ZigBee TMTTMMTM ---- ein Standard kommt - vdi.de · PDF fileDr. Dirk Steinmüller 7.06...

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Dr. Dirk Steinmüller 7.06

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

MarkennameStandard

ZigBee TM

802.15.4GSM /GPRS Wi-Fi TM

802.11bBluetooth TM

802.15.1

Anwendung Steuern / Überwachen / Automatisieren

Weltweite Daten- und Sprach-

kommunikationWeb, Email, Video Kabelersatz

Protokollstack 10 - 32 KB 16 MB+ 1MB+ 250KB+

Übertragungsrate (KB/s)

20 - 250 64 - 128+ 11.000+ 720

Netzteilnehmer Über 65.000 1 32 7

Funkdistanz (m) 100+ 1.000+ 100 10+

Batterielebens-dauer (Tage)

100-1.000+ 1-7 0,5-5 1-7

VorteileZuverlässigkeit, Kosten,

geringer Energieverbrauch

Reichweite Schnelligkeit, Flexibilität Kosten, Bequemlichkeit

MarkennameStandard

ZigBee TM

802.15.4GSM /GPRS Wi-Fi TM

802.11bBluetooth TM

802.15.1

Anwendung Steuern / Überwachen / Automatisieren

Weltweite Daten- und Sprach-

kommunikationWeb, Email, Video Kabelersatz

Protokollstack 10 - 32 KB 16 MB+ 1MB+ 250KB+

Übertragungsrate (KB/s)

20 - 250 64 - 128+ 11.000+ 720

Netzteilnehmer Über 65.000 1 32 7

Funkdistanz (m) 100+ 1.000+ 100 10+

Batterielebens-dauer (Tage)

100-1.000+ 1-7 0,5-5 1-7

VorteileZuverlässigkeit, 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


� Ausgeprägte „Schlafphase“� Kurze Netzwerkaufnahmezeit � Kurze Aufwachzeit � Kurze Übertragungsdauer � Langer Spreizcode

� höhere Sicherheit � geringerer

Energiebedarf

Geringer Energiebedarf


Topologien für die Prozeßautomatisierung

PAN personal area network

100 m

Stern

100 m

100 m

100 m

100

m

100 m

self healing network

Netz


Zuverlässigkeit (safety)� Überprüfung vor dem Senden,

ob der Kanal frei ist� CRC Telegrammsicherung� Empfangsbestätigung der Pakete� Paketwiederholungen

Safe & Secure

Geschützte Daten (security)� 128 Bit AES (advanced

encryption standard) Verschlüsselung (NIST approved)


Die messtechnischen Komponenten

Prozeß-analysengerät

ComFu® C ComFu® E


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

� Batterielebensdauer ca. 1 Jahr

ComFu ® E (End device)

� Standard-Batterien Mignon AA


ComFu® E : Die Prozeßvarianten

� Kompaktversion

� Abgesetzte Version mit Standardverbindungkompatibel mit allen gängigen Armaturen


Flexibel, modular und kompatibel

� Modulpatrone analog plus digitaler Speicher� pH, Redox, Oxy, LF

� Modulpatrone analog

� Modulpatrone digital®


ComFu®: Der Mehrkanalbetrieb

1 x RS 485


ComFu® : Technische Daten

Batterien: 8 x Mignon Typ AASpannungsversorgung: 2.8 V Stromverbrauch RX 28 mA

TX 42 mA Ausgangsleistung moduliert 0 dBmAusgangsleistung nominal 10 dBmEingangsempfindlichkeit -95 dBmDatenrate 250 kBit/s Frequenzbereich 2,4...2,485 GHz Nutzbare Kanalzahl 16Verschlüsselung AES 128 bitReichweite Freifeld: 400 m Antennentyp: Lambda/2, Dipol, omnidirektionalZigbee- 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

Zone 1Ex- freie Zone

Zon

e 0


Alle Komponenten Ex-geschützt verfügbar

Zone 1Zone 1

Zon

e 0


Open system network(Ethernet)

Profibus-Controller

Profibus DP

PA-Koppler/Link

Profibus PA

Profibus PA

Die Einbindung in offene Feldbusstrukturen


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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300

Entfernung (m)

Sig

nalp

egel

(%

)


Bisherige Anwendungen in der Prozeßindustrie < 0,1 %

Schwer erreichbare Anlagen ohne Personal

Langsame Durchdringung

Entfernte AssetsDezentraler

Lagerbestand

Quelle: Emerson

Ungenutzte Diagnose


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


Quelle: Emerson

Was zählt


Knick Elektronische MessgeräteGmbH & Co. KGBeuckestraße 22D-14163 BerlinP.O. Box 37 04 15D-14134 BerlinTel: +49 (0)30 801 91-0Fax: +49 (0)30 801 [email protected]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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