Als Folge der Umsetzung von Industrie 4.0 (Industrie 4.0) wird die drahtlose Technologie über Gigabit-Leitungen hinaus ihre Rolle in industriellen Umgebungen erhöhen. Die Frage ist nicht mehr ob, sondern wie und wann sich die Funktechnologie durchsetzen wird. Hier die wichtigsten Antworten.
Die Standards für die drahtlose Übertragung von Mess- und Steuerdaten haben sich enorm weiterentwickelt, was selbst die kritischsten dazu veranlasst, ihre Haltung „Unser System muss funktionieren – drahtlose Technologie ist nicht sicher genug“ zu überdenken. Die Entscheidung, welcher Standard am besten geeignet ist, hängt jedoch von der Anwendung ab.
Feldebene I – nah am Werkstück, muss aber flexibel, selbsttragend und wartungsfrei sein
An den neusten Produktionslinien ist man überrascht, die ersten Sensoren und Aktoren zu sehen, die ohne Kabel oder Schleifkontakte auskommen. Sie bieten Flexibilität beim Einbau und ermöglichen damit völlig neue Bewegungsabläufe in Fertigungsprozessen. In der Vergangenheit war eine leere Batterie, die zu Produktionsunterbrechungen führte, der am häufigsten genannte Grund, solche Lösungen nicht zu installieren. Aber jetzt haben sich energieautarke Sensoren und Aktoren bewährt. Mit ihren Energiespeichermodulen sind sie in der Lage, Umgebungslicht oder Wärmeunterschiede in genügend elektrische Energie umzuwandeln, um Datenpakete über kurze Funkstrecken bis zu einigen hundert Metern versenden zu können. Ein lokaler Energiespeicher gewährleistet wochenlang eine ausfallsichere Funktion, falls zu irgendeinem Zeitpunkt nicht genügend Energie aus der Umgebung gesammelt werden kann. Zur Vernetzung von Sensoren und Aktoren stehen neben dem EnOcean Sub Ghz Protokoll auch Bluetooth 5 und ZigBee 3.0 im 2,4 Ghz Band zur Verfügung. Die ZigBee Alliance scheint aus den Fehlern der Vergangenheit gelernt zu haben. So beweist die Version 3.0 nicht nur in Geräten wie Amazon Echo, Philips Hue, Ikea Trådfri und Osram Lightfy ihre Beliebtheit, sondern – aufgrund ihrer Spezifikationen – auch im industriellen Bereich. Eine Kombination des kompatiblen EnOcean-Moduls sorgt für die Energiespeicherung mit ZigBee.
Die Funkeinheit basiert – wie auch der Funkstack – auf einem Halbleiter von Nordic Semiconductor. Für direkte P2P-Verbindungen oder die Interaktion mit einem Smartphone, Tablet oder Laptop kann Bluetooth genauso gut genutzt werden und ist vollständig autark. Wird eine größere Reichweite benötigt oder ist es aufgrund des Frequenzplans nicht möglich, das 2,4-GHz-Band vor Ort zu nutzen, bietet das EnOcean-Protokoll der EnOcean Alliance eine bewährte Alternative. Es setzt auch EnOcean-Module für Energieumwandlungs- und drahtlose Kommunikationsaufgaben ein. Als Distributor arbeitet Rutronik eng mit der EnOcean GmbH und der EnOcean Alliance sowie Nordic Semiconductor zusammen. So finden Entwickler in der Industrie auch für spezifische Softwareanpassungen und komplexere Problemstellungen eine Lösung.
Feldebene II: Immer im Empfang – Verflechtung des Inneren des Werksgeländes
In größeren und komplexeren Netzwerken, wo die Verbindungen Sensoren oder Aktoren zwischen dem Gateway, dem Hub oder einem Edge-Computer nutzen, wird die scheinbar perfekte Lösung – weil wartungsfrei und autark – an ihre Grenzen stoßen bald erreicht werden. Insbesondere bei nicht synchronisierten Mesh-Topologien muss sich jeder Funkknoten permanent im „Receive“-Modus befinden mit der Aufgabe, eingehende Datenpakete zu empfangen und für deren sofortige Verarbeitung zu sorgen. Dies erfordert die permanente Zufuhr von intensiverer Energie. Für stationäre drahtlose Knoten stehen kabelgebundene Stromquellen zur Verfügung, während für „schwebende“ drahtlose Knoten die Airfuel-Ladetechnologie die mobile Alternative ist, die deutlich mehr Bewegung zulässt als die Qi-Technologie. Die beste Lösung, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, ist in der Regel eine herkömmliche Batterie. Viele drahtlose Standards wie Bluetooth Mesh, WiFi Mesh und ANT Blaze haben eine Geschichte, die auf einer Sterntopologie basiert, und werden seit einigen Jahren auch in Mesh-Topologien geliefert. ZigBee, Threat und einige andere wurden von Grund auf für die Mesh-Netzwerkkommunikation entwickelt. Obwohl WiFi Mesh fast stromlos arbeitet, können die restlichen Mesh-Systeme nach einer Akkuladung monatelang betrieben werden. Anders als in Heimanwendungen, wo ZigBee LED-Lichtquellen steuert, scheint klar zu sein, dass ungeroutetes Bluetooth Mesh den Standard für industrielle Beleuchtungssysteme in Lagern, Produktionshallen, Großraumbüros und Hörsälen setzt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Methode, Datenpakete gezielt zu lenken, sorgt der Datenstrom für besonders schnelle Reaktion und Leistung.
Trotzdem lassen sich Smartphones und Co. in das Netzwerk einbinden, was einen enormen Vorteil gegenüber anderen Funkstandards bietet, die über den Router den Weg zum IT-Equipment finden müssen. Bluetooth Mesh ist eine mittlere Schicht, die theoretisch auf jeder Bluetooth 4.0-Hardware platziert werden kann. Aufgrund des neuesten Preissystems, das von der Bluetooth Special Interest Group eingeführt wurde, ist es jedoch eine gute Idee, beim Entwerfen eines neuen Systems aktualisierte Bluetooth 5- oder 5.1-Hardware zu verwenden. Rutronik liefert Halbleiter mit den entsprechenden Stacks von STMicroelectronics, Redpine Signals, Nordic Semiconductor und Toshiba. Wenn Sie eine Lösung mit integrierter Hochfrequenzschaltung und Zertifizierung bevorzugen, können Sie Bluetooth-Mesh-Module von Insight SiP, Garmin, Panasonic, Murata, Telit, Fujitsu, Minew und Redpine Signal wählen.
Feldebene III: außerhalb der Sichtweite, aber eng verbunden
An Umschlagspunkten wie Logistikknoten, Bahnhöfen und Häfen ist die Funktechnologie mit großer Reichweite das bevorzugte Verfahren. Von den Technologien, die öffentliche und lizenzfreie ISM-Bänder nutzen, hat sich LoRa in den meisten mitteleuropäischen Ländern etabliert. Frankreich und die Niederlande setzen bei ihrem guten Netzausbau vor allem auf Sigfox. 2019 gab es jedoch eine Trendwende: Die Standards 4G Cat M1 und Cat NB1 für Schmalband-IoT erlebten je nach Region und Anwendung ein starkes Wachstum. Die ersten Testphasen sind bereits in die Serienproduktion übergegangen. Obwohl LTE-M für zellengeladene Tracking-Anwendungen verfügbar ist, verbraucht LTE NB1 noch weniger Strom. In vielen Ländern befindet sich das Netz jedoch in einer Phase des Ausbaus, und es wird verbrauchsarme Mobilfunktechnologie eingesetzt. Deutsche Mobilfunkanbieter konzentrieren sich auf den Metering-Markt. Da ein installierter Strom-, Gas- oder Wasserzähler fest installiert bleibt, muss während einer Verbindung die Mobilfunkzelle nicht gewechselt werden. Anbieter in anderen Ländern bevorzugen Tracking-Apps für bewegliche Objekte und haben sich auf die wachsende M1-Kategorie konzentriert. Viele Hersteller von Mobilfunkmodulen unterstützen beide Netze; Rutronik hat Lösungen von Telit, Nordic Semiconductor, Murata, Telic, Advantech und bald auch weiteren Franchisepartnern. Wie herkömmliche 2G-, 3G- und 4G-Module werden auch M1-LTE-Transceiver häufig mit dem Global Navigation Satellite System (GNSS) in einem Gehäuse kombiniert, da sie zur Verfolgung und Überwachung der Position und Bewegung von Containern, Fahrzeugen, High-End-Produkten, Menschen und Tiere.
Der Standort muss bestimmt und über das Mobilfunknetz übermittelt werden. GPS war vor einigen Jahren ein nahezu konkurrenzloses Navigationssystem. Aber GNSS-Alternativen tauchten in Form der Systeme Glonass (Russland) und Beidou (China) auf, die dem US-System noch nicht ganz ebenbürtig waren. 2019 hat sich das europäische Galileo-System durchgesetzt und läuft bereits seit einiger Zeit erfolgreich auf Millionen Handys. Mitte des Jahres wurde entschieden, die kostenlos zur Verfügung stehende Tracking-Genauigkeit zu erhöhen, so dass Galileo heute GPS in Bezug auf die kostenlose Nutzung von Layer-1-Daten voraus ist und als einziges System eine Authentifizierungsfunktion bietet . Dadurch wird sichergestellt, dass die aktuell empfangenen Signale von Galileo kommen und nicht von einer „falschen“ Sendestation. Und Galileo ist auch das einzige zivile System, das in einem demokratischen Land operiert. Trotzdem wird fast allen Anwendern empfohlen, möglichst viele Systeme parallel zu installieren. Und da immer mehr Satelliten verwendet werden, können die neuesten Multi-GNNS-Empfänger schneller, effizienter und genauer arbeiten. Wir sollten jedoch auf zukünftige Änderungen vorbereitet sein und reagieren können, wenn eines der Systeme ausfällt. Das auf dem Modul vorhandene NB1- oder M1-Modem kann verwendet werden, um die Firmware-Parameter zu ändern. Für Anwendungen, die GNSS mit LoRa, Sigfox, WiFi oder Bluetooth verwenden, ist es erforderlich, die entsprechende Option für den Zugriff auf den Betriebsknoten der GNSS-Einheit im Host-Controller zu haben. Normalerweise reicht es aus, einen NMEA-Steuerbefehl zu erstellen und dem Empfänger mitzuteilen, welche Systeme er verwenden und ignorieren soll. Diese Remote-Funktionalität muss immer manuell implementiert werden und kann im schlimmsten Fall desaströs für die Anwendung sein, aber auch ein Lebensretter oder Beschützer des Unternehmens sein.
Prozessebene: Willkommen im WLAN der sechsten Generation
Auf der Verarbeitungsebene werden alle Daten der einzelnen Arbeitsplätze zusammengeführt. Oft sind die am Sensor auf Feldebene gesammelten Daten noch nicht ganz fertig. Um von ihnen Informationen zu erhalten, findet zumindest eine Vorverarbeitung der Daten statt. In vielen Anwendungen ist es von Vorteil, damit mehrere parallel empfangene Felddaten vergleichen zu können. Mustervergleichsalgorithmen können konfiguriert werden, die nicht nur mit statischen Mustern übereinstimmen, sondern auch ständig ihre Referenz anpassen müssen. Um diese und ähnliche rechenintensive Aufgaben zu bewältigen, werden in der Regel stärkere x86-basierte Systeme eingesetzt. Hier geht der Trend in Richtung Interconnection und in Richtung Systemebene zu drahtlosen Technologien. Allerdings ist die sechste WLAN-Generation nicht nur schneller als die Vorgänger, sondern zeichnet sich auch durch ein besseres Verbindungsmanagement für Teilnehmer aus, was in professionellen Installationsszenarien sehr nützlich ist. Ein weiterer Pluspunkt ist die verbesserte Frequenzvergabe mit dem 5G-Netz in der vollständigen Einführungsphase. Mit Intel als Technologiepartner konnte Rutronik seinen Kunden von Anfang an marktreife WiFi-6-Lösungen liefern. Insbesondere die m.2 PC-Karten für Industrie-PCs, Panel-PCs und NUCs waren sehr gefragt. Systemebene: Sie befindet sich unterhalb der Lokalisierung Die Wahl der Technologie auf Systemebene hängt stark von der lokalen Komplexität und den Gegebenheiten ab, wie z. B. der Größe der Fabrik oder dem Betriebsfrequenzplan. Für kleinere dynamische Operationen kann Wi-Fi 6 eine Lösung sein, während für große Unternehmen mit sehr statischen Installationen eine kabelgebundene Lösung – immer noch – die beste Alternative wäre. Sobald 5G verfügbar und bezahlbar wird, müssen auch diese Einrichtungen neu gedacht werden.
Operative Ebene: Hier ist die Vorgängergeneration noch eine Option
Bei der Kommunikation zwischen verschiedenen Werken werden die Informationen vorab so verdichtet, dass LTE mehr als genug ist, um die Anforderungen an Datendurchsatz und Latenzzeiten zu bewältigen – auch in internationalen Unternehmen. Organisationen, die ihre kabelgebundenen Internetverbindungen vor Ort sichern möchten, können jetzt wichtige Betriebsdaten mit Mobilfunktechnologie über einen LTE-Router übertragen. Entscheiden sich Nutzer für eine Feldebene oder einzelne Sensordaten, in der Regel für die niedrigeren LTE-Kategorien, ist es auf Betriebsebene möglich, LTE-Kategorie 6 oder höher zu wählen. Der Stromverbrauch und der Preis des Modems werden vernachlässigt, da die Rechner immer aus dem Stromnetz performen und nur wenige LTE-Modems oder LTE-Router zum Einsatz kommen. Telit, Telic und Advantech liefern Produkte wie PC-Karten, externe Modems und Router. Eine einzelne Gesamtlösung könnte sie beispielsweise mit einem Intel- oder Asus-Server kombinieren, der mit einem Telit-LTE-Modem und einer Intel-WiFi-6-Karte konfiguriert ist.
Weitere Trends in der drahtlosen Automatisierung
Nach ihrem Erfolg bei Consumer-Smartphones macht eine weitere Technologie Fortschritte in industriellen Umgebungen. Die 13,56-MHz-Technologie ermöglicht einen sicheren Austausch zwischen einem aktiven Lesegerät und einem passiven Transponder sowie zwischen zwei aktiven Lesegeräten. Da es mit praktisch allen modernen Tablets und Smartphones kompatibel ist, gibt es billige Hardware von der Stange; Auf den Einsatz teurerer Spezialgeräte wie einer RFID-Pistole kann oft verzichtet werden. Abgesehen von den Hardwarekosten bringt diese Alternative auch Vorteile bei der Softwareprogrammierung. Wer RFID für längere Distanzen nutzen oder mehrere Transponder gleichzeitig untersuchen möchte, muss auf eine andere Frequenz zurückgreifen oder sich die aktiven Systeme anschauen. In diesem Fall werden die Transponder nicht aus dem elektromagnetischen Feld des Lesegeräts gespeist und kommunizieren über Ladungskopplung, sondern haben ihre eigene Quelle (normalerweise eine Batterie oder Solarquelle) und arbeiten auf dem 2,4-GHz-Band basierend auf Bluetooth oder einem ähnlichen drahtlosen Protokoll. In Projekten, in denen es keine Möglichkeit gibt, Festverkabelung oder Stromspeicher und sogar kostengünstige drahtlose Verbindungen wie Bluetooth Low Energy zu verwenden, entladen sich die Batterien zu schnell, wodurch sich die Zahl der industriellen Anwendungen erhöht, die sich dem ANT-Protokoll zuwenden. Beispielsweise werden in Kürze die ersten Time-of-Flight (ToF)-Sensoren verfügbar sein, um hochpräzise Entfernungskartierungsanforderungen zu erfüllen, die sehr wenig Strom benötigen. Darüber hinaus ist ANT auf vielen Android-Smartphones sofort einsatzbereit, und mit Multiprotokoll-SoC-Lösungen können Sie den Datenverkehr in Bluetooth-Netzwerken ohne zusätzlichen Hardwareaufwand übertragen.
„Innovation in Automation“ Mit modernster Funktechnologie
Die Online-Seminarreihe „Innovation in Automation“ bietet auf Abruf informative Videos der führenden Hersteller elektronischer Komponenten für Industrie 4.0. Sie zeigen Lösungen für die Industrieanlagen der Zukunft; die Unterthemen sind Künstliche Intelligenz, Robotik und Netzwerke. Die Seminare beinhalten auch einen Vortrag von Telit, Anbieter von Mobilfunkprodukten, M2M-SIM-Lösungen, IoT-Geräteverwaltungssystemen und Nahbereichs-Funktechnologie, und Intel, Hersteller von WiFi-6-Lösungen www.rutronik.com/iia um die Videos des Seminars zu sehen.
