Trusted Wireless Drahtloses Signalübertragungssystem für Mess- und Steueraufgaben

Wenn die Signalerfassung von Sensoren nur mit hohem Aufwand möglich ist, weil etwa lange Kabelwege, Straßen oder unwegsames Gelände die Installation unwirtschaftlich machen, dann hilft Trusted Wireless aus der Klemme. Im folgenden Beitrag werden Technik, Nutzen und Anwendung dieser Funkübertragung skizziert.

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Noch immer ist in der Industrieautomation die Signalübertragung mehrheitlich kabelgebunden. Ist das direkte Umfeld starkt durch elektromagnetische Störungen geprägt, kommen stattdessen Lichtwellenleiter zum Einsatz. Eine neue Alternative ist jetzt die Funktechnik, und zwar immer dann, wenn lange Distanzen, Hindernisse, bewegliche Applikationen oder hohe Installationskosten die kabelgebundene Vernetzung verhindern.

Bei bewegten Applikationen – zum Beispiel bei rotierenden Anlagen oder fahrenden Objekten - löst eine Funkstrecke die Signalübertragung auf einfache Art und Weise. Schleifringe und Schleppketten machen diesen Sachverhalt deutlich. Sie sind technisch aufwändig und unterliegen einem hohen mechanischen Verschleiß. Das macht sie wartungs- und kostenintensiv. Hier zeigen sich die Vorteile einer Funkstrecke besonders deutlich. Auch bei Anwendungen, bei denen die Mess- werte aus der Anlage nicht permanent, sondern nur vorübergehend benötigt werden, ist der Aufwand für eine Ka-belinstallation wirtschaftlich oft nicht vertretbar. Die schnelle und einfache Installation einer Funkstrecke spart hier Zeit und Kosten.

Mit beispielsweise den Trusted-Wireless-Systemen steht eine einfache und robuste Funkübertragung zur Verfügung. Die Signale von analogen und digitalen Sensoren lassen sich damit über Strecken von einigen hundert Metern bis zu einigen Kilometern sicher übertragen. Die Geräte arbeiten im lizenz- und anmeldefreien 2,4-GHz-ISM-Band und sind ohne Programmierung oder Parametrierung in Betrieb nehmbar. Planern und Anwendern erschließt sich damit eine ganz neue Möglichkeit der Sensordatenerfassung und Aktorsteuerung.

Die Funktechnik ist robust und auch störsicher

Trusted Wireless basiert auf dem Frequenz-Sprungverfahren (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum). Bei diesem Verfahren erfolgt die Übertragung auf verschiedenen Trägerfrequenzen. Das zur Nutzung freigegebene 2,4-GHz-Band wird in viele einzelne Kanäle unterteilt, die dann in einer pseudozufälligen Reihenfolge zur Übertragung der Informationen zyklisch genutzt werden.

Tritt ein Störsignal auf, wird die Übertragung nur auf dieser Frequenz gestört, und die nächs- te Übertragung kann auf einer anderen Frequenz erfolgen. Nehmen die Störungen zu, wird bei einem FHSS-System nur der Durchsatz an Informationen reduziert. Das System wird zwar langsamer, fällt aber nicht abrupt aus. Störungen werden hier nicht unterdrückt, sondern toleriert. Bei anderen Funktechnologien wird dagegen versucht, Störungen mit speziellen Techniken zu filtern oder zu unterdrücken. Das funktioniert jedoch nur bis zu einem Schwellwert. Wird dieser Wert überschritten, fällt das System ohne Vorwarnung aus.

Das Entwicklungsziel der von Phoenix Contact verwendeten Trusted Wireless-Technologie lautete „Störsicherheit plus Reichweite“. Insgesamt stehen fast 600 Sendefrequenzen zur Verfügung, von denen ein Trusted-Wireless-System 63 Frequenzen nutzt. Diese genutzten Frequenzen sowie die Reihenfolge ihrer Verwendung sind bei jedem Trusted-Wireless-System einmalig. So können einige hundert Systeme parallel in räumlicher Nähe betrieben werden. Der Wechsel auf eine andere Sendefrequenz und damit die Übertragung der aktuellen Messgrößen erfolgt alle 27 ms. Für die meisten Anwendungen in der Prozesstechnik gilt dies als Echtzeit.

Die Energie pro Bit bestimmt die Reichweite

Da die abgestrahlte Sendeleistung im 2,4-GHz-Band vom Gesetzgeber reglementiert ist und 100 mW bzw. 20 dBm nicht überschreiten darf, wirkt sich die Übertragungsrate entscheidend auf die Reichweite aus. Je höher die Übertragungsrate, desto geringer ist die Energie pro Bit und somit die Reichweite. Das Trusted-Wireless-Protokoll unterstützt Sicherheitsmechanismen, bedient aber keine unnötigen Protokoll-Stacks, die das Volumen der zu sendenden Informationen vergrößern. Die Energie pro Bit reicht aus, um Distanzen von einigen hundert Metern bis zu einigen Kilometern zu überbrücken.

Durch das kontinuierliche Frequenzspringen sind diese Systeme unempfindlicher gegenüber dem Multipath. Werden Funkwellen an Gebäuden und Gegenständen reflektiert, gelangen sie auf unterschiedlich langen Strecken zum Empfänger. Dort überlagern sie sich und können das Empfangssignal verstärken oder auslöschen (Multipath). Bei Funksystemen mit fester Sendefrequenz entstehen dadurch Funklöcher. Das Senden auf einer anderen Frequenz impliziert die Nutzung einer anderen Wellenlänge und führt zu geänderten Überlagerungsbedingungen. Ein Trusted-Wireless-System ist unempfindlicher gegenüber Multipath-Einflüssen, und zwar nicht nur zum Zeitpunkt der Installation, sondern grundsätzlich. Das gilt auch bei Objektbewegungen sowie räumlichen Veränderungen durch Umbauten.

Diese von OMNEX/Kanada entwickelte Technik kommt in den neuen Funksystemen RAD-ISM-2400 von Phoenix Contact zum Tragen. Sie ermöglichen eine zuverlässige Übermittlung von analogen und digitalen Signalen über eine Distanz von einigen hundert Metern bis zu einigen Kilometern. Das unidirektional arbeitende System RAD-ISM-2400-SET-UD-ANT sendet ein analoges Strom-signal (4 bis 20 mA) sowie zwei digitale Signale (5 bis 30 V) zum Empfangsgerät. Dort werden sie originalgetreu wieder ausgegeben.

Das System benötigt keine Programmierung oder Parametrierung, und verfügt außerdem über verschiedene Möglichkeiten zur Diagnose der Funkstrecke. Neben reinen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind auch Mehrempfängersysteme realisierbar. Und schließlich überträgt das bidirektionale System RAD-ISM-2400-SET-BD-BUS-ANT sowohl analoge als auchdigitale Signale.

*Frank Hakemeyer ist Mitarbeiter der Business Unit Interface bei Phoenix Contact, Blomberg.

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