Wireless Sensor Networks in der Prozessautomation Übersicht und Standardisierungsaktivitäten

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1 Wireless Sensor Networks in der Prozessautomation Übersicht und Standardisierungsaktivitäten Peter Neumann ifak Institut f. Automation und Kommunikation Magdeburg, Germany Tagung Wireless Automation 2007 Magdeburg, 28. Februar 1. März

2 Gliederung r Einführung r Technische Anforderungen aus den Anwendungsfällen r Verfügbare Technologien r Standardisierung und Herstellerpositionierung r Schlussfolgerungen und Ausblick 2

3 Forschungsschwerpunkte der vergangenen 10 Jahre r Kodierungsverfahren r Beherrschung der Mehrwegeausbreitung r Protokollintegration der physikalischen (Funkübertragungs-) und der höheren Protokollschichten der industriellen (Feldbus-) Kommunikation r Echtzeitverhalten r Energieverbrauch, autarke Energieversorgung r Datensicherheit (Security) r Funktionale Sicherheit (Safety). Zunehmendes Interesse erfährt die Sicherung der Koexistenz mehrerer funkbasierter Kommunikationssysteme im gemeinsamen Medium (Werkstatt, Prozessanlage) 3

4 Gegensätzliche Forderungen und deren Abhängigkeiten r Echtzeitverhalten in den unterschiedlichen Echtzeit-Klassen vs. Energieverbrauch r Zyklische/azyklische Kommunikation vs. Energieverbrauch r Umgang mit unterschiedlichen Architekturkonzepten in der Fabrikautomation und der Prozessautomation, z.b. Sterntopologie und angepasste MAC Schicht für advanced performance (Fabrikautomation) vs. vermaschte Netztopologien (Mesh Nets) bei der Prozessautomation r Notwendigkeiten von redundanten Übertragungswegen vs. Echtzeitverhalten. 4

5 Aktuelle Fragestellungen r Welche Kommunikationstypen können mit funktechnischen Mitteln ( Wireless ) realisiert werden? Die Kommunikationstypen sind Bestandteil von Sensor-/Aktor-Netzwerken, Feldbus, Anlage (LAN), Weitverkehrsnetz (WAN) r Welcher Protokollanteil (MAC, Application Layer, Profile) bestehender Technologien kann weiter verwendet werden? r Welche Integrationskonzepte sind zu verwirklichen? Integration der Sensor/Aktor- Netze in Feldbussysteme (z.b. PROFIBUS, Interbus oder DeviceNet...) und/oder in Ethernet-basierte lokale Kommunikationssysteme (z.b. PROFINET, PowerLink, EtherCAT...) r Wie sollte die Integration der Funkmodule in das Engineering (von der Planung bis zur Wartung) erfolgen? Beachte: zusätzliche Engineering- Aufgabe: Planung der Funk-Infrastruktur. 5

6 Gliederung r Einführung r Technische Anforderungen aus den Anwendungsfällen Anwendungsfälle Generelle Anforderungen Prozessmonitoring Alarmbehandlung Prozesssteuerung Asset Management Engineering, mobile Dienste r Verfügbare Technologien r Standardisierung und Herstellerpositionierung r Schlussfolgerungen und Ausblick 6

7 Ausgewählte Anwendungsfälle der Fabrikautomation Fabrikautomation Das Herzstück der FA (Fertigungssteuerung) fehlt, da sehr hohe Anforderungen an Echtzeitfähigkeit und funktionale Sicherheit Steuerung Monitoring Diagnose Bedienen und Beobachten Stationäre Sensoren Mobile Sensoren Vermaschte IO Netzwerke Betrieb Engineering 7

8 Anwendungsfälle der Prozessautomation Prozessautomation Die Anforderungen der Prozessautomation sind mit den heute verfügbaren Lösungen erfüllbar. Prozess- Monitoring Alarmbehandlung Asset Management Engineering Mobile Dienste Prozesssteuerung 8

9 Generelle Anforderungen r Typischer minimaler Abstand zwischen zwei Knoten: Meter (Ausnahme: sehr dichte, vermaschte Netzwerke) r Zahl der funkbasierten Knoten in einem funkbasierten Netzwerk: r Typische maximale Ausdehnung eines funkbasierten Netzwerkes: km x km r Regenerationszeit einer Verbindung: >500ms (die Anforderung von 500ms wird von der Automobilindustrie für die leitungsgebundene industrielle Kommunikation in PROFINET gestellt) r Skalierbarkeit (hinsichtlich Knotenanzahl, räumliche Ausdehnung, Bandbreite) r Koexistenz einer Anzahl funkbasierter Netzwerke mit gleicher oder ggf. unterschiedlicher Technologien (Interferenzstabilität) r Security-Maßnahmen r Eigensicherheit: Zone 2,1,0; Klasse 1,div2/1 r Funktionale Sicherheit (Nothalt). 9

10 Anforderungen des Prozess Monitoring r niedrige Übertragungsraten, r Zyklischer Betrieb r Zykluszeit: 100ms - Minuten r Verbindungsaufbau (joining time): <10s r Rekonfigurationszeit: 500ms - Sekunden r Entfernungen: m r Lange Batterielebensdauer. Die Datenspeicherung/Archivierung stellt folgende Anforderungen: r Azyklischer Betrieb für Data Logger, ansonsten zyklischer Betrieb r Zykluszeit: Minuten. Typischerweise erfordert das Data Logging zusätzliche Sensoren (auch zeitweise) sowie Data Logger. 10

11 Anforderungen der Alarmbehandlung r Azyklischer Betrieb, ereignisgesteuert r Zeitstempelauflösung: 1ms (insbesondere in der Kraftwerksautomatisierung) r Synchronisation r Entfernungen: m r Lange Batterielebensdauer 11

12 Anforderungen der Prozesssteuerung r Deterministisches Verhalten r Zyklischer Betrieb, r Zykluszeit: 100ms r Entfernungen: m r Lange Batterielebensdauer (50% der Geräte benutzen Batterien): 5 Jahre. 12

13 Anforderungen des Asset Management r Deterministisches Verhalten wird nicht gefordert r Azyklischer Betrieb, ereignisgesteuert r Zyklischer Betrieb für zyklische Funktionsüberwachung ("heart beat"). r Zykluszeit: Sekunden - Minuten r Entfernungen: 10m -1km r Lange Batterielebensdauer 13

14 Anforderungen des Engineering und mobiler Dienste r Azyklische Übertragung r Entfernungen: 10-50m r Verbindungsaufbau: Sekunden r Energie sparender Betrieb nicht gefordert. 14

15 Gliederung r Einführung r Technische Anforderungen aus den Anwendungsfällen r Verfügbare Technologien Überblick Standard IEEE ZigBee Time SynchronizedMesh Protocol r Standardisierung und Herstellerpositionierung r Schlussfolgerungen und Ausblick 15

16 Spektrum der funkbasierten Kommunikationslösungen für die Automation r Mobilfunkstandards wie GSM, GPRS, and UMTS sowie drahtlose Telefone (DECT) r Lower Layer Standards (IEEE and ) als Basis funkorientierter lokaler Netzwerke (WLANs, Pico Netzwerke und Sensor/Aktor-Netzwerke), r Higher Layer Standards (Application Layers oberhalb IEEE und , z.b. Wi-Fi, Bluetooth and ZigBee), r Proprietäre Protokolle für Funktechniken wie z.b. Wireless Interface for Sensors and Actuators (WISA), r Aufkommende Funktechniken wie Ultra Wide Band (UWB) und WiMedia. 16

17 Spektrum funkbasierter lokaler Kommunikationslösungen für die Industrieautomation r Die WLAN Technologie wird zunehmend neben den höheren Architekturebenen eines Unternehmens auch im Werkstattbereich eingesetzt. r Bluetooth wurde erfolgreich in industriellen Nahbereichsanwendungen eingesetzt (also im gleichen Bereich wie WLAN). Da Bluetooth und WLAN im gleichen ISM Band arbeiten, ist besonders auf die Koexistenzprobleme zu achten. Auch wenn Konflikte aufgrund des dynamischen Sendefrequenzwechsels ( Frequency Hopping ) vermieden werden, wird doch der Durchsatz (Performance) erheblich beeinflusst. r Ultra Wideband- (UWB-) Systeme gewinnen an Bedeutung für Sensoren und lokalitätsbasierte Dienste innerhalb von Gebäuden. Die Koexistenz von WLAN- und UWB-Installationen im gleichen Ortsbereich scheint möglich zu sein. Es fehlt allerdings noch ein gemeinsamer Standard für UWB. Auch die Regulierung ist in Europa noch offen. 17

18 Spektrum funkbasierter lokaler Kommunikationslösungen für die Industrieautomation r ZigBee kann erfolgreich zur Verknüpfung der Feldgeräte, speziell in der Prozessautomation, eingesetzt werden, da diese Technologie die Anforderungen dieser Anwendungsklasse (relativ geringe Übertragungsrate) prinzipiell erfüllt. Auch die Anwendung von ZigBee für einige Anwendungsklassen der Fabrikautomation erscheint sinnvoll und machbar, setzt aber voraus, dass ZigBee bei den laufenden Standardisierungsarbeiten in der ISA SP 100 Gruppe auf ausreichende Akzeptanz stößt. Außerdem wurden die Spezifikationsarbeiten für die höheren Protokollschichten in der industriellen Kommunikation und die erforderlichen breiten Applikationstests noch nicht abgeschlossen. r Besonderes Augenmerk ist zu richten auf diejenigen Vorschläge für vermaschte Sensor/Aktor-Netzwerke, welche im Jahr 2006 in die ISA SP 100 Gruppe eingebracht wurden, für welche jedoch derzeit noch die Entscheidungen für eine Standardisierung ausstehen. 18

19 Funkbasiertes Sensor/Aktor-Netzwerk und dessen Integration in industrielle Kommunikationssysteme Funkbasiertes Sensor/Aktor- Netzwerk Wireless Sensor/Actuator Network WSN PA Sensoren/Aktoren FA Sensoren/Aktoren HART Comm. Found. Feldbus- Systeme Quelle: PNO 19

20 Aussichtsreiche Kandidaten für funkbasierte Sensor/Aktor-Netzwerke der Prozessautomation Notwendige Eigenschaften in der Prozessautomation: r Netztopologien (vermaschte Netzwerke, selbst organisierend) r Redundanzfähigkeit der Übertragungswege r Energiearmer Betrieb der überwiegenden Anzahl von Netzwerkknoten Aussichtsreiche Kandidaten: r ZigBee (ZigBee Alliance) r Time Synchronized Mesh Protocol (Dust Networks Inc.) Beide Ansätze beruhen auf dem Standard (Physical, Data Link) 20

21 Protocol Suiten für ZigBee und TSMP TSMP Protocol Suite Application Presentation Mote API Session Transport Network TSMP Data Link IEEE Physical 2,4 GHz OSI Referenzmodell Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical ZigBee Protocol Suite Zigbee Application Presentation Session Transport ZigBee Network Data Link IEEE Physical 21

22 ZigBee Topologievarianten anderesindustrielles Kommunikationssystem Baumtopologie Link Device Sterntopologie anderesindustrielles Kommunikationssystem Link Device anderesindustrielles Kommunikationssystem Netztopologie (MeshNetwork) Link Device Gerätetypen: Coordinator Router End Device 22

23 ZigBee Protokoll Network Layer r Die Netzwerkschicht organisiert den Gerätezugang zu und das Verlassen aus dem Netzwerk, Routing-Funktionen und Security- Funktionen. r Diese Funktionen sind entsprechend dem Zweck den Gerätetypen in unterschiedlichem Umfang zugeteilt, um die verschiedenen Topologievarianten unterstützen zu können. r Sterntopologie: Netzwerk durch Coordinator gesteuert. Alle anderen Geräte kommunizieren mit dem Coordinator direkt r Baum- und Netztopologie: Coordinator startet Netzwerk und teilt die erforderlichen Netzwerkparameter zu (verwaltet das Netzwerk) Router sichert Routing-Funktion 23

24 ZigBee Application Layer definiert die den Geräten zugeordneten Rollen im Netzwerk, behandelt Verbindungsanforderungen, errichtet sichere Kommunikationsbeziehungen zwischen den Geräten im Netzwerk und unterstützt das Finden von Geräten und Diensten Object 0 unterhält die Listen der Verbindungen zwischen verbundenen Geräten 24

25 ZigBee Protokoll Application Layer: Objektmodell r Darstellung der den Netzwerkgeräten zugehörenden Anwendungsfunktionen: Anwendungsobjekte (Application Objects AO): Geräteobjekte (Device Objects): generische Gerätefunktionen r Die AOs kommunizieren durch den Austausch von Clustern und Attributen. r Jedes Objekt eines ZigBee Profils kann eines oder mehrere Cluster und Attribute enthalten. r Die Übertragung von Clustern/Attributen kann erfolgen entweder direkt zum Ziel-AO (im Zielgerät) oder zu einem Coordinator, der es zu einem oder mehreren Zielobjekten weiterleitet. 25

26 TSMP Zeitsynchrone Kommunikation Time Synchronized Mesh Protocol (TSMP): r Es ermöglicht einen synchronen Betrieb der im Netzwerk enthaltenen Knoten auf Basis einer Zeitscheibenorganisation sowie die Benutzung verschiedener Kanäle zur Realisierung der Ende-zu-Ende-Verbindungen zwischen unterschiedlichen Geräten im Netzwerk r Die Synchronisation der Netzwerkknoten ( Motes ) erfolgt mittels einer Bestätigungsnachricht (ACK). Die Kommunikation zwischen Gerätepaaren erfolgt in geplanten Zeitschlitzen. Die Auffrischungsrate der Daten (Update Rate) wird durch einen Frame bestimmt, in welchen die Zeitschlitze eingebettet sind. Es werden zugewiesene (Allocated Time Slots) und nicht zugewiesene Zeitschlitze (Unallocated Time Slots) unterschieden 26

27 TSMP Zeitsynchrone Kommunikation Frame Unallocated Slot Allocated Slot Time Quelle: Dust Networks Inc. 27

28 TSMP Dynamische Funkkanalauswahl 2,4835 Die Reihenfolge der genutzten Kanäle wird durch eine pseudozufällige Folge festgelegt Sensor Paar C Funkfrequenz (GHz) Jede Frequenz/Zeit- Zelle kann eine Knoten-zu-Knoten- Kommunikation enthalten Sensor Paar B Sensor Paar D Sensor Paar E 2,4000 Zeit 28

29 TSMP - Selbstorganisation r Jeder Knoten ermittelt Informationen über die benachbarten Knoten (misst die Feldstärke, erfasst Synchronisations- und Frequenzkanalinformationen) und baut die Verbindungen mit benachbarten Knoten auf. r Dazu nutzt er die eigens für die Netzwerkkonfiguration festgelegten Zeitschlitze und Kodes. r Alle Nachrichten besitzen einen Netzwerkidentifikator, so dass verschiedene Netzwerke im gleichen Funkbereich arbeiten können. 29

30 TSMP Redundantes Routen im Netzwerk r Jeder Knoten besitzt seine eigene Nachbarschaftsliste, die er bei erkannter Fehlfunktion von Nachbarknoten aktualisiert. r Alle Knoten verfügen im Gegensatz zu ZigBee über die komplette Routingfunktion. Das ist die Basis für eine selbst organisierende und redundante Nachrichtenübertragung im vermaschten Netzwerk. 30

31 TSMP Sichere Nachrichtenübertragung Zur Anwendung kommen Mechanismen zur r Verschlüsselung (128 Bit symmetrischer Schlüssel) MAC Layer r Authentifizierung (32 Bit Message Integrity Code MIC für die Quelladressen) Network Layer r Integrität (32 Bit MIC für die Nachrichteninhalte) r zusätzlich unterstützt durch die Eigenschaften des Frequenzhoppings. Network Layer 31

32 Gliederung r Einführung r Technische Anforderungen aus den Anwendungsfällen r Verfügbare Technologien r Standardisierung und Herstellerpositionierung r Schlussfolgerungen und Ausblick 32

33 Standardisierung funkbasierter Sensor/Aktor-Netzwerke Standardisierungsgremien: r ISA SP 100 (SP Low power WSN ), in der alle wesentlichen Unternehmen aktiv mitarbeiten. Einreichung von Vorschlägen im Jahr 2006 Die eingereichten Vorschläge wurden teilweise von Nutzergruppen unterstützt, z.b. durch die HART Foundation HCF und die ZigBee Alliance. Reelle Chance im Auswahlprozess: ZigBee, TSMP (in einer noch weiter zu entwickelnden Version) und ein Vorschlag von Honeywell. Eine Entscheidung zur Fokussierung der Spezifikationsarbeiten auf einen dieser Vorschläge ist noch nicht gefallen. r IEC, TC 65, zeitverschoben 33

34 Herstellerpositionierung I r Lösung von Dust Networks auf Basis des TSMP: innerhalb der HCF diskutiert und von Emerson zur bevorzugten Lösung erklärt Multivendor- Applikation auf der ISA Show 2006 in Houston: 12 Unternehmen Dust Networks hat Patente kostenfrei an die HCF abgetreten. Herr Winkel (IEC, TC 65) hat das für PROFIBUS International angefragt. Dust Networks soll bereit sein, das gleichermaßen für PI zu tun. 34

35 Herstellerpositionierung II PROFIBUS International: r Interesse an einer einheitlichen funktechnischen Lösung für die Sensor/Aktor-Netzwerke sowohl für die Prozessautomation als auch für große Teile der Fertigungsautomation r Ad hoc Arbeitskreis im Qu.4/2006: TSMP (Dust) wurde nicht systematisch untersucht, die prinzipielle Eignung von TSMP für die Prozessautomation wurde jedoch festgestellt, Der Ad hoc Arbeitskreis forderte aber auch erhebliche Erweiterungen, die im Rahmen der Arbeit der ISA SP 100 Gruppe entwickelt werden müssen. TSMP Lösung ist sehr weit von 10ms Latency entfernt. Die PNO-Mitglieder wurden zu einer aktiven Unterstützung der ISA SP 100 Arbeiten aufgerufen. r Die WG 12 ( Wireless Sensor/Actuator Networks ) im PNO-TC2 (eine neu eingerichtete reguläre WG) hat am 22. Februar 2007 ihre Arbeit aufgenommen. Leitung: Dr. Weiler. Nächste Sitzungen: in Fulda,

36 Herstellerpositionierung III ZigBee r ist in diversen Beispielapplikationen eingesetzt worden, die aber vorzugsweise im Bereich der Gebäudeautomation liegen. r ZigBee wird derzeit in einigen Forschungsprojekten eingehend auf die Eignung im Bereich der Industrieautomation untersucht (siehe z.b. europäisches IP VAN ) r Weiterentwicklungen betreffen: ZigBee Ver.2 (neues Adressierungsschema, Setup, gezielte Broadcasts, Gerätegruppierung); ZigBee Pro (Frequency hopping, Verbesserung der Security); Industrial Monitoring Profile Spezifikation r Eine breite Anwendung im Bereich der Industrieautomation setzt voraus, dass eine Lösung für ein Verhalten entsprechend des FHSS gefunden und die Anwendungsprofile für die Industrieautomation festgelegt werden. r Außerdem ist eine ausreichende Akzeptanz innerhalb der Arbeiten der ISA SP 100 notwendig. 36

37 Gliederung r Einführung r Technische Anforderungen aus den Anwendungsfällen r Verfügbare Technologien r Standardisierung und Herstellerpositionierung r Schlussfolgerungen und Ausblick 37

38 Schlussfolgerungen und Ausblick r Viele laufende Aktivitäten auf dem Gebiet der funktechnischen Sensor/Aktor-Systeme (Wireless Sensor/Actuator NetworksWSN) mit breitem Anwendungsspektrum r Derzeit läuft Auswahlprozess der konkurrierenden Lösungsansätze durch die ISA SP 100. r Wichtig: Koexistenzverhalten, d.h. die Fähigkeit zur Adaption der genutzten Frequenzen/Funkkanäle an die Einsatzgegebenheiten. Da die Zeit-Frequenz-Kapazität eines funktechnischen Bereiches begrenzt ist, kann man dann vor Performanzproblemen stehen. Das wiederum erfordert zusätzliche planerische Aktivitäten und somit Engineering- Lösungen für die funktechnische Auslegung eines Automatisierungsprojektes. Siehe Aktivitäten des ZVEI: Einrichtung eines Koexistenzmesslabor am ifak Magdeburg im Jahr Erste Ergebnisse liegen vor. 38

39 Schlussfolgerungen und Ausblick r Des Weiteren ist die Integrationsfähigkeit der WSN in übergeordnete Kommunikations- und Engineeringsysteme von Interesse. r Neben den Integrationslösungen in leitungsgebundene industrielle Kommunikationssysteme ist auch eine funktechnische Backup-Verbindung für Applikationen, die den IP Protocol Stack benutzen, sinnvoll. In dieser Richtung laufen diverse Aktivitäten in der IETF, um ein IPv6 over IEEE zu standardisieren. r Siehe auch: SP High bandwidth wireless infrastructures / backbones 39

40 Notwendige Aktivitäten r Safety und Security r Hierarchiebildung für funkbasierte industrielle Kommunikationssysteme Dabei: Koexistenz- Sicherung r Lösungen für hohe Echtzeitanforderungen r Lokalitätsermittlung mobiler Knoten r Hohe Komplexität eines funkbasierten Netzwerkes, r Die Allianzen sollten langfristig die Reservierung eines eigenen Frequenzbandes für die Automatisierungstechnik durchsetzen. 40