Automatisierungstechnik für IoT Funk statt Kabel

Funktechnik in modernen Automatisierungskonzepten sind kostengünstig.
Funktechnik ermöglicht die Integration neuer Funktionen, wie z.B. Zustandserfassung, ohne Kabel und Installationsaufwand.

Erst durch den Einsatz von Funktechnik können moderne Automatisierungskonzepte wie Industrie 4.0 sinnvoll und kostengünstig realisiert werden. Auf der Basis von WLAN und Bluetooth lassen sich - ohne Kabel und Installationsaufwand - neue Konzepte zur Zustandserfassung und Ferndiagnose realisieren.

Eine durchgängige Datenkommunikation von den Automatisierungssystemen in der Produktion (Operational Technology, OT) bis in die industriellen IT-Systeme ist zwingende Voraussetzung für die Realisierung von Industrie 4.0 sowie für das industrielle Internet der Dinge (IIoT). Im Vergleich zu den kabelbasierten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Netzwerken ist der Anteil der Funknetzwerke in der Industrie heute noch gering, denn: Funktechnik wird meist nur als Punkt-zu-Punkt-Kabelersatz in Anwendungen mit rotierenden oder beweglichen Teilen eingesetzt. Doch die modernen Funknetzwerke können weit mehr. Zugangsknoten in den Funknetzwerken (WAP – Wireless Access Point) stellen das Bindeglied zwischen den Anlagenkomponenten im echtzeitfähigen, kabelgebundenen Netzwerk und den mobilen Bediengeräten (Tablet-PCs und Smartphones) sowie Sensoren und Aktoren moderner Automatisierungssysteme her.

Für die Datenübertragung per Funk in der Industrie kommt heute meist WLAN (IEEE 802.11) im 2,4-GHz- oder 5-GHz-Band oder Bluetooth (IEEE 802.15.1) zum Einsatz. Über Funk-Bridges, wie z.B. die Wireless Bridge von der HMS Industrial Networks GmbH, lässt sich eine robuste und verschleißfreie Datenübertragung realisieren – auch in Anwendungen mit besonderen Anforderungen, wie Portalkränen, fahrerlosen Transportsystemen, Abfüll- und Verpackungsanlagen oder Kläranlagen (Bild 1). Teure mechanische Schleifringe und Schleppketten werden durch kostengünstige Funk-Bridges ersetzt.

Die Datenübertragung bei der Anwendung als Kabelersatz erfolgt in diesen Anwendungen meist in Form einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Wichtig sind die Auswahl der richtigen Funktechnik – Bluetooth oder WLAN – und der nötige Sachverstand bei der Installation und Antennenausrichtung. Auch die Anforderungen an das Echtzeitverhalten und die Menge der zu übertragenden Daten müssen auf die Möglichkeiten der Funktechnik zugeschnitten werden. Die frühere Skepsis der Industrie gegenüber der Funktechnik ist mittlerweile der Erkenntnis gewichen, dass auch per Funk Daten sicher, zuverlässig und robust übertragen werden können. So haben sich beispielsweise die Bluetooth-Funk-Bridges von HMS sogar für die Übertragung von sicheren Daten über PROFIsafe bewährt.

WLAN oder Bluetooth?

Als Faustregel lässt sich festhalten: Bluetooth ist die richtige Wahl, wenn Robustheit und Stabilität der Verbindung die wesentlichen Kriterien sind. WLAN ist die richtige Wahl, wenn es auf einen hohen Datendurchsatz ankommt. Die Funk-Bridges von HMS unterstützen beide Funktechniken. Anwender können so die für den jeweiligen Anwendungsfall unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen am Einsatzort am besten geeignete Funktechnik wählen. Als Hilfestellung bei der Auswahl hat HMS die Fakten zu beiden Funktechniken in einem White Paper [1] zusammengefasst.

Basis für innovative Maschinen- und Bedienkonzepte

Im Umfeld von Industrie 4.0 und dem industriellen Internet der Dinge entstehen neue Maschinen- und Bedienkonzepte, bei denen eine Funktechnik die Grundlage für den kabellosen Zugang zum klassischen, kabelbasierten Automatisierungssystem und den Komponenten im industriellen Netzwerk darstellt. In diesen Anwendungen übernehmen die Funk-Bridges die Funktion eines WLAN- oder Bluetooth-Zugangsknotens und bieten so die Möglichkeit, mehrere Funkteilnehmer gleichzeitig in das Netzwerk einzubinden. Hier sind drei aktuelle Trends zu erkennen:

1. Bring Your Own Device (BYOD)

Das Schlagwort „Bring Your Own Device“ (BYOD) beschreibt den Trend, bei dem Geräte wie Tablet-PCs, Smartphones etc. genutzt werden, um per Internetbrowser oder speziellen Apps Maschinen zu parametrieren, zu bedienen und Diagnosedaten abzufragen. Moderne Tablet-PCs und Smartphones sind standardmäßig mit Funksendern ausgerüstet und bieten Visualisierungsmöglichkeiten wie klassische HMIs (Human Machine Interface). Was ist da naheliegender, als sie als mobile HMIs einzusetzen? Typische Abfragen wie z.B. der aktuelle Betriebszustand einer Maschine, Produktionsstückzahlen oder Diagnosedaten werden beim BYOD-Konzept nicht über teure, fest installierte Bedien-Terminals erledigt, sondern über ein Smartphone oder einen Tablet-PC. Dies führt bei verketteten Anlagen wie beispielsweise Druck- und Verpackungsmaschinen zu einer Kostenreduktion. Wo bisher für jede Einzelmaschine in einer verketteten Produktionsanlage ein teures, fest installiertes Bedien-Terminal notwendig war, kann der Techniker über seinen Tablet-PC oder sein Smartphone im Vorbeigehen direkt auf jede Einzelmaschine zugreifen. Der Trend wird verstärkt durch die neuen auf Windows 8 und 10 basierenden Tablet-PCs, auf denen auch Windows-basierte HMI-Standardanwendungen wie z.B. Windows Control Center (WinCC) oder Labview laufen, die Anwender von klassischen, stationären, Windows-basierten HMIs gewohnt sind.

2. Machine Health

Das Schlagwort „Machine Health“ charakterisiert den Trend, bei dem kleinste Sensoren und Aktoren Messwerte an Maschinen erfassen, z.B. Druck, Verschleiß, Vibration, Temperatur. Die Messdaten der Sensoren erlauben dem Betreiber eine bessere Beurteilung des dynamischen Verhaltens und des Materialverschleißes der Maschine und helfen so, Stillstandszeiten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit der Anlage zu erhöhen. Die häufig batteriebetriebenen Sensoren nutzen zur Datenübertragung den Funkstandard Bluetooth 4.0, der oftmals auch als Bluetooth Low Energy (BLE) oder Bluetooth Smart bezeichnet wird. Sie können an jeder beliebigen Stelle der Maschine – auch an schwer zugänglichen Stellen – montiert werden und eröffnen neue Möglichkeiten für die Diagnose und vorausschauende Wartung. Die Übertragung der an einer Maschine gesammelten Messwerte an das Automatisierungssystem ist bei diesen Kleinstgeräten aufgrund ihrer Position an der Maschine oder ihrer Größe nur per Funk über Standards wie Bluetooth Low Energy möglich.