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Fit für die industrielle Kommunikation

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.

Für schnelles Roaming optimiert iPCF-MC das Übertragungsverfahren mithilfe eines Management CHannels. Das gestattet dem Client, innerhalb kurzer Zeit den Access Point zu wechseln – eine wichtige Voraussetzung für den industriellen Einsatz, die auch die funkgestützte Abbildung sicherheitsrelevanter Netzwerkfunktionen unterstützt. Simens AG

Verbesserung der Übertragungsverhältnisse

Nicht immer wird in industriellen Applikationen Echtzeitkommunikation gefordert. Doch es gibt weitere Anforderungen – wie etwa eine Minimierung der Anzahl der verwendeten Access Points entlang der Strecke oder das Vermeiden von sich überlappenden Funkkanälen, zum Beispiel in großen Hallen. Mithilfe der industriespezifischen Erweiterung ‚Industrial Range Extension Function‘ (iREF), ist es möglich, mit den drei angeschlossenen Antennen drei verschiedene Funkbereiche innerhalb einer Zelle abzudecken. Folglich wird der Bereich, der durch einen Access Point bedient wird, größer. Im Normalbetrieb ohne iREF funken die drei Antennen dagegen den gleichen Bereich ab. Mithilfe der Erweiterung wird nur auf derjenigen Antenne gesendet, mit der der jeweilige WLAN-Client am besten zu erreichen ist. Dadurch entstehen weniger Interferenzen mit benachbarten Access Points, was zu einem höheren Datendurchsatz der gesamten Anlage führt. Weiterhin kann durch selektives Senden auf der richtigen Antenne eine höhere Sendeleistung verwendet werden, was wiederum zu einer erhöhten Reichweite führt.



Der Technologiekonzern Siemens bietet zur Unterstützung von Anwendungen in Industrie und Automatisierung ein abgestimmtes Produktportfolio an, das sich an verschiedene Anwendungsszenarien anpassen lässt, um den Aufbau einer verlässlichen Funkinfrastruktur bestmöglich zu unterstützen. So wurde beispielsweise der Access Point Scalance W788-2 M12 EEC für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen konzipiert. Die Gerätereihe bietet auch Modellvarianten für Montage im Innenbereich oder Schaltschrank. Bild: Simens AG

Hohe Verfügbarkeit von industriellem WLAN

Vor allem eine hohe Verfügbarkeit von drahtlosen Netzwerken in Industrieanwendungen wird immer wichtiger. Dieser Anforderung lässt sich am besten mithilfe des Aufbaus eines redundanten Funknetzes gerecht werden. Dieses ist einfach zu realisieren durch das mehrfache Abdecken des betreffenden Kommunikationsbereichs mit unterschiedlichen Access Points. Allerdings ist das nur eine Absicherung der Access Points in dem Netzwerk, die Client-Module bleiben weiterhin eine kritische Fehlerquelle, ein ‚Single-Point-of-Failure‘. Um dem entgegenzuwirken, ist es mithilfe der industriespezifischen Erweiterung Dual Client möglich, auch auf Seiten der Client-Module vom drahtlosen Netzwerk eine redundante Lösung anzubieten. Hierbei werden parallel zwei Client-Module mit einem Ethernet-Teilnehmer oder sogar einem kleinen Netzwerk verbunden. Beide Client-Module verbinden sich dann mit unterschiedlichen Funkzellen, wobei einer der Client-Module aktiv Daten überträgt, während der andere sich lediglich verbindet und in den Standby-Modus geht. Sobald die Verbindung des aktiven Client-Moduls unterbrochen wird, beispielsweise durch Roaming, übernimmt das Client-Modul, das sich im Standby-Modus befunden hat, ohne Unterbrechung in der aktiven Datenkommunikation, die aktive Rolle.

Umgebungsbedingungen bestimmen die Anwendung

In der industriellen Umgebung sind aber nicht nur spezifische Erweiterungen in der Software wichtig. Die Hardware muss ebenso an den Umgebungsbereich angepasst sein. So ist es im Außenbereich nötig, dass die Geräte über die passende Schutzklasse IP65 verfügen, um gegen Wind- und Wettereinflüsse gewappnet zu sein. Zudem spielt es im Außenbereich eine Rolle, dass die Geräte nicht für jedermann zugänglich sind beziehungsweise von jedem bedient werden können – gerade im Hinblick auf möglichen Vandalismus wie zum Beispiel Kabelziehen oder Sabotage. Das ist ein nicht außer Acht zu lassender Punkt. Im Innenbereich ist zwar nicht unbedingt die gleiche Schutzklasse wie für den Außenbereich von Nöten – dennoch sollte das Gerät für die raue industrielle Umgebung ausgelegt sein. Die Gründe können, je nach Anwendungsbereich, zum Beispiel große Temperaturschwankungen sein, die mitunter von minus 40 bis plus 70 Grad Celsius reichen.

Dabei kann es zu Kondenswasserbildung innerhalb eines Gerätes kommen, was die Hardware nachhaltig schädigt. Aus diesem Grund ist bei dem Scalance-Client W700 auch die Variante Scalance W788-2 M12 EEC für erweiterte Umgebungsbedingungen mit lackierten Leiterplatten verfügbar. Für eine Montage im Schaltschrank wiederum stehen aufgrund des begrenzten Platzangebots andere Eigenschaften im Vordergrund, wie zum Beispiel die Bauform. Scalance-W-Geräte für den Schaltschrank lassen sich entsprechend flexibel anbringen, entweder auf Standard-Hutschiene oder S7-300/S7-1500 Profilschiene.

IWLAN – kein Vergleich zum Office-Funknetz

Die Technologiebeispiele zeigen: Anwender müssen gegenüber dem Einsatz von IWLAN im industriellen Umfeld keine Bedenken mehr haben. Das Leistungsspektrum aktueller Lösungen für den industriellen Einsatz ist in puncto Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit nicht mehr mit dem von Geräten für Heim- und Office-WLAN vergleichbar. Neben der passenden, kompakten und robusten Hardware stellen dabei auch erweiterte Softwarefunktionen einen zentralen Bestandteil für den Aufbau eines zuverlässigen und ausfallsicheren Funknetzes dar.