Industrial Networking Der Einsatz von Bluetooth in industriellen Anwendungen

Autor / Redakteur: Roland Liebelt * / Gerd Kucera

Bluetooth ist international einsetzbar und setzt im Gegensatz zu einem WLAN-System keine Kanalplanung voraus. Und es sprechen noch mehr Vorteile für den Industrieeinsatz, wie der Artikel erläutert.

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Bild 1: Bluetooth im industriellen Einsatz funktioniert zuverlässig auf Distanzen bis etwa 200 m.
Bild 1: Bluetooth im industriellen Einsatz funktioniert zuverlässig auf Distanzen bis etwa 200 m.
(Bild: Phoenix Contact)

Für die Freisprecheinrichtung im PKW reicht Bluetooth aus. Doch wie sieht es mit der Zuverlässigkeit aus, wenn Not-Halt-Taster über das Funkprotokoll in das Automatisierungsnetzwerk eingebunden werden sollen? Und welche Rolle spielen die aktuellen Bluetooth-Low-Energy-Standards in diesem Zusammenhang? Bei der Beantwortung derartiger Fragen soll nicht außer Acht gelassen werden, dass Bluetooth insbesondere bei der Kommunikation mit Sensoren und smarten Maschinen zahlreiche neue Möglichkeiten eröffnet (Bild 1).

Viele Menschen nutzen Bluetooth als einfaches Funksystem zur Datenübertragung auf kurze Distanzen – beispielsweise mit dem Smartphone. Der Standard bietet allerdings deutlich mehr, und das gerade in industriellen Applikationen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Dazu tragen verschiedene Maßnahmen bei, die bereits seit vielen Jahren elementarer Bestandteil der Bluetooth-Technologie sind.

So verwendet das Funksystem als sogenanntes Frequency-Hopping-Verfahren für jedes Datenpaket einen anderen der 40 respektive 79 Funkkanäle, sodass sich Störungen nur minimal auswirken können. Werden einige der Kanäle als nicht nutzbar erkannt, weil sie beispielsweise von anderen Funksystemen belegt sind, lässt die Übertragung sie in Zukunft einfach aus. Auf diese Weise sendet ein Bluetooth-System nach kurzer Zeit lediglich auf den Frequenzen, die in der jeweiligen Umgebung einsetzbar sind – und das ohne Konfigurationsaufwand und Störung weiterer in diesem Bereich funkender Systeme. Aufgrund von redundanten Datencodierungen lassen sich Übertragungsfehler zudem direkt korrigieren, wobei das Datenpaket nicht erneut verschickt werden muss. Deshalb erweist sich Bluetooth auch für industrielle Anwendungen schon seit geraumer Zeit als gute Wahl (Bild 2).

Parallel-Betrieb von Bluetooth und anderer Funksysteme

Ein hartnäckiges Vorurteil stellt hingegen die kurze Reichweite dar. Diese ist jedoch keinesfalls auf wenige Meter begrenzt, denn reduzierte Sendeleistungen sind häufig dem geringen Energiebedarf in batteriebetriebenen Geräten geschuldet. Mit industriellen Komponenten und der passenden Antennentechnik lassen sich durchaus Funkverbindungen über eine Distanz von mehr als 1000 m realisieren. Praktisch eignet sich Bluetooth in industriellen Applikationen zur Überbrückung von Reichweiten bis etwa 200 m.

Eine generelle Stärke von Bluetooth liegt in der guten Koexistenz mit anderen Funksystemen. Durch den ständigen schnellen Wechsel zwischen den Funkkanälen erscheint das Bluetooth-System für die weiteren Wireless-Teilnehmer weniger als Funksystem, sondern als geringes Hintergrundrauschen. Erst wenn andere Bluetooth-Systeme die Reihenfolge der verwendeten Funkkanäle kennen, kann überhaupt eine Kommunikation zustande kommen. Daher lassen sich sehr viele Bluetooth-Systems parallel zueinander betreiben, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen. Darüber hinaus: Weder WLAN noch weitere schmalbandige Funksysteme werden von Bluetooth beeinträchtigt oder wirken sich umgekehrt negativ auf das Bluetooth-System aus.

Für Maschinenbauer entpuppt sich als besonders interessant, dass Bluetooth international einsetzbar ist und im Gegensatz zu einem WLAN-System keine Kanalplanung benötigt. Eine in Deutschland gebaute Maschine mit Bluetooth-Kommunikation funktioniert überall auf der Welt in gleicher Weise, ohne die Nutzung des Frequenzbands am neuen Aufstellungsort betrachten zu müssen. Angesichts der immer stärkeren Verwendung der Funkkanäle auch im industriellen Umfeld spielt das Thema „Koexistenz von Funksystemen“ eine stetig größere Rolle.

Klassische Umsetzung zeitkritischer Übertragungen

Bild 2: Aufgrund des Frequenz-Hopping-Verfahrens sendet 
das Bluetooth-System nur auf den Frequenzen, die in der jeweiligen 
Umgebung einsetzbar sind.
Bild 2: Aufgrund des Frequenz-Hopping-Verfahrens sendet 
das Bluetooth-System nur auf den Frequenzen, die in der jeweiligen 
Umgebung einsetzbar sind.
(Bild: Phoenix Contact)

Die einzelnen Bluetooth-Standards werden in Form von Zahlen benannt, also 1.2 oder 2.1. Mit jeder neuen Versionsnummer wurden Erweiterungen definiert, die für die verschiedenen Anwendungen mehr oder weniger hilfreich sind. Dabei wird schnell übersehen, dass der Sprung auf die Revision 4 nicht nur mit einigen neuen Funktionen einhergeht. Vielmehr handelt es sich um eine grundsätzlich andere Technologie, die nicht kompatibel zu den Vorgängerversionen ist.

Ab der Version 4 erhält Bluetooth den Zusatz „Low Energy“. Zur Unterscheidung wird die vorherige Technik rückblickend als „Classic Bluetooth“ bezeichnet. Classic Bluetooth ist allerdings mehr als Nostalgie: Selbst die aktuellen Bluetooth-Low-Energy-Versionen erreichen bestenfalls den Datendurchsatz und die Zuverlässigkeit der letzten relevanten Classic-Bluetooth-Version 2.1, übertreffen beide jedoch nicht. Deshalb werden Audio- und weitere zeitkritische Übertragungen noch immer „klassisch“ umgesetzt (Bild 3).

Bild 3: Bei der Bluetooth-Version 4 handelt es sich um eine grundsätzlich andere Technologie, die nicht kompatibel zu den Vorgängerversionen ist.
Bild 3: Bei der Bluetooth-Version 4 handelt es sich um eine grundsätzlich andere Technologie, die nicht kompatibel zu den Vorgängerversionen ist.
(Bild: Phoenix Contact)

Als entscheidend für die möglichen Anwendungsbereiche erweisen sich die sogenannten Profile. Unter einem Profil ist eine Protokoll-Definition zu verstehen, in der Software-Schnittstellen für bestimmte Applikationen beschrieben werden. Im industriellen Umfeld gibt es zum Beispiel das SPP-Profil (Serial Port Profile), mit dem sich serielle Kommunikation via Bluetooth weiterleiten lässt.

Als besonders interessant zeigt sich das PAN-Profil (Personal Area Network), das die transparente Übertragung von Ethernet ermöglicht – sozusagen als drahtloses Netzwerkkabel. Die Technik hat sich seit vielen Jahren bewährt und eignet sich ebenfalls für industrielle Protokolle wie Modbus TCP, Profinet RT oder Profisafe. Für diese Classic-Bluetooth-Profile findet sich bislang keine Alternative im Bluetooth-Low-Energy-Standard, weshalb sie auch in aktuellen Geräten auf dem Classic-Bluetooth-Standard 2.1 basieren.

Aktive Zusendung geänderter Daten

Als wirklich neu ist mit Bluetooth Low Energy das Generic-Attribute-Profil (GATT) eingeführt worden. Ein GATT-Server stellt Daten in einer Art Datenbankstruktur bereit, die ein GATT-Client abfragen oder sich bei einer Änderung zuschicken lassen kann. Das klingt komplizierter als es ist: Als GATT-Server dient beispielsweise ein Sensor, der Werte wie Temperatur, Druck oder Vibrationen erfasst. Das Messergebnis des Sensors und die Art und Weise, wie mit diesem Wert umzugehen ist, werden in seiner Datenstruktur abgelegt. Der GATT-Client, etwa eine Smartphone-App, kann sich so mit dem Sensor verbinden und gezielt den Druckwert aus dessen Datenstruktur abrufen (Read-Funktion).

Bild 4: Mit dem neuen GATT-Profil lassen sich Sensordaten abfragen.
Bild 4: Mit dem neuen GATT-Profil lassen sich Sensordaten abfragen.
(Bild: Phoenix Contact)

Alternativ ist es möglich, dass sich die App jede Änderung aktiv vom Sensor zusenden lässt (Notification-Funktion). Im Gegenzug können Aktoren ebenfalls als GATT- Server angekoppelt und von einer Applikation beschrieben werden (Write-Funktion). Das erlaubt zum Beispiel das Ein- und Ausschalten einer Warnleuchte oder Öffnen eines Schlosses – je nachdem, welche Funktionen das Endgerät physikalisch sowie in der GATT-Datenstruktur anbietet (Bild 4).

An dieser Stelle kommt der Low-Energy-Aspekt zum Tragen. Häufig müssen Sensoren autark arbeiten. Dort, wo der Druck oder die Temperatur aufgenommen werden soll, steht meist keine Spannungsversorgung zur Verfügung. Daher wird der Sensor von einer Batterie gespeist. Die Datenübertragung per Funk ist deswegen für den Energieverbrauch des Sensors und damit dessen Einsatzdauer von entscheidender Bedeutung. Genau auf diesen Aspekt, nämlich geringer Energiebedarf, wurde Bluetooth Low Energy optimiert. So lassen sich Sensoren herstellen, die über Jahre oder bis zur nächsten turnusmäßigen Wartung autonom betrieben werden können.

Mesh-basierte Vergrößerung der Reichweite

Der Bluetooth-Standard wird kontinuierlich weiterentwickelt und um neue Möglichkeiten ergänzt. Als besonders interessant erweist sich die Einführung von Bluetooth Mesh. Bei der Technologie fungiert jedes Gerät für sämtliche anderen Geräte als Relaisstation, sodass sich deren Funkreichweite vergrößert. Daraus ergibt sich vor allem bei nachträglichen Installationen in der Gebäudeautomation ein großer Vorteil.

Ein weiteres Zukunftsthema stellt die Positionserkennung dar. Mit dem Standard 5.1 wird die Entfernungsmessung auf Basis der Signalstärke um die Erkennung der Richtung erweitert. Der Winkel zwischen Sendern und einem Empfänger lässt sich über kleinste Antennenarrays bestimmen. Auf diese Weise können Indoor-Navigationssysteme oder das Auffinden von Gegenständen erheblich präziser realisiert werden. Erste industrielle Chipsätze mit den neuen Funktionen sind bereits auf dem Markt erhältlich.

Zentrales Element des industriellen IoT

Die industriellen Nutzungsmöglichkeiten von Bluetooth werden oft unterschätzt. In der Technologie ist bereits der Grundstein für effiziente und zuverlässige Funkverbindungen gelegt. Die Bedeutung der guten Koexistenz-Eigenschaften spielt bei der immer intensiveren Verwendung von industriellen Funksystemen zunehmend eine Rolle. Mit dem GATT-Profil ist der Bluetooth-Low-Energy-Standard heute wie auch in absehbarer Zukunft die erste Wahl für die drahtlose Anbindung von Sensoren und einfachen Aktoren und bildet somit ein zentrales Element von Industrie 4.0 und dem Industrial Internet of Things (IIoT). Schließlich zeigen die fortlaufenden Weiterentwicklungen und die hohe Verbreitung, dass der Bluetooth-Standard noch vieles beabsichtigt. Es lohnt sich auf jeden Fall, diese Technologie für Industrieanwendungen im Blick zu behalten.

Stete Erweiterung des Funkgeräte-Portfolios

Bild 5: 
Der FL BLE 1300 leitet die Sensordaten an die PLCnext-Steuerung weiter.
Bild 5: 
Der FL BLE 1300 leitet die Sensordaten an die PLCnext-Steuerung weiter.
(Bild: Phoenix Contact)

Bereits seit 2006 bietet Phoenix Contact industrielle Funkprodukte auf der Grundlage von Bluetooth an. Die aktuelle Produktfamilie FL EPA 2 ermöglicht beispielsweise die transparente Übertragung von Ethernet- basierten Protokollen wie Profinet RT, Profisafe oder Modbus TCP. So kann die Kommunikation zu beweglichen, auf Maschinen, Kranen oder Fahrzeugen installierten Teilnehmern einfach, verschleißfrei und zuverlässig realisiert werden.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 23/2020 (Download PDF)

Derzeit wird das Produktportfolio um ein kompaktes Funkmodul erweitert, das Bluetooth 5 unterstützt. Auf diese Weise lassen sich Sensoren und andere Geräte im Bluetooth-Low-Energy-Standard per GATT-Profil mit Steuerungen und weiteren Netzwerkteilnehmern verbinden. Das neue Gerät FL BLE 1300 verfügt über ein industrielles Gehäuse in Schutzart IP65, eine integrierte Antenne sowie ein High-Power-Funkmodul zur zuverlässigen Ankopplung von industriellen IoT-Komponenten (Bild 5).

* Roland Liebelt ist Poduktmanager für Wireless Ethernet bei Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont.

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