Prinzip-Skizze eines Schlitzhohlleiters mit Fahrzeugkoppler: [1] Zuleitung vom Sender (Access-Point), [2] Schlitzhohlleiterprofil, [3] Fahrzeugkoppler, [4] Zuleitung zum Empfänger (WLAN-Client).

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Aufgrund der vielen Vorteile gegenüber einer kabelgebundenen Technik wird die Zahl der Funknetze in Industrieanlagen in Zukunft weiter steigen. Dabei setzt nicht nur die Automatisierungstechnik auf Funk, sondern auch die IT. Das führt in der Summe zur Überbelegung der wenigen zur Verfügung stehenden Frequenzbänder, damit zu gegenseitigen Störungen der drahtlosen Verbindungen und zu einer schlechten beziehungsweise schwierigen Koexistenz. Folglich ist ein hoher Aufwand zu betreiben, um das Funktionieren aller parallelen Funkdienste in einer Fabrik zu gewährleisten. Die Erwartung an die Zuverlässigkeit einer Funkverbindung im Industrieumfeld kommt dabei der einer Kabelverbindung gleich. Um diese Erwartung zu erfüllen, hat SEW-Eurodrive ein spezielles Schlitzhohlleitersystem entwickelt, das eine lokal geführte Ausbreitung der Funksignale in einem Schlitzhohlleiter (SHL) ermöglicht – mit minimierter Abstrahlung nach außen.

Stand der heutigen Technik bei nahezu allen Funkverbindungen ist die Übertragung per Freifunkantennen oder Leckwellenkabel, die naturgemäß das Funksignal in alle Raumrichtungen aussenden und gleichfalls aus allen Raumrichtungen Signale empfangen. Eine derart flächige Verteilung des Funksignals ist jedoch in vielen Fällen gar nicht notwendig. Der Schlitzhohlleiter leitet deshalb die Funkwellen nur lokal dort, wo sie benötigt werden.

Erstmals wurde ein SHL-System Ende der 70er Jahre von Prof. Harald Dalichau und Prof. Klaus Lange entwickelt. Seine wesentlichen Komponenten sind die stationäre Signaleinkopplung, das Aluminium-Strangpressprofil und der mobile Fahrzeugkoppler. Das System hat den Vorteil einer hohen Signaldämpfung gegenüber der Umgebung. Dadurch wird einerseits das interne Signal wenig gestört; andererseits erfolgt nach außen hin nur eine geringe Abstrahlung. Hierdurch verbessern sich direkt die Eigenschaften der Koexistenz mit anderen Funkdiensten.

Systemkomponenten und Frequenzbereiche

Das schwarze Koaxialkabel leitet das HF-Signal vom Schlitzhohlleiter zur Steuerung und zurück.

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Das von SEW konzipierte Schlitzhohlleitersystem besteht aus geraden und gebogenen Profilstücken, Profilver­bindern, der Signaleinspeisung, dem Signalabschluss und den Fahrzeug­kopplern. Entwickelt wurden zwei verschiedene Systeme für die Frequenzbereiche 2,3 bis 3,0 GHz sowie für 5,0 bis 6,0 GHz. Dadurch sind alle WLAN-Frequenzen im 2,4- und 5-GHz-Band abgedeckt. Durch Ändern der geometrischen Abmessungen lässt sich das System auch für andere Frequenzbereiche anpassen.

Zur einfachen Realisierung großer Streckenlängen dient ein ebenfalls neu entwickeltes Stecksystem. Hierbei werden metallische Profilverbinder einfach in die einzelnen Profilstücke gesteckt; ein aufwendiges Verschrauben entfällt. Das steckbare System hat weiterhin den Vorteil, dass temperaturbedingte Längenänderungen des Aluminiumprofils an den Verbindern gleitend ausgeglichen werden. Neben geraden Streckenverläufen sind Kurven und Steigungen möglich.

Am Anfang und Ende eines SHL-Segments benötigt man ein Profilstück für die stationäre Signalanbindung bzw. für einen Signalabschluss. Es soll das HF-Signal des Koaxialkabels in eine H10-Welle wandeln, die sich im Hohlleiter ausbreiten kann.

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Zu Beginn und am Ende eines SHL-Segments ist ein spezielles Profilstück für die Signaleinspeisung beziehungsweise den -abschluss erforderlich. Es hat die Aufgabe, das HF-Signal des Koaxialkabels in einen Wellentyp zu wandeln, der sich im Hohlleiter ausbreiten kann. Das ist gewöhnlich die sogenannte H10-Welle, der Grundmode des Hohlleiters. Auch dieses Profilstück wird einfach mittels eines Profilverbinders aufgesteckt.

Durch die spezielle Beschaffenheit können Signaleinspeisungen und -abschlüsse mit einem Fahrzeugkoppler durchfahren werden. Die Fahrzeugkoppler sind an den Fahrzeugen befestigt und ragen durch die Schlitzöffnung in den Hohlleiter hinein. Falls sich im Profilverlauf des Schlitzhohlleiters Unterbrechungen befinden, zum Beispiel für Weichen, sind auf jedem Fahrzeug zwei Fahrzeugkoppler so montierbar, dass an jeder Fahrposition zumindest ein Fahrzeugkoppler in den Hohlleiter hineinragt. Das Signal breitet sich vom Fahrzeugkoppler in beide Richtungen im Schlitzhohlleiter aus.

Die Auslegung des Schlitzhohlleiters

E-Feldverteilung einer H10-Welle in einem Rechteck­hohlleiter. Damit sich die Funkwelle innerhalb des Schlitzhohlleiters ausbreiten kann, muss seine Breitseite mindestens einer halben Wellenlänge entsprechen.

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Die geometrischen Abmessungen eines Schlitzhohlleiters bestimmen direkt den Frequenzbereich, in dem ein Schlitzhohlleiter genutzt werden kann. Als Richtwert muss dabei die Breitseite des Schlitzhohlleiters mindestens einer halben Wellenlänge entsprechen, damit die Funkwelle innerhalb des Schlitzhohlleiters ausbreitungsfähig ist. Die Form der resultierenden Ausbreitung des (magnetischen) H- und des (elektrischen) E-Feldes im Hohlleiter entspricht dann der H10-Welle.

Die H10-Welle ist für steigende Frequenzen so lange stabil, bis die Breitseite des Hohlleiters einer ganzen Wellenlänge entspricht. Der Hohlleiter wird dann für die sich ausbreitende Funkwelle zu groß und es können weitere Wellentypen (Hohlleitermoden) entstehen. Durch den Wechsel zwischen verschiedenen Wellentypen erhöht sich die Längsdämpfung eines Hohlleiters. Höhere Wellentypen sind deshalb nicht erwünscht. Es ergibt sich somit für einen geschlossenen Hohlleiter mit bestimmten Abmessungen eine untere und eine obere Grenzfrequenz (siehe Formel 1).

Formel 1: Berechnung der oberen und unteren Grenzfrequenz - Die Faktoren 1,2 und 1,9 resultieren daraus, dass in der praktischen Anwendung ein gewisser Abstand zu den theoretischen Grenzfrequenzen eingehalten werden sollte.

Wird nun in den geschlossenen Hohlleiter eine Schlitzöffnung integriert (Schlitzhohlleiter), so muss für die Berechnung der Grenzfrequenzen des Schlitzhohlleiters die Breitseite a durch eine effektive Breitseite a_eff (siehe Formel 2) ersetzt werden.

Der Schlitz in der Mitte der Breitseite des Hohlleiters stört das Feld der H10-Welle nur wenig. Es sind jedoch gewisse Grenzen für die Schlitzbreite und für die Länge des an den Schlitz anschließenden Kamins zu beachten. Hierbei gilt, dass die Schlitzbreite einen Wert von s_max = 0,4*a nicht überschreiten sollte. Für die Länge des anschließenden Kamins sollte die Bedingung h ≥ s erfüllt sein, das heißt die Kaminhöhe sollte mindestens der Schlitzbreite entsprechen. Für kleinere Kaminhöhen oder größere Schlitzbreiten treten Störungen der H10-Welle auf, was in einer erhöhten Längsdämpfung und damit in einer erhöhten Abstrahlung der Funkwelle in die Umgebung verbunden ist. Werden die vorgegebenen Größen eingehalten, so ist die Abstrahlung der Funkwelle in die Umgebung aus theoretischer Betrachtung vernachlässigbar klein.

Schienenfahrzeuge – eine ideale Anwendung

Im Anwendungsbereich der Automatisierungstechnik wird aufgrund der mechanischen Abmessungen vorwiegend das SHL-System im Frequenzbereich 5 bis 6 GHz eingesetzt. Bei diesen Frequenzen besitzt der Schlitzhohlleiter Maße von etwa 4 cm × 5 cm, das heißt, er lässt sich gut in den Bereich der Fahrschiene integrieren. Im Frequenzbereich 2,3 bis 3,0 GHz hat ein Schlitzhohlleiter in etwa die doppelte Größe. Für verschiedene Applikationen hat SEW dementsprechend unterschiedliche mechanische Ausführungen entwickelt und angepasst. Darunter sind Profiltypen zum Einhängen, zum Anschrauben und ein flaches Profil zum Einklicken in eine Halterung an einer EHB-Schiene zusammen mit Stromschienen.

Bei SEW selbst kommt das Schlitzhohlleitersystem unter anderem für die Video- und Messdatenübertragung aus einem sehr schnell bewegten Einschienenfahrzeug in einen Kontrollraum zum Einsatz. Hierbei wird ein 500-m-Rundkurs mit Steigungen und Kurven durch nur zwei WLAN-Access-Points abgedeckt. Der stabile Signalverlauf im Hohlleiter ermöglicht eine zuverlässige und ruckelfreie Videoübertragung über die gesamte Strecke – einschließlich der Roaming-Stellen. Mit Freifunk oder Leckwellenkabeln wäre diese Übertragungsqualität mit vergleichbarem Aufwand nicht zu erreichen. Zudem ergibt sich mit dem Schlitzhohlleiter eine erhöhte Abschirmung des Funksignals gegenüber der Umgebung.

Bei Regalbediengeräten (RBG) findet zum Beispiel ein anschraubbares SHL-Profil Anwendung. Zwei solcher Regalbediengeräte wurden bereits bei Kunden installiert. Der Schlitzhohlleiter kann dabei problemlos mehrere übereinander liegende Ebenen einer Regalgasse mit Längen von 100 m mit nur einem WLAN-Access-Point – das heißt mit nur einem WLAN-Kanal – versorgen, weil ausnahmslos gerade SHL-Stücke mit einer Dämpfung von nur 0,1 dB pro Meter verwendet werden. Damit entfallen in vielen Anlagen die kritischen WLAN-Roaming-Stellen komplett.

Auch bei Einschienenhängebahnen (EHB) sind viele Anlagen durch eine verteilte Signaleinspeisung mit nur einem WLAN-Access-Point und nur einem WLAN-Kanal betreibbar. Beispielsweise wurde die Funkversorgung einer EHB-Anlage am SEW-Standort Suzhou in China mit einer Gesamtstreckenlänge von 370 m mit nur einem Access-Point realisiert. Als weitere Besonderheit ist auf dem Fahrwagen eine kleine Video­kamera integriert, die im laufenden Produktionsbetrieb Videobilder über den SHL an eine zentrale Stelle übermitteln kann, beispielsweise um den Anlagenzustand optisch zu überwachen.

Auch Schlitzhohlleiter und Stromschienen sind bei EHB kombinierbar. Weil für die seitliche Montage an der Tragschiene eine geringe Aufbauhöhe erforderlich ist, wurde das SHL-Profil besonders flach ausgelegt. Für eine einfache Montage entwickelte SEW-Eurodrive ein spezielles Haltesystem, in das das SHL-Profil und die Stromschienen einfach eingeklickt werden können. Die verschiedenen Anwendungen des Schlitzhohlleitersystems zeigen, dass die Funkverbindung im Inneren des SHL extrem stabil verläuft und mit einer sehr geringen Streckendämpfung behaftet ist. Die Entkopplung der Funksignale innerhalb des Hohlleiters gegenüber der Umgebung liegt bei rund 40 dB. Wie bereits erwähnt, können aufgrund der geringen Streckendämpfung und durch eine verteilte Signaleinspeisung mit nur einem WLAN-Access-Point große Streckenlängen versorgt werden. Und durch eine Aneinanderreihung mehrerer APs lassen sich praktisch beliebige Streckenlängen realisieren.

Autor: Dr. Thomas Schäfer ist Mitarbeiter des Fachkreises Funk und Navigation bei SEW-Eurodrive in Bruchsal.

Interview mit Dr. Schäfer - Keine Kontakte, kein Verschleiß

Dr. Thomas Schäfer: "Grundsätzlich verbessert das Schlitzhohlleitersystem bei allen spurgeführten Anwendungen die Qualität der Funkverbindung deutlich."

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Ist ein „eingesperrtes“ WLAN tatsächlich eine Alternative zu konventionellen Kommunikationssystemen und rechnet sich dies auch auf der Kostenseite? Dr. Thomas Schäfer bezieht Stellung.

Herr Dr. Schäfer, das WLAN in einen Schlitzhohlleiter zu „sperren“ klingt interessant – aber kann man dann nicht gleich eine traditionelle, kabelgebundene Übertragungstechnik einsetzen?

Eine kabelgebundene Technik würde in diesem Fall ein Schleifkontakt bedeuten. Aufgrund von Verschleiß und Wartung wollen die Anlagenbetreiber davon wegkommen. Deshalb geht der Trend immer mehr in Richtung kontaktlose Energieübertragung zusammen mit einer Datenübertragung über Funk – und das idealerweise mit einem Schlitzhohlleiter.

Erfunden wurde der Schlitzhohlleiter bereits in den 70er Jahren. Warum beginnt die Industrie erst jetzt damit, diese Technik zu nutzen?

Bisher kam niemand auf die Idee, die bekannte Technik des Schlitzhohlleiters mit der modernen Technik des WLANs zu kombinieren und für Automatisierungsanwendungen zu nutzen. Mit diesem Ziel vor Augen musste das Schlitzhohlleitersystem auf die konstruktiven Gegebenheiten von Einschienenhängebahnen, Schub-Skids oder Regalbediengeräten angepasst werden. Und dies bedurfte einer engen Zusammenarbeit der mechanischen Konstrukteure sowie der Hochfrequenztechniker bei SEW-Eurodrive, um zu dem vorliegenden Ergebnis zu kommen.

Mit welchen Mehrkosten gegenüber einer Freiraum-Funklösung muss bei einer Lösung mit Schlitzhohlleiter gerechnet werden?

Die eingesetzten Komponenten sind nahezu preisneutral. Gleichzeitig gewinnt der Anwender aber Planungssicherheit und die Inbetriebnahmekosten sind deutlich günstiger. Nicht zuletzt geht der Instandhaltungs­aufwand, der in die Total Cost of Ownership einfließt, beim Schlitzhohlleiter gegen Null.
Bei einem Anlagenneubau kann das Schlitzhohlleitersystem oft ohne große Mehrkosten installiert werden.

Wie empfindlich ist ein Schlitzhohlleiter gegenüber Einflüssen wie zum Beispiel Verschmutzung?

Das Schlitzhohlleitersystem eignet sich besonders für Industrie-Umgeb­ungen, bei denen keine hohe Staubbelastung auftritt. Trotzdem ist auch ein Einsatz in schmutzigen Umgebungen denkbar, sofern der Schlitzhohlleiter regelmäßig mit Druckluft gereinigt wird. Dies kann beispielsweise mit einem Wartungsfahrzeug geschehen, das in solchen Umge­bungen meist ohnehin zur Anlagenausstattung gehört.