Kommunikationsmethoden zur Energieoptimierung in industriellen Anwendungen

Bei der Auswahl einer Kommunikationsmethode für IIoT-Geräte in industriellen Anwendungen müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden: maximaler Durchsatz, Reichweite, Verfügbarkeit in der Bereitstellungszone und Energieverbrauch. Kommunikationstechnologien für die intelligente Fertigung werden in Abschnitt 3 des Whitepapers „Intelligente Lösungen für mehr Energieeffizienz“ behandelt (klicken Sie hier für weitere Details). Dieser Blogbeitrag geht auf die wichtigsten Kommunikationsprotokolle und ihre Auswirkungen auf den Energieverbrauch ein.

IIoT-Anwendungen enthalten Gruppen von Sensoren, die mit Sensorknoten verbunden sind. Die Übertragungszeit wird durch den Abstand zwischen zwei Knoten, die Datenübertragungsgeschwindigkeit und die Nachrichtengröße bestimmt, welche alle die Energieoptimierung beeinflussen. Je höher die Datenübertragungsgeschwindigkeit, desto weniger Zeit wird für den Empfang/die Übertragung von Daten benötigt, wodurch der Energieverbrauch reduziert wird. Sensorknoten sind in der Regel akkubetriebene Geräte, deren Lebensdauer von mehreren Faktoren beeinflusst wird, die außerhalb der Akkutechnologie, des Designs und der Fertigungsqualität liegen.

Die Einführung einer drahtlosen Konnektivitätslösung würde einen äußerst niedrigen Energieverbrauch für Geräte ermöglichen und gleichzeitig die Fähigkeit bewahren, große Datenmengen schnell über unterschiedliche Entfernungen zu übertragen, wobei all dies wirtschaftlich tragfähig bleibt.

In industriellen Anwendungen verwendete drahtlose Kommunikationstechnologien:

Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, wird die Reichweite eines drahtlosen Netzwerks für industrielle Anwendungen üblicherweise in drei Klassen unterteilt: Wireless Personal Area Networks (WPANs), Wireless Local Area Networks (WLANs) und Wireless Wide Area Networks (WWANs).

Abb. 1: Drahtlose Konnektivitätstechnologien

WPANs decken in der Regel eine Reichweite von etwa 100 m ab. Diese Geräte, wie BLE, ZigBee, NFC und Thread-Verbindung, haben oft eine niedrige Funkübertragungsenergie und werden mit kleinen Batterien betrieben. Meistens befinden sich diese Geräte im Schlafmodus. Wenn ein Ereignis eintritt, wacht das Gerät auf und sendet eine kurze Nachricht an ein Gateway, einen PC oder ein Smartphone. Ein typisches BLE-Modul hat einen Höchst-/Spitzenstromverbrauch von 39 mA oder weniger, während der durchschnittliche Stromverbrauch bei ~9 µA liegt. Der aktive Stromverbrauch liegt bei einem Zehntel des Stromverbrauchs von herkömmlicher Bluetooth-Technologie. In Anwendungen mit einem niedrigen Tastverhältnis könnte eine Knopfzellenbatterie einen zuverlässigen Betrieb von 5-10 Jahren ermöglichen.

WLANs decken in der Regel eine Reichweite von bis zu 1000 m ab. Wi-Fi ist der gängigste Standard. 802.11 ax ist eine der neuesten Generationen von Wi-Fi-Standards, der auch als Wi-Fi 6 bezeichnet wird. Wi-Fi 6 bietet höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten und Kapazitäten bis 9,6 GB/s und arbeitet sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Spektrum. Wi-Fi 6 führt auch eine neue Technologie ein, welche die Leistungsanforderungen am Client-Ende optimiert. Die Target Wake Time (TWT, gezielte Aufwachzeit) reduziert den Verbrauch, da der Zugangspunkt und der Client genau festlegen können, wann der Empfänger aufwachen soll, um die Übertragung des Senders zu hören.

WWANs decken in der Regel eine Reichweite bis 100 km ab. Die Mobilfunktechnologie (2G, 3G und 4G) wird für die Fernverbindung von Geräten verwendet. 5G-Technologie, die derzeit eingesetzt wird, verspricht eine massive Bandbreite und eine äußerst niedrige Latenz, welche die Annahme dieser Technologie unterstützen könnte. Die Mobilfunkanbindung konzentrierte sich in der Vergangenheit auf die Reichweite und die Bandbreite auf Kosten des Energieverbrauchs. Die hohe Datenmenge, die von Geräten produziert wurde, konnte nur schwierig schnell verarbeitet werden, und die Zeitspanne zwischen dem Senden von Daten von einem angeschlossenen Gerät und der Rückkehr zum gleichen Gerät – also die Latenz – war groß. Neue Mobilfunktechnologien wie 5G übertragen jedoch Daten etwa zehnmal schneller als 4G, was eine äußerst niedrige Latenz und einen geringeren Stromverbrauch verspricht.

LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Network-Technologien) sind gut auf die spezifischen Anforderungen von Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) und IoT-Geräten abgestimmt. Die Technologie bietet eine geringe Leistung und eine große Reichweite (bis 10–50 km in ländlichen Gebieten und 1–10 km in städtischen Gebieten). Das Netzwerk funktioniert sowohl im lizenzierten (NB-IoT und LTE-M) als auch im nicht lizenzierten Spektrum (Sigfox und LoRa).

LTE-M ist für eine größere Bandbreite und mobile Verbindungen optimiert. Diese Technologie bietet eine Reduzierung der Gerätebandbreite von 1,4 MHz sowohl bei Uplink als auch bei Downlink, eine reduzierte maximale Übertragungsleistung von 20 dBm, eine verbesserte LTE-Abdeckung von 15 dB für FDD (Frequency Division Duplex) und einen besseren LTE DRX-Zyklus, um längere Inaktivitätszeiträume und damit eine optimierte Akkulaufzeit zu ermöglichen. NB-IoT bietet Datenverbindungen mit geringerer Bandbreite und einer Gerätebandbreite von 200 kHz sowohl auf dem Uplink als auch auf dem Downlink. Es bietet auch eine Verbesserung der LTE-Abdeckung um 20 dB.

Sowohl Sigfox als auch LoRa sind asynchrone Kommunikationsprotokolle. Sigfox- und LoRa-Endgeräte befinden sich die meiste Zeit außerhalb des Betriebs im Schlafmodus, wodurch der Energieverbrauch reduziert wird. Sigfox und LoRa bieten Klasse C, um eine niedrige bidirektionale Latenz auf Kosten des erhöhten Energieverbrauchs zu bewerkstelligen.

Farnell hat sich mit vielen verschiedenen Lieferanten zur Kategorisierung einer breiten Palette von Kommunikationstechnologie-Produkten und Lösungsportfolien zusammengetan, wie zum Beispiel: Network-Gateways und -Kits, RFID-Module, Netzwerkmodule, Bluetooth-Module, ZigBee-Module, Sub-GHz, Sensor, drahtlose Netzwerksteuerung, drahtlose Prozesssteuerung, Development Kits für HF-/Wireless-Anwendungen