Industrielle Datenfernübertragung: Welche Technologie für welchen Anwendungsfall?

Die Datenfernübertragung findet in nahezu allen industriellen Bereichen Anwendung. Im Maschinenbau werden die gefertigten Maschinen meist weit entfernt vom Stammsitz des Herstellers betrieben. Im Störungs- oder Wartungsfall baut der Service-Techniker des Maschinenbauers eine temporäre Datenverbindung zur Maschine auf, denn viele Probleme lassen sich auf diese Weise schnell und ohne kostspielige Anreise beheben. Auch im Anlagenbau bieten viele Unternehmen ihren Kunden zusätzliche Teleservice-Leistungen wie die Optimierung der betrieblichen Prozesse an. In der Wasser- und Abwasserwirtschaft werden Brunnen, Hochbehälter und Pumpstationen via Fernübertragung mit der Leitwarte verbunden, während die Technologie in der Verkehrstechnik der Fernsteuerung und -überwachung von dynamischen Verkehrszeichen, Signalen und Weichen dient. Die Energiewirtschaft nutzt die Datenfernübertragung zur Vernetzung von Transformatorstationen in einem intelligenten Stromnetz, dem Smart Grid. Außerdem wird die Einspeisekapazität von großen Photovoltaikanlagen und Windparks aus einer räumlich entfernten Leitzentrale gesteuert. Nicht zu vergessen die Gebäudeautomation: Hier können die Bauwerke das Service-Personal selbständig via SMS alarmieren, falls zum Beispiel eine Heizung ausgefallen ist. Je nach Anwendungsgebiet wird dabei von Teleservice, Fernwartung, Fernwirken, Datenfernerfassung oder Alarmierung gesprochen. Kabelgebundene Übertragungsverfahren Im besten Fall ist eine feste Leitung vorhanden, die zur Datenfernübertragung verwendet werden kann. Wenn das Kupferkabel jedoch länger als 1,5 Kilometer ist, müssen die zu übermittelnden Signale zwecks Erhöhung der Reichweite moduliert werden. Hierzu werden häufig analoge Standleitungs-Modems, wie das Data/Fax-Modem von Phoenix Contact, eingesetzt. Bei dieser Technologie beträgt die maximale Übertragungsrate 33,6kBit/s. Werden heute neue Fernleitungen verlegt, handelt es sich zumeist um Lichtwellenleiter (LWL). Die LWL-Kommunikation ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störeinflüsse und erlaubt je nach Technologie die Überbrückung von mehreren Kilometern mit einer Bandbreite von über 100MBit/s. Die Lichtwellen- und Medienkonverter aus den Produktfamilien PSI-MOS und Factoryline von Phoenix Contact ermöglichen die Weiterleitung von Ethernet- sowie allen gängigen Feldbusdaten. Aus wirtschaftlicher oder technischer Sicht können oftmals keine neuen Leitungen verlegt werden. Mit SHDSL-Modems lassen sich selbst auf existierenden Kupferleitungen Übertragungsraten bis zu 30 MBit/s umsetzen. Das Produkt-Portfolio von Phoenix Contact umfasst dazu drei Geräte zum Austausch von Ethernet-, Profibus- und seriellen Daten. Ist keine eigene Leitung vorhanden, kann die Anwendung häufig über das öffentliche Telefonnetz an die Zentrale angebunden werden. Eine analoge Wählverbindung erlaubt eine maximale Übertragungsrate von 33,6 kBit/s. Wird das öffentliche Internet genutzt, erhöht sich die Bandbreite. Die Daten und die angeschlossene Applikation müssen jedoch durch einen VPN-Tunnel (Virtual Private Network) und eine Firewall vor unberechtigten Zugriffen geschützt werden. Diesem Zweck dienen die Sicherheits-Router FL MGuard aus der Produktfamilie Factoryline. Funkkommunikation als wirtschaftliche Alternative Fehlt selbst die öffentliche Telefonleitung, erweist sich bei relativ kurzen Distanzen bis zu drei Kilometern eine lizenzfreie Funkverbindung als wirtschaftliche Lösung. Je nach Entfernung und erforderlicher Bandbreite kommen Bluetooth, WLAN oder Trusted Wireless zum Einsatz. Für längere oder weltweite Verbindungen lässt sich das Mobilfunknetz verwenden. Das GSM-Netz ist international auf vier verschiedenen Frequenzen verfügbar, wobei Japan und Südkorea die einzigen Ausnahmen bilden. Moderne Industrie-Modems mit Quadband-Technologie decken die Frequenzen 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz und 1900 MHz ab und können damit weltweit genutzt werden. Die meisten Netze sind für die Sprachübertragung und das mobile Internet optimiert, sodass im industriellen Bereich einige Parameter berücksichtigt werden müssen. Eine Möglichkeit des Verbindungsaufbaus ist die Anwahl einer Telefonnummer. Allerdings funktioniert die normale Rufnummer zur Sprachübertragung hierfür in der Regel nicht. Es wird somit eine zweite Telefonnummer für eingehende Datenanrufe benötigt, die in normalen Mobilfunk-Shops schwer zu bekommen ist. Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact gemeinsam mit Vodafone das IndustrialConnect-Komplettpaket \’Fernwarten\‘ entwickelt. Die Lösung beinhaltet ein konfiguriertes Modem mit SIM-Karte inklusive einer freigeschalteten Datentelefonnummer. Sie eignet sich insbesondere zur temporären Fernwartung kleiner Steuerungen mit seriellen Schnittstellen. Die 9,6 kBit/s schnellen Verbindungen werden nach der Zeitdauer abgerechnet (Bild 2). Fixe private IP-Adressen für die betriebliche Nutzung Sind im Mobilfunknetz höhere Übertragungsraten notwendig, bieten sich die Datendienste GPRS, EDGE und UMTS an. Vorteilhaft ist hier auch, dass der Provider nicht die Verbindungsdauer, sondern das Datenvolumen in Rechnung stellt. Auf diese Weise können Standleitungen zu wirtschaftlichen Konditionen betrieben werden. Es ist jedoch zu beachten, dass zum Verbindungsaufbau statt der Telefonnummer eine IP-Adresse verwendet wird. Da die Mobilfunknetze für das mobile Internet, also USB-Surf-Sticks und Smartphones, ausgelegt sind, vergeben die Provider in der Regel dynamische IP-Adressen und blocken die IP-Verbindung zum Teilnehmer durch eine Firewall. Das erschwert die Kommunikation von Modem zu Modem und macht sie zum Teil unmöglich. Abhilfe schaffen Komplettpakete mit fixen privaten IP-Adressen, die Phoenix Contact und Vodafone seit einem Jahr für die RS232- und Ethernet-Schnittstelle zur Verfügung stellen. Der Anwender erhält komplett vorkonfigurierte Modems mit freigeschalteten SIM-Karten für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Nachdem die Geräte angeschlossen worden sind, baut sich die Datenverbindung selbständig auf (Bild 3). Zugriffssichere Kommunikation durch Security Appliances Viele Anwender möchten feste Internetanschlüsse und Mobilfunkmodems miteinander kombinieren. Diese Verbindungen laufen dann direkt durch das öffentliche Internet. Nicht erst seit dem Internetwurm Stuxnet sollte jedem Nutzer dabei bewusst sein, dass seine Internet-Kommunikation und damit auch die Maschine oder Anlage vor unbefugten Zugriffen abgesichert werden muss. In der Fachwelt hat sich das IPsec-Protokoll zum Aufbau und Schutz eines VPN-Tunnels etabliert. Um der Firewall des jeweiligen Providers und den dynamischen IP-Adressen Rechnung zu tragen, wird der VPN-Tunnel vom Modem initiiert und aufgebaut. Als Gegenstelle am festen Internet-Anschluss fungiert ein Sicherheits-Router wie der FL MGuard, der 250 VPN-Tunnel parallel bedienen kann (Bild 4). Dieses Verfahren funktioniert weltweit mit nahezu allen Providern. Zur Vermeidung unnötiger Kosten sollte allerdings auf den richtigen Tarif geachtet werden. Auch für diesen Anwendungsfall ist eine komfortable Paket-Lösung von Phoenix Contact und Vodafone mit Modem und SIM-Karte inklusive Daten-Flatrate erhältlich. Fazit Zukünftige Anwendungen benötigen höhere Datenraten. Deshalb wird sich der Trend zur IP-basierten Kommunikation über das Internet fortsetzen. Die Mobilfunk-Technologien und -Abdeckung werden immer besser, während die Kosten für Mobilfunkverträge weiter sinken. Um das Übertragungsverfahren wirtschaftlich und sicher nutzen zu können, müssen die Anwender über entsprechendes Know-how verfügen oder sich einen kompetenten Partner mit einem kompletten Lösungsspektrum – wie Phoenix Contact – suchen. Nur so können sie von den vielfältigen Vorteilen der Technologien profitieren. Kasten: Sicherer Fernzugriff mit IndustrialConnect Phoenix Contact bietet in Kooperation mit Vodafone komplette Lösungspakete für einen sicheren Fernzugriff, die vorkonfigurierte industrielle Mobilfunk-Modems und freigeschaltete SIM-Karten umfassen. Unter dem Namen IndustrialConnect stehen sieben maßgeschneiderte Paket-Lösungen zur Verfügung. Mit dem SMS-Industrie-Paket erhält der Anwender beispielsweise eine vollständige kleine Alarmierungs- und Fernschalteinheit. Die Information des Wartungspersonals und das Fernschalten erfolgen dabei über die 1500 im Preis enthaltenen SMS. Das Punkt-zu-Punkt-Paket beinhaltet zwei vorkonfigurierte Modems mit SIM-Karte und fixer privater Adresse. Wahlweise werden die Geräte mit RS-232- oder Ethernet-Schnittstelle geliefert (Bild 5). Sollen Daten grenzenlos via Internet übermittelt werden, erweist sich das Web-Paket als beste Lösung, denn die SIM-Karte verfügt über eine Flatrate. Die Anwahl einer Steuerung per Datentelefonnummer lässt sich mit dem Fernwarten-Paket umsetzen.