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Funk-Potenziale effizient nutzen

Funkstille in der Produktion?

Funk-Potenziale effizient nutzen

Seit vielen Jahren halten Funksysteme Einzug in die Industrieautomation. Gerade bei der Vernetzung von beweglichen, weit entfernten oder schwer zugänglichen Anlagenteilen bieten sie viele Vorteile. Hier sind sie deutlich flexibler und vielfach auch kostengünstiger als kabelgebundene Lösungen. Oft werden hierfür Funktechnologien in lizenzfreien Frequenzbändern, wie WLAN, Bluetooth oder darauf basierende Varianten, eingesetzt.



Bild: Fraunhofer IIS/EAS, Oliver Killig

Die korrekte Installation von Funksystemen sowie der zuverlässige Betrieb können im industriellen Umfeld schwierig sein. Veränderliche Ausbreitungsbedingungen, benachbarte Funksysteme, Fehlkonfigurationen oder gestiegene Anforderungen der Anwendung können Übertragungsprobleme verursachen. Die Folge sind dann Verbindungsabbrüche und schlimmstenfalls Anlagenausfälle. Die Weiterentwicklung des Mobilfunks schafft hierbei nur bedingt Abhilfe. Der zukünftige Standard 5G adressiert zwar die deterministische Datenübertragung mit kurzen Latenzzeiten, jedoch sprechen die signifikanten Betriebskosten, die starke Abhängigkeit von den nationalen Mobilfunkanbietern und die im Vergleich zu lizenzfreien Frequenzbändern geringere Bandbreite gegen eine flächendeckende Nutzung in der Industrieautomation. Die lizenzfreien Frequenzbänder werden daher trotz der bestehenden Probleme auch zukünftig von enormer Bedeutung sein und darauf zugeschnittene, neue Funktechnologien speziell für die Industrieautomation entwickelt werden.

Parallelbetrieb von Funksystemen

Für einen störungsfreien Betrieb von parallel arbeitenden Funksystemen in lizenzfreien Frequenzbändern empfehlen renommierte Fachverbände die Einführung eines manuellen Koexistenzmanagements. Mit dem zu erwartenden Anstieg drahtlos vernetzter Anwendungen im Kontext von Industrie 4.0 und der daraus entstehenden Dynamik erreicht dieser Ansatz jedoch schnell seine Grenzen und muss in ein automatisches, übergreifendes Netzwerk- und Ressourcenmanagement-System überführt werden. Hierbei werden alle Funknetze des Betreibers in der Umgebung automatisch gesteuert und überwacht. Der Zustand einzelner Funksysteme wird bei der Inbetriebnahme sowie auch nach signifikanten Änderungen im Umfeld der Anwendung immer wieder überprüft. Nur so können Störungen zwischen benachbarten Funknetzen vermieden und Produktionsausfälle minimiert werden. Gleichzeitig wird die Auslastung der bestehenden Funkbänder optimiert, sodass mehr funkbasierte Applikationen parallel betrieben werden können.



Mittels einer kombinierten Spektral- und Telegrammanalyse erkennt der Wireless-Network-Analyzer den Zustand der Funknetze und bestehende Probleme.Bild: Fraunhofer IIS/EAS


Schnittstellen schaffen

Die Integration eines derartigen Netzwerk- und Ressourcenmanagements erfordert verschiedene Veränderungen:

Heutzutage werden die Aufgaben des Netzwerk- und Ressourcenmanagements von Anlagenbetreibern oder Systemintegratoren beziehungsweise Troubleshooting-Dienstleistern übernommen. Jedoch fehlen dabei geeignete Hilfsmittel für die Überwachung und Störungsidentifikation in Funknetzen. Ausgehend von dieser Problemstellung hat das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen am Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme (Fraunhofer IIS/EAS) eine Lösung entwickelt – den Wireless Network Analyzer. Dieser untersucht simultan die Funknetze in der Umgebung hinsichtlich ihrer Verbindungsqualität und identifiziert bestehende Störungen. Die Analyse der Funknetze erfolgt hierbei auf Basis des Frequenzspektrums und der logischen Daten der Funktelegramme. Durch die Verknüpfung beider Ergebnisse lassen sich somit genaue Aussagen zum Systemzustand und zu Störungen im Netzwerk machen.

Störungen identifizieren

Mittels einer Spektralanalyse werden die Auslastung sowie zusätzliche Interferenzen in dem betrachteten Frequenzband ermittelt. Das allein liefert jedoch zu wenige Informationen, um konkrete Störquellen zu identifizieren. Beim Wireless Network Analyzer wird daher parallel eine Telegrammanalyse durchgeführt. Mit dieser wird zum einen die Topologie der überwachten Netzwerke rekonstruiert. Zum anderen werden für alle Funkverbindungen separat verschiedene Metriken berechnet (zum Beispiel Auslastung, Verbindungsqualität, Fehlerraten, Empfangsleistung, Telegrammabfolge) und der entsprechende Zeitverlauf analysiert. Damit werden der Zustand der einzelnen Verbindungen und vorhandene Störungen sowie die Reserven der Netzwerke hinsichtlich Auslastung und Zuverlässigkeit deutlich. Weiterhin ermöglicht ein zeitlicher Vergleich der verbindungspezifischen Analyseergebnisse, wechselseitiger Störungen zwischen einzelnen Funkverbindungen zu erkennen. Der Wireless Network Analyzer ermöglicht aktuell die simultane Analyse von Industrial-WLAN Netzwerken von Siemens und WLAN Netzwerken anderer Komponenten-Hersteller im 2,4 Gigahertz- und 5 Gigahertz-Band und wurde bereits erfolgreich in der Industrie eingesetzt. Der Entwicklungsschwerpunkt der Wissenschaftler am Fraunhofer IIS/EAS liegt aktuell in der Erweiterung der Einsatzgebiete auf Bluetooth-Netzwerke. Durch einem modularen Ansatz lässt sich der Wireless Network Analyzer problemlos um weitere Funktechnologien erweitern und kann so auch zukünftige Technologien bedienen.



Prototyp des Monitoring-Knotens zur permanenten Überwachung von industriellen Funknetzen.Bild: Fraunhofer IIS/EAS, Oliver Killig


Vielfältige Anwendungsfelder

Der Wireless Network Analyzer zielt insbesondere auf zwei Anwendungsfelder ab: Erstens die mobile Zustandsanalyse sowie das Troubleshooting und zweitens die Permanent-Überwachung industrieller Funksysteme. Mithilfe der Lösung können Anlagenbetreiber und Troubleshooting-Dienstleister auf einen Blick den Zustand der Funkvernetzung in ihren Anlagen erkennen, Störungen genau diagnostizieren und deren Ursachen identifizieren. Das schafft eine Transparenz über den ‘Gesundheitszustand’ der Funknetze und vorhandene Problemstellen, wie sie bisher nicht erreicht wird. Störungen können schnell erkannt und zielgerichtet behoben werden. Dazu gehören Ausbreitungsprobleme ebenso wie wechselseitige Störungen zwischen Funkknoten und Fehlkonfigurationen. Der Wireless Network Analyzer unterstützt bei der Installation, Abnahmeprüfung und im Betrieb funkvernetzter Anlagen. Das Risiko ungeplanter Nacharbeiten im Anschluss an die Abnahmeprüfung wird reduziert und die Überprüfung der Funknetze sowie die Identifikation von Störungsursachen während des Betriebs beschleunigt. Für das zweite Anwendungsszenario der Lösung – der Permanent-Überwachung industrieller Funknetzwerke – wird am Fraunhofer IIS/EAS derzeit ein Prototyp eines entsprechenden Monitoring-Knotens aufgebaut. Dieser kann dann verteilt an neuralgischen Punkten in der Produktionsumgebung installiert und an die drahtgebundene Infrastruktur angebunden werden. Im Fall aufkommender Verbindungsprobleme können so die zuständigen Mitarbeiter frühzeitig alarmiert und Anlagenausfälle vermieden werden. Zusätzlich wird der Monitoring-Knoten um Schnittstellen erweitert, die eine einfache Integration in ein übergreifendes Netzwerk- und Ressourcenmanagement ermöglichen.