Zuverlässige und sichere IIoT-Drahtlos-Sensornetze für die Industrie 4.0

7. August 2019, 00:00 Uhr
Konnektivität
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Von Mark Patrick, Mouser Electronics
Wir sind im Zeitalter der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0) angekommen – angetrieben durch das Internet, Cloud Computing, Datenanalyse und die Implementierung des Industrial Internet of Things (IIoT). Frühere industrielle Technologien hatten die Überwachung und Steuerung verschiedener Systeme in Fabriken, Kraftwerken, Ölraffinerien, Gas-Pipelines, Schienenfahrzeugen und vielen weiteren Bereichen ermöglicht. Das IIoT könnte nun die nächste Stufe der Automatisierung zünden, nämlich durch die Einführung drahtloser Sensornetze (Wireless Sensor Networks, WSN) in der Industrie.
Werden Daten aus dem Steuerungssystem durch die von den IIoT-Knoten gesammelten Daten ergänzt, entsteht ein umfangreicher Datensatz, der Unternehmen helfen kann, ihre gesamte Wertschöpfungskette zu optimieren. Ein detaillierter Überblick über den Zustand wichtiger Fabrikanlagen ermöglicht es den Unternehmen, Probleme vorherzusehen und Ausfallzeiten zu verhindern, wodurch sie jährlich hohe Kosten einsparen können. Zudem sind dann unter Umständen seltener Wartungsarbeiten notwendig, sodass die Betriebskosten geringer ausfallen, insbesondere wenn es sich um Teile einer Anlage handelt, die schwer zugänglich sind.
On World prognostiziert, dass ab 2023 jährlich 3,4 Milliarden WSN-Chipsätze weltweit ausgeliefert werden (2018 waren es 1 Milliarde). Technologien mit kurzer Reichweite wie 802.15.4, Bluetooth, WLAN und proprietäre Protokolle machen derzeit mehr als 90 Prozent aller Lieferungen aus, jedoch sind Low Power Wide Area (LPWA)-Netze (einschließlich Sigfox, LoRA und NB-IoT) jetzt stark auf dem Vormarsch. On World geht außerdem davon aus, dass die jährlichen Einnahmen aus WSN-Systemen und damit verbundenen Diensten (für industrielle Automatisierung, Landwirtschaft und Bauwirtschaft) innerhalb der nächsten fünf Jahre die Marke von 13 Milliarden US-Dollar knacken werden.

Das Nervensystem des IIoT

Für Industrieunternehmen haben Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Regel eine höhere Priorität als die Kosten für Systeme, die zu einem reibungslosen und effizienten Betrieb von Produktions- oder Weiterverarbeitungsstandorten beitragen, denn Ausfälle, Verzögerungen oder Unfälle können noch viel teurer werden: Es drohen hohe Umsatzeinbußen, und im schlimmsten Fall kosten sie Menschenleben. Fortschritte in den Bereichen drahtlose Kommunikation, Energieeffizienz, Miniaturisierung und intelligentere Embedded-Computing-Technologien sowie robustere Designs mit extrem niedrigem Energieverbrauch, die mit Knopfzellen mehrere Jahre lang auskommen, haben zur Entwicklung zuverlässiger, sicherer drahtloser Sensorknoten geführt, die strengste Branchenanforderungen erfüllen und in extremen Anwendungsbereichen betrieben werden können.
Da WSN-Technologie kostengünstiger ist, können Unternehmen auf relativ einfache und wirtschaftliche Weise Hunderte (oder sogar Tausende) Sensorknoten an einem Standort implementieren — diese bilden dann sozusagen das „Nervensystem“ des IIoT. Diese Skalierbarkeit und die Möglichkeit zur Unterstützung mehrerer drahtloser Netzwerkprotokolle erhöhen die Zuverlässigkeit von Infrastrukturen zusätzlich: Ein ausgedehntes Netz von Sensorknoten, Repeatern und Gateways sorgt für die Redundanz von Raum und von Kanälen, die für Industrie 4.0 nötig ist.

Unterstützung für IIoT-Drahtlosprotokolle

Neben den rauen Betriebsumgebungen oder Remote-Infrastrukturen und der Größe von Industrieanlagen müssen Designer auch die durch Metall, Beton und Anlagen verursachten Interferenzen berücksichtigen sowie die elektromagnetischen Störungen, die durch andere elektronische Systeme auf dem Gelände und in der Umgebung emittiert werden. All diese Faktoren entscheiden in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung darüber, welche Art von IIoT-Knoten implementiert oder welche Kombination von Drahtlosprotokollen unterstützt werden soll. Bluetooth Low Energy (BLE), ISA-100.11a, WirelessHART und Zigbee sind zulässige Optionen.
Die 2,4-GHz-Transceivermodule von Microchip zeichnen sich durch extrem niedrige Eingangsströme aus und bieten dadurch eine längere Akku-Lebensdauer. Die Firmware des IEEE 802.11-Moduls besitzt eine benutzerfreundliche API-Treiber-Schnittstelle zum freien TCP/IP-Protokoll-Stack und den beliebten PIC-Mikrocontrollern von Microchip. Mit diesen eingebetteten energiesparenden WLAN-Modulen gestalten sich die komplette Neuentwicklung von HF-Schaltungen und der Erwerb von Zertifizierungen einfacher und günstiger. Das Modell RN1810 verfügt über einen integrierten TCP/IP-Netzwerk-Stack, einen kryptographischen Beschleuniger, ein Leistungsmanagement-Subsystem, eine Echtzeituhr, einen 2,4-GHz-Transceiver und einen HF-Leistungsverstärker.
Bild 1: Das Modul PAN9026 von Panasonic.

Das Modul PAN9026 von Panasonic (Bild 1) kombiniert Unterstützung für IEEE 802.11a/b/g mit Bluetooth BDR/EDR/LE-Funktionalität für flexible Konnektivitätsoptionen bei intelligenten Energiesystemen, Home-Gateways und IIoT-Anwendungen.
Es unterstützt außerdem Dynamic Rapid Channel Switching (DRCS) für den gleichzeitigen Betrieb bei 2,4 GHz und 5 GHz. Der unabhängige Betrieb der beiden Standards ermöglicht Datenraten von bis zu 150 Mbit pro Sekunde, wobei der Energieverbrauch mit 400 mA (Senden) und 70 mA (Empfangen) sehr niedrig ist. Mit integriertem Leistungsmanagement, einer schnellen Doppelkern-CPU (Central Processing Unit), Unterstützung für den Sicherheitsstandard 802.11i und Hochgeschwindigkeits-Datenschnittstellen liefert das Modul die nötige Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit für IIoT-Implementierungen.
Als Nächstes ist der MRF24J40MA von Microchip zu nennen, ein FCC-zertifizierter HF-Transceiver. Er stellt eine komplette Drahtlosnetzwerklösung bereit, die im lizenzfreien 2,4-GHz-Frequenzband für Industrie, Wissenschaft und Medizin (Industrial, Scientific, Medicine, ISM) mit kurzer Reichweite arbeitet, sowie Unterstützung für ZigBee und proprietäre drahtlose Protokollsysteme bietet. Das oberflächenmontierbare Modul kann mit verschiedenen 8-, 16- und 32-Bit-PIC-MCUs verwendet werden. Wird es mit den MiWi Peer-to-Peer-Protokoll-Stacks oder anderen kostenlosen Entwicklungs-Tools kombiniert, können Designingenieure schnell und kostengünstig drahtlose Netzwerke mit geringem Energieverbrauch implementieren.

Intelligentere WSN-Lösungen

Die Ember EM35x-Serie von Silicon Labs besteht aus vollständig integrierten Systems-on-Chips (SoCs), die über einen IEEE 802.15.4-2003-konformen 2,4-GHz-Transceiver, einen ARM Cortex-M3 32-Bit-Mikroprozessor, Flash-Speicher, RAM und zahlreiche praktische Peripherieelemente verfügen, die für Entwickler von ZigBee-basierten Systemen nützlich sind. Der Transceiver nutzt eine effiziente Architektur, mit der die vom IEEE 802.15.4-2003-Standard vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich des Dynamikbereichs sogar noch um über 15 dB übertroffen werden. Dank der integrierten Empfangskanalfilterung wird eine belastbare Koexistenz mit anderen Kommunikationsstandards im 2,4-GHz-Spektrum wie IEEE 802.11-2007 und Bluetooth möglich.
Die energiesparenden und leistungsstarken JN5148-001-MCUs von NXP Semiconductors sind für ZigBee PRO-Netzwerkanwendungen konzipiert. Sie verfügen über einen erweiterten 32-Bit-RISC-Prozessor, der eine hohe Kodiereffizienz durch variable Befehlsbreiten, eine mehrstufige Befehlspipeline und einen energiesparenden Betrieb mit programmierbaren Taktgeschwindigkeiten bietet. Sie sind außerdem mit einem IEEE 802.15.4-konformen 2,4-GHz-Transceiver, 128 kB ROM, 128 kB RAM und einer Vielzahl an analogen und digitalen Peripherieelementen ausgestattet. Dank der hohen Speicherkapazität können diese MCUs sowohl auf einem Netzwerk-Stack als auch in einer eingebetteten Anwendung oder in einem Coprozessor-Modus ausgeführt werden. Der Betriebsstrom liegt unter 18 mA und ermöglicht damit den Betrieb mit einer Knopfzelle. Zu den erweiterten Peripheriekomponenten gehören energiesparende Impulszähler, die im Ruhemodus laufen und für die Impulszählung bei der automatischen Zählerablesung (Automatic Meter Reading, AMR) entworfen wurden, sowie ein einzigartiger Time-of-Flight (ToF)-Näherungssensor, der präzise Lokalisierungsdienste über WSNs unterstützt.
Die SoC-Lösungen CC2530, CC2531 und CC2533 von Texas Instruments für 802.15.4-, ZigBee- und RF4CE-Anwendungen verbinden die Leistung eines der besten HF-Transceiver mit einer verbesserten, auf Industriestandards basierenden 8051-MCU, systemintern programmierbarem Flash-Speicher und 8 kB RAM. Mit dem CC2531 können USB-Dongles oder über USB aufrüstbare Netzwerkknoten mit geringen Materialkosten hergestellt werden. Das SoC bietet unterschiedliche Betriebsmodi und eignet sich für Systeme, die einen sehr geringen Stromverbrauch erfordern. Kurze Übergangszeiten zwischen den Betriebsmodi tragen ebenfalls zu einem geringen Energieverbrauch bei. Mit dem großen Flash-Speicher von bis zu 256 kB eignet sich das CC2530 für ZigBee PRO-Anwendungen. 64 kB und höhere Versionen unterstützen das RemoTI-Stack für ZigBee RF4CE, welches das branchenweit erste RF4CE-konforme Protokoll-Stack ist. Größere Speicher erlauben Over-the-Air-Downloads auf den Chip und unterstützen damit eine systeminterne Neuprogrammierung. Das CC2533 bietet einen systemintern programmierbaren Flash-Speicher mit bis zu 96 kB und bis zu 6 kB RAM.
Die drahtlosen SmartMesh-IP-Lösungen (aus der Dust Networks-Produktgruppe) bestehen aus eingebetteten Chips und vorzertifizierten PCB-Modulen (Bild 2).
Bild 2: SmartMesh-IP-Technologie von Analog Devices.
Die Module werden zusammen mit einer ausgereiften, praxiserprobten, intelligenten Software für Wireless-Mesh-Netzwerke geliefert. SmartMesh-WSNs bieten eine hohe Datenzuverlässigkeit (über 99,999 %) über eine extrem energiesparende, sichere drahtlose Kommunikation. Dadurch können die Sensoren überall in anspruchsvollen IIoT-Umgebungen eingesetzt werden. Im Zentrum der SmartMesh-Mehrsprungknoten (Multi-Hop Nodes, kurz: Motes, Bild 3) und ihrer zugehörigen Network Manager Boards steht das Eterna IEEE 802.15.4e-SoC, welches sich durch das hochgradig integrierte, stromsparende 2,4-GHz-Funkdesign von Dust Networks auszeichnet. Darüber hinaus enthält es einen ARM Cortex-M3 32-Bit-Mikroprozessor, der die SmartMesh Netzwerk-Software antreibt.
Bild 3: Motes und Network Manager Boards mit Unterstützung für SmartMesh-IP-Technologie.

Fazit

Die WSN-Hardware, die zur großflächigen Implementierung von Industrie-4.0-Technologien benötigt wird, ist zum Teil schon vorhanden. Auf dem Markt finden sich bereits ICs und Module, die das erforderliche Leistungsniveau liefern und gleichzeitig einen geringen Energiebedarf aufweisen, anspruchsvolle Betriebsbedingungen bewältigen und Schutz vor einer Reihe von Sicherheitsbedrohungen bieten. Somit werden in den kommenden Jahren viele der Vorteile, die eine erhöhte Automatisierung mit sich bringt, auf globaler Ebene zum Tragen kommen.

Der Autor

Mark Patrick arbeitet seit 2014 bei Mouser Electronics, nachdem er zuvor leitende Marketingfunktionen bei RS Components innehatte. Vor RS war Mark acht Jahre bei Texas Instruments in den Bereichen Anwenderunterstützung und Technischer Vertrieb tätig. Er hält einen First-class Honours-Degree in Electronic Engineering der Coventry University.
Mark joined Mouser Electronics in July 2014 having previously held senior marketing roles at RS Components. Prior to RS, Mark spent 8 years at Texas Instruments in Applications Support and Technical Sales roles and holds a first class Honours Degree in Electronic Engineering from Coventry University.
(190228)
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