Kommunikationslösungen für den M2M-Markt Intelligente Integration steigert die Wirtschaftlichkeit

M2M-Lösungen bestehen heutzutage noch aus einer Vielzahl voneinander abhängigen Komponenten und Dienstleistungen – eine oft teure Lösung. Der Schlüssel zu höherer Wirtschaftlichkeit heißt Migration, doch dafür wiederum ist eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Lösungspartner, dem Netzbetreiber und dem Kunden notwendig.

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Machine-to-Machine oder kurz M2M steht für den automatisierten Informationsaustausch zwischen Maschinen, Fahrzeugen, Containern oder Automaten und einer zentralen Leitstelle. Mittels Fernüberwachung, -kontrolle und –wartung von Geräten, Systemen und ganzen Anlagen lassen sich inzwischen komplette Arbeitsabläufe rationalisieren. Verkaufsautomaten melden sich beispielsweise selbstständig bei einem zentralen Rechner, wenn sie neu bestückt werden müssen.

Das vermeidet nicht nur überflüssige Regelfahrten des Automatenbetreibers, auch Ausfallzeiten lassen sich so drastisch verringern. M2M-Applikationen versprechen dem Anwender also nicht nur mehr Sicherheit, sondern vor allem auch Kosteneinsparungen. Trotzdem gibt es auch hier noch erhebliches Verbesserungspotential, wie ein Blick auf die Hardware-Komponenten zeigt.

Nicht zuletzt wegen der Tarifstruktur der Netzbetreiber sind bislang vorwiegend noch so genannte SMS-Controller im Einsatz. Diese Hardwarekomponenten ermöglichen das weltweite Fernschalten und Fernüberwachen von Maschinen oder Anlagen per SMS. Moderne SMS-Controller wie der IWC-777 sind mit einem Quadband (850/900/1800/1900 MHz) fähigen GSM/GPRS-Modem ausgestattet.

Weiterhin besitzt der IWC-777 drei digitale Eingänge, drei Relais-Ausgänge (6 A), einen Analogeingang (4 bis 20 mA) sowie einen Analogeingang für einen PT100-Widerstandsthermometer oder einen NTC (Negative Temperature Coefficient). Bei Stromausfall lässt sich der Controller über eine Batterie steuern.

Einbruchmeldesystem mit SMS-Alarmmeldung

Durch seine einfach an unterschiedlichste Applikationen anpassbare Firmware und sein DIN-Schienen-Gehäuse ist der IWC-777 sehr einfach und leicht in unterschiedlichste Applikationen integrierbar. Zudem lassen sich eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren anschließen.

Durch den Anschluss von Fensterkontakten, Bewegungsmeldern und einer Sirene wird aus dem Controller beispielsweise mit minimalen Aufwand ein komplettes Einbruchmeldesystem, das nicht nur die entsprechenden Steuerungsaufgaben übernimmt, sondern im Einsatzfall auch gleich die nötigen Alarmmeldungen über das Mobilfunknetz absetzt (Bild 1).

Parallel kann der Controller auch noch zur Klimasteuerung oder als Rauchmelder genutzt werden. Auch komplette Steuerungs- und Kontrollaufgaben lassen sich inzwischen mit nur einem System abdecken (Bild 2). In diesem Fall dient der IWC-777 nicht nur zur Fernüberwachung der Pumpe, deren Temperatur und einer daraus resultierende Notabschaltung, sondern auch zur Fernsteuerung des Tanks mit integriertem Überlaufschutz.

SMS-Controller versus M2M-Router

Bei aller Funktionsvielfalt haben Controller dieser Art nach wie vor einen einscheidenden Schwachpunkt: es werden nur SMS-Meldungen übertragen, wenn ein Ereignis vorliegt bzw. wenn ein Alarm ausgelöst wird. Eine kontinuierliche Übertragung von Daten, wie sie bei Energiezählern oder bei einer Fernüberwachung per Video notwendig wäre, lässt sich so nicht realisieren. Aus diesem Grund drängen zunehmend sogenannte M2M-Router auf den Markt.

Mit diesen neuartigen Geräten ist eine einfache, sichere Kommunikation zu Maschinen und Anlagen möglich. Die kompakte Bauform und das nur zwei Teileinheiten breite Industriegehäuse (IP20) für die DIN-Hutschiene erleichtern die Montage im Schaltschrank. Das modulare Modemkonzept erlaubt zudem den Einbau verschiedener Modemtypen in das gleiche Grundgerät, zum Beispiel GSM/GPRS Class10 oder EDGE oder UMTS.

Kundenspezifische Anpassungen unkompliziert vornehmen

M2M-Router bieten dem Anwender durch ihr flexibles LINUX-Betriebssystem darüber hinaus die Möglichkeit, schnell und einfach kundenspezifische Anpassungen vorzunehmen. Dank der komplett vorinstallierten Konfigurationssoftware und des bereits integrierten Web-Servers wird keinerlei zusätzliche Software benötigt. Zugriff, Konfiguration und Wartung erfolgen einfach und sicher mit Standard Web-Browsern.

Der M2M-Router von Unitronic umfasst außerdem ein Virtual Private Network (VPN), ein Point-to-Point Tunneling Protocol (PTPT), Internet Protocol Security (IPsec), eine Firewall, digitale Ein- und Ausgänge (DynDNS, DHCP/DSN Server, Proxy, SNMP, NTP-Zeitserver) sowie jeweils eine RS232- und eine Ethernet RJ45- (10/100MBit/s) Schnittstelle.

In Anwendungen wie Videoüberwachung mit Datenübertragung über Internet, Integration von Fernwirkstationen, SPS-Anbindung über GPRS/EDGE/UMTS und Internet sowie Applikationen aus der Energieversorgung, Verkehrstechnik, Anlagen- und Maschinenüberwachung und Leittechnik (Bild 3) ist der M2M-Router nicht nur in der Lage, die Anlage fernzusteuern und zu überwachen.

Mit seiner Hilfe lassen sich beispielsweise auch Videodaten für Zugangs- oder Produktionskontrollen übermitteln. Hierzu baut der M2M-Router automatisch eine GPRS-Verbindung auf und hält diese wie eine virtuelle Standleitung.

GPRS-Nachteile lassen sich einfach eliminieren

GPRS-Verbindungen haben einige Nachteile wie z.B. das Abbrechen der Verbindung seitens des Netzbetreibers, wenn in einem bestimmten Zeitraum keine Daten übermittelt wurden. Wird eine Verbindung nach einer übermittelten Nachricht abgebrochen und vor Übermittlung einer neuen Meldung wieder neu aufgebaut, erfordert dies zudem auf Seiten des Netzbetreibers einen gewissen logistischen Aufwand, der die Netzauslastung möglicherweise überproportional ansteigen lässt.

Außerdem erfolgt der Verbindungsaufbau bei GPRS-Verbindungen in der Regel vom Benutzer des Endgerätes aus zur Zentrale in umgekehrter Richtung, was wiederum nur mit der Übersendung von vielen kostenpflichtigen Informationen möglich ist.

Mit der Implementierung eines einfachen HSPP2-PlugIn in den M2M-Router lassen sich all diese Nachteile eliminieren. Ein derart ausgestatteter Router garantiert nicht nur Antwortzeiten von unter einer Sekunde, sondern auch eine optimale Ausnutzung der Netzbetreiber-GPRS-Taktung und damit eine weitestgehende komplette Unabhängigkeit vom Tarifmodell.

Damit sind erstmals alle Vorsetzungen für eine wirtschaftliche Nutzung von GPRS in der Industrieautomation, der Fernwartung, aber auch in Terminalapplikationen sowie in Sicherheits- und Alarmsystemen gegeben.

InSIM-Technologie hilft Platz und Kosten sparen

Ein weiterer Schwachpunkt bei der M2M-Kommunikation ist der Einsatz von SIM-Karten. M2M-Systeme müssen auch unter rauhen industriellen Bedingungen fehlerfrei und zuverlässig arbeiten. Nun zählen Temperaturen von –20 bis 60 °C, hohe Luftfeuchtigkeit, Vibrationen und Staub nicht gerade zu den idealen Umgebungsbedingungen für einen SIM-Kartenleser. Zum einen können dadurch die Kontakteigenschaften zwischen dem Kartenleser und der SIM-Karte beeinträchtigt werden, zum anderen kann auch die SIM-Karte selbst durch Umwelteinflüsse in Mitleidenschaft gezogen werden.

Wirkungsvoll umgehen lässt sich dieses Dilemma durch die Integration des eigentlichen SIM-Chip in das GSM/GPRS Modul (Bild 4). Die Daten des Netzbetreibers sind somit gleich direkt im Modul vorhanden. Die neue, von dem französischen Kommunikationsspezialisten Wavecom entwickelte so genannte InSIM-Technologie hat neben der Eliminierung der erwähnten Probleme den Vorteil, dass auch gleich noch die Mehrkosten für einen SIM-Kartenleser und dessen Ansteuerung wegfallen.

Geringer Platzbedarf auf der Platine

Zusätzliches Einsparungspotential für den Kunden bringt der geringere Platzbedarf auf der Leiterplatte. Wichtig ist allerdings auch hier, dass Systempartner, Netzbetreiber und Kunde von Anfang an sehr eng zusammenarbeiten. Der Kunde muss im Vorfeld angeben, mit welchem Provider er zusammenarbeiten möchte, da die Daten des Netzbetreibers ja direkt in das Modem integriert werden. Der Provider wiederum muss seine Daten dem Systemanbieter bzw. dem Hersteller des Modems zur Verfügung stellen, damit dieser die Daten direkt implementieren kann.

Eine vernünftige Alternative sind hier komplette Bundle mit integrierter InSIM-Hardware, Software und Mobilfunkvertrag. Sie sorgen dafür, dass sich Anwender im Vorfeld nicht erst mühsam durch den unübersichtlichen Tarifdschungel hangeln müssen. Außerdem lässt sich dadurch die Zahl der Ansprechpartner drastisch reduzieren.

M2M-PCs werden immer kleiner

Auch bei den M2M-PCs schreitet die Miniaturisierung und Integration von immer mehr Funktionalität auf kleinstem Raum mit rasantem Tempo weiter voran, wie das Beispiel eines von Unitronic angebotenen ultrakompakten Industrie-PCs mit integriertem GSM/GPRS-, EDGE- oder UMTS-Modem zeigt (Bild 5). Das 120 mm × 101 mm × 70 mm große, für die Unterbringung auf einer DIN-Hutschiene konzipierte Gerät ist mit vier USB-, drei Audio-, je einer RS232-, LAN-, RJ45- und Keyboard-Schnittstelle, einem VGA-Ausgang und einer 80GB großen SATA- Festplatte ausgestattet.

Aufgrund seines weiten Versorgungsspannungsbereichs von 12 bis 32 VDC, seiner geringen Leistungsaufnahme von ca. 15 Watt und der geringen Wärmeabgabe ist der M2M-PC nicht nur für klassische Anwendungen im Schaltschrank, sondern auch für den Einsatz in batterie- oder solargespeisten Anlagen geeignet.

Ausreichend Systemressourcen für Soft-SPS

Durch die große Festplatte und 1 GByte RAM-Speicher stehen selbst für komplexe Anwendungen wie SCADA-Software (Supervisory Control and Data Acquisition), Datenlogger, Datenbanken oder Soft-SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung in Software) genügend Systemresourcen zur Verfügung.

Die Soft-SPS findet vor allem in der Industrie vielseitige Anwendung. Ihr Vorteil: Zum Abändern der programmierten Schaltungen wird kein zusätzlicher PC und kein Programmiergerät benötigt, da sich hier die Programmiersoftware und die Steuerungssoftware, oder besser noch das Echtzeitbetriebssystem der Steuerung, auf einem PC befinden. Schon jetzt können also durch den Einsatz des M2M-PCs mehrere zusätzliche Geräte eingespart werden.

Die Zahl der M2M-Applikationen steigt kontinuierlich

Trotz der beeindruckenden Leistungsfähigkeit der beschriebenen SMS-Controller, M2M-Router und M2M-PCs hat die Zukunft der M2M-Kommunikation gerade erst begonnen hat. Laut Schätzung von Harbor Research werden immer günstigere Hardwarekomponenten und Tarifstrukturen der Netzbetreiber dazu führen, dass im Jahr 2010 bereits mehr als 500 Mio. Geräte weltweit miteinander vernetzt sein sollen. 2011 soll der Umsatz mit M2M-Geräten bereits einem Wert von 10,6 Mrd. US-$ entsprechen. Mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der sich die Leistungsfähigkeit der Geräte entwickelt, wird sich also auch die Zahl der Anwendungen stetig vergrößern.

*Michael Braun ist bei Unitronic als Bereichsleiter Technik für die Module verantwortlich.

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