Aus guten Gründen wird in Europa WirelessHART besonders viel Aufmerksamkeit geschenkt: Viele der weltweit führenden Gerätehersteller sitzen in Westeuropa, das HART-Protokoll ist die dominierende Lösung für die Kommunikation von Prozessparametern und kommt jährlich in über einer Million neuer Feldgeräte zum Einsatz.

Dagegen wird die International Society of Automation (ISA) weitgehend als rein nordamerikanisches Gremium abgestempelt und die Entwicklung des ISA100.11a-Standards wurde stark politisiert. Gemeinsamkeiten zwischen Wireless-HART und ISA100.11a bestehen in vielerlei Hinsicht. Beide nutzen den Funkstandard IEEE 802.15.4, der für Anwendungen mit niedrigen Datenraten und geringem Stromverbrauch ideal geeignet ist - ein wesentlicher Aspekt bei batteriebetriebenen Geräten.

Sowohl Wireless-HART als auch ISA100.11a haben ausgeklügelte und durchaus vergleichbare Mechanismen zur Optimierung der Funkübertragung. Beide setzen auf eine mehrschichtige Maschen-Struktur (Meshed Network) mit redundanten Kommunikationspfaden für den Datenverkehr zwischen Feldgerät und Leitsystem. Vergleichbar sind auch die Security-Maßnahmen, wie die Datenverschlüsselung auf Basis des AES-128-Verfahrens und andere Vorkehrungen.

Standard oder Spezifikation?

Dennoch existieren konzeptionelle Unterschiede zwischen beiden drahtlosen Kommunikationssystemen. Die meisten haben nur minimale Auswirkungen auf die Qualität der Funkübertragung und die Leistungsfähigkeit des Systems, andere Unterschiede sind dagegen erheblich. Markante Abweichungen zwischen WirelessHART und ISA100.11a bestehen darüber hinaus in der Entwicklungs- Philosophie - Standard oder Spezifikation - und den Zielsetzungen.

Friedliche Koexistenz: Konzeptionell stellt sich die ISA auf heterogene Installationen ein – mit WirelessHART-Gateways für die ISA-Backbone-Architektur und Dual-Boot-Devices, die alternativ über ISA100.11a-Geräte routen.

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Die Begriffe Spezifikation und Standard haben unterschiedliche Bedeutungen, werden aber oft synonym verwendet: WirelessHART ist Bestandteil der HART- 7.0-Spezifikation, die von der HART Communications Foundation (HCF) erarbeitet wurde. Relativ kleine und fokussierte Komitees entwickeln die HCFSpezifikationen, die von den HCF-Mitgliedern - überwiegend Hersteller von Prozessleittechnik - überprüft werden.

Daher überrascht es nicht, dass sich die für Spezifikationen verantwortlichen Komitees vor allem aus Technologie-Experten der führenden Automatisierungsunternehmen rekrutieren. Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen in der Agilität, mit der Spezifikationen entstehen können, und im gemeinsamen Interesse, dass HART als das dominierende globale Feldbus-Protokoll in den Prozessindustrien bestehen bleibt. Den Status eines Standards erhalten die HCF-Spezifikationen jedoch erst durch die Überprüfung und Annahme durch ein anerkanntes Organ - in der Regel durch die IEC. Die WirelessHART-Komponente von HART 7.0 liegt derzeit als IEC/ PAS-62591-Norm (Public Available Spezification) vor.

Das American National Standards Institute (ANSI) hat die ISA als Organ zur Festlegung von Standards akkreditiert. Deshalb ist die ISA100.11a- Spezifikation per Definition eine Norm. Voraussetzung dafür ist die Einhaltung eines relativ offenen Prozesses mit umfangreichen Konsensus-Leitlinien. Die wesentlichen Merkmale dieses Prozesses sind die Beteiligung einer größeren und vielschichtigeren Mitgliedschaft, einschließlich der Anwender, und ein stark reglementiertes Genehmigungsverfahren. Beispielsweise sind die Vorschläge, Prioritäten und Diskurse aller am Prozess Beteiligten angemessen zu berücksichtigen.

Dies hat dazu geführt, dass die Abstimmung der ISA100.11a-Norm rund ein Jahr gedauert hat - obwohl bereits seit 2005 an der ISA-Spezifikation gearbeitet wurde. Trotz ihrer hohen Akzeptanz in den USA, erfahren ISA-Standards nicht automatisch eine internationale Anerkennung. Wie bei WirelessHART muss daher auch ISA100.11a zusätzlich bei der IEC zur weltweiten Zulassung eingereicht werden.

Umfassende Lösung versus Wireless-Insel

Die Autoren von WirelessHART entwickelten die Spezifikation unter der Annahme, dass in einer verdrahteten Anlage mehrere „Wireless-Inseln" existieren, die in bestehende DCS-Systeme zu integrieren sind. Dazu reicht eine robuste Funklösung mit Kompatibilität zur installierten Basis an HART-Software vollkommen aus. Im Gegensatz dazu haben die Mitglieder des ISA100.11a-Komitees die Zielsetzung, eine ganzheitliche Wireless-Lösung zu definieren.

Hierzu muss das System eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Wireless-Geräte sowie verschiedene Applikationsprotokolle zur Integration in einige Leitsysteme unterstützen. Das Resultat ist, dass ISA100.11a für mehrere Anwendungen - einschließlich HART - genutzt werden kann. Beide Architekturen nutzen die unteren Protokollschichten des IEEE-802.15.4- Standards, um Daten vom Feldgerät zum Host-System zu übertragen. ISA100.11a erlaubt dabei zwei Gerätetypen: Feldgeräte, die ausschließlich als Signalquellen agieren, und Feldgeräte mit zusätzlicher Routing-Funktion.

Feldgeräte, die als reine Signalquellen dienen, können sich im Wireless-Netzwerk anmelden, Nachrichten an Nachbarn verschicken und von ihnen empfangen. Sie sind jedoch nicht in der Lage, empfangene Nachrichten per Routing drahtlos weiterzuvermitteln. Diese Geräte stellen somit Endpunkte in einem Netz dar. Ebenso können bei ISA100.11a alle routingfähigen Geräte wie Endpunkte agieren. Bei WirelessHART gibt es diese Unterscheidung nicht: Jedes Feldgerät muss daher das Routing unterstützen. Generell gelten dafür folgende Grundsätze:

• Routingfähige Geräte haben einen höheren Stromverbrauch und benötigen für die Durchleitung von Nachrichten mehr Speicher als Endpunkt-Geräte.

• Endpunkt-Geräte sind deswegen kostengünstiger und länger über Batterien zu betreiben.

• Soll ein Netzwerk über die Endpunkte hinaus erweitert werden, sind diese in den meisten Fällen durch Routing-Geräte zu ersetzen.

• In einem Netzwerk mit Mesh-Struktur besteht eine hohe Korrelation zwischen der Zuverlässigkeit und den zur Verfügung stehenden Kommunikationspfaden. Sind alle Netzwerkteilnehmer routingfähig, erhöht sich die Stabilität.

Unterschiede beim Backbone

Um die Latenzzeiten kurz und die Leistungsaufnahme niedrig zu halten, müssen die Daten des Feldgeräts schnellstmöglich an das mit höheren Übertragungsraten arbeitende Backbone-Gerät übergeben werden. Darüber besteht Konsens zwischen WirelessHART und ISA100.11a. Bei ISA10.11a heißen diese Geräte Backbone- Router, bei WirelessHART Access-Points.

Auch hier bestehen große Unterschiede: ISA100.11a hat sich für eine Standardisierung der Geräte-Adressierung und des Transport-Layer-Protokolls für die Kommunikation zwischen den Backbone- Routern und anderen Management- Komponenten des Backbone-Netzwerks entschieden. Das ISA100.11a-Protokoll basiert auf dem Internet-Protokoll V6 (IPv6) der IETF (Internet Engineering Task Force). WirelessHART spezifiziert dagegen kein Protokoll. Aus Anwendersicht sind hierzu folgende Aspekte relevant:

• Der Einsatz des IP-Protokolls innerhalb des Steuerungsnetzwerks kann ein Sicherheitsrisiko darstellen.

• IPv6 wird derzeit noch nicht in großem Umfang eingesetzt (<10 %).

• Das standardisierte Backbone-Protokoll schafft eine Basis für die Kompatibilität von Backbone-Geräten und Management- Komponenten verschiedener Anbieter.

• Die Wahlfreiheit beim Backbone-Protokoll gibt den Herstellern von Backbone- Geräten und Management-Komponenten jedoch mehr Flexibilität, welche die Integration in bestehende Systeme vereinfachen kann.

Unterstützung von Prozess-Variablen

Der größte Unterschied liegt in der Unterstützung der etablierten Feldbus-Protokolle wie Foundation Fieldbus (FF) und HART. Es dürfte kaum überraschen, dass WirelessHART für die Übertragung von HART-Daten von Feldgeräten zur DCS optimiert ist und ausschließlich HARTGeräte unterstützt. Haben Anwender vor allem das Ziel, Daten und Prozess- Variablen von HART-Geräten zu übertragen, stellt WirelessHART eine umfassende Spezifikation für genau diesen Zweck bereit.

Im Gegensatz dazu hat das ISA-Komitee eine universell verwendbare Lösung konzipiert, die das sogenannte „native" ISA100.11a einführt. Dieses Applikations- Layer-Protokoll definiert alle Software- Methoden zur Erfassung von Prozess-Variablen und zur Entwicklung solcher ISA100.11a-Feldgeräte. Allerdings sind derzeit noch keine Anwendungen verfügbar, die dieses Protokoll verwenden.

Daher gibt es alternative Tunneling-Methoden: Feldgeräte für HART, FF oder andere Feldbusse sind damit in der Lage, ihre Daten- und Prozessvariablen an die Host- Anwendung zu senden. Hersteller von HART- oder FF-Feldgeräten können so ihre Produkte um die ISA100.11a-Kommunikationslösung erweitern und gleichzeitig die Kompatibilität mit bestehenden Host-Anwendungen gewährleisten.

Benötigen Anwender die Möglichkeit, heterogene Anlagen drahtlos auszubauen, bietet ISA100.11a dafür eine flexible Lösung, die allerdings mit zusätzlichem Protokoll- Overhead verbunden ist.

Konvergenz - die Herausforderung

Im April 2008 wurde das „WirelessHART Konvergenz Subkomitee" gegründet - unterstützt von Anwendern, die über die Bereitschaft der Hersteller frustriert waren, zwei inkompatible drahtlose Standards zu erlauben. Das Konvergenz-Subkomitee hat fünf konkrete Aufgaben:

1. Evaluierung der WirelessHART- und ISA100.11a-Spezifikationen und Analyse der Unterschiede sowie der damit verbundenen Anwendervorteile.
2. Identifikation und Dokumentation möglicher Maßnahmen und Methoden für eine Koexistenz der Systeme innerhalb einer Anlage.
3. Identifikation, Dokumentierung und Empfehlung möglicher Herstelleroder Profil-Optionen zur Realisierung einer künftigen Konvergenz der beiden Wireless-Netzwerke, wenn ein Konvergenz- Standard zur Verfügung steht.
4. Erarbeitung und Empfehlung einer schrittweisen Konvergenz-Strategie für beide Spezifikationen, einschließlich der für eine Kompatibilität auf Feldgeräte- Ebene erforderlichen technischen Anpassungen.
5. Sicherung der Investitionen: Feldgeräte, die auf den gegenwärtigen WirelessHART- und ISA100.11a-Spezifikationen basieren, müssen in ein Netzwerk auf Basis des künftigen Konvergenz-Standards integriert werden können.

Seit der Gründung hat sich das Subkomitee ausschließlich auf die Aufgaben 1 und 2 konzentriert. Erst wenn diese unmittelbaren Ziele umgesetzt sind, kann mit den anderen Aufgaben begonnen werden. Die meisten Anwender wollen einen einzigen Wireless-Standard, erkennen aber, dass sich die Konvergenz-Lösung nur langfristig erreichen lässt. Dies ist mit ein Grund, weshalb das Konvergenz- Subkomitee aktuell an einem White-Paper arbeitet, das die Anforderungen an so genannte „Dual-boot-Devices" definiert.

Das sind Feldgeräte, die sowohl mit einem ISA100.11a- als auch mit einem WirelessHART-Netzwerk kommunizieren können, jedoch nicht gleichzeitig. Diese Dual-boot-Geräte ermöglichen eine spätere Migration von WirelessHART auf ISA100.11a oder in umgekehrter Richtung und minimieren somit das Investitionsrisiko für Anwender.

Zumindest in naher Zukunft - möglicherweise auch bis der Markt sich für einen bevorzugten drahtlosen Standard entschieden hat - ist dies das wahrscheinlichste und tragfähigste Konvergenz-Szenario.

Autoren: Reiner Mim ist als Technologie- Consultant im Bereich Business Development bei einem führenden WirelessHART- Anbieter tätig.

Paul Sereiko ist Mitvorsitzender der beiden ISA100.11a-Subkomitees WirelessHART Convergence und Marketing bei der ISA in North Carolina.