Die Kraft der drei Antennen

Funk „industrietauglich“ machen: einige Optimierungsmöglichkeiten

Adaption von Feldbusprotollen

Die Realisierung einer durchgängigen Kommunikation ist eine der wichtigsten Schlüsselaufgaben für die industrielle Anwendung. ProfinetIO, Interbus, Modbus oder CANopen sind nur einige Protokolle, die eine technische Relevanz haben. Funksysteme müssen in das jeweilige Umfeld eingebettet werden, so dass der Nutzer sich nicht extra um die Funktechnik kümmern muss. Dieses Versprechen wird häufig nicht eingehalten. Dennoch ermöglichen viele Anbieter von Funklösungen einen transparenten Datenaustausch. Hier findet man häufig Punkt-zu-Punkt-Funkverbindungen, mit denen ein purer Ersatz eines Kabels durchaus möglich ist. Funkbrücken auf Basis konventioneller Technologien bieten jedoch keine wesentliche Verbesserung der Kommunikation, mit der Ausnahme zusätzlicher Quittungsmechanismen oder erweiterter Redundanz.

Optimierte MAC-Protokolle

Ein deutlicher Trend aktueller Funksysteme der 2. Generation geht in Richtung optimierter MAC-Schichten. Es zeigt sich immer wieder, dass die Radios der Konsumelektronik-Systeme prinzipiell gut geeignet sind. Für automatisierungstechnische Anwendungen zeigen sie jedoch Defizite bei den Protokollen der Zugriffsschicht und der Kanalverwaltung. Während in der Konsumelektronik ein „Best Effort“-Ansatz ausreicht, muss in der Automation die Kommunikationsqualität garantiert werden – „einfach nur Mühe geben“ reicht nicht aus.

Ein gutes Beispiel hierfür spiegelt sich in der Diskussion um industrielle Funknetze auf Basis des ZigBee-Macund PHY-Standards IEEE 802.15.4 wider. Es hat sich gezeigt, dass der für die Gebäudeindustrie geplante Zig-Bee-Standard für viele industrielle Anwendungsfälle nicht geeignet ist. Entweder werden die zeitlichen Randbedingungen oder die Low-Power-Eigenschaften nicht erreicht oder das Anwendungsmodell ist für den jeweiligen industriellen Einsatz einfach ungeeignet. Auf der anderen Seite ist die IEEE-802.15.4-Hardware mit den standardisierten MAC- und PHY-Layern eine ideale Basis auch für umfangreichere Sensornetzwerke, beispielsweise durch Anwendung der neuartigen Spreizung nach IEEE 802.15.4b „Parallel Sequence Spread Spectrum“ (PSSS).

Dieser Trend zeigt sich nicht zuletzt auch in der Integration der IEEE-802.15.4-Kommunikation in den Empfehlungen der SP100 und wahrscheinlich auch in der PNO. Beim Blick nach Amerika sieht man deutlich, dass diverse Funktechniken auf Basis des IEEE-802.15.4-Standards langsam Einzug in reale Produkte halten. Allen voran ist hier DUST Networks zu nennen, wo auf Basis der IEEE-802.15.4-Hardware eine Abwandlung des proprietären Zugriffsprotokolls TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol) realisiert wird. TSMP ermöglicht ein robustes synchronisiertes Netzwerk, welches den Anforderungen der Prozessindustrie genügt. Emerson bietet mittlerweile eine ganze Produktpalette mit der Funktechnologie von DUST Networks an und verspricht ein Einsparungspotential bis zu 90 % im Vergleich zu konventionell verkabelten Systemen.

Ein weiteres populäres Beispiel für den Einsatz von angepassten bzw. spezialisierten MAC-Protokollen zeigt WISA (Wireless Interface to Sensor and Actor) der Firma ABB. Hier bietet ein IEEE-802.15.1-System („Bluetooth“) die Basis für ein auf industrielle Anforderungen optimiertes Funksystem. Andere Lösungen wie Millenial-Net oder WirelessHART nutzen vergleichbar zu Emerson ein IEEE-802.15.4-kompatibles HF-Teil – ebenfalls mit einer angepassten MAC- und Netzwerkschicht.

Optimierung der Hardware

Eine andere wichtige Eigenschaft ist die Optimierung der eigentlichen Funkeigenschaften. Vielfältig sind die Einflüsse, denen eine kabellose gegenüber einer kabelgebundenen Strecke unterliegt. Die Nutzdatensignale werden bei Funk auf einer Trägerwelle aufmoduliert. Eine Vielzahl unterschiedlicher physikalischer Effekte wie Freiraumdämpfung, Abschattung, Reflexion, Beugung oder Streuung ist nun verantwortlich für ein schlecht determinierbares Verhalten der Übertragungsstrecke. Hinzu kommt, dass gerade bewegte Objekte oder bewegte Sender und Empfänger die Kanalbeschreibung nahezu unmöglich machen. In der Literatur werden diese Effekte als Fading (Schwund) bezeichnet. Darüber hinaus findet man gerade in der Automation einen gegenüber dem Consumerbereich erheblich höheren Störpegel, bedingt durch koexistierende Funknetzwerke und Störstrahlungen.

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