Industrielle drahtlose Kommunikation: Ein Vergleich von Protokollen für die Automation

Die Grundlage der Fabrikautomatisierung und des IIoT bildet die industrielle drahtlose Kommunikation. Drahtlose Kommunikationsprotokolle gewährleisten den zuverlässigen Betrieb großer Systeme und komplexer Geräte.

Da Hersteller die Produktivität steigern und Betriebsabläufe optimieren möchten, ist die Auswahl des richtigen Kommunikationsprotokolls entscheidend. Ziel dieses Vergleichs ist es, Informationen für eine datengestützte Implementierung von Protokollen bereitzustellen.

IO-Link Wireless

IO-Link Wireless ist eine Erweiterung des IO-Link-Protokolls, das darauf ausgelegt ist, die Vorteile der drahtlosen Kommunikation in der industriellen Automatisierung zu nutzen. Dieses Protokoll bietet robuste und deterministische Kommunikation, die hohe Datenintegrität und geringe Latenz sicherstellt, was Echtzeitsteuerungsanwendungen fördert.

Vorteile:

• Hohe Zuverlässigkeit: IO-Link Wireless verwendet Frequenzhopping und redundante Kommunikationspfade, was das Risiko von Interferenzen und Paketverlust signifikant reduziert.
• Geringe Latenz: Mit einer Latenz von weniger als 5 ms eignet sich IO-Link Wireless gut für zeitkritische Anwendungen.
• Skalierbarkeit: Das Protokoll unterstützt bis zu 40 Geräte pro IO-Link Wireless Master und ist daher ideal für komplexe Automatisierungssysteme.
• Einfache Integration: IO-Link Wireless kann nahtlos in bestehende verkabelte IO-Link-Systeme sowie digitale und analoge Geräte integriert werden und bietet eine flexible und skalierbare Lösung für die industrielle Automatisierung.

Nachteile:

• Begrenzte Reichweite: IO-Link Wireless hat im Vergleich zu mehreren anderen drahtlosen Protokollen eine relativ kurze Reichweite, was in größeren industriellen Umgebungen eine Einschränkung darstellen kann.

Anwendungen:

• Geeignet für Anwendungen in rauen Umgebungen, in denen Kabel anfällig für Beschädigungen sind.
• Ideal für mobile Ausrüstung und rotierende Teile (Drehkabel und Karusselle) innerhalb industrieller Einstellungen.
• Verbessert die Flexibilität und Skalierbarkeit von Sensorsystemen in automatisierten Produktionslinien.

Wi-Fi-basierte Standards für die Automation

Wi-Fi-basierte Standards wie IEEE 802.11 wurden aufgrund ihrer hohen Datenübertragungsraten und ihrer weit verbreiteten Verfügbarkeit weitgehend in der industriellen Automation übernommen. Diese Standards bieten einen Rahmen für die Verbindung verschiedener Geräte und Systeme innerhalb einer Fabrikumgebung.

Vorteile:

• Hohe Datenübertragungsrate: Industrielle Wi-Fi-Protokolle, insbesondere solche basierend auf IEEE 802.11ac und IEEE 802.11ax, bieten hohe Datenübertragungsraten, die die Übertragung großer Datenmengen mit minimaler Verzögerung ermöglichen.
• Große Reichweite: Wi-Fi-Netzwerke können große Bereiche abdecken, was sie für umfangreiche Industrieanlagen geeignet macht.
• Interoperabilität: Wi-Fi ist ein universell akzeptierter Standard, der die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Geräten und Systemen gewährleistet.

Nachteile:

• Energieverbrauch: Wi-Fi benötigt im Allgemeinen mehr Energie im Vergleich zu anderen industriellen drahtlosen Protokollen, was es weniger geeignet für batteriebetriebene Geräte macht.
  Interferenzen und Überlastung: Wi-Fi-Netzwerke können unter Interferenzen und Überlastungen leiden, insbesondere wenn viele Geräte oder Netzwerke gleichzeitig betrieben werden.
• Sicherheitslücken: Wi-Fi-Netzwerke können Ziel von Cyberangriffen sein, daher sind robuste Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz sensibler industrieller Daten erforderlich.

Anwendungen:

• Ideal für Anwendungen, die eine hohe Datenübertragungsrate erfordern, wie Videoüberwachung und Fernüberwachung.
• Geeignet für große industrielle Anlagen wie Lagerhäuser und Produktionsstätten.
• Ermöglicht die Konnektivität zwischen verschiedenen industriellen Systemen und Geräten.

IEEE 802.15.4-basierte drahtlose Standards

IEEE 802.15.4-basierte drahtlose Standards, einschließlich ZigBee, sind für energiesparende und datenarme Kommunikation konzipiert. Diese Protokolle sind optimiert für industrielle Anwendungen, die Energieeffizienz und zuverlässige Kommunikation erfordern.

Vorteile:

• Energieeffizienz: IEEE 802.15.4-basierte Protokolle sind sehr energieeffizient und daher für batteriebetriebene Geräte und Sensoren geeignet.
• Mesh-Netzwerke: Diese Protokolle unterstützen Mesh-Netzwerke, was die Zuverlässigkeit und Robustheit der Kommunikation in industriellen Umgebungen verbessert.

Geringe Latenz: Aufgrund der geringen Latenz sind IEEE 802.15.4-basierte Standards für zeitkritische Anwendungen geeignet.\

Nachteile:

• Niedrige Datenraten: Diese Standards unterstützen niedrige Datenraten, die für Anwendungen mit hohem Bandbreitenbedarf möglicherweise nicht geeignet sind.
• Reichweitenbegrenzung: Die Kommunikationsreichweite ist im Allgemeinen kürzer im Vergleich zu anderen Protokollen wie LoRa, was ihren Einsatz in groß angelegten Bereitstellungen einschränkt.
• Skalierbarkeitsprobleme: Mesh-Netzwerke können Komplexität einführen und sich möglicherweise nicht gut für sehr große Netzwerke skalieren lassen.

Anwendungen:

• Ideal für drahtlose Sensornetzwerke und Überwachungssysteme, bei denen Energieeffizienz eine große Rolle spielt.
• Geeignet für Anwendungen, die eine robuste und zuverlässige Kommunikation erfordern, wie industrielle Steuerungssysteme.
• Weit verbreitet in Prozessautomatisierungs- und Überwachungsanwendungen.

Bluetooth LE und Cellular IoT

Bluetooth Low Energy (LE) und Cellular IoT sind leistungsfähige Werkzeuge für die industrielle Automation, hauptsächlich weil sie einzigartige Vorteile für spezifische Anwendungsfälle bieten.

Bluetooth LE:

Vorteile:

• Geringer Energieverbrauch: Bluetooth LE ist für geringen Energieverbrauch ausgelegt und daher für batteriebetriebene Geräte geeignet.
• Hohe Präzision: Mit Fortschritten wie Bluetooth 5 bietet das Protokoll verbesserte Reichweite und höhere Datenraten.
• Näherungssensorik: Bluetooth LE eignet sich hervorragend für Anwendungen, die Näherungssensorik und Standortverfolgung erfordern.

Nachteile:

• Kurze Reichweite: Bluetooth LE ist für Kurzstreckenkommunikation ausgelegt, was in großen industriellen Anlagen eine Einschränkung darstellen kann.
• Interferenzen: Anfällig für Interferenzen durch andere Geräte wie Wi-Fi und Mikrowellen.
• Begrenzte Geräteverbindung: Obwohl es mehrere Verbindungen unterstützt, ist die Anzahl der Geräte, die effizient verwaltet werden können, im Vergleich zu Protokollen für massive IoT-Bereitstellungen geringer.

Anwendungen:

• Ideal für Kurzstreckenkommunikation in industriellen Umgebungen, z. B. zur Verbindung von Sensoren und Aktuatoren.
• Geeignet für die Anwendung von Asset Tracking und Näherungssensorik in Fabriken.

Cellular IoT:

Vorteile:

• Große Abdeckung: Cellular IoT, einschließlich NB-IoT und LTE-M, bietet umfassende Abdeckung für große industrielle Standorte.
• Hohe Zuverlässigkeit: Cellular-Netzwerke sind äußerst zuverlässig und bieten robuste Kommunikation auch in anspruchsvollen Umgebungen.
• Skalierbarkeit: Cellular IoT unterstützt die Anbindung einer großen Anzahl von Geräten, was für groß angelegte industrielle Anwendungen entscheidend ist.

Nachteile:

• Kosten: Cellular IoT kann höhere Kosten durch Datentarife und Netzwerkabonnements verursachen, was es für einige Anwendungen weniger wirtschaftlich macht.
• Energieverbrauch: Cellular-Module verbrauchen normalerweise mehr Energie, was für batteriebetriebene Geräte nachteilig ist.
• Latenz: Cellular-Netzwerke können eine höhere Latenz haben im Vergleich zu anderen Protokollen wie IO-Link Wireless.

Anwendungen:

• Funktioniert für Anwendungen zur Fernüberwachung und -steuerung in industriellen Umgebungen.
• Geeignet für groß angelegtes Asset Tracking und Flottenmanagement.

LoRa

LoRa (Long Range) ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das für Anwendungen mit großer Reichweite und geringem Energieverbrauch entwickelt wurde. LoRa ist besonders gut geeignet für industrielle Umgebungen, in denen eine Kommunikation über lange Strecken erforderlich ist.

Vorteile:

• Große Reichweite: LoRa bietet umfassende Abdeckung und ist in der Lage, Daten über mehrere Kilometer zu übertragen.
• Geringer Energieverbrauch: Das Protokoll ist sehr energieeffizient und daher für batteriebetriebene Geräte geeignet.
• Skalierbarkeit: LoRa unterstützt die Anbindung einer großen Anzahl von Geräten, was für groß angelegte industrielle Anwendungen entscheidend ist.Nachteile:

Niedrige

• Datenraten: LoRa unterstützt niedrige Datenraten, was es für Anwendungen, die eine hohe Bandbreite erfordern, ungeeignet macht.
• Interferenzen: Obwohl es in Sub-GHz-Bändern arbeitet, kann es dennoch zu Interferenzen durch andere Geräte kommen, die das gleiche Frequenzspektrum nutzen.
• Begrenzte Interoperabilität: LoRa-Geräte sind oft Teil proprietärer Netzwerke, was die Interoperabilität mit anderen Systemen und Technologien einschränken kann.

Anwendungen:

• Geeignet für groß angelegtes Asset Tracking und Umweltüberwachung.
• Weit verbreitet in landwirtschaftlichen Anwendungen und Smart City Projekten

Fortschritte bei der industriellen drahtlosen Kommunikation

Industrielle drahtlose Kommunikationsprotokolle bieten eine Vielzahl von Vorteilen, die auf spezifische Anwendungsfälle zugeschnitten sind. Vom robusten und deterministischen Kommunikationsansatz von IO-Link Wireless bis zur umfassenden Abdeckung von LoRa bietet jedes Protokoll Vorteile zur Steigerung der Produktivität in industriellen Umgebungen.

Das Verständnis der Stärken und Anwendungen dieser Protokolle ist entscheidend für die Auswahl der richtigen Lösung für Ihre Bedürfnisse. Die Wahl des passenden drahtlosen Kommunikationsprotokolls kann die betriebliche Effizienz erheblich verbessern und Kosten senken.

FAQ zu industrieller drahtloser Kommunikation

Was ist industrielle drahtlose Kommunikation?
Industrielle drahtlose Kommunikation bezieht sich auf die Nutzung von drahtlosen Technologien zur Übertragung von Daten in industriellen Umgebungen. Sie ermöglicht die Überwachung und Steuerung von Maschinen, Sensoren und anderen Geräten ohne die Notwendigkeit für physische Verkabelung.

Welche sind die drei Arten von drahtloser Kommunikation?
Die drei Hauptarten der drahtlosen Kommunikation sind Radiofrequenz (RF)-Kommunikation, Infrarot (IR)-Kommunikation und Satellitenkommunikation. Jede Art verwendet unterschiedliche Methoden, um Daten drahtlos über verschiedene Entfernungen und durch unterschiedliche Medien zu übertragen.

Was ist der Unterschied zwischen Wi-Fi und industrieller drahtloser Kommunikation?
In den meisten Fällen richtet sich Wi-Fi an Verbraucher- und Büroumgebungen. Es bietet drahtlose Netzwerktechnologie für Geräte wie Computer und Smartphones. Industrielle drahtlose Kommunikation hingegen ist für raue industrielle Umgebungen konzipiert. Sie bietet robustere, zuverlässigere und sicherere Konnektivität.

Reut verfügt über umfassendes Fachwissen als technische Führungskraft mit mehr als 12 Jahren Erfahrung in verschiedenen Bereichen, darunter industrielle Anwendungen, drahtlose Technologien und Elektrotechnik. Bevor sie zu CoreTigo kam, hatte sie eine Position bei dem Unternehmen Mellanox Technologies inne, welches später von Nvidia übernommen wurde. Reut führt derzeit vielseitige Forschungs- und Entwicklungsteams und beaufsichtigt Aktivitäten in den Bereichen Firmware- und Hardwareentwicklung, Verifizierung und Systemtechnik.

Im Jahr 2022 wurden Reuts Leistungen von Women in Industry 4.0 gewürdigt, die sie als eine der besten weiblichen Führungskräfte Israels im Industriesektor auszeichneten. Sie hat einen BSc in Elektrotechnik und Informatik von der Universität Tel-Aviv.