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Funkbasierte Energie­datenübertragung in der Glasindustrie

01  Im Gladbecker Werk der NSG Group sind etwa 520 Mitarbeiter tätig (Quelle: NSG Group)

01  Im Gladbecker Werk der NSG Group sind etwa 520 Mitarbeiter tätig (Quelle: NSG Group)

02  Im Floatbad breitet sich die leichtere Glasschmelze auf dem flüssigen Zinn zu einem Glasband mit exakt parallelen Oberflächen aus (Quelle: NSG Group)

02  Im Floatbad breitet sich die leichtere Glasschmelze auf dem flüssigen Zinn zu einem Glasband mit exakt parallelen Oberflächen aus (Quelle: NSG Group)

03  Die Energiemessgeräte sind per Zweidrahtleitung an die RS-485-Schnittstelle der Radioline-Module angeschlossen

03  Die Energiemessgeräte sind per Zweidrahtleitung an die RS-485-Schnittstelle der Radioline-Module angeschlossen

04  Mit den Radioline-Modulen lassen sich sowohl serielle als auch IO-Daten weiterleiten

04  Mit den Radioline-Modulen lassen sich sowohl serielle als auch IO-Daten weiterleiten

05  Die Zustandsmeldungen werden per Funk von der schwer zugänglichen ­Pumpstation an die Leitzentrale übertragen

05  Die Zustandsmeldungen werden per Funk von der schwer zugänglichen ­Pumpstation an die Leitzentrale übertragen

Zur Herstellung von Glas bedarf es einer großen Menge an Energie. Daher erfasst die NSG Group den Verbrauch im Gladbecker Werk genau, um aus den ausgewerteten Daten Einsparpotenziale abzuleiten. Das Funksystem Radioline von Phoenix Contact unterstützt hier bei der Datenaufnahme und leistet somit einen Beitrag zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.

Die NSG Group produziert Glasprodukte für die Automobilindustrie und das Baugewerbe. Eine von mehreren deutschen Produktionsstätten ist das Werk in Gladbeck, das 1972 von der Flachglas AG gebaut wurde. 1980 übernahm der englische Glashersteller Pilkington die Mehrheit an der Aktiengesellschaft. Seit 2006 gehört Pilkington nun zur ­japanischen NSG Group, einem der international führenden Glashersteller. Der 1918 gegründete Konzern beschäftigt weltweit 27 000 Mitarbeiter und erwirtschaftet einen Umsatz von rund 4,8 Mrd. €. Insgesamt fertigt die NSG Group in 28 Ländern. Das Gladbecker Werk, in dem etwa 520 Mitarbeiter tätig sind, spielt aufgrund seiner Größe und geografischen Lage bei der Belieferung des europäischen Markts eine zentrale Rolle (Bild 1).
In Gladbeck werden an zwei Produktionslinien im Floatglasverfahren Flachglas sowie im Offline-Beschichtungsverfahren hochwertige Wärmedämm- und Sonnenschutzgläser hergestellt (Bild 2). Das Glasgemenge setzt sich aus verschiedenen Rohstoffen zusammen. Mit rund 60 % stellt der in der Natur häufig vorkommende Quarzsand den Hauptbestandteil dar. Ebenso wie die anderen Rohstoffe wird er im sogenannten Gemengehaus in Silos gelagert. Von dort gelangen sie in einen Mischer, der sie zu einem Gemenge verarbeitet. Bevor das Gemenge über Transportbänder zur Schmelzwanne gefördert wird, überprüfen es die Mitarbeiter im Werkslabor auf Reinheit. In der Schmelzwanne wird das Gemenge auf 1 600 °C erhitzt. Nachdem zahlreiche weitere Stationen durchlaufen worden sind, kommen die 6 m langen und 3,21 m breiten Glastafeln schließlich in der Auslaufzone an. Sofern sie nicht direkt an die Kunden ausgeliefert werden, werden sie eingelagert und später an fast alle europäischen Standorte der Gruppe verschickt.

Keine Sichtverbindung vorhanden
Glas ist ein ökologisch bedeutender Werkstoff. Wegen der erwähnten Wärmedämm- und Sonnenschutzeigenschaften leistet modernes Funktionsglas einen wichtigen Beitrag zur Energieeinsparung in Gebäuden. Um auch bei der Produktion Energie zu sparen, ist ein Energiemanagementsystem unerlässlich. Aus diesem Grund hat die NSG Group 2013 in Gladbeck eine entsprechende Lösung zur effizienten und transparenten Auswertung der Verbrauchsdaten eingeführt. Zwecks Erfassung der relevanten Werte sind dazu mehr als 70 neue Stromzähler installiert worden. Einige der in den Fertigungshallen verbauten Modbus-basierten Geräte konnten über das vorhandene Prozessleitsystem eingebunden werden. „Als größere Herausforderung haben sich die auf dem weitläufigen Unternehmensgelände befindlichen Zähler erwiesen“, berichtet Björn Niemann, als Leiter Technische Dienste bei der NSG Group im Werk Gladbeck tätig. „Aufgrund der großen Entfernungen war es uns nicht möglich, die Zähler per Kabel in das Energiemanagementsystem zu integrieren. Der Aufwand wäre immens gewesen und hätte die Kosten deutlich erhöht.“
Deshalb hatten B. Niemann und der für die Projektplanung zuständige Kollege Manuel Romberg die Idee, die Zähler per Funk zu vernetzen. „Und da wurden wir mit der nächsten Herausforderung konfrontiert“, erzählt M. ­Romberg. „Denn normalerweise benötigen Funksysteme eine Sichtverbindung, damit sie zuverlässig funktionieren. Das ist bei keinem der Zähler der Fall. Vielmehr müssen mehrere im Weg stehende Gebäude und Wände überwunden werden.“ Mit diesen Rahmenbedingungen wurden B. Niemann und M. Romberg auf die Funklösung von Phoenix Contact aufmerksam und baten um technische Unterstützung. Wegen der anspruchsvollen Umgebungsbedingungen reiste der Funkspezialist Stefan auf dem Graben mit entsprechendem Equipment an, um die Funkstrecke im Vorfeld zu testen. Bereits nach einer Stunde war klar, dass sämtliche Messstellen per Funk erreicht werden können. „Uns hat die schnelle und kompetente Hilfestellung begeistert“, erklärt B. Niemann. „Wir konnten kaum glauben, dass das Radioline-System die Energiedaten selbst durch mehrere Hallen, Wände und andere Hindernisse weiterleiten kann.“

Lizenzfreie Übertragung der Daten
Die Energiemessgeräte sind per Zweidrahtleitung an die RS-485-Schnittstelle der Radioline-Module angeschlossen (Bild 3). Das Funksystem überträgt das Modbus-Protokoll dann an die Leitzentrale. Durch die Erfassung des Energiekonsums lassen sich die Energieflüsse im Gladbecker NSG-Werk jetzt genau analysieren. Aufgrund des umfangreichen Energiemanagements reduziert sich der dortige Energieverbrauch, was einen positiven Beitrag zum Umweltschutz leistet.
Mit der flexibel nutzbaren Funklösung können neben seriellen Daten IO-Signale lizenzfrei, somit ohne Folgekosten, kommuniziert werden (Bild 4). Die auf der Grundlage der robusten Technologie Trusted Wireless 2.0 funkenden Module sind speziell für den Signalaustausch über große Entfernungen entwickelt worden. Bei freier Sicht lassen sich Distanzen von mehreren hundert Metern bis zu 20 km zwischen zwei Funkteilnehmern überbrücken. Das Gladbecker NSG-Werk verwendet die im 868-MHz-Bereich arbeitenden Radioline-Module. Außerdem stehen Gerätevarianten für das 900-MHz- und 2,4-GHz-Frequenzband zur Verfügung, die sich ebenfalls durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit auszeichnen. Zur Überwindung großer Entfernungen kann die Datenrate der Funkschnittstelle individuell festgelegt und so die Empfängerempfindlichkeit erhöht werden. Bei einer niedrigen Datenrate lässt sich eine größere Reichweite überbrücken als bei einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit. Der Anwender passt die Geräte ­also optimal an die jeweilige Applikation an. Trusted Wire­less 2.0 überzeugt zudem durch gute Diagnosemöglichkeiten sowie die Koexistenz zu anderen, im gleichen Frequenzband funkenden Systemen.

Flexible Erweiterung um bis zu 32 IO-Module
Das Radioline-System, das sich an den besonderen Bedürfnissen industrieller Anwendungen orientiert, basiert auf Trusted Wireless 2.0. Die proprietäre Funktechnologie schließt die Lücke zwischen Wireless Hart als Lösung für Sensornetzwerke in der Prozesstechnik sowie den in der ­Fabrikautomation etablierten Wireless-Standards Bluetooth und WLAN. Je nach Applikationsanforderung werden verschiedene Einstelloptionen angeboten. Von der einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindung bis zu selbst heilenden Mesh-Netzwerken lassen sich beliebige Netzwerkstrukturen aufbauen, um neben der IO-Kommunikation und dem ­seriellen Kabelersatz auch eine direkte Integration von IO-Modulen in eine Modbus-RTU-Steuerung zu realisieren.
Das umfangreiche Portfolio von Phoenix Contact beinhaltet seit mehr als zehn Jahren Wireless-Lösungen. Als eine der neusten Entwicklungen umfasst das Radioline-System ein Funkmodul und derzeit sieben unterschiedliche anreihbare IO-Module. Die einzelnen IO-Stationen können um bis zu 32 IO-Module erweitert werden, die im laufenden Betrieb installier- oder auswechselbar sind. Ergänzend zur Hot-Swap-Fähigkeit verfügen die Wireless-Komponenten über eine galvanische Kanal-zu-Kanal-Trennung.

Stabiler Betrieb seit mehr als zwei Jahren
Die im Gladbecker NSG-Werk aufgebaute Funkverbindung arbeitet seit über zwei Jahren stabil. Bislang hat es keinen einzigen Ausfall der Übertragung gegeben. Aufgrund der positiven Erfahrungen mit dem Radioline-System wurde im Sommer 2016 eine schwer zugängliche Abwasser-Pumpstation ebenfalls per Funk an das Leitsystem angekoppelt. Sie befindet sich in rund 500 m Entfernung mitten in einem Wäldchen (Bild 5). In der Vergangenheit war die Pumpstation per Kabel mit der Leitzentrale verbunden. Im Laufe der Zeit verschlechterte sich der Zustand der Leitung jedoch merklich, sodass die Signale nicht mehr weitergeleitet wurden. Jetzt funken die Radioline-Module Zustandsmeldungen der Pumpe zuverlässig an die Leitzentrale. Dazu lassen sich die Geräte um IO-Module für die Übermittlung von Sensor-/Aktor-Informationen ausbauen.
„Das Funksystem hat meine Erwartungen in puncto ­Stabilität und Anwendungsmöglichkeiten übertroffen“, ­resümiert B. Niemann. „Wegen des flexiblen Einsatzes und sicheren Betriebs werden wir viele weitere schwer erreichbare Stationen in das Funknetzwerk integrieren.“ (mh)

Robuste und störsichere Kommunikation

Um für eine robuste und störsichere Datenübertragung zu sorgen, verwendet Trusted Wireless 2.0 im 2,4-GHz-Frequenzband das sogenannte FHSS-Verfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum). Die Technologie nutzt eine Auswahl von bis zu 127 Kanälen aus dem Gesamtspektrum des Frequenzbands, die auf Basis eines pseudo-zufälligen Musters durchsprungen werden.
Darüber hinaus erlaubt Trusted Wireless 2.0 ein gutes Koexistenz-Management verschiedener Funksysteme. Durch den Einsatz unterschiedlicher RF-Bänder (Radio Frequency) lassen sich mehrere Radioline-Netze parallel betreiben. Ferner besteht die Möglichkeit, bestimmte Kanäle gezielt auszublenden (Black Listing), damit beispielsweise WLAN-Systeme ohne Leistungseinschränkung parallel funken können.
Da das Protokoll von Trusted Wireless 2.0 als proprietäre Technologie nicht öffentlich zugänglich ist, sind entsprechende Netzwerke besser vor unbefugten Zugriffen geschützt. Außerdem trägt die 128-Bit-Datenverschlüsselung dazu bei, dass theoretisch mitgehörte Datenpakete nicht verstanden werden. Ferner stellt die Integritätsprüfung die Echtheit des Senders fest und verwirft Nachrichten, die verändert wurden.

Benjamin Fiene ist Mitarbeiter im Produktmarketing Wireless bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. bfiene@phoenixcontact.com

Benjamin Fiene ist Mitarbeiter im Produktmarketing Wireless bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont. bfiene@phoenixcontact.com