Industrie-PC Schnittstellen

Dipl. Ing. (FH) Mark Schetter, 26.04.2017

Die Vernetzung in der Industrie schreitet zusehend voran. Um die unterschiedlichen IT-Systeme miteinander zu verbinden, müssen Industrie-PCs geeignete Schnittstellen zur Anbindung an die vorhandene IT-Infrastruktur aufweisen. Oft werden Industrie-PCs in spezieller Arbeitsumgebung eingesetzt und können z. B. extremen Temperaturen, Vibrationen oder Feuchtigkeit ausgesetzt sein. Die Schnittstellen von Industrie-PCs müssen nicht nur leistungsfähig und flexibel sein, sondern auch unter diesen Extremsituationen langfristig und zuverlässig funktionieren.
Die folgende Übersicht zeigt die gängigsten Industrie-PC Schnittstellen und geht auf Vor- und Nachteile, beziehungsweise auf deren Einsätze ein.

Kabelgebundene Industrie-PC Schnittstellen

1. Serielle Schnittstellen - Die RS-232-Schnittstelle

Der meistverbreitete Standard für serielle Buchsen und Stecker heißt RS-232. Bei dieser aus dem Jahre 1962 stammenden Schnittstelle erfolgt die Übertragung der Datenpakete nacheinander, also seriell, über eine einzige Datenleitung. 
Klassische Endgeräte, die an einer seriellen Schnittstelle angeschlossen werden können, sind z. B. Maus, Modem, Router, Switches, Speichersysteme oder POS-Terminals. 
Gerade in Einsatzgebieten, bei denen Industrie-PCs starken Vibrationen ausgesetzt sind, bieten serielle Schnittstellen, wie die RS-232 Vorteile. Oft sind die Endgeräte mit der Schnittstelle fest verschraubt. So kann einem Abbruch der Datenübertragen vorgebeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Ansteuerung und Programmierbarkeit. Jede Programmiersprache hat die dafür notwendigen Befehle und Bibliotheken bereits integriert. So muss man nur den gewünschten Kommunikationsport öffnen und die Daten hineinschreiben oder daraus lesen. Die Steuerung der Datenübertragung übernimmt der Treiber des Betriebssystems. 
Mit zunehmender Übertragungsrate und Kabellängen nimmt die Signalqualität bei seriellen Schnittstellen allerdings ab.

2. USB to seriell

Mit der Einführung der USB-Schnittstelle verlor die serielle Schnittstelle an Bedeutung. Bei manchen Anwendungen ist es aber erforderlich ältere Endgeräte in modernere Systeme zu integrieren. Mit Hilfe eines USB to seriell Adapters können Geräte mit serieller Schnittstelle an einen USB-Port angeschlossen werden. Der Adapter wird vom Betriebssystem wie jede andere serielle Schnittstelle behandelt und ist zu den meisten Geräten und Anwendungen kompatibel. Nachteile dieser Schnittstellenkonfiguration sind u.a. eine langsamere Datenübertragung. Darüber hinaus sind die vom Adapter zur Verfügung gestellten Spannungen geringer als die einer normalen seriellen Schnittstelle. Unter Umständen kann dadurch die Stromversorgung der angeschlossenen Geräte nicht gewährleistet werden. 

3. USB-Schnittstellen

Die USB Schnittstelle (Universal Serial Bus) ist eine universelle und kabelgebundene Schnittstelle. Externe Geräte wie z. B. Maus, Tastatur oder Datenlogger werden über die Kabelverbindung mit Strom versorgt.

Die Vorteile von USB:

  • Geräte können im laufenden Betrieb angeschlossen werden und
  • die Installation der Geräte ist ohne technisches Wissen möglich.

Nachteile von USB-Schnittstellen: 

  • Zu lange Kabelverbindungen erhöhen die Fehlerquote bei der Datenübertragung
  • USB-Schnittstellen werden nicht festgeschraubt und können so leichter herausgezogen werden.
  • Jedes mit einem Speicher ausgestattete USB-Gerät ist ein potentielles Einfallstor für Schadsoftware, wie Viren, Würmer und Trojaner.
  • für USB-Geräte müssen Treiber zur Verfügung stehen

4. LAN - lokale Netzwerke mit schneller Datenübertragung

Die Abkürzung LAN steht für Local Area Network. Es handelt sich also um ein lokal begrenztes Netzwerk. Der Datenaustausch erfolgt sternförmig per Ethernet-Kabel über eine Basisstation (Switch) zu den einzelnen Geräten. Der Switch agiert als eine Art Weiche oder Datenverteiler, über den die Datenpakete an die einzelnen Geräte geleitet werden. Je nach Anzahl der Anschlussmöglichkeiten (Ports) können so z. B. mehrere Industrie-PCs miteinander, mit anderen Geräten oder mit dem Internet verbunden werden. Da der Switch das Herz des LANs darstellt, ist er auch gleichzeitig eine Schwachstelle und es sollten Backups eingeplant werden.
Bei entsprechender Kabelqualität bieten LANs die Möglichkeit einer sehr schnellen Datenübertragung im Gigabit-Bereich. Mit zunehmender Kabellänge verringert sich allerdings die Datenübertragungsgeschwindigkeit. Die Reichweite ist dabei auf ca. 500 Meter beschränkt.

5. Power over Ethernet (PoE) - Stromversorgung über das Netzwerk

Nahezu jedes Endgerät in einem Local Area Network ist auf eine externe Stromversorgung angewiesen. Durch die Entwicklung von PoE-Schnittstellen ist die Spannungsversorgung von Peripheriegeräten über das Datennetz möglich geworden. Die Nutzung zusätzlicher Netzteile, Stromversorgungskabel oder die Verlegung von Steckdosen kann in vielen Fällen entfallen. Mit PoE können Strecken bis zu 100 m überbrückt werden, durch den Einsatz von PoE-Pass-Through-Switches sogar bis zu 200 m.
In der Industrie bietet PoE vor allem an schwer zugänglichen Stellen große Vorteile und ermöglicht den flexibleren Einsatz von Industrie-PCs und Peripheriegeräten, wie z. B. Access Points, Prozesskameras, intelligente Netzknoten oder vermehrt auch Sensoren.
Im Falle eines Cyberangriffs bietet das PoE den Vorteil, dass Geräte, Steuerungen oder sogar einzelne Netzwerkbereiche durch das Abschalten der Stromversorgung vom Netz genommen werden können. Ein Sicherheitsaspekt der in der vernetzten Industrie 4.0 immer wichtiger wird.
Die Schwachstelle von PoE liegt im Verkabelungssystem. Um die Betriebssicherheit des Netzwerkes während der gesamten Nutzungsdauer zu gewährleisten, sollte besonders auf die Qualität und Art der Verkabelung und auf die Steckverbindungen geachtet werden.

Drahtlose Industrie PC Schnittstellen - WLAN, Bluetooth & Co

1. WLAN - Kabellose Netzwerke

Kabellose lokale Netzwerke, auch WLAN (Wireless Local Area Network) genannt, können genutzt werden, um Geräte per Funk miteinander oder mit dem Internet zu verbinden. 
Die Datenpakete werden wie beim LAN sternförmig von einer Basisstation (Router) zum jeweiligen Endgerät, z.B. vom Server zum Client gesendet. 
Die Funkübertragung erfolgt z. B. mit Hilfe von Stabantennen mit einer omnidirektionalen Abstrahlcharakteristik. Die Reichweiten sind abhängig von den Eigenschaften der Antennen. Je größer die Entfernung zwischen Sender und Empfänger ist, desto geringer wird die Datenübertragungsrate. Es können Reichweiten bis zu 30 Kilometer erreicht werden. 
WLAN bietet die Möglichkeit, Geräte kabellos und damit flexibel und ortsunabhängig einzusetzen. Der Nachteil liegt in der Absicherung. Das Risiko, dass sich Unbefugte einen Zugang zum Router oder direkt zu einzelnen Geräte verschaffen können, ist größer als bei kabelgebundenen Geräten.

2. Bluetooth Standard - drahtlose Datenübertragung im Nahbereich

Neben dem klassischen WLAN gibt es Funktechnologien, wie z. B. Bluetooth für die drahtlose Datenübertragung im Nahbereich. Mit Hilfe von Bluetooth können Industrie-PCs, Zusatzgeräte oder mobile Endgeräte hierarchisch miteinander verbunden werden. Bluetooth kann bei Entfernungen von bis zu 10 Metern eingesetzt werden. Durch den Einsatz von Verstärkern kann die Reichweite auf ca. 100 Meter erhöht werden. 
Die Nachteile der Bluetooth-Technologie liegen hauptsächlich in der geringen Reichweite und bei der fehlenden Energieversorgung der einzelnen Geräte. 
Da Bluetooth hauptsächlich mit batteriebetriebenen Geräten arbeitet, wurden verschiedene Betriebsarten konzipiert, um die Nutzungsdauer der einzelnen Geräte durch Energieeinsparung zu erhöhen. Prinzipiell befindet sich der Empfänger im Ruhezustand und arbeitet nur, wenn er vom Sender aktiviert wird. 
Man unterscheidet zwischen folgenden Betriebs-Modi:

  • Hold-Mode: Der Empfänger befindet sich im Wartemodus.
  • Park-Mode: Der Empfänger synchronisiert sich mit dem Sender.
  • Active-Mode: Der Empfänger wird über Datenpakete vom Sender aktiviert.
  • Sniff-Mode: Der Empfänger wird nur aktiviert, wenn eine eindeutig definierte Übertragungstätigkeit gefordert wird.

3. Bluetooth Low Energy

Das auch als Bluetooth Smart oder Bluetooth Smart Ready bekannte Übertragungsverfahren Bluetooth Low Energy (BLE) zeichnet sich durch einen deutlich geringeren Stromverbrauch als das klassische Bluetooth aus. Dies wurde z. B. durch schnelleren Verbindungsaufbau und schnellere Datenübertragung realisiert. Bei der Datenübertragung mit BLE verbraucht der Sender maximal 10 mA im Active-Mode. Die Übertragungsreichweite liegt wie bei Bluetooth-Standard bei etwa 10 Metern. Mit der Integration von IPv6 soll die Funktechnik auch eine wichtigere Rolle im Zeitalter der Industrie 4.0 (Internet of Things) spielen. Auch im Bereich der Sensorik ist dieses Verfahren der kabellosen Datenübertragung interessant.

4. ZigBee - für wartungsarme Einsätze mit kleinen Datenmengen

ZigBee ist wie Bluetooth eine Funktechnik und wurde hauptsächlich für die Übertragung von kleinen Datenmengen entwickelt. Im Gegensatz zu Bluetooth ist die Geschwindigkeit der Datenübertragung höher und damit auch der Stromverbrauch geringer. ZigBee wird häufig in batteriebetriebenen Geräten, wie z. B. Sensoren eingesetzt, die zum Teil jahrelang wartungsfrei und ohne Batteriewechsel funktionieren müssen. 
ZigBee unterscheidet zwischen zwei Betriebsarten: den Beacon-Betrieb und den Non-Beacon-Betrieb. Im Beacon-Betrieb werden die Netzkomponenten regelmäßig abgefragt, während sie im Non-Beacon-Betrieb nur bei bestimmten Aktionen miteinander kommunizieren. 
Die Reichweite von ZigBee liegt zwischen 10-75 Metern. Allerdings muss der Frequenzbereich mit dem WLAN geteilt werden, was zu Interferenzen führen kann. Auch die Mikrowelle nutzt diesen Frequenzbereich (Resonanzbereich für Wassermoleküle). Daher ist ZigBee in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, wie z. B. Kühlhäuser oder Lebensmittelumgebungen weniger geeignet.

5. Wireless Mesh-Netzwerke und Datenlogger

Mesh-Netzwerke sind sinnvoll für die Abdeckung größerer Flächen. Die Datenübertragung bei Meshing erfolgt via Peer-to-Peer oder im Ad-Hoc-Modus, d.h. die einzelnen Netzknoten tauschen Daten direkt miteinander aus und sind Sender, Empfänger oder Verteiler in einem. Die Richtung und die Route der Datenübertragung wird dynamisch je nach Verfügbarkeit der Knoten und der Verbindungsqualität mit Hilfe einer Routing-Software berechnet. Um höhere Distanzen zu erreichen und ein stabiles Netz abdecken zu können, müssen allerdings genügend Knotenpunkte vorhanden sein. 
Ein Einsatzbeispiel für Mesh-Netzwerke ist z. B. die Nutzung von Datenloggern als Verteiler (Repeater). Jeder Datenlogger kann so Daten nicht nur empfangen, sondern auch an andere Datenlogger senden oder weiterleiten.

Vorteile von Meshing:

  • Gute räumliche Netzabdeckung kann bei dichter Platzierung von ausreichend Knotenpunkten erreicht werden. 
  • Hohe Zuverlässigkeit: fällt ein Knoten aus, übernimmt ein anderer seine Aufgabe.
  • Ressourceneinsparung: Jeder Knoten ist zugleich Sender, Empfänger und Verteiler.

Nachteile von Meshing:

  • Softwareanfordungen: die nötige Software muss extra installiert werden.
  • Wartungsaufwand: Die Infrastruktur muss bei allen Knotenpunkten auf dem gleichen Stand sein, z. B. bei Software-Updates.

Grenzschnittstellen

ptische Schnittstellen - Lichtwellenleiter (h3)
Optische Schnittstellen zeichnen sich durch extrem hohe Übertragungsraten und sehr große Reichweiten aus. Daten können mit einer Geschwindigkeit von bis zu mehreren Milliarden Bit/s über einer Distanz von mehreren hundert Kilometern übertragen werden. Optische Schnittstellen werden häufig in der Nachrichtentechnik oder Messtechnik verwendet. Dabei funktionieren sie ähnlich wie LANs über Kabelverbindungen. 
Vorteile sind u.a. :

  • keine Signaleinstreuung
  • keine Beeinflussung durch elektromagnetische Störfelder
  • keine Erdung und galvanische Trennung notwendig
  • hohe Abhörsicherheit
  • keine Störung des Signals durch Feuchtigkeit

Nachteile sind:

  • empfindlich gegenüber mechanischer Belastung
  • Einschränkungen bei der Verlegung, da keine starken Krümmungen möglich sind.
  • Power over Ethernet ist nicht möglich

Induktive Schnittstellen

Die wesentliche Eigenschaft bei der induktiven Übertragung von Daten besteht darin, dass die Signale mit Hilfe elektromagnetischer Induktion zwischen den Geräten kontaktlos und seriell übertragen werden. Dabei wird auch die benötigte Energie für die an der Kommunikation beteiligten Geräte bereitgestellt. 
Vorteilhaft sind z. B. geringe Verschleißerscheinungen an den Kontaktpunkten durch Reibung. 
Im industriellen Umfeld sind induktive Schnittstellen z.B. dann vorteilhaft, wenn IT-Geräte in speziellen Materialien hermetisch eingeschlossen sein müssen, weil sie aggressiven Flüssigkeiten oder Gasen ausgesetzt sind.

Fazit:

Je nach Einsatzort und gestellten Anforderungen gibt es eine Vielzahl an Schnittstellen, um Industrie-PCs mit Peripheriegeräten zu verbinden oder in Netzwerken zusammenzuschließen. 
Im Zeitalter von IoT (Internet of Things) wird die drahtlose Datenübertragung im Hinblick auf die ortsunabhängige Vernetzung der einzelnen Komponenten eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Dabei muss das Thema Datensicherheit beachtet werden und auch bei größeren Reichweite für eine verbesserte Übertragungsqualität und -geschwindigkeit gesorgt werden. Auch der Energieverbrauch der einzelnen Geräte wird kontinuierlich verringert, um eine längere Anwendungsdauer zu erreichen. 
Auch kabelgebundene Schnittstellen finden in vielen industriellen Bereichen nach wie vor Anwendung. Hier bieten verschiedene Schnittstellen die Möglichkeit besonders hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten und Reichweiten zu erreichen. Besonders interessant ist dabei, dass die Energieversorgung der Geräte über die Datenleitungen erfolgen kann.

 

Quellen:
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/0312021.htm 
https://de.wikipedia.org/wiki/RS-232
http://www.computerbild.de/fotos/Die-wichtigsten-Notebook-Schnittstellen-im-ueberblick-2404508.html#5
https://www.windowspro.de/news/netgear-tipps-fuer-power-over-ethernet/03312.html
http://www.elektroniknet.de/e-mechanik-passive/wie-sieht-das-industrial-ethernet-von-morgen-aus-131825.html 
http://www.itwissen.info/BLE-Bluetooth-low-energy-Bluetooth-Low-Energy.html
https://wiki.freifunk.net/Meshing
https://de.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_Low_Energy