Fernwarten und Fernwirken via Mobilfunk und Internet Schnelle Übertragung großer Datenmengen via High-Speed-Router

Mit dem PSI-Modem-3G/Router steht ein leistungsfähiges Gerät für industrielle Ethernet-Netzwerke zur Verfügung, das sensible Daten sicher über das Mobilfunknetz weiterleitet (Bild 2). Auf diese Weise lassen sich entfernte Stationen, zu denen keine Datenleitungen verlegt sind, einfach in ein IP-Netzwerk einbinden. Die integrierte Firewall und der Aufbau eines Virtual Private Networks (VPN) schützen die M2M-Applikation zuverlässig vor unbefugten Zugriffen. Der Router unterstützt sowohl UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) und HSPA (High Speed Packet Access) als auch GPRS (General Packet Radio Service) und Edge (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Ist das 3G-Mobilfunknetz für HSPA ausgelegt, beträgt die Downlink-Geschwindigkeit bis zu 7,2MBit/s, während im Uplink Datenraten bis zu 5,7MBit/s erzielt werden. Damit lassen sich auf Basis des PSI-Modem-3G/Routers auch bei hohem Datenaufkommen zukunftsorientierte Anwendungen umsetzen. Ist am Standort kein HSPA verfügbar, arbeitet der Router automatisch mit UMTS, Edge oder GPRS, sodass die Daten stets schnellstmöglich übertragen werden (Bild 3). Sichere und zuverlässige Kommunikation M2M-Applikationen wie das Fernwarten und Fernwirken rücken immer stärker in den Fokus vieler Anlagenbauer, Techniker und Ingenieure. Unter Fernwarten versteht man den Fernzugriff des technischen Service-Personals zu Wartungs- und Reparaturzwecken auf Systeme. So werden Störungen rechtzeitig erkannt sowie Ausfälle und die daraus resultierenden Kosten vermieden. Neben dem Fernzugriff auf Computer hält die Fernwartung zunehmend Einzug in Maschinen und Anlagen, Solar- und Windparks sowie Gebäude, die meist weit entfernt vom Sitz des Herstellers betrieben werden. Das Fernwirken umfasst für gewöhnlich steuerungs-, regelungs- oder sicherungstechnische Aufgaben, die sich aus der Ferne über ein Telekommunikationsnetz ausführen lassen (Bild 4). Der PSI-Modem-3G/Router ist flexibel nicht nur zum Fernwarten sondern auch zum Fernwirken einsetzbar, selbst wenn größere Datenmengen auszutauschen sind. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), galvanische Trennung und Überspannungsschutz sorgen dabei für eine sichere und zuverlässige Kommunikation. Darüber hinaus werden die Datenverbindung und die Qualität des Mobilfunknetzes überwacht. Verschlechtert sich diese, setzt der Router eine entsprechende Nachricht ab oder baut die Mobilfunk-Verbindung neu auf. Sechs konfigurierbare Schalteingänge ermöglichen den unabhängigen Versand einer SMS oder Email an einen oder mehrere Empfänger. Die vier integrierten Schaltausgänge können per SMS-Nachricht betätigt werden, um eine Störung aus der Ferne zu quittieren oder zu beheben. Ein eingebauter Passwortschutz schließt den unbefugten Zugriff aus. Der PSI-Modem-3G/Router funktioniert auch unter extremen Umgebungsbedingungen in einem weiten Temperaturbereich von -25 bis 65°C störungsfrei. Volumenabhängige Abrechnung Außer einer hohen Service-Qualität und Verfügbarkeit soll die M2M-Kommunikation flexibel nutzbar sein und die Kosten niedrig halten. Hier bieten sich Datendienste an, die die IP-basierten Datenpakete über das Mobilfunknetz weiterleiten. Zu diesen Diensten gehören die Standards der dritten Mobilfunk-Generation (3G) wie UMTS und HSPA sowie GPRS und Edge, die im GSM-Netz arbeiten. Sie teilen die Daten in kleine Pakete auf und versenden sie, was als paketvermittelnd bezeichnet wird. Eine volumenabhängige Abrechnung für IP-Datenpakete senkt die Übermittlungskosten, denn es muss nur die Datenmenge bezahlt werden, die tatsächlich verschickt und empfangen wurde. Damit die M2M-Kommunikation in den Mobilfunknetzen sicher funktioniert, sind einige Punkte zu beachten. Dazu zählen die Netzabdeckung durch das UMTS- oder GSM-Mobilfunknetz sowie ein industrietauglicher Mobilfunk-Router wie der PSI-Modem-3G/Router, der über eine IP-Adresse im Mobilfunknetz verfügen muss. Hier reicht eine dynamische IP-Adresse aus, wie sie meist von den Mobilfunk-Providern für den Internet-Zugriff verteilt werden. Die Mobilfunk-Datendienste UMTS/HSPA und GPRS/Edge sind so konzipiert, dass der Router im Mobilfunknetz die Kommunikation startet und sich mit einem Server außerhalb des Mobilfunknetzes im Internet verbindet. Zwischen Mobilfunknetz und Internet ist vom Provider eine Firewall aufgebaut, die die Datenübertragung aus dem Internet in das Mobilfunknetz unterbindet und so die Mobilfunkteilnehmer vor unbefugten Zugriffen schützt. Auf diese Weise kann der Router mit dem Internet kommunizieren, denn die Antworten auf die Anfragen des Routers dürfen die Firewall ebenfalls passieren. Es ist jedoch nicht möglich, dass ein Teilnehmer aus dem Internet den Datenaustausch in das Mobilfunknetz initiiert. Volle Kontrolle über den VPN-Zugriff Ein Router mit dynamischer IP-Adresse lässt sich durch Verwendung des Virtual Private Networks (VPN) – beispielsweise nach dem IPsec-Standard – für eine M2M-Anwendung nutzen (Bild 5). Bei einer VPN-Verbindung handelt es sich um einen verschlüsselten sicheren Kanal zwischen dem in den Router integrierten VPN-Client und der Zentrale über das Mobilfunknetz. Dabei wird das weltweit verfügbare Internet als Backbone eingesetzt. Lediglich der zentrale Server benötigt eine feste IP-Adresse oder einen Domain-Namen im Internet, sodass der Router weiß, wohin die Verbindung aufgebaut werden soll. Der VPN-Verbindungsaufbau erfolgt in zwei Schritten: Zunächst bucht sich der PSI-Modem-3G/Router automatisch in das Mobilfunknetz ein und bekommt vom Provider eine dynamische IP-Adresse zugewiesen, die die Kommunikation zum Internet ermöglicht. Dann baut der Router via Internet die Verbindung zur Zentrale auf, identifiziert sich über X.509-Zertifikate oder mittels Pre-Shared Key (PSK) und erstellt den VPN-Tunnel. Sobald der Tunnel erzeugt ist, sind das Internet und das Mobilfunknetz für die Anwendung unsichtbar; die Daten werden direkt vom lokalen Netz in der Zentrale in das lokale Netz der Maschine oder Anlage übertragen. Im Rahmen einer Fernwartung ist es nicht notwendig, dass die VPN-Verbindung ständig besteht. Sie muss nur dann initiiert werden, wenn tatsächlich ein Wartungsfall eingetreten ist, was Kosten spart. Zu diesem Zweck lässt sich ein Schlüsselschalter an den PSI-Modem-3G/Router anschließen, mit dem die vordefinierte VPN-Verbindung gestartet wird. So hat das Bedienpersonal vor Ort die Kontrolle über den Zugriff auf die Maschine oder Anlage. Läuft die Applikation automatisch oder ist sie an einem abgelegenen Ort installiert, kann die VPN-Verbindung auch von der Zentrale aus aufgebaut werden. Dazu genügt ein Anruf oder eine SMS an das Modem. Damit sichergestellt ist, dass nur das Service-Personal eine VPN-Verbindung erzeugt, wird die Absende-Rufnummer im Modem überprüft. Applikationsoptimierte Komplettpakete Zur Vereinfachung und wirtschaftlichen Umsetzung der M2M-Kommunikation bietet Phoenix Contact gemeinsam mit Vodafone unter dem Namen IndustrialConnect komplette Paketlösungen für den industriellen Datenaustausch über das Mobilfunknetz an. Zum Leistungsspektrum gehört das Web-Paket, das einen industriellen Mobilfunk-Router sowie eine Daten-Flatrate beinhaltet und das Internet als Backbone nutzt. Kasten: Kurze Erläuterung verschiedener Begrifflichkeiten VPN steht für Virtual Private Network und dient der Verbindung von zwei privaten Netzwerken über ein weiteres, meist öffentliches Netz. Auf diese Weise kann so auf die Teilnehmer des entfernten Netzes zugegriffen werden, als wäre das jeweils andere Netzwerk direkt am lokalen Netz angeschlossen. Wird IPsec als VPN-Protokoll verwendet, ist eine abhör- und manipulationssichere Kommunikation zwischen den VPN-Partnern sichergestellt. Bei GPRS (General Packet Radio Service) handelt es sich um einen Dienst in GSM-Netzen, um Daten paketvermittelt auszutauschen. GPRS ist TCP/IP-basierend; zum Verbindungsaufbau wird keine Telefonnummer genutzt, sondern eine IP-Adresse. In der Praxis lassen sich – je nach Netzlast – maximal 54kBit/s erreicht. Höhere Übertragungsraten bis 210kBit/s sind mit Enhanced Data Rates for GSM Evolution (Edge) möglich. 3G ist Synonym für die dritte Generation der Mobilfunk-Standards. Darunter fällt z.B. das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), mit dem deutlich höhere Datenübertragungsraten als mit den GSM-Netzen realisierbar sind. Mit der UMTS-Erweiterung High Speed Paket Access (HSPA) erhöht sich die Datenrate weiter. 3G-Mobilfunknetze gibt es in Deutschland seit 2004.