Prozesstechnik
WirelessHART – die Fakten
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
ZigBee als Basis-Technologie
WirelessHART nutzt das lizenzfreie 2.4-GHz-Band gemäß IEEE 802.15.4 als Physical-Layer – kurz: ZigBee. Lediglich der Data-Link-Layer wurde geändert, der auf dem Zeitmultiplexverfahren TDMA (Time Division Multiple Access) mit einem Zeitintervall von 10 ms basiert. Auf diesen Zeittakt müssen sich alle Netzwerk-Teilnehmer synchronisieren.
Auf dem Application-Layer wird nach wie vor mit HART-Kommandos gearbeitet. Schließlich steht die Kompatibilität zu HART 5 und 6 an erster Stelle. Dies wird über die EDD (Electronic Device Description) der WirelessHART-Geräte sichergestellt.
Bei vermaschten Netzwerken wie WirelessHART führen immer mehrere, redundante Routen zum Ziel. Dies sorgt für ein hohes Maß an Zuverlässigkeit. Voraussetzung ist, dass jedes Feldgerät mit mindestens zwei anderen Geräten kommunizieren kann.
Diese Redundanz ist allerdings keine Pflicht, sondern lediglich als Empfehlung in der Spezifikation aufgeführt. Hier ist die Bandbreite in der Prozesstechnik sehr groß. Daher sind die Redundanzstufe und auch die Sicherheitsstufe konfigurierbar. Der Anwender entscheidet, wie sicher – durch globale oder separate Passwörter, feste oder wechselnde Schlüssel – und mit welcher Redundanz er seine Wireless-Applikation betreiben will.
Beim 2.4-GHz-Band können einzelne Funkkanäle von anderen Wireless-Anwendungen belegt sein. Um dieses Problem zu minimieren, wechselt Wireless-HART nach jedem TDMA-Slot denKanal. Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Übertragungsqualität ist das Sperren einzelner Funkkanäle, das sogenannte Blacklisting: Dazu werden bei der Konfiguration im Netzwerk-Manager diejenigen Funkkanäle vom Frequenzwechsel ausgeschlossen, die bereits als belegt bekannt sind.
Parallel dazu erstellt und verwaltet der Netzwerk-Manager automatisch Listen von „freien“ (clear channels) und „gesperrten“ (black listed channels) Funkkanälen. Das Gateway versucht dann überhaupt nicht, diese Frequenzen innerhalb des 2,4-GHZ-Bandes zu verwenden. Darüber hinaus lässt sich die Sendeleistung der Geräte zwischen 10 und 0 dBm einstellen.
Diese Eigenschaften, kombiniert mit den Sicherheitsmaßnahmen und der Datenverschlüsselung, verhelfen zu einem robusten Netzwerk. Der Preis für ein selbst-heilendes und selbst-organisierendes Netzwerk ist, dass sämtliche Netzwerk-Komponenten das Routing von Datenpaketen anderer Teilnehmer unterstützen müssen.
Bandbreite effektiv nutzen
Alle Teilnehmer in einem Netzwerk synchronisieren sich auf den Einheits-Slot von 10 ms. Das verhindert nicht nur Kollisionen, sondern baut ein Raster auf, in dem Messwerte zyklisch bereitgestellt werden. Dies ist beispielsweise bei Regelungen oder Monitoring-Applikationen notwendig. In einem Zeit-Slot können mehrere Verbindungen auf den insgesamt 16 Funkkanälen des 2,4-GHz-Bandes aktiv sein. Insgesamt stehen 1600 Funk-Slots je Sekunde zur Verfügung (16 Kanäle × 100 Slots). Bei weitläufigen Anlagen kann ein Funkkanal innerhalb des Netzwerks sogar mehrfach an verschiedenen Stellen genutzt werden, da die Funkreichweite der Geräte zu gering ist, um sich gegenseitig zu stören.
Als Richtwert für die Auslastung eines Gateway sollten bei der Projektierung etwa 30 Slots je Sekunde für die zyklische Übertragung der Prozesswerte und Stellgrößen verplant sein. Die restlichen 70 Zeit-Slots der insgesamt 100 Slots je Sekunde und Funkkanal (Access Points nutzen pro Slot nur einen Funkkanal) sind für eventuelle Paketwiederholungen und das Routing der Nachrichten zu reservieren. Bei einem größeren Bedarf an Bandbreite können jedoch mehrere Gateways verwendet werden.
Hinsichtlich der Konfiguration und dem Betrieb von WirelessHART wurden spezifische Kommandos hinzugefügt oder existierende Kommandos angepasst, zum Beispiel der Burst-Mode.
Im Burst-Mode senden Slaves zyklisch und unaufgefordert sogenannte Bursts an den Host, vergleichbar mit einem „Data Publisher Modus“. Bislang (HART 5 und 6) senden die Geräte im Burst Mode ihre Nachrichten kontinuierlich mit 1 bis 3 Hz. Bei batterie-betriebenen WirelessHARTGeräten würde dies zu viel Energie verbrauchen und damit die Batterie-Lebensdauer stark verkürzen. Daher wurde der „Smart Burst Mode“ definiert, bei dem das Senden eines Burst an Bedingungen geknüpft ist, beispielsweise die Einhaltung maximaler Zeitintervalle oder die Überschreitung einer definierten Änderung des Prozesswerts. Ebenso kann eine Status-Änderungen (Event Notification) am Gerät einen Burst auslösen. Das erhöht die Lebensdauer der Batterie undspart Bandbreite bei der Funkstrecke.
Der Fokus von WirelessHART liegt auf einer sicheren und zuverlässigen Übertragung der Prozesswerte und Ausgabe der Stellwerte in regelmäßigen Abständen. Dies ist für Regelungen und Monitoring-Applikationen wichtig. Daher hat die Einhaltung der parametrierten Zykluszeiten innerhalb des Wireless-Netzwerks die höchste Priorität. In der übrigen Zeit können dann Parametrier- und Asset-Management-Aufgaben durchgeführt werden.
- WirelessHART – die Fakten
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