ZigZag Beene: Drahtlos in der Automatisierung

Mario Neugebauer Dieser Artikel wurde von geschrieben. Dr. Mario Neugebauer verantwortet bei ubigrate den technischen Vertrieb und betreut Kundenprojekte.

Was passierte noch vor ein paar Jahren, wenn man Vertreter der Automatisierungstechnik zum Einsatz drahtloser Techniken befragte? Kopfschütteln, Abwinken – “Nein, das Drahtlose hat in ernsthaften Anwendungen nichts zu suchen.”

Inzwischen hat sich viel getan und die Wahrnehmung drahtloser Möglichkeiten hat sich deutlich gewandelt. Beispielsweise fand der Besucher auf der Hannover Messe 2008 einen Wireless Pavilion, in dem zahlreiche Firmen ihre drahtlosen Lösungen präsentierten. Das Spektrum reichte dabei von speziellen Boards für OEMs über Lösungsbausteine bis hin zu Komplettlösungen. Und das Spektrum der Anbieter ist ebenso breit aufgestellt. Nicht nur, dass sich die üblichen Verdächtigen – große Anbieter von Automatisierungshardware und -software – in dem Bereich tummeln. Auch Start-Ups bieten sehr ernstzunehmende Produkte an.

ZigBee beziehungsweise IEEE 802.15.4 wird in dem Zusammenhang oft als zugrundeliegende Technik genannt. Doch Vorsicht! ZigBee bedeutet nicht gleich IEEE-Standard und 802.15.4 hat nur zum Teil etwas mit ZigBee zu tun.

Wie viele IEEE-Standards läßt sich auch der 802.15.4-Standard von der offiziellen IEEE-Seite herunterladen. Auf über 500 Seiten läßt sich nachlesen, was ein Hersteller für die Herstellung eines standardkonformen Produktes tun muss. Kanalkodierung, Verschlüsselung, Frequenzbereich und vieles mehr tragen dazu bei, dass man diesen Standard dann schließlich energiesparend nennen darf – ein wesentliches Verkaufsargument.

Ein Mechanismus der bei 802.15.4 wesentlich zum besagten energiesparenden Betrieb beiträgt, ist der variable Arbeitszyklus. Arbeitszyklus steht hier für den Zeitraum innerhalb dessen zwischen Kommunikationspartnern Aktivität erlaubt ist. Kommunikationspartner könnten z._B. eine im Regler integrierte Basisstation und verschiedene drahtlose Sensoren an technischen Anlagen oder in Gebäuden sein. Die Sensoren melden aktuelle Umgebungszustände (z._B. Temperatur, Feuchte, Lichtstärke) an den Regler, der dementsprechend Heizungsventile bedient oder Klimaanlagen steuert. Wird ein Arbeitszyklus festgelegt, dann müssen Kommunikationspartner nicht kontinuierlich aufeinander hören, ob der jeweils andere vielleicht etwas mitzuteilen hat. Sie müssen nur innerhalb einer festgelegten aktiven Phase für eine bestimmte Zeit empfangsbereit sein bzw. ihre Daten anderen mitteilen. Das hat den Vorteil, dass sie außerhalb dieser festgelegten Aktivitätsphase, in der passiven Phase, in einen Schlafmodus schalten dürfen. Erst wieder bei Beginn der nächsten aktiven Phase müssen sie senden oder empfangen. Ist das Verhältnis zwischen aktiver und passiver Phase klug gewählt, lassen sich Betriebszeiten für drahtlose, batteriebetriebene Sensoren verlängern ohne dass die Leistungsfähigkeit eingeschränkt wird. Bei zeitkritischen Anwendungen sollte allerdings genau geprüft werden, bevor die Häufigkeit der aktiven Phasen möglicherweise leichtfertig eingestellt wird. Die zyklische Verfügbarkeit der Verbindung führt nämlich zu einer sogenannten Totzeit innerhalb des Regelkreises. Das heißt speziell im Fall von ZigBee/802.15.4 dass mit einer Totzeit, die der Dauer der passiven Phase entspricht, gerechnet werden muss. Und um für den ambitionierten Regelungstechniker noch eins drauf zu setzen: diese Totzeit ist nicht fest, sondern kann ganz zufällig variieren.

Doch 802.15.4 ist erst die halbe Miete. Der Standard definiert nur die untersten zwei OSI-Schichten. Daran schließt sich nämlich die Spezifikation des ZigBee-Konsortiums mit der Netzwerkschicht und darüber an. Erst wenn auch diese 600-Seiten-Spec im Silizium bzw. softwaretechnisch implementiert ist, darf sich die Hardware ZigBee-konform nennen. Natürlich nicht ohne entsprechende Konformitätstests zu durchlaufen.

Ein für den Systemintegrator recht interessantes Konzept ist das das ZigBee Device Profile (ZDP). Mit ihnen können die per se semantiklosen Schnittstellen der höchsten Schicht mit Anwendungsbedeutung ausgestattet werden. Das heißt, dass beispielsweise in der Automatisierung bestimmte Gerätegattungen festschreibbar sind. Im einfachsten Fall ist das ein Schalter, der über seinen Ausgang mit einem schaltbaren Verbraucher, wie z. B. einer Lampe verknüpft wird. Das vereinfacht die Handhabung unterschiedlicher Geräte während der Systemintegration und bringt (zumindest teilweise) Ordnung in das Gerätewirrwar. Die Idee ist allerdings nicht neu. Bei Feldbussystemen hat sie sich bereits seit Jahrzehnten erfolgreich durchgesetzt. Spannend bleibt, ob ZigBee Device Profiles die notwendige Vereinfachung bringen, um ZigBee für die Automatisierung attraktiv zu gestalten.

Insgesamt läßt sich feststellen, dass durch die drahtlose Bürokommunikation das WLAN-Kabel lange noch nicht ausgereizt ist. Im Bereich der Automatisierung steht jede Menge Interessantes bevor.

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