Zusatznutzen bestimmt Wireless-Erfolg

Wie sehen relevante Anwender-Verbände bzw. Nutzerorganisationen den derzeitigen Stand im Bereich Wireless-Sensorik? Auch diese Frage wird im Trendteil „Data & Communication" beantwortet. Stellung beziehen hier Martin Schwibach für die Namur und Dr. Peter Wenzel für die PNO.

eA: Halten Sie einen breiten Einsatz von drahtlosen Sensoren für denkbar oder wird er Ihrer Meinung nach auf Spezialfälle, bei denen eine Verkabelung zu aufwändig oder nicht möglich ist, beschränkt bleiben?

Schwibach: Die Wireless-Technologien sind derzeit als Komplementärtechnologien zu konventionellen kabelgebundenen Lösungen zu sehen. Damit ist auch die Zielrichtung klar. Die Erfolgschancen werden dort hoch sein, wo Flexibilität und Mobilität gefragt sind. Dies gilt übrigens ebenso für andere Funktechnologien, nicht nur für drahtlose Sensoren. Auch Handys haben sich nicht wegen besseren Übertragungstechnologien (z.B. GSM) durchgesetzt, sondern weil Mobilität gefragt war: Darum heißen sie ja auch Mobiltelefone. Die Frage, ob im Bereich der drahtlosen Sensoren eine Verdrängung der kabelgebundenen Lösungen stattfinden wird, ist derzeit rein spekulativ. Wie auch bei anderen modernen Technologien aus ganz anderen Bereichen – ich denke da z.B. an Digitalkameras – werden sich auch drahtlose Sensoren dann durchsetzen, wenn deren Einsatz insgesamt für den Anwender mehr Vorteile, als Nachteile bringt. Auf den Punkt gebracht: Der Zusatznutzen für den Anwender wird den Erfolg bestimmen. Gibt es keinen Zusatznutzen, so wird sich die Technologie auch in der Breite nicht durchsetzen.

Wenzel: Der Einsatz von drahtlosen Sensoren wird aus Sicht der Performance eine große Breite von Anwendungen sowohl in der Fertigungs- als auch in der Prozessautomatisierung abdecken können. Die Vorteile kommen aber erst dann deutlich zum Tragen, wenn die Energieversorgung zufriedenstellend gelöst wird. Wireless Hart gibt beispielsweise keine spezielle Lösung für die Energieversorgung vor. Es spezifiziert aber Funktionen zur Energieversorgung. Ein Beispiel hierfür ist die Meldung des Ladezustands der Batterie. In der näheren Zukunft werden die Einsatzszenarien vorgeben, welche Versorgung gewählt wird. Für Anwendungen, die hauptsächlich eine Überwachungsfunktion erfüllen und nur selten kommunizieren, werden Batterien eingesetzt werden können, für Steuerungsaufgaben mit einer hohen Aktualisierungsrate wird aus heutiger Sicht weiterhin eine ex-terne Versorgung notwendig sein, z.B. mit 24 V. Geräte, die schon heute viel Energie benötigen, werden in den meisten Fällen auch mit einer drahtlosen Kommunikation auf diese nicht verzichten können. Der Einsatz von Wireless wird sich aber nicht auf Diagnose-Daten und andere Asset-Management-Funktionen beschränken. Bei der Anwendung in räumlich weit ausgedehnten bzw. für den Einsatz von Kabeln wenig geeigneten Umgebungen bietet es sich geradezu an, Sensoren drahtlos anzuschließen. Diese müssen folgerichtig auch zyklische Daten übertragen können. Die in den meisten Applikationen der Prozessautomatisierung erforderlichen Zykluszeiten können mit Wireless Hart erfüllt werden. Für die Fertigungsautomatisierung entstehen derzeit Standards, die eine große Breite der Anwendungen abdecken werden.

eA: Wie schätzen Sie die Zuverlässigkeit der Technik ein? Kann eine Anlagenverfügbarkeit wie bei drahtgebundener Technik garantiert werden?

Schwibach: Zuverlässigkeit ist in der Prozessindustrie Voraussetzung für den Einsatz von technischen Lösungen. Diese Zuverlässigkeit setzen wir Anwender logischerweise auch für Wireless-Lösungen voraus. Welche Anforderungen hier einzuhalten sind, wurde z.B. auch für Feldbusanwendungen spezifiziert. Die Namur-Empfehlung NE124 „Anforderungen an Wireless Automation" beschreibt die besonderen Anforderungen an Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit für den Einsatz von Wireless-Lösungen wie folgt: „ Von den Herstellern sind einheitliche und eindeutige Kenngrößen (beispielsweise Signalstärke, Paketfehlerrate) zur Charakterisierung von Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit (...) zu definieren" und „(...) die infrastrukturellen Rahmenbedingungen insbe-sondere die Umgebungsbedingungen (...) zu spezifizieren,(...) damit die definierten Anforderungen an Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit eingehalten werden können." Die Frage nach der Anlagenverfügbarkeit lässt sich nicht pauschal beantworten. Beispielsweise wird die Anlagenverfügbarkeit beim Einsatz von Wireless-Sensoren an beweglichen Teilen und den dadurch bedingten Wegfall von Schleppkabeln o.ä. sogar steigen. Entscheidend sind also die saubere Spezifikation der Anforderung und die Definition von messbaren Kenngrößen, die diese beschreiben. Dann ist eine Bewertung möglich, welche Technologie oder Lösung die Spezifikation am besten erfüllt. Und obiges Beispiel zeigt, dass dies auch für funkbasierte Lösungen positiv ausfallen kann.

Wenzel: Der Markt öffnet sich derzeit zunehmend für den Einsatz der Wireless-Technologie. Der Wunsch, sie einzusetzen, da sie vielfach Kostenvorteile birgt, wird immer deutlicher. Die Befürchtung, eine unsichere Wireless-Kommunikation einzusetzen, weicht zunehmend dank der positiven Ergebnisse in verschiedenen Forschungsprojekten und Pilotapplikationen. Bei sorgfältiger Funkfeldplanung und geeigneter Auslegung der Systeme lassen sich für die Mehrzahl der Anwendungen mit Wireless grundsätzlich ähnlich zuverlässige Systeme betreiben wie mit drahtgebundener Technik.

eA: Während die Prozesstechnik mit der Hart-Spezifikation 7 auf Zigbee als Übertragungstechnik setzt, scheint der Weg in der Fabrikautomation Richtung Bluetooth zu gehen. Wo sehen Sie die spezifischen Vor- und Nachteile der beiden Technologien – auch gegenüber WLAN?

Schwibach: Für mich als Anwender sind Grundsatzdiskussionen über Vor- und Nachteile von Basistechnologien eher unerheblich. Entscheidend ist die Qualität einer Gesamtlösung. Ich möchte mich dennoch der Frage nicht entziehen. Erfolgsfaktoren für den Einsatz von Wireless-Technologien sind neben der oben beschriebenen Zuverlässigkeit z.B. auch die Lösung der Fragen der Energieversorgung, der Interoperabilität und der Koexistenz. Wobei ich anmerken möchte, dass für den Anwender nicht nur die Koexistenz von Basistechnologien, sondern die Koexistenz von Anwendungen und Lösungen entscheidend ist. Die Anforderungen hierzu sind auch in der NE124 zusammengefasst. Die von Ihnen aufgeführten Technologien Wirless Hart, Zigbee, Bluetooth und WLAN haben eine Gemeinsamkeit: Sie nutzen das lizenzfreie ISM-Frequenzband mit 2,4 GHz. Bluetooth, Zigbee und Wireless Hart nutzen im Gegensatz zu WLAN das sogenannte Frequenzsprungverfahren, was die Frage nach der Koexistenz positiv beeinflusst. Gemäß der Spezifikationen scheinen Zigbee und Wireless Hart bezüglich des Energieverbrauchs einen Vorteil gegenüber Bluetooth zu haben. Die Anwendungsfälle in der Prozessindustrie setzen hier bei Sensoren in der Regel lange Batterielaufzeiten von mehreren Monaten oder Jahren voraus, da ein Batterietausch oft sehr aufwändig ist. Wünschenswert wären energieautarke Lösungen. Wichtig für uns Anwender ist, dass uns die Hersteller auch zu den Fragen der Koexistenz von Basistechnologien und Anwendungen, der Interoperabilität und der Energieversorgung eindeutige und messbare Kenngrößen an die Hand geben, die es ermöglichen die Tauglichkeit der Technologien für die verschiedenen Anwendungsfälle zu bewerten und das Potenzial bzw. den Zusatznutzen zu ermitteln.

Wenzel: Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass es nicht möglich ist, alle Anforderungen der Fabrik- und Prozessautomatisierung mit einer Funklösung abzudecken. Wireless Hart nutzt für die Übertragungstechnik Radio-Chips nach dem IEEE- 802.15.4-Standard, wie sie auch von Zig-bee verwendet werden. Für die Fabrikau- tomatisierung werden, aufgrund der höheren Anforderungen bezüglich Reaktionszeit (<10 ms), Radios nach IEEE 802.15.1 zum Einsatz kommen, wie sie auch Bluetooth verwendet. Im Unterschied zu den Radio-Chips sind die standardisierten Protokolle für die Prozess- und Fabrikautomatisierung auf die jeweiligen Anforderungen hin optimiert. Die PNO hat beschlossen, für die Fabrikautomatisierung auf die Wisa-Technologie mit 802.15.1-Radio aufzusetzen. Dies ist die schnellste derzeit verfügbare Lösung, die um Merkmale zur Verbesserung der Koexistenz, um skalierbare Leistung für Reichweiten bis 30 m und um die Kompatibilität mit den für IO-Link entwickelten Datenmodellen von Sensoren und Aktuatoren weiterentwi-ckelt wird. WLAN ist als Backbone-System für die Übertragung großer Datenmengen bereits in vielen Unternehmen zu finden. Gezieltes Ausblenden von Kanälen/Frequenzbereichen (Blacklisting) ist eine wich-tige Eigenschaft von Wireless-Sensor/Aktuator-Systemen, um Kollisionen mit WLAN zu vermeiden. WLAN ist hauptsächlich geprägt durch schnelle Übertragung großer Datenmengen mit der daraus resultierenden Baugröße, Energiebedarf und Kosten. Wireless-Sensor/Aktuator-Systeme benötigen in der Regel kleine Datenmengen bei niedrigem Energiebedarf. Weitere charakteristische Unterschiede sind in der Prozessautomatisierung ausgedehnte vermaschte Netze von Wireless-Geräten bzw. in der Fabrikautomatisierung die Echtzeitfähigkeit und Deterministik.

zg