Warum Wireless-Technologie? Vorteile und Herausforderungen von Wireless-Fernüberwachungssystemen
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Übersicht
Im Laufe der letzten Jahre wurde viel Zeit und Geld investiert, um den Nutzen von Wireless-Technologien für Fernüberwachungsanwendungen zu erforschen. Allerdings wurden bisher nur wenige Wireless-Systeme in dem Bereich implementiert. Die Eliminierung von Kabeln in Fernüberwachungssystemen bringt nicht nur Vorteile, sondern auch Herausforderungen mit sich. Durch die Weiterentwicklung von Standards wie Wi-Fi und ZigBee für den Einsatz in Wireless-Sensornetzwerken stellen sich mehr und mehr Hersteller diesen Herausforderungen. Dieses Dokument gibt einen Überblick über die Entwicklung von Wireless-Technologien und zeigt auf, was bei der Erstellung von Wireless-Fernüberwachungsanwendungen zu beachten ist.
Inhaltsverzeichnis
Vorteile von Wireless-Fernüberwachungssystemen
Der Hauptvorteil eines Wireless-Netzwerks anstelle einer kabelgebundenen Lösung liegt in der Flexibilität und Kostenersparnis.
Flexibilität
Ohne angeschlossene Kabel und Drähte ist ein Wireless-Überwachungssystem automatisch flexibler als ein traditionelles Netzwerk. Kabel- und drahtlose Systeme sind in ihrer Topologie und ihrem Setup nicht festgelegt, so dass sie je nach Bedarf erweitert und aktualisiert werden können. Es ist weniger aufwändig, Messanwendungen einzurichten, was Gelegenheit für mehr Messungen bietet, die zu einem besseren Systemverständnis beitragen können. Der Einsatz von Wireless-Technologien sorgt außerdem für ein höheres Maß an Portabilität. Vor-Ort-Messungen können oft zeitaufwändig und kostenintensiv sein, so dass die Verwendung kabelloser Sensoren eine erhebliche Zeiteinsparung bei der Installation bedeutet.
Bei vielen Anwendungen sind Drähte und Kabel zudem keine wirklich praktikable Option. Bei sich bewegenden oder rotierenden Geräten − z. B. Kräne oder Bohrköpfe − beispielsweise ist es notwendig, die Kabel sicher zu befestigen oder Gleitringe zu verwenden. Diese zusätzlichen Vorkehrungen machen das System komplexer und erfordern regelmäßige Wartung. Insbesondere Gleitringe haben oft Verschleißerscheinungen und beeinflussen deshalb die Signalintegrität. Bei einer Wireless-Lösung sind diese Systemerweiterungen überflüssig, da die Sensoren der Bewegung des zu prüfenden Geräts folgen. Die Signalintegrität lässt sich ebenfalls verbessern, da die A/D-Wandlung näher an der Signalquelle stattfinden kann.
Kosten
Die Flexibilität von Wireless-Fernüberwachungssystemen bedeutet oft auch hohe Kosteneinsparungen.Bei Produktionsanlagen z. B. ist der Zustand der Maschinen von wesentlicher Bedeutung für den einwandfreien Betrieb der Anlage. Kosteneinsparungen kommen dabei in zwei Bereichen zum Tragen: weniger Ausfallzeiten und geringerer Installationsaufwand. Eine höhere Anzahl an Diagnosemessungen sorgt für größere Transparenz bezüglich des Zustands der Maschinen und der Effizienz des Prüfvorgangs. Jeder zusätzliche Sensor kann für weniger Ausfallzeiten sorgen, da eventuell ausfallende Teile schneller identifiziert werden können. Je mehr Daten zur Verfügung stehen, desto schneller kann auf Probleme reagiert bzw. diese gänzlich vermieden werden. Allerdings sollte auch in Betracht gezogen werden, ob der Nutzen der zusätzlichen Messungen die Kosten aufwiegt. Die Ausgaben für Kabel und Drähte, die in einer Industrieumgebung eingesetzt werden, sollten bei der Kostenkalkulation für neue Überwachungssysteme ebenfalls nicht vernachlässigt werden. Zu berücksichtigen sind dabei Entwicklungs- und Materialkosten − die Kosten für ausgelegte Kabel in einer Produktionsanlage können sich auf Tausende Euro belaufen − sowie Systemausfallzeiten. Wenn Messanwendungen weit verteilt sind, kann es passieren, dass die Kosten für zusätzliche Sensoren schnell den Nutzen der Diagnosemessungen aufheben. Wireless-Überwachungssysteme erfordern weniger Installationsaufwand und verursachen geringere Wartungskosten.
Herausforderungen von Wireless-Fernüberwachungssystemen
Die finanziellen Vorteile von Wireless-Fernüberwachungssystemen sind zwar nicht von der Hand zu weisen, allerdings wächst die Akzeptanz in der Industrie eher langsam. Bevor sich Wireless-Messsysteme industrieweit durchsetzen können, müssen Herausforderungen wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Integrationsmöglichkeiten und Stromversorgung gemeistert werden.
Sicherheit und Zuverlässigkeit
Die Sicherheit ist einer der wichtigsten Punkte für Ingenieure und Wissenschaftler in Bezug auf Wireless-Systeme. Der Hauptgrund hierfür ist das Scheitern diverser Wireless-Standards, wie z. B. Wired Equivalent Privacy (WEP), bei denen Systeme nicht ausreichend vor unerlaubten Zugriffen geschützt waren. Bevor sich Wireless-Systeme industrieweit durchsetzen können, müssen die zwei Hauptprobleme im Bereich Netzwerksicherheit beseitigt werden: Zugriff und Verschlüsselung.
Da ein Wireless-Netzwerk kein geschlossenes System ist und Daten sozusagen durch die Luft übertragen werden, ist es automatisch anfälliger für unerlaubte Zugriffe als ein kabelgebundenes Netzwerk, wie z. B. Ethernet. Allerdings gibt es verschiedene Möglichkeiten, Wireless-Netzwerke vor unautorisierten Zugriffen zu schützen. ZigBee und andere Personal Area Networks (PANs) mit niedrigem Strombedarf eignen sich nur für Kurzstrecken, so dass die Reichweite der Netzwerke ohnehin eingeschränkt ist. Bei umfangreicheren Systemen, die Standards wie IEEE 802.11X verwenden, ist eine Authentifizierung basierend auf dem Extensible Authentication Protocol (EAP) notwendig. Die Clients im Netzwerk müssen sich identifizieren, bevor der Zugriff auf das Netzwerk erlaubt wird. Es existieren zudem weitere weniger anspruchsvolle Methoden zur Vermeidung eines unerwünschten Zugriffs. Geeignete Sicherheitsmaßnahmen für Wireless-Netzwerke sind u. a. Media Access Control (MAC) und/oder Filterung der IP-Adresse sowie die Unterdrückung des Service Set Identifiers (SSID).
Selbst bei einem unerlaubten Zugriff sind Daten aufgrund der Verschlüsselung meist nicht verwertbar. Die Verschlüsselungstechnologien bei Wireless-Netzwerken hat sich innerhalb der vergangenen zehn Jahre − von der Klartextsendung bis zur 128-bit-Verschlüsselung − erheblich weiterentwickelt. Der Advanced Encryption Standard (AES) ist mittlerweile ein NIST-Standard und Vorschrift für alle Netzwerkinstallationen der US-Regierung. Sowohl ZigBee als auch Wi-Fi bieten die Möglichkeit der 128-bit-AES-Verschlüsselung. Leider nutzen viele Anwender diese neuen Authentifizierungs- und Verschlüsselungsmethoden noch nicht. Dies macht die Aufklärung in diesem Bereich zurzeit zur größten Herausforderung.
Integration in bestehende Systeme
Eine gängige Lösung zur Vermeidung von Sicherheitsproblemen bei Wireless-Netzwerken war bisher die Verwendung proprietärer Netzwerkprotokolle.Viele Anwender sind der Ansicht, dass proprietäre Netzwerke sicherer sind, da Protokolldetails nicht öffentlich verfügbar sind. Allerdings ergeben sich daraus zwei Probleme. Erstens, sollten die Protokolldetails jemals öffentlich werden, wäre das gesamte System gefährdet. Und zweitens lassen sich proprietäre Netzwerke nicht problemlos in bestehende kabelgebundene Systeme integrieren. Wird ein proprietäres Protokoll eingesetzt, können nur noch Netzwerkbestandteile eines bestimmten Herstellers verwendet werden, die unter Umständen nicht mit bestehenden Geräten kompatibel sind. Das Gleiche gilt für die Software. Schlüsselfertige Datenprotokollierungssoftware ist in vielen Fällen nicht offen und erweiterbar, so dass sich Modifizierungen schwierig bis unmöglich gestalten. Ein weiteres Risiko beim Einsatz einer herstellerspezifischen Lösung besteht darin, dass Produkte dieses Herstellers zukünftig nicht mehr verfügbar sein könnten. Die Verwendung einer auf Standards basierenden Wireless-Lösung minimiert diese Risiken, da Anwender verschiedene Optionen haben.
Die Vorteile eines auf Standards basierenden Wireless-Netzwerks liegen u. a. in den geringeren Kosten und austauschbaren Produkten von verschiedenen Herstellern. Des Weiteren existieren bereits bewährte Verfahrensweisen, auf die zurückgegriffen werden kann. Außerdem sind Standards wie z. B. IEEE 802.11 bereits in bestehende Ethernet-basierte Systeme integriert. Die Wahl eines offenen Softwaresystems ist nicht nur für die Integration, sondern auch für die Skalierbarkeit von Systemen wichtig. NI LabVIEW beispielsweise ist in der Lage, sowohl mit proprietären als auch auf Standards basierenden Wireless-Netzwerken zu kommunizieren.
Stromversorgung
Eine dritte potentielle Herausforderung für Wireless-Netzwerke liegt in der Stromversorgung. Allerdings ist dies anwendungsspezifisch. In manchen Umgebungen ist es einfacher, das Prüfsystem an den Stromkreis als an das Netzwerk anzuschließen. In diesen Fällen ist eine Eliminierung des Netzwerkkabels von großem Vorteil. Andere Anwendungen erfordern ein komplett kabelloses Wireless-Netzwerk. Die Standards ZigBee und 802.15.4 wurden insbesondere für weit verteilte Überwachungsanwendungen konzipiert. Wireless-Sensoren können jahrelang mit Akku betrieben werden, wenn die Datengröße und Übertragungsfrequenz eingeschränkt wird. Es werden ebenfalls alternative Energiequellen erforscht, u. a. Solarzellen und Mikrogeneratoren, die Schwingungen in elektrische Energie umwandeln.
Die Zukunft der Wireless-Technologie
Laut einer Studie der Venture Development Corporation wird der weltweite Umsatz im Bereich Wireless-Messgeräte und -Services im Jahr 20121 über 1,5 Milliarden US Dollar erreichen.
Derzeitiger und projizierter weltweiter Einsatz von Wireless-Produkten (RF/Mikrowellen) für On-Site-Überwachungs- sowie -Steuer- und -Regelanwendungen in Millionen US Dollar1
Wireless-Netzwerkprotokolle sind so weit entwickelt, dass sie in der Lage sind, die Herausforderungen der frühen Wireless-Technologie zu meistern. Mithilfe von Standards wie ZigBee und Wi-Fi sowie offener Software wie NI LabVIEW werden sich Wireless-Fernüberwachungssysteme industrieweit immer weiter etablieren.
Literatur
1James K. Taylor Venture Development Corporation. The Worldwide Market for RF/Microwave Wireless Monitoring and Control Products in Discrete and Process Manufacturing. März 2008
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