Industrielle Automation 2/2019

INDUSTRIELLE

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION Echtzeit-Funk für Industrie 4.0 Realtime-WiFi basierte Funk-Module erfüllen schon heute die Anforderungen von morgen Nicht erst seit im letzten Jahr der Hype um die fünfte Mobilfunkgeneration richtig Fahrt aufgenommen hat, ist der Begriff Echtzeit-Funk in aller Munde. Die Wenigstens wissen allerdings, dass der 5G URLLC 1 Modus, der hochzuverlässige Datenübertragung in Echtzeit über 5G ermöglichen soll, noch einige Jahre auf sich warten lassen wird. Umso besser, dass es heute schon Lösungen gibt, die hochzuverlässigen Echtzeitfunk ermöglichen, um z. B. Safety-Lösungen over-the-air zu ermöglichen. gen eine große Herausforderung. Und Automatisierungssysteme sind nun mal deterministische Anwendungen. Außerdem ist das zur Verfügung stehende Spektrum sowohl im unlizenzierten als auch im lizenzierten Funkbereich limitiert, wodurch die zur Verfügung stehende Kapazität im Hinblick auf Zykluszeit, Datendurchsatz, Zuverlässigkeit sowie in der Anzahl der Netzteilnehmer ebenfalls beschränkt ist. 2 Vor rund zwei Jahren haben wir das Startup R3 Communications GmbH mit seiner Technologie EchoRing vorgestellt. Heute hat sich die Drahtlostechnologie, entwickelt für zeitkritische und robuste Anwendungen im Markt der industriellen Kommunikationslösungen erfolgreich positioniert. Doch keine Entwicklung ist so gut, dass sie nicht weiter verbessert werden kann. Und so stellt das Team von R3 ab diesem Jahr verschiedene Module ihrer Software EchoRing für den Einsatz in unterschiedlichsten Applikationen der industriellen Automatisierierung vor. Das zentrale Bauteil ist dabei ein WLAN-Chip der Firma Texas Instruments (WiLink 8), den R3 Communications exklusiv mit ihrer proprietären EchoRing Firmware bespielen darf. Er ist der wichtigste Bestandteil der Plattformen, die in Kooperation mit den Hardware Partnern Clarinox, Exor, Schleicher und Liebherr als EchoRing Systeme anbietet. Auf der Messe Embedded World wurden diese vier Plattformen zum ersten Mal einer größeren Öffentlichkeit gemeinsam auf dem Echo- Ring-Stand vorgestellt. Herausforderungen Funk-Kommunikation Doch warum bedarf es überhaupt besondere Funksysteme in der industriellen Kommunikation und warum reichen Standardsysteme, die wir aus unserem Alltag kennen, wie WLAN oder Bluetooth für eine hochzuverlässige Kommunikation von Maschinen nicht aus? Knackpunkt ist die Selektivität des Funkkanals, das heißt die Empfangsqualität variiert unvorhersehbar örtlich, zeitlich und in der Frequenz. Diese Eigenschaft ist für deterministische Anwendun- Das EchoRing-Konzept Der unvorhersehbaren Qualität des Funksignals kann man gut mit Redundanzansätzen entgegentreten. Während konservative Ansätze zumeist Redundanz in Zeit und Frequenz nutzen (also die Übertragung wiederholen oder zeitgleich auf mehrern Frequenzen mehrfach senden), nutzt Echo- Ring das Prinzip der „massiven Kooperation“ (Bild 01), um die Diversität im Raum zur Absicherung der Datenübertragung zu nutzen. Im Gegensatz zu den zuerst genannten Ansätzen erfolgt die Absicherung des Signals hierbei unter Zuhilfenahme von alternativen Übertragungspfaden per Umleitung Das Software-Produkt EchoRing ist eine Funktechnologie, die industrielle Echtzeit- Applikationen vollumfänglich unterstützt. Sie fügt sich vollständig in die Medienzugriffsschicht existierender Kommunikationssysteme ein und ist transparent für industrielle Protokolle wie Profinet, Profisafe, SafetyNet p oder EtherCAT, wodurch diese nun auch kabellos betrieben werden können. Sie erlaubt flexiblere Fabriklayouts und erleichtert die Kooperationen zwischen Mensch und Maschine. Anwendungen finden sich u. a. in den Bereichen Robotik, fahrerlose Transportsysteme (FTS/AGV) oder an der Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS/HMI). 32 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2019

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION 01 Das Prinzip der massiven Kooperation: ein Relais (Partnerknoten) wiederholt die Übertragung, falls der Empfänger die Daten nicht empfangen konnte über benachbarte Funknetz-Partner und hat damit einen entscheidenden Vorteil in Bezug auf erzielbare Diversitätsgewinne. Etwa wenn durch Mobilität in der Fabrikumgebung direkte Pfade nicht mehr zur Verfügung stehen. Gleichzeitig funktioniert dieser Ansatz mit sehr einfacher und kostengünstiger Hardware und hat eine sehr effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Spektrums zur Folge. Ein wesentlicher Vorteil des EchoRing- Systems liegt in der transparenten Architektur, die unterschiedliche Protokolle auf höheren Schichten unterstützt. Diese Funktionalität ist bereits mit bestehenden Ethernet-basierenden Industrieprotokollen wie Profinet/Profisafe oder EthernetIP validiert. Funkmodule über Standard- Schnittstellen integrieren EchoRing ist eine Softwaretechnologie (genauer ein Kommunikationsprotokoll), die unabhängig von der unterliegenden Funktechnologie ist. Dadurch kann EchoRing sowohl im Kontext von Wireless Local Area Networks (WLAN) als auch im Kontext von zellularen Technologien wie 4G/5G genutzt werden. Zur Marktreife entwickelt ist bisher jedoch nur die EchoRing-WLAN-Technologie, die wie oben beschrieben, insbesondere in Kooperation mit Texas Instruments (TI) umgesetzt wurde. Um EchoRing einzusetzen, musste von Anwendern bislang ein TI WiLink 8 in eigene Designs integriert und die EchoRing-Software von R3 Communications erworben werden. Jedoch ist nicht jede Firma gewillt oder in der Lage, eigene Funk-Boards zu designen. Für diese potentiellen Anwender stellt R3 Communications mit den Hardware-Partnern Exor, Clarinox, Schleicher und Liebherr Funk-Module für verschiedenste Anwendungsfälle zur Verfügung, die über Standard-Schnittstellen in eigene Komponenten integriert werden können. Der zusätzliche Hard- bzw. Softwareaufwand für die Integration wird somit erheblich reduziert. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um ein M.2-Modul der Firma Exor, bei der die EchoRing-Software per SDIO Bus, der über die M.2-Schnittstelle angesprochen wird, auf den WiLink-Chip gelangt. Insbesondere über Geräte, die bereits über M.2- Interfaces verfügen, ist – je nach Interfaceanbindung – eine einfache Nachrüstung mit EchoRing möglich. Die zwei EchoRing Radio Boards von Clarinox (Mini) und Schleicher hingegen haben unterschiedlich leistungsstarke Prozessoren an Board, die je nach Einsatzzweck in den Punkten Rechenleistung, Leistungsaufnahme und Taktzyklen ideal dem Verwendungszweck angepasst werden können. Beispiele kritischer Echtzeit-Anwendungen Insbesondere für Anwendungen in mobilen Maschinen in der Landwirtschaft oder auf Baustellen haben sich das Telematics Units Mobile Telematics Gateway (MTG) und das Mobile Communications Gateway (MCG) der Firma Liebherr bewährt. Sie sind in einem robusten Gehäuse untergebracht und damit bestens für den Outdoor-Einsatz vorbereitet. Neben dem WiLink 8, der hier standardmäßig WLAN und Bluetooth zur Verfügung stellt, dem LTE Modul und den CAN und Ethernet-Anschlüssen, kann nun durch ein Update der Firmware auch Echo- Ring auf den Einheiten genutzt werden. Somit lassen sich diese nun auch für kritische Echtzeit-Anwendungen einsetzen. Dies sind beispielsweise eine sogenannte „Electronic Tow Bar“, also die Möglichkeit z. B. einen Mähdrescher von einem anderen Mähdrescher aus zu steuern oder das synchronisierte Anheben schwerer Lasten zweier Krane. Weiteres Einsatzgebiet sind Industrieroboter, die drahtlos kommunizieren und kooperieren können. Ausblick Die beschriebenen Module sind entweder bereits verfügbar oder werden im Laufe des Jahres 2019 auf dem Markt erhältlich sein. Anwender können die Integration der Module eigenständig vornehmen oder durch R3 Communications und den entsprechenden Hardwarepartner realisieren. Für Echo- Ring Board und Board Mini existieren darüber hinaus Trägerplatinen, die die Integrati- 02 Verfügbare EchoRing-Module auf TI WiLink 8 Basis: a) M.2-Modul von Exor b) EchoRing Radio Board Mini von Clarinox c) EchoRing Radio Board von Schleicher d) MCG Telematics Unit von Liebherr a b c d on der Module zusätzlich erleichtern, indem sie externe Anschlüsse wie RJ45 für eine Netzwerk Anbindung und entsprechende Spannungsversorgungen zur Verfügung stellen. Bilder: 01: Jesper Lindström, 02: Jasper Büsch; beide R3 Communications 1 Ultra-Reliable Low-Latency Communications 2 Mehr über den kabellosen Kanal erfahren Interessierte hier http://bit.ly/Echoring www.echoring.com INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2019 33