Wireless Automation drahtlos gesteuert und geregelt. Die Wissensplattform für das technische Management. Wissen intelligent nutzbar machen

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1 Die Wissensplattform für das technische Management VDMA Verlag Ausgabe 2009/4 Wireless Automation drahtlos gesteuert und geregelt Produk t- & Know-how-schutz Vorbeugen ist besser 30 ressourceneffizienz Produktivität und Energieeffizienz verbinden 36 Forschung & Förderung Wissen intelligent nutzbar machen 42

2 Vielfalt à la carte Wir sorgen für Lösungen! Qualitativ hochwertige Produkte entfalten in modularen Konzepten ihre Vielseitigkeit. Kundenspezifische Lösungen gehören zur Interpretationskunst der intelligenten Produktion. Wo Intelligenz und Produktion aufeinandertreffen, entsteht eine breite Palette von stimmigen Kompositionen. Dazu gehören unsere beherrschbaren Servosysteme für die mechatronische Antriebstechnik. WITTENSTEIN eins sein mit der Zukunft

3 Wireless Automation Zahlen, Daten, Fakten F oto: F oto Se a rch Der Funkstandard Bluetooth wurde benannt nach dem Wikingerkönig Blauzahn Harald Gormson Blåtand, der im 10. Jahrhundert Dänemark und Norwegen miteinander versöhnte und die damals selbstständigen Wikingerstämme einte war die Geburtsstunde der Funktechnologie: David Edward Hughes präsentierte seine Entdeckung der elektro magnetischen Wellen an der Akademie der Naturwissenschaften in London. Dies war die erste Form der drahtlosen Kommunikation zwischen zwei Punkten. 64 Prozent aller Unternehmen vernachlässigen ihre WLAN-Sicherheit. Für die Abhörsicherheit ist eine 128-Bit-AES-Verschlüsselung nach Militärstandard erforderlich. F oto: p o r t r a i t. k a a r. at 3

4 B-to-B Integration Nummer 1 der Analystenbewertung unter den Integrationsanbietern Senkung der Logistikkosten bei hohem Versorgungsgrad Hochleistungslogistik Geschäftsprozesse Workflowgesteuerte Bearbeitung von digitalen & papierbasierten Eingangsbelegen PLM & PDM Erfolgreiches Produktdatenmanagement durch Integration aller Systeme Funktechnologien nehmen einen immer höheren Stellenwert in der Automation ein. die zielanwendungen reichen vom einfachen Monitoring über den einsatz in der gebäudeautomation bis hin zu geschlossenen regelschleifen in der Fertigung. 6 im nächsten heft unter dem thema Ohne Ausschuss produzieren Prüfprozesse in der Produktion steht die nächste Ausgabe von intelligenter produzieren. erscheinungstermin ist der titelbild: phoenix Contact Inhalt titelthema Funklösungen im parallelen Betrieb 6 Störursachen vermeiden durch Koexistenzmanagement Drahtlos zu neuen Funktionalitäten 8 Kommentar von Herbert Wegmann Profibus Nutzerorganisation vereint 9 alle unter einem Dach Spezifizierung und Standardisierung werden vorangetrieben Drahtlose Automatisierung mit WISA 12 erhöht die Maschinenverfügbarkeit Verschleißbehaftete Signalwege werden durch zuverlässige Kommunikation ersetzt Flexible Fertigung schafft 15 Wettbewerbsvorteile Smarte produktionszellen erlauben schnelle Werkzeugwechsel ohne Kabelverbindungen Kabellose und energieautarke Schaltgeräte 17 verringern den Installationsaufwand elektrische geräte generieren den benötigten Strom aus der umgebung Bluetooth- und WLAN-Systeme sorgen für 20 zuverlässige Datenübertragung einfache integration in das Automatisierungsnetzwerk ist möglich Wireless-Lösungen führen zu höchster 24 Flexibilität und Datengüte einführung eines umfassenden MeS-Systems mit drahtloser Verbindung Drahtlos automatisieren und die Infor- 26 mationssicherheit unter Kontrolle haben durch strukturiertes Vorgehen ist ein angemessener Schutz der Funksysteme möglich Profisafe-Signale berührungslos übertragen 28 einsatz von profinet mit WlAn-leckwellenleitersystem Foto: HS BoCHuM 4

5 FOTO: HEINZ NIXDORF INSTITUT Produktpiraterie hat für die deutsche Investitionsgüterindustrie erschreckende wirtschaftliche Ausmaße angenommen. Unterstützung im Kampf gegen die Produktpiraten soll die Forschungsoffensive Innovationen gegen Produktpiraterie bringen. 30 PRODUKT- & KNOW-HOW-SCHUTZ Vorbeugen ist besser 30 Technische Schutzmaßnahmen gegen Produktpiraterie Schutzmechanismen in der Wägetechnik 32 Verbundprojekt PiratPro entwickelt piraterierobuste Produkte Flagge zeigen im Kampf gegen Produkt- 34 piraterie VDMA entwickelt nachhaltige Strategien für den Know-how-Schutz Maschinenbau-Institut GmbH ein Unternehmen des VDMA RESSOURCENEFFIZIENZ Produktivität und Energieeffizienz 36 verbinden Technologieübergreifende Methodik hilft, hohe Produktivität mit weniger Energieeinsatz zu erreichen FOTO: BERTOLD WERKMANN, FOTOLIA Energieeffizienz ist für die Industrie zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor geworden, der die Total Cost of Ownership einer Maschine oder Anlage maßgeblich beeinflusst. 36 Das Forschungsprojekt Processus nutzt neuartige Webtechnologien, um vorhandenes Wissen für alle Mitarbeiter im Unternehmen zugänglich zu machen und den Innovationsprozess zu be schleunigen. 42 Zerspanwerkzeuge ressourceneffizient 38 entwickeln und produzieren Nachhaltige Produktionsprozesse im eigenen und im Kundenunternehmen sicherstellen FORSCHUNG & FÖRDERUNG Wissen intelligent nutzbar machen 42 Forschungsprojekt Processus entwickelt intelligente Lösungsassistenten Europas größtes Förderprogramm für 44 Produktionsforschung gestartet Initiative Fabriken der Zukunft fördert Projekte mit einem Forschungsvolumen von 1,2 Milliarden Euro Neue Fördermöglichkeiten nutzen 46 Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand jetzt auch für Unternehmen bis Beschäftigte geöffnet AKTUELLES FOTO: BOSCH REXROTH Referenzen helfen, geeignete Software für 50 den Maschinenbau zu finden Neuer VDMA E-Market Software jetzt online 3. VDMA-Innovationstagung Die Krise kreativ nutzen tradierte Denkweisen sprengen Reale Innovationen sind das beste Rezept gegen jede Krise. Andreas Steinle, Zukunftsakademie, Frankfurt am Main Unsere Themen / Referenten u. a. Zukunftsmanagement und Innovation bei KSB K. Christoph Keller, Leiter Initiierung Zukunftsgeschäfte, KSB AG Innovationen sind unsichtbar: Design symbolisiert Technologie und Marke Eckhard Köbler, Leiter Heidelberg Industrial Design Innovation als Unternehmensstrategie Henrik A. Schunk, SCHUNK GmbH & Co. KG, Ideen, Lernen und Kompetenzen? Markus Schmaderer Leiter Ideenagentur, AUDI AG, Ingolstadt Firma sucht die Superidee! Prof. Dr. Gunter Dueck, IBM Germany 24. November 2009, Frankfurt am Main. INTELLIGENTER PRODUZIEREN 2009/4 Weitere Informationen: 5

6 titelthem a Funklösungen im parallelen Betrieb Vo n J ö r g f. W o l l er t u n d Au r el B u da Funktechnologien nehmen einen steigenden Stellenwert in der Automation ein. Die Zielanwendungen reichen vom einfachen Monitoring über den Einsatz in der Gebäudeautomation bis zu geschlossenen Regelschleifen in der Fertigung. Die meisten Funklösungen nutzen das 2,45-Gigahertz-ISM-Frequenzband, da auf diese Weise ein weltweit harmonisierter und lizenzfreier Betrieb für Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM) gewährleistet ist. Der Einsatz von Funktechnologien in der Automation ist etabliert. Zahlreiche Anwendungen profitieren von den Kosteneinsparungen durch den ersatz aufwendiger Kabelinstallationen, weniger Verschleiß und neue mobile Szenarien. Organisationen, wie beispielsweise die PNO (Profibus Nutzerorganisation), ISA (The International Society of Automation), HART Communication Foundation, WINA (Wireless Industrial Networking Alliance) und die ZigBee Alliance, befassen sich mit der Standardisierung von Funklösungen für verschiedene Domänen der Automation. Noch überwiegen jedoch die proprietären Systeme. Als Basistechnologien greift man typischerweise auf vorhandene Funkstandards aus der Konsum- und EDV-Welt zurück und adaptiert die höheren Protokollschichten hinsichtlich der Anforderungen der Automation. Sehr ausgeprägt ist diese Tendenz für das lizenzfreie 2,45-GHz-ISM-Frequenzband erkennbar. Verbreitete Basistechnologien sind WLAN-Systeme nach ieee b/g(/n), Bluetooth (ieee ), ieee sowie die proprietären Technologien nanonet und nanoloc. Mit dem raschen Zuwachs an Funklösungen sowohl in der Automation als auch der EDV wird die Forderung der Anwender nach einer guten Koexistenz der Systeme stärker. Dabei werden die Koexistenzeigenschaften von Funktechnologien durch diverse Faktoren wie Sendeleistung und Bandbreite, Duty-Cycle und Kanalzugriffsverfahren bestimmt. Zudem sind die Eigenschaften in der Regel herstellerspezifisch. Störursachen im koexistierenden Betrieb Koexistenz ist definiert als die Fähigkeit eines Systems, eine Aufgabe in einem geteilten Medium zu erfüllen, während andere Systeme ihre Aufgaben, unter Auflage derselben oder anderer Regeln, ebenfalls In der Funkmesskammer: Auch auf engstem Raum zeigen Funklösungen speziell für die industrielle Automation ein sehr gutes Koexistenzverhalten. Foto: HS Bochum erfüllen. Bei der Funkkommunikation stellen Interferenzen beim Zugriff auf das geteilte Medium das Hauptproblem dar. Interferenzen entstehen, wenn sich Signale in den Dimensionen Frequenz, Zeit und Raum überlagern. Die häufigste Erscheinungsform sind Co-Channel-Interferenzen, die bei der Belegung überlappender Frequenzbereiche durch koexistierende Funklösungen auftreten können. Die zeitliche Dimension wird von der Kanalbelegung, dem so genannten Duty- Cycle, der Systeme bestimmt. Je häufiger das Medium zeitlich genutzt wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit der Kollision von Signalen. Die räumliche Dimension wird durch den Abstand der Systeme (Antennen) und das Signal-zu-Interferenz-Verhältnis (SIR) definiert. Liegt das Verhältnis zwischen Signal- und Interferenzpegel unterhalb des maximalen SIR eines Systems, so kann das Signal am Empfänger nicht mehr detektiert werden. Neben diesen physikalischen Eigenschaften von Interferenzen spielen Kanalzugriffssysteme eine bedeutende Rolle im Hinblick auf den koexistierenden Betrieb. Üblicherweise werden Funksysteme im 2,45-GHz-Band mit Time Division Multiple Access (TDMA), Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) oder einer Mischform betrieben. Bei TDMA wird das Funkmedium in Zeitschlitze unterteilt, in denen jeder Netzwerkteilnehmer Daten übertragen darf. 6

7 TITELTHEM A Damit bieten TDMA-Systeme ein deterministisches Zeitverhalten und eine gute Koexistenz innerhalb eines Funknetzwerks. Um Interferenzen gegenüber Fremdnetzwerken zu verringern, wird TDMA häufig in Kombination mit Frequenzsprungverfahren und der Möglichkeit eingesetzt, reservierte Frequenzbereiche aus der Sprungfolge auszublenden. Diese Optionen werden beispielsweise bei Bluetooth ausgeschöpft. Bei CSMA/CA wird vor jeder Datenübertragung die Belegung des Funkmediums überprüft und ein Sendevorgang nur bei nicht belegtem Medium gestartet. Die Beurteilung erfolgt entweder anhand eines Energieschwellwerts, der Detektion eines validen Signals oder einer Mischform beider Verfahren für den beobachteten Frequenzbereich. Damit stellt CSMA/CA Mechanismen zur Vermeidung von Interferenzen sowohl innerhalb eines Funknetzwerks als auch zu Fremdnetzwerken dar. Dafür wird in Kauf genommen, dass auf CSMA/CA basierende Systeme anfälliger für Jamming-Attacken (Blockade durch Störsender) sind und keine eindeutig deterministische Datenübertragung gewährleisten. Typischerweise nutzen WLAN-Systeme dieses Kanalzugriffsverfahren. Inwieweit Interferenzen die Koexistenz von Systemen beeinträchtigen, muss aus Sicht der zu erfüllenden Aufgaben, al- QUELLE: HS BOCHUM Kategorisierung der Funkanwendungen Kategorie Klasse Anwendung Beschreibung Safety 0 Notfall Operationen immer kritisch Control 1 Geschlossene Regelkreise 2 Geschlossene Überwachungskreise Die VDI/VDE-Richtlinie 2185 Blatt 2 ( Funkgestützte Kommunikation in der Automatisierungstechnik Koexistenzmanagement von Funklösungen ) empfiehlt eine Kategorisierung der Funkanwendungen an einem Standort entsprechend den Anwendungsklassen nach ISA. häufig kritisch in der Regel nicht kritisch 3 Offene Regelkreise Personen im Regelkreis Moni toring 4 Alarme Schnelle operative Konsequenzen, zum Beispiel ereignis gesteuerte Wartung 5 Loggen und Hochladen/ Herunterladen Keine unmittelbare operative Konsequenz, zum Beispiel Historiensammlung, Sequenz präventiver War tungs - ereignisse so der Applikation entschieden werden. Ein Funksystem hat gegenüber der Applikation eine zeitliche Reserve für Paketwiederholungen und Fehlerkorrekturen. Wird diese Reserve überschritten, können die zeitlichen Anforderungen einer Applikation nicht mehr bedient werden. Es ist offensichtlich, dass bei steigenden zeitlichen Anforderungen der Applikation die Reserve für die Funkkommunikation sinkt und Interferenzen schneller zu tatsächlichen Störungen führen. Koexistenz unter Kontrolle Annäherung an Echtzeit Bedeutung von Nachrichten Aufgrund der steigenden Anwendung drahtloser Kommunikationssysteme wird sich ein koexistierender Betrieb verschiede- K N O W - H O W Basistechnologien im 2,45-Gigahertz-ISM-Frequenzband WLAN Die weiteste Verbreitung im 2,45-GHz-Band finden derzeit WLAN-Funktechnologien nach IEEE b und IEEE g. Für beide Standards sind 13 Frequenzkanäle im Abstand von fünf Megahertz in Europa spezifiziert. Bei einer Sendebandbreite von etwa 20 Megahertz können daher drei nicht überlappende WLAN-Netzwerke parallel betrieben werden. WLAN überzeugt durch schnelle Übertragung großer Datenmengen (bis 54 Megabit pro Sekunde) und hohe Reichweite (50 bis 100 Meter Indoor, mehr als 100 Meter Outdoor). In der Automation werden adaptierte WLAN-Systeme zur drahtlosen Übertragung von Feldbusprotokollen, wie Profinet I/O, eingesetzt. Aufgrund der hohen Sendebandbreite stellt WLAN prinzipiell ein Störpotenzial für koexistierende Funkanwendungen dar. Das Kanalzugriffsverfahren CSMA/CA sorgt jedoch für einen zuverlässigen koexistierenden Betrieb. Bluetooth Bluetooth nutzt 79 Frequenzkanäle mit einer Bandbreite von einem Megahertz im 2,45-GHz-Band. Zur Datenkommunikation kommt ein Master/Slave-Verfahren in Kombination mit TDMA und FHSS ( Frequency Hopping Spread Spectrum ) zum Einsatz. Die Technologie zeichnet sich durch ein sehr gutes Verhältnis aus Datenrate (ein bis drei Megabit pro Sekunde), Reichweite (50 bis 100 Meter Indoor, mehr als 100 Meter Outdoor) und einen niedrigen Energieverbrauch aus. In der Automation wird Bluetooth sowohl in der Feldbus- als auch in der Sensorebene eingesetzt. Die physikalische Schicht von Bluetooth (IEEE ) wird als Basis für Wireless Sensor Actor Networks (WSAN) innerhalb der Profibus Nutzerorganisation betrachtet. Seit Version 1.2 unterstützt Bluetooth eine adaptive Anpassung der Sendeleistung und der genutzten Frequenzkanäle mit sehr gutem Koexistenzverhalten. IEEE Der Standard IEEE spezifiziert 16 Kanäle mit einer Bandbreite von etwa zwei Megahertz für den 2,45-GHz-Bereich. Die Technologie wurde zum Aufbau von Sensornetzwerken mit extrem niedrigem Energieverbrauch und geringer Datenrate entwickelt. Bekannt wurde der Standard durch die aufsetzenden Netzwerk- und Anwendungsschichten, spezifiziert durch die ZigBee Alliance. Anwendungsprofile für die Bereiche Home- und Gebäudeautomation, Smart Metering und Health Care stehen zur Verfügung. Im Bereich der Prozessautomation stellt die physikalische Schicht nach IEEE die Basis für den Standard WirelessHART dar. Für die Fertigung gibt es proprietäre Lösungen zur drahtlosen Anbindung von Sensoren und I/O-Kommunikation. Aufgrund der geringen Sendeleistung (ein bis zehn Milliwatt) und des Kanalzugriffsverfahrens CSMA/CA ist die Störaussendung durch IEEE im koexistierenden Betrieb als gering einzustufen. INTELLIGENTER PRODUZIEREN 2009/4 7

8 titelthem a ner Funklösungen selten vermeiden lassen. In zahlreichen Studien wurden für die Basistechnologien bereits gute Koexistenzeigenschaften auch in zeitkritischen Anwendungen der industriellen Automation identifiziert. Dies kann zum einen auf die bereits vorhandenen Mechanismen zur Interferenzvermeidung, zum anderen auf die relativ kurzen Datenpakete, wie sie in der Automation üblich sind, zurückgeführt werden. Dennoch ist es in praktischen Messkampagnen aufwendig, alle relevanten Parameter für die verschiedenen Anwendungsbereiche zu berücksichtigen. In theoretischen Betrachtungen fällt es schwer, herstellerspezifische Eigenschaften einzubeziehen. Für neue Technologien, wie ieee n, WirelessHART und Bluetooth Low Energy stehen quantitative Aussagen noch gänzlich aus. In der VDI/VDE-Richtlinie 2185 Blatt 2: Funkgestützte Kommunikation in der Automatisierungstechnik Koexistenzmanagement von Funklösungen wird daher ein allgemeines Vorgehen zur Etablierung und Durchführung eines Koexistenzmanagements für Endnutzer beschrieben. In Anlehnung an die Anwendungsklassen nach ISA wird empfohlen, Funkanwendungen verschiedene Prioritäten zuzuweisen. Nach den Prioritätsstufen richtet sich der Aufwand für das Koexistenzmanagement. Dieser Prozess ist unternehmensbeziehungsweise standortweit zu betrachten und sollte alle Entscheidungsträger für die Einführung neuer Funkanwendungen einbeziehen. Auch Funkanwendungen aus der IT und Logistik müssen berücksichtigt werden. Das Koexistenzmanagement ist ein zyklischer Prozess, der die Bestandsaufnahme, Planung, Inbetriebnahme, Wartung und Dokumentation aller Funkanwendungen an einem Standort umfasst. Es wird empfohlen, spezialisierte Dienstleister bereits in frühen Phasen des Koexistenzmanagements einzubeziehen und geschulte Fachkräfte im eigenen Unternehmen einzuplanen, um langfristig Störungen zu vermeiden. Professor Dr.-Ing. Jörg F. Wollert Fachgebiet: Softwaretechnik und Rechnernetze Hochschule Bochum Aurel Buda Wissenschaftlicher Mitarbeiter Telefon kom mentar Die drahtlose Kommunikation hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht. Insbesondere für die industrielle Automation sind Wireless-Technologien von großem Interesse. Nicht nur wegen einer drastischen Reduzierung des Verkabelungsaufwands, sondern vor allem wegen der Realisierung ganz neuer Funktionalitäten. Überall dort, wo die Verkabelung von Maschinen und Anlagen Schwierigkeiten bereitet und besonders negativ auf Verfügbarkeit und Kosten wirkt, werden zunehmend Alternativen zum Kabel benötigt und eingesetzt. Die neuen Standards der drahtlosen Kommunikation haben bereits ihre Tauglichkeit im industriellen Alltag bewiesen: Wireless LAN, Bluetooth, ZigBee oder auch GSM/GPRS/UMTS, um nur einige Beispiele zu nennen. Daneben stehen viele mobile Endgeräte zur Verfügung, die die Anforderungen industrieller Arbeitsumgebungen erfüllen. Diese Technologien bringen die Informationen und Anwendungen dorthin, wo sie wirklich gebraucht werden: zum Mitarbeiter in der Produktion oder zu mobilen Anlagenteilen. Typische Einsatzgebiete der mobilen Kommunikation sind Service- und Wartungsarbeiten, Überwachung mobiler Maschinen und Anlagen oder auch die Übertragung zyklischer Steuerungsdaten zu frei beweglichen Fertigungsmitteln. Es gibt immer wieder Anwendungen, in denen die Funktechnologie derzeit an ihre Grenzen stößt. So ist beispielsweise die Stromversorgung von mobilen Funkteilnehmern und beweglichen Anlagenteilen oftmals ein Hemmnis, um komplett auf die Verkabelung zu verzichten. Funkübertragungstechniken sind als sinnvolle Ergänzung der kabelgebundenen Kommunikation zu betrachten und nicht als vollständiger Ersatz. So können bereits installierte Feldbussysteme vor allem da effizient ergänzt werden, wo schwierige Installationsbedingungen oder geographische Gegebenheiten dies erfordern und die Funktechnik deutliche Kostenvorteile mit sich bringt. Darüber hinaus ist Funk bereits heute in Applikationen im Einsatz, die höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Anlagen stellen. Als Königsdisziplin in der industriellen Automatisierungstechnik sind Safety-Anwendungen zu nennen, bei denen die Sicherheit von Mensch und Maschine an vorderster Stelle steht. Funkübertragungstechniken sind als sinnvolle Ergänzung der kabelgebundenen Kommunikation zu betrachten und nicht als vollständiger Ersatz. H e r b e r t W e g m a n n Drahtlos zu neuen Funktionalitäten Herbert Wegmann, stellvertretender Vorsitzender des VDMA Elektrische Automation Wir können davon ausgehen, dass die drahtlose Kommunikationstechnik für den breiten industriellen Einsatz nach und nach erschlossen wird. Ich bin sicher, dass Sie sich daraus ein Bild machen können, ob und wann die mobile Kommunikation auch für Ihr Unternehmen eine akzeptable Alternative oder eine Ergänzung zu bestehenden Lösungen ist.

9 TITELTHEMA Profibus Nutzerorganisation vereint alle unter einem Dach VON RENE BISCHOF UND HANS GERLACH-ERHARDT Auch in industrieller Umgebung werden die Vorteile drahtloser Kommunikation zunehmend genutzt: Neben Kostensenkung für Verkabelung und Installation stehen vor allem Flexibilität und Mobilität im Mittelpunkt. Drahtlose Kommunikation erlaubt völlig neue Lösungen in Bereichen, in denen elektrische Kabel nicht oder nur eingeschränkt einsetzbar sind. INFORMATIONEN PNO setzt auf drahtlos Seit 1989 bietet die Profibus Nutzerorganisation e. V. (PNO) mit Profibus und Profinet zuverlässige und performante Technologien für die drahtgebundene Kommunikation in der Automatisierung an. Diese Erfahrung im Bereich industrieller Kommunikationstechnologien bringt die PNO auch in die drahtlose Kommunikation ein für Fabrik- und Prozessautomation. INTELLIGENTER PRODUZIEREN 2009/4 Die Profibus Nutzerorganisation setzt bei Drahtlostechnologien auf WLAN, Bluetooth und WSAN für die Fabrikautomation und auf WirelessHART für die Prozessautomation. Die Vielzahl industrieller Applikationen stellt sehr unterschiedliche Anforderungen an die Kommunikation. Keine der drahtlosen Kommunikationstechnologien kann das gesamte Spektrum von der Prozessautomation bis zur Fabrikautomation komplett abdecken. Die Profibus Nutzerorganisation e. V. (PNO) entschied sich daher, auf eine Kombination verschiedener Funktechnologien zu setzen: Wireless LAN (IEEE ), Bluetooth (IEEE ), WirelessHART und WSAN (Wireless Sensor Actuator Network). Diese Radiotechnologien operieren in den so genannten ISM-Bändern (Industrial, Scientific and Medical) des Frequenzspektrums. Diese Bänder werden durch die Internationale Fernmeldeunion (ITU-R) festgelegt und können von Hochfrequenz-Geräten in Industrie, Wissenschaft oder Medizin weltweit genutzt werden. Die PNO clustert die vier Technologien gemäß ihren Übertragungseigenschaften (vornehmlich anhand des zur Verfügung stehenden Datendurchsatzes): WLAN und Bluetooth erlauben die Übertragung von Profinet-Frames über das drahtlose Netz und somit die direkte Anbindung drahtloser Profinet-IO-Devices an das Produktionsnetz. Sogar Safety- Kommunikation unter Nutzung des Profisafe-Profils ist möglich. WirelessHART und WSAN eignen sich aufgrund der nutzbaren Paketgrößen und ihres Datendurchsatzes nicht für die Übertragung von Profinet-Frames. Sie können jedoch mittels Gateways mit Profinet-Netzen verbunden werden und erlauben die Anbindung weit verteilter Sensoren oder Aktoren in der Prozesswelt und schnelle Echtzeitanbindung im Fertigungsbereich. Für jede Applikation die richtige Wireless-Technologie: Applikationen im Umfeld der industriellen Automatisierungstechnik lassen sich grob auf die beiden Bereiche der Fertigungs- und der Prozessindustrie aufteilen, wobei es auch zu Überschneidungen kommen kann. Während die drahtlose Anbindung eines Füllstandsmessers klar der Prozesswelt zugeordnet werden kann, findet beispielsweise die Funkübertragung von Steuerungs- und HMI-Daten in beiden Industriebereichen Anwendung. Um eine Orientierung über die Technologien zu geben, werden sie im Folgenden anhand typischer Applikationsbeispiele vorgestellt. Wireless LAN WSAN Aufgrund seiner Eigenschaften als Allrounder (hohe Datenraten, viele Teilnehmer) verbindet WLAN in der industriellen Praxis häufig abgesetzte oder mobile Maschinen- oder Anlagenteile (Profinet-IO- Controller und -Devices) mit dem Produktionsnetz und erspart so das Verlegen von Datenleitungen sowie den Einsatz von Schleppkabeln oder Schleifkontakten bei gleichzeitig gesteigerter Flexibilität. Darüber hinaus wird es vielfach für die Anbindung mobiler HMI-Geräte genutzt. Typische Applikationen für den industriellen Einsatz von WLAN sind: Elektrohängebahnen (EHB), zum Beispiel zum Transport von Karosserien in der Automobilproduktion Fahrerlose Transportsysteme (FTS), beispielsweise für Transportaufgaben in der Intralogistik 9 QUELLE: PNO

10 TITELTHEMA Regalbediengeräte (RBG), zum Beispiel zum Be- und Entladen von Hoch regallagern Maschinen mit beweglichen Komponenten, zum Beispiel Drahtwickelmaschinen Mobiles Bedienen und Beobachten, beispielsweise beim Einrichtbetrieb von Robotern. Der Einsatz drahtloser Komponenten erfolgt in der Prozessautomation häufig über WLAN oder Bluetooth. FOTOS: SIEMENS Bluetooth 10 Bluetooth-Lösungen sind in der Automatisierung seit einigen Jahren im Einsatz. Typische Anwendungen sind Kabelersatzlösungen, meist Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder Anwendungen mit wenigen Teilnehmern. Ein Master kann mit bis zu sieben Slaves kommunizieren. Moderne Bluetooth-Systeme erlauben störungsfreien Parallelbetrieb mit anderen Systemen bei hoher Systemdichte. Mit dem Fokus auf die Übertragung von kleinen und mittleren Datenmengen, wird es in der Automatisierung vorwiegend für Remote-IO-Geräte verwendet. Typische Applikationen für den industriellen Einsatz von Bluetooth sind: Kommunikation mit Regalförderern Kleine fahrerlose Transportsysteme mit wenigen Transportsystemen (ohne Roaming) Maschinen mit bewegten, rotierenden oder temporär vorhandenen Systemteilen, zum Beispiel Remote-IOs auf Montagerobotern, Rundtaktautomaten Einbinden von verteilten oder entfernten Stationen ins Steuerungsnetzwerk Temporäre Verbindungen beispielsweise zu Wechselwerkzeugen, mobilen Montageautomaten, zwischen Stapler und Entladestation. WirelessHART Frequenzbänder im elektromagnetischen Spektrum 433,05 434,49 MHz MHz WSAN Frequenz in Hz Frequenz in MHz Radiowellen Mikrowellen Infrarot UV Licht Die lizenzfrei nutzbaren Frequenzbänder im elektromagnetischen Spektrum konzentrieren sich auf Mikrowellen ,5 MHz MHz QUELLE: ZVEI QUELLE: ZVEI Im September 2007 wurde von der Hart Communication Foundation (HCF) der WirelessHART-Standard freigegeben. Dort, wo der Anlagenaufbau die Kabelverlegung unmöglich oder unwirtschaftlich macht, kommen jetzt Funklösungen ins Spiel. Wire lesshart nutzt ein Mesh-Network, das heißt, jedes Gerät kann Signale generieren oder empfangen (Sensoren/Aktoren) und diese an umliegende Geräte weiterreichen (Repeater-Funktion). So können mit ge ringer Sendeleistung und niedrigem Energieverbrauch Signale über große Entfer nungen transportiert werden. Bei Übertragungshindernissen kann über Nach bargeräte eine alternative Verbindung hergestellt werden. Typische Applikationen für den industriellen Einsatz von WirelessHART sind: Überwachung von Mess- und Umweltwerten, zum Beispiel Überwachung von Lagerbeständen in Tanklagern Asset Management und Anlagen-Optimierung wie Diagnose von Arbeitspunkten von Pumpen, Wärmetauschern oder Füllstandsmessung von Betriebsmitteln (Schmierstoffe) Vorbeugende Wartung wie Überwachen von rotierenden Anlagenteilen und rechtzeitige Feststellung von Verschleiß Performance-Überwachung und Prozess optimierung, zum Beispiel durch Monitoring von Betriebsparametern und temporäre Installation von Messstellen. WSAN Die Fabrikautomation erfordert in vielen Fällen Reaktionszeiten kleiner als zehn Millisekunden bei Maschinen mit mehr als 100 Sensoren oder Aktoren. Die PNO plant hierfür die Spezifikation einer auf der WISA-Technologie von ABB basierenden Funklösung und erweitert die Funktion um Merkmale wie skalierbare Reichweite und Kompatibilität zum IO-Link-Datenmodell. Für Anwendungen, die eine Frequenztrennung für die Koexistenz mit anderen Funksystemen erfordern, ist das Ausblenden bestimmter Kanäle (Blacklisting) vorgesehen. Damit erhält der Anwender eine INTELLIGENTER PRODUZIEREN 2009/4

11 titelthema zuverlässige, robuste Funktechnik für die Echt zeitanbindung von Sensoren und Ak toren. Typische Applikationen für den industriellen Einsatz von WSAN sind: Fertigungszellen und Montagelinien mit Einzel-Sensoren auf bewegten Anlagenteilen (zum Beispiel Getriebe- oder Motorenmontage) roboteranwendungen und Material- Handling (Palettierer mit sehr kurzen Taktzeiten) Verpackungsmaschinen mit vielen schnellen Sensoren/Aktoren Maschinen für Nahrungs- und Genussmittel (Dosieranlagen mit kurzen Reaktionszeiten) einfache Werkzeug-/Vorrichtungswechsel mit schnellen Sensoren und Aktuatoren. Die PNO treibt Spezifizierung und Standardisierung voran k n o w - h o w Funk in der Industrie Mehrere Anbieter von Automatisierungslösungen haben begonnen, Automationsprodukte mit Funktechnologie auf den Markt zu bringen. Um die Koexistenz sicherzustellen, ist gemeinsam das Thema der gegen seitigen Funkbeeinflussung untersucht worden. Aufgrund der üblicherweise kleinen Datenmengen ist mit einer deutlich niedrigeren Funkbeeinflussung zu rechnen, als oft erwartet wurde. es müssen industrielle Komponenten eingesetzt werden, die sich deutlich von Konsum- und Bürogeräten unterscheiden, um die benötigte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu erreichen. Koexistenz ist möglich, muss jedoch geplant werden. Sie ist immer abhängig von der Anwendung und kann sich im Lebenszyklus einer Anlage prinzipiell ändern, zum Beispiel durch weitere Funksysteme. Zentrale Leitstände benötigen den Blick bis hinunter zur Produktion. Dank Funktechnologie können viele Kilometer Kabel gespart werden. Aktuell werden in dem Arbeitskreis TC2/WG12/WSAN die Spezifikationen für die Integration von WirelessHART und WSAN in die Profinet-Welt erarbeitet. Ziel ist eine nahtlose Anbindung an die bestehenden Lösungen und Engineering Tools. Mitglieder der WSAN Working Group arbeiten im so genannten Wireless Cooperation Team (WCT) mit. Dieser Schulterschluss von PNO, HCF, und Fieldbus Foundation (FF) soll für die Interoperabilität von Komponenten aller drei Organisationen sorgen. Kontakte werden auch zur IEC und ISA gepflegt, um die internationale Standardisierung voranzubringen. In der Norm IEC wurde darüber hinaus bereits die Möglichkeit beschrieben, die Protokolle der Norm IEC type 10 (Profinet) über Wireless LAN und Bluetooth zu übertragen. Ein Draft der WSAN-Spezifikation soll im September vorliegen. Nach Fertigstellung der Spezifikation ist geplant, diese in eine IEC-Norm zu überführen. der Planungsaufwand steigt mit der Anzahl an parallel betriebenen Funksystemen. Parallel bedeutet: am gleichen Ort, zur gleichen Zeit und auf derselben Frequenz. in schwierigen Fällen muss ein Ko existenzmanagement mit Hilfe eines Fachmanns durchgeführt werden, beispielsweise wenn mehrere echtzeit kritische, aber unterschiedliche Systeme mit geringer Funkstörfestigkeit parallel eingesetzt werden. Mit der knappen Ressource Funk muss überlegt umgegangen werden. Frühzeitig ist ein Interessenausgleich zwischen den unterschiedlichen Bereichen, die Funk einsetzen, nötig. Aus: Koexistenz von Funksystemen in der Automatisierungstechnik (ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie, Fachverband Automation, 2008) Die Zukunft der industriellen Funktechnologien Die Anwendung von Funktechnologien für Profinet IO hat sich in den vergangenen Jahren in besonders geeigneten Applikationen auf Systemebene etabliert. Die Funkkommunikation für Sensordaten hingegen befindet sich noch in einem relativ frühen Stadium. Bisherige Pilotanwendungen versprechen jedoch auch hier einen hohen Nutzen für den Anwender und damit ein erhebliches Marktpotenzial. Die Standardisierung von Wireless-Lösungen für die Industrie wird helfen, den Boden für den flächenhaften Einsatz zu bereiten. Die vorgestellten Technologien ergänzen sich und ermöglichen für die jeweiligen Anforderungen die optimale Lösung. Dabei können alle Systeme in gleicher Umgebung koexistieren. Neben den Normungs-Aktivitäten zur Technologie spielen neue Regelungen der EU zur Nutzung des Frequenzbandes und die Arbeit der World Radio Conference eine gewichtige Rolle. Bisher waren die Automatisierungsfirmen in diesen Gremien kaum vertreten. Dies wird sich ändern müssen, um die langfristige Investitionssicherheit für die Industrie zu gewährleisten. Ein Fernziel sollte die Reservierung eines geschützten Frequenzbandes für die Industrieautomatisierung sein. Rene Bischof Leiter der PNO-WG Industrial WLAN Siemens AG, Industry Sector Telefon Hans Gerlach-Erhardt Leiter Technology and Alliances Festo AG & Co. KG Telefon

12 titelthem a Drahtlose Automatisierung mit WISA erhöht die Maschinenverfügbarkeit Vo n W o l f g a n g Z i m m er m a n n In Montagelinien und Handhabungssystemen sind Signalkabel die Hauptursache für Störungen und ungeplante Produktionsunterbrechungen. Kabelverschleiß durch häufige Bewegung ist oft der Grund. Eine Lösung bietet Funktechnologie in der E/A-Ebene: Sie ersetzt verschleiß behaftete Signalwege durch zuverlässige Kommunikation und erhöht so die Maschinenverfügbarkeit. F oto s: A B B Drahtlose E/A-Module arbeiten am Greifer eines Handhabungssystems für Sicherungsautomaten. Der Betrieb von Fertigungslinien und Handhabungssystemen ist gekennzeichnet von schnellen Bewegungen, um die hohen Taktraten der Produktionseinrichtungen zu gewährleisten. Das beansprucht ganz besonders Signalkabel oder Feldbusleitungen, die die elektrische Verbindung zwischen der Maschinensteuerung und den Sensoren und Aktoren auf den bewegten Modulen bilden. Als Beispiel sei ein Handhabungssystem genannt, das am Ende einer Prüflinie für Sicherungsautomaten installiert ist: Der an einem Portal montierte Greifer nimmt die geprüften Sicherungsautomaten als Zehner-Set auf und setzt sie auf Transportbänder, die zur Verpackungsanlage führen. Neben Druckluft und elektrischer Versorgung benötigt der pneumatisch betätigte Greifer Steuersignale sowohl für die Auf- und Abwärtsbewegung als auch zum Öffnen und Schließen. Hinzu kommen zwei Endlagenmeldungen des Pneumatikzylinders. Hohe Verfügbarkeit Üblicherweise werden für diese Anwendung neben den Versorgungsleitungen auch die Steuer- und Signalleitungen in dem mehrere Meter langen Kabelschlepp verlegt, das der Horizontalbewegung des Greifers folgt. Im Betrieb könnte der Bruch einer einzigen Signalader zu zeitaufwendiger Fehlersuche und Reparatur führen und damit die gesamte Prüflinie blockieren. In dem modernen Handhabungssystem ist deshalb auf dem beweglichen Grei- fermodul ein drahtloses E/A-Modul installiert, das die Ein- und Ausgangssignale per Funk sendet und empfängt, so dass konventionelle Signalleitungen entfallen. In dem k n o w - h o w WISA Drahtlose Automatisierung mit WISA (Wireless Interface für Sensoren und Aktoren) ersetzt bewegte, störanfällige Signalkabel und Busleitungen in der E/A-Ebene, macht verschleißbehaftete Signalkontakte an Wechselvorrichtungen überflüssig, vereinfacht das Engineering durch weniger Signalleitungen und Unabhängigkeit von Busstrukturen. 12

13 titelthem a Kabelschlepp sind nur noch der Schlauch für die Druckluftversorgung und das Kabel für die elektrische Versorgung verlegt, beide deutlich robuster und langlebiger als die empfindlichen Signaladern. Das erhöht die Verfügbarkeit des Greiferportals enorm. Die Gegenstelle für bis zu 13 dieser drahtlosen E/A-Module ist eine so genannte Basisstation im Schaltschrank, die via Feldbus die Verbindung zur Maschinensteuerung herstellt. Ein Paar Antennen, das außerhalb des Schaltschranks montiert und über Koaxialkabel mit der Basisstation verbunden ist, hält die Funkverbindung zu den Feldgeräten in der Maschine. Zuverlässigkeit Das auf dem Greifer montierte E/A-Modul sendet und empfängt Informationen drahtlos im weltweit lizenzfrei nutzbaren 2,4-GHz-ISM-Band (ISM = Industrial, Scientific, Medical). Dieser Frequenzbereich liegt oberhalb des elektromagnetischen Störspektrums, wie es typischerweise in einem industriellen Umfeld durch Schaltvorgänge, Frequenzumrichter oder Schweißanwendungen entsteht, so dass keinerlei Beeinträchtigungen zu erwarten sind. Die Kommunikation erfolgt auf Basis des Standards ieee mit WISA (Wireless Interface für Sensoren und Aktoren). Eine Funktechnologie für die E/A-Ebene der Fertigungsautomation muss neben hoher Zuverlässigkeit auch die Möglichkeit bieten, viele E/A-Knoten einer Maschine zu integrieren, und mit einem Funkzyklus von Ein für die Fabrikautomation ent wickeltes Funksystem in der E/A-Ebene arbeitet deutlich zuverlässiger als durch Bewegung strapazierte Signalkabel. wenigen Millisekunden arbeiten. Kurze Taktzeiten in der Fertigung verlangen von einer Funktechnologie außerdem, dass ihr Zeitverhalten durch das Hinzufügen weiterer Feldgeräte nicht verändert wird. Die WISA-Technologie stellt das durch ein Zeitschlitzverfahren (tdma) sicher. Leichteres Engineering Gerade im Sondermaschinenbau bedeuten jedes Signalkabel und jede Feldbusstruktur Engineeringaufwand und Inbetriebnahmezeit. Konventionelle elektrische Signalverbindungen werden in einem drahtlosen E/A-System weitgehend durch Funkverbindungen ersetzt, so dass die Planung von Installationswegen entfällt. Die Zuordnung der IP67-Module zur Basisstation erfolgt beispielsweise im WISA-System per Tastendruck: Im Konfigurationsmodus wählt der Anwender an der Basisstation die gewünschte Adress-Nummer aus, die er dem E/A-Modul durch Betätigung seines Bedientasters zuweist. Diese Konfigurati- Schränke ohne Schranken Dessauer Schaltschränke Schaltschränke Anreihschränke Steuerpulte Maschineneinhausungen Metallgehäuse Mechatronik Telefon: (0340)

14 titelthem a Verlag Wissen Verlag onsdaten bleiben in den Feldgeräten unverlierbar abgelegt. Mit Hilfe einer so genannten Wink-Funktion lässt sich die Adresse eines E/A-Moduls in der Basisstation anzeigen, und umgekehrt führt die Auswahl einer Adresse an der Basisstation zum Blinken einer grünen LED des relevanten Feldgeräts. Betriebssicherheit und Koexistenz VDMA Verlag Verzeichnis 2009 Bücher Verträge Lieferbedingungen VDMA Verlag Wissen für die Investitionsgüterindustrie Bücher zu Unternehmensführung und Management in der Investitionsgüter- Industrie und Vertragsmuster und Geschäfts bedingungen: Hier sehen Sie auf einen Blick, welche Vertragsmuster auch zum Download auf unserer Website bereit stehen. Einen schnellen Überblick über alle Veröffentlichungen finden Sie gleich am Anfang unseres Gesamtverzeichnisses im Register, das wir nach den Themen gegliedert haben: Unternehmensführung Finanzen und Controlling Informatik und technisches Management Servicemanagement Projektmanagement Personal Qualitäts- und Prozessmanagement Recht und Steuern Liefer-, Montage- und Reparaturbedingungen Vertrieb und Marketing Das WISA-Protokoll belegt nur einen minimalen Frequenzbereich, selbst beim Vollausbau mit 120 Funksensoren. Die verwendeten Frequenzen wechseln bei jedem Funkzyklus. Kombiniert mit einer geringen Sendeleistung, gewährleisten diese Maßnahmen einen störungsfreien Parallelbetrieb mit anderen drahtlosen Technologien wie WLAN, Bluetooth, WirelessHART und Zigbee. Verschiedene WISA-Systeme in einer Fertigungshalle unterscheiden sich durch ihre so genannte Cell-ID. Diese individuelle Kennung stellt sicher, dass die installierten drahtlosen E/A-Module einer Basisstation eindeutig zugeordnet werden und eine Verwechslung ausgeschlossen ist, selbst wenn sich die Funkbereiche benachbarter Systeme überlagern. WISA-Feldgeräte melden sich mindestens zweimal pro Sekunde bei ihrer zentralen Basisstation. Sollte diese Präsenzmeldung ausbleiben, setzt die Basisstation das Valid-Bit des betroffenen Feldgeräts auf 0 und gibt diese Information an die Maschinensteuerung: Ein E/A-Modul kann durchaus berechtigt fehlen, weil es beispielsweise auf einer Wechselvorrichtung i n f o r m a t i o n e n Ziel: Standardisierung Anwender erwarten die Standardisierung neuer Technologien, damit sie aus den Angeboten verschiedener Anbieter die für sie passende Lösung kombinieren können. Vor diesem Hintergrund hat die Profibus Nutzerorganisation e. V. (PNO) die Standardisierung der WISA-Technologie im Frühjahr auf den Weg gebracht: Um eine optimale Lösung für die Fertigungsautomatisierung bieten zu können, hat die PNO beschlossen, die Spezifikation für Wireless-Sensoren und Aktoren in der Fertigungsautomatisierung basierend auf der WISA-Technologie (ieee ) zu entwickeln. Die Basisstation (links oben) sitzt im Schaltschrank neben konventionellen E/A-Modulen der Maschinensteuerung. montiert ist, die gerade nicht genutzt wird. Andernfalls läge eine Störung vor, auf die die Steuerung angemessen reagieren kann. Ersatz störanfälliger Signalkabel Nicht nur für neue Maschinen, sondern gerade auch für solche, die schon einige Jahre im Produktionsbetrieb sind, kann sich die Installation eines Funksystems in der E/A-Ebene lohnen: In solchen Maschinen gibt es häufig schwache Stellen an Signalübergängen zu bewegten Baugruppen. Nicht selten ist mehrmals jährlich die Reparatur oder der Austausch beschädigter Signalkabel erforderlich. Dann lohnt es sich, eine Funktechnologie als Ersatz störanfälliger Signalkabel in Betracht zu ziehen. Neben den reinen Materialkosten sollten auch die Kosten für Produktionsstillstand und Service berücksichtigt werden. Dann rechnet sich die Investition in eine zuverlässige Funktechnologie häufig innerhalb weniger Monate. Wolfgang Zimmermann ABB STOTZ-KONTAKT GmbH Telefon

15 titelthem a Flexible Fertigung schafft Wettbewerbsvorteile Vo n R o m e o P o p e s c u Konventionelle Fertigungslinien sind in der Regel für die Produktion von wenigen Modellvarianten und meist ohne Änderungen am Produktionsablauf ausgelegt. Dynamische Märkte verlangen jedoch eine flexible Skalierung der Produktionsmenge, die Möglichkeit zur schnellen Anpassung an neue Produkte und Produktvarianten, um rasch auf geänderte Kundennachfrage reagieren zu können. Neue, smarte Fertigungszellen mit schnellem automatischem Werkzeugwechsel können die richtige Antwort auf diese Herausforderung sein. Ein Maschinenhersteller setzt auf IO- Link und den Einsatz induktiver Koppler zur drahtlosen Energie- und Signalübertragung. Die Komponenten lieferte der Sensorikspezialist und Networking-Anbieter Balluff. Im Gegensatz zu konventionellen Montagelinien, bei denen ein Werkzeugwechsel an einer Bearbeitungsstation nur dann ansteht, wenn eine neue Produktlinie gefertigt wird, ist in der smarten Fertigungszelle der kontinuierliche Werkzeugwechsel die Regel. Herzstück der Anlage sind zwei alternierend arbeitende Roboterarme und ein Paletten-Positionierungssystem für die räumliche Positionierung der Werkstücke in den drei Raumachsen. Während der eine Arm noch mit der Montage des Werkstücks beschäftigt ist, bereitet sich der zweite schon durch einen Wechsel des Greifers auf den nächsten Montageschritt vor. So lassen sich sämtliche Fertigungsschritte unterbrechungsfrei innerhalb einer Fertigungszelle durchführen, und dies sogar im Mischbetrieb, wenn unterschiedliche Komponenten zu fertigen sind. Der schnelle Wechsel stellt Kabelverbindungen jedoch vor besondere Herausforderungen. Diese müssen in der flexiblen Automation den vielfältigen Bewegungen innerhalb der Zelle folgen. An besonders beanspruchten Stellen können Kontaktierungen und Leitungen den Bewegungen nur eine begrenzte Zeit lang standhalten, und so kommt es durch Verschleiß zum Bruch der Verbindungen. Drahtlose Energie und Datenübertragung Dieses Problem hat das Unternehmen durch den Einsatz induktiver Koppler BIC von Balluff gelöst. Die industrietauglichen Systeme neuester Generation im robusten M30-Gehäuse aus Edelstahl in der Schutzart IP 67 übertragen Energie und Signale drahtlos über einen Luftspalt von maximal Drahtlos arbeitende BIC-Systeme statt verschleißanfälliger Kabelverbindung zwischen Greifer und Roboterarm fünf Millimetern und ersetzen damit feste Kabelverbindungen. Installation und Montage oder ein Austausch per Plug and play sind dank komfortablem M12-Steckanschluss an Base- und Remoteeinheit ein Kinderspiel, wobei gut sichtbare LED-Anzeigen für Betriebsspannung und Betriebsbereitschaft im Kopf der Einheiten Montage und Justierung erheblich erleichtern. Dabei erfüllen die Systeme ihre Aufgabe bis zu einem Winkelversatz von 18 Grad bei einer entsprechenden Anpassung des Abstands. Hohe Anforderungen an Produktionsrate und Zuverlässigkeit der Anlage stellten sich den Maschinenbauern. Bis zu 16 Sensoren und pneumatische Greifer müssen schnell und kontinuierlich gewechselt werden. Dies erfordert eine Reduzierung der Werkzeugwechselzeiten und der Fehlerquote auf ein Minimum. Die ursprünglich geplante Verkabelung auf Maschinenebene der Sensoren und Greifer mit Profibus konnte diesen hohen Anforderungen nicht gerecht werden. Zwar verbesserten sich Zuverlässigkeit und Fehlerrate signifikant, die Anlagenverfügbarkeit nach einem Werkzeugwechsel konnte jedoch den Vorgaben nicht gerecht werden. Maschinenverkabelung mit IO-Link Die Konstrukteure entschieden sich für den Einsatz von IO-Link in der Maschine und damit zur transparenten Erweiterung ihres Profibus-Netzwerks. Das Resultat bestätigte ihre hohen Erwartungen. Die Boot- 15 F oto s: B a l luff

16 TITELTHEMA zeit reduzierte sich nach einem Werkzeugwechsel auf eine Sekunde. Darüber hinaus vereinfachte sich die Verkabelung extrem. Mit IO-Link verwenden die Maschinenbauer kein neuartiges Bussystem, sondern einen vielseitigen Kommunikationsstandard, der inzwischen mit der USB-Schnittstelle im Rechnerumfeld vergleichbar ist. Beides sind kostengünstige Punkt-zu- Punkt-Verbindungen für die Signal- und Energieübertragung, die sich nach Plugand-play-Manier betreiben lassen. So verdichten spezielle IO-Link-Sensorhubs von Balluff in der Anlage die Schaltausgänge der binären Sensoren zu einer einzigen seriellen IO-Link-Verbindung, um sie dann über eine einfach steckbare Dreidrahtleitung via IO-Link-Profibus-Master an die Maschinensteuerung zu übertragen. Neben der aufwendigen Parallelverdrahtung in der Maschine entfallen Klemmenkästen und Reihenklemmen, die häufig symbolisch als Verbindung zwischen Maschinen- und Feldebene gesehen werden. An ihre Stellen treten einfach steckbare Verbindungen zwischen vormontierter Maschine und ortsfester Installationstechnik, was zu erheblichen Einsparungen bei der Arbeitszeit und den Kosten führt. Der Clou: Die Energie- und Signalübertragung zwischen Sensorhub und Profibus- Master erfolgt in dieser Applikation ebenfalls drahtlos. Zum Einsatz kommt eine neue Variante des induktiven Koppler-Systems BIC, diesmal mit IO-Link-Schnittstelle, die jegliche Kabelverbindung überflüssig macht. Die IO-Link-Signale von maximal 16 Sensoren können gleichzeitig, drahtlos und vollkommen verschleißfrei übertragen werden. Die industrietauglichen Systeme neuester Generation im robusten M30-Gehäuse aus Edelstahl in der Schutzart IP 67 übertragen Energie und Signale drahtlos über einen Luftspalt von maximal fünf Millimetern und ersetzen damit feste Kabelverbindungen. QUELLE: BALLUFF Induktiver Koppler BIC IO-Link-Ankopplung 1 2 Toolident-System zur Fehler vermeidung Damit Fehler beim automatischen Werkzeugwechsel so gut wie ausgeschlossen sind, verfügt jede Anlage über ein effizientes Toolident-System auf RFID-Basis. Jedes Werkzeug trägt dazu einen eigenen RFID-Chip mit individueller Identnummer. Vor jedem Bearbeitungs- oder Montageschritt wird automatisch überprüft, ob das richtige Werkzeug eingespannt ist. Die Kernkomponente des Toolident- Systems sind robuste Datenträger in Miniaturbauweise, eine Schreib- und eine Auswerteeinheit. Die Kommunikation erfolgt berührungslos und damit verschleißfrei durch induktiven Datenaustausch. Der Datenträger empfängt das Energiesignal, baut daraus seine Versorgungsspannung auf und sendet danach seine Daten als pulsweiten-moduliertes Signal in Richtung Lesekopf, der ebenfalls über eine IO-Link- Schnittstelle verfügt und per einfacher Dreidrahtleitung über den IO-Link-Master in die Installation eingebunden ist, ohne dass eine Verwaltungseinheit erforderlich wäre. Hoher Nutzen für den Anwender IO-Link-Master BNI 2 Bus-Anbindung 3 Netzgeräte BAE Die IO-Link-Signale von maximal 16 Sensoren können über das IO-Link-fähige BIC-System gleichzeitig, drahtlos und vollkommen verschleißfrei übertragen werden. 3 SPS Power-Leitung 7/8" BCC 5 Verbindungskabel BCC 6 Induktiver Koppler BIC Base 7 Induktiver Koppler BIC Remote 8 M12 Sensor-Hub BNI 9 Anschluss Sensoren Der Einsatz der smarten Fertigungszelle ist für den Anwender mit erheblichen Einsparungen auf der Kostenseite verbunden. So senkt der Kommunikationsstandard IO-Link nicht nur den Aufwand für die Maschinenverkabelung drastisch, er verbessert auch die Performance des Werkzeugwechsels und des Produktionsablaufs. Dank drahtloser Daten- und Energieübertragung an kritischen Stellen der Anlage per induktivem Kopplersystem verlängern sich die Wartungsintervalle. Ermüdungserscheinungen an Kabeln und Kontakten sind so gut wie ausgeschlossen. Der Einsatz smarter Fertigungszellen ist für den Anwender mit erheblichen Einsparungen auf der Kostenseite verbunden. Der Anwender kann flexibel die Anzahl der Smart Cells je nach Bedarf an veränderte Produktionsraten anpassen. Damit resultieren erhebliche Einsparungen bei flexiblen und fixen Kosten. Beispielsweise lässt sich so die Produktion mit einer ein zigen Fertigungszelle und kleinen Stückzahlen starten, um später in einem parallelen Workflow weitere Zellen zu integrieren. Naht das Ende des Produktlebenszyklus, dann können nicht mehr benötigte Fer tigungseinheiten anders verwendet werden. Romeo Popescu Produktmarketing Identifikationssysteme Balluff GmbH Telefon INTELLIGENTER PRODUZIEREN 2009/4

17 titelthem a Kabellose und energieautarke Schaltgeräte verringern den Installationsaufwand Vo n René S cherer Die Idee des Energy Harvesting ist faszinierend: Anstatt durch externe Energieversorgung oder Batterien generieren elektrische Geräte ihre benötigte Energie aus der Umgebung. Die Technologie ist auch im Maschinen- und Anlagenbau nutzbar. Der Vorteil: Energieautarke Schaltgeräte lassen sich ohne Installationsaufwand und Verlegen von Kabeln frei platzieren. Im Grund ist Energy Harvesting nichts anderes als Energieumwandlung in miniaturisierter Form. Dabei kommen bekannte Technologien (zum Beispiel die Solartechnik) ebenso zum Einsatz wie neue Systeme, die elektrische Energie beispielsweise aus Vibration oder Temperaturunterschieden gewinnen. Bei Konsumgütern wird dieser Technologie eine große Zukunft vorhergesagt. Langfristig verspricht man sich davon zum Beispiel einen Verzicht auf Akkus in Mobiltelefonen: Das Handy lädt sich dann durch die Bewegung des Benutzers auf. Ein aktuelles Forschungsprojekt der Technischen Universität Chemnitz befasst sich damit, Hörgeräte über die Bewegung des Kiefers beim Kauen mit Energie zu versorgen. F oto: s t eu t e In der Automatisierungstechnik bewährt Solche Projekte befinden sich noch im Forschungsstadium. In der industriellen Automatisierungstechnik und der Gebäudetechnik ist Energy Harvesting jedoch schon Realität. Hier kommen in ganz unterschiedlichen Einsatzfällen energieautarke Schaltgeräte zum Einsatz. Sie übertragen das Schaltsignal über Funk und generieren die Energie, die dazu nötig ist, zum Beispiel über eine miniaturisierte Solarzelle mit integriertem Energiespeicher oder über einen elektrodynamischen Energiegenerator, der die Bewegung des Schaltstößels in elektrische Energie umwandelt. Dieser Mini-Dynamo ist im Gehäuse verborgen, dennoch ist die Wireless-Technologie auf den ersten Blick sichtbar: Wo konventionelle Ex-Schaltgeräte eine Kabelverbindung haben, ist bei den Funk-Schaltgeräten eine kurze Antenne montiert. Zuverlässige Datenübertragung Die Energiemenge, die auf diese Weise generiert wird, ist gering. Aber sie reicht Energieautarke Funktürgriff schalter an seitlich verschieb baren Schutztüren erlauben den Verzicht auf aufwendige Kabelschleppeinrichtungen völlig aus, um ein hochverfügbares, sehr kurzes Signal auf dem lizenzfreien SRD- Sendeband bei 868 Megahertz mit zehn Milliwatt Sendeleistung zu übertragen. Dieser Standard, den die EnOcean GmbH entwickelt hat, wurde mit einem der begehrtesten internationalen Industriepreise ausgezeichnet, dem Hermes Award. Jedes Signal, das die Schalter abgeben, wird dreimal zeitlich versetzt gesendet. Die Codierung der Signale über eine individuelle 32-Bit-Identifikationsnummer erlaubt eine eindeutige Zuordnung zwischen Befehlsgerät und Empfangseinheit. Somit können auch viele energieautarke Schaltgeräte im selben Bereich eingesetzt werden. Das außerordentlich störunempfindliche Signal hat eine Reichweite von etwa 300 Metern im Außenbereich und 30 Metern in geschlossenen Räumen. Wenn weitere Strecken zu überbrücken sind, steht ein Funkrepeater zur Verfügung. Gewinn an Flexibilität Das Programm dieser Schaltgeräte wird kontinuierlich erweitert. Zurzeit stehen energieautarke Positionsschalter, Fußschalter, Seilzugschalter und Türgriffschalter zur Verfügung. Auch Aufputzbefehlsgeräte mit Drucktaster und Bedieneinheiten mit ein bis drei kabellosen Bediengeräten stehen zur Verfügung. Besonders augenfällig sind die Vorteile des 17

18 titelthem a Energie Harvesting bei dem Aufputzbefehlsgerät: Das Schaltergehäuse kann an der Wand oder an einer Maschine montiert werden. Wenn der Schalter einen anderen Platz finden soll, weil beispielsweise die Räume neu aufgeteilt werden oder die Maschine umgebaut wird, montiert man ihn an anderer Stelle ohne Rücksicht auf Kabelführungen, Kabelkanäle oder Elektroinstallationen. Somit profitiert der Anwender von höherer Flexibilität und er wird selbst zur Energiequelle. Öffnen von Industrietoren Zu den häufigsten Industrie-Applikationen von energieautarken Schaltgeräten gehört das Öffnen und Schließen von Rolltoren und anderen Bauarten von Indus trietoren. Damit die Staplerfahrer das Tor vom Stapler aus öffnen können, montiert man an der Hallendecke einen Zugschalter mit Seil. Wenn man einen energieautarken Schalter verwendet, kann man sich umständliche Installationsarbeiten sparen und den Schalter dort anbringen, wo das Personal ihn am besten erreichen kann. Technologie für Explosivbereiche Die Technologie des Energy Harvesting ist auch für explosionsgefährdete Bereiche interessant. Der Verzicht auf Batterien spart Kosten, denn die Wartung von Geräten in Ex-Bereichen darf nur von qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Schutztür von Bearbeitungszentren Zu den ersten Anwendern dieser Technologie gehörte ein Hersteller von großen Bearbeitungszentren. Der Arbeitsraum dieser Maschinen ist durch eine seitlich verschiebbare Schutztür abgesichert. Um die Bedienelemente am Türgriff anzusteuern, musste man aufwendige und verschleißanfällige Kabelschleppeinrichtungen vorsehen. Durch den Einsatz eines energieautarken Türgriffschalters mit miniaturisiertem Solarmodul ist diese Funktion nun deutlich einfacher realisiert. Das Modul ist mit einem integrierten Speicher ausgestattet, so dass auch bei Dunkelheit Energie zur Verfügung steht. Einige Endkunden des Maschinenherstellers waren durchaus skeptisch, ob das Funksignal unter den ungünstigen Bedingungen der industriellen Produktion mit vielen Fremdsignalen und Reflexionsflächen zuverlässig übertragen wird. Die Praxis zeigte jedoch, dass eine hohe Übertragungssicherheit gewährleistet ist. Reißleine für Qualitätsprobleme Ein wichtiges Element der japanischen Produktionsphilosophie ist das frühzeitige Erkennen und sofortige Beheben von Qualitätsproblemen. Viele Unternehmen vor allem der Automobilindustrie, die dieser Philosophie folgen, haben daher an ihren Produktionslinien Schalter installiert, mit denen jeder Werker das Band sofort stoppen kann. Ein Autohersteller verwendet zu diesem Zweck energieautarke Seilzugschalter als Reißleine, die das Signal per Funk an eine Leitwarte senden. Dort kommt ein Schaltgerät mit elektrodynamischem Energiegenerator zum Einsatz. Dieses System hat den Charme, dass man auf ein Speichersystem für die Energie verzichten kann: In dem Moment, wo der Bediener am Seil zieht und den Schalter betätigt, wird die kinetische in elektrische Energie umgewandelt und das Signal übermittelt. Zahlen: Man muss die Kosten im Blick haben. Die Lösung für Macher im Maschinenbau. Ob ein Produkt erfolgreich sein wird und sich rechnet, entscheidet nicht nur das Wie, sondern vor allem das Mit wem?. Rexroth garantiert mit elektrischen, hydraulischen, mechanischen und pneumatischen Lösungen für geringe Kosten über den gesamten Produktlebenszyklus. So werden aus Ihren Ideen ganz schnell marktgerechte Produkte. Bosch Rexroth. The Drive & Control Company Bosch Rexroth AG _EL02d+zukunft_2x124x200.indd :21:44 Uhr

19 titelthem a Zudem erlaubt die kabellose Signalübertragung den Verzicht auf zusätzliche Ex- Schutz-Komponenten wie Kabelverbindungen und Steckverbinder. Und die Schaltgeräte können ganz ohne Kabel aus dem Ex-Bereich herausfunken. Der Anwender muss somit keine ex-gerechte Empfangseinheit einsetzen. Daher wurde die Zertifizierung dieser Technologie für explosionsgefährdete Bereiche vorgenommen. Die Prüforganisationen mussten zunächst entsprechende Prüfkriterien entwickeln, denn bislang war die Kombination Wireless Ex ungebräuchlich. Die Schalter sind in die Zündschutzart eigensicher eingruppiert und gemäß DIN-EN für das Schutzniveau ib ausgelegt. Damit können sie normengerecht und sicher in Gas-Ex-Zone 1 eingesetzt werden. Für die Verwendung in Staub-Ex-Zone 21 wurden sie gemäß DIN EN für die Zündschutzart id konzipiert. Die EG-Baumusterprüfbescheinigung einer benannten Stelle wurde erteilt. EL02d_0409 Hier erweist sich auch die geringe Energiemenge der Signale als positiv: Sie stellt keine Gefährdung im Sinne des Explosionsschutzes dar. Wireless Ex in einer Raffinerie Zu den ersten Einsatzbeispielen des Wireless-Ex -Systems gehört ein Transportsystem für Bahntankwaggons in der Ladestation einer französischen Raffinerie. Ein extrem flaches und kompaktes Satellitenfahrzeug fährt unter den jeweiligen Waggon und dockt dort an. Anschließend transportiert es den Waggon über eine Distanz bis zu 70 Metern zur gewünschten Position im Verladebahnhof. Das Fahrzeug erkennt seine Position mit Hilfe eines energieautarken Positionsschalters, der von einem Mitnehmer am Waggon betätigt wird, wenn dieser die Vorderachse des Tankwaggons erreicht hat. Sobald der Positionsschalter auf diese Weise betätigt wird, stoppt das autonome Fahrzeug und koppelt sich an den Waggon an. Der Wireless-Ex -Schalter kommuniziert kabellos mit der Empfangseinheit, deren Antenne an der Außenwand der geschlossenen Steuerzentrale montiert wurde und ihrerseits mit der Steuerung der Anlage verbunden ist. Dieses System erlaubt den Verzicht auf aufwendige Kabelzuführungen, Schleifleitungen oder Kabelschleppeinrichtungen. Darüber hinaus arbeitet es effizient und mit hoher Zuverlässigkeit, und es erfüllt die einschlägigen Normen des Explosionsschutzes. Neue Möglichkeiten Fakten: Am besten mit einem Partner, der Perspektiven bietet. Zukunft sichern mit Rexroth reden Damit sind die Einsatzmöglichkeiten von Schaltgeräten mit Energy-Har vesting -Technologien noch lange nicht ausgeschöpft. Die Anwender der Schaltgeräte sind außerordentlich kreativ, wenn es um neue Anwendungsfelder geht, für die die Geräte teilweise noch modifiziert oder angepasst werden. Dies gilt nicht nur für die industrielle Automation, sondern auch für die Gebäudetechnik, wo die kabellosen Schalter sogar häufiger im Einsatz sind. René Scherer Produktmanager Industrieschaltgeräte steute Schaltgeräte GmbH & Co. KG Telefon _EL02d+zukunft_2x124x200.indd :21:47 Uhr 19

20 titelthem a Bluetooth- und WLAN-Systeme sorgen für zuverlässige Datenübertragung Vo n Jens Wieneck e Bei der Lastwagenproduktion sorgt die industrielle Bluetooth-Technologie in der Fördertechnik für eine robuste und zuverlässige Weiterleitung der Daten der Elektrohängebahnen. Die einfache Integration in das Automatisierungsnetzwerk sowie die Möglichkeit des Parallelbetriebs mehrerer Bluetooth-Systeme in Koexistenz zu den WLAN-Netzwerken sind die Vorteile. Vor Baubeginn des MAN-Werks im polnischen Niepolomice bei Krakau legte das verantwortliche Planer- Team in der Münchner MAN-Zentrale als wesentliche Anforderung an die Automatisierungstechnik fest, dass alle für die Fertigung relevanten Daten über ein Netzwerk aus der bayerischen Zentrale an die einzelnen Produktionsstände in Polen übermittelt werden sollen. Die Automatisierungslösung muss ferner auf offenen, international genormten Standards basieren, um eine durchgängige und schnelle Kommunikation über sämtliche Unternehmensebenen sowie zwischen den weltweit verteilten Fertigungsstätten zu ermöglichen. Alle Anlagenteile und Komponenten sollen einfach in das Unternehmensnetzwerk zu integrieren sein und sich flexibel an geänderte Applikationsbedingungen anpassen lassen. Schließlich war ein umfassendes Diagnosekonzept gefordert, so dass sich Stillstandszeiten auf ein Minimum reduzieren. Der Bluetooth Access Point aus der Produktlinie Factory Line von Phoenix Contact Fotos: Phoenix Contact Durchgängige Kommunikation Das MAN-Planungsteam sprach sich dafür aus, dass in der Fördertechnik der Montagelinien eine auf Ethernet basierende Automatisierungslösung eingesetzt wird. Der Datenaustausch in der Infrastruktur sowie mit den fahrerlosen Transportsystemen (FTS) wurde bereits auf Basis der WLAN-Funktechnologie realisiert. Die Elektrohängebahnen (EHB), die die Achsen in den Produktionsprozess einschleusen, sollen ebenfalls in das Kommunikationsnetzwerk eingebunden sein. Der Hersteller der EHB schlug vor, aus Kosten- und Wartungsgründen auf die üblicherweise verwendeten Schleifleitungen zu verzichten. Da proprietäre Funksysteme eine durchgängige Ethernet-Kommunikation nicht unterstützen, schieden sie aus. Vielmehr boten sich die neuen Bluetooth Access Points der industriellen Factory-Line-Bluetooth-Technologie von Phoenix Contact an. Sie erlauben ein flexibles Ein- und Ausschleusen der EHB. Die MAN-Verantwortlichen hatten bislang keine Erfahrung mit der Bluetooth-Technologie, weshalb sie zuerst bezweifelten, ob sich die Funksysteme einfach in das vorhandene Ethernet-Netzwerk integrieren lassen. Darüber hinaus mussten sie von der zuverlässigen Datenübertragung sowie dem störungsfreien parallelbetrieb mehrerer Bluetooth- und WLAN-Systeme überzeugt werden. Echtzeitfähig, zuverlässig und sicher Die in dem Standard ieee standardisierte Bluetooth-Technologie ist weltweit im Einsatz. Durch die Nutzung des 2,4-Gigahertz-Frequenzbandes sowie des adaptiven Frequenz-Hopping-Verfahrens werden die Daten selbst in rauer In- 20

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