Brückenschlag

PI bringt seine langjährige Erfahrung aus der drahtgebundenen Kommunikation nun auch in die drahtlose Kommunikation ein

Der Markt öffnet sich derzeit zunehmend für den Einsatz der Wireless-Technologie. Der Wunsch, sie einzusetzen wird immer deutlicher, da sie einerseits Kostenvorteile birgt und andererseits gegenüber drahtgebundenen Systemen technische Vorteile mit sich bringt. Die Befürchtung, eine unsichere Wireless-Kommunikation einzusetzen, weicht zunehmend dank der positiven Ergebnisse in Forschungsprojekten und Pilotapplikationen.

Mit PROFIBUS und PROFINET bietet die PI (PROFIBUS und PROFINET International) zuverlässige und leistungsfähige Technologien für die drahtgebunde Kommunikation im Automatisierungsbereich an. Diese langjährige Erfahrung im Bereich industrieller Kommunikationstechnologien bringt PI nun auch im Bereich drahtloser Kommunikation ein – für Factory und Process Automation.

Zu den wichtigsten Vorteilen der drahtlosen Kommunikation in industrieller Umgebung gehören Kostensenkungen für Verkabelung und Installation sowie die Flexibilität und Mobilität. Die Wireless-Kommunikation erschließt Bereiche, in denen elektrische Kabel aufgrund mechanischer Gegebenheiten, vorhandener Schutzanforderungen oder anderer Umgebungsbedingungen nicht oder nur eingeschränkt nutzbar sind.

Applikationen im Umfeld der industriellen Automatisierungstechnik lassen sich grob auf die beiden Bereiche der Fertigungs- und der Prozessindustrie aufteilen, wobei es natürlich auch zu Überschneidungen kommen kann. Während die drahtlose Anbindung eines Füllstandsmessers klar der »Prozesswelt« zugeordnet werden kann, findet die Funkübertragung von Steuerungs- und HMI-Daten in beiden Industriebereichen Anwendung. Weitere charakteristische Unterschiede sind in der Prozessautomatisierung ausgedehnte vermaschte Netzte von Wireless-Geräten und in der Fabrikautomatisierung die Echtzeitfähigkeit und Deterministik.

Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass es nicht möglich ist, alle Anforderungen für die drahtlose Ankopplung von Feldgeräten, Sensoren und Aktoren in der Fertigungs- und Prozess-Automatisierung mit einer Funklösung abzudecken. Zum einen sind die Anforderungen an die Performance sehr unterschiedlich und zum anderen gibt es unterschiedliche Ansprüche hinsichtlich zu übertragender Paketgrößen und des notwendigen Datendurchsatzes bei Einhaltung von der geforderten Zuverlässigkeit.

Die Anwendungen in der industriellen Automatisierung können in vier Klassen eingeteilt werden, in denen gemäß der geforderten Übertragungseigenschaften aus Gründen der Effizienz unterschiedliche Technologien zur Anwendung kommen. PI entschied sich daher, auf eine Kombination verschiedener Funktechnologien zu setzen: Wireless LAN (IEEE 802.11), Bluetooth (IEEE 802.15.1), WirelessHART und WSAN-FA (Wireless Sensor Actuator Network for Factory Automation). Diese Radiotechnologien operieren in den sogenannten ISM-Bändern (Industrial, Scientific and Medical) des Frequenzspektrums. Diese Bänder werden durch die Internationale Fernmeldeunion (ITU-R) festgelegt und können von Hochfrequenz-Geräten in Industrie, Wissenschaft, Medizin usw. weltweit genutzt werden. Der Frage nach der Koexistenz kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu.

Applikationsspezifisch

Der Einsatz von Wireless wird sich nicht auf Diagnose-Daten und andere Asset-Management-Funktionen beschränken. Bei der Anwendung in räumlich weit ausgedehnten bzw. für den Einsatz von für Kabeln wenig geeigneten Umgebungen bietet es sich geradezu an, Sensoren drahtlos anzuschließen. Diese müssen folgerichtig auch zyklische Daten übertragen können.

Die in den meisten Applikationen der Prozessautomatisierung erforderlichen Zykluszeiten können mit WirelessHART erfüllt werden. WirelessHART nutzt für die Übertragungstechnik Radio-Chips nach IEEE 802.15.4-Standard, wie sie auch von ZigBee verwendet werden. WirelessHART erlaubt es, Feldgeräte bis in Zone 0 einzusetzen. Gateways für den Anschluss an ein Leitsystem werden zunächst nur in Zone 2 angeordnet und mit PROFINET oder PROFIBUS angeschlossen. Prinzipiell ist auch für diese Geräte ein Einsatz in Zone 1 und Zone 0 möglich. Der Markt wird an dieser Stelle entscheiden, ob dies nötig ist oder ob die drahtlose Verbindung für die Überbrückung der Zonen ausreicht.

Für die Fertigungsautomatisierung werden, aufgrund der höheren Anforderungen bezüglich Reaktionszeit (<10 ms), Radios nach IEEE 802.15.1 zum Einsatz kommen, wie sie auch Bluetooh verwendet. PI hat deshalb beschlossen, für die Fabrikautomatisierung auf die WISA-Technologie aufzusetzen, die ebenfalls das 802.15.1-Radio zugrunde legt. Dies ist die schnellste derzeit verfügbare Lösung, die um Merkmale zur Verbesserung der Koexistenz, skalierbare Leistung für Reichweiten bis 30 m und die Kompatibilität mit den für IO-Link entwickelten Datenmodellen von Sensoren und Aktuatoren weiterentwickelt wurde. Um eine optimale Lösung für die Fertigungsautomatisierung zu haben, wurde im ersten Schritt die WISA-Technologie bewertet und notwendige Optimierungen identifiziert. Hierzu gehören Merkmale zur Verbesserung der Koexistenz, skalierbare Leistung für Reichweiten bis zu 30 m und die Kompatibilität mit den für IO-Link entwickelten Datenmodellen von Sensoren und Aktuatoren. Die Festlegungen wurden so getroffen, dass eine zukünftige optionale Integration der 802.15.4-Radio Physik möglich ist.

WLAN ist als Backbone-System für die Übertragung großer Datenmengen bereits in vielen Unternehmen zu finden. WLAN ist hauptsächlich geprägt durch schnelle Übertragung großer Datenmengen mit der daraus resultierenden Baugröße, Energiebedarf und Kosten. Wireless-Sensor/Aktuator-Systeme benötigen in der Regel kleine Datenmengen bei niedrigem Energiebedarf. WLAN und Bluetooth erlauben die Übertragung von PROFINET-Telegrammen über das drahtlose Netz und somit die direkte Anbindung drahtloser PROFINET-IO-Devices an das Produktionsnetz. Sogar Safety-Kommunikation unter Nutzung des PROFIsafe-Profils ist hiermit möglich.

WirelessHART und WSAN-FA eignen sich aufgrund der nutzbaren Paketgrößen und ihres Datendurchsatzes nicht für die Übertragung von PROFINET-Telegrammen. Sie können aber mittels Gateways mit PROFINET-Netzen verbunden werden und erlauben so die Anbindung weit verteilter Sensoren oder Aktoren in der Prozesswelt und schnelle Echtzeitanbindung im Fertigungsbereich.

Koexistenz

Bei sorgfältiger Funkfeldplanung und geeigneter Auslegung der Systeme lassen sich für die Mehrzahl der Anwendungen mit Wireless grundsätzlich ähnlich zuverlässige Systeme betreiben wie mit drahtgebundener Technik. Dabei spielt das Thema Koexistenz von Funksystemen eine zentrale Rolle. Eine umfangreiche Darstellung der Voraussetzungen und Randbedingungen findet sich in der Broschüre »Koexistenz von Funksystemen in der Automatisierungstechnik« des ZVEI. Die Sicherstellung der Koexistenz wurde von Beginn an in den PI-Arbeitskreisen mit hoher Priorität behandelt. Hinsichtlich der von PI gewählten Wireless-Technologien wird die Koexistenz, z. B. durch gezieltes Ausblenden von Kanälen/Frequenzbereichen (Blacklisting), in den Wireless-Sensor/Aktuator-Systemen gesichert. Damit werden Kollisionen mit WLAN ausgeschlossen.

Energieversorgung

Die Vorteile von Wireless kommen aber erst dann deutlich zum Tragen, wenn die Energieversorgung zufriedenstellend gelöst wird. WirelessHART gibt beispielsweise keine spezielle Lösung für die Energieversorgung vor. Es spezifiziert aber Funktionen zur Energieversorgung. Ein Beispiel hierfür ist die Meldung des Ladezustands der Batterie. Für Anwendungen, die hauptsächlich eine Überwachungsfunktion erfüllen und nur selten kommunizieren, werden Batterien eingesetzt werden können. Für Steuerungsaufgaben mit einer hohen Aktualisierungsrate wird aus heutiger Sicht weiterhin eine externe Versorgung notwendig sein, z. B. mit 24-V-Geräten, die schon heute viel Energie benötigen. In den meisten Fällen kann auch mit einer drahtlosen Kommunikation auf diese nicht verzichten werden.

Die Zukunft

Bei PROFINET IO hat sich in den letzten Jahren die Funktechnologie mehr und mehr etabliert und in besonders geeigneten Applikationen das Kabel sogar verdrängt. Die Funkkommunikation für Sensordaten hingegen befindet sich noch in einem relativ frühen Stadium. Bisherige Pilotanwendungen versprechen aber auch hier einen hohen Nutzen für den Anwender und damit ein erhebliches Marktpotenzial.

Die Standardisierung von Wireless-Lösungen für die Industrie wird helfen, den Boden für den flächenhaften Einsatz zu bereiten. Die vorgestellten Technologien ergänzen sich hier und ermöglichen für die jeweiligen Anforderungen die optimale Lösung. Dabei können alle Systeme in gleicher Umgebung koexistieren.

Neben den Normungs-Aktivitäten zur Technologie spielen neue Regelungen der EU zur Nutzung des Frequenzbandes und die Arbeit der World Radio Conference eine wichtige Rolle. Bisher waren die Automatisierungsfirmen in  diesen Gremien kaum vertreten. Dies wird sich ändern müssen, um die langfristige Investitionssicherheit für die Industrie zu gewährleisten. Ein Fernziel könnte die Reservierung eines geschützten Frequenzbandes für die Industrieautomatisierung sein.