1. Wireless I/O-integriert: Datenaustauschklemme KM6551 und WLAN-Controller CU8890

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1 Keywords Wireless Drahtlos Funk WLAN Koexistenz Antenne KM6551 CU8890 Industrial Wireless In diesem Application Example werden Tipps für die Inbetriebnahme von industriellen Wireless- Netzen beschrieben. Durch die Verwendung von Funktechnik in der Automatisierungstechnik kann der Installationsaufwand und der Kosteneinsatz im Einklang mit der Anlagen-Performance miniert werden. Der erste Teil beschreibt alle Notwendigkeiten für die fehlerfreie Funkstrecke, während im zweiten Teil typische Installationsfehler und deren Lösung behandelt werden. 1. Wireless I/O-integriert: Datenaustauschklemme KM6551 und WLAN-Controller CU8890 In unwegsamem Gelände und auch bei beweglichen Komponenten sind Wireless-Lösungen die erste Wahl, um teure Installationen und intensive Wartungskosten zu umgehen und gleichzeitig eine ideale Performance der Anlage zu erzielen. Beckhoff bietet hier I/O-integrierte Produkte auf standardisierter Basistechnologie an: Die Datenaustauschklemme KM6551 für das Beckhoff-Busklemmensystem nutzt das Funksystem IEEE mit 16 unabhängigen Kanälen in Kombination mit dem robusten DSSS-Spreizverfahren. DSSS steht für Direct Sequence Spread Spectrum und bietet als Frequenzspreizverfahren für die drahtlose Datenübertragung gute physikalische Bedingungen. Für die KM6551 wurde ein auf IEEE (2,4-GHz-Band) und DSSS-basierendes proprietäres, schnelles und auf die Automatisierungstechnik zugeschnittenes Protokoll entwickelt, sodass die Kommunikation nur unter KM6551-Klemmen möglich ist, aber der weltweite Einsatz dieser Technik gesichert ist. Status und Datenaustausch werden über LEDs direkt angezeigt und bieten eine schnelle und einfache Diagnose. Für den Einsatz des KM6551-Moduls mit TwinCAT steht eine Bibliothek zur Verfügung. Der industrietaugliche WLAN-Controller CU8890 unterstützt WLAN nach dem Standard IEEE b/g und ist für die Schaltschrankmontage vorgesehen. Angeschlossen an einen Beckhoff Industrie-PC kann das Modul sowohl als Access-Point als auch als Client verwendet werden und ermöglicht daher Zugang zu vorhandenen Infrastrukturen. Zum Anschluss wird ein USB-Anschluss am Industrie-PC benötigt. Die freie Wahl zwischen elf Kanälen im BeckhofF New Automation Technology 1

2 2,4 GHz-Band ist möglich. Status und Datentransfer werden über LEDs angezeigt und bieten eine schnelle und einfache Diagnose. Sowohl für KM6551 als auch für CU8890 steht ein umfangreiches Kabel- und Antennenzubehörprogramm zur Verfügung. Das 2,4 GHz-Band ist das einzig geeignete, lizenzfreie, weltweit nutzbare Frequenzband für industrielle Automatisierung, da die relativ große Bandbreite von ca. 80 MHz akzeptable Ausbreitungseigenschaften hat. Wireless-Lösungen, die auf diese Technologie aufsetzten, eignen sich sehr gut für die industrielle Automatisierung und liefern im Praxiseinsatz gute Ergebnisse. Das alles nützt jedoch wenig, wenn die Grundlagen zur Funktechnik nicht bekannt sind und es bei der Inbetriebnahme zu einer langen Fehlersuche kommt. Automatisierungsprozesse erfordern eine schnelle deterministische Kommunikation, die bei der funkbasierten Datenübertrag neben dem Frequenzband auch von der Topologie abhängig ist. BeckhofF New Automation Technology 2

3 KM6551 Betriebsmodi: PTP, Stern, Broadcast Mit den drei Betriebsmodi der Datenaustauschklemme KM6551 können 10 Byte Prozessdaten unabhängig vom überlagerten Feldbus ausgetauscht oder zwischen zwei eigenständigen Steuerungen über Funkt übertragen werden. Beckhoff bietet mit der Busklemme KM6551 eine kostengünstige und leistungsfähige Möglichkeit, PTP-, Stern- und Broadcast-Strukturen per Funk aufzubauen. Option 1 Datenaustausch Peer-to-Peer Option 2 Datenaustausch bis max. 7 Teilnehmer Option 3 Broadcast zu x Teilnehmern Master Ausgangsdaten senden Master Master Eingangsdaten senden... Slave Slave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 4 Slave 5 Slave 6 Slave 7 Slave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 4 Slave 5 Slave x Abb. 1 KM6551: Betriebsmodi PTP (links), Stern (mitte), Broadcast (rechts) Im Modus PTP (Peer-to-Peer) kommunizieren zwei eigenständige Steuerungen bidirektional miteinander und tauschen zyklisch 10-Byte-Input- und -Output-Daten aus. Der komplette Austausch dauert 20 ms. Bei PTP im freien Feld können bis zu 300 m zwischen zwei KM6551 liegen. Im Modus Stern kommuniziert der Master unidirektional mit bis zu sieben Slaves, die 10 Byte Prozessdaten werden zyklisch an alle Teilnehmer verteilt, pro Slaves dauert der Austausch 20 ms. Die Slaves werden vom Master direkt adressiert, sodass der zeitliche Ablauf der Kommunikation aus der SPS programmiert wird. Im Modus Broadcast sendet der Master unidirektional zyklisch im 10-ms-Takt neue Daten an alle Broadcast-Slaves. Die Slaves selber empfangen diese Daten, können aber selbst keine verschicken. Es können beliebig viele Slaves mithören. BeckhofF New Automation Technology

4 CU8890 Betriebsmodi: Client oder Access-Point Client-Treiber stehen für Windows XP, Embedded Standard und Windows CEzur Verfügung und somit fürjeden Beckhoff Industrieund Embedded-PC. Durch die Treiber für Windows XP und Embedded Standard kann der CU8890 auch als Access-Point betrieben werden. Verschlüsselungsmechanismen sind mit AES-128-Bit bis WPA2 möglich; das Modul ist Cisco-CCX-kompatibel und unterstützt PEAP und LEAP. Die Datenrate wird dynamisch bis 54 MBit/s brutto angepasst. Der CU8890 besitzt zum Anschluss der Antenne einen reversen SMA-Stecker, daher können die Antennen entsprechend der Umgebung angepasst werden. CU8890 als Access Point CU8890 als Client Access Point (Firmennetzwerk) 1 2 n USB USB USB USB CU8890 CU8890 CU8890 CU8890 Laptop Abb. 2 links Access-Point, rechts WLAN-Client 2. Koexistenz gleichzeitiger Betrieb von Funksystemen Ein Funknetz ist ein gemeinsam genutztes Medium, daher müssen sich alle Teilnehmer die Übertragungsstrecke teilen. Innerhalb des Netzes wird dafür gesorgt, dass die verfügbare Bandbreite unter den Teilnehmern aufgeteilt wird. Zwei Verfahren sind hier möglich. Entweder darf ein Teilnehmer für einen bestimmten Zeitraum die gesamte Bandbreite nutzen, während alle anderen Teilnehmer warten. Nach Ablauf dieser Sendezeit wird die Kommunikation unterbrochen und der nächste Teilnehmer ist an der Reihe. Oder ein Teilnehmer bekommt nur einen kleinen Teilbereich der Bandbreite (Kanal) zur Verfügung gestellt, den er für die Datenübertragung nutzen kann. Folgende Systeme nutzen das 2,4 GHz-Band: WLAN, IEEE , Bluetooth und weitere proprietäre Techniken. Proprietäre Techniken sind Systeme unterschiedlichster Hersteller, die nicht standardisiert sind, wie z. B. Babyfone, Funk-Übertragungssysteme für Videosignale oder ähnliches. BeckhofF New Automation Technology

5 Kanal: Abb. 3 Überschneidung der WLAN-Kanäle nur 1, 6 und 11 parallel möglich MHz Beim Betrieb von Funksystemen zur gleichen Zeit, am gleichen Ort und auf der gleichen Frequenz, kann es zu Störungen können. Damit dies nicht passiert, haben die meisten Systeme mehrere separate Übertragungskanäle (z. B. WLAN und IEEE ), sodass der Benutzer die Systeme parallel betreiben kann. Die elf Kanäle im WLAN-Funk sind überlappend angeordnet. Daher kann man nur die Kanäle 1, 6 und 11 eigenständig parallel betreiben (Siehe Abb. 3). Für die Kanäle des KM6551 sind dann entsprechende freie Frequenzbereiche vorhanden, so dass beide parallel betrieben werden können. Im folgenden Beispiel (Abb. 4) funken WLAN-Controller CU8890 mit elf Kanälen und KM6551 mit 16 Kanälen im gleichen Bereich. Sowohl beim CU8890 als auch beim KM6551 lassen sich die Kanäle frei einstellen und somit mehrere Systeme simultan betreiben. 22 MHz 2400 MHz Kanal 1 Kanal 6 Kanal MHz 2437 MHz 2462 MHz 2 CU8890 (WLAN) Kanäle KM6551 (IEEE ) Frequenz in MHz 2483,5 Abb. 4 Paralleler Betrieb von WLAN (CU8890) und IEEE (KM6551) BeckhofF New Automation Technology 5

6 3. Fresnel-Zone, Dämpfung Fresnel-Zone Bei einer Funkübertragung bezeichnet man den Raum zwischen Sende- und Empfangsantenne als Fresnel-Zone (hier grau). Die Fresnel-Zone entspricht einem Rotationsellipsoid zwischen den beiden Antennen und sollte frei von Hindernissen (z. B. Gegenstände, Häuser, Bäume usw.) sein, da in diesem Bereich die Hauptenergie übertragen wird. Abb. 5 Fresnel-Zone beschreibt den Raum zwischen Sender und Empfänger r Besonders Hindernisse aus Metall, wie Schaltschränke, Maschinenteile, Rohrleitungen, Eisenträger usw., stören die Ausbildung der Fresnel-Zone und schränken daher die Übertragungseigenschaften erheblich ein. Jede Behinderung der Fresnel-Zone dämpft die Übertragung entsprechend der Größe/Fläche des Hindernisses: Unter Umständen ist der Empfang dann gestört oder komplett unterbrochen. Ist die Fresnel-Zone allerdings frei von Hindernissen, wird die sich ausbreitende Funkwelle nur durch die Freiraumdämpfung gedämpft, und der Radius der Fresnel-Zone kann entsprechend des Diagramms 1 bestimmt werden. Auf der x-achse ist die Reichweite aufgetragen, die man erreichen möchte. Auf der y-achse lässt sich der daraus resultierende Radius r ermitteln. Der Radius r entspricht auch der Antenneninstallationshöhe. r/m 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Diagram 1 Radius r der Fresnel-Zone entspricht der Installationshöhe der Antenne s/m BeckhofF New Automation Technology 6

7 Dämpfung in der Praxis Bei einer Dämpfung von 6 db verringert sich die Reichweite im Vergleich zu einer Freisicht-Verbindung auf die Hälfte, bei 12 db auf ein Viertel. Maximale Reichweiten können nur bei sorgfältiger Auswahl der Antennenkombination erzielt werden, wobei die angegebenen Reichweiten den Standard-Bedingungen unterliegen (freie Sicht und Einhaltung der Fresnel-Zone). Material Dünne Wand Holzwand Ziegelmauer Betonmauer Dämpfung 2-5 db 5 db 6-12 db db Betondecke 20 db Tab. 1 Zu erwartende Dämpfung bei verbauten Materialien 4. Funkstrecken 4.1 Antennen Die verschiedenen Funkantennen werden über den reversen SMA-Stecker (Straight Medium Adapter) direkt an die KM6551 bzw. den CU8890 angeschlossen. Durch die freie Wahl einer Antenne kann man sich der Umgebung entsprechend anpassen, bei PTP im freien Feld können bis zu 300 m zwischen zwei KM6551 oder zwei CU8890 liegen. Folgende Antennen stehen zum Aufbau verschiedenster Topologien zur Verfügung: A Richtantennen (eigenen sich für PTP ohne Rotation und weite Entfernungen) B Stabantennen (eigenen sich für PTP mit Rotation und ermöglichen gute Schaltschrankmontage) BeckhofF New Automation Technology

8 A Richtantennen ZS Abb. 6 Richtantenne 9 dbi Richtantenne 9 dbi Zugelassen für: CU8890, KM6551 Montage: Winkelmontage an der Wand Passende Kabel: ZK , ZK ZS Abb. 7 Richtantenne 18 dbi Richtantenne 18 dbi Zugelassen für: KM6551 Montage: Winkelmontage an der Wand Passende Kabel: ZK , ZK BeckhofF New Automation Technology 8

9 B Stabantennen ZS Abb. 8 Stabantenne 5 dbi Rundstrahlantenne 5 dbi Zugelassen für: CU8890, KM6551 Montage: direkter Anschluss mit Winkelgelenk Passende Kabel: kein Kabel notwendig ZS Abb. 9 Stabantenne 4 db Rundstrahlantenne 4 dbi Zugelassen für: CU8890, KM6551 Montage: M14-Überwurfmutter Passende Kabel: 1 m Kabel im Lieferumfang enthalten BeckhofF New Automation Technology 9

10 ZS Abb. 10 Rundstrahlantenne 4 dbi Rundstrahlantenne 4 dbi Zugelassen für: CU8890, KM6551 Montage: Deckenclipsystem Passende Kabel: ZK , ZK Feststehende Funkstrecken Platzierung direkt am Modul Mit zwei Rundstrahlantennen bzw. Stabantennen vom Typ ZS kann eine Funkstrecke mit einer Reichweite von ca. 15 m aufgebaut werden. ACHTUNG: knickbare Antenne ZS direkt am Modul CU8890 Nicht innerhalb metallischer Gehäuse einsetzen! Nur innerhalb eines nichtmetallischen Schaltschrankes verwenden! CU8890 CU m Abb. 11 Funkstrecke mit WLAN-Modul und Stabantenne BeckhofF New Automation Technology 10

11 Platzierung der Antennen auf dem Schaltschrank Mit zwei Rundstrahlantennen von Typ ZS kann ein ähnlicher Aufbau realisiert werden. Die Antennen können durch die M14-Überwurfmutter auf der Oberseite des Schaltschrankes montiert werden (Siehe Abb. 12). Schaltschrank Schaltschrank Abb. 12 Funkstrecke mit Stabantennen auf Schaltschrank m Platzierung im Raum Mit zwei Richtantennen kann in- oder außerhalb von Gebäude eine Funkstrecke mit einer Reichweite von etwa 100 m aufgebaut werden. Voraussetzung dafür ist, dass die beiden Antennen zueinander ausgerichtet sind. Sollten bei der Inbetriebnahme Störungen auftreten, müssen beide Antennen um 90 gedreht werden, um die korrekte Polarität herzustellen. 100 m Abb. 13 Reichweite bei Einsatz von Richtantennen 4.3 Funkstrecken in bewegten Anlagenteilen Die zwei folgenden Beispiele stellen typische Applikationen von Wireless-Anwendungen bei bewegten Anlagenteilen dar. Zu beachten ist bei bewegten Anwendungen, dass die Richtantennen sich immer im korrekten Abstrahlwinkel zu der Stabantenne befinden. BeckhofF New Automation Technology 11

12 A Funkstrecke mit zwei Richtantenne und einer Rundstrahlantenne Bei der Kombination aus zwei Richtantennen ZS und einer Stabantenne ZS kann ein beweglicher Aufbau realisiert werden. Beispielsweise können die Richtantennen auf Verfahrwagen installiert sein, welche um die Rundstrahlantenne kreisen. Eine weitere typische Anwendung findet sich in der Abwasseraufbereitungs-Anwendung: Über die Rundstrahlantenne in der Mitte des Beckens kann die Steuerung immer mit den konzentrisch bewegten Mischern kommunizieren. Schaltschrank Abb. 14 Funkstrecke in bewegten Anlagenteilen Stabantenne feststehend BeckhofF New Automation Technology 12

13 B Funkstrecke mit einer Richtantenne und einer Rundstrahlantenne Bei Kombination von Richtantenne ZS und Stabantenne ZS kann ein beweglicher Aufbau beispielweise für eine Roboterzelle realisiert werden. Die Richtantenne wirft ihren Funkkegel über den Arbeitsbereich des Roboters hinweg, die Rundstrahlantenne auf der rotierenden Arbeitsbühne bewegt sich innerhalb dieses Kegels. feststehende Richtantenne rotierende Arbeitsbühne mit Rundstrahlantenne 10 m ZS ZS Abb. 15 Funkstrecke in bewegten Anlagenteilen Richtantenne feststehend Besonders vorteilhaft für diesen Aufbau ist das Drehgelenk der Antennenhalterung: Die Antennen können beliebig an der Wand montiert werden und werden im Nachhinein passend zueinander justiert. Abb. 16 Justierbare Richtantenne zur optimalen Ausrichtung BeckhofF New Automation Technology 13

14 Anmerkung: Sämtliche in diesem Application Example aufgeführten Reichweiten sind typische Richtwerte unter üblichen Bedingungen. Es können größere Reichweiten erzielt werden, jedoch sind die Einhaltung der Fresnel-Zone und Barrierefreiheit der Funkstrecke vom Anwender selber zu überprüfen. WLAN-Controller mit USB-Eingang Wireless-Datenaustauschklemme Der universelle Baustein der Automatisierung Dieses Dokument enthält exemplarische Anwendungen unserer Produkte für bestimmte Einsatzbereiche. Die hier dargestellten Anwendungshinweise beruhen auf den typischen Eigenschaften unserer Produkte und haben ausschließlich Beispielcharakter. Die mit diesem Dokument vermittelten Hinweise beziehen sich ausdrücklich nicht auf spezifische Anwendungsfälle, daher liegt es in der Verantwortung des Kunden zu prüfen und zu entscheiden, ob das Produkt für den Einsatz in einem bestimmten Anwendungsbereich geeignet ist. Wir übernehmen keine Gewährleistung, dass der in diesem Dokument enthaltene Quellcode vollständig und richtig ist. Wir behalten uns jederzeit eine Änderung der Inhalte dieses Dokuments vor und übernehmen keine Haftung für Irrtümer und fehlenden Angaben. Eine detaillierte Beschreibung unserer Produkte enthalten unsere Datenblätter und Dokumentationen, die darin enthaltenen produktspezifischen Warnhinweise sind unbedingt zu beachten. Die aktuelle Version der Datenblätter und Dokumentationen finden Sie auf unserer Homepage ( Beckhoff Automation GmbH, Oktober 2009 Die Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts sind verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte für den Fall der Patent, Gebrauchsmuster oder Geschmacksmustereintragung vorbehalten. BeckhofF New Automation Technology 14