Drahtlose Kommunikationsprotokolle, zusammen mit Ethernet, machen die Datenerfassung von intelligenten Feldgeräten einfach. Es integriert die Daten reibungslos und nahtlos in Dashboards basierend auf dem Industrial Internet of Things (IIoT) und Industry 4.0-Konzepten. Dieser Artikel erklärt Ihnen die wichtigsten drahtlosen Kommunikationsprotokolle in 2019.

Die wichtigsten drahtlosen Kommunikationsprotokolle

WirelessHART

Dieses Netzwerkommunikationsprotokoll gilt als eines der beliebtesten in der Branche. Die HART Communication Foundation (HCF) entwickelte es 2004 und brachte es 2007 auf den Markt. Emerson Automation Solutions produzierte das erste WirelessHART Gerät und führte das Feld mit mehreren anderen an. 2010 genehmigte die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) das Protokoll, indem sie den ersten drahtlosen internationalen Standard, die IEC 62591, ausstellte.

Wie funktioniert es?

WirelessHART arbeitet in einer Frequenz von 2,4 Gigahertz. Es verwendet auch Zeit-Division Mehrfachzugriff (TDMA, time-divison multiple access), um die Geräte im Netzwerk zu synchronisieren, wo die Kommunikation in 10 ms geschieht. Das drahtlose Kommunikationsprotokoll unterstützt auch das Kanalhopping, um Interferenzen zu vermeiden und Mehrwegeausblendungen zu reduzieren. Wie andere Protokolle ist auch wirelessHART nach dem Open Systems Interconnection (OSI)-Modell aufgebaut.

Endress+Hauser
SWA70 Intelligentes WirelessHART-Funkmodul mit Spannungsversorgung für Feldgeräte
in the shop from 939 €
SWA70

WirelessHART-Ebenen

  • Physikalische Ebene –  IEEE.15.4. und 2,4 GHz DSSS-Funk
  • Media Access Layer (MAC) –  802.15.4-2006 MAC und MAC-Service
  • Datalink-Ebene(DLL) –  zeitgesteuertes Kanal-Hopping, sichere Bestätigungen, Taktweitergabe, Hop-by-Hop-Datenintegrität
  • Netzwerk-Ebene – Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und Datenintegrität, Graph- und Quell-Routing, Zusammenfügen
  • Transport-Ebene – zuverlässige Lieferung, verbindungsloser Service
  • Anwendungs-Ebene
    • Prozesssteuerung: HART 7
    • Management: Diagnose, Beitritt zur zentralisierten Netzwerkkonfiguration, etc.
    • Sicherheit: Schlüsselverwaltung
    • Applikations-Subebene:  Datenkodierung, -verschlüsselung und -integrität, Kommando- und Antwortstruktur

Alle WirelessHART Geräte funktionieren als Router oder Repeater, wodurch die Netzwerkreichweite über das Gateway hinaus verlängert wird. Wenn das Netzwerk einen Block trifft, leitet es automatisch die Daten um. WirelessHART verwendet das Mesh-Netzwerk-Konzept basierend auf dem Standard IEEE 802.15.4. Es kombiniert zwei Methoden, das direkte Sequenzbreitenspektrum (DSSS) und das Frequenzsprungspektrum (FHSS), um die Kommunikation zuverlässig und sicher zu halten.

Die Hauptelemente von wirelessHART

  • Feldgeräte, entweder nativ oder mit drahtlosen Adaptern
  • Gateways zum Anschluss von Feldgeräten an Steuergeräten mit Protokollen wie HART-IP, Modbus TCP/IP oder EtherNet/IP
  • Netzwerkmanager für Setup, Routing und Monitoring im Gateway, Host oder Prozesscontroller

Normalerweise hängt die Entfernung davon ab, wo man das Gerät anwendet. Oft haben sie eine maximale Reichweite von 250 Metern, aber einige bieten bis zu 1000 Metern in einem offenen Bereich.

ISA 100.11a

Der Ausschuss für das drahtlose Kommunikationsprotokoll ISA 100 wurde 2005 gegründet. Dieser Ausschuss von 400 Fachleuten aus fast 250 Unternehmen setzt Verfahren und Standards für drahtlose Systeme ein, die sich auf Feldgeräte konzentrieren. Im Jahr 2009 hat das ISA Automation Standard Compliance Institute das Wireless Compliance Institute gegründet und am 9. September 2009 offiziell ISA 100.11a veröffentlicht. Im Jahr 2010 erhielt das Protokoll dann die Norm IEC 62734.

Wie funktioniert es?

Dieses flexible Protokoll unterstützt mehrere Protokolle, im Gegensatz zur WirelessHART, das nur HART-Geräte unterstützt. Plus, als offenes Protokoll, hat es eine lange Liste von Anbietern, die Lösungen anbieten. Das Netzwerk bietet zuverlässige Fehlererkennung und Kanalhopping, TDMA und QOS-Unterstützung und hohe Sicherheit.

ISA 100.11a-Ebenen

  • Physikalische Ebene- IEE 802.15.4 und 2,4 DSSS Radio
  • Media Access-Ebene (MAC) –  modifizierte nicht-konforme Version von IEEE 802.15.4-2006 MAC
  • Datalink-Ebene (DLL) – Zusammenfügen, Graph-Source-Routing, Taktausbreitung, Kanalhopping und mehr
  • Netzwerk-Ebene – IEFT IPv6 und 6LoWPAN
  • Transport-Ebene – verbindungsloser UDP-Service, Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, Datenintegrität
  • Anwendungs-Ebene:
    • Prozesssteuerung – kein Prozess in der Anwendungs-Ebene
    • Management –  Diagnostik, Zusammenfügen, verteilte Netzwerkkonfiguration, etc.
    • Sicherheit – Schlüsselverwaltung
    • Applikations-Subebene:  Datenkodierung, Objekt- und Methodenservicestruktur

ISA-100.11a ermöglicht ein Mesh-Netzwerk, aber man kann andere Setups verwenden. Am besten sind alle Geräte direkt mit dem Gateway verbunden oder einige Geräte auf einem Router, der mit dem Gateway verbunden ist. Auf dem Feld kann man Routing-Geräte, I/O-Geräte und tragbare Geräte haben. Für die Infrastruktur hat man einen Backbone-Router, Gateway, Systemmanager und Sicherheitsmanager. Hier sieht man diese Geräte in einem Netzwerk.

Bild Drahtlose Kommunikation
Bild mit freundlicher Genehmigung von plantservices.com

Bluetooth 5.0

Dieses neue drahtlose Kommunikationsprotokoll verfügt über Funktionen, die es zum nächsten Standard für das Setup im Feld machen. Doppelt so schnell mit weniger Energie: Bluetooth 5 erhöht die Bandbreite um bis zu zwei Megabits pro Sekunde, reduziert die Übertragungszeit und beschleunigt Aktualisierungen. Darüber hinaus verwendet es eine minimale Menge an Energie. Viermal mehr Reichweite: Das letzte Bluetooth bot bis zu 50 Meter in offenen Bereichen, aber nur 10 Meter innen. Bluetooth 5’s Reichweite hat 40 Meter innen und bis zu 200 in offenen Bereichen, aber nur durch abnehmende Bandbreite. Achtmal mehr Übertragung: Bluetooth 5 arbeitet effizient mit Kanälen in 2,4 Gigahertz-Bändern. Jetzt hat man bis zu 37 Sendekanäle, also mehr Frequenzvielfalt.

Bild Drahtlose Kommunikation Bluetooth 5
Bild mit freundlicher Genehmigung von process-worldwide.com

Außerdem haben Sie größere Pakete, von 31 bis 255 Oktette. Marques Brownlee hat eine gute Analogie auf seinem YouTube-Kanal gemacht. Vorher hatte man zwei Flure für die Datenübertragung. Nun gibt Bluetooth 5 Ihnen 30. Interferenzerkennung und -prävention: Während Bluetooth mit anderen drahtlosen Geräten arbeiten kann, müssen Sie immer Störungen vermeiden. So erkennt eine Funktion, die Ablagefach-Verfügbarkeitsmaske (SAM), potenzielle Störungen und bewegt sich von diesen Kanälen weg. Und das bedeutet, dass 5 die Vernetzung ankurbeln und Paketverlust vermeiden können.

IO-LinkIO-LinkIO-Link Wireless

Dieses drahtlose Netzwerk besteht aus einem Gateway mit Geräten, die in einer Sterntopologie verbunden sind. Wenn Sie ein drahtgebundenes Gerät haben, dann unterstützt das Netzwerk eine Brücke, um seine Daten drahtlos zu senden. Und man braucht ein Handheld oder ein anderes Werkzeug, um es aufzusetzen. Das IO-Link Wireless-Protokoll verwendet drei Arten von Daten. Die Prozessdaten tauschen bis zu 32 Bytes pro Zyklus aus. Die Werstatusdaten bestätigen dann die Gültigkeit der Prozessdaten. Zuletzt bieten die Parameter- und Diagnosedaten Betriebszustände, Warnungen, Ausfälle und mehr an.

Endress+Hauser
SFG500 Basic-Modus Ethernet-Gateway mit integriertem Webserver und adaptive PROFIBUS Master Klasse 2 für die Kommunikation mit PROFIBUS-Geräten
in the shop from 2139 €
SFG500

Das Problem mit proprietären drahtlosen Kommunikationsprotokollen

Viele Anbieter verwenden proprietäre drahtlose Kommunikationsprotokolle, in denen man ihre Produkte nur in ihren Netzwerken verwenden können. Wir haben Unternehmen wie Schneider und OleumTech, die auf proprietäre Produkte setzen, aber warum sollte ein Kunde ein geschlossenes Protokoll anstelle eines offenen verwenden? Kann uns jemand sagen, warum diese Unternehmen das tun? Wenn Sie einen Grund wissen, hinterlassen Sie uns bitte einen Kommentar.

Es sieht für mich nach einem “gefangenen Kundenstamm” aus. Open-Protocol-Konkurrenten entwerfen jedoch ihre Pitches gezielt, um die Nutzer davon zu überzeugen, proprietäre Produkte abzulehnen. Für einen einfachen Prozess mit nur einem Gerät kann eine proprietäre Option weniger als eine WirelessHART- oder ISA 100.11a-Lösung kosten. Natürlich ist das für viele Kunden ein starkes Argument. Aber wenn man expandieren will, dann wird sich der Vorteil eines offenen Standards schnell erkenntlich machen.

Um mehr über drahtlose Kommunikationprotokolle zu erfahren, wenden Sie sich an unsere Ingenieure!

Empfohlene Artikel