Windows in der Automatisierung: Ein paar Wünsche bleiben unerfüllt

Windows XP ist das technologisch führende PC-Betriebssystem hinsichtlich Verbreitung und Visualisierung. Die graphische Benutzerschnittstelle bietet umfangreiche Funktionen und ist relativ leicht bedienbar. Die Unterstützung der inzwischen sehr wichtigen USB-Schnittstellen läßt kaum Wünsche offen. Es gibt praktisch keine USB-Funktionseinheit, die nicht an einem Windows XP-PC zu betreiben wäre. Vielfach wird sie sofort automatisch erkannt. Im ungünstigsten Fall müssen Treiber mit wenigen Mausklicks nachinstalliert werden. Ebenfalls beispiellos ist das verfügbare Ingenieurs- und Anwenderwissen. Einen Windows-PC kann praktisch jeder bedienen. Auch Praxiserfahrungen in Hinblick auf die Anwendungsentwicklung gibt es in ausreichendem Maße. Genau genommen kann inzwischen fast jeder Oberstufen-Schüler Messwerte in einer CSV-Datei speichern und mit Hilfe eines Office-Werkzeugs graphisch darstellen. Die Liste der Vorteile könnte noch fortgesetzt werden. Nicht ganz so positiv sieht es allerdings mit den Lizenzkosten, dem Hersteller-Support, der Echtzeitfähigkeit und der Unterstützung von Hardware-Plattformen aus, die nicht auf einem x86-Prozessor basieren. Weiterhin etwas unterentwickelt ist die Connectivity, was sicherlich auch daran liegt, dass im Microsoft-Produktportfolio noch andere Windows-Betriebssysteme zu finden sind. Die Kommunikationsmöglichkeiten eines Windows XP-basierten PCs in einem Ethernet-LAN lassen nur wenige Wünsche offen. Es werden praktisch alle am Markt verfügbaren LAN-Controller, Übertragungsgeschwindigkeiten (10, 100, 1.000Mbps usw.), Medien (Kupfer, Lichtwelle) sowie IEEE802.3-Standards unterstützt. Der Windows-interne TCP/IP-Protokollstack deckt lückenlos die OSI/ISO-Schichten 1 (Bitübertragungsschicht) bis 4 (Transportschicht) ab. Lediglich oberhalb der Schicht 4 fehlen einige Serverprogramme. Wie aber sieht es im Bereich der Wireless-Technologien aus? Bietet Windows XP da ebenfalls ausreichend Connectivity? Dieser Beitrag untersucht die Möglichkeiten, Windows XP als Basis für Funkanwendungen in der Automatisierung zu nutzen. IEEE802.11 (WLAN) WLAN ist in erster Linie ein infrastrukturbasiertes Netzwerk. Ein Access Point (AP) bildet die statische Infrastrukturkomponente und den Mittelpunkt eines solchen drahtlosen Netzes, funktional vergleichbar mit einem Switch im Ethernet-LAN. Die einzelnen Rechner verbinden sich als Clients mit dem AP. Abbildung 1 zeigt als Beispiel die Protokollbestandteile einer WLAN-Funkverbindung gemäß IEEE802.11. Oberhalb des 802.11-MAC kommen – wie in jedem Ethernet-LAN auch – typischerweise TCP/IP-Protokolle zur Anwendung. IEEE802.11-konforme WLANs sind in der Automatisierung inzwischen sehr beliebt, weil ein Industrial Ethernet völlig protokolltransparent und kostengünstig durch ein solches WLAN erweitert werden kann. Windows XP bietet eine ausgereifte Unterstützung für IEEE802.11-konforme Funknetzwerke. Das Einrichten und Verwalten solcher drahtloser Netzwerkverbindungen wird durch die Systemsteuerung unterstützt, die sogar einen Assistenten für neue Verbindungen beinhaltet. Zum Funktionsumfang gehören weiterhin verschiedene Softwarekomponenten, die z.B. eine Übersicht der verfügbaren Access Points sowie weitere Informationen zur Qualität der Verbindung anbieten. Wur­de ein AP ausgewählt, verbindet sich der Windows XP-Rechner nach jedem Booten automatisch mit diesem. Der Windows XP-Support für WLANs beschränkt sich allerdings auf die Client-Funktionen. Mit anderen Worten: Zum Aufbau eines Netzwerks ist immer ein externer Access Point erforderlich. Für viele Automatisierungsanwendungen ist das nicht unbedingt erstrebenswert, weil dadurch zusätzliche Kosten entstehen. Access Points für das industrielle Umfeld sind nicht gerade preiswert. Weiterhin ist ein separater AP eine weitere Schwachstelle, die die angestrebte 100%-Verfügbarkeit einschränkt. Dass es auch anders geht, zeigt die Linux-Welt. Hier findet man verschiedene Softwareerweiterungen, um das WLAN-Interface eines PCs auf Wunsch auch als Access Point zu betreiben. Ein Industrie-PC besitzt dann einen integrierten AP und ermöglicht anderen Automatisierungskomponenten als Clients den drahtlosen Zugriff auf ein Industrial Ethernet. IEEE802.15.1 (Bluetooth) Bluetooth (IEEE802.15.1) wurde von Haus aus für die Handy-Vernetzung im Nahbereich konzipiert. Es wird ein recht störunempfindliches FHSS-Verfahren (FHSS = Frequency Hopping Spread Spectrum) mit 2,4GHz verwendet, was dem Einsatz in der Automatisierung besonders zugute kommt. Dabei wird 1.600-mal je Sekunde zwischen 79 festen Frequenzen gewechselt. Bluetooth ist ein infrastrukturloses Ad-hoc-Netzwerk mit wenigen Teilnehmern (ein so genanntes Wireless Personal Area Network). Es ist kein Access Point erforderlich. Bluetooth-Erweiterungen für Windows XP erfolgen in der Regel per USB. Da der Einsatz von Bluetooth einen recht umfangreichen Protokollstack erfordert, müssen zunächst einmal die entsprechenden Treiber der jeweiligen USB-Erweiterung installiert werden. Danach ist Bluetooth praktisch nahtlos in Windows XP integriert. Je nach benutztem Bluetooth-Profil kann unter Windows dann per virtueller serieller Schnittstelle (zum Beispiel als RS232-Kabelersatz) oder mit Hilfe von PPP auf eine Bluetooth-Verbindung zugegriffen werden. Durch PPP ist – analog zum WLAN – auch wieder der Einsatz des Windows-TCP/IP-Protokollstacks möglich. Damit ist eine vergleichbare Funktionalität wie im WLAN möglich. Allerdings ist der erzielbare Datendurchsatz deutlich geringer. Da Bluetooth in der Automatisierung überwiegend zum Ansteuern externer E/A-Baugruppen zum Einsatz kommt, dürfte die recht geringe Übertragsgeschwindigkeit keine Rolle spielen. IEEE802.15.4 (ZigBee & Co.) Eine recht neue Funktechnologie, der in Zusammenhang mit der Automatisierungstechnik eine bedeutende Zukunft vorhergesagt wird, ist IEEE802.15.4 bzw. ZigBee. Dieses Nahbereichsfunkverfahren dient zum Aufbau drahtloser Sensornetzwerke (Wireless Sensor Networks=WSN). Dafür sind ebenfalls keine Infrastrukturkomponenten erforderlich. Ein solches Sensornetz besteht aus einer Vielzahl preiswerter Kleinstsensoren (Sensorknoten=WSN Node), die per Funk miteinander kommunizieren. Dabei werden in der Regel sehr geringe Sendeleistungen benutzt, die in der Praxis gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Reichweite nach sich ziehen. Die zum Einsatz kommenden Funkverfahren basieren auf zum Teil recht komplexen selbstkonfigurierenden Ad-hoc-Konzepten. D.h., die einzelnen Netzwerkknoten erkennen mögliche Nachbarn automatisch und schaffen sich so eine dynamische Datenbasis der jeweils zur Verfügung stehenden Kommunikationsbeziehungen. Fällt ein einzelner Sensorknoten aus oder werden weitere Funksensoren hinzugefügt, konfiguriert sich das gesamte Netzwerk neu. Dadurch ist der Installationsaufwand sehr gering. Die Abbildung 3 illustriert den Grundgedanken für die Automatisierung. Jeder einzelne Sensorknoten liefert in diesem Beispiel Daten über das Funknetzwerk an einen zentralen Rechner, den Gateway-PC. Dieser bildet den Datenintegrationspunkt. Ein Windows-basierter Rechner wäre für die Rolle des Gateways-PCs prädestiniert. Allerdings gibt es gegenwärtig in Windows XP keinerlei Unterstützung für solche IEEE 802.15.4-basierten WSN. Aus diesem Grund werden die meisten Lösungen zurzeit über einen seriellen COM-Port oder mit Hilfe einer COM-Port-Emulation per USB mit einem PC verbunden. Die erforderlichen Spezialprotokolle stehen in den meisten Fällen über die Hersteller der WSN-Baugruppen als Windows-Anwendungen zur Verfügung. Softwareunterstützung für TCP/IP-Anwendungen Der Einsatz eines Industrie-PCs mit Windows XP für Bluetooth- und WLAN-basierte Kommunikationsaufgaben ist insgesamt recht einfach und unproblematisch. Diese beiden Funkverfahren werden aber meistens in Zusammenhang mit dem Windows-TCP/IP-Protokollstack benutzt. Es fällt dann auf, dass Windows XP standardmäßig aber nur die entsprechenden Client-Programme als TCP/IP-Anwendungen anbietet. Ob HTTP, FTP, TFTP, Telnet usw., die jeweiligen Server-Programme fehlen in der Regel vollständig. Sie müssen von unabhängigen Anbietern bezogen und nachträglich installiert werden. Einige Windows-Client-Programme – wie z.B. Telnet und FTP – sind weiterhin nicht unbedingt auf dem neuesten Stand der Technik (hier wäre zumindest eine Unterstützung wünschenswert). Besonders störend macht sich z.B. das Fehlen eines Webservers bemerkbar. Man kann zwar mit wenigen Handgriffen einen Bluetooth- oder WLAN-fähigen PDA bzw. ein entsprechend ausgestattetes Smart Phone mit einem Windows XP-basierten Industrie-PC verbinden, eine einfache Anwendung – wie beispielsweise das Web-basierte Abfragen der aktuellen Zustandsdaten einer Automatisierungslandschaft – ist aber nicht ohne weiteres möglich. Funktaugliche mobile Taschencomputer besitzen zwar standardmäßig einen Web-Browser, im Windows XP fehlt allerdings der entsprechende Server (der Einsatz eines Windows-Server-Betriebssystems mit dem entsprechenden HTTP-Server ist aus Kostengründen in diesem Fall nicht empfehlenswert). Es gibt zwar mit Apache eine hervorragende lizenzkostenfreie Nachrüstmöglichkeit, die Integration erfordert aber Zeit und Fachwissen. Fazit