Drahtlose industrielle Kommunikation und IoT

Das Internet der Dinge steht für den aktuellen Höhepunkt dieser Expansion.  Sensoren, Bewegungsmelder, Ventile, Pumpen, Not-Aus-Kontrollen und viele andere Gerätearten werden in unzähligen Varianten eingesetzt, um lebenswichtige Informationen von Installationen auf der ganzen Welt zu liefern.  Um die industrielle Seite dieses „Internet of Things” (IoT) zu versorgen, bringen die traditionelle Kabelkommunikation und neuere drahtlose Technologien wie Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, SigFox und Cellular WAN jeweils eine eigene Lösung ins Spiel.  Die Wahl der idealen Lösung erfordert ein klares Verständnis ihrer jeweiligen Stärken und Schwächen.

Während die verkabelte Kommunikation als zuverlässig und schnell bestens etabliert ist, bieten drahtlose Lösungen erhebliche Vorteile, wo Beweglichkeit oder Verteilungseffizienz gebraucht wird.  Der erste und vielleicht offensichtlichste Vorteil drahtloser industrieller Kommunikation ist die Vermeidung einer teuren und umständlichen Verkabelung. Diese Kosten können bei weitläufigen Standorten mit Entfernungen von mehreren hundert Metern durch unwirtliche Umgebungen erheblich sein, ebenso bei Outdoor-Installationen, wo die Kosten einer Kommunikationsverkabelung unverhältnismäßig wären.  Auch Wartungskosten werden reduziert, weil Techniker nicht mehr lange Kabelverläufe nach Schäden absuchen müssen und stattdessen Fehler an einer begrenzten Anzahl von Installationspunkten ermitteln und beheben können.  Die Inbetriebnahme wird verkürzt und die Komplexität verringert, besonders bei mit Schwach- oder Batteriestrom betriebenen Installationen und Sensoren.  Die kombinierten Vorzüge drahtloser Lösungen machen sie zu einer sehr attraktiven Alternative zu traditionellen verkabelten Installationen.

Allerdings will die Einrichtung drahtloser Lösungen in industriellen Umgebungen sorgfältig geplant sein.  Es gibt oft physikalische und betriebliche Anforderungen, die vor einem zuverlässigen und sicheren Betrieb erfüllt sein müssen.  Kommunikationsanlagen müssen in der Lage sein, extreme und Temperaturen und Feuchtigkeit auszuhalten, auch den Kontakt mit Wasser, Chemikalien, Stößen, Vibrationen, Lärm und elektromagnetische Störungen.  Draußen installierte Anlagen erfordern normalerweise eine IP65-Schutzklasse, die eine komplette Versiegelung gegen Wasser und Staub bedeutet.  Geräte und Kommunikationssysteme, die diese strikte Umweltanforderung nicht erfüllen, werden bei industriellen Installationen immer wieder ausfallen, was zwangsläufig zu betrieblichen und Sicherheitsproblemen führen kann.  Sicherheit ist eines der anderen Hauptanliegen, da manipulierte Daten sowohl die Sicherheit wie auch den reibungslosen Betrieb beeinträchtigen können.  Letztlich müssen auch Kommunikationssysteme strengen Anforderungen an Sicherheit, Verfügbarkeit und Reaktionsfähigkeit standhalten, um industriellen Systemen einen unterbrechungsfreien Betrieb oder eine gesicherte Abschaltung bei Fehlfunktionen zu ermöglichen.  Sogar zeitweilige Sende- oder Empfangsfehler können in getakteten Systemen einen kompletten Fertigungsprozess einbrechen lassen.  

Glücklicherweise gibt es verschiedenste Optionen für drahtlose Industriesteuerungen, alle haben ihre jeweils eigenen Stärken.  Bei lokalen Installationen in Gebäuden und ihrer unmittelbaren Umgebung haben sich Technologien mit 2,4 und 5GHz durchgesetzt. Wenn mehrere Geräte den gleichen Frequenzbereich verwenden, ist für einen einwandfreien Betrieb natürlich eine saubere Planung erforderlich.  Bei Outdoor-Installationen und weit verteilten Geräten wird in der Regel ein zellengestütztes Mobilfunksystem verwendet.

Bluetooth arbeitet zwischen 2400 und 2480 MHz und wird meist für industrielle serielle Kommunikationen verwendet.  Geräte mit einer „Bluetooth Basic Rate” (BR) unterstützen bis zu 780 kbps, während Geräte mit einer „Enhanced Data Rate” (EDR) einen Durchsatz von bis zu 2,1 Mbps erreichen.  Abhängig von der gewählten Geräteklasse liegt die Reichweite in industriellen Umgebungen zwischen 3 und 100 Metern.  Das adaptive Frequenzsprungverfahren bei achtzig 1 MHz-Kanälen erlaubt eine extrem robuste Verbindung für mehrere Bluetooth-Geräte, wobei die Verbindungen durch eine 128-bit Verschlüsselung gesichert sind.  Bis zu 7 Geräte können mit einem einzelnen Master-Gerät verbunden werden, wobei der volle Durchsatz genutzt werden kann. Bluetooth ist überdies eine Echtzeit-fähige Technologie mit einer Latenzzeit von nur 5 - 10 ms. Manche Geräte beherrschen überdies Verbindungen zu Bluetooth Low Energy Geräten (LE), auch als Bluetooth Smart bekannt).  TI bietet ein ausgezeichnetes Beispiel dieser für eine Doppelrolle konzipierten Geräte mit ihrem zertifizierten Schnittstellenmodul CC2564 Bluetooth 4.1 Dual-Mode Host Controller.  Er eignet sich für industrielle Umgebungen, ist verfügbar mit oder ohne integrierte Antenne und unterstützt gleichzeitig bis zu sieben BR/EDR-Verbindungen sowie bis zu zehn aktive Bluetooth LE Verbindungen.  Eine separate Pufferung garantiert, dass aktive BR/EDR-Verbindungen nicht beeinflusst werden, wenn Bluetooth LE Verbindungen auftreten.  

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Bluetooth Low Energy nutzt die robuste Bluetooth-Spezifikation und bietet mehrere Verbesserungen, die speziell auf Energie-Effizienz und nur gelegentliche Kommunikation ausgerichtet sind.  Um Energie zu sparen, werden Verbindungen nicht in einem aktiven Status gehalten, ihre Wiederherstellung braucht dann höchstens 10 ms. Wegen der nur gelegentlichen Übertragungen kann eine größere Zahl von aktiven Slave-Geräten angeschlossen werden.  Mehr Geräte führen zu längeren Wartezeiten im System, daher muss die Anzahl der angeschlossenen Geräte mit den tatsächlichen Wartetzeit-Erfordernissen abgestimmt werden.  Der Nachteil dieser Energiesparmerkmale ist ein niedrigerer Durchsatz, da die Verbindungen auf etwa 270 kbps beschränkt sind.  Zu den Verbesserungen des kommenden Bluetooth® Smart 2016 - Standards gehören eine größere Reichweite, eine höhere Geschwindigkeit und Mesh-Netzwerke. In industriellen Konfigurationen wird Bluetooth LE die ideale Lösung für batterieversogte Sensoren, Schalter und andere Geräte, die nur ab und zu kleine Datenschübe verarbeiten.  TI hat auch mehrere ausgezeichnete Lösungen für Bluetooth LE. Die SimpleLinkTMCC2640-Einheit ist ein Bluetooth LE MCU-Gerät, entwickelt herum um einen ARM-Cortex M3, sowie die CC2540 und 2541, es handelt sich um kostengünstige „System on Chip” Lösungen (SoC) für Bluetooth LE - Anwendungen (Master oder Slave), beruhend auf dem Industriestandard 8051 MCU.  Alle bieten eine Host of I/O Vernetzung und erlauben Design-Entwicklern eine schnelle Implementierungs-Designs, die ihren jeweils einzigartigen Anforderungen genügen.  

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ZigBee ist eine weitere drahtlose und stromsparende Schmalband-Mesh-Technologie für 2,4 GHz, die immer mehr bei drahtlosen industriellen Steuerungen und Überwachungen eingesetzt wird.   Sie ist kostengünstiger, als Bluetooth oder WLAN-Systeme, allerdings sind die Wartezeiten deutlich länger und die Datenrate ist begrenzt auf 200 kbps (manchmal weniger, das hängt von der Zahl der installierten Knoten ab).  Dank seiner drahtlosen Mesh-Topologie hat ZigBee einige ganz besondere Vorzüge.  Einzelverbindungen sind auf 30 - 100 Meter Sichtweite begrenzt, aber in zusammenhängenden und sehr großen Bereichen können Sie mit einem einzelnen ZigBee Mesh-Netzwerk verbunden sein.  Geräte können überdies so konfiguriert werden, dass sie sich selbst automatisch zu einem Netzwerk hinzufügen.  Verkehrssteuerungs-Systeme, Überwachungssysteme, Prozessdatenkontrolle und andere Anwendungen mit niedrigen Datenraten sie die herausragenden Beispiele für Systeme, bei denen ZigBee die bessere Wahl ist.  Dank einer 128-bit-Verschlüsselung der Verbindungen ist für ausreichende Sicherheit gesorgt.  TI hat mehrere ZigBee-Geräte im Angebot, die im Prinzip jeden industriellen Bedarf abdecken.  Der SimpleLink CC2630 ist eine voll ausgestattete drahtlose ZigBee MCU mit einer ARM Cortex-M3 CPU und einzigartigen I/O-Möglichkeiten inklusive einer eingebauten Unterstützung für kapazitive Touch-Tasten. Der leistungsfähigere CC2630 bietet einige der besonderen I/O-Merkmale für zusätzliche Flash- und SRAM-Module.  Wenn ein 8051 Microcontroller benötigt wird, eignet sich TI’s CC2530 SoC möglicherweise besser. 

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Industrielles WLAN ist die vorherrschende 2,4 GHz-Lösung, wenn ein größerer Datendurchsatz benötigt wird. Seine Reichweite ist ausgezeichnet, desgleichen seine Sicherheit gegen Interferenzen und die sehr hohe Sicherheit.  Wenn es durch ProfiNET, Profisafe oder ähnliche Technologien aufgerüstet wird, kann es eine sehr wirkungsvolle Lösung für die drahtlose industrielle Kommunikation sein.  Die Varianten dieser Technologie haben sich in den letzten 20 Jahren ständig weiter entwickelt.  Im 2,4 GHz-Band gibt es drei sich nicht überlagernde Kanäle, und der Datendurchsatz kann mehrere hundert Mbps betragen.  Bluetooth und ZigBee verfügen beide über Mechanismen, um mit dem 2,4 GHz WLAN zu interagieren, neuere Versionen des 802.11-Standards fügen Funktionen hinzu, die bei sehr zahlreichen Kommunikationsteilnehmern die Interoperabilität absichern helfen.  WLAN kann überdies bis zu 19 sich nicht überlagernde Kanäle im 5 GHz-Band verarbeiten, keiner von ihnen gerät in Konflikt mit den gleichen Frequenzen wie Bluetooth, ZigBee und anderen 2,4 GHz-Technologien.  Wegen der verwendeten hohen Frequenzen ist angeraten, bei 5 GHz-Anwendungen die „Sichtverbindung” zu wahren, gleichwohl ist es auch bei einem Spektrum mit wenigen Kommunikationsteilnehmern eine attraktive Wahl.  Eine der Schwächen des WLAN ist, dass die Übertragung zwischen den Access Points 50ms bis zu mehreren Sekunden dauern kann.  Wenn WLAN-Verbindungen zur Steuerung von Geräten mit einem größeren Aktionsradius eingesetzt werden, müssen für eine unterbrechungsfreie Kommunikation in Bewegung Vorkehrungen getroffen werden.  Damit Installationen mit einem einzelnen Access Point, in denen weiter voneinander entfernte Antennen miteinander über einen Acces Point verbunden werden, unterbrechungsfrei kommunizieren können, oder damit die Verwendung sogenannter „leaky” HF-Verkabelungen die Entsprechung einer kontinuierlichen Nahberreichsantenne entlang einer weitreichenden festgelegten Strecke bereitstellen kann.  Für Strecken mit mehr als einem Access Point sind mehrere Funkinstallationen am zuverlässigsten.  Gewöhnliche Szenarien umfassen eine Verbindung für Steuersignale und eine andere für Daten, oder ein gestaffeltes System redundanter Access Points, die verwendet werden, um ein „Failover” zu einem zweiten aktiven Netzwerk zu ermöglichen, wenn das Hauptnetzwerk zwischen den Access Points wechselt. TI bietet mehrere verlockende Lösungen für das industrielle WLAN.  Der SimpleLink CC3200 ist ein einzelner Schaltkreis, ARM Cortex-M4, basiert 802.11 b/g/n Wi-Fi Microcontroller, er eignet sich hervorragend für industrielle Umgebungen.  Er ist in der Lage, industrielle Wi-Fi Protokolle wie ProfiNET und Profisafe zu betreiben, und bietet darüber hinaus umfassende I/O-Optionen.  WL1837 Wi-Fi und Bluetooth/Bluetooth LE Funk, integriert auf einem zertifizierten Modul, auch verfügbar für Client-Geräte unter Linux und Android oder Bridge-Anwendungen.  Kombiniert Bluetooth und 802.11 a/b/g/n HF Sektionen, Leistungsverstärker, Takt Uhr, HF-Filter und Umschalter, außerdem Energiemanagement in ein 100-Pin MOC Gehäuse.  

Für die Kommunikation über geografisch ausgedehnte Entfernungen wird üblicherweise eine Art drahtlose WAN-Technologie (WWAN) eingesetzt.  SigFox ist ein neuer stromsparender WAN-Netzwerk Anbieter, der ein weltweites zellular konstruiertes Netzwerk für Geräte im „Ultra Narrow Band” (UNB) aufbaut.  Die Versorgung ist außerordentlich kostengünstig, zudem lassen sich sehr leicht weitreichende Implementierungen durchführen, ohne Sorge um einzelne Datenpläne oder Verträge für jedes Gerät.  Die Nachrichtengröße ist auf 12 Bytes begrenzt und die Geräte können höchstens 140 Übertragungen pro Tag durchführen, allerdings lassen sie sich über mehrere Jahre mit zwei AA-Batterien betreiben.  Die Sicherheit ist wegen der Nachrichtengröße etwas eingeschränkt, doch gehört zu den Merkmalen Anti-Replay und Nachrichten-Sequenzierung.  SigFox-Geräte werden bereits weithin verwendet, und TI bietet mehrere SigFox Lösungen im CC112x HF Transceiver und CC1190 HF Front-End-Geräte.  Der CC112x ist ein hochleistungsfähiger und äußerst stromsparender Einzel-Chip-Transceiver, der sieben ISM/SRD-Bänder zwischen 169 und 950MHz mit Datenraten bis zu 200 kbps unterstützt.  Er bietet auch verbesserte Funk-Aufwachfunktionen und Paket-Quittierungen sowie erneute Übertragungen.  Der CC1190 kostengünstiges und sehr leistungsfähiges HF Frontend, das zwischen 850 und 950 MHz betrieben wird und einen integrierten rauscharmen Verstärker, einen Leistungsverstärker, einen HF-Schalter und HF-Abstimmung in einem kompakten 4x4 mm QFN-16 Design bietet.  

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Das LoRa Low Power WAN Alliance bietet eine weitere Lösung für räumlich entfernte Geräte.  Es überträgt kleine Datenmengen intermittierend, so dass akkubetriebene Geräte je nach Geräteklasse des ferngesteuerten Transceivers über Jahre hinweg betriebsfähig bleiben.  Es werden mehrere Sicherheitsstufen angewendet, um die Datenintegrität sowie den Datenschutz sicherzustellen.  Es arbeitet zudem bei Frequenzen, die nicht selten besser für die Gebäude- und Hindernisdurchdringung geeignet sind.   Wie bei SigFox sind die Bereitstellungskosten sehr niedrig, jedoch können gewerbliche LoRa-Anbieter die unterschiedlichsten Serviceniveaus anbieten.  Für Unternehmen, die eine Vielzahl von Geräten in einer relativ kleinen Umgebung einsetzen möchten, bietet sich die Möglichkeit, ein intern bereitgestelltes und gesteuertes Gateway zu schaffen.  

Mobilfunkkonnektivität ist eine etablierte WAN-Lösung und bietet eine globale Reichweite.  2G GSM- sowie GPRS-Verbindungen gehören zu den gängigsten Verbindungsquellen, doch zahlreiche Mobilfunknetzbetreiber außerhalb Europas haben entweder ihre 2G-Netzwerke abgeschaltet oder planen dies noch vor 2020. Dort, wo Netzwerke weiterhin aufrechterhalten werden, bleibt 2G GSM eine gute leistungsstarke Methode für die intermittierende Fernkommunikation oder Datenübertragung mit niedriger Datenübertragungsrate.  WiMAX hat ebenso an Anerkennung auf Märkten gewonnen, auf denen es verfügbar ist, doch viele Netzwerke werden auf LTE umgestellt oder wurden bereits abgeschaltet.  LTE stellt ein interessantes Gebiet für IoT-Remotegeräte dar, denn verschiedene Endgerätekategorien können ihre Bandbreite und ihren Energiebedarf an die Anwendung anpassen.  Vorhandene LTE-Geräte der Kategorie 3 können theoretische Geschwindigkeiten von bis zu 150 Mbit/s zum Herunterladen/50 Mbit/s zum Hochladen bieten und die kürzlich herausgebrachten Geräte der Kategorie 6 können bei idealen Bedingungen 300 Mbit/s zum Herunterladen erzielen.  Auf der anderen Seite wurden Geräte der LTE-Kategorie 1 und die vor der Einführung stehende LTE-Kategorie 0 (oder Kategorie M) für das IoT mit einem maximalen Durchsatz von 1-10 Mbit/s und sehr viel besserer Energieeffizienz entwickelt.   Trotz der Flexibilität dieser WAN-Lösungen bringen sie meist sehr viel höhere Vorab- und Betriebskosten mit sich und jedes Gerät, das in diesen Bereich fällt, wird einen Vertrag mit regionalen Netzwerkbetreibern erfordern, weshalb der Einsatz sehr wohl Planung und Zeit in Anspruch nimmt.  

Egal, ob es sich um eine Kurzstreckenfunkverbindung oder um ein verteiltes WAN handelt – mit TI ist es ein Kinderspiel, einer Vielzahl an Konnektivitätserfordernissen nachzukommen, denn TI bietet Drop-In-Geräte, die die Produktentwicklung beschleunigen und für Mehrwert sorgen, sowie kostengünstige Lösungen für die drahtlose industrielle Kommunikation.