Funkkommunikationsprotokolle für die industrielle Automatisierung

Die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) hat Maschinen mit mehr Intelligenz und automatisierte Anlagen mit mehr Effizienz und Flexibilität ausgestattet. Diese immer komplexer werdenden Systeme haben den Einsatz von drahtloser Kommunikation in industriellen Umgebungen vorangetrieben. Denn Industrie 4.0 definiert sich über intelligente Maschinen und modulare Automatisierung:

• Sichere und anpassungsfähige Steuernetzwerke
• Erfassung und kontinuierliche Anpassung der Produktionsprozesswerte
• Überwachung des Maschinenzustands für Routinen zur vorbeugenden Wartung
• Vernetzung für Big-Data-Analysefunktionen

Drahtlose Technologien, die diese Funktionen unterstützen, basieren auf den Standards und Protokollen für Mobilfunk, Wi-Fi, Bluetooth und IEEE 802.15.4. Das liegt zum Teil daran, dass Entwicklungsingenieure die Kompatibilität von Komponenten verschiedener Hersteller erwarten - was per Definition eine Vernetzung über Industriestandard-Schnittstellen und nicht über proprietäre Schnittstellen voraussetzt. Tatsächlich ist die Interoperabilität nur ein Aspekt von Industrie 4.0.

Abbildung 1: Die drahtlose Vernetzung ist der Schlüssel zur Koordination von Materialtransport und kollaborativen Roboteraufgaben. (Bildquelle: Getty Images)

Einzelne Geräte für die drahtlose Kommunikation sind in der Regel teurer als kabelgebundene Netzwerke. Diese höheren Anschaffungskosten werden jedoch auf verschiedene Weise ausgeglichen. Und drahtlose Geräte erweisen sich auf lange Sicht oft als die kostengünstigste Option. Das liegt daran, dass die Kosten für die Verlegung von Kabeln durch einen Produktionsbereich erheblich sein können. Die Planung der Verlegung von Kabeln und deren Anschlüssen ist aufwändig. Außerdem benötigen Kabel Schutz und physische Unterstützung durch Kabelrinnen oder -träger, und sie erfordern Anschlussdosen und anderes Zubehör. Das Planen, Bestellen und Installieren all dieser kabelgebundenen Hardware verlängert die Zeit für die Implementierung eines Netzwerks.

Wi-Fi-basierte Standards für die Automatisierung

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat 1997 den Standard 802.11 veröffentlicht, der die drahtlose Implementierung von lokalen Netzwerken (LANs) definiert. Um sicherzustellen, dass der Markt diesen Standard in vollem Umfang nutzt, folgte bald darauf das Industriekonsortium Wi-Fi Alliance - angeführt von Unternehmen für drahtlose Geräte, die daran interessiert waren, Test- und Zertifizierungsprogramme zu etablieren, um die Interoperabilität von Produkten zwischen verschiedenen Anbietern zu gewährleisten. Heute wird der Wi-Fi-Standard, wie er durch IEEE 802.11 definiert ist, durch zusätzliche Standardisierungen der Wi-Fi Alliance ergänzt, um eine besonders zuverlässige Kompatibilität von Geräten zu gewährleisten, die den Anforderungen entsprechen.

Abbildung 2: Industrie 4.0 (auch industrielles Internet der Dinge oder IIoT genannt) ist untrennbar mit dem Einsatz von Funktechnologien verbunden. Diese drahtlosen Technologien nutzen standardisierte Schnittstellen, um die Verbindung zwischen verschiedenen Geräten und Computersystemen zu ermöglichen. Dazu gehören mobile Geräte, die als Benutzerschnittstellen (HMIs) verwendet werden (wie hier gezeigt), sowie unzählige andere drahtlose Feldkomponenten, die den Maschinenstatus übermitteln. (Bildquelle: Getty Images)

Während Wi-Fi für die Überwachung von Anwendungen und die Anbindung von Maschinen an Unternehmenssysteme recht nützlich ist, haben die Geschwindigkeit, die Latenzzeit und die Probleme mit der Verbindungsstabilität von Wi-Fi seine Anwendung in anspruchsvollen industriellen Automatisierungsanwendungen im Zusammenhang mit Maschinensteuerungen eingeschränkt. Das hat dazu geführt, dass Wi-Fi in industriellen Anwendungen heute meist auf Anwendungen beschränkt ist, die ziemlich verzeihliche Anforderungen haben. Dazu gehören:

• Barcode-Scanner, die Daten an Fertigungssteuerungssysteme (MES) übermitteln, die ein oder zwei Sekunden Verzögerung verzeihen
• Bewegungssensoren, die nicht in Echtzeit-Steuerungsfunktionen involviert sind
• Langfristige Überwachung des Maschinenzustands mit Sensoren wie Beschleunigungssensoren (zur Verfolgung der Schwingungserzeugung über die Zeit) sowie Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits- und Gaskonzentrationssensoren zur Überwachung der Effizienz und des Zustands der Anlage

Abbildung 3: Obwohl für Maschinensteuerungen ungeeignet, ist Wi-Fi nützlich für Maschinenüberwachungsanwendungen und die Verbindung von Fabrikhallen mit Systemen auf Unternehmensebene. (Bildquelle: The Wi-Fi Alliance)

Es gab mehrere Versuche, Wi-Fi für industrielle Steuerungsanwendungen zu adaptieren, aber diese hatten nur begrenzten Erfolg. Ein Ausnahmeprotokoll, das einige erfolgreiche IIoT-Adaptionen aufweist, ist das Wireless Network for Industrial Automation and Process Automation (WIA-PA) - ein chinesischer industrieller Funkkommunikationsstandard.

Wi-Fi arbeitet entweder mit 2,4 oder 5 GHz. Höhere Frequenzen ermöglichen eine schnellere Datenübertragung, aber eine geringere Reichweite, da höhere Frequenzen beim Durchdringen von Wänden und anderen festen Objekten leichter abgeleitet werden. Spezialisierte Standards verwenden andere Frequenzbänder. Zum Beispiel arbeitet IEEE 802.11ah Low-Data Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) um 900 MHz, und wird normalerweise in Sensoren eingesetzt, die eine große Reichweite und einen sehr geringen Stromverbrauch benötigen. Das andere Extrem ist IEEE 802.11ad Wi-Fi (WiGig), das bei etwa 60 GHz arbeitet und eine sehr schnelle Datenübertragung ermöglicht.

Auf IEEE 802.15.4 basierende Funkstandards

Andere drahtlose Optionen sind drahtlose Personennetzwerke mit niedriger Rate oder LR-WPANs, die durch den Standard IEEE 802.15.4 definiert sind. LR-WPAN-Technologien priorisieren niedrige Kosten und geringen Stromverbrauch gegenüber Geschwindigkeit und Reichweite. Mit der Basisspezifikation, die Datenübertragungsraten von bis zu 250 kbit/s und Reichweiten von bis zu 10 m erlaubt, sollen Technologien, die LR-WPAN-Kommunikation verwenden, die Kommunikation zwischen kostengünstigen Geräten ohne zusätzliche Kommunikationsinfrastruktur ermöglichen. Protokolle, die auf dem Standard IEEE 802.15.4 basieren, wie z. B. 6LoWPAN, WirelessHART und ZigBee, werden schnell zu bevorzugten IIoT-Protokollen.

1. WirelessHART: Ein 802.15.4-basiertes Protokoll, das von der HART Communications Foundation, ABB, Siemens und anderen unterstützt wird, heißt WirelessHART. Dies ist ein gut unterstützter und robuster Standard für industrielle Automatisierungsanwendungen. Die Netzwerkzuverlässigkeit wird durch ein vermaschtes Frequenzsprung-Netzwerk mit Zeitsynchronisation aufrechterhalten. Im Gegensatz dazu verwenden die meisten drahtlosen Kommunikationsprotokolle, die auf Wi-Fi- und Mobilfunktechnologien basieren, eine weniger robuste sternförmige Netzwerktopologie, bei der sich alle Geräte mit einem zentralen Gerät verbinden müssen. Die gesamte Kommunikation wird mit 128-Bit-AES verschlüsselt, und der Benutzerzugriff kann streng kontrolliert werden.

Abbildung 4: Der SmartMesh-Netzwerkmanager LTP5903-WHR unterstützt leitungsgespeiste WirelessHART-Gateways, damit Ingenieure ein standardbasiertes drahtloses Sensornetzwerk für skalierbare bidirektionale Kommunikation integrieren können. (Bildquelle: Analog Devices)

Da WirelessHART eine vermaschte Topologie verwendet, können die Daten direkt zwischen den Geräten weitergeleitet werden. Dadurch kann die Reichweite des Netzwerks vergrößert und redundante Kommunikationswege gebildet werden. Auf diese Weise schaltet der Sender bei Ausfall eines Pfades automatisch auf einen redundanten Pfad um. Durch Frequenzsprünge kann WirelessHART zudem Probleme mit Interferenzen vermeiden.

2. 6LoWPAN: „IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks“ (allgemein 6LoWPAN genannt) ist ein Protokoll, das die Übertragung von IPv6-Paketen über ein IEEE802.15.4-basiertes Netzwerk ermöglicht. Das bedeutet, dass sich Geräte mit sehr geringem Stromverbrauch mit dem Internet verbinden können, wodurch es sich gut für IoT-Sensoren und andere Geräte mit geringem Stromverbrauch eignet.

3. ZigBee: Betreut von der Zigbee Alliance und am weitesten verbreitet in Smart-Home- und Gebäudeautomatisierungsanwendungen, ist ZigBee vielleicht das etablierteste IEEE802.15.4-basierte Protokoll. Es lässt die Knoten die meiste Zeit im Ruhezustand verbleiben, um die Lebensdauer der Batterie erheblich zu verlängern. ZigBee arbeitet typischerweise im 2,4-GHz-Band und hat eine feste Datenübertragungsrate von 250 kbit/sec. Es kann verschiedene Netzwerktopologien unterstützen, einschließlich Stern-, Baum- und Maschennetze. Baum- und Maschentopologien erweitern die Reichweite des Netzwerks.

Abbildung 5: Zigbee ist nützlich für (neben anderen Anwendungen) Bewegungs-, Vibrations-, Feuchtigkeits-, Temperatur- und Anwesenheitssensoren in industriellen Umgebungen. (Bildquelle: Zigbee Alliance)

Bluetooth-LE- und Mobilfunk-IoT in der industriellen Automatisierung

Bluetooth Low Energy (BLE) ist eine Alternative zu IEEE 802.15.4, bei der niedrige Kosten und geringer Stromverbrauch oberste Priorität haben und sowohl Geschwindigkeit als auch Reichweite geopfert werden können. Es arbeitet auf der gleichen 2,4-GHz-Frequenz wie Standard-Bluetooth. Der größte Vorteil von Bluetooth LE ist, dass es nativ von mobilen Betriebssystemen wie Android der Open Handset Alliance, iOS von Apple und verschiedenen Permutationen von Microsofts Windows unterstützt wird. Dies und die Tatsache, dass große Elektronikausrüster wie Logitech Corp. am meisten in Forschung und Entwicklung investiert haben, macht es nicht verwunderlich, dass Bluetooth LE immer noch in erster Linie eine drahtlose Verbindungsoption für Verbrauchergeräte ist. Dies steht im Gegensatz zu WirelessHART, das in erster Linie auf IIoT-Anwendungen ausgerichtet war und ist.

Abbildung 6: Der Standard Bluetooth Low Energy (BLE) verfügt über ein serielles Anschlussprofil, das von Systemen als vollwertige serielle Schnittstelle erkannt wird - nützlich, um kabelgebundene Geräte durch Upgrades zu ersetzen, die über BLE verbunden sind. (Bildquelle: Bluetooth Special Interest Group)

Trotzdem gab es in den letzten Jahren eine Reihe von Sensoren, Fernbedienungen, Schließsystemen und Handgeräten, die Bluetooth LE für industrielle Automatisierungsaufgaben nutzen. Dieser Trend wird sich in den kommenden Jahren wahrscheinlich noch verstärken.

Im Gegensatz zu BLE und IEEE802.15.4-basierten Protokollen für die energiesparende Kurzstrecken-Kommunikation handelt es sich bei Mobilfunktechnologien um drahtlose Langstrecken-Kommunikation. Das 2G-GSM-Mobilfunkprotokoll wurde größtenteils durch 3G- und 4G-Highspeed-Mobilfunkprotokolle abgelöst, die in Mobiltelefonen und IoT-Geräten weit verbreitet sind. Der Haken an der Sache ist, dass die Mobilfunkkommunikation einen erheblichen Stromverbrauch hat, so dass das System in industriellen Anwendungen (insbesondere für eine solche Vernetzung an Maschinen) an eine fest verkabelte Stromversorgung angeschlossen ist. LTE-Mobilfunkkategorien zeigen maximale Datenübertragungsraten an - allerdings auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs. LTE-Cat-0- und -Cat-1-Vernetzung sind für IoT-Geräte geeignet. Im Gegensatz dazu ist LTE-M ein energiesparendes Mobilfunkprotokoll, das speziell für Maschine-zu-Maschine- und IoT-Anwendungen entwickelt wurde.

Im Gegensatz zum relativ weit verbreiteten Einsatz in Mobiltelefonen sind industrielle 5G-Anwendungen weniger ausgereift. Das liegt daran, dass Verbraucher Download-Geschwindigkeiten priorisieren (und daher schnell 5G-Einführungsgeräte übernommen haben) und Ingenieure von IIoT-Systemen niedrige Latenzzeiten und flächendeckende Abdeckung priorisieren. In der Tat ist eine niedrige Latenzzeit in der industriellen Automatisierung von höchster Bedeutung. Es stimmt, dass die ersten 5G-Netze die Latenz auf unter 30 ms halten, aber es gibt Bestrebungen, die Latenz weiter auf nur 1 ms zu senken. Das ist schnell genug für anspruchsvolle industrielle Echtzeit-Steuerungsanwendungen (nicht nur Überwachung) - wie z.B. die Übertragung von Rückmeldesignalen in Werkzeugmaschinen.

Eine Möglichkeit, wie 5G die Latenzzeit reduziert, ist das Network Slicing. Bei dieser Netzwerktechnik wird die Bandbreite eines Netzwerks in verschiedene virtuelle Spuren aufgeteilt, die dann individuell verwaltet werden. Einige Spuren sind für Übertragungen mit geringer Latenz reserviert - der meiste Verkehr darf diese Spuren nicht benutzen. Nur noch industrielle Steuerungsanwendungen, die die schnellste Übertragung benötigen, dürfen diese reservierten schnellen Spuren nutzen.

Der Aufstieg des LoRa-Funkprotokolls

LoRA (Long-Range Wide-Area Network Modulation) ist das kostengünstige Funkprotokoll der Wahl für Remote- und Offshore-Anwendungen in den Bereichen erneuerbare Energien, Bergbau und Logistik. Es handelt sich um eine stromsparende Funktechnologie, die über sehr große Reichweiten - sogar bis über 10 km - mit einer Batterie bis zu 10 Jahre lang kommunizieren kann. Kurz gesagt, LoRA ist eine nicht für den Mobilfunk ausgelegte Technologie, die in lizenzfreien Frequenzbändern arbeitet. Es verwendet Sub-Gigahertz-Frequenzbänder wie 433 und 915 MHz und eine Spreizspektrummodulation auf Basis der Chirp-Spreizspektrum-Modulation (CSS). Dadurch eignet es sich sehr gut für IoT-Geräte an abgelegenen Standorten, die nur geringe Datenübertragungsraten benötigen. LoRA verfügt außerdem über eine 128-Bit-Verschlüsselung und Authentifizierungskontrollen. Eine weitere nützliche Funktion (insbesondere für Sensoren in IIoT-Anwendungen) ist die Geolokalisierung mittels Trilateration zwischen Geräten.

LoRA verwendet proprietäre Technologien, die von der Semtech Corp. entwickelt wurden, verfügt aber über eine Vielzahl von Open-Source-Elementen. Unterstützt (und die Interoperabilität der Geräte sichergestellt) wird es von der LoRa Alliance - einer großen Vereinigung, zu der IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom und Semtech gehören.

Fazit

Funkprotokolle für die industrielle Automatisierung gibt es viele. Jede ist für bestimmte Anwendungen geeignet. Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch erfordern und Übertragungen mit kurzer Reichweite akzeptieren, profitieren oft von der Einbeziehung von ZigBee- und Bluetooth-LE-Vernetzung. Anspruchsvollere industrielle Anwendungen, die eine robuste Kommunikation erfordern, können Geräte mit WirelessHART-Funkverbindungen erforderlich machen. Anwendungen, die eine hohe Datenübertragungsrate über große Entfernungen erfordern, machen Mobilfunk erforderlich. Hier ist 5G in der Lage, die drahtlose Kommunikation zu verändern. Die Kommunikation von Daten über sehr große Entfernungen (und mit minimalem Stromverbrauch) funktioniert oft am besten über LoRa.