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Industrial Wireless

Gute Gründe für den Einsatz drahtloser Technologie

Eine durchgängige Datenkommunikation von den Automatisierungssystemen im Feld (Operational Technology, OT) bis in die industriellen IT-Systeme (IT) ist zwingende Voraussetzung für die Realisierung innovativer Automatisierungssysteme wie Industrie 4.0 (I4.0) sowie für das industrielle Internet der Dinge (IIoT).
Im Vergleich zu den kabelbasierten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Netzwerken ist der Anteil der Wireless-Netzwerke in der Industrie noch gering; die Nachfrage steigt jedoch stetig. Bisher werden sie meist nur als Punkt-zu-Punkt-Kabelersatz in Anwendungen mit rotierenden oder beweglichen Teilen eingesetzt.

Doch die modernen funkbasierten Netzwerke können weit mehr. Im Umfeld von I4.0 und IIoT entstehen neue Maschinen- und Bedienkonzepte, bei denen die Wireless-Technologien die Grundlage für den drahtlosen Zugang in das Automatisierungssystem und zu den verdrahteten Komponenten im industriellen Netzwerk darstellen. In diesen Anwendungen übernehmen die Funk-Gateways die Funktion eines WLAN- oder Bluetooth-Access Points und bieten so die Möglichkeit, mehrere Funkteilnehmer gleichzeitig in das Netzwerk einzubinden.

Für den Einsatz drahtloser Technologie anstelle der herkömmlichen Verkabelung gibt es vielfältige Ansatzpunkte:

  • Mehr Mobilität und Bewegungsfreiheit.
  • Überbrückung großer Entfernungen und Anwendungen, bei denen Kabel ein Problem darstellen (z.B. bei rotativen Bewegungen).
  • Eliminierung teurer und wartungsintensiver Verkabelungen
  • Verschleißfreie und performante Datenübertragung.
  • Schnelle und einfache Installation sowie Inbetriebnahme.
  • Hohe Flexibilität bei der Änderung einer Anlage.
  • Erhöhte Personensicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen (z.B. beim Besteigen eines Krans) durch die Steuerungsmöglichkeit aus größerer Entfernung als bei einem Kabel.
  • Einfache Integration von Geräten in Netzwerke.
  • Endgeräteunabhängiger Zugriff (Tablet, Smartphone) auf HMI

Welche drahtlose Technologie ist die beste Wahl ?

Eine Funktechnologie allein kann nicht alle Funktionen und Stärken bieten, die den spezifischen Anforderungen unterschiedlichster Anwendungen gerecht werden.

Daher gibt es mehrere standardisierte Wireless-Technologien, wie WLAN (auch als WiFi bezeichnet), Classic Bluetooth und Bluetooth Low Energy (auch Bluetooth 4.0), sowie einige proprietäre Technologien, und es gilt, den für die jeweilige Situation am besten geeigneten Standard auszuwählen. Spezielle Anforderungen können beispielsweise hoher Datendurchsatz, maximale Robustheit, bestmögliches Echtzeitverhalten oder geringer Energiebedarf sein.

WLAN oder Bluetooth ?

Als Faustregel lässt sich festhalten: Bluetooth ist die richtige Wahl, wenn Robustheit und Stabilität der Verbindung die wesentlichen Kriterien sind. WLAN ist die richtige Wahl, wenn es auf einen hohen Datendurchsatz ankommt.

  • WLAN wird häufig für die Produktionsplanung und Datenerfassung sowie für Anwendungen mit schnellem Roaming eingesetzt.
  • Bluetooth wird häufig für Human Machine Interfaces (HMI), Programmierung, Service/Wartung und Echtzeit eingesetzt.
  • In den letzten Jahren setzen sich zunehmend andere Technologien durch, wie z. B. Bluetooth Low Energy, wenn Sensoren, Aktoren und andere kleine Geräte miteinander verbunden werden.

Wireless-Kommunikation im industriellen Einsatz

… bestimmende Trends

Drei Themenfelder bestimmen maßgeblich den industriellen Einsatz der Wireless-Kommunikation:
  • Bring Your Own Device (BYOD)
  • Machine Health
  • Cyber Security und Safety

Bring Your Own Device (BYOD)

… Tablets und Smartphones als mobile HMI

Das Schlagwort „Bring Your Own Device“ (BYOD) beschreibt den Trend, bei dem Smart Devices wie Tablets oder Smartphones genutzt werden, um Maschinen zu parametrieren, zu bedienen und Diagnosedaten abzufragen. Tablets und Smartphones bringen standardmäßig Wireless-Technologie mit und bieten Visualisierungsmöglichkeiten ähnlich wie klassische HMI. Was ist da naheliegender als Smart Devices als mobile HMI einzusetzen? Typische Abfragen, wie der aktuelle Betriebszustand der Maschine, Produktionsstückzahlen oder Diagnosedaten, werden beim „BYOD“-Konzept nicht über oft teure, fest installierte HMI erledigt, sondern über das Smart Device. Dies führt bei verketteten Systemen, wie beispielsweise Druck- und Verpackungsmaschinen, zu einer Kostenreduktion. Wo bisher für jede Einzelmaschine des verketteten Systems ein teures, fest installiertes HMI notwendig war, kann der Techniker über sein Tablet oder Smartphone „im Vorbeilaufen“ direkt auf jede Einzelmaschine zugreifen.

Machine Health

… Maschinen auf Herz und Nieren prüfen

Das Schlagwort „Machine Health“ charakterisiert den Trend, bei dem kleinste Sensoren und Aktoren zusätzliche Daten sammeln. Diese kleinen, häufig batteriebetriebenen Sensoren nutzen die Technologie Bluetooth 4.0, die oft auch als Bluetooth Low Energy oder Bluetooth Smart bezeichnet wird. Die so gewonnenen Sensordaten erlauben dem Betreiber eine bessere Beurteilung des dynamischen Verhaltens und des Materialverschleißes der Maschine und helfen so Stillstandszeiten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit der Anlage zu erhöhen. Die batteriebetriebenen Sensoren können an jeder beliebigen Stelle – auch schwer zugänglichen Stellen – der Maschine montiert werden und messen Druck, Verschleiß, Vibration, Temperatur etc. und eröffnen neue Möglichkeiten für die Diagnose und vorausschauende Wartung. Die Übertragung der gesammelten Maschinendaten an das Automatisierungssystem ist bei diesen Kleinstgeräten aufgrund ihrer Position an der Maschine oder ihrer Größe i. d. R. nur über Wireless-Technologien, wie Bluetooth Low Energy, möglich.

Cyber Security

… Sicherheitsaspekte

Mit der steigenden Vernetzung der Geräte wird die IT-Sicherheit zum Schlüsselfaktor. Durch das Öffnen eines ehemals geschlossenen Systems für Smart Devices wächst die Gefahr unberechtigter Zugriffe. Einhergehend mit dem Einsatz der Wireless-Netzwerke und der Anbindung der Systeme an die industriellen Clouds kommt dem Thema Cyber Security wachsende Bedeutung zu. Unternehmen müssen diese Risiken identifizieren, bewerten und geeignete Maßnahmen ergreifen. Verschlüsselung, Passwort-Schutz, mehrstufige Sicherheitskonzepte sind hier die gängigen Schlagworte.

Bluetooth Grundlagen

Classic Blueooth nach IEEE 802.15.1 wurde 1998 eingeführt und ist gut geeignet für die drahtlose Integration von Automatisierungsgeräten in Serie, Feldbus- und Ethernet-Netzwerke. Die Bluetooth-Technologie eignet sich besonders für Geräte bzw. Applikationen mit hohen Sicherheitsanforderungen. Bluetooth-Geräte benötigen i. d. R. wenig Platz, haben einen geringen Stromverbrauch und sind somit sehr kosteneffizient.

Bluetooth Technologie-Merkmale

  • Reichweiten von 10 Meter bis über 300 Meter (Long-Range-Modul).
  • Zyklische und schnelle Übertragung kleinerer Datenpakete.
  • Datendurchsatz von maximal 780 kbit/s brutto (bis zu ~ 700 kbit/s netto).
  • Mit Bluetooth v4.0 + EDR (Enhanced Data Rate) beträgt der Datendurchsatz 2,1 Mbit/s brutto (ca. 1,5 Mbit/s netto).
  • Latenzzeit von 5 ms bis 10 ms.
  • 128-Bit-Verschlüsselung bietet Schutz vor Lauschangriffen.
  • Hohe Systemdichte – mehrere drahtlose Geräte können in der gleichen Funkumgebung angeschlossen werden und einwandfrei arbeiten.
  • Robustes Übertragungskonzept, mit Funktionen wie „Adaptive Frequency Hopping“ (AFH), „Forward ErrorCorrection“ (FEC) sowie schmalen Frequenzkanälen und geringer Empfindlichkeit gegenüber Reflexionen / Multi-Pathing
  • Hohe Verfügbarkeit in Verbraucherprodukten (Smartphones, Tablets, Laptops usw.).

Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (auch: „Bluetooth 4.0/5.0“; früher als „Bluetooth Smart“ vermarktet) wurde 2011 eingeführt. Die Technologie hat einige wichtige Einschränkungen aber auch Vorteile und unterscheidet sich deutlich von anderen (Funk-)Technologien.

  • Bluetooth Low Energy ist ideal für die episodische oder periodische Übertragung kleiner Datenmengen.
  • In einer Bluetooth-Anwendung, in der Streaming-Daten verwendet werden, ist das klassische Bluetooth zu bevorzugen, da sie einen wesentlich höheren Durchsatz erreicht.

Wireless LAN (WLAN) Grundlagen

Wireless LAN (IEEE 802.11) ist gut geeignet für die Überwachung, Konfiguration und Datenerfassung, kann aber auch verwendet werden für zeitkritische Übertragungen in den gleichen Anwendungen. Darüber hinaus ist die eingebaute Roaming-Funktionalität nützlich für Anwendungen in der Fabrikautomation mit mobilen Maschinen und Fahrzeugen.

WLAN Technologie-Merkmale

  • Im 2,4-GHz-Band beträgt die typische Reichweite 200 m; bis zu 500 Meter bei freier Sicht; Sichtverbindung (engl. „line-of-sight“; kurz: LOS).
  • Im 5-GHz-Band (802.11a) beträgt die Reichweite etwa 50 Meter; bei freier Sicht bis zu 150 Meter.
  • Hindernisse und Störungen können die Reichweite erheblich beinträchtigen.
  • Datendurchsatz von 11 bis 54 Mbit/s brutto (~ 5 bis 25 Mbit/s netto) für IEEE 802.11b/g und 300 Mbit/s brutto (~ 70 Mbit/s netto) für IEEE 802.11n.
  • Sicherheitsstandards: WEP, WPA, WPA2, TKIP und PSK EAP.
  • IEEE 802.11a arbeitet im 5-GHz-Band und bietet 19 nicht überlappende Kanäle.

Der Unterschied zwischen 2,4 GHz und 5 GHz WLAN

Da der Einsatz von Funktechnologien im 2,4 GHz-Band zunimmt, können Interferenzprobleme auftreten. Um sicherzustellen, dass die Wireless-Lösung robust und zuverlässig ist, nutzen Unternehmen häufig das 2,4-GHz-Band für Büro/IT und das 5-GHz-Band für die Fertigung und M2M-Kommunikation.

WLAN-Geräte nach IEEE 802.11b/g nutzen das 2,4 GHz Frequenzband (2,412 - 2,472 GHz) und Geräte nach IEEE802.11a das 5 GHz Frequenzband (5,180 - 5,825 GHz).

Geräte nach IEEE 802.11n können in folgenden Frequenzbändern eingesetzt werden:

  • Das 2,4 GHz ISM-Band bietet 13 überlappende Kanäle, die gleichmäßig über die Frequenzen verteilt sind, sowie einen 14. Kanal (mit der Mittenfrequenz 2,484 GHz) in Japan. Dadurch stehen nur noch drei nicht überlappende Kanäle zur Verfügung. Zudem ist es nicht ratsam das 2,4 GHz-Band in Umgebungen zu verwenden, in denen mit Mikrowellen gearbeitet wird (z.B. wie bei der Vulkanisation von Gummi, bei der Holztrocknung oder bei der Beschleunigung von chemischen Prozessen).
  • Das 5 GHz ISM-Band ist in Unterbänder unterteilt, die als U-NII-Bänder (Unlicensed National Information Infrastructure) bezeichnet werden und in der Regel als U-NII-1, U-NII-2, U-NII-2e und U-NII-3 bezeichnet werden, wobei U-NII-3 nicht weltweit verfügbar ist. Insgesamt ergeben sich damit 23 nicht überlappende Kanäle, von denen vier standortabhängigen Einschränkungen unterliegen.

Der kompakte Wireless Bolt

Wireless-Accesspoint und -Client für den drahtlosen Zugriff auf Maschinen via Bluetooth® oder WLAN. Der Wireless Bolt ermöglicht es Ihnen Maschinen mit drahtlosen Netzwerken zu verbinden.

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