Klassische industrielle WLAN Access Points für den Industrie-Einsatz mit unterschiedlichen Schutzklassen und IEEE-802.11n-Technologie.

Zunehmend sind in den letzten Jahren in der Automation „WLAN Access Points" gemäß IEEE-Standard 802.11 in Kombination mit Feldbus- Systemen und Industrial Ethernet-Netzwerken installiert worden. Denn obwohl sich WLAN momentan weder hinsichtlich Geschwindigkeit noch Zuverlässigkeit mit den drahtgebundenen Kommunikationsverfahren messen kann, bietet diese Funktechnologie ein hohes Maß an Flexibilität. Da die miteinander kombinierten drahtgebundenen und drahtlosen Automatisierungsnetzwerke auf unterschiedlichen Technologien und Topologien basieren, werden sie oft als „hybride" Netzwerke bezeichnet.

Den Ansatzpunkt für ein hybrides Netzwerk bildet häufig die Installation eines auf Ethernet basierenden Backbones, das beispielsweise einzelne Produktionszellen miteinander verbindet. Innerhalb dieser Produktionszellen sind, je nach Anforderung an die Applikationen, die einzelnen Maschinen über Kabel oder via Funk miteinander verbunden. Herausforderungen sind hierbei die für WLAN ungünstigen Übertragungsbedingungen in einer Produktionshalle - dazu gehören etwa stabile Gebäudewände oder Metallgerüste - sowie die Zuordnung der mobilen Teilnehmer zu bestimmten Access Points. Insbesondere ist dies vor allem dann schwierig, wenn ein Teilnehmer den Sende-/Empfangsbereich eines Access Points verlässt und deshalb eine Übergabe an den nächsten Access Point erfolgen muss.

Einen solchen „Handover" deterministisch - also ohne längere Unterbrechung der Kommunikation - durchzuführen, gehört zu den Themen, denen sich Forschungsprojekte auf dem Gebiet industrieller WLAN-Systeme heute stellen. Stellvertretend sei hier das europäische Förderprojekt „FlexWare" (Flexible Wireless Automation in Real-Time Environments) genannt, mit dem ein Konzept für die Fabrik der Zukunft entwickelt werden soll. Drahtlose Netzwerke sind dafür der Schlüssel, der zusammen mit drahtgebundenen Netzwerken und intelligenter Software für einen integrativen Ansatz genutzt wird, während Funktechnologien heute nur zur Lösung von speziellen Aufgaben Einsatz finden. Dabei werden insbesondere für die Funktionsweise eines solchen kombinierten Systems wichtige Aspekte wie Ortung und Positionierung mobiler Teilnehmer erörtert.

Bei der technischen Umsetzung legt sich das Förderprojekt bewusst nicht ausschließlich auf die heute verwendete WLAN-Technologie fest, sondern definiert grundlegende Anforderungen, auf deren Basis auch Funktechnologien zum Einsatz kommen können, die zurzeit noch nicht verfügbar sind.

Ende des Nischendaseins

Störunanfällige Wireless-Variante mit „Multiple Input Multiple Output“-Technologie (MIMO): Wireless LAN nach IEEE 802.11n nutzt mehrere Antennen gleichzeitig, um eine verbesserte Verbindungsgüte und höhere Übertragungsraten zu ermöglichen.

Es ist zu erwarten, dass in den nächsten Jahren die technischen Lösungen die Nachteile der Funktechnologien gegenüber den drahtgebundenen Technologien auf ein vertretbares Maß reduzieren oder langfristig sogar eliminieren.

Dann lassen sich drahtlose Übertragungssysteme selbst in betriebsnotwendigen oder sicherheitsrelevanten Applikationen erfolgreich einsetzen - bereits heute bieten verschiedene Hersteller beispielsweise drahtlose Notaus-Schalter für Maschinen an. Es ist also nur eine Frage der Zeit, bis sich die Funktechnologien auch in Bereichen durchsetzen, in denen dies aus heutiger Sicht technisch noch unmöglich ist.

Wichtige Arbeiten für diesen nächsten Evolutionsschritt gehen die maßgeblichen Standardisierungsgremien für die Kommunikationstechnologie an - etwa die IEEE-Arbeitsgruppe 802. Sie bekommen zunehmend Themen zur Standardisierung vorgeschlagen, die von der Grundlagenforschung schon seit einigen Jahren intensiv erforscht werden. Dazu gehören etwa die technischen Voraussetzungen und Anwendungsmöglichkeiten kontextsensitiver Systeme, die unter anderem der Sonderforschungsbereich 627 der Universität Stuttgart in dem Projekt „Nexus" untersucht. Insbesondere das Teilprojekt „Smart Factory" betrachtet gezielt den Einsatz solcher Systeme in der Automatisierung.

Was aber macht ein kontextsensitives System? Ein solches System realisiert nicht nur die Kommunikation, sondern passt die den mobilen Teilnehmern zur Verfügung gestellten Daten auch dem jeweiligen räumlichen Umfeld an, in dem diese sich gerade befinden. Um die Teilnehmer zu identifizieren und exakt zu orten, kommen sowohl drahtlose Nahbereichstechnologien wie beispielsweise ZigBee oder Bluetooth als auch drahtlose lokale Netzwerke zum Einsatz. Nach diesem Prinzip funktionieren etwa dynamische Werbetafeln, auf denen Passanten - die anhand ihres Mobiltelefons erkannt werden - die für sie bestimmte Werbung sehen oder über das Telefon ortsbezogene Informationen zugestellt bekommen.

Auch wenn dieses Beispiel noch fernab der Automatisierung liegt, verdeutlicht es das große Potenzial, das kontextsensitive Systeme für den Einsatz im industriellen Bereich besitzen. Denn die Ortung und Identifikation der Teilnehmer lässt sich dort mit bereits bestehenden Technologien wie etwa Bildverarbeitungssystemen koppeln, was bislang ungeahnte Möglichkeiten der dynamischen Kontrolle und Steuerung von Produktionsanlagen ermöglicht.

Funktechnologie - der Schlüssel zur Zukunft

Die „Evolution der Automatisierungsnetze“: Verbesserte drahtlose Kommunikations-technologien ermöglichen zukünftig flexiblere Installationen innerhalb von Fertigungszellen.

Um den Nutzen eines solchen Automatisierungsnetzwerks vollständig zu erschließen, muss allerdings in der Fertigung ein Umdenken erfolgen. Denn dort ist der Blick nach wie vor auf die Produktionsanlagen gerichtet. Eine solche Sichtweise ist sinnvoll, solange die Anlagen als geschlossene Systeme mit definierten Ein- und Ausgängen sowie einem definierten Verhalten betrachtet wird. Die Betrachtungsweise ist sinnvoll, da so der Gesamtaufwand in puncto Kontrolle und Kommunikation, der für den Betrieb erforderlich ist, reduziert ist. - Die Flexibilität der Fertigung ist dadurch jedoch erheblich eingeschränkt!

Ein kontextsensitives Automatisierungsnetzwerk stellt diese Sichtweise auf den Kopf. Denn die Fokussierung auf die Produktionsanlagen wird von einem de- zentralen Ansatz abgelöst, bei dem die einzelnen Werkstücke, die auf den Anlagen hergestellt werden, im Vordergrund stehen. Durch ihre nahtlose Erfassung und Identifikation innerhalb eines drahtlosen Netzwerks kann für jedes Werkstück in einer Datenbank ein Satz von Attributen hinterlegt werden, beispielsweise der Istund Soll-Zustand. Diese Attribute lassen sich dann noch weiter aufschlüsseln, um in der Datenbank des Automatisierungsnetzwerks einen detaillierten Überblick darüber zu erhalten, welche Produktionsschritte ein Werkstück noch durchlaufen muss, bis es fertig gestellt ist.

Die Produktionsanlagen selbst arbeiten dabei nicht mehr streng sequenziell, sondern „dienstorientiert". Dies bedeutet, dass die einzelnen Module der Anlagen bestimmte Arbeitsschritte zur Verfügung stellen, die ein Werkstück durchlaufen muss. Deshalb bilden kontextsensitive Automatisierungsnetzwerke nicht mehr starre Produktionsanlagen ab, sondern einzelne Fertigungsmodule, die unabhängig voneinander, also flexibel gestaltet sind. Diese Module bieten ihre Dienste im Netz an und die Werkstücke können diese dann belegen.

Befindet sich ein Werkstück in einem Stadium, in dem mehrere unterschiedliche Produktionsschritte möglich sind, kann anhand der im Netzwerk zur Verfügung stehenden Dienste entschieden werden, welcher als nächster folgt. So können Produktionsprozesse dynamisch optimiert und auf ein und derselben Anlage ohne größeren Zusatzaufwand Produkte in zahlreichen Varianten hergestellt werden.

Zentrale Verwaltung kontra Schwarm-Intelligenz

Möglich wird ein solches Vorgehen durch ein nahtloses Ineinandergreifen von drahtlos kommunizierenden Sensoren und Aktoren, einer zentralen Datenbank zur Erfassung und Verwaltung aller Informationen über Werkstücke und Anbieter von Diensten sowie einer Steuerungsintelligenz. Diese kann sowohl zentral auf einem Steuerungsrechner mit einem festen Satz an Algorithmen arbeiten oder als dezentrale Steuerungsintelligenz auf den einzelnen Teilnehmern vorhanden sein.

In der zentralen Variante wertet die Steuerung alle Informationen aus, die sie aus dem Netzwerk beziehungsweise der Datenbank entnehmen kann und vergibt - ähnlich wie ein Scheduler in einem Betriebssystem - Anweisungen an die einzelnen Teilnehmer. In der dezentralen Variante ist die Steuerung als kollektive Intelligenz auf allen Teilnehmern vorhanden. Dadurch verhält sich das System ähnlich wie ein Bienenschwarm.

Welche Variante sich für welche Applikationen eignet, wird sicherlich Bestandteil zukünftiger Forschungsvorhaben sein. Beide sind jedoch ohne ein leistungsfähiges drahtloses Netzwerk undenkbar, das jedem Teilnehmer stets eine optimale Kommunikation mit den anderen Teilnehmern, dem drahtgebundenen Backbone sowie den zentralen Steuerungs- und Überwachungsinstanzen ermöglicht. Um dies zu gewährleisten, bedarf es einer Vielzahl von Funktechnologien mit unterschiedlichen Stärken, die durch Netzwerke mit Basisstationen und mobile Ad-hoc- Netzwerke unterschiedlicher Ausprägung ergänzt werden.

Selbstorganisierende Netzwerke erfahren Marktreife

Werden drahtlose Lösungen heutzutage hauptsächlich zur Abdeckung von Nischenanwendungen oder in bestimmten, besonders geeigneten Umgebungen eingesetzt, werden sie schon mittelfristig eine tragende Rolle in modernen Automatisierungsnetzwerken spielen. In den Standardisierungsgremien wird dieses Thema an vielen Stellen bereits behandelt (zum Beispiel IEC SC65C/WG15, ISO JTC 1/WG7). Momentan sind die Bestrebungen jedoch zumeist noch darauf ausgelegt, die drahtlosen Übertragungstechnologien an die Anforderungen industrieller Netzwerke anzupassen.

Sind diese Herausforderungen mittelfristig gelöst, breitet sich die Standardisierung langfristig auf den strukturellen Bereich der Automatisierungsnetzwerke aus. Somit ist abzusehen, dass sich kontextsensitive, selbst organisierende Netzwerke langfristig aus der Forschung über die Standardisierung bis zur Marktreife wandeln und gegenüber den bestehenden Systemen als weit überlegen erweisen. Die heute vorhandenen hybriden Automatisierungsnetzwerke markieren erst den Anfang dieser Entwicklung.

Autor: Oliver Kleineberg ist Mitarbeiter in der Vorentwicklung der Hirschmann-Produkte bei Belden.