Durch die bevorstehende Einführung des Mobilfunkstandards 5G ist «Wireless Automation» in vielen Entwicklungsabteilungen auf die Agenden gerückt. Zu Recht? Technik und Wissen befragte dazu vier Experten verschiedener Anbieter von Automationslösungen.

Die Antwortgeber

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Welche Expertise beziehungsweise welche Angebote hat Ihr Unternehmen im Bereich «Wireless Automation»?

Arrow Electronics
Als Solution Provider unterstützen wir unsere Kunden gemäss unserem Ansatz «From-Sensor-to-Sunset» nicht nur bei der eigentlichen Wireless-Lösung, sondern mit Applikationsingenieuren für Embedded und Konnektivität sowie IoT-Lösungsarchitekten bei allen Aspekten der Integration von Wireless-Sensoren und -Aktoren. Dabei decken wir von den unterschiedlichen Wireless-Lösungsansätzen bis hin zur Cloud ein breites Portfolio ab.

Digi International
Digi fokusiert sich auf unternehmenskritische IoT-Kommunikation. Angefangen bei speziellen Routern für das Transportwesen, Einzelhandel und Logistik der Lieferkette über industrielle Router, Connectivity-Module als System on Module, Gateways und Netzwerkequipment für die Vernetzung und Überwachung jeglicher Komponenten bis hin zu Enterprise Routern für die sichere Unternehmenskommunikation sowie der hierfür benötigten Software.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Endress+Hauser bietet für WirelessHART Produkte und Dienstleistungen an. Darüber hinaus übertragen wir Messwerte mit Hilfe eines Edge Device über eine LTE-Verbindung in die Netilion Cloud von Endress+Hauser. Von dort aus lassen sich die Messwerte mittels einer App visualisieren und über die Netilion-API-Schnittstelle in ein Leitsystem integrieren.

Sigmatek Schweiz AG
Sigmatek bietet Wireless Safety-Steuerungslösungen sowie portable Wireless Bedienpanels mit Safetyfunktionen nach SIL3/Pl e im Produkteportfolio an.

Wann macht aus Ihrer Sicht «Wireless Automation» Sinn?

Arrow Electronics
Grundsätzlich steht immer die Frage im Vordergrund, ob eine Wireless-Lösung einen Vorteil bringt. Hier ist zum Beispiel zu überlegen, ob eine Funktechnologie gegenüber einer klassischen Verdrahtung Kosten einsparen kann. Die Anzahl der Teilnehmer beziehungsweise die Anzahl an Sensorpunkten kann dabei ein Entscheidungskriterium sein. Bei Sensoren und Aktoren an beweglichen Teilen und bei nicht stationären Maschinen ist oft eine Funklösung einfacher und kostengünstiger als eine klassische Verdrahtung.

Digi International
Wann immer Daten an unterschiedlichen Orten oder gar von beweglichen Objekten zuverlässig zur Verfügung stehen müssen.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Für Wireless Automation gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise mobile Anlagenteile mit wechselnden Einsatzorten innerhalb eines Produktionswerks oder Bereiche, bei denen die Verkabelung und die Integration in das Leitsystem sehr aufwendig und teuer sind. Zudem macht Wireless Automation bei rotierenden oder temporären Anlagenteilen Sinn. Also Messsystemen, die während einer Messkampagne eingesetzt werden und anschliessend wieder demontiert werden.

Sigmatek Schweiz AG
Sobald es sich bei der Kundenapplikation um grössere Maschinen- oder Anlagen handelt, bei denen mit einem portablen Bedienpanel ein sicherer Einrichtbetrieb gefahren werden muss und der Bediener an der Anlage vor Ort gewisse Parameter verändern muss, empfiehlt sich eine Wireless-Lösung. Hierdurch kann auf lange Kabelverbindungen verzichtet werden, die umständlich im Handling, anfällig für mechanische Schäden und zugleich Stolperfallen sind.

Ein weitere Einsatzbereich bilden «Fahrerlose Transport Fahrzeuge», die frei von einer festen Installation in einer Produktions- oder Logistikhalle Einsatz finden. Diese Fahrzeuge müssen beispielsweise auch sicher ein- und ausgeschleust werden können.

In welchen Fällen raten Sie zu drahtgebundenen Lösungen?

Arrow Electronics
Falls geringe Latenzzeiten oder eine sehr hohe Bandbreite benötigt werden, dann ist eine klassische Verdrahtung mit Ethernet oft die bessere Wahl. Auch die Verfügbarkeit und Störanfälligkeit sollten mitberücksichtigt werden. Bei Bereichen mit hoher elektromagnetischer Strahlung ist eine klassische verdrahtete Lösung oft vorzuziehen.

Digi International
Grundsätzlich verdrängen die drahtlosen Technologien die drahtgebundene Kommunikation aus vielerlei Gründen. Hierzu zählen zum Beispiel die Kosten der Leitungen und Installationskosten vor Ort. Lediglich im Nahbereich, an welchen es keine Zutrittskontrollen gibt oder bei den Sicherheitssystemen selbst, sind die höheren Kosten der Verkabelung sinnvoll.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Drahtgebundene Lösungen sind für ortsgebundene Anlagen die erste Wahl, da Kabel- beziehungsweise Verbindungsunterbrüche sofort erkannt werden können. Zudem ist die Signalübertragung meist sehr schnell und zuverlässig und das Signal ist weniger anfällig für Störeinflüsse von aussen.

Sigmatek Schweiz AG
Immer dann, wenn es um sehr schnelle Reaktionszeiten geht oder die Maschine/Anlage in einer stark EMV-belasteten Umgebung betrieben wird, sind drahtgebundene Lösungen besser geeignet.

Was sind die typischen Anfängerfehler, die beim Einstieg in «Wireless Automation» begangen werden?

Arrow Electronics
Eine gute Übersicht der vorhandenen Lösungen, die im Markt vertreten sind, zu bekommen und die passende Lösung für eine spezielle Applikation zu finden, ist eine Herausforderung. Wie bei jeder neuen Technologie kann man auf die falsche Technik setzen. Grundsätzlich werden Fehler bei der Auswahl der Topologie, der Funktechnik wie Frequenzband und Modulation aber auch bei der Software wie dem richtigen Stack gemacht. Oft werden auch die Kosten für Zulassung und Lizenzen falsch eingeschätzt und beurteilt.

Digi International
Grundsätzlich sollte Technik eingesetzt werden, die auf industriellen Standards wie GSM, LTE, Wifi und Bluetooth etc. beruht. Die Interoperabilität und Lebensdauer der Systeme ist so am besten gewährleistet. Trotzdem kann es sinnvoll sein, auch Zigbee oder andere Funkstandards zu nutzen. Allerdings sollte man so weit wie möglich auf Unternehmen setzen, die im Markt renommiert sind, um nicht in eine Dead-Lock-Situation zu geraten.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Ein typischer Fehler ist zu wenig Zeit für die Planung der Topologie des Funknetzwerks einzuplanen. So geht man dann häufig von theoretischen Reichweiten der Funksignale aus, die in der Praxis nicht immer erreicht werden können. Um diesem Fehler vorzubeugen, müssen Kundenanforderungen exakt aufgenommen und diskutiert werden. Bevor das System ausgelegt wird, sollte eine gemeinsame Vor-Ort-Begehung stattfinden, da unter Umständen Testmessungen notwendig sind, um die Übertragungssicherheit, die Reichweite und vorhandene Störeinflüsse zu verifizieren.

Sigmatek Schweiz AG
Je nach Anwendung ist dies relativ einfach realisierbar oder eben nicht. Eine Funkverbindung ist technologiebedingt anfälliger für Störungen von aussen als eine drahtgebundene Lösung und es ist bei diesen Applikationen möglicherweise mit längeren Reaktionszeiten zu rechnen. Diese entstehen aufgrund der physikalischen Eigenschaften bei der Funkdaten-Übertragung, der Anzahl anderer Funkteilnehmer, der EMV-Belastung der Installationsumgebung und baulicher Gegebenheiten.

Was sagen Sie Unternehmen, die Bestandanlagen auf «Wireless» umstellen wollen?

Arrow Electronics
Bei der Wireless Automation ist es wichtig, dass vorab eine gute Beratung erfolgt. Eine sehr gute Indikation sind Erfolgsgeschichten und Best Practices. Es gibt keine Universalllösung; jede Anwendung muss genau betrachtet und eine individuelle Lösung erarbeitet werden.

Digi International
Das hängt ganz vom Unternehmen ab. Eine Aluminium-Fertigung hat vollkommen andere Anforderungen als eine Wurstproduktion. In beiden Fällen sind die Temperaturbedingungen relevant. Im einen Fall hohe Temperaturen und Magnetfelder und im anderen eher kühl.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Zunächst sollte der Kunde seine Gründe für die Umstellung einer Bestandsanlage auf Wireless darlegen. Anschliessend ist eine Risiko-Analyse denkbar, um allen Beteiligten die Vor- und Nachteile einer solchen Umstellung zu verdeutlichen. Zudem sollte eine Kosten-Nutzen-Betrachtung in Erwägung gezogen werden.

Sigmatek Schweiz AG
Je nach Aufgabe ist dies relativ einfach realisierbar oder eben auch nicht. Wenn es sich bei der Aufgabenstellung um die schnelle Übertragung von sicheren oder nicht sicheren Prozesssignalen handelt, so ist aufgrund der zuvor beschriebenen Eigenschaften einer Funkdatenübertragung höchste Vorsicht geboten. Handelt es sich bei der Applikation lediglich um den Ersatz eines kabelgebundenen, portablen Handbediengerätes, so ist dies relativ einfach machbar.

Was ist bezüglich Unterhalt und Instandhaltung drahtloser Netzwerke zu beachten, beispielsweise der Spannungsversorgung der integrierten Systeme?

Arrow Electronics
Grundsätzlich muss man hier die Normen im Blick behalten. Änderungen müssen entsprechend umgesetzt werden. Batterie oder Akkus müssen den Bedingungen angepasst werden und es sollte zur Sicherheit genügend Puffer eingerechnet werden. Nicht nur die Instandhaltung führt zu laufenden Kosten, sondern Verträge für Mobilfunk oder schmalbandige Sub-1GHz-Lösungen. Providerunabhängige Lösungen erleichtern die Administration.

Digi International
Sicherheit wäre hier als erstes zu nennen. Dies umfasst sowohl Angriffe auf Infrastruktur als auch die Betriebssicherheit, die durch Software Updates und intelligente Software gewährleistet wird. Nicht zu vergessen ist hierbei eine lückenlose Lieferkette mit hoher Verfügbarkeit der Komponenten, um Erweiterungen und Veränderungen der Infrastruktur auch kurzfristig zu gewährleisten.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Die Komponenten eines drahtlosen Netzwerks sollten verschiedene Möglichkeiten der Spannungsversorgung bieten, zum Beispiel Solar-, Netz- oder Batteriebetrieb. Darüber hinaus sollten Software-Tools zur Verfügung stehen, um die Datenübertragung zu kontrollieren und zu erkennen, ob alle Teilnehmer korrekt arbeiten. Diagnosemeldungen, wie zum Beispiel defekte oder schwache Batterien von Netzwerkkomponenten, sollten zur Verfügung stehen, so dass sie in ein übergeordnetes System integriert werden können.

Sigmatek Schweiz AG
Spielentscheidend ist hierbei, dass sämtliche Systemkomponenten entsprechende Diagnosemittel für den aktuellen Ladezustand bereitstellen. Hiermit kann das Gesamt-System frühzeitige Versorgungsengpässe detektieren und entsprechende Massnahmen können frühzeitig eingeleitet werden.

Zu welchen Massnahmen raten Sie, um drahtlose Netzwerke vor äusseren Bedrohungen zu schützen?

Arrow Electronics
Nicht erst hinterher, sondern zu Beginn jedes Projektes müssen die Punkte Secure Authentication, Secure Boot und Verschlüsselung besprochen und bei der Entwicklung der Lösungen berücksichtigt werden. Das Zusammenspiel aus Software und Hardware ist bei diesen Themen wichtiger denn je. Die Möglichkeit, «Over The Air» die Technologie auf den neusten Stand zu bringen und Schwächen und Lücken zu beseitigen, ist zum Beispiel eine Grundvoraussetzung für ein sicheres System.

Digi International
Ein modernes System sollte folgende Sicherheitsfunktionen abdecken: Secure Boot, Authentifizierung, Sicherung der Ports beziehungsweise Ein –und Ausgänge, verschlüsselte Datenübertragung und Speicherung, gesichertes Passwort und Zertifikatsmanagement. Für unternehmenskritische Anwendungen sind zusätzlich redundante Systeme und Fallback-Szenarien zu entwerfen.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Drahtlose Netzwerke bieten verschiedene Sicherheitsmechanismen, die während der Inbetriebnahme aktiviert werden sollten, um sich vor äusseren Angriffen zu schützen. WirelessHART beispielsweise arbeitet mit drei Mechanismen zur Verschlüsselung, Authentifikation und Integritätsprüfung.

Sigmatek Schweiz AG
Wichtig ist, dass die Funkverbindung vor EMV-Einwirkungen geschützt wird und dass entsprechende Massnahmen im Bereich Security getroffen werden. Dies kann beispielsweise eine VPN-Verbindung in Kombination mit einer SSL-Verschlüsselung sein oder im Bereich von Safety-Daten-Übermittlung das Black-Channel-Prinzip.

Für welche Anwendungen macht es Sinn, bis zur Einführung von 5G zu warten?

Arrow Electronics
Insbesondere Anwendungen mit geringeren Latenzen werden von 5G profitieren. Die Netzzuverlässigkeit und die Anzahl an Endgeräten je Quadratkilometer werden für sensiblere Anwendungen natürlich grosse Vorteile bringen. Die Möglichkeit, eigene Netze aufzubauen, wird viele interessante Projekte hervorbringen.

Digi International
Neben vielen anderen Aspekten ermöglicht 5G die intelligente Integration eines lokalen 5G-Netzwerks mit anderen drahtgebundenen und drahtlosen Netzwerkkomponenten entweder als Service eines Operators oder auch als private, lokale Installation. Dabei wird sowohl die Latenz als auch die Daten-Priorisierung berücksichtigt beziehungsweise optimiert. Wobei hier auch TSN, eine Erweiterung des IEEE-802.3-Ethernet-Standards benötigt wird. Dies alles ist natürlich nur bei grösseren Datenvolumina und Netzwerktopologien relevant.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Der Aufbau von privaten 5G-Netzen wird möglich werden. Das ist für Echtzeitübertragungen oder für Servicedienstleistungen wie beispielsweise Augmented Reality sinnvoll.

Sigmatek Schweiz AG
Wenn es darum geht, innert kürzester Zeit möglichst grosse Datenmengen zu übertragen und/oder sehr schnelle Reaktionszeiten zu erzielen, so wird die 5G- Technologie dem Anwender einen höheren Nutzen bringen. Ein Beispiel dafür ist die Koordination mehrerer «Fahrerloser Transport Fahrzeuge», welche aufgrund des Layouts in Produktions- oder Logistikhallen auf eine grosse Menge an Zustands-Informationen angewiesen sind oder der schnelle Download von grösseren Visualisierungs- oder Steuerungsapplikationen.

Was sonst noch zum Thema «Wireless Automation/5G» wichtig ist!

Arrow Electronics
Die Gesamtkosten, also Anschaffung, Zulassung und Betrieb und gegebenenfalls die Kosten für Datentarife sollten immer genau betrachtet werden. Eine unabhängige Beratung vor Projektstart ist unerlässlich für den Erfolg eines Projektes, und die notwendigen Security- und Authentifizierungslösungen müssen von Anfang an mit eingeplant werden.

Digi International
Systeme, die heute auf Standards wie IEEE 802.3. 3G und 4G beruhen, lassen sich verhältnismässig gut aufrüsten. Digi hat beispielsweise Router für die Unternehmenskommunikation, die heute schon über austauschbare «CORETM»-LTE/GSM-Module verfügen. Es ist naheliegend, hierfür ein passendes 5G-Modul zu entwickeln. Da 5G aber über zahlreiche Features, wie zum Beispiel Netzwerkredundanz, Geräteauthentifizierung und Datentransportkontrolle verfügt, ist hier die Software der Flaschenhals.

Endress+Hauser (Schweiz) AG
Es gibt eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für Wireless Automation/5G und unterschiedliche drahtlose Übertragungstechnologien. Die Herausforderung ist dabei, die richtige Technologie zu finden.

Sigmatek Schweiz AG
Wichtig ist, dass mit der zunehmenden Menge an drahtlosen Automatisierungskomponenten eine detaillierte Dokumentation der im Gesamtsystem enthaltenen Teilnehmer erstellt und diese akribisch nachgeführt wird, damit der Maschinen- und Anlagenbetreiber die Gesamtübersicht behält. Dies ist vergleichbar mit einem Personaldossier, welches das Eintrittsdatum des neuen Mitarbeiters, seine heutigen und zukünftigen Aufgaben, seine Rechte und Pflichten und den möglichen späteren Austritt dokumentiert.