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Drahtlos in der Industrieautomatisierung

22. Juli 2021, 10:02 Uhr   |  Von Mark Patrick, Mouser Electronics

Drahtlos in der Industrieautomatisierung
© 5GACIA

Drahtlose Konnektivität ist für die industrielle Fertigung attraktiv, weil sie mehr Flexibilität bietet und auch neue Anlagen unkompliziert angebunden und sämtliche vernetzte Geräte – auch autonome fahrerlose Transportsysteme – in Fabrikmanagementsysteme integriert werden können.

In der industriellen Fertigung werden verschiedene drahtlose Standards und Protokolle verwendet, von einfachen drahtlosen E/As, die dazu dienen, kleine Gruppen von Sensoren zu verbinden, die sonst schwer zu erreichen oder an beweglichen Teilen angebracht sind, bis hin zu großen, verteilten, drahtlosen Sensornetzwerken (WSNs) und Fabrik- und Prozessautomatisierung. Sie bieten viele Vorteile, haben aber auch eine Reihe von Einschränkungen.

Transformation zur drahtlosen Vernetzung

Bluetooth bietet für industrielle Anwendungen Vorteile wie Benutzerfreundlichkeit und Skaleneffekte. Auch wenn die Bluetooth-Technologie vielleicht am ehesten für private Netzwerkanwendungen bekannt ist, erfüllen ihre Eigenschaften wie Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) und integrierte Sicherheitsfunktionen wie Verschlüsselung und Authentifizierung die industriellen Anforderungen an Koexistenz, Sicherheit und Schutz vor Hackerangriffen. Am Markt verfügbar sind zuverlässige Ethernet-Port-Adapter zum Austausch von Steuerdaten über ein Protokoll wie Profinet. Administratoren können auch Firmware Updates einfach per Bluetooth auf Geräte aufspielen, ohne ein Kabel anzuschließen, indem sie ein gekoppeltes Smartphone verwenden.

Kabelersatz-Angeobte wie der Phoenix Contact Wireless MUX setzen auf Bluetooth, um das Pairing und die Verbindung mit einer Steuerung zu vereinfachen, ohne dass eine Konfiguration oder Einrichtung erforderlich ist. Dies ist besonders dann hilfreich, wenn eine kleine Anzahl von digitalen oder analogen Signalen zwischen einer Steuerung und den Sensoren einer sich bewegenden Baugruppe, wie z.B. einem Portal oder Roboterarm, ausgetauscht werden muss. Ein einziges Wireless-MUX-Paar kann bis zu 40 Signalkabel ersetzen.

Andererseits werden Sub-GHz-Funktechnologien oft für Verbindungen mit niedriger Datenrate oder größerer Reichweite bevorzugt und wenn ein geringer Stromverbrauch erforderlich ist. Standardprotokolle bieten Vorteile wie die Interoperabilität mit mehreren Anbietern. Proprietäre Protokolle können dagegen Vorteile wie einen kleinen Software Stack und eine für eine bestimmte Anwendung optimierte Funktionalität bieten. So ermöglichen Sub-1-GHz-Technologien beispielsweise kostengünstige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.

Herausforderungen in der Automatisierung

Wenn es darum geht, Steuersignale über ein Netzwerk auszutauschen und damit automatisierte Maschinen und Prozesse zu steuern, ist Datenaktualität von entscheidender Bedeutung. Für drahtgebundene Verbindungen wurde das Ethernet Time-Sensitive Networking (TSN) entwickelt, um Echtzeit-Performance mit hoher Verfügbarkeit und Determinismus zu gewährleisten. Eine geeignete drahtlose Netzwerktechnologie muss über die richtige Art von Bestimmungen für das Datenverkehrsmanagement verfügen, um deterministische Verzögerungszeiten mit minimaler Latenz zu gewährleisten, damit die zeitgerechte Kommunikation möglich ist, die für die Steuerung von Hochgeschwindigkeitsmaschinen und die Minimierung von Sicherheitsrisiken für Mitarbeiter in der Nähe erforderlich ist.

WLAN könnte hier ein Kandidat sein. Doch obwohl die maximale Datenrate für industrielle Prozesssteuerungsanwendungen geeignet ist, waren Latenz und Determinismus nicht die Hauptstärken der ersten IEEE-802.11-WLAN-Standards, die auf WLAN-Anwendungen zu Hause und im Büro abzielten. Die neueren Spezifikationen IEEE 802.11n, 802.11ac und die neueste Spezifikation IEEE 802.11ax (auch bekannt als WiFi 6) führen Verbesserungen ein, die dafür ausgelegt sind, mit WLAN unter anderem Anwendungen der Fabrikautomation zu unterstützen. Zu den Verbesserungen zählen ein höherer Durchsatz und höhere Datenraten sowie Techniken wie ein schnelleres Clear Channel Assessment (CCA) und – in WiFi 6 – Parameterised Spatial Reuse (PSR). Dadurch wurde die Latenz minimiert, die durch das obligatorische „Listen Before Talk“- (LBT) Verhalten verursacht wird, das bei allen Technologien zum Einsatz kommt, die lizenzfreie Funkfrequenzen nutzen. Dadurch eignen sich die späteren Standards wesentlich besser für Anwendungen in der Fabrik- und Prozessautomatisierung als ihre Vorgänger.

Ein weiterer wesentlicher Punkt, der beim Einsatz von Funktechnologien im industriellen Kontext zu berücksichtigen ist, ergibt sich aus den Gefahren, die die Umgebung typischerweise mit sich bringt und die Datenrate, Verbindungsreichweite und Zuverlässigkeit beeinträchtigen können. Große Metallobjekte wie Maschinen und Gebäudeteile wie Decks und Rolltore reflektieren Funkwellen und verursachen dadurch Multipath-Probleme, und dicke Wände und Trennwände können die Signale blockieren oder abschwächen. Auch andere Funksignalquellen wie RFID-Geräte und nahe gelegene WLAN-Netzwerke in Büros können Störungen in der Umgebung verursachen.

Simple Mobilfunk-Anbindung

Mit der Entwicklung des Industrial Internet of Things steigt die Notwendigkeit, Remote-Geräte über Entfernungen zu verbinden, die über die Reichweite von Punkt-zu-Punkt-Funktechnologien mit kurzer Reichweite hinausgehen. Sowohl Mobilfunk- als auch „Low-Power Wide-Area Network“- (LPWAN)Technologien bieten sich hier an. In der Vergangenheit wurden Mobilfunknetze entwickelt, um eine hohe Bandbreite und große Kanalkapazität zu gewährleisten und somit die Anforderungen der mobilen Verbraucher zu erfüllen. Für Anwendungen mit niedrigen Datenraten sind sie daher eher teuer und stromhungrig. LPWAN-Technologien wie LoRaWAN und Sigfox stellen reichweitenstarke Alternativen dar.

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2. Fertigung wird immer intelligenter und autonomer

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