Mit der digitalen Produktion und der zunehmenden Vernetzung von Maschinen und Anlagen wächst der Bedarf an flexiblen, skalierbaren Übertragungstechnologien. Bislang werden für die Signalübertragung zwischen Maschinen, Werkzeugen, Anlagen und Robotern vor allem drahtgebundene Feldbussysteme eingesetzt, denn aufgrund ihrer Sicherheit und Zuverlässigkeit gelten Kabel hier nach wie vor als das Nonplusultra.

Allerdings kommt die drahtgebundene Kommunikation in modernen und dynamischen Umgebungen schnell an ihre Grenzen. Bei Verbindungen zwischen Sensoren und Aktoren zum Beispiel schränken Kabel die Konstruktions- und Bewegungsfreiheit empfindlich ein. Gleiches gilt für sich schnell bewegende Werkzeuge und Maschinen. In manchen Szenarien wie etwa der Mensch-Roboter-Interaktion lassen sich Kabel gar nicht einsetzen.

Funkverbindungen bieten hier ein entscheidendes Plus an Flexibilität und Freiheit. Allerdings gibt es auch einen Wermutstropfen: Bisherige Funklösungen eignen sich nicht für sicherheitskritische Bereiche mit hohen Anforderungen an Robustheit und geringer Latenz. Die meisten Anwendungen von drahtloser Kommunikation im industriellen Umfeld beschränken sich daher derzeit auf nicht kritische Szenarien, bei denen die Übertragungscharakteristik von Standardfunktechniken wie WLAN oder Bluetooth ausreicht.

Bei vielen Applikationen gelten zudem besondere Ansprüche an die Informationssicherheit (Security). Mit Verwendung von Luftschnittstellen ergeben sich aber neue Angriffsmöglichkeiten, die sich beispielsweise von Hackern nutzen lassen. Bei einer Übertragung per Funk müssen daher die Datenströme besonders abgesichert sein, um sie gegen unbefugten Zugriff zu schützen. Nur so sind Datensicherheit und der sichere Betrieb der Produktion gewährleistet.

Dank Sterntopologie können die einzelnen Device-Knoten ihre Nachrichten stets an mehrere Echo-Knoten gleichzeitig senden. Die Anzahl, der in die jeweilige Kommunikation eingebundenen Echo-Knoten, ist frei definierbar.

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Die Anforderungen sind also keineswegs trivial. Daher kommen Funktechnologien bei kritischen Prozesssteuerungsaufgaben oder sicherheitsrelevanten Szenarien bislang nur vereinzelt und in speziellen Fällen zum Einsatz. Dabei handelt es sich in der Regel um proprietäre Systeme für spezielle Applikationen, die mit individuellen Eigenschaften den Standardfunksystemen überlegen sind. In anderen Eigenschaften hingegen – wie etwa der Skalierbarkeit – erreichen sie nicht die Leistungsmerkmale, die für einen flexiblen, breiteren Einsatz und eine anforderungsgemäße Übertragung wünschenswert sind.

Um diese Lücke zu schließen, entwickelte Newtec gemeinsam mit der Hochschule Offenburg eine auf Bluetooth Low Energy (BLE) basierende Funktechnologie für sicherheitskritische Anwendungen.

Innovative Stern-Topologie

Ziel der Entwicklung war von Anfang an eine Funktechnologie, die einen energieeffizienten Datentransfer in latenz- und sicherheitskritischen Anwendungen ermöglicht. Dabei wurde schnell klar, dass der Versuch, die klassische Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu verbessern, nicht das gewünschte Ergebnis haben würde. Um alle Anforderungen an Flexibilität, Geschwindigkeit und Robustheit umsetzen zu können, war ein vollkommen innovativer Ansatz nötig. Dieser fand sich in der Entwicklung einer neuen Architektur.

Kern der neuartigen Lösung ist eine sternförmige Wireless-Netzwerktopologie mit einer variablen Anzahl kooperierender Echo-Knoten und einer definierbaren Anzahl einzelner Device-Knoten. Mit dieser Topologie kam es auch zu dem Namen NTStarEcho.

Für die Signalübertragung nutzt die Lösung das Zeitmultiplexverfahren TDMA (Time Division Multiple Access). Dabei stehen für den Austausch zwischen Echo-Knoten (EK) und Device-Knoten (DK) wiederkehrende TDMA-Abschnitte (Zeitschlitze) zur Verfügung. Um die Signale mit minimaler Latenz übertragen zu können, sind diese Zeitschlitze variabel (asynchron). Die Sterntopologie ermöglicht es nun, dass die einzelnen Device-Knoten ihre Nachrichten stets an mehrere Echo-Knoten gleichzeitig senden. Die Anzahl der in die jeweilige Kommunikation eingebundenen Echo-Knoten ist frei definierbar.

Sicherheits- und latenzkritische Anwendungen

Verglichen mit einer herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Verbindung bietet diese Architektur entscheidende Geschwindigkeitsvorteile, da stets der erste verfügbare Echo-Knoten – also der Knoten mit dem nächsten gemeinsamen Zeitschlitz – die Nachricht an den beziehungsweise die adressierten Device-Knoten weiterleitet. Ein spezieller Scheduling-Algorithmus ermöglicht es dabei, die TDMA-Zeitschlitze zwischen einem Device-Knoten und mehreren Echo-Knoten so gegeneinander zu verschieben (asynchrones Verfahren), dass sich ein maximaler Latenzgewinn ergibt. So können mit dieser Technologie Latenzen von 0,5 ms erreicht werden.

Device-Knoten A sendet eine Nachricht an Device-Knoten B über eine gewünschte Anzahl von Echo-Knoten (hier EK1–EK3). Derjenige Echo-Knoten, der den ersten gemeinsamen Zeitschlitz mit B (grün markiert) hat, überträgt die Nachricht weiter. Wäre hier nur der Echo-Knoten EK1 eingebunden, ergäbe sich eine deutlich höhere Latenz (grauer Pfeil).

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Die redundante Signalübertragung sorgt aber nicht nur für eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit, sondern auch für eine hohe Übertragungssicherheit: Sollte einmal ein Echo-Knoten oder ein Signalweg ausfallen, wird die nächste verfügbare Verbindung verwendet. Das an der Hochschule Offenburg speziell entwickelte Kommunikationsprotokoll ermöglicht dabei den Einsatz selbst in sicherheits- und latenzkritischen Anwendungen, denn es erkennt sicherheits- und latenzkritische Datenpakete und sendet diese bevorzugt an den beziehungsweise die Empfänger. Eine spezielle Logical-Link-Control-Schicht garantiert zudem eine feste Restfehlerwahrscheinlichkeit und erkennt Bitfehler und gestörte physikalische Verbindungen.

Dank dieser Eigenschaften eignet sich NTStarEcho sehr gut für viele Bereiche der Industrieautomation, insbesondere für die Mensch-Roboter-Kollaboration, wo die hohen Anforderungen den Einsatz von Funktechnologien bisher unmöglich machten.

Industrieroboter, die für die Zusammenarbeit mit Menschen zugelassen sind, sind immer noch ausgesprochen ineffizient. Denn um das Risiko für Menschen im Gefahrenbereich auf ein Minimum zu reduzieren, dürfen sich diese Roboter höchstens mit einer Geschwindigkeit von 250 mm/s bewegen. Für höhere Geschwindigkeiten ist es zwingend erforderlich, die Daten detektierter Menschen und Gegenstände latenzarm und mit hoher Zuverlässigkeit an den Roboter zu übertragen. Dank seiner Topologie und dem Einsatz des asynchronen TDMA-Verfahrens ist es mit Verwendung der neuen Technologie nun möglich, Sensordaten quasi in Echtzeit zu übertragen. Für die erforderliche Übertragungssicherheit sorgen die redundanten Echo-Knoten, deren Anzahl je nach erforderlichem Sicherheitsniveau flexibel erweitert werden kann.

Die Einsatz-Szenarien

Stichwort Flexibilität: Dank der konfigurierbaren Architektur können Energieaufwand, Latenz und Übertragungssicherheit bedarfsgerecht aufeinander abgestimmt und gestaltet werden. So ist es etwa möglich, durch eine Erweiterung der Anzahl eingebundener Echo-Knoten die Latenz zu senken und die Übertragungssicherheit zu erhöhen. Da hierfür zusätzliche Sendeleistung erforderlich ist, steigt der Energieaufwand für die Device-Knoten. Sind dagegen die Ansprüche an Übertragungssicherheit und Latenz geringer, kann der Energiebedarf durch Verringerung der Anzahl der Echo-Knoten entsprechend gesenkt werden. In jedem Fall ist dank der Bluetooth-Low-Energie-Technologie für höchste Energieeffizienz gesorgt.

Aufgrund dieser flexibel anpassbaren Eigenschaften ist die Technologie für ein breites Einsatzspektrum in der Produktion geeignet. Dort, wo Latenz und Robustheit eine untergeordnete Rolle spielen – etwa bei der Datenübertragung von sich schnell bewegenden Werkzeugen für eine optimierte Wartung – kann der Energieverbrauch wie beschrieben deutlich reduziert werden. Geht es dagegen um die Überwachung kritischer Industrieanwendungen oder das Versenden von Alarmmeldungen bei Notfällen, wird die erforderliche Sicherheit und Robustheit einfach durch eine höhere Anzahl von Echo-Knoten erreicht.

Auch wenn es darum geht, bestehende Anlagen zu vernetzen, kann die neue Funktechnologie den Aufwand gegenüber kabelgebundenen Verbindungen deutlich verringern und Kosten reduzieren. Die hohe Skalierbarkeit ihrer Grundarchitektur ermöglicht zudem jederzeit eine bedarfsgerechte Aufrüstung der Produktion durch neue, zusätzliche Funktionalitäten oder die Einbeziehung von neu hinzukommenden Maschinen und Anlagen.

Safety & Security

Die Funklösung kann mit verschiedenen marktüblichen Komponenten aufgebaut werden. Allerdings sollten die Echo-Knoten bei raumsparender Bauweise ausreichend performant sein, um große Datenmengen in Echtzeit und mit geringstmöglicher Latenz verarbeiten zu können.

Der Autor: Matthias Lai ist Systemarchitekt und Wireless-Spezialist bei der Firma Newtec.

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Newtec empfiehlt eine Architektur, die auf ihren NTSecureNodes BLE 100 als Echo-Knoten basiert. Damit wird ein besonders schneller, kostengünstiger Aufbau eines entsprechenden Funknetzes möglich und es lassen sich darüber hinaus hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit (Safety bis SIL 3) umsetzen. Last but not least ermöglicht der Einsatz dieser Nodes in einer NTSecureCloud-Umgebung eine sichere Ende-zu-Ende-Verschlüsselung. So können die übertragenen Daten sicher vor unbefugten Zugriffen und Manipulationen geschützt werden.