Intelligente Fabrik Herausforderung »Wireless-Datenstrecke«

In einer intelligenten Fabrik nach dem Prinzip der Industrie 4.0 werden nicht nur die Fertigungen, sondern alle Bereiche durch eine zentrale Steuerung überwacht und gesteuert. Bei der Auswahl der passenden Wireless-Module und -ICs helfen die FAEs von Arrow.

Durch den großflächigen Einsatz smarter Sensoren und Aktoren lassen sich nicht nur die Fertigungsprozesse optimieren, sondern auch Aspekte wie Sicherheit (Zugangskontrolle, Arbeitsschutz), Energieeffizienz (Licht- und Temperatursteuerung) oder auch Smart Grid-Anbindung realisieren. Für die verschiedenen Aufgaben stehen unterschiedliche Funkstandards zur Verfügung, die für einen Aufgabenbereich optimiert sind. Um den Datenaustausch zwischen den Funknetzen und der zentralen Steuerung zu vereinfachen, halten Internetprotokoll-basierte Protokolle Einzug in die drahtlose Welt.

Die fortschreitende Miniaturisierung hat winzige Sensoren hervorgebracht. Mit deren Hilfe können u.a. Maschinen viel genauer gesteuert und überwacht werden. Ein Beispiel ist die durchgängige Überwachung aller beweglichen Achsen von Werkzeugmaschinen mit Hallsensoren (z.B. die TLE499x-Reihe von Infineon). Diese können genutzt werden, um die Drehzahl und das Spiel der Achse zu überwachen. Über die Umdrehungszahl ist auch der Stromverbrauch zu erfassen. Mit einer Anbindung an das Smart Grid lässt sich über die Anpassung der Drehzahl auch der Stromverbrauch bei Bedarf reduzieren, und das für jeden Prozessschritt. Mit der Erfassung des Achsspieles ist frühzeitig Verschleiß zu erkennen, und die Wartung der Geräte im Produktionsprozess kann angepasst werden. Eine andere Anwendungsidee wäre eine automatische Temperaturüberwachung in der Lebensmittelindustrie. Soll die Einhaltung der Kühlkette dokumentiert werden, wird an der Schneide ein Infrarotthermometer angebracht.

Die Beispiele zeigen neue Möglichkeiten, mit kleinen Sensoren Informationen über den Prozess zu gewinnen, mit denen eine genauere Steuerung und Überwachung möglich ist. Für die Datenübertragung zwischen dem Sensornetz und der Steuerung müssen die Daten bei einem Wechsel des Übertragungssystems in die entsprechenden Protokolle übersetzt werden. Das Gateway bildet die Verbindung der beiden Systeme. Die Umsetzung gestaltet sich jedoch etwas komplexer, da Daten bidirektional übertragen werden müssen. Die am Markt verfügbaren Geräte sind daher in der Regel teuer und nicht intuitiv verwendbar. Ein Gateway für den Datenaustausch zwischen dem Server in der Fertigung und dem Sensor muss somit die Fähigkeit besitzen, Daten in beide Richtungen in die entsprechenden Protokolle einzubinden. Die drahtlosen Übertragungsstandards setzen alle auf das IEEE-802.15.4-Protokoll auf. Die Datenübertragung über das Internet basiert auf dem gebräuchlichen Internetprotokoll. Zu Beginn des Internets wurden die Adressen mit 32 Bit definiert. Durch die rasant gewachsene Anzahl an internetfähigen Geräten sind die verfügbaren Adressen mittlerweile erschöpft. Um dieses Problem zu lösen, nutzt die Version 6 (IPv6) des Internetprotokolls eine 128 Bit lange Adresse. Das ist genug, um sprichwörtlich jedes Sandkorn mit einer IP-Adresse versehen zu können.

Die Aufgabe des Gateways, Daten zwischen Internet- und IEEE-802.15.4-Protokoll zu übersetzen, setzt einen leistungsfähigen Prozessor und eine ganze Reihe von Datenverarbeitungsroutinen voraus. Eine weitere Herausforderung in einem großen Sensor- und Aktornetzwerk ist die Adressierung. Der Server verschickt die Daten an die IP-Adresse des Gateways. Dieses muss aus dem Datenstrom die Adresse des Sensors extrahieren und die zu übertragenden Daten in das Wireless-Protokoll einbinden. Ein Gateway kann mit mehreren Funkstandards arbeiten, z.B. mit ZigBee zur Übertragung der Daten vieler intelligenter Sensoren und mit WiFi für datenintensive Sensoren, wie Kameras.

Um den Datenaustausch zwischen den verschiedenen drahtlosen Protokollen und dem Internet zu vereinfachen, ist »IPv6 over low power wireless personal area network« (6LoWPAN) entwickelt worden. Das Protokoll bietet die Möglichkeit, die 128-Bit-IPv6-Adresse für die Datenübertragung über ein IEEE-802.15.4-konformes Protokoll zu komprimieren. Außerdem werden die Daten bereits am Sensor in eines der hauptsächlich genutzten Internet-Übertragungsprotokolle TCP oder UDP eingebunden. 6LoWPAN ist wie ZigBee in der Lage, ein Netzwerk mit mehreren Wegen zwischen den Sensoren aufzubauen. Die ZigBee-Allianz hat 6LoWPAN in ZigBee IP integriert. - Am Aufbau von ZigBee IP lässt sich die Funktionsweise der IPv6-basierten Wireless-Datenübertragung gut ablesen. Nach dem Link Layer, der die Daten über Funk überträgt, folgt die IPv6-(De-)Komprimierung mit 6LoWPAN. Im Netzwerk-Layer wird das Ziel für die Datenübertragung ermittelt. Im Transport Layer wird die Art der Datenübertragung mittels TCP (Zuverlässig, aber langsam) oder UDP (schnell, aber Datenverlust möglich) festgelegt. Alle weiteren Schichten bieten zusätzliche Funktionen, wie die Datenverschlüsselung mit AES. Auch Bluetooth schafft mit der Version 4.1 der L2CAP-Funktion (logical link control and application) die Grundlage für IPv6. Das ermöglicht die Übertragung von Daten in getrennten Kanälen. Doch selbst mit einem solchen IP-basierten Standard, der die Protokollverwaltung für die drahtlose und Internet-basierte Datenübertragung auf die Hardware auslagern kann, sind noch viele Punkte offen, bevor ein fertiges Produkt auf den Markt gebracht werden kann.

Für die Datenübertragung über Funk muss das Gerät nach der CE-Norm in Europa oder FCC in den USA zertifiziert werden. Auch Änderungen in den Zulassungsvorschriften können eine Änderung des gesamten Systems notwendig machen. – Für kleine Stückzahlen ist der Aufwand einer Zulassung des individuellen Gerätes zu hoch. Um eine möglichst hohe Flexibilität auch innerhalb eines Produktes zu erreichen, lohnt der Einsatz eines fertigen Wireless-Modules. Das übernimmt das gesamte Protokollhandling und ist meist bereits nach FCC und CE zertifiziert. Auch die Grenzwerte für die maximal zulässige Sendeleistung und Störfestigkeit wurden vom Modulhersteller eingehalten.

Auf dem Markt sind Module in verschiedenster Komplexität. Die einfachsten und kostengünstigsten Module enthalten nur einen Transceiver-Chip, wie den CC3000 von Texas Instruments für WiFi als günstiges Beispiel. Der übernimmt die drahtlose Datenübertragung, während die Datenverarbeitung und die Einbettung in die Protokolle auf einem Hostprozessor ablaufen. Komplexere Module übernehmen selbstständig die Einbettung der Daten oder bieten die Möglichkeit, eigene Programme auf dem Modul auszuführen, und sparen so eine eigene Platinenentwicklung.

Einfache Module sind ab etwa 10 € erhältlich. Rechnet man die Kosten für die Entwicklung und Zulassung einer eigenen Lösung zusammen, lohnt sich dies meist erst ab einer jährlichen Stückzahl von über 10.000 Geräten. Eine weitere Entwicklung geht hin zur Integration von multiplen Protokollen in ein Modul. Als Beispiele hier sollen die WiLink-8-Module von Texas Instruments dienen. Sie bieten die Möglichkeit, WiFi und Bluetooth in einem Modul zu verwenden, und sind so ideale Lösungen für ein IPv6-basiertes Gateway. Um die Sensoren kleiner und energieeffizienter zu gestalten, werden Mikrocontroller und Funk-Frontend in einem Chip integriert. Ein gutes Beispiel ist die CC2538-Familie, um bei Texas Instruments zu bleiben. Sie vereint einen ARM Cortex M3 mit einem Funk-Frontend. Mit diesem und vergleichbaren Schaltkreisen lassen sich leistungsfähige Sensor- und Steuerungsanwendungen mit sehr geringem Platzbedarf realisieren. Der Cortex M3 ist leistungsfähig genug, um das Protokollhandling und zusätzlich weitere Aufgaben zu übernehmen.

Steven Weyrich ist Applikationsingenieur im Engineering Solutions Center von Arrow