Sich selbst konfigurierendes Funksystem. Bild: Fraunhofer ESK

Sich selbst konfigurierendes Funksystem. Bild: Fraunhofer ESK

Mit der fortschreitenden Vernetzung in der Fertigung gewinnt auch die Funktechnik an Bedeutung: Denn kabellose M2M-Kommunikation ist flexibel und preisgünstig.

 

Roland R. Ackermann

MÜNCHEN. Die industrielle Fertigung ist ständig im Umbruch, sie ist global, flexibel und mobil geworden. Eingebettete IT-Komponenten haben in Maschinen und Anlagen Einzug gehalten, sie sind zunehmend vernetzt und kommunizieren wie selbstverständlich miteinander. Die Ansprüche an die Netzwerke, die in allen Umgebungen zuverlässig und hoch verfügbar sind, steigen unablässig. Und mehr und mehr verdrängen drahtlose Verbindungen wegen ihrer zahlreichen Vorteile die Kabel und Lichtwellenleiter. In vielen Industriezweigen besteht zudem ein klarer Trend zur so genannten “vertikalen Integration”, also zum direkten und automatisierten Austausch von Informationen zwischen der betrieblichen Ebene und der eigentlichen Produktionssteuerung.

Die dritte Welle der Konvergenz

Der Wettbewerbs- und Kundendruck zwingt die Industriebetriebe zu einer durchgängigen Automatisierung und hoher Verfügbarkeit ihrer Anlagen. “Eine vollautomatisierte Fertigung braucht eine voll vernetzte, clevere Fabrik”, meint Bitkom-Präsident Prof. Dr. August-Wilhelm Scheer. Darin liegt auch eine Chance für deutsche Unternehmen: “Durch die Vernetzung entstehen hoch komplexe Anlagen, und deren Handhabung ist eine traditionelle Stärke deutscher Ingenieurskunst”. Scheer nennt das die dritte Welle der Konvergenz; nach dem Zusammenwachsen von IT und Telekommunikation und der nachfolgenden Integration der Unterhaltungselektronik nähern sich jetzt ITK und Fertigungsindustrie an.

Auch der ZVEI hat sich dem Thema verschrieben; deren Motto lautet “Vernetzte Welten gestalten. Zukunft sichern”. Erläuternd meint Dr. Reinhard Hüppe, Geschäftsführer des Bereichs Automation: “Wir erkennen in den letzten Jahren ein klaren Trend zu vernetzten Lösungen. Gerade die Bereiche Automation, Energietechnik und Elektromobilität sind oft schon integriert und verzahnt. Diesen übergreifenden Gedanken der Vernetzung, den unsere Unternehmen bereits vielfach leben, wollen wir in den Vordergrund stellen.” Nur solche innovativen Automatisierungslösungen ermöglichen nach Meinung von Dr. Hüppe eine Umsetzung von “Smart Efficiency”, unter anderem Kernthema der Hannover Messe 2011.

Übertragungstechniken über Funk oder Internet

Nun ist ja Vernetzung in der Fabrik nicht grundsätzlich neu; Kabel zur Verbindung von Anlagen gehören zum gewohnten Bild in den Fabrikhallen. Wesentlich jünger sind indes Übertragungstechniken über Funk oder gar übers Internet. Die Lösungen haben sich sukzessive von den anfänglichen funkbasierten Feldbussen auf drahtlose Ethernet-Netzwerke wie Profinet, Modbus/TCP oder Ethernet/IP verlagert. Erst dadurch wurde die M2M-Kommunikation mit mobilen oder weltweit verteilten Fertigungseinrichtungen möglich. Wegen stark unterschiedlicher Anforderungen entstanden im Laufe der relativ kurzen Zeit zahlreiche industrietaugliche Funktechnologien, vorranging IWLAN (Industrial WLAN), daneben finden jedoch auch GSM/GPRS/UMTS sowie ZigBee, WirelessHART, WISA, MeshScape, nanoLOC oder Bluetooth-WLAN sowie in der Prozesstechnik Trusted Wireless Verwendung.

Unterschiedliche Anforderungsprofile

Die Systemauswahl richtet sich nach dem Anforderungsprofil: Betriebs- und Datensicherheit, Reaktionszeiten, Verfügbarkeit, Reichweite, Netzabdeckung, Übertragungsstabilität, Datendurchsatz, Koexistenz der Funksysteme, Echtzeitfähigkeit, Kosten (auch für Lizenzen). Außerdem gibt es sechs von der ISA festgelegte Anwendungsklassen, die von 0 (höchste Anforderungen, Notfallmaßnahmen) bis 5 (geringste Anforderungen) reicht. Für den Medienzugriff finden Spreizcode-, Frequenzmultiplex-, Frequenzsprung- oder Chirp-Modulationsverfahren Verwendung. Durch die Erweiterung der Norm 802.11n ließen sich die Datenraten auf 300 Mbit/s steigern; außerdem ist die gleichzeitige Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen möglich (MIMO, Multiple Input Multiple Output). Durch parallele Signalverarbeitung sind bessere Signalqualitäten, die effektive Nutzung von Mehrwegausbreitungen sowie robustere Übertragungen erreichbar.

Funklösungen in der Automation

Funkbasierte Systeme haben gegenüber kabelgebundenen eine ganze Reihe von Vorteilen: Nicht nur werden Kabel und Stecker eingespart, es wird außerdem die Mobilität und Flexibilität erhöht. Hinzu kommt die Verschleißfreiheit des Übertragungsmediums. Da wie erwähnt kein Funksystem alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen kann, müssen für verschiedene Aufgaben gegebenenfalls mehrere Systeme parallel betrieben werden. Aus diesem Grunde untersuchten führende Unternehmen unter dem Dach des ZVEI bereits vor einiger Zeit die gegenseitige Funkbeeinflussung, um einen zuverlässigen Parallelbetrieb (Koexistenz) von Funksystemen sicherzustellen und fassten die Ergebnisse in einer Publikation zusammen. Im März 2011 brachte der ZVEI mit “Funklösungen in der Automation” eine weitere informative Broschüre hinzu.

Regulierungsstellen (in Deutschland die Bundesnetzagentur) bestimmen über die Nutzung des begrenzt verfügbaren Frequenzspektrums; in der Automatisierungstechnik stehen dafür die lizenzfreien ISM-Bänder (Industrial, Scientific und Medical) zur Verfügung, zum Beispiel 433 MHz sowie 2,4 GHz (weltweit verfügbar) und 5 GHz, die allerdings auch von anderen Anwendungen (u.a. Militär, Mikrowellenöfen) genutzt werden. Außerdem ist in Europa der Bereich 868 bis 870 MHz lizenzfrei freigegeben (wird oft für Sicherheitstechnik, die Gebäudeautomation und RFID-Systeme verwendet). Auch der Bereich 5,1 bis 5,7 GHz ist lizenzfrei von WLAN nutzbar, erfordert jedoch zusätzlich Maßnahmen wie eine dynamische Frequenzwahl und Leistungsregelung. Nach Lizenzierung durch die zuständigen Stellen können weitere Frequenzen für die Automatisierung durch Lizenzen erworben werden, beispielsweise 448 und 459 MHz, mit denen sich durch höhere erlaubte Sendeleistungen Reichweiten bis 10 km erreichen lassen.