Wireless I/O So lassen sich Prozessdaten zuverlässig kabellos übertragen

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Wenn der Betriebsführer beim Abwasser-Zweckverband Betzdorf-Kirchen-Daaden heute die Daten seiner diversen Brunnen, Hochbehälter, Schächte und Regenüberlaufbecken kontrolliert, dann verlässt er sich vor allem bei den abgelegenen Standorten auf Funktechnologie von Wachendorff Prozesstechnik.

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Die Steuerung von Windrädern ist eine typische Wireless-Anwendung.
Die Steuerung von Windrädern ist eine typische Wireless-Anwendung.
(Distrelec)

Die einfache Telemetrie und die Überwachung und Steuerung von Automationssystemen aus großer Entfernung zählen zu den üblichen Anwendungen der kabellosen Datenübertragung. Der Anwender kann die Geräte sowohl für die unidirektionale als auch für die bidirektionale Datenübertragung nutzen. Außerdem hat er die Wahl zwischen verschiedenen Sendefrequenzen in lizenzfreien oder lizenzpflichtigen Bändern. Der lizenzfreie Standard liegt in Deutschland bei 869 MHz (Radiofunk/ISM-Band) und 2,4 GHz (WLAN).

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„Die drahtlose Datenübertragung bietet sich überall dort an, wo eine Vernetzung von Maschinen und Steuerungssystemen mit Kabeln material- und kostenaufwändig wäre – beispielsweise auf weitläufigen Industriegeländen oder bei kommunalen Aufgabenstellungen wie in der Wasserwirtschaft“, erklärt Ruud Vertommen, Technischer Berater für Wireless-Lösungen bei Distrelec. Der Katalogdistributor für elektronische Bauelemente, Industrieautomation, Messtechnik, Arbeitsplatzausstattung und industrielle IT führt ein umfassendes Geräte- und Zubehörspektrum für die drahtlose Übertragung von Steuerungs- und Prozessdaten in seinem Katalogprogramm. So auch Wireless-Plug-&-Play-Systeme, WLAN-Geräte sowie entsprechendes Zubehör von Wachendorff. „Bei Katalogprodukten ist es entscheidend, dass sie schnell und problemlos funktionieren“, betont Armin Hardt, Programm- und Key Account-Manager bei Wachendorff.

Wireless-Systeme bieten viele Vorteile

„Wenn Prozessdaten über Wegstrecken von mehr als 50 Metern übertragen werden müssen, sind Wireless-Systeme zumeist kostengünstiger als kabelgebundene Lösungen“, so Ruud Vertommen. Die Topologie eines Geländes – Gebäude, Straßen oder sogar Flüsse – stellt für die Funkübertragung kein wirkliches Hindernis dar. Sie verkürzt lediglich die Reichweite, was bei der Auslegung des Systems entsprechend berücksichtigt werden kann. Im freien Feld – also mit Sichtverbindung – können Funksender und -empfänger Entfernungen bis zu 40 km überbrücken. Dabei können auch Signalverstärker (Repeater) eingebaut werden. Auch beim Einsatz auf beweglichem Gerät wie Kranen, Förderbändern, fahrerlosen Transportsystemen oder Wanderbaustellen kann die kabellose Datenübertragung ihre Vorteile ausspielen.

Ein weiterer großer Vorzug der Wireless-Technologie ist ihre Flexibilität. „Beim Einsatz von Kabeln ist deren Anzahl sowie die Adernzahl beschränkt. Ein Wireless-System kann dagegen mit geringem Aufwand auf- oder umgerüstet werden“, sagt der Distrelec-Experte Vertommen. In der Regel reicht eine Umparametrierung der Geräte mittels Software und ein Übertragen dieser Neuerungen auf das System – per Funk natürlich.

Grundregel: Kompromiss aus Reichweite und Datenmenge

Doch so einfach, wie es klingt, ist es nur, wenn beim Einsatz der Wireless-Technologie im Vorwege bestimmte Grundregeln beachtet werden. So sollte jedem Anwender der Zusammenhang zwischen Sendefrequenz, Reichweite und zu übertragender Datenmenge bekannt sein. Da niedrigere Frequenzen zwar über weitere Distanzen tragen, die Bandbreite jedoch mit sinkender Frequenz abnimmt, gilt es immer, einen guten Kompromiss aus Reichweite und Datenmenge zu finden.

„Jeder, der überlegt, seine Daten per Funk zu übertragen, muss also genau wissen, wie viele Signale er wie oft über welche Distanzen senden will“, erklärt Matthias Holzhausen, Produktmanager Wireless bei Wachendorff. Die üblichen Kenngrößen für Wireless-Netzwerke sind Frequenz und Sendeleistung. Die ERP (effective radiated power), also die effektive Energie, die in die Luft abgegeben wird, ist abhängig von Gerät, Antenne und den Verlusten im System. Mit der in Deutschland lizenzfreien Frequenz 869 MHz mit max. 500 mW Sendeleistung lässt sich etwa eine Reichweite von 3 bis 5 km LoS (Line of Sight = Sichtverbindung) erreichen. Hindernisse wie Wälder, Gebäude und ähnliches verkürzen die Reichweite.

Darüber hinaus müssen Schnittstellen, Protokolle, Datenmenge und -art bedacht werden. Holzhausen dazu: „Beachtet man bei der Projektierung die Grundlagen nicht, läuft man Gefahr, dass die Funkstrecke nicht zuverlässig oder gar nicht funktioniert.“ Daher vermittelt Wachendorff das erforderliche Wireless-Basiswissen in Seminaren und Workshops und schult seinen Außendienst entsprechend.

Auswahl der Wireless Komponenten je nach Komplexität

Die Komponenten, aus denen sich eine Wireless-Lösung zusammensetzt, sind so unterschiedlich wie die Applikationen selbst. Für Standardanwendungen bietet sich beispielsweise eine vorkonfigurierte Plug-&-Play-Gerätegruppe aus Sender, Empfänger und Antenne an. Ein solch typisches Katalogprodukt eignet sich zur Übertragung von zwei digitalen, einem analogen und einem Temperaturwert. Ein Einsatzgebiet ist beispielsweise die Tanküberwachung.

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Umfangreichere Projekte müssen dagegen sorgfältig geplant werden. Ein entsprechendes Projektierungstool hilft dabei. Wachendorff stellt die windowsbasierte Software kostenlos zum Download zur Verfügung. „Jeder, der mit Windows umgehen kann, ist damit innerhalb von 30 Minuten in der Lage, ein Wireless-Netzwerk zu entwerfen und die Projektierung auf die Geräte zu übertragen“, meint Matthias Holzhausen. Bei komplexeren Aufgaben ist jedoch eine Ortsbegehung und theoretische Vorausberechnung durch Wireless-Experten unbedingt zu empfehlen.

I/Os, Gateways und Modems

Die Wachendorff Wireless-Geräte werden in I/O-Geräte, Gateways und Modems unterteilt. Wireless I/Os arbeiten funkseitig mit dem WIB (Wireless Information Backbone) Protokoll und übertragen sowohl analoge wie auch digitale Signale, Thermoelemente, Temperaturwiderstände und Zählersignale. Sie gestatten die Erfassung der Anlagensignale ebenso wie die Steuerung der Anlage. Zudem erlauben sie das Setzen von Grenzwerten und die Schaltung von Alarmmeldungen.

Gateways arbeiten ebenfalls funkseitig mit dem WIB-Protokoll und lassen sich daher mit den Wireless I/Os kombinieren. Wireless Gateways setzen die Funkdaten auf übliche Feldprotokolle wie beispielsweise Profibus, DeviceNet, Modbus oder TCP/IP um. Damit ermöglichen sie die Anbindung von Wireless I/O-Geräten an speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI Displays), lokale Netzwerke (LAN) oder SCADA-Systeme.

Wireless Modems übertragen bequem und flexibel die seriellen Schnittstellen RS232, RS422 und/oder RS485. Auch eine transparente Übertragung von Profibus ist mit diesen Geräten möglich. Die Ethernet-Modems sorgen dabei für die Netzwerkkommunikation ohne Kabel.

Abhör- und Betriebssicherheit gewährleistet

Wachendorff Wireless-Komponenten lassen sich vor unbefugtem Zugriff schützen. Dabei bedienen sie sich der etablierten Standards aus der IT, z.B.: WEP, WPA, WPA2. Zusätzlich können die Geräte durch eine 128-BIT AES-Verschlüsselung nach Militärstandard vor dem Fremdzugriff auf die übertragenen Daten geschützt werden. Damit ist auch die Verwendung auf Verkehrs- oder Militärflughäfen möglich. Eine zusätzliche Hürde bildet das benutzte Wireless-Protokoll WIB, welches die I/Os zur Signalübertragung nutzen.

Die Betriebssicherheit wird durch eine sorgfältige Projektierung und theoretische Vorbetrachtung gewährleistet. So ist die Auslegung der Antennen entscheidend für die sichere Übertragung der Daten auch bei schlechten Witterungsbedingungen wie Schnee oder Starkregen. Die richtige Antenne kann die Gesamtleistung des Funknetzwerks wesentlich verbessern. Sie sorgt für eine verlustarme Übertragung der Energie in die Luft und umgekehrt.

Die redundante Übertragung der Daten mit Handshake – also der Synchronisierung der Systeme nach jedem Übertragungsvorgang durch Quittungssignale – ist ebenfalls eine wichtige Voraussetzung für die störungsfreie Funktion des laufenden Betriebs der Anlage. Da die kabellose Datenübertragung Radiofrequenzen nutzt, ist sie unabhängig vom Mobilfunknetz. Damit funktioniert sie auch dann noch zuverlässig, wenn die Mobilfunknetze aufgrund von Überlastung oder anderen Störungen zusammenbrechen. Lediglich die Stromversorgung muss stehen. Übrigens: Wireless-Geräte, die auf Radiofrequenzen senden, sind wesentlich strahlungsärmer als Mobiltelefone.

SPS IPC Drives: Wachendorff Prozesstechnik, Halle 7, Stand 151

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