Ohne Netz überwacht

Condition Monitoring - Der sichere und wirtschaftliche Betrieb von ­industriellen Produktionssystemen benötigt eine laufende Überwachung ihrer Umgebungsbedingungen. Ein drahtlos arbeitendes Sensornetzwerk auf Funkbasis senkt den dazu nötigen Installationsaufwand drastisch.

14. Dezember 2006

Eine wichtige Aufgabe für Anlagenplaner und Maschinenbauer ist das so genannte Condition Monitoring, also die permanente Kontrolle des Zustands der produktiven Infrastruktur, um mögliche Abweichungen rechtzeitig zu erkennen, bevor es zu Schäden kommt. Geeignete Sensoren übermitteln dazu die nötigen Informationen über unterschiedlichste Umgebungsparameter, die direkten Einfluss auf die Sicherheit von Anlagen oder IT-Installationen haben, wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit, Rauch oder Erschütterungen, an ein Monitoring-System wie beispielsweise das CMC-TC (Computer Multi Control TopConcept) des Gehäuse- und Schaltschranktechnikspezialisten Rittal. Dieses Überwachungssystem ermittelt aus den Sensordaten für das Leitwarten-Personal die aktuellen Einsatzbedingungen der Anlage. Die offene Lösung integriert sich in bestehende Netzwerke und ergänzt damit beispielsweise auch Facility-Management-Systeme.

Die Verbindung der einzelnen Sensoren mit einem entsprechenden Monitoring-System geschieht in der Regel über Kabel. Diese Lösung hat jedoch mitunter einen hohen Aufwand an Zeit und Kosten zur Folge und erschwert zudem den flexiblen Umbau und die Anpassung der Anlage. So müssen dazu in Produktionsanlagen zum Beispiel vorhandene oder neue Kabeltrassen genutzt werden, und in Rechenzentren ist es oft aus Gründen des Brandschutzes völlig unmöglich, nachträglich von einem Raum in den nächsten Kabel zu verlegen.

Völlig neue Wege eröffnet hier die Funktechnologie, die problemlos Schaltschränke, Räume und sogar Gebäude überwindet. Nötig sind dazu lediglich neue Funksensoren sowie ein zentrales Empfängermodul, das diese in die Infrastruktur des Steuersystems CMC-TC integriert. Weitere Kontroll- oder Bedieninstanzen sind nicht erforderlich, zudem bleiben alle Überwachungsfunktionen und die Darstellung unverändert. Mit der Funkübertragung entsteht daher erstmals die Möglichkeit, Sensoren jederzeit und auch nachträglich an kritischen Punkten zu installieren. Die Zuordnung von Sensoren und Basisstation geschieht automatisiert und sehr einfach durch gleichzeitiges Drücken einer Taste am Sensor und der Basisstation.

In Fabrikhallen überbrücken die Funksensoren Entfernungen bis zu 50 Meter. Zudem kann jedes Modul zum Repeater werden, sobald die Entfernung zur Basisstation zu groß ist oder wenn Abschirmungen eine direkte Funkverbindung verhindern. In diesem Fall werden Signale automatisch von Sensor zu Sensor weitergeleitet. Diese Technik kann damit nahezu beliebige Entfernungen überbrücken und ermöglicht so den Aufbau weitläufiger Sensornetze.

Die gekapselten Funksensoren senden im Frequenzbereich von 2,4 Gigahertz (ISM-Band) und bieten Datenübertragungsraten bis zu zwei Megabit pro Sekunde. Zum Schutz vor Abhören erfolgt die Übertragung verschlüsselt. Die eingesetzte Chirp-Technologie kombiniert dabei verschiedene Modulationsverfahren und gewährleistet eine störungssichere Datenkommunikation. Das Chirp-Verfahren funkt Impulse im Nanosekundenbereich und verbraucht daher nur minimale Energie. Durch das integrierte Power-Management erreicht das System eine Batterie­lebensdauer von mindestens fünf Jahren. Fällt ein Sensor aus, setzt das Monitoringsystem automatisch einen Alarm an die Leitwarte ab.

Härtetest im Bergwerk

Ein mögliches Problem für drahtlose Übertragungssysteme sind denkbare Störungen wie beispielsweise Abschirmung, Interferenzen oder Funk­echos. Aus diesem Grund testeten die hessischen Gehäusespezialisten das Funksystem intensiv in einem Bergwerk und konnten dabei zeigen, dass die eingesetzte Technologie auch unter harten Einsatzbedingungen eine sichere Kommunikation gewährleistet.

Das Trainingsbergwerk in Recklinghausen bot ideale Bedingungen für Tests unter extremen Verhältnissen: Enge Tunnel, ausgebaut mit Stahlträgern und Verzugsmatten, beeinträchtigen die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen. Hinzu kommt eine Vielzahl von installierten Antrieben, Bandanlagen, Elektroverteilungen und anderen Hindernissen, die eine homogene Ausbreitung der Funkwellen stören. Daneben ist das gesamte Umfeld geprägt durch hohe Umgebungstemperaturen, Staub und Feuchtigkeit.

Die Basisstation befand sich in etwa 2,50 Meter Höhe über der Förderanlage. Entlang der gesamten Förderstrecke wurden Funksensoren verteilt, zum Teil ohne Sichtverbindung zu Basisstation und mit zusätzlicher Beeinträchtigung durch dazwischen liegende, abschirmende Metallteile. Eine weitere Herausforderung war die Erfassung der Sensordaten in den von der Förderstrecke abzweigenden Abbaustrecken (jeweils ein Walzen- und ein Hobelstreb), die durch massive, bewegliche Schildausbausysteme gegen das Hereinbrechen des Gebirges

geschützt sind. Repeater an den Strecken­eingängen gewährleisteten hier, dass die Funkdaten empfangen und weitergeleitet werden.

Trotz dieser schwierigen Umstände überstand das Wireless Sensor Network den Einsatz im Übungsbergwerk ohne Störungen. Rittal hat damit den Beweis erbracht, dass sich dieses System auch in Fabrikationshallen oder in einem Rechenzentrum problemlos betreiben lässt. Eine Bestätigung dafür sind zudem weitere Tests im größten Produktionswerk der Schaltschrankspezialisten in Rittershausen. Für die Zukunft plant Rittal deshalb weitere drahtlose Sensorprodukte wie beispielsweise Vandalismus-Sensoren, Zugangs-Sensoren, ein drahtlos überwachter TS8 Masterkey-Griff als Zugangssystem zu Schranksystemen, ein drahtloses Keypad oder einen Spannungs-Sensor mit Schaltausgang.

Martin Roßmann, Rittal

FAKTEN

- Drahtlos arbeitende Sensoren für die Zustandsüberwachung erleichtern den flexiblen Aufbau von Maschinen und Anlagen.

- Die robuste Bauweise und die einfache Installation prädestiniert die Technologie auch für den Einsatz unter erschwerten Bedingungen.

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2007