Interface-Technik Trusted Wireless – eine Funktechnologie für die Prozesstechnik

Auch in der Prozessindustrie eröffnet die drahtlose Übertragungstechnik neue Möglichkeiten mit hohen Einsparpotenzialen. Allerdings muss die Funktechnik den höheren Anforderungen gerecht werden. Neben Mainstream-Technologien wie WLAN 802.11 und Bluetooth etablieren sich spezialisierte Funktechniken, beispielsweise Trusted Wireless, in der Prozesstechnik.

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Mainstream-Technologien wie WLAN oder Bluetooth haben eines gemeinsam: Sie arbeiten allesamt im lizenzfreien 2,4 GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical)-Band. Weitere ISM-Bänder sind das 433 MHz- sowie das 868 MHz-Band. Diese Bänder sind jedoch schmal und es stehen nur wenige Frequenzen zur Verfügung. Außerdem sind sie nicht weltweit nutzbar. Dagegen ist das 2,4 GHz-Band mit 83 MHz-Bandbreite über 40 mal so breit wie die anderen beiden und außerdem nahezu weltweit für die lizenzfreie Nutzung freigegeben. Die in der Bürowelt standardisierten Funktechnologien im 2,4 GHz-Band – Bluetooth und WLAN werden zurzeit für industrielle Anwendungen optimiert. Die Standardisierungsgruppen erweitern die Spezifikationen um die Bedürfnisse der Industrie. Besonders deutlich wird dies am Beispiel des Standards IEEE 802.11. Die Spezifikationen werden hinsichtlich Sicherheit, Geschwindigkeit, Zugriffskontrolle und anderen Eigenschaften weiterentwickelt. Auch bei Bluetooth fließen Erweiterungen wie verbesserte Koexistenz und höherer Datendurchsatz in die neuen Spezifikationen ein.

Robustheit und Sicherheit

Trotz der Verbesserungen und Erweiterungen der Standard-Technologien gibt es Anwendungsbereiche, in denen spezialisierte Funktechnologien die Anforderungen noch besser erfüllen. Vom kanadischen Unternehmen Omnex Controls Inc. aus Vancouver wurde Trusted Wireless speziell für Anwendungen in der Prozesstechnik entwickelt.Um die geforderte hohe Verfügbarkeit einer Anlage zu sichern, muss die eingesetzte Funktechnik ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Robustheit bieten. Dazu verwendet Trusted Wireless ein Frequenzsprung-Verfahren (FHSS), bei dem die Sendefrequenz permanent – und zwar alle 27 ms – gewechselt wird. Dazu stehen über 800 Kanäle im 2,4 GHz-Band zur Verfügung. Der Frequenzsprung-Plan eines Trusted Wireless-Systems wird bei der Herstellung vergeben. Dieser Plan enthält nur einen Teil der 800 Kanäle. Die verwendeten Kanäle sowie die Reihenfolge, in der sie verwendet werden, führen zu einem Sprungplan, der aus jedem System ein Unikat macht. So können mehrere hundert Funksysteme parallel in räumlicher Nähe betrieben werden, ohne sich gegenseitig signifikant zu stören. Koexistenz ist einer der wesentlichen Anforderungspunkte für industrielle Funktechnologien. Das gilt für unterschiedliche Produkte mit einer Funktechnologie, aber auch für Produkten mit unterschiedlichen Funktechnologien. Durch die Definition so genannter „lock-out channels“ können bei Trusted Wireless Frequenzbereiche für WLAN-Systeme ausgespart werden. Dadurch ist die Koexistenz von Trusted Wireless, Bluetooth und WLAN-Systemen möglich.

Erhöhte Zuverlässigkeit

Für eine korrekte Übertragung der Sensor-Informationen sorgen verschiedene Sicherheitsmechanismen im Trusted Wireless-Funkprotokoll. Zum einen wird die Richtigkeit der empfangenen Informationen über einen CRC (Cyclic Redundancy Check) geprüft. Außerdem wird zur Sensor-Information auch eine Quellenidentifikation mit übertragen, sodass der Empfänger nur die Informationen seines zugehörigen Senders verwendet. Eine integrierte FEC (Forward Error Correction) erhöht die Qualität und Stabilität der Funkverbindung. Mit einer FEC können Informationen korrigiert werden, die auf der Funkstrecke verfälscht wurden.

Vorraussetzung für eine hohe Zuverlässigkeit ist eine gute Diagnose der Funkstrecke, um in sensiblen Prozessen rechtzeitig reagieren zu können. Ein analoges Signal liefert dem Anwender eine präzise Information über die Qualität der Funkstrecke. Ein Standard sorgt für die Offenheit, für die Sicherheit hingegen sorgt die Spezialtechnologie. Zumindest im Hinblick auf das unbefugte Eindringen von außen haben spezialisierte, nicht standardisierte Techniken einen Vorteil. Bluetooth und WLAN müssen sich mit komplexen Sicherheitsmechanismen gegen Zugriffe von außen schützen – ein proprietäres System ist von sich aus sicher.

Größere Geschwindigkeit

Die Reichweite eines Funksystems hängt von vielen Faktoren ab – in erster Linie von den topographischen Gegebenheiten der Anlage. Außerdem bestimmen Sendeleistung und Empfänger-Empfindlichkeit die Reichweite. Die Sendeleistung ist vom Gesetzgeber einheitlich geregelt. Sie beträgt für alle Funksysteme im 2,4 GHz-Band maximal 20 dBm ERP, was einer abgestrahlten Leistung von 20 dBm entspricht. Dabei wird sowohl die Sendeleistung wie auch ein möglicher Gewinn der Sendeantenne berücksichtigt. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die 2,4 GHz-Funksysteme nicht.Die Empfänger-Empfindlichkeit ist von mehreren Faktoren abhängig. Zum einen hängt sie von der Güte der Empfangsstufe ab. Ein Standard-Bluetooth-Empfänger besteht häufig aus einer Single-Chip-Lösung. Hier müssen bei der Herstellung des Chips einige Kompromisse eingegangen werden. Der Vorteil: Durch die Lösung entstehen kostengünstige Funkmodule. Als Nachteil erweist sich, dass nicht die optimalen Herstellungsprozesse für die unterschiedlichen HF-Schaltungsteile zum Tragen kommen. Als Konsequenz sinkt die Güte des Empfängers und seine Empfindlichkeit – und damit auch die Reichweite.

Hohe Empfindlichkeit

Bei der Trusted Wireless-Technologie werden die Funkschaltkreise aus einzelnen Komponenten diskret aufgebaut. Jede Komponente entspringt dem für sie optimalen Herstellungsprozess. Ein Trusted Wireless-Empfänger ist im Vergleich etwa tausendmal empfindlicher als ein Standard-Bluetooth-Empfänger.

Ein weiterer Faktor, der die Reichweite bestimmt, ist die Übertragungsgeschwindigkeit auf der Luftschnittstelle. Je langsamer die Übertragung, desto höher ist die Energie pro Bit – und umso größer ist die Reichweite. Die Übertragungsgeschwindigkeit wiederum ist abhängig vom Übertragungsvolumen sowie von der Reaktions- oder Zykluszeit. Hier setzt Trusted Wireless an und berücksichtigt die Anforderungen der Prozesstechnik: Die Zykluszeit, also der Wechsel zu einer neuen Sendefrequenz mit der Übertragung der Nutzdaten, liegt bei 27 ms. Was hier für prozesstechnische Anwendungen schnell ist, ist unter Kommunikationsgesichtspunkten langsam. Blue-tooth z.B. ist mit 625 µs um ein Vielfaches schneller. Die zu übertragenden Nutzdaten bestehen lediglich aus den Sensor-Informationen – einige Bit oder Byte für digitale oder analoge Signale. Aufgrund des effizienten Protokolls, das keine unnötigen höheren Layer besitzt wie bei WLAN, und aufgrund der geringen Nutzdaten ist die Bruttodatenmenge gering. Geringe Datenmenge und längere Zykluszeit bewirken eine relativ langsame Over-the-air-Übertragungsrate. Über Sendeleistung und Datenrate ergibt sich dann die so genannte Energie je Bit. Je höher die Energie pro Bit, um so größer ist die Reichweite. Abhängig von den Umgebungsbedingungen kann Trusted Wireless Distanzen von mehreren hundert Metern bis zu einigen Kilometern und in Ausnahmefällen sogar bis zu zehn Kilometer überbrücken.

Nachgefragt: Neue Möglichkeiten

Die Funktechnik hält derzeit Einzug in alle Industriebereiche. Sie bietet zahlreiche Vorteile, darunter einfache Installation und geringer Wartungsaufwand. PROCESS befragte Frank Hakemeyer, Mitarbeiter in der Business Unit Interface bei Phoenix Contact, zu den spezifischen Gegebenheiten in der Prozessindustrie.

Welche Rolle spielen kabellose Technologien in der Prozessindustrie?

Hakemeyer: In den weitläufigen Anlagen der Prozessindustrie bewirkt die fehlende Infrastruktur zum einzelnen Sensor oft hohe Installationskosten – bei einer kabelgebundenen Lösung. Die Funktechnik bringt neue Eigenschaften mit sich, die der Anwender erst kennenlernen muss. Häufig kann der geplante Einsatz einer Funkstrecke durch einen Test abgesichert werden. Ähnlich wie der Anwender besondere Eigenschaften der Lichtwellenleiter-Technik erst kennenlernen musste, muss auch bei der Funktechnik eine Lernkurve durchschritten werden. Bei den Lichtwellenleitern war dies die Verlegung der Kabel in vorgeschriebenen Biegeradien sowie das Polieren der Faserenden. Die spezifischen Eigenschaften waren vom Umgang mit Kupfer nicht bekannt. Jetzt, wo die besonderen Eigenschaften der LWL-Technik bekannt sind, wird sie sinnvoll eingesetzt. Bei der Funktechnik verhält es sich ähnlich.

Werden diese auch bewährte Übertragungstechniken in der Prozessindustrie ersetzen?

Hakemeyer:Die Funktechnik ist zunächst einmal ein Problemlöser. Der Anwender hat große Schwierigkeiten, eine Kommunikationsverbindung auf konventionelle Art herzustellen. Dieses Problem kann er mithilfe der Funktechnik einfach, elegant und wirtschaftlich lösen. Die kabellose Fabrik wird es genauso wenig geben wie das papierlose Büro.

Was sind die größten technischen Herausforderungen beim Einsatz von kabellosen Verbindungen in der Prozessindustrie?

Hakemeyer: In der Prozess-Sensorik erfüllt beispielsweise die drahtlose Kommunikation nur 50 Prozent der Anforderungen. Funktechnik im Sensor macht erst dann richtig Sinn, wenn keine Versorgungsleitungen mehr notwendig sind. Heute gibt es viele Forschungsprojekte, die sich mit „Energy harvesting“ beschäftigen – dem Sammeln von Energie aus dem laufenden Prozess. Dabei wird versucht, Bewegungsenergie, thermische Energie oder Lichtenergie einzusammeln und dem Sensor als Versorgungsquelle zuzuführen. Häufig bleibt jedoch nur der Ausweg eines Energiespeichers in Form einer Batterie. Die Lebenszeiten solcher batteriebetriebener Systeme müssen jedoch mehrere Jahre betragen, da sie sonst in großen Anlagen unwirtschaftlich und umweltbelastend sind.

Der Autor ist Mitarbeiter bei Phoenix Contact, Blomberg.

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