In industriellen Anlagen nimmt die drahtlose Kommunikation an Bedeutung zu. Insbesondere bei schwer zugänglichen Sensoren erweist sich eine funkbasierte Lösung als wirtschaftliche Alternative zum herkömmlichen Kabel. Vor diesem Hintergrund definiert die Hart-Version 7 mit Wireless Hart die Funkkommunikation als neue Übertragungstechnologie für die Prozessautomation. Zur Umsetzung eines Wireless-Hart-Netzwerks werden Gateways sowie Feldadapter oder Endgeräte mit einer Funk-Schnittstelle benötigt.

Bei der Planung und Realisierung eines Wireless-Hart-Netzwerks spielt das Gateway eine wichtige Rolle, da es als zentrales Bindeglied zwischen den Feldsensoren und dem Prozessleitsystem fungiert. Das vermaschte Funknetzwerk (Mesh Network) baut sich selbst auf und hebt Störungen durch einen Selbstheilungs-Prozess auf. Dazu müssen die einzelnen Geräte intelligent sein, um Nachbargeräte zu erkennen, Synchronisations- und Frequenzsprung-Informationen auszutauschen sowie Signalstärken zu überwachen. Trotz redundanter Kommunikationswege kann es in einem Wireless-Hart-Netzwerk zu Engpässen kommen, unter die auch der Verbindungspfad vom letzten Feldgerät zum Gateway fällt.

Deshalb ist bei der Netzwerkplanung darauf zu achten, dass mehrere Feldgeräte direkt an das Gateway angekoppelt sind. Wenn das Netzwerk wächst, nimmt die Anzahl der Kommunikationsknoten zu und die Latenzzeit steigt. Werden mehrere Geräte als Repeater eingesetzt, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Engpässen, wobei eine Unterbrechung der Datenübertragung einen großen Teil des Netzwerks außer Betrieb setzen kann. Abhilfe schafft hier ein Gateway mit integrierter WLAN-Schnittstelle, das eine Clusterung des Wireless-Hart-Netzwerks unterstützt.

250 Feldgeräte ankoppelbar

Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact ein Wireless-Hart-Gateway mit eingebautem WLAN-Transceiver gemäß IEEE 802.11b/g entwickelt. Das auf einer 35 mm breiten Hutschiene montierbare Gerät im IP20-Gehäuse verbindet bis zu 250 Wireless-Hart-Feldgeräte. Es setzt sich aus einem Wireless-Hart-Access-Point, einem Netzwerk-Manager und der Gateway-Schnittstelle mit einem WLAN-Client zusammen. Das Wireless-Hart-Gateway wandelt die Hart-Daten automatisch in Modbus/TCP um, sodass sich die Feldgeräte einfach in fast alle Host-Systeme einbinden lassen. Über das Gateway können auch drahtgebundene Hart-Feldgeräte per Wireless-Hart-Adapter in das Hart-System integriert werden.

Stabiles Netzwerk durch Clusterung

Eine Clusterung des Wireless-Hart-Netzwerks in optimal ausgelegte Strukturen erweist sich im Hinblick auf die Übertragungsgeschwindigkeit, Lebensdauer der Batterien sowie die Verfügbarkeit des Netzwerks als vorteilhaft. Dabei wird ein Funknetz mit vielen Teilnehmern in kleinere Segmente mit je einem Gateway unterteilt und durch eine überlagerte WLAN-Struktur in das zentrale Rechner-System eingebunden. Das Gateway kann mit herkömmlichen WLAN-Access-Points kommunizieren. Die neu entstandenen Funkeinheiten sind somit weniger komplex und der Bedarf an Repeatern verringert sich deutlich. Darüber hinaus sinken der Stromverbrauch und der Wartungsaufwand der als Repeater fungierenden batteriebetriebenen Komponenten, da sie an den Knotenpunkten häufiger als Endknoten-Gerät Daten senden. Durch die Clusterung entsteht also ein stabiles Netzwerk, das Engpässe reduziert.

Der Anwender kann die WLAN-Schnittstelle auch für mobile Wartungsarbeiten nutzen. Zu diesem Zweck schließt er ein Notebook per WLAN an das Gateway an, um Prozessdaten zu überwachen und zu diagnostizieren. In diesem Szenario ist die Hauptverbindung des Gateways zum Host über eine kupfergebundene Ethernet-Leitung ausgeführt. Bei der Konfiguration kann dem WLAN- und dem Ethernet-Port in 10/100 MBit/s jeweils eine eigene IP-Adresse zugeteilt werden. Auf diese Weise wird der drahtlosen Verbindung ein anderes IP-Netzwerk zugewiesen als der kabelgebundenen Ankopplung an den Host. Dieser im Gateway umgesetzte Mechanismus sorgt für eine hohe Daten- und Netzwerk-Sicherheit.

Redundante Host-Kommunikation

Aktuell werden die Gateways mit einem kupferbasierten Ethernet-Anschluss ausgestattet, über den alle Wireless-Hart-Feldgeräte kommunizieren. Die Leistungsfähigkeit der Lösung wird dabei nicht nur durch ein einfach handhabbares Netzwerk bestimmt. Von entscheidender Bedeutung sind darüber hinaus die Flexibilität und Funktionalität des verwendeten Gateways. Aufgrund seiner WLAN- und Ethernet-Schnittstelle ermöglicht das Wireless-Hart-Gateway von Phoenix Contact hier einen redundanten Backhaul zum Host. Der Anwender kann also eine direkte kabelgebundene und eine drahtlose Verbindung zu einem an den Host angekoppelten WLAN-Access-Point herstellen, was die Verfügbarkeit der Anwendung erhöht.

Fazit

Soll die Struktur eines Wireless-Hart-Netzwerks durch Clusterung optimiert werden, spielt die Funktion des Gateways eine besondere Rolle. Da die Wireless-Hart-Technologie nur eine geringe Reichweite hat, müssen die Gateways näher an den Feldgeräten installiert werden. Zur Anbindung an das Leitsystem sind jedoch Kupferkabel oder Lichtwellenleiter zu den Gateways zu verlegen, sodass ein erheblicher Teil der aus der Funkkommunikation resultierenden Kosteneinsparung entfällt. Der Einsatz einer WLAN-Backhaul-Verbindung erlaubt hier eine größere Senkung des Aufwands bei höherer Flexibilität.

Es wird sicher noch einige Jahre dauern, bis sich Wireless Hart in der Prozesstechnik etabliert hat. Während dieser Zeit wird sich die Technologie weiterentwickeln und es werden neue Lösungen zur Umsetzung prozesstechnischer Aufgaben entstehen, die heute noch nicht absehbar sind. Ziel ist in jedem Fall die Reduzierung von Kosten und Komplexität, während die Anlagenverfügbarkeit gleichzeitig steigt.