Bluetooth ist nicht gleich Bluetooth -...

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50 Feldebene 10/10 . www.computer-automation.de Bluetooth ist nicht gleich Bluetooth Alexander Blumenröther, Dr. Andreas Vedral Warum nicht einfach einen Bluetooth Access Point in Form eines Consumer-Produktes für 30 Euro erwerben und diesen in industriellen Applikationen einsetzen? Bluetooth ist doch schließlich Bluetooth – oder gibt es doch Unterschiede zwischen Produkten für die Industrie und Heimanwendungen? N ahezu jedes moderne Telekommu- nikationsgerät weist für die An- bindung von Geräten wie Tastatur, Maus oder Headset heute eine Bluetooth- Schnittstelle auf. Auch für industrielle M2M-Anwendungen hat sich diese Funktechnologie bereits bewährt sie punktet dabei vor allem in Anwendun- gen, bei denen es auf besonders robuste, deterministische Übertragungen mit mittleren Datenraten ankommt. Hierzu zählt neben der Übertragung zyklischer Prozessdaten in der Sensor-Aktor-Ebe- ne die drahtlose Erweiterung industriel- ler Feldbusse. Studien und Praxisan- wendungen haben unter Beweis gestellt, dass eine industrielle Bluetooth-Verbin- dung selbst zeitkritische und sicher- heitsrelevante Protokolle wie beispiels- weise Profisafe tragen kann. Um das volle Potenzial und alle Vortei- le dieser Technologie auszuschöpfen, sind allerdings spezielle Implemen- tierungen vonnöten, die die Geräte für industrielle Zwecke optimieren. Bedeu- tende Unterschiede zu den typischen Im- plementierungen des Massenmarktes bestehen hierbei vor allem bezüglich Ko- existenz, Reichweite, Sicherheit, Robust- heit, Zeitverhalten und Deterministik. Koexistenz Aufgrund der ohne Zutun des Anwen- ders automatisch arbeitenden Koexis- tenz-Mechanismen der automatisch nachgeführten Sendeleistung und des so genannten Adaptive Frequency Hopping (AFH) – gewährleistet die Bluetooth- Technologie bereits ein hohes Maß an Koexistenz. AFH heißt: Ab der Blue- tooth-Version 1.2 sind Geräte in der Lage, gestörte Frequenzen zu erkennen und zu vermeiden, indem die betroffenen der 79 verfügbaren Kanäle vom Fre- quenzsprungmuster ausgeschlossen wer- den. So ist beispielsweise störungsfreie Koexistenz mit WLAN-Kanal 1 dadurch zu gewährleisten, dass der AFH-Algo- rithmus die korrespondierenden Kanäle 0 bis 24 als belegt erkennt und sperrt. (Bilder: Wago)

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10/10 . www.computer-automation.de

Bluetooth ist nicht gleich Bluetooth

Alexander Blumenröther, Dr. Andreas Vedral

Warum nicht einfach einen Bluetooth Access Point in Form eines Consumer-Produktes für 30 Euro erwerben und diesen in industriellen Applikationen einsetzen? Bluetooth ist doch schließlich Bluetooth – oder gibt es doch Unterschiede zwischen Produkten für die Industrie und Heimanwendungen?

N ahezu jedes moderne Telekommu-

nikationsgerät weist für die An-

bindung von Geräten wie Tastatur, Maus

oder Headset heute eine Bluetooth-

Schnittstelle auf. Auch für industrielle

M2M-Anwendungen hat sich diese

Funktechnologie bereits bewährt – sie

punktet dabei vor allem in Anwendun-

gen, bei denen es auf besonders robuste,

deterministische Übertragungen mit

mittleren Datenraten ankommt. Hierzu

zählt neben der Übertragung zyklischer

Prozessdaten in der Sensor-Aktor-Ebe-

ne die drahtlose Erweiterung industriel-

ler Feldbusse. Studien und Praxisan-

wendungen haben unter Beweis gestellt,

dass eine industrielle Bluetooth-Verbin-

dung selbst zeitkritische und sicher-

heitsrelevante Protokolle wie beispiels-

weise Profi safe tragen kann.

Um das volle Potenzial und alle Vortei-

le dieser Technologie auszuschöpfen,

sind allerdings spezielle Implemen-

tierungen vonnöten, die die Geräte für

industrielle Zwecke optimieren. Bedeu-

tende Unterschiede zu den typischen Im-

plementierungen des Massenmarktes

bestehen hierbei vor allem bezüglich Ko-

existenz, Reichweite, Sicherheit, Robust-

heit, Zeitverhalten und Deterministik.

KoexistenzAufgrund der ohne Zutun des Anwen-

ders automatisch arbeitenden Koexis-

tenz-Mechanismen – der automatisch

nachgeführten Sendeleistung und des so

genannten Adaptive Frequency Hopping

(AFH) – gewährleistet die Bluetooth-

Technologie bereits ein hohes Maß an

Koexistenz. AFH heißt: Ab der Blue-

tooth-Version 1.2 sind Geräte in der

Lage, gestörte Frequenzen zu erkennen

und zu vermeiden, indem die betroffenen

der 79 verfügbaren Kanäle vom Fre-

quenzsprungmuster ausgeschlossen wer-

den. So ist beispielsweise störungsfreie

Koexistenz mit WLAN-Kanal 1 dadurch

zu gewährleisten, dass der AFH-Algo-

rithmus die korrespondierenden Kanäle

0 bis 24 als belegt erkennt und sperrt. (Bild

er: W

ago)

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Da beide Mechanismen auf Über-

wachung der Signalqualitätsparameter ei-

gener Übertragungen beruhen, sind ihrer

Wirksamkeit jedoch Grenzen gesetzt:

■ Die Mechanismen benötigen eine ge-

wisse Lernzeit, innerhalb der das Ge-

rät weiterhin mit höherer Leistung als

nötig oder auf von Fremdnetzen ver-

wendeten Frequenzen sendet.

■ Die Arbeitsweise des AFH setzt vo-

raus, dass die eigene Übertragung

durch das Fremdnetz gestört wird. Im

Umkehrschluss muss nicht erfüllt

sein, dass dies auch für Fremdüber-

tragungen in diesem Frequenzbereich

zutrifft, wenn die eigene Übertragung

ungestört ist.

■ Beide Mechanismen sind bei Inquiry

(Suche nach verbindbaren Geräten) und

Paging (Rufverfahren) außer Kraft.

Aufgrund dieser Einschränkungen

dürfen Bluetooth-Geräte beispielsweise

in der Automobilindustrie nur dann ein-

gesetzt werden, wenn sie zusätzliche

Maßnahmen zur Koexistenzverbesse-

rung implementieren:

Eine davon ist das Channel Blacklis-ting: Unter diesen Begriff fällt die Unter-

stützung einer benutzerspezifi schen Fre-

quenzmaske, das heißt die Möglichkeit,

erlaubte und verbotene Bereiche des ge-

nutzten Frequenzspektrums in Schritten

von 1 MHz frei defi nieren zu können. So

lässt sich im laufenden Betrieb eine In-

terferenz für die als verboten deklarier-

ten Bereiche ausschließen. Auf die ver-

bleibenden Frequenzbereiche ist optional

zusätzlich AFH anwendbar, sofern noch

mindestens 20 der 79 Kanäle verbleiben

(determistisches Frequenzmultiplex).

Eine weitere wichtige Maßnahme ist

das modifi zierte Inquiry. Das bedeutet:

Durch geeignete Parametrierung/Steue-

rung des Vorgangs ist das Störpotenzial

des Inquiry deutlich reduzierbar. So wird

durch Festlegung einer maximalen Dau-

er jedes Inquiry auch die Dauer einer

möglichen Störbeeinfl ussung limitiert.

In Verbindung mit der Möglichkeit zur

Festlegung eines zeitlichen Mindestab-

standes aufeinander folgender Inquiries

kann die potenzielle Störbeeinfl ussung

anderer Netze auf ein deterministisches

Maß begrenzt werden.

Ein dritter, wichtiger Aspekt ist die Be-grenzung der Sendeleistung. Während in

typischen Implementierungen ein Blue-

tooth-Gerät Inquiry und Paging mit fester,

oft maximaler Sendeleistung ausführt, er-

lauben bestimmte industrielle Geräte eine

benutzerdefi nierte Vorgabe der für Inquiry

Auch bei Verwendung von AFH ist störungsfreie Koexistenz nicht immer gewährleistet. Leistungsstarke fremde Sender (violett) werden anhand gestörter Bluetooth-Übertragungen (rot) rasch detektiert und die betroffenen Frequenzen durch AFH gemieden (rot transparent). Sendet dagegen beispielsweise ein WLAN-System (grün) mit geringerer Sendeleistung, so werden die Bluetooth-Übertragungen nicht beeinträchtigt (blau) und AFH spricht nicht an. Hierdurch können WLAN-Übertragungen gestört werden (gelb), so dass Daten erneut gesendet werden müssen (siehe linkes Bild). Abhilfe schaffen industrielle Blue-tooth-Systeme mit Channel Blacklisting (hellblau unterlegt, siehe rechtes Bild).

Moderne Technologien erlauben die Ablösung von Schleifringen oder Schleppkabeln durch robuste Funkverbindungen. Eine häufi ge Frage stellung ist hierbei die Auswahl der für die jeweilige Anwendung am besten geeigne-ten Technologie.Anwendungen, bei denen hohe, variable Datenmengen seitens jedes Funkteilnehmers anfallen und welche nahtlos in ein ethernet-basiertes Firmennetz integriert werden müssen, sind das Einsatzfeld von WLAN nach IEEE 802.11. Entsprechende Geräte können in der Regel auf eine Netzversorgung zurück-greifen.

Technologien nach IEEE 802.15.4, wie bei-spielsweise ZigBee oder WirelessHART, sind ideal geeignet für Anwendungen, in denen zahlreiche batteriegestützte Teilnehmer kleine Datenmengen austauschen.Für Anwendungen, in denen nur sporadisch kleinste Datenmengen auszutauschen sind, erlaubt die EnOcean-Technologie den Verzicht auf Batterie und Netzversorgung. Die Bluetooth-Technologie nach IEEE 802.15.1 bietet einen für die meisten Anwendungen guten Kompromiss aus dem Energiebedarf auf der einen und typischen Leistungsparametern wie der Datenrate auf der anderen Seite.

Welche Funktechnologie für welche Anwendung?

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und Paging verwendeten Leistung sowie

die Begrenzung des Leistungsregelbereichs

für den laufenden Betrieb. Auf diese Weise

kann der Anwender implizit die Reichwei-

te des Senders und somit auch die maximal

zu erwartende Interferenz auf ein determi-

nistisches Maß begrenzen (determistisches

Raummultiplex).

ReichweiteDa viele handelsübliche Geräte nur ge-

ringe Reichweiten erzielen, wird Blue-

tooth fälschlicherweise oft zugeschrie-

ben, nur geringe Distanzen überbrücken

zu können. Die erzielbare Reichweite

ist allerdings primär eine Eigenschaft

der jeweiligen Implementierung, nicht

der Technologie selbst!

In industriellen Anwendungen sind

nicht selten hohe Reichweiten ge-

wünscht beziehungsweise es wird ge-

fordert, dass die Funkverbindung auch

bei schwankender Distanz oder sich

zwischen die Teilnehmer schiebenden

Objekten aufrecht erhalten wird. Ent-

sprechende Geräte verwenden daher

Sender, welche durch entsprechende

Verstärker die Sendeleistungsklasse 1 –

mindestens 1 mW (0 dBm), maximal

100 mW (20 dBm) – erreichen. Auch

werden empfangsseitig rauscharme Ver-

stärker eingesetzt, welche die Eingangs-

empfi ndlichkeit des Empfängers bedeu-

tend verbessern. Mit entsprechend

optimierten Designs können industrielle

Bluetooth-Geräte auf diese Weise im

Freifeld Distanzen im Kilometerbereich

überbrücken.

Neben der Sendeleistung und Emp-

fangsempfi ndlichkeit spielt das Anten-

nendesign eine wichtige Rolle. Während

die Bluetooth-Hardware selbst auf sehr

kleiner Fläche integrierbar ist, gilt dies

nicht für hochwertige Antennen, da die

Geometrie der Antenne maßgeblich von

der Wellenlänge des genutzten Frequenz-

bereichs defi niert wird. Um große Distan-

zen überbrücken zu können oder best-

mögliche Netzabdeckung zu erreichen,

bieten entsprechende industrielle Geräte

daher einen externen Antennenanschluss.

Auf diese Weise kann die für die Anwen-

dung am besten geeignete Antenne –

Richtstrahler, Rundstrahler oder Sektor-

antenne – zum Einsatz kommen. Zudem

ermöglicht dies eine Unterbringung von

Geräten im geschützten Schaltschrank.

Während eine interne Antenne hier nur

noch sehr schlechte Ergebnisse erzielen

könnte, lässt sich die externe Antenne in

günstiger Position platzieren – beispiels-

weise auf der Oberseite des Schalt-

schranks montiert oder über ein Verlänge-

rungskabel auch außerhalb des Gebäudes

für eine gute Verbindung mit im Freien

befi ndlichen Kommunikationspartnern.

SicherheitIndustrielle Bluetooth-Implementierun-

gen setzen häufi g den Non-Discoverable-

Mode (Gerät antwortet nicht auf Suchan-

Reichweite einer Bluetooth-VerbindungGerät des Massenmarkts (z.B. drahtlose Maus), Klasse 2

Industrielles „long range“ Gerät (z.B. Wago 750-644), Klasse 1

Sendeausgangsleistung –4 dBm +20 dBm

Eingangsempfi ndlichkeit –76 dBm –90 dBmAnpassungsverluste, Antennengewinne

–6 dB 0 dB

Resultierendes Link- Budget, 10 dB Reserve

56 dB 100 dB

Reichweite (Freifeld) 6 m 955 m

Hinsichtlich des Link-Budgets, welches maßgeblich für die erzielbare Reichweite ist, lässt die Bluetooth-Spezifi kation einen sehr großen Spielraum. Da höhere Empfangsempfi ndlichkeit oder Sendeleistung mit höherem Stromverbrauch und höheren Kosten einhergehen, sind diese für die Mehrzahl handelsüblicher Geräte im unteren Bereich angesiedelt.

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fragen) ein. Ihre Existenz lässt sich daher

nur bei aktivem Datenaustausch und dann

auch nur mit hochwertigen Messgeräten

feststellen. Selbst wenn der Angreifer sich

in Reichweite eines ihm bekannten Netz-

werks befi ndet, gilt dieses nach heutigem

Kenntnisstand dennoch als unangreifbar,

sofern es von den durch die Bluetooth-

Technologie angebotenen Sicherheitsme-

chanismen Gebrauch macht. Industrielle

Bluetooth-Geräte sind daher beispiels-

weise ab Werk so voreingestellt, dass sie

den Sicherheitsanforderungen, beispiels-

weise von Profi safe, genügen; das heißt,

sie verwenden den Sicherheitsmodus 3

(Sicherung auf Verbindungsebene) bei ak-

tivierter Verschlüsselung und empfehlen

dem Anwender die Verwendung eines si-

cheren PIN-Codes in voller Länge (bis zu

16 Zeichen möglich).

Für die Hardware-Architektur eines Bluetooth-Geräts bestehen zwei

Grund varianten. Während für die Variante „system on chip“ (links im

Bild) die Zulassung oft kostenfrei von einer Basiszulassung abgeleitet

werden kann, muss ein Gerät der anderen Architektur die Konformität

in der Regel durch entsprechende Laborprüfungen belegen. In diesem

Sinne wird die höhere Performanz und Flexibilität eines Zwei-Komponenten-

Designs mit höheren Kosten und längerer Entwicklungszeit erkauft.

Der Bluetooth-Standard in den Versionen 1.2 bis 2.1 hat sich bereits als ausgezeichnete Basis für die Implementierung industrieller Funksysteme erwiesen. Im vergangenen Jahr hat die Bluetooth Special Interest Group mit den Versionen 3.0 und 4.0 wesentliche Erweiterungen am Standard vorgenommen. Ab Version 3.0 können Bluetooth-Geräte für höhere Datenraten von bis zu 24 Mbit/s temporär eine alternative physikalische Schicht (AMP – Alternate Physical and MAC layer) nach IEEE 802.11 aktivieren. Mit

Version 4.0 wurde dem Standard eine Spezi-fi kation für Betrieb mit besonders niedrigem Stromverbrauch (Low Energy – kurz LE) hinzugefügt, der von Bluetooth-Geräten als alleinige (single-mode) oder zusätzliche Betriebsart (dual-mode) unterstützt werden kann. Single-Mode Bluetooth-LE-Geräte lassen sich jahrelang von der Energie einer Knopfzelle betreiben, womit sich nun Appli-kationen bedienen lassen, die bislang eher Technologien nach IEEE 802.15.4 (ZigBee, WirelesssHART) vorbehalten waren.

Die Bluetooth-Versionen

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RobustheitDer Funkkanal im ISM-Band von 2,402

bis 2,480 GHz ist in realen Umgebungen

stets in gewissem Maß zeitvariant fre-

quenzselektiv. Auch ohne besondere Mo-

difi kation zeigt sich die Datenübertragung

mittels Bluetooth als extrem robust, was

überwiegend dem verwendeten Frequen-

cy Hopping Spread Spectrum (FHSS;

System wechselt nach einem pseudozu-

fälligen Muster bis zu 1600 Mal je Sekun-

de den Übertragungskanal) zu verdanken

ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass

auch in Umgebungen mit vielen aktiven

Störern und bewegten Objekten das Zu-

sammentreffen einer Störung mit der

Übertragung eines Pakets auf einem der

1 MHz breiten Kanäle nur selten eintritt

– und dann in der Regel auch nur dieses

eine Paket betrifft. Da verlorene Pakete im

Bluetooth-Basisband automatisch erneut

gesendet werden können, ist im Daten-

strom einer Ende-zu-Ende-Übertragung

lediglich mit einem kurzzeitigen Abfall

der Datenrate zu rechnen.

Um die Robustheit noch weiter zu stei-

gern, schränken bestimmte Komponen-

ten die Auswahl der im Bluetooth-Basis-

band verwendeten Pakettypen ein.

Dadurch kann die Modulation auf robus-

te GFSK (Gaussian Frequency Shift

Keying) und die Länge der Paketübertra-

gungen beschränkt werden. Ebenso lässt

sich sicherstellen, dass ausschließlich

Pakettypen inklusive fehlerkorrigieren-

dem Code zum Einsatz kommen, wo-

durch auch bei Eintreten von Störungen

mit hoher Wahrscheinlichkeit die Daten

restaurierbar sind und eine erneute Über-

tragung nicht nötig ist.

ZeitverhaltenZwar bietet das Bluetooth-Basisband

aufgrund der festen Zeitscheibenstruk-

tur bereits eine ausgezeichnete determi-

nistische Zeitbasis. Damit dies jedoch

auch für Ende-zu-Ende-Übertragungen

höherer Protokollschichten gilt, ist eine

dahingehend optimierte Hardware- und

Software-Architektur zu wählen.

Viele Applikationen des Consumer-

marktes werden unmittelbar als „system

on chip“ realisiert. Das heißt, es kommen

Chips zum Einsatz, die als Firmware be-

reits ein vollständiges Bluetooth-Anwen-

dungsprofi l wie beispielsweise PAN oder

SPP enthalten. Die gerätespezifi sche Ap-

plikation kann somit auf eine sehr kom-

fortable Schnittstelle zurückgreifen.

Ausgeführt wird diese innerhalb einer

virtuellen Maschine ebenfalls unmittel-

bar auf demselben Chip. Dies erlaubt

zwar sehr kurze Entwicklungszeiten für

Geräte für Standardanwendungen; ein

optimales Zeitverhalten ist mit diesem

Ansatz jedoch nicht zu erreichen.

Industrielle Designs teilen das Blue-

tooth-System dagegen oft in einen Host-

Controller (typischerweise ein leistungs-

starker ARM9-Controller) und einen

Basisband-Controller (beispielsweise ein

CSR BlueCore04). Letzterer wird in die-

sen Designs mit einer schlanken Firm-

ware betrieben, die lediglich die Kern-

protokolle und Treiber für die Abbildung

des sogenannten Host-Controller-Inter-

face (kurz: HCI) auf die physikalische

Schnittstelle zum Host – USB oder

UART – implementiert. Entsprechende

Module werden auf dem Markt als „HCI-

Module“ gehandelt.

Auf Seite des Host-Controllers wer-

den alle höheren Schichten des Blue-

tooth-Protokollstacks implementiert.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist

anstelle eines schlüsselfertigen Stan-

Consumergeräte beschränken optische Anzeigen oft auf eine einzelne LED, die wenig Rückschlüsse auf den Zustand erlaubt. Industrielle Systeme bieten dagegen oft mehrere Anzeige-Elemente zur Diagnose vor Ort. Hier im Beispiel ein Bluetooth-Piconet, bestehend aus einem Master und bis zu sieben aktiven Slaves. Abhängig von der eingestellten Rolle im Piconet (Master oder Slave) visualisieren die Geräte die jeweils wich-tigsten Statusinformationen über acht mehrfarbige LEDs. Der Master (links im Bild) zeigt neben seinem eigenen Status (LED 1) auch den Verbindungsstatus zu allen projektierten Slave-Geräten.

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Alexander Blumenröther

arbeitet als Ent-wicklungsingenieur bei Wago Kontakt -technik.

Dr. Andreas Vedral

ist Leiter der Ent-wicklungsabteilung bei Wago Kontakt-technik.

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der Bluetooth-Kernprotokolle ein pro-

prietärer Stack zu realisieren, der durch

geeignete Kontrollmechanismen (Traf-

fi c Shaping, Timeouts) deterministische

Durchlaufzeiten gewährleistet. Ebenso

darf sich die Implementierung der host-

seitigen L2CAP-Schicht nicht auf den

wenig deterministischen QoS-Typ „best

effort“ beschränken; eine vollwertige

Implementierung des QoS-Typs „guar-

anteed“ erlaubt den höheren Schichten

eine umfassende Kontrolle des Daten-

fl usses über die unteren Schichten bis

zum Basisband-Controller. Nicht zu-

letzt ist auch dieser geeignet zu para-

metrieren: Durch geschickte Wahl von

Puffergrößen und Sendekontingenten

werden Host- und Basisband-Controller

sowohl dem Datenaufkommen der An-

wendung als auch der Physik des HCI

angepasst.

Deterministik und DiagnoseNahezu alle Anpassungen, die Industrial

Bluetooth ausmachen, lassen sich unter

dem Überbegriff „deterministisches Ver-

halten“ zusammenfassen. Dies beinhaltet

genaue Vorhersagbarkeit von Zeitverhal-

ten, Erreichbarkeit und Datenrate. Unab-

hängig von der genauen Implementierung

eines Systems können jedoch grundsätz-

lich immer unvorhersagbare Ereignisse

eintreten, die eine Abweichung vom regu-

lären Betrieb erzwingen und den Daten-

austausch beeinträchtigen beziehungs-

weise abreißen lassen – beispielsweise

aufgrund eines Stromausfalles.

Während Ereignisse wie der Verlust

der Verbindung zur Gegenseite in Im-

plementierungen des Massenmarkts

teils erst nach mehreren Sekunden zur

Anzeige gebracht werden, zeichnen sich

industrielle Lösungen durch kontinuier-

liche Verbindungsüberwachung und

rasche, differenzierte Diagnose im

Fehlerfall aus. Anhand einer Diagnose-

meldung kann die übergeordnete Steue-

rung geeignet reagieren – beispielswei-

se indem das System FailSafe- oder

FailSoft-Prozeduren ausführt. Dies ist

insbesondere bei Anwendungen wich-

tig, in denen eine späte oder ausbleiben-

de Diagnose schwere Folgen für Mensch

und Mate rial haben würde, wie etwa bei

der Fernsteuerung von Kransystemen.

Aus diesem Grund betreiben solche

Geräte einen Verbindungsmonitor, der

auch dann fortlaufend die Verbin-

dung mit Kontroll über tragungen testet

und einen eingetretenen Verbindungs-

abriss in Sek undenbruch teilen feststel-

len kann, wenn keine Nutzdaten zu

übertragen sind. gh

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