19.11.2014

Funkbasierte Automatisierung im Maschinen- und Anlagenbau

Wichtiger Baustein im Zukunftsprojekt Industrie 4.0

Industrie 4.0 wird derzeit viel diskutiert. Von zentraler Bedeutung ist dabei ein ständiger Informationsaustausch zwischen allen beteiligten Einheiten in der sich selbst organisierenden Produktion. Egal, ob es um einen manuellen Handarbeitsplatz mit einem Mitarbeiter geht oder um eine vollautomatisch gesteuerte Fertigungszelle: Ein leistungsstarkes Kommunikationsnetzwerk bildet in jedem Fall die Basis für die Umsetzung dieses Zukunftsprojekts.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Weczerek, Mitarbeiter im Bereich Network Technology, Phoenix Contact Electron


Bild 1: Maschinendaten werden dem Mitarbeiter immer öfter über mobile Geräte zur Verfügung gestellt.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Die Integration von Systemen in das Kommunikationsnetzwerk, deren Einbindung sich bisher zu aufwändig oder zu teuer gestaltete, ist eine der wichtigsten Aufgaben auf dem Weg zur Industrie 4.0. Hier bietet sich die Nutzung von Funktechnologien als wirtschaftliche Möglichkeit an. Neben dem Datenaustausch zwischen Maschinen und Anlagenteilen spielt die Weiterleitung von Informationen zwischen Mensch und Maschine eine zunehmend wichtige Rolle. Die Maschine stellt dem Mitarbeiter die relevanten Daten immer öfter über mobile Geräte wie Tablet-PCs oder Smartphones zur Verfügung. Für diesen Anwendungsbereich werden also ebenfalls Funklösungen in der Maschine respektive Produktionshalle benötigt. Das Portfolio von Phoenix Contact umfasst deshalb für sämtliche Automatisierungsaufgaben, in denen kabelgebundene Lösungen nicht zum Einsatz kommen können sowie nicht praktikabel oder wirtschaftlich sind, industrielle Funksysteme, die auf verschiedenen Standards basieren. Im Bereich der Fabrikautomation werden vor allem WLAN und Bluetooth verwendet. Bei der Betrachtung einer typischen Fertigungsanlage lassen sich sofort zahlreiche Applikationen erkennen, die von einer drahtlosen Kommunikation profitieren oder diese sogar voraussetzen. Als Beispiele seien der Datenaustausch mit mobilen Transportsystemen wie Lager-Shuttles oder Paletten-Wickelmaschinen sowie mit Kränen, die mobile Wartung oder die flexible Integration von Terminals und Maschinen in das Produktionsnetzwerk genannt. In den meisten Fällen steht nicht die Einsparung von Verkabelungskosten im Vordergrund. Vielmehr ergeben sich aus einer schnelleren und zuverlässigeren Funkkommunikation Kostenvorteile, die aus der vereinfachten Konstruktion, größeren Flexibilität oder höheren Produktivität resultieren. Vor diesem Hintergrund haben sich drahtlose Automatisierungsnetzwerke bereits in zahlreichen Fertigungsanlagen etabliert - und das mit steigender Tendenz (Bild 2).

Unterschiedliche Anforderungen bedingen eigene drahtlose Netze

Oftmals vertreten speziell die IT-Abteilungen der Unternehmen die Meinung, dass ein großes und schnelles WLAN-Netzwerk für sämtliche Anwendungen inklusive des Produktionsbereichs ausreicht. Allerdings stellen die verschiedenen Applikationen unterschiedliche oder teilweise gegensätzliche Anforderungen an die Funktechnologie, weshalb für einzelne Anwendungsbereiche häufig eigene drahtlose Netze aufgebaut werden müssen. Denn gerade zeitkritische Automatisierungsaufgaben wie die Übertragung von sicherheitsgerichteten Signalen sollten immer über ein eigenes Funknetzwerk umgesetzt werden. Allein die Tatsache, dass lediglich wenige WLAN-Kanäle zur Verfügung stehen, die meist andere Applikationen - beispielsweise aus dem Office-Umfeld - nutzen, zeigt, dass nicht alle Anwendungen mit WLAN realisiert werden können. Vielfach ist daher der Einsatz einer weiteren Wireless-Technologie wie der robusten, Ressourcen-effizienten Bluetooth-Kommunikation die bessere Wahl. WLAN 802.11 und Bluetooth sind mit Abstand die weltweit erfolgreichsten drahtlosen Übertragungsstandards. Fast jedes kommunikationsfähige mobile Gerät bietet heute eine entsprechende Schnittstelle, wobei oftmals beide Funktechnologien unterstützt werden. Im industriellen Umfeld haben sich die beiden Wireless-Standards ebenfalls durchgesetzt. Dies vor dem Hintergrund, weil sie für unterschiedliche Anwendungsszenarien ausgelegt sind. Über WLAN lassen sich Geräte in ein überlagertes schnelles Netzwerk - z.B. das Office- oder Produktionsnetz - integrieren. Mit Bluetooth wird dagegen ein lokales, geräteeigenes Funknetzwerk zur Kommunikation mit Peripherie-Komponenten oder Sensoren aufgebaut. Das gilt sowohl für Office-Geräte wie Notebooks oder Smartphones als auch für industrielle Systeme. Während also die Daten zwischen autonomen Transportsystemen und dem überlagerten Netzwerk via WLAN übertragen werden, erfolgt der Austausch mit einem bewegten oder rotierenden Teilsystem in der Maschine über das maschineneigene Bluetooth-Netz.

Funkstandards für Ethernet- Übertragung optimiert

Beide Funktechnologien haben sich in den letzten zehn Jahren erheblich weiterentwickelt. Bei WLAN wurde der Fokus dabei auf die Geschwindigkeit gelegt, die sich von 11 MBit/s auf über 300 MBit/s gesteigert hat. Die Automatisierung profitiert jedoch weniger von der schnellen Weiterleitung der Daten, als vielmehr von der MIMO-Antennentechnik (MIMO=Multiple Input Multiple Output). Sie erhöht nicht nur die Übertragungsgeschwindigkeit, sondern insbesondere die Robustheit und Zuverlässigkeit der Funkkommunikation im Industrieumfeld. Die alten WLAN-Standards haben hier Probleme mit den starken Reflexionen, wohingegen diese gezielt von der neuen Mehr-Antennen-Technologie genutzt werden, um eine höhere Datenrate und einen störungsfreien Datenaustausch zu erreichen. Deshalb eignet sich speziell WLAN gemäß dem IEEE-Standard 802.11n für den Einsatz in kritischen industriellen Automatisierungsanwendungen. Aufgrund des gewählten Frequenzsprungverfahrens hat sich Bluetooth in diesem Umfeld schon immer durch eine besonders robuste und zuverlässige Kommunikation ausgezeichnet. Sowohl WLAN als auch Bluetooth sind für die transparente Ethernet-Übertragung optimiert. Daher lassen sich auch moderne automatisierungsspezifische Ethernet-Protokolle wie Profinet und Ethernet/IP sowie deren Safety-Varianten problemlos über beide Funktechnologien weiterleiten. Damit in der industriellen Praxis allerdings eine dauerhaft stabile und zuverlässige Funklösung für schnelle oder funktional sichere Applikationen umgesetzt werden kann, ist nicht nur die Wahl der richtigen Funktechnologie von Bedeutung. Vielmehr kommt es auf die passende Kombination aus funktechnischem Konzept, Gerätetechnik sowie geeigneter Antennentechnologie und deren Einbauort an.

Industriegeräte und Office-Komponenten unterscheiden sich deutlich

Selbst wenn es sich bei WLAN und Bluetooth um standardisierte Funktechnologien gemäß IEEE 802 handelt, die ebenfalls im Home- und Office-Umfeld verwendet werden, sind für die Nutzung im industriellen Bereich speziell hierfür konzipierte und funktional erweiterte Geräte erforderlich. So müssen die Komponenten zum einen neben einer robusteren Hardware und einem größeren Temperaturbereich flexible Montagemöglichkeiten sowie eine langfristige Verfügbarkeit bieten. Auf der anderen Seite gibt es funktional deutliche Unterschiede, die über die Eignung für eine automatisierungsspezifische Anwendung entscheiden. Dazu zählen z.B. die Optimierung auf kurze, zyklische Datenpakete bei geringen Latenzzeiten, das schnelle und stabile Roaming, die Unterstützung spezifischer Mechanismen der Automatisierungsprotokolle Profinet und Ethernet/ IP sowie die harte Echtzeit-Priorisierung der Kommunikation. Bei industriellen Bluetooth-Geräten sind außerdem zusätzliche Koexistenz-Funktionen zum störungsfreien Parallelbetrieb mit WLAN wie das Black-Channel-Listing oder der Low-Emission-Mode zwingend notwendig. Die industriellen WLAN- und Bluetooth-Komponenten von Phoenix Contact stellen diese und weitere Merkmale zur Verfügung, die durch ein praktisches Beispiel verdeutlicht werden sollen (Bild 3).

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Vorkonfigurierte Roaming-Profile für schnellen Funkzellenwechsel

Der Datenaustausch mit fahrerlosen Transportsystemen oder modernen Lager-Shuttles stellt einen typischen Anwendungsschwerpunkt von WLAN dar. Denn hier müssen viele Teilnehmer in ein überlagertes Steuerungs-Netzwerk integriert werden. Wegen der Mobilität der Transportsysteme und der meist großflächigen Ausdehnung der Produktions- und Lagerbereiche ist ein schneller Wechsel zwischen den verschiedenen Funkzellen unabdingbar. Mit den Wireless-Modulen WLAN 5100 und WLAN EPA bietet Phoenix Contact ein speziell aufeinander abgestimmtes Gerätekonzept an (Bild 4). Während der industrielle Access Point WLAN 5100 den Aufbau des drahtlosen Netzwerks übernimmt, sorgt das Client-Modul WLAN EPA (Ethernet Port Adapter) für die Einbindung der Fahrzeug-Steuerung in das WLAN-Netzwerk. In den kleinen und robusten WLAN EPA in Schutzart IP67 ist bereits eine zirkular polarisierte Spezialantenne eingebaut, die einen zuverlässigen Betrieb im reflektiven industriellen Umfeld sicherstellt. Damit der Anwender die komplexe Konfiguration der optimalen Roaming-Parameter nicht selbst durchführen muss, liegen für unterschiedliche Applikationsszenarien vorkonfigurierte Roaming-Profile vor, die einen schnellen Wechsel der Funkzellen ermöglichen. Für sehr zeitkritische Anwendungen ist sogar ein Seamless-Roaming-Profil verfügbar, wobei zwei WLAN-EPA-Module ein unterbrechungsfreies Umschalten zwischen den Funkzellen erlauben (Bild 5). Sowohl WLAN 5100 als auch WLAN EPA unterstützen den IEEE-Standard 802.11n mit der MIMO-Antennentechnik für eine robuste und schnelle Kommunikation. Um die Konfiguration und das spätere Management des WLAN-Netzes so einfach und schnell wie möglich zu gestalten, umfasst der Access Point WLAN 5100 mit dem Cluster Management eine integrierte zentrale Management-Funktion. Konfigurations-Änderungen, die der Anwender an einem Access Point vornimmt und die das gesamte Netzwerk betreffen, werden automatisch auf alle anderen Access Points WLAN 5100 des Clusters übertragen (Bild 6).

Der Aufbau großer Netze erfordert funktechnisches Know-how

Die beiden Funkstandards WLAN und Bluetooth haben sich in der Fabrikautomation etabliert. Der Anwender muss sich hier jedoch nicht nur für die richtige Funktechnologie entscheiden, sondern sein Augenmerk auf das Gesamtkonzept des Wireless-Netzes legen. Dazu gehören Funkmodule, die auf die Anforderungen der industriellen Automatisierung abgestimmt sind, sowie das passende Netzwerkkonzept. Insbesondere für den Aufbau größerer Wireless-Netze sind funktechnisches Know-how und umfangreiches Praxiswissen erforderlich. Deshalb beinhaltet das Portfolio von Phoenix Contact neben zahlreichen industriellen Funkkomponenten auch vielfältige Dienstleistungen im Umfeld der Netzwerk-Konzeption.

Komplettes Produkt- und Dienstleistungsangebot

Um einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, sollten funktechnisch versierte Automatisierungs-Spezialisten in die Planung und Umsetzung eines Funknetzwerks einbezogen werden. Deshalb bietet Phoenix Contact den Anwendern nicht nur Komponenten und Systeme auf Basis der Wireless-Standards WLAN, Bluetooth und Trusted Wireless an, sondern unterstützt sie auch im Bereich industrielle Netzwerktechnik und Funkkommunikation (Bild 7). Das umfassende Dienstleistungs-Spektrum, das sich auf praktische Erfahrungen von mehr als zehn Jahren gründet, reicht dabei von der Beratung über die Anforderungsanalyse und Konzepterstellung bis zur Konfiguration und Inbetriebnahme des drahtlosen Netzwerks.

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