Mehr Flexibilität durch drahtlose Netzwerke

Um die Anlagenverfügbarkeit in Prozess- und Infrastrukturanlagen nachhaltig zu erhöhen, müssen oft einzelne Signale aus verteilten Anlagenteilen oder Mess- und Überwachungsstellen über weite Strecken übertragen werden. Schon heute werden hierzu verstärkt Funksysteme eingesetzt.

Im industriellen Umfeld eröffnet die Funktechnik neben den bekannten Vorzügen wie der Kosten- und Zeitersparnis durch den Wegfall der Kabelverlegung und der Erhöhung der Mobilität weitere Vorteile. So ist eine Trennung zwischen Ex- und Nicht-Ex-Bereich nicht mehr notwendig, da beide bereits durch die Funkstrecke separiert werden. Anlagenstörungen aufgrund von Potenzialunterschieden stellen wegen der systembedingten galvanischen Trennung ebenfalls kein Problem mehr dar.

Oft müssen kleine Funktionseinheiten wie Trafohäuser, Sensoren und Stellglieder oder Brunnen, die über mehrere hundert Meter bis zu einigen Kilometern verteilt sind, in das Unternehmensnetzwerk eingebunden werden. Hier erweist sich die Verlegung der Kabel im Außenbereich häufig als zeitaufwändig und teuer, wobei Umweltbedingungen wie Kälte, Regen, Schmutz oder korrosive Umgebungen zu beachten sind, die zu Schäden an den Leitungen führen können. Mit der Produktfamilie RAD-Line Wireless macht Phoenix Contact es möglich, die Installations- und Wartungskosten zu reduzieren, vorhandene Anlagen einfach zu erweitern und zu optimieren. Es handelt sich um robuste und zuverlässige Funkmodule für die analoge, digitale und serielle Datenübertragung. Die Module arbeiten mit der Trusted Wireless-Funktechnologie, die speziell für industrielle Anwendungen entwickelt wurde. Die im lizenzfreien 2,4GHz-Frequenzband betriebenen Komponenten zeichnen sich u.a. durch hohe Reichweiten, die Umsetzung vermaschter Netzwerkstrukturen sowie die Koexistenz vieler Systeme in einem räumlich begrenzten Umfeld aus. Durch die Nutzung des 2,4GHz-Bandes ist eine störungsfreie Signalübertragung im industriellen Umfeld gegeben, da typische elektromagnetische Störspektren von Frequenzumrichtern, Motoren oder Relais unterhalb des Frequenzbands liegen. Die erforderliche Robustheit und Zuverlässigkeit wird auch durch das FHSS-Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum) erreicht, das die Sendefrequenz auf Basis eines Frequenzsprungplans kontinuierlich wechselt. In Kombination mit der Verwendung eines effizienten schmalbandigen Protokolls steht so stets ein Kommunikationskanal im Frequenzband zur Verfügung. Außerdem lassen sich bis zu einige hundert Funksysteme gleichzeitig in räumlicher Nähe installieren, die sich nicht gegenseitig stören. Im Protokoll werden eine Netzwerk- und eine Security-ID mit übertragen, die einen unerlaubten Zugriff auf das Funknetzwerk verhindern.

Um Daten über lange Strecken weiterleiten zu können, nutzen die Wireless-Geräte eine applikationsorientierte Übertragungszeit. Je langsamer die Übertragung auf der Luftschnittstelle, desto höher ist die Energie pro Bit, also die Sendeleistung dividiert durch die Übertragungsrate, und umso größer die Reichweite. Hier berücksichtigt die Trusted Wireless-Technologie die Anforderungen der Prozesstechnik mit einer Zykluszeit von größer 20ms, innerhalb der die Signale ausgetauscht werden. Außerdem wird unnötiger Protokoll-Overhead vermieden, was eine geringere Datenmenge bedeutet. Der Einsatz getrennter Hochfrequenz-Schaltungsteile führt darüber hinaus zu einer hohen Empfängerempfindlichkeit, die die Werte von Standard-Bluetooth-Empfängern um etwa 30dB übersteigt.

Prozesstechnische Anlagen sind durch eine hohe Komplexität sowie die Ausbreitung über ein weitläufiges Gelände gekennzeichnet. Auf Basis eines ausgedehnten Funknetzwerks lassen sich mehr E/A-Daten einsammeln, größere Reichweiten überwinden, Hindernisse umgehen und zusätzliche Teilnehmer einbinden. Zur Umsetzung dieser Anforderungen hat Phoenix Contact mit den RAD-Line Serial-Funkmodulen eine Lösung entwickelt, die den Aufbau vermaschter Strukturen ermöglicht. In einem solchen Netzwerk kontrolliert ein Master bis zu 254 Repeater respektive Slaves im Feld. Die Slaves, über die E/A-Komponenten oder serielle Endgeräte angeschlossen werden, fungieren gleichzeitig als ,Verstärker', der Daten an weitere Funkmodule übermittelt. Auf diese Weise lassen sich Baum- oder Pipeline-Strukturen realisieren. Indem mehrere Funkmodule hintereinander geschaltet werden, sind größere Reichweiten oder Hindernisse wie Gebäude, Tankanlagen oder Rohrleitungen überbrückbar.

Im industriellen Umfeld ist eine hohe Verfügbarkeit der Maschine oder Anlage von entscheidender Bedeutung. Wird ein Funknetzwerk so geplant, dass sich mehrere Wireless-Module mit Repeater-Funktion innerhalb der Reichweite eines defekten Gerätes befinden, kommt eine weitere Eigenschaft von Mesh-Netzwerken zum Tragen: Die selbstheilende Roaming-Funktion der Funkkomponenten sorgt dafür, dass sich das Netzwerk eigenständig organisiert. Ist bspw. die Funkverbindung zu einem Teilnehmer im Netzwerk unterbrochen, wird über ein anderes Wireless-Modul eine alternative Kommunikationsstrecke zum Master aufgebaut. Das Funksystem lässt sich auf diese Weise einfach und flexibel um zusätzliche Teilnehmer erweitern.

Autor Dipl.-Ing. Jörg Brasas ist Mitarbeiter im Produktmarketing Interface bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.

Internet: www.phoenixcontact.com   

IT&PRODUCTION, 05-2009