Drahtlos Daten transportieren

Datenübertragung - Wachsende Mobilität sowie der Wunsch nach mehr Flexibilität und Bedienkomfort haben zu einem Boom der drahtlosen Kommunikation im Heim- und Bürobereich geführt. Genügen die Systeme bereits den Sicherheitsstandards der Industrie?

09. August 2005

Das Garagentor per Funk öffnen und schließen; Fernsehgerät, Videorecorder und Stereoanlage mittels Fernbedienungen steuern sowie drahtlos mit dem Notebook surfen - das sind Annehmlichkeiten, auf die niemand verzichten möchte. Was liegt da näher, als die Funktechnologien auch im industriellen Umfeld zu nutzen, zumal sie inzwischen technisch ausgereift sowie kostengünstig verfügbar sind. Seit Ende der 80er-Jahre werden serielle Feldbussysteme wie Interbus eingesetzt, um Prozess- und Steuersignale zwischen Feld- und Steuerungsebene auszutauschen. Im Vergleich zur parallelen Verdrahtung konnten so Installationszeit und -kosten erheblich reduziert sowie die Handhabung vereinfacht werden. Ende der 90er-Jahre hielt das aus dem Büro-Bereich bekannte Ethernet Einzug in die Automation. Wurden anfangs nur die Steuerungen via Ethernet TCP/IP mit der überlagerten Leitebene vernetzt, entwickeln verschiedene Hersteller und Organisationen mittlerweile echtzeitfähige Übertragungsprotokolle zur Ankopplung einfacher Feldkomponenten. Damit ist eine durchgängige vertikale Kommunikation von der Feld- bis zur Unternehmensleitebene und damit die Möglichkeit der optimalen Produktionssteuerung gegeben.

Trotz der stetigen Verbesserung der Datenübertragung gibt es Anwendungsfälle im industriellen Umfeld, in denen die Kabelanbindung von Geräten und Stationen nur unter erschwerten Bedingungen oder gar nicht möglich ist. Häufig handelt es sich dabei um mobile Applikationen oder dynamische Installationen, bei denen Daten mit einem bewegten oder rotierenden Teilnehmer ausgetauscht werden müssen. Die wenigen zeitkritischen Signale werden normalerweise über Schleifringe, Schleifleitungen, Datenlichtschranken, hochflexible Kabel oder Schleppketten übertragen. Diese Systeme sind durch einen hohen Installations- und Wartungsaufwand sowie durch Störanfälligkeit gekennzeichnet. In diesen Einsatzbereichen bietet sich die Kommunikation per Funk an, da elektromagnetische Wellen keinem Verschleiß unterliegen.

Robust wie eine Lösungen mit Kabel

Der freie Raum ist zudem als Übertragungsmedium überall vorhanden, was eine schnelle, einfache und kostengünstige Installation ermöglicht.

Entfernte Teilnehmer lassen sich mit geringem Zeit- und Kostenaufwand auch nachträglich in eine vorhandene Lösung integrieren. Funktechnologien zeichnen sich damit durch folgende Eigenschaften aus:

- Mobilität und Bewegungsfreiheit der Teilnehmer

- kein mechanischer Verschleiß des Übertragungsmediums

- flexible Integration von Teilnehmern durch großflächige Funkfelder

- schnelle und einfache Installation und Inbetriebnahme

- Überbrücken großer Distanzen und problematischer Zonen wie zum Beispiel Straßen.

Die wichtigste Voraussetzung für den Einsatzdrahtloser Übertragungsmedien in Automatisierungsanwendungen ist, dass sie unter industriellen Bedingungen ebenso robust und zuverlässig arbeiten wie kabelgebundene Lösungen.

Zuverlässige Datenübertragung

Die Bewertung verschiedener Funktechnologien durch Phoenix Contact hat ergeben, dass der IEEE 802.15.1-Standard Bluetooth diese Anforderung am besten erfüllt. Im Rahmen des Bluetooth-Protokolls erfolgt die Datenübertragung breitbandig über das gesamte 2,4-GHz-Frequenzband mittels Frequenz-Hopping. Dabei werden die insgesamt 79 Sprungkanäle 1.600-mal pro Sekunde gewechselt. Aufgrund der kurzen Telegrammlänge von weniger als 625 µs ist die Wahrscheinlichkeit einer Störung gering. Gestörte Datentelegramme werden auf einem anderen Kanal erneut und ohne merkliche Zeitverzögerung gesendet. Das adaptive Frequenz-Hopping in der Bluetooth-Version 1.2 sorgt dafür, dass häufig gestörte Kanäle automatisch aus der Sprungsequenz herausgenommen werden, so dass sich die Zuverlässigkeit in stark gestörter Umgebung weiter erhöht. Bei dem von Phoenix Contact gewählten Lösungsansatz auf Basis des HID-Profils können fehlerhafte Datentelegramme bis zu dreimal innerhalb des 5-Millisekunden-Datenintervalls wiederholt werden, so dass stabile Übertragungszeiten gegeben sind. Durch die sogenannte 2/3-Forward Error Correction werden einfache Fehler ohne Telegrammwiederholung korrigiert. In zahlreichen Anwendungen erreicht die Bluetooth-Funkübertragung damit eine Systemverfügbarkeit, die mit der kabelgebundener Lösungen vergleichbar ist oder sie übertrifft. So ist die Funktechnologie aufgrund der Übertragung im hohen Frequenzbereich von 2,4 GHz resistent gegenüber starken Störungen im Industriebereich, die bei kabelgebundener Übertragung zu Kommunikationsfehlern führen können. Die Funkübertragung via Bluetooth bietet darüber hinaus folgende Vorteile:

- Nicht-Sichtbarkeit der Module für andere Bluetooth-Geräte 128-Bit-Verschlüsselung der Daten

- hohe lokale Systemdichte fast ohne Beeinträchtigung der Performance

- viele Bluetooth-Funksysteme können in unmittelbarer Nähe gleichzeitig parallel betrieben werden

- automatisch an die Reichweite angepasste Sendeleistung, welche die Funkemissionen senkt und die Koexistenz mit anderen Funksystemen verbessert

- automatischer Aufbau der Kommunikation

- Kommunikationsunterbrechungen werden erkannt und gemeldet, Ausgänge werden in einen definierten Zustand gesetzt.

- durchgängige Integration in das Automatisierungsnetzwerk.

Phoenix Contact hat mit dem Wireless-IOSystem eine Bluetooth-Lösung entwickelt, die sich neben den bereits genannten Vorteilen durch eine besonders einfache, automatisierungstypische Handhabung auszeichnet. So entspricht die Konfiguration

der Verbindung dem bekannten Vorgehen bei kabelgebundenen Lösungen. Dabei wird ein ›virtuelles Kabel‹ zwischen der Basisstation und dem entsprechenden Wireless-IO-Modul verlegt.

Vom Kabel bleibt allerdings nur der Stecker übrig, in dem die Verbindungsparameter gespeichert werden. Dieser Stecker, ein im industrieüblichen M12-Design ausgeführter ID-Plug, wird im ersten Schritt auf die entsprechende Ladebuchse der Basisstation gesteckt, welche automatisch die notwendigen Verbindungsparameter in den integrierten Speicher schreibt.

Dann wird der Stecker abgezogen und auf die entsprechende Buchse am Wireless-IO-Modul gesteckt. Das Modul liest bei jedem Power-up die Verbindungsparameter aus dem Stecker und kann damit eine eindeutige Verbindung zur Basisstation einrichten. Beim Modultausch muss nur der ID-Plug-Stecker zur Konfiguration gewechselt werden.

Sinnvolle Ergänzung

für Kabellösungen Umfangreiche Tests haben gezeigt, dass sich Prozess- und Signaldaten auch im industriellen Umfeld stabil und zuverlässig über Funktechnologien übertragen lassen. Als Ergänzung zur kabelgebundenen Kommunikation bietet Phoenix Contact daher industrietaugliche Komponenten und Lösungen auf Basis der Funkstandards WLAN 802.11b/9, Bluetooth sowie Trusted Wireless an. Ihre Verwendung ist immer dann sinnvoll, wenn eine Kabelverbindung problematisch, unwirtschaftlich oder nicht möglich ist.

Jürgen Weczerek, Phoenix Contact,

Strategisches Marketing der Business Unit Automatisierungssysteme

Erschienen in Ausgabe: 05/2005