Die Bandbreite der verfügbaren Funktechniken für industrielle Anwendungen ist groß. Standards wie IEEE 802.15.4 (Zigbee), Wireless HART und Bluetooth erfüllen jeweils unterschiedliche Anforderungen, ihre Teilnehmer funken im Kurzstreckenverkehr und gelten als ‚Short Range Devices‘ (SRD).

Access Points ‚sammeln‘ die Funksignale auf der Feldebene.

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Bei der Sensor-Aktor-Kommunikation hingegen hat sich der Frequenzbereich 868 MHz durchgesetzt (beziehungsweise 915 MHz in anderen Weltregionen). Dieser Funkstandard ermöglicht den bidirek­tionalen Betrieb bei einer Reichweite von maximal 60 m im Gebäude und 700 m im Freifeld, weist keine Interferenzen mit DECT-, WLAN-, PMR- und anderen ­Funk­systemen auf und lässt sich gut in Automatisierungssysteme integrieren. Da er mit kurzen Telegrammen arbeitet, sind die Duty Cycles kurz und die Kolli­sions­wahrscheinlichkeiten entsprechend gering.

Viele Anwendungen verlangen eine bestätigte Kommunikation oder eine Abfrage des Zustands eines Sensors, hier ist bi­direktionale Kommunikation zwingend erforderlich. Für diese Anwendungen hat Steute eine eigene Funktechnologie namens sWave 868/915 entwickelt, die sich mit Energy-Harvesting-Systemen oder aber auch batteriegestützt betreiben lässt. 

Uni- oder bidirektional

Um ein günstiges Ausbreitungsverhalten zu erreichen, wurden Frequenzen im Sub-GHz-Bereich gewählt, deren niedriger Energieverbrauch einen Batteriebetrieb der Funksensoren bei Batteriestand­zeiten von mehreren Jahren ermöglicht und ein Batteriemanagement überflüssig macht. 

Die Übertragungssicherheit bei sWave 868/915 wird kontinuierlich ausgebaut – beispielsweise durch eine Ergänzung des Funkprotokolls um die Funktion ‚Listen before talk‘. Sie ermöglicht es dem Schaltgerät, die Belegung der ausgewählten Frequenz zu prüfen, bevor das Signal abgesetzt wird. Bildlich gesprochen ‚hört‘ das kabellose Schaltgerät also zunächst in das Funknetz hinein, bevor es kommuniziert. So wird ausgeschlossen, dass die Übertragung zum Beispiel durch Sender beeinträchtigt wird, die zeitgleich mit höherer Leistung senden.

Fit machen für diese Funktechnologie lassen sich Sensorprinzipien wie Magnet-, Induktiv- und Optosensoren (Lichttaster). Funk-Induktivsensoren kommen in Kombination mit einem Universalsender zum Einsatz. Funk-Magnetsensoren werden unter anderem dazu genutzt, die Position von Maschinenkomponenten, Werkzeugen oder Werkstücken zu detektieren, und auch Security-Aufgaben in der industriellen Gebäudetechnik gehören zum Anwendungsspektrum. Funk-Induktivsensoren übernehmen beispielsweise die Stellungsüberwachung von Ventilen in verfahrens- und prozesstechnischen Anwendungen sowie in der Energietechnik. Und last but not least finden sich Funk-Lichttaster unter anderem in der Intralogistik, wo sie zum Beispiel die Belegung von Förderstrecken oder Regalfeldern mit Behältern oder Kartons prüfen. 

Die meisten Funktechnologien arbeiten heute im 2,4-GHz-Frequenzband. Steute nutzt dieses Band zwar nicht für die Kommunikation von Funksensoren, aber für Funkschaltgeräte. 

Die 2,4-GHz-Technologie

Das 868/915-MHz-Band ist wenig störanfällig und bietet eine mittlere Verfügbarkeit der einkanaligen Funkstrecke. Weitere Eigenschaften sind die geringe ‚Aufwachzeit‘ von 4 ms bei Aktivierung und die Möglichkeit, viele Sender mit einem Empfänger zu verbinden. Das 2,4-GHz-Band hingegen ist mehrkanalig und die Verfügbarkeit der Funkstrecke deutlich höher. Hierzu trägt unter anderem das FHSS-Verfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum) mit acht Kanälen in vier Frequenzgruppen bei. Ein besonderes Verfahren stellt zudem sicher, dass eine gute Koexistenz zu den häufig parallel genutzten 2,4-GHz-Technologien wie WLAN und IEEE 802.15.4 (ZigBee) gegeben ist.

Beim ‚sWave‘-Funksystem weist die 2,4-GHz-Technologie eine vierfache Redundanz auf, die Redundanz von sWave 868/915 ist hingegen einfach. Ein spezielles ‚Pairing‘-Verfahren ermöglicht den störungsfreien Parallelbetrieb mehrerer Sende- und Empfangseinheiten. Allerdings ist die Reichweite von 2,4-GHz-Funkschaltgeräten mit 20 m deutlich geringer. 

Bezogen auf die Marktpositionierung ergibt sich somit eine Zweiteilung: Das 868/915-MHz-Band ist die ‚Basistechnologie‘ für die unregelmäßige Sensor-Aktor-Kommunikation, während sich das 2,4-GHz-Band eher für anspruchsvollere Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit, jedoch kurzer Reichweite eignet. Im 2,4-GHz-Band gibt es zudem dezidierte Funkprotokolle für sicherheitsgerichtete Anwendungen sowie für explosionsgefährdete Bereiche. 

Funknetzwerke für Sensoren

Gateway-Knoten verbinden das Sensornetz mit einem Backend-System, etwa einem IP-Netzwerk. Die Übertragung von Nachrichten über das Sensornetz regelt das Kommunikationsprotokoll ‚sWave.Net‘. Die Middleware stellt grundlegende Dienste bereit.

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Vor allem in Anlagen der Materialflusstechnik macht ein weiterer Trend von sich reden: Funknetzwerke, in denen mehrere Hundert elektromechanische Schaltgeräte und/oder Sensoren über Access Points kabellos mit übergeordneten IT-Systemen kommunizieren. Diese Systeme ergänzen die Funkstandards, die alle auf einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Sensor und Empfangseinheit beruhen. 

Unter dem Namen ‚sWave.Net‘ gibt es ein solches Funksystem für komplexe An-lagen und Netzwerke auch von Steute. Es beschränkt sich auf die unregelmäßige Übertragung kleinerer Datenpakete bei extrem niedrigem Energieverbrauch und hat eine Reichweite bis 700 m im Freifeld beziehungsweise maximal 50 m im mobilen Maschineneinsatz.

Die Schnittstelle zwischen der kundenspezifischen Anwendung und dem Funksystem stellt bei sWave.Net eine Treibersoftware her, die auch das komplette Funksystem verwaltet. In der aktuellen Ausprägung des Funknetzwerks übernimmt diese Software die Kommunikation mit der übergeordneten IT-Infrastruktur, beispielsweise mit dem Lagerverwaltungssystem oder der Produktionsplanung und -steuerung. Da in diesen Bereichen einfach installierbare Standard-Software-Lösungen zur Verfügung stehen, erübrigt sich die Notwendigkeit kundenspezifischer Schnittstellen.

Der Vorteil solcher Funknetzwerke ist die Möglichkeit des Informations- und Datenaustausches über die einzelnen Ebenen hinweg – vom ‚Shopfloor‘ bis zum Management, was insbesondere für die nach Grundsätzen einer Industrie 4.0 gestalteten Produktion wichtig ist. 

Funk-Lagesensor für die Intralogistik

Funksensor für ­E-Kanban-Systeme: Wird der Behälter entnommen, gibt der Sensor, der die Stellung der Wippe erfasst, ein Funksignal über den Access Point an die Materialflusssteuerung.

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Ein spezieller Funksensor wurde für E-Kanban-Systeme entwickelt. Bei dieser Art automatisierter Nachschubversorgung in der Materialflusstechnik erkennt ein Positionsschalter oder Sensor, ob sich ein Behälter auf der Rollenbahn eines Kanban-Regals befindet, und gibt ein entsprechendes Signal an die Steuerung des E-Kanban-Systems. Dabei dient eine groß dimensionierte Wippe als Betätigungselement, ein integrierter Lagesensor erfasst berührungslos die Position der Wippe. Sowohl der Neigungswinkel als auch die Schalthysterese, bei denen ein Signal ausgelöst wird, lassen sich über die ‚sWave.Net‘-Software einstellen. In der Praxis werden diese Funk-Lagesensoren, die es für die Frequenzen 868, 915 und 922 MHz gibt, überwiegend zur Erkennung der Befüllung von Rollenbahnen in Regalsystemen eingesetzt: Wird der vorletzte Behälter entnommen, sendet der Sensor ein Signal an den Funk-Empfänger und fordert Nachschub an. Alternativ können gestufte Signale ausgegeben werden – mehrere Funksensoren in einer Regalzeile melden dann auch die Entnahme des dritt- beziehungsweise vorletzten Behälters. Da derartige Sensoren oft in größerer Anzahl eingesetzt werden, ist ihre Einbindung in ein Funknetzwerk sinnvoll.

Die Möglichkeit, Funksensoren in produktionsweiten ­Netzwerken zu betreiben, wird der Funktechnologie weitere Anwendungsbereiche erschließen – insbesondere in der Materialflusstechnik. Neben E-Kanban-Regalen lässt sich hier beispielsweis an die Überwachung von Toren und Rampenplätzen in Warenverteilzentren oder die Belegungserkennung an mobilen Systemen wie FTS-Flotten (FTS: Fahrerlose Transport­systeme) denken.

Autor:
Andreas Schenk ist Produktmanager Wireless bei Steute Schaltgeräte in Löhne.