Hier funkt\’s anders: Funktechnologie im industriellen Einsatz

Analog zur Verbreitung und Akzeptanz von Ethernet in der Automatisierungstechnik, kommt die Wireless-Basistechnologie ebenfalls aus dem Office-Bereich. Die Erwartungshaltung der Anwender ist oft geprägt von diesen funktionalen Eigenschaften, aber auch von der dort etablierten kommerziellen Basis. Der Fertigungsprozess, der über industriegerechte Steuerungen und Kommunikationssysteme automatisiert wird, definiert naturgemäß auch wesentlich höhere Anforderungen an ein Funksystem. Es herrschen verschärfte Umgebungsbedingungen, so dass es für Hersteller auf diesem Gebiet eine Herausforderung darstellt, ein Funksystem industrietauglich zu gestalten. Der Anwender hat es mit einer Vielzahl von äußeren Einflüssen wie Reflexionen, elektromagnetischen Störungen und den parallelen Diensten anderer Funksysteme zu tun. Der \’Äther\‘ ist dadurch deutlich weniger berechenbar als eine exklusiv reservierte Verbindung mittels Kabel. Die Verfügbarkeit eines Funksystems spielt eine entscheidende Rolle für die Anwenderakzeptanz. InduraNET Unter dem Namen InduraNET p (Industrial Radio Network) hat Pilz ein Funksystem entwickelt, das speziell den Bedürfnissen der industriellen Umgebung Rechnung trägt. Besondere Merkmale dieser Technologie sind eine besonders robuste Übertragungstechnik, eine hohe Verfügbarkeit durch neuartige Antennensysteme und die hohe Koexistenzfähigkeit mit anderen Funkdiensten. Durch all diese Maßnahmen soll eine konstant gute Funkverbindung unter allen Einsatzbedingungen gewährleistet werden. Funk kompensiert Nachteile kontaktbehafteter Lösungen Für lineare Maschinenbewegungen werden Schleppkabel und Ketten eingesetzt. Wie bei jedem beweglichen Bauteil in einer Maschine sind auch diese Elemente einem Verschleiß unterworfen und die Lösungen vor allem bei hohen Biegewechseln und kurzen Taktzeiten störanfällig. Für Rotationsbewegungen drehbarer Maschinenteile kommen Drehübertrager oder Schleifringübertragungssysteme zum Einsatz. Spezielle und entsprechend aufwändige Lösungen sind an die geringen Kontaktströme und hohen Signalfrequenzen von seriellen Kommunikationssystemen und Feldbussen angepasst. Diese kontaktbehafteten Elemente sind sehr aufwändig in der Errichtung und im Wartungsfall. Eine Funklösung – so die häufige Erwartungshaltung – kompensiert in erster Linie die Defizite kontaktbehafteter Lösungen. Zusätzlichen Nutzen kann der Anwender aber eine größere Flexibilität erwarten. Eine funkbasierte Lösung lässt sich in der Automation besonders dort sinnvoll einsetzen, wo Daten zwischen statischen und beweglichen Anlagenteilen ausgetauscht werden müssen. Durch keine der bekannten kabelgebundenen Übertragungstechniken ist es letztendlich möglich, eine freie Erreichbarkeit in allen drei Raumdimensionen zu erhalten. Auch dort, wo nachträgliche Erweiterungen mittels einer Kabelverbindung nur aufwändig zu realisieren sind, lässt sich mit dem Einsatz von Funklösungen der planungstechnische Aufwand reduzieren. Konkurrenz im Äther Bei einer Punkt-zu-Punkt-Kabel-verbindung ist der ausschließliche Zugriff der beteiligten Geräte gewährleistet. Die Funkübertragung nutzt dagegen den \’Äther\‘ als Medium, dessen verfügbare Ressourcen sie mit anderen Geräten und Diensten teilen muss. Betrachtet man das offene ISM-2,4GHz-Frequenzband genauer, so fällt auf, dass mit diesem Übertragungskanal nicht nur eine Abgrenzung überlappender Bereiche innerhalb des \’eigenen\‘ Systems erforderlich wird, sondern dass speziell die Koexistenzfähigkeit mit anderen Funkdiensten zu betrachten ist. Bluetooth belegt im ISM-Band 79 Kanäle und wechselt diese in kürzesten Zeitabständen. Das Bluetooth-eigene Frequenzsprungverfahren mit 1.600 Kanalwechseln pro Sekunde bewirkt, dass eine überschneidende Kanalbelegung nur sehr kurzzeitige Kollisionen mit anderen Funkdiensten bewirkt. W-LAN nutzt im ISM-Band 14 Kanäle in Japan, 13 Kanäle in Europa und elf Kanäle in den USA. Kommen in \’Hörreichweite\‘ nun diese beiden konkurrierenden Dienste zusammen, kann Bluetooth durch sein Frequenzsprungverfahren eine W-LAN-Telegrammübertragung stören. Bluetooth versucht zwar durch das zeitweise Aussparen des als belegt erkannten W-LAN-Kanals die Kollisionen abzumildern, kehrt aber periodisch auf die W-LAN-Kanäle zurück, ohne vorher zu prüfen, ob diese belegt sind. Die Folge ist, dass W-LAN seine Datenrate beim Parallelbetrieb mit Bluetooth reduziert. Damit dominiert Bluetooth W-LAN, und es ist keine dauerhafte und sichere Koexistenz möglich. Im Gegensatz zu Bluetooth-Funksystemen beeinflusst InduraNET p durch sein intelligentes Frequenzmanagement keine anderen Industriefunksysteme. Neben den Protokollmechanismen stellt der Zugriffsmechanismus \’Listen before talk\‘ sicher, dass der Funkkanal auch tatsächlich verfügbar ist und nicht bereits durch andere Funkdienste genutzt wird. Gleichzeitig werden die als belegt erkannten W-LAN-Kanäle dauerhaft \’markiert\‘ und ausgeblendet. Folglich sind Kollisionen mit W-LAN sowie eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen. Umgebung nimmt Einfluss auf Funkqualität Neben Wänden und Zwischendecken aus Stahlbeton erweisen sich auch in den Wänden verlegte Wasserrohre und Elektroleitungen, Metallregale, Brandschutztüren, Tür- und Fensterrahmen aus Metall und bedampfte Isolierglasscheiben als dämpfend oder reflektierend für die Funkübertragung im 2,4GHz-ISM-Band. Um dennoch eine möglichst hohe Reichweite und konstante Verfügbarkeit des Funksystems zu erreichen, gilt es, vor dem Errichten eines Funknetzes den optimalen Aufstellort für die Antennen zu ermitteln. InduraNET p stellt hierfür Analysemethoden und Werkzeuge bereit, mit deren Hilfe sich die Feldstärke des Sig-nals am jeweiligen Ort beurteilen lässt. Damit ist es möglich, eine Applikation ohne eine aufwändige Funkplanung oder Ausleuchtungsbetrachtung zu bewerten. Weiterhin ist die Ausbreitung von Funkwellen in einer typischen Industrieumgebung von Reflexionen geprägt. Auch bei einer freien Sichtverbindung in einer Industriehalle herrscht die indirekte Ausbreitung vor. Als Ursache für diese Effekte sind die vielen Metallelemente vorwiegend in Außenwandkonstruktionen und Maschinenelementen oder Werkstücken anzusehen. Reflexionen der Funksignale bewirken Auslöschungen im Funkfeld. Eine industrietaugliche Funklösung kompensiert diese physikalischen Eigenschaften durch eine sehr hohe Empfangsdynamik. Bei einer Reflexion der Funkwelle entsteht gleichzeitig auch immer eine Polarisation. Das hat den Effekt, dass die vormals dreidimensionale Transversalwelle auf eine Schwingungsebene reduziert wird, was mit einer Reduzierung der Leistungsdichte gleichzusetzen ist. Für den InduraNET p-Empfänger kommt deshalb eine hochwertige HF-Technologie zum Einsatz, die entsprechend den Dynamikanforderungen der Industrieumgebung ausgelegt ist. Durch geeignete Antennentechnik werden Mehrwegempfang und Reflexionen kompensiert. Die Strahlungscharakteristik ist an das Polarisationsverhalten in typischer Industrieumgebung adaptiert. Zuverlässige Funktechnologie hat Vorteile Mit InduraNET p gewinnen Anwender mehr Flexibilität und Freiheit bei der Gestaltung von Maschinen und Anlagen. Mit dem Funksystem sind Bewegungen in allen drei Raumdimensionen möglich. Die Flexibilität zahlt sich auch bei der Erweiterung einer vorhandenen Steuerungsinfrastruktur aus, da die für Kabelverbindungen aufwändige Projektierung und Installation entfallen. Die hohe Verfügbarkeit von InduraNet p reduziert Stillstandszeiten und den Aufwand infolge ungeplanter Wartungseinsätze. Schließlich trägt funkbasierte Kommunikation auch dazu bei, Kosten zu sparen, da die bei Kabeln üblichen Aufwendungen für Planung, Installation und Wartung entfallen. Leistungsreserven für die Praxis berücksichtigen Jedem zuverlässigen Betrieb eines Funksystems ist eine Planungsphase vorgeschaltet, in der zunächst theoretische Modelle der lokalen Situation entworfen und diese dann mittels Vergleichsmessungen an die Gegebenheiten vor Ort adaptiert werden. Durch dieses iterative Vorgehen stellt die Planungsphase oftmals einen der aufwändigeren Prozessschritte dar. Hauptmotivation ist letztendlich die Anforderung der Anwender, unter allen Umgebungsbedingungen ein stabiles System zu haben. Beispiel Fabrikhalle: Die Ausmessung soll entscheiden, ob eine dauerhaft zuverlässige Funkverbindung hergestellt werden kann. Hierfür kommt das Inbetriebnahmewerkzeug von InduraNET p zum Einsatz. Dazu wird bei der Basisstation der Signalgeber aufgestellt, der im Normalbetrieb mit 18dBm (60mW) sendet. Mit dem Feldstärke-Analysator wird an der Remotestation eine Empfangsleistung von -80dBm gemessen. Damit beurteilt werden kann, ob noch genügend Reserve besteht, wird die Sendeleistung schrittweise auf den nächstmöglich niedrigeren Wert gestellt. Wenn also die Signale bei der Stellung 0dBm für den Empfänger noch verwertbar sind, ergibt sich eine Leistungsreserve von 18dBm – 0dBm = 18dBm. Ein Funksystem sollte nie an der Grenze der Empfindlichkeit betrieben werden. In der Industrieumgebung ist es als typisch anzusehen, dass Metallteile zur Bearbeitung angeliefert, Transportbehälter bewegt werden oder gar eine komplette Maschine versetzt wird. Charakteristisch an all diesen Vorgängen: der Betreiber ist sich in den wenigsten Fällen bewusst, dass er damit massiv die Ausbreitungseigenschaften des Funkfeldes ändert. Dessen Ausbreitung auf direktem Wege ist nun vielleicht nicht mehr möglich, die indirekten Wege sind von Reflexionen und Dämpfungseffekten geprägt. Systeme ohne ausreichend dimensionierte Leistungsreserve stellen den Betrieb ein. In Applikationen der Industrie sollten mindestens 6dB, besser 12dB Leistungsreserve berücksichtigt werden. Die Inbetriebnahmewerkzeuge von InduraNET p erleichtern das Identifizieren von möglichen Schwachstellen und sorgen so ohne aufwändige Vorplanung und komplexe theoretische Modelle für ein dauerhaft stabiles System. Kasten: Mit dem Einsatz von InduraNet p-Modulen und den entsprechenden Antennen ist es möglich, die dezentrale Steuerungsplattform PSSuniversal an beliebiger Stelle aufzutrennen und Teile davon mobil einzusetzen. Eine PSSuniversal-Basisstation kann so mit bis zu vier Remote-Stationen kommunizieren und I/O-Daten austauschen. Die Linkmodule werden immer paarweise eingesetzt: PSSu WB S IDN funktioniert als Umsetzer auf InduraNet p und befindet sich deshalb immer am Ende des Basissystems. PSSu WR S IDN stellt das Linkmodul des Remote-Systems dar und befindet sich immer am Anfang eines abgesetzten PSSuni-versal-Systems. Für den Anwender entstehen laut Hersteller folgende Vorteile: – Der Anwendungsbereich der dezentralen Steuerungsplattform PSSuniversal wird erweitert. Mit keiner anderen Technologie werden Freiheitsgrade auf allen drei Raumdimensionen möglich. – Der Gerätetausch einfach zu realisieren: alle Konfigurationsdaten werden mittels Chipkarte auf das neue Gerät übertragen. Es sind keinerlei Service- oder Inbetriebnahmewerkzeuge erforderlich. – Durch die transparente Übertragung kann die zentrale Sichtweise auch bei verteilten Systemen beibehalten werden. – Investitionsschutz: auch bei künftigen Ausbaustufen oder einem Wechsel des Kommunikationssystems stehen die InduraNet p-Module mit identischer Funktionsweise und Handhabung zur Verfügung.