Funkbasierte Datenübertragung Eine vernetzte Fabrik muss auch wireless können

Autor / Redakteur: Michael Volz* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Durchgängige Datenkommunikation im Feld ist Voraussetzung für die Realisierung von Industrie 4.0 und das industrielle Internet der Dinge (IIoT). Im Vergleich zu den kabelbasierten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Netzwerken ist der Anteil der Wireless-Netzwerke heute noch gering, denn: sie werden meist nur als Punkt-zu-Punkt-Kabelersatz in Anwendungen mit rotierenden oder beweglichen Teilen eingesetzt. Doch die modernen funkbasierten Netzwerke können weit mehr.

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Der Anybus Wireless Bolt ermöglicht den Zugriff auf den internen Webserver der Maschinensteuerung und ist eine kostengünstige Alternative zu teuren HMIs.
Der Anybus Wireless Bolt ermöglicht den Zugriff auf den internen Webserver der Maschinensteuerung und ist eine kostengünstige Alternative zu teuren HMIs.
(Bild: HMS Industrial Networks)

Für die kabellose Datenübertragung in der Industrie kommt heute meist WLAN im 2,4 oder 5 GHz Band oder Bluetooth zum Einsatz. Über Funk-Gateways, wie z.B. die Wireless-Bridge-Lösungen von HMS, lässt sich so eine verschleißfreie und performante Datenübertragung auch in Anwendungen mit besonderen Anforderungen wie z.B. Portalkränen, fahrerlosen Transportsystemen, Abfüll- und Verpackungsanlagen oder Kläranlagen realisieren. Teure mechanische Schleifringe und Schleppketten werden durch kostengünstige Funk-Gateways ersetzt.

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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 Funktechnologie (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 kabellosen Lösung zugeschnitten werden. Die frühere Skepsis der Industrie gegenüber Wireless ist mittlerweile der Erkenntnis gewichen, dass auch solche Lösungen Daten sicher, zuverlässig und robust übertragen können. So haben die Bluetooth-Funk-Gateways von HMS sich sogar für die Übertragung von sicheren Daten über Profisafe bewährt.

WLAN oder Bluetooth?

Als Faustregel lässt sich festhalten: Bluetooth (IEEE 802.15.1) ist die richtige Wahl, wenn Robustheit und Stabilität der Verbindung die wesentlichen Kriterien sind. WLAN (IEEE 802.11) ist die richtige Wahl, wenn es auf einen hohen Datendurchsatz ankommt. Die Funk-Gateways von HMS unterstützen beide Technologien. Anwender können so die für den jeweiligen Anwendungsfall unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen vor Ort die am besten geeignete Funktechnologie einsetzen.

Basistechnologie für innovative Maschinen- und Bedienkonzepte

Im Umfeld von Industrie 4.0 und dem industriellen Internet der Dinge entstehen neue Maschinen- und Bedienkonzepte, bei denen die Wireless-Technologien die Grundlage für den drahtlosen Zugang in das Automatisierungssystem und zu den verdrahteten Komponenten im industriellen Netzwerk darstellen. In diesen Anwendungen übernehmen die Funk-Gateways die Funktion eines WLAN oder Bluetooth Access Points und bieten so die Möglichkeit, mehrere Funkteilnehmer gleichzeitig in das Netzwerk einzubinden.

HMS Industrial Networks sieht drei aktuelle Trends:

1. Bring Your Own Device (BYOD)

Das Schlagwort „Bring Your Own Device“ (BYOD) beschreibt den Trend, bei dem moderne Smart Devices wie Tablets, Smartphones etc. genutzt werden, um über ihren integrierten Internetbrowser oder spezielle Apps Maschinen zu parametrieren, zu bedienen und Diagnosedaten abzufragen. Moderne Tablets und Smartphones bringen standardmäßig Wireless-Technologie mit und bieten Visualisierungsmöglichkeiten wie klassische HMIs. Was ist da naheliegender als Smart Devices als mobile HMIs einzusetzen? Typische Abfragen wie z.B. der aktuelle Betriebszustand der Maschine, Produktionsstückzahlen oder Diagnosedaten werden beim BYOD-Konzept nicht über teure, fest installierte HMIs erledigt, sondern über das Smart Device.

Dies führt bei verketteten Systemen wie beispielsweise Druck- und Verpackungsmaschinen zu einer Kostenreduktion. Wo bisher für jede Einzelmaschine des verketteten Systems ein teures, fest installiertes HMI notwendig war, kann der Techniker über sein Tablet oder Smartphone „beim Vorbeilaufen“ direkt auf jede Einzelmaschine zugreifen. Der Trend wird verstärkt durch die neuen auf Windows 8 und 10 basierenden Tablets, auf denen auch Windows-basierte HMI-Standardanwendungen wie z.B. Win-CC oder Labview, die die Anwender vom stationären Windows-basierten HMI gewohnt sind, auf dem Tablet laufen.

2. Machine Health

Das Schlagwort „Machine Health“ charakterisiert den Trend, bei dem kleinste Sensoren und Aktoren – in Anlehnung an tragbare smart Devices für uns Menschen auch „Wearables“ genannt – zusätzliche Daten sammeln. Diese kleinen, häufig batteriebetrieben Sensoren nutzen die Bluetooth 4.0 Technologie, die oftmals auch als Bluetooth Low Energy oder Bluetooth Smart bezeichnet wird. Die so gewonnenen Sensordaten 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 batteriebetriebenen Sensoren können an jeder beliebigen Stelle – auch schwer zugänglichen Stellen – der Maschine montiert werden und messen Druck, Verschleiß, Vibration, Temperatur etc. und eröffnen neue Möglichkeiten für die Diagnose und vorausschauende Wartung. Die Übertragung der gesammelten Maschinendaten an das Automatisierungssystem ist bei diesen Kleinstgeräten aufgrund ihrer Position an der Maschine oder ihrer Größe nur über wireless Technologien wie Bluetooth Low Energy möglich.

3. Cyber Security und Safety

Mit der steigenden Vernetzung der Geräte wird die IT-Sicherheit zum Schlüsselfaktor. Mit dem Öffnen eines ehemals geschlossenen Systems für Smart Devices wächst die Gefahr unberechtigter Zugriffe. Einhergehend mit dem Einsatz der wireless Netzwerke und der Anbindung der Systeme an die industriellen Clouds kommen den Themen Cyber Security und Safety wachsende Bedeutung zu. Unternehmen müssen diese Risiken identifizieren, bewerten und geeignete Maßnahmen ergreifen. Verschlüsselung, Passwort-Schutz, mehrstufige Sicherheitskonzepte sind hier die gängigen Schlagworte.

Wireless Lösungen von HMS

HMS Industrial Networks ist seit vielen Jahren im Umfeld der industriellen Kommunikation tätig und hat ein breites Lösungsangebot für kabelgebundene Kommunikationslösungen für Feldbusse und Industrial Ethernet. Da Wireless-Lösungen mehr und mehr nachgefragt werden, hat HMS sein Produktportfolio erweitert.

Wireless Lösungen für Montage im/am Schaltschrank

Neben den Wireless Bridges, die oft als Kabelersatz per Bluetooth oder WLAN eingesetzt werden und häufig auch Schleifringe oder Schleppketten ersetzen, bietet HMS jetzt außerdem Lösungen für Wireless Access Points für Bluetooth und WLAN an. Die Wireless Lösungen können im oder am Schaltschrank montiert werden. Je nach Ausführung verbindet die Wireless Bridge Ethernet-, serielle oder CAN-Netzwerke mit den Funktechnologien WLAN und Bluetooth.

Wireless Lösungen für Montage direkt an der Maschine

Neu im Portfolio ist der Anybus Wireless Bolt, der an beliebiger Stelle direkt an der Maschine montiert werden kann. Der Wireless Bolt unterstützt 2,4 GHz / 5 GHz WLAN, Bluetooth und Bluetooth Low Energy. Er kann via Ethernet, CAN oder seriell (RS-232/485) mit der Maschinensteuerung verbunden werden. Der Wireless Bolt ist einfach zu montieren. Die kompakte Bauform ermöglicht es, die Schaltschrankfläche in Maschinen zu reduzieren und trotzdem modernste Automatisierungstechnik einzusetzen. Zum Beispiel ist die Kommunikation mit kleinsten, batteriebetriebene Sensoren und Aktoren via Bluetooth Low Energy möglich. Eine wichtige Voraussetzung, um das „Machine Health“ Konzept zu realisieren und so die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Maschinen weiter zu erhöhen.

Wireless Lösungen von HMS für die Industrie:

Wireless Lösungen von HMS für die Industrie
Wireless Lösungen von HMS für die Industrie
(Bild: HMS Industrial Networks)

Fazit

Erst durch den Einsatz der Wireless-Technologien können moderne Automatisierungskonzepte wie Industrie 4.0 und das Internet der Dinge sinnvoll und kostengünstig realisiert werden. Neben den Konzepten „Bring Your Own Device“ und „Machine Health“ setzen auch Cloud-basierte Konzepte auf die Wireless-Technologien. In der vernetzten Fabrik der Zukunft gewinnen Wireless-Netzwerke einhergehend mit den Themen Cyber Security und Safety zunehmend an Bedeutung. HMS verfügt über langjährige Erfahrung und bietet Geräteherstellern und Anlagenbetreibern maßgeschneiderte Kommunikationslösungen für Feldbus, Ethernet oder Wireless als Basis für die Realisierung innovativer Automatisierungskonzepte.

* Michael Volz ist Geschäftsführer der HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe

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