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Wireless-Technologie

Fit für die industrielle Kommunikation

Der Wireless-Technologie ist der Sprung vom Konsum- in den Industriebereich gelungen: Die Nutzung von Wireless LAN hat sich in industriellen Anlagen mittlerweile etabliert. Sie kann vorhandene, kabelgebundene Infrastrukturen vor allem dort ergänzen, wo Kabel schlecht oder gar nicht zu verlegen sind, oder bei mobilen Geräten – und das über eine Vielzahl von Einsatzszenarien hinweg.

Bild: Siemens AG

Zwar gibt es teils signifikante Unterschiede zwischen dem ‚Wireless Local Area Network‘ (WLAN), das der Anwender als Funknetzvariante von zu Hause oder aus dem Büro kennt, und dem in rauen Industrieumgebungen eingesetzten ‚Industrial Wireless LAN‘ (IWLAN). Doch während der Privatanwender auf eine gute Signalstärke, die Verfügbarkeit und gegebenenfalls eine hohe Bandbreite Wert legt, bestehen in der Industrie neben diesen Kriterien auch noch andere essenzielle Anforderungen wie etwa Deterministik und Echtzeitkommunikation, um beispielsweise sicherheitsrelevante Kommunikation drahtlos stattfinden zu lassen. Doch auch wenn der Industrieanwender mit zuerst genannter Lösung in der industriellen Automatisierung nicht weit kommt – die grundlegende Technologie ist die gleiche. Allerdings standen bei der Entwicklung des Standards IEEE 802.11, auf welchem WLAN basiert, die industriellen Anforderungen in keinster Weise im Fokus. Deshalb werden für den Einsatz im Automatisierungsumfeld nach wie vor industriespezifische Erweiterungen oder ‚iFeatures‘ benötigt, die dahingehend ausgelegt wurden, dass WLAN den rauen Industrieumgebungen standhält.

Industrie-Funknetze für Echtzeit-Anwendungen

Wenn eine Wireless-Lösung für eine Applikation mit Echtzeitanforderungen gewünscht wird, zum Beispiel auf Basis von Profinet IO, ist WLAN – wie eingangs erwähnt – nach IEEE 802.11n nicht mehr ausreichend. Siemens setzt daher bei seinem Scalance W700-Portfolio auf die Erweiterung ‚Industrial Point Coordination Function‘ (iPCF), welche sicherstellt, dass jedes Profinet-IO-Gerät innerhalb seiner Zykluszeit am Profinet-IO-Controller antworten kann. Dieses wird ermöglicht durch ein Polling-Verfahren, bei dem der Access Point zyklisch und in sehr kurzen Abständen jedes Client-Modul in seiner Funkzelle der Reihe nach abfragt. Wird ein Client-Modul ‚gepollt‘, antwortet es direkt mit den zeitkritischen Informationen. Die Übertragung von nicht-zeitkritischen Informationen wird verschoben, bis wieder freie Zykluszeit zur Verfügung steht. Folglich ist mit dem Polling-Verfahren die Kommunikation in der gleichen Funkzelle sichergestellt. In größeren Netzen allerdings gibt es mehrere Access Points und damit einhergehend mehrere Funkzellen, in welche Client-Module mittels eines Übergangs von einer in eine andere Funkzelle wechseln – Roaming. Während eines Roaming-Vorgangs findet allerdings keine Kommunikation statt. Um sicherzustellen, dass die Echtzeit-Telegramme rechtzeitig übertragen werden, wurde das Zeitverhalten ebenfalls angepasst.

Einsatz in wege-gebundenen Anwendungen

Wenn die Applikation es dann noch zulässt, dass die Reihenfolge definiert ist, in der die unterschiedlichen Client-Module zwischen den verschiedenen Funkzellen roamen, sind Roaming-Zeiten von deutlich unter 50 Millisekunden möglich. Durch dieses schnelle Roaming und das eben erwähnte Polling ist es neben Profinet IO auch möglich, sicherheitsrelevante Informationen mittels Profisafe drahtlos zu übertragen. In Kombination mit dem Leckwellenleiter RCOAX als Antenne ist dieses besonders gut für dedizierte Funkverfahren zu realisieren: Dieser wird meist in Applikationen mit festgelegten Strecken verwendet, wie zum Beispiel bei einer Elektrohängebahn (EHB) oder bei schienengeführten Fahrzeugen. Neben dieser definierten Abfrage wird mithilfe des RCOAX sichergestellt, dass das Funkfeld sich auch an der Stelle befindet, an der es nötig ist. Das verspricht Vorteile für Signalstärke und Signalqualität.

Echtzeit-Funk für freibewegliche Clients




Beispiel für dediziertes Funkverfahren: Beim polling-gestützten Roaming werden zeitkritische Daten priorisiert, um die zur Verfügung stehende Bandbreite durch mobile Clients bestmöglich ausnutzen zu können. So werden Roaming-Zeiten von deutlich unter 50 Mittlisekunden möglich. Dabei lassen sich im Zusammenspiel mit Leckwellenleiter-Antennen durch gezielte Positionierung des Funkfeldes Signalstärke und -qualität weiter verbessern. Bild: Simens AG

Weil nicht alle Anforderungen unterschiedlicher industrieller Applikationen vergleichbar sind, gibt es neben iPCF noch andere industriespezifische Erweiterungen für Wireless LAN, zum Beispiel den Management Channel für iPCF (iPCF-MC). Genau wie bei iPCF funktioniert die MC-Erweiterung nach dem Polling-Verfahren, allerdings lag bei der Entwicklung ein starker Fokus auf Anwendungen mit freibeweglichen Funkteilnehmern, beispielsweise ein fahrerloses Transportsystem oder ein Simatic Mobile Panel 277F IWLAN als Client. Mit freibeweglichen Clients ist in solchen Szenarien die Vorhersage, in welcher Reihenfolge diese sich mit den unterschiedlichen Funkzellen verbinden, schwer möglich. Bei der Entwicklung von iPCF-MC stand deswegen die Optimierung des Roaming-Verfahrens im Fokus. Wenn diese Erweiterung eingesetzt wird, ist es notwendig, einen Access Point mit zwei Funkschnittstellen zu verwenden, so entsteht ein sogenannter Dual Access Point. Hierbei wird eine der Schnittstellen für den Datenaustausch zwischen dem Client-Modul und dem Access Point verwendet und die zweite nutzt der Access Point zum ‚Broadcasten‘ oder Verschicken von administrativen Telegrammen. Die zweite Funkschnittstelle jedes Access Points, welcher sich in der Anlage befindet, sendet auf dem gleichen Funkkanal, dem sogenannten Management Channel. Diese Schnittstelle ist so eingestellt, dass die Client-Module zeitgleich die administrativen Informationen von allen Access Points in Reichweite empfangen können, sobald sie sich nicht im Datenaustausch befinden. Anhand der empfangenen Informationen entscheidet der Funkteilnehmer, mit welchem Access Point er sich am besten verbindet.

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