- IT&Production - https://www.it-production.com -

Kommunikationsgrenzen überwinden

Funktechnologie im industriellen Einsatz

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.

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:

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

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.

Wireless LAN im Fünf-Gigahertz-Band

Tatsächlich ist das Fünf-Gigahertz-Band in vielen Ländern der Welt nutzbar, insbesondere für industrielle Anwendungen. WLAN gemäß dem Standard IEEE802.11 ist mit seinen Protokollen 802.11n und 802.11a das einzige drahtlose Protokoll, das in der Praxis in diesem Band arbeitet. Es stehen bis zu 19 überlappungsfreie Kanäle zur Verfügung, und Teilnehmer dürfen mit der bis zu zehnfachen Sendeleistung von Anwendungen aus dem 2,4-Gigahertz-Band funken. Auch Störungen von Radar-Erkennung stellen in der Praxis aufgrund der im Standard EN301893 geforderten, 60-sekündigen Verbindungsunterbrechung kein Problem mehr dar: In aktuellen Anwendungen der Chip- und Gerätehersteller sind keine merklichen Unterbrechungen des Datentransfers mehr zu verzeichnen. Zudem lässt sich die hohe Verfügbarkeit entsprechender WLAN-Verbindungen durch eine redundante Auslegung des Netzwerks sicherstellen, und die Unterbrechungsregelung für Radar-Erkennung gilt nur für Installationen im Außenbereich.

Nutzt ein Unternehmen die vier unteren Kanäle des Fünf-Gigahertz-Bandes, wird keine Unterbrechung gefordert und Anwender dürfen dennoch die doppelte Sendeleistung gegenüber dem 2,4-Gigahertz-Band einsetzen. Damit ist auch kein Reichweitennachteil von Fünf-Gigahertz-Anwendungen gegenüber 2,4-Gigahertz vorhanden. Da sich die vier Kanäle nicht gegenseitig stören, ist ein Kanal mehr als im 2,4-Gigahertz-Band verfügbar und es entstehen keine Probleme durch den Parallelbetrieb mit Feld- und Sensor-Wireless-Protokollen.

Zuverlässiger Betrieb von Funknetzwerken

Diese Vorteile nutzen mittlerweile eine Reihe industrieller Anwender. In der Praxis zeigt sich allerdings, dass der erfolgreiche Einsatz drahtloser Technologien nicht allein von deren technischer Umsetzung abhängt, sondern ebenso vom Know-how des Nutzers. Industrieanlagen befinden sich meist auf Privatgelände. Dort kann mit entsprechenden Frequenznutzungsplänen den einzelnen drahtlosen Protokollen das Frequenzband zugewiesen werden, in dem sie am besten funktionieren. Das bedeutet häufig, dass WLAN nur im Fünf-Gigahertz-Band eingesetzt werden darf. Sollte es in der Anlage erforderlich sein, mehr als eines der 2,4-Gigahertz-Protokolle zu benutzen, funktioniert das aus zwei Gründen:

  1. Bluetooth etwa verwendet eine adaptive Kanalnutzung, die darauf achtet, ob es andere Teilnehmer im Frequenzband gibt.
  2. Diese Protokolle sind in ihrer Reichweite meist so begrenzt, dass sie sich oft nicht stören. Zudem kann der Einsatz der richtigen Antennen an der richtigen Stelle viel bewirken.

Dieses Vorgehen hat sich in der Praxis bewährt. Dabei setzen Netzwerkadministratoren Software ein, die sie dabei unterstützt, die Nutzung der Frequenzbänder zu überwachen und die stabile Funktion des Netzwerks permanent sicherzustellen. Dies funktioniert insbesondere dann, wenn die Ausrüstung aus aktiven Komponenten wie Access-Points, Clients oder Sensoren und passiven Bestandteilen, wie Antennen und Kabeln, mit dem entsprechenden Know-how eingesetzt wird. Denn es ist nicht damit getan, die Geräte zu montieren. Diese Vorstellung mag im Office-Bereich Gang und Gäbe sein. Im industriellen Bereich, wo ein instabiles Netzwerk zu hohen Ausfallkosten führen kann, wird es dagegen immer Personen geben müssen, die das nötige Fachwissen und die entsprechenden IT-Werkzeuge haben, um Funknetzwerke zu planen, zu installieren und sicher zu betreiben.

Kompetenz für den Einsatz von Software und Geräten

Durch den Einsatz aktueller Übertragungstechnologie lassen sich nahezu alle Kommunikationsanforderungen von industriellen Unternehmen auch über drahtlose Netzwerke abdecken. Ausschlaggebend dafür ist, die Vorteile der Protokolle so zu nutzen und zu kombinieren, dass auch komplexe Wireless-Systeme ohne Störungen funktionieren. Dazu ist eine umfassende Planung der Infrastruktur genauso wichtig wie die Überwachung des Funknetzwerks. Entsprechende Software-Werkzeuge sind vorhanden, Hersteller von Wireless-Technologie wie Hirschmann Automation and Control bieten zudem Schulungs- und Zertifizierungsprogramme an. So können Unternehmen sichergehen, dass Dienstleister, die ihr drahtloses Netzwerk installieren, ihr Handwerk verstehen.


Wichtig für den erfolgreichen Einsatz drahtloser Technologien ist die Auswahl der passenden Komponenten. Hirschmann bietet dazu beispielsweise eine Kombination des WLAN-Access-Point BAT300-F mit einer leistungsstarken MiMo-Antenne an. Bild: Belden

Funktechnologie im industriellen Einsatz

Die drahtlose Welt in der Industrie teilt sich auf in zwei Ebenen: Drahtlose Übertragungsprotokolle, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind, nutzen meist das 2,4-Gigahertz-Band. Auf der Ebene des Kontrollnetzwerks hält WLAN alle Fäden zusammen und kann zudem im Fünf-Gigahertz-Band genutzt werden, um Konflikten mit den Funkprotokollen auf der Feldebene aus dem Weg zu gehen. Entscheidend für den Einsatz von Funktechnologie im Industrieumfeld sind jedoch eine fundierte Planung und ein professioneller Betrieb. Wenn das berücksichtigt wird, könnten sich Wireless-Experten in Unternehmen in Zukunft einvernehmlich darüber unterhalten, wie gut ihr Netzwerk funktioniert.