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Dienstag, 12 Mai 2020 07:35

Funktechnik in der Galvanoindustrie

von Richard Utikal
Geschätzte Lesezeit: 6 - 12 Minuten

In einer Galvanik gibt es viele und interessante Möglichkeiten, Funktechnik sinnvoll und effektiv einzusetzen. Durch den Einsatz von Funksystemen ist es heute möglich, Verschleißkomponenten und schwer zugängliche Geräte kostengünstig an die Steuerungstechnik anzuschließen und so schnell und wartungsfreundlich einen Zugang zu möglichst allen Anlagenkomponenten zu realisieren.

Dazu zählt aber nicht nur das Vermeiden von Schleppketten an den Fahrwagen und Querumsetzern, sondern auch Möglichkeiten wie Ansteuerung der Trommelrotation direkt an den Trommelaggregaten oder Temperaturerfassung in den Bädern.

Folgende Vorteile ergeben sich durch den Einsatz von Funktechnik:

  • Ersatz von Schleppleitungen
  • Verschleißreduktion
  • Wartungsfreiheit
  • Geringere Kosten
  • Gesteigerte FlexibilitätGesteigerte Flexibilität
  • Einfacher Zugriff auf entsprechende Geräte

Um Funktechnik im Umfeld von Galvanikanlagen nutzen zu können, sind robuste, drahtlose Netze erforderlich. Doch welche Rolle spielt Funktechnik schon heute? Welche Bedeutung hat deren Verfügbarkeit? Welche Lösungen stehen zur Verfügung?

Zur Zeit gibt es zwei unterschiedliche Funktechniken für den Industrieeinsatz:

  • Wireless LAN (WLAN)Wireless LAN (WLAN)
  • Bluetooth

Bluetooth wird dort eingesetzt, wo es geringere Datenmengen zu übertragen gibt, also bei Messfühlern oder der Steuerung von Aktoren. Der Einsatz von WLAN dagegen ist dort interessant, wo es um größere Datenmengen oder um höhere Geschwindigkeiten geht. Aus diesem Grund ergänzen sich diese beiden Funktechniken.

Wir gehen hier genauer auf diese beiden Verfahren ein.

WLAN

Die Entwicklung von Wireless LAN (kurz WLAN) ist in den vergangenen Jahren deutlich vorangeschritten, vor allem in Bezug auf die Datenübertragungsrate und die Übertragungsstabilität. Neue Endgeräte und Anwendungen schaffen Mehrwert für die Produktion und deren Prozesse. WLAN spielt daher als Anbindungstechnologie im Umfeld von Industrie 4.0 und speziell in der Galvanotechnik eine immer wichtigere Rolle. Es sorgt im Vergleich zur festen Verkabelung für deutlich mehr Flexibilität bei der Datenübertragung zwischen Anlagenkomponenten. Die Mitarbeiter profitieren vom einfachen und schnellen Zugriff auf Geräte, Anwendungen und Daten. Dies bringt nicht nur Vorteile hinsichtlich der Mobilität, sondern eine hohe Kosteneffizienz bei der Umstellung auf neue Verfahren und Prozesse.

Durch die Nähe zu Ethernet-basierten Protokollen ist WLAN sehr gut für Anbindung an die Steuerungstechnik mit Hilfe von Profinet (Bussystem für Steuerungstechnik) geeignet. Dadurch können sehr leicht industrielle WLAN-(kurz IWLAN) Komponenten in die Steuerungstechnik eingebunden werden. Die Verschlüsselung dieser Technik gewährleistet eine hohe Sicherheit gegen Angriffe von außen.

Weiter lassen sich heute auch sicherheitsrelevante Komponenten wie Not-Aus, Personenschutz oder Sicherheitsbereiche mit Hilfe von Funktechnik realisieren.

Ein Standard für zwei Welten

Für den Einsatz im industriellen Bereich sind bei Nutzung des Standards IEEE 802.11 für WLAN gegenüber der Bereitstellung in Büroumgebungen andere Anforderungen zu erfüllen. Zum Beispiel stehen beim Office WLAN als Service für mobile Anwender eine flächendeckende Bereitstellung, hohe Performance, die Unterstützung vieler Teilnehmer, Sicherheit und einfache Verwaltung im Vordergrund.

Beim IWLAN als Bestandteil einer Steuerungsstruktur sind dagegen eine produktionsbezogene, punktuelle Bereitstellung, Ausfallsicherheit, Zuverlässigkeit, Robustheit sowie eine einfache und schnelle Wiederherstellbarkeit entscheidend. Zudem ist der Einsatz von WLAN im Industrieumfeld nicht so einfach wie in Büroumgebungen. Denn die Umgebungsbedingungen – beispielsweise in Produktionshallen mit großen Flächen, viel Metall und anderen Störfaktoren für die Funkübertragung – stellen hohe Anforderungen an die IWLAN-Infrastrukturen. Gleichzeitig müssen die Komponenten in anspruchsvollen Umgebungen mit großer Hitze, Kälte, Staub oder Feuchtigkeit funktionieren. Da Robustheit und Stabilität gewährleistet werden müssen, sind die Gehäuse stoßfest und verwenden teilweise andere Anschlüsse.

Deswegen gibt es an industrielle WLAN Komponenten folgende Anforderungen:

  • Koexistenz mit anderen Funkkomponenten
  • Große Reichweite
  • Hohe Sicherheit
  • Robustheit
  • Kleine Reaktionszeiten und entsprechendes Zeitverhalten
  • Verbindungsüberwachung und Diagnose

Eine große Herausforderung stellt der starke Anstieg von WLAN-kommunizierenden Nutzern dar sowie der Umfang an übertragenen Daten und der erzeugten Datenmenge pro Teilnehmer. Das massive Wachstum der Datenmengen ist problematisch, da alle Inhalte über ein gemeinsam genutztes Medium zu bewältigen sind und gleichermaßen die vorhandene Bandbreite beanspruchen. Zudem kommen andere drahtlose Verfahren teilweise ebenfalls in den gleichen Funkbereichen zum Einsatz, beispielsweise Anwendungen, die Bluetooth verwenden oder etwa Gebäudeüberwachungssysteme (Video- & Zugangssysteme). Mehrfach belegte Kanäle und überlappende Frequenznutzungen führen besonders im industriellen Umfeld zu kritischen Störungen.

Dabei sind gerade dort hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu erfüllen. Insbesondere eine unterbrechungsfreie Verbindung beim Roaming, also dem Wechsel von einem Access Point zu einem anderen sowie eine Datenempfangsgarantie zu einer festgelegten Ankunftszeit gehören dazu. Ein herkömmliches WLAN ist dazu nicht in der Lage. Entsprechend haben Hersteller, wie z. B. die Firma Siemens basierend auf dem Standard IEEE 802.11 eigene Funktionen entwickelt. Dazu gehören iPCF (industrial Point Coordination Function), iHOP (industrial Frequency Hopping) und RCoax-Kabel.

Spezielle Lösungen für IWLAN

  • iPCF erweitert WLAN um ein deterministisches Verfahren, das den Teilnehmern Sende- und Empfangszeit koordiniert zuteilt. Dadurch können andere Teilnehmer mit einer geringeren Priorität behandelt werden, um kritische Reaktionszeiten und vorgegebene Empfangszeiten einzuhalten. Damit lässt sich ebenfalls der Roaming-Vorgang beschleunigen, sodass die Kommunikationsverbindung auch während des Übergangs zwischen verschiedenen Access Points nicht unterbrochen wird.
  • iHOP sorgt dafür, dass das IWLAN nacheinander auf verschiedene Kanäle springt. Die Koordination des Vorgangs übernimmt dabei der Access Point, der sich mit seinen IWLAN Clients synchronisiert. Das „Hopping“ funktioniert so schnell, dass eine Datenübertragung in der Regel dadurch nicht beeinträchtigt wird, sogar wenn ein Kanal gestört ist. Diesen schließt der Access Point sofort und streicht ihn vorübergehend von seiner Sprungsequenz. Sollte zum Beispiel das häufig genutzte 2,4-GHz-Band nicht mehr bereitstehen, lässt sich das 5-GHz-Band verwenden, um die Verfügbarkeit zu gewährleisten.
  • RCoax-Kabel sind speziell angefertigte Koaxialleiter, die auch dann eine zuverlässige Funkverbindung ermöglichen, wenn eine herkömmliche Antennentechnologie nur mit großem Aufwand zu installieren ist. Es handelt sich dabei letztlich um ein WLAN mit Kabel anstelle eines Access Points. Diese Technologie der Leckwellenleitungen kommt zum Beispiel in Tunnel, Kanälen oder Aufzugsschächten zum Einsatz, aber auch für die Kommunikation mit schienengeführten Fahrzeugen.

Beim Einsatz von WLAN im Industrieumfeld ist zu berücksichtigen, dass es auch andere drahtlose Infrastrukturen sowie etablierte und neu entstehende funkbasierte Technologien wie Bluetooth Low Energy, etc. gibt. Deswegen muss in einem Unternehmen ein Frequenzmanagement etabliert werden mit genauer Dokumentation der verwendeten Frequenzen und Kanäle. Dies gewährleistet eine Störungssicherheit und Zuverlässigkeit der entsprechenden Netze.

WLAN: 2,4 GHz oder 5 GHz

Kabellose Netzwerke gibt es mittlerweile überall. Egal ob UHF, VHF, GSM, UMTS, LTE, Bluetooth oder WLAN, kabellose Datenkommunikation ist allgegenwärtig. WLAN im 2,4 und 5 GHz Band ist wohl das meist verbreitetste und meist genutzte kabellose Netzwerk. Wir nutzen es jeden Tag mit unseren Computern, Smartphones und Tablets, egal ob zu Hause, bei der Arbeit oder im Restaurant.

Ein WLAN Netzwerk kann zwei Frequenzbänder nutzen, um Daten zu senden und zu empfangen, zum einem das 2,4 GHz Band oder zum zweiten das 5 GHz Band. Die Frequenzbänder für WLAN sind deutlich höher als die meisten anderen Frequenzbänder wie z.B. für Fernsehen, Radio, GPRS, UMTS und LTE. Zudem sind die Bänder für WLAN auch deutlich breiter. Es können also mehr Daten transportiert werden. Wie bei einer Autobahn können auf einer vierspurigen Straße deutlich mehr Autos fahren als auf einer einspurigen. Alle WLAN Netzwerke nutzen den IEEE 802.11 Standard. Die meisten WLAN Router und Access Points können auf den Standards im 2,4 GHz Bereich IEEE 802.11b und IEEE 802.11g sowie auf dem 5 GHz Standard IEEE 802.11a arbeiten. Die Übertragungsrate ist bei beiden Frequenzbereichen gleich. Der WLAN Standard IEEE 802.11n unterstützt beide Frequenzbänder. Die WLAN Standards IEEE 802.11ac und der Standard IEEE 802.11ax unterstützten nur das 5 GHz Band.

2,4 GHz Bereich

Das 2,4 GHz wird sehr viel genutzt und ist somit überfüllt. Das liegt daran, dass das 2,4 GHz Band nur drei überlappungsfreie 20 MHz Kanäle hergibt (siehe Tabelle nächste Seite). Der WLAN Standard IEEE 802.11n unterstützt sogar 40 MHz Bandbreite für 2,4 GHz WLAN. Somit ist nur ein überlappungsfreier Kanal möglich. Nutzen also zwei oder mehr Parteien in einem Haus bzw. Wohnblock 2,4 GHz WLAN mit dem aktuellen Standard IEEE 802.11n kommt es definitiv zum Stau im Datennetz. Zudem konkurrieren noch andere Technologien im 2,4 GHz Band mit dem WLAN. Hierzu zählen Bluetooth, schnurlose Telefone (DECT), Mikrowellen, etc. Bei WLAN führt die Konkurrenz auf der Datenautobahn zu deutlichen Paketverlusten, Geschwindigkeitseinbußen und kompletten Abbrüchen. Bei Funkfernsteuerungen kann es durch Funkabbrüche passieren, dass Maschinen, Kräne und Anlagen in den Not-Halt gehen. Im IEEE 802.11n-Standard wird der 2,4 GHz Teil auch IEEE 802.11bn oder IEEE 802.11gn genannt.

5 GHz Bereich

Das 5 GHz WLAN Band sieht schon ganz anders aus. Mit 23 überlappungsfreien Kanälen, im Vergleich zum 2,4 GHz Band mit drei, steht hier eine deutlich breitere Autobahn zur Verfügung. Hinzu kommt, dass deutlich weniger Geräte und Technologien das 5 GHz Band nutzen. Trotzdem, mehr und mehr WLAN Router und Access Points unterstützen mittlerweile das 5 GHz Band, wahlweise zum 2,4 GHz Band oder sogar beide Bänder gleichzeitig. Auch mehr und mehr Endgeräte wie Laptops, Smartphones und Tablets unterstützen mittlerweile 2,4 und 5 GHz WLAN gleichzeitig.

Viele Unternehmen, besonders im Bereich der Industrie, steigen auf das 5 GHz WLAN Band um, um Funkabbrüche und Beeinträchtigungen bei der Datenkommunikation zu vermeiden. Oftmals wurden die Erwartungen und das Versprechen von keiner Beeinträchtigung des Funkverkehrs nicht erfüllt. Aber auch im 5 GHz Band gibt es Störungen. Im 5 GHz Band gibt es z. B. Radar wie Wetterradar und digitale Satellitenkommunikation, die Vorrang vor dem WLAN haben.

Die erlaubte Sendeleistung für WLAN im 5 GHz Band (200 mW) ist deutlich höher als im 2,4 GHz Band (100 mW). Gerade bei Richtfunkstrecken im Outdoor Bereich ist die 5 GHz WLAN Reichweite deutlich höher als im 2,4 GHz Band. Dies bringt im 5 GHz WLAN Vorteile. Im Indoor Bereich durchdringt 2,4 GHz WLAN aufgrund der geringeren Frequenz besser Wände und Decken. Deswegen ist im Indoor Bereich die Reichweite von 2,4 GHz WLAN in den meisten Fällen besser.

 
Kanal  Trägerfrequenz  Frequenzbereich  Europa  USA  Japan 
 1 2412 MHz 2399,5 MHz–2424,5 MHz X X X
 2 2417 MHz 2404,5 MHz–2429,5 MHz  X  X  X
 3 2422 MHz 2409,5 MHz–2434,5 MHz  X  X
 4 2427 MHz 2414,5 MHz–2439,5 MHz  X  X  X
 5 2432 MHz 2419,5 MHz–2444,5 MHz  X  X
 6 2437 MHz 2424,5 MHz–2449,5 MHz  X  X
 7 2442 MHz 2429,5 MHz–2454,5 MHz  X
8 2447 MHz 2434,5 MHz–2459,5 MHz X X X
9 2452 MHz 2439,5 MHz–2464,5 MHz X X X
10 2457 MHz 2444,5 MHz–2469,5 MHz X X X
11 2462 MHz 2449,5 MHz–2474,5 MHz X X X
12 2467 MHz 2454,5 MHz–2479,5 MHz X   X
13 2472 MHz 2459,5 MHz–2484,5 MHz X   X
14 2484 MHz       × (11b)

Tab. 1: Frequenzübersicht (1)

WLAN Optimierung

Ein wichtiger Aspekt beim Einsatz von Funktechnik ist die Funknetzoptimierung. Es ist wichtig, die Komponenten so zu planen, dass sie an die vorhandenen Gegebenheiten ausgelegt und diese entsprechend montiert sind. Dies ist natürlich auch ein Stück weit Erfahrung, kann aber mit Hilfe von Hilfsmitteln entsprechend geplant werden.

Für die Auslegung des WLAN-Netzes sind also folgende Punkte zu berücksichtigen:

  • Richtige Komponentenauslegung und Planung
  • Richtige Frequenzwahl
  • Richtige Kanalwahl
  • Dämpfungsbereich prüfen
  • Entsprechende Antenne wählen

Bluetooth

Aufgrund des eingesetzten adaptiven Frequenzsprungverfahrens (AFH) bietet Bluetooth eine sehr zuverlässige und störungsresistente Funkverbindung. Dieser Vorteil von Bluetooth gegenüber anderen Funktechniken (auch WLAN) wurde frühzeitig von verschiedenen Herstellern für Automatisierungsprodukte erkannt. Daraufhin wurden auf Bluetooth basierende Industrieprodukte entwickelt, die in verschiedensten Bereichen der Industrie eingesetzt werden, um kabellos zwischen verschiedenen Komponenten in Maschinen zu kommunizieren. Mittlerweile kann Bluetooth auch Daten von Feldbussen übertragen (z. B. Profinet), so dass diese Funktechnik sehr einfach in Steuerungssysteme eingebunden werden kann.

 
 Kanal Träger-Frequenz IEEE 802.11a (USA) IEEE 802.11h (EU)  EEE 802.11j (Japan) 
36 5,180 GHz ja  ja  ja
40 5,200 GHz ja ja ja
44 5,220 GHz ja ja ja
48 5,240 GHz ja ja ja
52 5,260 GHz ja ja nein
56 5,280 GHz ja ja nein
60 5,300 GHz ja ja nein
64 5,320 GHz ja ja nein
100 5,500 GHz nein ja nein
104 5,520 GHz nein ja nein
108 5,540 GHz nein ja nein
112 5,560 GHz nein ja nein
116 5,580 GHz nein ja nein
120 5,600 GHz nein ja nein
124 5,620 GHz nein ja nein
128 5,600 GHz nein ja nein
132 5,660 GHz nein ja nein
136 5,680 GHz nein ja nein
140 5,700 GHz nein ja nein
147 5,735 GHz ja nein nein
151 5,755 GHz ja nein nein
155 5,775 GHz ja nein nein
167 5,835 GHz ja nein nein

Tab. 2: Frequenzübersicht (2)

 

Eigenschaften von Bluetooth

  • Sendet im ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical Band Frequenzbereich zwischen 2,402–2,480 GHz)
  • Weltweit verfügbar
  • Störungen können aber zum Beispiel durch WLAN, DECT-Telefone oder Mikrowellenherde verursacht werden, die im selben Frequenzband arbeitenStörungen können aber zum Beispiel durch WLAN, DECT-Telefone oder Mikrowellenherde verursacht werden, die im selben Frequenzband arbeitenFrequenzsprungverfahren, um Robustheit gegenüber Störungen zu erreichen
  • Reichweite bis über 100 m möglich
  • Datenübertragungsraten je nach Version bis zu 2,1 Mbit/sec. möglich
  • Abhör- und Eindringsicherheit nur bei PINs mit mehr als 8 Zeichen gegeben. Hier gilt Bluetooth als sicher.
  • Obwohl Bluetooth im gleichen Frequenzband wie WLAN sendet, besitzt Bluetooth andere Schnittstellenspezifikationen (für Datenaustausch gilt ein anderes Protokoll)
  • Da die Sendeleistung relativ gering ist, können auch batteriebetriebene Sensoren-Aktoren mit Da die Sendeleistung relativ gering ist, können auch batteriebetriebene Sensoren-Aktoren mit Bluetooth ausgestattet werden. Beispielsweise können batteriebetriebene Umgebungssensoren an Standorten installiert werden, die mit Netzwerk- oder Feldbuskabeln nur schwer zu erreichen sind.

Fazit

Durch jahrelange Erfahrung im Bereich industrieller Datenübertragung und entsprechend vielen Installationen im Bereich Galvanikanlagen können wir uns nur positiv für den Einsatz von Funktechnik aussprechen. Durch den Einsatz fällt die Installation von Anlagen viel einfacher aus und kann entsprechend vorbereitet werden. Die Installationszeiten werden dadurch erheblich reduziert. Weiter hat sich in mehreren Jahren Betrieb herausgestellt, dass es kaum Ausfälle im Bereich der Funktechnik gibt und diese Technik sich als sehr stabil erweist.

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