Kommunikationsgrenzen überwinden

Ohne drahtlose Übertragungstechnologien wären viele Kommunikationslösungen in der Industrie nicht denkbar. Funktechnologien wie Wireless LAN haben sich in vielen Bereichen als Standard etabliert. Doch je nach Anwendungsgebiet kommen gleichzeitig zahlreiche Standards zum Einsatz, die sich die wenigen Frequenzbänder teilen müssen. Eine fundierte Planung und der gezielte Einsatz der verschiedenen Funktechnologien sind für eine zuverlässige Datenübertragung unabdingbar.

Bild: Belden

Wenn sich zwei Fachkräfte aus der Industrie über Funktechnologie unterhalten, kann das Gespräch mit einem Missverständnis beginnen. Der Eine kommt aus der Prozessindustrie und arbeitet mit Wireless Hart, während sein Gesprächspartner als Fabrikautomatisierer eher an Wireless LAN (WLAN) denkt. Seit mittlerweile fast zehn Jahren haben sich passend zu den spezifischen Industrieanwendungen verschiedene drahtlose Übertragungsstandards entwickelt, die für den Einsatz im jeweiligen Applikationsfeld ausgelegt sind. Deren einzige Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie im gleichen Frequenzband arbeiten. Denn weltweit eignet sich nur das kostenfreie Band für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen (Industrial, Scientific, Medical/ISM) im 2,4-Gigahertz-Bereich uneingeschränkt für den industriellen Einsatz. Die jeweilige Funktionsweise und auch der Einsatzzweck, für den die Funkstandards entwickelt wurden, können sehr unterschiedlich sein. Die Annahme liegt nahe, dass solche Vielfalt von Protokollen und Techniken im gleichen, recht begrenzten Frequenzbereich zu Konflikten führt, weil sich die Nutzer des Frequenzbandes gegenseitig stören. Die Praxis zeigt jedoch: Wireless funktioniert, wenn man weiß, was man tut.

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Funkstandards im 2,4-Gigahertz-Bereich

Tatsächlich gibt es mehr als nur ein weltweit verfügbares Frequenzband, das lizenzfrei ist. Dazu zählen mehrere Frequenzen im 800-Megahertz-Band, im 400-Megahertz-Band sowie bei 1900 Megahertz. Doch all diese Frequenzen bieten entweder eine zu geringe Übertragungsleistung, um die für industrielle Anwendungen erforderlichen Datenmengen zuverlässig zu übertragen, oder eine zu geringe Leistung, um die erforderlichen Übertragungsdistanzen zu erreichen. Als Ausweichmöglichkeit bleibt das Fünf-Gigahertz-Band, dessen Unterbänder in Europa sowohl für Anwendungen im Innenbereich als auch für leistungsstarke Außenanwendungen zur Verfügung stehen.

Bislang gibt es jedoch nur mit den WLAN-Standards IEEE 802.11a/h beziehungsweise 802.11n ein Protokoll, dessen Chipsätze das Fünf-Gigahertz-Band nutzen können. Produkte für Protokolle wie Zigbee, Wireless Hart oder Bluetooth müssen aber sehr kostengünstig sein. Deswegen wird hier auf eine Nutzung des Fünf-Gigahertz-Bandes verzichtet. Protokolle ‚oberhalb‘ von WLAN wiederum sind in lizenzpflichtigen Bändern angesiedelt. Sie werden von Netzbetreibern oder ‚Carriern‘ etwa für UMTS und LTE sowie im Falle von Wimax als kostenpflichtiges Netzwerk angeboten. Als Folge arbeiten die meisten in der Automation angewandten drahtlosen Technologien daher weiterhin im 2,4-Gigaherz-Band. Dies gilt insbesondere für die Feld-Protokolle, die standardisiert sind beziehungsweise eine Standardisierung anstreben. Momentan sind dies die folgenden Protokolle:

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Ist ein drahtloses Netzwerk installiert, benötigt der Administrator ein leistungsfähiges Tool, um das Netzwerk zu überwachen und zu betreiben. IT-Lösungen wie die Software Industrial Hivision von Hirschmann sind in der Lage, sowohl drahtlose als auch drahtgebundene Netze zu verwalten. Bild: Belden

• Wireless Hart als kabelloses 4-20 Milliampere-Protokoll findet man hauptsächlich in der Prozessindustrie. Die Netzteilnehmer sind meist Sensoren, Ventilsteller oder Messgeräte. Vorteil ist die geringe Leistungsaufnahme und dadurch die hohe Langlebigkeit der meist akkubetriebenen Geräte.
• Bluetooth – neben WLAN ein ‚Abkömmling‘ aus der Office-Welt – wird oft für Kurzstreckenverbindungen sowohl in der Prozess- als auch in der Fabrikautomation eingesetzt. Es lässt sich leicht einrichten, bietet aber keine Vernetzungsmöglichkeit und ist nicht ethernet-fähig. Daher dient es hauptsächlich als einfacher Kabelersatz.
• Auch das Wisa-Protokoll nutzt die Grundlagen von Bluetooth, ist aber für den Einsatz in der Fabrikautomation optimiert. Einsatzzweck ist es, als drahtlose IO-Box Kabel an mobilen Aktoren und Sensoren zu ersetzen. Außerdem wird Wisa überall dort eingesetzt, wo Kabel schnell verschleißen oder nicht verwendet werden können.
• Zigbee wurde ebenfalls für Netze mit geringer Leistungsaufnahme und ohne hohe Bandbreitenanforderungen entwickelt. Das Protokoll findet sich meist in der Gebäudeautomation.

Es gibt noch mindestens ein Dutzend anderer Protokolle, die für spezifische Anwendungen konzipiert wurden und die sich das 2,4-Gigahertz-Band teilen. Diese Protokolle nutzen das Frequenzband sehr unterschiedlich, etwa indem sie es in eine unterschiedliche Anzahl von Kanälen unterteilen. Diese Kanäle sind dann nicht immer unabhängig voneinander. Durch gegenseitiges Übersprechen beeinflussen sie sich und reduzieren so die Anzahl der parallel nutzbaren Kanäle – dies gilt zum Beispiel für WLAN im 2,4-Gigahertz-Band. Doch es gibt noch weitere drahtlose Übertragungsmöglichkeiten.