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Drahtlose Datenübertragung mit Wireless HART

15.11.2011 -

Drahtlose Datenübertragung mit Wireless HART. WLAN, Bluetooth und andere kabellose Kommunikationstechnologien konnten sich im industriellen Bereich bisher nicht durchsetzen. Wireless HART hingegen erfüllt die Erwartungen der Prozessindustrie und ist dabei sich dort als drahtloser Standard zu etablieren. Die Argumente sprechen für sich.

Die aus dem Verbrauchermarkt bekannte drahtlose Kommunikation erschließt zunehmend industrielle Bereiche. Hier unterscheiden sich jedoch die Anforderungen an drahtlose Technologien stark vom nichtkommerziellen Einsatz, sodass bisher kein allgemeingültiger Standard in der Prozessindustrie existiert. Bekannte Standardtechnologien wie WLAN oder Bluetooth wurden angepasst; auch wurden proprietäre Systeme installiert, sodass unterschiedliche Lösungen parallel eingesetzt sind. Dies hat erhebliche Folgen, denn Planung, Integration und Wartung sind mit erhöhtem Aufwand und erhöhten Kosten verbunden.

Mit der Einführung der Wireless HART-Technologie wird sich das grundlegend ändern, denn damit steht ein einheitlicher Standard für die gesamte Prozessindustrie zu Verfügung.

Warum Standard?

Offene Standards können frei eingesetzt und gemäß der jeweiligen Spezifikation den eigenen Anforderungen angepasst werden. Zudem sollen Standards leicht anwendbar und so einfach wie möglich sein. Ist ein Standard akzeptiert und weit verbreitet, sind verschiedene Systeme, die auf diesem basieren, untereinander kompatibel. Wireless HART ist solch ein offener und interoperabler Standard, der sich verschiedenen Ansprüchen aus der Prozessindustrie stellt:

  • Wireless HART ist weltweit lizenzfrei einsetzbar. Hierzu wird der nahezu weltweit freie Frequenzbereich 2,4 GHz ISM-Band genutzt.
  • Bestehende Feldgeräte können für den Wireless HART-Einsatz kostengünstig aufgerüstet werden.
  • Wireless HART lässt sich so problemlos einsetzen wie drahtgebundene Systeme. Allerdings sind nun auch Anlagengebiete erreichbar, die mittels Kabel kaum bzw. nur mit hohen Aufwand zugänglich wären.
  • Vorhandene Werkzeuge und Prozesse können weiterhin genutzt werden, da Wireless HART auf dem HART Communication Protokoll basiert und abwärtskompatibel ist. Die Integration ist somit problemlos und der Schulungsaufwand minimal.

Definitionen

WLAN bietet eine Infrastruktur für drahtlose Geräte und ist vor allem für große Datenmengen sowie schnelle Verbindungen ausgelegt. So genannte WLAN Access Points finden sich an vielen öffentlichen Orten wie Flughäfen, Bahnhöfen oder Hochschulen und bieten eine drahtlose Verbindung ins Internet. Der energiesparende Betrieb hat hier eine untergeordnete Rolle. Ein Access Point hat eine Reichweite von 100m bis 200m, sodass größere Distanzen nur über mehrere Access Points realisiert werden können. Eine weitere Hürde des WLAN-Einsatzes in der Prozessindustrie ist, dass WLAN sehr IT-lastig ist und somit das anwendende Personal eingehend geschult werden muss.

Bluetooth wurde konzipiert, um geringe Distanzen zu überbrücken, z. B. als Kabelersatz zwischen zwei Geräten wie bei Handy und Headset. Es orientiert sich an geringe Datenraten und benötigt weniger Strom als WLAN. Die Geräte werden mittels Batterie betrieben, die durch die unmittelbare Zugänglichkeit durch den Benutzer leicht aufgeladen werden können. Seinen Schwerpunkt setzt Bluetooth auf direkte Verbindungen und weniger auf komplexe Netzwerke.

WLAN und Bluetooth sind für den industriellen Einsatz, vor allem in der Prozessindustrie, bedingt geeignet, denn sie wurden für wichtige Voraussetzungen und Anforderungen nicht konzipiert:

  • Zur Übermittlung von Temperatur, Füllstand oder Schaltzuständen werden nur wenige Bits benötigt – hohe Datenraten sind nicht notwendig.
  • 100 ms bis wenige Sekunden reichen als Update-Rate aus.
  • Die Sensoren sollen batteriebetrieben jahrelang autonom arbeiten
  • Große Distanzen müssen überbrückt werden, sodass eine Reichweite von mehreren 100m bis mehreren Kilometern möglich sein muss.
  • Eine absolut sichere Übertragung der Daten muss gewährleistet sein.

Vorteile

Die oben angeführten Aspekte sind im Standard IEEE 802.15.4 spezifiziert, der den Einsatz von Sensoren mit niedriger Leistung und geringen Datenmengen in einem Mesh-Netzwerk beschreibt.

Auf diesem Standard wurden weitere Protokollschichten aufgesetzt, sodass das Gerät nach außen hin – abgesehen vom Kommunikationsmittel – wie ein gewöhnliches HART-Gerät agiert. Sämtliche Werkzeuge und Prozesse können somit 1:1 von der HART-Umgebung übernommen werden. Die Vorteile sprechen für sich:

  • Wireless HART ist einfach zu handhaben,
  • erfordert wenig zusätzliches Fachwissen,
  • lässt sich leicht in bestehende Infrastrukturen integrieren und
  • garantiert eine maximale Übertragungssicherheit auf angewendete Verfahren.

Was ist ein Mesh-Netzwerk?

In einem Mesh-Netzwerk ist der Netzwerkteilnehmer mit einem oder mehreren anderen Teilnehmern verbunden, sodass mehrere redundante Routen vom Sender zum Empfänger entstehen. Das Wireless HART-Gateway verbindet das Wireless HART-Netzwerk mit dem Bussystem und dient als Organisator der drahtlosen Kommunikation.

In einem Wireless HART-Netzwerk können bis zu 250 Wireless HART-Teilnehmer vernetzt werden. Ein Teilnehmer kann ein Standardfeldgerät sein, das durch einen Wireless HART-Adapter aufgerüstet wurde, oder ein Wireless HART-Feldgerät, das bereits eine Wireless HART-Schnittstelle hat. Anwendungsgebiete Wireless HART findet seinen Einsatz und seine Berechtigung in vielen verschiedenen Anwendungen. Pumpen, Antriebe, Ventile und Kühlgeräte, die von vitaler Bedeutung sind, werden heutzutage nur rudimentär überwacht. Durch Wireless HART kann das Asset Management auf alle diese Betriebsmittel kosteneffizient ausgeweitet werden. Somit kann zum Beispiel kontrolliert werden, ob Pumpen im Betriebspunkt laufen oder kavitieren. Als vorbeugende Maßnahme werden über Wireless HART Füllstoffe von Betriebsmitteln überwacht oder Motoren, Pumpen und rotierende Teile diagnostiziert, um aufkommende Wartungsarbeiten rechtzeitig zu erkennen und um einen ungeplanten Anlagenstillstand zu vermeiden.

Wireless HART ist für die Anforderungen der Prozessindustrie maßgeschneidert. Es nutzt das bereits bekannte und bewährte HART-Protokoll und ist in bestehende Infrastrukturen einfach und nahtlos integrierbar. Wireless HART vereinigt erprobte Prinzipien mit modernster Kommunikationstechnologie und schlägt damit eine Brücke zwischen Innovation und Investitionssicherheit. Damit wird ein wertvoller Beitrag zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit geleistet.

Kontakt:
Gerrit Lohmann
Pepperl+Fuchs GmbH, Mannheim
Tel.: 0621/776-1151
glohmann@de.pepperl-fuchs.com
www.pepperl-fuchs.com

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