Nach anfänglichen Vorbehalten haben sich Funklösungen in der Automatisierungstechnik inzwischen etabliert. Das gilt selbst für sensible Anwendungsbereiche wie die funktionale Sicherheit und explosionsgefährdete Umgebungen. Im Zuge dieser Entwicklung kommen zunehmend auch Wireless-Schaltgeräte zur Anwendung – zum Beispiel Positions-, Seilzug- oder Fußschalter, aber auch berührungslos wirkende Schaltgeräten wie Induktiv-, Magnet- und optische Sensoren. Allerdings handelt es sich dabei zumeist um Insellösungen mit jeweils eigenen Auswertegeräten, die erst auf der darüber liegenden Ebene in die IT-Lösungen des Anwenders integriert werden. Gerade die Diskussion um Industrie 4.0 zeigt aber, dass künftig Weiterentwicklungen und neue Standards erforderlich sind, um die Vorteile der Funkkommunikation auf ‚Shopfloor‘-Ebene noch besser auszuschöpfen.

Der amerikanische Begriff ‚Internet of things‘ macht noch besser als ‚Industrie 4.0‘ deutlich, worum es hier geht: Wenn Maschinen, Werkzeuge und (Halbfertig-) Produkte miteinander kommunizieren, werden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen nicht ausreichen. Vielmehr müssen dann Funknetzwerke bereitstehen, die idealerweise mit Schnittstellen zur Unternehmens-IT wie etwa ERP-Systemen oder Lagerverwaltungs-Software ausgestattet sind und direkt mit diesem Systemen kommunizieren können.

Kanban-Regale sind eine typische Anwendung von Funknetzwerken. Wird ein Behälter entnommen, erfolgt ein Signal an die Steuerung und es wird Nachschub angefordert.

© Steute Schaltgeräte

Allerdings führt der Begriff ‚Internet of things‘ auch ein wenig in die Irre, denn er geht davon aus, dass künftig jedes Werkzeug und jedes Produkt über eine eigene IP-Adresse erreichbar sein wird. Eine solche Lösung ist schon aus Kostengründen oft schwer realisierbar. Sie ist aber – zumindest solange die Kommunikation innerhalb der Produktion stattfindet – auch gar nicht notwendig, wie aktuelle Beispiele und Projekte zeigen.

Zu den ersten derartigen Projekten, die von Steute umgesetzt wurden, gehörte ein E-Kanban-System, bei dem Funkpositionsschalter in Rollenbahnregalen melden, dass Nachschub erforderlich ist. Der Positionsschalter sendet automatisch und in Echtzeit per Funk ein Signal an eine Kommunikationseinheit, die per WLAN einen Bestellvorgang im übergeordneten ERP-System auslösen kann. Wenn es sich um besonders leichtes Lagergut handelt oder wenn die Regale so kompakt gebaut sind, dass eine Nachrüstung der Funkwippen nicht möglich ist, kann als Alternative ein Funklichttaster zur Anwendung kommen. Auch Bediensysteme, über die etwa Material angefordert oder dessen Entnahme / Bereitstellung quittiert wird, lassen sich in derartige Netzwerke integrieren. Das besagte E-Kanban-System ist inzwischen unter anderem in den Montagewerken von Automobilzulieferern im Einsatz.

Polling versus Event

Auf dieser Beschreibungsebene klingt die Substitution von kabelgebundenen durch kabellose Schalter oder Sensoren ganz simpel. So einfach ist es jedoch nicht. Um ein industrietaugliches Funknetzwerk aufzubauen, muss die Energieversorgung der Teilnehmer geklärt sein. Ein Funksensor, bei dem einmal im Monat die Batterie getauscht werden muss, ist in der Praxis unbrauchbar. Deshalb spielen gerade bei Funksensoren Low-Power-Architekturen und Energie-Management eine tragende Rolle.

Konventionelle Funkschaltgeräte mit Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Schalt­gerät und Em­pfänger kommen bereits in vielen Bereichen der Industrie zum ­Einsatz. In Zukunft werden diese vermehrt in aus­gedehnte wireless Netzwerke eingebunden.

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Außerdem ist die Art der Datenabfrage grundsätzlich verschieden. Der Automatisierungstechniker ist gewohnt, dass eine Steuerung zyklisch arbeitet. Ist ein analoger oder digitaler Sensor angeschlossen, können die anliegenden Sensordaten mit dem Zyklus der Steuerung abgetastet werden. In Funksystemen ist das anders. Bei einem digitalen Sensor macht es aus der Sicht des Energieverbrauchs Sinn, nur dann Daten zu übertragen, wenn tatsächlich eine Statusänderung vorliegt. Ist das Signal unkritisch, wie etwa bei einem Seilzugschalter für Türöffnungsfunktionen, lässt sich der Sensor mit einem Energiegenerator versehen, so dass ein vollständiger energieautarker Betrieb möglich wird. In der Praxis findet man vielfach Lösungen auf der Basis von Enocean-Technologie, um diesen Anwendungsfall abzudecken.

Ist jedoch eine größere Zuverlässigkeit gefordert, wird eine bestätigte Kommunikation notwendig. Steute realisiert dies durch die eigens für diese Zwecke ent­wickelte sWave-Technologie im 868- ­beziehungsweise 915-MHz-SRD-Band. Die Schalter und Sensoren können dann über kleine Pufferbatterien oder Energiegeneratoren genug Energie aufnehmen, um das Ereignis mehrfach bestätigt zu senden. Der Vorteil dieser Technologie: Der Schalter oder Sensor bemüht sich, dem Funkempfänger zuverlässig die Schaltzustände zu übermitteln.

Ist es für den Prozess von Bedeutung, die Funkschalter permanent auf ihre Betriebsbereitschaft hin zu kontrollieren, so kommt man an einem ‚Lebenssignal‘ nicht vorbei. Sensor und Empfänger tauschen dann in einem lokalen Zyklus Statusinformationen aus, wobei auch hier aus Energiegründen der Sensor die aktive Rolle einnimmt. Geräte dieser Kategorie sind nur noch mit Batterien sinnvoll zu betreiben.