Qualitätsaspekte bei der Realisierung industrieller Anwendungen Belden bietet Know-how und Komponenten für den Aufbau industrieller WLAN-Netze - wirautomatisierer

Qualitätsaspekte bei der Realisierung industrieller Anwendungen

Belden bietet Know-how und Komponenten für den Aufbau industrieller WLAN-Netze

Anzeige
WLAN-Netze kommen in vielfältigen Industrie-Anwendungen zum Einsatz. Die Technologie zeichnet sich durch eine große Reichweite und durch hohe Übertragungsgeschwindigkeiten aus. Bei der Konfiguration eines Netzwerks sind jedoch viele Einflussfaktoren zu beachten.
bei Hirschmann Automation and Control in Neckartenzlingen
WLAN-Netzwerke bieten viele Möglichkeiten zur Realisierung industrieller Anwendungen. WLAN ist eine Option bei Anlagen in veränderlichen Umgebungen, beim Einsatz von Flurförderfahrzeugen oder mobilen Produktionseinrichtungen. Darüber hinaus vereinfachen Tablets und Notebooks Wartung, Konfiguration und Überwachung. Industrielle Anwendungen stellen jedoch vielfältige Anforderungen an die Qualität eines WLAN-Netzwerks, die weit über die Anforderungen im Office- und Privatbereich hinausgehen. So gibt der Signal-zu-Rauschabstand an, um wieviel stärker das Nutzsignal der Übertragung im Vergleich zum Umgebungsrauschen ist. Ist das Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR = Signal to Noise Ratio) groß, kann mit hoher Geschwindigkeit kommuniziert werden. Ist das SNR gering, kann das Signal nicht mehr gut vom lauten Rauschen differenziert werden. Dann übertragen WLAN-Geräte Daten nur noch sehr langsam.
Überwachung und Kontrolle von Maschinen
Viele Anlagen erlauben heute eine Überwachung und Steuerung über das Netzwerk. Der Einsatz mobiler Geräte erleichtert es, Maschinen und Anlagen zu bedienen und zu warten. Interaktive Dienste benötigen hier eine hohe Bandbreite, so werden für die Übertragung von Videodaten 5 Mbit für jeden HD-Video-Strom und weitere Reserven für die parallele Nutzung des WLAN-Systems durch mehrere Nutzer benötigt. Ebenso sind moderate Reaktionszeiten (z.B. 100 ms) für die effiziente interaktive Bedienung notwendig. Anwendungen wie Augmented Reality treiben die Anforderungen weiter in die Höhe. Größere Bandbreiten (10 Mbit/s pro AR-System – oftmals in beide Richtungen) und kurze Latenzen (50ms) sind hier für eine sinnvolle Anwendung wichtig. Die Kernanforderungen an eine zukunftssichere WLAN-Versorgung sind daher ein hoher Durchsatz, eine geringe Latenz und eine gute Flächenabdeckung.
WLAN-Netzwerke verwenden im Gegensatz zu anderen Funktechnologien ein CSMA/CA-Zugriffsverfahren (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Aviodance). Dabei wird zuerst auf den verwendeten Frequenzen gelauscht, ob es keine konkurrierende Übertragung gibt. Wird das Funkmedium als frei wahrgenommen, kann ein WLAN-Gerät senden. Um fehlerhafte bzw. erfolgreich beim Empfänger angekommene Frames beim Sender zu erkennen, wird eine Empfangsquittung gesendet. Bleibt die Quittierung aus, liegt eine Empfangsstörung vor. Daraufhin kann das Paket erneut übertragen werden. Schlägt die Neuübertragung mehrere Male nacheinander fehl, so bricht die sendende Station die Übertragung ab und überträgt das nächste Paket – dieses zu häufig nicht angekommene Paket muss dann als verloren bzw. unzustellbar betrachtet werden.
Dieses Verfahren hat Auswirkungen auf die zu erwartenden Kenngrößen wie Sendeverzögerung und Paketverlust. In weitgehend störungsfreien Situationen lassen sich problemlos Paketverluste von 0,1 % erreichen, da die meisten Übertragungen ohne Störung empfangen werden können. In gestörteren Situationen sind Fehlerraten im Bereich von mehreren Prozent nicht auszuschließen. Darüber hinaus haben gestörte Übertragungen auch eine direkte Auswirkung auf die Übertragungsdauer, die sogenannte Latenz. Oft ist in gestörten Situationen das Medium bereits durch andere sendende Stationen belegt. Eine wichtige Frage bei der Optimierung eines Netzwerks ist daher, wie eine Überlastung von vornherein vermieden werden kann bzw. wie auch in gestörten Situationen eine erfolgreiche Übertragung möglich ist.
Verwendung von Frequenzen und Kanälen
Die Frequenzbereiche 2,4 und 5 GHz sind in Kanäle aufgeteilt und ein Kanal stellt einen 20 MHz breiten Bereich des Frequenzspektrums dar. Die Frequenzen des 2,4-GHz-Bandes werden von einer Vielzahl verschiedener Funksysteme verwendet. Aufgrund gesetzlicher Forderungen muss die Empfangselektronik in der Lage sein, sich adaptiv an die Umgebung anzupassen, um weitere aktive Sendesysteme im aktuellen Kanal zu erkennen. Wird die Übertragung eines koexistierenden Systems erkannt, müssen eigene Funkübertragungen so lange verzögert werden, bis das Medium wieder freigeben ist. Damit ein Sender einen Kanal nicht zu lange belegt und sich dadurch einen Vorteil in der von ihm belegten Bandbreite verschafft, ist in der Norm ETSI EN 300 328 V1.8.1 definiert, dass in Abhängigkeit des Zugriffsmechanismus eine bestimmte Zeit bei der Übertragung von Funksignalen eingehalten werden muss.
Die Frequenzen des 5-GHz-Frequenzbandes sind häufig weniger durch konkurrierenden Netze belastet, da andere Funktechnologien, wie Bluetooth, schnurlose Telefone und günstigere WLAN-Lösungen oftmals auf das 2,4-GHz-Band begrenz sind. Die Verwendung des 5-GHz-Bandes bringt jedoch ebenfalls Schwierigkeiten mit sich, da sich die Funkwellen aufgrund ihrer höheren Frequenz deutlich stärker durch physische Hindernisse beeinflussen lassen. Da viele WLAN-Access-Points und -Clients sowohl einen 2,4-GHz- als auch 5-GHz-Betrieb unterstützen, kann ein experimenteller Wechsel in das andere Frequenzband ggf. schon eine Verbesserung von Leistung und Zuverlässigkeit bringen.
Modulationsschemata, MCS und Ratenadaption
In WLAN-Systemen kann sich die Signalqualität zwischen Access Points und Clients häufig ändern. Generell lässt sich sagen, dass eine höhere Übertragungsrate stets auch ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis erfordert bzw. dass niedrigere Übertragungsgeschwindigkeiten auch mit einem schlechteren Signal-zu-Rauschverhältnis auskommen.
Seit der Einführung von IEEE 802.11n werden verschiedene Techniken zur Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit in Modulation and Coding Scheme Klassen (MCS) zusammengefasst und durchnummeriert. So steht MCS 0 für die langsamste und robusteste Übertragungsrate, während MCS 23 für die schnellste Datenrate steht, die sich mit 3 Antennen erreichen lässt bzw. MCS 31 für die schnellste Datenraten die sich mit vier Antennen realisieren lässt. Die sich daraus ergebenden maximalen Brutto-Übertragungsraten, mit allen weiteren WLAN-Optimierungen, ergeben dann z.B. 15 Mbit/s bei MCS0 und 600 Mbit/s bei MCS31. Ein wichtiger Baustein dieser Datenraten ist die Anzahl der räumlichen Ströme. Die Multiple-Input-Multiple-Output Technologie (MiMo) erlaubt es, zeitgleich mit mehreren Antennen mehrere Signale auf derselben Frequenz störungsfrei zu senden. Drei oder vier Ströme steigern den Durchsatz auf 450 Mbit/s mit drei und 600 Mbit/s mit vier Strömen und Antennen.
Mehr Leistung für WLAN-Netze
Das Aktivieren des Adaptive Noise Immunity Mechanismus (ANI) sorgt bei hochwertigen Access Points für ein Ausblenden verschiedener Störeinflüsse und verbessert den möglichen Durchsatz. Damit werden die Fälle von verpassten Übertragungen am Empfänger als auch das Auftreten von verspätet startenden Sendevorgängen verringert und so die Auslastung des Übertragungsmediums optimiert. Es ist empfehlenswert, die Wahl des Funkkanals eines Access Points an seine Umgebung anzupassen. Störeinflüsse können z.B. benachbarte Access Points auf demselben Kanal darstellen, deren Funkreichweiten sich überschneiden. In diesem Fall müssen sich die Teilnehmer in diesem Bereich, die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite teilen (Shared Medium), wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der gegenseitigen Störung von Übertragungen erhöht. Moderne Access Points stellen eine Automatik zur Verfügung, welche die Störeinflüsse im aktuellen Umfeld auswertet und gegebenenfalls auf einen qualitativ besseren Kanal wechselt. So kann auch bei einem langfristigen Betrieb von WLAN-Netzen in einer Fertigungsanlage der störungsfreie Betrieb durch ein automatisches Ausweichen auf andere Kanäle erreicht werden.
Insbesondere in Szenarien mit vielen Clients ist es sinnvoll, diese Clients auf die verschiedenen im WLAN-System verwendbaren Frequenzbereiche zu verteilen. Moderne Access Points erlauben eine automatische Verlagerung, indem sie Multi-Band-fähigen Clients vorzugsweise im 5-GHz-Band antworten, um das oft überladene 2,4-GHz-Band zu entlasten. In Controller-gesteuerten Netzen mit vielen Access Points erreicht Client Steering einen ähnlichen Effekt wie Band Steering. Hierbei werden Clients jedoch nicht von einem vollen Frequenzband in ein weniger belastetes Frequenzband gelotst, sondern von überlasteten Access Points zu weniger belasteten Access Points in der Umgebung verlagert. Eine effizientere Verwendung der zur Verfügung stehenden Bandbreite für die Kommunikation vom Access Point zu den Clients stellt die Airtime Fairness sicher. Diese Methode wird über einen Eingriff in die Warteschlange, der am Access Point zu sendenden Pakete, realisiert. Langsame Clients werden mit entsprechend weniger Paketen bedient, sodass sich im Vergleich zu Verbindungen mit schnellen Clients in etwa gleich lange Zugriffszeiten ergeben. Durch die Verwendung des Parallel Redundancy Protocol (PRP) kann die Zuverlässigkeit von WLAN-Übertragungen erheblich verbessert werden. Mit PRP können Pakete über zwei unabhängige Funkstrecken gleichzeitig übertragen werden. Bei einer eventuellen Störung der einen Funkstrecke, wird durch PRP eine sichere Zustellung des Pakets über die zweite Strecke sichergestellt.
Schnelles Roaming
Schnelles und zuverlässiges Roaming ist vor allem in Anwendungsszenarien mit mobilen Clients, wie autonomen Flurförderfahrzeugen oder anderen autonomen Fahrzeugen in der Fertigung, wichtig. In diesen Fällen bewegt sich ein mobiler Client durch die Empfangsbereiche mehrerer Access Points, dabei muss die Zuverlässigkeit der Kommunikation und die zur Verfügung stehende Bandbreite stets gewährleistet sein. Schnelles Roaming ist mit 50 ms im 2,4-GHz-Band möglich.
Beim Roaming muss ein mobiler Client periodisch alle in Frage kommenden Kanäle scannen, um ein Bild von den Signalstärken aller Access Points in seiner Umgebung zu bekommen. Nur so kann ein Access Point entscheiden, ob es eine mögliche Verbindung mit einer besseren Qualität gibt. Beim aktiven Scanning fragt der Client auf jedem Kanal die Anwesenheit möglicher Access Points ab. So erkennt er in kurzer Zeit alle potentiellen Roaming-Ziele in seiner Umgebung. Entscheidet sich ein Client für den Wechsel seiner Verbindung zu einem Access Point mit besserem Empfang, wird er das im IEEE Standard 802.11 definierte Verfahren für die BSS (Basic Service Set) Transition einleiten, also das Roaming. Die Sicherheit einer WLAN-Verbindung kann nur gewährleistet werden, wenn sich ein Client beim Verbindungsaufbau am Access Point korrekt authentifiziert und ein für diese Verbindung gültiger Schlüssel zur Verschlüsselung der Datenpakete ausgehandelt wird. ge
Anzeige

Video aktuell

Industrie 4.0: Das VDI Zentrum Ressourceneffizienz zeigt, wie Apps beim Sparen von Material und Energie helfen können

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Unsere Dosis Wissensvorsprung für Sie. Jetzt kostenlos abonnieren!

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Automation Award

Jetzt bewerben! Automation Award Logo
Einsendeschluss:
27.09.2017



Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos

Alle Whitepaper

Hier finden Sie alle Whitepaper unserer Industrieseiten

Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de