Drahtlose Sensoren für mobile Maschinen

Das 2.4 GHz-Band bietet derzeit den besten lizenzfreien Kompromiss aus Reichweite und Übertragungsrate. Trotz der Vielzahl unterschiedlicher Protokollfamilien wie Wi-Fi, Bluetooth, WirelessHART, ZigBee etc. reduziert sich die Auswahl an echten physikalischen Schnittstellen schnell auf drei Funkstandards: IEEE 802.11, IEEE 802.15.1 sowie IEEE 802.15.4.

IEEE 802.11 basierte Systeme ermöglichen eine sehr hohe Datentransferrate mit akzeptabler Reichweite, der Energieverbrauch jedoch ist sehr hoch.

Der IEEE 802.15.1 Funkstandard wird von der Bluetooth-Technologie genutzt und überträgt Daten über sehr kurze Entfernungen von ca. 10 m mit niedrigem Energieverbrauch. Unter Nutzung der Geräteklasse 1 mit max. 100 mW Sendeleistung werden Reichweiten von bis zu 100 m erzielt, der Energieverbrauch ist entsprechend höher. Nachteile von Bluetooth sind die komplexe Profilstruktur und die Beschränkung auf 8 aktive Teilnehmer pro Netzwerkzelle.

Hirschmann-Lösung

Die kabellosen Sensoren und Systeme der Hirschmann Automation and Control GmbH nutzen für die Funkübertragung die unteren ZigBee Layer gemäß IEEE 802.15.4.

Dieser Funkstandard beschränkt sich auf die unregelmäßige Übertragung kleinerer Datenpakete bei extrem niedrigem Energieverbrauch: Die angeschlossenen Knoten (bis zu 254 pro Netzwerk) bleiben über lange Zeit inaktiv und können bei Bedarf in sehr kurzer Zeit vom so genannten Schlafmodus in den aktiven Modus wechseln. Während Bluetooth-Knoten dafür 3 bis 10 Sekunden Zeit benötigen, können ZigBee-Knoten in weniger als 15 Millisekunden wieder auf Sendung sein. Als Modulationsverfahren wird eine Quadraturphasenumtastung (DSSS/QPSK) verwendet.

Die Freifeldreichweite eines kabellosen Sensorsystems von Hirschmann liegt bei bis zu 300 m. Im mobilen Maschineneinsatz liegt die maximal sicher nutzbare Netzausdehnung bei ca. 50 m, unter Berücksichtigung möglicher Reflexionen an metallischen Teilen sowie Störungen durch andere Systeme.

Multi-Sensor-Anzeige iSCOUT PRS85

Die Bedienkonsole iSCOUT PRS85 von Hirschmann ist eine Multi-Sensor-Anzeige mit integriertem Grafikdisplay. Bis zu 7 Sensoren können über das Display mit individuellen Alarmeinstellungen konfiguriert werden. Aktuelle Kraft-, Winkel- und Windsensorwerte werden unter anderem in Prozent des Maximalwertes angezeigt. Im Falle einer Überschreitung dieser Maximalwerte kann eine Systemabschaltung oder externe Alarmierung über ein eingebautes Relais realisiert werden. Zusätzlich führt das System einen zyklischen Health Check durch und zeigt die Batterierestkapazitäten aller angeschlossenen Sensoren an.

Transceiver-Module für CANopen-Betrieb

Für den Fall, dass Funksensoren über CANopen an einen Systembus angeschlossen werden sollen, stellt das Transceiver-Modul iFLEX TRS10 die entsprechende Schnittstelle für jeweils vier Verbindungen zur Verfügung. Die Sensordaten werden transparent übersetzt. Damit verhalten sich die Sensoren wie virtuelle CAN-Knoten, deren Werte als direkte Nutzdaten zur Verfügung stehen. Auch die Konfiguration des Sensornetzwerkes erfolgt in diesem Fall über den CAN-Systembus. Eine Umsetzung der Funksensorwerte in Strom- oder Spannungswerte zum Anschluss an analoge Steuerungsschnittstellen ist mit Hilfe des Transceivers iFLEX TRS14 ebenfalls möglich.

Wenig Energieverbrauch mit hoher Sicherheit

Bei der Verwendung von kabellosen Sensoren besteht eine grundlegende Anforderung darin, den Batterien eine hohe Batterielebensdauer zu ermöglichen. Die typischen Arbeitsabläufe von Kranen sind hier sehr hilfreich: Dynamische Phasen mit starken Messwertänderungen für Kräfte und Bewegungen im Wechsel mit längeren Stillstandszeiten bzw. Zeiten mit statischer Belastung. Im Gegensatz zur statischen Belastung müssen gerade im dynamischen Betrieb möglichst viele Messwerte pro Zeiteinheit übertragen werden, um große Sprünge, z.B. in der Lastmomentberechnung, zu vermeiden.

Der Zielkonflikt zwischen Batterielebensdauer und Sendezyklus wurde von Hirschmann gelöst, indem jeder Sensor den Sendezyklus anhand der aktuellen Messwertänderungen eigenständig anpasst. Im Ergebnis: Je dynamischer sich ein Prozess verhält, umso kürzer wird der Sendezyklus. Der Sensor aktualisiert seine Daten aktiv und eigenständig, die Messwerte werden nicht sequenziell abgefragt.

Durchschnittliche Ansprechzeit: 15 ms

Das Auslösen des Hubendschalters an einem Kran stellt eine der zeitkritischsten Messwertänderungen dar. Bei umfangreichen Tests lagen die mit Systemen von Hirschmann gemessenen Ansprechzeiten im Bereich von 7 ms bis 50 ms. Die häufigsten Werte bewegten sich im Intervall von 12 ms bis 22 ms. Die durchschnittliche Ansprechzeit lag bei 15 ms.