Erschienen am: 10.07.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 7 2017

Drahtlose Kommunikation per WLAN

Rau vs. Smart

Drahtlose Kommunikation über Wireless LAN wird zunehmend fester Bestandteil unseres Arbeitsalltags. WLAN ist aber nicht nur im Büroumfeld allgegenwärtig, sondern spielt auch in der Industrie, speziell bei der Automatisierung, eine immer größere Rolle. Die genauen Anforderungen an WLAN unterscheiden sich jedoch zwischen der industrienahen Büroumgebung und dem industriellen Umfeld deutlich.


Flexibel einsetzbare, kompakte Access Points und Client Modules mit Schutzart IP65: Scalance W778 und W738
Bild: Siemens AG

Beim Einsatz im Industrieumfeld müssen WLAN-Geräte rauen Umgebungsbedingungen mit hohen Temperaturschwankungen, starken Vibrationen, Staub und Wasser standhalten. Der Fokus liegt demnach auf der Hardware. Dennoch zu berücksichtigen gilt, dass der WLAN-Standard nach IEEE802.11 die hohen Anforderungen der Industrie nicht vollständig erfüllt. Deshalb zeichnet sich industrietaugliches WLAN auch softwareseitig durch spezielle Eigenschaften aus, die im Automatisierungsumfeld erforderlich sind. So sind sowohl Deterministik als auch schnelle Zykluszeiten im Millisekundenbereich notwendig, um zuverlässig Profinet nutzen zu können. Siemens z.B. bietet hierfür entsprechende industrielle Zusatzfunktionen.

Schutz vor Staub und Flüssigkeit

Hardwareseitig sind für einen reibungslosen WLAN-Betrieb in der Industrie, Komponenten mit hoher Schutzart unverzichtbar, da außerhalb des Schaltschrankes häufig raue Umgebungsbedingungen vorherrschen. Die IP-Schutzart zeigt an, wie resistent das jeweilige Gerät gegen das Eindringen von festen und flüssigen Stoffen ist. Für industrielle Anwendungen ist dieser Schutz essentiell, da durch eindringende Substanzen folgenschwere Störungen verursacht werden können. Die Klassifizierung erfolgt durch die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC). IP steht hier für Ingress Protection und wird bei der Bezeichnung einem Code aus zwei Ziffern vorangestellt. Die erste bezieht sich auf den Schutz gegen feste Stoffe. Diese werden nach unterschiedlichen Korngrößen bis hin zu Staub bemessen. Von keinem Schutz mit Ziffer Null wird bis zum höchsten Schutz mit Ziffer Sechs hochgezählt. Die zweite Stelle zeigt den Schutz vor Flüssigkeiten an. Dabei wird ausgehend von Tropfwasser bis zum Untertauchen unterschieden. Die Klassifizierungen sind von Null bis Neun abgestuft. IP65-Geräte weißen demnach den maximalen Staubschutz und einen sehr hohen Schutz vor Flüssigkeiten bis hin zu starkem Strahlwasser auf. Für den Einsatz außerhalb des Schaltschrankes wird in der Regel IP65 bevorzugt, da es bei Produktionsprozessen durchaus zu Wasserkontakt kommen kann. Bei regulären Anwendungen im Innenbereich geht dieser jedoch nicht über Strahlwasser hinaus.

Hohe klimatische Ansprüche

Zudem ist in einer industriellen Automatisierungsumgebung sowohl mit starken Temperaturschwankungen als auch mit anspruchsvollen mechanischen Belastungen zu rechnen. Daher zahlt sich ein besonders robustes und störungssicheres Geräte-Design aus, das für hohe klimatische Anforderungen ausgelegt sowie schock- und vibrationsfest ist. Dies bezieht sich gleichermaßen auf die Antennen und das Zubehör. Denn die jeweiligen industriellen Anforderungen können nur dann voll erfüllt werden, wenn alle WLAN-Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind. Siemens bietet hier zusätzlich zu seinen Access Points und Client Modules der Scalance W-Produktfamilie ein breites Zubehör-Portfolio mit unterschiedlichen Eigenschaften und Schutzarten für jede Anwendung. Neben Robustheit spielen im Industrieumfeld jedoch auch Größe und Flexibilität der Geräte eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Hoher Platzbedarf und Aufwand bei der Montage sind wesentliche Faktoren in der Gesamtkostenbetrachtung. Deshalb empfehlen sich WLAN-Komponenten, die zugleich robust, platzsparend und einfach zu montieren sind. Beispielsweise die neuen Scalance W778 Access Points und W738 Client Modules von Siemens: Beide sind mit Schutzart IP65, einem robusten Gehäuse, sicher verschraubten M12-Anschlüssen für Ethernet und redundante Stromversorgung sowie N-Connect-Antennenanschlüssen sehr gut für den Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen geeignet. Zusätzlich besitzen diese neuen Produkte ein kompaktes Design und bieten vielfältige Montageoptionen; von direkter Wandmontage über eine flache bis hin zur senkrechten Montage auf einer Hutschiene. So kann stets die für die jeweiligen räumlichen Gegebenheiten kostengünstigste Anbringung gewählt werden. Die flexiblen Montagemöglichkeiten empfehlen die Geräte wegen der verbesserten Ersatzteilhaltung für den vielseitigen Einsatz, sowohl für einen schaltschranklosen Aufbau als auch im Schaltschrank.

WLAN für den industrienahen Bereich

Für den Einsatz von WLAN in industrienahen Bereichen mit gemäßigten Umgebungsbedingungen ergeben sich jedoch ganz andere Anforderungen als für typische Industrieapplikationen. Diese Anwendungen finden sich beispielsweise in Montagehallen, Besprechungsräumen oder Konstruktionsabteilungen die fertigungsnah realisiert sind, sowie in offenen Warenlagern. Im Gegensatz zur Produktionsebene sind hier die Clients im Netzwerk nicht fest definiert. Der Datenaustausch erfolgt zwischen Computerarbeitsplätzen und wechselnden mobilen Kommunikationsgeräten wie Notebooks oder Tablet PCs, die von unterschiedlichen Personen genutzt werden. Daher ist für die komfortable Verwaltung von Anwendergruppen und Zugriffsberechtigungen ein zentrales Netzwerkmanagement wichtig. So lassen sich z.B. über die Authentifizierungs-Methode 'Captive Portal' vor Zugriffserteilung Zugangsdaten und Einverständniserklärungen abfragen. Mittels integrierter Firewall können Nutzer und WLAN-Clients über Richtlinien und Rollenzuweisungen gefiltert werden, um bestimmte Applikationen zu priorisieren oder Bandbreiten zu limitieren.

Höhere Datenraten

Die Datenraten sind in diesen Anwendungen deutlich höher, weil die Dateiformate im Vergleich zur industriellen Kommunikation größer sind und mehr komplexe Daten gleichzeitig versendet werden. Für industrielle Applikationen reichen die WLAN-Standards IEEE802.11a/b/g/n mit Bruttodatenraten bis zu 600Mbit/s derzeit vollkommen aus. Im industrienahen Umfeld hingegen setzt sich zunehmend IEEE802.11ac Wave 2, mit sehr hohen Datenraten bis zu 1733Mbit/s, durch. Damit laufen selbst Drahtlosanwendungen wie Video-Streaming, bei denen enorme Bandbreiten erforderlich sind, reibungslos. Außerdem bleibt die WLAN-Kommunikation auch dann stabil, wenn viele Nutzer gleichzeitig im Netzwerk agieren. Da in industrienaher Umgebung Access Points in der Regel an abgehängten Decken oder dezent an Wänden montiert sind, bevorzugt man hier ein flaches, leichtes und modernes Design, das sich harmonisch in das Raumkonzept einfügt. All diese Anforderungen an zentralisierte Verwaltung, Gigabit-Datenraten und Design in sich vereint z.B. der Direct Access Point Scalance W1750D von Siemens. Üblicherweise wird für die Verwaltung von großen WLAN-Netzwerken ein zusätzlicher Controller benötigt. Der Direct Access Point jedoch ermöglicht aufgrund eines integrierten virtuellen Controllers ein direktes Management von bis zu 64 Access Points, ganz ohne zusätzliche Hardware und separate Lizenzen. Das Netzwerk kann individuell skalierbar und komfortabel um einzelne oder mehrere Geräte erweitert werden.

Verschiedene Frequenzbänder

Der WLAN-Standard IEEE802.11ac arbeitet mit dem 5GHz-Frequenzband, das mehr überlappungsfreie Kanäle bietet, als das 2,4GHz-Band, jedoch noch nicht überall im Büroumfeld verfügbar ist. Ein flexibler Wechsel zu etablierten 2,4GHz-Frequenzbändern ist nur mit einer weiteren Funkschnittstelle möglich, die beide Frequenzen unterstützt. Der W1750D bietet auch diese Option. Die ARM-Funktion (Adaptive Radio Management) ermöglicht zudem eine automatische Anpassung von Bändern und Kanälen. Clients, die sowohl im 2,4- als auch im 5GHz-Band arbeiten, können damit gleichmäßig auf die Bänder verteilt werden, was sowohl die Stabilität als auch die Verfügbarkeit und Performance des Netzwerkes erhöht. Für industrielle Applikationen wäre eine automatische Funkfeldoptimierung hingegen fatal, weil sie beim im Profinet-Umfeld erforderlichen Echtzeitbetrieb zu unvorhersehbaren Anlagenzuständen führen kann.

Das richtige Gerät für den jeweiligen Einsatz

Es ist demnach wichtig, bei der Auswahl der Komponenten für das WLAN zwischen den industriellen Anforderungen auf der einen und den industrienahen auf der anderen Seite zu unterscheiden. Nur so kann ein effizienter, kostenoptimierter WLAN-Betrieb mit den richtigen Geräten für den jeweiligen Anwendungsfall sichergestellt werden. Neu sind für die raue Industrieumgebung robuste Access Points und Clients in Schutzart IP65, die auch in kompaktem Design verfügbar und flexibel montierbar sind. Für das industrienahe Umfeld hingegen bieten neueste IEEE802.11ac Wave 2-Access Points neben sehr hohen Datenraten auch die benötigte Management-Funktionalität.