Tipps für die Auswahl der richtigen Übertragungslösungen
Die richtige Antenne für das IIoT
Durch das 'Industrial Internet of Things' (IIoT) erlebt die Industrieproduktion derzeit eine radikale Transformation. Allerdings sind IIoT-Netzwerke auf einwandfreie Konnektivität angewiesen: Für stationäre Anlagen ist die kabelgestützte Datenkommunikation eine Option, jedoch arbeiten viele IIoT-Netze kabellos. Dabei gilt: Ein drahtloses Netzwerk ist nur so gut wie seine schlechteste Antenne. Der drahtlose Datenaustausch im Internet der Dinge verlangt nach Hochleistungsantennen an jedem Knotenpunkt der Kommunikationskette. Bei der Auswahl der richtigen Lösungen und Übertragungstechnologien gibt es einiges zu beachten.
Bild: PCTEL, Inc.Prozessautomatisierung und die damit verbundenen IIoT-Anwendungen verlangen nach drahtloser Netzwerktechnologie, die sich auf dem neuesten Stand befindet.
Bild: PCTEL, Inc.
Bild: PCTEL, Inc.Drahtlostechnologien für das Internet der Dinge
Bei IIoT-Anwendungen, die mit relativ wenig Bandbreite auskommen, werden die alten VHF- und UHF-Netze, die mit ISA100 oder GSM arbeiteten, gerade durch LPWAN-Technologien ersetzt - z.B. NB-IoT, LoRA und SigFox. LPWAN verbindet niedrige Latenzraten und geringen Energieverbrauch mit großflächiger Abdeckung, z.B. in einer Werkshalle. Einige LPWAN-Technologien unterstützen auch Fernüberwachungsanwendungen, bei denen eine Datenübertragung über große Entfernungen erforderlich ist. Doch können die Herausforderungen einer 'überfüllten' Industrieumgebung für LPWAN auch schnell zu viel werden. Dann kommen sog. vermaschte Netze (Mesh-Netzwerke) ins Spiel. Dabei handelt es sich um zwischengeschaltete Antennen, die als Knotenpunkte dienen und Signale von isolierten Antennen auffangen und an andere Empfänger im Netz weiterleiten. Bei automatischen Prozessen, wie z.B. Selbstheizsystemen, kann auf diese Weise die zuverlässige Kommunikation zwischen lokalen Ressourcen sichergestellt werden. Zu den verbreitetsten Drahtlosprotokollen für Mesh-Netzwerke gehören Zigbee und WirelessHart. Datenintensive Applikationen wie z.B. die Videoüberwachung hingegen benötigen Breitband-Standards, die auch mit großen und schnell getakteten Datenmengen zurechtkommen, z.B. WLAN oder LTE. Bei Anwendungen im unlizenzierten Spektrum bietet sich häufig WLAN an. LTE zeichnet sich durch relativ niedrige Latenzraten aus und kann in Spektren eingesetzt werden, die von einem Carrier geleast werden, oder in einem privaten Spektrum. Auch die Technik MulteFire kann LTE-Anwendungen ermöglichen, dann allerdings unter ausschließlicher Verwendung unlizenzierter Spektren. Es wird erwartet, dass 5G-Netze demnächst sogar noch höhere Datendurchsatzraten und niedrigere Latenzen unterstützen, und zwar sowohl im drahtlosen Bereich als auch im Millimeterwellenspektrum.
Bild: PCTEL, Inc.Auswahl von Antennen für IIoT-Anwendungen
Nicht nur in Produktionsumgebungen entscheidet die Leistung der Antenne, ob eine Übertragung den Empfänger erreicht und wie viel Datenvolumen übertragen werden kann. Dabei ist die maximale Ausbreitung der Funkwellen nicht zwangsläufig ideal, da sich überlappende Systeme gegenseitig stören können. IIoT-Antennen müssen daher gerade so viel Reichweite haben, wie für ihre Aufgabe unbedingt erforderlich ist. Gleichzeitig sollten sie große Datenmengen bei minimalen Interferenzen übermitteln, platzsparend sein und auch widrigen Umständen trotzen. Bezüglich der Strahlungscharakteristik stehen verschiedene Antennendiagramme zur Auswahl, je nach Aufgabenstellung und Platzierung der Antenne im Netz. In einem Netz mag die direkte Übertragung von Punkt zu Punkt (PTP) gefordert sein, in einem anderen von Punkt zu Mehrpunkt (PTMP). Die einfache PTP-Datenübermittlung erfordert gewöhnlich eine Richtantenne, während der Kommunikation mit vielen Empfängern (PTMP) mit einer Rundstrahlantenne besser gedient wäre. Der Netzentwickler kann natürlich auch für eine PTP-Anwendung eine Rundstrahlantenne einplanen und so Flexibilität gewinnen. Dies wäre z.B. eine Lösung für ein Mesh-Netzwerk mit zahlreichen mobilen Elementen: Dort überträgt eine Antenne zwar aus rein technischer Sicht nur PTP, aber zu verschiedenen Zeiten in unterschiedliche Richtungen - je nachdem, wo die nächste Antenne empfangsbereit ist. Doch unabhängig von Richt- oder Rundstrahlantenne kommt es auf das optimale Antennendiagramm an, damit die Abdeckung zuverlässig gewährleistet bleibt und Interferenzen minimiert werden. Zur Optimierung von Datendurchsatz und Abdeckung verfügen IIoT-Antennen über diverse technische Lösungen. Die sog. MIMO-Technologie (Multiple Input, Multiple Output) ermöglicht es der Antenne, Datenströme auf derselben Frequenz voneinander zu unterscheiden - das kommt datenintensiven Anwendungen wie Videoüberwachung zugute. Viele MIMO-Antennen verfügen zusätzlich über doppelte Polarisierung, was die Netzwerkkonnektivität dank Isolierung der HF-Eingänge weiter stabilisiert. Netze, die mehrere HF-Frequenzen verwenden, benötigen Multibandantennen, die mehrere Antennenelemente in einem Gehäuse vereinigen. Besonders hochqualitative Multibandantennen verfügen über Port-To-Port-Isolation, was nicht nur Interferenzen zwischen den Frequenzen verringert, sondern das Endprodukt auch noch kompakt macht.
Bild: PCTEL, Inc.Platzsparende und robuste Lösungen
Bei der Auswahl und Platzierung von IIoT-Antennen kommt es natürlich auch darauf an, wertvollen Platz für die eigentliche Produktion zu sparen. Das heißt, die Antenne muss nicht nur leistungsstark, sondern auch noch platzsparend sein. Eine häufige Lösung besteht darin, die Antenne in das Gerät zu integrieren, das sie bedienen soll. Komplexe Geräte (wie z.B. Zeilensensoren) enthalten manchmal ein komplettes, integriertes HF-System, wohingegen Router und WAPs oft einfach nur über ein Mobilfunkgerät und eine Antenne verfügen. Eine solche Konstruktion spart Platz und vereinfacht die Installation. Bei externen Antennen kommt auch noch die Flexibilität bei der Montage ins Spiel: Üblicherweise benötigen Antennen eine bestimmte Art von metallischem Untergrund ('Groundplane'). Doch Antennen, die für IIoT optimiert sind, können da montiert werden, wo Platz ist, unabhängig vom Untergrund. Für bestimmte Anwendungen muss die Antenne besonders robust sein, um widrigen Umständen oder auch der Manipulation durch Unbefugte zu wiederstehen. Ein Sensor in einem Gefriergerät für Lebensmittel zum Beispiel benötigt eine Antenne mit einem Gehäuse, das auch tiefen Temperaturen und Feuchtigkeit wiedersteht; ein anderer Sensor, der eine stark vibrierende Maschine überwacht, muss entsprechend daran angepasst sein. Ganz besonders wichtig sind gehärtete Gehäuse für drahtlose Netzwerke im Außenbereich, wo die Antenne verschiedensten, oft widrigen Klimaeinflüssen oder auch Vandalismus ausgesetzt sein kann. Die meisten qualitativ hochwertigen Antennensysteme zeichnen sich durch sehr robuste und flache Gehäuse aus, die gut gegen Wasser und Staub geschützt und vandalismussicher sind.
Gut vernetzt - dank der optimalen Antenne
Die 4. industrielle Revolution ist in vollem Gange. Wer jetzt die Bedeutung leistungsstarker Antennentechnologien unterschätzt, läuft Gefahr, den Anschluss zu verlieren - im wahrsten Sinne des Wortes. Dank Datenkommunikation in Echtzeit zwischen Produktionsanlagen und dem Mitarbeiter im Leitstand agieren Unternehmen effizienter und beschleunigen gleich auch noch die Produktion. Doch hängt der potenzielle Vorteil stark von der Qualität der Antenne ab: Antennen, die im Rahmen des Internets der Dinge eingesetzt werden ('IIoT'), müssen flexibel genug sein, um eine große Bandbreite von HF-Frequenzen und Anwendungen abzudecken; gleichzeitig aber auch robust genug, um unter extremsten Bedingungen zuverlässig zu funktionieren, und schließlich auch noch kompakt genug, um auch dort eingesetzt zu werden, wo Platz Mangelware ist. Die Auswahl und Installation von Antennen für industrielle IoT-Anwendungen erfordert Sachverstand und sorgfältige Planung. Experten wie PCTEL stehen den Anwendern gerne beratend zur Seite.
Durch das 'Industrial Internet of Things' (IIoT) erlebt die Industrieproduktion derzeit eine radikale Transformation. Allerdings sind IIoT-Netzwerke auf einwandfreie Konnektivität angewiesen: Für stationäre Anlagen ist die kabelgestützte Datenkommunikation eine Option, jedoch arbeiten viele IIoT-Netze kabellos. Dabei gilt: Ein drahtloses Netzwerk ist nur so gut wie seine schlechteste Antenne. Der drahtlose Datenaustausch im Internet der Dinge verlangt nach Hochleistungsantennen an jedem Knotenpunkt der Kommunikationskette. Bei der Auswahl der richtigen Lösungen und Übertragungstechnologien gibt es einiges zu beachten.
Bild: PCTEL, Inc.Prozessautomatisierung und die damit verbundenen IIoT-Anwendungen verlangen nach drahtloser Netzwerktechnologie, die sich auf dem neuesten Stand befindet.Bild: PCTEL, Inc.
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Dieser Artikel erschien in Industrial Communication Journal 1 2018 - 28.03.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
