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24. März 2011

Ende der Fabrikautomation mit 2,4-GHz-WLAN-Funktechnologie?

Es droht das Ende für WLAN entsprechend IEEE 802.11 für Echtzeitübertragung in der Fabrikautomation von Feldbussen wie Profinet. Aber auch Wireless Hart und ISA 100a sind davon existenziell betroffen. Ausnahmen für Fabrikanwendungen soll es nicht geben. Wird Bluetooth als Sieger hervorgehen?

Auf europäischer Ebene werden aktuell in der ETSI, als zuständiges Gremium, die technischen Parameter für die künftige Nutzung des 2,4-GHz-Bands verabschiedet im Rahmen der Europäischen Normung: Die ETSI EN 300 328 soll als Version 1.8.1 ab 2015 in Europa gelten. Im 2,4-GHz-Band senden eine Vielzahl von standardisierten und propritären Funktechnologien, wie WLAN, Bluetooth, Zigbee bzw. 802.15.4, Z-Wave, Wireless Hart, ISA100, Trusted Wireless, Wisa etc . Um künftig dem steigenden Einsatz von Funkanwendungen Rechnung zu tragen, will die ETSI technische Koexistenzmaßnahmen schon in den Nutzungsbedingungen vorschreiben. Bisher gab es nur Reglementierungen für die maximale Sendeleistung EIRP. Neu hinzukommen sollen automatische Funktionen, die andere Sender erkennen können und dann das weitere Verhalten der Funkübertragung danach ausrichten müssen. Dazu gehören unter anderem ein weitreichendes Listen-before-talk, automatischer Kanalwechsel und Mindestanzahl von nutzbaren Kanälen.
Dieses Vorhaben ist für Office- und Home-Anwendungen sinnvoll. Hier werden für den Download über WLAN vom DSL Router zum Laptop auf der Terrasse keine Echtzeitanforderungen gestellt. Zukünftig wird die Dateiübertragung über Funk mehr Zeit benötigen. Ganz anders sind die Einsatzbedingungen von Funktechnologien in der Fabrikautomation. Kräne, Gabelstapler, mobile Anlagen und Maschinenteile bedienen sich seit Jahren der Funktechnologie und erreichen einen hohen Produktivitätsvorteil durch Funkdatenübertragung. Hier treiben Firmen, die Funktechnik einsetzen, einen entsprechend großen technischen und organisatorischen Aufwand, um eine Vielzahl von Funklösungen in Koexistenz – also in gegenseitiger Abstimmung – zu betreiben. Ein Automobilhersteller nannte eine Zahl von 5.000 völlig unterschiedlichen Funkanwendungen in der Fabrik, die in Koexistenz betrieben werden. Viele Anwendungen stellen mehr oder weniger harte Echtzeitanforderungen an die Funkübertragungen. Auch Sicherheitsfunktionen, wie Not-Stop über Funk, sind seit Jahren erfolgreich im Einsatz.

Mit der neuen Norm ETSI EN 300328-1.8.1 ändern sich nun diese technischen Vorgaben ab voraussichtlich 2015 gravierend. So hat die ETSI technische Vorgaben gemacht, die eine eigene Frequenzplanung in den Firmen nicht mehr unterstützt und sogar untergräbt. Würde heute der Frequenznutzungsbeauftragte des besagten Automobilherstellers festlegen, welche Anwendungen in seiner Fabrik wichtig wären, welchen Kanal sie nutzen dürften, so wird das künftig technisch nicht mehr erlaubt sein. Die entsprechend der neuen Norm kompatiblen Geräte müssen sich ihren Frequenzkanal zwingend selbst suchen. Wenn ein fremder Sender im 2,4-GHz-Band erkannt wird, ist eine entsprechend hohe Wartezeit und ein Kanalwechsel vorgeschrieben. Kanalwechsel können jedoch Unterbrechungen der Funkübertragung zwischen 1 s bis 10 s bedeuten. Zudem soll künftig vor jedem Datenpaket, das über Funk gesendet werden soll, der gesamte Frequenzbereich gescannt werden, um zu sehen, ob er frei ist. Dies bedeutet, dass jedes WLAN-Datenpaket, zum Beispiel mit einer Übertragungsdauer von 0,5 s, zukünftig eine Wartezeit im Bereich von Faktor 10 bis Faktor 100 einhalten muss. Für industrielle WLAN-Anwendungen im 2,4-GHz-Bereich könnte dies das Aus bedeuten. Die Übertragung eines Datenpakets über Funk würde solange benötigen, dass angeschlossene Feldbusse wie Profinet diese Verzögerung nicht akzeptieren und ein Busfehler vorliegen würde. Jeder Busfehler bedeutet aber einen Anlagenstillstand für Minuten.

Ähnliche Auswirkungen wird dies auf die neuen Funktechnologien in der Prozesstechnik, wie Wireless Hart und ISA 100, haben. Automatische Kanalwechsel, erzwungen durch erkannte andere Sender, sind in diesen Standards nicht vorgesehen. Außerdem basieren diese Funktechnologien auf IEEE 802.15.4. Diese Funktechnologie unterteilt das 2,4-GHz-Band in 15 Kanäle. Der ETSI-Entwurf 1.8.1 schreibt vor, dass ein Funksystem mindestens 15 Kanäle benutzen muss. Wenn nun einer gestört ist, muss er für längere Zeit freigehalten werden. Wenn nun ein Funkstandard nur 15 Kanäle vorsieht, und auch nur einen freilassen muss, unterschreitet er die Mindestkanalzahl. In der Konsequenz wird eine solche Funktechnologie ab 2015 nicht mehr von der Bundesnetzagentur zugelassen werden und kann von einem Anwender nicht mehr eingesetzt werden.

Warum werden diese technischen Parameter in der neuen ETSI EN 300328 1.8.1 vorgegeben? Diese Anforderungen lassen sich mit großer Industriepolitik erklären. In der Praxis wird es vermutlich bedeuten, dass WLAN im 2,4-GHz-Band um den Faktor 10 bis 100 langsamer wird, bis auf Geräte eines ganz bestimmten Herstellers aus Amerika, geben wir diesem den Kunstnahmen OCSIC. Der Chairman im ETSI, der diese technischen Vorgaben in der 1.8.1 so definiert hat, ist oder war Mitarbeiter von OCSIC. OCSIC erhält damit einen Wettbewerbsvorteil im Bereich von zwei bis fünf Jahren.

Warum ist OCSIC nicht selbst davon betroffen bzw. was machen sie anders? Nun, OCSIC hat vor Jahren eine Messgerätefirma und deren Patente gekauft, die eine sehr schnelle Funkmesstechnologie entwickelt hat. Dieses Messsystem kann praktisch in Echtzeit den Dutycycle, also das Nutzungsverhältniss eines Frequenzkanals, messen und verarbeiten. Nun hat OCSIC seine WLAN-Access-Points mit dieser patentierten Messtechnik erweitert und kann damit deutlich schneller als Systeme der Konkurrenz fremde Funksender erkennen und Entscheidungen und Strategien über Kanalwechsel treffen. Das ist so als würde ein Autohersteller das alleinige Recht bekommen, auf der Autobahn schneller zu fahren als alle anderen Automarken, da hier ein Radarsystem verbaut ist, das andere Verkehrsteilnehmer früher erkennt. Prinzipiell ist das frühzeitige Erkennen und eine geeignete Strategie zur Kollisionsvermeidung auf dem Funkkanal sehr zu begrüßen und durchaus sinnvoll. Der VDI hat dazu die Richtlinie 2185 Blatt 2 erstellt, die beschreibt, wie man das durch technische und organisatorische Maßnahmen erreichen kann. Es gibt jedoch keine Ausnahmen, auch nicht für die Fabrikautomation. Für unser Beispiel könnte das bedeuten, dass die Höchstgeschwindigkeit zum Beispiel auf einer Rennstrecke gelten müsste, nur nicht für eine bestimmte Marke. Warum es keine Industrieklasse gibt mit Ausnahmen, kann als Wirtschafts- und Patentkrimi „Europa gegen Amerika“ bezeichnet werden.

Technische Koexistenzmaßnahmen sind sehr sinnvoll, wenn man mit dem Smartphone auf dem Flughafen oder im Fußballstadion seine E-Mails läd und im Internet surft. Schliesslich wollen das 1.000 Nutzer möglichst andere auch. Ganz anders sind die Anforderungen in Industrieanwendungen. Hier plant man Kanäle fest für bestimmte Anwendungen, sodass Kran- und Gabelstapler-Anwendungen auf unterschiedlichen Kanälen im 2,4-GHz-Band nebeneinander laufen. Man möchte hier nicht, dass diese Anwendungen sich selbst permanent einen freien Kanal suchen sollen. Zudem werden Anwendungen priorisiert. Eine über WLAN automatisierte Fabrikanlage soll sich nicht danach richten müssen, dass gerade in 500 m Entfernung – so weit ist die Störreichweite eines WLAN – ein Student im zur Fabrik anliegenden Hochschul Campus ein Video auf seinen Laptop zieht.

WLAN mit TCP/IP-Kommunikation wird zwar deutlich langsamer werden, aber technisch keine größeren Problem aufweisen, da TCP ja für langsame Übertragungsmedien ausgelegt ist. Profinet als Feldbus über 2,4-GHz-WLAN wird kaum mehr möglich sein; die Echtzeitanforderungen werden sich nicht mehr einhalten lassen. Als Ausweg bleibt das 5-GHz-Band nach IEEE 802.11.h und IEEE 802.11.n. Die hohen Frequenzen sowie die Modulationstechniken sind aber nicht besonders prädestiniert in rauen Umgebungen mit viel Stahlanteil und Übertragungsstrecken von beispielsweise 300 m in einer Fabrikhalle.

Nun, für OCSIC ist es die Lizenz zum Gelddrucken. Preise für Laptops und Access Points könnten deutlich teurer werden. Für WLAN in der Fabrikautomation bedeutet sie nach meiner Meinung das „Aus“. Ab 2015 werden auch keine Ersatzsysteme mehr in den Handel gebracht werden können.

Die gute Nachricht: Bluetooth größer Version 2.1, auch Klasse 1 mit 100 mW EIRP, ist nach jetzigem Wissensstand von der EN 300328 1.8.1 nicht betroffen bzw. ausgenommen. Die Firma Schildknecht AG bietet auch weiterhin und zukunftssicher Datenfunksysteme Dataeagle für Wireless Profibus an, die auf dem Bluetooth-Standard größer Version 2.1 basieren.

Thomas Schildknecht, Vorstand der Firma Schildknecht AG

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