Datenleitung und Funkstrecke

In zahlreichen Applikationen fällt eine stetig wachsende Daten- und Signalmenge an, die zentral gesteuert und ausgewertet werden muss. Diese Aussage trifft beispielsweise im Bereich Wasser/Abwasser auf die Modernisierung von Hochbehältern, Schieberkammern und Pumpstationen zu. Entsprechende, meist weit verteilte Einrichtungen sind bestenfalls über wenige, in der Regel alte und oft ausgeschöpfte Datenleitungen mit der Leitzentrale vernetzt. Das Verlegen neuer Kabel zu den häufig mehrere Kilometer entfernt befindlichen Stationen gestaltet sich teuer und ist teilweise gar nicht möglich. Die ermittelten Daten können jedoch über unterschiedliche Medien an den jeweiligen Empfänger weitergeleitet werden. Mit dem Funksystem Radioline von Phoenix Contact lassen sich sowohl vorhandene Datenleitungen weiter verwenden als auch Funkstrecken in verschiedenen lizenzfreien Frequenzbändern aufbauen, um eine zuverlässige Kommunikation sicherzustellen. Ein kombinierter leitungsgebundener und drahtloser Betrieb ist ab sofort ebenfalls realisierbar.

Zur einfachen und flexiblen Verteilung der anfallenden I/O-Signale zwischen sämtlichen Teilnehmern erlaubt Radioline die Ankopplung von bis zu 99 Stationen über eine Zwei-Draht-Leitung. Die Daten werden dabei per RS-485-Kabelverbindung komplett ohne Software-Konfiguration ausgetauscht. Der Anwender muss lediglich die Kopfmodule über die gelbe RAD-ID eindeutig adressieren. Indem die jeweils als Ein- und Ausgang zusammengehörenden I/O-Erweiterungsmodule dann ein Paar mit gleicher Adresse bilden, lassen sich die Signale mittels I/O-Mapping ein- und ausgeben. So können über zwei bestehende Datenleitungen zwischen mehreren Stationen auf einfache Weise viele hundert analoge und digitale Signale ausgewertet und zur Steuerung der Applikation genutzt werden. Die maximale Ausdehnung eines RS-485-Netzwerks beträgt rund 1,2 km. Durch Einsatz von Repeatern oder Umsetzung der Daten auf Übertragungsmedien wie Ethernet, Lichtwellenleiter oder SHDSL kann der Anwender diese Reichweite beliebig erhöhen.

Das Radioline-System, das sich an den besonderen Bedürfnissen industrieller Infrastruktur-Applikationen orientiert, basiert auf der proprietären Funktechnologie Trusted Wireless 2.0. Sie schließt die Lücke zwischen Wireless Hart als Lösung für die Prozessindustrie sowie den in der Fabrikautomation etablierten Funkstandards Bluetooth und Wireless LAN. Das Radioline-System besteht aktuell aus vier Kopf- sowie acht unterschiedlichen Erweiterungsmodulen. Als Kopfmodul stehen drei lizenzfreie Funkköpfe für die weltweite Verwendung im 2,4-GHz-Frequenzband, die Nutzung in Europa im 868-MHz-Band sowie den Einsatz in den USA und Kanada im 900-MHz-Frequenzband zur Verfügung. Das vierte kabelgebundene Kopfmodul lässt sich über eine serielle RS-485-Schnittstelle in Zwei-Draht-Ausführung in ein Funknetzwerk integrieren.

An jedes Kopfmodul kann der Anwender die jeweils benötigten I/O-Erweiterungsmodule anreihen. Diese bieten alle eine Kanal-zu-Kanal-Trennung und können per Hot-Swap auch im laufenden Betrieb getauscht werden. In einem Funknetzwerk ist der Betrieb von maximal 250 Stationen möglich, wobei sich jede Station um bis zu 32 I/O-Erweiterungsmodule ausbauen lässt. Die Erweiterungsmodule erlauben die Übertragung von digitalen, analogen oder Temperatursignalen. Aufgrund der verschiedenen Varianten mit vier, sechs oder sogar acht unabhängigen Kanälen pro Erweiterungsmodul ergeben sich so maximal 256 I/O-Signale pro Station. Wird es im 2,4-GHz-Frequenzband betrieben, überbrückt das Radioline-System Distanzen bis 5 km zwischen zwei Stationen, während sich die Entfernung im 868-MHz-Band auf 20 km und im 900-MHz-Band sogar auf 32 km erhöht.

Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten erfolgt die RS-485-Vernetzung oftmals nur lokal innerhalb der Station. Die einzelnen Liegenschaften werden dann über eine Funkverbindung vernetzt. Vor diesem Hintergrund unterstützt das Radioline-System nun ebenfalls den kombinierten Betrieb von funkbasierten und kabelgebundenen Stationen. Der lokale kabelgebundene Stich ermöglicht somit die Erweiterung des Funknetzwerks. Da es sich um ein geschlossenes Radioline-Netzwerk handelt, das die Stationen medienübergreifend verbindet, profitiert der Anwender im gesamten System von den Vorteilen der Wireless-Lösung. Dazu gehört neben der einfachen Inbetriebnahme auch die Verteilung der I/O-Informationen per Rändelrad sowie die optionale Diagnose.

Wie bereits erwähnt basiert das Radioline-System auf der Funktechnologie Trusted Wireless 2.0, mit der zahlreiche Radioline-Funknetze unabhängig voneinander parallel betrieben werden können. Darüber hinaus stellt Trusted Wireless 2.0 die Koexistenz zu anderen Funksystemen, wie Bluetooth oder WLAN, sicher. Eine 128-Bit-AES-Verschlüsselung schützt die Daten vor unbefugten Zugriffen. Sämtliche Funkstationen arbeiten automatisch als Repeater, sodass selbst bei schwierigen geografischen Gegebenheiten über weitere Stationen eine zuverlässige Verbindung hergestellt werden kann. Das so entstehende Mesh-Netzwerk erlaubt nicht nur die Überwindung großer Distanzen, sondern ebenso eine automatische Selbstheilung des Funknetzes, wenn eine der Stationen ausfällt. Zur Erhöhung der Verbindungsstabilität können einzelne Funkmodule, die über keine I/O-Erweiterungsmodule verfügen, ergänzend als Repeater installiert werden. So lassen sich analoge Füllstände aus einem Hochbehälter oder digitale Schaltbefehle für Pumpen einfach in der Leitzentrale auswerten und von dort aus steuern.

Sollen die analogen oder digitalen Signale nicht nur an einer Station transparent ein- und an einer anderen Station wieder ausgegeben, sondern in eine zentrale Steuerung integriert werden, kann der Anwender das Radioline-Netzwerk mit einem überlagerte Modbus-Netz koppeln. Die Steuerung verarbeitet dann die eingehenden Daten und gibt die Schaltbefehle im Radioline-Netzwerk aus. Durch die direkte Anbindung über das Modbus-Protokoll werden die I/O-Erweiterungsmodule an der zentralen Radioline-Station sowie die korrespondierenden Ein- und Ausgänge an der Steuerung eingespart. Eine automatische Protokoll-Erkennung ermöglicht, dass die kabelgebundenen Stationen ohne Konfiguration wahlweise an einem Radioline-Master oder alternativ an einer Modbus-Steuerung arbeiten.

Phoenix Contact bietet für das gesamte System eine kostenfreie Diagnose- und Konfigurations-Software an, die bei der Installation unterstützt, indem sie die Empfangsleistung oder die Netzwerk-Topologie darstellt. Außerdem kann der Anwender weitere Einstellungen – wie die Anpassung der Sendeleistung oder die Vergaben von Stationsnamen – vornehmen. Nach der Inbetriebnahme sollte das Funknetz „verriegelt“ werden. So ist dafür gesorgt, dass ein in Reichweite befindlicher Nachbar, der mit dem gleichen System funkt, keine Störungen verursacht. Zu diesem Zweck sind komfortable Konfigurations-Sticks erhältlich, die eine weltweit einmalige Netzwerk-Konfiguration umfassen. Der Auslieferungszustand der Funkmodule lässt sich auch über die Konfigurations-Software ändern, doch lediglich der Stick enthält eine einzigartige Konfiguration. Durch ihn wird das Funknetzwerk sicher verriegelt, sodass viele Funknetze parallel ohne jegliche Störung betrieben werden können. ge

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Felix Lehmann, Mitarbeiter im Produktmarketing Wireless bei Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont