Simulation mit dem Wireless Network Checker:
Wo ist das Funknetzwerk abgedeckt, wo sind Versorgungslücken, wo muss nachgebessert werden?

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Auftakt Von drahtloser Eleganz

09.04.2015

Zu aufwändig, zu anfällig oder schlicht unmöglich: Vorwürfe, die sich Kabelverbindungen manchmal gefallen lassen müssen. WirelessHart befreit die Kommunikation vom Kabel und bindet herkömmliche Feldgeräte in die drahtlose Welt ein. Mit neuen Komponenten und Softwaretools lassen sich die Netzwerke jetzt noch eleganter planen, installieren und betreiben.

"Die drahtlose Kommunikation ist auch in der anspruchsvollen Welt der Fabrik- und Prozessautomation international längst etabliert." Gerrit Lohmann, Produktmanager bei Pepperl+Fuchs, ist davon felsenfest überzeugt. Er gilt als ein Vorkämpfer dieser Technologie und war bereits für die ersten Prototypen eines WirelessHart-Gateways verantwortlich. "Mit der drahtlosen Verbindungstechnik lassen sich neue Applikationsfelder erschließen, in denen es technisch zuvor keine oder nur sehr aufwändige Möglichkeiten gab, an Prozessdaten für ein effizientes Asset-Management zu kommen", erklärt Lohmann. So können Prozesse über drahtlose Funkkommunika-tion besser überwacht werden, da WirelessHart ein Erfassen zusätzlicher, zuvor nicht messbarer Diagnosedaten in Prozessanlagen ermöglicht. Der Aufbau neuer oder die Erweiterung bestehender Prozesseinheiten gelingt in kürzerer Zeit. Leitungs- und Installationskosten werden günstiger, Inbetriebnahmen wesentlich schneller, Instandhaltungen effektiver und Anwender profitieren von einer höheren Flexibilität und Mobilität. Insgesamt sorgt die WirelessHart-Technologie also für eine höhere Produktionsqualität und Anlagensicherheit, was letztlich die Verfügbarkeit der Anlagen steigert.

Entwickelt wurde WirelessHart gezielt, um die Zuverlässigkeit, Robustheit und Sicherheit drahtloser Kommunikation in Fertigungs- und Prozessanlagen zu gewährleisten. Die Kommunikation kombiniert den etablierten und felderprobten internationalen Hart-Standard sowie das lizenzfreie 2,4-GHz-Band nach IEEE 802.15.4 für Sensornetzwerke. Die Netzwerke beruhen auf einer maschenförmigen Topologie (Mesh-Netzwerk), in der jeder drahtlose Sensor gleichzeitig Repeater und Router ist, er also Daten von anderen Sensoren oder einem Gateway empfangen und an diese senden kann. Ein solches Netzwerk ist damit nicht von der Reichweite eines zentralen Gateways abhängig, was weitläufige Netzwerkstrukturen ermöglicht. Die sich selbst konfigurierenden Netzwerke finden selbständig den jeweils besten Datenpfad vom Sensor zum Gateway. Ausgefallene Pfade werden automatisch über alternative Datenpfade umgangen.

Die Daten finden immer einen Weg

Ein Maschennetzwerk ist daher äußerst tolerant, weil Daten auf mehreren Wegen zur Basisstation und zu anderen Sensoren geschickt werden können. Und das gewährleistet eine hohe Verfügbarkeit dieser drahtlosen Kommunikation. Zu den Erfolgsfaktoren der Low-Power-Mesh-Netzwerke von der Hart Communication Foundation (HCF) zählen genauso auch die klar beschriebenen Data Link-Layer (OSI Layer 2) und Applikation-Layer (OSI Layer 7). Sie gewährleisten die Interoperabilität und beschreiben, wie Hart-fähige Geräte miteinander kommunizieren.

Wesentliche Komponenten eines WirelessHart-Netzwerks sind Adapter und Gateways. Mit den Adaptern werden konventionelle Hart- oder 4 - 20 mA Feldgeräte nachgerüstet, um WirelessHart-Schnittstellen einzurichten. Die Adapter von Pepperl+Fuchs sind batteriebetrieben und versorgen die angeschlossenen Feldgeräte mit Energie. Sie fungieren im Mesh-Netzwerk auch als Router und sind deshalb permanent in Betrieb, während die Feldgeräte nur bei Bedarf gespeist werden. Abhängig von den Messintervallen sowie der jeweils für einen Messvorgang des Feldgeräts benötigten Energie lassen sich Betriebszeiten von mehreren Jahren erreichen. Das sichert Unabhängigkeit und Flexibilität.

Versierte Manager der Kommunikation

Die Gateways wiederum sind die eigentlichen Kernelemente in drahtlosen Mesh-Netzwerken. Sie legen die Kommunikationspfade fest und bestimmen, wann und über welchen Kanal die einzelnen Teilnehmer miteinander kommunizieren. Im Vordergrund steht dabei eine optimale Nutzung der Netzwerk-Ressourcen, sodass eine maximale Performance bei Geschwindigkeit, Datendurchsatz und Energieverbrauch erreicht wird. Zudem bilden die WirelessHart-Gateways die Schnittstellen zwischen Mesh-Netzwerken und Leit- bzw. Asset-Management-Systemen. Neben den Modbus-WirelessHart-Gateways bietet Pepperl+Fuchs neuerdings auch WirelessHart-Gateways mit EtherNet/IP-Schnittstelle an. Beide haben eine RS485- und eine physikalische Ethernet-Schnittstelle, über die Hart-IP und EtherNet/IP übertragen werden. Die neuen Geräte können jeweils zehn zyklische Datentransfer-Verbindungen mit jeweils vier Teilnehmern pro Verbindung zum EtherNet/IP-Master aufbauen. Sie unterstützen also WirelessHart-Netzwerke mit bis zu 40 Teilnehmern, inklusive dem Gateway selbst. Über Gerätebeschreibungen sind die Gateways in alle EtherNet/IP-Steuerungen ohne weitere Parametrierung integrierbar. Eine intuitive Bedienung macht die Anbindung einfach.

Das ganze Netzwerk immer im Blick

Die WirelessHart-Gateways von Pepperl+Fuchs übernehmen das gesamte Netzwerk-Management inklusive einer einfach verständlichen, grafischen Netzwerk-Diagnose, die den Wartungsaufwand reduziert. Es wird keine zusätzliche Soft-ware benötigt. Per Web-Interface können Anwender parallel auf das WirelessHart-Netzwerk zugreifen und über Funktionen wie Topology View auf einen Blick erkennen, welche Netzwerkteilnehmer eine Verbindung zueinander haben und welche Qualität sie hat. Diese sehr elegante Netzwerk-Diagnose reduziert Wartungskosten und -zeit sowie bei Erweiterungen oder Neuinstallationen auch die Inbetriebnahmezeiten.

Wenn der Checker simuliert

Generell sind WirelessHart-Netzwerke eigentlich einfach zu planen und zu installieren. Je weiter ein Netzwerk jedoch flächenmäßig verteilt ist, umso komplexer wird es. Mit der 3D-Simulations-Software Wireless Network Checker (WiNC) von Pepperl+Fuchs lassen sich jedoch auch solche Anlagen sehr einfach und komfortabel planen und installieren. Zunächst wird die Anlage mit WiNC-Modeling modelliert, entweder direkt in der Software oder es werden vorhandene 3D-Daten eingelesen. Ist das Szenario erstellt, werden mit WiNC-Simulation die Geräte platziert und das Netzwerk simuliert. Die Software berechnet - abhängig vom 3D-Modell und mit mathematischen Algorithmen - die Qualität der Funkverbindungen. Die grafische Darstellung der Simulationsergebnisse zeigt auf einen Blick, in welchen Bereichen das Funknetzwerk abgedeckt ist, wo eventuelle Versorgungslücken sind und an welchen Stellen Repeater eingeplant werden müssen. Schon bevor ein Netzwerk tatsächlich installiert ist, kann eine konzeptionelle Prüfung gemäß den realen Bedingungen durchgeführt werden.

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