Einführung in die drahtlose industrielle Kommunikationstechnologie
Industrielle drahtlose Kommunikationbesitzt ein enormes Entwicklungspotenzial
Aktuelle Forschungsergebnisse von HSM Networks zeigen, dass der Markt für industrielle Netzwerke weiter wächst und bis 2024 voraussichtlich um 7 % zulegen wird. Bemerkenswert ist, dass die drahtlose Technologie in den letzten Jahren stetig an Bedeutung gewonnen hat, auch wenn sich das Wachstumstempo laut Berichten leicht verlangsamt hat. Nach Netzwerktyp machen drahtlose Lösungen weiterhin 7 % des Gesamtmarktanteils aus. Der Markt bringt kontinuierlich mehr industrielle, drahtlosfähige Produkte auf den Markt, und die Akzeptanz drahtloser Lösungen in Produktionsumgebungen nimmt zu. Typische Anwendungsfälle sind die Ersetzung von Kabeln, der drahtlose Maschinenzugriff und die Vernetzung mobiler Industrieanlagen.
Das deutsche Whitepaper „Industrie 4.0 Forschung & Entwicklung“ und die „Industrie 4.0 Implementierungsstrategie und Referenzarchitektur“ betrachten beide die drahtlose Technologie als wichtige Komponente der Forschung und Innovation im Bereich der Netzwerkkommunikationstechnologie von Industrie 4.0.
Das amerikanische Industrial Internet Consortium (IIC) misst der Anwendung drahtloser Technologien in der Industrie große Bedeutung bei. Der Verbund hat eigens eine Arbeitsgruppe für Netzwerkverbindungen eingerichtet, die Forschungsarbeiten im Bereich Netzwerktechnologien durchführt.
Der Grund, warum die deutsche Industrie 4.0 und das amerikanische industrielle Internet der Anwendung drahtloser Technologien in der Industrie große Bedeutung beimessen, liegt darin, dass drahtlose Netzwerke gegenüber den bestehenden kabelgebundenen industriellen Netzwerken offensichtliche Vorteile bieten.
● Die Kosten für Netzausbau und -instandhaltung deutlich reduzieren. Drahtlose Netzwerke lassen sich schnell einrichten, und Kabel sowie zugehörige Schutzvorrichtungen können drahtlos auf Baustellen, in Werkstätten, Fabriken und anderen Umgebungen verlegt werden. Installations- und Wartungskosten werden reduziert.
● Die Flexibilität der Produktionslinie verbessern. Die drahtlose Technologie ermöglicht die Mobilität von Feldgeräten und die flexible und schnelle Umstrukturierung von Produktionslinien auf der Grundlage industrieller Produktions- und Anwendungsbedürfnisse.
● Erreichen Sie ein breites Spektrum an Einsatzumgebungen. Da die drahtlose Technologie die Einschränkungen der Kabelverlegung überwindet und über verschiedene Netzwerkarchitekturen wie Mesh und Stern verfügt, kann sie in einer Vielzahl industrieller Szenarien schnell eingesetzt werden.
Drahtlose Technologien in industriellen Netzwerken
Nach der Reichweite der drahtlosen Kommunikation lässt sich die drahtlose Kommunikationstechnologie in Kurzstrecken-Funkkommunikationstechnologie und Weitverkehrsnetz-Kommunikationstechnologie unterteilen:
● drahtlose Kurzstreckenkommunikationstechnologieeinschließlich traditioneller Nahbereichskommunikationstechnologien wie WLAN, Bluetooth, ZigBee und RFID sowie spezieller Nahbereichskommunikationstechnologien für industrielle Anwendungen, wie WirelessHART, ISA100.11a, WIA-PA usw.
● Weitverkehrsnetz-Kommunikationstechnologie:einschließlich 2G/3G/4G/5G-Mobilfunktechnologie und LPWA-Technologie, NB-IOT und eMTC sind lizenzierte Spektrumtechnologien, und LoRa und SigFox sind unlizenzierte Spektrumtechnologien.
Funktionen der drahtlosen Technologie
Der Einsatz drahtloser Netzwerke in der Industrie erfordert je nach Anwendungsverbindung und übertragenen Diensten unterschiedliche Optimierungsstufen. Entsprechend der Übertragungsgeschwindigkeit lässt sich die drahtlose Kommunikation in Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitskommunikation unterteilen. Typische Anwendungsszenarien der drahtlosen Technologie sind in der Tabelle dargestellt.
Kategorie | Kommunikationsdistanz | Kommunikationsrate | Typische Anwendung |
Bluetooth | 10 m | 20 Millionen | Kurzstreckenkommunikation, Audiostreaming, Dateisynchronisation |
W-lan | 50 m | 200 Mio. | Heim- oder Büronetzwerk, Online-Videos, große Spiele und Datei-Downloads usw. |
ZigBee
| 200 m | 250 kbit/s | 2,4-GHz-Frequenzband, niedrige Geschwindigkeit und geringer Stromverbrauch. Wird für IoT-Geräte wie Sensordatenkommunikation und Fernsteuerung von Haushaltsgeräten verwendet. |
WirelessHART | 200 m | 250 kbit/s
| 2,4-GHz-Frequenzband, niedrige Geschwindigkeit, geringer Stromverbrauch und hohe Zuverlässigkeit.Für Industrieanlagen wurden zahlreiche technische Optimierungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Störfestigkeit und Verzögerungsgarantie vorgenommen. |
LoRa
| 1-20 km
| 0,3-5 kbit/s
| SubG freies lizenziertes Frequenzband, intelligente Landwirtschaft, intelligente Gebäude,Logistikverfolgung, Sie müssen Ihr eigenes Netzwerk aufbauen. |
NB-IoT
| 1-20 km
| <250 kbit/s
| SubG-autorisiertes Frequenzband, Wasserzähler, Parken, Haustierortung,Rauchmelder, der das Betreibernetz nutzt. |
5G
| 500 m
| 1 Gbit/s
| Hohe Geschwindigkeit, geringe Latenz, große Anzahl an Verbindungen, hohe ZuverlässigkeitAutonomes Fahren, Drohnen, VR/AR, intelligente Fabriken und intelligente medizinische Versorgung. |
Der Entwicklungstrend drahtloser Netzwerke wird hauptsächlich in der Überlagerung und Ergänzung durch Integration bestehen.
Industrielle Steuerungssysteme sind in sich geschlossen und legen größten Wert auf Stabilität und Zuverlässigkeit. Daher gehen Industrieunternehmen bei Änderungen sehr vorsichtig vor. Unternehmen aus der industriellen Fertigung und dem Dienstleistungssektor benötigen dringend Daten zu Produktionsanlagen, Umgebungsbedingungen, Produktionswerkzeugen usw. Da kabelgebundene Installationen zu teuer und aufwendig sind, setzen sie auf Overlay-Verfahren für drahtlose Netzwerke.
Die Overlay-Methode bezeichnet den Aufbau eines drahtlosen Netzwerks außerhalb des bestehenden Werksnetzwerks, um Geräte- und Produktinformationen zu erfassen und in bestimmten Szenarien die Gerätesteuerung in Echtzeit oder zeitverzögert durchzuführen. Einige Unternehmen verfolgen zudem einen konvergenten Ansatz beim Einsatz drahtloser Netzwerke. Dabei werden bestehende industrielle Steuerungsnetzwerk-Terminals (wie Feldbusse und große Netzwerke) schrittweise durch drahtlose Netzwerke ersetzt, um die drahtlose Datenerfassung und -steuerung zu realisieren.
