Für die drahtlose Kommunikation zwischen Steuerung und Peripherie bietet Industrial Ethernet gute Voraussetzungen. Da die meisten Funkstandards – wie Bluetooth und W-LAN – für die drahtlose Ethernet-Kommunikation entwickelt wurden, lassen sich auch die industriellen Ethernet-Protokolle wie Profinet, Modbus-TCP oder Ethernet/IP transparent übertragen. So können Ethernet-fähige Automatisierungsgeräte – wie modulare E/A-Stationen – oder auch mobile Klein-Netzwerke mit mehreren Teilnehmern drahtlos mit dem Steuerungsnetzwerk verbunden werden. Die Profibus Nutzerorganisation (PNO) hat die Bedeutung der drahtlosen Profinet-Kommunikation früh erkannt sowie die Anforderungen an drahtlose Profinet-Technologien in entsprechenden Arbeitskreisen festgelegt. Als Ergebnis wurden die beiden Funk-Standards IEEE802.11 (W-LAN) und IEEE802.15.1 (Bluetooth) für die transparente Profinet-Kommunikation spezifiziert. Die Standards fließen in die internationale Feldbus-Normung ein. W-LAN und Bluetooth unterscheiden sich deutlich in ihren technischen Merkmalen, und sie adressieren unterschiedliche Anwendungsfelder. Dadurch ergänzen sie sich gut. Während W-LAN seine Stärken insbesondere bei großflächigen Netzwerken mit vielen Teilnehmern ausspielen kann, ist Bluetooth für die drahtlose Anbindung weniger Peripherie-Geräte an lokale Steuerungen geeignet, z.B. bei Bearbeitungsmaschinen oder Robotern. Bluetooth ist schnell genug Verglichen mit den 54MBit/s eines W-LAN-Systems ist die Brutto-Datenrate von Bluetooth bescheiden: Sie beträgt \’nur\‘ 1MBit/s. Für eine Profinet-Kommunikation mit einer Aktualisierungszeit von 8 oder 16ms bietet Bluetooth eine ausreichende Bandbreite. Für die bidirektionale Übertragung der 76Byte großen Profinet-Frames, die alle 16ms erfolgt, wird nur ein Netto-Datendurchsatz von weniger als 80kBit/s benötigt. Systemdichte mit Bluetooth In einer typischen Fabrikhalle sind meist viele Maschinen und andere Anwendungen installiert, die bereits heute oder erst künftig mit drahtloser Kommunikationstechnik ausgerüstet sind oder werden. Da dann viele drahtlose Kommunikationssysteme auf engem Raum unabhängig und störungsfrei parallel zueinander betrieben werden, muss die eingesetzte Funk-Technologie eine hohe Systemdichte ermöglichen. Auch in größeren Steuerungsnetzwerken kann die Möglichkeit einer hohen Systemdichte vorteilhaft sein. Das ist z.B. dort der Fall, wo baulich bedingt keine ausreichende Funkabdeckung für die Anbindung aller Wireless-Teilnehmer an einen zentralen Access Point gegeben ist. In einem Hochregallager, wo die Kommunikation mit mehreren Regalförderfahrzeugen erfolgt, kann es sinnvoll sein, statt eines großflächigen Wireless-Netzwerks mehrere kleinere, lokale und voneinander unabhängige Funknetzwerke einzusetzen, die sich gegenseitig nicht beeinflussen (Bild 3). Da die Bandbreite im Frequenzband begrenzt ist, ist eine effiziente Frequenzbandnutzung Voraussetzung. So lassen sich viele Bluetooth-Netwerke auf engem Raum unabhängig und störungsfrei parallel betreiben. Mit W-LAN 802.11 b/g ist eine hohe Systemdichte so nicht möglich, da lokal nur maximal drei W-LAN-Kanäle parallel nutzbar sind. Parallelbetrieb zu W-LAN W-LAN-Netzwerke auf der Basis des Standards IEEE802.11b gehören in immer mehr Fabrikhallen zur Grundausstattung – zur Ankopplung von Kommissionier-Terminals mit dem Warehouse Management System, zur Kommunikation mit mobilen Service- und Wartungs-PCs sowie zum Telefonieren über Ethernet (VoIP). Die Koexistenz, also der interferenz- und störungsfreie Parallelbetrieb der eingesetzten Funktechniken mit den W-LAN-Netzwerken, ist daher besonders wichtig. Hier kommt ein weiterer Vorteil von Bluetooth zum Tragen: der automatische Koexistenz-Mechanismus AFH (Adaptive Frequency Hopping), der den störungsfreien Parallelbetrieb von Bluetooth und W-LAN im gleichen Frequenzband (2,4GHz) ermöglicht. Der Koexistenz-Mechanismus AFH von Bluetooth erkennt automatisch die von W-LAN benutzten Kanäle und verwendet diese dann selbst nicht mehr. Das Verfahren passt die Kanalnutzung dynamisch den Gegebenheiten an. Taucht plötzlich ein W-LAN-Sender auf, werden die Kanäle sofort freigemacht. Neben dem automatischen Koexistenz-Mechanismus unterstützen industrielle Bluetooth-Geräte wie der Bluetooth Access Point aus der Factory Line-Familie von Phoenix Contact (Bild 2) alternativ die feste Vorgabe der zu nutzenden Frequenzen. Das ist für die Anlagenbetreiber wichtig, die einen Frequenznutzungsplan erstellen, in dem jeder Anwendung entsprechende Frequenzen oder Kanäle im 2,4GHz-Band fest zugeteilt werden. Schwierige Bedingungen Trotz der Vorteile der drahtlosen Kommunikation stehen immer noch viele potenzielle Anwender dem möglichen Einsatz der Funk-Technologie skeptisch gegenüber. Sie zögern, weil sie Zweifel im Hinblick auf die Zuverlässigkeit im rauen industriellen Umfeld haben. Ein besonderes Merkmal von Bluetooth ist dessen robuste und zuverlässige Kommunikation auch unter schwierigen Bedingungen. Hierfür ist insbesondere das bei Bluetooth eingesetzte Frequenzsprungverfahren verantwortlich, das bis zu 1.600 mal pro Sekunde den Übertragungskanal ändert. Damit sind Kommunikationsstörungen fast ausgeschlossen. Auch die vielen Störquellen im industriellen Bereich wie Schweißprozesse, Schaltvorgänge oder Frequenzumrichter, die unterschiedlich starke elektromagnetische (EM) Felder aussenden, haben keinen Einfluss auf die Wireless-Kommunikation. Dafür sorgt die Übertragungsfrequenz von 2,4GHz, die um ein Vielfaches oberhalb der Frequenzen der industriellen Störquellen liegt. Diese reichen meist nur bis in den Kilohertz- oder in den unteren Megahertz-Bereich (Bild 4). Bei fachgerechter Auslegung und Installation sind Befürchtungen, dass sich eine Bluetooth-basierte Kommunikationslösung später als nicht zuverlässig genug herausstellt, meist unbegründet. Viele inzwischen realisierte Automatisierungsanwendungen mit Funk belegen in der Praxis, dass die Kommunikation über Bluetooth dauerhaft zuverlässig arbeitet. Wireless in der Praxis Die Praxis hat gezeigt, dass die Profinet-Kommunikation über Bluetooth auch unter schwierigen Bedingungen langfristig und zuverlässig funktioniert und somit für den Einsatz in der industriellen Automatisierung geeignet ist. Es gibt keinen Grund, dem Wireless-Einsatz mit Skepsis zu begegnen. Anwendungen, die von der Wireless-Kommunikation profitieren könnten, existieren in großer Zahl, und auch die Produkte für den industriellen Funkeinsatz sind verfügbar. Kasten Tiefkühlhaus mit Profinet über Bluetooth gesteuert
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Phoenix Contact Deutschland GmbH
