Metallteile zu Reflexionen und Schatten führen, die den Empfang stark beeinträchtigen.

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1 Steuerungsebene Günter Baumann Lecks erwünscht Grundvoraussetzung einer zuverlässigen drahtlosen Kommunikation ist die lückenlose, gleichmäßige Ausleuchtung des Bereiches, in dem sich die mobilen Teilnehmer bewegen. Ein Ansatz hierfür ist die Nutzung von Leckwellenleitern. So vorteilhaft der Einsatz von Industrial Wireless LAN (IWLAN) in industrieller Umgebung auch ist, funktechnisch sind diese Anwendungen alles andere als einfach zu beherrschen nicht zuletzt deshalb, weil viele zum Teil großflächige Metallteile zu Reflexionen und Schatten führen, die den Empfang stark beeinträchtigen. Ein erster Schritt, um solche Beeinflussungen abzufangen, ist die Nutzung von Diversity-Antennen: Bei diesem Verfahren erhält der Empfänger die Information aus mehreren Antennen und kann so räumlich eng begrenzte Feldstärke-Schwankungen ausgleichen. Der Idealzustand ist aber erst erreicht, wenn es störende Reflexionen und Schatten überhaupt nicht gibt. Um sie zu minimie /05. Computer&AUTOMATION.

2 Lieferung in max. 9 Arbeitstagen VME- und CompactPCI-Systeme Einfache und schnelle Anfrage online unter: Angebotserstellung innerhalb von 24 Stunden Lieferung in maximal 9 Arbeitstagen Wirkliche Mobilität Ihrer Maschinen und Anlagen erhalten Sie mit Datenfunksystemen von Schildknecht! (Bilder: Siemens) Der Aufbau des RCoax-Kabels (schematisch) lässt das Funkfeld definiert austreten. Um den Leiter herum bildet sich ein räumlich eng begrenztes Funkfeld, in dem nahe mobile Teilnehmer kommunizieren können. ren, muss das Funkfeld räumlich eng begrenzt und nur in den Bereichen aufgebaut werden, in denen sich mobile Teilnehmer befinden. Bei streckengebundenen Teilnehmern lässt sich dies mit Hilfe eines Leckwellenleiters RCoax umsetzen. Hierzu wird dieses spezielle undichte Koaxial-Kabel als Antenne an einen Access Point angeschlossen und entlang der auszuleuchtenden Strecke geführt. Normalerweise haben Koaxialkabel eine für Hochfrequenz (HF) dichte Schirmung, damit weder störende Funkwellen eingekoppelt noch Nutzsignale ungewollt ausgekoppelt werden können. Im Schirm eines Leckwellenleiters hingegen sind Öffnungen eingestanzt, die das Ein- und Auskoppeln von Funkwellen ermöglichen. Der DATAEAGLE 3002 mit Profibus und PROFIsafe-Kommunikation über Funk ermöglicht auch Not-Aus über Funk und führt zur Kostenreduzierung Ihrer Anlagenkonzepte, da Sie auf Schleifringe, Schleppkabel, Datenlichtschranken und Datenhohlleiter verzichten können. Schildknecht Industrieelektronik Systeme Thomas Schildknecht, Dipl.-Ing. Einsteinstr Sersheim Tel.: +49 (0) / Fax: +49 (0) / office@schildknecht.info Besuchen Sie uns auf der SPS/IPC/DRIVES 2005 im Wireless Pavillion Computer&AUTOMATION. 10/05 69

3 Steuerungsebene Ihre Geometrie und Anordnung bestimmen das Sende- und Empfangsverhalten des Kabels. Der Clou daran: Obwohl sich die Öffnungen nur auf einer Kabel-Seite befinden, baut sich ein nahezu radial symmetrisches, eng begrenztes Funkfeld entlang des Kabels auf. Innerhalb dieses Funkfeldes können mobile Teilnehmer mit dem Access Point kommunizieren, sofern sie sich nahe genug am Kabel aufhalten. Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Längs- und der Auskoppeldämpfung ermöglicht sowohl eine große Länge des Kabels als auch einen angemessenen Abstand des mobilen Teilnehmers. Der maximal mögliche Abstand eines mobilen Teilnehmers vom RCoax-Kabel ist abhängig von der Datenrate, der eingesetzten Antenne und von in der Grafik nicht berücksichtigten Umgebungseinflüssen. Neben der Längs- und Auskopplungsdämpfung haben jedoch auch die Empfangseigenschaften der Teilnehmer erheblichen Einfluss auf die Reichweite; zwischen einzelnen Geräten und möglichen Datenraten bestehen teils erhebliche Unterschiede. Maximal vier Meter Abstand zwischen dem RCoax-Kabel und der Antenne ermöglicht beispielsweise Siemens mit der Kombination von Accesspoint Scalance W788, RCoax-Leitung, dem mobilen Teilnehmer IWLAN/PB Link und der industriegerecht aufgebauten externen Antenne bei einer Datenrate von 11 MBit/s und einer Länge des Leckwellenleiters von 50 Metern. Die integrierte Antenne des Kommunikationsprozessors CP7515 ermöglicht hingegen nur etwa 1,5 Meter Abstand. Eine Ursache für die Unterschiede in der Reichweite liegt in der Antenne des mobilen Teilnehmers begründet. Externe Antennen mit hohem Antennengewinn montiert am optimalen Empfangspunkt erlauben eine größere Distanz als einfache, zum Beispiel in PCMCIA-Karten integrierte Antennenstrukturen. Letztere sind zudem oft verdeckt eingebaut und erhalten das Signal daher durch Gehäuse, Leiterplatte oder andere Gerätestrukturen gedämpft. Die Antenne ist nicht alles Nicht weniger bedeutsam als die Antenne ist, dass alle beteiligten Produkte Access Point und mobile Teilnehmer auf Grund eines optimierten HF-Designs beste Empfangswerte erreichen. Die Betonung liegt hierbei auf dem gesamten HF-Design, da keineswegs nur der verwendete Chipsatz über Gut und Schlecht entscheidet: Ebenso wichtig ist seine Verbauung im Produkt. Bei Messungen finden sich teils erhebliche Unterschiede zwischen verschiedenen Herstellern und Produkten. Die IWLAN-Produkte von Siemens beispielsweise bieten eine Eingangsempfindlichkeit von 84 dbm im b-Modus bei 11 Mbit/s (nähere Erläuterungen im Kasten, Seite 73). Um eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten, müssen die Teilnehmer des Funknetzes in der Lage sein, auf die sich permanent ändernde Qualität Halle 7, Stand 7-149

4 der Übertragungsstrecke durch die Anzahl der Teilnehmer und ihre veränderliche Distanz zum Access Point zu reagieren und die Verbindung möglichst lange aufrecht zu erhalten. Für die Datenübertragung bedeutet dies: Sobald sich im Funknetz die Bitfehlerrate erhöht, schaltet der Access Point automatisch die Datenrate herunter. Bei IEEE b geht sie zunächst auf 5,5 MBit/s, dann auf 2 MBit/s und schließlich auf 1 MBit/s zurück (fall back). Bei der reduzierten Datenrate lassen sich Störungen besser ausfiltern und auch schwächere Eingangssignale noch nutzen. Keine Wechselwirkung mit anderen Funkfeldern Die räumliche Begrenzung des Funkfeldes durch das RCoax-Kabel verringert aber nicht nur störende Reflexionen, sondern ermöglicht zudem, das Funkfeld um Ecken und in verwinkelte Gänge zu ziehen. Gleichzeitig verringert sie ganz allgemein die Wechselwirkung mit anderen Funkfeldern. So ist es möglich, im Abstand von wenigen Metern mehrere Funkfelder auf denselben Frequenzbändern aufzubauen, ohne dass diese sich gegenseitig stören ein wichtiger Faktor zumal in einer Industrieumgebung, in der unterschiedliche Anlagen unabhängig von einander drahtlos kommunizieren müssen. Grundsätzlich unterstützt auch die Norm IEEE 802 die Bildung verschiedener voneinander getrennter Funkzellen auf demselben Frequenzband, aber unter Verlust an Datenrate durch mögliche Kollisionen. Auch die Anzahl der Frequenzbänder selbst ist stark eingeschränkt. Effektiv stehen durch Überschneidungen im 2,4-GHz-Band nur drei wirklich getrennte Bänder ohne Überschneidung zur Verfügung, im 5- GHz-Band sind es in Deutschland nur acht überlappungsfreie Bänder. Beim Leckwellenleiter hingegen lassen sich durch die enge räumliche Begrenzung mit RCoax und eine exakte Funkfeldplanung der Anlage viele getrennte Funknetze aufbauen, in denen jeder Access Point die volle Datenrate nutzen kann. Einsatz in der Pilot-Anlage IWLAN und RCoax haben ihre Tauglichkeit im Einsatz in Produktionsanlagen bereits bewiesen. So nutzt die Volkswagen AG in Emden diese Technologie zur Steuerung von Schrauberstationen. Durch Durch die hohe Bandbreite des Funksignals von 22 MHz stehen im 2,4-GHz-Band trotz einer wesentlich höheren Anzahl von Kanälen nur drei überlappungsfreie Bereiche zur Verfügung. The new formula for speed Highspeed Kommunikation CPU 315SN/NET mit -Technologie > Arbeitsspeicher 256kByte erweiterbar bis zu 2MByte (jeweils 50% Programm/ 50% Daten) > Ethernet-Interface für PG/OP-Kommunikation > Profibus-DP-Master, 12MBaud, bis zu 125 Slaves > zusätzlich integrierter Ethernet-CP 343 mit RFC1006, TCP/IP und S7-Kommunikation für 8 Verbindungen > MP 2 I-Interface DIE SCHNELLSTE SPS* der Welt *Programmierbar mit STEP 7 von Siemens CPU 317SN/NET mit -Technologie > Arbeitsspeicher 512kByte erweiterbar bis zu 8MByte (jeweils 50% Programm/ 50% Daten) > Ethernet-Interface für PG/OP-Kommunikation > Profibus-DP-Master, 12MBaud, bis zu 125 Slaves > zusätzlich integrierter Ethernet-CP 343 mit RFC1006, TCP/IP und S7-Kommunikation für 16 Verbindungen, Anwender projektierbar bis zu 256 Verbindungen > SPEEDbus für Highspeed I/O-Kommunikation > MP 2 I-Interface Tel.: Fax.:

5 die im Vergleich zur vorherigen Lösung höhere Datenrate ist es nun möglich, alle Anzugs-Werte für die Qualitätskontrolle zu übertragen und zu speichern. Auf Grund der Erfahrungen in der Pilot-Anlage plant VW den Einsatz der Leckwellenleiter-Technik in weiteren Anwendungen, etwa bei den Fahrwagen von Einschienen-Hängebahnen. Ihre Versorgung mit Daten erfolgt heute wartungsintensiv und mit entsprechend hohen Kosten behaftet in der Regel über Schleifkontakte. Eine kontaktlose Lösung mit IWLAN bringt an dieser Stelle erhebliche Vorteile: Neben den geringeren Kosten durch eine Quasi-Wartungsfreiheit und einer erhöhten Verfügbarkeit der Anlage ermöglicht die IWLAN-Technologie durch das größere Übertragungsvolumen eine komfortablere Diagnose sowie die Übertragung von Betriebsparametern etwa zur Qualitätssicherung. im Nähere Informationen: Die Ermittlung der Sendeleistung Wenn sich elektromagnetische Wellen im Raum ausbreiten, nimmt in Folge der dreidimensionalen Ausbreitung im Raum die Leistung exponentiell zur Entfernung vom Ursprungsort ab. Eine Aneinanderreihung von Dämpfungswerten führt zu einer ganzen Serie von Multiplikationen was zum schnellen Rechnen sehr unhandlich ist. Aus diesem Grund nutzen Praktiker hier ein Hilfsmittel, das im Zeitalter des Taschenrechners und Computers fast schon in Vergessenheit geraten ist: den Logarithmus. Logarithmische Werte müssen nicht aufwendig multipliziert werden, sondern werden einfach addiert. Die gebräuchliche Maßeinheit Dezibel ist der Logarithmus eines Verhältniswertes. Beispielsweise wird so die Sendeleistung bezogen auf 1 mw häufig in Dezibel Milliwatt (dbm) angegeben. Nach der Formel P[dBm] = 10 log (P[mW]/1 mw) ergibt sich folgende Übersicht: 0, mw = 83 dbm 0,5 mw = 3 dbm 1 mw = 0 dbm 2 mw = 3 dbm 4 mw = 6 dbm 10 mw = 10 dbm 100 mw = 20 dbm 200 mw = 23 dbm 1 W = 30 dbm Alle Dämpfungswerte auf der Übertragungsstrecke sind Angaben in db, die das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsleistung beziffern (zum Beispiel 3 db Steuerungsebene Günter Baumann ist verantwortlich für die Öffentlichkeitsarbeit im Geschäftszweig Industrielle Kommunikation Simatic NET bei Siemens. bei einer Halbierung der Leistung). Zwei weitere wichtige Werte bei der Ermittlung der Sendeleistung sind der Antennengewinn und die Freiraumdämpfung : Der bei der Antenne angegebene Antennengewinn resultiert nicht aus einer Verstärkung des Empfangssignals, die höhere Leistung ergibt sich allein durch die Richtwirkung der Antenne. Aus anderen Raumsegmenten wird dadurch entsprechend weniger Leistung aufgenommen. Die Freiraumdämpfung a fr gibt an, welche Dämpfung durch die räumliche Entfernung zwischen den Kommunikationspartnern vorhanden ist. Für das RCoax-Kabel gilt die Formel a fr = 20 log(4 πd/λ). Dabei ist a fr die Freiraumdämpfung in db, d bezeichnet den Abstand zwischen Kabel und Antenne in Meter und λ gibt die Wellenlänge der elektromagnetischen Schwingung in Meter an. Bei einer Frequenz von 2,4 GHz ist die Wellenlänge 0,125 m. Ob mit den gewählten Komponenten eine Kommunikation mit der gewünschten Übertragungsrate möglich ist, zeigt sich bei der Berechnung des Gesamtsystems: Dazu werden von der Sendeleistung alle Verluste abgezogen etwa Längsdämpfung, Freiraumdämpfung und Leistungsteiler und der Antennengewinn addiert. Das Ergebnis ist die Leistung, die dem Empfänger zugeführt wird. Ist diese größer als die Empfänger-Empfindlichkeit, ist die Kommunikation möglich. INDUSTRIELLER DATENFUNK 2,4 GHz Funkmodem für Ethernet Übertragungsrate von 250 kbit/s max. Sendeleistung 100 mw, reduzierbar, Reichweite bis 10 km bei Sichtverbindung Hohe Übertragungssicherheit durch Frequenzsprungverfahren FHSS Datenschnittstelle: Ethernet, 10 MBit/s, IEEE oder RS232/485 Punkt zu Punkt oder Repeater, Roaming Funktion Einfaches Tool zur Konfiguration und Diagnose VDC Versorgungsspannung Temperaturbereich C Stabiles Alugehäuse, Montage auf DIN-Schiene 2,4 GHz industrielles WLAN Übertragungsrate 11 MBit/s nach IEEE b Verschlüsselung WEP 128, WIFI Datenschnittstelle: Ethernet, 10 MBit/s, IEEE Access Point, Repeater oder Bridge Funktion Einfaches Tool zur Konfiguration und Diagnose VDC Versorgungsspannung Temperaturbereich C Stabiles Alugehäuse, Montage auf DIN-Schiene PERICOM AG D Gailingen CH-8500 Frauenfeld CH Tel.: Fax: D Tel.: Fax: Computer&AUTOMATION. 10/05 ihr partner für automatisierungstechnik