Wer will Wireless?

Datenübertragung - Die Funktechnologie zieht in die industrielle Automatisierung ein.Werden also künftig in den Werkshallen nur noch drahtlose Maschinen stehen?

20. Juli 2006

Die Kommunikation zwischen Maschinen oder Anlagen erfolgt gegenwärtig überwiegend über kabelgebundene Feldbussysteme und zunehmend über Ethernet-basierte Automatisierungsnetzwerke. Darüber hinaus gewinnt die drahtlose Kommunikation als weitere Möglichkeit der Daten- und Signalübertragung in der industriellen Automation an Bedeutung. Immer mehr Maschinen- und Anlagenbauer denken über den Einsatz von Funk in ihren Anwendungen nach. Es gibt jedoch auch Vorbehalte gegenüber einer Nutzung von Wireless-Technologien. Wo liegen also die Möglichkeiten, wo gibt es Grenzen?

Die Kommunikation über eine Kabelverbindung erweist sich in den meisten Applikationen als eine kostengünstige, leistungsfähige und zuverlässige Lösung. Warum und wo ist Funk dann überhaupt sinnvoll? Die genannten Merkmale einer Kabellösung treffen in der Regel auf statische Installationen zu. Bei dynamischen Anwendungen, in denen Daten und Signale zu bewegten, rotierenden oder temporär eingebauten Teilnehmern übertragen werden, stößt die kabelgebundene Installation eher an Grenzen. In diesen Fällen verspricht die funkbasierte und damit verschleißfreie Datenübertragung geringere Kosten, Stillstandszeiten und wenig Wartung. Anlagen, in denen die Flexibilität, Mobilität oder eine kostengünstige Einbindung schwer erreichbarer Teilnehmer wichtig ist, profitieren ebenfalls von der drahtlosen Datenübertragung.

Vergleichbar zuverlässig

Die Zuverlässigkeit einer Funkübertragung in rauer industrieller Umgebung wird oft angezweifelt, da die elektromagnetischen Funkwellen den vielfältigen EMV-Störern wie Lichtbogenschweißen, Frequenzumrichtern oder Schaltvorgängen scheinbar schutzlos ausgesetzt sind. Tatsächlich treten industrielle EMV-Störfelder im Kilo- und Megahertz-Bereich auf und haben somit keinen Einfluss auf die Funkübertragung bei Systemen wie WLAN 802.11b/g oder Bluetooth, die im hohen 2,4 GHz-ISM-Band senden.

Aufgrund der Nutzung von Bandspreiz-Technologien wie beispielsweise Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) bei WLAN 802.11b/g oder Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) bei Bluetooth ist die Übertragung auch gegenüber anderen Störeinflüssen robust. Vielfältige Tests und Anwendungen schätzen die Zuverlässigkeit einer Funkverbindung und die einer kabelgebundenen Installation ebenbürtig ein.

Wer einzelne Kabelstrecken in einem Feldbussystem gegen transparente Funkstrecken austauschen möchte, wird vergeblich nach entsprechenden Lösungen suchen. Eine transparente Wireless-Übertragung von Interbus- oder Profibus-Systemen ist technisch durchaus möglich. Da jedoch keine preiswerten Funkchips der Mainstream-Technologien wie WLAN oder Bluetooth eingesetzt werden können, sind die Technologiekosten verhältnismäßig hoch und somit eine Wireless-Lösung aus Kosten-Nutzen-Sicht unattraktiv. In diesem Bereich sind vielmehr schnelle und kostengünstige Wireless-IO-Systeme gefragt, die sich einfach in verschiedene Feldbussysteme integrieren lassen. Statt einer transparenten Feldbus-Übertragung per Funk sendet die Komponente die Daten der Feldgeräte mit Standard-Wireless-Technologien an das Feldbussystem. Ein IO-Proxy sorgt für die Verbindung zwischen Feldbus- und Wireless-Netzwerk.

Das Fieldline-Bluetooth-System von Phoenix Contact aus Blomberg ist das erste Wireless-IO-System, das das beschriebene Konzept umsetzt.

Mit dem Einzug von Industrial Ethernet in die Fertigungsautomation lässt sich eine transparente Funkkommunikation von Steuerungsdaten kostengünstig realisieren. Im Gegensatz zu Feldbussystemen überträgt das Ethernet-Protokoll Profinet über gängige Wireless-Mainstream-Technologien problemlos.

»Tausche Kabel gegen Funkstrecke«

Bei der Planung entsprechender Anwendungen ist zu berücksichtigen, dass der Datendurchsatz, die Leistungsfähigkeit sowie das Verhalten der Funkübertragung nicht mit den Eigenschaften eines drahtgebundenen LANs vergleichbar sind. Daher ist der Tausch der Ethernet-Kabel gegen eine Funkstrecke nicht immer möglich.

In den Medien werden zahlreiche Funktechnologien für den Einsatz im industriellen Umfeld als geeignet beschrieben. In Industrieanwendungen steht die Erhöhung der Produktivität im Vordergrund. Folglich sind neben der technischen Qualifikation der Wireless-Lösung insbesondere ihre Stabilität, die langfristige Verfügbarkeit sowie ein günstiges Kosten-Nutzen-Verhältnis von entscheidender Bedeutung.

Diese Kriterien erfüllen derzeit nur die Funkstandards WLAN 802.11 und Bluetooth. WLAN eignet sich vor allem für große Netzwerke mit vielen Teilnehmern, wenn gleichzeitig hohe Performance sowie Mobilität erforderlich sind. Dazu zählt beispielsweise die Kommunikation mit fahrerlosen Transportsystemen (FTS). Andererseits belegt ein WLAN-System bereits 22 MHz des nur 83 MHz breiten 2,4 GHz-ISM-Bands. Daher lassen sich auch nur drei Systeme in einem Bereich störungsfrei parallel betreiben.

Sind viele unabhängige lokale Funkanwendungen zu berücksichtigen, verfügt Bluetooth über die besseren Voraussetzungen. Im Gegensatz zu WLAN laufen im lokalen Umfeld viele Bluetooth-Systeme störungsfrei parallel, da Bluetooth mit einem Frequenzsprungverfahren (AFH) arbeitet.

Koexistenz mit IT

Da das Frequenzband als Shared Medium nur einmal für alle Funklösungen verfügbar ist, muss es möglichst effizient genutzt werden. Neben den Automatisierungs-Applikationen wird es in der Fertigungshalle auch von IT-Anwendungen belegt. Aus Angst vor Interferenzen verweigert daher in manchen Unternehmen die meist federführende IT-Abteilung den Einsatz von Funknetzen für den produktiven Bereich. Seit Einführung der Bluetooth-Version 1.2 vor rund drei Jahren ist der störungsfreie Parallelbetrieb von Bluetooth und WLAN 802.11b/g möglich. Der Funkstandard Bluetooth verfügt seit dieser Version über einen automatischen Koexistenz-Mechanismus.

Das AFH erkennt automatisch die von anderen Funksystemen wie WLAN 802.11b/g genutzten Kanäle und verwendet diese nicht. All diese Entwicklungen zeigen: Die Funktechnologie ist in der industriellen Automatisierung auf dem Weg nach vorne und sie ergänzt drahtgebundene Netzwerke. Vorteile und Potenziale der Funkkommunikation liegen allerdings weniger im direkten Hardware-Kostenvergleich. Erst im Vergleich der gesamtwirtschaftlichen Kosten zeigt sich, welche Technologie längerfristig die Nase vorn haben wird.

Jürgen Weczerek, Phoenix Contact

FAKTEN

- Der Einzug der Funktechnologie in die industrielle Automatisierung ist nicht mehr aufzuhalten.

- Die drahtlose Maschine oder Anlage wird es jedoch auf absehbare Zeit ebenso wenig geben wie das papierlose Büro.

- Die Funkübertragung entwickelt sich vielmehr zu einer wichtigen Ergänzung drahtgebundener Netzwerke.

- Die tatsächlichen Vorteile und Potenziale der Funkkommunikation sind dabei weniger im direkten Hardware-Kostenvergleich zu suchen sondern vielmehr in einer gesamtwirtschaftlichen Betrachtung.

- Das Fieldline-Bluetooth-System von Phoenix Contact aus Blomberg ist das erste Wireless-IO-System, welches das hier beschriebene drahtlose Übertragungskonzept umsetzt.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006