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Gegen Störeinflüsse gewappnet

Drahtlose Daten- und Signalübertragungstechnologien für raue Industrieumgebung
Gegen Störeinflüsse gewappnet

Drahtlose Übertragungsverfahren erweisen sich bei der Kommunikation mit beweglichen, mobilen oder entfernten Teilnehmern als vorteilhaft. Da die meisten Funktechnologien für den Einsatz im Office- und Home-Umfeld entwickelt wurden, bezweifeln viele Anwender ihre Zuverlässigkeit in industriell störbehafteter Umgebung. Die Standards WLAN 802.11 und Bluetooth sowie spezielle Industriefunktechnologien wie Trusted Wireless erfüllen jedoch die hohen industriellen Anforderungen.

Dipl.-Ing. Jürgen Weczerek

Wichtigste Voraussetzung für den Einsatz von Funktechnologien in der Automatisierung ist, dass sie auch unter rauen industriellen Bedingungen ebenso robust und zuverlässig arbeiten wie eine Kabelverbindung. Bei der drahtlosen Kommunikation werden die Daten mittels elektromagnetischer Wellen durch den freien Raum übertragen, der nicht exklusiv zur Verfügung steht. Daher ist die Funkverbindung Störeinflüssen ausgesetzt. Zu diesen Einflüssen zählen elektromagnetische Störfelder, die durch Frequenzumrichter, Schalt- und Schweißgeräte oder auch andere Funksysteme entstehen. In großen industriellen Hallen mit viel Metall treten darüber hinaus Reflexionen, Fading, Interferenzen und Abschattungen auf. Trotz dieser Einwirkungen ist die Kommunikation über Bluetooth, Trusted Wireless und WLAN 802.11 aufgrund ihrer besonderen Funktionsweise zuverlässig und stabil.
Hoher technischer Reifegrad
In der industriellen Automatisierung werden sich die standardisierten Wirelesstechnologien dann etablieren, wenn entsprechende Chips aufgrund hoher Absatzmengen zu günstigen Preisen verfügbar sind. Außerdem kommt dem Reifegrad der Technologie eine entscheidende Bedeutung zu. Eine ausreichende Reife liegt dann vor, wenn der Standard stabil läuft sowie seine Leistungsfähigkeit bekannt und praxiserprobt ist. Das trifft derzeit nur auf WLAN und Bluetooth zu. An der Spezifikation der meisten Wirelesstechnologien, die aktuell auf den Markt drängen, wird gearbeitet. Häufig sind noch regulatorische Fragen offen, oder die tatsächliche Leistungsfähigkeit des drahtlosen Übertragungsverfahrens muss noch in der Praxis ermittelt werden. Neue Funkstandards wie Zigbee haben darüber hinaus Probleme bei der störungsfreien Koexistenz mit anderen Funksystemen im gleichen Frequenzband. Dieses Problem wurde bei WLAN und Bluetooth in den letzten Jahren gelöst. Es gibt jedoch Anwendungsbereiche, die mit Standardwirelesstechnologien zurzeit nicht realisiert werden können. Dies betrifft vor allem die Übertragung von Sensor- und Aktordaten über größere Distanzen bis zu einigen Kilometern, wie sie häufig in prozesstechnischen Anlagen existieren. Für diese Applikationen wurden spezielle Industriefunktechnologien wie Trusted Wireless entwickelt, die sich insbesondere durch die höhere Reichweite abgrenzen.
Breiter Frequenzbereich
Viele Anwender glauben, dass die Störfelder, die von industriellen Geräten wie Frequenzumrichtern ausgehen sowie aus Schaltvorgängen oder beim Schweißen entstehen, die Funkkommunikation beeinträchtigen. Die Grundfrequenzen der industriellen Störfelder sowie ihre Harmonischen reichen meist nur bis in den kHz- oder MHz-Bereich. Bluetooth, Trusted Wireless und WLAN 802.11 senden jedoch im hohen 2,4-GHz-Frequenzband, weshalb eine Beeinträchtigung durch die Industriegeräte ausgeschlossen ist. Nur beim Lichtbogenschweißen können die Harmonischen bis in den 2,4-GHz-Bereich reichen. In Praxistests wurde allerdings nachgewiesen, dass die Kommunikation eines 2,4-GHz-Funksystems trotzdem nicht gestört wird. Lediglich Funksysteme und Geräte wie Mikrowellenöfen, die ebenfalls im 2,4-GHz-Band senden, können störende Interferenzen verursachen. Die Funktechnologien Bluetooth, Trusted Wireless und WLAN 802.11 setzen Bandspreizverfahren ein, um die Robustheit und Zuverlässigkeit der Übertragung zu erhöhen. Anstatt in einem festen, schmalbandigen Frequenzbereich, übertragen sie das Signal über einen breiten Frequenzbereich, so dass eine schmalbandige Störung die Kommunikation nicht beeinträchtigen kann. Während bei WLAN 802.11b/g ein DSSS-Verfahren (Direct Sequence Spread Spectrum) – also eine Signalspreizung auf beispielsweise 22 MHz bei WLAN 802.11b – genutzt wird, verwenden Bluetooth und Trusted Wireless die FHSS-Technik (Frequence Hopping Spread Spectrum). Bei diesem Verfahren wird das verfügbare 2,4-GHz-ISM-Frequenzband in einzelne Kanäle aufgeteilt und der Frequenzkanal bei jeder Datenübertragung gewechselt. In Bluetooth-Anwendungen erfolgt der Kanalwechsel in einer pseudozufälligen Reihenfolge bis zu 1600 Mal pro Sekunde. Funksysteme, die nach dem DSSS-Verfahren arbeiten, erzielen gegenüber FHSS-Systemen deutlich höhere Datenraten. Dagegen erweisen sich die relativ langsamen FHSS-Systeme gerade im metallischen Industrieumfeld als besonders robust und zuverlässig. Je höher die Datenrate, desto empfindlicher ist die Datenübertragung gegenüber Störungen. WLAN verfügt daher über eine automatische Fall-back-Funktion: Je nach Signalqualität wird auf ein robusteres Modulationsverfahren mit einem geringeren Datendurchsatz umgeschaltet.
Ressourcen optimal genutzt
Ein WLAN-802.11b/g-Kanal belegt rund 22 MHz und damit einen großen Teil des 83 MHz breiten 2,4-GHz-Bandes. Es können also nur drei WLAN-Systeme in einem Bereich parallel betrieben werden. Bluetooth und Trusted Wireless nutzen das Frequenzband aufgrund des Frequenzsprungverfahrens viel effizienter, so dass der lokale Parallelbetrieb vieler Funksysteme möglich ist. Senden mehrere Funksysteme im gleichen Umfeld, müssen die Kanäle oder Frequenzbereiche so zugewiesen werden, dass es zu keiner Überlappung kommt. Trusted Wireless nutzt die Frequenzen des WLAN-Kanals 4 nicht, weshalb hier keine Störungen auftreten. Bei mehreren parallel betriebenen WLAN-Systemen müssen fünf Kanäle zwischen ihren Mittelfrequenzen freigelassen werden, um Interferenzen zu vermeiden. In Europa werden zu diesem Zweck meist die Kanäle 1, 6 und 11 genutzt. Bluetooth bietet ab der Version 1.2 mit dem adaptiven Frequenzsprungverfahren (AFH) einen Koexistenzmechanismus. Belegte oder häufig gestörte Kanäle werden automatisch aus der Sprungsequenz herausgenommen. So lässt sich die Zuverlässigkeit in stark gestörter Umgebung weiter erhöhen und der störungsfreie Betrieb mit lokal parallel funkenden WLAN-Systemen sicherstellen. In Bluetooth-Anwendungen wird die maximale Sendeleistung von 100 mW (20 dBm) zudem automatisch je nach Entfernung der Teilnehmer auf das notwendige Maß heruntergeregelt, um eine sichere Verbindung zu erreichen. Eine Erhöhung der möglichen Systemdichte ergibt sich auch aus der Begrenzung des Funkfelds auf den notwendigen Bereich durch den Einsatz spezieller Antennencharakteristika wie Richtfunkantennen.
Drahtlose Netzwerke
Die Factory-Line-Produktfamilie Wireless LAN (FL WLAN) wurde von Phoenix Contact speziell für den industriellen Einsatz entwickelt. Sie ermöglicht den Aufbau drahtloser Netzwerke gemäß IEEE-Standard 802.11 b/g in Werks- und Lagerhallen. Dabei sind die WLAN-Module durch ein robustes Metallgehäuse, hohe Vibrations- und Schockfestigkeit, einen weiten Temperaturbereich von -20 bis 55 °C sowie die Unterstützung der aktuell höchsten Sicherheitsstandards nach IEEE 802.11i gekennzeichnet. Die WLAN-Produktfamilie umfasst neben einem Access Point einen Dual Access Point mit zwei Funk-Interfaces sowie einen Ethernet-Client-Adapter, über den sich Ethernet-fähige Komponenten in das Wireless LAN integrieren lassen. Alle WLAN-Module können sowohl mit 24 V(DC) als auch über Power over Ethernet (PoE, IEEE 802.3af) mit Spannung versorgt werden. Ein Access Point für eine Betriebsspannung von 230 V(AC) rundet das Produktspektrum ab.
Hohe Zuverlässigkeit
Die Trusted-Wireless-Lösung von Phoenix Contact wurde speziell für Industrieanwendungen konzipiert, bei denen nur wenige Byte Datenvolumen über große Entfernungen zyklisch übertragen werden sollen. Mit den RAD-Line IO-Modulen können zwei digitale Schaltsignale (5…30 V) sowie ein analoges Sensorsignal (4…20 mA) aufgenommen und übertragen werden. Erhältlich sind ein unidirektionales und ein bidirektionales System, mit denen in eine Richtung oder hin und her kommuniziert werden kann. Einfache Installation und Inbetriebnahme gehören ebenso zu den Features wie die guten Diagnosemöglichkeiten der Funkstrecke. Es können sowohl Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen als auch Repeater-Lösungen zur Überwindung von Hindernissen projektiert werden. Der modulare Aufbau sowie das einfache Anreihen der Erweiterungsmodule, die auch einen Frequenzmess- und Impulszählbaustein enthalten, ermöglichen die individuelle Signalanpassung. Alle Systemkomponenten sind gemäß Atex sowie IECEx zertifiziert.
cav 401

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