Industrielle Automation 3/2019

INDUSTRIELLE

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION Der drahtlose Mehrwert Ein Mit- und Nebeneinander verschiedener Technologien Ein Ortungssystem, das orientierungslos ist? Eine Remote-IoT-Anbindung, die nicht mit der Cloud kommuniziert? All diese Szenarien stellen ein Horrorszenario für jeden Betreiber einer Anlage dar. Vor allem die immer größere Akzeptanz von drahtlosen Technologien im Zuge von Digitalisierungsstrategien ermöglicht die Realisierung einer Vielfalt von Applikationen und damit gleichzeitig immer mehr drahtlose Endgeräte. Doch wie kann sichergestellt werden, dass der drahtlose Mehrwert auch wirklich erreicht wird und keines der oben genannten Szenarien eintritt? Für verschiedene Anwendungsfälle eignen sich z. B. folgende Technologien: WLAN nach IEEE802.11 und Mobilfunk (LTE/4G/5G) spezifiziert von der 3GPP (3rd Generation Partnership Project), deren Varianten aus dem Consumer-Bereich bekannt sind. WiMAX nach IEEE802.16, das mittlerweile als 4G- Technologie gilt. RTLS (Real-Time Locating System) mit verschiedenen Technologien zur teilweise zentimetergenauen Lokalisierung von Assets und nicht zuletzt RFID Kilian Löser ist Produktmanager für Industrial Wireless LAN bei der Siemens AG in Nürnberg (Radio Frequency Identification), um Informationen von und auf Datenträger zu schreiben und anhand der vorhandenen Datenträger auch eine lokale Einordnung zu geben. Die Verwendung unterschiedlicher Frequenzbänder ist eine gute Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb mehrerer Systeme. Vorsicht ist nur geboten, wenn hohe Sendeleistungen relevant sind wie bei Mobilfunk-Basisstationen oder im UHF- RFID-Bereich. Hier muss im Vorfeld geprüft werden, ob bei enger räumlicher Anordnung Blocking-Effekte auftreten können, die zu einem Übersteuern von Empfängern führen können. Im Rahmen der technischen Konzeptionierung sind folgende Fragestellungen nicht außer Acht zu lassen: Wie verhalten sich die einzelnen Frequenzbereiche bezüglich Ausbreitung der Funkwellen? Konkret bedeutet das: Welche Reichweite kann abgedeckt werden? Gibt es ein Problem, wenn ein bestimmtes Material im Weg ist oder können die Wellen leicht hindurchdringen? Wie können Reflexionen die Signalqualität beeinflussen? Hier gibt es keine pauschale Antwort, da sich Signale in verschiedenen Frequenzbereichen unterschiedlich verhalten. Hier helfen u. a. die Dokumentationen der Produkte sowie eine fachliche Beratung. Darüber hinaus stellet sich die Frage, wie verhält sich die Technologie, wenn mehrere Teilnehmer vorhanden sind und wie verhält sich die Technologie, wenn andere Teilnehmer (= Störer) das Frequenzband ebenfalls nutzen? Kollisionsvermeidung im Medium Luft Ein konkretes Beispiel soll Aufschluss geben: Ein WLAN, das im 2,4 GHz Band betrieben wird, kann von einem Bluetooth-Störer beeinträchtig werden. Damit die entsprechende Auslegung des WLAN-Systems bzgl. 36 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2019

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION Latenzen und Datendurchsatz nicht hinfällig wird, muss der Störer entweder abgeschaltet oder angepasst werden (Verwendung anderer Frequenzbereiche). Die gegenseitige Beeinflussung im System hängt eng mit dem Zugriffsverfahren auf das Medium Luft zusammen. WLAN, Mobilfunk bis hin zu 5G und WiMAX verwenden zur Kollisionsvermeidung im Medium Luft jeweils das Prinzip „listen before talk“. Weitere Mechanismen wie das Vielfachzugriffsverfahren OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) stehen aktuell mit WiMAX und LTE/4G, sowie im Consumer-Bereich 5G zur Verfügung. Auch WLAN wird mit dem Standard IEEE802.11ax ein entsprechendes Verfahren spezifizieren. RTLS und RFID gehen hier einen anderen Weg. Das Medium Luft wird bei Bedarf verwendet. Störungen werden bei UHF RFID durch die Verwendung unterschiedlicher Spektren vermieden. RTLS arbeitet oft im TDOA (time difference of arrival) Verfahren, bei dem kurze Signale durch den Transponder ausgesendet werden (Blinks). Zusätzlich zum rein technischen Aspekt gilt es bei der regulatorischen Konzeptionierung bei unterschiedlichen Technologien auf unterschiedliche Voraussetzungen zu achten. Funk-Technologien und ihre Merkmale im Überblick Die WLAN-Technologie, wie von Scalance W verwendet, ist in den meisten Ländern der Welt ähnlich geregelt. Ein Anwender kann vom Prinzip her die Planung einer Anlage weltweit ausrollen. Die Gegebenheiten vor Ort wie andere WLAN-Applikationen erfordern allerdings eine Funkfeldplanung, um gegenseitige Beeinflussungen zu vermeiden. Auch andere Funktechnologien sind zu berücksichtigen und gegebenenfalls daraus Ableitungen bezüglich der zu verwendenden Frequenzen/Kanäle zu machen. Die von Scalance M verwendeten Mobilfunktechnologien sind ebenfalls in den meisten Ländern ähnlich geregelt, allerdings in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Aus dem Endverbraucher-Bereich ist die Thematik bekannt, dass ein aus China importiertes Smartphone nicht unbedingt auch in den europäischen Frequenzbändern funktionieren wird. Bei Mobilfunk bis hin zu 5G hat der Anwender der Technologie Stand heute keinen direkten Einfluss auf die Performance. Ist nur eine schlechte Ausleuchtung vorhanden ist er bei seiner Remote-Anbindung auf den Ausbau des Netzes vom Provider angewiesen. Smart-Feldgerät, z.B. SIMOTICS IQ Öffentliche Netzwerke, z.B. LTE Industrial Ethernet RUGGEDCOM RX1400 Industrial IoT Gateway Ladungsträger SIMATIC RF600 RFID Reader SIMATIC S7-1500 mit CP 1543-1 Selbstfahrende Transportfahrzeuge SCALANCE W700 IWLAN Cloud- und IT-Systeme Drahtlose Kommunikationslösungen schließen die Lücke zwischen allen Produktionsobjekten und dem IIoT Die WiMAX-Technologie ist weltweit unterschiedlicher geregelt. Die Ruggedcom WIN Produkte können deshalb sehr häufig unter einer zu erwerbenden ‚Teil-Lizenzen‘ für ein Spektrum betrieben werden. Dadurch ist man rein rechtlich vor anderen Nicht-WiMAX- Störern gefeit. Wird UWB im gleichen Um ­ feld verwendet, dann ist durch den erhöhten Rauschpegel auch eine Beeinflussung der Reichweite der WiMAX-Applikation denkbar. Für RTLS gibt es verschiedene Technologien. Simatic RTLS verwendet mit 2,4 GHz einen Frequenzbereich (ISM-Band), der fast weltweit verwendet werden kann, analog zu WLAN. Der UWB-Bereich ist in der EU, USA und in China bereits verfügbar. Die RFID-Technologie, wie von Simatic RF verwendet, ist regulatorisch stark zerklüftet. Unterschiedliche Frequenzbänder ermöglichen einen störungsfreien Betrieb mehrerer Systeme Bestrebungen zur Vereinheitlichung bestehen in Europa allerdings. Teilweise müssen in unterschiedlichen Ländern auch unterschiedliche Frequenzen verwendet werden, was zum Beispiel zum Reichweitenverlust der verwendeten Tags führen kann. Eine Beeinflussung durch Störer wie ZigBee ist zumindest theoretisch möglich. Ohne ausreichende Planung ist eine Störung der verschiedenen Reader untereinander eher wahrscheinlich als ein Störeinfluss von extern. Zu allen diesen drahtlosen Technologien bietet Siemens passende Lösungen. Abzuleiten ist, dass die Einführung von drahtlosen Systemen Know-how und eine saubere Planung und Inbetriebnahme erfordern, um die gesetzten Anforderungen umsetzen zu können. Im Folgenden werden mögliche Vorgehen aufgezeigt: SIMATIC RTLS Anchors/Gateway Mobile Ausrüstung, z.B. Roboter LAN SIMATIC RTLS Locating manager Grobplanung: Hier werden die Ziele der Applikation formuliert. Es werden erste Entwürfe gefertigt und es entsteht ein Eindruck von der technischen Umsetzbarkeit und von der Wirtschaftlichkeit des Projekts. Feinplanung: Die genaue Anzahl der Geräte, deren Position und deren Parametrierung werden geplant. Je nach Technologie ist hier ein Site Survey sinnvoll um Effekte wie „Blocking“ auszuschließen und besonders bei WLAN einen Kanalplan für die Anlage zu erstellen. Inbetriebnahme der Applikationen: Die Inbetriebnahme der Applikationen kann durch geschultes Personal oder einen externen Dienstleister erfolgen. Kontrolle und Wartung: Um die Funktionsfähigkeit des so in Betrieb genommenen Systems sicherzustellen ist eine Kontrolle und Wartung unerlässlich. Siemens bietet Unterstützung über den kompletten Prozess bis zur fertigen Applikation. Empfohlen wird die Einbindung von Technikern mit entsprechender Expertise bei Planung, Aufbau und Inbetriebnahme, damit die Funklösung nicht nur zufällig funktioniert sondern dauerhaft eine hohe Performance bietet. Ergebnis: Die einzelnen Technologien, wie zum Beispiel WLAN, Mobilfunk, Wi­ MAX, RTLS und RFID, beeinträchtigen sich bei entsprechender Umsicht und Planung nicht gegenseitig in ihrer Leistungsfähigkeit. So ist eine Verwendung von RTLS zur genauen Erkennung von Positionen der Werkträger oder auch von Menschen in einer Anlage ohne Einschränkung parallel mit einem IWLAN zur performanten Datenübertragung von zyklischen Daten oder Videostreams möglich. Bilder: Siemens www.siemens.com INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2019 37 G_IK10_XX_50819