Mittlerweile wird nicht mehr über die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Wireless-Technologien debattiert. Neben der Koexistenz der verschiedenen Funkanwendungen erörtern die Fachleute vielmehr, wie das knappe Frequenzband möglichst effektiv und nutzbringend verwendet werden kann. Dies ist ein sicheres Indiz für die weite Verbreitung von Funk in den Industriehallen. Es bleibt jedoch die Frage, welche Wireless-Technologie sich im industriellen Umfeld durchgesetzt hat und welche Trends derzeit ersichtlich sind.
Anwenderfreundliche Profinet-Lösung
Die Anforderungen an drahtlose Lösungen haben sich in den letzten Jahren verändert. Standen anfangs häufig funkbasierte Feldbusse oder Feldbus-Erweiterungen im Fokus, rückt mit der zunehmenden Nutzung von Ethernet in der Automation die drahtlose Ethernet-Kommunikation in den Vordergrund. Die Möglichkeit, Ethernet-Daten einfach per Funk zu übertragen, ist für viele Anwender das ausschlaggebende Argument, um von klassischen Feldbus-Konzepten auf industrielle Ethernet-Netzwerke wie Profinet, Modbus/TCP oder Ethernet/IP umzusteigen. Als vorteilhaft erweist sich dabei, dass der Wechsel von der Feldbus- auf die Ethernet-Kommunikation nicht abrupt, sondern sukzessive in Form von Hybrid-Installationen erfolgen kann (Bild 1). In diesem Fall wird nur der dynamische Datenaustausch mit mobilen oder bewegten Einheiten des Netzwerks über Ethernet und Funk realisiert. Im statischen Teil der Automatisierungslösung werden die Daten weiter via Feldbussystem übertragen. Ein solches Hybrid-Konzept unterstützen viele Steuerungshersteller standardmäßig, indem die SPS neben dem Feldbus- auch einen Industrial-Ethernet-Anschluss zur Verfügung stellt.
Setzen die Anwender Profinet ein, können sie besonders einfach von den Vorteilen der drahtlosen Kommunikation profitieren, denn die Kombination von Interbus oder Profibus und Profinet ist nutzerfreundlich gelöst. So macht es aus Sicht des Engineering und der Programmierung keinen Unterschied, ob sich ein Gerät im Feldbus- oder im Profinet-System befindet. Profibus International (PI) hat die Bedeutung der Funkübertragung für die Automatisierung bereits frühzeitig erkannt und die Anforderungen an eine drahtlose Profinet-Kommunikation sofort berücksichtigt. Derzeit sind Bluetooth 802.15.1 und WLAN 802.11 als Übertragungsstandard für Profinet in den IEC-Normen 61158-2:2008 und 61784-2:2008 spezifiziert. Der funktional sichere Datenaustausch (Safety) via Bluetooth und WLAN ist mit Profinet/Profisafe ebenfalls einfach möglich. Die Rahmenbedingungen, die vom TÜV und vom Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung IFA (ehemals BGIA) festgelegt wurden, sind im Profisafe-Profil definiert.
Optimale Kombination von Bluetooth und WLAN
Die besonderen physikalischen Eigenschaften und rechtliche Vorgaben schränken die Installation einer Funklösung erheblich ein. Im Gegensatz zu kabelgebundenen Systemen lassen sich daher nicht alle Anforderungen in einem einzigen Wireless-Netzwerk umsetzen. Vor diesem Hintergrund haben sich in den letzten Jahren mehrere Funktechnologien – insbesondere Bluetooth und WLAN – in der industriellen Automation etabliert. Beide Wireless-Standards unterscheiden sich sowohl in ihrer Funktionsweise als auch in ihren Vorteilen, weshalb sie verschiedene Anwendungsfelder adressieren (Bild 2).
Die Stärke von WLAN liegt im Aufbau großflächiger drahtloser Netzwerke mit sehr vielen Teilnehmern, wie beispielsweise bei Elektrohängebahnen üblich. Im Gegensatz dazu zeichnet sich Bluetooth neben der robusten und zuverlässigen Datenübertragung durch die Möglichkeit aus, viele Bluetooth-Netzwerke unabhängig voneinander auf engstem Raum parallel betreiben zu können. Damit ist Bluetooth bestens zur Realisierung einzelner Funkstrecken geeignet, wie sie zum Beispiel in Bearbeitungsmaschinen oder zu Regalfördersystemen vorkommen. Die Forderung nach einer Koexistenz – also dem störungsfreien lokalen Parallelbetrieb von WLAN und Bluetooth – ist ebenfalls gut gelöst, wenn die industrielle Bluetooth-Technologie den Low Emission Mode (LEM) und das manuelle Black Channel Listing unterstützt. Da die Bluetooth-Geräte nun so konfiguriert werden können, dass sie nur die nicht belegten Frequenzbereiche zwischen den WLAN-Kanälen nutzen, ergänzen sich beide Technologien optimal. Zudem wird das verfügbare Frequenzband effizient eingesetzt (Bild 3).
5-GHz-WLAN nur bedingt geeignet
Die drei im 2,4-GHz-Band überlappungsfrei verwendbaren WLAN-Kanäle sind in vielen Anlagen bereits besetzt. Deshalb kommt den oftmals noch freien WLAN-Kanälen im 5-GHz-Band eine steigende Bedeutung zu. Insgesamt stehen in Europa 19 Kanäle zur Verfügung, die fast exklusiv für die WLAN-Nutzung reserviert sind. Allerdings können sie auch von Wetterradar- oder militärischen Anwendungen blockiert sein, die Vorrang gegenüber industriellen Applikationen haben. In die WLAN-Module müssen daher Funktionen implementiert sein, die Primär-User – beispielsweise ein Radargerät – erkennen und den jeweiligen Kanal dann umgehend frei machen. Durch die notwendigen Mechanismen kann die Kommunikation für eine Dauer von bis zu einer Minute unterbrochen werden. Zudem ist eine Frequenzplanung wie im 2,4-GHz-Band, wo sich jeder Funkanwendung ein Kanal oder Frequenzbereich fest zuordnen lässt, nicht zulässig. Mit Ausnahme der unteren vier Kanäle in Band 1 müssen die Kanäle automatisch zugewiesen und auch die Sendeleistung muss automatisch eingestellt werden. Aufgrund dieser Einschränkungen eignen sich nur die unteren vier Kanäle 36 bis 48 für hochverfügbare Automatisierungs-Anwendungen im Innenbereich.
IEEE 802.11n verbessert Deterministik und Zuverlässigkeit von WLAN
Die im Herbst 2009 verabschiedete IEEE 802.11n enthält zahlreiche neue Funktionen, die auch für industrielle WLAN-Netzwerke interessant sind. Der am häufigsten mit dem Standard in Verbindung gebrachte Vorteil der hohen Datenrate von über 300 MBit/s ist für die industrielle Automation jedoch oft von nachrangiger Bedeutung. Wichtiger sind die angekündigten Funktionen und Verbesserungen im Bereich der Zuverlässigkeit und Deterministik. So ermöglicht die neue MiMo-Antennentechnik (Multiple Input Multiple Output) nicht nur höhere Datenraten sowie eine Maximierung der Reichweite mittels Beamforming. Aufgrund des Space Time Block Coding – einer speziellen Codierung, die mit dem redundanten Senden der Daten-Frames kombiniert wird – ist eine deutliche Optimierung der Funkverbindung in der für Industriehallen typischen schlechten oder reflektiven Umgebung zu erwarten.
Weitere neue Funktionen sollen das Echtzeit-Verhalten von WLAN verbessern. Dazu zählt unter anderem das Power Save Multi Poll (PSMP), das einen optimierten Kanalzugriff auf Geräte mit geringem Datenaufkommen, aber hohen zyklischen Echtzeit-Anforderungen bietet. Im Fokus der Entwicklung stand zwar Voice over WLAN. Dieser Mechanismus eignet sich aber auch bestens für die Profinet-Kommunikation. Im Gegensatz zu älteren Standards wie Point Coordination Function (PCF), der nie in WLAN-Chips umgesetzt wurde, werden verschiedene Hersteller PSMP zukünftig in ihren WLAN-Chips unterstützen. Heute sind bereits teils vergleichbare Lösungen am Markt erhältlich, die allerdings herstellerspezifisch realisiert wurden und daher nur in den geschlossenen Netzwerken des jeweiligen Anbieters funktionieren. Der Standard IEEE 802.11n eröffnet nun die Chance, offene und standardisierte WLAN-Netzwerke mit besseren Echtzeit-Eigenschaften für Automatisierungs-Systeme wie Profinet aufzubauen.
Fazit
In den vergangenen Jahren hat die drahtlose Datenübertragung zunehmend Einzug in die industrielle Automation gehalten. Anders als von vielen Experten anfangs angenommen, sind nicht die Feldgeräte oder Sensoren selbst zum Funkteilnehmer geworden. Vielmehr ersetzen die Anwender heute meist einzelne Verbindungen durch eine protokolltransparente Funkkommunikation auf Basis von Ethernet. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von Wireless-Standards wie Bluetooth oder WLAN werden sich in Zukunft noch leistungsfähigere Funklösungen in den Fabrikhallen umsetzen lassen
Dipl.-Ing. Jürgen Weczerek
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