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Wireless Zuverlässig funken im industriellen Bereich

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Trotz der Vorteile der drahtlosen Kommunikation stehen dem viele potenzielle Anwender skeptisch gegenüber. Sie würden zwar gerne Funk-Technologien einsetzten – zögern aber, weil sie die Zuverlässigkeit im rauen industriellen Umfeld anzweifeln. Für Jürgen Weczerek von Phoenix Contact sind die Befürchtungen unbegründet.

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Viele Wireless-Anwendungen in der Praxis belegen, dass die Funk-Kommunikation robust und zuverlässig arbeitet.
Viele Wireless-Anwendungen in der Praxis belegen, dass die Funk-Kommunikation robust und zuverlässig arbeitet.
( Archiv: Vogel Business Media )

In der Industrie gibt es viele Störfaktoren. Dazu gehören Störquellen wie Schweißprozesse, Schaltvorgänge oder Frequenzumrichter, die unterschiedlich starke elektromagnetische (EM) Felder aussenden. Aber auch Störquellen, die im selben Frequenzband entstehen, wie die Bluetooth-Mobiltelefone der Beschäftigen, die Mikrowelle in der Werkskantine oder das WLAN im benachbarten Unternehmen. Weil sich die Umgebungsbedingungen im industriellen Bereich ständig ändern und sich mögliche Einflussfaktoren nicht kontrollieren lassen, befürchten potenzielle Anwender häufig, dass eine dauerhaft zuverlässige Funk-Kommunikation nicht möglich ist.

Funk-Kommunikation arbeitet robust und zuverlässig

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„Dabei ist die Befürchtung, dass sich eine funkbasierte Kommunikationslösung später als nicht zuverlässig herausstellt, bei fachgerechter Auslegung und Installation sowie bei Auswahl einer geeigneten Wireless-Technologie meist unbegründet“, beurteilt Jürgen Weczerek, Produktmanager Wireless Network Technology, Business Unit Automation Systems, bei Phoenix Contact. Denn viele Wireless-Anwendungen in der Praxis belegen, dass die Funk-Kommunikation robust und zuverlässig arbeitet. Die derzeit am weitesten verbreiteten Wireless-Technologien im industriellen Umfeld sind Bluetooth und Wireless-LAN 802.11b/g. Beide Funktechnologien nutzen das hohe 2,4 Ghz-Band. „Sie kommunizieren damit weit oberhalb der Frequenzbereiche typischer Störungen, wie sie durch Schaltvorgänge oder Frequenzumrichter verursacht werden“, erklärt der Experte.

Die Frequenzbereiche dieser Störquellen reichen meist nur bis in den Kilohertz- oder in den unteren Megahertz-Bereich, liegen also deutlich unterhalb der Kommunikations-Frequenz. Ausschließlich die harmonischen Oberwellen einiger Schweißprozesse schaffen es fast bis an 2 GHz heran. „Und selbst hier haben umfangreiche Langzeittests mit Bluetooth, insbesondere in verschiedenen Schweißanwendungen in der Automobilproduktion, gezeigt, dass auch diese Anwendungen keinen Einfluss auf die Funkkommunikation haben“, so die Erfahrungen von Jürgen Weczerek.

Koexistenz zwischen den Funksystemen

In der Praxis sei die Koexistenz der eingesetzten Funktechniken, also der interferenz- und störungsfreie Parallelbetrieb, von hoher Priorität: Werden viele Wireless-Systeme eingesetzt, oder ist deren Einsatz für die Zukunft geplant, erstellt der Anlagenbetreiber häufig einen Frequenz-Nutzungsplan, worin jeder Anwendung entsprechende Frequenzen oder Kanäle im 2,4 Ghz-Band zugeteilt werden – so lassen sich Interferenzen zwischen den Funksystemen vermeiden.

Bei WLAN müssen die genutzten Kanäle bei der Konfiguration eingestellt werden. Bei Bluetooth ist dies nur bei einigen industriellen Geräten möglich – wie beim Bluetooth-Access-Point aus der Produktfamilie Factory Line. Standardmäßig hat Bluetooth einen automatischen Koexistenz-Mechanismus, der andere Wireless-Sender – zum Beispiel ein WLAN-Netz – erkennt, und die genutzten Frequenzen aus seiner eigenen Frequenznutzung ausspart. Damit ist ein störungsfreier Parallelbetrieb mit WLAN-Systemen auch ohne Konfiguration durch den Anwender möglich. „Das ist auch notwendig, da in industriellen Fertigungsanlagen häufig WLAN-Netze für logistische Prozesse außerhalb der eigentlichen Automatisierungsanwendung bereits vorhanden sind oder später installiert werden. Auch WLAN-Netze aus dem Büro-Umfeld oder aus benachbarten Unternehmen können in die Fertigungsbereiche einstrahlen“, erklärt der Produktmanager.

Maschinenbauer und Anlagenausrüster würden Funktechnologien häufig für kleinere und lokale Automatisierungsaufgaben einsetzen – wie drahtloser IO-Signalaustausch zu bewegten oder entfernten Maschinen- und Anlagenteilen. Sie kennen die Wireless-Bedingungen vor Ort meist nicht oder haben keinen Einfluss auf die Frequenzplanung. Daher muss, so Jürgen Weczerek, ihre Funklösung immer einen störungsfreien Parallel-Betrieb mit übergeordneten WLAN-Systemen und anderen lokalen Funksystemen ermöglichen. Bluetooth erfülle diese Anforderungen – und so lassen sich eben viele Bluetooth-Kommunikationslösungen auf engem Raum parallel zueinander und parallel zu WLAN-Netzen betreiben.

Wireless-IO und Wireless-Profinet

In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich verschiedene Feldbus-Systeme als Kommunikationsmedium in der Automatisierung etabliert. Bereits Ende der 90er Jahre haben Forschungsprojekte sich mit deren Wireless-Erweiterung beschäftigt und funktionierende Prototypen vorgestellt. Dennoch sucht man heute am Markt vergeblich nach Wireless-Umsetzern für Interbus, Profibus und andere Feldbusse. Deswegen ist es nicht möglich, eine Wireless-Feldbus-Lösung auf Basis einer preiswerten Massenmarkt-Funktechnologie zu realisieren. Potenzielle Wireless-Anwender stehen daher oft vor der Frage, wie sie diese Kommunikation am besten in ihr Feldbus-basiertes Konzept integrieren können. Dafür beschreibt Jürgen Weczerek mehrere Möglichkeiten:

Für die zyklische Kommunikation zeitkritischer Steuersignale hat Phoenix Contact eine Wireless-IO-Lösung entwickelt, die zuverlässig, schnell und sicher arbeitet. Anstatt die Feldbus-Protokolle aufwendig per Funk zu übertragen, lassen sich die Signalinformationen per Bluetooth schnell und zyklisch zwischen den im Feld verteilten Wireless-IO-Modulen und der zentralen Feldbus-Basisstation austauschen. Diese steuert dabei automatisch die Kommunikation mit den Wireless-IO-Modulen und fungiert als IO-Proxy, der die IO-Daten dem Feldbus oder im Ethernet-Netzwerk bereitstellt. Genutzt wird das Bluetooth-Profil HID (Human Interface Device), das für die echtzeitfähige Übertragung kleiner Datenmengen definiert wurde. Das System lässt sich gut in Automatisierungs-Systeme einbinden, ist einfach konfigurierbar und baut die Kommunikation automatisch auf.

Mit dem Einzug von Industrial-Ethernet in die Fertigungsautomation ist nun die drahtlose Kommunikation von Steuerungsdaten kostengünstig möglich. Die Übertragung über Bluetooth erfolgt dabei transparent auf Layer-2-Ebene, so dass Ethernet-Protokolle wie Modbus-TCP, Ethernet-IP oder auch Profinet übertragen werden. So lassen sich Ethernet-fähige Automatisierungsgeräte wie modulare IO-Stationen oder auch ganze mobile Klein-Netzwerke mit mehreren Teilnehmern drahtlos mit dem Steuerungsnetzwerk verbinden.

Berücksichtigen muss man bei der Planung von Wireless-Anwendungen jedoch, dass der Datendurchsatz, die zusätzliche Latenzzeit und das Verhalten einer Funkübertragung nicht mit den Eigenschaften eines drahtgebundenen LANs vergleichbar sind. Ein einfacher Tausch der Ethernet-Kabel gegen eine Funkstrecke ist daher nicht immer möglich. Hier können zusätzliche Maßnahmen erforderlich sein. Insgesamt macht der Phoenix-Manager jedoch deutlich, nicht länger mit dem Einsatz zu warten: „Dafür gibt es keinen Grund. Ausgereifte Funktechnologien für die industrielle Automatisierung sind mit WLAN und Bluetooth längst verfügbar.“

Innovative Applikation: Tiefkühlhaus C. van Heezik

Der reibungslose Einsatz von Bluetooth in einem Profinet-Netzwerk wird täglich im neuen Tiefkühlhaus des Logistik-Dienstleisters und Spediteurs C. Van Heezik B.V. in Utrecht unter Beweis gestellt. Im Kühlhaus lagern Tiefkühlprodukte von Douwe Egberts, Masterfoods, Unipro Bakery u.a. Der Palettentransport erfolgt bei -25°C automatisch durch sieben Transport-Shuttles und vier Paletten-Aufzüge, die funkbasiert über Profinet und Bluetooth gesteuert werden. Das Unternehmen hat sich bewusst für eine vollständig drahtlose Lösung über Factory-Line-Bluetooth von Phoenix Contact entschieden, um die Kommunikation nicht über Stromschienen oder Schleppkabel abwickeln zu müssen. Außerdem sollten eventuelle Konflikte mit dem WLAN-System im Lager, das für die Kommunikation zwischen den Gabelstaplern und dem Warehouse Management-System genutzt wird, vermieden werden. Auch unter solchen schwierigen Bedingungen hat die Bluetooth-Kommunikation von Beginn an störungsfrei und zuverlässig funktioniert.

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