Latenzzeiten in sicherheitsgerichteten Anwendungen

Funkverbindung statt Kabel?

In vielen Bereichen der Industrie ersetzen Funkverbindungen die kabelgebundene Kommunikation, z.B. bei Schaltgeräten und Bedienelementen. In einem gemeinsamen Transferprojekt haben sich das Institut für industrielle Informationstechnik inIT und der Schaltgerätehersteller Steute mit den Einsatzmöglichkeiten industrieller Funknetzwerke beschäftigt. Dabei untersuchten sie, ob Latenzzeiten den Einsatz der Netzwerke in sicherheitsgerichteten Anwendungen erlauben.

Autor: Andreas Schenk, steute Technologies GmbH & Co. KG.


Das Steute-Portfolio beinhaltet Funkschaltgeräte, -sensoren und -bediensysteme.
Bild: Steute Schaltgeräte GmbH & Co. KG

Der Geschäftsbereich Wireless des Unternehmens Steute bietet ein breites Programm an Funkschaltgeräten. Der Anwender kann u.a. zwischen Funksystemen mit und ohne Empfangsbestätigung auswählen sowie zwischen energieautarken und batteriegestützten Systemen. Auch dezidierte Funksysteme für explosionsgefährdete Bereiche, für sicherheitsgerichtete Industrieanwendungen und für den Einsatz in der Medizintechnik stehen zur Verfügung.

Funken im Netzwerk Alle diese Systeme arbeiteten bis vor Kurzem, wie eine elektrische Leitung, nach dem Punkt-zu-Punkt-Prinzip: Das Schaltgerät kommuniziert mit einer Empfangseinheit im Schaltschrank. Das ist praxisgerecht, so lange in jeder Anwendung nur eine überschaubare Anzahl von Funkschaltgeräten installiert ist. Inzwischen aber gibt es Einsatzfälle mit größeren Mengen an Funkschaltgeräten, die zudem in die IT-Infrastruktur des Anwenders integriert sind. Für diese Fälle hat der Hersteller ein Funknetz entwickelt, das sich z.B. bei Wireless-Kanban-Systemen zur Teileversorgung an Montagearbeitsplätzen einsetzen lässt. Funkpositionsschalter und/oder -sensoren detektieren das Vorhandensein bzw. die Entnahme von Kanban-Behältern. Über Funkbedienelemente kann der Anwender Nachschub anfordern. Die Signale werden über Router gesammelt und an die zentrale Kanban-Steuerung gesandt. Nachdem das Unternehmen mehrere solcher Netzwerke mit individueller Schnittstelle bzw. Middleware zur IT-Integration implementiert hatte, entwickelte es mit sWave.NET ein vielseitiges Funknetzwerk, das sich an die individuellen Anforderungen des konkreten Einsatzfalles skalieren bzw. anpassen lässt. Von der Feldebene bis zur Datenbank

Speziell entwickelte Access Points empfangen die Signale der Funkschaltgeräte, bündeln sie und senden sie z.B. per Ethernet oder WiFi an einen oder mehrere Applikationsserver, auf denen eine Datenbank läuft. Sie sammelt die Informationen aus der Feldebene und gibt sie entweder direkt oder über eine Middleware an die kundenseitige IT-Plattform weiter, bei Bedarf auch per Webservices an standortübergreifende IT-Systeme oder in die Cloud. Damit ist eine durchgängige Kommunikation von den einzelnen Funkschaltgeräten in den Lager-, Kommissionier- und Produktionsanlagen bis in die oberen Ebenen der Unternehmens-IT gewährleistet.

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Neue Anwendungsmöglichkeiten für Funknetzwerke

Im Zuge der Erweiterung der unternehmenseigenen Forschung und Entwicklung führte Steute mit dem Cluster Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe (it's OWL) ein Transferprojekt durch. Die Entwickler suchten zu diesem Zeitpunkt nach weiteren Einsatzmöglichkeiten für die Funknetztechnik und hatten dabei u.a. die funktionale Sicherheit im Blick. Konkreter Wissenschaftspartner im Projekt IntSwitch war das Institut für industrielle Informationstechnik inIT in Lemgo. Hier greifen Professoren und Mitarbeiter auf die Ressourcen des Centrum Industrial IT (CIIT) am selben Standort zurück. Gemeinsamer Forschungskern ist dabei die Verknüpfung von Informations- und Automatisierungswelt.

Verbesserung des Funknetzwerks

Ingenieure des inIT und des Herstellers konfigurierten im Rahmen des Projektes verschiedene Netztopologien, die eine hohe Übertragungssicherheit sowie unterschiedliche Frequenzbereiche gewährleisten. Zudem ermittelten sie die Latenzzeit verschiedener Funknetze rechnerisch und messtechnisch. Das bot die Grundlage, um die untersuchten Netzwerke im Hinblick auf ihre Eignung für die Maschinensicherheit zu evaluieren. Dabei wurde als Backbone die von Phoenix Contact entwickelte Trusted-Wireless-Funktechnik für die Kommunikation im industriellen Umfeld verwendet. Das Ergebnis: Aktuell sind die Signallaufzeiten noch zu lang, um sich für sicherheitsrelevante Aufgaben zu eignen. Bei der Konfiguration derartiger Low-Power-Netzwerke lässt sich die Maschinensicherheit noch nicht integrieren. Dadurch ließen sich zum einen die Einsatzgrenzen aktueller Funkstandards und Netztopologien aufzeigen, zum anderen nutzte der Hersteller die Ergebnisse, um das Funknetzwerk sWave.NET zu verbessern.

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