Für den Aufbau von WirelessHart-Netzwerken verfährt man nach klaren Regeln. Zunächst wird der Projektumfang des Netzwerks definiert. Damit ist auch der Bereich, in welchem dieses betrieben werden soll, festgelegt. Sinnvollerweise orientiert sich der Aufbau an den Prozesseinheiten im Werk. Die Produkte von Pepperl+Fuchs decken den sicheren als auch den explosionsgefährdeten Bereich mit WirelessHart ab. Dadurch wird eine sehr flexible und hoch verfügbare Infrastruktur in Anlagen ermöglicht. Platziert werden die Feldgeräte entsprechend der Messaufgabe. Dabei sollten folgende Mindestabstände eingehalten werden: 0,5m von vertikalen Flächen, 1,5m über dem Grund und 0,5m voneinander entfernt. Das Gateway kann zentral aufgestellt werden. Anschließend folgt eine Standortbegehung, um die möglichen Reichweiten zu ermitteln. Denn die Reichweite der Sensoren wird durch die Bebauungsdichte der Anlage mehr oder weniger beeinträchtigt. Ziel ist es, dass jedes WirelessHart-Gerät, unabhängig ob Repeater oder Messstelle, mindestens zwei, besser drei Nachbarn besitzt, um eine zusätzliche Redundanz aufzubauen. 25 Prozent der Geräte haben im besten Fall eine Verbindung zum Gateway und mindestens -70dBm Empfangsstärke. Bei kleinen Netzwerken kann das noch ohne technische Unterstützung schnell mit den beschriebenen Regeln durch Trial and Error ermittelt werden. Denn das Maschen-Netzwerk von WirlessHart organisiert sich selbst. Ist eine Messstelle über keinen Pfad erreichbar, kann dies durch Einstellung der Antenne oder Platzierung eines Repeaters behoben werden.
Repeater im Überschuss oft unnötig
Genau hier liegt aber der Knackpunkt bei großen Netzwerken, denn Trial and Error macht die Zeit für die Inbetriebnahme nahezu unberechenbar und gegebenenfalls unnötig lange, insbesondere wenn große Distanzen zwischen den einzelnen Messstellen liegen. Oftmals werden in solchen Fällen als Präventivmaßnahme unnötig viele Repeater eingeplant. Die Lösung ist denkbar einfach. Frei nach dem Motto „Simulieren statt probieren“ bietet Pepperl+Fuchs Werkzeuge an: den Wireless Network Checker Modelling (WiNCMod) und Simulation (WiNCSim). Die beiden Tools ermöglichen eine effiziente Planung und Simulation, sowie einen optimierten Einsatz von Repeatern. Damit bleibt WirelessHART einfach und sicher, auch wenn das Projekt groß ist.
Für die Simulation ist es generell erforderlich, die Umgebung beziehungsweise die Anlage zu modellieren. Mit WiNCMod kann der Anwender die eigene Anlage aus vorhandenen CAD-Daten importieren. Sollten keine CAD-Daten der Anlage vorhanden sein, kann die Anlage mit WiNCMod auch einfach selbst erstellt werden. Hierzu sind typische Anlagenteile schon vorkonfiguriert und können per Mausklick ausgewählt und konfiguriert werden. Außenanlagen sind damit schnell aufgebaut. Bei detailreichen Anlagen jedoch kann das Modellieren einige Zeit in Anspruch nehmen. Nach erfolgreichem Erstellen des 3D-Modells werden den einzelnen Teilen des Modells noch Materialien wie z.B. Stahl, Beton oder Stein zugeordnet. Denn verschiedene Materialien beeinflussen die Reichweite der Sensoren in unterschiedlichem Maße. Im fertigen 3D- Modell können nun auch die Sensoren unter Berücksichtigung der Einbauhöhe platziert werden. Die Sensoren sollten dabei eindeutig bezeichnet werden, am besten mit der Messstellenbezeichnung, die auch im später installierten Netzwerk verwendet werden soll. Damit kann man später die geplante Anlage mit der tatsächlich installierten Basis einfacher vergleichen. Die Abstrahlcharakteristik der Antennen wird mitberücksichtigt, um ein besseres Ergebnis zu erzielen. Deswegen sollten die Sensoren in der Simulation genauso angeordnet werden, wie diese auch später in der Anlage montiert werden.
Unter WiNCSim können direkt die Geräte von Pepperl+Fuchs oder alternativ ein generisches Gerät aus einer Bibliothek gewählt werden. Darin sind Parameter schon voreingestellt, die eine realistische Simulation erfordern. Wenn die komplette Anlage im 3D-Modell inklusive aller Sensoren und Gateways abgebildet ist, kann die Simulation mit WiNCSim gestartet werden. Die Simulation basiert nicht nur auf Erfahrungswerten ,sondern auf einem Raytracing-Algorithmus, mit dem sich für das Frequenzband, in welchem WirlessHart arbeitet, die zuverlässigsten Ergebnisse erzielen lassen. Die Empfangsstärken der Funksignale jedes Sensors an jedem Punkt im Umfeld des Netzwerks werden berechnet, um die Qualität der Verbindung abzuleiten. Die Ergebnisse werden abschließend grafisch im Tool dargestellt. Alle möglichen Kommunikationspfade werden aufgezeigt, genauso wie die Empfangsfeldstärken der einzelnen Sensoren und die Summenfeldstärke aller Geräte des Funknetzwerks. Auf einen Blick ist nun zu erkennen, wie groß die Reichweite der einzelnen Sensoren ist, wo gegebenenfalls Repeater zur besseren Netzabdeckung eingesetzt werden müssen und ob Versorgungslücken vorhanden sind.
Blacklisting bei Frequenz-Konkurrenz
Die Geräte können nun entsprechend dem Ergebnis der Simulation in der Anlage verbaut werden. Das WirelessHart-Netzwerk ist häufig nicht das einzige 2,4-GHz-Band-Funknetzwerk in einer Anlage. WLAN, Bluetooth oder ZigBee nutzen das gleiche Frequenzband. Eine Koexistenz der verschiedenen Netzwerke ist aber einfach zu realisieren. Zuallererst blendet WirelessHart die schon besetzten Kanäle automatisch aus. Doch ganz sicher ist die Entkopplung einer der drei Faktoren Frequenz, Standort oder Zeit, beispielsweise durch Blacklisting. Hier werden unterschiedlichen Systemen bestimmte Frequenzen zugewiesen. Damit hat man den Faktor Frequenz sicher entkoppelt. Dann kann das WirelessHart-Netzwerk in Betrieb genommen werden. Man beginnt mit dem Gateway, fährt dann mit dem Gateway am nächst platzierten Gerät fort, dann folgt das wiederum am nächsten installierte Gerät usw. Nun hat der Anwender vollen drahtlosen Zugriff auf die Feldgeräte. Da WirelessHart auf dem Hart-Protokoll basiert, können die bekannten Werkzeuge und Prozeduren zur Konfiguration, Wartung und Diagnose verwendet werden.
Der Anwender erhält durch WirelessHart die größtmögliche Flexibilität bezüglich Erweiterung und Veränderung der Messstellen in der Anlage. Denn durch die Fähigkeit zur Selbstorganisation von WirelessHart können ohne großen Aufwand oder Kabel Geräte hinzugefügt oder entfernt werden. Dabei muss auf Sicherheit und Anlagenverfügbarkeit nicht verzichtet werden, weil redundante Pfade im Netzwerk eventuelle Übertragungsfehler einfach ausgleichen. Durch die 3D-Simulation der Anlage verringert sich die Zeit für Inbetriebnahme und Planung erheblich. Die tatsächlichen Umweltbedingungen werden im Wireless Network Checker von Pepperl+Fuchs realistisch betrachtet. Mit der Simulations-Software WiNCMod und WiNCSim kann die gewünschte Applikation vorab auf Funktionalität geprüft werden, ohne dass Zusatzsoftware installiert werden muss.
