Bei neueren Produktionsstraßen fallen erste Sensoren und Aktoren auf, die ohne Kabel und Schleifkontakte auskommen. Sie lassen sich flexibel einsetzen und ermöglichen völlig neue Bewegungsabläufe in Fertigungsprozessen. Bisher war ein leerer Akku, der die Produktion stilllegt, häufigster Grund, auf solche Lösungen zu verzichten. Inzwischen haben sich energieautarke Sensoren und Aktoren bewährt. Bei ihnen wandeln Energy-Harvesting-Module Bewegungsenergie, Umgebungslichtenergie oder Wärmeunterschiede in genügend elektrische Energie, um zuverlässig Datenpakete über Kurzstreckenfunkverbindungen bis zu einigen hundert Meter senden zu können. Ein lokaler Energiespeicher sichert die störungsfreie Funktionalität über Wochen, falls einmal nicht genug Energie aus der Umgebung geerntet werden kann. Für die Vernetzung der Sensoren und Aktoren stehen neben dem SubGHz-Protokoll EnOcean auch Bluetooth 5 und ZigBee 3.0 im 2,4-GHz-Band zur Verfügung. 

ZigBee

Die ZigBee Alliance scheint aus Fehlern der Vergangenheit gelernt zu haben. So findet die Version 3.0 von  ZigBee nicht nur großen Anklang beim Einsatz von Amazon Echo, Philips Hue, Ikea Trädfri und Osram Lightfy, sondern aufgrund seiner Spezifikationen auch in der professionellen Industrie. Für den Einsatz von Energy Harvesting mit ZigBee bietet sich eine abgestimmte Modulkombination von EnOcean an. Die Funkeinheit basiert – wie der Funkstack – auf einem Halbleiter von Nordic Semiconductor. 

Bluetooth und EnOcean

Für einfache P2P-Verbindungen oder für die Interaktion mit einem Smartphone, Tablet oder Notebook, kann ebenso Bluetooth völlig energieautark zum Einsatz kommen. Wer mehr Reichweite möchte oder wem das 2,4-GHz-Band auf dem Werksgelände gemäß Frequenznutzungsplan untersagt ist, der findet in dem EnOcean-Protokoll der EnOcean Alliance eine erprobte Alternative. Auch hier kommen die Module für Energiewandlung und Funkkommunikation von EnOcean zum Einsatz. Rutronik arbeitet als Distributor sowohl mit der EnOcean GmbH und der EnOcean Alliance als auch mit Nordic Semiconductor zusammen. Dadurch erhalten Entwickler selbst bei softwarespezifischen Adaptionen und bei komplexeren Problemen firmenübergreifend Unterstützung.

Vollvernetzung in der Werkshalle

© Fotolia

Was bei der Verbindung von einem Sensor oder Aktor zum Gateway, Hub oder zu einer Edge-Recheneinheit eine perfekte – weil wartungsfreie und ungebundene – Lösung darstellt, kommt bei größeren und komplexeren Netzwerken schnell an seine Grenzen. Besonders in nicht-zeitsynchronisierten Maschentopologien muss jeder Funkknoten stets auf Empfang sein, um ankommende Datenpakete zu empfangen und ihre zeitnahe Weiterverarbeitung sicherzustellen. Hierfür müssen permanente und stärkere Energiezulieferer genutzt werden. Bei stationären Funkknoten 
bieten sich verdrahtete Stromquellen an, für ‚schwebende‘ Funkknoten ist die Airfuel-Ladetechnik die bewegliche Alternative, die erheblich mehr Bewegungsspielraum erlaubt als die Qi-Ladetechnik. Bester Kompromiss für verschiedene Anforderungen ist meist die klassische Batterie. 

Viele Funkstandards – etwa Bluetooth Mesh, WiFi Mesh und ANT BLAZE – haben eine Historie auf Basis einer Sterntopologie und bieten seit wenigen Jahren auch Maschentopologien an. ZigBee, Threat und einige weitere wurden von Beginn an für Vollmaschenkommunikation ausgelegt. Während WiFi Mesh praktisch nicht ohne feste Stromversorgung auskommt, können alle anderen genannten Maschensysteme über Monate mit einer Akkuladung betrieben werden. 

Im Gegensatz zum häuslichen Bereich, wo ZigBee die LED-Leuchtmittel ansteuert, zeichnet sich ab, dass das ungeroutete Bluetooth Mesh bei industriellen Lichtsystemen in Lager- und Produktionshallen, Großraumbüros und Fluren zum Maß aller Dinge wird. Anders als beim üblichen, gezielten Routing der Datenpakete sorgt die Datendurchflutung hier für besonders schnelle Reaktions- und Durchlaufzeiten. Smartphone & Co. lassen sich trotzdem in das Netzwerk einbinden, was ein weiterer großer Vorteil gegenüber anderen Funkstandards ist, die via Router den Weg zum IT-Equipment finden müssen. 

Bluetooth Mesh ist als Zwischenlayer zu verstehen, der theoretisch auf sämtlicher Bluetooth-4.0-Hardware aufgesetzt werden kann. Aufgrund der neuesten Preisgestaltung der Bluetooth Special Interest Group ist es jedoch sinnvoll, bei Neuentwicklungen besser moderne Bluetooth-5- oder besser gleich 5.2-Hardware zu nutzen. Halbleiter mit entsprechenden Stacks gibt es etwa von STMicroelectronics, Nordic Semiconductor, Toshiba, GoWIN und nun dank der Cypress Übernahme auch bei Infineon. Wer eine Lösung mit integrierter Hochfrequenzbeschaltung und Zertifizierungen bevorzugt, kann aus den Bluetooth-Mesh-Modulen von Insight SiP, Garmin, Panasonic, Murata, Telit, Fujitsu und Minew wählen.

Außer Sichtweite, aber eng verbunden

© Fotolia

Für Umschlagplätze wie Logistikzentren, Bahnhöfe oder Häfen ist Langstreckenfunk das Mittel der Wahl. Unter den Technologien, die öffentliche und lizenzfreie ISM-Bänder nutzen, hat sich LoRa in den meisten zentraleuropäischen Ländern durchgesetzt. Vor allem Frankreich und die Niederlande setzen dank gutem Netzausbau vorwiegend auf Sigfox. 

2019 begann jedoch eine Trendwende: Die 4G-Kategorien Cat-M1 und Cat-NB1 wurden – abhängig von Region und Applikation – zum Teil sehr stark angenommen, erste Testphasen sind schon in Massenproduktionen übergegangen. Während sich LTE-M für Tracking-Anwendungen mit Zellwechsel anbietet, unterbietet LTE-NB1 den Energiebedarf nochmals deutlich. 

In vielen Ländern gibt jedoch der Netzausbau vor, welche Low-Power-Mobilfunktechnologie zum Einsatz kommt. Die deutschen Mobilfunkanbieter konzentrieren sich offenbar zunächst auf den Metering-Markt. Da sich ein installierter Strom-/Gas-/Wasserzähler nicht bewegt, gibt es auch keine Wechsel der Mobilfunkzellen während einer Verbindung. Provider in anderen Länder setzen eher auf Ortungsanwendungen für bewegliche Dinge und haben den Ausbau der Kategorie M1 fokussiert. Die meisten Hersteller von Mobilfunkmodulen unterstützen beide Netze. Bei Rutronik etwa sind Lösungen von Telit, Nordic Semiconductor, Murata, Telic, Advantech sowie in Kürze mit weiteren Franchise-Partnern verfügbar.

Wie 2G-, 3G- und konventionelle 4G-Module, werden auch LTE-M1-Transceiver oft mit GNSS (Global Navigation Satellite System) in einem Gehäuse kombiniert, da sie auf die Positions- und Bewegungsüberwachung von Containern, Fahrzeugen, hochpreisigen Gütern, Personen und Tieren abzielen. Hier muss immer die Position ermittelt und über das Mobilfunknetz gesendet werden. Vor einigen Jahren war GPS ein praktisch konkurrenzloses Navigationssystem. Mit dem russischen Glonass und dem chinesischen Beidou kamen GNSS-Alternativen hinzu, die technisch jedoch nicht an das amerikanische System herankamen. 2019 schaffte das europäische Galileo seinen Durchbruch, seit einiger Zeit wird es bereits von Millionen Smartphones erfolgreich mitgenutzt. Mitte 2019 entschied man sich, eine höhere Ortungspräzision kostenlos nutzbar zu machen, sodass Galileo dem GPS-System hinsichtlich der frei nutzbaren Daten des L1-Layers nun voraus ist.

Zudem bietet Galileo als einziges System eine Authentifizierungsfunktion an. Damit lässt sich sicherstellen, dass die empfangenen Signale tatsächlich von Galileo stammen und nicht von einer gefälschten Sendestation. Zudem ist Galileo das einzige zivile System in demokratischer Hand. Dennoch sind fast alle Anwender am besten damit beraten, auf möglichst viele Systeme parallel zu setzen. Denn je mehr Satelliten genutzt werden, umso schneller, energiesparender und präziser können die meisten modernen Multi-GNSS-Empfänger arbeiten. Jedoch sollte man auf zukünftige Veränderungen vorbereitet sein und reagieren können, falls ein System ausfallen sollte. Um die Settings in der Firmware zu ändern, kann man das im Modul vorhandene NB1- oder M1-Modem nutzen. 

Bei Anwendungen, die GNSS mit LoRa, Sigfox, Wi-Fi oder Bluetooth nutzen, ist darauf zu achten, im Host Controller eine entsprechende Zugriffsmöglichkeit auf den Betriebsmodus der GNSS-Einheit zu schaffen. Meist genügt ein NMEA-Steuerbefehl aus, um dem Empfänger mitzuteilen, welche Systeme er nutzen soll und welche zu ignorieren sind. Diese Remote-Funktionalität muss immer manuell implementiert werden und kann im Fall der Fälle für die Anwendung verheerend oder eben lebens- und geschäftsrettend sein.

Willkommen in der 6. Wi-Fi-Generation

© Fotolia

In der Prozessebene laufen alle Informationen der einzelnen Arbeitsstationen zusammen. Oftmals werden die am Sensor gewonnenen Daten in der Feldebene noch gar nicht aufbereitet. Um aus ihnen Informationen zu gewinnen, findet hier zumindest eine erste Vorverarbeitung der Daten statt. Für manche Anwendungen ist es von Vorteil, dadurch mehrere parallel einlaufende Felddaten vergleichen zu können. So lassen sich aufwendigere Pattern-Matching-Algorithmen einsetzen, die nicht nur gegen statische Muster vergleichen, sondern stetig auch ihre Referenz anpassen müssen. Für solche und ähnlich rechenintensive Aufgaben kommen meist stärkere x86-basierende Systeme zum Einsatz. 

Auch hier geht der Trend zur Verbindung untereinander und in Richtung Systemebene hin zu kabellosen Technologien. Die 6. Wi-Fi-Generation ist nicht nur abermals schneller als die vorigen, sondern zeichnet sich auch durch ein besseres Verbindungsmanagement der Teilnehmer aus, was besonders in professionellen Einsatz-Szenarien punktet. 
Eine verbesserte Frequenzbelegung hinsichtlich der in Kürze entstehenden 5G-Netze ist ein weiteres Argument.

Systemebene: Auf die Örtlichkeiten kommt es an

Die Technologie-Auswahl in der Systemebene hängt stark von der Komplexität und den lokalen Gegebenheiten ab – etwa die örtliche Ausdehnung des Geländes oder der betriebliche Frequenznutzungsplan. Bei kleineren und dynamischen Betrieben kann sich auch hier Wi-Fi 6 anbieten, bei größeren Unternehmen mit sehr statischen Einrichtungen eher eine verkabelte Lösung – noch. Denn sobald 5G verfügbar und bezahlbar ist, wird auch hier ein Umdenken stattfinden. 

Betriebsebene: Hier darf es die Vorgängergeneration sein

Bei der Kommunikation zwischen verschiedenen Werken werden die Informationen zuvor so stark verdichtet, dass herkömmliches LTE hinsichtlich Datendurchsatz und Latenzzeiten absolut ausreichend ist – selbst bei internationalen Großkonzernen. Wer seine verkabelte Internetanbindung des Standortes absichern möchte, der kann bereits heute durch einen LTE-Router die für den Betrieb wichtigen Kennzahlen per Mobilfunk übertragen. 

Setzt man auf der Feldebene, wo es um einzelne Sensordaten geht, meist eher auf die niedrigeren LTE-Kategorien, so darf es auf der Betriebsebene auch LTE der Kategorie 6 oder höher sein. Der Stromverbrauch und der Modempreis spielen hier praktisch keine Rolle, da die Rechner immer am Stromnetz betrieben werden und nur ganz wenige LTE-Modems oder LTE-Router zum Einsatz kommen. Telit, Telic und Advantech bieten Lösungen wie Steckkarten, externe Modems und Router. Eine individuelle Komplettlösung verbindet sie beispielsweise mit einem Server von Intel oder Asus, bestückt mit einem LTE-Modem von Telit und einer Wi-Fi-6-Karte von Intel. 

Weitere Funktrends in der Automation

Bernd Hantsche ist Director Product Marketing Embedded & Wireless bei Rutronik.

© Rutronik

Eine weitere Technologie, die nach den Endkunden-Smartphones auch industrielle Umgebungen erobert, ist NFC. Die 13,56-MHz-Technik erlaubt einen sicheren Austausch zwischen aktivem Reader und passivem Transponder wie auch zwischen zwei aktiven Readern. Durch die Kompatibilität zu fast allen modernen Tablets und Smartphones steht günstige Standardhardware zur Verfügung, auf teure Spezialgeräte – wie eine RFID-Gun – kann immer öfter verzichtet werden. Dies bringt neben den Hardwarekosten auch Vorteile in der Softwareprogrammierung mit sich. 

Wer RFID für längere Distanzen oder zum Scannen von mehreren Transpondern gleichzeitig einsetzen möchte, muss noch entweder auf eine andere Frequenz setzen, oder sich bei aktiven Systemen umsehen. Hier werden die Transponder nicht vom elektromagnetischen Feld des Readers versorgt und kommunizieren über Lastrückkopplung, sondern haben eine eigene Stromversorgung – in aller Regel Batterie oder Solar – und kommunizieren im 2,4-GHz-Band auf Basis von Bluetooth oder einem ähnlichen proprietären Funkprotokoll. 

Wo weder Festverkabelungen, noch Energy Harvesting eine Option ist und sparsame Funkverbindungen wie Bluetooth Low Energy die Batterien zu schnell entladen, setzen immer mehr Industrieanwendungen auf das ANT-Protokoll. In Kürze werden etwa erste Time-of-Flight Sensoren für eine hochpräzise Abstandsbestimmung erwartet, die ganz besonders wenig Energie benötigen. ANT ist zudem ab Werk in den meisten Android Smartphones verfügbar und kann mit Multiprotokoll-SoC-Lösungen den Datenverkehr auch ohne weitere Hardwarekosten in Bluetooth-Netze weiterleiten.

Wenn schnelle, planbare und stabile Lösungen her müssen

Geräte, Anlagen oder Maschinen mit industrieller Kommunikation auszurüsten, kann jedoch je nach Erfahrungsschatz zur Zeit- und Kostenfalle werden. Funktechnik bedeutet immer auch, dass hochfrequente Schaltungsteile enthalten sind, bei denen die klassischen elektrotechnischen Gesetze nicht mehr immer greifen. Da versierte Hochfrequenztechniker nicht auf den Bäumen wachsen und auch die notwendigen Messgeräte etwa ein Jahresgehalt kosten, ist darüber nachzudenken, ob es sinnvoll ist, das Rad selber neu zu erfinden. Kostspielige Zertifizierungen, Lizenzkosten und ständige PCNs beschäftigen Entwicklungsabteilungen dauerhaft. Unternehmen wie HMS haben sich auf Industriekommunikation spezialisiert und halten Portfolios vom Halbleiterchip, Modul, bis hin zum fertigen Modem bereit.