Drahtlose Netzwerke für die Fabriken der Zukunft

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Industrie 4.0 erhöht die Nachfrage nach robuster, zuverlässiger und sicherer kabelloser Datenübertragung. Vor- und Nachteile verschiedener Möglichkeiten. Autor: Peter Lieberwirth, Vice President, Toshiba Electronics Europe

Industrie 4.0

Peter Lieberwirth, Vice President, Toshiba Electronics Europe
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Drahtlose Netzwerke für die Fabriken der Zukunft
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Drahtlose Netzwerke für die Fabriken der Zukunft
Drahtlose Netzwerke für die Fabriken der Zukunft

Ob untereinander, mit mobilen Geräten vor Ort, oder mit der Cloud – es besteht ein wachsender Bedarf, industrielle Einrichtungen in der Fertigung zu vernetzen. Die Verkabelung dominiert derzeit zwar noch – die Einfachheit und schnelle Umsetzung führt jedoch zu einer hohen Nachfrage nach drahtlosen (Funk-) Lösungen. Schätzungen gehen davon aus, dass Funktechnik für die industrielle Vernetzung derzeit rund 6% des Marktes ausmacht und jährlich um rund 32% wachsen soll. Und dieses Wachstum wird sich wohl weiter fortsetzen, während wir eine IIoT-fähige Industrie 4.0-Landschaft schaffen, in der die sichere und zuverlässige Übertragung von Daten in industriellen Bereichen entscheidend ist. Zu den Funkstandards, die in den heutigen Industrieanlagen zum Einsatz kommen zählen Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low-Energy, ZigBee und Near-Field Communication (NFC). Jeder dieser Standards hat verschiedene Vor- und Nachteile, die das jeweilige Einsatzgebiet definieren. Mit WiFi ist die Vernetzung einer großen Anzahl von Geräten im selben Netzwerk über eine Reichweite von bis zu 100m möglich. Die maximale Datenrate liegt zwischen 54Mbit/s für IEEE 802.11g und erreicht 1Gbit/s für IEEE 802.11ac im 5GHz-Band. Die Einrichtung eines nicht-öffentlichen WLAN-Netzwerks ist auch einfach. Der Nachteil besteht darin, dass ein Kennwort für den Zugriff auf ein gesichertes Wi-Fi-Netzwerk erforderlich ist, während ungesicherte Netzwerke für Hackerangriffe anfällig sind. Alle Daten durchlaufen den Zugangspunkt, der daher einen möglichen „Single Point of Failure“ (SPoF) darstellt, und Geräte, die mit dem Netzwerk verbunden sind, können nicht direkt untereinander kommunizieren. Wegen des hohen Stromverbrauchs sind Wi-Fi für batteriebetriebene Geräte weniger geeignet.

Sind Funktechniken mit kurzer Reichweite gefragt, eignen sich ZigBee und Bluetooth. ZigBee hat eine frühe Verbreitung in der Industrie gefunden, nicht zuletzt wegen seiner Fähigkeit, Mesh- oder Many-to-Many-(m:m-)Netzwerke zu ermöglichen. Allerdings führt die ständige Weiterentwicklung des Bluetooth-Standards – einschließlich eine Mesh-Implementierungen – dazu, dass Bluetooth- und insbesondere Bluetooth-Low-Energy-(BLE-)Implementierungen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Zu den Vorteilen gehören die hohe Übertragungsgeschwindigkeit und Codiereffizienz; die Möglichkeit, stromsparende Lösungen bereitzustellen, sowie die verbesserte Widerstandsfähigkeit in störbehafteten HF-Umgebungen.

Bluetooth Mesh und Beacons

Standard-Bluetooth bietet eine Funkreichweite von etwa 10m und ermöglicht Punkt-zu-Punkt- sowie auch Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen. Die Datengeschwindigkeit ist jedoch auf 1Mbit/s begrenzt, und die Geräte müssen gepaart werden, bevor die Datenübertragung erfolgen kann. Der Austausch von Daten über Bluetooth erfordert weniger Strom als Wi-Fi, während BLE, das für die Verbindung von Kleingeräten wie IoT-Endpunkten konzipiert ist, einen noch geringeren Stromverbrauch und eine größere Reichweite bietet.

Bluetooth Mesh ist eine m:m-Kommunikationsart, die für große Netze optimiert ist und bietet in der Automatisierungstechnik großes Potenzial für Mesh-Funknetze. Zuverlässigkeit ist ermöglicht durch selbstheilende Mesh-Netze, die keine SPoF aufweisen. Skalierbarkeit ist gewährleistet, da Tausende von Knoten mit industrietauglicher Leistungsfähigkeit unterstützt werden. Mesh-Netze bieten zudem industriekonforme Sicherheit gegen alle bekannten Hackerangriffe

Bluetooth-Mesh-Netzwerke können die effektive Reichweite erhöhen und die Herausforderung der Kommunikation durch physikalische Barrieren hindurch adressieren, während der Stromverbrauch an den einzelnen Knoten gering bleibt. Bislang war die Übertragung mit hoher Sendeleistung vorrangig, um Funkstörungen zu vermeiden und die Übertragung von Signalen durch Barrieren wie dicke Betonwände zu ermöglichen. Dieser Ansatz erwies sich aber als unzureichend für batteriebetriebene Geräte sowie in störbehafteten HF-Umgebungen. Da BLE nun den neuen Bluetooth-Mesh-Standard unterstützt, können entsprechende Produkte vertraulich und sicher Daten über ein Mesh-Netzwerk transportieren. Dies erhöht die Reichweite und Zuverlässigkeit der BLE-Kommunikation, ohne den Stromverbrauch zu erhöhen.

Bluetooth bildet auch die Grundlage für „Beacons“, die zunehmend in industriellen Umgebungen zum Einsatz kommt. Ein Bluetooth-Beacon kann fast überall platziert werden und sendet seinen Standort und seine Identität an Bluetooth-Geräte in der Nähe. Daten können in die Übertragung mit einbezogen werden, wodurch das empfangende Gerät auf verschiedene Weise antworten kann. Dazu zählt das Erfassen von Informationen, z.B. einiger Bytes an Sensordaten, die in der Nachricht seitens des Beacon enthalten sind. Das Empfängergerät kann auch Entscheidungen darüber treffen, wie es reagieren soll – basierend auf Messungen wie der Empfangssignalstärke. Ein kleiner mobiler Roboter kann, zum Beispiel, die Angabe der Signalstärke nutzen, um seine Navigation zu unterstützen. 

Die Beacon-Technologie wird wohl in industriellen Umgebungen auf vielfältige Weise eingesetzt werden. Autonome Fahrzeuge, zum Beispiel, können sich mittels Beacon-Signalen durch Industrieanlagen bewegen. Ein Beacon, der an teuren Werkzeugen angebracht ist, ermöglicht die Verfolgung dieser Objekte mithilfe einer Mobiltelefon-App in einer Umgebung von bis zu 100m. In der Lagerhaltung können Beacons an Artikeln befestigt werden, so dass die Mitarbeiter jedes einzelne Produkt über ein Mobilgerät identifizieren können.

NFC

NFC nutzt Techniken, die ursprünglich für RFID-Systeme entwickelt wurden, die auf das Supply-Chain-Management ausgerichtet sind. Der Datenübertragungsbereich ist extrem begrenzt und das Lesegerät reagiert auf das Label nur dann, wenn es sich in der Nähe befindet. Weitere Vorteile für die in Industrieanlagen geforderte Sicherheit ergeben sich, wenn Bluetooth und NFC gemeinsam genutzt werden. Die Out-of-Band-(OoB-) Paarung kombiniert die inhärente Sicherheit von NFC - um die anfängliche Verbindung herzustellen, und die offene, stromsparende Kommunikation mittels Bluetooth. Dies vermeidet mögliche „Man-in-the-Middle“-Hackerangriffe und verhindert, dass sich unerwünschte Geräte verbinden ohne Erlaubnis des Benutzers.

Funklösungen für Industrieanlagen

Ob es sich um Wi-Fi, Bluetooth, NFC oder eine Kombination von Übertragungsprotokollen handelt – Funkkommunikation in Industrieanlagen bietet zahlreiche Vorteile. Verbindungen zwischen beweglichen Teilen sind ohne Kabel wesentlich einfacher, genauso wie die Übertragung durch Barrieren wie Wände hindurch. Gleichzeitig macht die künftige Menge an Industrie-4.0-Knoten eine Verkabelung jedes einzelnen Geräts zunehmend unpraktischer. 

Die gute Nachricht ist, dass der Einsatz von Funklösungen in der Industrie sich durch Halbleiterbauelemente, die speziell auf die IIoT-spezifischen Forderungen zugeschnitten sind, erheblich vereinfacht. Viele der neuen BLE-ICs – darunter auch neueste 5.0-Bauteile – unterstützen bereits Mesh-Netzwerke, während Bauteile, die Bluetooth- und NFC-Funktion in einem einzigen Chip integrieren, ebenfalls zur Verfügung stehen. Ein effizientes und schnelles Design von Beacons wird durch ICs möglich, die BLE-Basisband- und HF-Blöcke, ARM-CPU-Cores und Peripherie in einem Bauteil vereinen. In den meisten Fällen wird diese Halbleitertechnologie durch Anwendungssoftware, Referenzdesigns und Entwicklungskits unterstützt, die das Design und die Implementierung zusätzlich beschleunigen.

Veröffentlicht am Juni 8, 2018 - (40 views)
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