Aufbau eines redundanten Funknetzwerks
Stabil und hochverfügbar
Betreiber eines Versorgungsunternehmens wollen stets über den aktuellen Zustand der Außenstationen informiert sein. Dazu muss ein zentrales Leitsystem die Prozess- und Diagnosedaten der verteilten Bauwerke anzeigen. Mit der heute zur Verfügung stehenden Technik ist dies keine unerfüllbare Anforderung, wie das Projektprotokoll belegt.
Bei der Anbindung entfernter Außenstationen an die Leitzentrale kommt der zu überbrückenden Entfernung eine besondere Bedeutung zu. Dies soll da folgende Beispiel erläutern. Die betreffenden Gebäude liegen in einem Gelände mit Bergen und Tälern sowie Wald und Wiesen. Zur Leitzentrale ist eine Entfernung von bis zu zwei Kilometern zu überwinden. Die Möglichkeit, die dezentralen Stationen mit Leitungen zu verbinden, haben die Verantwortlichen schnell verworfen, denn der Aufwand an Zeit und Kosten wäre für dieses Projekt zu hoch gewesen, auch vor dem Hintergrund des derzeitigen Kupferpreises. Außerdem fordert der Anwender eine hohe Verfügbarkeit. Darüber hinaus sind die Erdreichbewegungen zu berücksichtigen, die in Forstgebieten im Verlauf mehrerer Jahre auftreten.
Um die hohen Kupferpreise und die Kosten für die Verlegung der Leitungen zu vermeiden, haben sich die verantwortlichen Techniker für die Installation eines Funknetzwerks ausgesprochen. Zur Sicherstellung einer hohen Verfügbarkeit ist die drahtlose Lösung redundant konzipiert. Funknetze lassen sich im 2,4-GHz- oder im 5-GHz-Band aufbauen. Nutzen die Systeme die beiden Frequenzbänder geschickt aus, sind entsprechend der Netzauslastung stabile und hoch verfügbare Netzwerke umsetzbar. Im beschriebenen Projekt sind insgesamt 20 Unterstationen an die Zentrale anzukoppeln. Zur Realisierung des redundanten Netzwerks setzt der Betreiber unter anderem WLAN Access Points vom Typ WLAN 24 AP 802-11, WLAN Clients vom Typ FL WLAN 24 EC 802-11 und den Smart Managed Compact Switch FL SMCS von Phoenix Contact ein. Die WLAN-Geräte sind ausschließlich zu Redundanzzwecken an den Switch FL SMCS angebunden, und zwar jeweils stets ein Ethernet Client (EC) und ein Access Point (AP).
Die für die Redundanz notwendigen Einstellungen muss der Anwender am Switch vornehmen. Sie lassen sich auf dem Konfigurationsspeicher ablegen und damit einfach und schnell auf andere Geräte übertragen. Auf diese Weise vereinfacht sich der Austausch von Komponenten, weil die zeitaufwändigen Konfigurationsarbeiten entfallen.
An den Switch sind ferner die lokalen Steuerungseinrichtungen der Unterstationen angeschlossen. Die Standard-SPS wie die Kleinsteuerung (Modell ILC 170 ETH), die um zusätzliche Ein- und Ausgänge ergänzt sind, sammeln die verschiedenen Signale der Stationen ein. Dazu gehören relevante Daten über Durchflussmengen und Füllstände sowie Meldungen und Alarme. Insgesamt leitet jede Unterstation etwa 2 kByte Daten an die Zentrale weiter. Die vorgesehene Übertragungsgeschwindigkeit beträgt zwei MBit/s. Die Zentrale ist so konzipiert, dass sich eine Datenrate von 20 MBit/s einhalten lässt, eine Reserve eingeschlossen.
Umsetzung vermaschter Strukturen mit RSTP
Da im Projekt überwiegend fest zugeordnete Funkpartner mit Sichtverbindung miteinander kommunizieren sollen, haben sich die Verantwortlichen für Richtantennen entschieden, um über die jeweils zu überbrückende Entfernung eine optimale Signalleistung zu erzielen. Sofern es die Umgebungsbedingungen zulassen, können zur Übertragung über kurze Entfernungen sowie zur Ausleuchtung von Flächen alternativ auch Rundstrahlantennen zum Einsatz kommen.
Damit die entfernten Stationen sicher verbunden sind und die Funktion des Netzwerks stabil bleibt, sind die 20 Unterstationen auf drei in sich geschlossene redundante Netzwerke aufgeteilt. Durch die Verknüpfung in der Zentrale formen die verteilten Netze dann wieder ein gemeinsames Netzwerk. In der Zentrale sind jeweils drei WLAN Access Points und WLAN Clients sowie ein Gigabit Modular Switch verbaut. Die für die Netzwerkredundanz erforderlichen Einstellungen sind auch hier am Switch ausgeführt.
Im Gegensatz zu den anderen installierten Switches bildet das Modell FL GHS 4G/12 die so genannte Root für die RSTP-Funktionalität (Rapid Spanning Tree Protocol). Die Root-Funktion übernimmt automatisch das Gerät mit der niedrigsten MAC-Adresse. Alternativ ist sie über die Web-Oberfläche des Switches einstellbar.
Als redundantes Protokoll dient im Projekt das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), weil sich die Redundanzfunktion nicht nur auf einen einzelnen Ring konzentrieren soll. Vielmehr haben die Verantwortlichen bereits komplexere vermaschte Strukturen im Blick. Einsetzbar wäre zudem das Media Redundancy Protocol (MRP) gewesen, das sich allerdings auf ein reines Ringsystem bezieht. MRP zeichnet sich durch schnelle Umschaltzeiten aus, die aber in dieser Anwendung nicht erforderlich ist.
Alternative Nutzung des 5-GHz-Frequenzbandes
Die meisten Funknetze arbeiten im 2,4-GHz-Frequenzband, in dem jedoch auch andere Nutzer aus dem industriellen und privaten Umfeld funken - beispielsweise dem Modellbaubereich. Dadurch ist die maximal nutzbare Bandbreite nachteilig beeinflusst. Um keine bösen Überraschungen während der Laufzeit der Anlage zu erleben, lässt sich das Frequenzband prüfen. Zu diesem Zweck analysieren die Techniker das 2,4-GHz-Band über eine Referenzmessung, die Aufschluss darüber gibt, ob bei Bedarf Maßnahmen zu ergreifen sind. Sollte die Auslastung zu groß sein, kann alternativ das 5-GHz-Frequenzband zum Einsatz kommen.
Konflikt mit Radarsystem
Der Anwender muss dabei beachten, dass in diesem Bereich auch Radarsysteme arbeiten, die auf keinen Fall beeinflusst werden dürfen. Daher scannen die WLAN-Geräte von Phoenix Contact den reservierten Bereich und reagieren automatisch auf die Kanalzuordnung, indem sie die vom Radar genutzten Kanäle aussparen. Die im Projekt eingesetzten WLAN-Komponenten FL WLAN 24 AP 802-11 und FL WLAN 24 EC 802-11 lassen sich sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Band verwenden. Sind die Strecken zwischen den Unterstationen und der Zentrale im 2,4-GHz-Band ausgelastet, stellen sie sich alternativ auf das 5-GHz-Band ein. Damit ist die Grundlage für ein verfügbares redundantes Funknetzwerk gegeben.
Erweiterung der Redundanz auf die Steuerungs- und I/O-Ebene
Bislang betrachteten die Überlegungen lediglich die Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Kommunikation von den Außenstationen zur Zentrale. Die hohe Verfügbarkeit muss dort nicht aufhören. Denn mit den redundanten Hochleistungssteuerungen lässt sich Redundanz auch auf der Steuerungsebene realisieren. Ein besonderer Mechanismus synchronisiert die Daten der SPS permanent. Auf diese Weise kann der Backup-Controller sofort die Steuerungsfunktion übernehmen, wenn die prozessführende SPS ausfällt. Die Autosync-Technik konfiguriert das System automatisch. Ein noch höheres Maß an Sicherheit lässt sich durch die Umsetzung einer Redundanz auf der I/O-Ebene - I/O-Redundanz genannt - erreichen.
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