ZigBee TM TM - ein Standard kommt Beispielanwendungen aus der Analysenmesstechnik
ZigBee: Mitgliederentwicklung nach Regionen
Drahtlose Meßwertübertragung Der Markt wächst stückzahlbezogen um 100 % / Jahr, das Wachstum wird sich ab 2008 verzehnfachen. Bob Heile, Chairman ZigBee Alliance
Grundvoraussetzungen für drahtlose Kommunikation in der Prozeßautomatisierung Offener Standard Kostenlose Nutzung Weltweit zugelassenes Frequenzband
Der offene Standard IEEE 802.15.4
Funkstandards im Vergleich Markenname ZigBee TM Wi-Fi TM Bluetooth TM GSM /GPRS Standard 802.15.4 802.11b 802.15.1 Übertragungsrate (KB/s) 20-250 64-128+ 11.000+ 720 Netzteilnehmer Über 65.000 1 32 7 Weltweite Daten- Steuern / Überwachen / Anwendung und Sprach- Web, Email, Video Kabelersatz Automatisieren kommunikation Protokollstack 10-32 KB 16 MB+ 1MB+ 250KB+ Funkdistanz (m) 100+ 1.000+ 100 10+ Batterielebensdauer (Tage) 100-1.000+ 1-7 0,5-5 1-7 Vorteile Zuverlässigkeit, Kosten, geringer Energieverbrauch Reichweite Schnelligkeit, Flexibilität Kosten, Bequemlichkeit
Warum ZigBee? Geringer Energiebedarf Eignung für den Einsatz in Ex-Zonen Ideal für die Prozeßautomatisierung Topologie schnell genug
Geringer Energiebedarf Ausgeprägte Schlafphase Kurze Netzwerkaufnahmezeit Kurze Aufwachzeit Kurze Übertragungsdauer Langer Spreizcode höhere Sicherheit geringerer Energiebedarf
Topologien für die Prozeßautomatisierung 100 m 100 m 100 m 100 m 100 m Stern Netz 100 m self healing network PAN personal area network
Safe & Secure Zuverlässigkeit (safety) Überprüfung vor dem Senden, ob der Kanal frei ist CRC Telegrammsicherung Empfangsbestätigung der Pakete Paketwiederholungen Geschützte Daten (security) 128 Bit AES (advanced encryption standard) Verschlüsselung (NIST approved)
Die messtechnischen Komponenten ComFu C ComFu E Prozeßanalysengerät
Das Prozeßanalysengerät
Der Vorteil der Modultechnik Etabliertes Meßgerätekonzept Kein neues Gerät oder Gehäuse Vertraute Bedienung Kein neues Ex-Konzept Einfaches Nachrüstmodul für Funk Weitere Moduloptionen bleiben
Das Funkmodul Max. 20 m
ComFu : Die Komponenten ComFu C (Coordinator) Netzwerkkoordinator (FFD + PAN coordinator) Versorgung via Prozeßanalysengerät mit Digitalmodul Standard - Kabelverschraubung Abgesetzte Bauform für optimale Antennenposition einfach nachrüstbar Schutzart IP 65 Edelstahlgehäuse Kann z.zt. 2 x ComFu E bedienen
ComFu : Die Komponenten ComFu E (End device) RFD Funkmodul für den Sensoranschluß Schutzart IP 65 Edelstahlgehäuse Drehschalter für ON / OFF / HOLD
ComFu E: Praxisgerechte Bedienung vorort rote und grüne LED signalisieren Betriebszustand, Batteriewechsel und Voralarm Netzwerkanmeldung: blinkt grün im Sekundentakt Meßmodus normal: blinkt grün im 4-Sekundentakt HOLD: blinkt rot im 4-Sekundentakt keine Verbindung: blinkt langsam rot (3 Sekunden) Batteriewechsel erforderlich: blinkt 2 x rot im 4-Sekundentakt
ComFu E: Die Energieversorgung ComFu E (End device) Standard-Batterien Mignon AA Batterielebensdauer ca. 1 Jahr
ComFu E : Die Prozeßvarianten Kompaktversion Abgesetzte Version mit Standardverbindung kompatibel mit allen gängigen Armaturen
Flexibel, modular und kompatibel Modulpatrone analog Modulpatrone analog plus digitaler Speicher ph, Redox, Oxy, LF Modulpatrone digital
ComFu : Der Mehrkanalbetrieb 1 x RS 485
ComFu : Technische Daten Batterien: 8 x Mignon Typ AA Spannungsversorgung: 2.8 V Stromverbrauch RX 28 ma TX 42 ma Ausgangsleistung moduliert 0 dbm Ausgangsleistung nominal 10 dbm Eingangsempfindlichkeit -95 dbm Datenrate 250 kbit/s Frequenzbereich 2,4...2,485 GHz Nutzbare Kanalzahl 16 Verschlüsselung AES 128 bit Reichweite Freifeld: 400 m Antennentyp: Lambda/2, Dipol, omnidirektional Zigbee- Stack: TI (früher Chipcon) Explosionsschutz: II 2(1)GD EEx ia IIC T4 T80 C II 3GD Eex nl IIC T4
Plug & Play im Ex-Bereich Ex- freie Zone Zone 1 Zone 0
Alle Komponenten Ex-geschützt verfügbar Zone 1 Zone 1 Zone 0
Die Einbindung in offene Feldbusstrukturen Open system network (Ethernet) Profibus- Controller Profibus DP PA-Koppler/Link Profibus PA Profibus PA
Vor- und Nachteile von 2,4 GHz Nachteile Die Wellenlänge [λ] bei 2,4 GHz beträgt λ = 300000/2,4 GHz = 12,5 cm Gegenstände mit mechanischer Länge im Bereich ¼ λ, (z. B. Tannennadeln, Blätter, Metall) können erheblich stören (Absorption durch Resonanz) Reflexionen und Mehrwegeausbreitung stören Vorteile weltweite Zulassung geringe Bauteile- und Antennenabmessungen
Was sollte man über Antennen wissen? Die Abstrahlung von der Antenne (Richtdiagramm) ComFu arbeitet mit einem Koaxialdipol (Länge λ/2 = 6,25 cm) Der horizontale Abstrahlwinkel beträgt 360 (Rundstrahler) Der vertikale Abstrahlwinkel beträgt (Halbwert) 78
Installationsfehler Zu tiefe Installation, Leistung geht in die Mauer!
Installationsfehler Plastiktüte kann stören
Freifeldmessungen 80 70 60 50 Signalpegel (%) 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 Entfernung (m)
Langsame Durchdringung Dezentraler Lagerbestand Entfernte Assets Schwer erreichbare Anlagen ohne Personal Ungenutzte Diagnose Bisherige Anwendungen in der Prozeßindustrie < 0,1 % Quelle: Emerson
Typische Anwendungen Umgehen existierender Barrieren Strassen, Flüsse, Umweltschutzzonen, Entfernte Tankfarmen, Versorgungseinrichtungen Schlecht zugängliche oder bewegte Meßstellen Wasserqualität an Ufern, Hafenbecken und Stränden: Schwimmbojen, Ausleger, Kanäle etc. zeitlich befristete Kontrollmessungen zur Anlagenoptimierung oder Emissionkontrolle
Kanalmessung Ölbohrfeld Umgehung der Entwässerungskanäle
Kanalmessung Ölbohrfeld
Nutzen Nahtlose Integration in bestehende Anlagensysteme Einsparung kostenintensiver Verdrahtung und Baumaßnahmen, um existierende Barrieren zu umgehen Prozeßgerechte Technologie Ex-tauglich Topologie Offener Standard Geräte unterschiedlicher Hersteller kombinierbar Keine Limitierung durch Kabeleigenschaften am Sensor Einfaches Handling vorort durch vorkalibrierte Sensoren Einfachste Installation durch Steckverbindungen
Aber... Funkplanung ist in den meisten Fällen unumgänglich Erfassung örtlicher und elektrischer Umgebung Störer einer Funkstrecke Anlagentopologie Mehrwegeausbreitung und Reflexionen (Addition oder Auslöschung der Funkwelle) Blitzeinwirkung Funkenentladungen hohe Verbreitung des 2,4 GHz-Bandes (Wireless LAN) aufgrund der geringen Meßrate ist Koexistenz in der Regel gegeben
Was zählt Quelle: Emerson
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