WLAN-Kommunikation in Industrie-Netzen im Trend
Die drahtlose Kommunikation in industriellen Netzen liegt ungebrochen im Trend. Doch WLANs haben mit ihrem Zeitverhalten Tücken. Außerdem wirkt sich der Energieverbrauch der Knoten nachteilig in batteriebetriebenen Sensornetzwerken aus. Experten diskutierten diese Woche auf dem Kongress der SPS/IPC/Drives, welche Lösungen für einen störungsfreien kontinuierlichen WLAN-Betrieb benötigt werden.
WLAN: Auch in der Industrie im Kommen.
Foto: Siemens AG
Funkübertragung im Industriebereich wird für immer mehr Anwender interessant. Doch das Wireless Local Area Network (WLAN) nach IEEE 802.11 wird dort meist noch als ungeeigneter Kommunikationskanal für Anwendungen mit erhöhtem Echtzeitbedarf angesehen. Der Grund: „Störanfälligkeiten und der Nichtdeterminismus dieses Mediums führen bisweilen zu Datenverlusten sowie unkalkulierbaren Latenzzeiten aufgrund von Übertragungswiederholungen“, erklärte Markus Rentschler von Hirschmann Automation & Control in Neckartenzlingen. Er erörterte dieses Thema zusammen mit Arndt Christ vom Pilz-Customer-Support, Ostfildern.
Ihr Hinweis: Sicherheitsanwendungen mit schnellen Kommunikationszykluszeiten können normalerweise nicht zuverlässig über herkömmliche WLAN-Verbindungen betrieben werden. Auf der anderen Seite sei WLAN nach IEEE802.11 jedoch eine ausgereifte und weit verbreitete Technik. Ihre Komponenten seien als preisgünstige Konsumelektronikprodukte erhältlich.
WLAN-Kommunikation nach IEEE802.11 ist eine ausgereifte und weit verbreitete Technik
Rentschler und Christ stellten deshalb in Nürnberg eine neue Lösung von Hirschmann vor, mit der sich das nichtdeterministische Verhalten von herkömmlichen industriellen WLANs durch die Nutzung parallel betriebener WLANs mit diversitären Redundanzen im Praxisbetrieb erheblich verbessern lässt. Dazu wurde das für hochverfügbare Automatisierungsnetze entwickelte Parallel Redundancy Protocol (PRP) verwendet, um mehrere WLAN-Verbindungen nach IEEE 802.11 parallel redundant zu betreiben. Das auf den ersten Blick triviale Prinzip: Die redundante Übertragung von Daten über mehrere stochastisch unabhängige Kanäle mit variablem Zeitverhalten führt dazu, dass der Gesamtkanal neben einer signifikant höheren Übertragungszuverlässigkeit auch ein verbessertes Zeitverhalten aufweist.
Die beiden Netze müssen zur sicherheitsgerichteten Kommunikation so ausgelegt sein, dass sie nicht gleichzeitig ausfallen. „Die beiden WLAN-Funkkanäle werden auf unterschiedlichen Frequenzen betrieben, da die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass ein Störereignis unabhängige Frequenzbereiche gleichermaßen beeinflusst“, verdeutlichte Rentschler.
Zwei WLAN-Funkkanäle werden auf unterschiedlichen Frequenzen betrieben
Auf dieser Basis sorgt das PRP-Protokoll im Fehlerfall einer der beiden redundanten Funkverbindungen für einen störungsfreien kontinuierlichen Betrieb, da die duplizierten Datenpakete immer gleichzeitig über die redundante Funkverbindung übertragen werden. Die Verfügbarkeit von Redundanzboxen, die das standardisierte PRP-Protokoll bereitstellt, ermögliche dabei auf einfache Weise die Erstellung solcher parallel redundanter Netzwerke.
Neben der Zuverlässigkeit war auf dem Kongress auch die Energieeffizienz drahtloser Industrienetze ein Thema. Insbesondere geht es den Automatisierern dabei darum, die Betriebsdauer der meist batteriebetriebenen Sensoren zu verlängern. Mit einem solchen energiebewussten Routing in drahtlosen industriellen Netzwerken setzten sich in Nürnberg Neda Petreska und Günter Hildebrandt aus dem Bereich Industrial Communication der Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik (ESK), München, auseinander.
WLAN-Weiterleitungen über verschiedene Knoten: Erhöhter Energieverbrauch und Zeitverzögerungen
Die beiden Spezialisten haben festgestellt, dass sich aufgrund des Relaying, also der Weiterleitung eines Pakets von Knoten zu Knoten, nicht nur die Zustellung eines Datenpakets verzögert (delay), sondern zudem auch der Energieverbrauch des Gesamtnetzes steigt.
Werden Pakete auf ihrem Weg von der Quelle bis zum Zielknoten über mehrere Knoten weitergeleitet, kann es vorkommen, dass die Pakete über unterschiedliche Routen zugestellt werden, so Petreska. In diesem Fall sind manche Knoten, auch vom Energiebedarf her, deutlich mehr ausgelastet als andere. Im schlimmsten Fall führe dies dazu, dass stark frequentierte Knoten aufgrund mangelnder Energieressourcen ausfallen und es so zu einer früheren Netzwerkpartitionierung (Beeinträchtigung) des gesamten Funknetzes kommt.
Petreska und Hildebrandt schlugen in Nürnberg dazu eine energiebewusste Routingmetrik vor, die die verbleibende Batteriekapazität der Knoten berücksichtigt. Zudem stellten sie ein Routingprotokoll auf Grundlage der WirelessHART-Technologie vor, das die optimalen Pfade zwischen zwei Knoten ständig aktualisiert und so die Lebensdauer eines drahtlosen industriellen Netzwerkes verlängert. Insbesondere drahtlose Sensornetzwerke sollen davon künftig profitieren.
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