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ABB STOTZ-KONTAKT Wireless in der Fertigung sichert schnell, einfach und zuverlässig die Kommunikation

| Autor / Redakteur: Wolfgang Zimmermann / Reinhard Kluger

Hohe Taktraten heutiger Fertigungseinrichtungen erfordern schnelle Bewegungen auch für den Betrieb von Montage- und Handhabungssystemen. Die Übertragungswege für die elektrischen Signale müssen diese Dynamik mitmachen. Das erfordert üblicherweise hochflexible Kabel, kostspielige Schleifübertrager und nicht zuletzt aufwändiges Engineering. Die Alternative sind für die Fertigungsautomation entwickelte Funksysteme wie beispielsweise WISA.

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Drahtloses E/A-Modul am Greifer eines Handhabungssytems.
Drahtloses E/A-Modul am Greifer eines Handhabungssytems.
( Archiv: Vogel Business Media )

Schnelle Hin- und Herbewegungen beanspruchen ganz besonders Signalkabel oder Feldbusleitungen, die die elektrische Verbindung zwischen der Maschinensteuerung und den Sensoren und Aktoren auf den bewegten Modulen bilden. Als Beispiel sei hier ein Handhabungssystem genannt, das am Ende einer Prüflinie installiert ist: Der an einem langen Portal montierte Greifer nimmt die geprüften Produkte als Set auf und setzt sie auf Transportbänder, die zu der sich anschließenden Verpackungsanlage führen. Neben Druckluft und elektrischer Versorgung benötigt der pneumatisch betätigte Greifer verschiedene Steuersignale und Endlagenmeldungen. Ein bisweilen mehrere Meter langes Kabelschlepp, das der Horizontalbewegung des Greifers folgt, ist üblicherweise die flexible Brücke, über die neben Versorgungs- auch die Steuer- und Signalleitungen geführt werden. Schon der Bruch einer einzigen Signalader, die der mechanischen Beanspruchung auf Dauer nicht gewachsen ist, führt zu zeitaufwändiger Fehlersuche und Reparatur und blockiert damit ganze Produktionslinien.

Hohe Verfügbarkeit trotz schneller Bewegung

In dem beschriebenen Handhabungssystem ist diese mögliche Schwachstelle eliminiert: Auf dem beweglichen Greifermodul befindet sich stattdessen ein drahtloses E/A-Modul, das die Ein- und Ausgangssignale per Funk sendet und empfängt. Der Kabelschlepp ist nur noch für den Schlauch der Druckluftversorgung und das Kabel für die elektrische Versorgung ausgelegt, beide deutlich robuster und langlebiger als die empfindlichen Signaladern. Das erhöht die Verfügbarkeit des Greiferportals enorm.

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Eine sogenannte Basisstation im Anlagenschaltschrank ist die Gegenstelle für bis zu 13 dieser drahtlosen E/A-Module. Via Feldbus stellt sie die Verbindung zur Maschinensteuerung her. Die Funkverbindung zu den Feldgeräten in der Maschine hält die Basisstation über ein Antennenpaar, das außerhalb des Schaltschranks montiert und über Koaxialkabel mit ihr verbunden ist.

Eine Voraussetzung: Zuverlässige Kommunikation

An eine Funktechnologie für die Fabrikautomation werden ganz besondere Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit und weltweiter Nutzbarkeit gestellt. So sendet und empfängt das auf dem Greifer montierte E/A-Modul Informationen drahtlos im weltweit lizenzfrei nutzbaren 2,4 GHz ISM-Band (ISM = Industrial, Scientific, Medical). Das elektromagnetische Störspektrum, wie es typischerweise in einem industriellen Umfeld durch Schaltvorgänge, Frequenzumrichter, Schweißanwendungen etc. entsteht, reicht nicht bis in diesen hohen Frequenzbereich, so dass keinerlei Beeinträchtigungen zu erwarten sind.

So geht WISA

WISA (WISA = Wireless Interface für Sensoren und Aktoren) heißt das Funkprotokoll, mit dem die in dem beschriebenen Handling installierten Komponenten kommunizieren. Es basiert auf dem Standard IEEE 802.15.1 und ist speziell für die zuverlässige Kommunikation in der Fertigungsautomation entwickelt. Eine Funktechnologie für die E/A-Ebene der Fertigungsautomation muss häufig in einem Funkzyklus von wenigen Millisekunden viele E/A-Knoten verarbeiten können. Kurze Taktzeiten in der Fertigung verlangen außerdem ein deterministisches Zeitverhalten der eingesetzten Funktechnologie, dass sich durch das Hinzufügen weiterer Feldgeräte nicht verändert. WISA arbeitet mit einem Funkzyklus von 2,048 msec. Ein sogenanntes Zeitschlitzverfahren (TDMA) gewährleistet, dass in dieser Zeit Informationen mit bis zu 13 Sensor-/Aktorverteiler mit je 8E/8A zuverlässig ausgetauscht werden können.

Zusatznutzen: Einfaches Engineering

Der Sondermaschinenbau zeichnet sich durch anwendungsspezifische, individuelle Lösungen aus, so daß jedes Signalkabel und jede Feldbusstruktur projektbezogen mit Engineeringaufwand und Inbetriebnahmezeit zu Buche schlagen. Bei Verwendung eines drahtlosen E/A-Systems werden konventionelle elektrische Signalverbindungen weitgehend durch Funkverbindungen ersetzt, so dass die Planung von Installationswegen entfällt. Die Zuordnung der IP67-Module zur Basisstation erfolgt beispielsweise im WISA-System per Tatsendruck: Im Konfigurationsmodus wählt der Anwender an der Basisstation die gewünschte Adress-Nr. aus, die er dem E/A-Modul durch Betätigung seines Bedientasters zuweist. Diese Konfigurationsdaten bleiben in den Feldgeräten unverlierbar abgelegt. Mit Hilfe einer sogenannten Wink-Funktion lässt sich die Adresse eines E/A-Moduls in der Basisstation anzeigen und umgekehrt führt die Auswahl einer Adresse an der Basisstation zum Blinken einer grünen LED des relevanten Feldgeräts. Die aktuelle Konfiguration der Basisstation kann in der Steuerung gespeichert werden um wechselnde Konfigurationen (z.B. Werkzeugwechsel) und eine automatische Neukonfiguration bei einem Gerätetausch zu unterstützen.

Ein Muss für Funk: Betriebssicherheit und Koexistenz

Selbst beim Vollausbau mit bis zu 120 Funksensoren belegt das WISA-Protokoll nur einen minimalen Frequenzbereich. Zudem wechseln die verwendeten Frequenzen bei jedem Funkzyklus. Kombiniert mit einer geringen Sendeleistung gewährleisten diese Maßnahmen einen störungsfreien Parallelbetrieb mit anderen drahtlosen Technologien wie beispielsweise WLAN, Bluetooth, WirelessHART und Zigbee.

Die individuelle sogenannte „Cell-ID“ verschiedener WISA-Systeme in einer Fertigungshalle stellt sicher, dass die installierten drahtlosen E/A-Module einer Basisstation eindeutig zugeordnet sind und eine Verwechslung selbst dann ausgeschlossen ist, wenn sich die Funkbereiche benachbarter Systeme überlagern.

Die WISA-Basisstation wacht darüber, dass sich die ihr zugeordneten Feldgeräte mindestens zweimal pro Sekunde melden. Sollte diese Präsenzmeldung ausbleiben, gibt die Basisstation diese Information an die Maschinensteuerung weiter, indem sie das via Feldbus übermittelte Valid-Bit des betroffenen Feldgeräts auf „0“ setzt. Ein E/A-Modul kann durchaus berechtigt fehlen, weil es beispielsweise auf einer Wechselvorrichtung montiert ist, die gerade nicht genutzt wird. Andernfalls läge eine Störung vor, auf die die Steuerung rechtzeitig angemessen reagieren kann.

Ausblick: Standardisierung in der PNO

WISA hat sich als ABB-Funkstandard für die Fabrikautomatisierung bereits vielfach bewährt. Anwender erwarten aber neben dieser praktischen Bewährung im industriellen Einsatz, dass sie auch für eine neue Technologie aus den Angeboten verschiedener Anbieter die für sie passende Lösung kombinieren können. Vor diesem Hintergrund hat die PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO) die Standardisierung der WISA-Technologie im Frühjahr diesen Jahre auf den Weg gebracht. In ihrer Pressemitteilung vom 11.03.2009 heißt es u.a.: „Um eine optimale Lösung für die Fertigungsautomatisierung bieten zu können, hat die PNO beschlossen, die Spezifikation für Wireless-Sensoren und Aktoren in der Fertigungsautomatisierung basierend auf der WISA Technologie (IEEE 802.15.1) zu entwickeln.“

Wolfgang Zimmermann, Produktmarketingmanager Drahtlose Automatisierung, ABB STOTZ-KONTAKT

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