Erschienen am: 12.06.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 6 2018

Strahlende Kabel im Hochregallager

Reduzierte Komplexität

Drahtlose Kommunikationslösungen nehmen in der Automatisierung stetig an Bedeutung zu. Doch in geschlossenen Bereichen wie Gebäuden, Produktionshallen und Tunneln sind herkömmliche Antennen oft überfordert, weil Reflektionen, Abschattungen oder Überlappungen das Signal stark stören. Eine Alternative findet sich in strahlenden Kabeln. So z.B im Hochregallager, wo sie hohe Ansprüche erfüllen und gleichzeitig eine simple und stabile Lösung bieten, die die Komplexität reduziert.


Strahlende Kabel können helfen, in der Intralogistik für ausreichende Netzwerkstabilität zu sorgen.
Bild: Kabelwerk Eupen AG

Mit dem Wachstum des internetbasierten Einzelhandels durch immer mehr Online-Händler steigt der Bedarf an Lagerfläche steil an. Hochregallager bieten hier eine sehr effektive Lösung und sind heutzutage hochautomatisiert. Für die drahtlose Kommunikation gelten Hochregallager jedoch als besonders schwieriges Umfeld. Das liegt daran, dass einerseits ein stabiles Funkfeld gewährleistet sein muss, andererseits sich aber die Inhalte der Lager permanent ändern können und so auch die Rahmenbedingungen für die Funkausleuchtung. Die hohen und möglichst eng gestellten Regale teilen die Halle zudem in mehrere schmale Gassen auf, in denen sich Gabelstapler oder Krane bewegen.

Keine Funklöcher

Der reibungslose und schnelle Lagerumschlag ist für den Betreiber des Lagers der wichtigste Faktor. Je schneller das Fahrzeug be- und entladen kann, desto effektiver wird das Lager betrieben. Das schlägt sich direkt in den Kosten nieder. Deshalb gilt es Leerfahrten der Fahrzeuge zu reduzieren und auch die Transportwege so kurz wie möglich zu halten. Das ist nur mit einer permanenten Kommunikation zwischen Lagersteuerung und Fahrzeug zu bewerkstelligen. Dabei ist es nicht notwendig, die Kommunikation echtzeitfähig oder besonders schnell zu machen. Viel mehr zählt eine hohe Zuverlässigkeit. Das bedeutet, dass Informationspakete sofort und ohne Unterbrechungen oder gar Wiederholungen übertragen werden. Sie müssen an jedem Ort des Lagers empfangen und gesendet werden können. Es darf nicht zu Funklöchern kommen, weil an manchen Stellen nur eine schwache Ausleuchtung stattfindet. Die Anforderungen an das Funksystem sind also hoch, besonders weil sich der Lagerinhalt und damit die Funkbedingungen permanent ändern. Typischerweise wird heutzutage WLAN als Funktechnik verwendet, weil es dafür entwickelt worden ist, um ein Ethernet-Netzwerk drahtlos zu verlängern.

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Eine Beispielrechnung

Um die Anforderung eines Hochregallagers an das Funksystem zu zeigen und die Lösungsmöglichkeiten zu vergleichen, sei ein Lager definiert, das 60m lang und 40m breit ist. Die Deckenhöhe liegt bei 10m. Am oberen Ende des Lagers befinden sich Büro- oder Werkstatträume. Der tatsächliche Bereich, der von den Lagerfahrzeugen befahren wird, ist dann 30x60m groß. Auf der linken Seite des Lagers stehen kleinere Regaltypen, so dass drei Regalreihen entstehen. Auf den rechten 30m sind die Regale größer, so dass es nur einen Mittelgang gibt. Es ergeben sich so sieben vertikale und drei horizontale Gänge. Wir haben es also mit einem wahren Labyrinth zu tun. In jedem Gang wird eine gute Funkausleuchtung benötigt, die bis an dessen Enden reicht. Der Aufbau des Lagers macht es nicht leicht, mit Einzelantennen auf effektive und zuverlässige Weise die geforderte Funkabdeckung zu erreichen, selbst mit hochwertigen Omni- oder Richtantennen. Da die verwinkelten Gänge keine ungehinderte Ausbreitung des WLAN erlauben, muss fast jeder Gang mit einer eigenen Access-Point-/Antennen-Kombination versehen werden. Im Beispiel macht das mindestens fünf einzelne Geräte plus Antennen. Man merkt schnell, dass WLAN nach IEEE802.11 hier an seine Grenzen kommt. Insbesondere, wenn man eine Funkausleuchtung mit 2,4GHz plant, weil das Frequenzband weniger empfindlich gegenüber Dämpfungen ist als 5GHz und damit eigentlich eine bessere Abdeckung im Hochregallager verspricht. Im 2,4GHz-Band stehen aber nur drei sich nicht überlappende Kanäle zur Verfügung. Allein das führt zu potenziellen Kanalkonflikten bei fünf Access Points, die in der Halle funken, selbst wenn die Regale das Netz stark abschatten. Im Beispiel finden sich zehn Kreuzungspunkte, an denen sich die Sendekeulen der Antennen direkt überschneiden. WLAN nach IEEE802.11 verpflichtet die Access Points sogenannte Beacons auszusenden, die dem Client signalisieren, dass sie da sind. Der Client muss jederzeit nach diesen Beacons hören, selbst wenn er bereits eine gute Verbindung mit einem der Access Points hat. Auch ohne dass Nutzdaten übertragen werden, beschäftigen sich die WLAN-Geräte also permanent damit, ihre Kommunikation aufrecht zu erhalten und erzeugen eine Grundlast im Funknetz, die steigt, je komplexer die Situation wird. Jeder der Kreuzungspunkte ist demnach für den Client Anlass, nach einem evtl. besser sichtbaren Access Point zu suchen. Er beschäftigt sich im Extremfall mehr mit dem Aussortieren und Neu-Verbinden als mit der Datenübertragung. Im schlimmsten Fall kann der Datenstrom komplett abreißen, obwohl der Pegel der empfangenen Funknetze voll ausschlägt. Die Hersteller von WLAN-Geräten haben darauf reagiert und zentrale Controller-Einheiten entwickelt, die durch Regelmechanismen die Kanalkonflikte entschärfen und den Wechsel des Clients von einer Zelle in die nächste verbessern sollen. Die Grundkonstruktion des IEEE802.11-Protokolls können aber auch diese Geräte nicht ändern. Sobald sich mehrere Clients in dem Lager befinden, steigt die Komplexität der Regelung stark an.

Wie funktioniert ein strahlendes Kabel?

Bei strahlenden Kabeln handelt es sich um eine Art lange Antenne. Das Funkfeld wird entlang der Länge des Kabels abgestrahlt. Die Schlitze sitzen auf einer Seite des Kabels. Damit ergibt sich ein Öffnungswinkel von etwa 90°, in dessen Bereich man die gleiche Feldstärke empfangen kann. So kann ein Kabel in 10m Höhe einen Gang von fast 20m Breite ausleuchten. Da strahlende Kabel - wie jede Leitung - eine Längsdämpfung haben, ist die ausgeleuchtete Fläche am Anfang des Kabels am größten und nimmt mit der Länge der Leitung ab. Soll der Gang also bis zum Ende hin in seiner Breite ausgeleuchtet sein, muss die Kabellänge so berechnet werden, dass an dessen Ende noch genügend Leistung abgestrahlt wird. Folgende Beispielrechnung zeigt, wie die Kabellänge ermittelt wird: Der WLAN-Access-Point gibt eine Leistung von 20dBm an seiner Antennenbuchse ab. Der WLAN-Client, der sich in dem Gang des Hochregallagers bewegt, muss noch mindestens ein Funkfeld mit der Leistung von -80dBm empfangen, damit es zu einer Datenübertragung kommt. Zusammengenommen hat man also ein Budget von 100dBm zwischen Sender und Empfänger - wären da nicht die Dämpfungen, die das Signal auf dem Weg nach und nach erfährt. Bereits das Kabel und der Stecker vom Access Point zum strahlenden Kabel nimmt dem Signal 2dB. Die Längsdämpfung des Kabels ist bauartbedingt bekannt, ebenso wie die Koppeldämpfung, die die Dämpfung des Signals durch die Luft über 2m Abstand angibt. Da hier über 10m Abstand gesendet werden soll, muss die Koppeldämpfung entsprechend angepasst werden. Dabei wird - im Gegensatz zu Antennen, die kugelförmig von einem Punkt aus abstrahlen - eine zylindrische Ausbreitungscharakteristik angesetzt. Demnach steigt die Dämpfung eines strahlenden Kabels über die Luftstrecke weniger stark an als bei Antennen. Im Beispiel entsteht eine Koppeldämpfung von 60dB nach 10m. Zusätzlich kann es sein, dass das Signal nicht nur durch die Luft wandert sondern auch noch durch ein Fenster muss. Wir setzen hier nochmal 2dB Dämpfung an. Und auch zwischen der Empfangsantenne des Clients (die mit 0dB angenommen wird, wie es für kleine Stabantennen typisch ist) und dessen Funkmodul gibt es noch Stecker und Kabel, die weitere 2dB abknabbern. Und um in der Praxis doch noch Marge für eventuelle weitere Störungen zu haben, werden weitere 10dB abgezogen. So bleiben von den ursprünglichen 20dBm nur noch -56dBm übrig, wobei an dieser Stelle die Längsdämpfung noch nicht einberechnet ist. Das Budget bis -80dBm Empfangsempfindlichkeit des Clients ist von 100dB auf 24dB geschrumpft. Das Kabel hat also eine gegebene Dämpfung von 16db/100m, aus der sich eine nutzbare Länge von 150m ergibt.

Empfehlungen der Redaktion

Verlegung des Kabels im Hochregallager

Bei der Installation geht es vorrangig darum, die 150m Kabel im Hochregallager so zu verlegen, dass einerseits die Gänge gut ausgeleuchtet werden und andererseits möglichst viele Gänge abgedeckt werden. Da die Breite des Gangs, die unter dem Kabel ausgeleuchtet wird, rund 20m betragen kann, werden die Seitengänge rechts und links mit abgedeckt. Zudem befindet sich das Kabel jeweils über den Fahrwegen der Gabelstapler oder Krane. Deren WLAN-Empfänger haben eine direkte Sichtverbindung zum sendenden Kabel. Das erhöht die Übertragungsstabilität deutlich, da die Signale direkt zwischen Sender und Empfänger laufen und nicht auf Reflektionen angewiesen sind. Im Ergebnis zeigt sich, dass die gesamte Halle mit einem einzigen Access Point und dem strahlenden Kabel homogen ausgeleuchtet wird. Die WLAN-Clients sind befreit von der zusätzlichen Last, auf mehrere Access Points hören und reagieren zu müssen. Es findet kein Wechsel zu anderen Access Points und damit keine Unterbrechung der Datenkommunikation statt.

Fazit

Hochregallager stellen seit jeher eine besondere Herausforderung für Funksysteme dar. Sie erfahren eine immer größere Verbreitung. Die Effektivität der Lager wächst mit der Automatisierung, die mit Hilfe von WLAN-Kommunikation gelöst wird. Jedoch ist die gängige Methode 'viel hilft viel' hier keine Lösung. Strahlende Kabel reduzieren die Komplexität und helfen dabei, die gesamte Anlage effizient auszuleuchten. Mögliche Fehlerursachen wie Kanalkonflikte oder häufiges Roaming werden reduziert.

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