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Industrie 4.0 Drahtlose Sensornetzwerke für das industrielle Internet der Dinge

Autor / Redakteur: Joy Weiss, Ross Yu * / Nico Litzel

Anders als in Consumer-Applikationen, in denen die Kosten das wesentliche Kriterium sind, sind in der Industrie Zuverlässigkeit und Sicherheit die Topkriterien. Das gilt auch für Sensornetzwerke.

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Der Beitrag hebt einige Schlüsselanforderungen an drahtlose industrielle Sensorennetzwerke hervor.
Der Beitrag hebt einige Schlüsselanforderungen an drahtlose industrielle Sensorennetzwerke hervor.
(Bild: Linear Technology)

Das Aufkommen von Low-Power-Prozessoren, von intelligenten drahtlosen Netzwerken und von Low-Power-Sensoren in Verbindung mit Big-Data-Analysen haben ein zunehmendes Interesse am industriellen Internet of Things hervorgerufen. Einfach ausgedrückt erlaubt es die Kombination dieser Technologien, eine Vielzahl an Sensoren überall anzubringen: nicht nur da, wo bereits eine Kommunikations- und Versorgungsinfrastruktur besteht, sondern überall dort, wo wertvolle Informationen von den Dingen bezogen werden können.

Das Konzept, die Parameter dieser Dinge, wie zum Beispiel Maschinen, Pumpen, Pipelines und Eisenbahnwagen mit Sensoren zu messen, ist in der industriellen Welt nicht neu. Dezidierte Sensoren und Netzwerke sind bereits in der Industrie verbreitet, angefangen von Ölraffinerien bis hin zu Fertigungsstraßen. Diese Systeme wurden in der Vergangenheit mit separaten Netzwerken betrieben, die hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit bieten, wie man sie mit der Konsumertechnologie nicht erreichen kann.

Diese hohen Ansprüche beschränken die verfügbare Technologien auf solche, die am besten zu Business-kritischen industriellen IoT-Applikationen passen. Die Art, wie diese Sensoren vernetzt werden, bestimmt, ob diese Sensoren in einer rauen Umgebung wie in der Industrie sicher, zuverlässig und kosteneffizient eingesetzt werden können.

Zuverlässigkeit und Sicherheit stehen an erster Stelle

Dieser Artikel hebt einige der Schlüsselanforderungen an Netzwerke heraus, speziell für drahtlose industrielle Sensornetzwerke (WSN). Anders als in Consumer-Applikationen, in denen die Kosten das wesentliche Kriterium sind, sind in industriellen Applikationen Zuverlässigkeit und Sicherheit die Topkriterien. In der OnWorld’s Global Survey der industriellen WSN-Anwender sind Zuverlässigkeit und Sicherheit die zwei wichtigsten Anliegen [1].

Ein grundlegendes Prinzip beim Design eines zuverlässigen Netzwerks ist Redundanz, wodurch ausfallsichere Mechanismen es Systemen ermöglichen, Probleme ohne Datenverlust zu lösen.

In einem drahtlosen Sensornetzwerk gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten, die Redundanz zu nutzen. Erstere ist die räumliche Redundanz, bei der jeder drahtlose Knoten immer mit mindestens zwei weiteren Knoten kommunizieren kann. Ein Routingschema ermöglicht den Daten den Zugang zu einem dieser Knoten, stellt aber sicher, dass das ursprünglich angesteuerte Ziel erreicht wird. Ein sorgfältig aufgebautes Maschennetzwerk – eines, bei dem jeder Knoten mit zwei oder mehr benachbarten Knoten kommunizieren kann – bietet höhere Zuverlässigkeit als ein Punkt-zu-Punkt Netzwerk, da es Daten über einen alternativen Pfad senden kann, wenn der originale nicht verfügbar ist.

Bild 1: Sensoren überall – Drahtlose Low Power Sensorknoten können ständig mit Ernteenergie arbeiten, wie dieser mit thermischer Energie versorgte Temperatursensor von ABB, der optimal platziert werden kann, um zusätzliche Daten in dieser Industrieapplikation zu erfassen.
Bild 1: Sensoren überall – Drahtlose Low Power Sensorknoten können ständig mit Ernteenergie arbeiten, wie dieser mit thermischer Energie versorgte Temperatursensor von ABB, der optimal platziert werden kann, um zusätzliche Daten in dieser Industrieapplikation zu erfassen.
(Bilder: Linear Technology)

Die zweite Redundanz erreicht man durch die Nutzung mehrerer HF-Kanäle im Übertragungsbereich. Beim Kanalsprungverfahren können bei der Verbindung zwischen zwei Knoten die Kanäle gewechselt werden. So kann man sich auf die raue HF-Umgebung, wie sie für das Industrieumfeld typisch ist, einstellen. Nach dem 2,4-GHz-Standard IEEE 802.15.4 stehen 15 Kanäle, für das Kanalsprungverfahren zur Verfügung. Es ist somit belastbarer als ein Einkanalsystem ohne Kanalsprungverfahren.

Es gibt diverse Standards für drahtlose Maschennetzwerke. Diese schließen die Redundanz von Raum und von Kanälen ein, bekannt als Time Slotted Channel Hopping (TSCH) mit dem IEC62591- (WirelessHART) und dem aufkommenden IETF-6TiSCH-Standard [2].

Diese Standards für drahtlose Maschennetzwerke ermöglichen den weltweiten Einsatz von Funkgeräten im lizenzfreien 2,4-GHz-Spektrum. Sie haben sich entwickelt durch Aktivitäten der Dust-Networks-Gruppe von Linear Technology, die ab 2002 erstmals das TSCH Protokoll in Low-Power- und ressourcenbegrenzten Geräten mit SmartMesh-Produkten eingesetzt haben.

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