Der Einsatz von Wireless und Topologien innerhalb eines Systems

Die Industrie macht sich bereits seit Längerem die Vorteile einer drahtlos verlaufenden Datenübertragung zunutze, da hierbei Verkabelungskosten eingespart werden können und sich der Aufwand für die Installation von Netzwerken reduziert. Somit ergibt sich auch ein weitaus höheres Maß an Anwenderfreundlichkeit. Zudem liegen die Gewinne von Wireless, so wird diese Technologie gemeinhin bezeichnet, auch in der Flexibilität und Mobilität, die sich beim Einsatz einer drahtlosen Netzwerkstruktur ergibt, sodass ein wesentlicher Effekt der Verwendung von drahtlosen Datenübertragung in der Bereitstellung von Lösungsansätzen für Bereiche, bei denen elektrische Leitungen in ihrer Anzahl begrenzt sind.

Wireless findet sich vorwiegend bei dem Vorgang einer Integration von bewegten Anlagenteilen in eine Kommunikationsinfrastruktur oder bei der Anbindung schwer erreichbarer Sensorik. Darüber hinaus lässt sich die drahtlose Datenübertragung ebenfalls bei fahrerlosen Transportsystemen finden und dient einem mobilen Bedienen sowie Beobachten.

Die Basistechnologien von Wireless

Vergleichbar mit dem Industrial Ethernet und Feldbussen gibt es auch im industriellen Umfeld mehrere Basistechnologien nebeneinander, die auf dem Konzept einer Funkübertragung basieren. Für diese Form der Datenübertragung haben sich drei verschiedene Techniken durchgesetzt, auf denen sich zudem spezifische Industrial Ethernet Protokolle wie PROFINET aufbauen lassen:

  • W-LAN:
    Diese Funkübertragung trägt das „Wireless“ bereits im Namen und glänzt mit einer hohen Affinität zu einem kabelbasierten Ethernet. Somit stellt sich durch das W-LAN eine Ergänzung zu den Netzwerken dar, die auf Industrial Ethernet basieren. Diese Art der funkgesteuerten Datenübertragung findet sich nicht nur bei mobilen Anwendungen wie den fahrerlosen Transportsystemen, sondern auch bei der Übertragung von Messdaten und Steuerungsdaten, da hier eine hohe Datenrate erzielt werden kann. Zudem spricht für den Einsatz dieser Methode auch deren hohe Reichweite.
  • Bluetooth: 
    Diese Form der Funkübertragung kommt vor allem bei solchen Situationen zum Einsatz, bei denen es zu einer Kommunikation weniger Teilnehmer kommen soll und die Übertragungsrate dabei gering gehalten sowie sich der Übertragungsweg nur auf einige Meter belaufen soll. Dies findet sich beispielsweise bei den Vorgängen des Parametrierens und Konfigurierens von Anlagen, die über ein mobiles Handheld-Terminal gesteuert werden. Bluetooth findet sich zusehends in Netzwerken mit einem Wireless-Sensor, da hier kaum ein Konfigurationsaufwand besteht. Allerdings kann hierfür auch kein Netzwerk zwischen mehreren Knoten aufgebaut werden.
  • ZigBee: 
    Diese Technologie wurde für den Einsatz in Geräten mit einer Batterie, also einer eingeschränkten Energieversorgung konzipiert. Zudem findet sich ZigBee vor allem im Bereich der Gebäudeautomatisierung, obgleich bei der industriellen Automatisierungstechnik eher der Nachteil eines geringen Datendurchsatzes gesehen werden muss. Bei dieser Art des funkgesteuerten Datentransfers können die Datenmengen in Grenzen gehalten werden, zumal durch den geringen Energiebedarf ein enormes Potenzial beim Einsparen von Kosten besteht.

Angewendet werden diese Funknetzwerke vorwiegend zur flexiblen und kostengünstigen Einbindung von mobilen Teilnehmern in ein Industrienetzwerk. So lassen sich mittels geeigneter Antennen Reichweiten von mehr als fünfzehn Kilometern realisieren.

Die wesentlichen Topologien in einem Netzwerk

Welche Netzwerkstruktur zum Einsatz kommt, hängt stets von den Anforderungen an die zu vernetzende Einrichtung ab. Unter die am häufigsten auftretenden Topologien zählen die folgenden Anordnungen der Netzwerkteilnehmer:

  • Stern-Topologie: 
    Kennzeichnend für diese Struktur ist ein zentraler Signalverteiler, der auch als Switch bezeichnet wird und einzelne Verbindungen zu allen anderen Endgeräten innerhalb des Netzes hat. Diese Topologie findet sich besonders in Bereichen, die über eine hohe Gerätedichte verfügen und dabei geringe Längenausdehnungen besitzen. Dies trifft zum Beispiel bei kleinen Fertigungszellen oder einzelnen Produktionsmaschinen zu.
  • Linien-Topologie: 
    Bei dieser Netzwerkstruktur sind alle Geräte über dasselbe Übertragungsmedium, nämlich den Bus, miteinander verbunden. Realisiert werden kann diese Anordnung durch einen Switch, der sich in der Nähe des anzuschließenden Endgeräts befinden muss. Ist in einem Endgerät bereits ein Switch integriert, so kann auch dieser für die Vorgang genutzt werden. Die Linien-Topologie hat ihren Haupteinsatzort bei Anlagen, die über eine weitläufige Struktur verfügen und demnach eine geradlinigere Anordnung brauchen. Zutreffend ist dies besonders bei Fördersystemen oder bei der Verbindung von Fertigungszellen.
  • Baum-Topologie:
    Der Baum ist eine Verbindung aus mehreren Sternen, die sich zu einem gesamten Netzwerk zusammenfügen. Gegebenenfalls geschieht dies unter Einsatz einer Mischung aus Lichtwellenleiter und Twisted-Pair-Verkabelung. Diese Topologie wird vor allem bei Anwendungen realisiert die der Gliederung komplexer Anlagen in Teilanlagen dient.
  • Ring-Topologie: 
    Bei dieser zur Redundanz fähigen Netzwerkstruktur werden stets zwei Teilnehmer über eine gemeinsame Zweipunktverbindung aneinandergekoppelt. Schließt man die Enden einer Linie dann durch diese zusätzliche Verbindung, ergibt sich die Form eines Ringes. Diese Topologie findet sich vorwiegend bei Anlagen, die erhöhte Verfügbarkeitsanforderungen erfüllen müssen, damit der Schutz vor einem Leitungsbruch oder dem Ausfallen einer Netzwerkkomponente gewährleistet sind.

Praktisch gesehen besteht eine Anlage in der Regel aus einer Mischform der vier Netzwerkstrukturen. So lassen sie sich auch über verschiedene Wege wie der Kupferverkabelung sowie dem Lichtwellenleiter realisieren und können für die systeminterne Architektur von PROFINET benutzt werden.