IEC 62591 WirelessHART®
System Engineering
Handbuch
Revision 2.2
Das vorliegende Dokument liefert einen Leitfaden für die Implementierung von WirelessHART-Systemen
in den Projektprozess.
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System Engineering Handbuch
Version 2.2
November 2010
WirelessHART
System Engineering Handbuch für WirelessHART
Inhaltsverzeichnis
System Engineering Handbuch für WirelessHART..................................................................................... 2
Vorwort ............................................................................................................................................... 5
Autoren ............................................................................................................................................... 5
Korrektoren ......................................................................................................................................... 5
Änderungsstand .................................................................................................................................. 6
Haftungsausschluss ............................................................................................................................. 6
Rückmeldungen ................................................................................................................................... 6
Kapitel 1
Einführung ........................................................................................................................... 7
Gegenstand ......................................................................................................................................... 7
Anwendungsbereich ............................................................................................................................ 7
Definitionen ........................................................................................................................................ 7
Kapitel 2
Definitionen ......................................................................................................................... 9
Akronyme.......................................................................................................................................... 10
Kapitel 3
Projektkonzepte ................................................................................................................. 11
Pre-FEED ........................................................................................................................................... 11
Bewertung der Technologie ............................................................................................................... 12
FEED .................................................................................................................................................. 13
Detailkonstruktion ............................................................................................................................. 16
Abnahmeprüfung beim Hersteller...................................................................................................... 20
Installation ........................................................................................................................................ 20
Inbetriebnahme................................................................................................................................. 21
Kapitel 4
Dokumentationsanforderungen ......................................................................................... 22
Zeichnungen ...................................................................................................................................... 22
ISA-Dokumentation ........................................................................................................................... 22
Prüfbericht ........................................................................................................................................ 23
Geräteindex/-datenbank ................................................................................................................... 23
Gerätedatenblätter............................................................................................................................ 23
Wichtige Anforderungen ................................................................................................................... 23
Herstellerdokumentation .................................................................................................................. 23
Projektleitung .................................................................................................................................... 24
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Kapitel 5
WirelessHART
Feldgerätanforderungen .................................................................................................... 26
Unterstützung der WirelessHART-Funktionalität ................................................................................ 26
WirelessHART-Verifizierung ............................................................................................................... 26
Gerätediagnose ................................................................................................................................. 26
Stromversorgung des Feldgeräts........................................................................................................ 27
Feldgerätesicherheit .......................................................................................................................... 30
Freigaben .......................................................................................................................................... 31
Zugänglichkeit ................................................................................................................................... 32
Kapitel 6
Anforderungen an Zusatzgeräte ......................................................................................... 33
Gateways .......................................................................................................................................... 33
Wireless-Repeater ............................................................................................................................. 34
WirelessHART-Adapter ...................................................................................................................... 35
Kapitel 7
Designvorgaben für WirelessHART-Feldnetzwerke.............................................................. 36
Wireless-Projektüberblick .................................................................................................................. 36
Auslegung des WirelessHART-Feldnetzwerkes ................................................................................... 37
Festlegung des Umfangs .................................................................................................................... 37
Auslegung.......................................................................................................................................... 43
Reservekapazität und Erweiterung .................................................................................................... 49
Verstärkung ....................................................................................................................................... 50
WirelessHART-Verfügbarkeit und Redundanz .................................................................................... 51
WirelessHART-Sicherheit ................................................................................................................... 52
Auslegung des Netzwerks für Regelungsaufgaben.............................................................................. 52
Kapitel 8
Anforderungen an das Host-System ................................................................................... 54
Einsatz von Standardprotokollen ....................................................................................................... 54
Wireless-Host-System ........................................................................................................................ 54
Host-Integration ................................................................................................................................ 56
Interoperabilität ................................................................................................................................ 58
Host-System-Unterstützung für WirelessHART-Funktionalität ............................................................ 58
Konfigurationstools ........................................................................................................................... 58
Grafische Darstellung des Leitsystems (DCS / PLS) ............................................................................. 58
Knotenpunktadressierung und Namenskonventionen ....................................................................... 59
Alarme und Warnsignale ................................................................................................................... 59
Wartungsstation ................................................................................................................................ 59
Historian............................................................................................................................................ 60
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Kapitel 9
WirelessHART
Anforderungen an Abnahmeprüfung beim Hersteller ......................................................... 61
Einführung......................................................................................................................................... 61
Staging beim Hersteller...................................................................................................................... 61
Voraussetzungen ............................................................................................................................... 61
Anforderungen an Abnahmeprüfung beim Hersteller (FAT) ............................................................... 61
FAT-Verfahren ................................................................................................................................... 62
Kapitel 10 Installationsanweisungen ................................................................................................... 64
Netzwerkinstallation.......................................................................................................................... 64
Blitzschutz ......................................................................................................................................... 64
Wireless-Verbindungstestverfahren................................................................................................... 65
Netzwerktestverfahren...................................................................................................................... 67
Loop-Test / Standortintegrationstest ................................................................................................. 67
Bench-Simulationstest ....................................................................................................................... 68
Bereitstellung von Ersatzteilen .......................................................................................................... 68
Entfernen redundanter Geräte .......................................................................................................... 68
Wartung ............................................................................................................................................ 68
Kapitel 11
Dokumentation in Intergraph SPI 2009 .............................................................................. 69
Benutzerdefinierte Felder .................................................................................................................. 69
Gefilterte Ansicht .............................................................................................................................. 70
Anlegen von Instrumenttypen ......................................................................................................... 722
Loop-Diagramme ............................................................................................................................... 77
Technische Datenblätter in SPI .......................................................................................................... 80
Zeichnungen in SPL – Smart Plant Layout ........................................................................................... 81
Dokumentation von Sicherheitsinformationen .................................................................................. 81
Anhang A. Beispiel ISA-Datenblatt ......................................................................................................... 83
Anhang B. Vergleich WirelessHART / HART ............................................................................................ 84
Anhang C. AMS Wireless Snap-On Anwendung ...................................................................................... 86
Anhang D. Wireless-Spektrumsregelung ................................................................................................ 87
Anhang E. Quellen ................................................................................................................................. 92
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WirelessHART
Vorwort
Das vorliegende Dokument wurde erstellt, um den aufkommenden
Bedarf von WirelessHart-Anwendern zu decken, die
selbstorganisierende Maschennetzwerke in der Prozessindustrie
einführen.
Dieses Handbuch umfasst WirelessHart-Produkte, die bei der HART
COMMUNICATIONS FOUNDATION und deren Mitgliedern erhältlich
sind.
Da davon ausgegangen wird, dass der Leser mit der HARTInstrumentierung vertraut ist, wird der Fokus inhaltlich auf die
einmaligen Aspekte des Einsatzes von WirelessHart-Systemem gelegt.
Sofern nichts anderes angegeben ist, kann der Leser davon ausgehen,
dass die Projektschritte für die HART- und die WirelessHartInstrumentierung gleich sind.
Mit dem vorliegenden Dokument wird beabsichtigt, einen Rahmen für
komplexe Gespräche über die Einführung von WirelessHart-Systemen zu
schaffen.
Autoren
Unser besonderer Dank gilt den Personen, die an diesem Handbuch
mitgearbeitet und es überprüft haben:
Mitwirkender
Unternehmen
Daniel Carlson (Verfasser)
Emerson Process Management
Moazzam Shamsi
Emerson Process Management
Ted Schnaare
Emerson Process Management
Dan Daugherty
Emerson Process Management
Jeff Potter
Emerson Process Management
Mark Nixon
Emerson Process Management
Mitwirkender
Unternehmen
Jeremy Fearn
Emerson Process Management
Korrektoren
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WirelessHART
Jeff Jacobson
Emerson Process Management
Lara Kauchak
Emerson Process Management
Rob Train
Emerson Process Management
Änderungsstand
Versionsnummer
Datum
Beschreibung
2.0
Oktober 2010
Erstausgabe
2.1
13. November 2010
Metrische Einheiten für die Reichweite
hinzugefügt, Fehler im Inhaltsverzeichnis
korrigiert
2.2
24. November 2010
Kleinere redaktionelle Korrekturen.
Haftungsausschluss
Dieses Dokument ist rein informativ und wird ohne Mängelgewähr zur
Verfügung gestellt. Änderungen an diesem Dokument sind ohne
Benachrichtigung vorbehalten. Die Autoren und Mitwirkenden haften
nicht für Verluste oder Schäden, die durch einen Mangel, Fehler oder
eine Unterlassung in diesem Dokument oder durch die Verwendung
dieses Dokuments durch Anwender oder durch das Vertrauen der
Anwender auf dieses Dokument auftreten oder entstehen.
Rückmeldungen
Senden Sie Rückmeldungen an Dan Carlson:
[email protected]
•
Anmerkungen
•
Empfehlungen
•
Fragen zum Inhalt
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Kapitel 1
WirelessHART
Einführung
Gegenstand
Das WirelessHart System Engineering Handbuch dient der detaillierten
Beschreibung, wie WirelessHart-Geräte in Großprojekte jeglicher Größe
integriert werden können.
Anwendungsbereich
Das vorliegende Dokument berücksichtigt WirelessHart-Geräte während
der Lebensdauer des Großprojekts sowie des WirelessHart-Geräts.
Berücksichtigt werden Unterschiede zwischen HART- und WirelessHARTSpezifikationen und WirelessHART-Gerätetypen, die spezifisch für den
WirelessHART-Standard (IEC 62591) sind.
Kleinere Unterschiede zwischen HART- und WirelessHART-Geräten und
herstellerspezifische Merkmale sowie Untersuchungen zur Einbindung
in verschiedene Host-Systeme werden nicht erschöpfend behandelt.
Definitionen
WirelessHART ist ein globaler IEC-geprüfter Standard (62591), bei dem
eine gängige selbstorganisierende Maschennetzwerktechnologie
implementiert ist, bei der wiederum Feldgeräte ein drahtloses Netzwerk
bilden, das dynamisch Hindernisse in der Prozessumgebung umgeht.
Diese Architektur schafft eine kostengünstige
Automatisierungsalternative, die keiner Verdrahtung oder anderweitig
unterstützenden Infrastruktur bedarf. WirelessHART-Feldnetzwerke
(WFN) kommunizieren Daten zurück an die Host-Systeme und zwar mit
einer im Feld nachgewiesenen Zuverlässigkeit von über 99 % und eignen
sich sowohl für Regelungs- als auch Überwachungsanwendungen.
Die Ähnlichkeiten zwischen WirelessHART und HART ermöglicht bei
Wireless-Geräten die Schulung bestehender Ablauforganisationen zu
nutzen, wodurch Änderungen minimiert werden und die
Automatisierungsvorteile auf die Anwender ausgeweitet werden, die
bisher die Integration in kabelgebundene Großprojekte nicht
rechtfertigen konnten. Diese Möglichkeit und dieser langfristige Nutzen
rechtfertigen die Einbeziehung neuer Endanwender einschließlich
Wartung, Sicherheit, Umwelt und Zuverlässigkeit in die FEED-Phase
[Front-End Engineering and Design / Vorplanung] neuer Projekte.
Außerdem bieten Wireless-Netzwerke durch die Beseitigung vieler
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WirelessHART
physikalischer Einschränkungen durch die Verdrahtung und Stromzufuhr
neue Flexibilität bei der Projektausführung.
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Kapitel 2
WirelessHART
Definitionen
Begriff
Definition
Gateway
Ermöglicht die Kommunikation zwischen WirelessFeldgeräten und Host-Anwendungen, die an ein
Ethernet, ein serielles oder anderes bestehendes
Kommunikationsnetzwerk der Anlage
angeschlossen sind, sowie die Verwaltung des
Wireless-Feldnetzwerks und die Verwaltung der
Netzwerksicherheit. Vom Konzept her ist das
Gateway das drahtlose Pendant zu Schaltschränken
und Verteilerkästen. Die Gateway-Funktion kann
ebenfalls in nativen WirelessHART-E/A-Karten mit
Funkantennen im Feld bestehen.
Host-System
Ein System, das üblicherweise für die
Anlagensteuerung verwendet wird (z.B. DCS oder
PLC).
Zugangscode
Ein numerisches Feld mit vier Byte in
hexadezimalem Format, das von WirelessHARTGeräten als Sicherheitsmaßnahme verwendet wird,
um zu bestätigen, dass sie berechtigte Mitglieder
des Netzwerks sind. Dieser Zugangscode kann
zufällig vergeben oder vom Anwender definiert
werden. Der Zugangscode und die Netzwerk-ID
müssen sowohl vom WirelessHART-Gateway als
auch vom Gerät erkannt werden, um die
Kommunikation aufzubauen.
Netzwerk-ID
Eine ganze Zahl zwischen 0 und 36863, die das
WirelessHart-Netzwerk spezifiziert. Eindeutige
Gateways und deren zugeordnete Netzwerke
müssen eindeutige Netzwerk-IDs aufweisen. Alle
Geräte mit derselben Netzwerk-ID arbeiten im
selben Netzwerk und Gateway. Diese Netzwerk-ID
wird als Teil der WirelessHart-Sicherheit betrachtet,
da sie für den Zugang zum Netzwerk benötigt wird.
Scan-Rate
Das vom Anwender definierte Intervall, in dem ein
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WirelessHART
Wireless-Feldgerät eine Messung aufnimmt und
diese an das Gateway überträgt. Die Scan-Rate hat
den größten Einfluss auf die Lebensdauer der
Batterie, da der Gerätesensor mit Strom versorgt
wird. Die Scan-Rate ist unabhängig von
Funkübertragungen, die für "mesh hopping"
[Sprünge im Netzwerk] von vielen Geräten benötigt
werden, um eine Messung an das Gateway zu
übertragen.
WirelessAdapter
Hiermit kann ein vorhandenes 4-20 mA HARTfähiges Feldgerät drahtlos verbunden werden. Die
Adapter ermöglichen, dass das vorhandene Signal
von 4-20 mA parallel zum digitalen Wireless-Signal
arbeitet.
WirelessFeldgeräte
Feldgerät mit einer WirelessHART-Funkantenne
sowie Software oder ein vorhandenes HART-fähiges
Feldgerät mit angeschlossenem WirelessHARTAdapter.
WirelessFeldnetzwerk
Ein selbstorganisiertes Netzwerk von WirelessFeldgeräten, das automatisch physikalische
Hindernisse und Störungen durch Funkfrequenzen
in der Prozessumgebung umgeht, um die nötige
Bandbreite für die Kommunikation von Prozessund Geräteinformationen in sicherer und
zuverlässiger Weise zu liefern.
WirelessRepeater
Jedes Wireless-Feldgerät, das eingesetzt wird, um
ein Wireless-Feldnetzwerk zu stärken oder die
Entfernung zwischen drahtlosen Messpunkten zu
vergrößern.
Akronyme
Abkürzung
Beschreibung
FEED
Front-End Engineering and Design
[Vorplanung]
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Kapitel 3
WirelessHART
Projektkonzepte
Pre-FEED
Während der Pre-FEED-Phase (Phase vor der Vorplanung) müssen
verfügbare Technologien berücksichtigt werden und die Eignung für die
Erfüllung der Projekt- und Anwendungsanforderungen muss bewertet
werden. Während dieser Pre-FEED-Phase sollte WirelessHART als eine
mögliche Technologie zusammen mit anderen Protokollen in Erwägung
gezogen werden, einschließlich HART, Foundation Fieldbus und
Profibus.
Während der Pre-FEED-Phase sollten Spektrumsgenehmigungen für den
Endanwender und alle dazwischen liegenden Standorte überprüft
werden. Weitere Informationen finden Sie im 0 WirelessSpektrumsregelung.
Ein ganzheitlicher Ansatz sollte für die Einbindung des WirelessKonzepts in ein Projekt angewandt werden. Das Wireless-Konzept sollte
mit den bestehenden Verfahren für ein kabelgebundenes Projekt
zusammengeführt werden. Die Hauptüberlegung ist die Verwendung
der richtigen Feldgerätetechnologie für die richtige Anwendung sowie
die Ausweitung der Überlegungen auf die Endanwender, die in der
FEED-Phase vertreten sind.
Die richtige Technologie für die jeweilige Anwendung
WirelessHART ist sowohl für Steuerungs- als auch
Überwachungsaufgaben ausgelegt; die aktuellsten Anwendungsfälle
konzentrieren sich aber aufgrund der konservativen Umsetzung der
Technologie auf Überwachungsanwendungen, um die Ansprüche einer
konservativen Industrie zu erfüllen.
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WirelessHART
Abbildung 1.. Auswahl des richtigen Protokolls
Bewertung der Technologie
Für das Projekt sollten Auslegungsvorgaben festgelegt werden, um zu
definieren, welche Messpunkte WirelessHART sind und welche nicht,
und um damit eine Konsistenz und effiziente Planung für nachfolgende
Projektphasen zu ermöglichen.
Der technische Experte wird eine Entscheidung zum Einsatz des
Wireless-Konzepts
Konzepts auf der Grundlage der folgenden Kriterien auf
höchster Ebene treffen:
•
Wirtschaftliche Bewertung
•
Mögliche Anwendungen
•
Mögliche betriebliche Einsparungen
•
Möglicher Vorteil von neuen Messungen, die zusätzlichen
Einblick in den Prozess verschaffen
•
Vorteile durch Ergänzung von Messungen, die vorher nicht
berücksichtigt wurden oder aus Kostengründen oder aufgrund
der Umsetzbarkeit nicht in das Automatisierungssystem
eingebunden werden konnten
•
Vorteile der flexiblen Projektausführung (z.B. einfache
Ergänzung von Messpunkten)
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WirelessHART
Die Wirtschaftlichkeit der Verlegung von Kabeln hat im Wesentlichen
die Vorteile der Automatisierung auf Prozesssteuerungs- und
Sicherheitsanwendungen mit zusätzlichen Punkten begrenzt, die über
die Lebensdauer der Anlage hinzugefügt wurden, um kritische Probleme
zu lösen. Da für WirelessHART keine Kabel benötigt werden, definiert
die Wirtschaftlichkeit von Automatisierung die finanzielle Hürde neu,
die bestimmt, ob ein Punkt automatisiert wird oder nicht. Mit
WirelessHART können Punkte, die traditionell mit einem Messgerät oder
gar nicht angezeigt werden, automatisiert werden. Zusätzlich ermöglicht
WirelessHART Diagnosefunktionen und die Übermittlung von weiteren
Hart-Informationen an verschiedene Standorte, ohne dass weitere
Infrastruktur erforderlich ist oder das Steuerungssystem und dessen Ein/Ausgänge beeinflusst werden. Da neue Informationen aus dem Feld
einfach verfügbar sind, sollten Endanwender einschließlich Wartung,
Anlagenschutz, Gesundheit/Sicherheit/Umwelt und Zuverlässigkeit in
der FEED- und Auslegungsphase berücksichtigt werden.
FEED
Wesentliche Ergebnisse gibt es für Wireless in der FEED-Phase, z.B.
Kostenschätzung, Designvorgaben und Spezifikationen.
Kostenschätzung
Hersteller von WirelessHART-Feldgeräten verfügen möglicherweise über
Kostenrechner und Großprojektstudien, die als Referenz herangezogen
und verglichen werden können, um die Kosten für Wireless in einem
Projekt oder für ein komplettes Wireless-Projekt zu rechtfertigen. Bei
einem Großprojekt kann die Wireless-Technologie die Hauptkosten
durch Umwandlung von kabelgebundenen Überwachungspunkte in
drahtlose Punkte reduzieren. Konstrukteure sollten die folgenden
Faktoren in ihr Rechenmodell für die Projektkostenschätzung
einbeziehen:
•
Geringere Entwicklungskosten (einschließlich Zeichnungen und
Dokumentation sowie FAT)
•
Weniger Arbeitskräfte (Installation im Feld, Inbetriebnahme,
Überwachung)
•
Geringerer Materialbedarf (Abschlüsse, Anschlusskästen,
Verkabelung, Kabelkanäle/-durchführungen/-plan,
Stromversorgungen und Bauteile des Leitsystems)
•
E/A-Kapazitätenverwaltung (jedes WirelessHART-Gateway
liefert wesentliche E/A-Ersatzkapazitäten)
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WirelessHART
Designvorgaben für WirelessHART
Während der FEED-Phase sollten alle Projektteilnehmer über die
Möglichkeiten und Vorteile von WirelessHART informiert werden, so
dass Konstrukteure potentielle Kandidaten unter den Anwendungen
erkennen können. Für das Projekt sollte eine WirelessAuslegungsrichtlinie aufgestellt werden, die an alle Projektteilnehmer
verteilt wird.
Der Prozesskonstrukteur kann eine Reihe von Kriterien verwenden, wie
zum Beispiel die in Abbildung 2 abgebildete, vereinfachte Tabelle, um
Wireless-Kandidaten unter den Anwendungen auszumachen.
Abbildung 2. Beispielkriterien
Kandidaten für WirelessHART werden idealerweise während der frühen
Prozessauslegungsphase der FEED-Phase erkannt. Dies kann bei der
Aufstellung des Prozessablaufdiagramms (Process Flow Diagram/PFD)
und des Rohrleitungs- und Instrumentendiagramms (Piping and
Instrument Design/P&ID) geschehen. Wenn jedoch keine frühe
Entscheidung getroffen wird, sollte dies nicht die spätere Verwendung
der Technologie im Projekt ausschließen.
Die Auslegungsgrundlage sollte allen Teilnehmern zugänglich sein, so
dass andere technische Planungsleiter potentielle WirelessAnwendungen erkennen und von der vorhandenen WirelessInfrastruktur profitieren können. Außerdem gewährleistet dieser
Prozess die durchgängige Implementierung über alle Planungsleiter
hinweg und ermöglicht einen effizienten Entscheidungsprozess für den
Einsatz von Wireless.
Punkte, die bei der Aufstellung der Vorgaben zu berücksichtigen sind:
•
Festlegung, welche Kategorien von Punkten sich für Wireless
eignen: Sicherheit, Regelung, Überwachung und lokale Angabe.
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WirelessHART
•
Festlegung, ob sich neue Anwender für die Automatisierung
eignen: Prozesswirksamkeit, Wartung, Zuverlässigkeit,
Anlagenschutz, Gesundheit/Sicherheit/Umwelt.
•
Bestimmung erforderlicher Reserven in Prozent und benötigter
Ersatzkapazitäten.
•
Faktor für Einschränkungen hinsichtlich der Distanz. Eine
typische klare Sichtlinie ermöglicht Entfernungen von 230 m
(750 Fuß) zwischen Wireless-Feldgeräten. Bewährte Verfahren
regeln diese Einschränkung.
Spezifikationen
Spezifikationen für WirelessHART-Feldgeräte sind zu 90 % identisch mit
den Spezifikationen von kabelgebundenen HART-Geräten. Beispiele
finden Sie in 0 Vergleich von WirelessHart mit kabelgebundenem Hart.
Spezifikationen für die HART-Instrumentierung bilden die Grundlage für
WirelessHART-Spezifikationen. Die wesentlichen Unterschiede
hinsichtlich der ISA-20-Spezifikationen sind das Ausgangssignal, die
Stromversorgung, die Scan-Rate sowie die Schutzart/Gehäuse.
Technische Daten, die nicht in dieser kurzen Liste enthalten sind, finden
sich entweder im WirelessHART-Standard IEC 62591, sind kleine
Abweichungen von HART, die optional im Spezifikationsprozess
berücksichtigt werden müssen, oder sind einzigartig für einen Hersteller
von Feldgeräten.
Abbildung 3 liefert einen Vergleich der wesentlichen Unterschiede der
technischen Daten1:
Bereich der Spezifikation
Ausgangssignal
Stromversorgung
Scan-Rate
Schutzart/Gehäuse
Technische Daten für
HART
4-20 mA HART
24 V Gleichstrom über
Schleifenstrom
1 Sekunde
Explosionsschutz
Technische Daten für WirelessHART
IEC 62591 WirelessHART
Eigensichere Batterie2
1 Sekunde bis 60 Minuten
Eigensicher2
Abbildung 3. Hauptunterschiede zwischen kabelgebundenem HART und WirelessHART
1
Die Werte in der Tabelle sind typisch und repräsentativ aber nicht umfassend.
2
Der eigensichere Schutz ist bei Herstellern von Wireless-Feldgeräten im Trend, wobei Explosionsschutz eine Option ist. Hinsichtlich dieser
Diskrepanz liegt es im Interesse der Leser, eine sorgfältige Prüfung durchzuführen (Due Diligence).
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WirelessHART
IEC 62591 WirelessHART ist ein internationaler Standard für WirelessProzessgeräte. Der Standard umfasst komplexe Vorgaben hinsichtlich
Sicherheit, Protokoll sowie anderer Merkmale, und daher ist eine
Spezifikation dieser Attribute, die im Standard abgedeckt sind, nicht
erforderlich.
0 liefert Beispielspezifikationen für ein WirelessHART-Gateway und
einen Wireless-Adapter, der allgemein als Transceiver/Receiver
festgelegt werden kann.
Detailkonstruktion
Während der Phase der Detailkonstruktion eines Projekts muss der
Konstrukteur WirelessHART-Geräte gemäß der in der FEED-Phase
aufgestellten Vorgaben berücksichtigen, die Projektdatenbank um
Wireless-spezifische Felder ergänzen und Auslegungsverfahren für
Wireless-Feldnetzwerke durchführen, um die Umsetzung der optimalen
Vorgehensweise sicherzustellen.
Punkte sortieren
Gemäß der Wireless-Vorgaben, die in der FEED-Phase aufgestellt
wurden, sollte der Techniker eine Sortierung aller Punkte in den
Projektdaten vornehmen, um zu erkennen, welche sich für Wireless
eignen. Wenn zum Beispiel Überwachung als geeignete Kategorie gilt,
sollten diese Punkte von den Regelungspunkten und sonstigen Punkten
getrennt werden. Anschließend können weitere Anforderungen der
Feldgeräte angewandt werden. Beispielsweise können einige
Regelungspunkte von der Eignung für Wireless ausgeschlossen werden,
da die erforderliche Scan-Rate entweder über die gewünschte
Lebensdauer der Batterie oder die Möglichkeiten des Feldgeräts
hinausgeht.
Typische Sicherheits- und Regelungs-Scan-Raten betragen 1 Sekunde
oder weniger. Es gibt einen Abstrich für Wireless-Geräte zwischen der
Scan-Rate und der Lebensdauer der Batterie: Je schneller die Scan-Rate,
desto kürzer ist die Lebensdauer der Batterie. Die aktuelle Empfehlung
ist, dass eine Anwendung eine Zeitkonstante haben sollte, die durch
eine Scan-Rate erfüllt wird und die für einen geringeren
Wartungsaufwand eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren
ermöglicht. Jedoch begünstigt dieser Abstrich schnellere Scan-Raten,
wenn das Wireless-Gerät extern durch einen Wireless-Adapter gespeist
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WirelessHART
wird, der Strom aus dem 4-20 mA Loop bezieht [Power Scavenging],
oder wenn die Batteriewartung bei dieser Anwendung kein Problem
darstellt. Außerdem wird empfohlen, dass die Scan-Rate der Messung
3x schneller ist als die Zeitkonstante des Prozesses. Als Beispiel kann die
Messung von Temperaturänderungen mit einem Sensor in einem
Schutzrohr 16 Sekunden für langsam wechselnde Temperaturen dauern,
je nachdem wie lang die Hitze benötigt, um durch das Schutzrohr zu
gelangen.
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WirelessHART
Datenbankfeld für Wireless
Jedes Wireless-Feldgerät muss einem eindeutigen Gateway zugewiesen
werden, das ein eindeutiges Wireless-Netzwerk verwaltet. Es muss ein
Feld geben, das die Verbindung der Feldgeräte mit dem Gateway angibt.
Ohne diese Informationen wird das Wireless-Feldgerät weder in der
Lage sein, die richtigen Sicherheitsvorgaben zu empfangen, um in das
Wireless-Netzwerk zu gelangen, noch die richtige Einbindung in das
Host-System vom Gateway. Gateways können wie HART-Geräte ein
HART TAG haben – kabelgebunden oder drahtlos.
Jedes Gateway verwaltet sein eigenes eindeutiges Wireless-Netzwerk.
Jedes Wireless-Netzwerk in einer Anlage muss eine eindeutige
Netzwerk-ID und einen Gerätzugangscode haben, um zu verhindern,
dass Geräte in ein falsches Netzwerk gelangen, und um
ordnungsgemäße Sicherheit zu gewährleisten; diese Parameter ähneln
einem Benutzernamen und einem Passwort. Im Folgenden finden Sie
Beispiele für einen Gateway HART TAG, eine Netzwerk-ID und einen
Gerätzugangscode.
Parameter
Parameteroptionen
Beispiel
Gateway HART TAG
Feld
UNIT_A_UA_100
Netzwerk-ID
Zahl
10145
Gerätzugangscode
4 Felder
23adfe00-0edf000a000df038-2398dc07
Technische
Einzelheiten
32 Zeichen –
Zeichensatz ISO Latin-1
(ISO 8859-1).
Ganze Zahl zwischen 0
und 36863
4 numerische Felder mit
4 Byte (im
hexadezimalen Format).
Beispiel: 32
Zeichenfelder, in denen
jedes Zeichen eine Zahl
von 0-9 oder ein
Buchstabe von A bis F
sein muss. Für größte
Sicherheit zufällig
auswählen.
Abbildung 4. Definition von Netzwerkparametern
Für die Sicherheit ist der Zugangscode des Geräts am wichtigsten. Ein
Anwender kann den Gateway HART TAG und die Netzwerk-ID für das
Netzwerk kennen, das das Gateway verwaltet, aber ohne den
Gerätzugangscode kann ein Wireless-Feldgerät nicht in das Netzwerk
gelangen. Der Konstrukteur sollte für die Sicherheitsrichtlinien der
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WirelessHART
Entwicklungsfirma und des zukünftigen Eigentümers/Betreibers
sensibilisiert sein und zumindest den Gerätzugangscode mit der
gleichen Sorgfalt wie ein Server-Passwort zu einem Prozessleitsystem
oder einer Datenbank behandeln.
Die Projektdatenbank muss um Felder ergänzt werden, um anzugeben,
dass ein Feldgerät drahtlos ist, und um dessen Verbindung zu einem
Gateway unter Verwendung des Gateway HART TAG oder anderer
Kennzeichnungsgrundsätze anzugeben. Parameter, die vertraulich zu
behandeln sind, sollten auf einem sicheren Medium in
Übereinstimmung mit den aufgestellten Sicherheitsvorschriften
verwaltet werden. Mitarbeiter mit Verantwortung im Bereich ITSicherheit oder Prozesssicherheit können beim Umgang mit sensiblen
Informationen beratend zur Seite stehen.
Zuletzt muss der Konstrukteur Kenntnisse über die verfügbaren
WirelessHART-Geräte haben. Viele Geräte verfügen über mehrere
Eingänge, die die Gesamtanzahl an Punkten in einem Projekt mit
weniger Geräten abdecken können. Beispielsweise bieten mehrere
Anbieter ein Multiplex-WirelessHART-Temperaturgerät an, das Kosten
reduziert.
Auslegung des Netzwerks
Sobald Wireless-Kandidaten in der Instrumentendatenbank erkannt
wurden, kann die Auslegung des Netzwerkes beginnen.
Idealerweise sollten Wireless-Punkte nach Prozesseinheit und
Teilbereich eines Prozesses organisiert werden, was typischerweise in
einer Übersichtszeichnung dargestellt wird. Diese Information kann
verwendet werden, um die benötigte Anzahl an Gateways zu
bestimmen. Zusätzliche Gateways können hinzugefügt werden, um
Reserve-Ein-/Ausgangskapazitäten gemäß Vorschriften oder anderen
Projektanforderungen sicherzustellen. Von hier können die Gateways
logisch über die Prozesseinheit verteilt werden, wie bei
Schaltschränken. Wireless-Feldgeräte können dann danach zugeordnet
werden, welches Gateway am nächsten liegt oder welches Gateway
dem Teilbereich der Prozesseinheit zugeordnet ist, in dem sich das
Feldgerät befindet. Sobald dies abgeschlossen ist, kann die
Netzwerkauslegung nach bewährten Verfahren überprüft werden, um
sicherzustellen, dass das Netzwerk zuverlässig sein wird. Dieses Thema
wird umfassend in 0 Designvorgaben für WirelessHart-Feldnetzwerke
behandelt.
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WirelessHART
Zeichnungen sollten gemäß bestehenden Normen erstellt werden. In
den meisten Fällen wird ein Wireless-Feldgerät wie ein
kabelgebundenes HART-Gerät behandelt. In einigen Zeichnungen
werden Drähte oder die Protokollart nicht angegeben, so dass bei
Wireless-Feldgeräten nichts besonderes vorgenommen werden muss. In
0 Anforderungen an Zusatzgeräte sind Beispiele dokumentiert, die
spezifisch für Wireless-Feldgeräte und für Geräte sind, die einzigartig für
WirelessHART sind, wie z.B. Gateways und Wireless-Adapter. Im Grunde
genommen obliegt es dem Konstrukteur, eine konsequente Konvention
einzuhalten oder vorzulegen, d.h. die Anforderungen des Auftraggebers
und des Betreibers, was auch für kabelgebundene HART-Projekte gilt.
Bestehende Auslegungsvorgaben für die Schnittstelle Mensch/Maschine
[HMI] gelten auch für Wireless; eine Änderung ist nicht erforderlich.
Abnahmeprüfung beim Hersteller
Bei Abnahmeprüfungen beim Hersteller muss eine Verbindung zwischen
dem Gateway und den Host-Systemen hergestellt werden.
WirelessHART-Gateways verfügen über standardmäßige
Ausgangsprotokolle, die entweder direkt oder indirekt mit irgendeinem
Host-System verbunden werden können. Das Design-Team sollte eine
Sammlung dieser Integrationsoptionen als Referenz erstellen.
Installation
Im Allgemeinen werden WirelessHART-Geräte genauso installiert wie
kabelgebundene HART-Geräte. Für genaue Messungen sollte immer
besonderes Augenmerk auf den bestmöglichen Prozessanschluss gelegt
werden. Durch das selbstorganisierende Netzwerk in WirelessHART
können Wireless-Feldgeräte ihre Signale selbst durch die
Prozessumgebung lenken und umlenken, wenn sich die Umgebung
ändert. Ziehen Sie für spezielle Aspekte immer das Handbuch des
WirelessHART-Gerätes zu Rate. Dieses Thema wird umfassend in 0
Designvorgaben für WirelessHart-Feldnetzwerke behandelt.
WirelessHART-Adapter werden üblicherweise im vorhandenen HARTfähigen Gerät oder irgendwo entlang des entsprechenden 4-20 mA Loop
installiert. Ziehen Sie für spezielle Aspekte immer das Handbuch des
WirelessHART-Adapters zu Rate.
WirelessHART-Gateways werden typischerweise 2 m (6 Fuß) über der
Prozessinfrastruktur (normalerweise über Kabelkanälen) und in der
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WirelessHART
Prozesseinheit platziert, bei der die größte Anzahl an Verbindungen zu
Wireless-Feldgeräten erreicht werden kann. Bei kleinen Netzwerken –
üblicherweise weniger als 10 Geräte – ist es teilweise erforderlich, das
Wireless-Netzwerk mit einem Repeater zu verstärken. Ein Repeater ist
irgendein Wireless-Feldgerät, das nur zu dem Zweck eingesetzt wird,
zusätzliche Wireless-Konnektivität zu liefern. Repeater werden wie ein
Gateway installiert, jedoch in der Nähe des Standorts, der zusätzliche
Wireless-Konnektivität benötigt.
Es wird empfohlen, das Gateway zuerst zu installieren, da dadurch die
Host-System-Einbindung und die Installation und Inbetriebnahme des
Wireless-Feldgeräts parallel beginnen kann. Wireless-Feldgeräte können
ergänzt werden, sobald die Prozessanschlüsse vorhanden sind. Wenn
das Wireless-Gerät aktiviert ist, bildet es ein Netzwerk, das den
aktuellen Zustand der Prozesseinheit kompensiert und sich
entsprechend anpasst, wenn die Einheit aufgebaut wird. Der
Projektleiter kann die Installation der Wireless-Geräte parallel zur
Konstruktion laufen lassen, um die Zeitpuffer des Projekts zu vergrößern
oder den Fertigstellungstermin des Projekts vorzuziehen.
Inbetriebnahme
Im Allgemeinen segmentieren WirelessHART-Gateways den
Inbetriebnahme Prozess. Da Gateways die Wireless-Feldgeräte mit dem
Host-System verbinden, können WirelessHART-Geräte am Gateway in
Betrieb genommen werden, um ordnungsgemäße Konnektivität zu
garantieren. Eine Überprüfung des Wireless-Loop kann die Konnektivität
zwischen dem Gateway und dem Host-System bestätigen. Eine
Interaktion mit dem Prozess und dem WirelessHART-Gerät kann
bestätigen, ob das Gerät betriebsbereit ist.
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Kapitel 4
WirelessHART
Dokumentationsanforderungen
Zeichnungen
Bei jedem Projekt ist die Aufstellung lokaler Standards für die
Implementierung einer durchgängigen Dokumentation erforderlich.
Eine komplette Behandlung der Dokumentation finden Sie in 0
Dokumentation in Intergraph SPI 2009.
ISA-Dokumentation
Die amerikanische Norm ANSI/ISA-5.1-2009: Instrumentation Symbols
and Identification, die im September 2009 freigegeben wurde, liefert
grundlegende Richtlinien für Wireless-Instrumentierung und -Signale.
Hauptpunkte:
1. Es gibt keine Unterscheidung bei dem Symbol für ein HART-, FFoder WirelessHART-Gerät. Ein Gerät ist ein Gerät.
2. Ein Wireless-Signal wird als Zickzacklinie und nicht als Strich
dargestellt.
Im Folgenden sehen Sie eine Abbildung aus der ISA-5.1 mit einigen
vergleichenden Beispielen. Umfassende Einzelheiten finden Sie in
der ISA-5.1.
3
Abbildung 5. ISA 5.1 Wireless-Zeichnung
3. Bei der Einführung von WirelessHART sind weitaus weniger Bauteile
erforderlich, was auch die Zeichnungen vereinfacht.
3
ISA-5.1
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WirelessHART
Prüfbericht
Definieren Sie diesen in der FEED-Phase, und stellen Sie sicher, dass er
bei den Designvorgaben umgesetzt wird.
Geräteindex/-datenbank
Empfehlungen für zusätzliche Felder, die nicht typischerweise in den
Spezifikationen für kabelgebundenes HART enthalten sind, finden Sie in
0 Dokumentation in Intergraph SPI 2009.
Gerätedatenblätter
Verwenden Sie standardmäßige Datenblätter, die für kabelgebundene
HART-Geräte erstellt wurden. Aktualisieren Sie für WirelessHART die
folgenden Felder:
Feld Technische Daten
Scan-Rate
Stromversorgung
Kommunikationsart
Typischer Wert
1, 2,4, 8, 16, 32, 64+
Eigensichere Batterie, die im Feld
ausgetauscht werden kann
WirelessHART
Abbildung 6. Technische Daten für WirelessHart-Gerätedatenblätter
Es werden keine speziellen ISA-Datenblätter oder andere Datenblätter
benötigt, da für HART, FOUNDATION Fieldbus oder WirelessHART
dieselben Blätter verwendet werden können. In 0 finden sie ein
Beispieldatenblatt für ein WirelessHART-Gateway.
Wichtige Anforderungen
In Anbetracht des Sicherheitsbedarfs und der hochfrequenten
Emissionen müssen Hersteller zur Einhaltung örtlicher Vorschriften
hinsichtlich Spektrum und Verschlüsselung Genehmigungen für den
Import in das Land des Endnutzers einholen. Der Hersteller kann prüfen,
ob eine Importbewilligung für das entsprechende Land existiert.
Die Batterien werden gewöhnlich aus einem Hochleistungsbauteil unter
Verwendung von Lithium-Thionyl-Chlorid hergestellt. Das
Materialsicherheitsdatenblatt oder ähnliches sowie Kenntnisse über
Lieferbeschränkungen, insbesondere für Personenflugzeuge, sollten
immer verfügbar sein.
Herstellerdokumentation
Jedes WirelessHART-Gerät muss mit einer ordnungsgemäßen
Dokumentation, einschließlich Handbuch, versehen werden, so wie dies
auch bei kabelgebundenen HART-Geräten erwartet werden würde.
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WirelessHART
Projektleitung
Unterauftragnehmermanagement
Wireless ermöglicht ein vereinfachtes Management im Bereich der
Unterauftragnehmer. Anlagenteile können einfach getestet und
getrennt in Betrieb genommen werden, wobei nur minimale Einbindung
und Tests erforderlich sind. Außerdem profitieren auch die
Unterauftragnehmer von weniger Bauteilen und Engineering. Verträge
sollten unter Berücksichtigung der geringeren Komplexität und des
reduzierten Arbeitsaufwands geändert werden.
Projektplanung
1. Überprüfung der Pläne unter Berücksichtigung der folgenden
Aspekte:
• Begrenzter Aufbau der Infrastruktur und daher geringerer
Material- und Installationsumfang
• Abschaffung einiger Testverfahren hinsichtlich Elektrik und
Instrumentierung
2. Änderung der Verträge hinsichtlich vereinfachter Prozesse zur
Übergabe der Installation
3. Vereinfachung der Verwaltung des Installationsplans
4. Reduzierung der Materialkoordination und vereinfachte
Konstruktionspläne
• Abschaffung der Planung, die mit Schaltschränken verbunden
ist, und deren Ausführung
5. Der Plan sollte abgeschaffte Aktivitäten und vereinfachte FAT, SAT
und SIT in den Bereichen widerspiegeln, in denen die WirelessTechnologie umfangreich eingesetzt wurde
Matrix der Verantwortungsbereiche und Fähigkeiten
•
•
Änderung der Matrix der Funktionen und Verantwortungsbereiche,
damit sich die reduzierten /abgeschafften Verantwortungsbereiche
widerspiegeln
Sicherstellung des Engagements aller
Projektbeteiligten/Unterauftragnehmer, so dass die WirelessTechnologie effizient angewandt werden kann, um Planungs- und
Materialkosten zu reduzieren
Verwaltung von Projektänderungen
Bei Projektänderungsaufträgen oder anderen späten Designänderungen
sollte Wireless als Hauptlösung berücksichtigt werden, es sei denn, es
bestehen andere Überlegungen zur Auslegung. Der Einsatz der WirelessSeite 24 von 93
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Technologie wird geringste Änderungen an der Dokumentation, dem
E/A-Layout und der übrigen detaillierten Auslegung sowie eine
schnellere Inbetriebnahme zur Folge haben.
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Kapitel 5
WirelessHART
Feldgerätanforderungen
Unterstützung der WirelessHART-Funktionalität
Alle WirelessHART-Geräte unterstützen Verfahren für den Fernzugriff
auf die Gerätekonfiguration, die Abwärtskompatibilität mit
bestehenden Feldkommunikatoren, die komplette Integration der
WirelessHART-Sicherheitsbestimmungen sowie WirelessHARTInteroperabilität.
WirelessHART-Verifizierung
In der Literatur des WirelessHART-Geräts sollte dessen Einhaltung des
WirelessHART-Standards angegeben sein. Die Logos für WirelessHART,
eine Gerätebeschreibung (DD / Device Descriptor) für
Feldkommunikatoren sowie Asset-Management-Programme sollten
vorhanden sein.
Gerätediagnose
HART-Diagnose
WirelessHART-Geräte enthalten ähnliche oder einen Teil der
Diagnosemöglichkeiten von kabelgebundenen HART-Geräten. Sie
können konfigurierbare Alarme und Warnhinweise sowohl für den
Prozess als auch das Gerät erwarten. Diagnoseinformationen sollten
über HART-Befehle verfügbar sein sowie über Gerätebeschreibungen
(DD) entweder lokal durch Feldkommunikatoren oder per Ferndiagnose
über eine Asset-Management-Software zugänglich sein.
Netzwerkdiagnose für Wireless-Feldgeräte
Jedes WirelessHART-Feldgerät verfügt über Diagnosemöglichkeiten, um
festzustellen, ob ein Gerät mit einem Netzwerk verbunden ist oder
nicht.
Stromversorgungsdiagnose für Wireless-Feldgeräte
Wireless-Feldgeräte verfügen über eine der drei folgenden
Stromversorgungsoptionen: Batterie, Energy Harvesting [Erzeugung von
Strom aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder
Luftströmungen] (einschließlich Solar) oder Netzbetrieb. Die
Lebensdauer von Batterien wird bestimmt durch die Scan-Rate des
Wireless-Feldgeräts, Netzwerk-Routing für andere Wireless-Feldgeräte
und die Effizienz des Sensors und der elektronischen Bauteile.
Üblicherweise sind der Sensor und die Elektronik des WirelessSeite 26 von 93
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WirelessHART
Feldgeräts die Hauptstromverbraucher; die Verwendung der
WirelessHART-Antenne oder die Funktion als Repeater/Relais für andere
WirelessHART-Feldgeräte erfordert nur geringen Stromaufwand.
Wireless-Feldgeräte zeigen ihre Batteriespannung an und verfügen über
eine Alarmfunktion bei Niedrigspannung, so dass der Anwender die
Wartung einplanen und Korrekturmaßnahmen ergreifen kann.
Gateway-Netzwerkdiagnose
Die Gateway-Netzwerkdiagnose sollte anzeigen, ob die Feldgeräte
verbunden sind sowie ordnungsgemäß funktionieren und ob Geräte im
Netzwerk fehlen. Für die ordnungsgemäße Verbindung muss geeignete
Bandbreite zugewiesen werden und zwar auf der Grundlage der ScanRate des Geräts. Ein verbundenes Gerät, das nicht betriebsbereit ist,
kann darauf hindeuten, dass die Scan-Rate eines Geräts zu schnell für
die Netzwerkmöglichkeiten oder die Netzwerkbedingungen ist. Bei
Gateways, die für 100 Geräte oder mehr geeignet sind, ist die
eindeutige Angabe der Geräteverfügbarkeit entscheidend.
Außerdem müssen Gateways unabhängig von der Host-SystemEinbindung in der Lage sein zu erkennen, ob ein Wireless-Feldgerät
verbunden ist. Diese Information muss kontinuierlich aktualisiert
werden und es muss angegeben werden, ob ein Gerät aus Gründen, die
im Netzwerk oder Gerät zu finden sind, nicht verbunden ist. Einfache
Gerätezustände müssen für die Einbindung in das Host-System
verfügbar gemacht werden und zwar unabhängig vom
Ausgangsprotokoll des Gateway zur Angabe des Online-/OfflineZustands.
Stromversorgung des Feldgeräts
Wireless-Feldgeräte verfügen über eine der drei folgenden
Stromversorgungsoptionen: Batterie, Energy Harvesting (einschließlich
Solar) oder Netzbetrieb, wobei es in jeder Kategorie mehrere Optionen
geben kann.
Batterien
Am gängigsten ist die Verwendung einer Batterie für Feldgeräte mit
geringem Leistungsbedarf aufgrund der einfachen Anwendung. Die
meisten Hersteller verwenden Batteriezellen mit Lithium-ThionylChlorid, da sie die höchste Energiedichte aufweisen, die kommerziell
umsetzbar ist. Obwohl typische Zellen wie Batteriezellen für
Verbraucherelektronik aussehen, sollten Vorsichtsmaßnahmen
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getroffen werden, um zu gewährleisten, dass Batterien sicher in die
Prozessumgebung integriert werden. Informationen zur sicheren
Handhabung finden Sie in der Herstellerdokumentation.
Anforderungen an die Batterien:
•
Batteriezellen müssen von einem Hersteller zur Sicherheit in ein
Batteriemodul eingebaut werden.
•
Das Batteriemodul verhindert, dass eine entladene Batterie in
einen Kreislauf mit einer geladenen Zelle integriert wird, was
unbeabsichtigte elektrische Ströme und Hitze zur Folge haben
kann.
•
Das Batteriemodul muss einfach austauschbar sein. Der
Batteriewechsel darf nur minimalen Zeit- und
Schulungsaufwand in Anspruch nehmen.
•
Das Batteriemodul muss eigensicher sein und zum
Batteriewechsel nicht aus dem Wireless-Feldgerät ausgebaut
werden müssen.
•
Das Batteriemodul muss einen beabsichtigten oder
unbeabsichtigten Kurzschluss verhindern, der zu Hitze oder
Funken führen könnte.
•
Das Batteriemodul muss für die Prozessumgebung mit
mechanischen Eigenschaften ausgelegt sein, die die Trennung
der Verbindung und den Betrieb bei normalen
Prozesstemperaturen, die für Geräte erwartet werden,
vorsehen.
•
Batteriemodule müssen die erforderlichen
Sicherheitsdatenblätter (oder ähnliches) sowie Warnhinweise
aufweisen und gemäß behördlicher Vorschriften vor Ort
entsorgt werden können
•
Batteriemodule dürfen sich nicht für den Anschluss an
Verbraucherelektronik oder nicht dafür ausgelegte
Anwendungen eignen, um zu verhindern, dass die
Hochleistungsstromversorgung an nicht kompatible elektrische
Systeme angeschlossen wird.
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WirelessHART
•
Batteriemodule sollten sich für mehrere WirelessHARTFeldgeräte eignen, um die Effizienz der Lagerverwaltung in den
lokalen Ersatzteillagern zu erhöhen.
Die Konstrukteure des Wireless-Feldnetzwerks und Endanwender
müssen Scan-Raten einsetzen, die die Lebensdauer des Batteriemoduls
verlängern und den Wartungsaufwand minimieren.
Energy Harvesting
Verkäufer bieten möglicherweise Energy-Harvesting-Optionen als
Alternative zu Batterien an, wozu unter anderem Solarenergie, Wärme,
Vibrationen und Windlösungen gehören. Aktuelle Techniken zur
Energieumwandlung für Wärme und Vibrationen sind relativ
unwirksam. In manchen Fällen nutzen Energy-Harvesting-Lösungen auch
wiederaufladbare Batterien, um eine konstante Stromversorgung
aufrecht zu erhalten. Die wiederaufladbaren Batterien von heute haben
eine Lebenserwartung von nur wenigen Jahren, während denen sie ihre
volle Leistungsfähigkeit aufrecht erhalten. Die Lebensdauer ist oft
kürzer als die von nicht wiederaufladbaren Lithium-Thionyl-ChloridBatterien. Die Umsetzung von Energy Harvesting wird wahrscheinlich
zunehmen, da Hersteller die Spannung und den Stromverbrauch von
Wireless-Feldgeräten reduzieren und technische Schwierigkeiten bei
Harvesting-Technologien beseitigt werden. Die aktuell am meisten
genutzte Lösung ist die Solartechnik, die die Schwierigkeit des
Lichteinfalls auf Solarzellenflächen mit sich bringt, da die Jahreszeiten
zusammen mit dem Stand der Erde zur Sonne wechseln. Weitere
Schwierigkeiten hat es in der Wüste trotz eines Überflusses an Licht
durch die Sauberhaltung der Solarplatten für die maximale
Energieumwandlung gegeben.
Anforderungen für Energy Harvesting:
•
Wireless-Feldgeräte sollten einen Anschluss für EnergyHarvesting-Geräte haben.
•
Das Energy-Harvesting-Gerät sollte über Mittel für die
Stromversorgung über mehrere Tage verfügen, falls die
Energiequelle für mehrere Tage unterbrochen wird.
•
Das Energy-Harvesting-Gerät muss so montiert werden, dass
der Wechsel der Jahreszeiten keinen negativen Einfluss hat.
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•
Das Energy-Harvesting-Gerät muss eigensicher sein und darf wie
das Batteriemodul keine Wärme oder Kurzschlüsse erzeugen.
•
Das Energy-Harvesting-Gerät muss über Zustandsanzeigen für
den Anwender verfügen.
•
Es muss möglich sein, das Stromerzeugungsgerät
auszuschließen, um die unkontrollierte Erzeugung von Strom zu
verhindern.
Netzbetrieb
In mancher Hinsicht ist eine Netzbetrieboption für ein Wireless-Gerät
unlogisch. Jedoch können einige Wireless-Adapter Strom von Geräten
mit 4-20 mA Loop beziehen, und manche Anwendungen mit
Hochleistungssensoren müssen möglicherweise drahtlos sein und
benötigen mehr Energie als eine Batterie oder ein Energy-HarvestingGerät liefern können.
Anforderungen für den optionalen Netzbetrieb:
•
Wireless-Adapter, die Strom vom 4-20 mA Loop des
kabelgebundenen Geräts beziehen, dürfen das Kontrollsignal
während des normalen Betriebs oder des Fehlermodus nicht
beeinträchtigen.
•
Netzbetriebene Wireless-Geräte, die nicht speziell für 4-20 mA
Loops ausgelegt sind, dürfen keine fest definierte
Stromversorgung erfordern. Sie müssen sich für einen großen
Bereich an Spannungen eignen und dürfen keine Störschutzfilter
oder spezielle Wechselrichter für den ordnungsgemäßen
Betrieb erforderlich machen.
Feldgerätesicherheit
Sicherheit ist ein neuer Aspekt, der durch einen erhöhten Fokus auf
kritische Infrastruktursicherheit insbesondere durch Regierungen und
andere Behörden vorangetrieben wird.
Im Folgenden finden Sie die Anforderungen an die Sicherheit von
Wireless-Feldgeräten:
•
Wireless-Geräte müssen alle WirelessHARTSicherheitsbestimmungen einschließlich der richtigen
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Verwendung der Netzwerk-ID und des Gerätzugangscodes
erfüllen.
•
Der Anwender oder unbeabsichtigte Nutzer darf nicht in der
Lage sein, den Gerätzugangscode des Wireless-Geräts
physikalisch oder digital zu lesen. Der Gerätzugangscode ist
vertraulich zu behandeln und unterliegt den Anforderungen der
jeweiligen lokalen Sicherheitsvorschriften. Auch wenn dies als
Unannehmlichkeit für den beabsichtigten Nutzer gelten mag,
kann dies mit einer Arbeitsrichtlinie gemildert werden, die ein
genehmigtes Zugangsverfahren zu den notwendigen
Sicherheitsparametern vorsieht. Zum Beispiel kann ein
Techniker mit niedriger Sicherheitsstufe die Netzwerk-ID und
den Zugangscode von einem Gateway-Administrator mit
ordnungsgemäßer Zugangsberechtigung zum Gateway erhalten.
•
Das Wireless-Gerät muss Änderungen der
Sicherheitsbestimmung vom Gateway empfangen können –
einschließlich Netzwerk-ID, Gerätzugangscode und Netzwerk,
Sitzung sowie Übertragungscodes, die Pakete bestätigen, die
durch das Netzwerk gesandt werden – sowie unbefugte
Eingriffe und Abhören verhindern.
•
Das Gateway- und jedes Verwaltungsprogramm, das durch das
WirelessHART-Netzwerk durch das Gateway verbunden ist,
muss alle Sicherheitsparameter gemäß der lokalen
Sicherheitsrichtlinie schützen.
Freigaben
Jedes WirelessHART-Gerät muss die entsprechende Freigabe für
Gefahrbereiche zur Erfüllung der Bedingungen der Prozessumgebung
sowie die entsprechenden Spektrums- und Verschlüsselungsfreigaben
aufweisen. Das Spektrum und die Verschlüsselung von WirelessSignalen werden von Behörden wie zum Beispiel dem FCC der
Vereinigten Staaten von Amerika geregelt. Üblicherweise genügt es, mit
dem Hersteller des WirelessHART-Geräts zu überprüfen, ob das Gerät
über die entsprechenden ausreichenden Genehmigungen für die
Einfuhr in das Land verfügt, in dem das Gerät genutzt werden soll.
Spektrums- und Verschlüsselungsfreigaben sind ein Thema der
Beschaffung und stellen keinen Design-Parameter dar wie zum Beispiel
die Gefahrbereichszulassung.
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Zugänglichkeit
WirelessHART-Geräte unterliegen den gleichen mechanischen und
elektrischen Spezifikationen wie kabelgebundene HART-Geräte, da sie in
den gleichen Prozessumgebungen betrieben werden.
Im Folgenden finden Sie allgemeine Anforderungen für WirelessHARTFeldgeräte:
•
WirelessHART-Geräte müssen mit HART-Feldkommunikatoren,
die kabelgebundene und WirelessHART-Geräte unterstützen,
lokal zugänglich sein.
•
WirelessHART-Geräte müssen über Remote-AssetManagement-Systeme verwaltet werden können, die über das
Gateway und durch das WirelessHART-Netzwerk auf das
WirelessHART-Gerät zugreifen.
•
WirelessHART-Adapter sollen die Vorteile eines WirelessHARTNetzwerks auf kabelgebundene HART-Geräte ausweiten, die mit
einem 4-20 mA Loop betrieben werden können oder nicht.
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Kapitel 6
WirelessHART
Anforderungen an Zusatzgeräte
Ein Zusatzgerät ist definiert als ein Gerät, das keinen Messsensor oder
Ausgang zum Prozess aufweist, der betätigt werden kann. Dazu gehören
Wireless-Gateways, lokale Anzeigen, Wireless-Repeater bzw.
WirelessHART-Adapter.
Gateways
Das Gateway ermöglicht die Kommunikation zwischen WirelessFeldgeräten und Host-Systemen, die an ein Ethernet, ein serielles oder
ein anderes bestehendes Kommunikationsnetzwerk der Anlage
angeschlossen sind, sowie die Verwaltung des Wireless-Feldnetzwerks
und der Netzwerksicherheit. Vom Konzept her ist das Gateway das
drahtlose Pendant zu Schaltschränken und Verteilerkästen.
Abbildung 7. Systemaufbau des Gateway
Im Folgenden finden Sie die Anforderungen für ein WirelessHARTGateway:
•
Das Gateway muss eine Lösung zur Verwaltung der
Funktionalität des Gateway, des Netzwerks und der Sicherheit
liefern. In diesem Dokument wird der Begriff "Gateway" im
Zusammenhang mit vielen Funktionen verwendet, wohingegen
in anderen Diskussionen zur Systemintegration auf das Gateway
als reine Protokollkonvertierung Bezug genommen wird.
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WirelessHART
•
Für eine Sicherheitsrichtlinie muss das Gateway kontrollierten
Zugriff haben. Gateways müssen mehrere Benutzerkonten mit
unterschiedlichen Zugangsberechtigungen zu kritischen
Sicherheits- und Konfigurationsparametern haben, so dass es
nur einen einzigen Netzwerkadministrator geben kann.
•
Das Gateway muss über mehrere Ausgangsprotokolle verfügen,
um die Einbindung in eine Reihe von Host-Anwendungen zu
gewährleisten. In einer vorhandenen Prozesseinrichtung kann
es verschiedene Arten von DCS, PLC und Historian [historische
Datenerfassung] geben, die eindeutige Protokolle erfordern.
Mehrere Ausgangsprotokolle ermöglichen die bequeme
Verbindung mit einem standardmäßigen Gateway.
•
Das Gateway muss verschiedene Verbindungen unterstützen
und eigentlich wie ein Server funktionieren. Typische
WirelessHART-Anwendungen erfordern die Übertragung von
Daten an mehrere Host-Anwendungen, um die Daten mehreren
Endanwendern zur Verfügung zu stellen.
•
Das Gateway muss die sichere Übertragung aller Protokolle
über eine Ethernet-Verbindung durch Verschlüsselung
unterstützen.
•
Das Gateway muss interoperabel sein und die
Netzwerkverwaltung der WirelessHART-Geräte von mehreren
Herstellern unterstützen.
Wireless-Repeater
Es gibt keine speziellen Anforderungen für einen WirelessHARTRepeater. Wenn es sich bei einem Repeater um ein WirelessHART-Gerät
mit konfigurierbarer Scan-Rate handelt, kann die Minimierung der ScanRate die Lebensdauer des Batteriemoduls verlängern, ohne die
Zuverlässigkeit des Netzwerks zu beeinträchtigen.
Sollte ein Hersteller ein WirelessHART-Gerät speziell als Repeater
entwickeln, muss dieses Gerät wie jedes andere WirelessHART-Gerät
verwaltet werden können und dieses Gerät unterliegt allen
Spezifikationen eines WirelessHART-Geräts. WirelessHart-Adapter
können effektiv als Repeater genutzt werden, wenn Stromversorgung
vor Ort oder ein kabelgebundenes HART-Gerät zur Verfügung steht.
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WirelessHART
WirelessHART-Adapter
WirelessHART-Adapter werden mit kabelgebundenen HART-Geräten
verbunden, die keine Wireless-Geräte sind, und übertragen parallele
Ausgangssignale durch den 4-20 mA Loop und das WirelessHARTFeldnetzwerk. Es gibt drei Hauptanwendungsfälle für WirelessHARTAdapter:
•
Zugang zur HART-Diagnose, die aufgrund von Beschränkungen
des Host-Systems, das möglicherweise die Übertragung des
HART-Signals über den 4-20 mA Loop verhindert, nicht möglich
ist.
•
Bietet die Wireless-Kommunikation für HART-Geräte, die nicht
drahtlos sind.
•
Ermöglicht den Zugriff auf Geräteinformationen durch mehrere
Anwender, die eventuell keinen direkten Zugang zum
Steuerungssystem haben. Bei diesem Szenario wird das
kabelgebundene Signal an den Kontrollraum übertragen,
während in einem separaten Büro Personal im Bereich Wartung
und Zuverlässigkeit sowie anderes Personal auf das WirelessSignal zugreifen kann.
•
Funktion als Wireless-Repeater.
Technische Daten für WirelessHART-Adapter:
•
Der Adapter darf die 4-20 mA Signale beim normalen Betrieb
nicht beeinträchtigen.
•
Der Adapter darf die 4-20 mA Signale unter Fehlerbedingungen
nicht beeinträchtigen.
•
Der Adapter muss wie jedes andere WirelessHART-Feldgerät im
WirelessHART-Feldnetzwerk funktionieren.
•
Der Adapter muss über ein HART-Tag verfügen.
•
Der Adapter muss die Prozessvariable des kabelgebundenen
HART-Geräts sowie den Fernzugriff für die Konfiguration und
Kalibrierung übertragen.
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Kapitel 7
WirelessHART
Designvorgaben für WirelessHARTFeldnetzwerke
Die Auslegung eines WirelessHART-Netzwerks ermöglicht eine
erfolgreiche und skalierbare Architektur. Im Gegensatz zu Altsystemen
und Punkt-zu-Punkt-Wireless-Netzwerken ist WirelessHART eine
wirklich skalierbare Automatisierungstechnologie, die
widerstandsfähiger wird, je mehr Geräte zu einem bestehenden
Netzwerk hinzugefügt werden. Designvorgaben unterstützen den
Einsatz kleiner Netzwerke (weniger als 10 WirelessHART-Geräte) sowie
die Segmentierung mehrerer Netzwerke, wenn eine Prozesseinrichtung
eine weitaus größere Anzahl von WirelessHART-Geräten benötigt.
Zusätzliche Empfehlungen werden ebenfalls gegeben, um eine
langfristige, dauerhafte Umsetzung der Wireless-Anwendungen zu
unterstützen, einschließlich WirelessHART, Wi-Fi, Wi-Max etc.
Die bewährten Verfahren für die Netzwerkauslegung gelten allgemein
für Netzwerke, die mit einer Mischung von WirelessHART-Geräten mit
einer Auswahl an Scan-Raten von 4 Sekunden bis 3.600 Sekunden (60
Minuten) arbeiten. Bitte lesen Sie den Abschnitt "Auslegung für die
Steuerung", wenn Sie Scan-Raten von 1 Sekunde umsetzen.
Eine Standortbesichtigung ist normalerweise nicht erforderlich oder bei
Standorten "auf der grünen Wiese" sogar nicht möglich. Einen Überblick
über die Spektrumsverwendung finden Sie in 0 WirelessSpectrumsregelung.
Wireless-Projektüberblick
Eine umfassende Übersicht wurde zuvor im 0 Projektkonzepte gegeben.
Da WirelessHART auf dem HART-Standard aufbaut, gibt es nur geringe
Unterschiede bei der Verwendung von Geräten. Der minimale Bedarf an
Kabeln bedeutet auch, dass weniger Engineering-Details zu
bewerkstelligen und weniger Engineering-Parameter umzusetzen sind.
Dieser Abschnitt liefert eine umfassende Erörterung der
Projektkonzepte.
Es liegt im Ermessen des Anwenders, die folgenden Punkte zu
berücksichtigen, die für kleine Projekte mit einem Gateway oder große
Projekte mit mehreren Gateways gelten.
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WirelessHART
Auslegung des WirelessHART-Feldnetzwerkes
Es gibt drei Hauptschritte für die Auslegung eines Netzwerks:
•
Umfang – Unterteilung von Wireless-Feldnetzwerken in eine
einzelne Prozesseinheit oder einen Teilbereich einer
Prozesseinheit.
•
Auslegung – Anwendung der Designvorgaben, um optimale
Konnektivität sicherzustellen.
•
Verstärken – Alle Schwachstellen in der Netzwerkauslegung
beheben.
Die drei Hauptschritte gelten für alle Prozessumgebungen in allen
Industriebereichen, obwohl der Zusammenhang in Abhängigkeit von der
physikalischen Struktur der Umgebung leicht abweichen kann. Die
Hauptschritte gelten auch unabhängig vom Hersteller des
WirelessHART-Geräts. Da WirelessHART-Netzwerke widerstandsfähiger
werden je mehr Geräte hinzugefügt werden, ist der Schritt "Umfang"
der entscheidendste Schritt für Anwendungen mit hoher Dichte.
Festlegung des Umfangs
Die Designvorgaben, die die Segmentierung von kabelgebundenen
HART-Netzwerken regeln, gelten auch für WirelessHART. Aus einem
sehr einfachen Blickwinkel haben alle Prozesseinrichtungen einen
Aufbau, der die Infrastruktur sowie die Automatisierung und die
Personen organisiert. WirelessHART organisiert sich nicht nur selbst in
der Prozessumgebung, sondern auch in dieser inhärenten Organisation
der Prozesseinrichtung. Die folgende Prozesseinrichtung ist zum Beispiel
in sieben Prozesseinheiten organisiert, die durch Straßen getrennt sind.
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Abbildung 8. Beispiel einer Prozesseinrichtung
Wenn es sich bei der Prozesseinrichtung nicht um eine
Außenproduktion handelt, gibt es trotzdem eine vorhandene Struktur,
die für die Festlegung des Umfangs des Netzwerks verwendet werden
sollte. Kraftwerke und biopharmazeutische Produktionsanlagen sind
typischerweise komplett in mehrere Etagen aufgebaut. Eine Option ist
es, den Umfang der WirelessHART-Feldnetzwerke auf einer Etage
festzulegen. Wenn es sieben Etagen gibt, gibt es mehrere
WirelessHART-Netzwerke.
Die Vorteile der Anpassung des Umfangs eines WirelessHARTFeldnetzwerks an eine Prozesseinheit sind Folgende:
•
Gleicht den Datenfluss vom WirelessHART-Gerät durch das
Gateway zum Host-System mit der bestehenden
Datenarchitektur ab.
•
Gleicht die WirelessHART-Tag-Vorgabe mit der
kabelgebundenen HART-Tag-Vorgabe ab.
•
Gleicht WirelessHART-Dokumentationsverfahren mit der
Prozesseinheit ab und unterstützt den Gerätstandort. Wenn
man weiß, dass sich ein Gerät A im Netzwerk A und in
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Prozesseinheit A befindet, muss man nicht in Prozesseinheit B
nachschauen.
•
Gleicht Arbeitsprozesse der Verwaltung von WirelessHARTGerätelebenszyklen mit Lebenszyklen von kabelgebundenen
HART-Geräten ab, einschließlich organisatorischer
Verantwortungsbereiche.
•
Stellt angemessene Erwartungen für die Reichweite zwischen
WirelessHART-Geräten auf. Die meisten Prozesseinheiten sind
nicht größer als 0,5 x 0,5 km.
Bei der Festlegung des Umfangs sollte der Konstrukteur
Reservekapazitäten berücksichtigen. Zumindest sollte jede
Prozesseinheit ihr eigenes Gateway mit Reservekapazitäten für die
Problemlösung in Echtzeit haben. Wenn ein Projekt klein und
anwendungsorientiert ist, dann ist üblicherweise ein einziges Gateway
erforderlich, falls die Anzahl an Punkten insgesamt unter der Kapazität
des Gateway liegt. Wenn das Projekt aus mehreren hundert WirelessPunkten besteht, finden Sie unten die Vorgehensweise zur Bestimmung
der Gesamtanzahl an Gateways und zur Änderung des Umfang eines
Netzwerks.
1. Ordnen Sie die Punkte nach Prozesseinheit und bestimmen Sie, wie
viele Punkte in jeder Prozesseinheit sind, so dass die WirelessHARTNetzwerke nach Prozesseinheit segmentiert werden können.
Beispiel: Lassen Sie uns annehmen, dass Prozesseinheit A 154
Wireless von 700 Mess-Punkten hat, wofür 154 WirelessHARTGeräte benötigt werden. Wir müssen festlegen, wie viele Gateways
zur Unterstützung erforderlich sind. Berücksichtigen Sie, dass
manche WirelessHART-Geräte mehr als einen Wireless-Punkt
unterstützen und dass es daher Fälle geben kann, bei denen
weniger Geräte erforderlich sind, um die Anzahl der Messpunkte zu
decken. Ein Hauptbeispiel sind WirelessHARTTemperaturtransmitter, bei denen zwei Temperaturelemente oder
mehr als Eingänge verwendet werden.
2. Bestimmen Sie die Kapazität des Gateway für die höchste
Aktualisierungsrate, die im Netzwerk verwendet werden muss.
Seien Sie zurückhaltend und nehmen Sie an, dass alle Geräte mit der
gleichen Aktualisierungsrate arbeiten. Beispiel Ausgang: 100
WirelessHART-Geräte pro Gateway.
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3. Bestimmen Sie Richtlinien für Reservekapazitäten und wenden Sie
sie an. Wenn laut Designvorgaben für den Projektzustand die E-/AKomponenten 40 % Reservekapazität haben müssen, notieren Sie
diesen Wert für die folgende Berechnung.
4. Verwenden Sie die folgende Berechnung, um die Anzahl der
benötigten Gateways zu bestimmen:
# %
1 " #$%
Für das obige Beispiel werden drei Gateways benötigt.
&'(
%=
&)) &*).()%
# 3
Diese Formel kann in Microsoft Excel eingegeben werden.
5. Verteilen Sie die benötigten Gateways auf die Teilbereiche der
Prozesseinheit. Wenn mehr als ein Gateway pro Prozesseinheit
benötigt wird, dann sollte der Konstrukteur die Netzwerke so
segmentieren, dass die Gateways im Feld verteilt werden wie
Schaltschränke und Anschlusskästen. In Abbildung 9, der
Übersichtszeichnung, verfügt die Prozesseinheit über 16
Teilbereiche, die mit L-2 bis L-17 gekennzeichnet sind und die
logisch aufzuteilen sind, damit sie von den Gateways abgedeckt
werden. Nicht jedes Gateway muss die gleiche Anzahl an WirelessPunkten haben. Wenn redundante Gateways verwendet werden
müssen, verdoppeln Sie die Anzahl der Gateways auf der Grundlage
des Ergebnisses der obigen Formel.
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Abbildung 9. Beispielprozess mit drei WirelessHart-Netzwerken
Dieses Beispiel zeigt drei WirelessHART-Gateways, die drei
WirelessHART-Netzwerke im selben Prozess unterstützen. Das ist analog
zu drei FOUNDATION Fieldbus Segmenten in der selben Prozesseinheit. In
diesem Beispiel wurden die Teilbereiche der Prozesseinheit horizontal
anstatt vertikal angeordnet, um die Entfernung der Prozesseinheit zu
verkürzen. Hauptsächlich muss berücksichtigt werden, dass die
Gateways unabhängig vom Hersteller immer in der Prozessumgebung
sind, für die sie E-/A-Kapazität liefern. In der folgenden Abbildung wird
gezeigt, wie Sie nicht vorgehen sollten:
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Abbildung 10. Beispielprozess mit schlechter Platzierung der Gateways
Positionieren Sie nicht alle Gateways am selben Ort, nur weil der
Anschluss an das Host-System bequemer ist. Das nächste Kapitel über
die Netzwerkauslegung wird zeigen, dass dies nicht effektiv ist und
langfristig zu unzuverlässigen Netzwerken führen kann. Das Gateway
muss in der Prozessumgebung platziert werden, und dann wird das
Netzwerk darum angelegt.
Wenn diese Logik angewandt wird, gleichen sich WirelessHART-Geräte
logisch mit der bestehenden Dokumentation ab.
Folgende Punkte sollten bedacht werden:
•
Die Festlegung des Umfangs ist die wichtigste Auslegungsregel.
Wenden Sie sie an, um Wireless-Kapazität, langfristige
Skalierbarkeit, hohe Zuverlässigkeit und Abgleich der
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WirelessHART-Geräte sowie Verwaltung mit der bestehenden
Prozesseinrichtung, Organisation sowie vorhandenen
Arbeitsverfahren sicherzustellen.
•
Jedes WirelessHART-Gateway muss eine eindeutige Netzwerk-ID
haben, um die WirelessHART-Feldnetzwerke ordnungsgemäß zu
segmentieren. Dies gilt insbesondere, wenn mehrere Gateways
in der selben Prozesseinheit existieren.
•
Das Ergebnis der Festlegungsphase des Umfangs sollte eine
Maßstabszeichnung sein, die die jeweiligen Standorte der
Anlagen und des zu automatisierenden Prozesses sowie
mögliche Integrationspunkte für die WirelessHART-Gateways
darstellt.
Auslegung
Die folgenden Auslegungsregeln sind absichtlich sehr konservativ und
basieren auf dem Einsatz der WirelessHART-Feldnetzwerke in der
Realität. Die effektive Reichweite eines Geräts ist die typische
geradlinige Entfernung zwischen WirelessHART-Feldgeräten in einer
Prozessinfrastruktur. Wenn zwischen WirelessHART-Geräten kein
Hindernis ist, sie eine klare Sichtlinie (LOS) haben und 2 m (6 Fuß) über
dem Boden montiert sind, dann beträgt die effektive Reichweite
üblicherweise + 230 m (750+ Fuß) zwischen zwei Geräten. Da es sich um
ein selbstorganisierendes Maschennetzwerk handelt, erreicht man bei
zwei Sprüngen/Hops oder einer Kommunikation, die durch einen
Repeater von einem Gerät zu einem anderen übertragen wird, um zum
Gateway zu gelangen, eine effektive Reichweite von 462 m (1500 Fuß).
Hindernisse schwächen die effektive Reichweite ab. Die meisten
Prozessumgebungen weisen hohe Metallkonzentrationen auf, die
hochfrequente Signale in nicht vorhersehbarer Weise reflektieren. Der
Weg eines Hochfrequenzsignals kann leicht 230 m (750 Fuß) betragen,
obwohl das Nachbargerät nur 31 m (100 Fuß) entfernt ist. Weiter unten
finden Sie drei grundlegende Klassifizierungen für die effektive
Reichweite:
•
Großes Hindernis – 30 m (100 Fuß). Das ist typisch für eine
Anlagenumgebung mit großer Dichte. Ein LKW oder Anlagen
können nicht hindurch fahren/gefahren werden.
•
Mittleres Hindernis – 76 m (250 Fuß). Das sind weniger lichte
Prozessbereiche, viel Platz zwischen Anlage und Infrastuktur.
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•
Leichtes Hindernis – 152 m (500 Fuß). Typisch für Tanklager.
Obwohl Tanks selber große Hindernisse darstellen, gibt es sehr
viel Platz zwischen und über ihnen für eine gute Übertragung
der Funkfrequenz.
•
Sichtlinie – 230 m (750 Fuß). Keine Hindernisse zwischen
WirelessHART-Geräten und Geräten, die mindestens 2 m (6 Fuß)
über dem Boden oder über Hindernissen montiert sind.
Diese Werte sind praktische Richtlinien und unterliegen in
unterschiedlichen Prozessumgebungen Schwankungen. Bedingungen,
die die effektive Reichweite erheblich reduzieren, sind unten
aufgeführt:
•
Montage von Feldgeräten nahe am Boden, untererdig oder
unter Wasser. Das Funksignal wird abgefangen und nicht
übertragen.
•
In einem Gebäude oder außerhalb eines Gebäudes im
Verhältnis zum Hauptnetzwerk. Funksignale jeglicher Art
können nicht gut durch Beton, Holz etc. übertragen werden.
Wenn sich Wireless-Geräte in der Nähe auf der anderen Seite
der Umhausung befinden, sind keine besonderen
Auslegungsregeln einzuhalten. Wenn eine große Anzahl an
WirelessHART-Geräten vom Netzwerk isoliert ist, überlegen Sie,
ein Netzwerk in der Anlage anzulegen. Kleine Instrumente und
Gerätegehäuse aus Fiberglas, die oft in sehr dreckigen oder
rauen Umgebungen verwendet werden, haben nur minimalen
Einfluss auf die Übertragung des Funksignals und können
eingesetzt werden. Große Metallgehäuse (Hoffmann) stören
Funksignale und sind ohne zusätzliche technische Überlegungen
nicht zu empfehlen.
Die effektive Reichweite wird verwendet, um die Gültigkeit der
Netzwerkauslegung zu überprüfen.
Es gibt drei grundlegende, empfohlene Auslegungsregeln.
1. Mindestens-Fünf-Regel – Jedes WirelessHART-Netzwerk muss
mindestens fünf WirelessHART-Geräte innerhalb der effektiven
Reichweite des Gateway haben. Netzwerke arbeiten auch mit
weniger als fünf WirelessHART-Geräten ordnungsgemäß, aber sie
profitieren nicht von der inneren Redundanz eines
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selbstorganisierenden Maschennetzwerks, und Repeater werden
möglicherweise benötigt. In einem gut aufgebauten und
ausgelegten Netzwerk können neue WirelessHART-Geräte innerhalb
oder am Umfang des Netzwerks hinzugefügt werden, ohne den
Betrieb zu beeinträchtigen oder umfangreiche Überlegungen zur
Auslegung anstellen zu müssen.
2. Dreier-Regel – Jedes WirelessHART-Gerät sollte mindestens drei
Nachbarn innerhalb der effektiven Reichweite haben. Bei
Umsetzung garantiert dies, dass es mindestens zwei Verbindungen
hat und im zugewiesenen Zeitfenster eine andere Verbindung
verwenden kann.
Abbildung 11 zeigt ein einfaches Auslegungsbeispiel. Der Umfang
des Netzwerks wurde ordnungsgemäß entsprechend einer
Prozesseinheit festgelegt, und vier WirelessHART-Geräte wurden
mit einem Gateway in einer Prozessmaßstabszeichnung positioniert.
Der rote Kreis um das Gateway stellt die effektive Reichweite des
Gateway dar. Wir sehen bei diesem Beispiel, dass die MindestensFünf-Regel nicht eingehalten wurde, weil es nur vier Geräte
innerhalb der effektiven Reichweite des Gateway gibt. Das
Netzwerk wird wahrscheinlich gemäß Spezifikation funktionieren, es
wäre aber besser, es für langfristige Skalierbarkeit und
Zuverlässigkeit durch Ergänzung weiterer Geräte zu stärken.
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Abbildung 11. Beispielprozess, bei dem die Mindestens-Fünf-Regel nicht eingehalten
wurde
3. 25 %-Regel – Jedes WirelessHART-Netzwerk mit mehr als fünf
Geräten muss mindestens 25 % der Geräte innerhalb der wirksamen
Reichweite des Gateway haben, um angemessene Bandbreite zu
garantieren und Engpässe zu beseitigen. WirelessHART-Netzwerke
können auch mit nur 10 % funktionieren und die tatsächliche
Umsetzung kann auch zu einem Ergebnis von weniger als 25 %
führen, aber die Erfahrung hat gezeigt, dass dies eine praktikable
Zahl ist. Beispiel: Ein Netzwerk mit 100 Geräten benötigt 25 Geräte
innerhalb der effektiven Reichweite des Gateway.
WirelessHART-Geräte werden gemäß ihres Prozessanschlusses platziert.
Nur eine ungefähre Platzierung auf der Maßstabszeichnung ist
erforderlich, da sich die selbstorganisierende Maschentechnologie an
die Bedingungen anpasst, die ab dem Zeitpunkt der Installation
bestehen und sich ändern. Die Auslegungsregeln gewährleisten eine
Konzentration der WirelessHART-Geräte für weitreichende Wege
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zwischen den Geräten. Dadurch kann die selbstorganisierende
Maschentechnologie das Netzwerk in einer dynamischen Umgebung
optimieren.
Ausgehend von dem vorangegangenen Beispiel haben wir das Netzwerk
durch Hinzunahme eines weiteren Feldgerätes innerhalb der effektiven
Reichweite des Gateway erweitert und ein weiteres Gerät als weiteren
Messpunkt ergänzt. Jetzt stellt der rote Kreis die effektive Reichweite
des WirelessHART-Geräts dar, das nicht drei Nachbarn hat. Um
Zuverlässigkeit zu erreichen, ist es entscheidend, dass jedes
WirelessHART-Gerät während des Betriebs zwei Wege hat, um
Redundanz und Auswahl zu gewährleisten. Die Dreier-Regel garantiert
bei der Auslegung die Konzentration der Geräte.
Abbildung 12. Beispielprozess, bei dem die Dreier-Regel nicht eingehalten wurde
Wenn die Dreier-Regel nicht eingehalten wird, kann das Netzwerk auch
durch die Hinzunahme weiterer Geräte gestärkt werden. Wenn
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Netzwerke größer werden, werden die Mindestens-Fünf-Regel und die
Dreier-Regel irrelevant, da sich viele Geräte in der Prozessumgebung
befinden. Die 25 %-Regel wird entscheidend für große Netzwerke, um
sicherzustellen, dass es eine große Bandbreite für alle Geräte im
Netzwerk gibt. Im Folgenden sehen Sie ein Beispiel, bei dem die 25 %Regel nicht eingehalten wurde.
Abbildung 13. Beispielprozess, bei dem die 25 %-Regel nicht eingehalten wurde
Die 25 %-Regel kann unterschiedlich umgesetzt werden. Im Folgenden
finden Sie drei Optionen zur Verstärkung dieser Netzwerkauslegung,
wobei jede auf einer eigenen Überlegung basiert:
1. Ergänzen Sie weitere Geräte innerhalb der effektiven Reichweite
des Gateway. Während es sich hierbei um eine gute Lösung handelt,
gibt es möglicherweise keine weiteren hilfreichen Punkte innerhalb
der effektiven Reichweite des Gateway.
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2. Positionieren Sie das Gateway an einem zentraleren Standort im
Verhältnis zur übrigen Verteilung der WirelessHART-Instrumente. In
diesem Fall gibt es möglicherweise keinen geeigneten
Integrationspunkt in das Host-System im Mittelpunkt des
Netzwerks.
3. Ergänzen Sie ein weiteres Gateway. Dies erhöht die
Gesamtkapazität für die Prozesseinheit, erfüllt die Anforderungen
dieser spezifischen Konzentration von Feldgeräten und
gewährleistet langfristige und störungsfreie Skalierbarkeit. Es kann
aber immer noch das Problem mit dem geeigneten
Integrationspunkt in das Host-System wie bei Option 2 bestehen.
Abbildung 14. Beispielprozess mit zwei Gateways
Reservekapazität und Erweiterung
Während eines typischen Projekts besteht oft der Bedarf, installierte
Reserve-Hardware (Schaltschränke, E-/A-Karten, Abschlüsse) und
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zusätzliche Platzreserven zur Verfügung zu stellen. Üblicherweise
können diese Zahlen zwischen 20 % und 30 % variieren. Die Überlegung
bei der Auslegung der Wireless-Technologie ist anders, da keine
Schaltschränke, E-/A-Karten und Abschlüsse erforderlich sind.
Zusätzliche Gateways können ergänzt werden, um die Kapazität zu
erhöhen.
Verstärkung
Eine Belastungsprüfung der Netzwerkauslegung durch Änderung der
effektiven Reichweite des Geräts wird empfohlen, um potentielle
Schwachpunkte im Netzwerk aufzudecken. Um das Netzwerk einem
Belastungstest zu unterziehen, reduzieren Sie die effektive Reichweite
der Geräte in Schritten von 10 %. Nehmen wir beispielsweise an, dass
eine effektive Reichweite von 76 m (250 Fuß) für die ursprüngliche
Auslegung verwendet wurde. Bei der Reduzierung der effektiven
Reichweite in Schritten von 8 m (25 Fuß) (10 %) wird aufgedeckt, wo die
Schwachpunkte bestehen. An diesem Punkt liegt es im Ermessen des
Netzwerk-Technikers, bis zu welchem Niveau das Netzwerk belastet
wird; ab einer bestimmten Grenze rechnet sich der Aufwand nicht
mehr.
Das unten stehende Beispiel deckt auf, dass ein WirelessHART-Gerät,
die Dreier-Regel unter einem Belastungstest von 20 % der effektiven
Reichweite nicht erfüllt. Die effektive Reichweite ist für die Prüfung auf
der linken Seite auf 76 m (250 Fuß) und auf der rechten Seite auf 61 m
(200 Fuß) eingestellt.
Abbildung 15. Beispielprozess: Standardauslegung (links). Belastungsprüfung (rechts)
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Die selbstorganisierende Maschentechnologie ermöglicht nicht nur die
Ergänzung eines Netzwerks um weitere WirelessHART-Feldgeräte zum
Zweck der Automatisierung, sondern es bestehen auch Mittel zur
einfachen Korrektur der Auslegung. Zu den Alternativen gehören
Änderung des Gateway-Standorts, Ergänzung eines neuen Gateway zur
Segmentierung des Netzwerks, Ergänzung weiterer Geräte oder
Repeater.
Repeater sind ebenfalls eine Alternative zur Verstärkung eines
Netzwerks. Anstelle eines weiteren WirelessHART-Geräts mit einem
spezifischen Mess Zweck wird dieses Gerät speziell zur Bereitstellung
weiterer Anschlüsse innerhalb des Netzwerks verwendet. Repeater
können effektiv in dichten Infrastrukturen verwendet werden, wenn sie
zur Maximierung der effektiven Reichweite der darunter liegenden
Geräte über der Infrastruktur angeordnet werden. WirelessHartAdapter können als kostengünstige Repeater eingesetzt werden, wenn
eine Stromversorgung vor Ort verfügbar ist.
WirelessHART-Verfügbarkeit und Redundanz
Das WirelessHART-Feldnetzwerk ist schon an sich redundant zwischen
den Wireless-Feldgeräten und dem Gateway, wenn die Empfehlungen
zur Netzwerkauslegung umgesetzt werden. Der Anwender sollte nicht
weniger als 99 % Zuverlässigkeit im Datenfluss von jedem
WirelessHART-Feldgerät erwarten, wobei sich die übliche Leistung 100
% annähert.
Die folgenden Punkte sind Überlegungen zur Erhöhung der
Systemverfügbarkeit zwischen dem Host-System und dem
WirelessHART-Gateway:
1. Wenden Sie alle Netzwerkauslegungsempfehlungen an, um
sicherzustellen, dass das Feldnetzwerk eine inhärente Redundanz
der Pfade aufweist.
2. Erden Sie Gateways und Feldgeräte immer ordnungsgemäß
entsprechend der Herstellerempfehlungen.
3. Verwenden Sie immer geeignete Blitzschutzvorrichtungen an den
Gateways.
4. Verwenden Sie immer eine unterbrechungsfreie Stromversorgung
(USV), um das Gateway zu versorgen. Dabei handelt es sich um die
hauptsächliche Fehlerquelle von Gateways.
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5. Setzen Sie redundante Gateways für das Feldnetzwerk ein, wenn
Messungen kritisch sind.
6. Machen Sie die Host-System-Anschlüsse zu den Gateways
redundant, insbesondere wenn redundante Gateways verwendet
werden. Dazu gehören physikalische Anschlüsse, Schalter und
Stromversorgungen.
WirelessHART-Sicherheit
Bei der Auslegung von Netzwerken müssen jedes Gateway und jedes
Netzwerk eine eindeutige Netzwerk-ID haben. Gerätzugangscodes
können entweder als gemeinsam oder individuell/eindeutig konfiguriert
werden. Wenn gemeinsame Gerätzugangscodes als Option ausgewählt
werden, wird jedes Feldgerät den selben Gerätzugangscode haben.
Wenn individuelle Gerätzugangscodes ausgewählt werden, hat jedes
Feldgerät im Netzwerk einen eindeutigen Gerätzugangscode.
Individuelle Gerätzugangscodes bieten höhere Sicherheit und werden
empfohlen.
Auslegung des Netzwerks für Steuerungsaufgaben
Das grundlegende Konzept der Auslegungsregeln ändert sich für die
Steuerung nicht und aktuelle Empfehlungen werden für übergeordnete
Steuerung verwendet. Die unten stehenden Anmerkungen
verdeutlichen potentielle Anpassungen der grundlegenden
Netzwerkauslegung, die im Feld durch Tests überprüft werden müssen,
um die Heuristik zu verstehen und zu dokumentieren, die einzigartig für
die Auslegung von Steuerungsnetzwerken ist, bei denen Scan-Raten
über vier Sekunden liegen und enge Toleranzen für Latenzzeiten
erforderlich sind.
1. Umfangsregel – Stellen Sie sicher, dass alle WirelessHARTMessungen, die Teil eines Regelkreises sind, dem selben
Gateway/Netzwerk zugeordnet sind.
2. Maximal-Fünf-Regel – Minimieren Sie die Anzahl der Sprünge zum
Gateway, um die Latenzzeit zu reduzieren.
3. Dreier-Regel – Zu den möglichen Änderungen gehören die
Erhöhung der erforderlichen Anzahl an Nachbarn auf vier oder fünf,
um die Anzahl der potentiellen Pfade zu erhöhen und somit die
Möglichkeiten zur Optimierung der Netzwerkleistung zu verbessern.
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4. 25-%-Regel – Zu den möglichen Änderungen gehört die Erhöhung
der Prozentzahl an Geräten innerhalb der effektiven Reichweite des
Gateway auf 35 % +. Dadurch werden mehr Geräte um das Gateway
versammelt, wird eine geringere Anzahl an Sprüngen gewährleistet
und ist mehr Bandbreite zu den WirelessHART-Geräten mit
schnellen Scan-Raten verfügbar.
5. Einser-Regel – Neue Regel. Dadurch würde sicher gestellt, dass
entscheidende WirelessHART-Geräte, die Stellglieder antreiben,
innerhalb der effektiven Reichweite des Gateway sind, um die
typische Sprunganzahl von 1-2 Sprüngen zu gewährleisten. Auf
diese Weise können die Vorteile der Pfadredundanz und sehr kurzer
Übertragungszeiten erreicht werden.
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Kapitel 8
WirelessHART
Anforderungen an das Host-System
Einsatz von Standardprotokollen
Standardprotokolle sollten verwendet werden, um die kostengünstigste
Installation sicherzustellen. Das WirelessHART-Gateway muss Daten
vom WirelessHART-Feldnetzwerk in das gewünschte Protokoll und die
physikalische Ebene konvertieren, das/die für die Integration benötigt
wird.
Wireless-Host-System
Daten von WirelessHART-Feldnetzwerken können in jedes bestehende
Host-System integriert werden. Jedoch sind viele WirelessAutomatisierungsanwendungen nicht für Steuerung oder
Prozessüberwachung bestimmt und sind möglicherweise nicht für den
Zugriff durch das DCS- oder PLC-System erforderlich. Diese Information
kann hilfreich für das Personal sein, das sich nicht im Steuerstand
befindet, einschließlich Techniker für Zuverlässigkeit, Wartungspersonal
sowie Techniker für Energieversorgung. Es sollte sorgfältig bedacht
werden, welche Informationen auf Bildschirmen für
Steuerungsvorgänge erscheinen, um die "Verwässerung" kritischer
Informationen zu verhindern.
Nehmen wir beispielsweise an, ein Wireless-Feldnetzwerk wird
verwendet, um die manuelle Überprüfungsrunde eines
Wartungstechnikers zu ersetzen, der manuell Temperatur- und
Vibrationsdaten einer Reihe von Pumpen aufnimmt und diese dann
manuell in ein Historian-System [historische Datenerfassung] für den
zukünftigen Zugriff eingibt. Mit WirelessHART kann das Gateway in die
Anwendung zur automatischen Datenerfassung integriert werden, in
diesem Fall ein Historian.
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WirelessHART
Abbildung 16. Integration des Gateway in das Host-System
Bei WirelessHART-Netzwerken, die Anwender bei unterschiedlichen
Aufgaben unterstützen, besteht für jeden Endnutzer die Möglichkeit
einer eigenen Anwendung für die Erfassung und Analyse der Daten.
Anwendern, die Daten manuell erfassen, liefert WirelessHART das
fehlende Teil für die Automatisierung ihres Prozesses.
Für die Sicherstellung langfristiger Skalierbarkeit bei 1.000 bis 10.000
WirelessHART-Geräten in einer einzigen Anlage wird es wichtig sein,
eine abgestimmte Maßnahme zu ergreifen, damit Endnutzer mit
unterschiedlichen Aufgaben und Verantwortungen, die E-/A-Kapazität
der Gateways gemeinsam nutzen können. Es gibt keinen Grund, warum
Mitarbeiter im Bereich Wartung, Versorgung, Arbeitsplanung,
Gesundheit/Sicherheit/Umwelt und Asset Management
Netzwerkressourcen nicht teilen könnten.
Ein zu überlegender Aufbau wäre ein zentralisiertes Historian-System
und ein zentralisiertes Asset-Management-Programm wie unten
dargestellt. Bei diesem Szenario werden mehrere Gateways im selben
Ethernet-Netzwerk und auf dem selben Server verbunden. Ihre Daten
an ein zentralisiertes Historian-System können dann mit den
Anwendungen für jeden Endnutzer verbunden werden. Auf diese Weise
können Ressourcen des Host-Systems geteilt werden, alle
WirelessHART-Instrumente können an die selbe Asset-ManagementLösung berichten, einheitliche Sicherheitsrichtlinien können vorgelegt
werden und Endnutzer können WirelessHART-Daten in Anwendungen
betrachten, die für ihre Aufgaben spezifisch sind.
Abbildung 17. Einbindung von Gateway-Informationen in viele Anwendungen
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WirelessHART
Die Erarbeitung einer Host-System-Strategie ist entscheidend, um den
Ertrag aus der Investition in die Wireless-Technologie zu erhöhen, die in
großem Umfang umgesetzt wird. Erfolgreiche Umsetzung bedeutet,
dass Daten an die richtigen Personen gehen und in Informationen für
Maßnahmen umgewandelt werden. Oftmals werden viele Anwender die
gleichen Daten sehen, jedoch im Zusammenhang mit ihrer jeweiligen
Anwendung. Das bedeutet auch, dass nicht jedes Mal, wenn ein neues
WirelessHART-Gerät zur Anlage hinzugefügt wird, Probleme mit dem
Host-System und der Integration gelöst werden müssen.
WirelessHART ist wirklich skalierbar; WirelessHART-Geräte können
einem Netzwerk hinzugefügt werden, ohne den Betrieb zu
unterbrechen, und weitere Gateways können ergänzt werden, um die E/A-Kapazität zu erhöhen. Mit dieser Möglichkeit kann Automatisierung
ergänzt werden, was Probleme ohne große Projektbudgets löst, sobald
die Wireless-Netzwerkinfrastruktur vorhanden ist. Ein WirelessHARTGerät kann beispielsweise in Minuten angeschlossen, konfiguriert und
integriert werden, wenn eine Host-System-Strategie vorhanden ist.
Host-Integration
Die Integration von Daten aus dem Wireless-Gateway in ein HostSteuerungssystem erfolgt normalerweise auf zwei Arten – durch native
Konnektivität direkt zum Host-System oder unter Verwendung von
Standardprotokollen wie z.B. Modbus oder OPC.
Hinsichtlich nativer Konnektivität einschließlich herstellerspezifischer E/A-Karten wenden Sie sich bitte an den Host-Anbieter.
OPC und Modbus sind herstellerunabhängige Protokolle, die
standardmäßige Datenaustausch- und Integrationstechniken
verwenden, um Daten vom Gateway zum Host-Steuerungssystem zu
übertragen. Typische Daten, die zum Host übertragen werden, sind
Prozessvariablen (PV, SV, TV, QV) und der Gesamtzustand des Geräts.
Diagnoseinformationen werden üblicherweise über Ethernet an ein
Asset-Management-System übertragen. Überprüfen Sie mit dem
Gateway-Hersteller, ob es kompatible Asset-Management-Pakete gibt.
Oft können bestehende Host-Systeme eine Kombination aus alten DCSund PLC-Komponenten und modernen Datenverwaltungslösungen wie
Historians sein. WirelessHART-Gateways müssen viele Verbindungen in
vielen Host-Systemen über viele Protokolle unterstützen. Dadurch kann
mit WirelessHART-Netzwerken die Modernisierung eines bestehenden
Host-Netzwerks unterstützt werden. Nehmen wir beispielsweise an, ein
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bestehendes DCS hat keinen Reservekapazitäten und kann nur das 4-20
mA Signal von kabelgebundenen HART-Geräten empfangen. Ein
WirelessHART-Netzwerk kann seriell an das DCS angeschlossen werden,
um den Bedarf nach weiteren analogen Eingangskarten zum Empfang
weiterer Prozessvariablen zu umgehen, während bei parallelem
Anschluss HART-Diagnoseinformationen an ein Asset-ManagementProgramm von bestehenden kabelgebundenen HART-Geräten mit
WirelessHART-Adaptern übertragen werden. Diese Art des
Modernisierungsprojekts könnte die schrittweise Modernisierung eines
älteren Host-Systems ermöglichen, und wenn es zum geplanten
Upgrade des DCS kommt, wechseln die bestehenden WirelessHARTNetzwerke zum neuen Host-System.
Abbildung 18. Verwendung des WirelessHART-Gateway, um Informationen von NichtHART-Host-Systemen zu übertragen
Ein Hauptergebnis der Arbeit mit Host-System-Administratoren ist eine
Strategie zur Einbindung einer anlagenweiten Wireless-Infrastruktur. Bei
einer kleinen Anwendung sind die physikalischen Standorte, an denen
die Gateways angeschlossen werden, ein Hauptergebnis. Diese sind für
den Auslegungsprozess des Netzwerks erforderlich.
Wichtigste Ergebnisse für die Netzwerkauslegung:
•
Bestimmung eines Host-System-Administrators und eines
Systemintegrators, der die Einbindung der WirelessHART-Daten
in das Host-System unterstützt.
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WirelessHART
•
Potentielle physikalische Verbindungspunkte für WirelessHARTGateways.
Interoperabilität
Die Umwandlung von WirelessHART-Daten vom Gateway in
Standardprotokolle einschließlich Modbus und OPC stellt die
Interoperabilität aller WirelessHART-Netzwerke mit allen Host-Systemen
sicher. Host-Systeme, die auf firmeneigenen Protokollen basieren,
können Probleme aufweisen.
Host-System-Unterstützung für WirelessHART-Funktionalität
Das WirelessHART-Gateway erledigt die gesamte Verwaltung des
WirelessHART-Netzwerks und verwaltet die Kommunikation der
WirelessHART-Feldgeräte. Das Host-System benötigt für die
Unterstützung des WirelessHART-Feldnetzwerks keine spezielle
Software.
Konfigurationstools
WirelessHART-Geräte basieren auf der HART-Technologie. Daher eignen
sich vorhandene HART-Feldkommunikatoren für die Konfiguration von
Feldgeräten. Feldkommunikatoren benötigen die richtige
Gerätebeschreibung zur Konfiguration, die für jedes andere neue HARTGerät, ob kabelgebunden oder Wireless, gleich ist. Die Konfiguration des
Host-Systems hängt vom Host-System ab. HART-Hersteller mit einer
Asset-Management-Software können die Vorteile der Fernverwaltung
von kabelgebundenen Geräten auf WirelessHART-Geräte über das
Gateway erweitern.
Grafische Darstellung des Leitsystems
Nicht alle Daten, die vom WirelessHART-Feldnetzwerk erfasst werden,
gehören als Teil der Leisystemgrafik auf den Bildschirm des Anwenders.
Es besteht die Gefahr, dass irrelevante Informationen zum Anwender
gelangen und ihn von kritischen Informationen ablenken.
Die Integration des Host-Systems sollte so konfiguriert werden, dass
Daten von einem WirelessHART-Feldnetzwerk an den entsprechenden
Endnutzer geliefert werden, obwohl die Netzwerkressourcen
gemeinsam genutzt werden. Es folgen einige Beispiele:
•
Daten, die über den Energieverbrauch drehender Anlagen
gesammelt werden, müssen an den Leiter Energieversorgung
gesandt werden.
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WirelessHART
•
Daten, die über die Vibrationsspektren drehender Anlagen
gesammelt werden, müssen an das Asset Management gesandt
werden.
•
Daten, die über Temperaturalarme für rotierende Anlagen
gesammelt werden, müssen an die Bediener und an den Leiter
Zuverlässigkeit gehen.
Die ordentliche Festlegung einer Integrationsstrategie wird eine
effiziente Erfassung von Daten vom WirelessHART-Netzwerk und die
Verbreitung an die richtigen Endnutzer sicherstellen. Viele Endnutzer,
die typischerweise nicht offen für die Vorteile von Automatisierung sind,
haben anwendungspezifische Datenbanken, in denen Daten manuell
erfasst und hochgeladen werden. Mit der Möglichkeit WirelessHARTDaten in viele Standardprotokolle zu integrieren, können diese
vorhandenen anwenderspezifischen Datenbanken automatisch befüllt
werden.
Knotenpunktadressierung und Namenskonventionen
Bei einem WirelessHART-Gerät müssen die Namenskonventionen für
kabelgebundene HART-Geräte eingehalten werden.
Alarme und Warnsignale
Alarme und Warnsignale müssen an den entsprechenden Endnutzer und
die entsprechende Anwendung sowie Software weitergeleitet werden.
Die Verbreitung von Alarmen und Warnsignalen muss den Endnutzer
und dessen Verantwortungsbereich widerspiegeln.
Wartungsstation
WirelessHART-Geräte liefern interne Diagnoseinformationen über den
Prozess und das Gerät wie jedes kabelgebundene HART-Gerät.
Zusätzliche lokale Diagnoseinformationen für die Netzwerkkonnektivität
sind über einen HART-Feldkommunikator mit korrekter
Gerätebeschreibung für das WirelessHART-Feldgerät zugänglich.
Das WirelessHART-Gateway liefert außerdem zusätzliche
Diagnoseinformationen über die Netzwerkleistung. Die Daten von
WirelessHART-Geräten werden nicht zum Host-System übertragen,
wenn die Daten als fraglich eingestuft werden und zwar entweder durch
eine HART-Diagnose oder wenn das Gateway die Daten vom
WirelessHART-Feldgerät verzögert empfängt. Des Weiteren ist das
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WirelessHART
Gateway für die WirelessHART-Netzwerkverwaltung und die
Netzwerkdiagnose zuständig.
Die Diagnose zwischen dem Gateway und dem Host-System ist vom
Host-System und Gateway abhängig.
Historian
Die historische Datenerfassung kann so behandelt werden wie jede
andere konventionelle Quelle (z.B. OSIsoft PI oder irgendein DCS
Historian Paket).
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Kapitel 9
WirelessHART
Anforderungen an Abnahmeprüfung beim
Hersteller
Einführung
Das Hauptergebnis einer Abnahmeprüfung beim Hersteller (Factory
Acceptance Test / FAT) ist die Einbindung von Daten von WirelessHARTGeräten in das Host-System über das Gateway. Der Umfang des FAT
muss mit dem Endnutzer vereinbart werden. Üblicherweise wird nur ein
Teil der zu installierenden Feldgeräte und Gateways während des FAT
verwendet.
Staging beim Hersteller
Bei den folgenden Punkten handelt es sich um Grundanforderungen an
das Staging beim Hersteller:
•
Ein Muster aller Anwendungen, Gateways und WirelessHARTGeräte ist vorhanden.
•
Freigegebene(r/s) Testplan, Testverfahren sowie
Abnahmekriterien
•
HART-Feldkommunikator und Benutzerschnittstelle zum
WirelessHART-Gateway.
Voraussetzungen
Im Folgenden sind Voraussetzungen für den FAT aufgeführt:
•
Der Netzwerktopologietest ist als Teil des Site Acceptance Test
[Standortabnahmetest] abgedeckt.
•
Die WirelessHART-Netzwerkauslegung muss nicht im Werk
getestet werden, wenn die Empfehlungen für die
Netzwerkauslegung umgesetzt wurden. Die konservative
Möglichkeit, das Netzwerk bei Installation mit Repeatern zu
verstärken, sichert großes Vertrauen in den zuverlässigen
Betrieb.
Anforderungen an Abnahmeprüfung beim Hersteller (FAT)
Bei den folgenden Punkten handelt es sich um wichtige Anforderungen
an die Abnahmeprüfung beim Hersteller:
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WirelessHART
•
Die physikalische Anbindung zwischen Gateway und HostSystem wird überprüft. Kann vom Host-System auf das Gateway
zugegriffen werden?
•
Die Protokollverbindung zwischen dem Gateway und der
Anwendung, die im Host-System verfügbar ist, wird überprüft.
Können die Daten, die im Gateway sichtbar sind, in der
Anwendung gesehen werden? Können die Standardparameter
ordnungsgemäß übertragen werden?
•
Das Gateway kann alle notwendigen Verbindungen zu allen
benötigten Anwendungen unterstützen.
•
Die Gerätebeschreibung (DD) für alle Feldgeräte in jeder AssetManagement-Lösung wird geprüft. Dadurch wird sichergestellt,
dass die richtige DD installiert und gültig ist. Dies ist
insbesondere wichtig für WirelessHART-Geräte, die neu auf dem
Markt sind.
FAT-Verfahren
Da es keine physikalischen E-/A-Module gibt, wird der Softwaretest
durch Simulation des Ein-/Ausgangs auf Prozessorebene durchgeführt.
Diese Ebene der Simulation eignet sich, um die Anwendungssoftware
innerhalb des Host-Steuerungssystems zu überprüfen.
Gemäß der Norm IEC 62381 hinsichtlich Abnahmeprüfung beim
Hersteller gelten die allgemeinen Anweisungen, wie sie für die Prüfung
von Busschnittstellen und Untersystemen beschrieben sind. Ein Teil der
Instrumente (zumindest von jedem Typ eins) muss an das Gateway als
Beleg für die Konzeptvorstellung der integrierten Systemfunktionalität
angeschlossen werden. Dieser Test sollte idealerweise die Konnektivität
zwischen Feldgerät und Gateway sowie zwischen Gateway und HostSystem überprüfen.
Wenn die physikalischen Geräte nicht im Werk getestet werden, wird
gegebenenfalls eine Emulation der Schnittstelle durchgeführt.
Im Folgenden finden Sie eine Verfahrensanweisung für die
Durchführung eines FAT:
1. Schalten Sie das Gateway ein.
2. Fügen Sie von jedem Typ von WirelessHART-Gerät ein Gerät zum
Netzwerk hinzu, und überprüfen Sie die ordnungsgemäße
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WirelessHART
Konnektivität. Alle Felder des Gateway für Daten vom
WirelessHART-Gerät müssen ordnungsgemäß ausgefüllt sein.
3. Ändern Sie die Netzwerk-ID und den Zugangscode des Netzwerks
und überprüfen Sie, ob alle Feldgeräte verbunden sind, um die
ordnungsgemäße Netzwerk- und Sicherheitsverwaltung des
Netzwerks sicherzustellen.
4. Stellen Sie die erste physikalische Verbindung zur ersten
erforderlichen Host-System-Anwendung her.
5. Überprüfen Sie die Konnektivität zwischen dem Gateway und der
Host-System-Anwendung.
6. Binden Sie die benötigten Daten von jedem Beispiel-WirelessHARTGerät in die Host-System-Anwendung ein.
a. Eine optionale, zusätzliche Vorgehensweise wäre die
Änderung der Prozessvariablen im WirelessHART-Gerät
durch direkte Stimulation oder durch Simulation. Sobald alle
Geräte ordnungsgemäß mit dem Gateway verbunden sind,
sollten sie identisch über Protokolle wie Modbus und OPC
integriert werden.
7. Wiederholen Sie Schritte 4 bis 6, während Sie Host-SystemVerbindungen zum Gateway hinzufügen, bis alle vorgesehenen
Verbindungen des Gateway vollständig sind.
8. Überprüfen Sie gegebenenfalls die Einbindung in eine AssetManagement-Lösung.
a. Überprüfen Sie, ob auf jedes WirelessHART-Gerät
ordnungsgemäß zugegriffen werden kann und ob es über
die Asset-Management-Lösung konfiguriert werden kann.
9. Ergänzen Sie weitere Verfahrensanweisungen zur Überprüfung von
Steuerungs- und Überwachungsberichten.
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Kapitel 10
WirelessHART
Installationsanweisungen
Die Installation ist eng angelehnt an die Installation von
kabelgebundenen HART-Instrumenten. Da es keine Kabel gibt, können
WirelessHART-Geräte installiert werden, sobald die Anlage oder die
Infrastruktur vor Ort und gesichert ist.
Netzwerkinstallation
Installieren Sie immer zuerst das Gateway, damit die Integration und die
Feldnetzwerkinstallation sowie die Inbetriebnahme parallel erfolgen
können.
Feldgeräte können im Gateway und anschließend in der Host-SystemAnwendung in Betrieb genommen werden.
Im Allgemeinen werden WirelessHART-Geräte gemäß der Anleitungen
für kabelgebundene HART-Geräte installiert. Ziehen Sie immer das
Produkthandbuch zu Rate.
WirelessHART-Geräte in der Nähe des Gateway sollten immer zuerst
installiert und in Betrieb genommen werden, um Verbindungen für
mögliche Geräte sicherzustellen, die nicht direkt mit dem Gateway
verbunden werden können. Dies ist der einfachste Weg, um das
selbstorganisierende Maschennetzwerk aufzubauen.
WirelessHART-Geräte können nah beieinander installiert werden, ohne
dass dies zu Störungen führt. Die selbstorganisierende
Maschennetzwerkplanung von WirelessHART gewährleistet, dass Geräte
in unmittelbarer Nähe zueinander nicht kommunizieren, miteinander
kommunizieren oder auf unterschiedlichen Kanälen miteinander
kommunizieren, wenn andere Geräte kommunizieren.
Wenn eine Antenne eines WirelessHART-Gateway oder eines
WirelessHART-Geräts in der Nähe einer Hochleistungsantenne einer
anderen Wireless-Quelle montiert werden muss, sollte die Antenne
mindestens 1 m (3 Fuß) ober- oder unterhalb montiert werden, um
mögliche Störungen zu minimieren.
Blitzschutz
Vor der Installation müssen die Installationshandbücher aller
WirelessHART-Geräte zu Rate gezogen werden.
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WirelessHART
Im Allgemeinen sollten WirelessHART-Geräte nicht der höchste Punkt in
der Anlage sein, um den Blitzschutz zu erhöhen.
Stellen Sie sicher, dass zwischen den WirelessHART-Gateways und der
Host-System-Verbindung eine geeignete Schutzvorrichtung vorgesehen
wird, da ein Blitzschlag mehr als nur das WirelessHART-Gateway
beschädigen kann. Redundante Gateways sollten niemals an der
gleichen Stelle platziert werden, um verschiedene Standorte zu haben,
falls ein einzelnes WirelessHART-Gateway von einem Blitz getroffen
wird.
Im Allgemeinen bieten integrierte Wireless-Geräte einen besseren
Schutz des Systems als kabelgebundene Geräte, da die Energie eines
Blitzschlags nicht durch die Kabel geleitet werden und andere Bauteile
beschädigen kann.
Normen wie NFPA 780 liefern Klassifikationen für Blitzschutzbereiche
sowie Vorgehensweisen für die ordnungsgemäße Umsetzung.
Wireless-Verbindungstestverfahren
Bevor Sie mit dem Wireless-Verbindungstestverfahren beginnen,
überprüfen Sie, ob das WirelessHART-Gerät grundlegende Konnektivität
zum Netzwerk aufweist und zwar entweder durch die GatewaySchnittstelle, eine lokale Benutzerschnittstelle am Gerät oder eine
lokale Verbindung über einen HART-Feldkommunikator. Wenn das
Gerät nicht in das Netzwerk gelangt, überprüfen Sie, ob die
Stromversorgung anliegt und ob die Netzwerk-ID und der Zugangscode
ordnungsgemäß umgesetzt wurden. Dadurch wird sichergestellt, dass
das Gateway richtig installiert, mit Strom versorgt und zugänglich ist,
dass das Netzwerk gemäß bewährten Verfahren ausgelegt ist und dass
Geräte vorhanden sind, mit denen sich das in Betrieb zu nehmende
Gerät verbinden kann.
1. Warten Sie mindestens eine Stunde nach dem Anschluss des
WirelessHART-Geräts an den Strom, bevor Sie den WirelessVerbindungstest durchführen. Dadurch hatte das Gerät ausreichend
Zeit, um mehrere Verbindungen für die Selbstorganisation
herzustellen. Mehrere Geräte können zur gleichen Zeit getestet
werden, und da sie voneinander abhängen, ist es optimal, für den
ersten Verbindungstest so viele wie möglich im Netzwerk zu haben.
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WirelessHART
2. Überprüfen Sie, ob in der Netzwerkdiagnose angegeben ist, dass das
Gerät über ordnungsgemäße Bandbreite verfügt. Das Gateway muss
eine Anzeige haben.
3. Überprüfen Sie, ob jedes Gerät mindestens zwei Nachbarn hat. Das
Gateway muss eine Anzeige haben.
4. Überprüfen Sie, ob die Zuverlässigkeit des Geräts bei mindestens 99
% liegt. Statistische Daten müssen möglicherweise zurückgestellt
und neu bestätigt werden, um Unregelmäßigkeiten, die beim Start
aufgetreten sind und für die langfristige Leistung nicht von
Bedeutung sind, zu löschen.
5. Überprüfen Sie die Sensorkonfiguration gemäß Loop-Diagramm
oder einem anderen Formular, in dem die Konfiguration angegeben
ist.
6. Führen Sie die notwendigen Nullpunktabgleiche für Sensoren durch.
7. Wiederholen Sie diese Schritte für jedes Gerät im Netzwerk.
Wenn ein Gerät den Wireless-Verbindungstest nicht besteht, führen Sie
die folgenden grundlegenden Schritte durch:
1. Warten Sie, bis das gesamte Netzwerk aufgebaut ist und 24 Stunden
in Betrieb war, bevor Sie weitere Schritte überlegen. Dadurch wird
dem Gateway Zeit gegeben, um die Selbstorganisation für die beste
Kommunikation zu maximieren.
2. Überprüfen Sie bei dem fehlerhaften Gerät die ordnungsgemäße(n)
Pfadstabilität und RSSI-Werte. Die Pfadstabilität sollte über 60 %
und die RSSI-Werte sollten über -75 dBm liegen.
3. Überprüfen Sie den Standort des fehlerhaften Geräts im Netzwerk.
Überprüfen Sie, ob eine Netzwerkauslegungsregel nicht eingehalten
wurde oder ob eine nicht vorgesehene Installation zur schlechten
Übertragung des Funksignals geführt hat.
a. Fügen Sie - falls nötig - Repeater hinzu, um das Netzwerk zu
stärken, wenn das Gerät vom Netzwerk isoliert ist und eine
schlechte Verbindung hat.
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WirelessHART
4. Überprüfen Sie, ob das Gerät ordnungsgemäß mit Strom versorgt
wird und als Sensor richtig funktioniert.
5. Überprüfen Sie, ob die Scan-Rate nicht höher als die höchste ScanRate ist, die das Gateway zulässt.
a. Reduzieren Sie entweder die Scan-Rate des Feldgeräts oder
erhöhen Sie die höchste zulässige Scan-Rate am Gateway.
Netzwerktestverfahren
Im Folgenden finden Sie die Grundschritte zur Überprüfung eines
Netzwerks:
1. Überprüfen Sie, ob alle angeschlossenen Geräte den WirelessVerbindungstest bestehen. Das Gateway muss eine Anzeige haben.
2. Stellen Sie sicher, dass mindestens 15 % aller Geräte direkt mit dem
Gateway verbunden sind. Der Design-Parameter liegt bei 25 %; der
kleinste annehmbare Wert liegt bei 10 %. Das Gateway muss eine
Anzeige haben.
3. Überprüfen Sie, ob die Gesamtzuverlässigkeit des Netzwerks bei
mindestens 99 % liegt. Das Gateway muss eine Anzeige haben.
Loop-Test / Standortintegrationstest
Sobald die WirelessHART-Geräte mit dem Gateway verbunden sind und
das Netzwerk überprüft wurde, ist der Loop-Test im traditionellen Sinne
möglicherweise nicht mehr nötig.
Mit dem Wireless-Verbindungstest wird überprüft, ob alle Feldgeräte
richtig konfiguriert sind. Da es keine Kabel gibt, die verwechselt werden
können, ist der traditionelle Loop-Test nicht erforderlich. Alternativ
können Loop-Tests durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass jedes
Feldgerät mit dem richtigen Gateway kommuniziert und dass jedes
Gateway mit dem richtigen Host-System verbunden ist. Traditionelle
Anwendungen der Sensoranregung können sicherheitshalber
durchgeführt werden, sind aber in einer rein digitalen Architektur
weniger hilfreich, wenn vollständig sichergestellt wurde, dass ein
Feldgerät mit dem richtigen Tag und der richtigen Konfiguration in
Betrieb genommen wurde.
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WirelessHART
Bench-Simulationstest
Jedes WirelessHART-Feldgerät entspricht dem HART 7.0+ Protokoll, das
über Vorschriften für die Simulation verfügt. Jedes Gerät kann in einen
Simulationsmodus versetzt werden. Mit dem Bench-Simulationstest soll
auch überprüft werden, ob alle HART-Feldkommunikatoren die richtige
Konfiguration und die richtige Gerätbeschreibung (DD) für den Zugang
zur lokalen Benutzerschnittstelle des Feldgeräts aufweisen, wenn sie im
Feld sind.
Bereitstellung von Ersatzteilen
Im Folgenden sind die empfohlenen Ersatzteile aufgeführt, die man vor
Ort haben sollte:
•
Ersatzblitzableiterbauteile für Gateways, falls ein Blitzschutz
verwendet wird.
•
Ersatz-Gateways sollten gemäß Ersatzteilrichtlinie für die HostSystem-Anlage (z.B. E-/A-Karten) vorhanden sein. Die GatewayKonfiguration muss sich für den schnellen Austausch gut eignen,
falls erforderlich.
•
Ersatzbatteriemodule
•
Ersatzfeldgeräte wie in der Richtlinie für kabelgebundene
Feldgeräte festgelegt. Zusätzliche Geräte, die als Repeater
verwendet werden, sollten gegebenenfalls berücksichtigt
werden.
Entfernen redundanter Geräte
Repeater, die zeitweilig verwendet werden, um ein Netzwerk zu
stärken, können entfernt und anderweitig eingesetzt werden, wenn das
WirelessHART-Netzwerk auf einen Größe anwächst, bei der Repeater
nicht mehr benötigt werden.
Wartung
Warten Sie jedes WirelessHART-Gerät gemäß Handbuch für das
jeweilige Gerät.
Das Netzwerk wird sich selbst organisieren und schlägt bei Änderungen
Alarm, die einen Eingriff nötig machen. Das Gateway muss über eine
Anzeige für Leistungsprobleme im Netzwerk oder in den Feldgeräten
verfügen.
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Kapitel 11
WirelessHART
Dokumentation in Intergraph SPI 2009
WirelessHART-Geräte können mit minimaler Anpassung komplett in
Intergraph SPI dokumentiert werden. Im Folgenden finden Sie ein
Beispiel, wie WirelessHART in einer logischen und linearen Reihenfolge
dokumentiert werden kann, wobei vorausgesetzt wird, dass der Leser
mit Intergraph SPI vertraut ist. Dabei handelt es sich nur um ein Beispiel
zur Illustration der Methode. Letzten Endes liegt es in der
Verantwortung der Projektleitung, Standards und Anleitungen
aufzustellen und deren Anwendung innerhalb der Projektumgebung zu
forcieren.
Benutzerdefinierte Felder
Zunächst müssen benutzerdefinierte Felder angelegt werden, um die
Berücksichtigung von WirelessHART-Engineering-Parametern zu
ermöglichen, die für dafür benötigt werden zu definieren, ob ein Punkt
"wireless" ist und wie dieser Punkt mit einem Netzwerk verbunden
wird.
Die folgenden umfassenden benutzerdefinierten Felder müssen
angelegt werden:
Abbildung 19. Benutzerdefinierte Felder (User Defined Fields / UDF) für WirelessHart
in SPI
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WirelessHART
Erklärung der Felder:
Benutzerdefiniertes Feld
(UDF)
WirelessHART (Y/N) /
WirelessHART (Ja/Nein)
Beispiel
Zweck
Y
Scan rate / Scan-Rate
1,2, 4, 8, 16, 32, 64+
Gateway
GWY002
WirelessHART adapter /
WirelessHART-Adapter
WHA001
Network Design Layout /
Netzwerkauslegung
A101.DWG
Erkennung eines Punkts als WirelessPunkt auf einem hohem Niveau. Wird zur
schnellen Anwendung der
Auslegungsvorgaben verwendet, um zu
bestimmen, was "wireless" ist und was
nicht.
WirelessHART-Geräte scannen nicht alle
bei einer Rate von 1 Sekunde wie
kabelgebundene HART-Geräte. Dieser
Wert ist wichtig für die Festlegung,
welche Geräte WirelessHART sein können
sowie für die Einstellung der
Konfigurationsparameter.
Definiert, welchem Gateway ein
WirelessHART-Gerät zuzuordnen ist.
Definiert, welchem WirelessHARTAdapter ein kabelgebundenes HARTGerät zugeordnet ist, wenn ein Gerät
nicht über die integrierte WirelessHARTFunktion verfügt.
Dabei handelt es sich um ein Referenzfeld
für eine Zeichnung oder ein Dokument,
die/das verwendet wurde, um zu
bestätigen, dass die Netzwerkauslegung
nach bewährten Verfahren durchgeführt
wurde.
Abbildung 20. Definition von benutzerdefinierten Feldern (UDF) in SPI für WirelessHart
Wenn der Anwender sich dafür entscheidet, können SPI-Regeln so
angelegt werden, dass diese benutzerdefinierten Felder nur für Punkte
erscheinen, bei denen es sich um HART-Punkte handelt oder bei denen
überprüft wurde, ob es sich um WirelessHART-Punkte handelt. Das
minimiert die Darstellung von Informationen, die für Geräte, die keine
WirelessHART-Geräte sind, nicht relevant sind.
Gefilterte Ansicht
Eine benutzerspezifische Ansicht des Geräteindex ist hilfreich für die
Anwendung der Auslegungsvorgaben bei der Auswahl, welche Geräte
"wireless" sein müssen, sowie um die Organisation der Netzwerke zu
sehen. Im Folgenden sehen Sie eine Beispielansicht, die die
benutzerdefinierten Felder vorteilhaft einsetzt, die im vorherigen
Abschnitt dargestellt wurden.
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WirelessHART
Abbildung 21. Benutzerspezifische Ansicht der benutzerdefinierten Felder für
WirelessHart in SPI
Die Reiter "Criticality" und "Scan Rate" sollten die Grundlage für alle
Engineering-Vorgaben sein, anhand derer festgelegt wird, ob ein Gerät
WirelessHART ist. Einige Loops mit niedrigem kritischem Zustand
können Scan-Raten von weniger als 4 Sekunden aufweisen und sollten
in die Auslegungsrichtlinien aufgenommen werden. Da WirelessHARTGeräte vor allem mit Batterien betrieben werden, eignet sich
WirelessHART möglicherweise nicht für alle Anwendungen mit schnellen
Scan-Raten.
Unter Verwendung der Felder "Criticality" und "Scan-Rate" können
Techniker festlegen, ob ein Gerät "WirelessHART" sein sollte. Wenn ein
Gerät "wireless" ist, muss das Gerät mit einem Gateway verbunden
werden. Wenn ein Gerät nur als kabelgebundenes HART-Gerät
spezifiziert werden kann und einen WirelessHART-Adapter benötigt,
muss die Tag-Information “WirelessHart Adapter” definiert werden.
Jedes WirelessHART-Feldnetzwerk sollte anhand bewährter Verfahren
für die Netzwerkauslegung validiert werden. Der Reiter "Network
Design Layout" ist ein Referenzfeld für die Verlinkung einer Zeichnung,
mit der die Netzwerkauslegung nach bewährten Verfahren überprüft
wurde.
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WirelessHART
Anlegen von Instrumenttypen
Bereits früh im Prozess sollten Symbole und Instrumenttypen definiert
werden und ein WirelessHART-Instrumentarchiv sollte angelegt werden.
Im Folgenden werden die Grundänderungen an einem HART-Gerät
gezeigt, um einen WirelessHART-Instrumenttyp anzulegen.
Abbildung 22. Definition des WirelessHart-Instrumenttyps in SPI
Im ersten Schritt muss ein neues Gerät mit einer neuen Beschreibung
angelegt werden. In diesem Beispiel haben wir einen WirelessHARTDurchflusstransmitter angelegt. Bitte berücksichtigen Sie, dass keine
neuen Instrumenttypen benötigt werden, wenn ein Gerät als
kabelgebundenes HART-Gerät mit einem WirelessHART-Adapter
spezifiziert wird.
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Abbildung 23. Definition eines neuen WirelessHart-Geräts in SPI
Im Reiter "General" muss nichts verändert werden. Legen Sie fest, ob
ein Gerät ein HART-Analogeingang (AI) oder ein HART-Analogausgang
(AO) ist, so dass alle grundlegenden HART-Parameter angewandt
werden können. Kümmern Sie sich um die Verkabelung oder fehlende
Verkabelung separat. Die Tatsache, dass WirelessHART auf HART
basiert, ermöglicht den Einsatz dieser vordefinierten Variablen.
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Abbildung 24. Definition der Verkabelungsarten in SPI
Setzen Sie einen Haken im Feld "Include wiring". Falls dieses Feld nicht
angekreuzt ist, wenn SPI Loop-Zeichnungen generiert, kann das Gerät
den Loop-Zeichnungen nicht hinzugefügt werden. Dies ermöglicht auch
Flexibilität für verschiedene Verkabelungskonfigurationen, die
anderswo definiert werden müssen. Die Beispiele umfassen die
Verkabelung der WirelessHART-Adapter in Reihe mit dem Loop und der
Stromversorgung für die WirelessHART-Geräte. Dieser Vorgang muss für
jeden einzelnen WirelessHART-Instrumenttyp wiederholt werden.
Es gibt nur zwei Instrumenttypen, die für WirelessHART einzigartig sind
und als Nebengerät betrachtet werden können - das WirelessHARTGateway und der WirelessHART-Adapter. Um diese Instrumenttypen
anzulegen, empfehlen wir die Verwendung des Symbols "YG" für ein
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WirelessHART
WirelessHART-Gateway und des Symbols "YO" für einen WirelessHARTAdapter.
Sobald der Instrumenttyp definiert ist, können die "Device Panel
Properties" zur Einbindung von Referenzsymbolen geändert werden. Es
wird empfohlen Symbole sowohl für "Enhanced SmartLoop" als auch für
"Cable Block Drawing" zuzuweisen.
Abbildung 25. Zuweisung von Symbolen in SPI
Grundlegende Symbole können in SPI unter Verwendung der
Bearbeitungstools erstellt werden. Im Folgenden finden Sie Beispiele für
WirelessHART-Feldgeräte und ein WirelessHART-Gateway. Das ZickZack-Symbol unten wurde von der ISA definiert. Für die weitere
Dokumentation ist nichts Spezielles erforderlich, da zur Signalgebung
üblicherweise keine umfangreichen Angaben gemacht werden. Bei
automatisch erstellten Dokumenten kann es hilfreich sein, die Scan-Rate
einzubeziehen, indem ein Bezug zum benutzerdefinierten Feld
hergestellt wird, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist. Am
wichtigsten ist es, dass das Projektleitungsteam über eine
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Symbolrichtlinie entscheidet und diese während des Projekts
konsequent einhält.
Symbol für WirelessHART-Gateway:
Symbol für WirelessHART-Gerät:
Abbildung 26. WirelessHart-Symbole
WirelessHART-Geräte können unter Verwendung des
benutzerdefinierten Felds mit einem WirelessHART-Gateway verbunden
werden. In dieser Art von Zeichnung wird nicht der Pfad durch das
WirelessHART-Netzwerk dargestellt, sondern die Beziehung zwischen
dem WirelessHART-Gerät und dem WirelessHART-Gateway: Im
Folgenden sehen Sie ein Beispiel aus der ISA-5.1, Seite 118.
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Abbildung 27. ISA 5.1 Zeichnungsbeispiel
Bitte berücksichtigen Sie, dass die Einbindung von Scan-Raten und
Wireless-Signalsymbolen optional ist. Die Autoren dieses Dokuments
fanden die Einbindung dieser Informationen hilfreich für die Umsetzung
und Verwaltung der einzigartigen Attribute von WirelessHART.
Loop-Diagramme
Aufgrund der Tatsache, dass bei WirelessHART-Feldgeräten keine
Signalverkabelung benötigt wird, ist die Erstellung des Pendant zum
Wireless-Loop-Diagramm sehr einfach.
Die Hauptinformation ist die Verbindung jedes Wireless-Feldgeräts zum
entsprechenden Gateway. Es wird empfohlen, dass ein grundlegendes
Wireless-Loop-Diagramm die klassischen Tag-Informationen sowie die
benutzerdefinierten WirelessHART-Felder darstellt. Auf diese Weise ist
eindeutig zu erkennen, welche Wireless-Geräte mit welchem
WirelessHART-Gateway verbunden sind. Derzeit verfügt Intergraph SPI
2009 nicht über die Mittel, um dies in eine spezielle Zeichnung zu
integrieren; daher wird empfohlen, den Instrumentierungsindex zu
verwenden, der die benutzerdefinierten WirelessHART-Felder
wiedergibt. In der folgenden Abbildung wird eine umfassende Liste von
WirelessHART-Geräten dargestellt, die mit verschiedenen Gateways
verbunden sind.
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Abbildung 28. Gefilterte Ansicht der WirelessHart-Tags
In dieser Liste können Filter gesetzt werden, und sie kann nach Gateway
sortiert ausgedruckt werden. Eine Hauptinformation ist der Link zu einer
Zeichnung, die belegt, dass nach bewährten Verfahren geprüft wurde,
wobei auch der physikalische Gerätstandort einbezogen werden kann.
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Abbildung 29. Tag-Ansicht sortiert nach Gateway
Loop-Diagramme für WirelessHART-Adapter
Ein WirelessHART-Adapter ist Zubehör eines Loop und sollte als LoopZubehör wie ein Multiplexer oder Überspannungsschutz behandelt
werden. Loop-Zubehör wird üblicherweise nicht im Loop-Diagramm
angegeben und vor Ort installiert. Der Einfachheit halber wird
empfohlen, für das Loop-Diagramm eines kabelgebundenen HARTGeräts keine Änderungen vorzunehmen, um die Existenz eines
WirelessHART-Adapters darzustellen.
Der WirelessHART-Adapter würde ordnungsgemäß im Wireless-LoopDiagramm, das das Gateway und alle verbundenen WirelessHARTGeräte darstellt, dokumentiert und berücksichtigt.
Gateway-Blockdiagramme
Nützlich ist die Erstellung eines Gateway-Blockdiagramms, in dem die
Strom- und Kommunikationsanschlüsse des Gateway dargestellt
werden. Alle WirelessHART-Gateways sollten unabhängig vom
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Hersteller über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verfügen,
um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.
Abbildung 30. Gateway-Blockdiagramm
Eine weitere zu berücksichtigende Zeichnung – möglicherweise
zusammen mit einem Blockdiagramm – wäre die Darstellung aller
Gateways, die einem Bereich zugewiesen sind – der Einfachheit halber
im selben Dokument.
Technische Datenblätter in SPI
Vorhandene technische Datenblätter können verwendet werden, um
WirelessHART-Geräte anzugeben. Die wesentlichen zu ändernden
Felder sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Feld Technische Daten
Scan-Rate
Stromversorgung
Kommunikationsart
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Typischer Wert
4, 8, 16, 32, 64+
Eigensichere Batterie, die im Feld
ausgetauscht werden kann
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WirelessHART
Da WirelessHART von kabelgebundenem HART abgeleitet ist, sollten
andere technische Datenfelder so ausgefüllt werden wie bei einem
kabelgebunden HART-Gerät.
Abbildung 31. Technisches Datenblatt für WirelessHart-Gerät
Zeichnungen in SPL – Smart Plant Layout
WirelessHART-Geräte müssen so installiert werden wie ihr
kabelgebundenes HART-Pendant. Daher können alle WirelessHARTGeräte in Zeichnungen ohne Abweichung von der Praxis für
kabelgebundene HART-Geräte angegeben werden
WirelessHART-Gateways sollten wie Anschlusskästen positioniert
werden und die Installationsanweisungen aus der Netzwerkauslegung
widerspiegeln.
Dokumentation von Sicherheitsinformationen
Die WirelessHART-Sicherheitsparameter der Netzwerk-ID und des
Gerätzugangscodes dürfen nicht in einem Wireless-Loop-Diagramm
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WirelessHART
oder in der SPI-Designumgebung dargestellt werden. Es gibt
Sicherheitsparameter zum Schutz des Netzwerks, die gemäß lokaler
Sicherheitsrichtlinie verwaltet werden müssen, die vom Eigentümer /
Bediener eingeführt wurde. Die Netzwerk-ID und der Gerätzugangscode
werden nicht für die Auslegung benötigt. Im Wireless-Loop-Diagramm
wird das WirelessHART-Gerät mit den WirelessHART-Gateway-Tags
verbunden. Sichern Sie die Dokumente, die WirelessHARTSicherheitsbestimmungen enthalten separat, einschließlich des
WirelessHART-Gateway-Tag, der als Querverweis für die Netzwerk-ID
und den Zugangscode verwendet werden kann. Denken Sie daran, dass
die Netzwerk-ID und die Gerätzugangscodes für jedes Gateway und
jedes WirelessHART-Feldnetzwerk eindeutig sein müssen. Diese Art von
Sicherheitsmanagement ähnelt der Verwaltung von
Sicherheitsinformationen für Steuerungssysteme und Server.
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WirelessHART
Anhang A. Beispiel ISA-Datenblatt
Im Folgenden sehen Sie ein Beispieldatenblatt für ein WirelessHART-Gateway.
Abbildung 32. Beispiel eines technischen Datenblatts für ein Wireless-Gateway nach
ISA
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November 2010
WirelessHART
Anhang B. Vergleich WirelessHART / HART
Im Folgenden finden Sie eine umfassende Liste aller Unterschiede
zwischen einem WirelessHART-Gerät und einem kabelgebundenen
HART-Gerät, die für den Endnutzer von Bedeutung sind. Nicht alle
Merkmale werden von jedem Hersteller in jedem Wireless-Feldgerät
umgesetzt.
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wirelessHART Parameter
WirelessHART
Parameter Options
Example
Technical Details
Notes
Not unique to wirelessHART - wired HART6 and 7 devices also
have Long Tag.
Additional field to the HART short tag with 8 characters. Devices
can have a long and short tag.
Every gateway must have a unique ID - and field devices must
have the matching ID to a specific gateway that it is to join with.
Long Tag
field
UNIT_A_TT-101
32 Characters - characters can be any in ISO Latin-1 (ISO 8859-1)
character set.
Network ID
Number
10145
An integer number between 0 and 36863
Network Join Key
4 fields
23adfe00-0edf000a-000df038-2398dc07
4 four byte numeric fields (in Hexadecimal format). For
example - 4 8 character fields where each character must be a
number from 0-9, or a letter from A to F.
Randomize for greatest strength
Choices include:
1- Primary variable only
2 -Primary variable in percent of range and mA
3 -All dynamic variables in engineering units
9 - Selectable process variables/status in engineering units
33 -Selectable process variables in engineering units
48 -Device status
number between 0 and 65535 - Custom command
Not unique to wirelessHART - wired HART devices can also
broadcast (burst) commands on the wired loop.
Field devices have more than 1 broadcast message available. All
wirelssHART devices must support a minimum of 3 messages - but
can support up to 250 if they choose. The most optimal
configuration to preserve power is to have as few of these
broadcast messages configured as possible. We attempt to
simplify this by asking the user to choose between 2 options
which dictate the complete set of Broadcast messages and
Broadcast modes. These 2 options are "Emerson Optimized" or
"Generic". Some products (e.g. the THUM Adapter) may have
special situations where a simple choice between these 2 global
modes are not adequate - and thus multiple broadcast messages
should be specified.
Broadcast Message
Broadcast Variables
One or more Enumerated choices
One or more sets of 8 Enumerated
choices
Device Status & All Process Variables
Choices include:
243 - Battery Life
244 - Percent of range
245 - Loop Current
246 - PV
247 - SV
248 - TV
249 - QV
250 - Disabled
0 thru 249 specific to each device
User-friendly choice names from 0 to 249 are device specific.
Might just have to specify numbers
PV, SV, TV, QV, Variable 0, Variable 1,
Variable 2, and Variable 3
Not unique to wirelessHART - wired HART devices can also
broadcast (burst) commands on the wired loop.
Field devices have 1 set of broadcast variables for each broadcast
message. Broadcast variables are only applicable when the
corresponding broadcast message is Selectable process variables /
status (up to 8 can be chosen), or Selectable process variables (up
to 4 can be chosen).
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) commands on the wired loop.
Field devices have 1 broadcast rate for each broadcast message.
We attempt to simplify this by asking for ony 1 broadcast rate, and
setting all available broadcast messages to the same rate. Some
products (e.g. the THUM Adapter) may have special situations
where multiple rates should be specified.
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) commands on the wired loop.
Field devices have 1 Broadcast Mode for each broadcast message.
Most products only support Disabled or Continuous. Future
revisions of products will offer the remaining 2 modes.
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) commands on the wired loop.
Field devices have 1 Maximum broadcast rate for each broadcast
message. This parameter is only applicable when the
corresponding Broadcast mode is set to "Report by Exception" or
"On Change".
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) commands on the wired loop.
Field devices have 1 Burst Trigger Threshold for each broadcast
message. This parameter is only applicable when the
corresponding Broadcast mode is set to "Report by Exception".
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) commands on the wired loop.
Field devices have 1 Burst Trigger Units for each broadcast
message. This parameter is only applicable when the
corresponding Broadcast mode is set to "Report by Exception".
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) events on the wired loop.
Field devices have 1 Event Notification Mode for each event. All
WirelessHART devices must support at least 1 event - but can
suport up to 250 events if they choose.
Triggered Broadcast Rate
One or more Numbers
60
In seconds - must be 1, 2, 4, 8, 16, 32, or any number between
and including 60 to 3600 seconds)
Broadcast Mode
One or more Enumerated choices
Continuous
Choices include:
Disabled
Continuous
Report by Exception
On Change
Maximum Broadcast Rate
One or more Numbers
60
In seconds - must be 1, 2, 4, 8, 16, 32, or any number between
and including 60 to 3600 seconds) Must be larger than Triggered
Broadcast rate.
Broadcast Trigger Threshold
One or more Number
345.2
IEEE-754 single precision floating point value
Broadcast Trigger Units
One or more Fields
PSI
Choices include all units available in the HART Common Tables
Specification.
Event Notification Control
One or more enumerated choices
Disabled
Choices include:
Enabled
Disabled
Event Notification Retry Rate
One or more Numbers
60
In seconds - must be 1, 2, 4, 8, 16, 32, or any number between
and including 60 to 3600 seconds)
Event Notification Default Rate
One or more Numbers
In seconds - must be 1, 2, 4, 8, 16, 32, or any number between
and including 60 to 3600 seconds) Must be greater than Event
Notification Retry Rate
Event Notification Debounce Rate
One or more Numbers
In seconds - must be 1, 2, 4, 8, 16, 32, or any number between
and including 60 to 3600 seconds) Must be less than Event
Notification Retry Rate
Event Notification Event Mask
One or more sets of 13 integers
0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF,
0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF
Power Source
Field
Battery
Choices include:
Battery
Energy Scavenging
Line Power
Most devices only support Battery as a choice. Future products
may allow one or more of the other choices.
Radio Output Power
Field
+10dBm
A signed integer between +10 and -10.
Whole wirelessHART network should be set to same value. Most
wireless products to dat support either +10 or 0 dBM only.
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Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) events on the wired loop.
Field devices have 1 Event Notification Retry Rate for each event.
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) events on the wired loop.
Field devices have 1 Event Notification Default Rate for each
event.
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) events on the wired loop.
Field devices have 1 Event Notification Debounce Rate for each
event. All WirelessHART devices must support at least 1 event but can suport up to 250 events if they choose.
Not unique to wirelessHART - wired HART 7 devices can also
broadcast (burst) events on the wired loop.
Field devices have 1 set of Event Notification Masks for each
event. All WirelessHART devices must support at least 1 event but can suport up to 250 events if they choose.
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WirelessHART
Anhang C. AMS Wireless Snap-On Anwendung
Alle Auslegungsparameter, die in den vorherigen Kapiteln besprochen
wurden, können mit der AMS Wireless Snap-On Anwendung der Asset
Optimization Division von Emerson Process Management automatisiert
werden. Die Netzwerkauslegung kann durchgeführt werden und
Dateien können abgespeichert werden, um den Engineering-Prozess zu
unterstützen. Für die Auslegungsmerkmale der Anwendung wird keine
zusätzliche Software benötigt.
Eine AMS Snap-On Dokumentation ist online verfügbar unter:
http://www.documentation.emersonprocess.com/groups/public_assetoptprodlit/documents/data_
sheets/idm_allds0508e_wirelesssnapon.pdf
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Anhang D. Wireless-Spektrumsregelung
Wireless-Anwendungen werden in der Prozessindustrie seit mehr als 40
Jahren eingesetzt. In jeder Prozessanlage kann es viele Anwendungen
geben, die Funksignale verwenden, einschließlich Kommunikation
zwischen Mitarbeitern, Funk-ID-Systeme, ad-hoc-Systeme,
Mobiltelefone. Die wesentlichen "Zutaten" für die Umsetzbarkeit der
Wireless-Automatisierung waren: Lösung der
Stromversorgungsprobleme, um Geräte für mehrere Jahre mit Batterien
zu betreiben, automatische Umgehung aller Hindernisse in der
Prozessumgebung, so dass umfangreiches Wireless-Know-how für die
Umsetzung keine Voraussetzung war, sowie störungsfreies
Nebeneinander mit anderen Wireless-Quellen.
WirelessHART arbeitet mit der 2,4 GHz ISM-Funkfrequenz, die
üblicherweise zwischen 2,400 und 2,500 GHz liegt. Die genauen
Frequenzgrenzen und Leistungsstufen von Hochfrequenzausgängen
können von Land zu Land leicht unterschiedlich sein. WirelessHART
arbeitet mit Grenzen, die den universellen Einsatz in fast allen Ländern
ermöglichen – mit Ausnahmen, die für bestimmte Produkte von den
Geräteherstellern angegeben werden. Das ISM-Funkfrequenzband ist
lizenzfrei; es wird jedoch eine Genehmigung von Regulierungsbehörden
benötigt. Diese Genehmigungen werden normalerweise vom
WirelessHart-Hersteller eingeholt. Da Hersteller für viele Anwendungen
das gleiche Spektrum verwenden können, muss WirelessHart neben den
anderen Anwendungen erfolgreich bestehen können.
WirelessHART verwendet viele Techniken, um neben anderen WirelessAnwendungen bestehen zu können:
•
Netzwerksegmentierung – ermöglicht, dass Tausende von
WirelessHART-Geräten im selben physikalischen Raum
existieren können, vorausgesetzt, dass jedes Netzwerk eine
eindeutige Netzwerk-ID hat.
•
Isolierung des Spektrums – Wireless-Anwendungen in
verschiedenen Teilen der Spektrums "sehen" einander nicht und
stören einander daher nicht.
•
Geringer Leistungsbedarf – WirelessHART-Geräte haben einen
geringen Leistungsbedarf im Vergleich zu HandheldSeite 87 von 93
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Kommunikatoren, Wi-Fi und RFID-Lesegeräten. Das verhindert,
dass es zu Störungen zwischen WirelessHART-Anwendungen
und diesen Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf kommt.
•
Räumliche Sprünge – Selbstorganisierende Maschennetzwerke
können auf andere Pfade "springen", die anderen
Hochfrequenzbedingungen ausgesetzt sind. Die WirelessHARTGeräte organisieren Pfade durch die Prozessumgebung selbst
und umgehen Funkfrequenzhindernisse genauso wie
physikalische Hindernisse.
•
Kanal-Hopping – WirelessHART-Geräte verwenden 15 Kanäle im
2,4 GHz Spektrum. Das Rotationsprinzip bei der
Kanalverwendung stellt sicher, dass Störungen auf einem oder
mehreren Kanälen die zuverlässige Kommunikation nicht
verhindern.
•
DSSS-Kodierung – ermöglicht, dass Übertragungen mit
eindeutiger Kodierung zum Zweck der Verschlüsselung oder als
Filter moduliert werden. Die DSSS-Kodierung erhöht die
Empfangsempfindlichkeit durch digitale Verarbeitung.
•
Time Synchronized Meshed Protocol (TSMP) – ermöglicht
mehrere Versuche innerhalb der spezifizierten Scan-Rate auf
unterschiedlichen Netzwerkpfaden und Frequenzen.
Trotz dieser Merkmale für das Nebeneinander von verschiedenen
Wireless-Anwendungen, ist es vorteilhaft eine Art von WirelessRegelung zu haben. WirelessHART kann gestört werden, jedoch nur
unter Bedingungen, die wahrscheinlich alle Wireless-Anwendungen
unterbrechen, die im 2,4 GHz Spektrum arbeiten.
Ein Hauptbeispiel sind Breitbandstörungen. Viele alte Wireless-Systeme
haben einen sehr hohen Leistungsbedarf. Betrachten Sie beispielsweise
ein Personalkommunikationssystem, das Zweiwegefunkgeräte mit
hohem Leistungsbedarf verwendet und im 800 MHz-Frequenzbereich
arbeitet. Obwohl das System legal ist und gemäß Spezifikation
funktioniert, kann es breitbandige Störungen ausstrahlen, die sich über
mehrere GHz im Spektrum erstrecken. Diese breitbandige Störung
beeinträchtigt dann alle Anwendungen in anderen Spektren und zwar
durch Reduzierung des Störabstands (SNR). Die einfache Lösung ist,
einen Bandpassfilter in allen Systemen zu installieren, so dass sie nur
Hochfrequenzenergie in dem Spektrum ausgeben, für das sie zugelassen
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sind. Berücksichtigen Sie das anschauliche Diagramm, dass die
breitbandige Störung vor und nach dem Einbau eines Tiefpassfilters
zeigt.
Abbildung 33. Installation eines Tiefpassfilters
Die meisten staatlichen Behörden veröffentlichen die Genehmigung von
Funkgeräten mit hohem Leistungsbedarf, da die Möglichkeit der
Störung von privaten und öffentlichen Einrichtungen abgesehen vom
Lizenznehmer besteht. In den Vereinigten Staaten von Amerika
veröffentlicht die Bundesregierung alle genehmigten Funkgeräte unter
http://wireless2.fcc.gov/UlsApp/UlsSearch/searchLicense.jsp. Wenn
eine Einrichtung über genehmigte Funkgeräte verfügt, sollte überprüft
werden, ob Tiefpassfilter vorhanden sind. Die Vorschriften wurden vor
dem Aufkommen von Geräten mit niedrigem Leistungsbedarf,
einschließlich Wi-Fi, aufgestellt, und dem zukünftigen Bestehen von
Systemen mit niedrigem und hohem Leistungsbedarf nebeneinander
wurde keine Beachtung geschenkt. Andere Länder verfügen
wahrscheinlich über ähnliche Datenbanken.
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Der Einbau von Tiefpassfiltern ist einfach und erfordert normalerweise
nur den Einbau der Einheit in Reihe mit der Hochfrequenzverkabelung
sowie die ordentliche neue Abdichtung der Hochfrequenzanschlüsse.
Der aufkommende 802.11N Wi-Fi-Standard kann breitbandige
Störungen aussenden, wenn eine andere Anwendung als 802.11N im
2,4 GHz ISM-Frequenzband betrieben wird. Im Vergleich zu 802.11B
oder 802.11 G, die einen einzigen Kanal verwenden, normalerweise 1, 6
oder 11, verwendet 802.11N mehrere benachbarte Kanäle, um eine
größere Bandbreite für anspruchsvolle Anwendungen zu ermöglichen,
wie z.B. Übertragung großer Datenmengen, Sicherheitskameras und
Videoaufnahmen. 802.11N kann entweder im 2,4 GHz ISM-Band oder
5,8 GHz ISM-Band betrieben werden. Beim Betrieb im 5,8 GHz-Band
wird das Prinzip der Isolierung des Spektrums angewandt und
außerdem gibt es den zusätzlichen Vorteil, dass 5,8 GHzHochfrequenzsignale Informationen aufgrund der viel schnelleren
Modulation viel schneller übertragen können als 2,4 GHzHochfrequenzsignale.
Ein weiterer aufkommender Standard ist Wi-Max, der in den
Frequenzbändern 2,3 GHz, 2,5 GHz oder 3,5 GHz arbeitet. Obwohl diese
Spektren das 2,4 GHz Spektrum nicht überlappen, gibt es keine
Vorgaben beim Wi-Max Standard, die Verwendung von Tiefpassfiltern
bei Clients oder Access Points umzusetzen oder zu verstärken. Durch
den hohen Leistungsbedarf von Wi-Max besteht die Möglichkeit von
Störungen bei allen Wireless-Anwendungen, die speziell für den Betrieb
im 2,4 GHz-Spektrum ausgelegt sind. Wi-Max Clients sollten in der
Prozesseinrichtung nur begrenzten Einsatz finden und Wi-Max sollte im
3,5 GHz-Spektrum eingesetzt werden, um die Gefahr von breitbandigen
Störungen zu minimieren.
Neben der Bewerkstelligung von potentiellen breitbandigen
Störungsquellen stellt die Wireless-Regelung ein grundlegendes
Verfahren dar. Im Folgenden erhalten Sie einen Überblick über die
wichtigsten Punkte für die Wireless-Regelung:
•
Eine lokale Wireless-Regelung dient dem Zweck der
Dokumentation aller Wireless-Quellen in einer Anlage und
der Durchsetzung von bewährten Verfahren für das
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störungsfreie Bestehen von Wireless-Anwendungen
nebeneinander.
•
Durchsetzung der ordnungsgemäßen Installation und
Einhaltung von Vorschriften für alle Wireless-Anwendungen
hinsichtlich Leistungsbedarf, Spektrums Verwendung und
Verschlüsselung gemäß behördlicher Richtlinien.
•
Lieferung von Richtlinien für die Spektrums Verwendung bei
Wireless-Anwendungen.
•
o
Begrenzung von 802.11N Anwendungen auf das 5,8
GHz ISM-Band.
o
Begrenzung des Einsatzes von Wi-Max auf das 3,5
GHz Spektrum.
o
Platzierung von Wireless-Anwendungen mit großer
Bandbreite wie z.B. Sicherheitskameras im 5,8 GHz
Frequenzband.
Unterstützung der ordnungsgemäßen Segmentierung von
WirelessHART-Netzwerken.
o
Jedes Netzwerk in der Prozesseinrichtung muss eine
eindeutige Netzwerk-ID und einen eindeutigen
Gerätzugangscode aufweisen, um zu verhindern,
dass WirelessHART-Geräte in das falsche Netzwerk
gelangen und um ein Maximum an Sicherheit zu
gewährleisten.
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WirelessHART
Anhang E. Quellen
Thema
WirelessHART
Quelle
1. HART Communication Foundation
http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_technology.html Protokollspezifikationen, Überblick, Mitglieder.
2. WirelessHART: Real-Time Mesh Network for Industrial Automation
http://www.amazon.com/gp/product/1441960465?ie=UTF8&tag=easydeltavcom20&linkCode=as2&camp=1789&creative=9325&creativeASIN=1441960465, umfangreiche
Quelle für WirelessHART.
Sicherheit
1. ANSI/ISA-TR99.00.01-2007 – “Security Technologies for Industrial
Automation and Control Systems” (der technische Bericht von ISA liefert eine
relativ aktuelle "Bewertung von verschiedenen Internetsicherheitstools,
Gegenmaßnahmen und Technologien…”)
http://www.isa.org/Template.cfm?Section=Standards2&template=/Ecomme
rce/ProductDisplay.cfm&ProductID=9665
2. DHS – Main Control Systems Security Program (CSSP) website:
http://www.us-cert.gov/control_systems (eine aktiv unterstützte
behördliche Quelle für Sicherheitsinformationen zu industriellen
Steuerungssystemen, viele Links zu anderen Quellen)
3. DHS – Recommended Practice for Patch Management of Control Systems
http://csrp.inl.gov/Documents/PatchManagementRecommendedPractice_Fi
nal.pdf (ein Beispiel der "Recommended Practices" Dokumente verfügbar)
4. DOE – “21 Steps to Improve Cyber Security of SCADA Networks” (alt aber
hilfreich) http://www.oe.netl.doe.gov/docs/prepare/21stepsbooklet.pdf
5. Emerson – “DeltaV System Cyber-Security”
http://www.easydeltav.com/pd/WP_DeltaVSystemSecurity.pdf
6. NISCC/BCIT – “Firewall Deployment for SCADA and Process Control
Networks” (von 2005, aber immer noch eine sehr gute Quelle)
http://www.cpni.gov.uk/docs/re-20050223-00157.pdf
7. CPNI – “Deployment Guidance for Intrusion Detection Systems” (viele gute
Informationen vom Centre for the Protection of National Infrastructure im
Vereinigten Königreich) http://www.niscc.gov.uk/Docs/re-2003111900730.pdf?lang=en
8. NIST – SP 800-53, Revision 3 “Recommended Security Controls for Federal
Information Systems and Organizations” (diese aktuelle Version beinhaltet
Appendix I: Industrial Control Systems, Security Controls, Enhancements, and
Supplemental Guidance, basis for SP99, TG4 Foundational Requirements
work) http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-53-Rev3/sp800-53rev3-final.pdf
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WirelessHART
9. NSA – “Defense in Depth” (sehr gutes Dokument über dieses wichtige
Sicherheitskonzept)
http://www.nsa.gov/ia/_files/support/defenseindepth.pdf
10. NSA – “The 60 Minute Network Security Guide (First Steps Towards a Secure
Network Environment)” (die NSA Information Assurance Website verfügt
über viele hilfreiche Informationen)
http://www.nsa.gov/ia/_files/support/I33-011R-2006.pdf
11. SANS – “20 Critical Security Controls – Version 2.0, Twenty Critical Controls
for Effective Cyber Defense: Consensus Audit Guidelines” (berücksichtigen
Sie den Hinweis zur druckerfreundlichen Version) http://www.sans.org/cag/
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