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Koexistenz: IO-Link Wireless & 5G Kabellose Technologie in der industriellen Automatisierung

| Autor/ Redakteur: Alexander Weber* / Ines Stotz

Heute sind kabellose Anwendungen ganz selbstverständlich und aus unserem Alltag gar nicht mehr wegzudenken. Jedoch im industriellen Umfeld hat man gegenüber der Wireless-Technologie noch Vorbehalte.

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Beide Standards – IO-Link Wireless und 5G – in Koexistenz stiften Mehrwert und potenzieren die Einsatzgebiete der jeweilig anderen.
Beide Standards – IO-Link Wireless und 5G – in Koexistenz stiften Mehrwert und potenzieren die Einsatzgebiete der jeweilig anderen.
(Bild: Coretigo)

Primär liegt der Vorbehalt gegenüber der Wireless-Technologie daran, dass die Produktionsverantwortlichen eine möglichst hohe Maschinenverfügbarkeit anstreben, sind doch Stillstände häufig mit hohen Kosten verbunden. Weil man aber im Gegensatz zu einer kabelgebundenen Lösung die Maschinenkommunikation nicht physikalisch prüfen kann, wird ein möglicher Fehlerfall schnell zur Herausforderung.

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So können sich etwa Kollisionen der Pakete mit relevanten Informationen anderer Pakete im gleichen Frequenzband sowie die Schirmung/ Reflektion der Teilnehmer durch Bauteile in der näheren Umgebung ereignen. In beiden Fällen führt dies zum Kommunikationsabriss, der bereits nach wenigen Millisekunden zu einem Steuerungs-Fehlverhalten und schließlich zum Abschalten der Anlage führt. Solche Probleme ließen sich in der Vergangenheit mit bestehenden, häufig auch proprietären Wireless-Technologien nur schwer verhindern, was auch den Einzug von kabellosen Komponenten in der industriellen Automatisierung stark behinderte.

Doch gerade dort wird der Ruf nach drahtlosen Anwendungen immer lauter. Gefordert sind hier industrielle Standards, die den Anwendern Flexibilität, Vielfalt und Skalierbarkeit bieten. Vorhandene kabellose Netzwerke sind jedoch den Anforderungen an Zuverlässigkeit, Gerätedichte, Installationsaufwand als auch an die physikalischen Abmessungen nicht gewachsen, weshalb sie nur selten zum Einsatz kommen.

Die neue Wireless Generation

Eine Studie des Kommunikationsspezialisten HMS hat in einer repräsentativen Umfrage mit 50 internationalen Fachleuten aus der Industrie festgestellt, dass kabellose Anwendungen zur Fernüberwachung und zur Fernsteuerung von Anlagen schon heute Realität sind und von über 54 % der Befragten bereits genutzt werden. 48 % bekannten auch, dass sie gegenüber 5G positiv eingestellt sind und sie diese Technologie anstelle des unzuverlässigen WLANs und seine verschiedenen industriellen Derivate einsetzen möchten. Doch ist im Kontext zu 5G (Ultra Reliable & Low Latency Communication) auch eine weitere standardisierte Wireless-Technologie namens IO-Link Wireless zu benennen. Beide Standards in Koexistenz stiften Mehrwert und potenzieren die Einsatzgebiete der jeweilig anderen.

IO-Link- Wireless wurde speziell für die Fabrikautomation definiert und bietet ein zuverlässiges, echtzeitfähiges und deterministisches Protokoll für Steuerungssysteme. Das erweitert die klassisch verdrahteten Kabel um drahtlose Übertragungsstrecken, macht mobiler und flexibler. Parallel dazu beginnen Unternehmen im Rahmen von Industrie 4.0 verschiedene auf 5G basierende Produkte und Dienstleistungen zu vermarkten. Dabei ist die 5G-Transformation auf mehrere Jahre ausgelegt, da für Produktionsbereitstellungen stabile Spezifikationen, eine Implementierung in Produktionsqualität und unterstützende Ökosysteme erforderlich sind, bevor eine umfassende Verfügbarkeit erreichbar ist.

Betrachtungen bei der Wireless-Implementierung

Will man eine kabellose Kommunikationslösung für eine Maschine realisieren, so sind diverse Schlüssel-Faktoren zu betrachten:

  • Leistung,
  • Latenzzeit,
  • Anwendung,
  • Physikalische Abmessungen,
  • Reichweite,
  • Kosten,
  • Verfügbarkeit des Frequenzspektrums.

Die Tabelle stellt die beiden Technologien 5G (uRLLc) und IOLW einander gegenüber. uRLLc (aktuell Release 16) wurde bislang noch nicht als allgemein gültiger Standard verabschiedet.
Die Tabelle stellt die beiden Technologien 5G (uRLLc) und IOLW einander gegenüber. uRLLc (aktuell Release 16) wurde bislang noch nicht als allgemein gültiger Standard verabschiedet.
(Bild: PNO)

Koexistenz zwischen IO-Link Wireless und 5G

Tatsächlich haben beide Technologien ihre Berechtigung. Sie decken dabei verschiedene Anwendungsbereiche innerhalb der industriellen Automatisierungstechnik ab. Wie ein Blick auf die Automatisierungspyramide zeigt, adressieren sie jeweils auch ganz unterschiedliche Teilnehmer.

IO-Link Wireless ist primär für Feld-Teilnehmer in der Fabrikautomation angedacht, die bereits über IO-Link kommunizieren. Somit handelt es sich auch um eine Lösung, die sich räumlich begrenzt, also punktuell einsetzen und skalieren lässt, um die Signale schaltender und messender Sensoren aber auch von einfacheren Aktuatoren zu übertragen. Dabei werden Prozessdaten von <2 Byte verarbeitet und weitergeleitet.

Da es sich oftmals um preiswertere Geräte handelt, die in großer Stückzahl eingesetzt werden, entscheiden häufig die Gesamtkosten eines Systems über den Erfolg der neuen Technologie.

Zudem kommunizieren die Geräte über einen Knotenpunkt (IO-Link Master) direkt mit der Steuerung, was eine stabile und kontinuierliche Verbindung von Master zu Device unumgänglich macht und auch für zeitkritische Anwendungen eine hohe Anforderung darstellt.

IO-Link Wireless baut auf der standardisierten IO-Link-Technologie (IEC 61131-9) auf und erfüllt daher exakt diese Anforderungen und bietet dabei die gleich hohe Kommunikationsstabilität (Paket Fehler Rate 10-9) wie die kabelgeführte Version. Zudem handelt es sich um eine flexible und kosteneffiziente Lösung, die mittels geringen Aufwands in eine bereits bestehende Infrastruktur mit vorhandenen Sensoren und Aktuatoren eingebettet werden kann.

5G hingegen wurde als Kommunikations-Medium für Feldteilnehmer mit größerer Bandbreite ausgelegt. Hierbei handelt es sich um eine umfassende Netzwerk-Infrastruktur, die für eine höhere Kommunikations-Ebene konzipiert wurde. So ist diese Technologie aufgrund der Lizenzkosten und dem Aufwand in die Infrastruktur nicht dafür ausgelegt, einen punktuellen Anwendungsbereich zu bedienen. Sie wird typischerweise innerhalb der Automatisierungspyramide auf der übergeordneten Feldebene anzutreffen sein, wo auch Ethernet-basierte Teilnehmer eingesetzt werden.

Dabei handelt es sich dann beispielsweise um die Kommunikation zwischen der Steuerung und Kamera-Systemen, Servomotoren, Feldbus-Module oder auch um die Datenübertragung von Robotern zu einem Gateway. Diese Geräte sind typischerweise in geringerer Stückzahl verbaut und aufgrund ihrer Komplexität auch in einer anderen Preisklasse angesiedelt, weshalb die Mehrkosten für die 5G- Infrastruktur eines kompletten Fertigungsumfeldes weniger ins Gewicht fallen.

Zwei Netzwerke die sich ergänzen

Weil beide Technologien unterschiedliche Anwendungsfälle bedienen, lassen sie sich innerhalb eines Systems einsetzen. Ebenfalls sind durch die unterschiedlichen Frequenzbänder (bei 5G länderabhängig) keinerlei gegenseitige Beeinträchtigungen zu erwarten auch wenn diese nicht direkt kompatibel zu einander sind. Als Knotenpunkt beider Technologien könnte ein Feldbus-Modul dienen, das nach unten via IOLW und nach oben via 5G kommuniziert.

IO-Link Wireless wird somit vollständig mit jedem 5G-Netzwerk koexistieren. Diese Netzwerke widersprechen sich nicht und werden sich sogar ergänzen, da sich 5G auf High-End-Anwendungen mit höherem Daten-Durchsatz konzentrieren wird. Ein ähnliches Bild ergibt sich für Wireless-Anwendungen im Bereich der Endverbraucher, wo WLAN und Bluetooth in Koexistenz zu einander agieren und dabei ihre Daseinsberechtigung haben.

* Alexander Weber, Leiter Marketing IO-Link Wireless, Balluff

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