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09.02.2009

Wireless im Ex-Bereich

Bei manchen Aufgaben ist die drahtlose Datenübertragung in der Prozessindustrie längst Alltag – nicht nur in Gestalt der Sprachkommunikation über Sprechfunk und Mobiltelefone...

Bei manchen Aufgaben ist die drahtlose Datenübertragung in der Prozessindustrie längst Alltag – nicht nur in Gestalt der Sprachkommunikation über Sprechfunk und Mobiltelefone. Auch Bedien- und Visualisierungsdaten können oft drahtlos von und zu mobilen HMI-Geräten und Laptops übermittelt werden. Zunehmend werden außerdem Kameras zur Anlagenüberwachung über Wireless-Netze eingebunden, besonders, wenn bei ihrer nachträglichen Installation die Verlegung von Leitungen unwirtschaftlicher und/oder technisch zu aufwändig wäre. Im Kernbereich der Prozessautomation hingegen dominieren nach wie vor fest verdrahtete Komponenten, die wahlweise über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, Feldbusnetze sowie Remote-IO-Systeme Daten austauschen. Je nach Art, Umfang und Topologie einer Prozessanlage kann aber die größere Flexibilität drahtloser Kommunikation auch für diese Geräte interessant sein: Wireless-Komponenten sind besser zugänglich, kommen der Forderung nach Mobilität entgegen, und sie erleichtern oder ermöglichen erst die Gewinnung zusätzlicher Daten für die Optimierung von Fertigungsprozessen. Zwar werden noch auf absehbare Zeit heterogene Strukturen aus verdrahteter und drahtloser Kommunikation das Bild bestimmen. In den kommenden Jahren werden Anwender jedoch über neue, technologisch ausgereifte und auch wirtschaftlich immer attraktivere Wireless-Lösungen verfügen können. So werden zum Beispiel die bewährten Remote-IO-Systeme für den Wireless-Einsatz ausgebaut. Den Trend zu sogenannten WIO treibt beispielsweise die Fieldbus Foundation in einer Working Group zu dieser Technologie voran. Viele Bereiche in

Nachträglich eingebaute Kamera-Überwachungssysteme werden heute oft nicht mehr über Leitungen, sondern drahtlos angebunden

Nachträglich eingebaute Kamera-Überwachungssysteme werden heute oft nicht mehr über Leitungen, sondern drahtlos angebunden

Prozessanlagen allerdings sind auf explosionsgeschützte Technik angewiesen. Auch funkfähige Geräte, zum Beispiel im Wireless LAN, kommen an entsprechenden Anforderungen nicht vorbei. Aktuelle Lösungsansätze widmen sich unter anderem einem der neuralgischen Punkte der Datenübertragung in Funknetzen: den Antennen. Für Geräte in gekapselten Gehäusen werden derzeit Antennendurchführungen entwickelt, die Zündschutzart Ex ib (eigensicher) implementieren und damit die Kommunikation über ein eigensicheres HF-Signal ermöglichen. Bislang werden für Zone 1-Anwendungen Ex-geschützte Antennen genutzt, von denen es eine nur sehr begrenzte Auswahl gibt. Da aber die Antennen für die Leistungsfähigkeit der Funkverbindungen von entscheidender Bedeutung sind, wäre der Zugriff auf das komplette Spektrum gängiger Anten-nen von Vorteil. Natürlich stellen Explosionsschutzvorschriften aber nicht nur an WLAN-Systeme anspruchsvolle Anforderungen, sondern sind auch für andere drahtlose Übertragungstechniken, wie GPRS-Verbindungen über Mobilfunknetze, zu beachten. Daher sind etwa für Geräte zur Maschinenüberwachung, die drahtlos ihre Daten übermitteln sollen, GPRS-Modems mit eigensicherer Technik erhältlich.

 

Die drahtlose Zukunft

Laut einer 2008 veröffentlichten Studie des Marktforschungsunternehmens ARC Advisory Group erwarten die Anbieter von Wireless-Technik, dass der Markt für die drahtlose Automatisierung in jedem der kommenden Jahre um etwa 30 % gegenüber dem Vorjahr wachsen wird. 2007 machte das Gesamtvolumen noch unter 300 Mio. US-$ aus. Gemäß der ARC-Prognose wird es im Jahr 2012 deutlich die Milliardengrenze überschreiten. Bestehende Einsatzfelder und Technologien vom RFID-Label bis zum Wireless LAN werden ausgebaut werden, Anwendern werden mehr Komfort, Flexibilität und neue Optionen geboten werden. Zu rechnen ist damit zum Beispiel bei Ferndiagnose- und Fernwartungssystemen. Ähnliches gilt unter anderem für die Funkanbindung tragbarer Geräte, bei der neben Portable Devices auch Wearables für manche Zwecke üblich werden dürften. Für Bedien- und Servicepersonal und -ausrüstung, Fahrzeuge in der innerbetrieblichen Logistik und weitere Betriebsmittel werden sich durch Wireless-Technik Schritt für Schritt immer präzisere People-Tracking- und Asset-Tracking-Systeme einrichten lassen. Robuste Meshed Self-Healing Networks, wie sie durch die Standards Wireless-Hart und ISA SP 100.11a beschrieben werden, sorgen dafür, dass die drahtlose Datenkommunikation immer zuverlässiger wird – in allen Bereichen, einschließlich Prozessautomatisierungskomponenten in explosionsgefährdeten Umgebungen. Auch wenn es heute noch unvorstellbar erscheint, wird Wireless-Kommunikation selbst in den Bereich der sicherheitsgerichteten Anwendungen vorstoßen. Für mehr und mehr Komponenten und Systeme in Prozessanlagen entwickelt die Technologie sich so voraussichtlich zu einer Alternative und Ergänzung zu drahtgebundenen Netzen.

 

GSM/GPRS-Datentransfer in der Prozessautomation

Der General Packet Radio Service (GPRS) ist ein lange bewährter Kommuni-kationsstandard, mit dem über Mobilfunknetze Datenpakete übertragen werden können. Er wird beispielsweise häufig für Internet-Zugriffe per Notebook von unterwegs eingesetzt. Daneben stellt er auch die Basis für die populäre Blackberry-Technologie dar. In der Prozessindustrie lässt GPRS sich außerdem für Fernwartungs- und Fernüberwachungsfunktionen an Pumpstationen, abgesetzten Tanklagern, Zentrifugen, Kompressoren und anderen Maschinen nutzen. Über eine GPRS-Anbindung können Feldgeräte und mobile Computer auch in eine Systemlösung integriert werden, die ihnen Zugriff auf dieselben unternehmensweiten MES- und ERP-Datenbanken ermöglicht wie der Prozessleittechnik sowie Workstations und Remote-PC anderswo im Anlagen- und Büro-IT-Verbund. So können Techniker zum Beispiel im Feld auf zentral verwaltete Pläne, Bedienungsanleitungen, Atex-Zertifikate und Ähnliches leicht und sofort zugreifen, Service-Aufträge direkt quittieren und zeitnah dokumentieren. GPRS stellt eine Alternative zum weit verbreiteten WLAN dar und bietet dabei den Vorteil eines eigenen reservierten Frequenzbereichs, sodass geringere Störungen der Funkverbindung auftreten als in den von WLAN genutzten ISM-Bändern. Zudem greift GPRS auf die vorhandenen, gut ausgebauten GSM-Mobilfunknetze zurück. Der Standard erfordert folglich keine Investitionen in ein eigenes Netz, sondern bietet sogar einen von der bestehenden IT-Infrastruktur des Unternehmens oder Standorts unabhängigen Kommunikationsweg. Neben der direkten Integration der über GPRS geführten Datenkommunikation kann die Technologie auch für weitere Funktionen genutzt werden. Zum Beispiel sind zusätzliche Dienste, wie die Benachrichtigung von Mitarbeitern im Fehlerfall, mittels SMS oder E-Mail möglich.

GPRS-Modems in der Schutzart Ex i können in Zone 1 eingesetzt werden

GPRS-Modems in der Schutzart Ex i können in Zone 1 eingesetzt werden

Einige Einschränkungen und Schwachpunkte müssen jedoch berücksichtigt werden. So steht GPRS zum Beispiel noch nicht weltweit flächendeckend zur Verfügung. In einigen Ländern, etwa Japan und Südkorea, ist eine Versorgung auch nicht zu erwarten, da die dortigen Mobilfunknetze nicht den GSM-Standard verwenden. Außerdem liegt die GPRS-Bandbreite mit netto 50 kbit/s um Größenordnungen unter der Geschwindigkeit in einem WLAN. Die weitere weltweite Verbreitung und eine deutliche Erhöhung der Bandbreite wird erst im Zug des UMTS-Ausbaus erreicht. Darüber hinaus fallen beim GPRS-Datentransfer für jeden Netzteilnehmer Übertragungskosten an, die derzeit meist zwischen 10 Euro und 30 Euro monatlich betragen. Immerhin sind diese Kosten in den letzten Jahren deutlich gesunken, so dass sich in mehr und mehr Fällen der Einsatz von GPRS rechtfertigen lässt. Zuguterletzt allerdings müssen GPRS-Modems für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich auch so konstruiert sein, dass sie sicheren Zündschutz gewährleisten. Für die Zone 1 sind dazu beispielsweise Ausführungen erhältlich, deren GSM-Antenne über eine Ex-i-Schnittstelle angeschlossen ist. Für die SIM-Mobilfunkkarte sind sie mit einem ebenfalls eigensicheren Ex-i-Aufnehmer ausgestattet.

 

Standards und Vorschriften für den Wireless-Betrieb im Ex-Bereich

Abgestrahlte Funksignale, die auf metallische Objekte treffen oder in unzureichend EMV-geschützte elektronische Schaltungen induziert werden, können dort prinzipiell zu Erwärmung und Funkenbildung führen. Aufgrund dieser Gefahr begrenzt die IEC 60079-0 bzw. die kommende EN 60079-0 für kontinuierliche Hochfrequenzquellen die maximal zulässige Sendeleistung in drahtlosen Netzen, wenn diese in explosionsgefährdeten Bereichen betrieben werden.

Externe Antennen an Funkgeräten wie diesem Access Point müssen bei Einsatz im explosionsgeschützten Bereich zur Zeit stets eine eigene Atex-Zulassung aufweisen

Externe Antennen an Funkgeräten wie diesem Access Point müssen bei Einsatz im explosionsgeschützten Bereich zur Zeit stets eine eigene Atex-Zulassung aufweisen

Ob der Installationsort eines Netzteilnehmers in Zone 0, 1 oder 2 liegt, bleibt für den zulässigen Grenzwert außer Betracht. Er liegt zwischen 6 W und – bei einer Atmosphäre mit explosionsgefährdeten Gasen der Gruppe IIC, zum Beispiel Wasserstoff oder Acetylen – 2 W abgestrahlter Leistung. Von Funkgeräten nach dem WLAN-Standard werden beide Werte aber zumindest im Regelbetrieb deutlich unterschritten. Besonders bei der Installation von WLAN fordert die IT-Abteilung den Einsatz von bereits im Nicht-Ex-Bereich eingesetzten WLAN-Geräten. Für die meisten marktgängigen Funkkomponenten liegt allerdings keine Zulassung für die Installation in Zone 1 vor. Einen üblichen Ausweg stellt der Einbau konventioneller Funktechnik ohne Zulassung in Gehäuse dar, die der Zündschutzart Ex d (Druckfeste Kapselung) oder vergleichbaren Zündschutzarten entsprechen. Solche gekapselten Gehäuse aber bestehen meist aus Metall, das die elektromagnetische Strahlung einer innen angebrachten Antenne stark abschirmen würde. Für die deshalb überwiegend eingesetzten externen Antennen wiederum war bislang eine Atex-gerechte Ausführung Pflicht. Oft wurde diese in Form von Konstruktionen in der Zündschutzart Ex e (erhöhte Sicherheit) implementiert. Erst in Zukunft wird es voraussichtlich spezielle Antennendurchführungen geben, die dank Schutzart Ex ib (eigensicher) die gefahrlose Verwendung einer beliebigen Standardantenne am Wireless-Gerät möglich machen.

 

Ex-Schutz-Know-how für Wireless-Systeme

Drahtlose Kommunikationsnetze sorgen in der Prozessautomation für hohe Flexibilität. Bei Anlagen mit explosionsgeschützten Bereichen erfordert ihr Einsatz allerdings eine sichere Auslegung der Technik. Nicht nur das Spektrum verfügbarer Komponenten in geeigneten Schutzarten ändert sich jedoch laufend. Auch können durch neue Lösungsansätze alte Einschränkungen entfallen – demnächst etwa die Notwendigkeit Atex-zertifizierter Antennen. Zudem sind die in Frage kommenden Funktechnologien in der Prozessindustrie weiter im Umbruch. Zur Planung und applikationsspezifischen Abstimmung von Wireless-Netzen für Ex-Anlagen empfiehlt es sich deshalb, den Rat spezialisierter Anbieter zu suchen. Anwender erhalten so die beste Gewähr dafür, eine Lösung auf dem jeweils aktuellen Stand und mit maximalem Komfort und Nutzen zu bekommen.

 

Stephan Schultz

Stephan Schultz ist Produktmanager Isolators and Wireless bei der R. Stahl Schaltgeräte GmbH in Waldenburg.

 

Weitere Informationen unter www.stahl.de.

 

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