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.

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.

Bild 2: Netzwerk Übersicht – Eine Network Management Software bietet eine Übersicht über den Zustand des drahtlosen Netzwerks wie diese SNAP-ON Software Utility von Emerson Process Management.
Bild 2: Netzwerk Übersicht – Eine Network Management Software bietet eine Übersicht über den Zustand des drahtlosen Netzwerks wie diese SNAP-ON Software Utility von Emerson Process Management.
(Bild: Linear Technology)

Da TSCH ein essenzieller Baustein für die Datenzuverlässigkeit in rauer HF-Umgebung ist, ist dessen Einsatz und Wartung ein Schlüsselelement in Maschennetzwerken für einen kontinuierlichen und problemlosen Einsatz über viele Jahre. Ein industrielles drahtloses Netzwerk muss oft über viele Jahre funktionieren, und in dieser Zeitspanne wird es Veränderungen in der HF-Umgebung und bei der Datenübertragung geben. Deshalb ist eine Schlussanforderung für einen sicheren Betrieb, vergleichbar einem Kabelnetzwerk, eine intelligente Netzwerkmanagementsoftware, die die Netzwerktopologie dynamisch optimiert und ständig die Linkqualität für einen maximalen Durchsatz, unabhängig von Interferenzen oder Änderungen in der HF-Umgebung, überwacht.

Sicherheit ist ein weiteres kritisches Attribut eines drahtlosen Sensornetzwerks. Primäre Ziele bei der Sicherheit in WSNs sind:

Vertraulichkeit: Der Datentransport im Netzwerk soll nicht von jedem mitgelesen werden, nur vom eigentlichen Empfänger.

Integrität: Jede empfangene Nachricht muss mit der gesendeten übereinstimmen, ohne Zusätze, Kürzung oder Manipulation des Inhalts.

Authentizität: Die Quelle der Nachricht muss bekannt sein. Wird die Zeit als Teil des Authentizitätsschemas verwendet, wird die Nachricht davor geschützt, aufgenommen und wiedergegeben zu werden.

Die kritische Sicherheitstechnologie, die ein WSN aufweisen sollte, muss diese Ziele adressieren – einschließlich einer starken Verschlüsselung (wie AES128) mit einem robusten Schlüssel und gutem Schlüsselmanagement, mit einem Zufallsnummerngenerator hoher Kryptoqualität, um Replay-Angriffe abzuwehren, mit Message-Integrität-Checks (MIC) in jeder Nachricht und Zugriffskontrolllisten (ACL), um Zugriffe auf spezifische Knoten zu verweigern oder zuzulassen. Diese drahtlosen Sicherheitstechniken sind wohl in vielen Geräten heutiger WSNs integriert, aber nicht alle WSN-Geräte und Protokolle enthalten alle diese Maßnahmen [3]. Verbindet man ein sicheres WSN mit einem unsicheren Gateway, ist das eine Schwachstelle und die End-zu-End-Sicherheit muss beim Systemdesign besonders beachtet werden.

Industrielles IOT wird nicht von Funkexperten installiert

Großteils fügen etablierte Hersteller industrielle IoT-Produkte und -Dienste zu ihren bestehenden Produkten hinzu und ihre Kunden installieren sie in Umgebungen mit einer Mischung aus alten und neuen Geräten. Die Intelligenz der industriellen WSN muss auf einfache Weise auf industrielle IoT-Produkte übertragen werden und den vorhandenen Mitarbeitern einen nahtlosen Übergang im Gebrauch ermöglichen.

Netzwerke sollten sich schnell selbst konfigurieren, damit der Installateur ein stabil laufendes Netzwerk hinterlässt, was durch Selbstheilung Unterbrechungen wegen verlorener Verbindungen vermeidet. Fehler- und Diagnoseberichte werden erstellt, was teure Anfahrten wegen kleiner Wartungsarbeiten vermeidet. In vielen Applikationen liegt der erfolgreiche Einsatz zum Teil in Gebieten, die schwierig oder auf gefährlichem Weg zu erreichen sind. Da muss das IoT-Gerät mit Batterien arbeiten, die typischerweise länger als fünf Jahre halten.

Die Systeme sollten weltweit einsetzbar sein. Glücklicherweise gibt es internationale Standards, die das alles erfüllen, einschließlich dem Standard IEEE 802.15.4e TSCH.

Sensoren sind überall – die korrekte Platzierung ist kritisch

In industriellen IoT-Applikationen ist die korrekte Platzierung des Sensors oder Kontrollpunktes kritisch. Da bietet eine drahtlose Lösung Vorteile gegenüber Kabellösungen. Muss aber die Versorgung durch Stromanschluss oder Wiederaufladung von Batterien nach Stunden oder Monaten erfolgen, sind Kosten und Installation nahezu unerschwinglich. Muss man etwa Sensoren an rotierende Geräte anbringen, ist bei Kabelanschluss während des Betriebs kein Monitoring möglich. Dagegen erhält man beim Monitoring während des laufenden Betriebs wertvolle Informationen, die eine vorbeugende Wartung dieses kritischen Gerätes zulassen, was unerwünschte und teure Abschaltzeiten vermeidet.

Um eine flexible und kosteneffektive Installation zu erreichen, muss jeder Knoten eines industriellen WSN mindestens fünf Jahre mit Batterien laufen können. Das bietet dem Nutzer eine ultimative Flexibilität bei der Abdeckung von Applikationen im industriellen IoT. Zum Beispiel läuft ein industrielles TSCH-basiertes WSN mit Linear Technologys SmartMesh-Produkten typischerweise mit weniger als 50 µA, somit über viele Jahre mit zwei AA Batterien. In Umgebungen, in denen viel Ernteenergie zur Verfügung steht, ist es möglich, Knoten ständig mit dieser Energie zu versorgen (Bild 1).

Daten müssen aktuell sein – Zeit spielt eine Rolle

Bild 3: Veränderungen anstoßen - Software-Analyse wie die Brains.App-Software von IntelliSense.io nutzt die Daten des industriellen drahtlosen Sensornetzwerks, um Fertigungsprozesse zu rationalisieren, die Ausbeute zu erhöhen und die Sicherheit zu verbessern.
Bild 3: Veränderungen anstoßen - Software-Analyse wie die Brains.App-Software von IntelliSense.io nutzt die Daten des industriellen drahtlosen Sensornetzwerks, um Fertigungsprozesse zu rationalisieren, die Ausbeute zu erhöhen und die Sicherheit zu verbessern.
(Bild: Linear Technology)

Industrielle Monitoring- und Steuernetzwerke sind geschäftskritisch. Sie untermauern die Systeme, die die Basiskosten der gefertigten Güter bestimmen. Dabei ist die Aktualität der Daten wesentlich. In der Vergangenheit waren in einem breiten Bereich des Monitorings und der Steuerung deterministische TSCH-basierte WSN Systeme felderprobt. Diese Zeitschlitzsysteme wie WirelessHART bieten eine Zeit- gebundene und gestempelte Datenübertragung. In diesen Netzwerken müssen Knoten, die mehrere Möglichkeiten erfordern, Daten zu senden, automatisch mehr Zeitschlitze bereitstellen. Eine geringe Übertragungslatenz kann durch die Bereitstellung von Mehrfachzeitschlitzen in einander folgenden Pfaden im Netzwerk erreicht werden. Diese Koordination der Datenübertragung verbessert dramatisch die Möglichkeit, dichte Netzwerke für stark frequentierte Übertragungen einzusetzen. Ohne Zeitzuteilung brechen nicht-TSCH-fähige drahtlose Netzwerke durch den unkoordinierten Fluss des Funkverkehrs zusammen.

Zusätzlich enthält jedes Paket in einem TSCH-Netzwerk einen korrekten Zeitstempel, der die Sendezeit angibt. Außerdem ist im ganzen Netzwerk eine koordinierte Zeit für jeden Knoten vorhanden, falls eine Steuerung dieser WSN-Knoten erforderlich wird. Die Verfügbarkeit von zeitgestempelten Daten ermöglicht einen korrekten Ablauf in der Applikation, auch wenn sie nicht in der richtigen Abfolge eintreffen. Das ist hilfreich bei der präzisen Diagnose von Ursache und Wirkung in industriellen Applikationen, in denen Information von mehreren Sensoren in Einklang gebracht werden müssen.

Wichtig: Übersicht über den Netzwerkbetrieb

Industrielle Netzwerke müssen über viele Jahre durchgehend arbeiten. Egal, wie robust sie sind: Probleme wird es immer geben. Die Qualität eines installierten Netzwerks wird während der Betriebsdauer von vielen Umweltfaktoren beeinflusst. Frühzeitige und passende Alarme sind ein wichtiger Aspekt in jedem industriellem Netzwerk, und die Möglichkeit einer schnellen Diagnose und Fehlerbeseitigung ist wichtig für die Quality of Service. Nicht alle drahtlosen Sensornetzwerke sind gleich, wenn es darum geht, die Übersicht über die Netzwerk-Management-Metriken zu bekommen. Ein industrielles drahtloses Netzwerkmanagement System sollte Folgendes sichtbar machen:

  • Die Link-Qualität, gemessen über die Signalstärke (RSSI).
  • Werden die End-zu-End-Pakete korrekt übertragen?
  • Maschenqualität mit Bezeichnung der Knoten, die keine alternative Pfade zeigten, die ein zuverlässiges Netzwerk ausmachen.
  • Knotenstatus und Batterielaufzeit.

In den besten industriellen Implementationen beseitigen intelligente Netzwerke dieses Problem durch automatisches Rerouting der Daten auf alternativen Pfaden durch laufendes Upgraden der Netzwerktopologie zur Maximierung der Konnektivität (Bild 2).

Es gibt einen starken Fokus, mehr und mehr Intelligenz in die „Dinge“ zu bringen. Das ist aber nicht die einzige Stelle, in der Intelligenz in eine industrielle IOT-Applikation gehört.

Intelligente Dinge verdienen intelligente Netzwerke

Industrielle IoT-Netzwerke sollten intelligente Endknoten und Netzwerk- sowie Netzwerksicherheitsmanagement-Merkmale enthalten, die das Beste wiedergeben, was Enterprise-IT und OT zu bieten hat. Netzwerke sollten hochkonfigurierbar sein, um spezielle Applikationsansprüche adaptieren zu können. Um eine lange Batterielaufzeit zu erzielen, sollte eine Selbstkontrolle der Netzwerkstromaufnahme und ein intelligentes Routing die Gesamtstromaufnahme minimieren.

Zusätzlich sollte sich das Netzwerk automatisch an Änderungen der HF-Umgebung adaptieren, bevorzugt durch einen dynamischen Wechsel der Topologie. Linear Technologys SmartMesh Network Manager bietet nicht nur Netzwerksicherheit, Management und Routingoptimierung, sondern erlaubt es dem Anwender (falls nötig) Knoten mittels Funk umzuprogrammieren, und bietet entsprechend den Kundenwünschen einen Upgrade-Pfad für künftige Merkmale.

Das IoT gehört als klarer Businesstreiber mit überzeugendem ROI in die Industrie. In diesen Business-kritischen Applikationen müssen industrielle, drahtlose Sensornetzwerke hohe Anforderungen erfüllen, was einen intelligenten, sicheren und zuverlässigen drahtlosen Betrieb über viele Jahre betrifft. Diese hohen Anforderungen können mit bestehenden und neuen Netzwerkstandards erfüllt werden. Sie sind der Schlüssel für industrielle IoT-Bausteine und helfen den industriellen Kunden, ihr Business und ihren Service in die industrielle IoT-Ära zu bringen (Bild 3).

Der Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis. Verantwortlicher Redakteur: Matthias Back

Literaturhinweise:

[1] Industrial Wireless Sensor Networks: Trends and Developments, https://www.isa.org/standards-publications/isa-publications/intech-magazine/2012/october/web-exclusive-industrial-wireless-sensor-networks/#sthash.cl3G9ze5.dpuf

[2] 6TiSCH Wireless Industrial Networks: Determinism Meets IPv6: Maria Rita Palattella1, Pascal Thubert2, Xavier Vilajosana3,4, Thomas Watteyne4,5, Qin Wang4,6, and Thomas Engel1 Published in: Communications Magazine, IEEE (Volume:52, Issue: 12 )

[3] Secure Wireless Sensor Networks Against Attacks, Kristofer Pister and Jonathan Simon, http://electronicdesign.com/communications/secure-wireless-sensor-networks-against-attacks

* Joy Weiss ist Präsidentin für Dust Network Products bei Linear Technology.

* Ross Yu ist Produktmarketing-Manager für Dust Network Products bei Linear Technology.

(ID:43634833)