Industrial Networking Drei einfache Beispiele für IoT-Funklösungen

Autor / Redakteur: Fabian Wolf * / Gerd Kucera

Für einfache bis mittelkomplexe Automatisierungsanwendungen lassen sich z.B. mit dem Standard ZigBee, unkomplizierte Funklösungen schaffen. Ein erster Schritt in die drahtlose IoT-Konnektivität.

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Bild 1: Mit digitaler IoT-Vernetzung lassen sich Prozesse und Workflows optimieren. In einem Logistikzentrum etwa können funkbasierte Lösungen für Überwachung und Steuerung von Förderbändern eingesetzt werden.
Bild 1: Mit digitaler IoT-Vernetzung lassen sich Prozesse und Workflows optimieren. In einem Logistikzentrum etwa können funkbasierte Lösungen für Überwachung und Steuerung von Förderbändern eingesetzt werden.
(Bild: Schneider Eloectric)

In Gewerbe und Industrie zum Beispiel ergeben sich auf Basis engmaschiger Datenerhebung und intelligenter Software-Anwendungen durch die Digitalisierung große Vorteile in der Optimierung von Herstellungsprozessen und deren Arbeitsabläufe. Etwa lassen sich mithilfe von Software Tools für Condition Monitoring und vorausschauende Wartung die Verfügbarkeit, Sicherheit und Produktivität einer Anlage datenbasiert erhöhen. Außerdem ist es möglich, Betriebskosten und Ressourcen-Verbrauch besser zu kontrollieren sowie Investitionsentscheidungen langfristig abzusichern. All das trägt zu einer Stärkung von Wettbewerbsfähigkeit und Unternehmensresilienz bei. Außerdem ermöglicht es neben der Etablierung veränderter, mitunter disruptiver Geschäftsmodelle auch ein nachhaltiges Wirtschaften.

Doch bei allen Vorteilen in puncto Digitalisierung: Die nachträgliche IoT-Vernetzung von Gewerbeimmobilien oder Industrieanlagen kann mit viel Aufwand und hohen Investitionskosten verbunden sein. Laut einer aktuellen Umfrage der DIHK (wie digital ist die deutsche Wirtschaft?) zählt für deutsche Unternehmen die „Komplexität bei der Umstellung vorhandener Systeme und Prozesse“ zu den größten Herausforderungen, die es im Rahmen eines Digitalisierungsprojekts zu bewältigen gilt. „Hohe Kosten“ und „fehlende zeitliche Ressourcen“ landen auf den Plätzen zwei und drei.

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Um vor diesem Hintergrund gerade für einfachere bis mittelkomplexe Maschinenanwendungen kostenschonende, praktikable und unkomplizierte Lösungen zu schaffen, stehen heute fortschrittliche Technologien für eine drahtlose Digitalisierung per Funk zur Verfügung. Sie ermöglichen ohne aufwendigen Maschinenumbau, Hartverdrahtung oder BUS-Technologie eine agile und digitale Motorsteuerung sowie die Schaffung einer umfassenden Datentransparenz. Je nach Anforderungen ist auch eine Einbindung der funkbasierten Elemente und deren Daten in ein übergeordnetes Management-System möglich.

Kabellos automatisieren mit der ZigBee-Funklösung

Weder im Schaltschrank noch an den Maschinen müssen Kabel verlegt oder gewartet werden. Der Tech-Konzern Schneider Electric setzt bei seinem auf Ganzheitlichkeit abzielenden Angebot für die funkbasierte Digitalisierung auf das energiesparende ZigBee-Protokoll. Hier werden die Funksignale in lizenzfreien ISM-Bändern mit 2,4 GHz übertragen und können – unter Idealbedingungen – eine Reichweite von bis zu 100 m erreichen. Da es zudem möglich ist, ZigBee-Geräte im Sinne einer Peer-to-Peer-Topologie (Mesh) zu verbinden, sind Zuverlässigkeit und Reichweite des Netzwerks erheblich verbessert.

Für die Realisierung eines ZigBee-Netzwerks in industriellen oder gewerblichen Anwendungen braucht es grundsätzlich zwei verschiedene Gerätearten: Sensoren und Bedienelemente auf der einen Seite sowie steuernde und datensammelnde Elemente auf der anderen Seite. Hierzu entwickelte Schneider Electric eine Reihe an kabellosen Drucktastern, Schaltern sowie Energie-, Strom-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren. Auch Positionsschalter, zum Beispiel für die Stückzählung an Förderbändern, sind vorhanden. Die batterielosen Sensoren und Schalter lassen sich überall leicht montieren (im Fall der Temperatursensoren sogar magnetisch) und können auch für mobile Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel zum Öffnen eines Tors vom Gabelstapler aus oder zum An- und Abschalten einer Beleuchtung.

Die Daten der Sensoren, Taster oder Schalter gehen dann je nach Bedarf entweder an einen einfachen Funkempfänger mit reiner Steuerungsfunktion oder an einen Hub, der Steuerung und Überwachung vereint. Während der einfache Funkempfänger lediglich über rein schaltende Ausgänge verfügt, wartet der Hub mit erweiterter Funktionalität auf. Das entsprechende Gerät empfängt Daten von bis zu 60 Sensoren und ist in der Lage, konkrete Messwerte über eine standardisierte Schnittstelle (Modbus RTU oder TCP) für Bedienpanels, Steuerungen, Gateways sowie SCADA- und Cloud-Dienste bereitzustellen. Beide Empfangsgeräte (auch in Kombination) lassen sich ohne großen Aufwand im Schaltschrank oder Sicherungskasten installieren.

Drei Applikationsbeispiele für Funk

Anhand von drei konkreten Applikationsbeispielen wird nachfolgend der praktische Nutzen einer Funklösung veranschaulicht. Bei den vorliegenden Anwendungsfällen geht es um mobile Tür-Öffnung, den optimierten Betrieb von Förderbändern sowie die Energieüberwachung.

Mobile Türöffnung vom Gabelstapler aus

In vielen Werk- oder Lagerhallen ist technisches Personal mit dem Gabelstapler unterwegs und müssen vor allem auf dem Weg nach draußen häufig halbautomatische Tore und Türen passieren. Oft ist es dazu notwendig, die Tore aus Sicherheits- oder Witterungsgründen nach dem Durchfahren sofort wieder zu schließen. Muss der Techniker sein Fahrzeug dafür jedes Mal verlassen und zum Schalter laufen, ist das nicht nur unpraktisch, sondern auch äußerst zeitaufwändig. Hier kann eine digitale Funklösung unkompliziert helfen. Im konkreten Anwendungsfall wird einfach ein kabelloser und batterieloser Funktaster im Fahrerhaus des Gabelstaplers platziert, der bei Betätigung ein Signal an den im Schaltschrank oder Sicherungskasten verbauten Funkempfänger sendet. Dieser Funkempfänger wiederum ist über seinen Relais-Ausgang mit dem Motor des Rolltors verbunden und so eingestellt, dass er bei Erhalt des Drucktaster-Signals das Tor öffnet oder schließt.

Alternativ kann statt des Drucktasters auch ein leicht erreichbarer Funkseilzug zum Einsatz kommen. Dieser wird ohne Verkabelung in Tornähe angebracht und lässt sich mühelos aus dem Fahrerhaus des Gabelstaplers erreichen. In beiden Fällen (Drucktaster oder Seilzug) muss der Fahrer zum Öffnen und Schließen sein Fahrzeug nicht mehr verlassen und kann das Tor mobil und flexibel bedienen. Außerdem lässt sich die kabellose Lösung unkompliziert montieren; Induktionsschleifen am Boden werden vermieden.

Förderbänder mobil starten und stoppen

Ein konkreter Anwendungsfall für eine digitale Funklösung im Bereich Förderbänder sind zum Beispiel Fördersysteme für den Transport von Paketen. Immer dann, wenn jemand das Band oder die Rollenbahn überquert, wenn Pakete eingelegt oder wieder aufgerichtet werden müssen, aber auch wenn unvorhergesehene Engpässe, Staus oder Probleme bei der Mensch-Maschine-Interaktion entstehen, muss das Band gestoppt und wieder neu angefahren werden. Und gerade bei sehr langen Förderstrecken ist der Weg zum Bedienterminal mitunter weit. Gerade deshalb zahlt sich eine digitale Funklösung für die Regelung von nicht-sicherheitsrelevanten Start- und Stopp-Vorgängen aus. Ein kabelloser Drucktaster lässt sich mobil durch die Werkhalle tragen und erlaubt die flexible Steuerung des Fördersystems von jedem Ort aus. Der dazugehörige Funkempfänger wird einfach im Sicherheitskasten oder Schaltschrank untergebracht und mit dem jeweiligen elektrischen Antrieb des Fördersystems verbunden. Insgesamt bietet diese äußerst einfache und unkomplizierte Lösung bei vergleichsweise geringen Anschaffungskosten einen erheblichen Mehrwert in Sachen Flexibilität, Bedienkomfort und minimierte Stillstandszeiten.

Funksensorik zur Überwachung reibungsloser Abläufe

Mithilfe einer digitalen Funklösung lässt sich nicht nur die Bedienung von Fördersystemen optimieren. Auch einfache automatisierte Anwendungen können unter Einbezug der Sensorik realisiert werden. Hierbei geht es konkret um Situationen, in denen das System aus den unterschiedlichsten Gründen zuläuft und blockiert. In solchen Fällen ist es für die Produktivität entscheidend, dass die Bänder oder Rollenbahnen selbstständig anhalten und erst dann wieder anfahren, wenn der Stau beseitigt ist. Außerdem ist es für den Betreiber wichtig zu wissen, wann und an welchen Stellen die Anlage reibungslos funktioniert, beziehungsweise wann und wo es zu Blockaden und Engpässen kommt. Um diese Art der Überwachung und Kontrolle zu gewährleisten, ist in vielen Fällen ein teurer und aufwändiger Anlagen-Umbau notwendig. Setzt man dagegen auf eine funkbasierte Digitalisierungslösung, lassen sich sowohl Umbaumaßnahmen als auch hohe Kosten vermeiden. Die kabellos kommunizierenden, optischen Rollenbahnsensoren oder Miniatur-Lichtschranken können, ebenso wie der Funkempfänger, im laufenden Betrieb implementiert werden. Dazu ist es lediglich notwendig, dass die Sensoren und Funksender mit einem kleinen und einheitlichen Modul für die Spannungsversorgung verbunden werden. Auch im Fall von Umbauten und Erweiterungen des Fördersystems lässt sich die vorhandene Sensorik unkompliziert versetzen, austauschen oder erweitern.

Anwendungsfeld Energieüberwachung

Die kontinuierliche und möglichst granulare Überwachung von Energieverbräuchen ist in Zweckbauten und industriellen Anwendungen ein betriebswirtschaftliches Muss. Je genauer die Energiestückkosten berechenbar sind, desto gezielter können Optimierungsmaßnahmen getroffen und Ressourcen effizienter in Wirkleistung umgemünzt werden. Dies gilt insbesondere für Anwendungen mit elektrischen Antrieben, die laut Umweltbundesamt heutzutage gut 80% des in Industrie und Gewerbe genutzten Stroms verbrauchen. Hier besteht nicht nur in Sachen Nachhaltigkeit viel Verbesserungspotenzial, vor allem in finanzieller Hinsicht zahlt sich die ISO-50001-konforme und bis in die Endstromkreise hineingehende Überwachung des Verbrauchs gewinnbringend aus.

Bei bestehenden oder neuen Anlagen sollten Anwender zwecks Messung von Strom und Spannung auf eine möglichst flexible, platzsparende und vor allem präzise technische Umsetzung achten. Hier hat Schneider Electric mit dem PowerTag-Sortiment eine besonders praxistaugliche Lösung geschaffen. Als kompakter Energiezähler warten die PowerTags ohne Einbußen bei der Genauigkeit mit einer Energiezählung Klasse 1 auf und eignen sich ebenfalls zur exakten Messung und Überwachung von Strom, Spannung und Leistung. Die einfach zu installierenden Messgeräte können problemlos nachgerüstet werden und stehen (je nach Anwendungsfall) in unterschiedlichen Bauformen zur Verfügung. Neben der Energiemessung von Endstromkreisen bis 63 A, lassen sie sich zudem zur Messung von Lastabgängen bis 160 A sowie von Einspeisungen bis 2000 A einsetzen. Indem die kabellosen Energiezähler per Funksignal mit dem empfangenden Hub verbunden sind und auf diese Weise ihre Messdaten an übergeordnete Management-Systeme weiterleiten, ist keine Verdrahtung im Schaltschrank notwendig.

* * Fabian Wolf ... ist Product Manager Control & Signaling bei Schneider Electric.

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