Mobile Transportsysteme Funk in der Fertigung klug planen – was zu beachten ist

Autor / Redakteur: Jürgen Weczerek* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Heute bestellt, morgen geliefert: Diese Erwartung der Kunden stellt Intralogistik-Anbieter für den Online-Handel oder E-Commerce schon jetzt vor große Herausforderungen. Entsprechende Lösungen müssen nicht nur flexibel und effizient, sondern vor allem schnell sein. Mit für den Industriebereich optimierten WLAN Access Points ist das möglich.

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Automatisierte Transportsysteme sind in der Logistik und im innerbetrieblichen Teiletransport auf dem Vormarsch.
Automatisierte Transportsysteme sind in der Logistik und im innerbetrieblichen Teiletransport auf dem Vormarsch.
(Bild: Phoenix Contact)

Aufgrund der genannten Anforderungen werden im Intralogistik-Bereich seit einigen Jahren vermehrt kleine automatisierte, teilweise autonom agierende Transport- und Lagersysteme – wie Shuttle, Carry oder AGV (Automated Guided Vehicle) – eingesetzt. Der Materialtransport in der Fertigung steht ebenfalls vor einem Wandel. Da das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 eine hochflexibilisierte Produktion bedingt, wird sich die industrielle Herstellung von der derzeit üblichen Taktfertigung immer mehr zu einer neuen Art der Werkstattproduktion ändern. Der steigende innerbetriebliche Materialtransport zwischen den verschiedenen Fertigungseinheiten erfolgt dabei zukünftig vermehrt durch automatisierte Shuttle- oder fahrerlose Transportsysteme. Diese sind per Funk an eine übergeordnete Steuerungslösung angebunden, wobei die drahtlose Datenübertragung zuverlässig funktionieren muss.

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Datenaustausch über Wireless LAN

Obwohl die Transportsysteme über eigene Steuerungen verfügen, mit denen sie teils autonom agieren können, sind sie ständig kommunikativ in die Anlagensteuerung zu integrieren. Weil sich Ethernet in der Fabrikkommunikation als durchgängiger Übertragungsstandard zwischen den IT- und Produktionssystemen etabliert hat, wird aktuell zumeist Wireless LAN gemäß IEEE 802.11 für den Datenaustausch mit den mobilen Transportsystemen verwendet.

Denn Wireless LAN bietet bereits die für mobile Anwendungen notwendigen Grundfunktionen. So können mehrere Access Points, die via Ethernet miteinander verbunden sind, ein gemeinsames WLAN-Netzwerk bilden. Auf diese Weise lassen sich selbst große Bereiche mit vielen mobilen Teilnehmern einfach flächendeckend mit einem ausreichend guten WLAN-Signal abdecken. Die mobilen WLAN-Teilnehmer können sich dann im WLAN-Netz frei bewegen. Dort wechseln sie automatisch zum jeweils besten Access Point, um stets die optimale Kommunikationsverbindung zu nutzen. Der Wechsel (Handover) zwischen zwei WLAN Access Points wird als Roaming bezeichnet.

Voraussetzung in der Fabrik: Seamless Roaming

Die in Standard-WLAN-Module implementierten Roaming-Mechanismen erfüllen die hohen Anforderungen in puncto Schnelligkeit und Zuverlässigkeit, die in mobilen industriellen Automatisierungs-Anwendungen zwingend erforderlich sind, oft nicht. Beim Roaming handelt es sich um einen komplexen Vorgang, bei dem die Verbindung zwischen Teilnehmer und Access Point jedes Mal ab- und erneut wieder aufgebaut werden muss. Damit die bestehende Verschlüsselung erhalten bleibt, ist der Schlüssel gemäß IEEE 802.11i nach jedem Wechsel neu auszuhandeln. Das führt zu einer kurzen Unterbrechung der Datenübertragung, die bei Standard-WLAN-Modulen etliche hundert Millisekunden bis zu mehreren Sekunden dauern kann. In mobilen Transportsystemen muss das Roamen jedoch so schnell stattfinden, dass die Unterbrechung der Kommunikation nicht zu einem Timeout in der Anwendung und folglich zum Stillstand der Anlage führt. Gefragt ist also ein Seamless Roaming.

Als weitere Herausforderung halten zahlreiche WLAN-Teilnehmer ihre existierende Verbindung so lange, bis sie langsam und instabil wird oder abreißt. Das ist sogar dann der Fall, wenn seit geraumer Zeit ein besser geeigneter Access Point im Empfangsbereich zur Verfügung steht. Das beschriebene Verhalten lässt sich häufig auch bei einem Notebook oder Tablet beobachten. Die langsame Datenrate und somit die lange Belegung des Übertragungsmediums durch einzelne Teilnehmer können erhebliche Verzögerungen und deutlich höhere Latenzzeiten im gesamten Netzwerk nach sich ziehen. Deshalb sollte ein WLAN-Teilnehmer möglichst frühzeitig erkennen, dass ein besserer Access Point vorhanden ist und den Roaming-Vorgang starten.

Kompatibilität zu allen relevanten Standards

In den meist kleineren Testanlagen der Hersteller mobiler Transportsysteme müssen die WLAN-Module oftmals nicht roamen, weshalb die aufgeführten Probleme dort in der Regel nicht auffallen. Bei der Umsetzung der ersten großen Anlage stellt sich schließlich heraus, dass die eingesetzten WLAN-Module den Anforderungen an ein zuverlässiges und schnelles Roaming nicht gerecht werden. Je nach Umgebung können die in den mobilen Transportsystemen verbauten drahtlosen Geräte bis zu mehrere tausend Mal pro Tag roamen. Neben der Schnelligkeit kommt daher der Zuverlässigkeit und Stabilität des Roaming eine entscheidende Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund wurden die industriellen WLAN-Module von Phoenix Contact speziell auf diese Eigenschaften optimiert. Gleichzeitig sind sie zu allen relevanten internationalen Standards kompatibel.

Besser: Aufbau einer eigenen WLAN-Infrastruktur

Insbesondere in Logistik-Applikationen liegt häufig eine von der IT-Abteilung aufgebaute WLAN-Infrastruktur vor, die ebenfalls von den mobilen Transportsystemen genutzt werden soll. Da für das Roaming im Wesentlichen der WLAN-Teilnehmer und nicht der Access Point verantwortlich ist, lassen sich die optimierten WLAN-Module von Phoenix Contact in jedem standardkonformen WLAN-Netzwerk betreiben. Allerdings zeigt die praktische Erfahrung, dass sich eine IT-WLAN-Infrastruktur aufgrund der unterschiedlichen primären Anwendungsbereiche nicht immer für die Verwendung mobiler Transportsysteme eignet. Beispielsweise kann es zu den bereits genannten Einschränkungen hinsichtlich der Schnelligkeit und Zuverlässigkeit des Roamens kommen.

In kritischen Automatisierungs-Applikationen, die hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit stellen, empfiehlt sich deshalb grundsätzlich eine eigene WLAN-Infrastruktur. Das gilt besonders für Anwendungen, in denen auch Safety-Signale an die mobilen Systeme übertragen werden müssen. Die WLAN Access Points und WLAN Client-Funktionen von Phoenix Contact sind hier bestens aufeinander abgestimmt. Daraus resultiert eine deutliche Verbesserung in puncto Schnelligkeit und Zuverlässigkeit.

Ermittlung des optimalen Roaming-Zeitpunkts

Der optimale Zeitpunkt für das Roaming ist von der WLAN-Infrastruktur und den örtlichen Gegebenheiten abhängig und daher in der Praxis meist schwierig zu optimieren. Vielfach wird diese Aktivität dem Anwender überlassen, indem unzählige Roaming-Parameter und –Schwellwerte an den WLAN-Geräten eingestellt werden können. Erfahrungsgemäß sind die Nutzer hiermit überfordert. Hinzu kommt, dass es sich bei derartigen Einstellungen oft nur um eine kurzfristige Lösung handelt. Dies, weil sich die Gegebenheiten in den Anlagen schnell wieder ändern und die Parameter und Schwellwerte erneut festgelegt werden müssen. Deswegen arbeitet Phoenix Contact kontinuierlich an der Verbesserung des Roaming-Mechanismus, sodass er in jeder Umgebung stets automatisch den optimalen Roaming-Zeitpunkt ermittelt.

Gute Funkplanung: MiMo-Antennentechnologie nutzen

Je besser das empfangene Signal ist, umso schneller und zuverlässiger gestaltet sich der Datenaustausch. Neben einer guten Funkplanung haben die eingesetzten Produkte ebenfalls einen maßgeblichen Einfluss auf diese Situation. Gerade das industrielle Umfeld zeichnet sich durch viel Metall aus, weshalb die Funkwellen in hohem Maße reflektiert werden. Während die älteren WLAN-Standards IEEE 802.11a/b/g noch Probleme mit diesem Zustand haben, nutzt der neue WLAN-Standard IEEE 802.11n mit der MiMo-Antennentechnologie (Multiple Input Multiple Output) die Reflektionen gezielt zur Steigerung der Datenrate sowie der Zuverlässigkeit aus. Werden sowohl die Access Points als auch die in den mobilen Systemen installierten WLAN-Module gemäß IEEE 802.11n betrieben, besteht häufig in einem erheblich größeren Bereich ein ausreichend schneller und stabiler Signalempfang. Die MiMo-Technik erfordert jedoch die Verwendung von mindestens zwei oder mehr Antennen pro Gerät.

Die Antennen stellen eine meist unterschätzte Komponente dar. Eine qualitativ hochwertige und robuste Industrieantenne ist teuer, allerdings langfristig eine lohnende Investition, da sie einen großen Einfluss auf die Signalqualität und damit die Zuverlässigkeit und Schnelligkeit der Datenübertragung hat. Gute Antennen entfalten ihre Vorteile aber lediglich dann, wenn sie im Hinblick auf ihre Abstrahlcharakteristik so montiert werden, dass ihre Sendeleistung in die richtige Richtung abstrahlt. Vor diesem Hintergrund muss der Antennentyp zum Installationsort passen.

* Dipl. Ing. (FH) Jürgen Weczerek, Product Marketing Network Technology, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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