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Funkprotokolle in der Automatisierungstechnik: Mit welchen Standards funkt(ioniert) Industrie 4.0?

Bei der Umsetzung der Industrie 4.0 wird neben Gigabit-Leitungen die Funktechnik auch im Industrieumfeld verstärkt Einzug halten. Die Frage ist nicht mehr ob, sondern womit und bis wann Funk­integrationen umgesetzt werden. Hier die wichtigsten Antworten. Die Standards zur Funkübertragung von Mess- und Steuerdaten haben sich enorm weiterentwickelt, was auch die letzten Kritiker mit Aussagen wie »Unsere Anlage muss laufen – da ist Funk zu unsicher« zum Umdenken bewegt. Doch welcher Standard am geeignetsten ist, hängt von der Anwendung ab.

Feldebene I: Nah am Werkstück, aber bitte flexibel, autark und wartungsfrei

Bei neueren Produktionsstraßen fallen erste Sensoren und Aktoren auf, die ohne Kabel und Schleifkontakte auskommen. Sie lassen sich flexibel einsetzen und ermöglichen völlig neue Bewegungsabläufe in Fertigungsprozessen. Bisher war ein leerer Akku, der die Produktion stilllegt, häufigster Grund, auf solche Lösungen zu verzichten. Inzwischen haben sich energieautarke Sensoren und Aktoren bewährt. Bei ihnen wandeln Energy-Harvesting-Module Bewegungsenergie, Umgebungslichtenergie oder Wärmeunterschiede in genügend elektrische Energie, um zuverlässig Datenpakete über Kurzstreckenfunkverbindungen bis zu einigen hundert Meter senden zu können. Ein lokaler Energiespeicher sichert die störungsfreie Funktionalität über Wochen, falls einmal nicht genug Energie aus der Umgebung geerntet werden kann. Für die Vernetzung der Sensoren und Aktoren stehen neben dem Sub-GHz-Protokoll EnOcean auch Bluetooth 5 und ZigBee 3.0 im 2,4-GHz-Band zur Verfügung.

Die ZigBee Alliance scheint aus Fehlern der Vergangenheit gelernt zu haben. So findet die Version 3.0 nicht nur großen Anklang beim Einsatz von Amazon Echo, Philips Hue, Ikea Trådfri und Osram Lightfy, sondern aufgrund seiner Spezifikationen auch in der professionellen Industrie. Für den Einsatz von Energy-Harvesting mit ZigBee bietet sich eine abgestimmte Modulkombination von EnOcean an. Die Funkeinheit basiert - wie der Funkstack - auf einem Halbleiter von Nordic Semiconductor.

Für einfache P2P-Verbindungen oder die Interaktion mit einem Smartphone, Tablet oder Laptop kann ebenso Bluetooth völlig energieautark zum Einsatz kommen.

Wer mehr Reichweite möchte oder wem das 2,4-GHz-Band auf dem Werksgelände gemäß Frequenznutzungsplan untersagt ist, der findet im EnOcean-Protokoll der EnOcean Alliance eine erprobte Alternative. Auch hier kommen die Module für Energiewandlung und Funkkommunikation von EnOcean zum Einsatz. Rutronik arbeitet als Distributor sowohl mit der EnOcean GmbH und der EnOcean Alliance als auch mit Nordic Semiconductor zusammen. Dadurch erhalten Entwickler auch bei softwarespezifischen Adaptionen und bei komplexeren Problemen firmenübergreifend Unterstützung.


Feldebene II: Immer auf Empfang - die Vollvernetzung in der Werkshalle

Was bei der Verbindung von einem Sensor oder Aktor zum Gateway, Hub oder zu einer Edge-Recheneinheit eine perfekte - weil wartungsfreie und ungebundene - Lösung darstellt, kommt bei größeren und komplexeren Netzwerken schnell an seine Grenzen. Besonders in nicht zeitsynchronisierten Maschentopologien muss jeder Funkknoten stets auf Empfang sein, um ankommende Datenpakete zu empfangen und ihre zeitnahe Weiterverarbeitung sicherzustellen. Hierfür müssen permanente und stärkere Energiezulieferer genutzt werden. Bei stationären Funkknoten bieten sich verdrahtete Stromquellen an, für "schwebende" Funkknoten ist die Airfuel-Ladetechnik die bewegliche Alternative, die erheblich mehr Bewegungsspielraum erlaubt als die Qi-Ladetechnik. Bester Kompromiss für verschiedene Anforderungen ist meist die klassische Batterie.

Viele Funkstandards, etwa Bluetooth Mesh, WiFi Mesh und ANT Blaze, haben eine Historie auf Basis einer Sterntopologie und bieten seit wenigen Jahren auch Maschentopologien an. ZigBee, Threat und einige weitere wurden von Beginn an für Vollmaschenkommunikation ausgelegt. Während WiFi Mesh praktisch nicht ohne feste Stromversorgung auskommt, können alle anderen genannten Maschensysteme über Monate mit einer Akkuladung betrieben werden.

Im Gegensatz zum häuslichen Bereich, wo ZigBee die LED-Leuchtmittel ansteuert, zeichnet sich ab, dass das ungeroutete Bluetooth Mesh bei industriellen Lichtsystemen in Lager- und Produktionshallen, Großraumbüros und Fluren zum Maß aller Dinge wird. Anders als beim üblichen, gezielten Routing der Datenpakete sorgt die Datendurchflutung hier für besonders schnelle Reaktions- und Durchlaufzeiten. Smartphone & Co lassen sich trotzdem in das Netzwerk einbinden, was ein weiterer großer Vorteil gegenüber anderen Funkstandards ist, die via Router den Weg zum IT-Equipment finden müssen.

Bluetooth Mesh ist als Zwischenlayer zu verstehen, der theoretisch auf sämtlicher Bluetooth-4.0-Hardware aufgesetzt werden kann. Aufgrund der neuesten Preisgestaltung der Bluetooth Special Interest Group ist es jedoch sinnvoll, bei Neuentwicklungen besser moderne Bluetooth-5- oder -5.1-Hardware zu nutzen. Halbleiter mit entsprechenden Stacks bietet Rutronik von STMicroelectronics, Nordic Semiconductor und Toshiba an. Wer eine Lösung mit integrierter Hochfrequenzbeschaltung und Zertifizierungen bevorzugt, kann aus den Bluetooth-Mesh-Modulen von Insight SiP, Garmin, Panasonic, Murata, Telit, Fujitsu und Minew wählen.


Feldebene III: Außer Sichtweite, aber eng verbunden

Für Umschlagplätze wie Logistikzentren, Bahnhöfe oder Häfen ist Langstreckenfunk das Mittel der Wahl. Unter den Technologien, die öffentliche und lizenzfreie ISM-Bänder nutzen, hat sich LoRa in den meisten zentraleuropäischen Ländern durchgesetzt. Vor allem Frankreich und die Niederlande setzen dank gutem Netzausbau überwiegend auf Sigfox.

2019 begann jedoch eine Trendwende: Die 4G-Standards Cat M1 und Cat NB1 für Narrowband-IoT wurden - abhängig von Region und Applikation - zum Teil sehr stark angenommen, erste Testphasen sind schon in Massenproduktionen übergegangen. Während sich LTE-M für Tracking-Anwendungen mit Zellwechsel anbietet, unterbietet LTE NB1 den Energiebedarf nochmals deutlich.

In vielen Ländern gibt jedoch der Netzausbau vor, welche Low-Power-Mobilfunktechnologie zum Einsatz kommt. Die deutschen Mobilfunkanbieter konzentrieren sich offenbar zunächst auf den Metering-Markt. Da sich ein installierter Strom-/Gas-/Wasserzähler nicht bewegt, gibt es auch keine Wechsel der Mobilfunkzellen während einer Verbindung. Provider in anderen Ländern setzen eher auf Ortungsanwendungen für bewegliche Dinge und haben den Ausbau der Kategorie M1 fokussiert. Die meisten Hersteller von Mobilfunkmodulen unterstützen beide Netze; bei Rutronik sind Lösungen von Telit, Nordic Semiconductor, Murata, Telic, Advantech sowie in Kürze von weiteren Franchise-Partnern verfügbar.

Wie 2G-, 3G- und konventionelle 4G-Module werden auch LTE-M1-Transceiver oft mit GNSS (Global Navigation Satellite System) in einem Gehäuse kombiniert, da sie auf die Positions- und Bewegungsüberwachung von Containern, Fahrzeugen, hochpreisigen Gütern, Personen und Tieren abzielen. Hier muss immer die Position ermittelt und über das Mobilfunknetz gesendet werden. Vor einigen Jahren war GPS ein praktisch konkurrenzloses Navigationssystem. Mit dem russischen Glonass und dem chinesischen Beidou kamen GNSS-Alternativen hinzu, die technisch jedoch nicht an das amerikanische System herankamen. 2019 schaffte das europäische Galileo seinen Durchbruch; seit einiger Zeit wird es bereits von Millionen Smart­phones erfolgreich mitgenutzt. Mitte 2019 entschied man sich, eine höhere Ortungspräzision kostenlos nutzbar zu machen, sodass Galileo dem GPS-System hinsichtlich der frei nutzbaren Daten des Layer 1 nun voraus ist. Zudem bietet Galileo als einziges System eine Authentifizierungsfunktion an. Damit lässt sich sicherstellen, dass die empfangenen Signale tatsächlich von Galileo stammen und nicht von einer gefälschten Sendestation. Und Galileo ist das einzige zivile System in demokratischer Hand. Dennoch sind fast alle Anwender am besten damit beraten, auf möglichst viele Systeme parallel zu setzen. Denn je mehr Satelliten genutzt werden, umso schneller, energiesparender und präziser können die meisten modernen Multi-GNSS-Empfänger arbeiten. Jedoch sollte man auf zukünftige Veränderungen vorbereitet sein und reagieren können, falls ein System ausfallen sollte. Um die Settings in der Firmware zu ändern, kann man das im Modul vorhandene NB1- oder M1-Modem nutzen.

Bei Anwendungen, die GNSS mit LoRa, Sigfox, WiFi oder Bluetooth nutzen, ist darauf zu achten, im Host-Controller eine entsprechende Zugriffsmöglichkeit auf den Betriebsmodus der GNSS-Einheit zu schaffen. Meist genügt ein NMEA-Steuerbefehl aus, um dem Empfänger mitzuteilen, welche Systeme er nutzen soll und welche zu ignorieren sind. Diese Remote-Funktionalität muss immer manuell implementiert werden und kann im Fall der Fälle für die Anwendung verheerend oder eben lebens- und geschäftsrettend sein.


Prozessebene: Willkommen in der 6. Generation WiFi

In der Prozessebene laufen alle Informationen der einzelnen Arbeitsstationen zusammen. Oftmals wurden die am Sensor gewonnenen Daten in der Feldebene noch gar nicht aufbereitet. Um aus ihnen Informationen zu gewinnen, findet hier zumindest eine erste Vorverarbeitung der Daten statt. Für manche Anwendungen ist es von Vorteil, dadurch mehrere parallel einlaufende Felddaten vergleichen zu können. So lassen sich aufwändigere Pattern-Matching-Algorithmen einsetzen, die nicht nur gegen statische Muster vergleichen, sondern stetig auch ihre Referenz anpassen müssen. Für solche und ähnlich rechenintensive Aufgaben kommen meist stärkere x86-basierende Systeme zum Einsatz.

Auch hier geht der Trend zur Verbindung untereinander und in Richtung Systemebene hin zu kabellosen Technologien. Die 6. WiFi-Generation ist nicht nur abermals schneller als die vorigen, sondern zeichnet sich auch durch ein besseres Verbindungsmanagement der Teilnehmer aus, was besonders in professionellen Einsatzszenarien punktet. Eine verbesserte Frequenzbelegung hinsichtlich der in Kürze entstehenden 5G-Netze ist ein weiteres Argument. Mit Intel als Technologiepartner konnte Rutronik seine Kunden von Anfang an mit marktreifen WiFi-6-Lösungen bedienen. Besonders m.2-Steckkarten waren für Industrie-PCs, Panel-PCs oder NUCs sehr gefragt.


Systemebene: Auf die Örtlichkeiten kommt es an

Die Technologieauswahl in der Systemebene hängt stark von der Komplexität und den lokalen Gegebenheiten ab, z.B. die örtliche Ausdehnung des Geländes oder der betriebliche Frequenznutzungsplan. Bei kleineren und dynamischen Betrieben kann sich auch hier WiFi 6 anbieten, bei größeren Unternehmen mit sehr statischen Einrichtungen eher eine verkabelte Lösung - noch. Denn sobald 5G verfügbar und bezahlbar ist, wird auch hier ein Umdenken stattfinden.


Betriebsebene: Hier darf es die Vorgängergeneration sein

Bei der Kommunikation zwischen verschiedenen Werken werden die Informationen zuvor so stark verdichtet, dass herkömmliches LTE hinsichtlich Datendurchsatz und Latenzzeiten absolut ausreichend ist - selbst bei internationalen Großkonzernen. Wer seine verkabelte Internetanbindung des Standortes absichern möchte, der kann bereits heute durch einen LTE-Router die für den Betrieb wichtigen Kennzahlen per Mobilfunk übertragen.

Setzt man auf der Feldebene, wo es um einzelne Sensordaten geht, meist eher auf die niedrigeren LTE-Kategorien, so darf es auf der Betriebsebene auch LTE der Kategorie 6 oder höher sein. Der Stromverbrauch und der Modempreis spielen hier praktisch keine Rolle, da die Rechner immer am Stromnetz betrieben werden und nur ganz wenige LTE-Modems oder LTE-Router zum Einsatz kommen. Telit, Telic und Advantech bieten Lösungen wie Steckkarten, externe Modems und Router. Eine individuelle Komplettlösung verbindet sie beispielsweise mit einem Server von Intel oder Asus, bestückt mit einem LTE-Modem von Telit und einer WiFi-6-Karte von Intel.


Weitere Funktrends in der Automation

Eine weitere Technologie, die nach den Endkunden-Smartphones auch industrielle Umgebungen erobert, ist NFC. Die 13,56-MHz-Technik erlaubt einen sicheren Austausch zwischen aktivem Reader und passivem Transponder wie auch zwischen zwei aktiven Readern. Durch die Kompatibilität zu fast allen modernen Tablets und Smartphones steht günstige Standardhardware zur Verfügung; auf teure Spezialgeräte - wie eine RFID-Gun - kann immer öfter verzichtet werden. Dies bringt neben den Hardwarekosten auch Vorteile in der Softwareprogrammierung mit sich.

Wer RFID für längere Distanzen oder zum Scannen von mehreren Transpondern gleichzeitig einsetzen möchte, muss noch entweder auf eine andere Frequenz setzen oder sich bei aktiven Systemen umsehen. Hier werden die Transponder nicht vom elektromagnetischen Feld des Readers versorgt und kommunizieren über Lastrückkopplung, sondern haben eine eigene Stromversorgung (i.d.R. Batterie oder Solar) und kommunizieren im 2,4-GHz-Band auf Basis von Bluetooth oder einem ähnlichen, proprietären Funkprotokoll.

Wo weder Festverkabelung noch Energy-Harvesting eine Option ist und auch sparsame Funkverbindungen wie Bluetooth Low Energy die Batterien zu schnell entladen, setzen immer mehr Industrieanwendungen auf das ANT-Protokoll. In Kürze werden beispielsweise erste Time-of-Flight-Sensoren für eine hochpräzise Abstandsbestimmung erwartet, die ganz besonders wenig Energie benötigen. ANT ist zudem ab Werk in den meisten Android-Smartphones verfügbar und kann mit Multiprotokoll-SoC-Lösungen den Datenverkehr auch ohne weitere Hardwarekosten in Bluetooth-Netze weiterleiten.

 

Einsatz neuster Funktechnik

Die Online Seminarreihe "Innovation in Automation" bietet informative Videos on Demand von den führenden Herstellern elektronischer Bauteile zu Industrie 4.0. Sie zeigen Lösungen für die Anlagen der Zukunft; Unterthemen sind künstliche Intelligenz, Robotik und Vernetzung. Unter den Seminaren findet sich auch eine Präsentation von Telit als Anbieter von Mobilfunk, M2M-Sim-Lösungen, IoT-Device-Management und Kurzstreckenfunk sowie von Intel, Hersteller von WiFi-6-Lösungen. Zum Abruf der Seminarvideos kommen Sie hier: www.rutronik.com/iia

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Avoid broken cables between sensors and industrial robots by equipping them with a wireless interface.
An Industrierobotern wird Kabelbruch bei Sensoren vermieden, indem sie mit einer Funkschnittstelle ausgestattet werden.