„Erstellung eines Konzeptes zur Einbindung von funkbasierten ...
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Bachelorthesis<br />
<strong>„Erstellung</strong> <strong>eines</strong> <strong>Konzeptes</strong> <strong>zur</strong> <strong>Einbindung</strong> <strong>von</strong> <strong>funkbasierten</strong><br />
Modulen <strong>zur</strong> autarken und dezentralen Überwachung <strong>von</strong><br />
Umwelt- und Anlagenparametern“<br />
Vorgelegt am: 30.08.2013<br />
Vorgelegt <strong>von</strong>:<br />
Carsten Ewert<br />
Alte Harth 15<br />
09125 Chemnitz<br />
Studiengang:<br />
Studienrichtung:<br />
Technische Informatik<br />
Prozessinformatik<br />
Seminargruppe:<br />
TI10/1<br />
Matrikelnummer: 4000577<br />
Praxispartner:<br />
AMC - Analytik & Messtechnik GmbH Chemnitz<br />
Heinrich-Lorenz-Straße 55<br />
09120 Chemnitz<br />
Gutachter:<br />
Herr Dipl.-Ing.(FH) Andreas Rzezacz (AMC GmbH)<br />
Herr Dipl.-Ing. Torsten Lehnguth (Staatliche Studienakademie<br />
Glauchau)
Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis ...................................................................... III<br />
Abbildungsverzeichnis .............................................................. VI<br />
Tabellenverzeichnis .................................................................. VI<br />
Abkürzungsverzeichnis ........................................................... VII<br />
1 Grundlage der Aufgabenstellung .......................................... 1<br />
1.1 Motivation ...................................................................................................... 1<br />
1.2 Zielstellung .................................................................................................... 2<br />
2 Anforderungen an Anlagen und Umweltüberwachung ......... 3<br />
2.1 Allgemeine Definition ..................................................................................... 3<br />
2.2 Ein- und Ausgänge ........................................................................................ 5<br />
2.2.1 Analog ..................................................................................................... 5<br />
2.2.2<br />
2.2.3<br />
2.2.4<br />
Digital ...................................................................................................... 6<br />
Sonstige Anbindungsmöglichkeiten Sensor/Aktor ................................... 7<br />
Verteilte IO-Knoten ................................................................................. 8<br />
2.3 Entfernung der einzelnen Messpunkte .......................................................... 9<br />
2.4 Energieversorgung der Messpunkte ............................................................ 10<br />
2.5 Parameter für Einzelmessungen ................................................................. 10<br />
2.6 Elektromagnetische Verträglichkeit, Robustheit gegen Außeneinflüsse,<br />
Schutzgrad nach IP, Schockresistenz ................................................................... 10<br />
2.7 Beweglichkeit .............................................................................................. 11<br />
2.8 Intelligenz .................................................................................................... 12<br />
3 Analyse aktueller Konzepte der Umwelt- und<br />
Anlagenüberwachung ............................................................... 13<br />
3.1 Bussysteme/Protokolle ................................................................................ 13<br />
3.2 Ethernetbasierende Übertragungssysteme ................................................. 14<br />
4 Umstellung der aktuellen Verkabelungsstruktur auf<br />
kabellose Technologien ............................................................ 16<br />
4.1 Gründe für die Umstellung auf kabellose Technologien .............................. 16<br />
4.2 Wie weit sind kabellose Technologien möglich? ......................................... 16<br />
4.3 Grundlagen der Funkübertragung ............................................................... 17<br />
4.3.1 Frequenzbetrachtungen ........................................................................ 17<br />
4.3.2<br />
4.3.3<br />
Reichweitenbetrachtungen ................................................................... 18<br />
Regulierungsinstanz - Bundesnetzagentur ........................................... 18<br />
4.4 Vorteile ........................................................................................................ 19<br />
4.5 Nachteile ..................................................................................................... 20<br />
5 Vorstellung verschiedener Kabellostechnologien <strong>zur</strong><br />
Anlagen- und Umweltüberwachung ......................................... 21<br />
5.1 „Bluetooth“................................................................................................... 21<br />
5.2 „ZigBee“....................................................................................................... 21<br />
5.3 „WirelessHART“........................................................................................... 22<br />
5.4 „WLAN“........................................................................................................ 23<br />
5.5 Vergleich der Technologien ......................................................................... 24<br />
III
6 Prüfen der Anforderungen der Anlagen- und<br />
Umweltüberwachung an kabellose Technologien .................... 25<br />
6.1 Problembetrachtung kabelloser Technologien ............................................ 25<br />
6.2 Umrüstung/Erweiterung durch kabellose Technologien .............................. 25<br />
6.3 Neuausrüstung mit zentraler Kabelinfrastruktur oder mit verteilten kabellosen<br />
IO-Systemen ......................................................................................................... 26<br />
6.4 Prüfung individueller Gegebenheiten........................................................... 26<br />
6.4.1 Kommunikationsgrundlage vollflächig vorhanden ................................. 26<br />
6.4.2<br />
6.4.3<br />
6.4.4<br />
Kommunikationsgrundlage teilweise vorhanden ................................... 27<br />
Bauwerk darf nicht verändert werden ................................................... 27<br />
Freifläche .............................................................................................. 27<br />
7 Vergleich der Technologien ................................................ 29<br />
7.1 Klassische Anlagen mit Kabelbussen .......................................................... 29<br />
7.2 Verschiedene Wireless-Technologien ......................................................... 29<br />
7.3 Vergleich und Vorstellungen der Technologien ........................................... 30<br />
7.3.1 „Advantech 2000-Serie“ ........................................................................ 30<br />
7.3.2<br />
7.3.3<br />
7.3.4<br />
7.3.5<br />
„Libelium WASPMote“ ........................................................................... 30<br />
„National Instruments WSN“ ................................................................. 31<br />
„Newsteo“ Datenmodule ....................................................................... 32<br />
Zusammenfassung ............................................................................... 33<br />
8 Vergleich Eigenschaften „NI WSN“ mit Anforderungen an<br />
Anlagen- und Umweltüberwachung ......................................... 34<br />
9 Vorstellung der Typen „NI WSN“ ........................................ 35<br />
9.1 „National Instruments Wireless Sensor Network“ ........................................ 35<br />
9.2 Netzwerktypen ............................................................................................. 36<br />
9.2.1 Maschennetzwerk, Endknoten .............................................................. 36<br />
9.2.2<br />
Netzwerkkonfigurationen ...................................................................... 37<br />
9.3 Erfassungsgeschwindigkeiten ..................................................................... 38<br />
9.4 Vorstellung „NI CompactRIO“, „LabVIEW“ .................................................. 39<br />
10 Messung Energieverbrauch ................................................ 41<br />
10.1 Messarten - Spannungsquellen ................................................................... 41<br />
10.2 Verbrauch <strong>eines</strong> „NI WSN“-Knotens ............................................................ 43<br />
10.2.1 Testablauf für „WSN“-Knoten ............................................................ 43<br />
10.2.2<br />
10.2.3<br />
10.2.4<br />
Verbrauch im Ruhezustand ............................................................... 44<br />
Verbrauch Messungen ....................................................................... 44<br />
Verbrauch Router .............................................................................. 46<br />
10.3 Vergleich „Ganter Instrumtents“ - „ISM“, „e.bloxx“, „Q.bloxx“ ...................... 47<br />
10.4 Vergleich Module <strong>zur</strong> Thermoelementmessung .......................................... 47<br />
10.5 Vergleich „RS232“ - „RS-485“-Umsetzer ..................................................... 47<br />
11 Detailbetrachtung „NI WSN“ ............................................... 48<br />
11.1 Anlagenkonzept ........................................................................................... 48<br />
11.2 Möglichkeiten und Messkonzept ................................................................. 49<br />
11.3 Probleme ..................................................................................................... 52<br />
11.3.1 Softwarefehler „CompactRIO“ ........................................................... 52<br />
IV
11.3.2<br />
11.3.3<br />
Probleme <strong>eines</strong> „WSN“-Knotens ........................................................ 53<br />
Eingeschränkte Funktionalität ............................................................ 53<br />
11.4 Funkqualitätstests........................................................................................ 54<br />
11.4.1 Freifläche ........................................................................................... 54<br />
11.4.2<br />
11.4.3<br />
11.4.4<br />
Gebäude ............................................................................................ 55<br />
Störungen durch Tethering und „Bluetooth“-Übertragung.................. 56<br />
Schaltschränke .................................................................................. 56<br />
12 Fazit .................................................................................... 58<br />
12.1 Abschlussbetrachtung ................................................................................. 58<br />
12.2 Ausblick ....................................................................................................... 58<br />
13 Quellenverzeichnis .............................................................. 59<br />
Anhangverzeichnis ................................................................... 60<br />
Ehrenwörtliche Erklärung<br />
V
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 1 - „Stranded Node Problem" ................................................................... 37<br />
Abbildung 2 - alternative Routingpfade ..................................................................... 38<br />
Abbildung 3 - „NI cRIO 9024" + „C-Serien"-Module + „NI WSN 9795" ..................... 39<br />
Abbildung 4 - Quellcode einer Addition in LabVIEW mit "Block Diagram" und "Front<br />
Panel" ....................................................................................................................... 40<br />
Abbildung 5 - Übergang mit Aktivierung „Nutzer-LED" und hohe Senderate der<br />
seriellen Schnittstelle ................................................................................................ 44<br />
Abbildung 6 - Energieverbrauch bei aktiver Schnittstelle .......................................... 45<br />
Abbildung 7 - Verlauf Batteriespannung Router ....................................................... 46<br />
Abbildung 8 - Skizze der fiktiven Anlage .................................................................. 49<br />
Abbildung 9 - Beispielaufbau „NI WSN-3202" .......................................................... 51<br />
Abbildung 10 - Schematische Darstellung Fresnelzonen ......................................... 54<br />
Tabellenverzeichnis<br />
Tabelle 1 - Echtzeitklassen der „IAONA“ .................................................................... 4<br />
Tabelle 2 - Vergleich verschiedener Funktechnologien ............................................ 24<br />
Tabelle 3 - Zusammenfassung Sensornetzwerke ..................................................... 33<br />
Tabelle 4 - „National Instruments" Typen <strong>von</strong> „WSN" ............................................... 35<br />
Tabelle 5 - Vergleich Gateways für das „WSN“ <strong>von</strong> „National Instruments“ ............. 35<br />
Tabelle 6 - Auflistung benötigter Erfassungsgeräte .................................................. 50<br />
VI
Abkürzungsverzeichnis<br />
AMC GmbH AMC - Analytik & Messtechnik GmbH Chemnitz<br />
API<br />
ASCII<br />
CompactRIO,<br />
cRIO<br />
CSMA<br />
CA<br />
CD<br />
DI<br />
DO<br />
FPGA<br />
HART<br />
IEEE<br />
IO<br />
IAONA<br />
ISM<br />
LED<br />
MSR<br />
NI<br />
OSI-Modell<br />
PAC<br />
PWM<br />
SPS<br />
TCP<br />
TTL<br />
UDP<br />
WLAN<br />
WSN<br />
Application Programming Interface<br />
American Standard Code for Information Interchange<br />
„Compact Reconfigurable Input Output“<br />
Carrier Sense Multiple Access<br />
Collision Avoiding<br />
Collision Detection<br />
Digital Input - Digitaler Eingang<br />
Digital Output - Digitaler Ausgang<br />
Field Programmable Gate Array<br />
Highway Addressable Remote Transducer<br />
Institute of Electrical and Electronics Engineers<br />
Input/Output - Eingang und Ausgang<br />
Industrial Automation Open Networking Alliance<br />
Industrial Scientific Medical<br />
Light Emitting Diode<br />
Messen, Steuern, Regeln<br />
National Instruments<br />
Open Systems Interconnection Modell<br />
Programmable Automation Controller<br />
Pulsweitenmodulation<br />
Speicherprogrammierbare Steuerung<br />
Transmission Control Protocol<br />
Transistor-Transistor-Logik<br />
User Datagram Protocol<br />
Wireless Local Area Network<br />
Wireless Sensor Network<br />
VII
"Lieber auf neuen Pfaden ein wenig stolpern,<br />
anstatt in alten Spuren auf der Stelle zu treten."<br />
Altes chinesisches Sprichwort<br />
VIII
1 Grundlage der Aufgabenstellung<br />
1.1 Motivation<br />
Die Grundlage für die vorliegende Arbeit bildet die langjährige Erfahrung der Firma<br />
„AMC - Analytik & Messtechnik GmbH Chemnitz“ im Bereich der Anlagen- und<br />
Umweltüberwachung. Diese überdeckt ein weites Feld <strong>von</strong> Kunden aus<br />
verschiedenen Bereichen der Industrie, Wirtschaft und Lehre.<br />
In diesem Bereich sind hauptsächlich Anlagen aufgebaut, welche durch eine<br />
verkabelte Infrastruktur kommunizieren.<br />
Doch diese Technologien stehen an einem Scheideweg, denn kabellose<br />
Datenübertragung dringt immer weiter in alle Bereiche des Lebens ein, so in das<br />
private Leben durch den Einsatz des „WLANs“ 1 oder durch den Besitz <strong>eines</strong><br />
Smartphones oder Tablets mit mobiler Internetanbindung. Dies trifft auch auf die<br />
Verbindung des Mobiltelefons mit der Freisprecheinrichtung im Fahrzeug zu, welches<br />
ebenso „Bluetooth“ 2 nutzt, wie viele moderne Notebooks. Ebenso durchdringt die<br />
kabellose Datenübertragung den geschäftlichen Bereich des Lebens, sei es hier<br />
ebenfalls durch ein „WLAN“ oder andere Kommunikationstechnologien, wie z.B. der<br />
Zugriff auf das Unternehmensnetz aus dem Mobilfunknetz.<br />
In großen industriellen Anlagen sollen immer mehr Parameter überwacht werden um<br />
gegebenenfalls Teile vor einem möglichen Defekt austauschen zu können. Sowohl<br />
die Anlagen als auch deren Überwachung wird aufgrund der gestiegenen<br />
Anforderungen immer komplexer. Dies trifft auch auf das System zu, welches diese<br />
Daten erfassen, verarbeiten und weiterleiten muss. Dabei werden hauptsächlich<br />
Kabel <strong>zur</strong> Datenübertragung genutzt, was jedoch in großen Anlagen zu einem<br />
annähernd unübersichtlichen Kabelbaum führen kann. Diese Kabel werden häufig<br />
als Bus genutzt, welcher auch in seiner Topologie geplant werden muss. Weiterhin<br />
sind diese Busse in ihrer Übertragungsrate und Entfernung limitiert.<br />
Dabei setzt der Einsatz kabelloser Technologien an dieser Stelle an, die<br />
Busverkabelung zum Teil ersparend und gleichzeitig mittels gerichteter Technologien<br />
weite Strecken überwindend.<br />
1<br />
WLAN - Wireless Local Area Network - kabelloses lokales Netzwerk<br />
2 Bluetooth - ein Datenübertragungsstandard für geringe Entfernungen<br />
1
1.2 Zielstellung<br />
Das Ziel dieser Arbeit ist eine Untersuchung der am Markt vorhandenen<br />
Technologien hinsichtlich <strong>eines</strong> Vergleichs zwischen kabelgebundenen und<br />
kabellosen Systemen. Weiterhin sollen verschiedene kabellose Technologien<br />
gegenübergestellt werden. Bei der Auswahl der verschiedenen kabellosen<br />
Technologien soll auf eine möglichst flexible Nutzung Wert gelegt werden.<br />
Es soll eine Technologie exemplarisch ausgewählt werden und an den aufgestellten<br />
Anforderungen gemessen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass diese<br />
Technologie möglicherweise nicht das Optimum für alle Aufgaben darstellt, sondern<br />
beispielhaft für den Einsatz kabelloser Technologien stehen soll, woraus sich weitere<br />
Rückschlüsse ableiten lassen sollen.<br />
Durch diese Erprobung können auch Probleme in der Konzeption der Systeme<br />
festgestellt werden, welche beim künftigen Einsatz Beachtung finden sollen. Das<br />
Aufzeigen dieser Probleme kann dazu genutzt werden, alternative Möglichkeiten zu<br />
erproben. Auch können bei dieser Betrachtung die Grenzen solcher Systeme erkannt<br />
werden.<br />
Am Ende soll an einer fiktiven Anlage mit verschiedenen Parametern ein Konzept<br />
erarbeitet werden, welches die Ergebnisse dieser Arbeit beinhaltet. Dabei soll das<br />
Konzept den aufgestellten Kriterien an die Anlagen- und Umweltüberwachung<br />
genügen und auf Probleme mit den gewählten Komponenten eingehen.<br />
2
2 Anforderungen an Anlagen und Umweltüberwachung<br />
2.1 Allgemeine Definition<br />
Die Überwachung komplexer industrieller Anlagen stellt an das System<br />
verschiedenartige Anforderungen.<br />
Diese Anforderungen divergieren <strong>von</strong> Anlage zu Anlage und sind selbst innerhalb<br />
einer Anwendung nicht dieselben. Es muss jeweils festgelegt werden, welche<br />
Parameter überwacht werden sollen und auf welche Weise die Messwandler die<br />
benötigten Parameter erfassen. Beispielhaft wird dies an einer Gewichtsbestimmung<br />
erläutert. Die Erfassung des Gewichtes kann hierbei mittels <strong>eines</strong> Wiegebalkens und<br />
Dehnmesstreifen oder mittels einer Auflagefläche und Kraftmessdosen durchgeführt<br />
werden. Zusätzlich muss überprüft werden, ob die ausgewählten Messwandler die<br />
Ergebnisse auch in der erforderlichen Zeit <strong>zur</strong> Verfügung stellen können oder ob sie<br />
langsamer die Daten erfassen, als durch das Überwachungskonzept gefordert ist.<br />
Dabei muss auch darauf geachtet werden, ob sich die Wandler in das räumliche<br />
Konzept der Anlage einfügen, da eine zu große Entfernung zwischen der<br />
prozessnahen Komponente und dem zu messenden Parameter die Ergebnisse<br />
verfälschen kann. In industriellen Anlagen können sehr verschiedene<br />
Abfrageintervalle der Komponenten auftreten. Diese Abtastfrequenzen können <strong>von</strong><br />
wenigen Abfragen in einer Stunde bis zu mehreren hunderttausend Abfragen pro<br />
Sekunde betragen, welche das Überwachungssystem abbilden können muss. Dabei<br />
sind verschiedene Abtastfrequenzen für verschiedene Teile einer Anlage nicht<br />
unüblich.<br />
Weiterhin ist sowohl bei den Messgeräten als auch bei allen anderen Geräten zu<br />
beachten, dass die Geräte auch die für den Einsatz am Zielort entsprechenden<br />
Zertifikate besitzen. Dies beinhaltet sowohl die Eigenschaft, die die Geräte zum<br />
allgemeinen Einsatz freigeben als auch Eigenschaften, die Geräte für den Einsatz in<br />
bestimmten Gebieten freigeben wie beispielsweise Zertifikate für<br />
explosionsgefährdete Orte.<br />
Eine Auswahl verschiedener Parameter der Anlagenüberwachung ist: die Viskosität<br />
<strong>von</strong> Flüssigkeiten, die Durchflussmenge, der Verschmutzungsgrad <strong>von</strong> Flüssigkeiten,<br />
die Winkelgeschwindigkeit <strong>von</strong> drehenden Objekten, die Temperatur im Objekt,<br />
Anwesenheit <strong>von</strong> Personen oder Gegenständen im Gefährdungsbereich sowie der<br />
Öffnungsstatus <strong>von</strong> Türen, Toren oder Gittern, der Energieverbrauch der Objekte<br />
und viele andere mehr.<br />
Auch in der Umweltüberwachung ist die Auswahl der richtigen Messwandler<br />
existenziell um sowohl korrekte Messwerte zu erhalten, als auch Messergebnisse<br />
nicht zu verfälschen. Auch ist zu beachten, dass die Schutzklasse <strong>eines</strong> Systems der<br />
Umweltüberwachung unter Umständen höher sein muss, da diese Geräte dem<br />
3
Einsatz im Feld gerecht werden müssen. Als Feld wird dabei eine Umgebung mit<br />
erhöhter Belastung durch Schmutz und Flüssigkeiten angenommen. Diese<br />
Besonderheit muss bei der Auswahl der Geräte bzw. deren Umbauung beachtet<br />
werden. Abfragezyklen <strong>von</strong> 15 Minuten können in der Umweltüberwachung üblich<br />
sein. Ebenso ist es möglich, dass Messwerte, sowohl in einer Anlage als auch in<br />
einem Überwachungssystem erst als eine Funktion über einer bestimmte Zeit<br />
nutzbar werden. Dies betrifft Messwerte, welche erst über einen gewissen Zeitraum<br />
hin gewonnen werden können, da Einzelmessungen nicht aussagekräftig sind. Als<br />
Beispiel sind Anlagenteile zu nennen, welche mit der Zeit verschleißen und deren<br />
Zustand durch ein Integral beschrieben werden kann.<br />
Beispielhafte Parameter für die Umweltüberwachung sind: Füllstände <strong>von</strong> z.B. Silos,<br />
Tanks oder Probebohrlöchern, Flüssigkeitsparameter wie Durchflüsse oder<br />
Partikelgehalt, Temperaturen, Einstrahlwerte, Luftparameter wie Windrichtung und<br />
Geschwindigkeit, Feuchtigkeiten und viele weitere.<br />
Egal an welcher Anlage, treten an der Stelle der Erfassung kontinuierlich Messwerte<br />
auf. Diese werden, je weiter sie das System durchlaufen, diskretisiert,<br />
zusammengefasst und verdichtet. Dies kann teilweise schon in der erfassenden<br />
Komponente geschehen, wenn z.B. Mittelwerte über ein Zeitintervall gebildet<br />
werden. Dieser Trend setzt über die Prozessleitebene bis in die<br />
Unternehmensleitebene fort. Daraus ergibt sich die Pyramide der<br />
Automatisierungstechnik.<br />
Ein wichtiger Punkt für beide Aufgaben ist die Echtzeitfähigkeit der Anlagen. Wenn<br />
es keine reine Anlage zum Messen sondern auch zum Steuern und Regeln ist, so<br />
müssen diese Aufnahmewerte und deren errechnete Ergebnisse innerhalb einer<br />
gewissen Zeit vorliegen. Der Unterschied zwischen Steuern und Regeln besteht<br />
darin, dass bei einer Regelung die Prozessvariablen geändert werden und<br />
entsprechend des Prozessergebnisses neu angepasst werden. Das Steuern<br />
geschieht ohne diese Rückmeldung der Prozessparameter allein aus den<br />
Ausgangsparametern heraus.<br />
Die „IAONA“ 3 definiert vier Echtzeitklassen, welche sich teilweise überdecken. Diese<br />
können auf den jeweiligen Anwendungsbereich hin gewählt werden.<br />
Echtzeitklasse Maximale Reaktionszeit Anwendung<br />
1
2.2 Ein- und Ausgänge<br />
2.2.1<br />
Analog<br />
Module <strong>zur</strong> Datenaufnahme der Anlagen- und Umweltparameter müssen<br />
verschiedenartige Eingänge für die verschiedenen Signalarten aufweisen.<br />
So müssen die Module über analoge Schnittstellen verfügen, welche die<br />
sogenannten Einheitssignale umsetzen können. Einheitssignale werden Signale<br />
genannt, welche in einem festen Schema übertragen werden. Dies trifft auf Strom<br />
und Spannung zu, bei welchen sich viele Hersteller auf einen einheitlichen<br />
Eingangsbereich geeinigt haben. Der Spannungsbereich beträgt dabei in der Regel<br />
-10..+10V und der Strombereich 0..20mA, wobei meistens nur 4..20mA verwendet<br />
werden. Die Messung des Stromes hat gegenüber der Spannung den Vorteil, dass<br />
die Leitungslänge keinen Einfluss auf das Signal hat, wohingegen bei einem<br />
Spannungssignal über der Leitung die Spannung abfällt. 4..20mA wird verwendet, da<br />
durch die Anschaltung auch ein Ausfall des Sensors detektiert werden kann, da der<br />
Minimalwert <strong>von</strong> 4mA immer durch den Sensor ausgegeben werden sollte. Dieser<br />
Minimalwert entspricht nicht zwingend einem „Null“-Wert in der Skalierung.<br />
Sowohl Spannung als auch Stromstärke können entsprechend durch das<br />
übergeordnete System skaliert werden. Diese Skalierung basiert in der Regel auf der<br />
Kennlinie 5 des Sensors.<br />
Einheitssignale können direkt <strong>von</strong> prozessnahen Komponenten, wie Sensorik und<br />
Aktorik, generiert werden<br />
Viele Messmodule besitzen jedoch nicht nur Eingänge für Einheitssignale sondern<br />
auch Eingänge mit erweiterten Bereichen wie z.B. Spannungen bis 400V oder<br />
Ströme bis 16A. Diese sollten jedoch speziell gegen Berührung und Kurzschluss<br />
gesichert werden.<br />
Andere analoge Anschaltungen, welche viele erhältliche Module anbieten, sind<br />
Brückenschaltungen. Dabei sind Viertel-, Halb- oder Vollbrücken üblich. Diese<br />
Brücken unterscheiden sich in der Anzahl der Anschaltungen zwischen der<br />
prozessnahen Komponente und den zu messenden Widerständen.<br />
Weitere, häufig verwendete Messelemente sind Thermoelemente. Diese erzeugen in<br />
sich eine Spannung, welche <strong>von</strong> der Umgebungstemperatur abhängig ist. Diese<br />
Spannung wird durch die Verbindung verschiedener Elemente erzeugt und ist für<br />
diese Elementkombination spezifisch. Werden zwei Thermoelemente gegeneinander<br />
geschaltet und der zweite Elementübergang <strong>von</strong> einer bekannten Temperatur<br />
umgeben, so wird <strong>von</strong> einer Kaltstellenkompensation gesprochen. Oft verwendete<br />
Thermoelemente sind „Typ K“ und „Typ J“. „Typ K“ besteht aus einer Kombination<br />
<strong>von</strong> Nickel und einer Nickel-Chrom-Legierung. Es ist bis 1200°C spezifiziert. „Typ J“<br />
5 Kennlinie - Verlauf der Ausgangsgröße in Abhängigkeit der Eingangsgröße<br />
5
esteht aus einer Kombination <strong>von</strong> Eisen und einer Kupfer-Nickel-Legierung und ist<br />
bis 750°C spezifiziert. Beide Elemente können auch kurzzeitig höheren<br />
Temperaturen ausgesetzt werden. Die angegebenen Temperaturen beziehen sich<br />
auf den normalen Arbeitsbereich. 6<br />
Neben analogen Eingängen besitzen viele MSR-Einrichtungen 7<br />
Ausgänge. Diese<br />
Ausgänge sind ähnlich eingeteilt wie die Eingänge, so sind <strong>von</strong> verschiedenen<br />
Herstellern Module verfügbar, welche Einheitssignale ausgeben, aber auch Module,<br />
welche eine angelegte Hilfsenergie umwandeln und entsprechend der Vorgaben aus<br />
dem System ausgeben.<br />
2.2.2<br />
Digital<br />
Neben analogen Eingängen bieten Hersteller vieler analoger Module auch Module<br />
mit digitalen Schnittstellen an. Diese Schnittstellen sind meist getrennt in digitale<br />
Eingangsmodule und digitale Ausgangsmodule. Bei letzteren besteht eine Trennung<br />
zwischen „Sinking“-Modulen und „Sourcing“-Modulen. „Sourcing“-Ausgänge<br />
benötigen dabei neben der Masseleitung (oft als „Ground“ bezeichnet) und dem<br />
eigentlichen Digitalausgang einen Versorgungsanschluss für die zu schaltende<br />
Spannung. Diese Module schalten bei einer binären „1“ die Spannung zwischen dem<br />
Versorgungseingang und dem Digitalausgang durch. „Sinking“-Ausgänge hingegen<br />
schalten den Digitalausgang auf Masse, sodass das geschaltete Gerät eine<br />
Verbindung auf Masse bekommt. Einige Hersteller bieten neben diesen beiden<br />
klassischen Varianten an, beide Funktionsmöglichkeiten zu kombinieren, sodass bei<br />
einer binären „1“ die Zusatzversorgung durchgeschaltet wird, während bei einer<br />
binären „0“ der Ausgang auf die Masse gelegt wird 8 . Welche der Ausgangsformen<br />
genutzt werden soll, hängt <strong>von</strong> den zu schaltenden Elementen ab.<br />
Digitale Eingänge werden bei Modulen in der Regel als „Sinking“ ausgeführt. Dabei<br />
muss die Quelle als „Sourcing“ geschaltet werden um eine Signalübertragung zu<br />
gewährleisten.<br />
Für diese Eingänge typisch sind die hohen Spannungspegel, ab welchen die<br />
Meldung einer digitalen „1“ erfolgt. So schalten viele Geräte erst ab 13V, um eine<br />
Verwechslung mit einem analogen Spannungseinheitssignal zu umgehen. Ebenso<br />
schalten viele Module nicht bei der Unterschreitung dieser Schwelle auf die digitale<br />
„0“ um, sondern erst ab einem niedrigeren Spannungswert <strong>von</strong> z.B. 5V.<br />
Eine andere durch viele Module unterstützte Logikform ist die Übertragung in „TTL-<br />
Form“ 9 . Diese Form der binären Schaltung basiert auf Spannungshöhen im Bereich<br />
6 [2] „RS Components GmbH“, „Umrechungstabellen und Messelemente“<br />
7 MSR - Messen, Steuern, Regeln<br />
8 [3] vgl. online: „NI“, 2012 „NI WSN-3214“, S. 33 (29.07.2013)<br />
9 TTL - Transistor-Transistor-Logik<br />
6
zwischen 3V oder 5V. Sie unterscheidet sich <strong>von</strong> der 24V-Ebene darin, dass in<br />
diesem Fall die Spannung direkt auf elektrische Bauteile geleitet wird und nicht erst<br />
durch Optokoppler und Trigger umgesetzt und bewertet wird.<br />
Für digitale Schnittstellen ebenfalls wichtig sind die Schaltzeiten der Kanäle, sodass<br />
ein kurzer Zustandswechsel nicht verloren geht, sondern detektiert wird. Dafür gelten<br />
am übergeordneten System jedoch weitere Vorrausetzungen, da dieses System<br />
schnell genug reagieren muss.<br />
Ebenfalls möglich bei der Einrichtung <strong>von</strong> digitalen Schaltungen ist die<br />
Flankenerkennung. Dabei muss ein Gerät einen Flankenwechsel erkennen. Dies ist<br />
z.B. bei Lichtsteuerungen üblich, wo das Licht erst nach dem lösen das Tasters<br />
(fallende Flanke) den Zustand wechselt. Auf diese Weise kann ebenfalls durch einen<br />
digitalen Kanal ein Zähler ausgelöst werden, der bei jeder steigenden oder fallenden<br />
Flanke den Zähler weiterschaltet.<br />
Eine andere Möglichkeit der digitalen Datenübertragung ist die Pulsweitenmodulation<br />
(PWM). Dabei wird ein Signalwert durch die Länge der digitalen 1 im Vergleich <strong>zur</strong><br />
digitalen 0 charakterisiert.<br />
2.2.3<br />
Sonstige Anbindungsmöglichkeiten Sensor/Aktor<br />
Neben reinen analogen oder digitalen Parametern gibt es in vielen Anlagen auch<br />
aktiv arbeitende Elemente wie Antriebe oder Pumpen. Solche Motoren werden in den<br />
meisten Fällen durch Frequenzumrichter oder zumindest einen Motorschütz<br />
angesteuert, welche den Geräten die benötigte Leistung für ihren aktuellen<br />
Betriebszustand bereitstellen. Eine Ansteuerungsform für Frequenzumrichter sind<br />
Einheitssignale, was auch <strong>von</strong> vielen auf dem Markt befindlichen<br />
Frequenzumrichtern unterstützt wird. Diese skalieren in den meisten Fällen das<br />
Signal nach internen Berechnungen auf die Pumpe und steuern diese dann<br />
entsprechend an.<br />
Motorschütze können mittels digitaler Signale geschaltet werden.<br />
Um Frequenzumrichter und andere untergeordnete Teilnehmer des<br />
Erfassungssystems anzusprechen, werden vielfach Bussysteme verwendet.<br />
7
2.2.4<br />
Verteilte IO-Knoten<br />
Verteilte IO-Knoten 10<br />
beziehen sich darauf, dass abseits des zentralen Systems<br />
Messdaten aufgenommen und Steuer- bzw. Regeldaten ausgegeben werden<br />
müssen. Dafür ist es notwendig, zu diesen Knoten eine Kommunikationsinfrastruktur<br />
aufzubauen. Diese Infrastruktur wird in der Regel als Bus ausgeführt, wenn die<br />
verschiedenen Knoten auf die gleiche Datenschnittstelle und das gleiche Protokoll<br />
verwenden.<br />
An einen solchen Bus können die verschiedensten Geräte angeschlossen werden.<br />
Busse sind in den meisten Fällen seriell ausgeführt. Ein serieller Bus ist „RS-232“..<br />
„RS-232“ ist nur für 1:1-Verbindungen vorgesehen. Bussysteme mit einem Sender<br />
und mehreren Empfängern können nach dem Standard „RS-422“ ausgeführt werden.<br />
Systeme mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern werden meist als „RS-<br />
485“-Bus ausgeführt. Dabei stellen diese „RS“-Standards aber nur den physischen<br />
Bus mit den Schaltpegeln bereit. Die Form bzw. das Protokoll, in welcher die Daten<br />
über den Bus versandt werden, können individuell ausgewählt werden.<br />
Entsprechend ausgerüstete Geräte und Busteilnehmer müssen jedoch gleich<br />
konfiguriert werden, was die Zeichenrate, Stoppbits und Paritätsbits anbelangt. Dies<br />
betrifft auch Kommunikationsparameter, um eine Kollision <strong>von</strong> Datenpaketen auf<br />
dem Bus zu verhindern. Dafür verwenden die meisten Geräte eine Busüberwachung,<br />
um keine anderen Teilnehmer zu stören. Dieses System nennt sich „CSMA“ 11 . Diese<br />
Überwachung ist in vielen Geräten ähnlich aufgebaut und wird in verschiedenen<br />
Möglichkeiten verwendet. Bei seriellen Bussen wird dabei häufig auf „CSMA/CA“ 12<br />
<strong>zur</strong>ück gegriffen, wobei ein Modul mit Sendewunsch den Bus überwacht und<br />
während auf diesem eine Übertragung stattfindet, das zu sendende Paket <strong>zur</strong>ückhält.<br />
Serielle Busse bedeuten, dass diese Busse eine Zeichenkette strikt nacheinander<br />
versenden und nicht mehrere Zeichen parallel. Bei den oben genannten Bussen<br />
bedeutet dies im Regelfall, dass für ein übertragenes Zeichen ein Startbit, die sieben<br />
bzw. acht Datenbits, null oder ein Paritätsbit und ein oder zwei Stoppbits übertragen<br />
werden müssen. Dadurch wächst die Übertragung für ein Byte auf bis zu zwölf Bit<br />
an. Es muss allerdings beachtet werden, dass dadurch auch jedes Byte einzeln eine<br />
Fehlerkorrektur erfährt und nur dieses Byte bei einem Fehler neu übertragen werden<br />
müsste.<br />
Diese Knoten besitzen nur in wenigen Fällen eine eigene Intelligenz, um autark vom<br />
zentralen System zu arbeiten.<br />
10 IO-Knoten - Input/Output-Knoten - Knoten <strong>zur</strong> Datenein- bzw. ausgabe<br />
11 „CSMA“ - „Carrier Sense Multiple Access“ - Medium überwachend, mehrfach zugreifend<br />
12 „CA“ - „Collision Avoidence“ - Kollisionsvermeidung<br />
8
2.3 Entfernung der einzelnen Messpunkte<br />
Die Entfernungen beim Einsatz <strong>eines</strong> Busses können zwischen einzelnen Knoten<br />
zwischen wenigen Metern bis mehreren Kilometern betragen. „RS-232“ sieht z.B.<br />
Entfernungen bis maximal fünf Meter vor. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die<br />
Übertragungsgeschwindigkeit der Bussegmente mit zunehmender Länge des Busses<br />
abnimmt und dass ab einer gewissen Buslänge keine Kommunikation mehr möglich<br />
ist. Bei der Verwendung <strong>eines</strong> „RS-485“-Busses wird dabei oft 1,2 Kilometer<br />
Buslänge als Maximum mit einer verringerten Datenrate <strong>von</strong> 19200Baud/s<br />
angegeben. Dies trifft für ein einzelnes Segment zu. Mehrere Segmente können<br />
dabei auch mittels <strong>eines</strong> Repeaters hintereinander geschaltet werden, wodurch ein<br />
neues Segment erstellt wird, welches ebenfalls eine große Ausdehnung gewinnen<br />
kann.<br />
Es muss bei der Busplanung darauf geachtet werden, dass die verteilten<br />
Messknoten neben der Versorgung mit dem Bus auch mit Energie versorgt werden<br />
müssen. Aufgrund der langen Kabelwege sollte die differentielle<br />
Übertragungsmethode wie in „RS-485“-Bussen verwendet werden. Differentiell<br />
bedeutet, dass die Signale nicht im Bezug auf eine gemeinsame Masse übertragen<br />
werden, wie es bei „RS-232“ der Fall ist, sondern dass der Bezug ein gleich großes,<br />
entsprechend negativ gepoltes Signal auf der zweiten Datenader ist. Das Adernpaar<br />
sollte <strong>zur</strong> Verringerung der Einstreuung verdrillt verwendet werden. Die differentielle<br />
Übertragung bietet auch den Vorteil, dass Störungen, welche sich auf beide Adern<br />
auswirken, am Zielgerät keine Auswirkungen haben, da dieses nur die Differenz der<br />
Signale auswertet, nicht den Absolutwert der Spannung zum nichtvorhandenen<br />
Bezugspotential.<br />
Die meisten Busse sollten mittels <strong>eines</strong> entsprechenden Widerstandes terminiert<br />
werden, um eine Reflexion an den offenen Busenden zu vermeiden.<br />
Ist die Entfernung zwischen den Busenden zu hoch oder die einzelnen<br />
Busteilnehmer werden getrennt mit Energie versorgt, so ist eine galvanische<br />
Bustrennung <strong>von</strong> Vorteil. Diese Bustrennung über beispielsweise Lichtwellenleiter<br />
bietet den Vorteil, dass äußere elektrische Felder auf das Buskabel keinen Einfluss<br />
nehmen können. Weiterhin sind mit qualitativ hochwertigen Buswandlern auch<br />
größere Entfernungen als 1,2 Kilometern möglich. Dabei muss man jedoch stets die<br />
maximale Laufzeit für ein Datenpaket beachten, da die Nachricht durch die<br />
Umsetzung des Signals auf Lichtwellenleiter und <strong>zur</strong>ück auf den differentiellen Bus in<br />
den Wandlern eine Verzögerung erfährt.<br />
9
2.4 Energieversorgung der Messpunkte<br />
Um die Energieversorgung der Messpunkte sicherzustellen, müssen diese entweder<br />
lokal am Einsatzort mit Energie versorgt werden oder sie werden aus der zentralen<br />
Station neben dem Datenbus mit Energie versorgt. Dies hat allerdings den Nachteil,<br />
dass dann möglicherweise für die Energieversorgung lange Kabelwege in Kauf<br />
genommen werden müssen. Ebenso wirken diese langen Kabel auch bei<br />
Gleichspannung wie ein großer kapazitiver Widerstand und sie sind anfällig für<br />
Störeinflüsse durch starke elektrische Felder.<br />
Des Weiteren darf der Energieverbrauch der Messpunkte bei langen<br />
Zuleitungswegen nicht zu hoch sein, da über den langen Leitern ein Spannungsabfall<br />
auftritt, welcher in höheren benötigten Strömen resultiert. Eine dezentrale<br />
Versorgung der Messknoten bei großen Entfernungen wird generell angeraten.<br />
2.5 Parameter für Einzelmessungen<br />
Für die verschiedenen Typen der Überwachungen, seien es Anlagen oder<br />
Umweltdaten gelten verschiedene Parameter. Dies betrifft speziell innerhalb einer<br />
Anlage die verschiedenen zu überwachenden Einflussgrößen. Diese können je nach<br />
Wichtigkeit in verschiedenen Zeitintervallen abgetastet werden. Die Abtastungsrate<br />
kann zwischen mehreren 100kHz und wenigen Abtastungen in einer Stunde liegen.<br />
Diese Werte sind allerdings nur Beispiele. Eine Einteilung, für beispielsweise<br />
Antriebe, wäre die Messpunkte in Bezug auf den Drehwinkel des Antriebs und nicht<br />
über die Zeit darzustellen. Dies bedingt den Einsatz weiterer Sensorik wie z.B.<br />
Inkrementalgeber. Bei statischen Parametern, wie z.B. Temperaturen, kann die<br />
Abtastfrequenz niedriger liegen, doch auch dies ist abhängig <strong>von</strong> den gestellten<br />
Anforderungen.<br />
2.6 Elektromagnetische Verträglichkeit, Robustheit gegen<br />
Außeneinflüsse, Schutzgrad nach IP, Schockresistenz<br />
Die Funktionsfähigkeit der Komponenten muss auch in Umgebungen gewährleistet<br />
sein, in welchen starke elektrische Felder auftreten können. Dabei ist die<br />
Verträglichkeit der Komponenten mit anderen elektrischen Geräten sicherzustellen.<br />
Um die Verträglichkeit sicherzustellen, sind in der EU gewisse Zertifikate notwendig,<br />
welche die Komponenten besitzen müssen, um eine Betriebs- und Vertriebserlaubnis<br />
zu erhalten.<br />
10
Neben diesen Zertifikaten können die Komponenten auch durch technische<br />
Maßnahmen vor elektrischen Feldern abgeschirmt werden. Dies geschieht durch den<br />
Einbau in ein separat abgeschirmtes Gehäuse. Diese Gehäuse sollten dann jedoch<br />
auch entsprechend mit einer Erdung versehen werden, damit äußere Einflüsse <strong>zur</strong><br />
Erde hin abgeleitet werden können. Ebenso ist bei separaten Energieversorgungen<br />
der einzelnen Komponenten eine Potentialtrennung der digitalen Kanäle angeraten.<br />
Dies kann in der Regel durch Relais oder Optokoppler realisiert werden.<br />
Schaltschränke können ebenso bei der Installation im Feld die Schutzart nach IP<br />
erhöhen. Viele Bauteile aus der Automatisierungstechnik, wie sie <strong>zur</strong><br />
Anlagenüberwachung üblich sind, werden mit einer Schutzart IP20 ausgeliefert, was<br />
einen grundlegenden Schutz gegen Berührung innerer Bauteile darstellt. Durch eine<br />
entsprechende Umhausung kann der Schutzgrad des Gesamtsystems <strong>zur</strong><br />
Überwachung angehoben werden. Dabei ist jedoch auch auf die installierten<br />
Komponenten zu achten und ggf. eine entsprechende Klimatisierung des Schrankes<br />
sicherzustellen.<br />
Der Schaltschrank kann auch die zentrale Möglichkeit der Erdung darstellen, woran<br />
alle Systeme angeschlossen werden können und damit ein gemeinsames<br />
Bezugspotential aufweisen. Bei der Kabelverlegung muss allerdings auf Erdschleifen<br />
geachtet werden, welche Signale negativ beeinflussen können.<br />
Bei der Installation <strong>eines</strong> Schaltschrankes kann ebenfalls darauf geachtet werden,<br />
dass die Komponenten gedämpft installiert werden. Diese Installation ist besonders<br />
dort angebracht, wo sich bewegende Teile befinden, welche die Anlage zum<br />
Schwingen bringen können. Ebenso wäre dies im Fehlerfall wichtig, da bei einer<br />
Havarie so die Komponenten des Schaltschrankes vor einem Stoß geschützt wären.<br />
Bei den meisten Komponenten ist eine entsprechende Resistenz gegen Vibrationen<br />
und Schläge angegeben und sollte während der Planung beachtet werden.<br />
2.7 Beweglichkeit<br />
Teilweise können Komponenten der Anlagen- und Umweltüberwachung auch an<br />
Teilen installiert sein, welche beweglich sind. Dies stellt erhöhte Anforderungen an<br />
die im vorigen Kapitel erwähnte Robustheit gegen Außeneinflüsse. Ebenfalls<br />
sichergestellt werden muss, dass die Komponenten sicher mit Energie versorgt<br />
werden. Dies kann entweder über ein Akkusystem gewährleistet werden, oder sich<br />
mitbewegende Kabel, auch der Einsatz <strong>von</strong> Induktionssystemen ist möglich. Dabei<br />
ist jedoch stets zu beachten, dass die Kabel durch die andauernde Bewegung einem<br />
erhöhten Verschleiß unterliegen, auch wenn sie keine anderen Teile berühren.<br />
11
2.8 Intelligenz<br />
Sollen diese Knoten jedoch auch Steuerungs- bzw. Regelaufgaben übernehmen, so<br />
wären Knoten mit eigener Intelligenz sinnvoll, da diese schneller reagieren können,<br />
als Knoten, welche erst abgefragt werden müssen, bevor eine Reaktion durch die<br />
zentrale Station stattfindet.<br />
Dabei muss jedoch abgewogen werden, welche Aufgaben der einzelne Steuerknoten<br />
an dieser Stelle ausführen können darf. Der Entscheidungsrahmen für einzelne<br />
Knoten sollte eng gewählt werden um Zuständigkeitskonflikte mit dem zentralen<br />
System zu vermeiden. Aufgaben der Sicherheitsabschaltung sind immer dezentral zu<br />
realisieren.<br />
Aufgaben, bei welchen der Einsatz intelligenter Komponenten beispielhaft ist, sind<br />
die Überwachung <strong>von</strong> Grenzwerten bzw. die Sinnfälligkeitsprüfung <strong>von</strong> Messwerten,<br />
die Kompression <strong>von</strong> Messwerten <strong>zur</strong> komprimierten Übertragung an das zentrale<br />
System und die modulare Steuerung oder Regelung <strong>von</strong> bestimmten Aufgaben.<br />
12
3 Analyse aktueller Konzepte der Umwelt- und<br />
Anlagenüberwachung<br />
3.1 Bussysteme/Protokolle<br />
Sehr häufig in der Automatisierungstechnik anzutreffen ist der „Profibus“.<br />
Der „Profibus“ basiert auf der „RS-485“-Technologie. Ebenso basiert der Bus auf<br />
dem Prinzip der „Master-Slave“-Kommunikation. „Master“ bedeutet an dieser Stelle,<br />
dass es eine zentrale Stelle gibt, welche die anderen Geräte - „Slaves“ abfragt. Der<br />
„Master“ ist im Besitz der Entscheidungsfähigkeit während die „Slaves“ in der Regel<br />
nur Daten erfassen oder ausgeben und diese dem „Master“ <strong>zur</strong> Verfügung stellen.<br />
Der „Profibus“ verwendet einen „Master“ je Bus. Mehrere Master können nur mittels<br />
spezieller Koppler miteinander auf „Profibus“-Basis kommunizieren.<br />
An einem Bus können sich bis zu 126 Geräte befinden.<br />
Bei „Slaves“ sind verschiedene Arten verfügbar. Dies können sowohl Knoten <strong>zur</strong><br />
Datenerfassung sein, als auch Bedienterminals für Anlagenbediener, Busverzweiger,<br />
welche den Bus um ein Segment erweitern oder andere Systeme, welche den<br />
„Profibus“ implementiert haben, wie bestimmte intelligente Sensoren oder Aktoren.<br />
Mittels Repeatern bzw. Busverteilern können bis zu 4 Segmente gekoppelt werden.<br />
Die Datenübertragung des „Profibus‘“ geschieht in einer definierten Form, dem<br />
sogenannten „Profibus-Telegramm“<br />
Ein anderes, häufig verwendetes Bussystem ist der „Interbus“.<br />
„Interbus“ basiert auf einer Ringtopologie. Diese wird meist mittels Zweileitertechnik<br />
oder mittels Lichtwellenleitern ausgeführt. An einem „Interbus“ können bis zu 256<br />
Teilnehmer angeschlossen werden. Der Bus kann eine Gesamtlänge <strong>von</strong> bis zu 13<br />
Kilometern erreichen, wobei ein Segment jedoch auf eine Länge <strong>von</strong> 400 Meter<br />
beschränkt ist.<br />
Die Datenrate des „Interbus“ beträgt bis zu 2 MBit/s.<br />
Aufgrund des Summenrahmenverfahrens ist die Übertragung auch bei großen<br />
Datenmengen im Vergleich zu anderen Protokollen effizient.<br />
Das „HART“-Protokoll ist ein Aufsatz auf die Verkabelung <strong>von</strong> Sensoren mit 4..20mA.<br />
„HART“ ist dabei ein Akronym für „Highway Addressable Remote Transducer“.<br />
Bei „HART“ wird auf das analoge 4..20mA-Signal noch mittels Modulation eine<br />
hochfrequente Datenübertragung aufmoduliert, welche die meisten analogen<br />
Systeme aufgrund ihrer Trägheit nicht messen können. Dadurch sind „HART“-<br />
Sensoren auch in rein analogen Umgebungen nutzbar.<br />
Durch die Modulation lassen sich abseits des analogen Messkanals weitere Daten<br />
zwischen dem Sensor und dem Messgerät übertragen. Eine Zwei-Wege-<br />
13
Kommunikation zwischen dem Sensor und dem übergeordneten System ist dadurch<br />
möglich.<br />
Das „HART“-Protokoll setzt ebenfalls auf das „Master-Slave“-Prinzip. Ähnlich wie im<br />
„Profibus“ besitzt „HART“ die Möglichkeiten, mit mehr als einem „Master“ zu arbeiten.<br />
Diese „Master“ untereinander besitzen dann unterschiedliche Prioritäten für den<br />
Buszugriff.<br />
Viele Hersteller nutzen zwar allgemeine Standards wie die oben beschriebenen,<br />
bauen darauf aber ihre eigenen Protokolle entsprechen ihrem angedachten<br />
Gebrauch auf. Ein Beispiel für solche geschlossenen Protokolle ist das „Local-Bus-<br />
Protokoll“. Dies wird <strong>von</strong> der Firma „Gantner Instruments Test & Measurement<br />
GmbH“ verwendet, welche damit die Kommunikation innerhalb ihrer Geräte<br />
sicherstellt. Diese können aber ebenfalls z.B. über „Profibus“ angesteuert werden. Es<br />
wird bei Umgebungen mit Geräten <strong>eines</strong> Herstellers dazu geraten, das<br />
herstellerspezifische Protokoll zu nutzen.<br />
3.2 Ethernetbasierende Übertragungssysteme<br />
Eine in vielen Unternehmen verfügbare Kommunikationsmöglichkeit stellt das<br />
„Ethernet“ dar, welches mittlerweile fast überall, auch in Privathaushalten,<br />
anzutreffen ist.<br />
„Ethernet“ selbst basiert auf dem Standard 802.3 der „Institute of Electrical and<br />
Electronics Engineers” (später nur „IEEE” genannt).<br />
„Ethernet“ wird meistens in den Ausprägungen mit „TCP“ 13 und „UDP“ 14 verwendet.<br />
IEEE 802.3 stellt dabei den grundlegenden Standard dar und verwendet das „OSI-<br />
Referenzmodell“.<br />
„Ethernet“ verwendet <strong>zur</strong> Kollisionsvermeidung innerhalb <strong>eines</strong> Segments, einer<br />
sogenannten Kollisionsdomäne, den „CSMA/CD“-Algorithmus 15 . Wenn eine Kollision<br />
während der Übertragung auftritt, warten beide Sender eine zufällige Zeit ab, bevor<br />
sie erneut eine Übertragung beginnen. Kollisionen treten heutzutage nur noch in<br />
älteren Netzen auf, wenn durch einen Hub mehrere Systeme zu einer<br />
Kollisionsdomäne zusammen geschlossen sind. In modernen Infrastrukturen, wo die<br />
Netzwerkverwaltung vollständig durch Switche geregelt wird, ist jede Verbindung<br />
<strong>eines</strong> Switches zu einem Nachfolgegerät eine eigene Kollisionsdomäne. Ist das<br />
nachfolgende Gerät ein Hub, so erstreckt sich die Kollisionsdomäne auf die an den<br />
Hub angeschlossenen Systeme. „Ethernet“-Kabel sind auf eine Länge <strong>von</strong> 100 Meter<br />
beschränkt.<br />
13 „TCP“ - „Transmission Control Protocol“<br />
14 „UDP“ - „User Datagram Protocol”<br />
15 „CD” - „Collision Detection”<br />
14
Eine industriellere Ausprägung des „Ethernets“ wurde mittels „EtherCAT“ geschaffen.<br />
„EtherCAT“ setzt dabei auf Standard-„Ethernet“-Pakete, welche vom „Master“<br />
kommend die „Slaves“ durchlaufen. Dabei beginnen die „Slaves“ die Verarbeitung<br />
des Paketes, sobald sie Daten empfangen haben, welche für sie bestimmt sind.<br />
Ebenso fügen sie bei Bedarf an den entsprechenden Stellen ihre eigenen<br />
Prozessdaten für den „Master“ ein. In dieser Zeit kann ein nächster „Slave“ allerdings<br />
schon mit der Bearbeitung s<strong>eines</strong> eigenen Teils begonnen haben. Es wird ein<br />
Verfahren ähnlich dem Summenrahmen des „Interbus“ verwendet.<br />
„EtherCAT“ ist echtzeitfähig und kann Standard-„Ethernet“-Switche nutzen, die<br />
Separierung der Netze „EtherCAT“ und „Ethernet“ wird allerdings angeraten.<br />
Eine dritte Ausprägung über dem Standard „IEEE 802.3“ ist „Industrial Ethernet“.<br />
Es kann allerdings auf andere Steckverbinder setzen, als das in Büros verbreitete<br />
„Ethernet“ verwendet. Dies ist bedingt durch die möglicherweise feindlicheren<br />
Umwelteinflüsse, welche die Anschlüsse beschädigen könnten. Deswegen kann<br />
neben den „RJ45“-Ports bei „Industrial Ethernet“ auch ein neunpoliger<br />
Steckverbinder mit Verschraubung genutzt werden. Dieser soll mehr Steckzyklen<br />
besitzen, die Kontakte unabhängig <strong>von</strong> der Kabelschirmung isolieren und gegen<br />
Verschmutzungen aufgrund kleinerer Öffnungen unempfindlicher sein.<br />
15
4 Umstellung der aktuellen Verkabelungsstruktur auf<br />
kabellose Technologien<br />
4.1 Gründe für die Umstellung auf kabellose Technologien<br />
Der Umstieg auf kabellose Technologien ist in vielen Bereichen schon lange<br />
vollzogen, in der Anlagen- und Umweltüberwachung waren Umstiege bisher nur<br />
schwer zu realisieren. Dies lag zum einen daran, dass die vorhandenen<br />
Technologien nicht ausgereift waren und zum anderen daran, dass die vorhandenen<br />
Systeme eine sehr große Akzeptanz besitzen.<br />
Bei der Neuerrichtung <strong>eines</strong> autarken Überwachungssystems, sei es eine Anlage<br />
oder <strong>eines</strong> Umweltüberwachungsnetzes können jedoch Funksysteme geprüft<br />
werden, welche eine Kommunikationskabelverlegung, die mit teils erheblichen<br />
Aufwendungen verbunden ist, überflüssig machen. Dabei sind jedoch die jeweils<br />
gestellten Anforderungen zu beachten, damit das System weder über- noch<br />
unterdimensioniert wird. Beide Fälle sind nicht zielführend. Eine genaue<br />
Netzwerkplanung ist sowohl bei der Verwendung <strong>von</strong> „Ethernet“, als auch bei der<br />
Verwendung <strong>von</strong> kabellosen Technologien notwendig.<br />
Weiterhin bieten sich kabellose Technologien dort an, wo mehrere Gebäude<br />
miteinander verbunden werden müssen. Dabei gewährleisten kabellose<br />
Technologien die vorteilhafte galvanische Trennung der einzelnen Systeme. Auch<br />
können damit Infrastrukturen, wie Flüsse oder Schienenwege überwunden werden,<br />
welche eine Kabelverlegung schwer bis unmöglich machen.<br />
4.2 Wie weit sind kabellose Technologien möglich?<br />
Kabellose Technologien können an vielen Punkten in einer Kommunikation<br />
Verwendung finden. Beim „WLAN“ ist dies meist die Kommunikation mit dem<br />
Internet. Dabei wird das Drahtlosnetzwerk als Brücke zwischen dem Endgerät und<br />
dem kabelgebundenen Internet verwendet. Dies trifft auch auf die Kommunikation mit<br />
einem Mobiltelefon zu.<br />
Eine reine Nutzung durch Kopplung zweier drahtloser Zugangspunkte ist ebenfalls<br />
möglich. Dabei befinden sich an beiden Enden der Geräte kabelgebundene Systeme<br />
und nur die Übertragung zwischen den beiden Kopplern geschieht drahtlos. In<br />
diesem Modus können so viele Geräte miteinander verbunden werden, wie die<br />
Übertragungskapazität der Koppler bereitstellt.<br />
Eine andere Kommunikationsform ist der Aufbau einer Drahtlosübertragung<br />
zwischen einem Endgerät und einem Steuergerät. Dabei wird für jedes Endgerät<br />
16
eine eigene Kommunikation aufgebaut. In dieser Form können nur diese beiden<br />
Geräte miteinander kommunizieren.<br />
Eine zusätzliche Möglichkeit ist die, welche mit einem zentralen Zugangspunkt<br />
auskommt, auf den sich mehrere Endgeräte verbinden. Bei dieser Form müssen sich<br />
alle Geräte die maximale Datenrate des zentralen Punktes teilen. Dies ist die<br />
klassische Struktur für ein privates „WLAN“ mit einem zentralen Zugriffspunkt.<br />
4.3 Grundlagen der Funkübertragung<br />
4.3.1<br />
Frequenzbetrachtungen<br />
Grundlage der Betrachtung kabelloser Übertragungstechniken ist die<br />
Funkdatenübertragung. Dafür werden bestimmte Funkfrequenzen genutzt. Es gibt<br />
eine Reihe nutzbarer Frequenzen und Kanäle. Diese Kanäle und andere mit der<br />
Übertragung zusammenhängende Parameter werden durch die Bundesnetzagentur<br />
koordiniert und überwacht.<br />
In den meisten Fällen werden Frequenzbänder genutzt, welche in vielen Ländern der<br />
Erde frei nutzbar sind.<br />
Das besonders für Datenübertragungen beliebte 2,4GHz-Band ist dabei als „ISM-<br />
Band“ 16 festgelegt, darf aber für andere Dienste ebenfalls genutzt werden. Dabei<br />
muss jedoch mit Störungen durch andere Geräte gerechnet werden.<br />
Die Übertragung <strong>von</strong> „WLAN“ geschieht hauptsächlich im Bereich des 2,4GHz-<br />
Bandes. Dieses Band ist in verschiedene Kanäle aufgeteilt. „WLAN“ darf mittlerweile<br />
wieder im 5GHz-Band übertragen, dies wird jedoch <strong>von</strong> vielen Endgeräten noch nicht<br />
unterstützt.<br />
Ein Datenübertragungsstandard, welcher ebenfalls das 2,4GHz-Band nutzt, ist<br />
„Bluetooth“. Dieses nutzt bis zu 79 Kanäle. In neueren Revisionen der „Bluetooth“-<br />
Spezifikation wird nicht ein festgelegter Kanal verwendet, sondern Sender und<br />
Empfänger springen synchron über verschiedene Frequenzen. Dies wird als<br />
„Frequency-Hopping“-Verfahren bezeichnet. Dabei werden allerdings auch die<br />
Kanäle genutzt, in welchen meistens ein „WLAN“ funkt. Um dies zu umgehen, setzen<br />
neue Spezifikationen auf ein „Advanced-Hopping“, welches diese Kanäle ausspart<br />
und dafür auf die höheren Kanäle ausweicht.<br />
Ein anderes z.B. für Alarmanlagen verwendetes Frequenzband ist das 868MHz-<br />
Band. Dieses ist ebenfalls in Deutschland unter Auflagen für die Datenübertragung<br />
freigegeben.<br />
16 „ISM” - „Industrial, Scientific, Medical“-Band<br />
[5] vgl. online: „Bundesnetzagentur“, 2013, S. 1 (30.07.2013)<br />
17
4.3.2<br />
Reichweitenbetrachtungen<br />
Die Reichweite einer Funkübertragung kann in vielen Fällen zwar berechnet werden,<br />
aber eine korrekte Aussage über die erreichbare Entfernung kann nur ein Versuch<br />
bringen. Für die Berechnung der Reichweite müssen viele Daten erfasst werden.<br />
Dies sind neben der reinen Entfernung der Punkte auch die Beschaffenheit und<br />
Zusammensetzung der Umgebung und andere Paramater, wie die Sende- und<br />
Empfangsempfindlichkeit, die Abstrahlcharakteristik der verwendeten Dipole, sich<br />
ändernde Umweltbedingungen und weitere. Auch die Freiheit der ersten Fresnelzone<br />
ist für die Übertragungsqualität ausschlaggebend.<br />
Ein weiterer Punkt ist die Ausrichtung der Antennen, denn Funkübertragungen finden<br />
mit elektromagnetischen Wellen statt. Diese werden in einer Polarität ausgesandt<br />
und möglicherweise mit einer anderen Polarität empfangen. Ebenso können durch<br />
technische Maßnahmen Antennen eine Richtwirkung bekommen, um so nicht in alle<br />
Richtungen gleichmäßig zu strahlen (omnidirektional) sondern gerichtet. Dies kann<br />
mittels weiterer freier Dipole geschehen (z.B. Yagi-Antenne), oder mittels <strong>eines</strong><br />
abgestimmten Reflektors (z.B. Parabolantenne einer Satellitenempfangsanlage).<br />
Ebenfalls bedacht werden kann die Beugungscharakteristik der Umgebung. So kann<br />
es möglich sein, dass aufgrund <strong>eines</strong> Hindernisses zwar keine Sichtverbindung<br />
besteht, wohl aber eine gute Übertragungsqualität aufgrund der Beugung der<br />
Funkwelle auftreten kann. Auch Reflexionen der Funkwelle sollten in den meisten<br />
Fällen bedacht oder sogar genutzt werden.<br />
4.3.3<br />
Regulierungsinstanz - Bundesnetzagentur<br />
Die Bundesnetzagentur entstand im Juli 2005 aus der Umbenennung der<br />
„Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post“. Sie regelt dabei nicht mehr<br />
nur die Telekommunikation und Post sondern ist auch für die Elektrizität, Gas und<br />
Eisenbahn zuständig. Sie legt dabei unter anderem Regeln für Unternehmen fest, um<br />
den Wettbewerb zu fördern und um einen diskriminierungsfreien Zugang zu<br />
Rufnummern und Frequenzen zu gewährleisten. Dies ist nur eine kurze Auswahl der<br />
vielfältigen Aufgaben der Bundesnetzagentur.<br />
Zu den betrachteten Aufgaben gehört unter anderem die Regulierung der<br />
Funkfrequenzen. Ein Augenmerkt liegt dabei auf den Frequenzen, welche <strong>zur</strong><br />
digitalen Datenübertragung genutzt werden können. Dies sind, wie unter 4.3.1<br />
angesprochen, die Frequenzbänder 2,4GHz und 868MHz, wobei erstgenanntes<br />
allgemeinzugeteilt 17 ist. Dabei erstreckt sich das eine Band <strong>von</strong> 2400MHz bis<br />
2483,5MHz und das zweite <strong>von</strong> 868,6 bis 868,7MHz.<br />
17 [4] vgl. online: „Bundesnetzagentur“, 2013, S. 1 (30.07.2013)<br />
18
Die Beschränkungen für „WLAN“ z.B. liegen bei 2,4GHz darin, dass nur mit einer<br />
Leistung <strong>von</strong> 100mW gesendet werden darf. Diese Leistung darf nur bis zu einem<br />
gewissen Antennengewinn eingesetzt werden. Ebenso regelt die Agentur die<br />
Funknutzung <strong>eines</strong> Senders in einer sogenannten Belegungszeit („Duty Cycle“) des<br />
Funkkanals. Bei der Verwendung <strong>von</strong> Geräten im 868MHz-Band sind es 10mW<br />
Strahlleistung und eine maximale, relative Kanalbelegungszeit <strong>von</strong> unter einem<br />
Prozent je Stunde 18 .<br />
Sollten, durch eine zu hohe Sendeleistung <strong>eines</strong> Gerätes, andere Geräte gestört<br />
werden, ist die Bundesnetzagentur berechtigt, dieses störende Gerät zu<br />
beschlagnahmen.<br />
Funknetzwerke innerhalb <strong>von</strong> Gebäuden sind nicht anmeldepflichtig,<br />
Funkanwendungen über Grundstücksgrenzen hinweg müssen zwar bei der<br />
Bundesnetzagentur angemeldet werden, bedürfen jedoch keiner speziellen<br />
Genehmigung. 19<br />
4.4 Vorteile<br />
Die Vorteile der Funktechnologien liegen in der Verbindung mehrerer Geräte ohne<br />
dafür ein Kabel zu benötigen. Dies trifft sowohl auf die Datenverbindung zwischen<br />
verschiedenen System zu als auch auf die Verbindung innerhalb einer industriellen<br />
Anlage. Bei den Datenverbindungen sind Funkschnittstellen gemeint, durch welche<br />
sich ein entsprechend ausgerüstetes Endgerät frei in der Funkzelle bewegen und<br />
kommunizieren kann. In industriellen Anlagen kann durch den Einsatz <strong>von</strong><br />
<strong>funkbasierten</strong> Systemen eine aufwendige Busverkabelung entfallen. Dies ermöglicht<br />
es, Aufnahmeknoten möglichst nah an die prozessnahe Komponente und damit an<br />
die physikalische Größe heranzuführen und benötigt dafür lediglich eine<br />
Energieversorgung.<br />
Ebenso bieten viele Lösungen die Möglichkeit, einzelne Messknoten in einen Modus<br />
zu versetzen, welcher <strong>von</strong> anderen Knoten ankommende Nachrichten weiterleiten<br />
kann. Dadurch lässt sich sowohl die räumliche Abdeckung erhöhen als auch eine<br />
mögliche Redundanz aufbauen.<br />
Weiterhin sind in vielen industriellen Betrieben firmeninterne „WLANs“ verfügbar.<br />
Diese können für die verteilte Datenerfassung gegebenenfalls mit genutzt werden.<br />
Beim Einsatz <strong>von</strong> speziellen, auf die zu nutzenden Frequenz abgestimmten<br />
Richtantennen können weite Entfernungen überbrückt werden. Dabei sind die<br />
regulatorischen Beschränkungen seitens der Bundesnetzagentur zu beachten.<br />
Ebenso können funkbasierte Systeme in Gebäuden eingesetzt werden, in denen<br />
bauliche Veränderungen, wie z.B. Kabeldurchbrüche nicht neu angelegt werden<br />
18 [5] vgl. online: „Bundesnetzagentur“, 2013, S. 3 (30.07.2013)<br />
19 [6] vgl. online: „NI“, 2011 S. 31 (19.08.2013)<br />
19
dürfen. Ein einfaches, verteiltes Messsystem kann somit schnell in einem Gebäude<br />
aufgebaut werden, in dem nur die einzelnen Stationen mit Energie versorgt werden<br />
müssen, ein Aufbau des Netzwerkes geschieht nach vorheriger Konfiguration in der<br />
Regel selbstständig.<br />
4.5 Nachteile<br />
Nachteile <strong>von</strong> funkbasierter Datenübertragung sind die Störung anderer Geräte bzw.<br />
die Störung durch andere Geräte. In einem solchen Fall ist der Wechsel des<br />
Funkkanals eine Möglichkeit <strong>zur</strong> Störungsverminderung. Eine andere Möglichkeit<br />
besteht in der Suche nach der Fehlerquelle und unter bestimmten Umständen eine<br />
Meldung an die Bundesnetzagentur.<br />
Ebenfalls nachteilig wirkt sich die Verwendung <strong>von</strong> breiten Bändern aus. Dadurch<br />
werden die verschiedenen benachbarten Kanäle möglicherweise gestört. Für<br />
„WLAN“ bedeutet dies drei sich nicht gegenseitig störende Netzwerke. Sollen mehr<br />
als diese Anzahl betrieben werden, ist eine sorgfältige Planung der Netzbetreiber <strong>von</strong><br />
Nöten.<br />
Ein weiterer Nachteil ist, dass viele Funknetzwerke einen zentralen Zugriffspunkt<br />
verwenden. Fällt dieser Zugriffspunkt aus, bricht in den meisten Fällen die gesamte<br />
Kommunikation zusammen. Eine Redundanz bieten zwar manche Systeme, aber der<br />
Regelfall sind sie noch nicht.<br />
Funkbasierte Systeme können mittels <strong>eines</strong> Störsenders in ihrer Funktionalität<br />
eingeschränkt werden. Der Einsatz solcher Störsysteme ist jedoch in Deutschland<br />
streng limitiert bzw. verboten. Weiterhin überschreiten solche Geräte im Regelfall die<br />
durch die Bundesnetzagentur festgelegten Grenzwerte für Sendeleistung und<br />
Antennengewinne, um ihre Funktion erfüllen zu können.<br />
20
5 Vorstellung verschiedener Kabellostechnologien <strong>zur</strong><br />
Anlagen- und Umweltüberwachung<br />
5.1 „Bluetooth“<br />
„Bluetooth“ basiert auf dem Übertragungsstandard „IEEE 802.15.1“. „802.15“ ist eine<br />
Sammlung <strong>von</strong> Datenübertragungsstandards, welche mit wenig Energie auskommen<br />
können.<br />
„Bluetooth“ verwendet das „ISM-Frequenzband“ bei 2,4GHz. Es nutzt bis zu 79<br />
Kanäle, welche überlappungsfrei und damit störungsfrei arbeiten können.<br />
„Bluetooth“ verwendet ein Frequenzsprungverfahren, um Kollisionen zu vermeiden.<br />
Ab Version 1.2 wird ein adaptives Frequenzsprungverfahren verwendet, um<br />
dauerhafte Kollisionen mit anderen Funkteilnehmern zu vermeiden. Dabei springen<br />
die Geräte synchron zwischen den Frequenzen um pro Kanal eine möglichst kurze<br />
Belegungszeit zu erzielen. Bei diesem Verfahren allerdings werden die oft <strong>von</strong><br />
„WLAN“ genutzten Kanäle ausgespart, was zu einer häufigeren Belegung der<br />
anderen Kanäle führt. Mehrere „Bluetooth-Geräte“ können jedoch uneingeschränkt<br />
nebeneinander betrieben werden.<br />
Mittels Rundstrahlantennen sollen Reichweiten <strong>von</strong> bis zu 100m zu erreichen sein.<br />
Die Sendeleistung für ein Gerät kann bis zu 100mW betragen.<br />
„Bluetooth-Systeme“ können dabei ein Netzwerk mit einer unterschiedlichen Zahl an<br />
Teilnehmern aufbauen.<br />
5.2 „ZigBee“<br />
„ZigBee“ basiert auf dem „IEEE“ Standard „802.15.4“.<br />
Der „ZigBee“-Standard definiert dabei nur die untersten beiden Schichten des OSI-<br />
Referenzmodells. Übergeordnete Schichten werden durch die verschiedenen<br />
Protokollaufsätze generiert. Dies bedeutet, dass sowohl das „Network Layer“ als<br />
auch alle Schichten darüber jeweils durch die Protokolle festgelegt werden.<br />
Es wird in den meisten Fällen ebenfalls das Frequenzband ab 2,4GHz genutzt.<br />
Einzelne Herstellerlösungen setzen allerdings auch auf andere Frequenzen wie z.B.<br />
868MHz. Aufgrund der im Standard niedrig festgelegten Sendeleistung wird die<br />
Reichweite meist mit ca. 100 Metern im Außenbereich angegeben. Die realen<br />
Entfernungen hängen allerdings vom konkreten Einsatzort ab.<br />
„ZigBee“ verwendet im 2,4GHz-Band überlappungsfrei die Kanäle 11 bis 24. Die<br />
Spezifikation verwendet damit Kanäle, welche nicht für „WLAN“ <strong>zur</strong> Verfügung<br />
stehen.<br />
Für die Übertragung bei „ZigBee“ müssen in der Regel Kanäle festgelegt werden.<br />
21
Die Datentransferrate liegt bei 250 kBit/s und Sendeleistungen variieren herstellerund<br />
regionsabhängig bis zu 100 mW.<br />
Der „ZigBee“-Standard kennt drei Geräteklassen: einen Koordinator, <strong>von</strong> vielen<br />
Herstellern auch als Gateway bezeichnet, und zwei Endgeräte: das<br />
vollfunktionsfähige Gerät und das vermindert funktionsfähige Gerät.<br />
Vollfunktionsfähige Geräte („Fully Functional Device“) stellen dabei sowohl Ein- und<br />
Ausgabekanäle <strong>zur</strong> Verfügung als auch die Funktion, Daten entfernterer Geräte<br />
weiterleiten zu können. In dieser Funktion werden sie auch oft als „Router“<br />
bezeichnet. Diese Geräte sollten extern versorgt werden, da sie aufgrund ihrer<br />
Funktionalität permanent Senden und Empfangen können müssen.<br />
Das vermindert funktionsfähige Gerät („Reduced Functional Device“) stellt jedoch nur<br />
Ein- und Ausgabekanäle <strong>zur</strong> Verfügung. Dafür besitzt dieses in der Regel einen<br />
niedrigeren Energieverbrauch als andere Netzteilnehmer. Wird gerade keine<br />
Kommunikation benötigt, können diese Geräte die Funkschnittstelle deaktivieren und<br />
dadurch Energie sparen.<br />
Eine Ausprägung <strong>von</strong> „ZigBee“ sind „WSNs“ 20 . „WSNs“ verwenden den „ZigBee“-<br />
Standard um darauf ein Netzwerk für viele Sensoren aufbauen zu können. „WSN“<br />
selbst ist kein Standard, sondern eine <strong>von</strong> vielen Herstellern verwendete<br />
Typenbezeichnung für die Geräte. „WSN“-Systeme sind maschenfähig. Dies<br />
bedeutet, dass <strong>von</strong> einem Endknoten verschiedene Wege zum Koordinator möglich<br />
sein können. Diese verschiedenen Wege werden durch den gezielten Einsatz<br />
mehrere Router ermöglicht.<br />
5.3 „WirelessHART“<br />
„WirelessHART“, auch „WHART“ genannt, basiert ebenfalls auf der „ZigBee“-<br />
Technologie. Dabei werden die oberen Schichten des OSI-Referenzmodells durch<br />
die „HART Communication Foundation“ definiert. Diese sorgen dafür, dass die<br />
kabellosen Geräte mit den kabelgebundenen kompatibel sind. „WirelessHART“ geht<br />
noch einen Schritt weiter als das „ZigBee“-Protokoll, indem sie durch den Einsatz<br />
mehrerer Koordinatoren dem Funknetz eine gewisse Redundanz hinzufügen.<br />
Ebenso können viele „HART-Geräte“ als Router genutzt werden, um zusätzliche<br />
Redundanzen innerhalb des Netzes zu erzeugen.<br />
Weiterhin setzt „HART“ im Gegensatz zu „ZigBee“ auf eine dynamische<br />
Kanalauswahl und nutzt dazu ein Verfahren namens „Frequency Hopping Spread<br />
Spectrum“.<br />
20 WSN - Wireless Sensor Network<br />
22
5.4 „WLAN“<br />
„WLAN“ basiert auf dem „IEEE“-Standards „802.11“. Dabei sind in der Zeit seit der<br />
ersten Veröffentlichung mehrere neue Standards definiert wurden. Es begann mit<br />
„802.11a“, wurde fortgeführt über „802.11b“ und dem immer noch populären<br />
„802.11g“ bis hin zum Standard „802.11n“, welcher mittlerweile den Markt<br />
durchdringt und gipfelt aktuell in der Einführung <strong>von</strong> „802.11ac“. Dabei wurde die<br />
Datenübertragungsrate kontinuierlich gesteigert. Während „11g“ noch mit 54MBit/s<br />
funkt, wurden per „11n“ schon bis zu 150MBit/s je Datenkanal möglich. Ebenso<br />
unterstützt „11n“ die Bündelung mehrerer Datenkanäle, wodurch ein Vielfaches<br />
dessen zu erreichen war. „11ac“ überträgt aktuell bis zu 1300MBit/s und soll bis zu<br />
6900MBit/s leisten können, wobei die Markteinführung der ersten Geräteklasse zum<br />
Verfassungszeitpunkt stattfindet. Zu beachten ist jedoch, dass dies die maximale<br />
Datenrate des Zugangspunktes ist. Diese Raten teilen sich die einzelnen Geräte und<br />
die Rate der übertragenen Daten sinkt, wenn eine zusätzliche Verschlüsselung<br />
aktiviert wird.<br />
Viele aktuelle WLANs senden ebenfalls auf dem 2,4GHz-Band, die älteren Systeme<br />
nach „11a“ senden zwar im 5GHz-Band, allerdings findet dieser Standard kaum noch<br />
Verwendung. Im „11n“-Standard wurde das 5GHz-Band neu definiert. Dieses Band<br />
soll bevorzugt verwendet werden.<br />
Die Funkkanalwahl geschieht bei einem Großteil der Geräte statisch, da nur wenige<br />
den automatischen Frequenzwechsel während einer Übertragung unterstützen. Weit<br />
verbreitet ist jedoch in Zugangspunkten die Technologie, anderen, vorhandenen<br />
Funknetzwerken auszuweichen und sich einen bis dahin möglichst wenig belegten<br />
Kanal zu wählen. Dies geschieht meist, wenn keine Geräte verbunden sind.<br />
Die Sendeleistungen <strong>von</strong> „WLANs“ werden durch die Bundesnetzagentur festgelegt<br />
und überwacht. So dürfen „WLAN-Geräte“ beim Senden auf 2,4GHz nur eine<br />
Sendeleistung <strong>von</strong> 100mW verwenden, wenn zusätzlich ein Antennengewinn <strong>von</strong> 20<br />
dBi erzielt werden kann. Im 5GHz-Bereich beträgt die maximale Sendeleistung 1000<br />
mW.<br />
23
5.5 Vergleich der Technologien<br />
Bluetooth ZigBee/WSN WHART WLAN<br />
IEEE-Standard 802.15.1 802.15.4 802.15.4 802.11<br />
Frequenzen 2,4GHz 868MHZ, 2,4GHz 2,GHz, 5GHz<br />
(Auswahl)<br />
2,4GHz<br />
Sendeleistung bis 100mW 10-100mW 1-10mW 100-1000mW<br />
Übertragungsrate 2MBit/s 250kbit/s 250kbit/s 1300MBit/s<br />
Topologie Stern, Masche Stern, Stern, Stern, Masche<br />
Masche Masche<br />
Reichweite Bis 100m bis zu 7000m Bis 100m Bis 300m<br />
(Angabe)<br />
Offenheit Ja Ja Nein Ja<br />
Tabelle 2 - Vergleich verschiedener Funktechnologien<br />
24
6 Prüfen der Anforderungen der Anlagen- und<br />
Umweltüberwachung an kabellose Technologien<br />
6.1 Problembetrachtung kabelloser Technologien<br />
Nicht jede Kommunikation lässt sich auf kabellose Technologien umsetzen. Die<br />
Anlagen- und Umweltüberwachung setzt bestimmte Anforderungen voraus, welche<br />
die Technologien entweder erfüllen können oder für den Einsatz nicht brauchbar<br />
machen.<br />
Wie in vorrausgegangenen Kapiteln erwähnt, kann es bei <strong>funkbasierten</strong> Systemen zu<br />
einem Verlust <strong>eines</strong> Datenpaketes kommen, wodurch möglicherweise eine gestellte<br />
Zeitanforderung an das System nicht erfüllt werden kann. Dabei ist stets zu<br />
beachten, dass dies zwar auch bei kabelgebundenen Technologien auftreten kann,<br />
doch sind diese in den meisten Fällen vor einem Angriff <strong>von</strong> außen, wie durch einen<br />
Störsender, geschützt. Der physische Schutz der Kommunikationsinfrastruktur sollte<br />
sichergestellt werden.<br />
Weiterhin sind auch bestimmte Sicherheitsaspekte beim Einsatz zu beachten.<br />
Je nach verwendeter Drahtlostechnologie ist es auch möglich, dass die Menge an zu<br />
übertragenden Daten die Transferleistung des Funknetzwerkes übersteigt. Dies ist<br />
bei der Planung <strong>eines</strong> Systems unbedingt zu beachten.<br />
Ebenso schränken manche Standards aufgrund ihrer Ausrichtung die<br />
Abfrageintervalle entsprechend ein bzw. werden die Geräte durch die Hersteller<br />
entsprechend energiesparend konzipiert, wodurch die Verarbeitungsleistung für hohe<br />
Datenraten nicht gegeben ist.<br />
6.2 Umrüstung/Erweiterung durch kabellose Technologien<br />
Der Einsatz funkbasierter Systeme hängt stets <strong>von</strong> den speziellen Gegebenheiten<br />
ab. Eine Umrüstung ist in den wenigsten Fällen sinnvoll, sofern schon eine<br />
funktionsfähige Infrastruktur existiert. Die Umrüstung bedeutet einen mehrfachen<br />
Aufwand.<br />
Die Erweiterung durch funkbasierte Technologien ist jedoch im Einzelfall zu prüfen.<br />
Entscheidend an dieser Stelle ist auch, wie aufwendig die Erweiterung der<br />
vorhandenen Infrastruktur ausfallen würde.<br />
Ebenso ist bei einer Ausrüstung zu beachten, welche Anzahl an Teilnehmern in das<br />
aufzubauende Funknetz integriert werden müssen. Diese teilen sich stets die<br />
maximal <strong>zur</strong> Verfügung stehende Bandbreite des zentralen Elements. Auch sind<br />
viele Geräte in der maximalen Teilnehmeranzahl beschränkt.<br />
25
6.3 Neuausrüstung mit zentraler Kabelinfrastruktur oder mit<br />
verteilten kabellosen IO-Systemen<br />
Wie bei einer Erweiterung sind auch bei einer Neuausrüstung die verschiedenen<br />
Anforderungen an das geplante System zu definieren und entsprechend dem System<br />
anzupassen. Dabei ist neben der Planung der verschiedener Komponenten auch ein<br />
Kommunikationskonzept erforderlich. In dieses müssen sowohl die Art der<br />
Datenerfassung, deren benötigte Abtastfrequenz, die Abstände verschiedener<br />
Erfassungskomponenten und die dafür benötigte Echtzeitfähigkeit der Komponenten<br />
eingetragen werden. Anhand dieses <strong>Konzeptes</strong> kann eine Entscheidung getroffen<br />
werden, ob die Kommunikation über Funk geschehen kann oder ob ein Bussystem<br />
geplant und verwendet werden muss.<br />
Bei einer Neuausrüstung einer Anlage sollte ein Standard verwendet werden. Eine<br />
Kombination verschiedener Standards kann die Komplexität der<br />
Überwachungsanlage unnötig erhöhen. Sollte es sich jedoch ergeben, dass eine<br />
Kombination notwendig ist, sollte diese entsprechend der realen Notwendigkeit<br />
ausgelegt werden. Eine Kombination verschiedener Technologien muss nicht immer<br />
ein Bussystem bedeuten. Es kann auch bedeuten, dass eine zentral arbeitende<br />
Station über mehrere IO-Baugruppen für Signale aus ihrer Nähe verfügt und entfernt<br />
befindliche IO-Knoten mittels einer Funktechnologie angeschlossen werden.<br />
6.4 Prüfung individueller Gegebenheiten<br />
6.4.1<br />
Kommunikationsgrundlage vollflächig vorhanden<br />
Sollte aufgrund einer gut ausgebauten IT-Infrastruktur im gesamten Bereich, welcher<br />
durch das System abgedeckt werden soll, eine Verkabelung vorhanden sein und<br />
diese darf für das Überwachungssystem verwendet werden, so ist eine Nutzung<br />
diese <strong>von</strong> Vorteil. Der Aufwand der Verkabelung beschränkt sich auf die Verbindung<br />
der Anlage mit der Infrastruktur und auf den zentralen Kabelverteiler, in welchem sich<br />
ein entsprechendes Erfassungssystem befinden kann.<br />
Das Gleiche gilt für eine alte Busverkabelung. Wenn die Kabel physisch noch den<br />
Ansprüchen der neuen Anlage genügen, kann auch auf diese für eine neue Nutzung<br />
<strong>zur</strong>ückgegriffen werden. Eine Neuausrüstung ist in den meisten Fällen sehr<br />
kostenintensiv.<br />
26
6.4.2<br />
Kommunikationsgrundlage teilweise vorhanden<br />
Als teilweise vorhandene Grundlage wird angesehen, dass bestimmte Anlagenteile<br />
schon mit einer Kommunikationsinfrastruktur ausgerüstet sind, andere Teile dagegen<br />
nicht. Jedoch besteht jetzt bei diesen Teilen der Bedarf einer Überwachung. Analog<br />
träfe dies auf die Umweltüberwachung zu, wo ein Teil der Sensoren schon mittels<br />
<strong>eines</strong> Kabelsystems angeschlossen sind, andere Messstellen jedoch noch durch<br />
einen Bediener abgelesen werden und diese mit dem neuen System verbunden<br />
werden sollen.<br />
Es ist in beiden Fällen zu prüfen, ob der Aufbau <strong>eines</strong> neuen Systems sinnvoll ist.<br />
Eine Erweiterung kann genügen, wenn die vorhandene Infrastruktur noch nicht<br />
ausgelastet ist und mit den zusätzlichen Komponenten auch keine Überlastung<br />
entstehen kann. Sollte das bestehende System jedoch schon an einer<br />
Leistungsgrenze sein, so wäre der Aufbau <strong>eines</strong> neuen Kommunikationssystems<br />
parallel zum alten System sinnvoll. Dies bietet neben der Redundanz auch den<br />
Vorteil, dass das neue System unter Umständen das ältere System ablösen kann. In<br />
der Umweltüberwachung ist abzuwägen, ob die neu anzubindenden Messstellen<br />
aufgrund einer großen räumlichen Entfernung ohne ein Kabelsystem sondern mit<br />
einer Inselversorgung ausgerüstet werden können.<br />
6.4.3<br />
Bauwerk darf nicht verändert werden<br />
Bei manchen Gebäuden bestehen die Einschränkungen, dass sie baulich nicht<br />
verändert werden dürfen. Dies kann sowohl bedeuten, dass für das<br />
Kommunikationssystem keine neuen Wanddurchbrüche oder ähnliches geschaffen<br />
werden dürfen, als auch, dass vorhandene Infrastruktur nicht genutzt werden darf.<br />
In Abhängigkeit <strong>von</strong> den erwähnten Parametern kann dann in solchen Fällen ein<br />
Funknetzwerk gut etabliert werden, da dann nur das Überwachungssystem zu<br />
installieren ist. Dieses System muss sich jedoch flexibel den baulichen<br />
Gegebenheiten anpassen.<br />
6.4.4<br />
Freifläche<br />
Freiflächen eigenen sich in den meisten Fällen gut für eine funkbasierte<br />
Datenübertragung. Dies liegt daran, dass der größte Dämpfungsgrad bei<br />
Funktechnologien - feste Wände - auf Freiflächen selten auftreten.<br />
Bäume und ähnliche Gegenstände dämpfen zwar das Signal, jedoch nicht so stark<br />
wie eine massive Wand.<br />
27
Generell werden auch die Reichweiten <strong>von</strong> Funksystemen über einer Freifläche<br />
angegeben, da diese vergleichbar ist.<br />
Für eine Umweltüberwachungsanlage hat die Verwendung <strong>von</strong> <strong>funkbasierten</strong><br />
Technologien einen weiteren Vorteil. Werden die Messstellen ohne Kabel<br />
angebunden, geschieht gleichzeitig eine galvanische Trennung. Fahrzeuge,<br />
Menschen oder auch Tiere können keine Kabel beschädigen.<br />
Bei einer Außeninstallation ist ein entsprechender Schutzgrad der Komponenten<br />
vorzusehen.<br />
28
7 Vergleich der Technologien<br />
7.1 Klassische Anlagen mit Kabelbussen<br />
Systeme mit seriellen Bussen werden <strong>von</strong> vielen Unternehmen angeboten. Dabei<br />
unterscheiden sich die Systeme in der Handhabung der Busse teilweise deutlich<br />
Viele Hersteller verwenden den „Übertragungsstandard“ - „RS-485“ - auf den<br />
verschiedene Protokolle aufsetzen. So nutzt z.B. die Firma „Gantner Instruments<br />
GmbH“ sowohl einen „Profibus“ für die Kommunikation mit den Modulen, wenn sie<br />
durch ein Fremdsystem gesteuert und überwacht werden, als auch ein eigenes<br />
Protokoll namens „LocalBus“, wenn sie in einer reinen „Gantner Instruments“-<br />
Umgebung eingesetzt werden.<br />
In eine Anlage mehrere verschiedene Hersteller einzubinden erweist sich im<br />
Regelfall als kompliziert, da die Hersteller die Protokolle leicht unterschiedlich<br />
implementiert haben können.<br />
Auch „Siemens“-Systeme setzen auf einen seriellen Bus <strong>zur</strong> Kommunikation. Dabei<br />
ist es irrelevant, ob das Modul mit der SPS 21 auf einer Profilschiene angeordnet ist<br />
oder mittels <strong>eines</strong> Buskabels in einer großen Entfernung installiert ist. Die<br />
Kommunikation zwischen diesen Systemen ist die gleiche.<br />
Andere Systeme, wie das oben erwähnte „HART-Protokoll“ nutzen die vorhandene<br />
analoge Sensorverkabelung, um darauf digitale Werte weiterleiten zu können.<br />
7.2 Verschiedene Wireless-Technologien<br />
Für die Auswahl <strong>eines</strong> geeigneten Funknetzwerkes werden folgende Kriterien<br />
festgelegt:<br />
Niedriger Energieverbrauch<br />
Redundanter Aufbau möglich<br />
Hohe Reichweite<br />
Offen für Systeme <strong>von</strong> Fremdherstellern<br />
Funknetze mit möglichst geringer Störung<br />
Wie in „Tabelle 2 - Vergleich verschiedener Funktechnologien“ ersichtlich, erfüllen<br />
die Systeme auf Basis <strong>von</strong> „ZigBee“ in der Verwendung als „WSN-Systeme“ die<br />
gestellten Forderungen und werden daher für weitere Betrachtungen herangezogen.<br />
Dabei folgt eine Aufstellung verschiedener Herstellerimplementierungen für „WSN-<br />
Systeme“.<br />
Ausgewählt wurden dafür die „WSN-Systeme“ der Firmen „Advantech“, „Libelium“,<br />
„National Instruments“ und „Newsteo“.<br />
21 SPS - Speicherprogrammierbare Steuerung<br />
29
7.3 Vergleich und Vorstellungen der Technologien<br />
7.3.1<br />
„Advantech 2000-Serie“<br />
„Advantech“ gibt die Frequenzen für die „2000er“ Serie mit 2,4-2,4835GHz an. Somit<br />
fallen diese Geräte in das lizenzfrei nutzbare ISM-Band. Es werden dabei die Kanäle<br />
11-26 genutzt.<br />
Es ist eine Auswahl verschiedener Geräte verfügbar. Den Koordinator des Systems<br />
stellt ein „ModBus RTU“-Gateway <strong>zur</strong> Verfügung. Über dieses Gateway lassen sich<br />
die Module abfragen 22 . Weiterhin verfügbar sind ein „ZigBee“-Router und mehrere<br />
Endgeräte. Diese können acht digitale Eingänge besitzen oder einen<br />
Luftfeuchtigkeits- und -Temperaturmesser. Auch ein analoges Eingangsmodul mit<br />
sechs Kanälen ist in Planung.<br />
Der Energieverbrauch bei einer Speisespannung <strong>von</strong> 24V wird mit bis zu 800mW<br />
angegeben. Die Geräte können alternativ mittels zweier AA-Batterien versorgt<br />
werden. Der Energieverbrauch soll dabei unter dem der externen Versorgung liegen.<br />
Der Temperaturbereich beträgt bei externer Versorgung -20..70°C und bei<br />
Batterieversorgung 0..50°C. 23<br />
7.3.2<br />
„Libelium WASPMote“<br />
Das „WASPMote“-System der Firma „Libelium“ ist modular aufgebaut. Es kann je<br />
nach Anwendungsfall gewählt werden, mit welcher Verbindungstechnologie sich ein<br />
System in ein vorhandenes Netzwerk verbinden soll. Zur Verfügung stehen dabei<br />
WLAN-Chips, Chips für eine mobile Internetverbindung nach dem „UMTS-Standard“,<br />
oder auch verschiedene Module für eine Verbindung mit einem „ZigBee“-Netzwerk.<br />
Dabei können sowohl die Frequenzen 868MHz als auch der Bereich <strong>von</strong> 2,4GHz<br />
genutzt werden. Auf einem „WASPMote“ können zwei Funkmodule aufgesteckt<br />
werden. Ein Sensornetzwerk kann auch mit einer „Bluetooth“-Erweiterung aufgebaut<br />
werden. Die „WASPMotes“ besitzen zwar zwei Steckplätze für<br />
Kommunikationsmodule, jedoch haben diese eine unterschiedliche Bauform. Der<br />
zweite Steckplatz ist für die Verwendung der Mobilfunksysteme vorgesehen. Ein<br />
Erweiterungsboard, um dort auch andere Module aufstecken zu können ist<br />
verfügbar. 24<br />
Weiterhin unterstützen „WASPMotes“ auch ein „Meshlium“ genanntes System, auf<br />
welchem die Messwerte verschiedener Systeme gesammelt werden können.<br />
22 [7] vgl. online: „Advantech“, (23.07.2013)<br />
23 [8] vgl. online: „Advantech“, (23.07.2013); [9] vgl. online: „Advantech“, (23.07.2013)<br />
24 [10] vgl. online: „Libelium Comunicaciones Distrubuidas S.L.“, 2013, S. 14 (23.07.2013)<br />
30
Ebenfalls lässt sich pro „WASPMote“ ein Erfassungsboard aufstecken. Dieses Board<br />
ist die Schnittstelle zwischen dem „Mote“ und den angelegten Signalen. Das<br />
Sortiment an Erweiterungsboards umfasst dabei neben analogen Systemen für z.B.<br />
Einheitssignale auch schon fertige Sensoren wie z.B. eine Überwachungskamera mit<br />
Infrarotblitz.<br />
Auch bietet das Systemboard selbst schon viele Schnittstellen. So sind analoge<br />
Eingänge, digitale Ein- und Ausgänge sowie verschiedene Busse vorhanden. Die<br />
Busse sind 2 UARTs, 1 I²C-Bus sowie USB und SPI. Die Boards besitzen einen<br />
eingebauten Sensor für die Systemtemperatur und einen Beschleunigungssensor.<br />
Für „ZigBee“ im Frequenzband <strong>von</strong> 2,4GHz sind zwei Kommunikationsaufsätze<br />
verfügbar. Diese beiden Aufsteckmodule unterscheiden sich durch ihre<br />
Sendeleistung und ihre Empfangsempfindlichkeit. Das schwächere Modul bietet eine<br />
Sendeleistung <strong>von</strong> 2mW und eine Empfindlichkeit <strong>von</strong> -96dBm und soll damit bis zu<br />
500m weit senden und empfangen können. Das stärkere Modell bietet hingegen eine<br />
Sendeleistung <strong>von</strong> bis zu 50mW bei einer Empfindlichkeit <strong>von</strong> -102dBm und soll laut<br />
Datenblatt bis zu einer Entfernung <strong>von</strong> 7 Kilometer eine Verbindung aufbauen<br />
können. 25<br />
Das 868MHz-„Zigbee“-Modul bietet bei einer Sendeleistung <strong>von</strong> bis zu 315mW und<br />
einer Empfindlichkeit <strong>von</strong> -112dBm eine Reichweite <strong>von</strong> bis zu 12 Kilometer.<br />
„WASPMotes“ können sowohl als Endknoten betrieben werden oder als „Zigbee“-<br />
Router. Ebenso bieten die „Motes“ selbst schon eine getrennte Energieversorgung<br />
an, welche automatisch zwischen externer Versorgung, Batterieversorgung oder<br />
Solarversorgung umschalten kann.<br />
7.3.3<br />
„National Instruments WSN“<br />
„WSN“-Module <strong>von</strong> „National Instruments“ gibt es ebenfalls in verschiedenen<br />
Varianten. Grundsätzlich lässt sich das Produktspektrum in zwei Kategorien<br />
unterteilen: nichtprogrammierbare Knoten und programmierbare Knoten. Dabei ist zu<br />
beachten, dass die Auswahl bei den programmierbaren Knoten höher ist, als bei den<br />
nicht programmierbaren.<br />
Gleich sind die Knoten dahingehend, dass sie mindestens zwei digitale Ein- bzw.<br />
Ausgänge besitzen. Die Kanäle können einzeln bedarfsentsprechend konfiguriert<br />
werden.<br />
Die nichtprogrammierbaren Messknoten besitzen wahlweise einen Anschluss für<br />
eine Voll- bzw. Halb- oder Viertelbrücke bzw. <strong>zur</strong> RTD-Messung, vier analoge<br />
Spannungseingänge mit verschiedenen Empfindlichkeiten oder Eingänge für bis zu<br />
vier Thermoelemente nach den verschiedenen Standards. Auch diese lassen sich<br />
25 [10] vgl. online: „Libelium Comunicaciones Distrubuidas S.L.“, 2013, S. 3 (23.07.2013)<br />
31
konfigurieren. Das vierte nichtprogrammierbare Modul besitzt vier Kanäle für eine<br />
Spannungs- oder Widerstandsmessung.<br />
Die programmierbaren Knoten besitzen die gleiche grundlegende Funktionalität wie<br />
die nichtprogrammierbaren, mit dem Unterschied, dass auf diese Knoten eine<br />
Software aufgespielt werden kann, mit der sich die Daten schon auf dem Knoten<br />
selbst verarbeiten lassen. Weiterhin ist das Produktspektrum an programmierbaren<br />
Knoten um zwei Produkte reicher: serielle Knoten mit jeweils einem Port nach den<br />
Standards „RS-232“ oder „RS-485“. Dabei können diese Knoten in verschiedenen<br />
Modi betrieben werden, denn auch diese besitzen zwei digitale IO-Kanäle.<br />
„National Instruments“ gibt die Sendeleistung der Module mit bis zu 50mW für die<br />
Vereinigten Staaten und mit bis zu 10mW für den Rest der Welt an. Die<br />
Kommunikationsreichweite soll dabei bis zu 300 Meter betragen. 26<br />
Mit Energie werden die auf dem 2,4GHz-Band sendenden Module extern versorgt.<br />
Dabei besitzen sie einen Spannungseingang <strong>von</strong> 5...30V. Sie können jedoch auch<br />
mit vier AA-Batterien bis zu drei Jahren versorgt werden. Dabei setzt „National<br />
Instruments“ mit dem „WSN“ strikt die Energiesparanforderungen der zu Grunde<br />
liegenden Standards durch.<br />
Die Module sind in einem Temperaturbereich <strong>von</strong> -40..70°C einsetzbar und sind<br />
stoßfest bis 50G bzw. 5G vibrationsunempfindlich.<br />
Für das „WSN“ <strong>von</strong> „National Instruments“ werden drei Koordinatoren angeboten,<br />
welche einen jeweils anderen Leistungsumfang besitzen. Eines der Gateways ist ein<br />
reiner Übertrager vom „WSN“ auf Ethernet, ein anderes Gateway besitzt einen<br />
integrierten Echtzeitprozessor und das dritte Gateway ist zum Einbau in ein<br />
„CompactRIO“-Echtzeitsystem gedacht.<br />
„National Instruments“ nutzt für die Umsetzung des „WSNs“ als Grundlage den „IEEE<br />
802.15.4-Standard“ und darauf aufbauend Technologien <strong>von</strong> „Zigbee“. Die obersten<br />
Schichten jedoch sind selbst entwickelt und schirmen das Funknetzwerk vor den<br />
Zugriffen anderer ab, um Störungen zu umgehen.<br />
Der Netzaufbau erfolgt nach der Konfiguration des Koordinators automatisch.<br />
7.3.4<br />
„Newsteo“ Datenmodule<br />
„Newsteo“ setzt bei den Modulen auf eine Vielzahl an Produkten. Dabei wird durch<br />
die große Anzahl verschiedener Systeme eine sehr große Anzahl an Sensoren<br />
abgedeckt. Es sind sowohl Funkmodule mit analogen Eingängen, digitalen<br />
Eingängen als auch Module verfügbar, an welche direkt Spezialsensoren wie<br />
Windsensoren oder Globalstrahlungssensoren angeschlossen werden können 27 .<br />
26 [3] vgl. online: „National Instruments“, 2012, S. 45 (29.07.2013)<br />
27 [11] vgl. online: „Newsteo“ (23.07.2013)<br />
32
Weiterhin bietet „Newsteo“ einen Koordinator an, welcher mittels einer seriellen<br />
Kommunikation und dem „ModBus“-Protokoll abgefragt werden kann. Die<br />
Kommunikation zwischen dem Leitsystem und dem Modul geschieht wahlweise über<br />
„RS-232“ oder „RS-485“.<br />
Ein weiterer Koordinator des Netzwerkes basiert auf Ethernet und kann darüber<br />
durch ein Leitsystem abgefragt werden. Der Energieverbrauch ist abhängig <strong>von</strong> der<br />
anzuschließenden Sensorart und wird bei 12V mit bis zu 100mA angegeben.<br />
Die Funksysteme <strong>von</strong> „Newsteo“ sind mittels IP65 gegen Außeneinflüsse geschützt.<br />
Bei Bedarf sind diese Module auch mit IP 50 erhältlich.<br />
7.3.5<br />
Zusammenfassung<br />
Advantech Libelium NI WSN<br />
Newsteo<br />
2000 ZigBee<br />
Energieversorgung<br />
Netz oder Netz/ Batterie/ Netz/ Batterie Netz<br />
Batterie Solar<br />
Sendestärke Keine 2..50mW 10..100mW Keine Angabe<br />
Angabe<br />
Protokoll ZigBee ZigBee ZigBee+Aufsatz k.A. 28<br />
Redundanz Durch Router Durch Router Durch Router ja<br />
Programmierbarkeit<br />
Nein Ja Ja Nein<br />
Analog Ja 7AI V, RTD, Brücke, TC V<br />
Digital ja 8 Digital I/O DI, DO, TTL DI<br />
Busse Nein 2 UART, I²C, RS-232, RS-484 RS-232<br />
SPI<br />
Reichweite Bis zu 1000m Bis zu 7000m Bis zu 300m Bis zu 900m<br />
(Angabe)<br />
sonstiges ModBus<br />
Koordinator<br />
Frei<br />
kombinierbar<br />
Kombiknoten Datenlogger<br />
Tabelle 3 - Zusammenfassung Sensornetzwerke<br />
Wenn in der Anlagen- und Umweltüberwachung auf die Echtzeitfähigkeit der<br />
Komponenten verzichtet werden kann, so erfüllt das „WSN“-System <strong>von</strong> „National<br />
Instruments“ die Anforderungen an ein solches System. Es wird für weitere Tests<br />
und Validierungen eingesetzt.<br />
28 k.A. - keine Angabe<br />
33
8 Vergleich Eigenschaften „NI WSN“ mit Anforderungen<br />
an Anlagen- und Umweltüberwachung<br />
Dieses wird beispielhaft für die weitere Bearbeitung des Themas verwendet. Die<br />
aufgezeigten Versuche sind auch mit anderen Systemen wiederholbar.<br />
Die programmierbaren Knoten bieten zwar eine Abtastung im Teilbereich <strong>von</strong><br />
Sekunden, jedoch kann aufgrund der geringen Übertragungsrate nicht jeder<br />
Messwert sofort übertragen werden. Die Messwerte können während der<br />
Verarbeitung im „WSN“-Knoten schon entsprechend auf Grenz- und<br />
Sinnfälligkeitswerte überprüft werden und eine entsprechende Meldung des<br />
Wertzustands bei Grenzverletzung übertragen werden.<br />
Weiterhin sind die Geräte im Endgerätemodus (vermindert funktionsfähiges Gerät)<br />
sehr sparsam, da sie die Funkschnittstelle komplett abschalten und nur zum<br />
Sendeintervall aktivieren.<br />
Die Abtastungs- und Übertragungszeit <strong>von</strong> nichtprogrammierbaren Knoten ist sowohl<br />
abhängig <strong>von</strong> der Konfiguration, welche im Koordinator hinterlegt wird als auch <strong>von</strong><br />
der gesamten Netzausdehnung.<br />
Die „WSN“-Systeme können aufgrund ihrer hohen Funkreichweite gut im Feld<br />
eingesetzt werden. Die Energieversorgung kann sowohl extern erfolgen als auch<br />
über einen langen Zeitraum über Batterie, mehr dazu im Kapitel 10 Messung<br />
Energieverbrauch.<br />
Die Module können ebenso Sensoren mit Energie versorgen, sofern deren<br />
Leistungsaufnahme eine Grenze <strong>von</strong> 50mA bei 12V nicht überschreitet. Dies ist auch<br />
bei der Energieversorgung über eine Batterie der Fall.<br />
Für den Einsatz im Feld muss aber in jedem Fall eine Umbauung um den Knoten<br />
angebracht werden, da seine Schutzklasse nur für den Einsatz in geschützten<br />
Umgebungen ausreicht.<br />
Weiterhin sind die Knoten für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen<br />
einsetzbar, sofern keine mechanischen Steckvorgänge ausgeführt werden. Dies<br />
betrifft den Einsatz in „Zone 2” gefährdeten Gebieten. In diesen Gebieten herrscht<br />
unter normalen Betriebsabläufen keine Explosionsgefahr, jedoch kann diese<br />
kurzzeitig auftreten.<br />
Nach nordamerikanischem System ist der Einsatz in Umgebungen, wo die<br />
„zündfähige Konzentration entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten [..]<br />
wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf[tritt]“ 29 , zulässig.<br />
29 [12] „PHOENIX CONTACT“ S. 15<br />
34
9 Vorstellung der Typen „NI WSN“<br />
9.1 „National Instruments Wireless Sensor Network“<br />
Das „National Instruments Wireless Sensor Network“ besteht aus verschiedenen<br />
Elementen. Dies betrifft sowohl die Funktionsknoten als auch die Koordinatoren,<br />
welche vom Hersteller „Gateway“ genannt werden.<br />
Eine Auflistung der verschiedenen Systeme und deren Spezifikationen bieten die<br />
folgenden beiden Tabellen:<br />
Name Anschlüsse Anzahl DigitalIO Programmierbarkeit<br />
„NI WSN-3202” ±10V, 16 Bit, 4 Kanale 4 Ja/Nein<br />
„NI WSN-3212” Thermoelement, 4 4 Ja/Nein<br />
Kanäle<br />
„NI WSN-3214” ¼ / ½ / Voll-Brücken 2 Ja/Nein<br />
„NI WSN-3226” ±10V, Widerstand, 4 2 Ja/Nein<br />
Kanal<br />
„NI WSN-3230” 30 “RS-232” 2 Ja<br />
„NI WSN-3231” “RS-485” 2 Ja<br />
Tabelle 4 - „National Instruments" Typen <strong>von</strong> „WSN"<br />
Die Sendeleistung der in der oben aufgeführten Tabelle aufgelisteten Knoten beträgt<br />
10mW, eine Version mit höherer Sendeleistung ist in Europa nicht verfügbar.<br />
Den Knoten ebenfalls gemein ist eine „Nutzer-LED“ 31 , welche sich programmatisch<br />
an bzw. abschalten lässt, um gewisse Zustände des Knotens verdeutlichen zu<br />
können.<br />
„NI 9791“ 32 „NI 9792“ 33 „NI 9795“ 34<br />
Anschluss an Ethernet Dual-Ethernet „CompactRIO“<br />
Betriebssystem k.A. Echtzeitsystem Echtzeitsystem<br />
Anzahl Messknoten 36 36 36<br />
Prozessor k.A. 533MHz PowerPC „cRIO“ 35 -Controller<br />
Sonstige Anschlüsse - Seriell/USB -<br />
Sendeleistung 10mW / 50mW 10mW / 50mW 10mW<br />
Temperaturbereich -30..70°C -40..70°C -40..70°C<br />
Ex-Zertifikat No. 07<br />
ATEX 0626664X<br />
No. 07<br />
ATEX 0626664X<br />
Tabelle 5 - Vergleich Gateways für das „WSN“ <strong>von</strong> „National Instruments“<br />
No. 07<br />
ATEX 0626664X<br />
30 [13] vgl. online: „NI“, 2012 (22.07.2013)<br />
31 „LED” - Light Emitting Diode<br />
32 [14] vgl. online: „NI“, 2010 (19.08.2013)<br />
33 [15] vgl. online: „NI“, 2010 (19.08.2013)<br />
34 [6] vgl. online: „NI“, 2011 (19.08.2013)<br />
35 „cRIO“ - „CompactRIO“<br />
35
Ähnlich den Messknoten besteht auch bei den Gateways eine Beschränkung seitens<br />
des Herstellers auf 10mW Sendeleistung. Die Spezifikationen der Geräte mit der<br />
Netzwerkschnittstelle weisen für Amerika eine Leistung <strong>von</strong> 50mW aus 36 .<br />
Wie ebenfalls der obenstehenden Tabelle 5 zu entnehmen ist, können an einen<br />
Gateway maximal 36 Teilnehmer angeschlossen werden. Um diese Zahl zu<br />
erreichen, muss ein Teil der Teilnehmer in den „Router“-Modus wechseln. Ein jedes<br />
Gateway ist für einen speziellen Einsatz vorgesehen. Das „NI 9791“ stellt lediglich<br />
die Werte der angeschlossenen Netzwerkknoten auf einem „LabVIEW“-kompatiblen<br />
System als sogenannte „Netzwerkverteilte Variablen“ <strong>zur</strong> Verfügung. Diese müssen<br />
durch eine andere Anwendung abgerufen und verarbeitet werden.<br />
Durch den Einsatz <strong>von</strong> „NI WSN-3202“ lassen sich bis zu 144 analoge und 144<br />
digitale Werte in einem Netzwerk bearbeiten. Durch den Einsatz mehrerer Gateways<br />
lässt sich dies durch die 14 wählbaren Funkkanäle auf jeweils bis zu 2016 Werte<br />
steigern. Dabei ist pro „CompactRIO“ jedoch nur jeweils ein „NI 9795“ einsetzbar.<br />
9.2 Netzwerktypen<br />
9.2.1<br />
Maschennetzwerk, Endknoten<br />
Zum Einsatz können in „WSNs“ verschiedene Typen <strong>von</strong> Geräten kommen. Dabei<br />
werden zwei Geräteklassen durch ein „WSN“-Gerät abgedeckt. Das betrifft den<br />
Router bzw. das Endgerät. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass der<br />
Router seine Funkschnittstelle permanent aktiv lässt, wohingegen das Endgerät<br />
seine Funkschnittstelle bis <strong>zur</strong> nächsten Datenübertragung nach dem eigenen<br />
Intervall abschaltet. Dabei senden jedoch auch diese Geräte alle 61 Sekunden ohne<br />
erfolgte Kommunikation ein sogenanntes „Heartbeat-Signal“ aus, um den Status des<br />
Funknetzwerkes zu prüfen. Wird der nächste Punkt des Netzwerkes, mit welchem<br />
der Knoten zuletzt Kontakt hatte, nicht mehr erreicht, so beginnt der Knoten die<br />
Suche nach einem anderen Knoten desselben Netzes. Weiterhin ist zu beachten,<br />
dass die Router durch die Funkschnittstelle einen wesentlich höheren<br />
Energieverbrauch aufweisen, als die Endknoten.<br />
Bei den „Wireless Sensor Network“-Knoten <strong>von</strong> „National Instruments“ handelt es<br />
sich nach dem „ZigBee“-Standard durchgängig um „Fully Functional Devices“, also<br />
Systeme, welche als Router betrieben werden können. Dabei ist aber zu beachten,<br />
dass diese Funktionalität <strong>von</strong> der Firmware bereitgestellt wird und abschaltbar ist.<br />
Somit können die Knoten auch über eine lange Zeit als Endgeräte mittels <strong>eines</strong><br />
Satzes Batterien versorgt werden.<br />
36 [15] vgl. online: „NI“, 2010, S. 45 (19.08.2013)<br />
36
9.2.2<br />
Netzwerkkonfigurationen<br />
Bei der Netzwerkplanung ist besondere Vorsicht walten zu lassen. Dies ist betrifft die<br />
geplante räumliche Anordnung der Netzwerkknoten und deren Einstellung als Router<br />
bzw. Endknoten.<br />
Ein „WSN“-Gerät der Firma „National Instruments“ als Router bzw. Koordinator kann<br />
bis zu acht andere Teilnehmer im Funknetzwerk verwalten. Dabei ist zu beachten,<br />
dass bei mehr als acht Geräten mindestens <strong>eines</strong> dieser Geräte als Router<br />
konfiguriert sein muss, welches weitere acht Geräte verwalten kann. Sollten mehrere<br />
Geräte als Router konfiguriert sein, so ist bei der Netzwerkstruktur darauf zu achten,<br />
dass alle Geräte eine Verbindung zu einem anderen Router aufbauen können.<br />
Aufgrund der Beschränkung auf acht Geräte kann dabei das Problem entstehen,<br />
dass ein Gerät trotz<br />
Netzabdeckung durch ein<br />
weiteres Gerät keine<br />
Verbindung in das Netzwerk<br />
bekommt. Dies ist der Fall,<br />
wenn sich Geräte in diesen<br />
Zugangspunkt einbuchen<br />
und dabei die Kapazität des<br />
Routers auslasten, obwohl<br />
sie auch Zugang durch<br />
einen anderen Knoten<br />
erhalten könnten. In diesem<br />
Fall spricht man <strong>von</strong> in<br />
Abbildung 1 dargestellten<br />
„Stranded Node Problem“ 37 .<br />
Abbildung 1 - „Stranded Node Problem"<br />
Durch die Konfiguration mehrerer Geräte zu Routern lassen sich allerdings auch<br />
Redundanzen innerhalb des Netzes schaffen. Sollte einer der Router ausfallen, so<br />
besteht für die Geräte über einen weiteren Router noch die Möglichkeit, sich mit dem<br />
Netzwerk zu verbinden. Ungünstig ist diese Konfiguration allerdings, wenn sich die<br />
Router gegenseitig weiterleiten und nicht zwei getrennte Verbindungen zum<br />
nächsten Gerät aufbauen. Dies stellt jedoch ein geringeres Problem dar, solange der<br />
zweite Router die Möglichkeit hat, sich mit dem nächsten Gerät zu verbinden. Eine<br />
Darstellung dazu ist unter Abbildung 2 verdeutlicht 38 .<br />
37 [15] vgl. online: „NI“, 2011 S. 28 (19.08.2013)<br />
38 [15] vgl. online: „NI“, 2011 S. 23f. (19.08.2013)<br />
37
Die Firma „National<br />
Instruments“ schlägt vor,<br />
nicht mehr als drei Sprünge<br />
zwischen dem Endgerät<br />
und dem Koordinator<br />
einzuplanen. Dies ergibt<br />
sich aus der mit<br />
zunehmender Entfernung<br />
steigenden Zeit, welches<br />
ein Datenpaket benötigt und<br />
der geteilten Datenrate,<br />
welche mit jedem Sprung<br />
zwischen zwei Knoten<br />
weiter sinkt.<br />
Abbildung 2 - alternative Routingpfade<br />
9.3 Erfassungsgeschwindigkeiten<br />
Daten können <strong>von</strong> den Messknoten mit verschiedenen Abtastraten erfasst werden.<br />
Das „NI WSN-3214“ bietet eine Erfassungsgeschwindigkeit <strong>von</strong> bis zu 1kS/s. „NI<br />
WSN-3226“ und „NI WSN-3202“ bieten eine Abtastung <strong>von</strong> 1Hz an. Die weiteren<br />
„WSN“-Knoten sind nicht spezifiziert. Bei programmierbaren Knoten ist es auch<br />
möglich, eine gewisse Anzahl an Messwerten innerhalb des Systemspeichers<br />
abzulegen.<br />
Die Zeit, wie oft der Messknoten Daten erfassen soll, kann bei programmierbaren<br />
Knoten während der Ausführungszeit geändert werden. Ansonsten wird diese Zeit zu<br />
Beginn des Programmablaufes eingestellt. Doch dabei muss beachtet werden, dass<br />
ab einer bestimmten Erfassungsgeschwindigkeit der Prozessor des Knotens<br />
überlastet und eine noch schnellere Datenerfassung nicht möglich sein wird. Ein<br />
höheres Intervall als 60 Sekunden bei gleichzeitiger Übertragung der Messwerte<br />
trägt jedoch nur noch wenig zum Energiesparen bei, da die Funkschnittstelle durch<br />
das „Heartbeat“-Signal alle 61 Sekunden ohne Kommunikation aktiviert wird.<br />
Sofern der Knoten nicht als Router konfiguriert wird, kann er ebenfalls erst Daten<br />
empfangen, wenn die Funkschnittstelle aktiviert wird, ob dies durch den „Heartbeat“-<br />
Timer ausgelöst wird, oder durch eine interne Programmstruktur des Knotens ist<br />
nicht relevant.<br />
38
9.4 Vorstellung „NI CompactRIO“, „LabVIEW“<br />
Ein „CompactRIO“ der Firma „National Instruments“ bezeichnet ein<br />
rekonfigurierbares, modulares System. „CompactRIO“ ist dabei die Abkürzung für<br />
„Compact Reconfigurable Input Output“. Dabei besteht dieses System immer aus<br />
einem „Controller“ mit dem Echtzeitprozessor und Peripherieschnittstellen, und<br />
einem Chassis zum Einstecken der IO-Module. Weiterhin besitzen „CompactRIOs“<br />
einen „FPGA“ 39 mit einer vom jeweiligen Modell abhängigen Menge an Gattern.<br />
Die Controller sind in verschiedene Leistungsklassen unterteilt. Die Unterscheidung<br />
liegt in dem verbauten Prozessor und der verfügbaren Speicherkapazität. Ebenso<br />
unterscheiden sich die Anzahl der Schnittstellen, während günstige Geräte nur einen<br />
Ethernetcontroller besitzen, können leistungsstärkere auf zwei <strong>zur</strong>ückgreifen. Der<br />
zweite Port ist in solchen Fällen auch „EtherCAT“ fähig. Das Echtzeit-Gateway „NI<br />
9792“ besitzt diese Fähigkeit ebenso. Es ist annährend spezifikationsgleich mit dem<br />
„CompactRIO“-Controller „NI cRIO-9022“.<br />
In den Chassis befindet sich auch der modellabhängige „FPGA“. Daneben dient das<br />
Chassis <strong>zur</strong> Aufnahme der IO-Module. Es sind Vier- und Achtslot-Chassis für die<br />
Einsteckmodule der „C-Serie“<br />
verfügbar. Für die zentrale Aufnahme<br />
<strong>von</strong> Signalen ist ein weites Spektrum<br />
<strong>von</strong> analogen und digitalen „C-<br />
Serien“-Modulen verfügbar.<br />
Auch sind „CompactRIOs“ erhältlich,<br />
welche über einen in das Chassis<br />
integrierten Controller verfügen. Diese<br />
besitzen aber in den meisten Fällen<br />
einen kleineren Temperaturbereich<br />
und sind auch nicht so leistungsfähig<br />
wie dedizierte „Controller“.<br />
Der „FPGA“, die „NI WSN“-Knoten<br />
und der Echtzeitcontroller lassen sich<br />
in der grafischen Programmiersprache<br />
„LabVIEW“ programmieren.<br />
Eine Programmierung für windows-<br />
oder linuxbasierte Systeme ist<br />
ebenfalls möglich, für die Ausführung<br />
auf dem Zielsystem wird jeweils eine<br />
Laufzeitumgebung benötigt.<br />
Abbildung 3 - „NI cRIO 9024" + „C-Serien"-Module<br />
+ „NI WSN 9795"<br />
39 „FPGA” - „Field Programmable Gate Array”<br />
39
„LabVIEW“ ist eine Entwicklung aus dem Hause „National Instruments“ und<br />
bezeichnet dabei als Akronym „Laboratory Virtual Engineering Workbench“ die<br />
Entwicklungsumgebung. Die verwendete Programmiersprache wird „G“ genannt. „G“<br />
basiert auf dem Datenflussmodell. In Abbildung 4 ist der Beispielquellcode zu sehen.<br />
Dieser besteht aus dem Quellcode im „Block Diagram“ und der Benutzeroberfläche<br />
im „Front Panel“.<br />
Abbildung 4 - Quellcode einer Addition in LabVIEW mit "Block Diagram" und "Front<br />
Panel"<br />
Für die Praxistests wurde „LabVIEW 2012 Professional Development System SP1“<br />
eingesetzt, welches erweitert wurde mit dem „FPGA Module“, dem „Real-Time<br />
Module“ und dem zum Einbinden des „WSN Gateways 9795“ benötigten „Wireless<br />
Sensor Network Module Pioneer“. Dieses Softwaremodul wird <strong>zur</strong> Programmierung<br />
der Knoten benötigt.<br />
Ebenso verwendet wurde ein „NI cRIO-9024“. Dabei handelt es sich um ein<br />
Echtzeitsystem mit einem 800MHz Prozessor sowie einem Arbeitsspeicher <strong>von</strong><br />
512MB und 4GB nichtflüchtigen Speicher für Protokollierungszwecke. Als Chassis<br />
wurde ein „NI cRIO-9114“ verwendet. Der „FPGA“ des Chassis blieb ungenutzt, da<br />
das „NI WSN 9795“ nicht über den „FPGA“ genutzt werden kann.<br />
Dieses System stellt als „PAC“ 40 das autarke Regelsystem dar, welches mit dem „NI<br />
WSN“ erweitert wird.<br />
40 PAC - Programmable Automation Controller<br />
40
10 Messung Energieverbrauch<br />
10.1 Messarten - Spannungsquellen<br />
Zur Evaluierung des Energieverbrauchs wurde auf eine programmierbare<br />
Gleichspannungsquelle <strong>von</strong> „HAMEG“ <strong>zur</strong>ückgegriffen. Die Spannungsquelle „HMP-<br />
4040“ bietet dabei vier Ausgabekanäle, die Ströme bis 10A und Spannungen bis 32V<br />
ausgeben können. Dabei sind die einzelnen Kanäle jedoch auf 160W Abgabeleistung<br />
und das Gesamtsystem auf 384W über alle Kanäle beschränkt. Für höhere<br />
Leistungen lassen sich die galvanisch getrennten Kanäle kombinieren. Bei den <strong>von</strong><br />
„National Instruments“ angegeben Verbrauchswerten wird dies jedoch nicht<br />
notwendig sein.<br />
Für eine Messung wird ein „WSN“-Knoten an einen Kanal angeschlossen und die<br />
Energieabgabe aktiviert. Um eine möglichst hohe Stromstärke zu erzielen, wird die<br />
Spannung auf das minimale, für die Geräte angegebene, Level abgesenkt.<br />
Im Verlauf der durchgeführten Tests wurde die Spannung bis auf 5V herabgesetzt,<br />
um höhere Ströme zu erreichen.<br />
Ebenso wurde erprobt, bis zu welcher Spannung die Module den Betrieb aufnehmen.<br />
Eine Absenkung der Spannung im Betrieb bis zu einem Abschalten der Module<br />
wurde nicht durchgeführt. Der getestete „WSN“-Knoten nahm den Betrieb bis zu<br />
einer Spannung <strong>von</strong> 3,7V auf, bei niedrigeren Spannungen geschah keine Reaktion.<br />
Das „HMP-4040“ verfügt über ein eingebautes Display, auf welchem die Spannungs-<br />
Strom- und Leistungswerte der Kanäle aufgetragen werden. Zur besseren<br />
Protokollierung wurden diese Werte über die serielle Schnittstelle des Gerätes durch<br />
den verwendeten „CompactRIO“-Controller abgefragt und aufgezeichnet. Dabei<br />
wurde jedoch nur eine Abtastung <strong>von</strong> 0,7 Sekunden für einen Messkanal erzielt.<br />
Auch eine Erhöhung der Zeichenrate auf der seriellen Verbindung verringerte diese<br />
Zeit nicht.<br />
Auf dem Display waren die einzelnen Phasen des Messzyklus <strong>eines</strong> „WSN“-Knotens<br />
erkennen. Durch die erfolgte Testmessung konnte ein Eindruck des Verbrauchs des<br />
Knoten gewonnen werden. Er lag im Ruhemodus bei 7mW.<br />
Zur genaueren Analyse des Energieverbrauchs <strong>eines</strong> Messknotens wurde auf ein<br />
ebenfalls programmierbares Gleichstromnetzteil der Firma „National Instruments“<br />
<strong>zur</strong>ückgegriffen. Das „NI PXI-4110“ ist Bestandteil der „PXI“-Baureihe <strong>von</strong> „National<br />
Instruments“ für PC- und echtzeitbasierte Messsysteme.<br />
Ein „PXI-4110“ stellt dabei 3 Spannungsausgänge mit 0..6V, 0..20V und -20..0V <strong>zur</strong><br />
Verfügung. Es kann ohne Zusatzversorgung maximal 9W Gesamtleistung abgeben.<br />
Mit der Zusatzversorgung steigt diese Leistung auf 46W (1A je Kanal bei maximaler<br />
Spannung). Diese wird jedoch für diesen Versuch nicht benötigt.<br />
41
Bei diesem Versuchsaufbau wird der 0..6V-Spannungskanal verwendet und mit einer<br />
Spannung <strong>von</strong> 5V betrieben um eine Vergleichbarkeit mit den Messwerten des<br />
„HAMEG“-Gerätes zu gewährleisten.<br />
Das „PXI-4110“ tastet die abgegebenen Ströme und Spannungen mit einer Frequenz<br />
<strong>von</strong> 3kHz ab und stellt diese Werte gemittelt über zehn Erfassungen bereit. Diese<br />
gemittelte Abtastfrequenz <strong>von</strong> 300 Hertz wird in der Messung nur um wenige Hertz<br />
verfehlt. Die Protokollierung der Werte erfolgte mit durchschnittlich 297Hz. Eine<br />
Erfassung der einzelnen Zustände ist somit möglich.<br />
Der verwendete Strombereich des „PXI-4110“ mit einer Begrenzung <strong>von</strong> 1A stellte<br />
sich während der Messungen als nicht praktikabel heraus, da teilweise negative<br />
Ströme <strong>von</strong> der Kommunikationsschnittstelle des Netzteils ausgegeben wurden.<br />
Diese Werte konnten durch die zuvor ermittelten Werte des „HMP-4040“ widerlegt<br />
werden.<br />
Zum Ausschluss des Messfehlers wurde bei einem offenen Kanal des Netzteils eine<br />
Offsetermittlung über 10000 gemittelte Messwerte durchgeführt. Der Kanal wurde<br />
offen betrieben, sodass als Messwert eine „0“ zu erwarten gewesen wäre. Durch<br />
eine offene Masche kann kein Strom fließen. Der so ermittelte Offset der Messung<br />
kann in die Leistungsberechnung einbezogen werden. Doch auch unter<br />
Einbeziehung dieses statistischen Wertes traten negative Ströme auf. Der ermittelte<br />
Offset-Wert betrug 229µA. Eine Vergleichsmessung mit nur 1000 gemittelten Werten<br />
ergab einen Offset <strong>von</strong> 205µA. Doch auch mit diesem Offset traten<br />
nichtverwendbare, negative Stromwerte auf.<br />
Die Möglichkeit <strong>eines</strong> defekten Messkanals wurde durch einen Wechsel auf den<br />
0..20V-Kanal ausgeschlossen. Doch auch auf diesem Kanal traten negative Ströme<br />
auf, auf eine Offsetbestimmung wurde verzichtet.<br />
Die Lösung des Problems brachte erst ein Umschalten dieses Kanals auf einen<br />
anderen Strombereich, denn das Netzteil bietet neben der Ausgabe <strong>von</strong> Strömen bis<br />
1A je Kanal auch für die beiden 20V-Kanäle einen Modus <strong>zur</strong> Erfassung <strong>von</strong><br />
Strömen bis 20mA. Eine Verringerung der maximalen Stromstärke hat <strong>zur</strong> Folge,<br />
dass für gleiche Verlustleistung die Spannung erhöht werden musste und die<br />
vorausgegangenen Messungen der Ströme nicht mehr als Vergleich dienen konnten.<br />
Begründet wird diese Änderung des Strombereichs mit einer Erhöhung der Präzision<br />
der Messung. Beträgt diese im Messbereich bis 1A Ausgabestrom 0,01mA<br />
Auflösung, so erhöht sich die Auflösung bei der Messung bis 20mA auf 0,2µA. Mit<br />
diesen Einstellungen und der Beschränkung der Abgabeleistung auf 400mW wurden<br />
die gleichen Verbrauchswerte ermittelt, wie bei der Verwendung des „HMP-4040“. 41<br />
Um die Verbräuche der „NI WSN“-Geräte besser einordnen zu können, wurden<br />
verschiedene Systeme der Anlagen- und Umweltüberwachung ebenfalls an das<br />
„HMP-4040“ angeschlossen. Es wurden dabei sowohl ältere Geräte gemessen, wie<br />
41 [16] vgl. online: „NI“, 2007, S. 3 (24.07.2013)<br />
42
sie in vielen Anlagen vorhanden sind, als auch neuere Produkte, welche die<br />
vorhandenen Komponenten ersetzen könnten bzw. bei der Neueinrichtung zum<br />
Einsatz kämen. Dabei wurde bei der Auswahl darauf geachtet, dass die getesteten<br />
Systeme eine ähnliche Ausrichtung wie die „WSN“-Module besitzen. Die Messdauer<br />
lag bei 3 Stunden, um einen möglichen Temperatureinfluss auf die Module<br />
ausschließen zu können. An das „HAMEG“-Netzteil wurden bis zu vier Geräte<br />
gleichzeitig angeschlossen und deren Verbrauch durch ein „CompactRIO“<br />
protokolliert. Da es sich nur um eine Vergleichsmessung des Energieverbrauchs<br />
handelt, wird keine so hohe Abtastfrequenz benötigt wie bei einem „WSN“-Knoten.<br />
Um eine Vergleichbarkeit der Messwerte untereinander zu erhalten, wurde mit einer<br />
Spannung <strong>von</strong> 10V jeweils die Stromstärke protokolliert und daraus die Leistung<br />
berechnet.<br />
10.2 Verbrauch <strong>eines</strong> „NI WSN“-Knotens<br />
10.2.1<br />
Testablauf für „WSN“-Knoten<br />
Zur Messung des Energieverbrauchs wurden verschiedene Szenarien erstellt, die<br />
automatisch über den Messzeitraum hinweg gewechselt wurden. Bei der Erstellung<br />
wurde darauf geachtet, möglichst viele Anwendungsszenarien abdecken zu können.<br />
Für die Messung wurde ein „NI WSN-3231“ mit „RS-485“-Schnittstelle verwendet.<br />
Diese Module besitzen eine serielle Schnittstelle, durch die der Energieverbrauch<br />
höher sein kann, als bei den analogen Erfassungsmodulen.<br />
Ebenso beachtet wurden die Schaltzustände der eingebauten „Nutzer-LED“, diese<br />
wirken sich ebenfalls merklich auf den Energieverbrauch <strong>eines</strong> Knotens aus.<br />
Auch zu betrachten sind die verschiedenen Zustände, die ein solcher serieller<br />
Knoten einnehmen kann.<br />
Die verschiedenen zu messenden und zu erkennenden Zustände sind:<br />
Ruhezustand - Funkschnittstelle und serielle Schnittstelle deaktiviert<br />
Messung - Funk deaktiviert und serielle Schnittstelle aktiviert<br />
Messung - Funk aktiviert und serielle Schnittstelle aktiviert<br />
Ruhezustand + „LED“ aktiv<br />
Router + Ruhezustand<br />
Router + Messung<br />
So kann aus diesen Messungen auf den Verbrauch der einzelnen Zustände<br />
geschlossen werden, wenn sie getrennt <strong>von</strong>einander auftreten.<br />
43
10.2.2<br />
Verbrauch im Ruhezustand<br />
Dieser Verbrauch konnte sowohl vom „HAMEG“-Display als auch vom „PXI-4110“<br />
abgelesen werden. Der Stromverbrauch im Ruhezustand betrug bei 20,000381V<br />
0,000314A und somit die aufgenommene Momentanleistung durch das Modul bei<br />
6,28mW. Durch Aktivierung der „LED“ stieg der Verbrauch des Systems im<br />
Abbildung 5 - Übergang mit Aktivierung „Nutzer-LED" und hohe Senderate der seriellen<br />
Schnittstelle<br />
Ruhezustand auf ca. 0,0007 A und damit auf einen Verbrauch <strong>von</strong> ca. 14mW.<br />
Es ist daher da<strong>von</strong> auszugehen, dass die „Benutzer-LED“ einen großen Einfluss auf<br />
den Energieverbrauch des Systems im Ruhezustand hat. In Anhang 1 ist ein<br />
Ausschnitt der Messwerte <strong>zur</strong> obigen Abbildung angegeben.<br />
10.2.3<br />
Verbrauch Messungen<br />
Aufgrund der aktivierten seriellen Schnittstelle ist der Energieverbrauch in dieser Zeit<br />
höher. Es ist noch zu unterscheiden, ob die Schnittstelle permanent aktiv ist, oder ob<br />
sie nur für eine einzelne Übertragung aktiviert wird. In diesem Fall liegt der<br />
Verbrauch signifikant tiefer. Allerdings kann das System bei der nächsten<br />
Auswertung des Datenpuffers nur auf die Daten zugreifen, die während der aktiven<br />
Zeit der Schnittstelle empfangen wurden, alle anderen Busdaten gehen verloren.<br />
44
Durch den zusätzlichen Verbrauch der aktivierten Datenschnittstelle steigt die<br />
benötigte Energie auf 50mW an. Dabei nicht einbezogen sind gewisse Maxima, die<br />
durch das Aktivieren der Funkschnittstelle erzeugt werden. Diese liegen nochmals<br />
um wenige mW über denen der aktiven Schnittstelle.<br />
Abbildung 6 - Energieverbrauch bei aktiver Schnittstelle<br />
Der Energieverbrauch betrug laut der Messungen bei aktivierter Schnittstelle und<br />
aktiver Datenübertragung maximal 395mW. Das entspricht einem Stromverbrauch<br />
<strong>von</strong> ca. 20mA, die Spannung sank auf 19,75V. Die bei diesen Einstellungen zu<br />
erwartende 0,2s Senderate des seriellen Busses konnte nicht erreicht werden. Die<br />
erreichte Zeit liegt geringfügig darüber, wie in Abbildung 6 an den drei dem<br />
Abschaltvorgang folgenden Maxima der Messung ersichtlich.<br />
Der Quellcode, welcher zu dem in Abbildung 6 dargestellten Verlauf <strong>von</strong> Strom,<br />
Spannung und Leistung führt, ist aus Anhang 2 ersichtlich. In Anhang 3 ist ein<br />
tabellarischer Ausschnitt der Messwerte aufgeführt.<br />
Ebenso wurde eine Messreihe begonnen, welche den Energieverbrauch des „NI<br />
WSN-3212“ darstellt. Während der Messzeit sank die Batteriespannung lediglich um<br />
0,4V bei sekündlicher Abtastung und Übertragung. Unter der Annahme, dass der<br />
Verlauf der Spannung bei verschiedenen Verbräuchen ähnlich ist, kann mit einer<br />
Laufzeit <strong>von</strong> ca. 70 Tagen mit einem Satz Batterien kalkuliert werden. Als Vergleich<br />
wurde der Verlauf aus Abbildung 7 herangezogen.<br />
45
10.2.4<br />
Verbrauch Router<br />
Für diese Messungen musste die Firmware auf den Messknoten aktualisiert werden,<br />
um die Routerfunktionalität zu aktivieren.<br />
Dabei fällt auf, dass der Energieverbrauch der Router um ein Vielfaches über dem<br />
liegt, was ein Knoten im aktiven Sendenzustand als Endgerät benötigt. Der<br />
Momentanverbrauch liegt beim reinen Routerbetrieb bei 200mW. Bei aktiver<br />
Datenübertragung steigert sich der Wert auf bis zu 250mW.<br />
Abbildung 7 - Verlauf Batteriespannung Router<br />
Ein Test mit dem „NI WSN-3112“ offenbarte, dass das System bei einem Messwert<br />
und einer Kanalübertragung pro Sekunde einen Satz Batterien innerhalb <strong>von</strong> 65<br />
Stunden verbraucht. Bei einer Batteriespannung <strong>von</strong> knapp 3V konnte der<br />
Funkknoten seine Funktion nicht mehr aufrechterhalten und es wurden keine<br />
weiteren Daten übertragen. Der Routerbetrieb ist nur mit externer Versorgung zu<br />
empfehlen.<br />
In Abbildung 7 ist ersichtlich, wie die Batteriespannung im Verlauf <strong>von</strong> 65 Stunden<br />
abfällt. Dabei erfasste das Modul „NI WSN-3212“ die Raumtemperatur mittels <strong>eines</strong><br />
„Typ K“-Thermoelements und sandte sie an das Gateway und dessen<br />
„CompactRIO“-Controller.<br />
46
10.3 Vergleich „Ganter Instrumtents“ - „ISM“, „e.bloxx“, „Q.bloxx“<br />
Zum Vergleich einfacher Baugruppen <strong>zur</strong> analogen und digitalen Datenerfassung<br />
wurden verschiedene Systeme der Firma „Gantner Instruments“ verwendet.<br />
Sie sollen einen generellen Vergleich mit den kombinierten „WSN“-Modulen bieten.<br />
Dabei handelt es sich um die Produkte „ISM 111“, ein kombiniertes Modul mit 4<br />
analogen Eingängen und 4 digitalen IOs, um ein „e.bloxx D1-1“, ein Modul für acht<br />
digitale IOs und um ein „Q.bloxx A101“, ein kombiniertes Modul je zwei analogen und<br />
digitalen Kanälen. Sämtliche Produkte besitzen eine aktive „RS-485“-Schnittstelle.<br />
Dabei stellt das „ISM“ das älteste der getesteten Geräte und das „Q.bloxx“ die neuste<br />
Generation der „Gantner“-Module dar.<br />
Der Energieverbrauch des „ISM“ und des „e.bloxx“ lag bei jeweils 2W. Lediglich das<br />
„Q.bloxx“ war mit 1,5W sparsamer als seine Vorgänger.<br />
10.4 Vergleich Module <strong>zur</strong> Thermoelementmessung<br />
Um den Vergleich zwischen den verschiedenen Modulen mit<br />
Thermoelementanschlüssen zu erstellen, wurde auch ein „ADAM-4018+“ der Firma<br />
„Advantech“ getestet. Dieses Modul verwendet ebenfalls eine „RS-485“-fähige<br />
Schnittstelle. Der Verbrauch des Moduls lag bei 1W.<br />
Ein weiteres Modul <strong>zur</strong> Messung <strong>von</strong> Thermoelementen ist das „Gantner Instruments<br />
e.bloxx A4-1“. Dabei handelt es sich um ein Modul zum Messen <strong>von</strong> bis zu 4<br />
Thermoelementen und der Anschlussmöglichkeit für eine Kaltstellenkompensation.<br />
Der Verbrauch dieses Moduls beträgt 2W.<br />
10.5 Vergleich „RS232“ - „RS-485“-Umsetzer<br />
Um einen Vergleich zu erhalten, welchen Verbrauch serielle Wandler besitzen,<br />
wurde ein weiteres Modul der Firma „Advantech“ getestet. Das „ADAM-4520“ besitzt<br />
dabei einen Anschluss für „RS-232“ und je einen Anschluss für „RS-422“ oder „RS-<br />
485“. Dabei kann jedoch nur eine der beiden letztgenannten Busschnittstellen<br />
zusammen mit „RS-232“ verwendet werden. Der Verbrauch dieses Moduls lag bei<br />
ca. 750mW.<br />
47
11 Detailbetrachtung „NI WSN“<br />
11.1 Anlagenkonzept<br />
Um ein Messkonzept für eine Anlage zu erstellen, wird ein genaues Wissen über die<br />
Anlage vorausgesetzt. Zum Erstellen <strong>eines</strong> <strong>Konzeptes</strong> im Rahmen dieser Arbeit wird<br />
keine reale, sondern eine fiktive Anlage genutzt.<br />
Diese Anlage besteht aus einem zentralen System mit Motor, welches ein<br />
rotierendes Bauteil antreibt. Dessen Bewegungen sollen mittels <strong>eines</strong><br />
Drehzahlmessers hochgenau aufgelöst werden. Weiterhin besitzt die Anlage<br />
verschiedene Öffnungen und Türen, die mittels Schaltern überwacht werden<br />
müssen. Die Anlage darf während des Betriebes nicht betreten werden. Die<br />
vorangegangenen Daten müssen aufgrund ihrer teilweise sicherheitskritischen<br />
Anwendung in Echtzeit erfasst und verarbeitet werden.<br />
Zusätzlich sollen an der Anlage Vibrationen und Stöße erfasst werden.<br />
Neben der Anlage sollen durch das Überwachungssystem auch weitere Teile<br />
automatisiert werden. So sind zum Zwecke der statistischen Erfassung verschiedene<br />
äußere Parameter zu überwachen. Diese betreffen neben dem Energieverbrauch<br />
einzelner Anlagenteile auch verschiedene Füllstände der der Anlage vorgelagerten<br />
Tanks sowie deren Zu- und Abflüsse. Neben der Drehzahl des Rotationskörpers<br />
sollen die Temperaturen innerhalb der Anlage überwacht werden. Dies betrifft neben<br />
der Lagertemperatur des Rotationskörpers auch die Temperaturen in den Tanks.<br />
Diese können über einfache Heizelemente in ihrer Temperatur erhöht werden. Die<br />
Temperaturspeicherung kann mit einem Messwert pro Minute geschehen. Die<br />
Erfassung der Durchflussmesser und Füllstände in den Tanks soll zehnsekündlich<br />
durchgeführt werden.<br />
Um eine Erweiterung der Anlage zu ermöglichen, soll ein möglichst einfach zu<br />
erweiterndes Konzept erstellt werden, welches sowohl die schnell zu erfassenden<br />
Daten des Rotationskörpers abdeckt, als auch die Möglichkeit bietet, die anderen zu<br />
erfassenden Signale zu verarbeiten.<br />
Als bauliche Besonderheit ist zu beachten, dass keine Netzwerkinfrastruktur des<br />
Gebäudes genutzt werden darf, sondern nur eine Verkabelung innerhalb der Anlage<br />
selbst gewünscht wird. Die anderen Signale sollen durch ein Funksystem erfasst<br />
werden.<br />
Dieses Funksystem soll dabei jedoch weder das betrieblich genutzte WLAN stören<br />
noch eine hohe Sendeleistung aufweisen um keine anderen Funkstörungen zu<br />
verursachen.<br />
48
Abbildung 8 - Skizze der fiktiven Anlage<br />
In Abbildung 8 ist eine Skizze der Anlage dargestellt. Die hellblauen Elemente stellen<br />
Messgeräte dar, während die roten Elemente in den Tanks die Heizung darstellen<br />
sollen. Die grauen Verbindungen sind Kabelwege, welche <strong>von</strong> den prozessnahen<br />
Komponenten zu den Erfassungsgeräten führen. Es können mehrere Signale in<br />
einem geschirmten Kabel übertragen werden<br />
11.2 Möglichkeiten und Messkonzept<br />
Um die schnell zu erfassenden Parameter aus der Anlage aufzunehmen, wird eine<br />
zentrale Datenerfassungsstation empfohlen, welche ebenfalls eine Schnittstelle für<br />
ein drahtloses Erfassungssystem bietet. Ein „National Instruments CompactRIO“ ist<br />
für diese Aufgaben technisch geeignet. Es kann mit sehr hoher Geschwindigkeit<br />
Daten erfassen und verarbeiten und bietet mit den „NI WSN 9795“ auch eine<br />
Schnittstelle für das geforderte Funknetzwerk.<br />
Weiterhin kann das „CompactRIO“ alle Regelungsaufgaben des Systems nach einer<br />
Benutzereingabe selbst durchführen.<br />
49
Messart Gerät Moduldetails<br />
Echtzeitsystem - NI 9022 533MHz Prozessor, 256 MB<br />
Vibrationen<br />
Anlage<br />
der<br />
9114<br />
RAM, 2GB Speicher<br />
8 Slot Chassis mit „FGPA“<br />
Spannung NI 9220 100kS/s 42 , 16 Kanäle, 16 Bit<br />
Auflösung 43<br />
Chassis - cRIO-<br />
Winkelgeschwindigkeit<br />
IEPE-Beschleunigungssensor<br />
NI 9234 51,2Ks/s, 4 Kanäle, 0..5V,<br />
44 IEPE<br />
Türschalter Digitaler Eingang NI 9423 1µs, 8 Kanäle, Sinking-<br />
Modul<br />
Motoransteuerung Analoger Ausgang NI 9265 1kS/s, 4 Kanäle, 0..20mA,<br />
16Bit Auflösung<br />
Funknetzwerk - NI 9795 „WSN“-Schnittstelle<br />
Füllstand Spannung NI-3202 4 Spannungseingänge, 4<br />
Durchfluss Spannung NI-3202<br />
Ventilzustand Digitaler Eingang NI-3202 /<br />
NI-3231<br />
Heizung aktivieren Digitaler Ausgang NI-3202<br />
digitale IOs<br />
Energieverbrauch Strom und Spannung Diris A10 3 phasiger Anschluss, „RS-<br />
Tabelle 6 - Auflistung benötigter Erfassungsgeräte<br />
485“<br />
Die Rotationsmessung kann mit einem Spannungssignal charakterisiert werden.<br />
Die Vibrationen der Anlage können mittels <strong>eines</strong> Beschleunigungssensors mit IEPE-<br />
Ausgang aufgenommen werden. Die Überwachung der Öffnungen kann durch<br />
digitale Eingänge <strong>eines</strong> Hochgeschwindigkeitsmoduls und deren Verarbeitung im<br />
„FPGA“ geschehen.<br />
Die Füllstände und die Durchflüsse stehen ebenfalls als Spannungssignal <strong>zur</strong><br />
Verfügung. Diese können mit den Signalen der Ventile über einen kombinierten<br />
Knoten aufgenommen werden. Die Abtastung mit 1Hz durch einen „NI WSN-3202“<br />
ist für diese Aufgaben ausreichend.<br />
Die Heizelemente der Tanks können über Relais angesteuert werden, welche durch<br />
einen digitalen Ausgang <strong>eines</strong> „NI WSN-3202“ gesteuert werden. Die Temperatur<br />
42 kS/s - KiloSamples/Sekunde - Erfassungen pro Zeiteinheit<br />
43 [17] vgl. online: „NI“, 2012, S. 20 (19.08.2013)<br />
44 IEPE - Integrated Electronics Piezoelectric<br />
50
sollte als Spannungssignal im Tank erfasst werden, wodurch der Knoten die Heizung<br />
autark vom „CompactRIO“ steuern kann.<br />
Ein Beispielaufbau <strong>eines</strong><br />
Schaltschrankes mit einem „NI WSN-<br />
3202“ ist in Abbildung 9 ersichtlich.<br />
Dieser Knoten wird verwendet, um<br />
Raumtemperatur, relative Luftfeuchte<br />
und Anwesenheit <strong>von</strong> Lebewesen am<br />
Installationsort zu erfassen und zu<br />
übertragen.<br />
Zur Messung des Energieverbrauchs<br />
der Anlagenteile sind die „NI WSN“<br />
nicht direkt geeignet. „NI WSN-3231“<br />
können jedoch durch ihre „RS-485“-<br />
Schnittstelle genutzt werden, um<br />
entsprechende Messgeräte<br />
anzubinden. Zur Energiemessung<br />
Abbildung 9 - Beispielaufbau „NI WSN-3202"<br />
können dezentrale Datenerfassungssysteme der Firma „Socomec“ verwendet<br />
werden. Diese besitzen einen „RS-485“-Anschluss und können mittels „ModBus<br />
RTU“ abgefragt werden. Die Geräte der Serien „Diris A10“ und „Diris A20“ können<br />
dabei sowohl Spannungen direkt messen als auch Ströme bis zu 5A. Höhere Ströme<br />
müssen mittels Stromwandler auf bis zu 5A-Messstrom gewandelt werden, eine<br />
automatische Umrechnung kann erfolgen.<br />
Die Abfrage dieser Geräte erfolgt über das „ModBus“-Protokoll auf Basis der<br />
Halteregister.<br />
Bei der Programmierung der Knoten können verschiedene Wege eingeschlagen<br />
werden. Einerseits können die Knoten als Durchleiter verwendet werden und zum<br />
anderen kann die Abfrage fest in den Knoten implementiert werden und die Antwort<br />
dann an das Zentralsystem übertragen werden.<br />
Auch können mehrere Erfassungsmodule an einen „WSN“-Knoten angeschlossen<br />
werden. Die Abfragezeiten für mehrere Geräte steigen dadurch je Gerät weiter an.<br />
Bei dieser Anschlusstechnik können nicht die schon vorhandenen Treiber verwendet<br />
werden, da die „WSN“-Knoten eine eigene Programmierschnittstelle für den seriellen<br />
Anschluss verwendet. Daher müssen entweder die Treiber so geändert werden, dass<br />
die „WSN Host API“ 45 verwendet wird oder dass diese „API“ entsprechend aufgeteilt<br />
wird, indem ein Teil dieser Programmierschnittstelle in den „WSN“-Knoten<br />
45 API - Application Programming Interface<br />
51
ausgelagert wird. Die Abtastgeschwindigkeit ändert sich dadurch nicht, lediglich die<br />
zu übertragende Datenmenge ändert sich.<br />
Die serielle Schnittstelle <strong>eines</strong> „NI WSN-3232“ nutzt die gleiche „API“, was bei<br />
entsprechenden Einsätzen zu beachten ist.<br />
Beim Einsatz als Durchleiter des Befehls wird die Verwendung im „Router“-Modus<br />
empfohlen, da dadurch die Funkschnittstelle immer auf per Funk gesendete<br />
Anfragen reagieren kann und diese entsprechend weiterleitet.<br />
Entgegen der zeitgesteuerten Erfassung <strong>von</strong> Werten bieten „NI WSN“ für die<br />
digitalen Eingänge die Möglichkeit der Überwachung auf eine Wertänderung.<br />
Dadurch kann sofort auf entsprechende Signale reagiert und eine entsprechende<br />
Reaktion ausgelöst werden, ebenso wie die sofortige Übertragung <strong>von</strong> Daten an das<br />
Gateway.<br />
Um die Temperaturwerte zu erfassen, bieten sich „NI WSN-3212“ an. An diese<br />
können verschiedene Thermoelemente angeschlossen werden. Ebenso bieten diese<br />
Knoten in der programmierbaren Form auch die Möglichkeit, bei einer zu niedrigen<br />
Temperatur eine Heizung über die digitalen Kanäle zu aktiveren. Die Abtastung der<br />
Thermoelemente kann mit einer Rate <strong>von</strong> 1Hz erfolgen, während die Werte lediglich<br />
im Minutentakt an das Gateway und somit das „CompactRIO“ übertragen werden.<br />
Die digitalen Ausgänge können entsprechend der Anforderungen konfiguriert<br />
werden. Eine Umstellung kann programmatisch während der Laufzeit erfolgen.<br />
Da die digitalen Ausgänge als „Sourcing“ ausgelegt sind, sind sie auf eine externe<br />
Speisung angewiesen. Fällt die entsprechende externe Versorgung des Ausgangs<br />
aus, so ist der Ausgang zwar noch geschaltet, aufgrund der fehlenden<br />
Zusatzversorgung wird jedoch kein entsprechendes Signal mehr ausgegeben.<br />
11.3 Probleme<br />
11.3.1<br />
Softwarefehler „CompactRIO“<br />
Beim Einsatz des „WSN“-Knotens als einfachen Wandler ist es zu Problemen mit<br />
dem eingesetzten „CompactRIO“ gekommen. Dabei stürzte das<br />
Echtzeitbetriebssystem reproduzierbar bei der Übertragung einer bestimmten<br />
Zeichenkette als Antwort <strong>eines</strong> „ModBus-Slaves“ ab. Dabei war es wichtig, dass das<br />
Echtzeitsystem dieses Kommando über die „WSN Host API“ verarbeitet.<br />
Wenn der identische „LabVIEW“-Code in der Entwicklungsumgebung auf einem<br />
Windows-PC ausgeführt wird, führte dies zu keinen Problemen. Dafür wurde die<br />
Verbindung zum Gateway über das „CompactRIO“ aufgebaut.<br />
Als Workaround wurde die Übertragung <strong>von</strong> der Zeichenkette als Ganzes auf eine<br />
Zeichenkette umgestellt, welche die einzelnen Zeichen im Hexadezimalformat<br />
darstellt und überträgt. Dabei kam es zu keinen Problemen mehr, jedoch verdoppelte<br />
52
sich die Datenmenge <strong>zur</strong> Übertragung. Die Abfragezeit erhöht sich dadurch nicht<br />
signifikant, da diese Datenkonvertierung auf Standardtechniken <strong>zur</strong>ückgreifen kann<br />
und keine Sonderimplementierung ist. Es war in einer Abfrage lediglich noch<br />
möglich, 10 „Holding Register“ abzufragen, im Vergleich zu 20 Registern bei der<br />
direkten Übertragung. Bei der Abfrage <strong>von</strong> mehr Registern kam es zu Problemen mit<br />
der „WSN Host API“, die im Kapitel 11.3.2 behandelt werden.<br />
Eine komplette Dekodierung der „ModBus“-Antwort auf dem „NI WSN“-Knoten als<br />
alternative <strong>zur</strong> hexadezimalen Übertragung schlug aufgrund zu geringen<br />
Speicherplatzes und verringerter Funktionen fehl.<br />
11.3.2<br />
Probleme <strong>eines</strong> „WSN“-Knotens<br />
Laut der Beschreibung in der Dokumentation des „WSN Host API“ wird der<br />
Sendebefehl einer benutzerdefinierten „ASCII“ 46 -Zeichenkette nur ein einziges Mal<br />
am Ende der Abarbeitung einer Sequenz ausgeführt. Die Dokumentation beschreibt,<br />
dass bei der Verwendung einer zu langen Zeichenkette die Nachrichten geteilt und<br />
entsprechend übersandt werden. Die Reaktion des Systems auf eine derart lange<br />
Zeichenkette ist ein Fehlschlagen der Übertragung und dass die „WSN Host API“<br />
keine Funktionsergebnisse übergibt.<br />
Ein weiteres Problem wurde festgestellt, als an die serielle Schnittstelle eine zu<br />
große Datenmenge übertragen wurde. Wenn mehr Daten an der Schnittstelle<br />
empfangen werden als der interne Speicher des „WSN“-Knotens fassen kann, so<br />
erfolgt intern ein Speicherüberlauf und die Software des Knotens stürzt ab. Bei der<br />
Wiederverbindung des Knotens mit dem Netzwerk wird eine entsprechende „Debug“-<br />
Nachricht übertragen. Der Absturz des Knotens erfolgt nicht, wenn das System die<br />
Daten empfängt, sondern erst, wenn es sie verarbeiten soll. In der Fehlermeldung<br />
wird auf den Speicherüberlauf hingewiesen.<br />
11.3.3<br />
Eingeschränkte Funktionalität<br />
Um die „NI WSN“ zu programmieren, wird das „Wireless Sensor Network Module<br />
Pioneer“ benötigt. Obwohl die „WSNs“ in der gleichen Entwicklungsumgebung<br />
programmiert werden wie Echtzeitsysteme und die Windows-Applikationen, muss<br />
das „WSN“-System mit einem verringerten Funktionsumfang in der Programmierung<br />
auskommen. Dies ist neben dem schwächeren Prozessor in den einzelnen Knoten<br />
auch einer anderen Prozessorarchitektur und dem damit verbundenen geänderten<br />
Compiler geschuldet.<br />
46 ASCII - American Standard Code for Information Interchange<br />
53
So fehlen z.B. Datenmanipulationsfunktionen wie die strikte Typumwandlung oder in<br />
der Palette für Zeichenketten diverse Funktionen für eine Auswertung der<br />
empfangenen Zeichenkette.<br />
Ebenso eingeschränkt sind Datenhaltungsalgorithmen innerhalb der verschiedenen<br />
auszuführenden Sequenzen sowie die Möglichkeit <strong>zur</strong> Verarbeitung <strong>von</strong><br />
Gleitkommawerten mit doppelter Genauigkeit und die Skalierung <strong>von</strong> Werten.<br />
11.4 Funkqualitätstests<br />
11.4.1<br />
Freifläche<br />
Bei der Funkübertragung ist zu beachten, dass dabei nicht nur die direkte<br />
Verbindung zwischen den zwei Antennen für die Übertragungsqualität verantwortlich<br />
ist, sondern auch ein ellipsenähnlicher Raum um diese direkte Verbindung. Dieser<br />
Raum wird als Fresnelzonen bezeichnet. Die Fresnelzone kennzeichnet den Bereich,<br />
in welchem das direkt übertragene Signal der Sichtverbindung sich mit dem leicht<br />
gebeugten Signal überlagert, das durch den Raum um die direkte Achse übertragen<br />
wird. Diese Überlagerung kommt durch den längeren Weg des gebeugten Signals<br />
zustande. Sobald die Wegstrecke des gebeugten Signals dazu führt, dass das<br />
empfangene Signal abgeschwächt wird, spricht man <strong>von</strong> der zweiten Fresnelzone.<br />
Dieser Übergang geschieht bei einem Laufwegunterschied, der der Hälfte der<br />
Wellenlänge entspricht. In Abbildung 10 ist eine Darstellung der Fresnelzonen<br />
abgebildet.<br />
In den meisten Fällen erhöht<br />
die erste Fresnelzone die<br />
Empfangsqualität an der<br />
Antenne. Vorteilhaft ist, wenn<br />
diese Zone frei <strong>von</strong><br />
Gegenständen ist. Weiterhin<br />
wurde bei dem Test darauf<br />
geachtet, dass die beiden<br />
Abbildung 10 - Schematische Darstellung Fresnelzonen<br />
Antennen eine möglichst gleiche Ausrichtung im Raum aufweisen, sodass die<br />
Polarität des Signals nicht geändert werden muss.<br />
Bei den Übertragungstests wurden zwei Möglichkeiten getestet. Eine Übertragung<br />
wurde in Bodennähe durchgeführt, um eine mögliche Blockierung der Fresnelzone<br />
zu erreichen. Dabei wurde zwischen dem Gateway und dem Empfänger eine Distanz<br />
<strong>von</strong> 125 Meter überbrückt. Der zweite Test wurde so durchgeführt, dass die erste<br />
Fresnelzone möglichst frei war, um eine Dämpfung zu umgehen. Dabei wurde eine<br />
Entfernung <strong>von</strong> 200 Meter mit direkter Sichtverbindung erzielt.<br />
54
11.4.2<br />
Gebäude<br />
In Gebäuden ist die Übertragung vermehrt durch Gegenstände gestört. Zu diesen<br />
Gegenständen gehören auch die Wände und Böden bzw. Decken des Gebäudes,<br />
wobei diese das Signal verschieden stark dämpfen. Die Dämpfung <strong>von</strong><br />
Trockenbauwänden ist dabei aufgrund ihrer geringeren Dichte niedriger als die<br />
Dämpfung durch gemauerte Wände.<br />
Um einen ungefähren Richtwert zu erhalten, wurden auch verschiedene Messungen<br />
mit einem Gateway und einem „WSN“-Knoten durchgeführt. Zur Feststellung der<br />
aktiven Verbindung wurde durch das „CompactRIO“ die „Nutzer-LED“ auf dem<br />
„WSN“-Knoten alternierend geschaltet.<br />
Die verschiedenen Testszenarien sehen dabei eine Büroumgebung, eine<br />
Laborumgebung, eine Anlagenumgebung und eine Umgebung mit Steinwänden vor.<br />
Bei den verschiedenen Szenarien wurde auf eine stabile Funkverbindung geachtet,<br />
um praxisnahe Ergebnisse zu erzielen.<br />
Die Laborumgebung unterscheidet sich zwar nur geringfügig <strong>von</strong> der Büroumgebung,<br />
durch die metallischen Labortische ist jedoch <strong>von</strong> einer höheren Dämpfung<br />
auszugehen. Die Büroumgebung ist dabei durch Arbeitsplätze und<br />
Trockenbauwände gekennzeichnet, die Laborumgebung ist ebenfalls durch<br />
Trockenbauwände und die entsprechende Labortische gekennzeichnet.<br />
Die Anlagenumgebung ist geprägt durch verschiedene Schaltschränke und große,<br />
weite Räume und stabile Betonsäulen sowie einen festen Betonuntergrund.<br />
Die Übertragungsreichweite in einer Büroumgebung betrug knapp 50 Meter.<br />
In der Laborumgebung wurden 40 Meter bei immer noch guter Signalqualität erzielt.<br />
Innerhalb einer Anlagenumgebung wurden ca. 30 Meter erzielt.<br />
Bei dem Einsatz der „NI WSN“-Knoten in einer Umgebung mit sehr dicken<br />
Steinwänden sind nur Reichweiten <strong>von</strong> bis zu 15 Meter möglich gewesen.<br />
Diese Messwerte sind jedoch k<strong>eines</strong>falls als Maximum oder Minimum anzusehen, da<br />
jede Umgebung eine eigene Charakteristik aufweist, die durch Funkreichweitentests<br />
erst ermittelt werden muss.<br />
55
11.4.3<br />
Störungen durch Tethering und „Bluetooth“-Übertragung<br />
Um störende Einflüsse anderer Geräte auszuschließen, die ebenfalls auf 2,4GHz<br />
übertragen, wurde der folgende Test durchgeführt.<br />
Er beinhaltet das beständige Senden <strong>eines</strong> Knotens und die Protokollierung der am<br />
Gateway ermittelten Funkqualität. Diese Messung wurde in einer Büroumgebung<br />
ausgeführt.<br />
Um einen möglichen Einfluss auf das Funknetzwerk zu untersuchen wurden<br />
zwischen dem Gateway und dem Knoten ein Smartphone und ein Laptop platziert.<br />
Das Smartphone wurde mit einem Abstand <strong>von</strong> 10cm neben dem „WSN“-Knoten<br />
platziert und besitzt ebenfalls Möglichkeiten <strong>zur</strong> Kommunikation auf dem 2,4GHz-<br />
Band, eine Verbindung mittels „Bluetooth“ und eine Verbindung mittels WLAN.<br />
Neben den zwei im Testareal vorhandenen WLANs wurde zusätzlich noch ein<br />
WLAN-Zugangspunkt auf dem Smartphone aktiviert (das sogenannte Tethering - die<br />
Weitergabe der Internetverbindung des Smartphones an ein anderes Gerät). Die<br />
WLANs sollten jedoch durch die Kanalwahl keinen Einfluss besitzen, sie wurden<br />
lediglich eingesetzt, um die „Bluetooth“-Übertragung in die höheren Kanäle zu<br />
zwingen.<br />
Um einen möglichen Einfluss <strong>von</strong> „Bluetooth“ auf das „WSN“ zu erzeugen, wurde das<br />
Smartphone mit einem Notebook gekoppelt und über diese Verbindung ein Audio-<br />
Signal vom Smartphone an den Notebook übertragen.<br />
Die Signalqualität wurde über einen Zeitraum <strong>von</strong> 15 Minuten aufgezeichnet. In<br />
dieser Zeit gab es lediglich eine Abweichung der Signalqualität vom Mittel, diese<br />
kann auf die Gesamtzeit und die Mittelung über 900 Datenwerte vernachlässigt<br />
werden. Es kann da<strong>von</strong> ausgegangen werden, dass durch die oberen<br />
Protokollschichten eine möglicherweise fehlerhafte Übertragung korrigiert wurde und<br />
sich dies in dem vom Durchschnitt massiv abweichenden Wert niederschlägt.<br />
11.4.4<br />
Schaltschränke<br />
In der Anlagenumgebung wurde getestet, welchen Einfluss die Installation innerhalb<br />
<strong>eines</strong> Schaltschrankes auf die Funkqualität hat, ebenso wie ein aktiver<br />
Frequenzumrichter im gleichen Schaltschrank.<br />
Diese Schränke waren so beschaffen, dass sie <strong>zur</strong> Belüftung zwei Bohrungen mit<br />
einem Durchmesser <strong>von</strong> 92mm aufwiesen und eine Kabeldurchführung am Boden<br />
des Schrankes mit einer Öffnung <strong>von</strong> 36x112mm. Sie bestehen aus Metall und<br />
sämtliche äußeren Bauteile wurden durch eine Erdung verbunden. Als weitere<br />
Öffnung kann die Türdichtung angesehen werden.<br />
56
Aus diesen Schränken heraus zum freistehenden Gateway wurde immer noch eine<br />
ausreichende Signalqualität <strong>von</strong> über 40% bei einer Entfernung <strong>von</strong> 10 Metern<br />
ermittelt.<br />
Ein aktiver Frequenzumrichter im Schaltschrank störte die Signalqualität in einem<br />
gleichlangen Beobachtungszeitraum nicht messbar.<br />
57
12 Fazit<br />
12.1 Abschlussbetrachtung<br />
Das „NI WSN“-System allein erfüllt einen Großteil der Anforderungen an Systeme <strong>zur</strong><br />
Anlagen- und Umweltüberwachung. Es ist jedoch nicht echtzeitfähig. In Kombination<br />
mit einem „CompactRIO“ werden die Anforderungen erfüllt, was jedoch die<br />
Komplexität der Anlage erhöht.<br />
Diese Problematik ist immer aufgabenabhängig und kann nicht pauschal gelöst<br />
werden. In einer Anlage ohne Echtzeitanforderung können die „WSN“-Systeme z.B.<br />
mit einem Echtzeitgateway problemlos eingesetzt werden. Dieses Gateway bietet<br />
den benötigten Prozessor <strong>zur</strong> Bearbeitung der Aufgaben.<br />
Andere Anforderungen wie z.B. die elektromagnetische Verträglichkeit oder die<br />
verschiedenen Schutzarten können erfüllt werden. Ebenso die Bedingung für<br />
entfernte Verteilung der Messknoten.<br />
Weiterhin müssen beim Einsatz dieses speziellen Funksystems diverse Punkte,<br />
welche unter 11 Detailbetrachtung „NI WSN“ exemplarisch aufgeführt sind, beachtet<br />
werden. Dies sind zwar spezielle Probleme des „NI WSNs“, die jedoch auch beim<br />
Einsatz jedes anderen Funksystems auftreten können.<br />
12.2 Ausblick<br />
Die Zukunft der Systeme <strong>zur</strong> Anlagen- und Umweltüberwachung wird sich immer<br />
weiter in Richtung funkbasierter Systeme wandeln. Dabei wird es keine Rolle spielen,<br />
welche der Technologien bevorzugt wird, sei es „Bluetooth“, „WirelessHART“ oder<br />
das „WSN“-System, in welcher der Herstellerausprägungen auch immer.<br />
Dies haben inzwischen auch viele der Hersteller erkannt, anders lässt sich die<br />
Produkt- und Protokollvielfalt der auf dem Markt erhältlichen Lösungen nur schwer<br />
erklären. Allerdings achten viele Hersteller darauf, abseits der Funkkomponenten<br />
noch Services zu platzieren, um ihre Lösungen attraktiver, jedoch auch<br />
geschlossener zu gestalten. Die Möglichkeiten und die Vielseitigkeit der<br />
verschiedenen Produkte werden sich im Laufe der Zeit noch weiter erhöhen. Auch<br />
der Energieverbrauch der Geräte wird weiter sinken, um sie länger einsatzfähig zu<br />
halten und die Flexibilität durch eine autarke Versorgung sicherzustellen.<br />
Eine Anlage um kabellose Technologien zu erweitern ist stets abhängig vom<br />
Einsatzzweck zu betrachten. Einen universellen Ansatz wird es nicht geben.<br />
58
13 Quellenverzeichnis<br />
[1] HIERSEMANN, Rolf: Vorlesungsscript Industrielle Bussysteme. BA Glauchau 2013<br />
[2] RS Components GmbH, Aushang: Umrechnungstabellen und Messelemente.<br />
[3] National Instruments: NI WSN-3214. 2012. In: http://ni.com/pdf/manuals/373304a.pdf<br />
[4] Bundesnetzagentur: Allgemeinzuteilung <strong>von</strong> Frequenzen. 2013, In:<br />
http://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Downloads/DE/Sachgebiete/Telekom<br />
munikation/Unternehmen_Institutionen/Frequenzen/Allgemeinzuteilungen/WLAN2,4G<br />
Hz_Vfg102013.pdf?__blob=publicationFile&v=4<br />
[5] Bundesnetzagentur: Funkanwendungen auf den ISM-Bändern. 2013, In:<br />
http://emf3.bundesnetzagentur.de/pdf/ISM-BNetzA.pdf<br />
[6] National Instruments: NI 9795 WSN C-Series Gateway. 2010, In:<br />
http://www.ni.com/pdf/manuals/375694a.pdf<br />
[7] Advantech: ADAM 2520Z. In: http://downloadt.advantech.com/ProductFile/PIS/ADAM-<br />
2520Z/Product%20-%20Datasheet/ADAM-2520Z_DS20120605094538.pdf<br />
[8] Advantech: ADAM 2031Z. In: http://downloadt.advantech.com/ProductFile/PIS/ADAM-<br />
2031Z/Product%20-%20Datasheet/ADAM-2031Z_DS20120531094529.pdf<br />
[9] Advantech: ADAM 2051Z. In: http://downloadt.advantech.com/ProductFile/PIS/ADAM-<br />
2051Z/Product%20-%20Datasheet/ADAM-2051Z_DS20120605084600.pdf<br />
[10] Libelium Comunicaciones Distrubuidas S.L.: Waspmote Datesheet. 2013, In:<br />
http://www.libelium.com/downloads/documentation/waspmote_datasheet.pdf<br />
[11] Newsteo: Data Logger Newsteo - Wireless Sensor. In:<br />
http://www.newsteo.com/gb/data-logger/comparative-any-sensor.php<br />
[12] PHOENIX CONTACT: Explosionsschutz Theorie und Praxis. 2011<br />
[13] National Instruments, NI WSN-3230/3231. 2012, In:<br />
http://www.ni.com/pdf/manuals/373305b.pdf<br />
[14] National Instruments: NI WSN-9791 Ethernet Gateway. 2010, In:<br />
http://www.ni.com/pdf/manuals/372777d.pdf<br />
[15] National Instruments: NI 9792 WSN Real-Time Gateway. 2010, In:<br />
http://www.ni.com/pdf/manuals/372998b.pdf<br />
[16] National Instruments: NI PXI-4110 Triple-Output Programmable DC Power Supply.<br />
2007, In: http://www.ni.com/pdf/products/us/cat_NIPXI4110.pdf<br />
[17] National Instruments: NI 9220 User Guide and Specifications. 2012, In:<br />
http://www.ni.com/pdf/manuals/373920d.pdf<br />
59
Anhangverzeichnis<br />
Anhang 1<br />
Anhang 2<br />
Anhang 3<br />
Messwerte: Abbildung 5 - Übergang mit Aktivierung „Nutzer-LED" und<br />
hohe Senderate<br />
Beispielquellcode „LabVIEW“<br />
Messewerte: Abbildung 6 - Energieverbrauch bei aktiver Schnittstelle<br />
60
Anhang 1<br />
Ausschnitt Daten <strong>von</strong> Darstellung<br />
Uhrzeit Spannung in V Stromstärke in A Momentanverbrauch in W<br />
21:50:43,478 20,000516 0,000318 0,006369<br />
21:50:43,482 20,000483 0,000312 0,006239<br />
21:50:43,485 20,000652 0,000557 0,011137<br />
21:50:43,488 20,00055 0,000314 0,006283<br />
21:50:43,492 20,000516 0,000312 0,00625<br />
21:50:43,495 20,00055 0,000311 0,00623<br />
21:50:43,498 20,00055 0,000531 0,010625<br />
21:50:43,502 19,998995 0,003462 0,069245<br />
21:50:43,505 20,000652 0,003472 0,069452<br />
21:50:43,508 20,000652 0,010814 0,216296<br />
21:50:43,512 20,000145 0,011169 0,223374<br />
21:50:43,515 19,985099 0,013348 0,266769<br />
21:50:43,518 19,999029 0,0125 0,249992<br />
21:50:43,522 20,000753 0,011679 0,233588<br />
21:50:43,525 19,965659 0,01613 0,322055<br />
21:50:43,528 19,661645 0,019913 0,39153<br />
21:50:43,532 19,987872 0,014703 0,293873<br />
21:50:43,535 19,853412 0,018492 0,367123<br />
21:50:43,538 20,000483 0,005979 0,119591<br />
21:50:43,542 20,000652 0,005351 0,107032<br />
21:50:43,545 20,000855 0,005387 0,107747<br />
21:50:43,548 19,983679 0,013489 0,269563<br />
21:50:43,552 19,985573 0,013279 0,26538<br />
21:50:43,555 20,000821 0,012426 0,248524<br />
21:50:43,558 20,00028 0,005421 0,108417<br />
21:50:43,562 20,000719 0,011335 0,226713<br />
21:50:43,565 19,814768 0,017784 0,352379<br />
21:50:43,568 19,946016 0,016507 0,329254<br />
21:50:43,572 20,000347 0,012333 0,246665<br />
21:50:43,575 20,000956 0,012149 0,242998<br />
21:50:43,578 19,998285 0,013301 0,265997<br />
21:50:43,582 20,000314 0,012386 0,247726<br />
21:50:43,585 19,979622 0,014402 0,287739<br />
21:50:43,588 20,000516 0,012207 0,244147<br />
21:50:43,592 19,999705 0,013481 0,269616<br />
21:50:43,595 19,900305 0,015288 0,304234<br />
21:50:43,598 19,938341 0,015691 0,312852<br />
21:50:43,602 19,972962 0,012893 0,257517<br />
21:50:43,605 20,000415 0,001958 0,039166<br />
21:50:43,608 20,000618 0,001895 0,037907<br />
21:50:43,612 20,00055 0,001777 0,035537<br />
21:50:43,615 20,00055 0,00133 0,026599<br />
61
Anhang 2<br />
Dieser Beispielquellcode wurde auf dem „NI WSN-3231“ ausgeführt.<br />
Er wird einmalig beim Zustandswechsel ausgeführt. Im Verlauf kann das Programm<br />
auf die geöffnete und parametrierte Schnittstelle zugreifen, eine erneute<br />
Initialisierung wird nicht benötigt. Das Programm sendet bei Ausführung des<br />
dargestellten Quelltextes die erste Nachricht über den Bus und die Antwort auf diese<br />
Nachricht <strong>zur</strong>ück an das Gateway.<br />
62
Anhang 3<br />
Ausschnitt Daten aus Darstellung<br />
Uhrzeit Spannung in V Stromstärke in A Momentanverbrauch in W<br />
09:11:44,715 20,000381 0,001335 0,026702<br />
09:11:44,718 20,000584 0,00141 0,028195<br />
09:11:44,722 20,000922 0,005318 0,106373<br />
09:11:44,725 19,999773 0,006307 0,126136<br />
09:11:44,728 19,970967 0,013479 0,269197<br />
09:11:44,732 20,000516 0,012936 0,258724<br />
09:11:44,735 19,983206 0,013338 0,266544<br />
09:11:44,738 20,000584 0,012297 0,245951<br />
09:11:44,742 19,996662 0,013135 0,262647<br />
09:11:44,745 19,863656 0,018379 0,365069<br />
09:11:44,748 19,978608 0,016984 0,339307<br />
09:11:44,752 20,000685 0,008939 0,178777<br />
09:11:44,755 20,000009 0,007626 0,152522<br />
09:11:44,758 19,907507 0,015736 0,313273<br />
09:11:44,762 19,715943 0,019993 0,394174<br />
09:11:44,765 20,000111 0,013843 0,276866<br />
09:11:44,768 19,98706 0,014375 0,287314<br />
09:11:44,772 20,000415 0,013152 0,263042<br />
09:11:44,775 19,971474 0,015166 0,302892<br />
09:11:44,778 20,000347 0,014489 0,289787<br />
09:11:44,782 20,00055 0,013441 0,268832<br />
09:11:44,785 19,92688 0,015237 0,303632<br />
09:11:44,788 19,858077 0,017408 0,345699<br />
09:11:44,792 19,960047 0,015269 0,304779<br />
09:11:44,795 20,000516 0,003455 0,069109<br />
09:11:44,798 20,000449 0,002909 0,058182<br />
09:11:44,802 20,000145 0,002779 0,055589<br />
09:11:44,805 20,000347 0,002386 0,04772<br />
09:11:44,808 20,000347 0,00228 0,045601<br />
09:11:44,812 20,000483 0,002367 0,047337<br />
09:11:44,815 20,00028 0,00236 0,047203<br />
09:11:44,818 20,000347 0,002293 0,045865<br />
09:11:44,822 20,000347 0,002347 0,046936<br />
09:11:44,825 20,000381 0,002278 0,04556<br />
09:11:44,828 20,000449 0,002331 0,046621<br />
09:11:44,832 20,000584 0,002286 0,045724<br />
09:11:44,835 20,000314 0,002344 0,046878<br />
09:11:44,838 20,00055 0,002358 0,047159<br />
09:11:44,842 20,000347 0,002339 0,046779<br />
09:11:44,845 20,000212 0,002353 0,047069<br />
09:11:44,848 20,000449 0,003811 0,076226<br />
09:11:44,852 20,000415 0,003861 0,077224<br />
09:11:44,855 20,00028 0,002356 0,047123<br />
09:11:44,858 20,000516 0,002403 0,048069<br />
63
Ehrenwörtliche Erklärung<br />
"Ich erkläre hiermit ehrenwörtlich",<br />
1. dass ich meine Bachelorthesis mit dem Thema<br />
<strong>„Erstellung</strong> <strong>eines</strong> <strong>Konzeptes</strong> <strong>zur</strong> <strong>Einbindung</strong> <strong>von</strong> <strong>funkbasierten</strong> Modulen <strong>zur</strong><br />
autarken und dezentralen Überwachung <strong>von</strong> Umwelt- und<br />
Anlagenparametern“<br />
ohne fremde Hilfe angefertigt habe,<br />
2. dass ich die Übernahme wörtlicher Zitate aus der Literatur sowie die<br />
Verwendung<br />
der Gedanken anderer Autoren an den entsprechenden Stellen innerhalb<br />
der Arbeit gekennzeichnet habe und<br />
3. dass ich meine Bachelorthesis bei keiner anderen Prüfung vorgelegt<br />
habe.<br />
Ich bin mir bewusst, dass eine falsche Erklärung rechtliche Folgen haben wird.<br />
_______________________<br />
Ort, Datum<br />
______________________<br />
Unterschrift<br />
64
Thesen <strong>zur</strong> Bachelorthesis<br />
<strong>„Erstellung</strong> <strong>eines</strong> <strong>Konzeptes</strong> <strong>zur</strong> <strong>Einbindung</strong> <strong>von</strong><br />
<strong>funkbasierten</strong> Modulen <strong>zur</strong> autarken und dezentralen<br />
Überwachung <strong>von</strong> Umwelt- und Anlagenparametern“<br />
Carsten Ewert<br />
Matr.-Nr.: 4000577<br />
Seminargruppe TI10/1<br />
_____________________________________________________<br />
Anforderungen an Überwachungsanlagen werden immer<br />
komplexer.<br />
Kabellose Technologien verbreitern ihren Einsatzbereich und<br />
durchdringen damit immer mehr Lebensbereiche.<br />
Wenn keine Echtzeitanforderungen an ein<br />
Überwachungssystem bestehen, sind viele verschiedene<br />
Systeme einsetzbar.<br />
Durch die Programmierbarkeit der „NI WSN“-Knoten in<br />
Verbindung mit einem Echtzeitprozessor sind sehr viele<br />
Anwendungsgebiete der Anlagen- und Umweltüberwachung<br />
abdeckbar.<br />
Die Programmierung für verschiedene<br />
Prozessorarchitekturen und Anwendungsgebiete auf Basis<br />
<strong>eines</strong> einheitlichen grafischen Programmieransatzes<br />
verringert den Entwicklungsaufwand.<br />
65