installationen folgen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, bereits installierte Hart-Feldgeräte über eine kabellose Verbindung an das Leitsystem anzubinden und somit bisher nicht erfasste Diagnosefunktionalitäten zu nutzen.

Der Einstieg

Die In-Plant Smart-Wireless-Lösungen sind jetzt nach drei Jahren andauernder und strenger Feldversuche erhältlich. In dieser Zeit haben sie sich bewährt, und es hat sich herausgestellt, dass sie die Hauptanforderungen der Kunden erfüllen. Sie sind einfach einzusetzen, bieten eine Zuverlässigkeit von mehr als 99 Prozent und können problemlos in Host-Systeme eingebunden werden. Außerdem hat Emerson den Kunden den Einstieg mit dem SmartPack Starter Kit leicht gemacht, das Anwender einsetzen können, um Erfahrungen mit kabellosen Systemen zu sammeln, ohne ihre Infrastruktur festzulegen. Das SmartPack kommt vorkonfiguriert zum Anwender, um sofort ein sicheres und robustes selbstorganisierendes kabelloses Netzwerk aufzubauen. Das SmartPack gibt es mit 5, 15 oder 25 kabellosen Rosemount Geräten und einem Gateway. Es enthält außerdem die bekannte Software AMS Suite: Intelligent Device Manager von Emerson für den Zugang zur vorausschauenden Diagnose über das kabellose Gateway.

Die Einführung dieser neuen Produkte bedeutet, dass es jetzt für die meisten Anwender möglich ist, kabellose Lösungen in ihren Anlagen zu testen und kabellose Anwendungen zu finden, die ihre Geschäfte positiv beeinflussen und Probleme lösen, die sie zuvor aufgrund der Einschränkungen, die Leitungen mit sich bringen, nicht lösen konnten.

Der Autor ist Mitarbeiter bei Emerson Process Management, Wesseling.

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