WirelessHART Implementierung zuverlässiger Sensor-Funknetze

Autor / Redakteur: Steve Toteda* / Jan Vollmuth

Raue Industrieumgebungen stellen hohe Anforderungen an drahtlose Sensornetzwerke. Die zeitsynchronisierte drahtlose Mesh-Netzwerktechnologie – Grundlage des WirelessHART-Standards – zeichnet sich hier durch einen zuverlässigen und stabilen Betrieb sowie unkompliziertes Management aus.

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Drahtlose Sensornetzwerk-Anwendungen (Wireless Sensor Networking – WSN) stehen dem den Industriemarkt als neue Technologie zur Datenkommunikation zur Verfügung. Mittlerweile sind die ersten Industriestandard-Produkte verfügbar und die Anwender beginnen, drahtlose Sensoren in ihren Produktionsstätten zu installieren.

Das Versprechen der Wireless-Technologie, die Installationskosten von Sensoren in einer Produktionseinrichtung drastisch zu senken, resultiert primär aus der Tatsache, dass keine Kabel mehr erforderlich sind und die Planung vereinfacht wird. Die Kosten der Verkabelung können in Abhängigkeit von den Sicherheitsbestimmungen einer Fabrik variieren: von 100 €/m bis zu 1.000 €/m. Der Wegfall der Netzkabel zur Stromversorgung sowie zur Signalisierung bei drahtgebundenen Netzwerken verringert den Planungs-Overhead und den administrativen Overhead bei der Installation deutlich. Ebenso wichtig ist jedoch das Potenzial der Wireless-Technologie, Sensoren an Orten zu installieren, die bislang nicht verkabelt werden konnten.

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Im Geschäftsleben ist es unumgänglich, eine drahtlose Sensor-Lösung auszuwählen, die auf einem von der Industrie akzeptierten Standard beruht. Während viele Anbieter das Argument „Verarbeitungsleistung bzw. Performance“ verkaufen, ist eine Koalition von Anbietern notwendig, um sicher zu stellen, dass die Interoperabilität quer durch die Branche hindurch erzielt wird. So wird auch sichergestellt, dass zukünftige Verbesserungen durch Rückwärtskompatibilität unterstützt werden.

Protokoll für die Implementation drahtloser Sensor-Anwendungen

An vorderster Stelle dieser Standardisierungsgremien steht die HART Communication Foundation mit ihrem WirelessHART-Standard, der als Teil von HART 7 mit eingeschlossen ist. Nach einigen Jahren Entwicklungszeit öffnete das im September 2007 vorgestellte WirelessHART-Protokoll die Tür für die Implementation von drahtlosen Sensor-Anwendungen auf breiter Ebene in der gesamten Branche. Seit der ersten Veröffentlichung haben viele Anbieter begonnen, diese neue Fähigkeit in ihren Produkten und Prozess-Lösungen zu implementieren.

In einer typischen Raffinerie sorgen die rauen Umgebungsbedingungen, die durch die komplexen Röhrensysteme der Produktionseinrichtungen entstehen, dafür, dass die drahtlose Sensor-Technologie eine echte Bewährungsprobe bestehen muss. Die Verwendung von Beton, Glas und Stahl in typischen Fabriken verschärft die herkömmlichen HF-Probleme wie Path-Loss (Verlust des Verbindungspfads), Fading (Schwund) und Multipath (Kommunikation über mehrere Pfade).

In Mesh-Netzen lassen sich individuelle Fehlerpunkte isolieren

Erfolgreiche drahtlose Sensorlösungen für Überwachungs- und Steuerungssysteme, die in rauen industriellen Umgebungen zum Einsatz kommen, benötigen eine hochgradig zuverlässige Full-Mesh-Technologie, die derart im Feld erprobt ist, dass sie die erforderliche Performance liefern kann. In einer Mesh-Architektur (vermaschten Architektur) kann das Netzwerk individuelle Fehlerpunkte isolieren und deren Auswirkungen unschädlich machen oder abmildern. Damit kann das Netzwerk als Ganzes gesehen, trotz lokaler Ausfälle die Zuverlässigkeit einer drahtgebundenen Lösung aufrecht erhalten.

Das drahtlose Mesh-Netzwerk selbst besteht aus einer Gruppe drahtloser Sensoren, die Nodes (Knoten) genannt werden, sowie aus einem Gateway. Die Nodes sind an prozesskritischen Stellen über die gesamte Fabrik hinweg platziert und messen variable Werte wie Temperatur oder Druck. In regelmäßigen Intervallen „zirpen“ diese Nodes und senden somit ein kurzes Signal aus, in dem sie ein Paket mit eingesammelten Daten aussenden. Diese Daten empfängt wiederum ein in der Nähe gelegenes Node, das die Daten an das nächste Node weiterleitet. Damit werden die Daten von Node zu Node übertragen, bis sie schließlich das Gateway erreichen. Am Gateway wird die Information konsolidiert und an die Steuerungssysteme weitergereicht.

Kommunikation mit anderen Nodes im Netzwerk

In einem Mesh-Netzwerk werden die Nodes ziemlich nahe aneinander installiert; in der Regel mit einem Abstand von weniger als 100 m. Jedes einzelne Node verfügt über die Intelligenz, nach anderen Nodes im Netzwerk zu suchen und die Kommunikation mit anderen Nodes in seinem Netzwerk zu etablieren. Dann kann es Informationspakete weiterleiten, die es in seinem eigenen Sensor erfasst oder von in der Nähe gelegenen Einheiten empfangen hat.

Der Zweck des Netzwerks besteht jedoch darin, kritische Daten zu sammeln und in einer zeitlich angemessenen sowie kostengünstigen Art und Weise unverfälscht zu übertragen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss ein drahtloses Mesh-Netzwerk über mehrere zueinander redundante Schichten verfügen und gleichzeitig eine geringe Verlustleistungsaufnahme aufweisen. Heutzutage arbeiten die besten Mesh-Netzwerke mit drei Redundanz-Ebenen – Path-Diversity (Nutzung mehrerer Pfade), Selbstkonfiguration und Frequency-Hopping (automatisches Wechseln der Frequenz) – sowie mit einer ultraniedrigen Verlustleistungsaufnahme, so dass sie über Jahre hinweg mit einem Standard-Batteriesatz arbeiten.

Multi-Path-Konfiguration stellt Backup-Kommunikationspfad sicher

Die Path-Diversity ermöglicht es den Knotenpunkten (Nodes), selbständig Hindernisse im Weg des Funksignals zu umgehen. Ein Node ist dabei sowohl ein „Elternteil“ (Parent) als auch ein „Kind“ (Child), also in der Sprache der Hochfrequenz ausgedrückt ein Empfänger und ein Sender. In einem Mesh-Netzwerk verfügt jedes Node über zwei Parents. Mit mehreren Parents ist die Path-Diversity gegeben. Wenn ein bestimmter Pfad unpassierbar beziehungsweise versperrt ist, dann kann ein Node darauf sofort reagieren und einen alternativen Pfad nutzen. Diese Multi-Path-Konfiguration (Mehrpfade-Konfiguration) stellt sicher, dass jedes Node immer über mindestens einen Backup-Kommunikationspfad verfügt, über den es im Falle eines Fehlers den Datenaustausch abwickeln kann.

Eine intelligente Eigenkonfiguration ermöglicht es den Nodes, sich automatisch an eine dynamische HF-Umgebung wie beispielsweise blockierte/gesperrte Signale und Interferenzen anzupassen. Sie organisieren sich selbst und reparieren eine Verbindung selbständig: Wenn die Übertragung von etwas behindert wird, dann organisiert sich das Netzwerk selbständig um und findet automatisch einen neuen Pfad.

Fähigkeit des Netzwerkes zur Eigenkonfiguration

Die Eigenkonfiguration unterstützt auch ein hochgradig skalierbares Netzwerk. Ein neues Node mit der korrekten Netzwerk-ID kann dem Netzwerk schlicht und einfach dadurch hinzugefügt werden, dass es eingeschaltet wird. Die Netzwerk-ID, die in allen Kommunikationsvorgängen eingeschlossen ist, erlaubt es mehreren Netzwerken, in der gleichen Hochfrequenzumgebung zu agieren, ohne dass dabei das Risiko besteht, Daten gemeinsam zu verwenden oder Informationen fehlzuleiten.

Mit der Zeit treibt diese Fähigkeit zur Eigenkonfiguration die gesamte und ständig weitergehende Optimierung des Netzwerks voran. Das Netzwerk sucht sich in intelligenter Art und Weise die kürzesten, qualitativ hochwertigsten Übertragungspfade und konfiguriert sich abhängig von den aktuellen Bevollmächtigungen und Umständen selbstständig um.

Zusätzlich zur Option Multi-Path verfügen die Nodes auch über die Möglichkeit, Channel-Hopping (Frequenzwechsel) zu betreiben, um so die Realisierung einer Alternative bei immer wiederkehrenden HF-Interferenzen zu erleichtern. Jede Verbindung zwischen Child und Parent trägt dabei die Bezeichnung Pfad (Path). Je nach verwendetem Hochfrequenz-Standard ist jeder Pfad einer definierten Anzahl von Kanälen zugewiesen. Wenn beispielsweise der IEEE-Standard 802.15.4 zur Anwendung kommt, dann stehen jedem Pfad 16 Kanäle zur Verfügung, über die sie kommunizieren können, was in etwa mit 16 Rundfunkstationen vergleichbar ist, unter denen man auf dem Radio auswählen kann. Diese Frequenz-Diversität ermöglicht es den Übertragungen, über alle verfügbaren Kanäle zu „hüpfen“ (hopping) und damit HF-Interferenzen zu umgehen.

Verlustleistungsaufnahme ist ein Hindernis bei der Entwicklung

Die Pakete werden so lange erneut gesendet, bis sie erfolgreich übertragen sind. Der Algorithmus, der Pakete vom Child zum Parent sendet, versucht es auf einem unterschiedlichen Kanal, wenn die Daten nicht komplett beim Empfänger ankommen, oder er versucht, die Daten an einen anderen Parent zu senden, wenn die Pakete immer noch nicht beim Empfänger ankommen. Hierdurch verbessert sich die Gesamt-Zuverlässigkeit des Systems signifikant.

Dust Networks hat die Bedeutung der Path-Diversity, der Eigenkonfiguration und des Channel-Hoppings untersucht, um sicher zu stellen, dass die kritischen Informationen durch das Netzwerk zum Empfänger gelangen. Ein letztes Hindernis bei der Entwicklung eines robusten, leicht nutzbaren und echten Wireless-Netzwerks ist die Verlustleistungsaufnahme.

Die Datenübertragung verbraucht Leistung. Wenn ein Node permanent Daten aussendet, dann verbraucht es die maximale Leistung, so dass entweder häufige Batteriewechsel erforderlich sind oder eine drahtgebundene Verbindung zu einer Energiequelle, wobei dieser Fall ja nicht gerade ein echtes drahtloses Netzwerk darstellt.

Neue, auf Standards beruhende Sensoren, die dem WirelessHART-Standard entsprechen, verwenden die Zeitsynchronisation, um die Verlustleistungsaufnahme auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. In diesen Systemen teilen sich sämtliche Nodes eine vernünftige Zeitspanne. Sie übertragen, hören (empfangen) oder schlafen zu spezifizierten Zeiten, die als Zeitschlitze (Timeslots) bezeichnet werden. Zeitschlitze werden in Millisekunden gemessen, und in typischen Anwendungen führt das dazu, dass sämtliche Nodes eines Netzwerks in weniger als 1% der Zeit aktiv sind, wobei die Nodes, die Nachrichten für Nachbar-Nodes weiterleiten, in dieser Rechnung bereits eingeschlossen sind. Aus diesem Grund handelt es sich hier um echte Ultra-Low-Power-Netzwerklösungen, bei denen die typische Lebensdauer einer Batterie auf 5 Jahre und länger ausgedehnt wird.

Störungen durch sich bewegende Maschinen oder Menschen

Drahtlose Sensoren, die unter schwierigen Umgebungsbedingungen arbeiten, sind Effekten bei der Ausbreitung von Hochfrequenzsignalen ausgesetzt, die eine geringe Signalstärke und Interferenzen zur Folge haben. Diese Aspekte lassen sich nur äußerst schwierig während der ursprünglichen Entwicklungsphase beziehungsweise beim Bereitstellen eines WSNs vorhersagen.

Besonders Multipath-Effekte werfen Probleme auf, und die Auswirkungen, die von sich bewegenden Maschinen oder Menschen hervorgerufen werden, lassen sich am allerschwierigsten mit den heutzutage erhältlichen Modellen zur Vorhersage simulieren. Die Daten aus der realen Welt in der industriellen Umgebung zeigen, wie wesentlich diese Einflüsse sein können und wie wichtig es ist, die mit der Zeit veränderlichen Effekte zu berücksichtigen, um eine zuverlässige Netzwerk-Funktionalität sicher zu stellen, wenn es sonst zu einem Unglück käme.

Unterschiedliche Performance während verschiedener Tageszeiten

Oftmals versuchen die Experten, im Rahmen einer Untersuchung vor Ort die Performance vorherzusagen, aber die Echtzeit-Daten einer Hochfrequenz-Verbindung zeigen eine sehr unterschiedliche Performance während verschiedenen Zeiten im Laufe eines Tages. Untersuchungen zur Signalstärke des Empfangssignals ergeben, dass die Variationen höchstwahrscheinlich von physikalischen Veränderungen in der Umgebung um diese Links hervorgerufen werden.

Solche Veränderungen ergeben sich, wenn Maschinen und Menschen sich innerhalb der Fabrik bewegen. Auf Grund des wirklich dynamischen Verhaltens der HF-Umgebung im industriellen Umfeld ist es notwendig, dass das Mesh-Netzwerk selbst das Äquivalent einer Untersuchung vor Ort in Echtzeit durchführt und die dabei gewonnenen Daten dazu nutzt, um für jeden einzelnen Sendevorgang die erforderlichen Einstellungen vorzunehmen.

Die in zahlreichen Versuchen erprobte zeitsynchronisierte drahtlose Mesh-Netzwerktechnologie, die dem WirelessHART-Standard zugrunde liegt, zeigt, dass die Wireless-Technologie kostengünstig installiert werden kann und das Management dieses Netzwerks leicht durchführbar ist.

Steve Toteda ist Vice President Marketing bei Dust Networks

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