Die Funkverbindung zwischen Feldgerät und Access-Point hängt stark von der Umgebung ab. Wenn eine unverbaute Sichtlinie (Line-of-sight) besteht, ist die Verbindung am besten. Oftmals ist die Sichtlinie jedoch verbaut (z. B. durch Rohrleitungen und Wände). Wenn die Sichtlinie verbaut ist, kommen Router zum Einsatz oder die reflektierenden Eigenschaften von Hindernissen werden genutzt.
Die Signalqualität der Funkübertragung hängt von der Signalstärke (RSSI) und der Signalintegrität (PER oder TxFail-Ratio) ab. Ein weiterer Indikator für die Signalqualität ist die RSQI-Range.
Dieser Wert gibt die Fehlerrate bei der Datenübertragung vom Feldgerät zum Backbone an. Der Wert ist ein Prozentwert. Je kleiner der Wert ist, desto besser ist die Integrität der Datenübertragung. Hohe Werte bedeuten eine schlechte Integrität der Datenübertragung. Eine schlechte Integrität kann durch ungünstige Kommunikationswege oder Interferenzen (z. B. andere Funktechnologien oder Hindernisse) entstehen.
Die Bezeichnung und die Grenzwerte dieser Fehlerrate sind abhängig vom Hersteller des System-Managers. Die Fehlerrate kann als PER (packet error rate, Fehlerrate der Datenpakete) oder TxFail-Ratio bezeichnet werden.
RSSI (received signal strength indication, Anzeige der Empfangssignalstärke) gibt die Empfangssignalstärke zwischen dem Feldgerät und dem Access-Point an. RSSI wird in dBm (Dezibel Milliwatt) angegeben. Die Empfangssignalstärke ist immer mit negativem Vorzeichen angegeben. Je näher der Wert gegen 0 liegt, desto besser ist die Funkverbindung.
RSQI (received signal qualitiy indication, Anzeige der Empfangssignalqualität) gibt die Empfangssignalqualität zwischen dem Feldgerät und dem Access-Point an. RSQI ist ein errechneter Wert. Höhere Werte bedeuten eine bessere Datenübertragung als niedrigere Werte. Vier Qualitätsklassen sind im Standard ISA-100.11a definiert (siehe Tabelle unten).
Die Interpretation der Wertebereiche kann bei manchen System-Managern eingestellt werden. Die folgende Tabelle gibt exemplarische Richtwerte zur Orientierung.
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Indikator |
Wertebereich |
Interpretation |
|---|---|---|
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PER / TxFail-Ratio |
0 bis 15 % |
Gut |
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15 bis 100 % |
Hoch |
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RSSI |
-75 bis -25 dBm |
Gut |
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-85 bis -75 dBm |
Akzeptabel |
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-100 bis -85 dBm |
Schlecht |
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RSQI |
196 bis 255 |
Hervorragend |
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128 bis 195 |
Gut |
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64 bis 127 |
Akzeptabel |
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0 bis 63 |
Schlecht |
Obwohl Sender und Empfänger sich auf einer Sichtlinie befinden, kann die Signalqualität durch Hindernisse gestört werden. Zu einer Störung durch Hindernisse kommt es, wenn sich die Hindernisse in der Fresnel-Zone befinden. Die Fresnel-Zone ist ein ellipsenförmiger Bereich, der sich um die Sichtlinie bildet und dessen Durchmesser mit der Sendedistanz zunimmt. Deshalb wird empfohlen Antennen möglichst hoch zu montieren, um größere Distanzen zu überbrücken.
Abb. 1Sichtlinie zwischen Feldgerät und Access-Point mit ellipsenförmiger Fresnel-Zone
Metallische Objekte und Strukturen reflektieren Funkwellen. Wenn die Sichtlinie verbaut ist, kann dieser Effekt genutzt werden.
Abb. 2Alternative Kommunikationswege durch reflektierende Objekte
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1 |
Bevorzugter Kommunikationsweg (Primary-Path) |
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2 |
Alternativer Kommunikationsweg über Reflexion garantiert. |
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3 |
Versperrter, direkter Kommunikationsweg (Line-Of-Sight) |
Es kommt vor, dass die Netzwerkabdeckung an manchen Orten schwächer ist als an anderen. Solche Schwächen sind meist baulich bedingt. Um Schwächen in der Netzwerkabdeckung auszugleichen, gibt es Router (Repeater) und Feldgeräte mit Hop-Point-Funktion.
Eine weitere Möglichkeit stellen abgesetzte Antennen dar. Hier ist die Antenne an einer Stelle positioniert, an der gute Netzwerkabdeckung vorherrscht. Die Antenne ist dann über Kabel mit dem Gaswarngerät verbunden. Das Gaswarngerät kann so an der benötigten Stelle installiert werden, ohne die Kommunikation negativ zu beeinflussen.
Um die Netzwerkabdeckung am Installationsort des Gaswarngeräts zu bestimmen, kann vorab eine Ortsbegehung (Ausmessung des Standorts, Standortanalyse) durchgeführt werden.
Bei der Ortsbegehung wird meist eine Heatmap erstellt. Die Heatmap ist eine Darstellung des Standorts, auf der die Qualität der Netzwerkabdeckung farblich markiert ist.
Die Reichweite ist abhängig von Störquellen (z. B. Bebauung), verwendeter Infrastruktur und somit von Standort zu Standort unterschiedlich. Die folgende Tabelle nennt exemplarisch typische Reichweiten zu 3 Beispielumgebungen.
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Umgebung |
Beispiel |
Reichweite [m] |
|---|---|---|
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Freifeld keine Störquellen |
Tanklager |
500 |
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Umgebung mit wenig Störquellen |
Raffinerie (wenige Gebäude und Anlagen) |
200 |
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Umgebung mit viel Störquellen |
Ölplattform |
50 |
Subnetzwerke sind kleinere Netzwerke, die zusammen das Hauptnetzwerk bilden. Subnetzwerke werden von Access-Points aufgespannt.
ISA100 WirelessTM erlaubt viele Subnetzwerke. Jedes Subnetzwerk kann theoretisch bis zu 216 Feldgeräte beinhalten. Diese Möglichkeit wird in der Praxis zwar aus diversen Gründen (z. B. Flexibilität für Erweiterungen und Stabilität) nicht ausgenutzt, dennoch ist eine Adressierung der Feldgeräte auf Subnetzwerk-Ebene nötig. Auf Subnetzwerk-Ebene ist jedem Feldgerät eine 16-bit lange Adresse zugewiesen. Auf Hauptnetzwerk-Ebene erweitert sich die 16-bit-Adresse auf 128 Bits.
Für den Datenverkehr zwischen Subnetzwerken wird das Datenpaket an den BBR geschickt. Der BBR leitet das Datenpaket in das Ziel-Subnetzwerk weiter.
Für gasmesstechnische Anwendungen ist die Kommunikation zwischen Subnetzwerken noch nicht vorgesehen. Bei diesen Anwendungen werden Datenpakete aus Subnetzwerken heraus nur zum Backbone gesendet. Ein Datenaustausch zwischen Subnetzwerken ist noch nicht vorgesehen.
Abb. 3Subnetzwerke werden von unterschiedlichen Netzwerkteilnehmern aufgebaut.
Field-Device-Access-Points sind räumlich über Feldgeräten installiert und spannen eigene Subnetzwerke auf. FDAPs kommunizieren dann drahtlos mit dem Access-Point oder Backbone-Router. Für die Kommunikation zum FDAP können die Feldgeräte reflektierende Eigenschaften der Umgebung nutzen. Der FDAP selbst kommuniziert über die Line-of-Sight mit dem Access-Point.
Die Fresnel-Zone der Line-of-Sight sollte nicht durch Strukturen gestört werden (z. B. Kräne und Masten).
Abb. 4Subnetzwerke werden von einem höher montierten Access-Point aufgebaut.
Feldgeräte, die eigentlich nicht für drahtlose Kommunikation ausgelegt sind, können mit Antennen nachgerüstet werden. Die Antenne beinhaltet ein ISA100 WirelessTM-Modul. Dieses Modul wird als drahtloses Feldgerät in das Netzwerk integriert.
Das ISA100 WirelessTM-Modul ist an einen Konverter angeschlossen, der die Signale des Feldgeräts in das ISA100 WirelessTM-Protokoll konvertiert. Die Signale des Feldgeräts können digitale Signale (RS485 Modbus, HART) oder analoge 4-20-mA-Signale sein. Für die digitalen Signale werden jeweils die universellen Kommandos bidirektional unterstützt. Die analogen 4-20-mA-Signale müssen der NAMUR-Empfehlung NE43 folgen.
Manche Konverter verfügen über eingebaute Batterien, mit denen sie die angeschlossenen Feldgeräte mit Strom versorgen.
Abb. 5Nachgerüstetes Gaswarngerät (Dräger Polytron® 8xx0)
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1 |
Antenne mit ISA100 WirelessTM-Modul |
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2 |
Konverter für digitale oder analoge Kommunikation |
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3 |
Nachgerüstetes Feldgerät, das eigentlich drahtgebunden kommuniziert |
Zum Nachrüsten von Feldgeräten hat Dräger folgende Komponenten von Yokogawa geprüft und als geeignet befunden (Stand September 2020).
FN110 Field Wireless Communication Module
ISA100 WirelessTM-Modul (Antenne)
FN310 Field Wireless Multi-Protocol Module
Konverter für digitale Kommunikation (HART7 und RS485 Modbus)
FN510 Field Wireless Multi-Function Module
Konverter für analoge Kommunikation (4-20-mA)
Für kleine Netzwerke gibt es Lösungen, die Access-Point und System-Manager in einer Komponente vereinen. Diese Lösung spart Schritte bei der Netzwerkkonfiguration ein, ist aber weniger leistungsfähig wie konventionelle Installationen.
Abb. 6Kleines Netzwerk mit System-Manager und Backbone-Router in einer Komponente
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1 |
Antenne mit ISA100 WirelessTM-Modul, das System-Manager und Backbone-Router vereint |
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2 |
Schnittstellenadapter |
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3 |
Auswerteeinheit |
Für kleine Netzwerke hat Dräger folgende Komponenten von Yokogawa geprüft und als geeignet befunden (Stand September 2020).
FN110 Field Wireless Communication Module
ISA100 WirelessTM-Modul (Antenne)
LN90 Interface Adapter
Schnittstellenadapter zwischen FN110 und Auswerteeinheit
FN110 besteht aus einer Antenne und einem ISA100 WirelessTM-Modul. FN110 ist mit einem Schnittstellenadapter (LN90) verbunden, der die Verbindung zu einer Auswerteeinheit über Modbus RTU herstellt.
FN110 kann nur 1 Subnetz aufbauen. In diesem Subnetz können die Feldgeräte nur in Sterntopologie angeordnet sein. Je nach Aktualisierungsrate des Netzwerks können 10 bis 20 Feldgeräte integriert werden. SIL2-Kommunikation ist nicht möglich.
Der Einsatz von Ethernet-Kabeln beschränkt die Länge von Backbone-Leitungen auf ca. 100 m. Wenn Backbone-Leitungen lange Distanzen überbrücken müssen, können die Ethernet-Leitungen durch andere Übertragungstechnologien erweitert werden.
Glasfaserleitungen (LWL)
Um Glasfaserleitungen einsetzen zu können, muss ein Konverter zwischen Backbone-Router und System-Manager installiert werden. Der Konverter konvertiert die Signale der Glasfaserleitung in Signale für Ethernet-Leitungen (Konvertierung zwischen 100BASE-TX und 100BASE-FX).
Kupferleitungen für DSL-Übertragung
Um DSL einsetzen zu können, müssen beim Übergang von Ethernet zu Kupferleitungen Modems installiert werden.
Abb. 7Langer Backbone mit Glasfaserleitung
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1 |
Backbone als Glasfaserleitung (100BASE-FX) |
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2 |
Konverter |
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3 |
Backbone als Ethernet-Leitung (100BASE-TX) |
Für die Konvertierung zwischen Glasfaserleitungen und Ethernet-Leitungen hat Dräger folgende Komponenten von Yokogawa geprüft und als geeignet befunden (Stand September 2020).
Field Wireless Media Converter (YFGW610)
Abb. 8Langer Backbone mit DSL-Modem
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1 |
Backbone als Ethernet-Leitung (100BASE-TX) |
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2 |
DSL-Modem |
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3 |
Backbone als Kupferleitung (z. B. BFOU 2x2x1,5 mm2) |
Für die Konvertierung zwischen Ethernet-Leitungen und Kupferleitung hat Dräger folgende Komponenten von Phoenix Contact als qualifiziert ausgewiesen (Stand September 2018).
TC EXTENDER 2001 ETH-2S
TC EXTENDER 6004 ETH-2S
Der Signalausgang des System-Managers ist digital (z. B. Modbus). Um auch analoge 4-20-mA-Kanalkarten von Auswerteeinheiten nutzen zu können, muss ein Digital-Analog-Konverter dazwischengeschaltet werden.
Abb. 9Netzwerkauslegung mit 4-20-mA-Auswerteeinheit
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1 |
System Manager mit digitalem Signalausgang |
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2 |
Digital-Analog-Konverter |
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3 |
Auswerteeinheit mit 4-20-mA-Kanalkarte |
Für die Konvertierung zwischen digitalen Signalen des System-Managers und analogen 4-20-mA-Signalen zur Auswerteeinheit hat Dräger folgende Komponente von Phoenix Contact geprüft und als geeignet befunden (Stand September 2018).
ILC 131 ELH / IB IL AO 2UI-PAC