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FACHBERICHT
E 257
Fernwirken mit GPRS – immer noch ein großes Fragezeichen?
Autor: Reinhard Lenz *)
Einführung
Bereits seit dem Jahr 2000 steht die 2,5te Mobilfunk Generation „GPRS“ in Deutschland zur Verfügung (die 3te Generation ist UMTS). Jeder nutzt diesen Dienst mittlerweile mit seinem Mobilfunkgerät, aber bei den „Fernwirkern“ wird diese Technologie immer noch mit Skepsis verfolgt – warum?
Zum einen hatte es mit den hohen Übertragungskosten bei der Einführung von GPRS zu tun (heute
ist GPRS um einiges günstiger als Standard-GSM), zum anderen liegt es u.a. an den Begriffen
„Internet“, „IP-Adresse“ und „TCP/IP“. Alle haben Angst vor Datenverlust, Gefährdung der Sicherheit
und Verfügbarkeit sowie hohen Kosten bei unerwünschten Zugriffen (Scannen). Zu guter Letzt ist
auch das europäische Normungsgremium „ETSI“ (European Telecommunications Standards Institute
/ www.etsi.org) nicht ganz unschuldig an der bisher geringen Verbreitung von GPRS in der Fernwirktechnik.
Doch warum die ETSI? Die Vermittlung bei der Datenübertragung von GPRS Endteilnehmern erfolgt
nicht mehr wie bei GSM üblich über eine Telefonnummer, sondern über ein Internet-basierendes
Protokoll und eine IP Adresse. IP steht für „Internet Protokoll-Adresse“, die gegenwärtig aus 32 Bit,
dargestellt in vier Zahlenblöcken (4 mal 8 Bit), getrennt jeweils durch einen Punkt, besteht (z.B.
210.134.24.60). Eine IP-Adresse setzt sich aus einer Netzwerkadresse und einer Hostadresse zusammen, die Größe der jeweiligen Anteile (Host- bzw. Netzanteil) kann dabei variieren, je nach
Struktur der Netzwerke. Da jedoch kaum noch frei verfügbare IP- Adressen zu erhalten sind, werden
dynamische Adressen notwendig, die sich ständig ändern. Daraus ist unschwer zu erkennen, dass es
einen Mechanismus geben muss, der diese dynamischen Adressen verwaltet und der Gegenstelle
mitteilt. Denn woher soll die Leitstelle oder Unterstation wissen, welche dynamische IP-Adresse die
Gegenstation gerade benutzt? Und genau hier hört die Standardisierung von GPRS auf. Um trotzdem
eine ständige Verbindung mit den Unterstationen zu ermöglichen, werden so genannte „Router“ eingesetzt, die genau diese Vermittlungsarbeit betreiben. Diese Router werden jedoch (noch?) nicht von
den bekannten Providern zur Verfügung gestellt. Jeder, der eine Fernwirkverbindung über den GPRS
Dienst durchführen möchte, muss also entweder eine feste IP-Adresse besitzen oder aber mit dynamischen IP-Adressen und einem Router arbeiten.
Eine offene technische Lösung für alle
Einer der größten nationalen Stromversorger wollte bereits sehr früh die Zählerauslesung statt über
GSM mit GPRS durchführen, weil er sich insbesondere Vorteile in der ständigen Online Verbindung
von GPRS und der schnelleren Datenübertragung erhoffte. Mussten bei den vorhandenen GSM
Kommunikationen (über CSD, Circuit switched Data) die Verbindungen ständig auf- und abgebaut
werden, was sehr zeitaufwändig ist, entfiel dies bei GPRS gänzlich. Es konnten damit theoretisch
mehr Zähler innerhalb eines bestimmten Zeitraums ausgelesen werden. Da jedoch nicht jeder Zähler
eine feste Internetadresse (IP) erhalten konnte, musste ein Verfahren gefunden werden, das die
Kommunikation trotzdem schnell und einfach ermöglichte.
Zusammen mit der Dr. Neuhaus Telekommunikation GmbH in Hamburg, dem Anbieter drahtloser und
drahtgebundener Datenkommunikationslösungen für den professionellen Einsatz, wurde nach einer
technischen Umsetzung für dieses Problem gesucht. Als Lösung hierfür wurden Protokolle sowie
Soft- und Hardwareware entwickelt, die, zusammen eingesetzt, die GPRS Kommunikation trotz
wechselnder IP-Adressen einfach ermöglichen.
Doch wem nutzt diese Technologie, wenn sie nur von einem Hersteller angeboten wird (Standardisierung)? Dr. Neuhaus hat sich deshalb entschieden, die Technologie offen zu legen und damit einen
„quasi“ Standard für die GPRS-Fernwirktechnik zu schaffen. Derzeit wird dies im Standardisierungsgremium des DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und
VDE) in einem Arbeitskreis diskutiert. Einige Anbieter von Datenübertragungssystemen auf Basis von
GPRS setzen diese Technik bereits erfolgreich ein, so auch Panasonic Electric Works.
OPC und GPRS?
Die Panasonic Fernwirklösung unterstützt den von Dr. Neuhaus gesetzten Standard und hat eine
weitere, wiederum offene Komponente, insbesondere für Prozessleitsysteme hinzugefügt: Den GPRS
OPC-Server. Der GPRSmanager in dieser Software sorgt dabei eigenständig für die Vermittlungsfunktion (Router) und überwacht die einmal aufgebauten Verbindungen. Damit wird die „Router“
Funktionalität in OPC-fähige Leitsysteme, unabhängig vom Hersteller, integriert und dabei gleichzeitig
das Übertragungsprotokoll für den GPRS Datenverkehr optimiert. Grundsätzlich können verschiedene
Übertragungsprotokolle verwendet werden, nicht jedes Protokoll aus der Automatisierungswelt eignet
sich jedoch gleich gut für die transparente GPRS-Datenübertragung und manche Protokolle sind
hierfür überhaupt nicht geeignet.
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Zwingend notwendig für die GPRS-Datenübertragung von den Außenstationen über diesen Weg sind
Endgeräte, die sich selbstständig einbuchen und sofort mit dem GPRSmanager Kontakt aufnehmen.
Derzeit verfügen nur die intelligenten GPRS Endgerät von Dr. Neuhaus (z.B. GMOD-S1 oder S2)
über die geeignete Funktionalität, um diese Lösung zu realisieren. Da jedoch gerade die Standards
festgelegt werden, ist zu erwarten, dass in Kürze andere Endgerätehersteller nachziehen
Technologie
Die GPRS Verbindung zum Prozessleitsystem wird in mehreren Schritten durchgeführt:

Endgerät (S1 oder S2) versucht, sich einzubuchen

GPRS Empfänger erhält „Login Request“ vom Endgerät

HLR (Home Location Register) des Providers prüft, ob SIM-Karte des Endgerätes registriert
ist.

Provider vergibt private IP-Adresse (NAT/NAPT* Verfahren). Dies hat den Vorteil, dass keine
zusätzlichen Kosten durch „Portscanning“ entstehen können, weil die Adresse im Internet verborgen bleibt.

SGSN (Servicing GPRS Support Node) des Providers prüft das Profil und routet die
Datenpakete korrekt weiter. Im Profil kann zum Beispiel auch hinterlegt werden, dass
„Roaming“ ausgeschlossen wird. Dies ist von Bedeutung, wenn die Außenstation in grenznahen Gebieten liegt und das Einbuchen in fremde Netze, zum Beispiel nach Belgien oder
Österreich, unerwünscht ist.

GGSN (Gateway GPRS Support Node) des Providers übergibt das Datenpaket an das
Internet

Daten werden über den gesicherten IPsec (Internet Protocol Secure) Tunnel an das
Prozessleitsystem übergeben. Dabei werden die Datentelegramme des LAN (Local Area Network) beim Übergang zum Internet kodiert. Der empfangende Rechner vereinbart über ein
Protokoll einen Schlüssel mit dem Empfänger. Dieser kodiert die Pakete damit und nur der
Empfänger kann sie wieder entschlüsseln.

Der im Prozessleitsystem installierte GPRSmanager mit integriertem OPC-Server überprüft
die Datenverbindungen auf Berechtigung und wohin die Datenpakete autorisiert weitergeleitet
werden dürfen. Zusätzlich hält er die Verbindung zu den Endgeräten aufrecht. Der OPCServer selbst übergibt dann die Daten an das Prozessleitsystem. Da der „Router“ im
GPRSmanager integriert ist, kann dieser auch die Datenübertragung von Außenstation zu
Außenstation ohne den Umweg über das Prozessleitsystem vermitteln.
Bild 1: GPRS - Technische Realisierung
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* NAT (Network Address Translation) ist in Computernetzwerken ein Verfahren, bei dem private IPAdressen auf öffentliche IP-Adressen abgebildet werden. Bei einer speziellen Form von NAT, dem
Maskieren, werden nicht nur IP-Adressen umgeschrieben, sondern auch die Port-Nummern. Benötigt
wird diese Form, wenn viele interne Adressen auf wenige externe Adressen zu übersetzen sind.
Hauptsächlich ist NAT notwendig, weil öffentliche IP-Adressen immer knapper werden und man deshalb private IP-Adressen einsetzen muss. Es kann zum anderen der Datensicherheit dienen, weil die
interne Struktur des Netzwerkes nach außen hin verborgen bleibt. Insbesondere wegen der Datensicherheit und dem Schutz vor Angriffen aus dem Internet wird dieses Verfahren für die Panasonic
GPRS Lösung eingesetzt.
Die Provider nutzen bei der Verarbeitung und Weiterleitung der Daten dieselbe Technologie wie für
UMTS, lediglich die Funkverbindungen und damit auch die Übertragungsgeschwindigkeiten sind
unterschiedlich.
Mit 115 KBit/s werden die theoretisch erreichbaren GPRS Übertragungsgeschwindigkeiten angegeben. Diese können jedoch derzeit nicht erreicht werden, da die Sende- und Empfangsstationen der
Mobilfunkbetreiber zwar mehrere Sprachkanäle (derzeit 8, gebündelt) für die Datenübertragung zur
Verfügung stellen, dies jedoch für 115 KBit/s nicht ausreicht. Mit den Dr. Neuhaus und anderen Endgeräten der Klasse 10 können von den 8 verfügbaren Kanälen maximal 5 genutzt werden, die je nach
Anforderung für den schnelleren Down- oder Upload konfiguriert werden (siehe Tabelle 1).
Sollte die Verbindung einmal abbrechen, stellt dies kein Problem dar, da sich die Endgeräte sofort
wieder einloggen. Bisherige Erfahrungen zeigen, dass die Daten in der Regel bei einer typischen
Unterstation innerhalb von 2-10 Sekunden übertragen werden. Muss sich das Endgerät neu anmelden, werden hierfür zwischen 30 Sekunden und ca. 1 Minute benötigt (je nachdem, ob der erste
Versuch gelingt oder fehlschlägt). Weil derzeit bei fast allen Providern die Verbindung unterbrochen
wird, wenn ca. 30 Minuten kein Funkverkehr stattfindet, wird der GPRS OPC-Server logischerweise
so parametriert, dass zumindest alle 29 Minuten ein „Lifecheck“ stattfindet.
Die örtliche Verfügbarkeit von GPRS ist (fast) identisch zu GSM. Ein kompliziertes Ausleuchten der
Verbindung entfällt, da dies bereits mit den handelsüblichen Mobilfunkgeräten erledigt werden kann.
Nach Tests von RWE ist jedoch die GPRS-Abdeckung nicht immer völlig identisch zur GSM-Abdeckung. Dies liegt an der geringfügig höheren Sende- und Empfangsstärke, die für GPRS benötigt
wird. Unsere Empfehlung: Zeigt Ihr Handy eine Empfangsstärke von mindestens zwei Balken an,
reicht dies für eine sichere GPRS-Verbindung. Bei nur einem Balken sollten Sie eine gute Gewinn-
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antenne (Antenne, die das Signal verstärkt) einsetzen und vorher einen Test bei schlechten Wetterbedingungen durchführen (Regen, Schnee, Nebel). Moderne Mobilfunktelefone zeigen auch die Verfügbarkeit von GPRS auf dem Display an und können Internetseiten darstellen.
Umsetzung in die Praxis
Vorneweg – mit dieser Technik kann auf einen Fernwirkkopf auf Basis herkömmlicher Steuerungshardware gänzlich verzichtet werden. Da die Daten direkt über einen gesicherten Tunnel vom Internet
kommen, wäre dies sogar hinderlich und wiederum nur mit integrierter PC-Technik zu realisieren. Wer
dies dennoch nicht will (oder nicht kann, weil kein Internetzugang zur Verfügung steht), dem bietet
Panasonic trotzdem eine einfache Lösung mit dem bewährten Steuerungskopf an. Dabei spüren Sie
keinen Unterschied zur bisherigen GSM Übertragungstechnik. Sinn macht dies jedoch nur dann,
wenn nur geringe Datenmengen mit wenigen Unterstationen zu erfassen sind.
Der GPRS-Fernwirkkopf
Da OPC im gesamten Netzwerk zur Verfügung steht bietet sich an, einen Computer für das Prozessleitsystem und einen weiteren für den Datenverkehr mit dem Internet zu installieren. Grundsätzlich
kann dies jedoch auch in ein und demselben PC erfolgen, entscheidend ist die ständige Verbindung
eines Systems zum Internet. Am kostengünstigsten erfolgt dies über eine DSL-Flatrate Verbindung,
denn der gesamte Datenverkehr wird über einen absolut sicheren IPsec Tunnel über das Internet
abgewickelt. Die Absicherung dieses Computers über eine Firewall sowie Virenschutz etc. ist natürlich Voraussetzung für einen sicheren Betrieb. Ob der GPRS OPC-Server direkt auf demselben PC
wie das Prozessleitsystem oder einem separaten Gerät, das mit dem Prozessleitsystem über ein
Netzwerk verbunden ist, installiert wird, spielt jedoch für die Funktionalität keine Rolle. Da das Datenaufkommen auch bei vielen angeschlossenen Unterstationen bei weitem nicht dem Aufkommen eines
normalen „Surfers“ entspricht, liegen die monatlichen Übertragungskosten für einen DSL Anschluß
meist unter € 10,00. Dies ist nur ein Bruchteil gegenüber herkömmlichen Datenübertragungskosten
bei Stand- und Wählleitungen bzw. GSM/CSD Verbindungen bei gleichzeitig wesentlich höherer
Datenübertragungsgeschwindigkeit.
Die Übergabe der Daten an das Prozessleitsystem erfolgt, wie bereits erwähnt, über OPC. Der OPCServer verfügt über den aktuellen OPC-DA Standard (3.0). Da alle Daten von den Unterstationen fast
in Echtzeit übertragen werden, können diese direkt an das Prozessleitsystem übergeben werden. Es
besteht jedoch auch die Möglichkeit, die aktuellen sowie die historischen Daten mit dem Zeitstempel
der SPS zu speichern. Als Datenübertragungsprotokoll wird bei Panasonic Unterstationen ein optimiertes oder modifiziertes Modbus Protokoll mit zusätzlichen Funktionen verwendet, weil zum einen
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der Datenkopf und damit die Anzahl der übertragenen Bytes absolut minimiert werden soll und zum
anderen der entscheidende Nachteil von Modbus bei diesem Verfahren umgangen wird: Modbus
Unterstationen müssen gepollt (von der Zentrale abgefragt) werden und sind dadurch für ein Alarmhandling nicht geeignet! Alternativ können Unterstationen natürlich jede Minute gepollt werden, um
einen Alarm rechtzeitig zu melden. Dies ist jedoch umständlich und verursacht zudem unnötige Übertragungskosten, die den Vorteil von GPRS wieder zunichte machen. Bei Panasonic Unterstation
werden die Daten jedoch ereignisgesteuert von den Unterstationen übertragen. Dies reduziert die
Datenübertragungskosten, verursacht durch ständiges Pollen und große Protokollheader, wesentlich.
Der GPRS OPC-Server protokolliert auch die gesamt übertragene Datenmenge und kann so eine
exakte Auskunft über den eigentlichen Datenverkehr und die verursachten Kosten geben. Das verwendete Protokoll ist offen und steht jedem zur Verfügung.
Unterstationen wiederum bestehen nur aus intelligenten Steuerungen, die über die vorhandene
RS232-Standardschnittstelle mit dem GPRS-Endgerät gekoppelt werden sowie aus integrierten
Funktionsbausteinen für die Anwenderschnittstelle zur Prozesstechnik. Damit die Parametrierung des
GPRS-Endgerätes nicht nur bei der Inbetriebnahme sondern möglichst auch nach einem Ausfall des
Gerätes wieder stimmt, werden alle erforderlichen Daten über einen Funktionsbaustein direkt von der
Steuerung in das Endgerät geladen. Ein Austausch des GPRS-Endgerätes vor Ort kann dadurch von
einem Installateur ohne PC-Kenntnisse vorgenommen werden. Ebenso verhält es sich beim Ausfall
einer Steuerung. In diesem Fall steht das Endgerät noch zur Verfügung und erlaubt den Daten- und
Programmaustausch über eine TCP/IP Verbindung über das Netz für die Steuerung. Das Endgerät
selbst ist nur ein „Client“ und kein „Server“ und wird damit auch keinen Angriffen aus dem Internet
ausgesetzt. Das Konzept ist sehr durchdacht und ist insbesondere auch auf die hohen Wartungsanforderungen für dezentrale Außenstationen zugeschnitten.
SPS-SPS Kopplung über GPRS
Nicht immer steht ein Internetzugang zur Verfügung, die Kostenvorteile von GPRS sollen jedoch genutzt werden. Damit die SPS-SPS Kopplung trotzdem funktioniert, stellt Panasonic gemeinsam mit
FlowChief einen Server zur Verfügung, der die „GPRS-Routerfunktion“ übernimmt. Der Kunde erwirbt
eine GPRS Lizenz, die die Einrichtung des GPRS-Endgerätes auf dem Server und den Betrieb für die
Router Funktion für mindestens 10 Jahre (bzw. solange, wie die Provider den GPRS-Dienst anbieten)
sicherstellt. Dabei entstehen ausser den GPRS Übertragungskosten (Erwerb der SIM-Karte und
monatliche M2M Gebühren) keine weiteren monatlichen Gebühren. Die Lizenz beinhaltet auch die
notwendigen Funktionsbausteine zur Abwicklung der GPRS Kommunikation über die Steuerung. Der
Endkunde sieht praktisch keinen Unterschied zwischen einer GSM/CSD oder einer gemieteten
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Standleitung und einer GPRS Verbindung mit Ausnahme der Geschwindigkeit und den wesentlich geringeren Übertragungskosten. Günstiger als die GPRS-Fernwirkkopf Lösung ist dies allerdings nur bei
wenigen Unterstationen, da der Fernwirkkopf Daten von allen Unterstationen empfängt und somit
auch ein Vielfaches an Kommunikation im Vergleich zu den Unterstationen und zudem ausschließlich
über Funk abwickelt.
Bild 2: GPRS Netzwerk
GPRS Übertragungskosten
In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass zwischen 1 MByte und 10 MByte Datenvolumen pro
Monat für den Betrieb einer Unterstation ausreichen (siehe Tabelle 2). Dabei trägt nicht nur die
Datenmenge selbst sondern insbesondere die Häufigkeit der Übertragungen zur Kostensteigerung
bei, da auch die TCP/IP- und Übertragungsprotokollheader mit berücksichtigt werden müssen. Deshalb ist leicht verständlich, dass eine von Unterstationen ereignisgesteuerte Datenübertragung
gegenüber einem Polling Verfahren, wie dies bei Modbus notwendig ist, entscheidende Kostenvorteile erzielt.
Auch die Provider bieten unterschiedliche GPRS Tarife an. Da es nicht leicht ist, sich einen Überblick
über den GPRS-Tarifdschungel zu verschaffen, haben wir die Gesamtkosten für 1-,2-, 5- und 10
MByte zusammengestellt (alle Preise unverhandelt!). Aktuelle Tarife finden Sie zum Teil im Internet
unter den angegebenen Links in der Tabelle 3. Und weil wir gerade bei einem Link sind:
Unter http://www.stadtwerke-schuettorf.de/umwelt_windkraft.html finden Sie eine Applikation, in der
die beschriebene Technik umgesetzt wird.
Die interessanteste Internetseite über GSM und GPRS finden Sie unter www.gsmworld.com
(Englisch).
Der Autor:*)
Herr Reinhard Lenz ist Prokurist, Leiter Automatisierungstechnik im Bereich Fabrikautomation bei
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