Die Fabrikautomatisierung verlagert sich in Richtung einer flexiblen und vernetzten Smart Factory. In einer solchen Umgebung nimmt die Notwendigkeit von Mobilität zu, zum Beispiel über fahrerlose Transportsysteme (FTS). Dazu gehört auch eine engmaschige Kommunikation, die diese Systeme miteinander verbindet. Dafür muss die Wertschöpfungskette nahtlos in das Kommunikationsnetz der Fabrik integriert werden. Aktuell verfügbare drahtlose Kommunikationssysteme sind jedoch oft nicht dafür ausgelegt, die hohen technischen Anforderungen in der Smart Factory zu erfüllen.
WLAN allein genügt nicht
FTS des Antriebsspezialisten SEW-Eurodrive sind heute hauptsächlich per WLAN vernetzt. Aber WLAN wird nicht in der Lage sein, künftige Anwendungsfälle, beispielsweise mobile Roboter, drahtlose Sensornetzwerke und mobile Bedienpanels mit Sicherheitsfunktionen in einer flexiblen Produktionsumgebung zu ermöglichen.
Matrix-Produktion ist ein mögliches Konzept für die Fabrik der Zukunft. Sie teilt die automatisierte Produktion von Waren in die für die Herstellung erforderlichen Schritte auf und weist diese Produktionszellen (PZ) zu. Werkstücke werden einer PZ zugeführt, wo sie einem bestimmten Prozess (Umbau, Zusammenbau, Prüfung) unterzogen werden. Anschließend verlässt das modifizierte Werkstück die Zelle. Verändert man den Weg des Werkstücks durch die Fabrik, lässt sich ein anderes Produkt herstellen. Für die Warenbewegung zwischen den Produktionszellen sorgen mobile Assistenten und intelligente Logistiksysteme.
Als weiterentwickelte Versionen des klassischen FTS sind sie in der Lage, die hohen Anforderungen des Matrix-Produktions-Konzeptes zu erfüllen. Dabei übernehmen sie verschiedene Aufgaben wie den Transport, die Bearbeitung von Waren oder die direkte Unterstützung des Menschen.
Szenarien für Mobile Assistenten
In einer beispielhaften Matrix-Produktion müssen bis zu 1000 mobile Teilnehmer und 100 Produktionszellen auf einer Fläche von 10.000 m² an die drahtlose Kommunikation angebunden werden. Ein drahtloses Sensornetzwerk etwa überträgt wenige Informationen, benötigt aber eine Kommunikationsmethode mit sehr geringem Energiebedarf. Bedienpanels erzeugen unvorhersehbare Datenraten, da E-Mails, Videos oder Dokumente übertragen werden können. Das genutzte Kommunikationsmedium muss mit diesen unterschiedlichen Beanspruchungen effizient umgehen.
Auch die Kommunikation der mobilen Assistenten kann sehr heterogen sein. Als Beispiel soll hier die Fernsteuerung durch einen Operator dienen. Von dem mobilen Assistenten zum Operator müssen Sensordaten übertragen werden, die einen hohen Durchsatz benötigen, wie etwa ein Live-Video. In entgegengesetzter Richtung überträgt der Operator Bewegungsbefehle an den mobilen Assistenten, wobei es nicht zu Paketverlusten kommen darf. Für Up- und Down-Link wird eine geringe Latenz benötigt, damit der Operator den mobilen Assistenten steuern kann.
Grenzen heutiger Technologien
Die Herausforderungen, die ein Anwendungsfall an das Kommunikationssystem stellt, hängen von der Gesamtheit seiner Eigenschaften ab. Somit stellt das drahtlose Sensornetzwerk keine Herausforderung aufgrund der Datenrate dar, sondern vielmehr aufgrund der Anzahl der Geräte, wobei nur für eine Teilmenge der Knoten niedrige Latenzzeiten und genaue Taktzeiten erforderlich sind. Mobile Bedienpanels bergen eine andere Herausforderung: Innerhalb eines Gerätes kann es sowohl datenintensive als auch latenz- und zuverlässigkeitskritische Anwendungen geben. Hier vermittelt ein Gleichzeitigkeitsfaktor einen guten Eindruck von der durchschnittlichen Datenrate, aber es werden auch höhere Spitzenwerte auftreten.
Dasselbe gilt für den Gleichzeitigkeitsfaktor in Anwendungsfällen mit mobilen Assistenten. Oft ist semi-persistentes Scheduling erforderlich, um geringe Latenzen für manche Anforderungen zu sichern. Bei Nicht-Nutzung führt dies jedoch zu nicht oder ineffizient genutzten Ressourcen.
Mobilfunk in der Smart Factory der Zukunft
5G zieht schon jetzt viel Aufmerksamkeit auf sich: Die ersten Implementierungen in Fabrikhallen laufen an. Derzeit ist es möglich, erste Eindrücke anhand privater LTE oder 5G Non-standalone-Lösungen zu gewinnen. Die 802.11-Familie ist eine ausgereifte Technologie, die nicht für den Einsatz in der Fabrikautomation vorgesehen ist, aber dennoch die Anforderungen einiger Anwendungsfälle erfüllt. Andere Kommunikationsmethoden nähern sich der Marktreife (Licht- oder Radar-Kommunikation) – ihre Integration wird durch den Einsatz flexibler Routing-Technologien ermöglicht. Die generelle Frage nach Wahl der richtigen Technologie für jeden Anwendungsfall muss immer individuell beantwortet werden. Unter Berücksichtigung aktueller Feldversuche kann die fünfte Mobilfunkgeneration nur knapp die Anforderungen unserer Beispiel-Fabrik mit 10.000 m² erfüllen. Geht man jedoch beispielsweise von Spitzenlasten im Netzwerk aus, reichen die Ressourcen nicht mehr aus. Zukünftige Feldversuche und die Leistung von Release 16 und 17 des 5G-Standards sind hierbei von großem Interesse.
Erfahren Sie mehr über die Schaufensterfabrik von SEW-Eurodrive: www.sew-eurodrive.de/schaufensterfabrik
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E-Mail: sew-webmaster@sew-eurodrive.de
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Aktuell verfügbare Kommunikationstechnologien
- IEEE 802-Standards: IEEE 802.11 (WLAN) ist die am meisten verwendete drahtlose Kommunikationstechnologie für mobile Roboter im industriellen Umfeld. In Spezialfällen können auch Standards wie Bluetooth und Zig-Bee effektiv eingesetzt werden.
- Induktive Kommunikation: NFC und RFID ermöglichen Datenaustausch über kurze Distanzen. Durch die kurze Reichweite kommt es kaum zu Interferenzen mit anderen Kommunikationsstandards. Proprietäre Lösungen können auch genügend Energie liefern, um akkubetriebene mobile Systeme aufzuladen.
- Visible Light Communication: VLC ist ein drahtloses Peer-to-Peer-Kommunikationssystem, das für die Datenübertragung das (nahezu) sichtbare Licht nutzt. Ihre hohe Zuverlässigkeit und geringe Störungsanfälligkeit macht die Technologie für den Anwendungsfall des kooperativen Fahrens interessant.
- Radarkommunikation: Radarsensoren sind kostengünstig und daher für Anwendungen im Bereich der Fabrikautomation geeignet. Ihre Hauptfunktionen sind Objekterkennung und Entfernungsmessung, aber es ist auch möglich, Daten auf das gesendete Signal zu modulieren. Die Technologie befindet sich noch in der Experimentierphase, aber das breite Frequenzband lässt erwarten, dass hohe Datenraten erreichbar sein werden.
