Drahtlose Automatisierung zur Prozesssteuerung

Mehrere verschiedene drahtlose Technologien wurden zur Unterstützung flexibler Verbindungen für Anwendungen im Bereich industrieller Vernetzung und Prozesssteuerung entwickelt und bieten zahlreiche Optionen von Echtzeit bis hin zu geringen Kosten.

Zahlreiche unlizenzierte Frequenzen sind verfügbar, die von Sub-1GHz-Varianten in verschiedenen Teilen der Erde über das 915-MHz-Band für Nord- und Südamerika, 868 MHz in Europa und 920 MHz in Japan bis hin zum gemeinsamen 2,4-GHz-Band reichen. Hierdurch entsteht ein größerer Umfang, geringere Kosten und mehr Möglichkeiten für die Integration des RF-Transceivers mit einem kostengünstigen Microcontroller-Kern.

Für Anwendungen, die eine Echtzeit-Funktion wie z. B. die Überwachung kritischer chemischer oder nuklearer Prozesse benötigen, ist eine Lösung mit niedriger Latenz unerlässlich. Drahtlose Ausführungen von Feldbusprotokollen wie z. B. WirelessHART bieten die Möglichkeit, eine Echtzeit-Leistung auf flexiblere Weise mit Hilfe von drahtlosen Verbindungen zu übertragen. Basierend auf dem beliebten und unlizenzierten Band auf 2,4 GHz das von anderen Technologien – insbesondere von WiFi und ZigBee – genutzt wird, steht es auch für Sicherheit und Störschutz , wodurch gewährleistet wird, dass jedes Informationspaket in einer bestimmten Zeit geliefert wird.

Innerhalb des weltweiten, lizenzfreien 2,4-GHz-Bandes tritt ZigBee als robustes und dennoch flexibles Industrieprotokoll auf, bei dem Mesh-Netzwerke sich so entwickeln können, dass Daten von einem Knoten zum nächsten übertragen werden können. ZigBee bietet nun auch einen Support für IPv6, sodass diese Knoten direkt aus dem Internet abgerufen werden können. Während bei industriellen Anwendungen noch kein allzu großer Bedarf an dieser Anforderung bestand, steigt die Nutzung von Fernüberwachungen und breiten Vernetzungen, die eine wichtige Systemvoraussetzung in den nächsten Jahrzehnten sein werden.

ZigBee IPv6

Nach mehrere Jahre andauernden Besprechungen wurde eine Version des ZigBee Maschennetzwerk-Standards eingeführt, die das neue IPv6-Internetprotokoll unterstützt. IPv6 erweitert den Adressraum des aktuellen IPv4-Protokolls, bei dem im Wesentlichen die Nummern zur Kennzeichnung aller Geräte im Internet ausgegangen sind.

Ein Support von IPv6 durch ZigBee erfordert Änderungen an der Software in der Vermittlungsschicht und, bedingt durch die Kompatibilität mit dem ZigBee Smart Energy-Protokoll (Version 2, SE2) auf unterschiedlichen Frequenzen, können Änderungen an MAC und PHY-Schichten in einem Gerät erforderlich werden. Die Überarbeitung 0.7 des SE2 steht derzeit in der Industrie zur Diskussion und bringt ZigBee auf andere Frequenzbänder und nicht nur auf das lizenzfreie 2,4 GHz-Band. Dies unterstützt ein intelligentes Stromnetz, Anwendungen für Energie- und Wasserversorgung und industrielle Maschine-zu-Maschine-Anwendungen (M2M) wie z. B. Prozesssteuerung.

ZigBee IP ist der erste offene Standard für eine IPv6-basierte umfassende Maschennetzwerk-Lösung und bietet nahtlose Internet-Anschlüsse. Der wesentliche Punkt ist, dass anders als bei ZigBee von heute, ZigBee IP-Netzwerke für eine Internetverbindung keine Gateway-Geräte benötigen und somit direkt mit anderen Ethernet- und WiFi-Geräten kommunizieren können. Die Tatsache, dass dies auch mit den Sub-1GHz-Bändern weltweit funktioniert, bietet eine weltweite Chance für Entwickler von Prozesssteueranlagen.

Die Spezifikation fügt Netzwerk- und Sicherheitsschichten sowie ein Anwendungsrahmenwerk zum vorhandenen Standard IEEE 802.15.4 hinzu, um eine Architektur zu bieten, die skalierbarer ist, aber über dieselbe bewährte Ende-zu-Ende-Sicherheit mittels der in ZigBee verwendeten "Link Layer Frame"-Sicherheit eines TLS1.2-Protokolls verfügt. Dies basiert auf dem AES-128-CCM-Algorithmus und Support für die Public-Key-Infrastruktur mit Hilfe von Standard X.509 v3 - Zertifikaten und der ECC-256 - Chiffrensammlung.

Eine wichtige Änderung besteht darin, dass ZigBee IP weiterhin den weltweiten Betrieb auf dem 2,4-GHz-Frequenzband, aber auch den regionalen Betrieb unterstützt. Rohdaten-Durchsatzraten von 250 Kbs können auf 2,4 GHz mit 16 Kanälen erzielt werden sowie 40 Kbs auf 915 MHz mit 10 Kanälen und 20 Kbs auf 868 MHz mit einem Kanal. Übertragungsdistanzen reichen von 50 bis 200 Meter, je nach Ausgangsleistung und den Eigenschaften der Umgebung. 

Da am Netzwerk kein Gateway erforderlich ist, musste ZigBee IP die Entwicklung von Entdeckungsmechanismen mit einer umfassenden Anwendungsbestätigung fördern. Geräte lassen sich überall im gesamten Netzwerk hinzufügen und mit anderen Geräten, eventuell in anderen Netzwerken, koppeln. Somit sind die Schichten für Entdeckung, Authentifikation und Kopplung wesentlich komplexer

Interferenz wird eine immer wichtigere Herausforderung bei IPv6-basierten Systemen werden, die weiter voneinander entfernt sind und mit anderen Netzwerken auf dem 2,4-GHz-Band, wie z. B. Bluetooth und WiFi arbeiten. Als Ergebnis haben ZigBee IP-Produkte Zugang zu 16 getrennten 5-MHz-Kanälen auf dem 2,4-GHz-Band, sodass die Bandsteuerung dazu genutzt werden kann, um Interferenzen zu vermeiden. Dies kann entweder manuell geschehen, wenn ein Gerät zum Netzwerk hinzugefügt wird oder, was wahrscheinlicher ist, durch Verwendung einer lernfähigen Software zur Überwachung der Qualität einer Verbindung und gegebenenfalls durch Wechseln zu einem anderen Band. Zudem wird hierdurch der Stromverbrauch auf einem niedrigen Niveau gehalten, da eine höhere Leistung bei der Verbindung zum Überwinden der Störung nicht erforderlich ist.

Darüber hinaus überschneiden sich mehrere hiervon nicht mit den US-amerikanischen und europäischen WiFi-Versionen. Somit können diese Bänder vorsichtig verwendet werden, um wahrscheinliche Störquellen zu vermeiden. ZigBee enthält bereits einen IEEE 802.15.4-CSMA-CA-Mechanismus, der die Störwahrscheinlichkeit mit anderen Nutzern verringert. Plus ZigBee sorgt durch eine automatische Datenweiterleitung für die Robustheit des Netzwerks. Da der Arbeitszyklus eines ZigBee-Produktes in der Regel sehr langsam ist, werden relativ wenige Paketdateneinheiten übertragen, was die Wahrscheinlichkeit für eine gescheiterte Übertragung verringert und das Protokoll robuster macht. Zusätzlich enthält die Protokoll-Suite Mechanismen, durch die ein operationelles Netzwerk zu einem anderen Kanal wechseln kann.

Der 802.11 WiFi-Standard (a,b,g,n) ist zwar kosteneffektiv, aber dennoch kann es zu Störungen von anderen Netzwerken kommen. Obwohl es nicht über eine Echtzeit-Unterstützung verfügt, ist es gut für Überwachungsanwendungen wie dem Streaming von Videozuspielungen von einer entfernten Kamera geeignet.

WirelessHART

Dank WirelessHART genießen Benutzer schnell und einfach die Vorteile der drahtlosen Technologie, bei gleichzeitiger Kompatibilität mit bestehenden HART-Geräten, Hilfsinstrumenten und Systemen. Die drahtlose Version verfügt über mehrere Eigenschaften für eine integrierte, 99,9 % Ende-zu-Ende-Zuverlässigkeit in allen industriellen Umgebungen, wie z. B. Kanalwechsel zum Vermeiden von Interferenzen sowie eine Koexistenz mit anderen drahtlosen Netzwerken. "Clear Channel Assessment" prüft auf freie Kanäle, während "Blacklisting" häufig genutzte Kanäle vermeidet und gleichzeitig die Bandbreite und Funkzeit optimiert. Für zeitkritische Verbindungen zur Schnittstelle bietet eine Zeitsynchronisation termingerechte Nachrichten. Zudem sorgt die selbstheilende Netzwerk-Topologie dafür, dass Pausen oder Ausfälle die Datenübertragung nicht beeinträchtigen.

Systeme können mit Hilfe der flexiblen 2,4-GHz-Transceiver, wie z. B. dem RF-Transceiver entwickelt werden.

 

Sicherheit

 

Auch das Thema Sicherheit ist ein wichtiger Aspekt für ein industrielles Netzwerk. Zu diesem Zweck nutzt WirelessHART die neuesten Sicherheitstechniken, um das höchste erreichbare Schutz-Niveau zu bieten. Dies erfolgt über eine 128bit-AES-Verschlüsselung sowie durch einen einmaligen Verschlüsselungscode für jede Nachricht sowie durch Geräteauthentifizierung.

Jedes Gerät im Maschennetzwerk kann als Router für Meldungen von anderen Geräten dienen. Mit anderen Worten muss ein Gerät nicht direkt mit einem Gateway kommunizieren, sondern seine Meldung lediglich an das nächstgelegene Gerät senden. Dies sorgt für eine bessere Abdeckung des Netzwerkes und bietet redundante Kommunikationswege für eine höhere Zuverlässigkeit.

Fazit

Der Bereich der drahtlosen Frequenzen und Protokolle, die für die Prozessautomatisierung verfügbar sind, gekoppelt mit den unterschiedlichen Leistungsanforderungen bis hin zu Echt-Zeit-Antworten hat eine fragmentierte Branche geschaffen. Die aufstrebende ZigBee IP-Technologie öffnet alle regionalen Frequenzbänder neben dem 2,4-GHz-Band. Zudem bietet sie die Flexibilität, Anlagen auf neue Weise anzuschließen. Dies erfordert höhere Sicherheitsstufen. Zudem vereint das neue Protokoll eine höhere Leistung mit mehr Flexibilität sowie dem Versprechen eines effektiven Kostensenkungsprogrammes, da die Geräte in einer stets steigenden Menge geliefert werden.