Integration von Wireless-Technologien in Datenerfassungssysteme

Die Wireless-Technologie bietet vielversprechende Möglichkeiten und Vorteile: geringere Kosten für Kabel und Anschlusstechnik, Messungen, die bisher aufgrund des dezentralen Standorts unmöglich waren, verteilte Messungen und intelligente Netzwerke, die sich selbst regenerieren. Wireless wird die Fähigkeiten und Eigenschaften künftiger Messsysteme deutlich prägen. Doch wie wird das geschehen? Werden kabelgebundene Systeme einfach durch drahtlose ersetzt? Werden bestehende Investitionen in künftigen Systemen noch brauchbar sein? Was sollte man bei der Auswahl eines Wireless-Datenerfassungsgeräts beachten? Wann kommt die Wireless-Technologie nicht in Frage?

Viele Fragen müssen beantwortet werden, und noch ist genug Zeit, alle Möglichkeiten gegeneinander abzuwägen, bevor die Technologie bestehender Messsysteme Gefahr läuft, zu veralten. Dieser Artikel versucht, einige dieser Fragen zu beantworten. Dazu werden mehrere Ansätze für die Entwicklung drahtloser Messsysteme näher beleuchtet und es wird erläutert, wie sich bestehende kabelgebundene Systeme mit Wireless-Technologie ergänzen lassen.

Wireless-Messsysteme

Die Einführung von Wireless-Technologien in Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelanwendungen wird zwar durch die Verbreitung in der Unterhaltungselektronik weit in den Schatten gestellt, das Interesse daran ist jedoch keineswegs gedämpft. Allerdings ist es nicht damit getan, die Kabel auszustecken und ein Wireless-Netzwerk zu installieren, wenn ein kabelgebundenes durch ein drahtloses System ersetzt wird. Aus Jahrzehnten der Anwendung, der Erfahrungen und der technologischen Fortschritte ergibt sich in Bezug auf Messsysteme eine gewisse Erwartungshaltung seitens der Anwender. Diese Ansprüche können Wireless-Systeme nicht ohne Weiteres erfüllen. Zwei Unbekannte verunsichern viele Anwender, die drahtlose Systeme in Betracht ziehen, nämlich Sicherheit und Zuverlässigkeit. Um diesen zu begegnen, implementierten Organisationen im Bereich der Wireless-Standards Verbesserungen bei Sicherheit und Zuverlässigkeit und ließen diese in neue Revisionen von Wireless-Standardprotokollen münden. Anbieter von Datenerfassungsprodukten können davon profitieren, indem sie diese Funk- und Softwarearchitekturen einsetzen.

Doch es gibt es noch andere Anforderungen, mit deren Erfüllung sich drahtlose Messsysteme im Vergleich mit bestehenden kabelgebundenen Systemen derzeit noch schwer tun. Dazu gehören Bandbreite und Latenz der Datenübertragung, Synchronisierung mehrerer I/O-Knoten und Integration in Systeme mit Komponenten mehrerer Hersteller.

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Bandbreite und Latenz

In vielen Fällen unterliegen PC-gestützte Messsysteme aufgrund der Spezifikationen des verwendeten physikalischen Kommunikationsbusses hinsichtlich Bandbreite und Latenz gewissen Beschränkungen. Die Bandbreite entspricht der Datenmenge, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums über den Bus übertragen werden kann. Die Latenz gibt vor, wie schnell die Daten vom Startpunkt zu ihrem Zielort gelangen. Vergleicht man Bandbreite und Latenz von Wireless- mit anderen heute in Datenerfassungsanwendungen gängigen Bussen (z. B. PCI Express, PXI, USB 2.0), so scheint es, als wäre man mit einer Zeitmaschine mindestens 25 Jahre in die Vergangenheit gereist.

Zwei verbreitete Typen von Wireless-Netzwerken, die in der drahtlosen Datenerfassung zum Einsatz kommen, sind IEEE 802.11 und IEEE 802.15.4. IEEE 802.11, auch WLAN genannt, wird vielfach für Heim- und Büronetzwerke verwendet. IEEE 802.15.4, das Protokoll, auf dem ZigBee basiert, findet Anwendung in verteilten Netzwerken und zeichnet sich durch geringen Stromverbrauch aus. Die theoretische Bandbreite dieser beiden Typen ist vergleichbar mit bzw. schlechter als die des ISA-Busses, der in den 1980ern Verbreitung fand. Verglichen mit einer PCI-Express-Verbindung x1 (eine Lane) der ersten Generation bieten 802.11n (die neueste Ausführung des Busses) und 802.15.4 ganze 10-mal bzw. sogar 1000-mal weniger Bandbreite.

Diese Einschränkung bei Wireless-Netzwerken bedeutet, dass drahtlose Systeme kabelgebundene nicht in allen Anwendungsfällen unmittelbar ablösen könnten. Dynamische Messungen mit hohen Geschwindigkeiten und hoher Kanalanzahl profitieren weiterhin von Bussen mit hoher Bandbreite, die über ein Kabel mit dem PC verbunden sind. Andere Messungen von dynamischen und Sensorsignalen mit geringeren Geschwindigkeiten (statisch) und niedrigerer Kanalanzahl können sich neue Wireless-Technologien zunutze machen.

Synchronisation

Ein wichtiges Kriterium für die meisten Messsysteme sind synchrone Messungen über mehrere Kanäle, Geräte und sogar Systeme hinweg. Dies kann mit verschiedenen Methoden erreicht werden. Im Allgemeinen wird entweder ein Takt- oder Triggersignal über ein Kabel ausgetauscht oder ein zeitbasierter Ansatz genutzt, bei dem mehrere lokale Zeitbasen ihre Oszillatoren auf einen gemeinsamen Zeitpunkt synchronisieren und daraus ihre Erfassungstakte ableiten. Diese Synchronisationsmethoden haben verschiedene Vor- und Nachteile. Die signalbasierte Synchronisation ermöglicht eine genaue Synchronisation zwischen verschiedenen Kanälen, Geräten und Systemen (Genauigkeit auf Nano- oder Pikosekundenebene möglich), begrenzt aber die Distanz zwischen den synchronisierten Systemen (max. 100 m). Bei der zeitbasierten Synchronisation können die Systeme weiter auseinander liegen (mit GPS theoretisch unbegrenzt), allerdings leidet darunter auch die Genauigkeit (meist im Mikrosekundenbereich).

In Bezug auf Timing und Triggerung operieren viele moderne Wireless-Messsysteme unabhängig von anderen, was es nahezu unmöglich macht, ein Signal oder ein zeitbasiertes Signal für die Synchronisation auszutauschen. Für Messungen, bei denen mehrere Kanäle verwendet werden und die Phasenbeziehung der Signale bekannt sein muss, um den Zusammenhang abzubilden, ist die Synchronisation von größter Bedeutung. Viele kabelgebundene Messsysteme, die heute in solchen Systemen eingesetzt werden, nutzen stabile, kompensierte Zeitbasen, PLL (Phased-Locked Loop) und Impedanzanpassung, um die geforderte zeitliche Genauigkeit zu erreichen. Im Prinzip werden kabelgebundene Systeme für Synchronisationsaufgaben benötigt, die den strengsten Anforderungen unterliegen. Jedoch werden kabelgebundene wie drahtlose Netzwerke von neuen Standards und andauernder Forschung profitieren, wie sich bei den Technologien IEEE 1588 und GPS bereits zeigt.

Signalkonditionierung

So faszinierend das Wireless-Konzept auch klingen mag – die Technologie ist in der Prüf-, Mess-, Steuer- und Regelbranche noch recht neu. Die Anzahl und die Fähigkeiten der verfügbaren Geräte sind daher noch beschränkt. Das ist vor allem darauf zurückzuführen, dass Hunderte verschiedener Sensoren spezielle Signalkonditionierung benötigen, um genaue Messungen zu erzielen. Seit über 20 Jahren entwickelt und liefert National Instruments PC-basierte Messprodukte und ermöglicht solche Messungen. Insgesamt sind über 50 Mio. Messkanäle von NI im Einsatz. Zwar werden drahtlose Messsysteme bestehende, kabelgebundene nicht ablösen, sie bieten aber Vorteile, die viele bestehende Systeme ergänzen können.

Integration von Komponenten unterschiedlicher Hersteller

Eine letzte Einschränkung, der Wireless-Messsysteme heute unterliegen, soll der Vollständigkeit halber in diesem Artikel noch genannt werden: die Ineffizienz beim Einsatz mit anderen Mess-, Steuer- und Regelsystemen, egal ob kabelgebunden oder drahtlos. In vielen Branchen gilt, dass beim Einsatz einer neuen und vielversprechenden Technologie die Time-to-Market einer Anwendung als wichtiger erachtet wird als ihre Vollständigkeit und Interoperabilität. Die meisten heutigen Wireless-Produkte konzentrieren sich auf eine allgemeine Messung (Spannung oder Strom) und übertragen diese Daten sicher und zuverlässig, wobei sie nur sehr wenig Strom brauchen. Der Fokus liegt vorrangig auf Hardware und manchmal auf deren Verbindung mit proprietären Wireless-Netzwerken.

Der Software der Geräte wird nur wenig Aufmerksamkeit zuteil, obwohl sie die unternehmensweite Interoperabilität erst ermöglicht. So schrieb ein Redakteur der Zeitschrift Control Engineering in der Ausgabe vom November 2007 über Wireless-Topologien: „Zur Übermittlung von Daten vom Gerät ans Steuersystem wird meist proprietäre Software genutzt, die nicht über verschiedene Plattformen hinweg funktioniert.“ Man kann folglich sagen, dass die Software ihre eine Aufgabe zufriedenstellend erfüllt. Das Problem allerdings liegt darin, dass Messprodukte in der Industrie in der Lage sein müssen, mit anderen Mess-, Steuer- und Regelprodukten zu kommunizieren, gleichgültig wo und wie Daten erfasst werden. Damit die Verbreitung von Wireless den ersten Hype überdauert, muss die Interoperabilität über eine höhere Ebene einer Softwareumgebung ermöglicht werden.

HybHybride Messsysteme und Wireless-Technologien

Aufgrund der Einschränkungen bestehender Wireless-Technologien und -Produkte können viele Anwendungen nur schwer mit einer ausschließlich drahtlosen Lösung realisiert werden. Die meisten Messsysteme haben Anforderungen, welche die Integration eines kabelgebundenen Systems erfordern, sei es Bandbreite, Synchronisation, I/O-Verfügbarkeit, Stromversorgung oder Systemintegration. Optimal ausgenutzt werden können Wireless-Technologien in hybriden Systemen. Diese kombinieren Komponenten mehrerer Mess-, Steuer- und Regelplattformen, unabhängig von Standard, Methode der Datenübertragung und Hersteller. Hybride Systeme basieren auf einer zentralen PC-Architektur, die Stand-alone-Messgeräte auf Ethernet- oder GPIB-Basis, PC-gestützte PXI-Geräte, mobile USB-Messungen und drahtlose Messungen über WLAN oder ZigBee kombinieren können. Sie nutzen eine offene Softwareentwicklungsumgebung für die Verwaltung und Kommunikation über das gesamte Mess-, Steuer- und Regelsystem hinweg.

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Abb. 1: Hybride Messsysteme bedienen sich einer offenen Softwareplattform, um Messprodukte mit verschiedenen Kommunikationsbussen und von verschiedenen Herstellern zu kombinieren.

Der Schlüssel zur Erstellung und Wartung eines hybriden Systems ist die Implementierung einer Systemarchitektur, die mehrere Bustechnologien unterbringt und mittels einer offenen Softwareplattform für die Kommunikation mit verschiedenen herstellerspezifischen Systemen nutzt. Dieser Ansatz ermöglicht Anwendern, von der Datenerfassungs- und Steuerungshardware zu profitieren, welche die Anforderungen ihrer Aufgabe jeweils am besten erfüllt. NI LabVIEW stellt dabei gewissermaßen den „Leim“ dar, der nötig ist, damit das gesamte System funktioniert. Mit LabVIEW können bestehende Messsysteme, z. B. PC-basierte Datenerfassung, modulare oder Stand-alone-Messgeräte wiederverwendet und gleichzeitig Wireless-Produkte integriert werden. Hier folgen einige Beispiele für die Integration von Wireless-Technologien in Systeme mit LabVIEW:

• Kommunikation über Standardprotokolle mittels integrierter LabVIEW-Bibliotheken einschließlich TCP/IP
• Einsatz von LabVIEW mit dem LabVIEW PDA Module auf PDAs mit WLAN- und Bluethooth-Kommunikation
• Verbindung bestehender Ethernet-basierter NI-PACs (Programmable Automation Controllers), wie etwa NI CompactRIO und Compact FieldPoint, mit industriellen WLAN-Access-Points und GPS-Empfängern
• Verwendung von LabVIEW-Gerätetreibern für die Kommunikation mit zahlreichen Wireless-Sensorknoten von Drittherstellern

Weitere Informationen über die Integration drahtloser Messungen in bestehende Systeme stehen im Whitepaper „Entwicklung eines Wireless-Messsystems“ zur Verfügung

Koexistenz kabelgebundener und drahtloser Systeme

Von allen neuen Technologien ist Wireless eine der vielversprechendsten für die Datenerfassung. Allerdings wird es einen Übergangszeitraum geben, in dem die neue Technologie die alte nicht ersetzt, sondern mit ihr zusammen funktionieren muss. Dieser Trend gilt genauso für die Prüf- und Messtechnik, wo neue Systeme moderne, modulare Messgeräte wie PXI mit älteren Stand-alone- oder VXI-Geräten kombinieren. Durch die Verwendung einer offenen Softwareplattform wie LabVIEW kann mit der Ergänzung von Wireless-Fähigkeiten begonnen werden, um die Vorteile der Technologie auszuschöpfen. Gleichzeitig werden bestehende Investitionen in Messsysteme erhalten.

Sehen Sie sich den Webcast „Fernüberwachung leicht gemacht mit NI LabVIEW“ an.

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