Auf dem Weg zum Standard

Datenübertragung - Drahtlose Kommunikationstechniken ergänzen mehr und mehr die drahtgebundenen Netzwerke in der Industrie. Möglich machen diesen Fortschritt nicht allein industriegerechte Wireless-Komponenten, sondern auch unterschiedliche Übertragungstechniken.

24. August 2005

Ein aktuelles Diskussionsthema in der Automatisierungsbranche sind die Möglichkeiten einer drahtlosen Datenübertragung, schließlich sind im Büroumfeld gleich mehrere Technologien mittlerweile fester Bestandteil der Kommunikationstechnik geworden, speziell Wireless LAN (WLAN). Weit verbreitet sind aber auch die Bluetooth basierten Anwendungen über Handys, drahtlose Tastaturen und via Maus.

Auch im industriellen Bereich kommen drahtlose Technologien immer mehr zum Einsatz, beispielsweise in der Fabrik- und Gebäudeautomatisierung oder in der Produktions logistik. Bluetooth findet sich vor allem im Nahbereich der Steuerungen, beispielsweise zur Anbindung von Sensoren oder von Ein- und Ausgabe-Baugruppen. Der Verbreitungsschwerpunkt von WLAN liegt dagegen im Bereich der Steuerungen und deren Anbindungen an übergeordnete Kommunikationsebenen. Moderne Bluetooth-Lösungen erreichen Reichweiten von rund 300 Metern bei deutlich niedrigeren Kosten als WLANs. Diese profitieren dagegen vom Einzug des Ethernet-Protokolls in die Steuerungsebene und werden damit zu einem Bestandteil der vertikalen Kommunikation vom Büro bis zur Maschine via Ethernet. Allerdings unterscheiden sich die Anforderungen an industriegerechte Wireless-Komponenten erheblich von denen im Office-Bereich. Ein kritischer Punkt bleibt beispielsweise der gleichzeitige Betrieb mehrerer voneinander unabhängiger Funkstrecken wie etwa WLAN und Bluetooth im selben Frequenzband und am selben Ort. Wechselseitige Beeinträchtigungen lassen sich nur dann ausschließen, wenn der Betreiber der Anlage entsprechende Vorkehrungen trifft.

Nicht zuletzt aus diesem Grunde wurden zusätzlich zu diesen etablierten Übertragungstechniken neue Verfahren entwickelt, die jeweils speziellen Anforderungen in der Automatisierung gerecht werden. Das Protokoll Zig Bee zum Beispiel wird vor allem in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt, wo die Datenmengen verhältnismäßig gering sind, etwa zur Steuerung von Jalousiemotoren oder Dimmern.

So liegt die Leistungsaufnahme eines drahtlosen Schalters mit dieser Technologie so niedrig, daß er seine Energie aus der mechanischen Schalterbetätigung beziehen kann. Zweckmäßiger für Einsatz im harten industriellen Umfeld sind dagegen die Standards NanoNET und Ultra Wide Band (UWB). Beide Technologien bieten einen wesentlichen Fortschritt bei der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Hochfrequenzverbindung, dem entscheidenden Kriterium in der Automatisierung. Ein wesentlicher Unterschied dieser Techniken ist das Verfahren zur störsicheren Modulation: Bluetooth verwendet hierzu die Technik des Frequency Hopping (FHSS), bei WLAN kommt Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) zum Einsatz. Das Protokoll NanoNET setzt dagegen auf Chirp-Impulse zur Bandbreitenspreizung (CSS).

Dieses Modulationsverfahren nutzt die Bandbreite von 80 MHz des 2,4 GHz ISM-Bandes sehr effektiv und ist robust gegen Störungen durch fremde Funksignale und eigene Funkechos. Es wird deshalb auch in der Radartechnik verwendet. Die Entstehung von Funklöchern durch Interferenzen verhindern beide Übertragungsverfahren durch zwei Antennen im Abstand einer halben Wellenlänge.

Noch einen Schritt weiter geht hier das UWB-Verfahren, das in einem Frequenzbereich von 3,1 bis 10,6 GHz ein Spektrum von mindestens 500 MHz Breite belegt und damit völlig andere Übertragungseigenschaften ermöglicht. Insbesondere verschwinden die durch Mehrwegempfang über Funkechos entstehenden Feldstärkeeinbrüche. Offiziell freigegeben ist der Betrieb von Ultra Wide Band bisher allerdings nur in den USA. Für Europa wird die Standardisierungsstelle ETSI voraussichtlich noch in diesem Jahr einen harmonisierten Standard veröffentlichen, der als Grundlage einer europaweiten Genehmigung dienen soll.

Unabhängig von der verwendeten Technologie unterscheiden sich jedoch die Anforderungen an industriegerechte Wireless-Komponenten erheblich von denen im Office-Bereich: Neben der Möglichkeit zum Einsatz in einem erweiterten Temperaturbereich benötigen derartige Komponenten spezielle Zulassungen, damit sie sich auch in Kombination mit speicherprogrammierbaren Steuerungen einsetzen lassen. Zudem sollten die Geräte über einen Zeitraum von fünf bis zehn Jahren verfügbar sein, da ein Austausch oder eine Erweiterung des Netzwerkes mit lediglich ähnlichen Geräten was im Office-Bereich oft ausreicht einen erheblichen Aufwand bei Planung, Dokumentation und Wartung mit sich bringt.

Entsprechende Geräte sind heute bereits verfügbar. Der Neckartenzlinger Kommunikationsspezialist Hirschmann beispielsweise hat einen Access Point zur Anbindung von Ethernet-Komponenten vorgestellt, der in einem Gerät die Funktionen einer WLAN-Basisstation und eines Workgroup-Access-Client verbindet. Das integrierte Roaming-Verfahren ermöglicht dabei eine unterbrechungsfreie Verbindung bei räumlichen Wechseln von Funkzelle zu Funkzelle innerhalb des 2,4 GHz-Bandes.

Schon in wenigen Jahren wird die Funkkommunikation in der Automatisierungstechnik zum Standard gehören. Die größte Chance, sich durchzusetzen, hat dabei wohl Wireless LAN schon alleine aufgrund der Kompatibilität zu Ethernet, das mehr und mehr die Feldbussysteme ergänzt. Nicht abzusehen ist dagegen, welche industrietaugliche Lösung sich unterhalb von Wireless LAN etablieren wird. Das US-Amerkanische Marktforschungsinstitut Allied Business Intelligence jedenfalls erwartet, daß bereits in drei Jahren 20 Prozent aller neu produzierten Autos mit internen Bluetooth-Verbindungen ausgerüstet sind. Für die externen Verbindungen der Fahrzeuge werden dann ethernetbasierte WLANs neben dem Internetzugang auch zur Stau- und Kollisionswarnung dienen.

Rolf-Dieter Sommer und Frank Seufert,

Hirschmann Automation and Control

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2005