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Funk als «Baustein» für lndustrie-4.0-Netzwerke : Ausgabe 14/2015, 02.09.2015

Trend geht zu immer höherer Flexibilität

Bei Funkschaltgeräten entwickelt sich der Trend weg von der reinen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und hin zu vernetzten Topologien, die sich an übergeordnete Systeme anbinden lassen. Dieser Trend ist ein Schwerpunkt für die Steute-lngenieure – sowohl in der Produktentwicklung als auch in einem Transferprojekt des Maschinenbau-Clusters «lntelligente Technische Systeme – it`s OWL».

Autor: Andreas Schenk, Produktmanager Wireless bei der Steute Schaltgeräte GmbH

Bilder: Geisser AG

Wie sieht die industrielle Fertigung der Zukunft aus? Diese Frage wird zurzeit intensiv diskutiert und es gibt mehr als nur eine Antwort. Allein für den Begriff «Industrie 4.0» sind mehr als 130 Definitionen im Umlauf. Und trotz aller unterschiedlicher Sichtweisen, Vorstellungen und Zielsetzungen lassen sich doch einige Gemeinsamkeiten feststellen. Dazu gehört die Erkenntnis, dass die Produktion flexibler organisiert und besser in der Lage sein wird, kleine Losgrös­sen effizient zu produzieren. Eine zentrale Voraussetzung dafür ist ein besserer, das heisst intensiverer Informationsfluss. Dazu ist die Vernetzung zwischen Maschinen, Werkzeugen und Produkten notwendig.

Funk macht flexibel – und wird selbst flexibler

Es ist unwahrscheinlich bzw. in vielen Fällen gar nicht möglich, diese intensivierte Kommunikation mit leitungsgebundenen Systemen sicherzustellen. Deshalb werden Funksysteme künftig eine noch grössere Bedeutung in der industriellen Produktion erlangen. Der Trend zu grösserer Flexibilität – ein wichtiger Treiber für Industrie 4.0 – gilt dabei auch für die Funktechnologien selbst. Der Steute-Geschäftsbereich «Wireless», der seit mehr als zehn Jahren Funkschaltgeräte für industrielle Anwendungen entwickelt und fertigt, befasst sich daher intensiv mit neuen Topologien für Funknetzwerke.

Bei der Mehrzahl der bis heute realisierten Lösungen handelt es sich genau genommen nicht um Netzwerke, sondern um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, bei denen ein oder mehrere Funkschaltgeräte mit einer Auswerteinheit kommunizieren und diese wiederum per LAN mit übergeordneten Systemen. Für diese Art der Wireless-Kommunikation stehen verschiedene Standards und Protokolle zur Verfügung. Diese unterscheiden sich unter anderem durch die Art der Energieversorgung, das Frequenzband und die Art der Kommunikation. Auch für besondere Aufgabenfelder wie Maschinensicherheit oder Explosionsschutz stehen dezidierte Funkprotokolle zur Verfügung.

Plattform für die Einbindung in kundenseitige Netzwerke

Dem deutschen Gerätehersteller nach wird sich das Spektrum der Kommunikationsvarianten in Bälde noch deutlich erweitern. Denn kommende Generationen von Funkschaltgeräten werden nicht mehr nur nach dem Punkt-zu-Punkt-Prinzip, sondern netzwerkartig nach dem «Multihop»-Prinzip kommunizieren. Sie werden in den unternehmensweiten Datenaustausch eingebunden und damit zur Flexibilität der Industrie-4.0-Produktion beitragen. Die Plattform dafür gibt es bereits: Schaltgeräte und Funkempfangseinheiten lassen sich um die Funktionalität «Netzwerkbetrieb» erweitern, und ein intelligenter Router bildet die Hard- und Softwareschnittstelle zu kundenspezifischen IT-Systemen. Das schafft die Voraussetzung für grösstmögliche Freiheiten bei der Zuweisung von Funktionalitäten und der Bereitstellung von relevanten Informationen.

«Listen before Talk» auch in energieautarken Netzen

Die Schnittstelle zwischen Funkschaltgerät und kundenseitiger IT kann man verschieden ausgestalten. Das gilt sowohl für die Netzwerktopologie als auch für das Kommunikationsprotokoll (TCP/IP, WLAN usw.). Die Softwareplattform ist hier grundsätzlich offen und welche Variante sich anfangs durchsetzt, wird von den Wünschen und Anforderungen der Anwender abhängen, mit denen man die ersten Projekte realisiert. Bei einem Pilotprojekt wurde beispielsweise ein «Wireless-Kanban»-System für Montagearbeitsplätze realisiert.

Eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz von Funkschaltgeräten in der Produktion ist die Gewährleistung einer hohen Übertragungssicherheit auch unter widrigen Bedingungen, wie Abstrahlungen, diversen Funknetzen und einer hohen Anzahl von Geräten, die im selben Netz funken. Nach der Steute-Erfahrung wird diese Voraussetzung schon jetzt erfüllt. Dennoch gibt es immer wieder Weiterentwicklungen mit dem Ziel, die Übertragungssicherheit nochmals zu erhöhen.

Aktuell ist hier die Funktion «Listen before Talk» (LBT) zu nennen. Sie wurde nun in das bidirektionale «Low-Energy»-Funkprotokoll sWave 868/915 integriert und erlaubt es dem Schaltgerät, zunächst die Belegung der ausgewählten Frequenz zu prüfen, bevor das Signal abgesetzt wird. Damit wird ausgeschlossen, dass aufgrund einer nahezu zeitgleichen Betätigung mehrerer Funkschalter bzw. -sensoren der Kanal belegt ist, wenn der zweite Schalter sein Signal absetzen will. Dies ist eher eine theoretische Fehlerquelle als ein in der Praxis auftretendes Problem. Dieses wurde nun aber dennoch gelöst, um ein Höchstmass an Übertragungssicherheit zu erreichen. Die Herausforderung aus Entwicklungssicht bestand darin, diese bekannte Technologie in energieautarke «Low-Energy»-Systeme zu integrieren und die Energie bereitzustellen, die man zum «Hineinhören» ins Funknetz benötigt.

it`s-OWL-Transferprojekt

Abgesehen von der eigenen Entwicklungs- arbeit im neuen Zentrum, beteiligt sich das KMU an einem Transferprojekt des Maschinenbau-Clusters «Intelligente Technische Systeme – it`s OWL». 170 Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeiten hier an insgesamt 45 Projekten, die als übergreifendes Thema die Weiterentwicklung der industriellen Produktion im Sinn von Industrie 4.0 haben. Den übergreifenden Querschnittsprojekten sind Transferprojekte zugeordnet, die eine Übertragung der Erkenntnisse auf die praktische Ebene der industriellen Produktion beschleunigen sollen. Das Transferprojekt, an dem sich Steute beteiligt, ist dem Querschnittsprojekt «Intelligente Vernetzung» zugeordnet. Hier geht es darum, Plug-and-Play-Funktionalitäten für intelligente Geräte, Maschinen und Produktionsanlagen zu entwickeln und auf einer modularen Plattform bereitzustellen.

Die Funknetzwerke von morgen

Aus Steutes Sicht wird sich in «Industrie 4.0» nicht nur eine der erwähnten Netzwerkarchitekturen durchsetzen. Je nach Anwendung und Anforderungen, wird es unterschiedliche Lösungen geben. Ob dann in der industriellen Praxis der Begriff «Internet der Dinge» zutreffend ist, wird sich zeigen. Die bisherigen Gespräche und Pilotprojekte deuten darauf hin, dass es ausreichen wird, wenn ortsgebundene Einheiten über lokale Funknetzwerke wie WLAN in den Signal- und Datenaustausch eingebunden sind. Es muss also nicht jedes Werkzeug, jeder Behälter und jedes Produkt eine eigene IP-Adresse erhalten.

Übersicht Wireless: 14_15.51.pdf

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Im Geschäftsbereich «Wireless» bietet Steute diverse funkbasierte Schaltgeräte, Sender, Empfänger und Repeater an – der Trend geht deutlich Richtung Systemlösungen

Quick-Link

Wireless-Schaltgeräte www.polyscope.ch/2015/swave

Carl Geisser im swissT.net

Sektion 14: Electronic Packaging