Funklösungen in der Prozessindustrie – So geht drahtlos

Tipps für eine funkbasierte Automatisierung

| Autor / Redakteur: Jürgen Weczerek (Redaktion: Jörg Kempf) / Andreas Donner

Der Ethernet Port Adapter (EPA) und der Access Point WLAN 5100 ermöglichen die Umsetzung leistungsfähiger und kostengünstiger WLAN-Lösungen.
Der Ethernet Port Adapter (EPA) und der Access Point WLAN 5100 ermöglichen die Umsetzung leistungsfähiger und kostengünstiger WLAN-Lösungen. (Bild: Phoenix Contact)

Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 wird derzeit viel diskutiert, so auch in der Prozessindustrie. Eine wichtige Rolle spielt dabei ein leistungsstarkes Kommunikationsnetzwerk. Für Anwendungsfelder, in denen kabelgebundene Lösungen nicht zum Einsatz kommen können, hat Phoenix Contact industrielle Funklösungen entwickelt, die auf verschiedenen Standards basieren.

Insbesondere wenn es um die Datenübertragung zu mobilen Teilnehmern und bewegten Systemen geht, sind leistungsstarke und zuverlässige Funklösungen gefragt. Hier werden vor allem WLAN und Bluetooth verwendet. In den meisten Fällen steht dabei nicht die Einsparung von Verkabelungskosten im Vordergrund. Vielmehr ergeben sich aus einer schnelleren und zuverlässigeren Funkkommunikation Kostenvorteile, die aus der vereinfachten Konstruktion, größeren Flexibilität oder höheren Produktivität resultieren. Vor diesem Hintergrund sind drahtlose Automatisierungsnetzwerke auch in der Prozessindustrie auf dem Vormarsch.

Warum der Aufbau verschiedener Funknetzwerke notwendig ist

Oftmals vertreten speziell die IT-Abteilungen der Unternehmen die Meinung, dass ein großes und schnelles WLAN-Netzwerk für sämtliche Anwendungen inklusive des Produktionsbereichs ausreicht. Allerdings stellen die verschiedenen Applikationen unterschiedliche oder teilweise gegensätzliche Anforderungen an die Funktechnologie, weshalb für einzelne Anwendungsbereiche häufig eigene drahtlose Netze aufgebaut werden müssen.

Insbesondere zeitkritische Automatisierungsaufgaben, wie die Übertragung von sicherheitsgerichteten Signalen, sollten immer über ein eigenes Funknetzwerk umgesetzt werden. Allein die Tatsache, dass lediglich wenige WLAN-Kanäle zur Verfügung stehen, die meist andere Applikationen – beispielsweise aus dem Office-Umfeld – nutzen, zeigt, dass nicht alle Anwendungen mit WLAN realisiert werden können. Vielfach ist daher der Einsatz einer weiteren Wireless-Technologie wie der robusten, ressourceneffizienten Bluetooth-Kommunikation die bessere Wahl.

WLAN 802.11 und Bluetooth sind mit Abstand die weltweit erfolgreichsten drahtlosen Übertragungsstandards. Fast jedes kommunikationsfähige mobile Gerät bietet heute eine entsprechende Schnittstelle, wobei oftmals beide Funktechnologien unterstützt werden. Auch im industriellen Umfeld haben sich die beiden Wireless-Standards durchgesetzt, da sie für unterschiedliche Anwendungsszenarien ausgelegt sind:

  • Über WLAN lassen sich Geräte in ein überlagertes schnelles Netzwerk – z.B. das Office- oder Produktionsnetz – integrieren.
  • Mit Bluetooth wird dagegen ein lokales, geräteeigenes Funknetzwerk zur Kommunikation mit Peripherie-Komponenten oder Sensoren aufgebaut. Das gilt sowohl für Office-Geräte wie Notebooks oder Smartphones als auch für industrielle Systeme.
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Beide Funktechnologien haben sich in den letzten zehn Jahren erheblich weiterentwickelt. Bei WLAN wurde der Fokus dabei auf die Geschwindigkeit gelegt, die sich von 11 MBit/s auf über 300 MBit/s gesteigert hat. Die Automatisierung profitiert jedoch weniger von der schnellen Weiterleitung der Daten, als vielmehr von der MIMO-Antennentechnik (Multiple Input Multiple Output). Sie erhöht nicht nur die Übertragungsgeschwindigkeit, sondern insbesondere die Robustheit und Zuverlässigkeit der Funkkommunikation im Industrieumfeld.

Die alten WLAN-Standards haben hier Probleme mit den starken Reflexionen, wohingegen diese gezielt von der neuen Mehr-Antennen-Technologie genutzt werden, um eine höhere Datenrate und einen störungsfreien Datenaustausch zu erreichen. Deshalb eignet sich speziell WLAN gemäß dem IEEE-Standard 802.11n für den Einsatz in kritischen industriellen Automatisierungsanwendungen. Aufgrund des gewählten Frequenzsprungverfahrens hat sich Bluetooth in diesem Umfeld schon immer durch eine besonders robuste und zuverlässige Kommunikation ausgezeichnet.

Für Ethernet-Übertragung optimiert

Sowohl WLAN als auch Bluetooth sind für die transparente Ethernet-Übertragung optimiert. Daher lassen sich auch moderne automatisierungsspezifische Ethernet-Protokolle wie Profinet und Ethernet/IP sowie deren Safety-Varianten problemlos über beide Funktechnologien weiterleiten.

Damit in der industriellen Praxis allerdings eine dauerhaft stabile und zuverlässige Funklösung für schnelle oder funktional sichere Applikationen umgesetzt werden kann, ist nicht nur die Wahl der richtigen Funktechnologie von Bedeutung. Vielmehr kommt es auf die passende Kombination aus funktechnischem Konzept, Gerätetechnik sowie geeigneter Antennentechnologie und deren Einbauort an.

Spezifische Anforderungen an Funkkomponenten

Selbst wenn es sich bei WLAN und Bluetooth um gemäß IEEE 802 standardisierte Funktechnologien handelt, die ebenfalls im Home- und Office-Umfeld verwendet werden, sind für die Nutzung im industriellen Bereich speziell hierfür konzipierte und funktional erweiterte Geräte erforderlich.

So müssen die Komponenten zum einen neben einer robusteren Hardware und einem größeren Temperaturbereich flexible Montagemöglichkeiten sowie eine langfristige Verfügbarkeit bieten. Auf der anderen Seite gibt es funktional deutliche Unterschiede, die über die Eignung für eine automatisierungsspezifische Anwendung entscheiden. Dazu zählen z.B. die Optimierung auf kurze, zyklische Datenpakete bei geringen Latenzzeiten, das schnelle und stabile Roaming, die Unterstützung spezifischer Mechanismen der Automatisierungsprotokolle Profinet und Ethernet/IP sowie die harte Echtzeit-Priorisierung der Kommunikation.

Bei industriellen Bluetooth-Geräten sind außerdem zusätzliche Koexistenz-Funktionen zum störungsfreien Parallelbetrieb mit WLAN wie das Black-Channel-Listing oder der Low-Emission-Mode zwingend notwendig. Die industriellen WLAN- und Bluetooth-Komponenten von Phoenix Contact stellen diese und weitere Merkmale zur Verfügung.

Fazit

Die beiden Funkstandards WLAN und Bluetooth haben sich in der Automatisierungstechnik etabliert. Der Anwender muss sich hier jedoch nicht nur für die richtige Funktechnologie entscheiden, sondern sein Augenmerk auf das Gesamtkonzept des Wireless-Netzes legen. Dazu gehören Funkmodule, die auf die Anforderungen der industriellen Automatisierung abgestimmt sind, sowie das passende Netzwerkkonzept. Insbesondere für den Aufbau größerer Wireless-Netze sind funktechnisches Know-how und umfangreiches Praxiswissen erforderlich. Deshalb beinhaltet das Portfolio von Phoenix Contact neben zahlreichen industriellen Funkkomponenten auch vielfältige Dienstleistungen im Umfeld der Netzwerk-Konzeption.

Über den Autor

Jürgen Weczerek ist Mitarbeiter im Bereich Network Technology, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Process.

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