Industrielle Kommunikation

M2M-Kommunikation für industrielle Anwendungen entwickeln

M2M-Kommunikation für industrielle Anwendungen

Weshalb benötigen industrielle Anwendungen unterschiedliche Kommunikationsprotokolle?

Sicher ist Industrie 4.0 momentan das Thema, aber Maschinen kommunizieren untereinander schon seit Jahrzehnten. Maschine zu Maschine (M2M)-Kommunikation in der Prozesssteuerung, Automobilproduktion, Robotik oder Lebensmittelindustrie bietet enorme Steigerungsmöglichkeiten bei Effizienz und Zuverlässigkeit.

Mit dem Verständnis für die Funktionsweise der jeweiligen Maschine und durch Zulassen von Kommunikation der Maschinen untereinander eröffnen sich erhebliche Effizienzsteigerungen und erweiterte Systemintegration ermöglicht eine End-to-End Prozesslösung.

Höhere Geschwindigkeit – Wie schnell Sie auch glauben sprechen zu können, Maschinen können es schneller. Wenn man weiß, wie das Netzwerk der Maschinen im jeweiligen Prozess funktioniert, zusammen mit Belastbarkeit und Durchsatz, werden schnellere Produktionsraten möglich. Durch die Unterstützung deterministischer Echtzeitnetzwerke und Systemanalysen arbeitet das komplette System zur Optimierung der Produktion. 

Qualität und Kontrolle – Durch ein Netzwerk an Sensoren innerhalb des kompletten Prozesses kann jedes Element der Produktion sehr genau überwacht werden. Da Sensoren immer genauer messen und maschinelles Sehen immer schärfer wird, können Öfen konstanter mit der richtigen Temperatur betrieben werden, Roboterarme präziser arbeiten und Defekte effizienter lokalisiert und beseitigt werden.

Präventive Wartung – So wie Ihnen Ihr Auto heutzutage mitteilt, wenn die nächste Wartung fällig ist, trifft das auch für Maschinen zu. Ob durch Meldung der Betriebsstunden oder Alarm bei bevorstehendem Ausfall von Maschinenteilen, industrielle Kommunikation reduziert die Ausfallzeiten durch planbare Wartungen, die eine Notfallreparatur verhindern.

Die Integration solcher Kommunikationsebenen bedeutete komplexe, solide und teure externe Lösungen. Die Weiterentwicklung von Automatisierungssystemen sowie große Erwartungen an die Kommunikation zwischen den Maschinen erfordern eine immer höhere Integration der Elektronik. Die Echtzeit-Kommunikation von SPS-Steuerungen zu Förderbändern und industriellen Peripheriegeräten wird immer intelligenter. Gleichzeitig werden die entsprechenden Lösungen kleiner, flexibler und zuverlässiger.

Aufgrund der unterschiedlichen, zum Teil auch rauen Bedingungen im Umfeld von industriellen Anwendungen, müssen eine Reihe von Erwägungen für mögliche Lösungen berücksichtigt werden. Und besonders für die drahtlose Kommunikation spielt dies eine entscheidende Rolle.

Vor Ort Installation – Um Ausfallzeiten zu reduzieren und Wartungs- und Reparaturarbeiten ausführen zu können, müssen alle mit dem Netzwerk verbundenen intelligenten Anlagenkomponenten austauschbar sein. Das bedeutet, sie können während des laufenden Betriebs hinzugefügt oder entfernt werden. Und ebenso benötigt jede Kommunikation ein gewisses Handshaking und eine Priorisierung der Informationen.

Hohe Zuverlässigkeit – Für kritische oder Sicherheits-Systeme ist es wichtig, dass die Kommunikation zuverlässig, zeitgerecht und frei von Unterbrechungen oder nicht zugestellter Informationen ist. Jeder Übermittlungsfehler, der während der Kommunikation auftritt, muss zu einem eigensichernden Zustand führen.

Robust – Industrielle Anwendungen werden oft in rauen Umgebungen eingesetzt, wo sie z. B. Staub, Flüssigkeiten, hohen Temperaturen, hohem Druck oder auch Hochspannung ausgesetzt sein können. Daher müssen Schutzarten wie IP69 berücksichtigt werden. Um vor den Gefahren durch hohe Spannungen, Störsignale und Engpässe zu schützen, müssen die Verbindungen zur isolierten Kommunikation fähig sein, 5kVrms und mehr sind hierbei nicht ungewöhnlich.

EMI Abschirmung – Elektromagnetische Interferenzen (EMI) können durch induktive und kapazitive Kopplungen, wie beim Betrieb von Motoren, Öfen usw., oder durch Schaltvorgänge in Netzen entstehen. Durch derartige Störungen kann es zu Signalunterbrechungen oder gar ungewollten Meldungen kommen. Funksignale sind im besonderen Maße anfällig für EMI, weshalb kabelgebundene Kommunikation bevorzugt wird.

Was ist das HART Kommunikationsprotokoll?

Das HART (Highway Addressable Remote Transducer) Protokoll entstand 1986 als offenes Protokoll. 30 Jahre später, mit Etablierung des industriellen Internet der Dinge (IoT) oder Industrie 4.0, ist es heutzutage nach wie vor relevant.

Mit dem Frequency Shift Keying (FSK) Standard fügt das HART Protokoll ein weiteres Low-Level-Digitalsignal dem 4-20mA-Signal hinzu. HART transportiert bi-direktional digitale Informationen über bestehende Verkabelungen von Sensoren und anderen Feldgeräten zu übergeordneten Host-Systemen. Um entscheidende Informationen (Messwerte) noch sicherer zur Verfügung zu stellen, werden diese über das analoge 4-20mA Signal übertragen. Weniger kritische Informationen wie Diagnosen oder Sekundärwerte überträgt das digitale Signal, was zu einer leicht konfigurierbaren, stabilen Kommunikation führt.

Was ist das EtherCAT Automation Protokoll?

EtherCAT baut auf dem bekannten Ethernet-Standard auf, fügt aber Echtzeit-Kommunikation und größere Struktur-Flexibilität hinzu. EtherCAT ist ein extrem schnelles System, synchronisiert innerhalb von Nanosekunden und bietet, verglichen mit anderen Protokollen, eine herausragende Leistung. Die Geschwindigkeit und Genauigkeit von EtherCAT verhindert unnötige Wartezeiten und trägt somit entscheidend zur Effizienz des gesamten Systems bei.

Anders als beim Ethernet werden bei EtherCAT keine Hubs und Switches benötigt. Die geeigneten Geräte können beliebig hinzugefügt oder entfernt werden, was eine totale Flexibilität ermöglicht, unabhängig von der Netztopologie- und Struktur.
Für sicherheitsrelevante Daten setzt EtherCAT auf  das Safety-over-EtherCAT (FSoE) Protokoll, das TÜV-zertifiziert ist und für Anwendungen bis SIL3 eingesetzt werden kann.

EtherCAT bietet eine zuverlässige Echtzeitkommunikation zu einem erschwinglichen Preis und benötigt darüber hinaus für einfache Geräte keinen zusätzlichen Microcontroller.

Was sind Profinet und Profibus?

Wie EtherCAT ist Profinet ein modifizierter Ethernet-Standard für industrielle Anwendungen, evtl. aber näher an Ihrem Heim- oder Büro-Ethernet. Durch die Ähnlichkeit kann es auch mit Hubs, Schaltern und cross over via WLAN oder Bluetooth zu drahtlosen Netzwerken oder Mobilgeräten betrieben werden. Obwohl es also restriktiver mit traditioneller Netzwerktopologie eingerichtet werden muss, sorgt die Schnittstellen-Flexibilität zu anderen Standard-Geräten für den Erfolg von Profinet als ein Kommunikationsnetzwerk für industrielle Anwendungen mit mehr als 9,8 Millionen PROFINET-verbundenen Geräten, die bis Ende 2014 in Gebrauch waren.

Der mit Abstand produktivste industrielle Kommunikationsstandard ist Profibus, ein applikationsunabhängiges Feldbus-Protokoll mit mehr als 50 Millionen installierten Geräten zum Ende des Jahres 2014. Beim Profibus wird die Übertragung traditionell über RS-485 Twisted Pair Kabel realisiert und lässt sich leicht implementieren. Es arbeitet auch über große Entfernungen und in störfeldbehafteten Umgebungen, also ideal für industrielle Anwendungen.

Was ist das CAN-Protokoll?

Der Controller Area Network (CAN) Bus wird traditionell für die Kommunikation in Fahrzeugen eingesetzt, ohne dass eine Zentral-Steuerung wie z. B. bei elektrischen Fensterhebern benötigt wird. Es ist zwar kein Echtzeit-Protokoll, aber eine kostengünstige Lösung für den Austausch von Steuergeräten untereinander. Gerade wegen des einfachen Aufbaus, der großen Verbreitung und Zuverlässigkeit (gemäß den hohen Anforderungen in der Automobilindustrie) hat der CAN-Bus auch in industriellen Anwendungen Einzug erhalten.

Die Notwendigkeit zur Isolation

Industrielle Umgebungen sind von Haus aus sehr anfällig für elektrische Störfelder. Die empfindliche Elektronik, die sich oft in der Nähe von Motoren und Hochspannungsleitungen befindet, muss dabei vor Spannungsspitzen geschützt werden. Nur mit einer ausreichenden Isolierung, ob optisch oder digital, stellen Transienten im kV-Bereich für elektronische Komponenten keine Gefahr dar. 

Optische und digitale Isolatoren in den ICs verhindern einerseits, dass Spannungsspitzen von der Elektronik ferngehalten werden, leiten andererseits gleichzeitig aber Signale weiter. Digitale Isolatoren sind eine weitere zuverlässige Alternative zu den traditionellen Optokopplern und können in Bereichen bis zu 10kV eingesetzt werden.