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„„Luft“Luft“ Das dickste Kabel der Welt Das dickste Kabel der Welt

Wireless vom Sensor(Aktor) zur ERP-AnwendungWireless vom Sensor(Aktor) zur ERP-Anwendung„Wissen Alle was Sie tun?“„Wissen Alle was Sie tun?“

ÜberblickÜberblick §>WU<§ Was wird eine große informationstechnische

Herausforderung der nächsten Jahre?

Wilhelm Uhlenbergwu@sv-uhlenberg.de

RFID

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Agenda, Labyrinth

Ablauftechnisches, Fahrplan Einführung ins Thema

Motivation. Aspekte. Ausprägungen, Neuralgische Zonen

Problembewusstsein Beispiele im industriellen Umfeld Problemzonen Fazit, Anregungen, Fragen und Quellenverweise §>WU<§

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Was bestimmt die Vorstellung?

Ein Hut, ein Spazierstock, ein paar riesige, ausgelatschte Schuhe und ein künstlicher Schnurrbart - mehr als diese Requisiten braucht man nicht. Jeder weiß, wer gemeint ist: Charlie Chaplin (1889-1977) als Kunstfigur des Tramps. Eine Vorstellung entsteht EM-Wellen, Strahlung können Menschen nur im akustischen und optischen Bereich detektieren (weniger als 1‰ des gesamten Spektrums)

Deshalb ist die Einschätzung des Machbaren, Notwendigen und Erträglichen nur mit glaubhaften „Übersetzern“ (Messgeräte oder Sachverständige, Erfahrungen anderer) möglich.

Manchmal haben Funkwellen auch eine religiöse Komponente

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Drahtlos oder Ziellos?

Erster Knallfunksender (Morseübertragung) um 1899 über den Ärmelkanal Italiener Marconi (1909 NP) Gleich der erste große Nachteil führte nach 1920

zum Verbot dieser Sender: Störung anderer Empfänger durch „Breitband-Gewitter“

Durch Frequenzbandaufteilung und Bandbreitenbegrenzung sowie Modulationsverfahren wurde die Kooperation im gemeinsamen Ausbreitungsmedium „Luft“ festgelegt.Löschfunksender von 1906 (Telefunken)

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Aspekte der thematischen Beleuchtung

Funktechnisch (Begriffe, Grundlagen)

Datentechnisch (Vorverarbeitung, Erfassung)

Informationstechnisch (Bewertung, Auswertung)

Sicherheitstechnisch (Nutzungsgrenzen)

Versorgungstechnisch (Energy-Harvesting)

Wartungstechnisch (Inventory, Selbstdiagnose)

Applikationstechnisch (einige Anwendungsfälle)

Gesellschaftspolitisch (?) RFID und Global Tracking

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Interferenzen, Beugung, Streuung, Reflektion Effekte, die nicht jeder richtig einordnet

Schmuckattribut: Übertragungsmedium unterliegt keinem Verschleiß (Luft nutzt nicht ab)Antennen, Frequenzbereiche, Felder ISM Band (Industrial, Scientific, Medical, billig und gut?)Elektrosmog? ( )Alles durchs gleiche „Kabel“Umfeld

Störungen Sicherheit

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Ein „Kabel“ zigtausend NutzerITU Frequenzplan und das EM-Frequenzspektrum

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Funktechnische Fakten

Wer ist mit auf meinem „Kabel“

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Starke Funken?Q

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Datentechnischer Aspekt

Wie wird das Datum übertragen? Auf den Zusammenhang, den Zeitpunkt und die Erfassungsquellen

bzw. Ausführungseinheit kommt es an. Feldbussysteme oft anders als diskrete Sensoren oder Recorder

(Systeme mit Gedächtnis)

Sind meine Daten für andere interessant?

Datenplausibilität muss im Austausch sichergestellt sein?

Datenausfall muss konzeptionell mit abgedeckt sein.

Wertverläufe, Tendenzen müssen anonym für den Entstehungsort bleiben, besser unerkannt funktechnisch ausgetauscht werden.

Verschlüsselung

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Informationstechnischer Aspekt

Wie wird aus dem Datum eine Information? Auf den Zusammenhang, den Zeitpunkt und die Erfassungsquellen bzw.

Ausführungseinheit kommt es an. Feldbussysteme oft anders als diskrete Sensoren oder Recorder

(Systeme mit Gedächtnis)

Ist es besser Daten oder Informationen zu schützen?

Soll mein Mitwettbewerb meinen verfahrenstechnischen Vorteil erlernen können?

Mithören sollte immer tolerierbar sein Diagnosehilfsmittel müssen mitgeplant werden

Informationen müssen entweder unkritisch (trivial) sein oder unerkannt funktechnisch ausgetauscht werden.

Verschlüsselung

Wie sieht die Festplatte aus?

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Sicherheit für Mensch und Anlage

Wer fühlt sich bei einem drahtlosen „Not-Aus“ „Not-Halt“ oder „Stop“ immer wohl?

Kann ein Druck-kessel noch überFunk geregelt werden?

ERP verfahrens-technisch unkrit.

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Sicherheitstechnische Aspekte

Der Zugriff kann nicht immer gesichertwerden FAKT!

Der Informationsabfluss muss aber trotz „Datenverlust“ vermieden werden

Einsatz von Nebelkerzen (honey pots) ist in sensiblen Bereichen der Industrie von Nutzen

Scheinbar entlarvende Daten können helfen Zusätzlich erhöht es den Lerneffekt

Kann man aus „nackten“ Messwerten lernen? z.B Pavillion8 (Powered by SAP NetWeaver), Modellanalyse

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Überlebenswichtige Inform. – Wireless?

Problem: Shared Medium, Broadcast (ein „Kabel“ für Alles) räumlich nicht exakt begrenzbar

Schutzziele: Vertraulichkeit: Schutz gegen unbefugtes Mitlesen der Daten Integrität: Schutz gegen unbemerktes Modifizieren oder

wiederholtes Zusenden der selben Daten. Authentizität: Schutz der Echtheit von Daten (Quelle

bekannt?) Verfügbarkeit: Schutz vor Überlastung, Störung und

Sabotage

Es gibt keine immer richtige Empfehlung für jeden!

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Triebfedern

Was sind Vorteile für den industriellen Nutzer Mobilität Flexibilität Bei richtiger Planung, geringe Kosten Zuverlässigkeit/Sicherheit im Nahbereich (< ~5m) Leichte Installation Verfügbarkeit Orte besser und verschleißfrei erreichbar, die zuvor gar nicht

oder nur aufwendig zu überwachen waren (rotierende Ausrüstung, fliegende Objekte usw.)

Potential Zusatznutzen zur bestehenden Infrastruktur hinzuzufügen

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Payoffs

Was möchte der industrielle Nutzer vermeiden Zusätzliche Komplexität Bei großen Mengengerüsten (Messfelder, -farmen) in Werken

hohe Kosten Neue, bisher unbekannte Sicherheitsaspekte Eventuelle Störanfälligkeit bzw. Nebeneffekte Zus. Stromversorgung bei hoher Portabilität Nicht wirklich garantierte Zuverlässigkeit Risiken für klassische Echtzeit-Regelaufgaben. Unwissen und wenig Erfahrung des Servicepersonals bei der

Fehlersuche oder Optimierung. Eingeschränkte Infrastruktur bei manchen industriellen

Umgebungen.

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Noch mal, Sicherheit Level 1+2

Man sollte an der Quelle beginnen Trusted Wireless (FHSS-Verfahren) Bluetooth mit unbekannten FHC (frequency hopping

codes) und Teilnehmer Authentifizierung Richt-, Bündelfunkstrecken Module mit adaptiver Sendeleistung Wireless I/O, dezidierte Brückenmodule/Umsetzer

WL-Ethernet, Profinet, RS 232, RS 422, RS 485, Interbus, Hart, FF, ProfiSafe, ProfiBus, CANopen, DeviceNet,…

WPA2 L3, Radius-Server (noch nicht weit verbreitet)

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Versorgungstechnische Aspekte

Macht Wireless noch Sinn, wenn ohnehin Versorgungsleitungen erforderlich sind?Wenn keine Leitungen notwendig sind, wo kommt die Energie zum Senden/Empfangen/Auswerten her? Ansätze: „Energy Harvesting“, „TE-Power-Bolt“

(M24), Ladetechnik aus Rotation, Smart Dust, RFID

Wie oft muss ich die Batterien wechseln? Anhaltspunkt: (Pulsmesser CR 2032) 200 mAh über

3 Jahre ~ 7,5 µA ø (Sendeleistung 1mW?) ZigBee-Sensoren, Standby Strom 1 µA

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Versorgung aller Komponenten

DUST Chips

~5 mm*3

~160 nW @ 8 MHz

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Versorgung und Entfernung

Unter Wartungsaspekten eine Herausforderung

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Wartungstechnische Aspekte

Kann auch ein Anwendungsschwerpunkt sein

Wartungshilfsmittel Auslastungs-/Belastungs-Aufzeichnung Nutzungsintensität, Verschmutzungsgrad Inventurdaten-, Wartungszyklus-Abgleich (wann letztes Mal) Berührungslose Erfassung spart evt. Vorsichtsmaßnahmen

Was muss ich wann und wie oft kontrollieren? Infrastruktur & Qualität: Kontinuierlich! Betriebsstunden, Laufzeiten, Schalthäufigkeit:

Schwellenbezogen (vorbeugend) Störungen: Ereignisbezogen

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Anwendungstechnik „Der Nutzen“

Nützt es mehr oder schadet es?

Kontrolliere ICH MEINE Infrastruktur

ERP Informationen bilden oft das Rückgrat

ERP Verbindungen lassen strategische Bewertungen zu Man weiß, wann ich wovon, wie viel, weshalb und

mit Hilfe von Was gemacht habe und was ich dafür will bzw. dafür eingesetzt habe.

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Beispiel 1 (Anwendungen)Offshore Erdgas

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Beispiel 2 (Anwendungen)Verhüttung

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Beispiel 3 (Anwendungen)Medizintechnik

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Beispiel 4 (Anwendungen)

Retail,Warehous

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Beispiel 5 (Anwendungen)

Gebäude-Automation

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Beispiel 6 (Anwendungen)

Process Control

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Physical World

Beispiel 7 “Dust Network”Wireless Sensor

Networking

Significant reduction in the cost of installing sensor

networksEnables new

class of services

Increases sensor

deployment

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Gesellschaftspolitische Aspekte

Das ist vordergründig nichts für den Sachverständigen, spielt aber als Motivation oft eine Rolle

RFID Verbreitung und Nutzung in Kombination Tagged cats, weapons and humans(?) Handy-Ortung

Ladungsverfolgung, auch Verfolgung gestohlener Fahrzeuge Toll-Collect, Video-Surveillance Nano-Controller

Starke Akzeptanzschwankungen je nach Blickwinkel: ob Nutznießer oder Benutzter

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Bewusstseinbildung

Meist nicht bedacht Datenbestände und Zustände sind oft mehrfach autonom

gepuffert und deren Lebensdauer oder Gültigkeit ist nicht immer erkennbar.

Klassische Informationsverarbeitungsverfahren müssen den Störzustand erkennen können und richtig darauf reagieren können.

Datenkollision bei alternativen Wegen und Laufzeiten. Topologische Notwendigkeiten Transaktionssicherung bis in das Stellglied (Aktor) Beispiel: Safety und 5 GHz Band WLAN = unmöglich!

Wissen

Schützen

Nutzen

Priorisierung für militärische Radaranwendungen vorbehalten, Zwangsfreigabe einmal in 24h für 1 Minute

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Industrielle Problemzonen

InduktionsöfenFunkenerosionsverfahrenDegausserSchweißroboter (zum Teil)Teile in der Galvanik MTR und CT SondenHF-Sende-Keule oder Absorptionszellen Umfeld ionisierender StrahlungUnterwasseranwendungen mit hohen DatenratenMischung vieler untersch. Funkübertragungsverfahren orts- und zeitgleich

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Die meisten industriell genutzten Datenfunktechniken sind technisch

gut und sicher anwendbar

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Vortragsauszug erhältlich auf E-Mail-Anfrage:

wu@sv-uhlenberg.de

Mancher tatsächlicher Anwendungsfall lässt Zweifel an der richtigen Auswahl zum passenden

Umfeld aufkommen. (-- Sicherheitskreise und RealTime-Control --)

Informationsabfluss wird unterschätzt

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Danke für Ihre Zeit!

Anregungen

Fragen

Kritik

Klarstellung

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Referenzen / QuellenEM-Felder BGV Seminar (Völkert 2008)Wireless Monitoring Technology, From Smart Dust to Reliable Networks, Kris Pister Prof. EECS, UC BerkeleyElektronik Wireless Mai 2005 www.elektroniknet.de Sensor-Netzwerke GrundlagenFunk-LAN (IEEE 802.11a/b/g und 802.11i), Andre Forsmann, Zentrum für Informationsverarbeitung, Westfälische Wilhelms-Universität Münster E-Mail: forsmaa@uni-muenster.dehttp://www.atheros.com/pt/whitepapers/MIMO_WLAN_Perf_whitepaper.pdf Getting the Most out of MIMO: Boosting Wireless LAN Performance with Full Compatibility Bill Lane, License-Exempt Wireless Applications for Public Safety http://www.fcc.gov/pshs/techtopics/techtopics10.html Deutsche Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/ISM-Band http://www.bundesnetzagentur.de/enid/227a9709f30521aecd84dcd82186c71e,0/Frequenzordnung/Allgemeinzuteilungen_9u.html Frequenzzuteilung über die BundesnetzagenturnanoNet http://www.elektroniknet.de/home/kommunikation/fachwissen/uebersicht/drahtlose-kommunikation/baugruppen-systeme/bluetooth-zigbee-und-nanonet-friedlich-miteinander/3/#c46609 (auch Stör-Messungen im industriellen Umfeld)Wollert, J.F.: Workshop Wireless – Ein Überblick kabelloser Systeme. VDI-Fortschrittberichte, Wireless Technologies Congress 2006, Dortmund, Germany, October, 2006.Wollert, J.F.: Wireless in industriellen Anwendungen. Elektronik Scout 2007, WEKA Verlag GmbH, ISSN 1863-3420, Dezember 2006, Seite 40 ff.Vedral, A.; Wollert, J.F.: Langzeitstatistische Untersuchungen zur Qualität von Funkkanälen für das industrielle Umfeld. VDI-Fortschrittberichte, Wireless Technologies Congress 2006, Dortmund, Germany, October, 2006.Forschungsgemeinschaft Funk e.V. http://www.fgf.de/ Elektrosmog-Infos http://www.ralf-woelfle.de/elektrosmog/redir.htm?http://www.ralf-woelfle.de/elektrosmog/e_smog_6.htm