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Wireless-Technologien für die vernetzte Fabrik

01  Die Anybus Wireless Bridge, die es für WLAN und Bluetooth gibt, bietet sich als Ersatz für Schleppketten und Schleifringe an

01  Die Anybus Wireless Bridge, die es für WLAN und Bluetooth gibt, bietet sich als Ersatz für Schleppketten und Schleifringe an

02  Die Anybus Wireless Bridge kann auch als Bluetooth Access Point verwendet werden

02  Die Anybus Wireless Bridge kann auch als Bluetooth Access Point verwendet werden

03  Die WLAN Bridge für Industrial Ethernet ist durch ihren erweiterten Temperaturbereich, die hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit sowie die hohe Stabilität und Zuverlässigkeit der Funkverbindung für Einsätze im indstriellen Umfeld prädestiniert

03  Die WLAN Bridge für Industrial Ethernet ist durch ihren erweiterten Temperaturbereich, die hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit sowie die hohe Stabilität und Zuverlässigkeit der Funkverbindung für Einsätze im indstriellen Umfeld prädestiniert

04  Der kompakte Anybus Wireless Bolt bringt die drahtlose Kommunikation an (fast) jeden Punkt in der Maschine

04  Der kompakte Anybus Wireless Bolt bringt die drahtlose Kommunikation an (fast) jeden Punkt in der Maschine

Eine durchgängige Datenkommunikation von den Automatisierungssystemen im Feld (Operational Technology, OT) bis in die industriellen IT-Systeme (IT) ist zwingende Voraussetzung für die Realisierung innovativer Automatisierungssysteme wie Industrie 4.0 sowie für das industrielle Internet der Dinge („IIoT“). Im Vergleich zu den kabelbasierten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Netzwerken ist der Anteil der Wireless-Netzwerke in der Industrie heute noch gering. Bisher werden sie meist nur als Punkt-zu-Punkt-Kabelersatz in Anwendungen mit rotierenden oder beweglichen Teilen eingesetzt. Doch die modernen funkbasierten Netzwerke können weit mehr.

Für die kabellose Datenübertragung in der Industrie kommt heute meist WLAN im 2,4-GHz- oder 5-GHz-Band oder Bluetooth zum Einsatz. Über Funk-Gateways, wie die Wireless-Bridge-Lösungen (Bild 1) von HMS, lässt sich eine verschleißfreie und performante Datenübertragung auch in Anwendungen mit besonderen Anforderungen, wie Portalkränen, fahrerlosen Transportsystemen, Abfüll- und Verpackungsanlagen oder Kläranlagen, realisieren. Kostengünstige Funk-Gateways ersetzen dabei teure mechanische Schleifringe und Schleppketten. Die Datenübertragung bei der Anwendung als Kabelersatz erfolgt in diesen Anwendungen meist in Form einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Wichtig für den Erfolg sind die Auswahl der richtigen Funktechnologie (Bluetooth oder WLAN) sowie der nötige Sachverstand bei der Installation und Antennenausrichtung. Auch die Anforderungen an das Echtzeitverhalten und die Menge der zu übertragenden Daten müssen auf die Möglichkeiten der Wireless-Lösung zugeschnitten werden. Die frühere Skepsis der Industrie gegenüber Wire­less-Lösungen ist mittlerweile der Erkenntnis gewichen, dass auch sie Daten sicher, zuverlässig und robust übertragen können. So haben sich die Bluetooth-Funk-Gateways von HMS sogar für die Übertragung von sicheren Daten über Profisafe bewährt.

WLAN oder Bluetooth?
Als Faustregel lässt sich festhalten: Bluetooth (IEEE 802.15.1) ist die richtige Wahl, wenn Robustheit und Stabilität der Verbindung die wesentlichen Kriterien sind. WLAN (­IEEE 802.11) ist die richtige Wahl, wenn es auf einen hohen Datendurchsatz ankommt. Die Funk-Gateways von HMS unterstützen beide Technologien. Anwender können so die für den jeweiligen Anwendungsfall unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen vor Ort die am besten geeignete Funktechnologie einsetzen. Hilfestellung bei der Auswahl bietet ein ausführliches Whitepaper, das unter www.anybus.de kostenlos zum Download bereitsteht.
Im Umfeld von Industrie 4.0 und dem industriellen ­Internet der Dinge entstehen neue Maschinen- und Bedienkonzepte, bei denen die Wireless-Technologien die Grundlage für den drahtlosen Zugang in das Automatisierungs­system und zu den verdrahteten Komponenten im industriellen Netzwerk darstellen. In diesen Anwendungen übernehmen die Funk-Gateways die Funktion eines WLAN oder Bluetooth Access Points und bieten so die Möglichkeit, mehrere Funkteilnehmer gleichzeitig in das Netzwerk einzubinden (Bild 2). Bei der Wireless-Kommunikation bestimmen ­aktuell drei Trends den industriellen Einsatz: „Bring Your Own Device“ (BYOD), „Machine Health“ sowie „Cyber Security und Safety“.

Tablets und Smartphones als mobile HMI
Das Schlagwort „Bring Your Own Device“ (BYOD) beschreibt den Trend, bei dem moderne Smart Devices wie Tablets oder Smartphones genutzt werden, um über ihren integrierten Internetbrowser oder spezielle Apps Maschinen zu parametrieren, zu bedienen und Diagnosedaten abzufragen. Moderne Tablets und Smartphones bringen standardmäßig Wireless-Technologie mit und bieten Visualisierungsmöglichkeiten wie klassische HMI. Was ist da naheliegender als Smart Devices als mobile HMI einzusetzen? Typische Abfragen, wie der aktuelle Betriebszustand der Maschine, Produktionsstückzahlen oder Diagnosedaten, werden beim „BYOD“-Konzept nicht über teure, fest installierte HMI erledigt, sondern über das Smart Device. Dies führt bei verketteten Systemen, wie beispielsweise Druck- und Verpackungsmaschinen, zu einer Kostenreduktion. Wo bisher für jede Einzelmaschine des verketteten Systems ein teures, fest installiertes HMI notwendig war, kann der Techniker über sein Tablet oder Smartphone „beim Vorbeilaufen“ direkt auf jede Einzelmaschine zugreifen. Der Trend wird durch die neuen auf Windows 8 und 10 basierenden Tablets verstärkt. Auf ihnen laufen auch windowsbasierte HMI-Standardanwendungen, wie Win-CC oder Labview, die die Anwender vom stationären windowsbasierten HMI gewohnt sind.

Maschinen auf Herz und Nieren prüfen
Das Schlagwort „Machine Health“ charakterisiert den Trend, bei dem kleinste Sensoren und Aktoren – in Anlehnung an tragbare Smart Devices für uns Menschen auch „Wearables“ genannt – zusätzliche Daten sammeln. Diese kleinen, häufig batteriebetriebenen Sensoren nutzen die Technologie Bluetooth 4.0, die oft auch als Bluetooth Low Energy oder Bluetooth Smart bezeichnet wird. Die so gewonnenen Sensordaten erlauben dem Betreiber eine bessere Beurteilung des dynamischen Verhaltens und des Materialverschleißes der Maschine und helfen so, Stillstandszeiten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit der Anlage zu erhöhen. Die batteriebetriebenen Sensoren können an jeder beliebigen Stelle – auch schwer zugänglichen Stellen – der Maschine montiert werden und messen Druck, Verschleiß, Vibration, Temperatur etc. und eröffnen neue Möglichkeiten für die Diagnose und vorausschauende Wartung. Die Übertragung der gesammelten Maschinendaten an das Automatisierungssystem ist bei diesen Kleinstgeräten aufgrund ihrer Position an der Maschine oder ihrer Größe nur über Wire­less-Technologien, wie Bluetooth Low Energy, möglich.

Sicherheitsaspekte
Mit der steigenden Vernetzung der Geräte wird die IT-Sicherheit zum Schlüsselfaktor. Durch das Öffnen eines ehemals geschlossenen Systems für Smart Devices wächst die Gefahr unberechtigter Zugriffe. Einhergehend mit dem Einsatz der Wireless-Netzwerke und der Anbindung der Systeme an die industriellen Clouds kommen den Themen Cyber Security und Safety wachsende Bedeutung zu. Unternehmen müssen diese Risiken identifizieren, bewerten und geeignete Maßnahmen ergreifen. Verschlüsselung, Passwort-Schutz, mehrstufige Sicherheitskonzepte sind hier die gängigen Schlagworte. Um Anlagenbetreibern auf die Bedrohungen aufmerksam zu machen und Empfehlungen für geeignete Schutz- und Gegenmaßnahmen aufzuzeigen, veranstaltet HMS im Juni 2016 zusammen mit dem TÜV sowie den Unternehmen Pilz und Belden eine Roadshow.

Wireless-Lösungen für unterschiedliche Anwendungen
HMS Industrial Networks ist seit vielen Jahren im Umfeld der industriellen Kommunikation tätig. Sein breites Angebot an kabelgebundenen Kommunikationslösungen für Feldbusse und Industrial Ethernet hat das Unternehmen vor Kurzem um Wireless-Lösungen erweitert.
Neben den Wireless Bridges (Bild 3), die oft als Kabelersatz per Bluetooth oder WLAN eingesetzt werden und häufig auch Schleifringe oder Schleppketten ersetzen, bietet HMS jetzt außerdem Lösungen für Wireless Access Points für Bluetooth und WLAN an. Die Wireless-Lösungen können im oder am Schaltschrank montiert werden. Je nach Ausführung verbindet die Wireless Bridge Ethernet-, serielle oder CAN-Netzwerke mit den Funktechnologien WLAN und Bluetooth.
Neu im Portfolio ist der Anybus Wireless Bolt (Bild 4), der einfach an beliebiger Stelle direkt an der Maschine montiert werden kann. Der Wireless Bolt unterstützt 2,4-GHz-/ 5-GHz-WLAN, Bluetooth und Bluetooth Low Energy. Er kann via Ethernet, CAN oder seriell (RS-232/485) mit der Maschinensteuerung verbunden werden. Die kompakte Bauform ermöglicht es, die Schaltschrankfläche in Maschinen zu reduzieren und trotzdem modernste Automatisierungstechnik einzusetzen. Zum Beispiel ist die Kommunikation mit kleinsten, batteriebetriebenen Sensoren und Aktoren via Bluetooth Low Energy möglich. Eine wichtige Voraussetzung, um das „Machine Health“ Konzept zu realisieren und so die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Maschinen weiter zu erhöhen.

Fazit
Erst durch den Einsatz der Wireless-Technologien können moderne Automatisierungskonzepte wie Industrie 4.0 und das Internet der Dinge sinnvoll und kostengünstig realisiert werden. Neben den Konzepten „Bring Your Own Device“ und „Machine Health“ setzen auch Cloud-basierte Konzepte auf die Wireless-Technologien. In der vernetzten Fabrik der Zukunft gewinnen Wireless-Netzwerke einhergehend mit den Themen „Cyber Security und Safety“ zunehmend an Bedeutung. HMS verfügt über langjährige Erfahrung und bietet Geräteherstellern und Anlagenbetreibern maßgeschneiderte Kommunikationslösungen für Feldbus-, Ethernet- oder Wireless-Netzwerke als Basis für die Realisierung innovativer Automatisierungskonzepte. (no)

Michael Volz ist Geschäftsführer der HMS ­Industrial Networks GmbH in Karlsruhe. miv@hms-networks.de

Michael Volz ist Geschäftsführer der HMS ­Industrial Networks GmbH in Karlsruhe. miv@hms-networks.de