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Bussystem, Ethernet, Profibus, Modbus, RFID, Internet of things, Industrie 4.0

belden10212Titelstory

Seit 2004 arbeiten Ingenieure daran, die Datenübertragung in Netzwerken im industriellen Bereich auch drahtlos so zu ermöglichen, dass die Anforderungen der entsprechenden Normen und verschiedenen Umgebungen erfüllt werden. Nun hat Hirschmann Belden mit der "Open BAT"-Plattform die neueste Generation von Wireless LAN fertiggestellt, die nicht nur eine schnellere Version des Übertragungsstandards bietet, sondern erstmals eine Funkschnittstelle enthält, die speziell für den Einsatz in der Automatisierung entwickelt wurde.



Sollte ein stabiles, zuverlässiges drahtloses Netzwerk aufgebaut werden, konnte man bisher immer Hardware finden, die rüttelfest, wasserdicht und besonders langlebig war. Zusätzlich wurden die notwendigen Normen erfüllt, die den Einsatz der Geräte im jeweiligen Umfeld erst ermöglichen wie die EN50155 für Züge. Auch die eingesetzten Antennen und Kabel sowie das Zubehör sind von besonderer Qualität. Trotzdem kam es immer wieder vor, dass ein Wireless LAN (WLAN)-Netz nicht so funktionierte, wie man es sich erhoffte.

Datenübertragung mit Unterbrechungen Hamburger Hafen

belden20212Ein Beispiel dafür ist eine Installation am Hamburger Hafen. Dort war es die Aufgabe, Funkverbindungen von Ufer zu Ufer sowie zu anlegenden Schiffen aufzubauen. Es herrschten beinahe ideale Bedingungen. Deshalb konnten die Montageorte so gewählt werden, dass die Antennen und Access-Points sich gegenseitig ohne Hindernisse ‚sehen’ konnten. Zudem war die Strecke von Sender zu Empfänger nicht sonderlich weit. Bei der Planung des Netzwerks wurde korrekt vorgegangen und dabei zunächst geprüft, ob es bereits vorhandene konkurrierende WLAN-Netze gab. Daraufhin wurden die besten freien Kanäle ausgewählt. Die eingesetzten Antennen waren so dimensioniert, dass die Strecke mit hoher Bandbreite laut Berechnungsformeln bestens überbrückt werden konnte. Ähnliche Installationen wurden schon hundertfach zwischen Gebäuden, als DSL-über-die-Luft-Anbindung von Gemeinden oder auf Bergen installiert – und zwar immer problemlos. Zunächst sah in Hamburg auch alles gut aus. Die Geräte zeigten eine physikalisch einwandfreie Verbindung. Und das empfangene Signal war stark genug, um die erwünschte Bandbreite erreichen zu können.

Und doch zeigte sich, dass die eigentliche Datenübertragung nur schlecht und mit vielen Unterbrechungen funktionierte. Denn auf der Strecke gingen sehr viele Pakete verloren oder kaputt. Insbesondere wenn ein Schiff kurzfristig angebunden werden sollte, konnte in der verfügbaren Zeit nicht die gewünschte Datenmenge übertragen werden. Die erfahrenen Installateure waren mit ihrem Latein am Ende. Schließlich war alles so geplant, aufgebaut und konfiguriert worden, wie vom Hersteller vorgegeben.

belden30212Zur Fehlersuche wurde eine komplette, aufwendige Frequenzanalyse durchgeführt, die nicht nur den Frequenzbereich untersuchte, innerhalb dessen sich das WLAN befindet (das sogenannte ISM-Band im 2,4 GHz-Bereich). Sondern es wurde das gesamte Frequenzspektrum unter die Lupe genommen, in dem unter anderem auch Radar, Handynetze und Radiostationen senden. Schnell war klar, dass es sich beim Hamburger Hafen doch um ein recht anspruchvolles Umfeld handelt.

WLAN wird im 2,4 GHz-Band auf eine maximale Sendeleistung von 100 mW und im 5 GHz-Band auf eine Leistung von 1000 mW begrenzt. Damit ist es im Vergleich mit den in unmittelbarer Nachbarschaft sendenden Technologien die schwächste. Da WLAN-Antennen nicht nur das WLAN-Signal empfangen sondern alles, was an elektromagnetischen Wellen vorhanden ist, wird der gesamte Signalwirrwarr zum WLAN-Empfänger weitergeleitet. Dieser ist dann damit beschäftigt, daraus das richtige Signal herauszufiltern. Aus Kostengründen und weil bisherige WLAN-Funkschnittstellen nicht für diese Situationen konzipiert wurden, ist der im Chipsatz integrierte Frequenzfilter nur sehr schwach. WLAN sendet jedoch nur mit 1 W, während andere Funksysteme rechts und links des WLAN-Frequenzbereichs mit bis zu 10 oder gar 30 kW senden. Abhilfe wurde geschaffen, indem zwischen Access-Point und Antenne ein zusätzlicher Bandpassfilter montiert wurde, der die störenden Nachbarfrequenzen gar nicht erst in Richtung des Empfängers durchlässt. So konnte der Noise-Level deutliche gesenkt und damit die Paketempfangsrate auf normale Werte gesteigert werden.

Reibung erzeugt Entladungen im Tagebau

belden40212Eine weitere Erfahrung aus der Praxis wurde in einem Tagebau gewonnen. Dort waren WLAN-Geräte installiert, um entlang der Förderbänder eine mobile Netzwerkverbindung aufzubauen. Installation und Datenübertragung funktionierten nach Abnahme des Netzwerks einwandfrei. Doch nach einigen Monaten Betriebszeit verloren die Geräte nach und nach an Sendeleistung und schafften es schließlich nicht mehr, die geforderte Datenübertragung zu gewährleisten. Die betreffenden Geräte wurden im Labor untersucht. Ein Blitzeinschlag oder ein ähnlicher Schaden hatte nicht stattgefunden. Die Geräte waren ja auch vorschriftsmäßig installiert, mit einer stark dimensionierten Erdung und einem vorgeschalteten Blitzschutz zwischen Antenne und Gerät. Und doch war eindeutig festzustellen, dass es eine schleichende Zerstörung von Bauteilen auf dem WLAN-Empfänger gegeben hatte, die auf elektrische Entladungen zurückzuführen war. Es stellte sich heraus, dass aufgrund der sich reibenden Luftmassen oberhalb des Tagebaus immer wieder kleine statische Entladungen stattfanden, die von den WLAN-Antennen empfangen und weitergeleitet wurden. Diese passierten den Blitzschutz, da sie unterhalb dessen Auslösespannung lagen.

Quantensprung in der Funkkommunikation

belden50212Sowohl im Hamburger Hafen als auch bei der Applikation im Tagebau wurden die Probleme durch Einzellösungen behoben, die ein vorgeschaltetes zusätzliches Bauteil erforderten. Dieses wurde in Form eines Bandpassfilters bzw. eines weiterentwickelten Überspannungsschutzes, der auch bei niedrigen Spannungen und Strömen funktioniert, realisiert. Beide Lösungen erhöhen jedoch die Installationskosten erheblich und brauchen zudem mehr Platz. Gerade in vielen Industrieanwendungen ist Platz aber ein sehr seltenes Gut, beispielsweise beim Einbau von WLAN-Geräten in Zügen. Außerdem müssten bei den Geräten der aktuellen Generation bis zu sechs solcher Überspannungssschutze und/oder Bandpassfilter pro Access-Point eingeplant werden, da es bis zu sechs Antennenanschlüsse gibt. Die Kosten dieser zusätzlichen Komponenten können den Preis eines einzelnen Access-Points schnell übersteigen.

Deshalb hat Hirschmann erstmals eine WLAN-Schnittstelle entwickelt, die konsequent die Ansprüche solcher Industrieanwendungen erfüllt. Dabei ist es gelungen, die Bauteile Überspannungsschutz und Frequenzbandfilter innerhalb des Access-Points unterzubringen.

Die Miniaturisierung geht so weit, dass die Funktionen direkt auf dem WLAN-Funkmodul Platz gefunden haben. Somit bildet jedes Modul eine Funkschnittstelle, von denen bis zu drei in einem Access-Point eingesetzt werden können. Der integrierte Überspannungsschutz hat bei Tests Entladungen von bis zu 25 kV standgehalten. Der ebenfalls integrierte Bandpassfilter funktioniert jeweils im 2,4 GHz und im 5 GHz-Band und befreit das WLAN so von einem störenden Rauschpegel.

Die neue patentierte "Open BAT"-Plattform ist die jüngste Generation von WLAN-Geräten, die eine neue Entwicklungsstufe der WLAN-Technologie repräsentieren und mit einer Steigerung der Netzwerkgeschwindigkeit um bis zu 50 % gegenüber den bisherigen Generation aufwarten. Darüber hinaus ermöglicht diese Plattform dem Kunden, seinen Bedarf aus einem nahezu unbegrenzten Angebot an Schnittstellen, Stromversorgungen, Gehäusetypen und spezifischen Zertifizierungen zu decken.

Außerdem bietet Open BAT zusätzliche Flexibilität durch die Möglichkeit, ein WLAN-Netzwerk entweder mit den Open BAT-Geräten als Stand-alone-Access-Points zu konfigurieren oder es zentral über einen BAT-Controller zu verwalten. Kurzum: Die neue Plattform gestattet es, WLAN-Lösungen in Bereichen zu realisieren, in denen dies bislang nicht möglich war. Zudem kann der Kunde die passende Produktvariante für seine individuelle Lösung aussuchen, so dass er nur für die Features bezahlt, die er auch wirklich benötigt.

Bei der Entwicklung von Open BAT wurde vor allem auf ein Maximum an Flexibilität Wert gelegt. Deshalb eignet sich diese Plattform für Anwendungen in einer Reihe von Branchen. Dazu gehören insbesondere die Fabrik- und Prozessautomatisierung, die Energieübertragung und -verteilung, der Bergbau und die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien.

Einen besonders wichtigen Bestandteil dieser Neuentwicklung bildet das patentierte WLAN-Funkmodul. Es ist nicht nur mit integriertem Bandpassfilter und ESD-Schutz ausgestattet, sondern zeichnet sich auch durch eine sehr geringe Leistungsaufnahme und einen extrem großen Temperaturebereich aus. Außerdem ist dieses Modul mit besonders robusten Antennensteckern mit geringer Signaldämpfung bestückt und lässt sich besonders rüttelfest montieren. So können erstmals stabile Funkverbindungen auch in schwierigsten Umgebungen zuverlässig realisieret werden.

Der Autor ist Olaf Schilperoort MBA, Produktmanager bei der Hirschmann Automation and Control GmbH, Neckartenzlingen


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