Antriebstechnik

Kommunizieren in Luft statt Kupfer

Die Kommunikation über Funk zur effektiven Prozesssteuerung, -überwachung, -diagnose, -instandhaltung ersetzt die unter bestimmten Bedingungen unwirtschaftliche Drahtverbindung. Von den lizenzfreien, daher häufig genutzten ISM-Frequenzbändern (Industrial, Scientific, Medical) ergänzt das Band 2,4 GHz vermehrt sowohl Feldbustechnologien der Automatisierungs- und Antriebstechnik (Interbus. Profibus-DP, CAN, ASi, Sercos, Safety-Bus p u. a.) als auch die entsprechenden Lösungen für die Gebäudetechnik (EIB/KNX, LON). Funktechnik muss die Forderungen an Dynamik, Echtzeit-/Reaktionsfähigkeit, angemessener Nettodatenrate, „sicheres“ Übertragen von Signalen ebenfalls ohne Einschränkung erfüllen. Hinzu kommt wegen des besonders zugänglichen Übertragungsmediums elektro-magnetische Welle die deutlichere Empfindlichkeit gegenüber externen Einflüssen, weshalb die Störsicherheit überhaupt, die Koexistenz mit parallel betriebenen Funksystemen zu sichern ist.

EmbedSense® Wireless Sensor – batterie- und drahtloser Sensor-/ Datenerfassungs-Modul (microstrain Inc. Williston, USA; Quelle: www.microstrain.com)

Zudem arbeitet die Drahtlostechnik weitaus energieeffizienter, der Verbrauch sinkt um etwa 75 Prozent. Der Verzicht auf Verschleißteile erhöht ihre Attraktivität bevorzugt für flexible und mobile Applikationen etwa in der Logistik. Infolge der bisher positiven Erfahrungen mit der Funktechnik ist ihre weitere Verbreitung als sicher anzusehen. Der Schlüssel zum Ausbau der Verträglichkeit liegt beim globalen Agieren der Regulierungsbehörden.

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Verfügbare Funklösungen

Die Übersicht zeigt die für Automatisierungs- und Antriebstechnik bedeutsamen, offenen Verfahren. Sie basieren auf dem Grundlagenstandard IEEE 802.XX; Infrarottechnik nach dem Infrared Data Association-IrDA-Standard sowie proprietäre Realisierungen bleiben unberücksichtigt. In Topologien mit Stern-, Peer-to-Peer- und/oder Baumstruktur (Punkt-zu-Punkt-Verbindung oft ohne Sichtkontakt) lassen sich Daten über mehrere Funkknoten zum Empfänger auch in Netzwerken mit mehreren Teilnehmern weiterleiten.

Nicht nur die weltweite Lizenzfreiheit beflügelt das ausgeprägte Nutzen des 2,4 GHz-Bandes, sondern ebenfalls seine hohe Bandbreite. Große Datenraten, besondere Robustheit der Übertragung werden möglich. Gateways übernehmen in der Regel die Kopplung mit Bus-Systemen.

Die Energieeffizienz der aus der RFID-Technik bekannten Funkübertragung unterstreichen Sensor-/WLAN-Tags. Solche Datenträger mit integriertem Messwertgeber beispielsweise für die Temperatur mit weiteren Eingängen für zusätzliche Sensoren (Druck, Abstand, Feuchte u. ä.; vgl. http://www.turck.de) erfassen und speichern Messwerte, die anschließend – übrigens störsicher – ausgelesen werden. Tags kommen bei kurzen Entfernungen zum Einsatz, wenn sich Kabel verbieten und komplexe Wireless-Systeme nicht sinnvoll sind.

Abhängig von der potenziellen Störbeeinflussung lassen sich unterschiedliche Zugriffsverfahren wie Modulation im Schmalband-, Frequenzsprung-, Frequenzmulitiplexverfahren realisieren. Selbstverständlich haben die zugehörigen Antennen in die gewünschte Richtung zu hören und geeignet konstruiert zu sein.

Aufgaben

Zu den Aufgaben zählen: störfeste Mensch-Maschine-Kommunikation, fehlersichere (Notsignale) und zuverlässige Datenübertragung, Kontakt zu schwerzugänglichen Aktoren und Sensoren, ihre Vernetzung etwa bei Logistiksystemem (FTS u. ä.), Echtzeit-Steuerung, Überwachung von Anlagenteilen und Sensordaten (Visualisierung und Aufzeichnung).

Störbeeinflussung

Gegenüber industriellen Störquellen (Stromrichter, Elektromotore, Schweißgeräte, Schaltnetzteile, -geräte, RFID-Tags etc.) zeigt sich die Funktechnik immun, da deren Störfrequenzen unterhalb der Funkfrequenz auftreten. Zusätzlich zu systematischen, grundsätzlich behebbaren Fehlern in drahtlosen Netzwerken (Mängel in den Signalen, Ressourcenknappheit u. a.) muss die Funktionsverschlechterung (Verlängerung der Übertragungszeit, Datenverlust), sogar das Versagen durch elektromagnetische Interferenzen mit der Umgebung minimiert bzw. vermieden werden. Den Schwerpunkt bildet der Parallelbetrieb von Systemen am gleichen Ort bei identischer Frequenz.

Vorsicht gebieten ebenso parallel arbeitende elektronische, gleichfalls Bluetooth oder WLAN nutzende Geräte wie Funktelefone, Notebooks, Sprechfunk-, Mess- und Freisprecheinrichtungen. Beeinflussungen sind vorhersehbar. Der konventionelle Handy-Betrieb mit deaktivierter Datenübertragung stört wegen der entkoppelten Frequenzen nicht.

Koexistenz und Störsicherheit

Störsicherheit verbindet sich mit der Fähigkeit zur Koexistenz unterschiedlicher Funkeinrichtungen. Ausgehend von der sorgfältigen, den Ist-Zustand der Umgebung beachtenden Planung von Neuinstallationen garantieren räumliche, frequenzmäßige und zeitliche Entkopplung ein korrektes Nebeneinander.

Sendeleistung und Empfindlichkeit der Empfänger bestimmen in Würdigung von Antennenausführung, -größe und -ausrichtung die räumliche Ausdehnung der Funkzelle. Hinsichtlich der Wahl der Sendfrequenz sind frequenzstatische (Zuweisung eines Kanals mit Festfrequenz, WLAN) und frequenzdynamische (verschiedene Kanäle durch Sprungfrequenzen, Bluetooth) Lösungen zu koordinieren. Die Nutzung identischer Frequenzen durch unterschiedliche Systeme beherrscht ein Zeitfenster für die Datenübertragung. Solch zeitlicher Entkopplung kommt die ohnehin geringe Auslastung des einzelnen Mediums entgegen.

Die VDI-Richtlinie 2185 „Funkgestützte Kommunikation in der Automatisierungstechnik“ (Blatt 2 Koexistenzmanagement von Funklösungen – unter Berücksichtung von Safety, Security, EMV, Ex-Schutz) sowie die ZVEI-Broschüre „Koexistenz von Funksystemen in der Automatisierungstechnik“ geben für den zuverlässigen Betrieb ausführliche, hier z. T. benutzte Hinweise. Joachim Krause

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