Besonders bei schwer zugänglichen Sensoren erweist sich eine funkbasierte Kommunikationslösung als wirtschaftliche Alternative zum herkömmlichen Kabel. Vor diesem Hintergrund definierte die HART Foundation Wireless-HART als Übertragungstechnologie für die Prozessautomation. Dessen Grundlage bilden Gateways sowie Endgeräte mit einer Funkschnittstelle und einem Funkadapter, über die drahtgebundene HART-Feldgeräte in das Funknetzwerk integriert werden können. Das vermaschte Funknetzwerk (Mesh Network) baut sich selbst auf und beseitigt Störungen, wie Ausfall eines Netzwerkknotens oder Funkunterbrechungen, mithilfe von Selbstheilungsprozessen. Dazu müssen die einzelnen Geräte intelligent sein, um Nachbargeräte zu erkennen, Synchronisations- und Frequenzsprung-Informationen auszutauschen sowie die Signalstärken zu überwachen.

Als Bindeglied zwischen den per Funk kommunizierenden Sensoren im Feld und dem Prozessleitsystem spielt das Gateway bei der Planung und Realisierung eines Wireless-HART-Netzwerks eine wichtige Rolle. Trotz redundanter Kommunikationswege - durch Routing-Tabellen in den Funksensoren realisiert - können in einem Wireless-HART-Netzwerk Engpässe auftreten. Häufigste Ursache sind Fehler in der Konfiguration und Planung. Der Verbindungspfad vom letzten Feldgerät zum Gateway ist ein typisches Beispiel: Mitunter kommuniziert nur ein Wireless-HART-Teilnehmer direkt mit dem Gateway und ist damit das Nadelöhr. Deshalb ist bei der Netzwerkplanung darauf zu achten, dass mehrere Feldgeräte an das Gateway per Funk angekoppelt sind. Nur dann stehen verschiedene, redundante Kommunikationswege zur Verfügung.

Der Vorteil von WirelesHART ist dessen Flexibilität: Schnell sind weitere Funksensoren installiert und beim Gateway als Teilnehmer angemeldet. Allerdings steigt bei einer Erweiterung die Anzahl der Kommunikationsknoten und damit auch die Latenzzeit für jeden einzelnen Funkteilnehmer. Werden mehrere Geräte als Repeater eingesetzt, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Engpässen, wenn weitere dort angebundene Geräte nur über einen Knoten (Repeater) kommunizieren. Bei Ausfall eines solchen Knotens kann dies zu Unterbrechungen der Datenübertragung führen und große Teile des Netzwerks außer Betrieb setzen. Abhilfe schafft ein Gateway mit WLAN-Schnittstelle (IEEE 802.11b/g), das ein Clustering des Wireless-HART-Netzwerks unterstützt.

Kommunikation zum Host per Modbus/TCP

Die Clusterbildung eines WirelessHART-Netzwerkes und die Anbindung über WLAN an den Host erhöhen die Verfügbarkeit.

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Das Wireless-HART-Gateway besteht aus einem Wireless-HART-Access-Point, dem Netzwerkmanager und der Gateway- Schnittstelle mit einem WLAN-Client. Das Gateway verwaltet bis zu 250 HARTGeräte und wandelt deren Daten in Modbus/ TCP-Protokolle, so dass sich die Feldgeräte in fast alle Host-Systeme einbinden lassen. Die Verschlüsselung der WLAN-Daten nach dem IEEE-802.11i- Standard (WAP2 - Wi-Fi Protected Ac cess 2) und der 128-Bit-AES-Schlüssel (Advanced Encryption Standard) sorgen für eine sichere Backhaul-Verbindung. Bei Bedarf kann der WLAN-Transceiver deaktiviert werden; die Host-Verbindung erfolgt dann über eine kabelgebundene Ethernet-Verbindung mit 10/100 MBit/s. Das Gateway wird via Standard-Browser konfi guriert, mit dem der Anwender auf dessen Webserver zugreift. Ebenso ist eine Konfi guration mittels klassischem HART-Programmer über eine HART-Modemverbindung möglich.

Parallelbetrieb funktioniert

Der WLAN-Transceiver arbeitet im Frequenzbereich von 2,4 bis 2,4720 GHz. Neben der Sendeleistung sind die 13 Funkkanäle individuell einstellbar, die das WLAN nutzen soll. Über die Antennenanschluss- Buchse RP-SMA lassen sich zwei externe Antennen für WLAN installieren. Die Systemdiagnose erfolgt lokal am Gerät über LEDs oder über dessen Webserver. Zudem signalisiert das Gateway über einen potenzialfreien Relaisausgang (RF-Link), ob eine WLAN-Verbindung besteht. Um die Inbetriebnahme zu erleichtern, können die Installateure die Stärke des WLAN-Signals als analoge Spannung am RSSI-Prüfpunkt (Receiver Signal Strength Indicator) abgreifen.

Der Frequenzbereich der Wireless- HART-Schnittstelle liegt zwischen 2,4 und 2,4835 GHz und stellt 15 Kanäle zur Verfügung, die wie bei WLAN jeweils 5 MHz voneinander getrennt sind. Die Sendeleistung lässt sich von 0 bis 10 dBm mit einer Empfänger-Empfindlichkeit von -90 dBm einstellen. Status-LED visualisieren, ob WirelessHART-Geräte angebunden sind. Eine weitere RP-SMA-Buchse ermöglicht den Anschluss einer externen Antenne für WirelessHART.

Aufgrund der zwei Funkschnittstellen, die beide das gleiche Frequenzband nutzen, muss der Parallelbetrieb beider Technologien sichergestellt werden. Zahl reiche Tests belegen die Robustheit der WirelessHART-Technologie. Die relativ schmalbandige Übertragung von WirelessHART erlaubt Interferenzen mit WLAN, das heißt, zwei oder mehr Funkwellen überlagern sich. In der Praxis ist die WLAN-Schnittstelle so lange inaktiv, bis das Host-System Daten anfragt oder der Nutzer eine Netzwerkdiagnose durchführt. Das Gateway kann von sich aus keine Aktionen ausführen.  

Funk-Cluster erhöhen Zuverlässigkeit

Use-Case Maintenance: Per WLAN-Verbindung können Instandhalter Informationen vom Host oder anderen Applikationen abrufen.

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Ein Clustering, das heißt die Aufteilung eines großen in mehrere kleine Funknetzwerke, erweist sich im Hinblick auf die Übertragungsgeschwindigkeit, Lebensdauer der Batterien sowie die Verfügbarkeit des Netzwerks als vorteilhaft. Dazu wird das WirelessHART-Funknetz in mehrere kleinere Segmente mit je einem Gateway unterteilt und durch eine überlagerte WLAN-Struktur in das zentrale Rechnersystem eingebunden. Das WLAN-Gateway kann mit herkömmlichen Access-Points kommunizieren. Die kleineren Funkeinheiten sind somit weniger komplex und der Bedarf an WirelessHART- Repeatern verringert sich deutlich. Darüber hinaus sinken der Stromverbrauch und der Wartungsaufwand der als Repeater fungierenden batteriebetriebenen Komponenten, die als Knotenpunkte wesentlich häufiger Daten senden müssen als so genannte Endknoten-Geräte. Durch das Clustering entsteht ein stabiles Netzwerk, das Engpässe reduziert.

Anwender können die WLAN-Schnittstelle des Gateways auch für mobile Wartungsarbeiten nutzen und darüber ihr Notebook per WLAN an das Gateway anschließen, beispielsweise um Prozessdaten zu überwachen oder Wartungsanleitungen abzurufen. In diesem Szenario ist die Verbindung zum Host als drahtgebundene Ethernet-Verbindung ausgeführt. Bei der Konfiguration können dem WLAN- und dem drahtgebundenen Ethernet-Port jeweils eigene IP-Adressen zugeteilt werden. Somit ist die drahtlose Verbindung einem anderen IP-Netzwerk zugeordnet als die kabelgebundene Kopplung an den Host. Dieser im Gateway umgesetzte Mechanismus sorgt für eine hohe Daten- und Netzwerk-Sicherheit. Zudem ermöglicht die Kombination von WLAN- und Ethernet-Schnittstelle den Aufbau eines redundanten Rückkanals (Backhaul) zum Host: Parallel zur kabelgebundenen Verbindung kann eine WLAN-Verbindung zu einem an den Host angekoppelten WLAN-Access- Point hergestellt werden, was die Verfügbarkeit der Anwendung erhöht.

Autor: Jörg Brasas ist Mitarbeiter im Produktmarketing Interface bei der Firma Phoenix Contact