Funktechnologien werden immer besser und ergänzen sinnvoll fest verdrahtete Bussysteme in der Feld- und Leitebene. Was für die Sprachkommunikation das Handy, ist bei der Datenkommunikation zwischen Maschinen das M2M- Device. Die Integration von Drahtlosnetzen mit Ethernet-basierten Networks im Automatisierungsumfeld ist angesagt.
Andreas Beuthner ist freier Fachjournalist in Buchendorf
Die zunehmende Vielfalt der rechnergestützten Funktionen und die immer stärkere Vernetzung auf der Feld-, Steuer- und Leitebene prägen den Fortschritt in der Kommunikations- und Automatisierungstechnik. Fehlen fest verdrahtete Schnittstellen für den Datenaustausch, schlägt die Stunde der Funkübertragung. Zwei Wege stehen für Maschinen- und Betriebsdaten zur Verfügung:
- das auf kürzere Distanzen von etwa 100 m begrenzte Wireless Local Area Network (WLAN) oder
- satellitengestützte Funkverbindungen für den ortsungebundenen Sende- und Empfangsbetrieb.
Zahlreiche Geräte und Anwendungen haben sich am Markt etabliert, doch der Aufbau einer integrierten und leistungsfähigen Kommunikationsplattform ist schwierig. Herstellerspezifische Protokolle, Interfaces und Netzarchitekturen schränken oftmals die Interoperabilität der Wireless-Netze und der übrigen IT-Infrastruktur ein. Wer keine versierten Systemadministratoren im eigenen Haus hat, sollte vor größeren Projekten den Expertenrat einholen.
M2M steht für Machine-to-Machine und bezeichnet die Datenübertragung innerhalb einer Automatisierungslandschaft via Netzwerk. Die per Funk übermittelten Daten ermöglichen in der Automatisierung neue Anwendungen, die in vielen Fällen die Kosten für Wartung und Instandhaltung reduzieren und das Steuern von Material- und Fertigungsprozessen flexibler machen. So nutzt etwa die Thyssen-Krupp Umformtechnik GmbH eine Wireless-Infrastruktur, um in den Fabrikhallen und auf dem Freigelände Materialdaten zu sammeln und einem zentralen Steuerungsserver zu übergeben. Die Bielefelder haben ihre Gabelstapler mit M2M-Devices bestückt, die über eine Sende- und Empfangseinheit Barcodeinformationen einlesen und diese an das SAP-Warenwirtschaftsprogramm drahtlos weiterleiten.
Hewlett-Packard und Nokia sind vor drei Jahren mit einer ganzen Reihe von drahtlosen M2M-Produkten gestartet. Die Handy-ähnlichen Funkeinheiten überwachen den Status von Maschinen und schlagen Alarm, wenn Aggregate, Pumpen oder Tankfüllungen voreingestellte Grenzwerte über- oder unterschreiten. Die M2M-Systeme bestehen aus einer Zigarettenschachtel-großen Monitoring- und Funkeinheit, die in die zu überwachende Maschine integriert wird und die Statusinformationen per GSM (Global System for Mobile Communications) an einen Kontrollserver im Firmennetz übermittelt. Der Server übersetzt die eintreffenden GSM-Signale in ein für das Unternehmensnetz kompatibles Format und leitet sie an ein zentrales System- und Netzwerkmanagement weiter.
Auch Netzbetreiber wie T-Mobile, E-Plus oder Vodafone unterstützen inzwischen mit Wireless Services oder eigenen Plattformen den Datentransfer über Internet, Funk oder Satellit. Laut einer Schätzung der Focalpoint Group, einem US-Beratungshaus im M2M-Bereich, wächst der Markt für M2M-Produkte und -Services bis 2010 auf weltweit 250 Mrd. US-$. Es überrascht also nicht, dass Technologieunternehmen und Mobilnetzbetreiber sich stärker in Richtung M2M bewegen. Lars Godell, Senior Analyst bei Forrester Research, geht davon aus, dass Maschinenkommunikation die Technologie mit dem größten Wachstumspotenzial in den nächsten zehn Jahren darstellt, gebe es doch immerhin „mehr als 50 Milliarden Maschinen auf der Erde“.
Siemens ist der Spitzenreiter unter den Anbietern für Wireless Modules. Das Bereichs- und Zellennetzwerk Industrial Ethernet ist Standard-konform mit IEEE 802.3 und 802.11 für Wirelesss LAN. Damit lassen sich skalierbare Kommunikationsnetze mit großer Ausdehnung aufbauen. Der Anschluss von Mess- und Prüfgeräten erfolgt über Funkadapter. Im spanischen Opel-Werk Figueruelas beispielsweise werden die Beschreibungen aller Fahrzeugteile in einem Streichholzschachtel-großen Schreib-Lese-Gerät erfasst und über ein Funkmodul an das zentrale Leitsystem übertragen. Dieser so genannte Transponder, der sich am Transportschlitten der Karosserie befindet, enthält den Identifikationscode und alle individuelle Produktionsdaten des Autos.
Bei den meisten Anwendungen greifen Wireless-Module auf bereits bestehende Netze zurück. Stehen Netzerweiterungen ins Haus, können WLAN oder der Satellitenweg via GSM (Global System for Mobile Communications) mit dem paketorientierten General Package Radio Service (GPRS) deutlich kostengünstiger sein. Zudem lassen sich über WLAN oder GSM/GPRS auch Handys und Notebooks einbinden. In Deutschland stehen für WLAN-Standardfunkstrecken 13 verschiedene Kanäle zur Verfügung, wobei sich die den Kanälen zugeordneten Frequenzbereiche teilweise überlappen. Trotzdem müssen Anwender bei den Kosten für WLAN-Betrieb mit eigener Instandhaltung genau nachrechnen: „Häufig rentiert sich der Aufwand für Eigenbetrieb und Instandhaltung nicht“, sagt Norbert Muhrer, Siemens-Leiter für Wireless Modules (siehe Interview).
Ein eigenes Funknetz mit geschützten Kommunikationspfaden, das neben dem Indus- trial Ethernet den Datenaustausch übernimmt, spielt seine Stärken derzeit vor allem bei Anlagenüberwachung und Service aus. Beispielsweise müssen bei der Remote-Überwachung Sensordaten aus Antrieben oder Alarmierungen schnell und zuverlässig im Serviceteam ankommen. Günstige Mobilfunktarife sprechen für M2M-Mobilfunk-Verbindungen, die prozessrelevante Informationen per SMS, E-Mail oder Fax an die Kontrollstellen übermitteln.
Gerhard Galsterer, einer der Geschäftsführer von Lucom in Zirndorf, kennt allerdings auch die Grenzen kabelloser GSM/GPRS-Anwendungen: „Zu berücksichtigen ist bei der drahtlosen Kommunikation die geringere Bandbreite“, sagt Galsterer. Der Datenstrom aus modernen Feldüberwachungssystemen kann bei schnell drehenden Maschinen die derzeitige Übertragungsrate bei GPRS von 53,6 Kbit/s überschreiten. Zudem handelt es sich dabei um einen theoretischen Wert, der in der Praxis aufgrund verteilter Zeitschlitze auf Up- und Downstream ohnehin nicht realisiert wird. Fachleute rechnen mit einer garantierten Übertragungsrate von 13,4 kbit/s. Für Maschinen und Anlagen im Echtzeitbetrieb und großem Datenaufkommen scheidet die drahtlose Übertragungsvariante folglich aus.
Handelt es sich um geringere Datenmengen, wie sie für Alarmierungsmeldungen benötigt werden, ist das flächendeckende GSM-Netz eine sinnvolle Option. Lucom beispielsweise hat ein M2M-Modul ohne Serveranbindung entwickelt, das sich per Internetverbindung konfigurieren lässt. Da der GPRS-Dienst lediglich nach tatsächlich übertragenem Datenvolumen abrechnet, lässt sich kostengünstig eine virtuelle Standleitung via Satellit aufbauen. Alle Endgeräte sind im Web mit IP-Adresse erreichbar. Unerwünschte Zugriffe lassen sich dadurch ausschalten, dass die festen Adressen der Endgeräte nur vom Betreiber vergeben werden und folglich nicht öffentlich zur Verfügung stehen.
Für Alarmierungsmeldungen ist das GSM-Netz eine sinnvolle Alternative
„Der Bedarf für breitbandige Mobilfunklösungen wird steigen“
nachgefragt
Immer mehr Anwendungen nutzen drahtlose Kommunikationswege. Gründe für diesen Trend erläutert Norbert Muhrer, Leiter Wireless Modules bei Siemens Communications.
Sehen Sie einen größeren Modernisierungsbedarf bei mittelständischen Unternehmen?
Wireless-Technologie bietet gerade für mittelständische Unternehmen entscheidende Kosten- und Rationalisierungsvorteile. Der besondere Vorteil für Mittelständler ist, dass sie selbst keine Infrastruktur aufbauen müssen, da sie vom Betreiber bereitgestellt wird. Ready-made und felderprobte Lösungen garantieren den reibungslosen Einsatz unserer Wireless-Modules-Lösungen.
Die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation ist in aller Munde. Mit welchen Trends ist in diesem Umfeld zu rechnen?
Wichtige Themen sind derzeit der verstärkte Einsatz von M2M-Kommunikation im Bereich Engergieeinsparung – hier werden Stromzähler mit Funkmodulen ausgestattet, um eine verbrauchsnahe Abrechnung zu ermöglichen. Im industriellen Bereich ist die Stromverbrauchsoptimierung bei Pumpen und anderen Elektroantrieben im Hochleistungsbereich ein wichtiger Trend. Des weiteren sehen wir besonders im Logistikbereich bei Industrie-PDAs einen hohen Bedarf für breitbandige Mobilfunklösungen. Im Flottenmanagement gibt es interessante Anwendungen, die die Betriebskosten senken und vorhandene Ineffizienzen eliminieren.
Spielen Wireless Modules auch bei Remote Services oder Condition Monitoring eine zunehmende Rolle?
Ja, bei Maschinen oder Anlagen in abgelegenen Bereichen sind Wireless Modules die einzige Möglichkeit, Remote Services und Condition Monitoring kostengünstig zu einzurichten. In Verbindung mit einer integrierten, programmierbaren Plattform wie Java können Anwendungen flexibel auf sich ändernde Bedürfnisse angepasst werden, ohne die dazu erforderliche Rechen- und Speicherleistung aufwändig nachrüsten zu müssen. Bei Siemens Wireless Modules gibt es hierfür schon Projekterfahrung.
Wie sicher sind M2M-Devices und die damit verbundene Kommunikationsinfrastruktur?
Das Mobilfunknetzwerk ist vom Konzept her eines der sichersten Netzwerke, die es gibt. Für besonders sicherheitsrelevante Anwendungen wie im Security- oder Paymentbereich gibt es darüber hinaus eine große Auswahl an spezifischen Verschlüsselungs- und Sicherheitstechniken. Zudem wird über Technologielösungen sichergestellt, dass bei Ausfall eines Übertragungskanals eine Alternative verfügbar ist, wodurch der ständige Betrieb der Lösung sichergestellt ist. ab
Regeln für sicheren Wireless-Betrieb
Um Risiken im Funknetz auszuschließen, sollten Sicherheitsmerkmale implementiert werden, die zum großen Teil auch für das Kabelnetz gelten.
- Das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Standards Association) hat mehrere Spezifikationen veröffentlicht, die vor allem WLAN sicher machen sollen. So sorgt ein als Electronic System ID (SSID, ESSID) bezeichneter Schlüssel für den generellen Zugang von Endgeräten. Die für alle Systeme im Netz identische SSID legt der Systemadministrator bei der Konfiguration der Netz-Clients fest. Nachteil: Eine freigeschaltete SSID sagt nichts über das Zugangsrecht eines Teilnehmers aus.
- Die Identität der Endgeräte verwaltet eine Zugangsliste, die vor unerwünschten Eingriffen zu schützen ist. Um die Authentifizierung nicht nur auf Geräteebene, sondern auch benutzerbezogen zu unterstützen, bieten viele Hersteller den Remote Authentification Dial- In User Service (Radius) an. Sicherheitskonsortien wie die Trusted Computing Group haben Spezifikationen wie „Trusted Network Connect“ vorgelegt. Große Hersteller wie Cisco verfolgen eigene Authentifizierungsmodelle.
- Obligatorisch für den sicheren Betrieb ist neben der Zugriffskontrolle der Einsatz von Verschlüsselungsmechanismen. Der Inhalt von Funknachrichten kann bei WLAN durch Wired Equivalent Privacy (WEP) verschlüsselt werden. In GSM-Netzen werden alle Daten von vornherein kryptografisch verschlüsselt. Endgeräte enthalten vom Hersteller zur Verfügung gestellte Krypto-Schlüssel. Beim Einsatz des GPRS-Dienstes sollte dennoch der Datenzugang über ein sicheres Virtual Private Network (VPN) gesichert sein.
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