Die 3D-Simulation von WirelessHART-Netzwerken bietet besondere Vorteile überall dort, wo es sich um große Anlagen mit komplexen Kommunikationswegen handelt, die teilnehmenden Geräte räumlich weit verteilt sind, das Anlagenumfeld die Funkausbreitung sehr heterogen gestaltet oder Messwertabfragen und Repeater in unterschiedlichen Höhen und Ebenen installiert werden müssen.

Das 3D-Planungstool WiNC (Wireless Network Checker) von Pepperl+Fuchs simuliert und visualisiert bereits in der Planungsphase die Funkausbreitung im Netzwerk anhand der baulichen Gegebenheiten vor Ort. Frühzeitig kann so per grafischer Netzwerkanalyse die Anzahl sowie die idealen Installationsorte von WirelessHART-Komponenten bestimmt werden. Auf diese Weise wird der Geräteeinsatz optimiert, d. h. Hardware gespart, sowie für den späteren Betrieb eine zuverlässige Netzwerkkommunikation einschließlich redundanter Übertragungspfade sichergestellt. Dadurch ist das gesamte Funknetzwerk bereits in der 3D-Simulation vom Investitionsumfang her planbar - ohne nachträgliche Überraschungen durch zusätzlich erforderliche Anschaffungen beispielsweise von Repeatern.

3D-Simulation mit CAD-Anlagendaten

Damit die 3D-Simulation alle übertragungsrelevanten Umweltfaktoren in der Anlage berücksichtigen kann, muss diese zunächst modelliert werden. Hierzu umfasst die Planungssoftware zum einen das Modeling-Tool WiNCMod, mit dem der Anwender 2D- und 3D-Daten aus vorhandenen CAD-Programmen direkt importieren kann. Sollten keine CAD-Daten der Anlage vorhanden sein, kann die Anlage mit WiNCMod auf einfache Weise auch selbst erstellt werden. Vorkonfigurierte, typische Anlagenteile können per Mausklick ausgewählt und zusammengefügt werden. Ist das 3D-Modell fertig, werden den einzelnen Anlagenbestandteilen noch ihre Materialien, z. B. Stahl, Beton oder Stein, zugeordnet, da diese einen wesentlichen Einfluss auf die Reichweiten und die Funkwellenausbreitung haben. Die WirelessHART Geräte, z. B. Adapter, Gateways, Repeater oder Temperatur-Messumformer, und ihre ungefähre Anzahl werden in dem Gateway DTM (Device Type Manager), der in PACTware läuft, angelegt und benannt. Jetzt übernimmt WiNCSim - das Simulationstool der 3D-Planungssoftware - die Daten, die per CSV-File aus dem Gateway DTM importiert werden. Der Anwender platziert die WirelessHART-Komponenten unter Berücksichtigung der Einbauhöhe im optimalen Abstand zueinander im Anlagenplan. Der Simulationstest zeigt auf, ob die eingeplanten Repeater eine vollständige Funkabdeckung gewährleisten und die Geräte im richtigen Abstand zueinander vorgesehen sind.

Mit Algorithmus zur Netzwerkperformance

Grundlage der 3D-Simulation ist ein von Pepperl+Fuchs entwickelter Raytracing-Algorithmus. Um die Qualität der Verbindung abzuleiten, werden die Empfangsstärken der Funksignale jedes Teilnehmers innerhalb des Netzwerkes durch den Algorithmus berechnet. Die Ergebnisse werden grafisch dargestellt und zeigen alle grundsätzlich möglichen Kommunikationspfade auf - ebenso wie die Empfangsfeldstärken der einzelnen Sensoren und die Summenfeldstärke aller Geräte des Funknetzwerks. Auf einen Blick ist nun zu erkennen wie groß die Reichweite der einzelnen WirelessHART-Komponenten ist, wo Repeater zu besseren Netzabdeckung eingesetzt werden müssen und ob Funklöcher bzw. Funkschatten vorhanden sind. Nach dem Einfügen zusätzlicher Netzwerkteilnehmer wird die optimierte Anzahl von Geräten per CSV-Tabellendatei aus der Simulationssoftware in den Gateway DTM importiert. Außerdem wird das Anlagenbild in PACTware importiert, so dass mit den exakt auf dem Bild platzieren Geräten ein vollständiger Überblick über die gesamte WirelessHART-Netzwerktopologie verfügbar ist.

Der Planungskreislauf schließt sich

Der Einsatz der 3D-Simulationssoftware verzahnt die verschiedenen Bereiche der WirelessHART-Netzwerkauslegung. Während der Anlagenplaner für das Erstellen der Anlage verantwortlich ist, platziert der Funkplaner die verschiedenen WirelessHART-Geräte, simuliert deren Kommunikation untereinander und optimiert das Netzwerk. Danach können die Geräte entsprechend dem Ergebnis der Simulation in der Anlage verbaut und in Betrieb genommen werden - der Planungskreislauf hat sich geschlossen.

Die frühzeitige Auslegung und Optimierung der Netzwerktopologie sowie der Datenübertragung zwischen den Teilnehmern reduziert den Zeitaufwand für die Planung erheblich. Eine Standortbegehung, um Reichweiten zu ermitteln oder die Platzierung von Repeatern zu prüfen, ist nicht erforderlich, denn die 3D-Simulation berücksichtigt alle relevanten Anlagen- wie auch Umweltfaktoren. Dies führt sowohl hinsichtlich der physischen Auslegung des Netzwerkes als auch bei der Planung des Investitionsumfangs zu validen Ergebnissen.

Darüber hinaus gewährleistet die 3D-Simulationssoftware gerade in großen Anlagen eine sofortige Amortisation: Sie hilft zum einen, Ausgaben für unnötige Repeater einzusparen. Zum anderen vermeidet sie - im Gegensatz zu einer trial&error-Vorgehensweise - hohen Zeit- und Kostenaufwand für die Fehlersuche und Netzwerkoptimierung.

Auch hinsichtlich der Koexistenz bereits genutzter Frequenzbänder in der Anlage bleiben böse Überraschungen aus, denn per Blacklisting kann festgelegt werden, auf welchen Kanälen das WirelessHART-Netzwerk funken soll. Danach werden die Netzwerkteilnehmer sukzessive in Betrieb genommen, bis der Anwender vollen drahtlosen Zugriff auf alle Feldgeräte hat.

In der Betriebsphase unterstützt der 3D-Topologieview mit den Installationskoordinaten der Geräte die Wartung und Instandhaltung des Netzwerkes, z. B. zum Prüfen von Updateraten oder wenn ein Messwert nicht mehr übermittelt wird. Ein evtl. erforderlicher Gerätetausch lässt sich exakt planen, z.B. auch hinsichtlich benötigter Hilfsmittel wie Steighilfen zum Installationsort, Vorsichtsmaßnahmen oder Werkzeugen.

All diese Argumente sprachen auch im Tanklager einer Erdölraffinerie für die Auslegung des Funk-Netzwerkes mit WiNC.

Wireless-Netzwerk für ein Raffinerie-Tanklager

In einer Erdölraffinerie, die pro Jahr mehr als zehn Millionen Tonnen Rohöl verarbeitet, mussten im Großtanklager mit mehreren Dutzend Tanks Lecksensoren zur Detektion von Kohlenwasserstoff mit WirelessHART-Adaptern ausgerüstet werden. Die große Anlagendimension, die Verschiedenheit der einzelnen Tanks sowie die großen Entfernungen zur Leitwarte konnten bei der Planung mit WiNC simuliert und das WirelessHART-Netzwerk so optimal konfiguriert werden. Zu diesem Zweck wurden Gebäude, Tanks, Rohrleitungen und andere Umweltfaktoren der Anlage in WiNCMod modellartig erfasst und die optimale Konfiguration mit WiNCSim simuliert. Da viele der Messstellen nur schwer zugänglich sind, war die 3D-Simulation ein wichtiges Hilfsmittel, um die Funkabdeckung und die Installationsorte von Repeatern bereits im Vorfeld zu testen und eine optimale Netzwerktopologie auszuarbeiten. Mit dem 3D-Topologieview erfüllte WiNC zudem die Forderung des Anlagenbetreibers nach einer zukunftssicheren Kommunikationsplattform, die bei Bedarf eine schnelle Integration weiterer Messstellen ermöglicht.

Die 3D-Simulationssoftware gewährleistet technisch wie auch wirtschaftlich eine optimale Auslegung von WirelessHART-Netzwerken sowie eine schnelle und funktechnisch voll einsatzfähige Implementierung. Anwender sparen vom ersten Projektierungsschritt bis in die gesamte Betriebsphase Zeit, vermeiden Schnittstellenrisiken zwischen Anlagen- und Netzwerkplanung, reduzieren Kosten und erhalten höchstmögliche Investitionssicherheit.