Bei der Betrachtung einer typischen Fertigungsanlage lassen sich sofort zahlreiche Applikationen erkennen, die von einer drahtlosen Kommunikation profitieren oder diese sogar voraussetzen. Beispiele sind unter anderem 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 sind weitere Anwendungsbeispiele.

Anwendungsbeispiel Bring your own device: Komponenten wie der 'Anybus Wireless Bolt' ermöglichen den Zugriff auf den internen Webserver der Maschinensteuerung und sind eine kostengünstige Alternative zu HMIs.

© HMS Industrial Networks

In den meisten Fällen steht allerdings nicht die Einsparung von Verkabelungskosten im Vordergrund. Vielmehr ergeben sich aus einer schnelleren und zuverlässigeren Funkkommunikation Kostenvorteile, die aus der vereinfachten Konstruktion, größerer Flexibilität und Verschleißfreiheit resultieren. Vor diesem Hintergrund haben sich drahtlose Automatisierungsnetzwerke bereits in zahlreichen Fertigungsanlagen etabliert. So schätzt HMS Industrial Networks den Marktanteil der wireless Netzwerke in der Fabrikautomation bereits auf etwa 6 % der 2017 neu installierten industriellen Netzwerk-Teilnehmer.

Das Schlagwort ‚Bring Your Own Device‘ – kurz BYOD – beschreibt den Trend, bei dem moderne Smart Devices wie Tablets oder Smartphones genutzt werden, um über deren integrierten Internetbrowser oder spezielle Apps Maschinen zu parametrieren, zu bedienen und Diagnosedaten abzufragen. Diese Geräte bringen heute standardmäßig wireless Technologie mit und bieten dank des im mobilen Betriebssystem integrierten Webbrowsers Visualisierungsmöglichkeiten wie klassische HMIs. Bei verketteten Systemen wie beispielsweise Druck- und Verpackungsmaschinen verspricht der BYOD-Ansatz eine spürbare Kostenreduktion: Wo bisher für jede Einzelmaschine des verketteten Systems ein teures, fest installiertes HMI notwendig war, kann der Techniker über sein Tablet oder Smartphone nun quasi ‚im Vorbeilaufen‘ direkt auf jede Einzelmaschine zugreifen. Dieser Trend wird durch die neuen auf Windows 8 und 10 basierenden Tablets verstärkt, auf denen auch Windows-basierte HMI-Standard-Anwendungen wie beispielsweise Win-CC oder Labview laufen, welche die Anwender vom stationären Windows-basierten HMI gewohnt sind. Die Verbindung zwischen dem Smart Device und dem Fertigungsnetzwerk erfolgt schließlich über Funkgateways, die in diesen Applikationen als Wireless Access Point arbeiten.

Funk statt Schleifring

Mit seiner kompakten Bauform lässt sich der 'Anybus Wireless Bolt' ideal direkt an der Maschine montieren.

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Funkgateways, die als ‚wireless Bridge‘ zum Einsatz kommen, fungieren oft als Kabel-Ersatz, da mit ihnen eine verschleißfreie und performante Datenübertragung auch in Anwendungen mit besonderen Anforderungen wie zum Beispiel Portalkränen, fahrerlosen Transportsystemen, Abfüll- und Verpackungsanlagen oder Kläranlagen realisierbar ist. In diesen Anwendungen lassen sich somit teure mechanische Schleifringe und Schleppketten ersetzen. Die Datenübertragung bei der Anwendung des Funkgateways als Kabel-Ersatz erfolgt meist in Form einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung.

Wichtig sind die Auswahl der richtigen Funktechnologie (Bluetooth oder WLAN) und der nötige Sachverstand bei der Installation und Antennenausrichtung. Und nicht zuletzt müssen auch die Anforderungen an das Echtzeit-Verhalten sowie die Menge der zu übertragenden Daten auf die Möglichkeiten der wireless Lösung zugeschnitten werden. 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 aufzubauen sind. Denn gerade zeitkritische Automatisierungsaufgaben 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: WLAN ist nicht immer zwangsläufig die beste Wahl. Vielfach ist daher der Einsatz der Bluetooth-Kommunikation in industriellen Anwendungen die bessere Alternative. Fast jedes kommunikationsfähige mobile Gerät bietet heute ein integriertes Funkmodem, das beide Funktechnologien unterstützt.Als Faustregel lässt sich festhalten: Blue- tooth (IEEE 802.15.1) ist die richtige Wahl, wenn Robustheit und Stabilität der Verbindung die wesentlichen Kriterien sind. WLAN (IEEE 802.11) bietet sich an, wenn es auf einen hohen Datendurchsatz ankommt. Während beispielsweise Daten zwischen autonomen Transportsystemen und dem überlagerten Fertigungsnetzwerk via WLAN übertragen werden, erfolgt der Austausch mit bewegten oder rotierenden Komponenten einer Maschine sinnvoller über das maschineneigene Bluetooth-Netzwerk.

Das 2,4-GHz-Band eignet sich aufgrund seiner besseren Ausbreitungs-Charakteristik ideal für den Einsatz in industriellen Szenarien. Insbesondere durchdringen Funkwellen in diesem Frequenzbereich Wände und Hindernisse besser als Funkwellen in höheren Frequenzen.

2,4 oder 5 GHz WLAN?

Allerdings werden die Frequenzen des 2,4-GHz-Frequenzbandes traditionell von einer Vielzahl verschiedener Funksysteme verwendet. Dies führt oft zu einer höheren Belastung der Kanäle.

Die Frequenzen des 5-GHz-Bandes sind hingegen häufig weniger durch konkurrierende Netze belastet, da ­an­dere Funktechnologien, wie etwa Bluetooth, schnurlose Telefone und günstigere WLAN-Lösungen oftmals auf das 2,4-GHz-Band begrenzt sind. Jedoch bringt die Verwendung des 5-GHz-Bandes auch Schwierigkeiten mit sich: Die Funkwellen lassen sich aufgrund ihrer höheren Frequenz deutlich stärker durch physische Hindernisse beeinflussen. Deshalb ist die Reichweite von 5-GHz-WLAN-Übertragungen in Gebäuden oder Industrieanlagen in der Regel etwas geringer als bei einer vergleichbaren Übertragung im Frequenzbereich von 2,4 GHz (Hilfe bei der Auswahl der Funktechnologie gibt ein ausführliches Whitepaper, das unter www.anybus.de kostenlos zum Download bereitsteht).

Industrie versus Office

Die Anybus Wireless Bridge kommt meist als Kabel-Ersatz in beweglichen Anwendungen zum Einsatz und ermöglicht Funkstrecken von bis zu 400 Metern.

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Industrielle Anwendungen stellen vielfältige Anforderungen an die Qualität eines Funknetzes,  die weit über die Anforderungen im Office- und Privatbereich hinausgehen. Die Kernanforderungen an zukunftssichere drahtlose Verbindungen in der Fertigung sind ein möglichst hoher Durchsatz, geringe Latenz und eine gute Flächenabdeckung.

Selbst wenn es sich bei WLAN und Bluetooth um standardisierte Funktechnologien gemäß IEEE 802 handelt, die ebenfalls im Home- und Office-Umfeld Verwendung finden, sind für die Nutzung im industriellen Bereich speziell konzipierte und funktional erweiterte Geräte erforderlich. So müssen die Komponenten neben einer robusteren Hardware und einem größeren Temperaturbereich flexible Montagemöglichkeiten sowie eine langfristige Verfügbarkeit bieten. Darüber hinaus gibt es funktionale Unterschiede, die über die Eignung für eine automatisierungsspezifische Anwendung entscheiden. Dazu zählen etwa die Optimierung auf kurze, zyklische Datenpakete bei geringen Latenzzeiten, das schnelle und stabile Roaming, die Unterstützung spezifischer Mechanismen von Automatisierungsprotokollen wie Profinet und Ethernet/IP sowie die harte Echtzeit-Priorisierung der Kommunikation. Eine Gerät, das all diese Anforderungen an ein industrielles Funkgateway erfüllt, ist beispielsweise der so genannte ‚Anybus Wireless Bolt‘ von HMS. Mit seiner besonderen Bauform und der integrierten Antenne ist er speziell für den Einsatz direkt an der Maschine konzipiert. Im robusten IP67-Gehäuse sind dabei Anschluss, Kommunikationsprozessor und integrierte Antenne in einer Einheit vereint.

Der Wireless Bolt unterstützt sowohl WLAN (2,4 oder 5 GHz) als auch Bluetooth. In der Betriebsart ‚Wireless Bridge‘ wird über zwei drahtlos miteinander verbundene Bolt eine Funkstrecke hergestellt. In der Betriebsart ‚Access Point‘ fungiert ein Bolt als Übergabepunkt zwischen den verdrahteten ­Netzwerk-Teilnehmern und den über Funk verbundenen beliebigen anderen Netzwerk-Komponenten. Als Access Point stellt der Bolt meist den drahtlosen Zugang zum Steuerungsnetzwerk der Maschine her. So können Maschinen per Tablet-PC oder Smartphone konfiguriert, parametriert und bedient werden. Auch der aktuelle Betriebszustand der Maschine, Produktionsstückzahlen oder Diagnosedaten lassen sich per Funk abfragen. Die Reichweite der Funkverbindung beträgt dabei bis zu 100 m.

Autor:
Michael Volz ist Geschäftsführer von HMS Industrial Networks in Karlsruhe.