„Erstellung eines Konzeptes zur Einbindung von funkbasierten ...

Bachelorthesis
„Erstellung eines Konzeptes zur Einbindung von funkbasierten
Modulen zur autarken und dezentralen Überwachung von
Umwelt- und Anlagenparametern“
Vorgelegt am: 30.08.2013
Vorgelegt von:
Carsten Ewert
Alte Harth 15
09125 Chemnitz
Studiengang:
Studienrichtung:
Technische Informatik
Prozessinformatik
Seminargruppe:
TI10/1
Matrikelnummer: 4000577
Praxispartner:
AMC - Analytik & Messtechnik GmbH Chemnitz
Heinrich-Lorenz-Straße 55
09120 Chemnitz
Gutachter:
Herr Dipl.-Ing.(FH) Andreas Rzezacz (AMC GmbH)
Herr Dipl.-Ing. Torsten Lehnguth (Staatliche Studienakademie
Glauchau)

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ...................................................................... III
Abbildungsverzeichnis .............................................................. VI
Tabellenverzeichnis .................................................................. VI
Abkürzungsverzeichnis ........................................................... VII
1 Grundlage der Aufgabenstellung .......................................... 1
1.1 Motivation ...................................................................................................... 1
1.2 Zielstellung .................................................................................................... 2
2 Anforderungen an Anlagen und Umweltüberwachung ......... 3
2.1 Allgemeine Definition ..................................................................................... 3
2.2 Ein- und Ausgänge ........................................................................................ 5
2.2.1 Analog ..................................................................................................... 5
2.2.2
2.2.3
2.2.4
Digital ...................................................................................................... 6
Sonstige Anbindungsmöglichkeiten Sensor/Aktor ................................... 7
Verteilte IO-Knoten ................................................................................. 8
2.3 Entfernung der einzelnen Messpunkte .......................................................... 9
2.4 Energieversorgung der Messpunkte ............................................................ 10
2.5 Parameter für Einzelmessungen ................................................................. 10
2.6 Elektromagnetische Verträglichkeit, Robustheit gegen Außeneinflüsse,
Schutzgrad nach IP, Schockresistenz ................................................................... 10
2.7 Beweglichkeit .............................................................................................. 11
2.8 Intelligenz .................................................................................................... 12
3 Analyse aktueller Konzepte der Umwelt- und
Anlagenüberwachung ............................................................... 13
3.1 Bussysteme/Protokolle ................................................................................ 13
3.2 Ethernetbasierende Übertragungssysteme ................................................. 14
4 Umstellung der aktuellen Verkabelungsstruktur auf
kabellose Technologien ............................................................ 16
4.1 Gründe für die Umstellung auf kabellose Technologien .............................. 16
4.2 Wie weit sind kabellose Technologien möglich? ......................................... 16
4.3 Grundlagen der Funkübertragung ............................................................... 17
4.3.1 Frequenzbetrachtungen ........................................................................ 17
4.3.2
4.3.3
Reichweitenbetrachtungen ................................................................... 18
Regulierungsinstanz - Bundesnetzagentur ........................................... 18
4.4 Vorteile ........................................................................................................ 19
4.5 Nachteile ..................................................................................................... 20
5 Vorstellung verschiedener Kabellostechnologien zur
Anlagen- und Umweltüberwachung ......................................... 21
5.1 „Bluetooth“................................................................................................... 21
5.2 „ZigBee“....................................................................................................... 21
5.3 „WirelessHART“........................................................................................... 22
5.4 „WLAN“........................................................................................................ 23
5.5 Vergleich der Technologien ......................................................................... 24
III

6 Prüfen der Anforderungen der Anlagen- und
Umweltüberwachung an kabellose Technologien .................... 25
6.1 Problembetrachtung kabelloser Technologien ............................................ 25
6.2 Umrüstung/Erweiterung durch kabellose Technologien .............................. 25
6.3 Neuausrüstung mit zentraler Kabelinfrastruktur oder mit verteilten kabellosen
IO-Systemen ......................................................................................................... 26
6.4 Prüfung individueller Gegebenheiten........................................................... 26
6.4.1 Kommunikationsgrundlage vollflächig vorhanden ................................. 26
6.4.2
6.4.3
6.4.4
Kommunikationsgrundlage teilweise vorhanden ................................... 27
Bauwerk darf nicht verändert werden ................................................... 27
Freifläche .............................................................................................. 27
7 Vergleich der Technologien ................................................ 29
7.1 Klassische Anlagen mit Kabelbussen .......................................................... 29
7.2 Verschiedene Wireless-Technologien ......................................................... 29
7.3 Vergleich und Vorstellungen der Technologien ........................................... 30
7.3.1 „Advantech 2000-Serie“ ........................................................................ 30
7.3.2
7.3.3
7.3.4
7.3.5
„Libelium WASPMote“ ........................................................................... 30
„National Instruments WSN“ ................................................................. 31
„Newsteo“ Datenmodule ....................................................................... 32
Zusammenfassung ............................................................................... 33
8 Vergleich Eigenschaften „NI WSN“ mit Anforderungen an
Anlagen- und Umweltüberwachung ......................................... 34
9 Vorstellung der Typen „NI WSN“ ........................................ 35
9.1 „National Instruments Wireless Sensor Network“ ........................................ 35
9.2 Netzwerktypen ............................................................................................. 36
9.2.1 Maschennetzwerk, Endknoten .............................................................. 36
9.2.2
Netzwerkkonfigurationen ...................................................................... 37
9.3 Erfassungsgeschwindigkeiten ..................................................................... 38
9.4 Vorstellung „NI CompactRIO“, „LabVIEW“ .................................................. 39
10 Messung Energieverbrauch ................................................ 41
10.1 Messarten - Spannungsquellen ................................................................... 41
10.2 Verbrauch eines „NI WSN“-Knotens ............................................................ 43
10.2.1 Testablauf für „WSN“-Knoten ............................................................ 43
10.2.2
10.2.3
10.2.4
Verbrauch im Ruhezustand ............................................................... 44
Verbrauch Messungen ....................................................................... 44
Verbrauch Router .............................................................................. 46
10.3 Vergleich „Ganter Instrumtents“ - „ISM“, „e.bloxx“, „Q.bloxx“ ...................... 47
10.4 Vergleich Module zur Thermoelementmessung .......................................... 47
10.5 Vergleich „RS232“ - „RS-485“-Umsetzer ..................................................... 47
11 Detailbetrachtung „NI WSN“ ............................................... 48
11.1 Anlagenkonzept ........................................................................................... 48
11.2 Möglichkeiten und Messkonzept ................................................................. 49
11.3 Probleme ..................................................................................................... 52
11.3.1 Softwarefehler „CompactRIO“ ........................................................... 52
IV

11.3.2
11.3.3
Probleme eines „WSN“-Knotens ........................................................ 53
Eingeschränkte Funktionalität ............................................................ 53
11.4 Funkqualitätstests........................................................................................ 54
11.4.1 Freifläche ........................................................................................... 54
11.4.2
11.4.3
11.4.4
Gebäude ............................................................................................ 55
Störungen durch Tethering und „Bluetooth“-Übertragung.................. 56
Schaltschränke .................................................................................. 56
12 Fazit .................................................................................... 58
12.1 Abschlussbetrachtung ................................................................................. 58
12.2 Ausblick ....................................................................................................... 58
13 Quellenverzeichnis .............................................................. 59
Anhangverzeichnis ................................................................... 60
Ehrenwörtliche Erklärung
V

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 - „Stranded Node Problem" ................................................................... 37
Abbildung 2 - alternative Routingpfade ..................................................................... 38
Abbildung 3 - „NI cRIO 9024" + „C-Serien"-Module + „NI WSN 9795" ..................... 39
Abbildung 4 - Quellcode einer Addition in LabVIEW mit "Block Diagram" und "Front
Panel" ....................................................................................................................... 40
Abbildung 5 - Übergang mit Aktivierung „Nutzer-LED" und hohe Senderate der
seriellen Schnittstelle ................................................................................................ 44
Abbildung 6 - Energieverbrauch bei aktiver Schnittstelle .......................................... 45
Abbildung 7 - Verlauf Batteriespannung Router ....................................................... 46
Abbildung 8 - Skizze der fiktiven Anlage .................................................................. 49
Abbildung 9 - Beispielaufbau „NI WSN-3202" .......................................................... 51
Abbildung 10 - Schematische Darstellung Fresnelzonen ......................................... 54
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 - Echtzeitklassen der „IAONA“ .................................................................... 4
Tabelle 2 - Vergleich verschiedener Funktechnologien ............................................ 24
Tabelle 3 - Zusammenfassung Sensornetzwerke ..................................................... 33
Tabelle 4 - „National Instruments" Typen von „WSN" ............................................... 35
Tabelle 5 - Vergleich Gateways für das „WSN“ von „National Instruments“ ............. 35
Tabelle 6 - Auflistung benötigter Erfassungsgeräte .................................................. 50
VI

Abkürzungsverzeichnis
AMC GmbH AMC - Analytik & Messtechnik GmbH Chemnitz
API
ASCII
CompactRIO,
cRIO
CSMA
CA
CD
DI
DO
FPGA
HART
IEEE
IO
IAONA
ISM
LED
MSR
NI
OSI-Modell
PAC
PWM
SPS
TCP
TTL
UDP
WLAN
WSN
Application Programming Interface
American Standard Code for Information Interchange
„Compact Reconfigurable Input Output“
Carrier Sense Multiple Access
Collision Avoiding
Collision Detection
Digital Input - Digitaler Eingang
Digital Output - Digitaler Ausgang
Field Programmable Gate Array
Highway Addressable Remote Transducer
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Input/Output - Eingang und Ausgang
Industrial Automation Open Networking Alliance
Industrial Scientific Medical
Light Emitting Diode
Messen, Steuern, Regeln
National Instruments
Open Systems Interconnection Modell
Programmable Automation Controller
Pulsweitenmodulation
Speicherprogrammierbare Steuerung
Transmission Control Protocol
Transistor-Transistor-Logik
User Datagram Protocol
Wireless Local Area Network
Wireless Sensor Network
VII

"Lieber auf neuen Pfaden ein wenig stolpern,
anstatt in alten Spuren auf der Stelle zu treten."
Altes chinesisches Sprichwort
VIII

1 Grundlage der Aufgabenstellung
1.1 Motivation
Die Grundlage für die vorliegende Arbeit bildet die langjährige Erfahrung der Firma
„AMC - Analytik & Messtechnik GmbH Chemnitz“ im Bereich der Anlagen- und
Umweltüberwachung. Diese überdeckt ein weites Feld von Kunden aus
verschiedenen Bereichen der Industrie, Wirtschaft und Lehre.
In diesem Bereich sind hauptsächlich Anlagen aufgebaut, welche durch eine
verkabelte Infrastruktur kommunizieren.
Doch diese Technologien stehen an einem Scheideweg, denn kabellose
Datenübertragung dringt immer weiter in alle Bereiche des Lebens ein, so in das
private Leben durch den Einsatz des „WLANs“ 1 oder durch den Besitz eines
Smartphones oder Tablets mit mobiler Internetanbindung. Dies trifft auch auf die
Verbindung des Mobiltelefons mit der Freisprecheinrichtung im Fahrzeug zu, welches
ebenso „Bluetooth“ 2 nutzt, wie viele moderne Notebooks. Ebenso durchdringt die
kabellose Datenübertragung den geschäftlichen Bereich des Lebens, sei es hier
ebenfalls durch ein „WLAN“ oder andere Kommunikationstechnologien, wie z.B. der
Zugriff auf das Unternehmensnetz aus dem Mobilfunknetz.
In großen industriellen Anlagen sollen immer mehr Parameter überwacht werden um
gegebenenfalls Teile vor einem möglichen Defekt austauschen zu können. Sowohl
die Anlagen als auch deren Überwachung wird aufgrund der gestiegenen
Anforderungen immer komplexer. Dies trifft auch auf das System zu, welches diese
Daten erfassen, verarbeiten und weiterleiten muss. Dabei werden hauptsächlich
Kabel zur Datenübertragung genutzt, was jedoch in großen Anlagen zu einem
annähernd unübersichtlichen Kabelbaum führen kann. Diese Kabel werden häufig
als Bus genutzt, welcher auch in seiner Topologie geplant werden muss. Weiterhin
sind diese Busse in ihrer Übertragungsrate und Entfernung limitiert.
Dabei setzt der Einsatz kabelloser Technologien an dieser Stelle an, die
Busverkabelung zum Teil ersparend und gleichzeitig mittels gerichteter Technologien
weite Strecken überwindend.
1
WLAN - Wireless Local Area Network - kabelloses lokales Netzwerk
2 Bluetooth - ein Datenübertragungsstandard für geringe Entfernungen
1

1.2 Zielstellung
Das Ziel dieser Arbeit ist eine Untersuchung der am Markt vorhandenen
Technologien hinsichtlich eines Vergleichs zwischen kabelgebundenen und
kabellosen Systemen. Weiterhin sollen verschiedene kabellose Technologien
gegenübergestellt werden. Bei der Auswahl der verschiedenen kabellosen
Technologien soll auf eine möglichst flexible Nutzung Wert gelegt werden.
Es soll eine Technologie exemplarisch ausgewählt werden und an den aufgestellten
Anforderungen gemessen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass diese
Technologie möglicherweise nicht das Optimum für alle Aufgaben darstellt, sondern
beispielhaft für den Einsatz kabelloser Technologien stehen soll, woraus sich weitere
Rückschlüsse ableiten lassen sollen.
Durch diese Erprobung können auch Probleme in der Konzeption der Systeme
festgestellt werden, welche beim künftigen Einsatz Beachtung finden sollen. Das
Aufzeigen dieser Probleme kann dazu genutzt werden, alternative Möglichkeiten zu
erproben. Auch können bei dieser Betrachtung die Grenzen solcher Systeme erkannt
werden.
Am Ende soll an einer fiktiven Anlage mit verschiedenen Parametern ein Konzept
erarbeitet werden, welches die Ergebnisse dieser Arbeit beinhaltet. Dabei soll das
Konzept den aufgestellten Kriterien an die Anlagen- und Umweltüberwachung
genügen und auf Probleme mit den gewählten Komponenten eingehen.
2

2 Anforderungen an Anlagen und Umweltüberwachung
2.1 Allgemeine Definition
Die Überwachung komplexer industrieller Anlagen stellt an das System
verschiedenartige Anforderungen.
Diese Anforderungen divergieren von Anlage zu Anlage und sind selbst innerhalb
einer Anwendung nicht dieselben. Es muss jeweils festgelegt werden, welche
Parameter überwacht werden sollen und auf welche Weise die Messwandler die
benötigten Parameter erfassen. Beispielhaft wird dies an einer Gewichtsbestimmung
erläutert. Die Erfassung des Gewichtes kann hierbei mittels eines Wiegebalkens und
Dehnmesstreifen oder mittels einer Auflagefläche und Kraftmessdosen durchgeführt
werden. Zusätzlich muss überprüft werden, ob die ausgewählten Messwandler die
Ergebnisse auch in der erforderlichen Zeit zur Verfügung stellen können oder ob sie
langsamer die Daten erfassen, als durch das Überwachungskonzept gefordert ist.
Dabei muss auch darauf geachtet werden, ob sich die Wandler in das räumliche
Konzept der Anlage einfügen, da eine zu große Entfernung zwischen der
prozessnahen Komponente und dem zu messenden Parameter die Ergebnisse
verfälschen kann. In industriellen Anlagen können sehr verschiedene
Abfrageintervalle der Komponenten auftreten. Diese Abtastfrequenzen können von
wenigen Abfragen in einer Stunde bis zu mehreren hunderttausend Abfragen pro
Sekunde betragen, welche das Überwachungssystem abbilden können muss. Dabei
sind verschiedene Abtastfrequenzen für verschiedene Teile einer Anlage nicht
unüblich.
Weiterhin ist sowohl bei den Messgeräten als auch bei allen anderen Geräten zu
beachten, dass die Geräte auch die für den Einsatz am Zielort entsprechenden
Zertifikate besitzen. Dies beinhaltet sowohl die Eigenschaft, die die Geräte zum
allgemeinen Einsatz freigeben als auch Eigenschaften, die Geräte für den Einsatz in
bestimmten Gebieten freigeben wie beispielsweise Zertifikate für
explosionsgefährdete Orte.
Eine Auswahl verschiedener Parameter der Anlagenüberwachung ist: die Viskosität
von Flüssigkeiten, die Durchflussmenge, der Verschmutzungsgrad von Flüssigkeiten,
die Winkelgeschwindigkeit von drehenden Objekten, die Temperatur im Objekt,
Anwesenheit von Personen oder Gegenständen im Gefährdungsbereich sowie der
Öffnungsstatus von Türen, Toren oder Gittern, der Energieverbrauch der Objekte
und viele andere mehr.
Auch in der Umweltüberwachung ist die Auswahl der richtigen Messwandler
existenziell um sowohl korrekte Messwerte zu erhalten, als auch Messergebnisse
nicht zu verfälschen. Auch ist zu beachten, dass die Schutzklasse eines Systems der
Umweltüberwachung unter Umständen höher sein muss, da diese Geräte dem
3

Einsatz im Feld gerecht werden müssen. Als Feld wird dabei eine Umgebung mit
erhöhter Belastung durch Schmutz und Flüssigkeiten angenommen. Diese
Besonderheit muss bei der Auswahl der Geräte bzw. deren Umbauung beachtet
werden. Abfragezyklen von 15 Minuten können in der Umweltüberwachung üblich
sein. Ebenso ist es möglich, dass Messwerte, sowohl in einer Anlage als auch in
einem Überwachungssystem erst als eine Funktion über einer bestimmte Zeit
nutzbar werden. Dies betrifft Messwerte, welche erst über einen gewissen Zeitraum
hin gewonnen werden können, da Einzelmessungen nicht aussagekräftig sind. Als
Beispiel sind Anlagenteile zu nennen, welche mit der Zeit verschleißen und deren
Zustand durch ein Integral beschrieben werden kann.
Beispielhafte Parameter für die Umweltüberwachung sind: Füllstände von z.B. Silos,
Tanks oder Probebohrlöchern, Flüssigkeitsparameter wie Durchflüsse oder
Partikelgehalt, Temperaturen, Einstrahlwerte, Luftparameter wie Windrichtung und
Geschwindigkeit, Feuchtigkeiten und viele weitere.
Egal an welcher Anlage, treten an der Stelle der Erfassung kontinuierlich Messwerte
auf. Diese werden, je weiter sie das System durchlaufen, diskretisiert,
zusammengefasst und verdichtet. Dies kann teilweise schon in der erfassenden
Komponente geschehen, wenn z.B. Mittelwerte über ein Zeitintervall gebildet
werden. Dieser Trend setzt über die Prozessleitebene bis in die
Unternehmensleitebene fort. Daraus ergibt sich die Pyramide der
Automatisierungstechnik.
Ein wichtiger Punkt für beide Aufgaben ist die Echtzeitfähigkeit der Anlagen. Wenn
es keine reine Anlage zum Messen sondern auch zum Steuern und Regeln ist, so
müssen diese Aufnahmewerte und deren errechnete Ergebnisse innerhalb einer
gewissen Zeit vorliegen. Der Unterschied zwischen Steuern und Regeln besteht
darin, dass bei einer Regelung die Prozessvariablen geändert werden und
entsprechend des Prozessergebnisses neu angepasst werden. Das Steuern
geschieht ohne diese Rückmeldung der Prozessparameter allein aus den
Ausgangsparametern heraus.
Die „IAONA“ 3 definiert vier Echtzeitklassen, welche sich teilweise überdecken. Diese
können auf den jeweiligen Anwendungsbereich hin gewählt werden.
Echtzeitklasse Maximale Reaktionszeit Anwendung
1

2.2 Ein- und Ausgänge
2.2.1
Analog
Module zur Datenaufnahme der Anlagen- und Umweltparameter müssen
verschiedenartige Eingänge für die verschiedenen Signalarten aufweisen.
So müssen die Module über analoge Schnittstellen verfügen, welche die
sogenannten Einheitssignale umsetzen können. Einheitssignale werden Signale
genannt, welche in einem festen Schema übertragen werden. Dies trifft auf Strom
und Spannung zu, bei welchen sich viele Hersteller auf einen einheitlichen
Eingangsbereich geeinigt haben. Der Spannungsbereich beträgt dabei in der Regel
-10..+10V und der Strombereich 0..20mA, wobei meistens nur 4..20mA verwendet
werden. Die Messung des Stromes hat gegenüber der Spannung den Vorteil, dass
die Leitungslänge keinen Einfluss auf das Signal hat, wohingegen bei einem
Spannungssignal über der Leitung die Spannung abfällt. 4..20mA wird verwendet, da
durch die Anschaltung auch ein Ausfall des Sensors detektiert werden kann, da der
Minimalwert von 4mA immer durch den Sensor ausgegeben werden sollte. Dieser
Minimalwert entspricht nicht zwingend einem „Null“-Wert in der Skalierung.
Sowohl Spannung als auch Stromstärke können entsprechend durch das
übergeordnete System skaliert werden. Diese Skalierung basiert in der Regel auf der
Kennlinie 5 des Sensors.
Einheitssignale können direkt von prozessnahen Komponenten, wie Sensorik und
Aktorik, generiert werden
Viele Messmodule besitzen jedoch nicht nur Eingänge für Einheitssignale sondern
auch Eingänge mit erweiterten Bereichen wie z.B. Spannungen bis 400V oder
Ströme bis 16A. Diese sollten jedoch speziell gegen Berührung und Kurzschluss
gesichert werden.
Andere analoge Anschaltungen, welche viele erhältliche Module anbieten, sind
Brückenschaltungen. Dabei sind Viertel-, Halb- oder Vollbrücken üblich. Diese
Brücken unterscheiden sich in der Anzahl der Anschaltungen zwischen der
prozessnahen Komponente und den zu messenden Widerständen.
Weitere, häufig verwendete Messelemente sind Thermoelemente. Diese erzeugen in
sich eine Spannung, welche von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Diese
Spannung wird durch die Verbindung verschiedener Elemente erzeugt und ist für
diese Elementkombination spezifisch. Werden zwei Thermoelemente gegeneinander
geschaltet und der zweite Elementübergang von einer bekannten Temperatur
umgeben, so wird von einer Kaltstellenkompensation gesprochen. Oft verwendete
Thermoelemente sind „Typ K“ und „Typ J“. „Typ K“ besteht aus einer Kombination
von Nickel und einer Nickel-Chrom-Legierung. Es ist bis 1200°C spezifiziert. „Typ J“
5 Kennlinie - Verlauf der Ausgangsgröße in Abhängigkeit der Eingangsgröße
5

esteht aus einer Kombination von Eisen und einer Kupfer-Nickel-Legierung und ist
bis 750°C spezifiziert. Beide Elemente können auch kurzzeitig höheren
Temperaturen ausgesetzt werden. Die angegebenen Temperaturen beziehen sich
auf den normalen Arbeitsbereich. 6
Neben analogen Eingängen besitzen viele MSR-Einrichtungen 7
Ausgänge. Diese
Ausgänge sind ähnlich eingeteilt wie die Eingänge, so sind von verschiedenen
Herstellern Module verfügbar, welche Einheitssignale ausgeben, aber auch Module,
welche eine angelegte Hilfsenergie umwandeln und entsprechend der Vorgaben aus
dem System ausgeben.
2.2.2
Digital
Neben analogen Eingängen bieten Hersteller vieler analoger Module auch Module
mit digitalen Schnittstellen an. Diese Schnittstellen sind meist getrennt in digitale
Eingangsmodule und digitale Ausgangsmodule. Bei letzteren besteht eine Trennung
zwischen „Sinking“-Modulen und „Sourcing“-Modulen. „Sourcing“-Ausgänge
benötigen dabei neben der Masseleitung (oft als „Ground“ bezeichnet) und dem
eigentlichen Digitalausgang einen Versorgungsanschluss für die zu schaltende
Spannung. Diese Module schalten bei einer binären „1“ die Spannung zwischen dem
Versorgungseingang und dem Digitalausgang durch. „Sinking“-Ausgänge hingegen
schalten den Digitalausgang auf Masse, sodass das geschaltete Gerät eine
Verbindung auf Masse bekommt. Einige Hersteller bieten neben diesen beiden
klassischen Varianten an, beide Funktionsmöglichkeiten zu kombinieren, sodass bei
einer binären „1“ die Zusatzversorgung durchgeschaltet wird, während bei einer
binären „0“ der Ausgang auf die Masse gelegt wird 8 . Welche der Ausgangsformen
genutzt werden soll, hängt von den zu schaltenden Elementen ab.
Digitale Eingänge werden bei Modulen in der Regel als „Sinking“ ausgeführt. Dabei
muss die Quelle als „Sourcing“ geschaltet werden um eine Signalübertragung zu
gewährleisten.
Für diese Eingänge typisch sind die hohen Spannungspegel, ab welchen die
Meldung einer digitalen „1“ erfolgt. So schalten viele Geräte erst ab 13V, um eine
Verwechslung mit einem analogen Spannungseinheitssignal zu umgehen. Ebenso
schalten viele Module nicht bei der Unterschreitung dieser Schwelle auf die digitale
„0“ um, sondern erst ab einem niedrigeren Spannungswert von z.B. 5V.
Eine andere durch viele Module unterstützte Logikform ist die Übertragung in „TTL-
Form“ 9 . Diese Form der binären Schaltung basiert auf Spannungshöhen im Bereich
6 [2] „RS Components GmbH“, „Umrechungstabellen und Messelemente“
7 MSR - Messen, Steuern, Regeln
8 [3] vgl. online: „NI“, 2012 „NI WSN-3214“, S. 33 (29.07.2013)
9 TTL - Transistor-Transistor-Logik
6

zwischen 3V oder 5V. Sie unterscheidet sich von der 24V-Ebene darin, dass in
diesem Fall die Spannung direkt auf elektrische Bauteile geleitet wird und nicht erst
durch Optokoppler und Trigger umgesetzt und bewertet wird.
Für digitale Schnittstellen ebenfalls wichtig sind die Schaltzeiten der Kanäle, sodass
ein kurzer Zustandswechsel nicht verloren geht, sondern detektiert wird. Dafür gelten
am übergeordneten System jedoch weitere Vorrausetzungen, da dieses System
schnell genug reagieren muss.
Ebenfalls möglich bei der Einrichtung von digitalen Schaltungen ist die
Flankenerkennung. Dabei muss ein Gerät einen Flankenwechsel erkennen. Dies ist
z.B. bei Lichtsteuerungen üblich, wo das Licht erst nach dem lösen das Tasters
(fallende Flanke) den Zustand wechselt. Auf diese Weise kann ebenfalls durch einen
digitalen Kanal ein Zähler ausgelöst werden, der bei jeder steigenden oder fallenden
Flanke den Zähler weiterschaltet.
Eine andere Möglichkeit der digitalen Datenübertragung ist die Pulsweitenmodulation
(PWM). Dabei wird ein Signalwert durch die Länge der digitalen 1 im Vergleich zur
digitalen 0 charakterisiert.
2.2.3
Sonstige Anbindungsmöglichkeiten Sensor/Aktor
Neben reinen analogen oder digitalen Parametern gibt es in vielen Anlagen auch
aktiv arbeitende Elemente wie Antriebe oder Pumpen. Solche Motoren werden in den
meisten Fällen durch Frequenzumrichter oder zumindest einen Motorschütz
angesteuert, welche den Geräten die benötigte Leistung für ihren aktuellen
Betriebszustand bereitstellen. Eine Ansteuerungsform für Frequenzumrichter sind
Einheitssignale, was auch von vielen auf dem Markt befindlichen
Frequenzumrichtern unterstützt wird. Diese skalieren in den meisten Fällen das
Signal nach internen Berechnungen auf die Pumpe und steuern diese dann
entsprechend an.
Motorschütze können mittels digitaler Signale geschaltet werden.
Um Frequenzumrichter und andere untergeordnete Teilnehmer des
Erfassungssystems anzusprechen, werden vielfach Bussysteme verwendet.
7

2.2.4
Verteilte IO-Knoten
Verteilte IO-Knoten 10
beziehen sich darauf, dass abseits des zentralen Systems
Messdaten aufgenommen und Steuer- bzw. Regeldaten ausgegeben werden
müssen. Dafür ist es notwendig, zu diesen Knoten eine Kommunikationsinfrastruktur
aufzubauen. Diese Infrastruktur wird in der Regel als Bus ausgeführt, wenn die
verschiedenen Knoten auf die gleiche Datenschnittstelle und das gleiche Protokoll
verwenden.
An einen solchen Bus können die verschiedensten Geräte angeschlossen werden.
Busse sind in den meisten Fällen seriell ausgeführt. Ein serieller Bus ist „RS-232“..
„RS-232“ ist nur für 1:1-Verbindungen vorgesehen. Bussysteme mit einem Sender
und mehreren Empfängern können nach dem Standard „RS-422“ ausgeführt werden.
Systeme mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern werden meist als „RS-
485“-Bus ausgeführt. Dabei stellen diese „RS“-Standards aber nur den physischen
Bus mit den Schaltpegeln bereit. Die Form bzw. das Protokoll, in welcher die Daten
über den Bus versandt werden, können individuell ausgewählt werden.
Entsprechend ausgerüstete Geräte und Busteilnehmer müssen jedoch gleich
konfiguriert werden, was die Zeichenrate, Stoppbits und Paritätsbits anbelangt. Dies
betrifft auch Kommunikationsparameter, um eine Kollision von Datenpaketen auf
dem Bus zu verhindern. Dafür verwenden die meisten Geräte eine Busüberwachung,
um keine anderen Teilnehmer zu stören. Dieses System nennt sich „CSMA“ 11 . Diese
Überwachung ist in vielen Geräten ähnlich aufgebaut und wird in verschiedenen
Möglichkeiten verwendet. Bei seriellen Bussen wird dabei häufig auf „CSMA/CA“ 12
zurück gegriffen, wobei ein Modul mit Sendewunsch den Bus überwacht und
während auf diesem eine Übertragung stattfindet, das zu sendende Paket zurückhält.
Serielle Busse bedeuten, dass diese Busse eine Zeichenkette strikt nacheinander
versenden und nicht mehrere Zeichen parallel. Bei den oben genannten Bussen
bedeutet dies im Regelfall, dass für ein übertragenes Zeichen ein Startbit, die sieben
bzw. acht Datenbits, null oder ein Paritätsbit und ein oder zwei Stoppbits übertragen
werden müssen. Dadurch wächst die Übertragung für ein Byte auf bis zu zwölf Bit
an. Es muss allerdings beachtet werden, dass dadurch auch jedes Byte einzeln eine
Fehlerkorrektur erfährt und nur dieses Byte bei einem Fehler neu übertragen werden
müsste.
Diese Knoten besitzen nur in wenigen Fällen eine eigene Intelligenz, um autark vom
zentralen System zu arbeiten.
10 IO-Knoten - Input/Output-Knoten - Knoten zur Datenein- bzw. ausgabe
11 „CSMA“ - „Carrier Sense Multiple Access“ - Medium überwachend, mehrfach zugreifend
12 „CA“ - „Collision Avoidence“ - Kollisionsvermeidung
8

2.3 Entfernung der einzelnen Messpunkte
Die Entfernungen beim Einsatz eines Busses können zwischen einzelnen Knoten
zwischen wenigen Metern bis mehreren Kilometern betragen. „RS-232“ sieht z.B.
Entfernungen bis maximal fünf Meter vor. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die
Übertragungsgeschwindigkeit der Bussegmente mit zunehmender Länge des Busses
abnimmt und dass ab einer gewissen Buslänge keine Kommunikation mehr möglich
ist. Bei der Verwendung eines „RS-485“-Busses wird dabei oft 1,2 Kilometer
Buslänge als Maximum mit einer verringerten Datenrate von 19200Baud/s
angegeben. Dies trifft für ein einzelnes Segment zu. Mehrere Segmente können
dabei auch mittels eines Repeaters hintereinander geschaltet werden, wodurch ein
neues Segment erstellt wird, welches ebenfalls eine große Ausdehnung gewinnen
kann.
Es muss bei der Busplanung darauf geachtet werden, dass die verteilten
Messknoten neben der Versorgung mit dem Bus auch mit Energie versorgt werden
müssen. Aufgrund der langen Kabelwege sollte die differentielle
Übertragungsmethode wie in „RS-485“-Bussen verwendet werden. Differentiell
bedeutet, dass die Signale nicht im Bezug auf eine gemeinsame Masse übertragen
werden, wie es bei „RS-232“ der Fall ist, sondern dass der Bezug ein gleich großes,
entsprechend negativ gepoltes Signal auf der zweiten Datenader ist. Das Adernpaar
sollte zur Verringerung der Einstreuung verdrillt verwendet werden. Die differentielle
Übertragung bietet auch den Vorteil, dass Störungen, welche sich auf beide Adern
auswirken, am Zielgerät keine Auswirkungen haben, da dieses nur die Differenz der
Signale auswertet, nicht den Absolutwert der Spannung zum nichtvorhandenen
Bezugspotential.
Die meisten Busse sollten mittels eines entsprechenden Widerstandes terminiert
werden, um eine Reflexion an den offenen Busenden zu vermeiden.
Ist die Entfernung zwischen den Busenden zu hoch oder die einzelnen
Busteilnehmer werden getrennt mit Energie versorgt, so ist eine galvanische
Bustrennung von Vorteil. Diese Bustrennung über beispielsweise Lichtwellenleiter
bietet den Vorteil, dass äußere elektrische Felder auf das Buskabel keinen Einfluss
nehmen können. Weiterhin sind mit qualitativ hochwertigen Buswandlern auch
größere Entfernungen als 1,2 Kilometern möglich. Dabei muss man jedoch stets die
maximale Laufzeit für ein Datenpaket beachten, da die Nachricht durch die
Umsetzung des Signals auf Lichtwellenleiter und zurück auf den differentiellen Bus in
den Wandlern eine Verzögerung erfährt.
9

2.4 Energieversorgung der Messpunkte
Um die Energieversorgung der Messpunkte sicherzustellen, müssen diese entweder
lokal am Einsatzort mit Energie versorgt werden oder sie werden aus der zentralen
Station neben dem Datenbus mit Energie versorgt. Dies hat allerdings den Nachteil,
dass dann möglicherweise für die Energieversorgung lange Kabelwege in Kauf
genommen werden müssen. Ebenso wirken diese langen Kabel auch bei
Gleichspannung wie ein großer kapazitiver Widerstand und sie sind anfällig für
Störeinflüsse durch starke elektrische Felder.
Des Weiteren darf der Energieverbrauch der Messpunkte bei langen
Zuleitungswegen nicht zu hoch sein, da über den langen Leitern ein Spannungsabfall
auftritt, welcher in höheren benötigten Strömen resultiert. Eine dezentrale
Versorgung der Messknoten bei großen Entfernungen wird generell angeraten.
2.5 Parameter für Einzelmessungen
Für die verschiedenen Typen der Überwachungen, seien es Anlagen oder
Umweltdaten gelten verschiedene Parameter. Dies betrifft speziell innerhalb einer
Anlage die verschiedenen zu überwachenden Einflussgrößen. Diese können je nach
Wichtigkeit in verschiedenen Zeitintervallen abgetastet werden. Die Abtastungsrate
kann zwischen mehreren 100kHz und wenigen Abtastungen in einer Stunde liegen.
Diese Werte sind allerdings nur Beispiele. Eine Einteilung, für beispielsweise
Antriebe, wäre die Messpunkte in Bezug auf den Drehwinkel des Antriebs und nicht
über die Zeit darzustellen. Dies bedingt den Einsatz weiterer Sensorik wie z.B.
Inkrementalgeber. Bei statischen Parametern, wie z.B. Temperaturen, kann die
Abtastfrequenz niedriger liegen, doch auch dies ist abhängig von den gestellten
Anforderungen.
2.6 Elektromagnetische Verträglichkeit, Robustheit gegen
Außeneinflüsse, Schutzgrad nach IP, Schockresistenz
Die Funktionsfähigkeit der Komponenten muss auch in Umgebungen gewährleistet
sein, in welchen starke elektrische Felder auftreten können. Dabei ist die
Verträglichkeit der Komponenten mit anderen elektrischen Geräten sicherzustellen.
Um die Verträglichkeit sicherzustellen, sind in der EU gewisse Zertifikate notwendig,
welche die Komponenten besitzen müssen, um eine Betriebs- und Vertriebserlaubnis
zu erhalten.
10

Neben diesen Zertifikaten können die Komponenten auch durch technische
Maßnahmen vor elektrischen Feldern abgeschirmt werden. Dies geschieht durch den
Einbau in ein separat abgeschirmtes Gehäuse. Diese Gehäuse sollten dann jedoch
auch entsprechend mit einer Erdung versehen werden, damit äußere Einflüsse zur
Erde hin abgeleitet werden können. Ebenso ist bei separaten Energieversorgungen
der einzelnen Komponenten eine Potentialtrennung der digitalen Kanäle angeraten.
Dies kann in der Regel durch Relais oder Optokoppler realisiert werden.
Schaltschränke können ebenso bei der Installation im Feld die Schutzart nach IP
erhöhen. Viele Bauteile aus der Automatisierungstechnik, wie sie zur
Anlagenüberwachung üblich sind, werden mit einer Schutzart IP20 ausgeliefert, was
einen grundlegenden Schutz gegen Berührung innerer Bauteile darstellt. Durch eine
entsprechende Umhausung kann der Schutzgrad des Gesamtsystems zur
Überwachung angehoben werden. Dabei ist jedoch auch auf die installierten
Komponenten zu achten und ggf. eine entsprechende Klimatisierung des Schrankes
sicherzustellen.
Der Schaltschrank kann auch die zentrale Möglichkeit der Erdung darstellen, woran
alle Systeme angeschlossen werden können und damit ein gemeinsames
Bezugspotential aufweisen. Bei der Kabelverlegung muss allerdings auf Erdschleifen
geachtet werden, welche Signale negativ beeinflussen können.
Bei der Installation eines Schaltschrankes kann ebenfalls darauf geachtet werden,
dass die Komponenten gedämpft installiert werden. Diese Installation ist besonders
dort angebracht, wo sich bewegende Teile befinden, welche die Anlage zum
Schwingen bringen können. Ebenso wäre dies im Fehlerfall wichtig, da bei einer
Havarie so die Komponenten des Schaltschrankes vor einem Stoß geschützt wären.
Bei den meisten Komponenten ist eine entsprechende Resistenz gegen Vibrationen
und Schläge angegeben und sollte während der Planung beachtet werden.
2.7 Beweglichkeit
Teilweise können Komponenten der Anlagen- und Umweltüberwachung auch an
Teilen installiert sein, welche beweglich sind. Dies stellt erhöhte Anforderungen an
die im vorigen Kapitel erwähnte Robustheit gegen Außeneinflüsse. Ebenfalls
sichergestellt werden muss, dass die Komponenten sicher mit Energie versorgt
werden. Dies kann entweder über ein Akkusystem gewährleistet werden, oder sich
mitbewegende Kabel, auch der Einsatz von Induktionssystemen ist möglich. Dabei
ist jedoch stets zu beachten, dass die Kabel durch die andauernde Bewegung einem
erhöhten Verschleiß unterliegen, auch wenn sie keine anderen Teile berühren.
11

2.8 Intelligenz
Sollen diese Knoten jedoch auch Steuerungs- bzw. Regelaufgaben übernehmen, so
wären Knoten mit eigener Intelligenz sinnvoll, da diese schneller reagieren können,
als Knoten, welche erst abgefragt werden müssen, bevor eine Reaktion durch die
zentrale Station stattfindet.
Dabei muss jedoch abgewogen werden, welche Aufgaben der einzelne Steuerknoten
an dieser Stelle ausführen können darf. Der Entscheidungsrahmen für einzelne
Knoten sollte eng gewählt werden um Zuständigkeitskonflikte mit dem zentralen
System zu vermeiden. Aufgaben der Sicherheitsabschaltung sind immer dezentral zu
realisieren.
Aufgaben, bei welchen der Einsatz intelligenter Komponenten beispielhaft ist, sind
die Überwachung von Grenzwerten bzw. die Sinnfälligkeitsprüfung von Messwerten,
die Kompression von Messwerten zur komprimierten Übertragung an das zentrale
System und die modulare Steuerung oder Regelung von bestimmten Aufgaben.
12

3 Analyse aktueller Konzepte der Umwelt- und
Anlagenüberwachung
3.1 Bussysteme/Protokolle
Sehr häufig in der Automatisierungstechnik anzutreffen ist der „Profibus“.
Der „Profibus“ basiert auf der „RS-485“-Technologie. Ebenso basiert der Bus auf
dem Prinzip der „Master-Slave“-Kommunikation. „Master“ bedeutet an dieser Stelle,
dass es eine zentrale Stelle gibt, welche die anderen Geräte - „Slaves“ abfragt. Der
„Master“ ist im Besitz der Entscheidungsfähigkeit während die „Slaves“ in der Regel
nur Daten erfassen oder ausgeben und diese dem „Master“ zur Verfügung stellen.
Der „Profibus“ verwendet einen „Master“ je Bus. Mehrere Master können nur mittels
spezieller Koppler miteinander auf „Profibus“-Basis kommunizieren.
An einem Bus können sich bis zu 126 Geräte befinden.
Bei „Slaves“ sind verschiedene Arten verfügbar. Dies können sowohl Knoten zur
Datenerfassung sein, als auch Bedienterminals für Anlagenbediener, Busverzweiger,
welche den Bus um ein Segment erweitern oder andere Systeme, welche den
„Profibus“ implementiert haben, wie bestimmte intelligente Sensoren oder Aktoren.
Mittels Repeatern bzw. Busverteilern können bis zu 4 Segmente gekoppelt werden.
Die Datenübertragung des „Profibus‘“ geschieht in einer definierten Form, dem
sogenannten „Profibus-Telegramm“
Ein anderes, häufig verwendetes Bussystem ist der „Interbus“.
„Interbus“ basiert auf einer Ringtopologie. Diese wird meist mittels Zweileitertechnik
oder mittels Lichtwellenleitern ausgeführt. An einem „Interbus“ können bis zu 256
Teilnehmer angeschlossen werden. Der Bus kann eine Gesamtlänge von bis zu 13
Kilometern erreichen, wobei ein Segment jedoch auf eine Länge von 400 Meter
beschränkt ist.
Die Datenrate des „Interbus“ beträgt bis zu 2 MBit/s.
Aufgrund des Summenrahmenverfahrens ist die Übertragung auch bei großen
Datenmengen im Vergleich zu anderen Protokollen effizient.
Das „HART“-Protokoll ist ein Aufsatz auf die Verkabelung von Sensoren mit 4..20mA.
„HART“ ist dabei ein Akronym für „Highway Addressable Remote Transducer“.
Bei „HART“ wird auf das analoge 4..20mA-Signal noch mittels Modulation eine
hochfrequente Datenübertragung aufmoduliert, welche die meisten analogen
Systeme aufgrund ihrer Trägheit nicht messen können. Dadurch sind „HART“-
Sensoren auch in rein analogen Umgebungen nutzbar.
Durch die Modulation lassen sich abseits des analogen Messkanals weitere Daten
zwischen dem Sensor und dem Messgerät übertragen. Eine Zwei-Wege-
13

Kommunikation zwischen dem Sensor und dem übergeordneten System ist dadurch
möglich.
Das „HART“-Protokoll setzt ebenfalls auf das „Master-Slave“-Prinzip. Ähnlich wie im
„Profibus“ besitzt „HART“ die Möglichkeiten, mit mehr als einem „Master“ zu arbeiten.
Diese „Master“ untereinander besitzen dann unterschiedliche Prioritäten für den
Buszugriff.
Viele Hersteller nutzen zwar allgemeine Standards wie die oben beschriebenen,
bauen darauf aber ihre eigenen Protokolle entsprechen ihrem angedachten
Gebrauch auf. Ein Beispiel für solche geschlossenen Protokolle ist das „Local-Bus-
Protokoll“. Dies wird von der Firma „Gantner Instruments Test & Measurement
GmbH“ verwendet, welche damit die Kommunikation innerhalb ihrer Geräte
sicherstellt. Diese können aber ebenfalls z.B. über „Profibus“ angesteuert werden. Es
wird bei Umgebungen mit Geräten eines Herstellers dazu geraten, das
herstellerspezifische Protokoll zu nutzen.
3.2 Ethernetbasierende Übertragungssysteme
Eine in vielen Unternehmen verfügbare Kommunikationsmöglichkeit stellt das
„Ethernet“ dar, welches mittlerweile fast überall, auch in Privathaushalten,
anzutreffen ist.
„Ethernet“ selbst basiert auf dem Standard 802.3 der „Institute of Electrical and
Electronics Engineers” (später nur „IEEE” genannt).
„Ethernet“ wird meistens in den Ausprägungen mit „TCP“ 13 und „UDP“ 14 verwendet.
IEEE 802.3 stellt dabei den grundlegenden Standard dar und verwendet das „OSI-
Referenzmodell“.
„Ethernet“ verwendet zur Kollisionsvermeidung innerhalb eines Segments, einer
sogenannten Kollisionsdomäne, den „CSMA/CD“-Algorithmus 15 . Wenn eine Kollision
während der Übertragung auftritt, warten beide Sender eine zufällige Zeit ab, bevor
sie erneut eine Übertragung beginnen. Kollisionen treten heutzutage nur noch in
älteren Netzen auf, wenn durch einen Hub mehrere Systeme zu einer
Kollisionsdomäne zusammen geschlossen sind. In modernen Infrastrukturen, wo die
Netzwerkverwaltung vollständig durch Switche geregelt wird, ist jede Verbindung
eines Switches zu einem Nachfolgegerät eine eigene Kollisionsdomäne. Ist das
nachfolgende Gerät ein Hub, so erstreckt sich die Kollisionsdomäne auf die an den
Hub angeschlossenen Systeme. „Ethernet“-Kabel sind auf eine Länge von 100 Meter
beschränkt.
13 „TCP“ - „Transmission Control Protocol“
14 „UDP“ - „User Datagram Protocol”
15 „CD” - „Collision Detection”
14

Eine industriellere Ausprägung des „Ethernets“ wurde mittels „EtherCAT“ geschaffen.
„EtherCAT“ setzt dabei auf Standard-„Ethernet“-Pakete, welche vom „Master“
kommend die „Slaves“ durchlaufen. Dabei beginnen die „Slaves“ die Verarbeitung
des Paketes, sobald sie Daten empfangen haben, welche für sie bestimmt sind.
Ebenso fügen sie bei Bedarf an den entsprechenden Stellen ihre eigenen
Prozessdaten für den „Master“ ein. In dieser Zeit kann ein nächster „Slave“ allerdings
schon mit der Bearbeitung seines eigenen Teils begonnen haben. Es wird ein
Verfahren ähnlich dem Summenrahmen des „Interbus“ verwendet.
„EtherCAT“ ist echtzeitfähig und kann Standard-„Ethernet“-Switche nutzen, die
Separierung der Netze „EtherCAT“ und „Ethernet“ wird allerdings angeraten.
Eine dritte Ausprägung über dem Standard „IEEE 802.3“ ist „Industrial Ethernet“.
Es kann allerdings auf andere Steckverbinder setzen, als das in Büros verbreitete
„Ethernet“ verwendet. Dies ist bedingt durch die möglicherweise feindlicheren
Umwelteinflüsse, welche die Anschlüsse beschädigen könnten. Deswegen kann
neben den „RJ45“-Ports bei „Industrial Ethernet“ auch ein neunpoliger
Steckverbinder mit Verschraubung genutzt werden. Dieser soll mehr Steckzyklen
besitzen, die Kontakte unabhängig von der Kabelschirmung isolieren und gegen
Verschmutzungen aufgrund kleinerer Öffnungen unempfindlicher sein.
15

4 Umstellung der aktuellen Verkabelungsstruktur auf
kabellose Technologien
4.1 Gründe für die Umstellung auf kabellose Technologien
Der Umstieg auf kabellose Technologien ist in vielen Bereichen schon lange
vollzogen, in der Anlagen- und Umweltüberwachung waren Umstiege bisher nur
schwer zu realisieren. Dies lag zum einen daran, dass die vorhandenen
Technologien nicht ausgereift waren und zum anderen daran, dass die vorhandenen
Systeme eine sehr große Akzeptanz besitzen.
Bei der Neuerrichtung eines autarken Überwachungssystems, sei es eine Anlage
oder eines Umweltüberwachungsnetzes können jedoch Funksysteme geprüft
werden, welche eine Kommunikationskabelverlegung, die mit teils erheblichen
Aufwendungen verbunden ist, überflüssig machen. Dabei sind jedoch die jeweils
gestellten Anforderungen zu beachten, damit das System weder über- noch
unterdimensioniert wird. Beide Fälle sind nicht zielführend. Eine genaue
Netzwerkplanung ist sowohl bei der Verwendung von „Ethernet“, als auch bei der
Verwendung von kabellosen Technologien notwendig.
Weiterhin bieten sich kabellose Technologien dort an, wo mehrere Gebäude
miteinander verbunden werden müssen. Dabei gewährleisten kabellose
Technologien die vorteilhafte galvanische Trennung der einzelnen Systeme. Auch
können damit Infrastrukturen, wie Flüsse oder Schienenwege überwunden werden,
welche eine Kabelverlegung schwer bis unmöglich machen.
4.2 Wie weit sind kabellose Technologien möglich?
Kabellose Technologien können an vielen Punkten in einer Kommunikation
Verwendung finden. Beim „WLAN“ ist dies meist die Kommunikation mit dem
Internet. Dabei wird das Drahtlosnetzwerk als Brücke zwischen dem Endgerät und
dem kabelgebundenen Internet verwendet. Dies trifft auch auf die Kommunikation mit
einem Mobiltelefon zu.
Eine reine Nutzung durch Kopplung zweier drahtloser Zugangspunkte ist ebenfalls
möglich. Dabei befinden sich an beiden Enden der Geräte kabelgebundene Systeme
und nur die Übertragung zwischen den beiden Kopplern geschieht drahtlos. In
diesem Modus können so viele Geräte miteinander verbunden werden, wie die
Übertragungskapazität der Koppler bereitstellt.
Eine andere Kommunikationsform ist der Aufbau einer Drahtlosübertragung
zwischen einem Endgerät und einem Steuergerät. Dabei wird für jedes Endgerät
16

eine eigene Kommunikation aufgebaut. In dieser Form können nur diese beiden
Geräte miteinander kommunizieren.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist die, welche mit einem zentralen Zugangspunkt
auskommt, auf den sich mehrere Endgeräte verbinden. Bei dieser Form müssen sich
alle Geräte die maximale Datenrate des zentralen Punktes teilen. Dies ist die
klassische Struktur für ein privates „WLAN“ mit einem zentralen Zugriffspunkt.
4.3 Grundlagen der Funkübertragung
4.3.1
Frequenzbetrachtungen
Grundlage der Betrachtung kabelloser Übertragungstechniken ist die
Funkdatenübertragung. Dafür werden bestimmte Funkfrequenzen genutzt. Es gibt
eine Reihe nutzbarer Frequenzen und Kanäle. Diese Kanäle und andere mit der
Übertragung zusammenhängende Parameter werden durch die Bundesnetzagentur
koordiniert und überwacht.
In den meisten Fällen werden Frequenzbänder genutzt, welche in vielen Ländern der
Erde frei nutzbar sind.
Das besonders für Datenübertragungen beliebte 2,4GHz-Band ist dabei als „ISM-
Band“ 16 festgelegt, darf aber für andere Dienste ebenfalls genutzt werden. Dabei
muss jedoch mit Störungen durch andere Geräte gerechnet werden.
Die Übertragung von „WLAN“ geschieht hauptsächlich im Bereich des 2,4GHz-
Bandes. Dieses Band ist in verschiedene Kanäle aufgeteilt. „WLAN“ darf mittlerweile
wieder im 5GHz-Band übertragen, dies wird jedoch von vielen Endgeräten noch nicht
unterstützt.
Ein Datenübertragungsstandard, welcher ebenfalls das 2,4GHz-Band nutzt, ist
„Bluetooth“. Dieses nutzt bis zu 79 Kanäle. In neueren Revisionen der „Bluetooth“-
Spezifikation wird nicht ein festgelegter Kanal verwendet, sondern Sender und
Empfänger springen synchron über verschiedene Frequenzen. Dies wird als
„Frequency-Hopping“-Verfahren bezeichnet. Dabei werden allerdings auch die
Kanäle genutzt, in welchen meistens ein „WLAN“ funkt. Um dies zu umgehen, setzen
neue Spezifikationen auf ein „Advanced-Hopping“, welches diese Kanäle ausspart
und dafür auf die höheren Kanäle ausweicht.
Ein anderes z.B. für Alarmanlagen verwendetes Frequenzband ist das 868MHz-
Band. Dieses ist ebenfalls in Deutschland unter Auflagen für die Datenübertragung
freigegeben.
16 „ISM” - „Industrial, Scientific, Medical“-Band
[5] vgl. online: „Bundesnetzagentur“, 2013, S. 1 (30.07.2013)
17

4.3.2
Reichweitenbetrachtungen
Die Reichweite einer Funkübertragung kann in vielen Fällen zwar berechnet werden,
aber eine korrekte Aussage über die erreichbare Entfernung kann nur ein Versuch
bringen. Für die Berechnung der Reichweite müssen viele Daten erfasst werden.
Dies sind neben der reinen Entfernung der Punkte auch die Beschaffenheit und
Zusammensetzung der Umgebung und andere Paramater, wie die Sende- und
Empfangsempfindlichkeit, die Abstrahlcharakteristik der verwendeten Dipole, sich
ändernde Umweltbedingungen und weitere. Auch die Freiheit der ersten Fresnelzone
ist für die Übertragungsqualität ausschlaggebend.
Ein weiterer Punkt ist die Ausrichtung der Antennen, denn Funkübertragungen finden
mit elektromagnetischen Wellen statt. Diese werden in einer Polarität ausgesandt
und möglicherweise mit einer anderen Polarität empfangen. Ebenso können durch
technische Maßnahmen Antennen eine Richtwirkung bekommen, um so nicht in alle
Richtungen gleichmäßig zu strahlen (omnidirektional) sondern gerichtet. Dies kann
mittels weiterer freier Dipole geschehen (z.B. Yagi-Antenne), oder mittels eines
abgestimmten Reflektors (z.B. Parabolantenne einer Satellitenempfangsanlage).
Ebenfalls bedacht werden kann die Beugungscharakteristik der Umgebung. So kann
es möglich sein, dass aufgrund eines Hindernisses zwar keine Sichtverbindung
besteht, wohl aber eine gute Übertragungsqualität aufgrund der Beugung der
Funkwelle auftreten kann. Auch Reflexionen der Funkwelle sollten in den meisten
Fällen bedacht oder sogar genutzt werden.
4.3.3
Regulierungsinstanz - Bundesnetzagentur
Die Bundesnetzagentur entstand im Juli 2005 aus der Umbenennung der
„Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post“. Sie regelt dabei nicht mehr
nur die Telekommunikation und Post sondern ist auch für die Elektrizität, Gas und
Eisenbahn zuständig. Sie legt dabei unter anderem Regeln für Unternehmen fest, um
den Wettbewerb zu fördern und um einen diskriminierungsfreien Zugang zu
Rufnummern und Frequenzen zu gewährleisten. Dies ist nur eine kurze Auswahl der
vielfältigen Aufgaben der Bundesnetzagentur.
Zu den betrachteten Aufgaben gehört unter anderem die Regulierung der
Funkfrequenzen. Ein Augenmerkt liegt dabei auf den Frequenzen, welche zur
digitalen Datenübertragung genutzt werden können. Dies sind, wie unter 4.3.1
angesprochen, die Frequenzbänder 2,4GHz und 868MHz, wobei erstgenanntes
allgemeinzugeteilt 17 ist. Dabei erstreckt sich das eine Band von 2400MHz bis
2483,5MHz und das zweite von 868,6 bis 868,7MHz.
17 [4] vgl. online: „Bundesnetzagentur“, 2013, S. 1 (30.07.2013)
18

Die Beschränkungen für „WLAN“ z.B. liegen bei 2,4GHz darin, dass nur mit einer
Leistung von 100mW gesendet werden darf. Diese Leistung darf nur bis zu einem
gewissen Antennengewinn eingesetzt werden. Ebenso regelt die Agentur die
Funknutzung eines Senders in einer sogenannten Belegungszeit („Duty Cycle“) des
Funkkanals. Bei der Verwendung von Geräten im 868MHz-Band sind es 10mW
Strahlleistung und eine maximale, relative Kanalbelegungszeit von unter einem
Prozent je Stunde 18 .
Sollten, durch eine zu hohe Sendeleistung eines Gerätes, andere Geräte gestört
werden, ist die Bundesnetzagentur berechtigt, dieses störende Gerät zu
beschlagnahmen.
Funknetzwerke innerhalb von Gebäuden sind nicht anmeldepflichtig,
Funkanwendungen über Grundstücksgrenzen hinweg müssen zwar bei der
Bundesnetzagentur angemeldet werden, bedürfen jedoch keiner speziellen
Genehmigung. 19
4.4 Vorteile
Die Vorteile der Funktechnologien liegen in der Verbindung mehrerer Geräte ohne
dafür ein Kabel zu benötigen. Dies trifft sowohl auf die Datenverbindung zwischen
verschiedenen System zu als auch auf die Verbindung innerhalb einer industriellen
Anlage. Bei den Datenverbindungen sind Funkschnittstellen gemeint, durch welche
sich ein entsprechend ausgerüstetes Endgerät frei in der Funkzelle bewegen und
kommunizieren kann. In industriellen Anlagen kann durch den Einsatz von
funkbasierten Systemen eine aufwendige Busverkabelung entfallen. Dies ermöglicht
es, Aufnahmeknoten möglichst nah an die prozessnahe Komponente und damit an
die physikalische Größe heranzuführen und benötigt dafür lediglich eine
Energieversorgung.
Ebenso bieten viele Lösungen die Möglichkeit, einzelne Messknoten in einen Modus
zu versetzen, welcher von anderen Knoten ankommende Nachrichten weiterleiten
kann. Dadurch lässt sich sowohl die räumliche Abdeckung erhöhen als auch eine
mögliche Redundanz aufbauen.
Weiterhin sind in vielen industriellen Betrieben firmeninterne „WLANs“ verfügbar.
Diese können für die verteilte Datenerfassung gegebenenfalls mit genutzt werden.
Beim Einsatz von speziellen, auf die zu nutzenden Frequenz abgestimmten
Richtantennen können weite Entfernungen überbrückt werden. Dabei sind die
regulatorischen Beschränkungen seitens der Bundesnetzagentur zu beachten.
Ebenso können funkbasierte Systeme in Gebäuden eingesetzt werden, in denen
bauliche Veränderungen, wie z.B. Kabeldurchbrüche nicht neu angelegt werden
18 [5] vgl. online: „Bundesnetzagentur“, 2013, S. 3 (30.07.2013)
19 [6] vgl. online: „NI“, 2011 S. 31 (19.08.2013)
19

dürfen. Ein einfaches, verteiltes Messsystem kann somit schnell in einem Gebäude
aufgebaut werden, in dem nur die einzelnen Stationen mit Energie versorgt werden
müssen, ein Aufbau des Netzwerkes geschieht nach vorheriger Konfiguration in der
Regel selbstständig.
4.5 Nachteile
Nachteile von funkbasierter Datenübertragung sind die Störung anderer Geräte bzw.
die Störung durch andere Geräte. In einem solchen Fall ist der Wechsel des
Funkkanals eine Möglichkeit zur Störungsverminderung. Eine andere Möglichkeit
besteht in der Suche nach der Fehlerquelle und unter bestimmten Umständen eine
Meldung an die Bundesnetzagentur.
Ebenfalls nachteilig wirkt sich die Verwendung von breiten Bändern aus. Dadurch
werden die verschiedenen benachbarten Kanäle möglicherweise gestört. Für
„WLAN“ bedeutet dies drei sich nicht gegenseitig störende Netzwerke. Sollen mehr
als diese Anzahl betrieben werden, ist eine sorgfältige Planung der Netzbetreiber von
Nöten.
Ein weiterer Nachteil ist, dass viele Funknetzwerke einen zentralen Zugriffspunkt
verwenden. Fällt dieser Zugriffspunkt aus, bricht in den meisten Fällen die gesamte
Kommunikation zusammen. Eine Redundanz bieten zwar manche Systeme, aber der
Regelfall sind sie noch nicht.
Funkbasierte Systeme können mittels eines Störsenders in ihrer Funktionalität
eingeschränkt werden. Der Einsatz solcher Störsysteme ist jedoch in Deutschland
streng limitiert bzw. verboten. Weiterhin überschreiten solche Geräte im Regelfall die
durch die Bundesnetzagentur festgelegten Grenzwerte für Sendeleistung und
Antennengewinne, um ihre Funktion erfüllen zu können.
20

5 Vorstellung verschiedener Kabellostechnologien zur
Anlagen- und Umweltüberwachung
5.1 „Bluetooth“
„Bluetooth“ basiert auf dem Übertragungsstandard „IEEE 802.15.1“. „802.15“ ist eine
Sammlung von Datenübertragungsstandards, welche mit wenig Energie auskommen
können.
„Bluetooth“ verwendet das „ISM-Frequenzband“ bei 2,4GHz. Es nutzt bis zu 79
Kanäle, welche überlappungsfrei und damit störungsfrei arbeiten können.
„Bluetooth“ verwendet ein Frequenzsprungverfahren, um Kollisionen zu vermeiden.
Ab Version 1.2 wird ein adaptives Frequenzsprungverfahren verwendet, um
dauerhafte Kollisionen mit anderen Funkteilnehmern zu vermeiden. Dabei springen
die Geräte synchron zwischen den Frequenzen um pro Kanal eine möglichst kurze
Belegungszeit zu erzielen. Bei diesem Verfahren allerdings werden die oft von
„WLAN“ genutzten Kanäle ausgespart, was zu einer häufigeren Belegung der
anderen Kanäle führt. Mehrere „Bluetooth-Geräte“ können jedoch uneingeschränkt
nebeneinander betrieben werden.
Mittels Rundstrahlantennen sollen Reichweiten von bis zu 100m zu erreichen sein.
Die Sendeleistung für ein Gerät kann bis zu 100mW betragen.
„Bluetooth-Systeme“ können dabei ein Netzwerk mit einer unterschiedlichen Zahl an
Teilnehmern aufbauen.
5.2 „ZigBee“
„ZigBee“ basiert auf dem „IEEE“ Standard „802.15.4“.
Der „ZigBee“-Standard definiert dabei nur die untersten beiden Schichten des OSI-
Referenzmodells. Übergeordnete Schichten werden durch die verschiedenen
Protokollaufsätze generiert. Dies bedeutet, dass sowohl das „Network Layer“ als
auch alle Schichten darüber jeweils durch die Protokolle festgelegt werden.
Es wird in den meisten Fällen ebenfalls das Frequenzband ab 2,4GHz genutzt.
Einzelne Herstellerlösungen setzen allerdings auch auf andere Frequenzen wie z.B.
868MHz. Aufgrund der im Standard niedrig festgelegten Sendeleistung wird die
Reichweite meist mit ca. 100 Metern im Außenbereich angegeben. Die realen
Entfernungen hängen allerdings vom konkreten Einsatzort ab.
„ZigBee“ verwendet im 2,4GHz-Band überlappungsfrei die Kanäle 11 bis 24. Die
Spezifikation verwendet damit Kanäle, welche nicht für „WLAN“ zur Verfügung
stehen.
Für die Übertragung bei „ZigBee“ müssen in der Regel Kanäle festgelegt werden.
21

Die Datentransferrate liegt bei 250 kBit/s und Sendeleistungen variieren herstellerund
regionsabhängig bis zu 100 mW.
Der „ZigBee“-Standard kennt drei Geräteklassen: einen Koordinator, von vielen
Herstellern auch als Gateway bezeichnet, und zwei Endgeräte: das
vollfunktionsfähige Gerät und das vermindert funktionsfähige Gerät.
Vollfunktionsfähige Geräte („Fully Functional Device“) stellen dabei sowohl Ein- und
Ausgabekanäle zur Verfügung als auch die Funktion, Daten entfernterer Geräte
weiterleiten zu können. In dieser Funktion werden sie auch oft als „Router“
bezeichnet. Diese Geräte sollten extern versorgt werden, da sie aufgrund ihrer
Funktionalität permanent Senden und Empfangen können müssen.
Das vermindert funktionsfähige Gerät („Reduced Functional Device“) stellt jedoch nur
Ein- und Ausgabekanäle zur Verfügung. Dafür besitzt dieses in der Regel einen
niedrigeren Energieverbrauch als andere Netzteilnehmer. Wird gerade keine
Kommunikation benötigt, können diese Geräte die Funkschnittstelle deaktivieren und
dadurch Energie sparen.
Eine Ausprägung von „ZigBee“ sind „WSNs“ 20 . „WSNs“ verwenden den „ZigBee“-
Standard um darauf ein Netzwerk für viele Sensoren aufbauen zu können. „WSN“
selbst ist kein Standard, sondern eine von vielen Herstellern verwendete
Typenbezeichnung für die Geräte. „WSN“-Systeme sind maschenfähig. Dies
bedeutet, dass von einem Endknoten verschiedene Wege zum Koordinator möglich
sein können. Diese verschiedenen Wege werden durch den gezielten Einsatz
mehrere Router ermöglicht.
5.3 „WirelessHART“
„WirelessHART“, auch „WHART“ genannt, basiert ebenfalls auf der „ZigBee“-
Technologie. Dabei werden die oberen Schichten des OSI-Referenzmodells durch
die „HART Communication Foundation“ definiert. Diese sorgen dafür, dass die
kabellosen Geräte mit den kabelgebundenen kompatibel sind. „WirelessHART“ geht
noch einen Schritt weiter als das „ZigBee“-Protokoll, indem sie durch den Einsatz
mehrerer Koordinatoren dem Funknetz eine gewisse Redundanz hinzufügen.
Ebenso können viele „HART-Geräte“ als Router genutzt werden, um zusätzliche
Redundanzen innerhalb des Netzes zu erzeugen.
Weiterhin setzt „HART“ im Gegensatz zu „ZigBee“ auf eine dynamische
Kanalauswahl und nutzt dazu ein Verfahren namens „Frequency Hopping Spread
Spectrum“.
20 WSN - Wireless Sensor Network
22

5.4 „WLAN“
„WLAN“ basiert auf dem „IEEE“-Standards „802.11“. Dabei sind in der Zeit seit der
ersten Veröffentlichung mehrere neue Standards definiert wurden. Es begann mit
„802.11a“, wurde fortgeführt über „802.11b“ und dem immer noch populären
„802.11g“ bis hin zum Standard „802.11n“, welcher mittlerweile den Markt
durchdringt und gipfelt aktuell in der Einführung von „802.11ac“. Dabei wurde die
Datenübertragungsrate kontinuierlich gesteigert. Während „11g“ noch mit 54MBit/s
funkt, wurden per „11n“ schon bis zu 150MBit/s je Datenkanal möglich. Ebenso
unterstützt „11n“ die Bündelung mehrerer Datenkanäle, wodurch ein Vielfaches
dessen zu erreichen war. „11ac“ überträgt aktuell bis zu 1300MBit/s und soll bis zu
6900MBit/s leisten können, wobei die Markteinführung der ersten Geräteklasse zum
Verfassungszeitpunkt stattfindet. Zu beachten ist jedoch, dass dies die maximale
Datenrate des Zugangspunktes ist. Diese Raten teilen sich die einzelnen Geräte und
die Rate der übertragenen Daten sinkt, wenn eine zusätzliche Verschlüsselung
aktiviert wird.
Viele aktuelle WLANs senden ebenfalls auf dem 2,4GHz-Band, die älteren Systeme
nach „11a“ senden zwar im 5GHz-Band, allerdings findet dieser Standard kaum noch
Verwendung. Im „11n“-Standard wurde das 5GHz-Band neu definiert. Dieses Band
soll bevorzugt verwendet werden.
Die Funkkanalwahl geschieht bei einem Großteil der Geräte statisch, da nur wenige
den automatischen Frequenzwechsel während einer Übertragung unterstützen. Weit
verbreitet ist jedoch in Zugangspunkten die Technologie, anderen, vorhandenen
Funknetzwerken auszuweichen und sich einen bis dahin möglichst wenig belegten
Kanal zu wählen. Dies geschieht meist, wenn keine Geräte verbunden sind.
Die Sendeleistungen von „WLANs“ werden durch die Bundesnetzagentur festgelegt
und überwacht. So dürfen „WLAN-Geräte“ beim Senden auf 2,4GHz nur eine
Sendeleistung von 100mW verwenden, wenn zusätzlich ein Antennengewinn von 20
dBi erzielt werden kann. Im 5GHz-Bereich beträgt die maximale Sendeleistung 1000
mW.
23

5.5 Vergleich der Technologien
Bluetooth ZigBee/WSN WHART WLAN
IEEE-Standard 802.15.1 802.15.4 802.15.4 802.11
Frequenzen 2,4GHz 868MHZ, 2,4GHz 2,GHz, 5GHz
(Auswahl)
2,4GHz
Sendeleistung bis 100mW 10-100mW 1-10mW 100-1000mW
Übertragungsrate 2MBit/s 250kbit/s 250kbit/s 1300MBit/s
Topologie Stern, Masche Stern, Stern, Stern, Masche
Masche Masche
Reichweite Bis 100m bis zu 7000m Bis 100m Bis 300m
(Angabe)
Offenheit Ja Ja Nein Ja
Tabelle 2 - Vergleich verschiedener Funktechnologien
24

6 Prüfen der Anforderungen der Anlagen- und
Umweltüberwachung an kabellose Technologien
6.1 Problembetrachtung kabelloser Technologien
Nicht jede Kommunikation lässt sich auf kabellose Technologien umsetzen. Die
Anlagen- und Umweltüberwachung setzt bestimmte Anforderungen voraus, welche
die Technologien entweder erfüllen können oder für den Einsatz nicht brauchbar
machen.
Wie in vorrausgegangenen Kapiteln erwähnt, kann es bei funkbasierten Systemen zu
einem Verlust eines Datenpaketes kommen, wodurch möglicherweise eine gestellte
Zeitanforderung an das System nicht erfüllt werden kann. Dabei ist stets zu
beachten, dass dies zwar auch bei kabelgebundenen Technologien auftreten kann,
doch sind diese in den meisten Fällen vor einem Angriff von außen, wie durch einen
Störsender, geschützt. Der physische Schutz der Kommunikationsinfrastruktur sollte
sichergestellt werden.
Weiterhin sind auch bestimmte Sicherheitsaspekte beim Einsatz zu beachten.
Je nach verwendeter Drahtlostechnologie ist es auch möglich, dass die Menge an zu
übertragenden Daten die Transferleistung des Funknetzwerkes übersteigt. Dies ist
bei der Planung eines Systems unbedingt zu beachten.
Ebenso schränken manche Standards aufgrund ihrer Ausrichtung die
Abfrageintervalle entsprechend ein bzw. werden die Geräte durch die Hersteller
entsprechend energiesparend konzipiert, wodurch die Verarbeitungsleistung für hohe
Datenraten nicht gegeben ist.
6.2 Umrüstung/Erweiterung durch kabellose Technologien
Der Einsatz funkbasierter Systeme hängt stets von den speziellen Gegebenheiten
ab. Eine Umrüstung ist in den wenigsten Fällen sinnvoll, sofern schon eine
funktionsfähige Infrastruktur existiert. Die Umrüstung bedeutet einen mehrfachen
Aufwand.
Die Erweiterung durch funkbasierte Technologien ist jedoch im Einzelfall zu prüfen.
Entscheidend an dieser Stelle ist auch, wie aufwendig die Erweiterung der
vorhandenen Infrastruktur ausfallen würde.
Ebenso ist bei einer Ausrüstung zu beachten, welche Anzahl an Teilnehmern in das
aufzubauende Funknetz integriert werden müssen. Diese teilen sich stets die
maximal zur Verfügung stehende Bandbreite des zentralen Elements. Auch sind
viele Geräte in der maximalen Teilnehmeranzahl beschränkt.
25

6.3 Neuausrüstung mit zentraler Kabelinfrastruktur oder mit
verteilten kabellosen IO-Systemen
Wie bei einer Erweiterung sind auch bei einer Neuausrüstung die verschiedenen
Anforderungen an das geplante System zu definieren und entsprechend dem System
anzupassen. Dabei ist neben der Planung der verschiedener Komponenten auch ein
Kommunikationskonzept erforderlich. In dieses müssen sowohl die Art der
Datenerfassung, deren benötigte Abtastfrequenz, die Abstände verschiedener
Erfassungskomponenten und die dafür benötigte Echtzeitfähigkeit der Komponenten
eingetragen werden. Anhand dieses Konzeptes kann eine Entscheidung getroffen
werden, ob die Kommunikation über Funk geschehen kann oder ob ein Bussystem
geplant und verwendet werden muss.
Bei einer Neuausrüstung einer Anlage sollte ein Standard verwendet werden. Eine
Kombination verschiedener Standards kann die Komplexität der
Überwachungsanlage unnötig erhöhen. Sollte es sich jedoch ergeben, dass eine
Kombination notwendig ist, sollte diese entsprechend der realen Notwendigkeit
ausgelegt werden. Eine Kombination verschiedener Technologien muss nicht immer
ein Bussystem bedeuten. Es kann auch bedeuten, dass eine zentral arbeitende
Station über mehrere IO-Baugruppen für Signale aus ihrer Nähe verfügt und entfernt
befindliche IO-Knoten mittels einer Funktechnologie angeschlossen werden.
6.4 Prüfung individueller Gegebenheiten
6.4.1
Kommunikationsgrundlage vollflächig vorhanden
Sollte aufgrund einer gut ausgebauten IT-Infrastruktur im gesamten Bereich, welcher
durch das System abgedeckt werden soll, eine Verkabelung vorhanden sein und
diese darf für das Überwachungssystem verwendet werden, so ist eine Nutzung
diese von Vorteil. Der Aufwand der Verkabelung beschränkt sich auf die Verbindung
der Anlage mit der Infrastruktur und auf den zentralen Kabelverteiler, in welchem sich
ein entsprechendes Erfassungssystem befinden kann.
Das Gleiche gilt für eine alte Busverkabelung. Wenn die Kabel physisch noch den
Ansprüchen der neuen Anlage genügen, kann auch auf diese für eine neue Nutzung
zurückgegriffen werden. Eine Neuausrüstung ist in den meisten Fällen sehr
kostenintensiv.
26

6.4.2
Kommunikationsgrundlage teilweise vorhanden
Als teilweise vorhandene Grundlage wird angesehen, dass bestimmte Anlagenteile
schon mit einer Kommunikationsinfrastruktur ausgerüstet sind, andere Teile dagegen
nicht. Jedoch besteht jetzt bei diesen Teilen der Bedarf einer Überwachung. Analog
träfe dies auf die Umweltüberwachung zu, wo ein Teil der Sensoren schon mittels
eines Kabelsystems angeschlossen sind, andere Messstellen jedoch noch durch
einen Bediener abgelesen werden und diese mit dem neuen System verbunden
werden sollen.
Es ist in beiden Fällen zu prüfen, ob der Aufbau eines neuen Systems sinnvoll ist.
Eine Erweiterung kann genügen, wenn die vorhandene Infrastruktur noch nicht
ausgelastet ist und mit den zusätzlichen Komponenten auch keine Überlastung
entstehen kann. Sollte das bestehende System jedoch schon an einer
Leistungsgrenze sein, so wäre der Aufbau eines neuen Kommunikationssystems
parallel zum alten System sinnvoll. Dies bietet neben der Redundanz auch den
Vorteil, dass das neue System unter Umständen das ältere System ablösen kann. In
der Umweltüberwachung ist abzuwägen, ob die neu anzubindenden Messstellen
aufgrund einer großen räumlichen Entfernung ohne ein Kabelsystem sondern mit
einer Inselversorgung ausgerüstet werden können.
6.4.3
Bauwerk darf nicht verändert werden
Bei manchen Gebäuden bestehen die Einschränkungen, dass sie baulich nicht
verändert werden dürfen. Dies kann sowohl bedeuten, dass für das
Kommunikationssystem keine neuen Wanddurchbrüche oder ähnliches geschaffen
werden dürfen, als auch, dass vorhandene Infrastruktur nicht genutzt werden darf.
In Abhängigkeit von den erwähnten Parametern kann dann in solchen Fällen ein
Funknetzwerk gut etabliert werden, da dann nur das Überwachungssystem zu
installieren ist. Dieses System muss sich jedoch flexibel den baulichen
Gegebenheiten anpassen.
6.4.4
Freifläche
Freiflächen eigenen sich in den meisten Fällen gut für eine funkbasierte
Datenübertragung. Dies liegt daran, dass der größte Dämpfungsgrad bei
Funktechnologien - feste Wände - auf Freiflächen selten auftreten.
Bäume und ähnliche Gegenstände dämpfen zwar das Signal, jedoch nicht so stark
wie eine massive Wand.
27

Generell werden auch die Reichweiten von Funksystemen über einer Freifläche
angegeben, da diese vergleichbar ist.
Für eine Umweltüberwachungsanlage hat die Verwendung von funkbasierten
Technologien einen weiteren Vorteil. Werden die Messstellen ohne Kabel
angebunden, geschieht gleichzeitig eine galvanische Trennung. Fahrzeuge,
Menschen oder auch Tiere können keine Kabel beschädigen.
Bei einer Außeninstallation ist ein entsprechender Schutzgrad der Komponenten
vorzusehen.
28

7 Vergleich der Technologien
7.1 Klassische Anlagen mit Kabelbussen
Systeme mit seriellen Bussen werden von vielen Unternehmen angeboten. Dabei
unterscheiden sich die Systeme in der Handhabung der Busse teilweise deutlich
Viele Hersteller verwenden den „Übertragungsstandard“ - „RS-485“ - auf den
verschiedene Protokolle aufsetzen. So nutzt z.B. die Firma „Gantner Instruments
GmbH“ sowohl einen „Profibus“ für die Kommunikation mit den Modulen, wenn sie
durch ein Fremdsystem gesteuert und überwacht werden, als auch ein eigenes
Protokoll namens „LocalBus“, wenn sie in einer reinen „Gantner Instruments“-
Umgebung eingesetzt werden.
In eine Anlage mehrere verschiedene Hersteller einzubinden erweist sich im
Regelfall als kompliziert, da die Hersteller die Protokolle leicht unterschiedlich
implementiert haben können.
Auch „Siemens“-Systeme setzen auf einen seriellen Bus zur Kommunikation. Dabei
ist es irrelevant, ob das Modul mit der SPS 21 auf einer Profilschiene angeordnet ist
oder mittels eines Buskabels in einer großen Entfernung installiert ist. Die
Kommunikation zwischen diesen Systemen ist die gleiche.
Andere Systeme, wie das oben erwähnte „HART-Protokoll“ nutzen die vorhandene
analoge Sensorverkabelung, um darauf digitale Werte weiterleiten zu können.
7.2 Verschiedene Wireless-Technologien
Für die Auswahl eines geeigneten Funknetzwerkes werden folgende Kriterien
festgelegt:
Niedriger Energieverbrauch
Redundanter Aufbau möglich
Hohe Reichweite
Offen für Systeme von Fremdherstellern
Funknetze mit möglichst geringer Störung
Wie in „Tabelle 2 - Vergleich verschiedener Funktechnologien“ ersichtlich, erfüllen
die Systeme auf Basis von „ZigBee“ in der Verwendung als „WSN-Systeme“ die
gestellten Forderungen und werden daher für weitere Betrachtungen herangezogen.
Dabei folgt eine Aufstellung verschiedener Herstellerimplementierungen für „WSN-
Systeme“.
Ausgewählt wurden dafür die „WSN-Systeme“ der Firmen „Advantech“, „Libelium“,
„National Instruments“ und „Newsteo“.
21 SPS - Speicherprogrammierbare Steuerung
29

7.3 Vergleich und Vorstellungen der Technologien
7.3.1
„Advantech 2000-Serie“
„Advantech“ gibt die Frequenzen für die „2000er“ Serie mit 2,4-2,4835GHz an. Somit
fallen diese Geräte in das lizenzfrei nutzbare ISM-Band. Es werden dabei die Kanäle
11-26 genutzt.
Es ist eine Auswahl verschiedener Geräte verfügbar. Den Koordinator des Systems
stellt ein „ModBus RTU“-Gateway zur Verfügung. Über dieses Gateway lassen sich
die Module abfragen 22 . Weiterhin verfügbar sind ein „ZigBee“-Router und mehrere
Endgeräte. Diese können acht digitale Eingänge besitzen oder einen
Luftfeuchtigkeits- und -Temperaturmesser. Auch ein analoges Eingangsmodul mit
sechs Kanälen ist in Planung.
Der Energieverbrauch bei einer Speisespannung von 24V wird mit bis zu 800mW
angegeben. Die Geräte können alternativ mittels zweier AA-Batterien versorgt
werden. Der Energieverbrauch soll dabei unter dem der externen Versorgung liegen.
Der Temperaturbereich beträgt bei externer Versorgung -20..70°C und bei
Batterieversorgung 0..50°C. 23
7.3.2
„Libelium WASPMote“
Das „WASPMote“-System der Firma „Libelium“ ist modular aufgebaut. Es kann je
nach Anwendungsfall gewählt werden, mit welcher Verbindungstechnologie sich ein
System in ein vorhandenes Netzwerk verbinden soll. Zur Verfügung stehen dabei
WLAN-Chips, Chips für eine mobile Internetverbindung nach dem „UMTS-Standard“,
oder auch verschiedene Module für eine Verbindung mit einem „ZigBee“-Netzwerk.
Dabei können sowohl die Frequenzen 868MHz als auch der Bereich von 2,4GHz
genutzt werden. Auf einem „WASPMote“ können zwei Funkmodule aufgesteckt
werden. Ein Sensornetzwerk kann auch mit einer „Bluetooth“-Erweiterung aufgebaut
werden. Die „WASPMotes“ besitzen zwar zwei Steckplätze für
Kommunikationsmodule, jedoch haben diese eine unterschiedliche Bauform. Der
zweite Steckplatz ist für die Verwendung der Mobilfunksysteme vorgesehen. Ein
Erweiterungsboard, um dort auch andere Module aufstecken zu können ist
verfügbar. 24
Weiterhin unterstützen „WASPMotes“ auch ein „Meshlium“ genanntes System, auf
welchem die Messwerte verschiedener Systeme gesammelt werden können.
22 [7] vgl. online: „Advantech“, (23.07.2013)
23 [8] vgl. online: „Advantech“, (23.07.2013); [9] vgl. online: „Advantech“, (23.07.2013)
24 [10] vgl. online: „Libelium Comunicaciones Distrubuidas S.L.“, 2013, S. 14 (23.07.2013)
30

Ebenfalls lässt sich pro „WASPMote“ ein Erfassungsboard aufstecken. Dieses Board
ist die Schnittstelle zwischen dem „Mote“ und den angelegten Signalen. Das
Sortiment an Erweiterungsboards umfasst dabei neben analogen Systemen für z.B.
Einheitssignale auch schon fertige Sensoren wie z.B. eine Überwachungskamera mit
Infrarotblitz.
Auch bietet das Systemboard selbst schon viele Schnittstellen. So sind analoge
Eingänge, digitale Ein- und Ausgänge sowie verschiedene Busse vorhanden. Die
Busse sind 2 UARTs, 1 I²C-Bus sowie USB und SPI. Die Boards besitzen einen
eingebauten Sensor für die Systemtemperatur und einen Beschleunigungssensor.
Für „ZigBee“ im Frequenzband von 2,4GHz sind zwei Kommunikationsaufsätze
verfügbar. Diese beiden Aufsteckmodule unterscheiden sich durch ihre
Sendeleistung und ihre Empfangsempfindlichkeit. Das schwächere Modul bietet eine
Sendeleistung von 2mW und eine Empfindlichkeit von -96dBm und soll damit bis zu
500m weit senden und empfangen können. Das stärkere Modell bietet hingegen eine
Sendeleistung von bis zu 50mW bei einer Empfindlichkeit von -102dBm und soll laut
Datenblatt bis zu einer Entfernung von 7 Kilometer eine Verbindung aufbauen
können. 25
Das 868MHz-„Zigbee“-Modul bietet bei einer Sendeleistung von bis zu 315mW und
einer Empfindlichkeit von -112dBm eine Reichweite von bis zu 12 Kilometer.
„WASPMotes“ können sowohl als Endknoten betrieben werden oder als „Zigbee“-
Router. Ebenso bieten die „Motes“ selbst schon eine getrennte Energieversorgung
an, welche automatisch zwischen externer Versorgung, Batterieversorgung oder
Solarversorgung umschalten kann.
7.3.3
„National Instruments WSN“
„WSN“-Module von „National Instruments“ gibt es ebenfalls in verschiedenen
Varianten. Grundsätzlich lässt sich das Produktspektrum in zwei Kategorien
unterteilen: nichtprogrammierbare Knoten und programmierbare Knoten. Dabei ist zu
beachten, dass die Auswahl bei den programmierbaren Knoten höher ist, als bei den
nicht programmierbaren.
Gleich sind die Knoten dahingehend, dass sie mindestens zwei digitale Ein- bzw.
Ausgänge besitzen. Die Kanäle können einzeln bedarfsentsprechend konfiguriert
werden.
Die nichtprogrammierbaren Messknoten besitzen wahlweise einen Anschluss für
eine Voll- bzw. Halb- oder Viertelbrücke bzw. zur RTD-Messung, vier analoge
Spannungseingänge mit verschiedenen Empfindlichkeiten oder Eingänge für bis zu
vier Thermoelemente nach den verschiedenen Standards. Auch diese lassen sich
25 [10] vgl. online: „Libelium Comunicaciones Distrubuidas S.L.“, 2013, S. 3 (23.07.2013)
31

konfigurieren. Das vierte nichtprogrammierbare Modul besitzt vier Kanäle für eine
Spannungs- oder Widerstandsmessung.
Die programmierbaren Knoten besitzen die gleiche grundlegende Funktionalität wie
die nichtprogrammierbaren, mit dem Unterschied, dass auf diese Knoten eine
Software aufgespielt werden kann, mit der sich die Daten schon auf dem Knoten
selbst verarbeiten lassen. Weiterhin ist das Produktspektrum an programmierbaren
Knoten um zwei Produkte reicher: serielle Knoten mit jeweils einem Port nach den
Standards „RS-232“ oder „RS-485“. Dabei können diese Knoten in verschiedenen
Modi betrieben werden, denn auch diese besitzen zwei digitale IO-Kanäle.
„National Instruments“ gibt die Sendeleistung der Module mit bis zu 50mW für die
Vereinigten Staaten und mit bis zu 10mW für den Rest der Welt an. Die
Kommunikationsreichweite soll dabei bis zu 300 Meter betragen. 26
Mit Energie werden die auf dem 2,4GHz-Band sendenden Module extern versorgt.
Dabei besitzen sie einen Spannungseingang von 5...30V. Sie können jedoch auch
mit vier AA-Batterien bis zu drei Jahren versorgt werden. Dabei setzt „National
Instruments“ mit dem „WSN“ strikt die Energiesparanforderungen der zu Grunde
liegenden Standards durch.
Die Module sind in einem Temperaturbereich von -40..70°C einsetzbar und sind
stoßfest bis 50G bzw. 5G vibrationsunempfindlich.
Für das „WSN“ von „National Instruments“ werden drei Koordinatoren angeboten,
welche einen jeweils anderen Leistungsumfang besitzen. Eines der Gateways ist ein
reiner Übertrager vom „WSN“ auf Ethernet, ein anderes Gateway besitzt einen
integrierten Echtzeitprozessor und das dritte Gateway ist zum Einbau in ein
„CompactRIO“-Echtzeitsystem gedacht.
„National Instruments“ nutzt für die Umsetzung des „WSNs“ als Grundlage den „IEEE
802.15.4-Standard“ und darauf aufbauend Technologien von „Zigbee“. Die obersten
Schichten jedoch sind selbst entwickelt und schirmen das Funknetzwerk vor den
Zugriffen anderer ab, um Störungen zu umgehen.
Der Netzaufbau erfolgt nach der Konfiguration des Koordinators automatisch.
7.3.4
„Newsteo“ Datenmodule
„Newsteo“ setzt bei den Modulen auf eine Vielzahl an Produkten. Dabei wird durch
die große Anzahl verschiedener Systeme eine sehr große Anzahl an Sensoren
abgedeckt. Es sind sowohl Funkmodule mit analogen Eingängen, digitalen
Eingängen als auch Module verfügbar, an welche direkt Spezialsensoren wie
Windsensoren oder Globalstrahlungssensoren angeschlossen werden können 27 .
26 [3] vgl. online: „National Instruments“, 2012, S. 45 (29.07.2013)
27 [11] vgl. online: „Newsteo“ (23.07.2013)
32

Weiterhin bietet „Newsteo“ einen Koordinator an, welcher mittels einer seriellen
Kommunikation und dem „ModBus“-Protokoll abgefragt werden kann. Die
Kommunikation zwischen dem Leitsystem und dem Modul geschieht wahlweise über
„RS-232“ oder „RS-485“.
Ein weiterer Koordinator des Netzwerkes basiert auf Ethernet und kann darüber
durch ein Leitsystem abgefragt werden. Der Energieverbrauch ist abhängig von der
anzuschließenden Sensorart und wird bei 12V mit bis zu 100mA angegeben.
Die Funksysteme von „Newsteo“ sind mittels IP65 gegen Außeneinflüsse geschützt.
Bei Bedarf sind diese Module auch mit IP 50 erhältlich.
7.3.5
Zusammenfassung
Advantech Libelium NI WSN
Newsteo
2000 ZigBee
Energieversorgung
Netz oder Netz/ Batterie/ Netz/ Batterie Netz
Batterie Solar
Sendestärke Keine 2..50mW 10..100mW Keine Angabe
Angabe
Protokoll ZigBee ZigBee ZigBee+Aufsatz k.A. 28
Redundanz Durch Router Durch Router Durch Router ja
Programmierbarkeit
Nein Ja Ja Nein
Analog Ja 7AI V, RTD, Brücke, TC V
Digital ja 8 Digital I/O DI, DO, TTL DI
Busse Nein 2 UART, I²C, RS-232, RS-484 RS-232
SPI
Reichweite Bis zu 1000m Bis zu 7000m Bis zu 300m Bis zu 900m
(Angabe)
sonstiges ModBus
Koordinator
Frei
kombinierbar
Kombiknoten Datenlogger
Tabelle 3 - Zusammenfassung Sensornetzwerke
Wenn in der Anlagen- und Umweltüberwachung auf die Echtzeitfähigkeit der
Komponenten verzichtet werden kann, so erfüllt das „WSN“-System von „National
Instruments“ die Anforderungen an ein solches System. Es wird für weitere Tests
und Validierungen eingesetzt.
28 k.A. - keine Angabe
33

8 Vergleich Eigenschaften „NI WSN“ mit Anforderungen
an Anlagen- und Umweltüberwachung
Dieses wird beispielhaft für die weitere Bearbeitung des Themas verwendet. Die
aufgezeigten Versuche sind auch mit anderen Systemen wiederholbar.
Die programmierbaren Knoten bieten zwar eine Abtastung im Teilbereich von
Sekunden, jedoch kann aufgrund der geringen Übertragungsrate nicht jeder
Messwert sofort übertragen werden. Die Messwerte können während der
Verarbeitung im „WSN“-Knoten schon entsprechend auf Grenz- und
Sinnfälligkeitswerte überprüft werden und eine entsprechende Meldung des
Wertzustands bei Grenzverletzung übertragen werden.
Weiterhin sind die Geräte im Endgerätemodus (vermindert funktionsfähiges Gerät)
sehr sparsam, da sie die Funkschnittstelle komplett abschalten und nur zum
Sendeintervall aktivieren.
Die Abtastungs- und Übertragungszeit von nichtprogrammierbaren Knoten ist sowohl
abhängig von der Konfiguration, welche im Koordinator hinterlegt wird als auch von
der gesamten Netzausdehnung.
Die „WSN“-Systeme können aufgrund ihrer hohen Funkreichweite gut im Feld
eingesetzt werden. Die Energieversorgung kann sowohl extern erfolgen als auch
über einen langen Zeitraum über Batterie, mehr dazu im Kapitel 10 Messung
Energieverbrauch.
Die Module können ebenso Sensoren mit Energie versorgen, sofern deren
Leistungsaufnahme eine Grenze von 50mA bei 12V nicht überschreitet. Dies ist auch
bei der Energieversorgung über eine Batterie der Fall.
Für den Einsatz im Feld muss aber in jedem Fall eine Umbauung um den Knoten
angebracht werden, da seine Schutzklasse nur für den Einsatz in geschützten
Umgebungen ausreicht.
Weiterhin sind die Knoten für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen
einsetzbar, sofern keine mechanischen Steckvorgänge ausgeführt werden. Dies
betrifft den Einsatz in „Zone 2” gefährdeten Gebieten. In diesen Gebieten herrscht
unter normalen Betriebsabläufen keine Explosionsgefahr, jedoch kann diese
kurzzeitig auftreten.
Nach nordamerikanischem System ist der Einsatz in Umgebungen, wo die
„zündfähige Konzentration entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten [..]
wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf[tritt]“ 29 , zulässig.
29 [12] „PHOENIX CONTACT“ S. 15
34

9 Vorstellung der Typen „NI WSN“
9.1 „National Instruments Wireless Sensor Network“
Das „National Instruments Wireless Sensor Network“ besteht aus verschiedenen
Elementen. Dies betrifft sowohl die Funktionsknoten als auch die Koordinatoren,
welche vom Hersteller „Gateway“ genannt werden.
Eine Auflistung der verschiedenen Systeme und deren Spezifikationen bieten die
folgenden beiden Tabellen:
Name Anschlüsse Anzahl DigitalIO Programmierbarkeit
„NI WSN-3202” ±10V, 16 Bit, 4 Kanale 4 Ja/Nein
„NI WSN-3212” Thermoelement, 4 4 Ja/Nein
Kanäle
„NI WSN-3214” ¼ / ½ / Voll-Brücken 2 Ja/Nein
„NI WSN-3226” ±10V, Widerstand, 4 2 Ja/Nein
Kanal
„NI WSN-3230” 30 “RS-232” 2 Ja
„NI WSN-3231” “RS-485” 2 Ja
Tabelle 4 - „National Instruments" Typen von „WSN"
Die Sendeleistung der in der oben aufgeführten Tabelle aufgelisteten Knoten beträgt
10mW, eine Version mit höherer Sendeleistung ist in Europa nicht verfügbar.
Den Knoten ebenfalls gemein ist eine „Nutzer-LED“ 31 , welche sich programmatisch
an bzw. abschalten lässt, um gewisse Zustände des Knotens verdeutlichen zu
können.
„NI 9791“ 32 „NI 9792“ 33 „NI 9795“ 34
Anschluss an Ethernet Dual-Ethernet „CompactRIO“
Betriebssystem k.A. Echtzeitsystem Echtzeitsystem
Anzahl Messknoten 36 36 36
Prozessor k.A. 533MHz PowerPC „cRIO“ 35 -Controller
Sonstige Anschlüsse - Seriell/USB -
Sendeleistung 10mW / 50mW 10mW / 50mW 10mW
Temperaturbereich -30..70°C -40..70°C -40..70°C
Ex-Zertifikat No. 07
ATEX 0626664X
No. 07
ATEX 0626664X
Tabelle 5 - Vergleich Gateways für das „WSN“ von „National Instruments“
No. 07
ATEX 0626664X
30 [13] vgl. online: „NI“, 2012 (22.07.2013)
31 „LED” - Light Emitting Diode
32 [14] vgl. online: „NI“, 2010 (19.08.2013)
33 [15] vgl. online: „NI“, 2010 (19.08.2013)
34 [6] vgl. online: „NI“, 2011 (19.08.2013)
35 „cRIO“ - „CompactRIO“
35

Ähnlich den Messknoten besteht auch bei den Gateways eine Beschränkung seitens
des Herstellers auf 10mW Sendeleistung. Die Spezifikationen der Geräte mit der
Netzwerkschnittstelle weisen für Amerika eine Leistung von 50mW aus 36 .
Wie ebenfalls der obenstehenden Tabelle 5 zu entnehmen ist, können an einen
Gateway maximal 36 Teilnehmer angeschlossen werden. Um diese Zahl zu
erreichen, muss ein Teil der Teilnehmer in den „Router“-Modus wechseln. Ein jedes
Gateway ist für einen speziellen Einsatz vorgesehen. Das „NI 9791“ stellt lediglich
die Werte der angeschlossenen Netzwerkknoten auf einem „LabVIEW“-kompatiblen
System als sogenannte „Netzwerkverteilte Variablen“ zur Verfügung. Diese müssen
durch eine andere Anwendung abgerufen und verarbeitet werden.
Durch den Einsatz von „NI WSN-3202“ lassen sich bis zu 144 analoge und 144
digitale Werte in einem Netzwerk bearbeiten. Durch den Einsatz mehrerer Gateways
lässt sich dies durch die 14 wählbaren Funkkanäle auf jeweils bis zu 2016 Werte
steigern. Dabei ist pro „CompactRIO“ jedoch nur jeweils ein „NI 9795“ einsetzbar.
9.2 Netzwerktypen
9.2.1
Maschennetzwerk, Endknoten
Zum Einsatz können in „WSNs“ verschiedene Typen von Geräten kommen. Dabei
werden zwei Geräteklassen durch ein „WSN“-Gerät abgedeckt. Das betrifft den
Router bzw. das Endgerät. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass der
Router seine Funkschnittstelle permanent aktiv lässt, wohingegen das Endgerät
seine Funkschnittstelle bis zur nächsten Datenübertragung nach dem eigenen
Intervall abschaltet. Dabei senden jedoch auch diese Geräte alle 61 Sekunden ohne
erfolgte Kommunikation ein sogenanntes „Heartbeat-Signal“ aus, um den Status des
Funknetzwerkes zu prüfen. Wird der nächste Punkt des Netzwerkes, mit welchem
der Knoten zuletzt Kontakt hatte, nicht mehr erreicht, so beginnt der Knoten die
Suche nach einem anderen Knoten desselben Netzes. Weiterhin ist zu beachten,
dass die Router durch die Funkschnittstelle einen wesentlich höheren
Energieverbrauch aufweisen, als die Endknoten.
Bei den „Wireless Sensor Network“-Knoten von „National Instruments“ handelt es
sich nach dem „ZigBee“-Standard durchgängig um „Fully Functional Devices“, also
Systeme, welche als Router betrieben werden können. Dabei ist aber zu beachten,
dass diese Funktionalität von der Firmware bereitgestellt wird und abschaltbar ist.
Somit können die Knoten auch über eine lange Zeit als Endgeräte mittels eines
Satzes Batterien versorgt werden.
36 [15] vgl. online: „NI“, 2010, S. 45 (19.08.2013)
36

9.2.2
Netzwerkkonfigurationen
Bei der Netzwerkplanung ist besondere Vorsicht walten zu lassen. Dies ist betrifft die
geplante räumliche Anordnung der Netzwerkknoten und deren Einstellung als Router
bzw. Endknoten.
Ein „WSN“-Gerät der Firma „National Instruments“ als Router bzw. Koordinator kann
bis zu acht andere Teilnehmer im Funknetzwerk verwalten. Dabei ist zu beachten,
dass bei mehr als acht Geräten mindestens eines dieser Geräte als Router
konfiguriert sein muss, welches weitere acht Geräte verwalten kann. Sollten mehrere
Geräte als Router konfiguriert sein, so ist bei der Netzwerkstruktur darauf zu achten,
dass alle Geräte eine Verbindung zu einem anderen Router aufbauen können.
Aufgrund der Beschränkung auf acht Geräte kann dabei das Problem entstehen,
dass ein Gerät trotz
Netzabdeckung durch ein
weiteres Gerät keine
Verbindung in das Netzwerk
bekommt. Dies ist der Fall,
wenn sich Geräte in diesen
Zugangspunkt einbuchen
und dabei die Kapazität des
Routers auslasten, obwohl
sie auch Zugang durch
einen anderen Knoten
erhalten könnten. In diesem
Fall spricht man von in
Abbildung 1 dargestellten
„Stranded Node Problem“ 37 .
Abbildung 1 - „Stranded Node Problem"
Durch die Konfiguration mehrerer Geräte zu Routern lassen sich allerdings auch
Redundanzen innerhalb des Netzes schaffen. Sollte einer der Router ausfallen, so
besteht für die Geräte über einen weiteren Router noch die Möglichkeit, sich mit dem
Netzwerk zu verbinden. Ungünstig ist diese Konfiguration allerdings, wenn sich die
Router gegenseitig weiterleiten und nicht zwei getrennte Verbindungen zum
nächsten Gerät aufbauen. Dies stellt jedoch ein geringeres Problem dar, solange der
zweite Router die Möglichkeit hat, sich mit dem nächsten Gerät zu verbinden. Eine
Darstellung dazu ist unter Abbildung 2 verdeutlicht 38 .
37 [15] vgl. online: „NI“, 2011 S. 28 (19.08.2013)
38 [15] vgl. online: „NI“, 2011 S. 23f. (19.08.2013)
37

Die Firma „National
Instruments“ schlägt vor,
nicht mehr als drei Sprünge
zwischen dem Endgerät
und dem Koordinator
einzuplanen. Dies ergibt
sich aus der mit
zunehmender Entfernung
steigenden Zeit, welches
ein Datenpaket benötigt und
der geteilten Datenrate,
welche mit jedem Sprung
zwischen zwei Knoten
weiter sinkt.
Abbildung 2 - alternative Routingpfade
9.3 Erfassungsgeschwindigkeiten
Daten können von den Messknoten mit verschiedenen Abtastraten erfasst werden.
Das „NI WSN-3214“ bietet eine Erfassungsgeschwindigkeit von bis zu 1kS/s. „NI
WSN-3226“ und „NI WSN-3202“ bieten eine Abtastung von 1Hz an. Die weiteren
„WSN“-Knoten sind nicht spezifiziert. Bei programmierbaren Knoten ist es auch
möglich, eine gewisse Anzahl an Messwerten innerhalb des Systemspeichers
abzulegen.
Die Zeit, wie oft der Messknoten Daten erfassen soll, kann bei programmierbaren
Knoten während der Ausführungszeit geändert werden. Ansonsten wird diese Zeit zu
Beginn des Programmablaufes eingestellt. Doch dabei muss beachtet werden, dass
ab einer bestimmten Erfassungsgeschwindigkeit der Prozessor des Knotens
überlastet und eine noch schnellere Datenerfassung nicht möglich sein wird. Ein
höheres Intervall als 60 Sekunden bei gleichzeitiger Übertragung der Messwerte
trägt jedoch nur noch wenig zum Energiesparen bei, da die Funkschnittstelle durch
das „Heartbeat“-Signal alle 61 Sekunden ohne Kommunikation aktiviert wird.
Sofern der Knoten nicht als Router konfiguriert wird, kann er ebenfalls erst Daten
empfangen, wenn die Funkschnittstelle aktiviert wird, ob dies durch den „Heartbeat“-
Timer ausgelöst wird, oder durch eine interne Programmstruktur des Knotens ist
nicht relevant.
38

9.4 Vorstellung „NI CompactRIO“, „LabVIEW“
Ein „CompactRIO“ der Firma „National Instruments“ bezeichnet ein
rekonfigurierbares, modulares System. „CompactRIO“ ist dabei die Abkürzung für
„Compact Reconfigurable Input Output“. Dabei besteht dieses System immer aus
einem „Controller“ mit dem Echtzeitprozessor und Peripherieschnittstellen, und
einem Chassis zum Einstecken der IO-Module. Weiterhin besitzen „CompactRIOs“
einen „FPGA“ 39 mit einer vom jeweiligen Modell abhängigen Menge an Gattern.
Die Controller sind in verschiedene Leistungsklassen unterteilt. Die Unterscheidung
liegt in dem verbauten Prozessor und der verfügbaren Speicherkapazität. Ebenso
unterscheiden sich die Anzahl der Schnittstellen, während günstige Geräte nur einen
Ethernetcontroller besitzen, können leistungsstärkere auf zwei zurückgreifen. Der
zweite Port ist in solchen Fällen auch „EtherCAT“ fähig. Das Echtzeit-Gateway „NI
9792“ besitzt diese Fähigkeit ebenso. Es ist annährend spezifikationsgleich mit dem
„CompactRIO“-Controller „NI cRIO-9022“.
In den Chassis befindet sich auch der modellabhängige „FPGA“. Daneben dient das
Chassis zur Aufnahme der IO-Module. Es sind Vier- und Achtslot-Chassis für die
Einsteckmodule der „C-Serie“
verfügbar. Für die zentrale Aufnahme
von Signalen ist ein weites Spektrum
von analogen und digitalen „C-
Serien“-Modulen verfügbar.
Auch sind „CompactRIOs“ erhältlich,
welche über einen in das Chassis
integrierten Controller verfügen. Diese
besitzen aber in den meisten Fällen
einen kleineren Temperaturbereich
und sind auch nicht so leistungsfähig
wie dedizierte „Controller“.
Der „FPGA“, die „NI WSN“-Knoten
und der Echtzeitcontroller lassen sich
in der grafischen Programmiersprache
„LabVIEW“ programmieren.
Eine Programmierung für windows-
oder linuxbasierte Systeme ist
ebenfalls möglich, für die Ausführung
auf dem Zielsystem wird jeweils eine
Laufzeitumgebung benötigt.
Abbildung 3 - „NI cRIO 9024" + „C-Serien"-Module
+ „NI WSN 9795"
39 „FPGA” - „Field Programmable Gate Array”
39

„LabVIEW“ ist eine Entwicklung aus dem Hause „National Instruments“ und
bezeichnet dabei als Akronym „Laboratory Virtual Engineering Workbench“ die
Entwicklungsumgebung. Die verwendete Programmiersprache wird „G“ genannt. „G“
basiert auf dem Datenflussmodell. In Abbildung 4 ist der Beispielquellcode zu sehen.
Dieser besteht aus dem Quellcode im „Block Diagram“ und der Benutzeroberfläche
im „Front Panel“.
Abbildung 4 - Quellcode einer Addition in LabVIEW mit "Block Diagram" und "Front
Panel"
Für die Praxistests wurde „LabVIEW 2012 Professional Development System SP1“
eingesetzt, welches erweitert wurde mit dem „FPGA Module“, dem „Real-Time
Module“ und dem zum Einbinden des „WSN Gateways 9795“ benötigten „Wireless
Sensor Network Module Pioneer“. Dieses Softwaremodul wird zur Programmierung
der Knoten benötigt.
Ebenso verwendet wurde ein „NI cRIO-9024“. Dabei handelt es sich um ein
Echtzeitsystem mit einem 800MHz Prozessor sowie einem Arbeitsspeicher von
512MB und 4GB nichtflüchtigen Speicher für Protokollierungszwecke. Als Chassis
wurde ein „NI cRIO-9114“ verwendet. Der „FPGA“ des Chassis blieb ungenutzt, da
das „NI WSN 9795“ nicht über den „FPGA“ genutzt werden kann.
Dieses System stellt als „PAC“ 40 das autarke Regelsystem dar, welches mit dem „NI
WSN“ erweitert wird.
40 PAC - Programmable Automation Controller
40

10 Messung Energieverbrauch
10.1 Messarten - Spannungsquellen
Zur Evaluierung des Energieverbrauchs wurde auf eine programmierbare
Gleichspannungsquelle von „HAMEG“ zurückgegriffen. Die Spannungsquelle „HMP-
4040“ bietet dabei vier Ausgabekanäle, die Ströme bis 10A und Spannungen bis 32V
ausgeben können. Dabei sind die einzelnen Kanäle jedoch auf 160W Abgabeleistung
und das Gesamtsystem auf 384W über alle Kanäle beschränkt. Für höhere
Leistungen lassen sich die galvanisch getrennten Kanäle kombinieren. Bei den von
„National Instruments“ angegeben Verbrauchswerten wird dies jedoch nicht
notwendig sein.
Für eine Messung wird ein „WSN“-Knoten an einen Kanal angeschlossen und die
Energieabgabe aktiviert. Um eine möglichst hohe Stromstärke zu erzielen, wird die
Spannung auf das minimale, für die Geräte angegebene, Level abgesenkt.
Im Verlauf der durchgeführten Tests wurde die Spannung bis auf 5V herabgesetzt,
um höhere Ströme zu erreichen.
Ebenso wurde erprobt, bis zu welcher Spannung die Module den Betrieb aufnehmen.
Eine Absenkung der Spannung im Betrieb bis zu einem Abschalten der Module
wurde nicht durchgeführt. Der getestete „WSN“-Knoten nahm den Betrieb bis zu
einer Spannung von 3,7V auf, bei niedrigeren Spannungen geschah keine Reaktion.
Das „HMP-4040“ verfügt über ein eingebautes Display, auf welchem die Spannungs-
Strom- und Leistungswerte der Kanäle aufgetragen werden. Zur besseren
Protokollierung wurden diese Werte über die serielle Schnittstelle des Gerätes durch
den verwendeten „CompactRIO“-Controller abgefragt und aufgezeichnet. Dabei
wurde jedoch nur eine Abtastung von 0,7 Sekunden für einen Messkanal erzielt.
Auch eine Erhöhung der Zeichenrate auf der seriellen Verbindung verringerte diese
Zeit nicht.
Auf dem Display waren die einzelnen Phasen des Messzyklus eines „WSN“-Knotens
erkennen. Durch die erfolgte Testmessung konnte ein Eindruck des Verbrauchs des
Knoten gewonnen werden. Er lag im Ruhemodus bei 7mW.
Zur genaueren Analyse des Energieverbrauchs eines Messknotens wurde auf ein
ebenfalls programmierbares Gleichstromnetzteil der Firma „National Instruments“
zurückgegriffen. Das „NI PXI-4110“ ist Bestandteil der „PXI“-Baureihe von „National
Instruments“ für PC- und echtzeitbasierte Messsysteme.
Ein „PXI-4110“ stellt dabei 3 Spannungsausgänge mit 0..6V, 0..20V und -20..0V zur
Verfügung. Es kann ohne Zusatzversorgung maximal 9W Gesamtleistung abgeben.
Mit der Zusatzversorgung steigt diese Leistung auf 46W (1A je Kanal bei maximaler
Spannung). Diese wird jedoch für diesen Versuch nicht benötigt.
41

Bei diesem Versuchsaufbau wird der 0..6V-Spannungskanal verwendet und mit einer
Spannung von 5V betrieben um eine Vergleichbarkeit mit den Messwerten des
„HAMEG“-Gerätes zu gewährleisten.
Das „PXI-4110“ tastet die abgegebenen Ströme und Spannungen mit einer Frequenz
von 3kHz ab und stellt diese Werte gemittelt über zehn Erfassungen bereit. Diese
gemittelte Abtastfrequenz von 300 Hertz wird in der Messung nur um wenige Hertz
verfehlt. Die Protokollierung der Werte erfolgte mit durchschnittlich 297Hz. Eine
Erfassung der einzelnen Zustände ist somit möglich.
Der verwendete Strombereich des „PXI-4110“ mit einer Begrenzung von 1A stellte
sich während der Messungen als nicht praktikabel heraus, da teilweise negative
Ströme von der Kommunikationsschnittstelle des Netzteils ausgegeben wurden.
Diese Werte konnten durch die zuvor ermittelten Werte des „HMP-4040“ widerlegt
werden.
Zum Ausschluss des Messfehlers wurde bei einem offenen Kanal des Netzteils eine
Offsetermittlung über 10000 gemittelte Messwerte durchgeführt. Der Kanal wurde
offen betrieben, sodass als Messwert eine „0“ zu erwarten gewesen wäre. Durch
eine offene Masche kann kein Strom fließen. Der so ermittelte Offset der Messung
kann in die Leistungsberechnung einbezogen werden. Doch auch unter
Einbeziehung dieses statistischen Wertes traten negative Ströme auf. Der ermittelte
Offset-Wert betrug 229µA. Eine Vergleichsmessung mit nur 1000 gemittelten Werten
ergab einen Offset von 205µA. Doch auch mit diesem Offset traten
nichtverwendbare, negative Stromwerte auf.
Die Möglichkeit eines defekten Messkanals wurde durch einen Wechsel auf den
0..20V-Kanal ausgeschlossen. Doch auch auf diesem Kanal traten negative Ströme
auf, auf eine Offsetbestimmung wurde verzichtet.
Die Lösung des Problems brachte erst ein Umschalten dieses Kanals auf einen
anderen Strombereich, denn das Netzteil bietet neben der Ausgabe von Strömen bis
1A je Kanal auch für die beiden 20V-Kanäle einen Modus zur Erfassung von
Strömen bis 20mA. Eine Verringerung der maximalen Stromstärke hat zur Folge,
dass für gleiche Verlustleistung die Spannung erhöht werden musste und die
vorausgegangenen Messungen der Ströme nicht mehr als Vergleich dienen konnten.
Begründet wird diese Änderung des Strombereichs mit einer Erhöhung der Präzision
der Messung. Beträgt diese im Messbereich bis 1A Ausgabestrom 0,01mA
Auflösung, so erhöht sich die Auflösung bei der Messung bis 20mA auf 0,2µA. Mit
diesen Einstellungen und der Beschränkung der Abgabeleistung auf 400mW wurden
die gleichen Verbrauchswerte ermittelt, wie bei der Verwendung des „HMP-4040“. 41
Um die Verbräuche der „NI WSN“-Geräte besser einordnen zu können, wurden
verschiedene Systeme der Anlagen- und Umweltüberwachung ebenfalls an das
„HMP-4040“ angeschlossen. Es wurden dabei sowohl ältere Geräte gemessen, wie
41 [16] vgl. online: „NI“, 2007, S. 3 (24.07.2013)
42

sie in vielen Anlagen vorhanden sind, als auch neuere Produkte, welche die
vorhandenen Komponenten ersetzen könnten bzw. bei der Neueinrichtung zum
Einsatz kämen. Dabei wurde bei der Auswahl darauf geachtet, dass die getesteten
Systeme eine ähnliche Ausrichtung wie die „WSN“-Module besitzen. Die Messdauer
lag bei 3 Stunden, um einen möglichen Temperatureinfluss auf die Module
ausschließen zu können. An das „HAMEG“-Netzteil wurden bis zu vier Geräte
gleichzeitig angeschlossen und deren Verbrauch durch ein „CompactRIO“
protokolliert. Da es sich nur um eine Vergleichsmessung des Energieverbrauchs
handelt, wird keine so hohe Abtastfrequenz benötigt wie bei einem „WSN“-Knoten.
Um eine Vergleichbarkeit der Messwerte untereinander zu erhalten, wurde mit einer
Spannung von 10V jeweils die Stromstärke protokolliert und daraus die Leistung
berechnet.
10.2 Verbrauch eines „NI WSN“-Knotens
10.2.1
Testablauf für „WSN“-Knoten
Zur Messung des Energieverbrauchs wurden verschiedene Szenarien erstellt, die
automatisch über den Messzeitraum hinweg gewechselt wurden. Bei der Erstellung
wurde darauf geachtet, möglichst viele Anwendungsszenarien abdecken zu können.
Für die Messung wurde ein „NI WSN-3231“ mit „RS-485“-Schnittstelle verwendet.
Diese Module besitzen eine serielle Schnittstelle, durch die der Energieverbrauch
höher sein kann, als bei den analogen Erfassungsmodulen.
Ebenso beachtet wurden die Schaltzustände der eingebauten „Nutzer-LED“, diese
wirken sich ebenfalls merklich auf den Energieverbrauch eines Knotens aus.
Auch zu betrachten sind die verschiedenen Zustände, die ein solcher serieller
Knoten einnehmen kann.
Die verschiedenen zu messenden und zu erkennenden Zustände sind:
Ruhezustand - Funkschnittstelle und serielle Schnittstelle deaktiviert
Messung - Funk deaktiviert und serielle Schnittstelle aktiviert
Messung - Funk aktiviert und serielle Schnittstelle aktiviert
Ruhezustand + „LED“ aktiv
Router + Ruhezustand
Router + Messung
So kann aus diesen Messungen auf den Verbrauch der einzelnen Zustände
geschlossen werden, wenn sie getrennt voneinander auftreten.
43

10.2.2
Verbrauch im Ruhezustand
Dieser Verbrauch konnte sowohl vom „HAMEG“-Display als auch vom „PXI-4110“
abgelesen werden. Der Stromverbrauch im Ruhezustand betrug bei 20,000381V
0,000314A und somit die aufgenommene Momentanleistung durch das Modul bei
6,28mW. Durch Aktivierung der „LED“ stieg der Verbrauch des Systems im
Abbildung 5 - Übergang mit Aktivierung „Nutzer-LED" und hohe Senderate der seriellen
Schnittstelle
Ruhezustand auf ca. 0,0007 A und damit auf einen Verbrauch von ca. 14mW.
Es ist daher davon auszugehen, dass die „Benutzer-LED“ einen großen Einfluss auf
den Energieverbrauch des Systems im Ruhezustand hat. In Anhang 1 ist ein
Ausschnitt der Messwerte zur obigen Abbildung angegeben.
10.2.3
Verbrauch Messungen
Aufgrund der aktivierten seriellen Schnittstelle ist der Energieverbrauch in dieser Zeit
höher. Es ist noch zu unterscheiden, ob die Schnittstelle permanent aktiv ist, oder ob
sie nur für eine einzelne Übertragung aktiviert wird. In diesem Fall liegt der
Verbrauch signifikant tiefer. Allerdings kann das System bei der nächsten
Auswertung des Datenpuffers nur auf die Daten zugreifen, die während der aktiven
Zeit der Schnittstelle empfangen wurden, alle anderen Busdaten gehen verloren.
44

Durch den zusätzlichen Verbrauch der aktivierten Datenschnittstelle steigt die
benötigte Energie auf 50mW an. Dabei nicht einbezogen sind gewisse Maxima, die
durch das Aktivieren der Funkschnittstelle erzeugt werden. Diese liegen nochmals
um wenige mW über denen der aktiven Schnittstelle.
Abbildung 6 - Energieverbrauch bei aktiver Schnittstelle
Der Energieverbrauch betrug laut der Messungen bei aktivierter Schnittstelle und
aktiver Datenübertragung maximal 395mW. Das entspricht einem Stromverbrauch
von ca. 20mA, die Spannung sank auf 19,75V. Die bei diesen Einstellungen zu
erwartende 0,2s Senderate des seriellen Busses konnte nicht erreicht werden. Die
erreichte Zeit liegt geringfügig darüber, wie in Abbildung 6 an den drei dem
Abschaltvorgang folgenden Maxima der Messung ersichtlich.
Der Quellcode, welcher zu dem in Abbildung 6 dargestellten Verlauf von Strom,
Spannung und Leistung führt, ist aus Anhang 2 ersichtlich. In Anhang 3 ist ein
tabellarischer Ausschnitt der Messwerte aufgeführt.
Ebenso wurde eine Messreihe begonnen, welche den Energieverbrauch des „NI
WSN-3212“ darstellt. Während der Messzeit sank die Batteriespannung lediglich um
0,4V bei sekündlicher Abtastung und Übertragung. Unter der Annahme, dass der
Verlauf der Spannung bei verschiedenen Verbräuchen ähnlich ist, kann mit einer
Laufzeit von ca. 70 Tagen mit einem Satz Batterien kalkuliert werden. Als Vergleich
wurde der Verlauf aus Abbildung 7 herangezogen.
45

10.2.4
Verbrauch Router
Für diese Messungen musste die Firmware auf den Messknoten aktualisiert werden,
um die Routerfunktionalität zu aktivieren.
Dabei fällt auf, dass der Energieverbrauch der Router um ein Vielfaches über dem
liegt, was ein Knoten im aktiven Sendenzustand als Endgerät benötigt. Der
Momentanverbrauch liegt beim reinen Routerbetrieb bei 200mW. Bei aktiver
Datenübertragung steigert sich der Wert auf bis zu 250mW.
Abbildung 7 - Verlauf Batteriespannung Router
Ein Test mit dem „NI WSN-3112“ offenbarte, dass das System bei einem Messwert
und einer Kanalübertragung pro Sekunde einen Satz Batterien innerhalb von 65
Stunden verbraucht. Bei einer Batteriespannung von knapp 3V konnte der
Funkknoten seine Funktion nicht mehr aufrechterhalten und es wurden keine
weiteren Daten übertragen. Der Routerbetrieb ist nur mit externer Versorgung zu
empfehlen.
In Abbildung 7 ist ersichtlich, wie die Batteriespannung im Verlauf von 65 Stunden
abfällt. Dabei erfasste das Modul „NI WSN-3212“ die Raumtemperatur mittels eines
„Typ K“-Thermoelements und sandte sie an das Gateway und dessen
„CompactRIO“-Controller.
46

10.3 Vergleich „Ganter Instrumtents“ - „ISM“, „e.bloxx“, „Q.bloxx“
Zum Vergleich einfacher Baugruppen zur analogen und digitalen Datenerfassung
wurden verschiedene Systeme der Firma „Gantner Instruments“ verwendet.
Sie sollen einen generellen Vergleich mit den kombinierten „WSN“-Modulen bieten.
Dabei handelt es sich um die Produkte „ISM 111“, ein kombiniertes Modul mit 4
analogen Eingängen und 4 digitalen IOs, um ein „e.bloxx D1-1“, ein Modul für acht
digitale IOs und um ein „Q.bloxx A101“, ein kombiniertes Modul je zwei analogen und
digitalen Kanälen. Sämtliche Produkte besitzen eine aktive „RS-485“-Schnittstelle.
Dabei stellt das „ISM“ das älteste der getesteten Geräte und das „Q.bloxx“ die neuste
Generation der „Gantner“-Module dar.
Der Energieverbrauch des „ISM“ und des „e.bloxx“ lag bei jeweils 2W. Lediglich das
„Q.bloxx“ war mit 1,5W sparsamer als seine Vorgänger.
10.4 Vergleich Module zur Thermoelementmessung
Um den Vergleich zwischen den verschiedenen Modulen mit
Thermoelementanschlüssen zu erstellen, wurde auch ein „ADAM-4018+“ der Firma
„Advantech“ getestet. Dieses Modul verwendet ebenfalls eine „RS-485“-fähige
Schnittstelle. Der Verbrauch des Moduls lag bei 1W.
Ein weiteres Modul zur Messung von Thermoelementen ist das „Gantner Instruments
e.bloxx A4-1“. Dabei handelt es sich um ein Modul zum Messen von bis zu 4
Thermoelementen und der Anschlussmöglichkeit für eine Kaltstellenkompensation.
Der Verbrauch dieses Moduls beträgt 2W.
10.5 Vergleich „RS232“ - „RS-485“-Umsetzer
Um einen Vergleich zu erhalten, welchen Verbrauch serielle Wandler besitzen,
wurde ein weiteres Modul der Firma „Advantech“ getestet. Das „ADAM-4520“ besitzt
dabei einen Anschluss für „RS-232“ und je einen Anschluss für „RS-422“ oder „RS-
485“. Dabei kann jedoch nur eine der beiden letztgenannten Busschnittstellen
zusammen mit „RS-232“ verwendet werden. Der Verbrauch dieses Moduls lag bei
ca. 750mW.
47

11 Detailbetrachtung „NI WSN“
11.1 Anlagenkonzept
Um ein Messkonzept für eine Anlage zu erstellen, wird ein genaues Wissen über die
Anlage vorausgesetzt. Zum Erstellen eines Konzeptes im Rahmen dieser Arbeit wird
keine reale, sondern eine fiktive Anlage genutzt.
Diese Anlage besteht aus einem zentralen System mit Motor, welches ein
rotierendes Bauteil antreibt. Dessen Bewegungen sollen mittels eines
Drehzahlmessers hochgenau aufgelöst werden. Weiterhin besitzt die Anlage
verschiedene Öffnungen und Türen, die mittels Schaltern überwacht werden
müssen. Die Anlage darf während des Betriebes nicht betreten werden. Die
vorangegangenen Daten müssen aufgrund ihrer teilweise sicherheitskritischen
Anwendung in Echtzeit erfasst und verarbeitet werden.
Zusätzlich sollen an der Anlage Vibrationen und Stöße erfasst werden.
Neben der Anlage sollen durch das Überwachungssystem auch weitere Teile
automatisiert werden. So sind zum Zwecke der statistischen Erfassung verschiedene
äußere Parameter zu überwachen. Diese betreffen neben dem Energieverbrauch
einzelner Anlagenteile auch verschiedene Füllstände der der Anlage vorgelagerten
Tanks sowie deren Zu- und Abflüsse. Neben der Drehzahl des Rotationskörpers
sollen die Temperaturen innerhalb der Anlage überwacht werden. Dies betrifft neben
der Lagertemperatur des Rotationskörpers auch die Temperaturen in den Tanks.
Diese können über einfache Heizelemente in ihrer Temperatur erhöht werden. Die
Temperaturspeicherung kann mit einem Messwert pro Minute geschehen. Die
Erfassung der Durchflussmesser und Füllstände in den Tanks soll zehnsekündlich
durchgeführt werden.
Um eine Erweiterung der Anlage zu ermöglichen, soll ein möglichst einfach zu
erweiterndes Konzept erstellt werden, welches sowohl die schnell zu erfassenden
Daten des Rotationskörpers abdeckt, als auch die Möglichkeit bietet, die anderen zu
erfassenden Signale zu verarbeiten.
Als bauliche Besonderheit ist zu beachten, dass keine Netzwerkinfrastruktur des
Gebäudes genutzt werden darf, sondern nur eine Verkabelung innerhalb der Anlage
selbst gewünscht wird. Die anderen Signale sollen durch ein Funksystem erfasst
werden.
Dieses Funksystem soll dabei jedoch weder das betrieblich genutzte WLAN stören
noch eine hohe Sendeleistung aufweisen um keine anderen Funkstörungen zu
verursachen.
48

Abbildung 8 - Skizze der fiktiven Anlage
In Abbildung 8 ist eine Skizze der Anlage dargestellt. Die hellblauen Elemente stellen
Messgeräte dar, während die roten Elemente in den Tanks die Heizung darstellen
sollen. Die grauen Verbindungen sind Kabelwege, welche von den prozessnahen
Komponenten zu den Erfassungsgeräten führen. Es können mehrere Signale in
einem geschirmten Kabel übertragen werden
11.2 Möglichkeiten und Messkonzept
Um die schnell zu erfassenden Parameter aus der Anlage aufzunehmen, wird eine
zentrale Datenerfassungsstation empfohlen, welche ebenfalls eine Schnittstelle für
ein drahtloses Erfassungssystem bietet. Ein „National Instruments CompactRIO“ ist
für diese Aufgaben technisch geeignet. Es kann mit sehr hoher Geschwindigkeit
Daten erfassen und verarbeiten und bietet mit den „NI WSN 9795“ auch eine
Schnittstelle für das geforderte Funknetzwerk.
Weiterhin kann das „CompactRIO“ alle Regelungsaufgaben des Systems nach einer
Benutzereingabe selbst durchführen.
49

Messart Gerät Moduldetails
Echtzeitsystem - NI 9022 533MHz Prozessor, 256 MB
Vibrationen
Anlage
der
9114
RAM, 2GB Speicher
8 Slot Chassis mit „FGPA“
Spannung NI 9220 100kS/s 42 , 16 Kanäle, 16 Bit
Auflösung 43
Chassis - cRIO-
Winkelgeschwindigkeit
IEPE-Beschleunigungssensor
NI 9234 51,2Ks/s, 4 Kanäle, 0..5V,
44 IEPE
Türschalter Digitaler Eingang NI 9423 1µs, 8 Kanäle, Sinking-
Modul
Motoransteuerung Analoger Ausgang NI 9265 1kS/s, 4 Kanäle, 0..20mA,
16Bit Auflösung
Funknetzwerk - NI 9795 „WSN“-Schnittstelle
Füllstand Spannung NI-3202 4 Spannungseingänge, 4
Durchfluss Spannung NI-3202
Ventilzustand Digitaler Eingang NI-3202 /
NI-3231
Heizung aktivieren Digitaler Ausgang NI-3202
digitale IOs
Energieverbrauch Strom und Spannung Diris A10 3 phasiger Anschluss, „RS-
Tabelle 6 - Auflistung benötigter Erfassungsgeräte
485“
Die Rotationsmessung kann mit einem Spannungssignal charakterisiert werden.
Die Vibrationen der Anlage können mittels eines Beschleunigungssensors mit IEPE-
Ausgang aufgenommen werden. Die Überwachung der Öffnungen kann durch
digitale Eingänge eines Hochgeschwindigkeitsmoduls und deren Verarbeitung im
„FPGA“ geschehen.
Die Füllstände und die Durchflüsse stehen ebenfalls als Spannungssignal zur
Verfügung. Diese können mit den Signalen der Ventile über einen kombinierten
Knoten aufgenommen werden. Die Abtastung mit 1Hz durch einen „NI WSN-3202“
ist für diese Aufgaben ausreichend.
Die Heizelemente der Tanks können über Relais angesteuert werden, welche durch
einen digitalen Ausgang eines „NI WSN-3202“ gesteuert werden. Die Temperatur
42 kS/s - KiloSamples/Sekunde - Erfassungen pro Zeiteinheit
43 [17] vgl. online: „NI“, 2012, S. 20 (19.08.2013)
44 IEPE - Integrated Electronics Piezoelectric
50

sollte als Spannungssignal im Tank erfasst werden, wodurch der Knoten die Heizung
autark vom „CompactRIO“ steuern kann.
Ein Beispielaufbau eines
Schaltschrankes mit einem „NI WSN-
3202“ ist in Abbildung 9 ersichtlich.
Dieser Knoten wird verwendet, um
Raumtemperatur, relative Luftfeuchte
und Anwesenheit von Lebewesen am
Installationsort zu erfassen und zu
übertragen.
Zur Messung des Energieverbrauchs
der Anlagenteile sind die „NI WSN“
nicht direkt geeignet. „NI WSN-3231“
können jedoch durch ihre „RS-485“-
Schnittstelle genutzt werden, um
entsprechende Messgeräte
anzubinden. Zur Energiemessung
Abbildung 9 - Beispielaufbau „NI WSN-3202"
können dezentrale Datenerfassungssysteme der Firma „Socomec“ verwendet
werden. Diese besitzen einen „RS-485“-Anschluss und können mittels „ModBus
RTU“ abgefragt werden. Die Geräte der Serien „Diris A10“ und „Diris A20“ können
dabei sowohl Spannungen direkt messen als auch Ströme bis zu 5A. Höhere Ströme
müssen mittels Stromwandler auf bis zu 5A-Messstrom gewandelt werden, eine
automatische Umrechnung kann erfolgen.
Die Abfrage dieser Geräte erfolgt über das „ModBus“-Protokoll auf Basis der
Halteregister.
Bei der Programmierung der Knoten können verschiedene Wege eingeschlagen
werden. Einerseits können die Knoten als Durchleiter verwendet werden und zum
anderen kann die Abfrage fest in den Knoten implementiert werden und die Antwort
dann an das Zentralsystem übertragen werden.
Auch können mehrere Erfassungsmodule an einen „WSN“-Knoten angeschlossen
werden. Die Abfragezeiten für mehrere Geräte steigen dadurch je Gerät weiter an.
Bei dieser Anschlusstechnik können nicht die schon vorhandenen Treiber verwendet
werden, da die „WSN“-Knoten eine eigene Programmierschnittstelle für den seriellen
Anschluss verwendet. Daher müssen entweder die Treiber so geändert werden, dass
die „WSN Host API“ 45 verwendet wird oder dass diese „API“ entsprechend aufgeteilt
wird, indem ein Teil dieser Programmierschnittstelle in den „WSN“-Knoten
45 API - Application Programming Interface
51

ausgelagert wird. Die Abtastgeschwindigkeit ändert sich dadurch nicht, lediglich die
zu übertragende Datenmenge ändert sich.
Die serielle Schnittstelle eines „NI WSN-3232“ nutzt die gleiche „API“, was bei
entsprechenden Einsätzen zu beachten ist.
Beim Einsatz als Durchleiter des Befehls wird die Verwendung im „Router“-Modus
empfohlen, da dadurch die Funkschnittstelle immer auf per Funk gesendete
Anfragen reagieren kann und diese entsprechend weiterleitet.
Entgegen der zeitgesteuerten Erfassung von Werten bieten „NI WSN“ für die
digitalen Eingänge die Möglichkeit der Überwachung auf eine Wertänderung.
Dadurch kann sofort auf entsprechende Signale reagiert und eine entsprechende
Reaktion ausgelöst werden, ebenso wie die sofortige Übertragung von Daten an das
Gateway.
Um die Temperaturwerte zu erfassen, bieten sich „NI WSN-3212“ an. An diese
können verschiedene Thermoelemente angeschlossen werden. Ebenso bieten diese
Knoten in der programmierbaren Form auch die Möglichkeit, bei einer zu niedrigen
Temperatur eine Heizung über die digitalen Kanäle zu aktiveren. Die Abtastung der
Thermoelemente kann mit einer Rate von 1Hz erfolgen, während die Werte lediglich
im Minutentakt an das Gateway und somit das „CompactRIO“ übertragen werden.
Die digitalen Ausgänge können entsprechend der Anforderungen konfiguriert
werden. Eine Umstellung kann programmatisch während der Laufzeit erfolgen.
Da die digitalen Ausgänge als „Sourcing“ ausgelegt sind, sind sie auf eine externe
Speisung angewiesen. Fällt die entsprechende externe Versorgung des Ausgangs
aus, so ist der Ausgang zwar noch geschaltet, aufgrund der fehlenden
Zusatzversorgung wird jedoch kein entsprechendes Signal mehr ausgegeben.
11.3 Probleme
11.3.1
Softwarefehler „CompactRIO“
Beim Einsatz des „WSN“-Knotens als einfachen Wandler ist es zu Problemen mit
dem eingesetzten „CompactRIO“ gekommen. Dabei stürzte das
Echtzeitbetriebssystem reproduzierbar bei der Übertragung einer bestimmten
Zeichenkette als Antwort eines „ModBus-Slaves“ ab. Dabei war es wichtig, dass das
Echtzeitsystem dieses Kommando über die „WSN Host API“ verarbeitet.
Wenn der identische „LabVIEW“-Code in der Entwicklungsumgebung auf einem
Windows-PC ausgeführt wird, führte dies zu keinen Problemen. Dafür wurde die
Verbindung zum Gateway über das „CompactRIO“ aufgebaut.
Als Workaround wurde die Übertragung von der Zeichenkette als Ganzes auf eine
Zeichenkette umgestellt, welche die einzelnen Zeichen im Hexadezimalformat
darstellt und überträgt. Dabei kam es zu keinen Problemen mehr, jedoch verdoppelte
52

sich die Datenmenge zur Übertragung. Die Abfragezeit erhöht sich dadurch nicht
signifikant, da diese Datenkonvertierung auf Standardtechniken zurückgreifen kann
und keine Sonderimplementierung ist. Es war in einer Abfrage lediglich noch
möglich, 10 „Holding Register“ abzufragen, im Vergleich zu 20 Registern bei der
direkten Übertragung. Bei der Abfrage von mehr Registern kam es zu Problemen mit
der „WSN Host API“, die im Kapitel 11.3.2 behandelt werden.
Eine komplette Dekodierung der „ModBus“-Antwort auf dem „NI WSN“-Knoten als
alternative zur hexadezimalen Übertragung schlug aufgrund zu geringen
Speicherplatzes und verringerter Funktionen fehl.
11.3.2
Probleme eines „WSN“-Knotens
Laut der Beschreibung in der Dokumentation des „WSN Host API“ wird der
Sendebefehl einer benutzerdefinierten „ASCII“ 46 -Zeichenkette nur ein einziges Mal
am Ende der Abarbeitung einer Sequenz ausgeführt. Die Dokumentation beschreibt,
dass bei der Verwendung einer zu langen Zeichenkette die Nachrichten geteilt und
entsprechend übersandt werden. Die Reaktion des Systems auf eine derart lange
Zeichenkette ist ein Fehlschlagen der Übertragung und dass die „WSN Host API“
keine Funktionsergebnisse übergibt.
Ein weiteres Problem wurde festgestellt, als an die serielle Schnittstelle eine zu
große Datenmenge übertragen wurde. Wenn mehr Daten an der Schnittstelle
empfangen werden als der interne Speicher des „WSN“-Knotens fassen kann, so
erfolgt intern ein Speicherüberlauf und die Software des Knotens stürzt ab. Bei der
Wiederverbindung des Knotens mit dem Netzwerk wird eine entsprechende „Debug“-
Nachricht übertragen. Der Absturz des Knotens erfolgt nicht, wenn das System die
Daten empfängt, sondern erst, wenn es sie verarbeiten soll. In der Fehlermeldung
wird auf den Speicherüberlauf hingewiesen.
11.3.3
Eingeschränkte Funktionalität
Um die „NI WSN“ zu programmieren, wird das „Wireless Sensor Network Module
Pioneer“ benötigt. Obwohl die „WSNs“ in der gleichen Entwicklungsumgebung
programmiert werden wie Echtzeitsysteme und die Windows-Applikationen, muss
das „WSN“-System mit einem verringerten Funktionsumfang in der Programmierung
auskommen. Dies ist neben dem schwächeren Prozessor in den einzelnen Knoten
auch einer anderen Prozessorarchitektur und dem damit verbundenen geänderten
Compiler geschuldet.
46 ASCII - American Standard Code for Information Interchange
53

So fehlen z.B. Datenmanipulationsfunktionen wie die strikte Typumwandlung oder in
der Palette für Zeichenketten diverse Funktionen für eine Auswertung der
empfangenen Zeichenkette.
Ebenso eingeschränkt sind Datenhaltungsalgorithmen innerhalb der verschiedenen
auszuführenden Sequenzen sowie die Möglichkeit zur Verarbeitung von
Gleitkommawerten mit doppelter Genauigkeit und die Skalierung von Werten.
11.4 Funkqualitätstests
11.4.1
Freifläche
Bei der Funkübertragung ist zu beachten, dass dabei nicht nur die direkte
Verbindung zwischen den zwei Antennen für die Übertragungsqualität verantwortlich
ist, sondern auch ein ellipsenähnlicher Raum um diese direkte Verbindung. Dieser
Raum wird als Fresnelzonen bezeichnet. Die Fresnelzone kennzeichnet den Bereich,
in welchem das direkt übertragene Signal der Sichtverbindung sich mit dem leicht
gebeugten Signal überlagert, das durch den Raum um die direkte Achse übertragen
wird. Diese Überlagerung kommt durch den längeren Weg des gebeugten Signals
zustande. Sobald die Wegstrecke des gebeugten Signals dazu führt, dass das
empfangene Signal abgeschwächt wird, spricht man von der zweiten Fresnelzone.
Dieser Übergang geschieht bei einem Laufwegunterschied, der der Hälfte der
Wellenlänge entspricht. In Abbildung 10 ist eine Darstellung der Fresnelzonen
abgebildet.
In den meisten Fällen erhöht
die erste Fresnelzone die
Empfangsqualität an der
Antenne. Vorteilhaft ist, wenn
diese Zone frei von
Gegenständen ist. Weiterhin
wurde bei dem Test darauf
geachtet, dass die beiden
Abbildung 10 - Schematische Darstellung Fresnelzonen
Antennen eine möglichst gleiche Ausrichtung im Raum aufweisen, sodass die
Polarität des Signals nicht geändert werden muss.
Bei den Übertragungstests wurden zwei Möglichkeiten getestet. Eine Übertragung
wurde in Bodennähe durchgeführt, um eine mögliche Blockierung der Fresnelzone
zu erreichen. Dabei wurde zwischen dem Gateway und dem Empfänger eine Distanz
von 125 Meter überbrückt. Der zweite Test wurde so durchgeführt, dass die erste
Fresnelzone möglichst frei war, um eine Dämpfung zu umgehen. Dabei wurde eine
Entfernung von 200 Meter mit direkter Sichtverbindung erzielt.
54

11.4.2
Gebäude
In Gebäuden ist die Übertragung vermehrt durch Gegenstände gestört. Zu diesen
Gegenständen gehören auch die Wände und Böden bzw. Decken des Gebäudes,
wobei diese das Signal verschieden stark dämpfen. Die Dämpfung von
Trockenbauwänden ist dabei aufgrund ihrer geringeren Dichte niedriger als die
Dämpfung durch gemauerte Wände.
Um einen ungefähren Richtwert zu erhalten, wurden auch verschiedene Messungen
mit einem Gateway und einem „WSN“-Knoten durchgeführt. Zur Feststellung der
aktiven Verbindung wurde durch das „CompactRIO“ die „Nutzer-LED“ auf dem
„WSN“-Knoten alternierend geschaltet.
Die verschiedenen Testszenarien sehen dabei eine Büroumgebung, eine
Laborumgebung, eine Anlagenumgebung und eine Umgebung mit Steinwänden vor.
Bei den verschiedenen Szenarien wurde auf eine stabile Funkverbindung geachtet,
um praxisnahe Ergebnisse zu erzielen.
Die Laborumgebung unterscheidet sich zwar nur geringfügig von der Büroumgebung,
durch die metallischen Labortische ist jedoch von einer höheren Dämpfung
auszugehen. Die Büroumgebung ist dabei durch Arbeitsplätze und
Trockenbauwände gekennzeichnet, die Laborumgebung ist ebenfalls durch
Trockenbauwände und die entsprechende Labortische gekennzeichnet.
Die Anlagenumgebung ist geprägt durch verschiedene Schaltschränke und große,
weite Räume und stabile Betonsäulen sowie einen festen Betonuntergrund.
Die Übertragungsreichweite in einer Büroumgebung betrug knapp 50 Meter.
In der Laborumgebung wurden 40 Meter bei immer noch guter Signalqualität erzielt.
Innerhalb einer Anlagenumgebung wurden ca. 30 Meter erzielt.
Bei dem Einsatz der „NI WSN“-Knoten in einer Umgebung mit sehr dicken
Steinwänden sind nur Reichweiten von bis zu 15 Meter möglich gewesen.
Diese Messwerte sind jedoch keinesfalls als Maximum oder Minimum anzusehen, da
jede Umgebung eine eigene Charakteristik aufweist, die durch Funkreichweitentests
erst ermittelt werden muss.
55

11.4.3
Störungen durch Tethering und „Bluetooth“-Übertragung
Um störende Einflüsse anderer Geräte auszuschließen, die ebenfalls auf 2,4GHz
übertragen, wurde der folgende Test durchgeführt.
Er beinhaltet das beständige Senden eines Knotens und die Protokollierung der am
Gateway ermittelten Funkqualität. Diese Messung wurde in einer Büroumgebung
ausgeführt.
Um einen möglichen Einfluss auf das Funknetzwerk zu untersuchen wurden
zwischen dem Gateway und dem Knoten ein Smartphone und ein Laptop platziert.
Das Smartphone wurde mit einem Abstand von 10cm neben dem „WSN“-Knoten
platziert und besitzt ebenfalls Möglichkeiten zur Kommunikation auf dem 2,4GHz-
Band, eine Verbindung mittels „Bluetooth“ und eine Verbindung mittels WLAN.
Neben den zwei im Testareal vorhandenen WLANs wurde zusätzlich noch ein
WLAN-Zugangspunkt auf dem Smartphone aktiviert (das sogenannte Tethering - die
Weitergabe der Internetverbindung des Smartphones an ein anderes Gerät). Die
WLANs sollten jedoch durch die Kanalwahl keinen Einfluss besitzen, sie wurden
lediglich eingesetzt, um die „Bluetooth“-Übertragung in die höheren Kanäle zu
zwingen.
Um einen möglichen Einfluss von „Bluetooth“ auf das „WSN“ zu erzeugen, wurde das
Smartphone mit einem Notebook gekoppelt und über diese Verbindung ein Audio-
Signal vom Smartphone an den Notebook übertragen.
Die Signalqualität wurde über einen Zeitraum von 15 Minuten aufgezeichnet. In
dieser Zeit gab es lediglich eine Abweichung der Signalqualität vom Mittel, diese
kann auf die Gesamtzeit und die Mittelung über 900 Datenwerte vernachlässigt
werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass durch die oberen
Protokollschichten eine möglicherweise fehlerhafte Übertragung korrigiert wurde und
sich dies in dem vom Durchschnitt massiv abweichenden Wert niederschlägt.
11.4.4
Schaltschränke
In der Anlagenumgebung wurde getestet, welchen Einfluss die Installation innerhalb
eines Schaltschrankes auf die Funkqualität hat, ebenso wie ein aktiver
Frequenzumrichter im gleichen Schaltschrank.
Diese Schränke waren so beschaffen, dass sie zur Belüftung zwei Bohrungen mit
einem Durchmesser von 92mm aufwiesen und eine Kabeldurchführung am Boden
des Schrankes mit einer Öffnung von 36x112mm. Sie bestehen aus Metall und
sämtliche äußeren Bauteile wurden durch eine Erdung verbunden. Als weitere
Öffnung kann die Türdichtung angesehen werden.
56

Aus diesen Schränken heraus zum freistehenden Gateway wurde immer noch eine
ausreichende Signalqualität von über 40% bei einer Entfernung von 10 Metern
ermittelt.
Ein aktiver Frequenzumrichter im Schaltschrank störte die Signalqualität in einem
gleichlangen Beobachtungszeitraum nicht messbar.
57

12 Fazit
12.1 Abschlussbetrachtung
Das „NI WSN“-System allein erfüllt einen Großteil der Anforderungen an Systeme zur
Anlagen- und Umweltüberwachung. Es ist jedoch nicht echtzeitfähig. In Kombination
mit einem „CompactRIO“ werden die Anforderungen erfüllt, was jedoch die
Komplexität der Anlage erhöht.
Diese Problematik ist immer aufgabenabhängig und kann nicht pauschal gelöst
werden. In einer Anlage ohne Echtzeitanforderung können die „WSN“-Systeme z.B.
mit einem Echtzeitgateway problemlos eingesetzt werden. Dieses Gateway bietet
den benötigten Prozessor zur Bearbeitung der Aufgaben.
Andere Anforderungen wie z.B. die elektromagnetische Verträglichkeit oder die
verschiedenen Schutzarten können erfüllt werden. Ebenso die Bedingung für
entfernte Verteilung der Messknoten.
Weiterhin müssen beim Einsatz dieses speziellen Funksystems diverse Punkte,
welche unter 11 Detailbetrachtung „NI WSN“ exemplarisch aufgeführt sind, beachtet
werden. Dies sind zwar spezielle Probleme des „NI WSNs“, die jedoch auch beim
Einsatz jedes anderen Funksystems auftreten können.
12.2 Ausblick
Die Zukunft der Systeme zur Anlagen- und Umweltüberwachung wird sich immer
weiter in Richtung funkbasierter Systeme wandeln. Dabei wird es keine Rolle spielen,
welche der Technologien bevorzugt wird, sei es „Bluetooth“, „WirelessHART“ oder
das „WSN“-System, in welcher der Herstellerausprägungen auch immer.
Dies haben inzwischen auch viele der Hersteller erkannt, anders lässt sich die
Produkt- und Protokollvielfalt der auf dem Markt erhältlichen Lösungen nur schwer
erklären. Allerdings achten viele Hersteller darauf, abseits der Funkkomponenten
noch Services zu platzieren, um ihre Lösungen attraktiver, jedoch auch
geschlossener zu gestalten. Die Möglichkeiten und die Vielseitigkeit der
verschiedenen Produkte werden sich im Laufe der Zeit noch weiter erhöhen. Auch
der Energieverbrauch der Geräte wird weiter sinken, um sie länger einsatzfähig zu
halten und die Flexibilität durch eine autarke Versorgung sicherzustellen.
Eine Anlage um kabellose Technologien zu erweitern ist stets abhängig vom
Einsatzzweck zu betrachten. Einen universellen Ansatz wird es nicht geben.
58

13 Quellenverzeichnis
[1] HIERSEMANN, Rolf: Vorlesungsscript Industrielle Bussysteme. BA Glauchau 2013
[2] RS Components GmbH, Aushang: Umrechnungstabellen und Messelemente.
[3] National Instruments: NI WSN-3214. 2012. In: http://ni.com/pdf/manuals/373304a.pdf
[4] Bundesnetzagentur: Allgemeinzuteilung von Frequenzen. 2013, In:
http://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Downloads/DE/Sachgebiete/Telekom
munikation/Unternehmen_Institutionen/Frequenzen/Allgemeinzuteilungen/WLAN2,4G
Hz_Vfg102013.pdf?__blob=publicationFile&v=4
[5] Bundesnetzagentur: Funkanwendungen auf den ISM-Bändern. 2013, In:
http://emf3.bundesnetzagentur.de/pdf/ISM-BNetzA.pdf
[6] National Instruments: NI 9795 WSN C-Series Gateway. 2010, In:
http://www.ni.com/pdf/manuals/375694a.pdf
[7] Advantech: ADAM 2520Z. In: http://downloadt.advantech.com/ProductFile/PIS/ADAM-
2520Z/Product%20-%20Datasheet/ADAM-2520Z_DS20120605094538.pdf
[8] Advantech: ADAM 2031Z. In: http://downloadt.advantech.com/ProductFile/PIS/ADAM-
2031Z/Product%20-%20Datasheet/ADAM-2031Z_DS20120531094529.pdf
[9] Advantech: ADAM 2051Z. In: http://downloadt.advantech.com/ProductFile/PIS/ADAM-
2051Z/Product%20-%20Datasheet/ADAM-2051Z_DS20120605084600.pdf
[10] Libelium Comunicaciones Distrubuidas S.L.: Waspmote Datesheet. 2013, In:
http://www.libelium.com/downloads/documentation/waspmote_datasheet.pdf
[11] Newsteo: Data Logger Newsteo - Wireless Sensor. In:
http://www.newsteo.com/gb/data-logger/comparative-any-sensor.php
[12] PHOENIX CONTACT: Explosionsschutz Theorie und Praxis. 2011
[13] National Instruments, NI WSN-3230/3231. 2012, In:
http://www.ni.com/pdf/manuals/373305b.pdf
[14] National Instruments: NI WSN-9791 Ethernet Gateway. 2010, In:
http://www.ni.com/pdf/manuals/372777d.pdf
[15] National Instruments: NI 9792 WSN Real-Time Gateway. 2010, In:
http://www.ni.com/pdf/manuals/372998b.pdf
[16] National Instruments: NI PXI-4110 Triple-Output Programmable DC Power Supply.
2007, In: http://www.ni.com/pdf/products/us/cat_NIPXI4110.pdf
[17] National Instruments: NI 9220 User Guide and Specifications. 2012, In:
http://www.ni.com/pdf/manuals/373920d.pdf
59

Anhangverzeichnis
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Messwerte: Abbildung 5 - Übergang mit Aktivierung „Nutzer-LED" und
hohe Senderate
Beispielquellcode „LabVIEW“
Messewerte: Abbildung 6 - Energieverbrauch bei aktiver Schnittstelle
60

Anhang 1
Ausschnitt Daten von Darstellung
Uhrzeit Spannung in V Stromstärke in A Momentanverbrauch in W
21:50:43,478 20,000516 0,000318 0,006369
21:50:43,482 20,000483 0,000312 0,006239
21:50:43,485 20,000652 0,000557 0,011137
21:50:43,488 20,00055 0,000314 0,006283
21:50:43,492 20,000516 0,000312 0,00625
21:50:43,495 20,00055 0,000311 0,00623
21:50:43,498 20,00055 0,000531 0,010625
21:50:43,502 19,998995 0,003462 0,069245
21:50:43,505 20,000652 0,003472 0,069452
21:50:43,508 20,000652 0,010814 0,216296
21:50:43,512 20,000145 0,011169 0,223374
21:50:43,515 19,985099 0,013348 0,266769
21:50:43,518 19,999029 0,0125 0,249992
21:50:43,522 20,000753 0,011679 0,233588
21:50:43,525 19,965659 0,01613 0,322055
21:50:43,528 19,661645 0,019913 0,39153
21:50:43,532 19,987872 0,014703 0,293873
21:50:43,535 19,853412 0,018492 0,367123
21:50:43,538 20,000483 0,005979 0,119591
21:50:43,542 20,000652 0,005351 0,107032
21:50:43,545 20,000855 0,005387 0,107747
21:50:43,548 19,983679 0,013489 0,269563
21:50:43,552 19,985573 0,013279 0,26538
21:50:43,555 20,000821 0,012426 0,248524
21:50:43,558 20,00028 0,005421 0,108417
21:50:43,562 20,000719 0,011335 0,226713
21:50:43,565 19,814768 0,017784 0,352379
21:50:43,568 19,946016 0,016507 0,329254
21:50:43,572 20,000347 0,012333 0,246665
21:50:43,575 20,000956 0,012149 0,242998
21:50:43,578 19,998285 0,013301 0,265997
21:50:43,582 20,000314 0,012386 0,247726
21:50:43,585 19,979622 0,014402 0,287739
21:50:43,588 20,000516 0,012207 0,244147
21:50:43,592 19,999705 0,013481 0,269616
21:50:43,595 19,900305 0,015288 0,304234
21:50:43,598 19,938341 0,015691 0,312852
21:50:43,602 19,972962 0,012893 0,257517
21:50:43,605 20,000415 0,001958 0,039166
21:50:43,608 20,000618 0,001895 0,037907
21:50:43,612 20,00055 0,001777 0,035537
21:50:43,615 20,00055 0,00133 0,026599
61

Anhang 2
Dieser Beispielquellcode wurde auf dem „NI WSN-3231“ ausgeführt.
Er wird einmalig beim Zustandswechsel ausgeführt. Im Verlauf kann das Programm
auf die geöffnete und parametrierte Schnittstelle zugreifen, eine erneute
Initialisierung wird nicht benötigt. Das Programm sendet bei Ausführung des
dargestellten Quelltextes die erste Nachricht über den Bus und die Antwort auf diese
Nachricht zurück an das Gateway.
62

Anhang 3
Ausschnitt Daten aus Darstellung
Uhrzeit Spannung in V Stromstärke in A Momentanverbrauch in W
09:11:44,715 20,000381 0,001335 0,026702
09:11:44,718 20,000584 0,00141 0,028195
09:11:44,722 20,000922 0,005318 0,106373
09:11:44,725 19,999773 0,006307 0,126136
09:11:44,728 19,970967 0,013479 0,269197
09:11:44,732 20,000516 0,012936 0,258724
09:11:44,735 19,983206 0,013338 0,266544
09:11:44,738 20,000584 0,012297 0,245951
09:11:44,742 19,996662 0,013135 0,262647
09:11:44,745 19,863656 0,018379 0,365069
09:11:44,748 19,978608 0,016984 0,339307
09:11:44,752 20,000685 0,008939 0,178777
09:11:44,755 20,000009 0,007626 0,152522
09:11:44,758 19,907507 0,015736 0,313273
09:11:44,762 19,715943 0,019993 0,394174
09:11:44,765 20,000111 0,013843 0,276866
09:11:44,768 19,98706 0,014375 0,287314
09:11:44,772 20,000415 0,013152 0,263042
09:11:44,775 19,971474 0,015166 0,302892
09:11:44,778 20,000347 0,014489 0,289787
09:11:44,782 20,00055 0,013441 0,268832
09:11:44,785 19,92688 0,015237 0,303632
09:11:44,788 19,858077 0,017408 0,345699
09:11:44,792 19,960047 0,015269 0,304779
09:11:44,795 20,000516 0,003455 0,069109
09:11:44,798 20,000449 0,002909 0,058182
09:11:44,802 20,000145 0,002779 0,055589
09:11:44,805 20,000347 0,002386 0,04772
09:11:44,808 20,000347 0,00228 0,045601
09:11:44,812 20,000483 0,002367 0,047337
09:11:44,815 20,00028 0,00236 0,047203
09:11:44,818 20,000347 0,002293 0,045865
09:11:44,822 20,000347 0,002347 0,046936
09:11:44,825 20,000381 0,002278 0,04556
09:11:44,828 20,000449 0,002331 0,046621
09:11:44,832 20,000584 0,002286 0,045724
09:11:44,835 20,000314 0,002344 0,046878
09:11:44,838 20,00055 0,002358 0,047159
09:11:44,842 20,000347 0,002339 0,046779
09:11:44,845 20,000212 0,002353 0,047069
09:11:44,848 20,000449 0,003811 0,076226
09:11:44,852 20,000415 0,003861 0,077224
09:11:44,855 20,00028 0,002356 0,047123
09:11:44,858 20,000516 0,002403 0,048069
63

Ehrenwörtliche Erklärung
"Ich erkläre hiermit ehrenwörtlich",
1. dass ich meine Bachelorthesis mit dem Thema
„Erstellung eines Konzeptes zur Einbindung von funkbasierten Modulen zur
autarken und dezentralen Überwachung von Umwelt- und
Anlagenparametern“
ohne fremde Hilfe angefertigt habe,
2. dass ich die Übernahme wörtlicher Zitate aus der Literatur sowie die
Verwendung
der Gedanken anderer Autoren an den entsprechenden Stellen innerhalb
der Arbeit gekennzeichnet habe und
3. dass ich meine Bachelorthesis bei keiner anderen Prüfung vorgelegt
habe.
Ich bin mir bewusst, dass eine falsche Erklärung rechtliche Folgen haben wird.
_______________________
Ort, Datum
______________________
Unterschrift
64

Thesen zur Bachelorthesis
„Erstellung eines Konzeptes zur Einbindung von
funkbasierten Modulen zur autarken und dezentralen
Überwachung von Umwelt- und Anlagenparametern“
Carsten Ewert
Matr.-Nr.: 4000577
Seminargruppe TI10/1
_____________________________________________________
Anforderungen an Überwachungsanlagen werden immer
komplexer.
Kabellose Technologien verbreitern ihren Einsatzbereich und
durchdringen damit immer mehr Lebensbereiche.
Wenn keine Echtzeitanforderungen an ein
Überwachungssystem bestehen, sind viele verschiedene
Systeme einsetzbar.
Durch die Programmierbarkeit der „NI WSN“-Knoten in
Verbindung mit einem Echtzeitprozessor sind sehr viele
Anwendungsgebiete der Anlagen- und Umweltüberwachung
abdeckbar.
Die Programmierung für verschiedene
Prozessorarchitekturen und Anwendungsgebiete auf Basis
eines einheitlichen grafischen Programmieransatzes
verringert den Entwicklungsaufwand.
65