Von Fouad Boudraa

Das potenzielle Einsatzgebiet kabelloser Sensorlösungen in der Industrie ist breit gefächert: Angefangen bei der Erfassung von Parametern wie Umgebungstemperatur oder Luftfeuchte in Fertigungsstätten, über die Messung von Vibrationen oder akustischen Signalen zur vorbeugenden Wartung an Maschinen und Anlagen bis hin zur Überwachung relevanter Qualitätsparameter in der laufenden Produktion. Speziell wenn es darum geht, mehrere Funksensoren in ein räumlich weit ausgedehntes System zu integrieren, und es eventuell auch mobile Teilnehmer einzubinden gilt, bietet sich der Aufbau eines Mesh-Netzwerkes an.

Ein Mesh-Netzwerk ist ein Kommunikationsnetzwerk, welches aus zumindest drei Teilnehmern besteht und jeder dieser Teilnehmer somit mindestens zwei Signalwege aufbauen kann. Jeder einzelne Teilnehmer im Mesh-Netz kann senden und empfangen und ist – direkt oder indirekt – mit allen anderen Teilnehmern im Netz verbunden. Mit anderen Worten: Jeder Funksensor funktioniert in einem solchen Netz als Router, sprich als Vermittlungsknoten für die Weiterleitung von Messwerten. Ein Beispiel für ein solches Mesh-Netzwerk-Konzept ist die Wireless-Sensorlösung – kurz WISE – von Wachendorff. Die vom jeweiligen Funksensormodul gemessenen Daten werden bei dieser Lösung über das lizenzfreie 2,4-GHz-Band zu einem zentralen Gateway gesendet, dort gesammelt und an eine entsprechende Datenbank weitergeleitet.

Die Kommunikation zwischen Gateway und Funksensoren erfolgt dabei über eine definierte Mesh-Route, die allen Teilnehmern bekannt ist. Die Inbetriebnahme des Netzes geschieht wie folgt: Mit dem Drücken einer Taste auf dem Funksensor und dem Gateway erkennen sich die Teilnehmer automatisch und das Netzwerk baut sich auf. Nach Anschluss des Gateways an das Internet sorgt DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) für eine dynamische Zuweisung einer IP-Adresse und stellt die Verbindung zum Server her.

Anwendungsbeispiel Fabrik-Anlage: Über die permanente Überwachung von Temperaturen und anderen wichtigen Prozesswerten ”“ wie etwa Druck, Durchfluss oder relative Luftfeuchte ”“ an verschiedenen Stellen in der Fabrikhalle lassen sich die Auslöser von Störungen identifizieren beziehungsweise mögliche Ausfälle bereits im Vorfeld verhindern.

Über eine Website im Internet werden für jeden Funksensor spezifische Parameter wie die Bezeichnung, die Skalierung oder das Mess-Intervall eingestellt. Ist das Netz in Betrieb, lassen sich auf diesem Weg zudem grafische Auswertungen erzeugen, Alarme managen oder die Daten zum Beispiel nach MS-Excel exportieren. Neben dem Datenmanagement über das Internet ist es zudem möglich, das Datenlogging, die Analyse und die Dokumentation über anwenderspezifische oder auch über Labview-Anwendungen zu realisieren. Was Letzteres betrifft, hat National Instruments einen Treiber für den direkten Anschluss von WISE entwickelt.

Da durch die Mesh-Netzwerk-Technologie die gemessenen Signale im gesamten Sensornetzwerk sich eine hohe Redundanz, was letztlich zu einer optimalen Betriebssicherheit führt. Sollte ein Funkteilnehmer ausfallen, ist die Kommunikation über die anderen Teilnehmer gewährleistet. In einem solchen Fall suchen die betroffenen Funksensoren über eine Broadcast-Nachricht – quasi ein „Rundruf“ – nach einer Ausweichroute. Dabei wird die Broadcast-Nachricht an alle Teilnehmer gesendet, mit der Aufforderung, diese weiterzuleiten. Kommt diese Nachricht beim Empfänger respektive am Gateway an, steht die neue Route fest. Der Empfänger bestätigt den Empfang der Nachricht allen Teilnehmern mit einem ACK (Acknowledgement) und der neuen Route.

Da das Gateway und jeder teilnehmende Funksensor die anderen Netzwerk-Teilnehmer als potenzielle Router speichern, weiß ein Funksensor über den „Blick“ in seine Tabelle genau, über welchen Weg er seine Nachrichten zu weiteren Empfängern zu senden hat. Dies alles geschieht automatisch und ohne das Zutun des Anwenders. Außerdem sorgt dieses spezielle Routingverfahren für eine automatische Anpassung, wenn sich einzelne Teilnehmer bewegen oder neue Teilnehmer hinzukommen.

Der Energie-Aspekt

Die Reichweite der Funksensoren untereinander beträgt bei WISE bis zu 80 m. Da insgesamt 16 Sensoren an das System anschließbar sind, ergibt sich damit eine möglich Netzausdehnung von 1,2 km. Da die Funksensoren über Batterie versorgt werden, ist der Anwender bei der Auswahl des Installationsplatzes absolut unabhängig. Nachteil ist allerdings die begrenzte Lebensdauer der Batterien; typisch ist eine Lebensdauer von sechs Monaten bei einem 5-minütigem Funkintervall mit jeweils 3 ms Übertragung. Eine integrierte Warnung bei niedriger Batteriespannung sorgt für rechtzeitige Vorwarnung.

Durch die Wahl des geeigneten Sendeverfahrens lässt sich der Energieverbrauch in Grenzen halten und damit die Lebensdauer der Batterie verlängern. Hierzu existieren verschiedene Parametriermöglichkeiten: Wird nicht gesendet oder empfangen, so wird der Funksensor in den Ruhezustand versetzt, wo er deutlich weniger Strom verbraucht als im Sendezustand. Das Verhältnis zwischen der „Aufwachdauer“ und der „Aufwachperiode“ wird auch als Duty-Cycle bezeichnet. Eine weitere Möglichkeit, Energie zu sparen, besteht darin, die Abstände zwischen den einzelnen Knoten – also den Funksensoren – klein zu halten, da die Sendeleistung im Verhältnis zum Sendeabstand mit Potenzen zunimmt und dementsprechend viel Energie zieht. Auf diese Weise lassen sich Netzwerke aufbauen, in denen die Informationen über mehrere Knoten zum Ziel gelangen – auch Multi-Hop-Betrieb genannt. Die Abstände zwischen den Knoten sind dabei bewusst klein gehalten, um den Energiebedarf der beteiligten Knoten zu minimieren.

Datensicherheit stets gewährleistet

Ein zentrales Gateway sammelt die Messwerte der Funksensoren und leitet diese an entsprechende Datenbanken beziehungsweise Anwendungen weiter.

Im Zusammenhang mit Funk beziehungsweise der Datenweiterleitung via Internet stellt sich zwangsläufig die Security-Frage. Hierzu ist folgendes anzumerken: WISE nutzt den IEEE-802.15.4-Standard, der ein Verfahren zur drahtlosen Kommunikation in der Automatisierungstechnik beschreibt. Schwerpunkte bei der Entwicklung waren eine zuverlässige Kommunikation und geringer Stromverbrauch der Sender und Empfänger. Die Funksensoren kommunizieren bei WISE über ein proprietäres Protokoll, welches nur der Hersteller kennt und kein Außenstehender versteht. Die Anbindung unerwünschter Funkteilnehmer wird somit wirksam unterbunden. Das Sicherheitskonzept sieht zudem den Einsatz von Zugangs-Kontroll-Listen vor, vergleichbar mit einer MAC-Adressfilterung, wie sie in WIFI-Geräten zu finden ist.

Die Zugangs-Kontroll-Liste bestimmt, welche Geräte untereinander kommunizieren dürfen; sie ist mit einer Firewall aus der PC-Welt vergleichbar. In einer Access Control List (ACL) sind im Sinne einer so genannten White-List die MAC-Adressen derjenigen Stationen beziehungsweise Funkteilnehmer verzeichnet, mit denen die Kommunikation gestattet ist. Empfängt ein Teilnehmer eine Information, prüft er, ob die Quell-MAC-Adresse in der Access Control List verzeichnet ist. Wenn nicht, verwirft er die Information.

Was die anschließende Verteilung und Speicherung der Messwerte via Internet betrifft, so sorgt die SSL-Verschlüsselung für die sichere Übertragung. Die Netzwerk-Anbindung erfolgt über Ethernet 10BaseT/ 100BaseTX, wobei keine Firewall-Konfiguration erforderlich ist.

Applikationsbeispiel Scheibenmontage

Ein Beispiel für den praktischen Einsatz der Mesh-Technologie ist die Überwachung der Herstellung von Auto-Heckscheiben. Diese erfolgt mehrstufig in Produktionsstraßen, die in sehr großen Fabrikhallen untergebracht sind. Jede dieser Produktionsstraßen ist mit mehreren Funksensoren ausgestattet, die an den für die Qualität kritischen Stellen die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit und weitere Prozesssignale wie beispielsweise die Materialtemperatur über externe Sensoren als 4- bis 20-mA-Signal erfassen, messen und an die Leitzentrale übertragen.

Die Überwachung dieser Werte ist für den Produzenten unabdingbar, da der Einfluss der unterschiedlichen Prozess- und Umweltsignale von entscheidender Bedeutung für die Qualität ist. Dies gilt insbesondere für den Einfluss der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit, die während der Sommer- und Winterzeit erheblich auseinander liegen können und somit starken Einfluss auf die Eigenschaften des Glases, respektive auf die Materialstabilität und -flexibilität haben. Ergo ist es wichtig, diese Parameter exakt im Auge zu behalten, um zum Beispiel bei der Formgebung sowie bei Bohr- und Schneideprozessen mit der richtig dosierten Krafteinwirkung beziehungsweise Drehzahl zu arbeiten. Früher musste sich der Hersteller alleine auf die Erfahrung und das Fingerspitzengefühl der Betriebsleiter verlassen; eine Aufnahme der angesprochenen Messwerte über verdrahtete Sensoren hätte angesichts der Länge einer jeden Produktionsstraße von rund 300 Metern einen zu großen Aufwand bedeutet.

Heute lassen sich – aufgrund der Verfügbarkeit objektiver Messwerte – sehr zeitnah die richtigen Maßnahmen einleiten. Als Folge hiervon hat sich die Ausschussquote deutlich reduziert. Ein weiterer wichtiger Aspekt aus Sicht des Scheibenherstellers, der für die Funklösung sprach, ist die lückenlose Dokumentation des gesamten Produktionsprozesses und sämtlicher Einflüsse, um sein Herstellungsverfahren zielgerichtet weiterentwickeln und optimieren zu können.

Autor

Fouad Boudraa ist Spezialist für Wireless-Lösungen bei der Firma Wachendorff Prozesstechnik.

Die technischen Eckpunkte

Wachendorff Prozesstechnik, Funkmodul der WISE-Serie

Funkmodule der WISE-Serie besitzen interne Sensoren und externe Anschlüsse für gängige Sensorsignale wie Strom, Spannung oder Temperatur. Verfügbare interne Sensoren sind Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibration, Akustik-Pegel, Umgebungslicht. Die technischen Eckpunkte der Mesh-Lösung im Überblick:

Wireless Standard: IEEE 802.15.4
 
Frequenzband:       2,4 GHz ISM
 
Frequenzkanäle:    2405 MHz bis 2480 MHz, 16 × 3 MHz mit 5 MHz Kanalabstand
 
Sendeleistung:       0 dBm (0,79 mW)
 
Modulation:            O-QPSK
 
Protokoll:               proprietär