Bluetooth

De-Facto-Funkstandard für die Automatisierung

14.04.2007 | Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Jürgen Weczerek* / Jan Vollmuth

Funkbasierte Kommunikation wird sie immer häufiger in der industriellen Automatisierung eingesetzt. Neben den WLAN 802.11-Standards b und g , die besonders als drahtlose LAN-Infrastruktur in den Fabrikhallen verwendet werden, etabliert sich Bluetooth als optimale Lösung für zahlreiche Automatisierungsaufgaben.

Als universell nutzbare und standardisierte Funktechnologie (IEEE 802.15.1) ermöglicht Bluetooth eine robuste Übertragung. Die hohe Zuverlässigkeit der Kommunikation ist auf die breitbandige Übertragung über das gesamte 2,4-GHz-Frequenzband mittels FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) zurückzuführen: Im Rahmen von FHSS werden die vorhandenen 79 Sprungkanäle in einer pseudozufälligen Reihenfolge bis zu 1.600 Mal pro Sekunde gewechselt. Gestörte Datentelegramme werden bei Bedarf sowie ohne merkliche Zeitverzögerung auf einem anderen Kanal erneut gesendet.

Die Funkübertragung im hohen 2,4 GHz-Frequenzband sorgt bereits für eine ungestörte Kommunikation in EMV-belasteter Umgebung. Entgegen der allgemeinen Meinung wird die drahtlose Kommunikation nicht durch Lichtbogenschweißen, Frequenzumrichter oder Schaltvorgänge gestört: Deren Störspektrum liegt im niedrigeren kHz- und MHz-Bereich. Daher ist eine EMV-Beeinflussung ausgeschlossen.

Störungsfreier Parallelbetrieb mit WLAN-Systemen

Um gegenseitige Störungen mit anderen Funksystemen wie WLAN 802.11 im gleichen Frequenzband zu vermeiden, ist mit Bluetooth-Version 1.2 das adaptive Frequenzhopping als automatischer Koexistenz-Mechanismus eingeführt worden.

Dabei werden Kanäle, die von anderen Funksystemen genutzt werden oder häufig gestört sind, automatisch erkannt und aus der Sprungsequenz genommen.

Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Datenübertragung zusätzlich und ermöglicht einen störungsfreien Parallelbetrieb zu einem oder mehreren WLAN 802.11b/g-Systemen.

Die Begrenzung von Bluetooth auf kleinere Netzwerke mit bis zu sieben Teilnehmern sowie die vergleichsweise geringe Datenrate von 1  MBit/s brutto reichen für viele Automatisierungsanwendungen aus.

Häufig müssen lokal nur eine oder wenige dezentrale Steuerungen oder Automatisierungskomponenten drahtlos an das Netzwerk angebunden werden, wobei nur wenige zehn Byte zu übertragen sind. Müssen beispielsweise 100 Byte im Abstand von 16 ms zyklisch in beide Richtungen ausgetauscht werden, beträgt die erforderliche Netto-Datenrate nur 100 KBit/s.

Schnelle Übertragung kleiner Datenpakete

Wichtiger als ein hoher Datendurchsatz ist daher die schnelle und wirtschaftliche Übertragung kleiner Datenpakete, um die begrenzte Bandbreite im 2,4 GHz-Band optimal zu nutzen. Hier verfügt die Bluetooth-Technologie über einen Vorteil, da das Frequenzband aufgrund des FHSS-Verfahrens effizient genutzt wird. Deshalb eignet sich Bluetooth insbesondere für Anwendungen mit hoher Systemdichte - wenn also viele kleinere Netzwerke lokal parallel betrieben werden.

Die Reichweite eines Bluetooth-Netzwerks ist von der Installation und den Umgebungsbedingungen abhängig. Sie kann in Industriehallen deutlich über 100 m sowie im Freifeld bis zu mehreren hundert Metern betragen.

Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungen wurden mehr als 25 verschiedene Bluetooth-Profile definiert. Für den Einsatz in der industriellen Automatisierung sind folgende Profile wichtig:

  • HID (Human Interface Device) zur schnellen und zyklischen Übertragung von Prozess- und Steuersignalen
  • PAN (Personal Area Networking) für die transparente Ethernet-Kommunikation
  • SPP (Serial Port Profile) zur seriellen Datenübertragung.

Kostengünstige Integration in Feldbussysteme

Seit langem fordern Anwender eine funkbasierte Erweiterung der etablierten Feldbussysteme Interbus und Profibus. Verschiedene Studien haben jedoch gezeigt, dass mögliche Lösungen hinsichtlich ihres Kosten-Nutzen-Verhältnisses unattraktiv sind.

Schnelle und preiswerte Wireless-IO-Systeme, die einen anderen Ansatz verfolgen, lassen sich hingegen einfach in verschiedene Feldbussysteme integrieren: Anstatt das Bussystem über aufwändige Funklösungen zum Feldgerät zu übertragen, werden die Daten der Feldgeräte mittels Standard-Funktechnologien von der Komponente an das Feldbussystem gesendet. Ein IO-Proxy bildet die Verbindung zwischen Feldbus- und Wireless-Netzwerk.

Bluetooth bietet aufgrund seiner Polling-basierten Arbeitsweise, der optimierten Übertragung kleiner (17 Byte) bis mittelgroßer (339 Byte) Datenpakete sowie der geringen Technologiekosten gute Voraussetzungen als Übertragungsmedium in einer Wireless-IO-Lösung.

Das Bluetooth-System „Fieldline“ von Phoenix Contact setzt als erstes Wireless-IO-System das beschriebene Konzept für industrielle Automatisierungsanwendungen um.

Transparente Weiterleitung von Ethernet-Protokollen

Mit dem Einzug von Industrial Ethernet – und hier vor allem Profinet – in die Fertigungsautomation ist die transparente Übertragung von Steuerungsdaten über die Funkstandards WLAN 802.11 und Bluetooth auf einfache Weise möglich. Zur Weiterleitung von Netzwerk-Protokollen wurde das BNEP-Protokoll (Bluetooth Network Encapsulation Protocol) für das PAN-Profil definiert, das fast jedes Protokoll aus der Vermittlungsschicht kapseln kann. So lassen sich auch Profinet, Modbus TCP oder Ethernet/IP transparent übertragen. Durch den geringen Protokoll-Overhead wird die vorhandene Bandbreite effektiv genutzt.

Ethernet-fähige Feldgeräte können mittels eines kompakten Bluetooth-Adapters über einen Bluetooth-Access-Point drahtlos mit dem Ethernet-Netzwerk verbunden werden. Der industrielle Adapter FL Bluetooth AP von Phoenix Contact unterstützt sowohl die Betriebsart Client Adapter als auch Access Point.

Die Konfiguration des Funknetzes ist einfach: Die häufigste Betriebsart Punkt-zu-Punkt-Bridge, mit der zwei Ethernet-Module über Bluetooth verbunden werden, baut sich automatisch auf. Die Bluetooth-Adapter eines Bluetooth-Netzwerks können bereits bei der ersten Inbetriebnahme drahtlos über Ethernet und den zentralen Bluetooth-Access-Point konfiguriert werden. Darüber hinaus ist auch Roaming möglich, das automatische Verbinden einer mobilen Station mit verschiedenen Bluetooth-Access-Points eines Netzwerks.

Serielle Automatisierungsgeräte unkompliziert ankoppeln

Viele industrielle Automatisierungskomponenten verfügen über eine serielle RS232-, RS422- oder RS485-Schnittstelle, über die sie konfiguriert oder vernetzt werden. Die Geräte lassen sich mittels eines seriellen Bluetooth-Adapters über den Bluetooth-Access-Point FL Bluetooth AP drahtlos an das Ethernet-Netzwerk ankoppeln.

Hierzu wurde ein COM-Server in den Bluetooth-Access-Point integriert, der die seriellen Daten in einen TCP/IP-Frame packt, so dass von jedem PC mit COMport-Treiber oder von einer Ethernet-fähigen Steuerung mit den seriellen Geräten kommuniziert werden kann.

Der Bluetooth-Adapter bietet ferner einen konfigurierbaren seriellen RS232-, RS422- und RS485-Anschluss, der parallel zum Ethernet-Port genutzt wird.

Der Bluetooth-Access-Point kann zur drahtlosen Vernetzung von Kleinsteuerungen mit einer zentralen Steuerung eingesetzt werden.

Auf dem Weg zum Funkstandard in der Automatisierung

Bluetooth ist eine robuste, preiswerte, universell einsetzbare und ausgereifte Funktechnologie, die ihre Leistungsfähigkeit in unzähligen Studien und Praxiseinsätzen bewiesen hat. Der Funkstandard wird jedes Jahr in mehrere Millionen Geräte integriert, so dass seine langfristige Verfügbarkeit gesichert ist.

Da die SIG (Bluetooth Spezial Interest Group) seine kontinuierliche Weiterentwickelung vorantreibt, werden auch zukünftige Anforderungen berücksichtigt. In Kombination mit seinen technischen Eigenschaften hat Bluetooth daher das Potenzial, um sich als Kommunikationsstandard in der industriellen Automatisierung zu etablieren. Bereits heute sind zahlreiche Produkte und Lösungen verfügbar, mit denen serielle, E/A- und Profinet-Daten über Bluetooth ausgetauscht werden können.

Wireless IO – Übertragung von E/A-Signalen

Die Wireless-IO-Systeme von Phoenix Contact übertragen analoge und digitale Signale drahtlos. Sie sind für die zyklische Übertragung kleiner Datenmengen optimiert. Die Systeme lassen sich sowohl im prozesstechnischen Umfeld als auch in der Steuerungstechnik einsetzen.

Die Wireless-IO-Produktlinie Fieldline Modular Bluetooth ist für die drahtlose Feldbus-Erweiterung konzipiert. Das Fieldline-Installationssystem kann über einen Bluetooth-basierten Lokalbus um bis zu drei verteilt im Feld montierte Fieldline Modular Wireless-IO-Module ergänzt werden. Die Installation erfolgt direkt in der Maschine oder Anlage; die Verdrahtung des letzten Meters zu den Sensoren und Aktoren erfolgt konventionell sternförmig, beispielsweise über vorkonfektionierten M12-Steckverbinder.

Das Funksystem bietet eine schnelle Datenübertragung in typ. 10 ms je Modul und Reichweiten von 20 bis 50 m in Industriehallen sowie von mehr als 100 m im freien Feld. Es lässt sich störungsfrei parallel zu WLAN 802.11-Netzwerken einsetzen.

Das Bluetooth-System bietet sich insbesondere für den Einsatz in bewegten, temporär installierten oder schwer zugänglichen Maschineneinheiten in allen industriellen Branchen an, wenn zeitkritische Prozesssignale zu übertragen sind.

*Dipl.-Ing. Jürgen Weczerek ist Mitarbeiter im Strategischen Marketing der Business Unit Automation Systems bei Phoenix Contact

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