Durch die Vorreiterrolle der Automobilindustrie in Deutschland zeichnet sich ein Bild künftiger Fabriken ab, dem weitere Branchen wie Kunststoff, Elektronik oder Lebensmittel folgen. Die modulare Fabrik, die sich auf Individualität und Skalierbarkeit fokussiert, lässt sich kurzfristig und wirtschaftlich an veränderte Anforderungen anpassen. Das bedeutet, dass sich Maschinen und Anlagen häufig erweitern und bewegen. Für die Datenübertragung dieser mobilen Systeme innerhalb einer Fertigungsanlage erweisen sich alle bislang verfügbaren Lösungen entweder als nicht ausreichend performant, fehleranfällig oder wartungsintensiv – und damit entsprechend teuer im Betrieb. Hier bietet sich der kontaktlose Austausch von Energie und Daten über einen Luftspalt an. Dieser Ansatz erlaubt nicht nur verschleiß- und wartungsfreie Verbindungen, sondern sogar eine Weiterleitung durch Glaswände oder andere nichtleitende Medien, sodass sich vielfältige Anwendungsoptionen ergeben. Bei NearFi handelt es sich um eine kontaktlose Echtzeit-Übertragungstechnologie von Phoenix Contact, mit der Energie und Daten über einen Luftspalt im Zentimeterbereich ausgetauscht werden können.
Kein Problem mit Störspektren
Aufgrund der protokollunabhängigen Ethernet-Kommunikation stellen die NearFi-Koppler einen entscheidenden Fortschritt in der Echtzeit-Übertragungstechnologie dar. Dabei arbeitet die Technik als physikalischer Medienkonverter und somit losgelöst von den bekannten Standardprotokollen. Ein wichtiger Vorteil ergibt sich aus der Kommunikationstechnologie. Die bisherigen paketorientierten Austauschmethoden wie WLAN oder 5G führen zu Latenzen, da auf den vollständigen Erhalt des Datenpakets gewartet werden muss. Im Gegensatz dazu nutzt die NearFi-Technologie ein bit-orientiertes Übertragungsverfahren. NearFi verwendet zwei 60GHz-Verbindungen – einen Uplink und einen Downlink – parallel auf getrennten Frequenzbändern. Diese Vollduplex-Weiterleitung ermöglicht es, Echtzeit-Ethernet-Protokolle nahezu latenzfrei (Latenz <1µs) zu kommunizieren.
Durch einen steigenden Zuwachs an WLAN-Funksystemen, die vornehmlich für Maschinen und den Datenaustausch mit fahrerlosen Transportsystemen eingesetzt werden, erhöht sich die Auslastung der Frequenzbänder. Eine aufwendige Frequenzplanung ist notwendig. Übertragungsstörungen durch Überlastung der Frequenzbänder führen zu Ausfall- und Stillstandzeiten. Weil die NearFi-Kommunikation im Nahfeldbereich über einen geringen Abstand von wenigen Zentimetern erfolgt, entsteht kein Störspektrum im Umfeld der Geräte. Folglich lassen sich zahlreiche NearFi-Systeme parallel nutzen. Zudem ist eine Koexistenz mit vorhandenen Funktechnologien – z.B. WLAN oder Bluetooth – gegeben. Industrielle Störspektren, wie sie beispielsweise beim Lichtbogenschweißen auftreten, können die NearFi-Technologie ebenfalls nicht beeinflussen. Zum Datenaustausch werden mindestens zwei Geräte benötigt: ein Base- und ein Remote-Koppler. Die Kopplung geschieht automatisch. Es ist also keine Konfiguration oder Programmierung erforderlich. Die erfolgreiche Verbindung wird durch einen rundum sichtbaren LED-Ring aus allen Lagen angezeigt.
Störungsfreie Übermittlung sicherheitsgerichteter Daten
Automatisierte Prozesse können nur dann erfolgreich und effizient sein, wenn sie intelligent miteinander gekoppelt sind. Die Verkettung von Prozessen bezieht sich auf die Integration von automatisierten Transportsystemen in die verschiedenen Abläufe oder Stationen innerhalb eines Materialflusssystems in der Fertigung. Materialien und Waren werden somit automatisch ohne menschliches Eingreifen von einer Station zur nächsten befördert. Dazu müssen fahrerlose Transportsysteme (FTS) mit den Bearbeitungsstationen (Maschine) kommunizieren, um z.B. die zu bearbeitenden Materialien via Werkstückträger zwischen den Bearbeitungsstationen zu übergeben. Das MOVEsystem von IEF-Werner transportiert Bauteile und Produkte zuverlässig, modular und kosteneffizient – ob auf Werkstückträgern, direkt auf Riemen oder in Paletten. Anwender profitieren von maximaler Flexibilität. ‣ weiterlesen
MOVEsystem bewegt mehr:
FTS, die an Maschinen andocken, interagieren mit ihnen. Sie werden folglich Teil der Maschine und müssen aus Safety-Sicht Daten mit ihr austauschen. Wenn beispielsweise auf der Maschinenseite ein Not-Halt betätigt wird, ist das FTS ebenfalls in den sicheren Zustand zu versetzen. Gleiches gilt für den umgekehrten Fall. Während des Andockvorgangs werden über Ethernet-basierte Protokolle (wie Profinet/Profisafe, EthernetIP/CIP Safety oder Ethercat/FSOE) Safety- und Non-Safety-Daten zwischen der Maschine und dem FTS übertragen. Typischerweise befindet sich auf dem fahrerlosen Transportsystem ein Profinet/Profisafe-Device, das mit der Maschinensteuerung kommuniziert. Dabei leitet die Maschine z.B. Freigabesignale an das FTS weiter. Bei der Übermittlung der Safety-Daten an die Maschine darf die Kommunikationsverbindung nicht gestört werden, da dies zum Stillstand der Maschine und des FTS führt. Das verringert die Verfügbarkeit der Produktionsanlage, was in wirtschaftlichen Schäden resultiert. Die bisherigen Lösungen basieren auf der WLAN-Technik.
Keine aufwendige Netzwerkplanung und besonderen IT-Sicherheitsmaßnahmen
In den Fertigungshallen sind WLAN-Netzwerke oftmals mit anderen Applikationen wie Gabelstapler-Anwendungen belegt. Temporäre Störungen im WLAN-Netzwerk, die beispielsweise durch Hotspots von Mitarbeiter-Smartphones verursacht werden, können die Docking-Applikation respektive Datenübertragung zwischen dem fahrerlosen Transportsystem und der Maschine beeinträchtigen. Weil das WLAN-System lediglich eine Halbduplex-Kommunikation unterstützt, lassen sich Ethernet-Daten nur mit Verzögerung austauschen. Bei WLAN-Anwendungen muss die Profinet-Zykluszeit z.B. auf 32 anstatt 4ms eingestellt werden. Das führt wiederum zu höheren Safety-Watchdog-Zeiten. Sofern das WLAN-Netzwerk der Übertragung von Safety-Protokollen dient, hat es dem aktuellen Stand der Technik und den IT-Security-Vorgaben zu entsprechen.
Durch die Verwendung der NearFi-Technologie lässt sich die Kopplung an die Maschine latenztechnisch wie eine Ethernet-Verbindung in Vollduplex mit einer Datenrate von 100MBit/s betrachten. Im Gegensatz zur WLAN-Verbindung reduzieren sich die Kommunikationseinstellungen auf eine Profinet-Zykluszeit von 4ms, sodass die Safety-Wachdog-Zeiten niedrig bleiben. Die Daten werden via Luftspalt über eine Distanz bis zu 100mm sowie unempfindlich gegenüber WLAN-Störquellen weitergeleitet. Einschränkungen im Hinblick auf die Verfügbarkeit der Applikation gibt es also nicht. Eine eindeutige Kopplung zur Maschine ist sichergestellt, weshalb keine versehentliche Verbindung mit der Nachbarmaschine aufgebaut werden kann. Eine aufwendige Netzwerkplanung oder besondere Maßnahmen der IT-Security entfallen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Near-Fi-Technologie für die Datenkopplung zwischen verketteten Fahrzeugen einzusetzen.
Geringere Präzisionsanforderungen
Werkstückträger fungieren als Komponenten der Automatisierungstechnik. Es handelt sich dabei um eine Vorrichtung, auf der ein oder mehrere Werkstücke befestigt oder eingelegt sind. Sie wird von einem Werkstückförderer entlang verschiedener Fertigungslinien oder -stationen transportiert. In der automatisierten Produktion gibt es Montage-, Füge-, Handling-, präzise Bearbeitungs-, intelligente Regel- sowie komplexe Prüfprozesse. Zu diesen Fertigungsstationen wird ein Werkstück im Lauf der Produktion befördert. Die Form und Funktion des Werkstückträgers passt sich entsprechend an das Produkt und die Fertigungsanlage an. Das Werkstück wird üblicherweise direkt auf dem Werkstückträger durch Roboter oder Mitarbeiter bearbeitet. Werkstückträger verfügen über Sensorik, Aktorik und Hydraulik, die in der Regel an I/O-Module oder Ventilinseln angeschlossen sind. Von dort werden die Daten meist über Ethernet-basierte Protokolle via Steckverbinder an die Steuerung übertragen.
Aufgrund der Verwendung von flexibler Automatisierungstechnologie lassen sich die Kosten der Fertigungsabläufe wegen der besseren Taktzeiten senken. Doch die kürzeren Taktzeiten und Bewegungsvorgänge resultieren in mehr Verschleiß. Als Beispiel seien die Steckverbinder genannt, die zur Kommunikation der Ethernet-Daten zwischen den beweglichen Anlagenelementen genutzt werden. Daraus ergeben sich Stillstandzeiten, die nicht voraus- oder planbar sind. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Steckverbinderlösungen lassen sich die Base- und Remote-Koppler aus beliebigen Richtungen ebenso wie rotierend zueinander führen. Außerdem muss der Anwender die Geräte nicht exakt zentrieren; sie können sich mit einem Versatz oder einem tangentialen Winkel gegenüberstehen. Dies verringert die Präzisionsanforderungen an die mechanische Bewegung von zwei unabhängigen Anlagenteilen erheblich. Bei einem Steckverbinder sind Stecker und Buchse hingegen präzise zu positionieren, weil die empfindlichen Stifte ansonsten schnell beschädigt werden.
Kostengünstigeres passives Sicherheitskonzept
Die NearFi-Koppler versorgen die I/O-Module, an die Sensoren und Aktoren zum Spannen des Werkstücks angeschlossen sind, mit der notwendigen Energie. Ferner leiten sie das Ethernet-Protokoll latenz- und verschleißfrei über einen Luftspalt an die Steuerung weiter. Wenn sich auf Werkstückträgern nicht nur Sensorik, sondern auch Aktorik befindet, ist in vielen Fällen ein Sicherheitskonzept notwendig.
Die sogenannte passive Sicherheit stellt eine Variante von dezentralen Sicherheitskonzepten dar. Im Rahmen der klassischen Sicherheitstechnik wird jeder Aktor über einen separaten sicheren Ausgang versorgt. Im Gegensatz dazu sorgen passive Sicherheitskonzepte lediglich dafür, dass sich die Spannung einer Aktorengruppe in kritischen Situationen sicher abschaltet. Daher ist die passive Sicherheit kostengünstiger umsetzbar. Dazu bedarf es einer galvanischen Trennung von Sensor- (US) und Aktorspannung (UA). Durch die Parallelschaltung von zwei NearFi-Kopplerstrecken lassen sich zwei potentialgetrennte Spannungen (je 50W US/UA) übertragen und somit ein sicherer Signalweg realisieren. Die Aktorik des Werkstückträgers wird unabhängig von ihrem Zustand durch vorgeschaltete Sicherheitsrelais abgeschaltet.
Durch die Verwendung der NearFi-Koppler reduzieren sich Serviceeinsätze und Wartungskosten entfallen, was die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Sinkende Aufwände und optimierte Produktionsprozesse verkürzen die Amortisationszeit der Geräte deutlich.
