Plug-and-Play WIFI-basiertes URLLC: EchoRing

Ein Haupthindernis für die Einführung drahtloser Netzwerke in Industriequalität ist die Implementierung. Viele Lösungen wie 5G erfordern eine umfassende Überholung der Infrastruktur, was sowohl für kleine Unternehmen mit engen Gewinnspannen als auch für Großunternehmen mit fest verwurzelten Prozessen und Abläufen eine hohe Barriere darstellt. Glücklicherweise wurde EchoRing von Grund auf für eine anpassungsfähige Plug-and-Play-Integration entwickelt.

Einer der Hauptvorteile von EchoRing besteht darin, dass es sich um eine 100% softwarebasierte Lösung handelt, die mit bestehender Hardware und Industriestandards universell kompatibel ist. Dazu gehören PROFINET, PROFIsafe, EtherNet/IP, SafetyNet und weitere. Dank einer Reihe von Hardware-Produkten und Referenzdesigns von Drittanbietern kann ein EchoRing-Bereitstellungsplan so groß, klein, einfach oder komplex sein, wie der Anwender es wünscht, und lässt sich problemlos in jeden Anwendungsfall integrieren. Insbesondere ein EchoRing-Produkt eignet sich ideal für Betreiber bestehender Prozesse, die den Sprung zur industrietauglichen Drahtlostechnik vollziehen wollen.  

Das Gerät EchoRing Ethernet Bridge (EREB) ist das Schlüssel-Hardwareprodukt von R3. Während andere EchoRing-Produkte wie das System-On-Module  und Referenzdatendesigns es Benutzern ermöglichen, EchoRing-fähige Lösungen von Grund auf neu zu entwickeln, ermöglicht das EREB den Einsatz in bestehenden Kundenanwendungen. Die Geräte funktionieren als drahtlose Ethernet-Kabel, die an einen Standard-M12-Stecker angeschlossen werden und den Ethernet-Verkehr über die Luft überbrücken. Kombiniert mit einer intelligenten Netzwerkplanung bietet diese einfache Änderung eine enorme Verbesserung sowohl der Betriebskosten als auch der Flexibilität. Gewicht und Stromverbrauch werden durch weniger schwere Kabel reduziert, während sich die ungefesselten Maschinen jetzt überall innerhalb der Signalreichweite bewegen und zuverlässig arbeiten können.

Dank dieser neu gewonnenen Mobilität sind jetzt innovative neue Geschäftsmodelle und Konzepte möglich. Dazu gehören leicht konfigurierbare Fertigungshallen, die eine Vielzahl von Gütern in kleinem Maßstab produzieren können, oder Produktionslinien, die keine langwierigen Systemwechsel mehr erfordern und individualisierte Produkte (wie z.B. Autos) zu weitaus geringeren Kosten sowohl für den Kunden als auch für den Betreiber zusammenstellen können. Bevor all dies jedoch geschehen kann, besteht der erste Schritt darin, die Anforderungen einer Anwendung zu ermitteln und einen effektiven Einsatzplan zu entwerfen. In diesem Eintrag wird detailliert beschrieben, wie EchoRing einfach integriert und optimiert werden kann, um ein vorhandenes verkabeltes Ethernet-System nachzurüsten.

1 - Anwendungsanforderungen identifizieren

Der erste Schritt zur Einrichtung eines EchoRing-Netzwerks besteht darin, die Anforderungen der Anwendung zu ermitteln und eine individuelle Netzwerkinfrastruktur zu entwerfen. Dies geschieht außerhalb des Standortes durch eine Reihe von Treffen und Beratungen zwischen dem Kunden und den Experten von R3.

Zu Beginn werden mit Hilfe eines R3 Experten die anwendungsseitigen Parameter bestimmt. Dazu gehören Verkehrsmuster, Datenpaketgröße, akzeptable Paketverlustrate, Zykluszeiten und Ziellatenz. Die Parameter sind an die Grenzen der Hardware, der Infrastruktur, des Standorts und des vorgesehenen Anwendungsfalles der Anwendung gebunden.

Auf der Grundlage dieser Daten entwirft ein R3-Wireless-Ingenieur eine speziell auf die Anwendung zugeschnittene Netzwerkinfrastruktur. Ein wichtiger Faktor in dieser Phase ist das Backbone-Netzwerk - eine statische, vorhersehbare Reihe von drahtlosen Knotenpunkten, die die Abdeckung der Mobilstationen gewährleisten. Ein weiterer Faktor ist die Gesamtzahl der drahtlosen Knoten (wie z.B. EchoRing Ethernet Bridges), die erforderlich sind, um den gesamten Betriebsbereich abzudecken. Ein weiterer Faktor ist die Anzahl und Zusammensetzung von Ringen - Teilnetzzellen von bis zu 20 Knoten, die zusammen ein EchoRing-Netzwerk bilden. Ein intelligenter Netzwerkplan, der alle Facetten des Betriebs umfasst, ist ein wesentlicher Bestandteil von drahtlosen Netzwerken in Industriequalität.

Auf der EchoRing-Seite müssen auch Parameter wie die erforderliche Zuverlässigkeit, die Datenverkehrspriorisierung und die Rahmenlänge definiert werden. Diese werden bestimmt, wenn der Anwendungsingenieur EchoRing entsprechend den Metriken der Anwendung konfiguriert.

2 - Durchführung von Leistungstests

Wenn alle Parameter definiert sind, können nun erste Leistungstests mit dem EchoRing Performance Analyzer durchgeführt werden. Dabei handelt es sich um mit jedem EREB gekoppelte Geräte, die Dummy-Verkehr erzeugen, der so konfiguriert ist, dass er die Anwendung simuliert. Der Kunde hat die Möglichkeit, sowohl selbst Tests vor Ort durchzuführen als auch mit dem Drahtlostechniker auf der Seite von R3 zusammenzuarbeiten.

Der Performance Analyzer ist ein unglaublich nützliches Werkzeug, da er es dem Benutzer ermöglicht, die Leistung des vorgeschlagenen Netzwerkdesigns zu bewerten und das Design gegebenenfalls anzupassen. Mögliche Fehler oder Schwachstellen lassen sich noch in der Entwicklungsphase viel leichter beheben. Fünf dieser Geräte sind Teil des EchoRing Rollout Kit, der Komplettlösung von R3 für den Einsatz von EchoRing in bestehenden Ethernet-Anwendungen.

Um einen Test durchzuführen, konfigurieren Sie jeden Performance Analyzer für jedes EREB mit dem EchoRing Konfigurationsserver (ein Softwareprogramm, das auch im Rollout-Kit enthalten ist). Der wichtigste Faktor, der bei jedem Test bewertet werden muss, ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und ob es weiter optimiert werden kann. SNR-Verbesserungen und Iterationen können in Form von

• Rekonfiguration des vorgeschlagenen Netzwerk-Layouts zur Verringerung der Ausbreitungseffekte.
• Rekonfiguration des MCS-Index (Modulation and Coding Scheme) für höhere Zuverlässigkeit.
• Erweiterung der Anwendungsparameter (wie z.B. Zykluszeiten), um ein ideales Medium für Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit zu finden, das die Anforderungen der Anwendung noch erfüllt.

Das SNR wird mit dem EchoRing Health Monitor überwacht, einem weiteren Tool, das im Rollout-Kit enthalten ist. Es wird verwendet, um in der Einrichtungsphase gegebenenfalls Anpassungen vorzunehmen und den Betrieb nach der Einführung zu überwachen.

3 - Anwendung bereitstellen

Sobald eine optimale Signalkonfiguration eingestellt ist, installiert der Drahtlostechniker von R3 das Netzwerk vor Ort entsprechend dem endgültigen Netzwerkplan. Wenn das Netzwerk auf der Seite von R3 entwickelt wurde, wird ein weiterer Test in der tatsächlichen Ausbreitungsumgebung durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Konnektivität solide ist.

4 - Durchführung des abschließenden Systemtests

Sobald die gesamte Hardware installiert und die gesamte Software konfiguriert ist, wird ein vollständiger Systemtest auf der tatsächlichen Hardware der Anwendung durchgeführt. Im Falle einer Automobilproduktionslinie wäre dies ein kompletter Linienlauf von Anfang bis Ende.

Wenn dieser erste Testlauf nicht erfolgreich ist, ist es wichtig festzustellen, ob es sich um einen Fehler in der drahtlosen Kommunikation handelt (wie z.B. unvorhergesehene Interferenzen) [Link zum Artikel Interferenz], ob der Datenverkehr des Kanals überlastet ist oder ob es sich um ein nicht netzwerkbezogenes Problem handelt. Die Experten von R3 sind in dieser Hinsicht gerne behilflich.

Falls und wenn der Test erfolgreich ist, dann herzlichen Glückwunsch - Sie sind offiziell Industry 4.0 beigetreten.

Haben Sie weitere Fragen zur industriellen drahtlosen Einführung oder sind Sie an einer ersten Beratung interessiert?

Zögern Sie bitte nicht, uns unter sales[at]3coms.com oder auf unserer Kontaktseite zu erreichen.