Lassen sich in Zukunft Maschinen sicher über handelsübliche Tablets steuern? (Bild: Eisenhans – Fotolia/brehmermechatronics)
Doch von Anfang an. In der Industrie haben Smartphones und Tablets längst Einzug gehalten: zur Planung des Arbeitstags, zur Abwicklung eines Auftrags sowie zur Koordination der Logistik. Nur in der sicheren Bedienung von Maschinen sind sie nicht zu finden, denn sie bieten nicht die notwendigen Sicherheitsfunktionen wie Echtzeitfähigkeit und Verfügbarkeit. Außerdem reicht die Stoßfestigkeit für den Einsatz in der produzierden Industrie nicht aus. Diesen Missstand beheben wollte das Technologieeunternehmen brehmermechatronics und beantragte Ende 2018 beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie ein Projekt im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM). Als Forschungspartner wurde die TH Köln mit ins Boot geholt. Die Idee der beiden Partner war klar: nicht das Smartphone an sich muss sicher mit der Maschine per Funk kommunizieren, sondern es braucht einen universell einsetzbaren Rahmen, der diese Funktion übernimmt und außerdem das Gerät gegen Stöße schützt.
Üblicherweise kommen zur Funksteuerung von Maschinen und Geräten spezielle industrielle Tablets zum Einsatz, die den Sicherheitsrichtlinien nach DIN-Norm DIN EN ISO 13849 entsprechen. Diese HMIs habe etwa Freigabe- beziehungsweise Zustimmtaster sowie Nothaltschalter. „Geräte wie Smartphones, Tablets und PCs aus dem Consumer Markt-Segment erfüllen diese Anforderungen nicht. Mit ihnen können Maschinen deshalb bislang nicht direkt gesteuert, sondern nur Daten ausgetauscht werden“, sagt Projektleiter Prof. Ulf Müller von der Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme an der TH Köln.
Hülle soll für Sicherheit sorgen
Kernstück des Projekts „Smart Devices Funktional Sicher machen“ (SDeFS) ist daher die Entwicklung einer Hülle, die Consumer Smart Devices aufnehmen kann und mit entsprechenden Sicherheitsfunktionen ausgestattet ist, um Maschinen funktional sicher zu steuern. Grundlage für das im Rahmen des Projektes entwickelte Produkt uFrame ist eine Konzeptstudie aus dem Jahr 2018 von Brehmer-mechatronics und dem IFA, dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV), welches das Projekt SDeFS zusammen mit der Berufsgenossenschaft Verkehrswirtschaft beratend begleitet.
Entwurf der IFA-Rahmenkonstruktion vom Februar 2018 (links) verglichen mit... DGUV/IFA
Hinweise auf den wachsenden Bedarf an kabellosen Bedienelementen, die den hohen Sicherheitsanforderungen zur Maschinensteuerung genügen, sehen Prof. Müller und Moritz Schmidt von brehmermechatronics nicht zuletzt in den aktuellen Erweiterungen von technischen Normen um Anforderungen an kabellose Steuerungen und Steuerungssysteme für verschiedene Baumaschinen und Geräte, etwa Hebebühnen oder Krane. Zudem bietet der Einsatz der Consumer Smart Devices den Unternehmen weitere Nutzen: Über ein vertrautes Interface können Unternehmen ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern technische Applikationen zur Verfügung stellen. „Apps sind laufend aufspiel- und veränderbar, die funktionale Sicherheit bleibt durch den Einsatz des SDeFS und den damit verbundenen Applikationen erhalten. Vorhandene Maschinen können mit geringem Aufwand so mit verhältnismäßig günstigen Smart Devices bedient werden und somit vorhandene Unternehmensapplikationen von Spediteuren, Baumaschinen- und Nutzmaschinenherstellern weiter genutzt werden“, sagt Moritz Schmidt. Würde ein weiterer Bedientaster benötigt, könnte dieser einfach in der Software einprogrammiert werden, ohne dass an der Hardware des uFrame etwas verändert werden müsste. Außerdem verweist Prof. Müller darauf, dass im Vergleich zu industriellen Tablets die Kosten für die Geräteausstattung sinken würden.
Alles schon mal da gewesen?
...dem Konzept der insolventen Schleicher Electronic auf der SPS 2017. R3
Kurzum zusammengefasst: Ein Rahmen mit integrierten Sicherheitsfunktionen lässt Smart Devices sicher mit einer Maschine per Funk kommunizieren. Hier könnte die Geschichte eigentlich enden – tut sie aber nicht, denn wem die Idee der Nutzung von Smart Devices über einen Adapter für eine sichere Funkkommunikation bekannt vorkommt, der war wo-möglich auf der SPS 2017 am Stand von Reliable Realtime Radio Communications, kurz R3 Communications. Hier war genau die Idee ausgestellt, allerdings noch als Rendering mit einer Docking Station statt einen Rahmen und eigener Funktechnologie. Damals wollte Schleicher Electronic das Docking-Modul bauen, während R3 ihr robustes, deterministisches und hochzuverlässiges Safety-Echtzeit-Funksystem namens EchoRing einbrachte.
Die Technik hinter dem sicheren Funk
EchoRing von R3 Communications basiert auf einem logischen Token. Hierbei wird ein Token-Paket zur Steuerung des deterministischen Kanalzugriffs von einen zum anderen Netzwerk-Teilnehmer übertragen. Anders als bei kabelgebundenen Token-Ring-Verfahren wird der Token aber nicht von einem Knotenpunkt zum nächsten, direkt verbundenen Teilnehmer weitergegeben. Stattdessen können die aktiven Knoten in einer beliebigen Sequenz durchlaufen werden und bilden somit einen logischen Token Ring im kabellosen Kanal. Als zusätzliche Sicherheitsstufe wird ein geeigneter Kooperationsknoten zusätzlich zum Empfänger im Paketheader vermerkt. Dieser Kooperationsknoten verschickt das Signal erneut, wenn die Bestätigung des Empfängers ausbleibt. Sollte ein Signal verloren gehen, sorgt eine optimierte ‚ARQ State Machine‘ für einen schnellen Ersatz. Eine kontinuierliche Überwachung aller Übertragungsstrecken im System verhindert Kanalqualitätseinbrüche, da automatisch Maßnahmen eingeleitet werden, die einen kompletten Systemzusammenbruch unterbinden. Daher lassen sich auch sicherheitskritische Anwendungen gefahrlos ohne Kabel betreiben. Die Leistungsdaten erfüllen die sehr hohen Anforderungen von Industrial IoT/Industrie 4.0 in Bezug auf Echtzeit (um 1 ms) und Verfügbarkeit (bis zu 99,9999999 %).
Allerdings gab es bei dieser Zusammenarbeit eine unschöne Wendung: Anfang September 2019 eröffnete das Amtsgericht Charlottenburg ein Insolvenzverfahren gegen Schleicher Electronic sowie gegen Schleicher Electronic Engineering. Auch wenn ein Teil der Belegschaft glücklicherweise bei R3 Communications unterkommen konnte, hatte dies natürlich auch zur Folge, dass sich das Unternehmen nach einem neuen Partner umsehen musste, der den Hardware-Part übernimmt. Für die Funkhardware fündig wurde man bei der Firma WepTech aus Landau in der Pfalz – ein auf Funktechnologien spezialisierter Elektronikdienstleister, der die Hardware rund um einen Wlan-Chip von Texas Instruments (TI) entwickelte und nun auch produziert. Dabei spielt der Chip WiLink 8 eine entscheidende Rolle: Dank des in der jahrelangen Kooperation zwischen R3 und TI gewachsenen Vertrauensverhältnisses ist R3 in der Lage, das EchoRing System auf diesem Chip zu integrieren und diesen dadurch Echtzeit-fähig zu machen.
Das all-inklusive EchoRing-System-on-Module mit den Maßen 30 auf 32 mm unterstützt auch Profinet (ProfiSafe), EtherNet/IP (CIP Safety), UDP sowie TCP/IP. R3
Als Ergebnis dieser Kooperationen präsentiert R3 auf der SPS ein System on Module (SOM) für EchoRing. Das Plug-and-play-Modul lässt sich entweder in HMIs integrieren oder in eine Docking-Station. Beim Produktlaunch auf der Messe wird auch Arrow mit an Bord sein; der Elektronik-Distributor übernimmt den weltweiten Vertrieb. Arrows Director Engineering DACH, Florian Freund, wird dazu beim Launch Event (27.11. ab 16:30) am R3-Stand sprechen.
Mit der Ethernetbridge im IP65-Gehäuse für EchoRing lassen sich Maschinen mit der sicheren Funkkommunikation nachrüsten. R3
Neben dem System on Module präsentiert R3 Communications auch eine Ethernet Bridge – eine Art externer EchoRing-Funkempfänger für Maschinen, um sie zu zuverlässigen Echtzeit-Funkkommuni-kationsknoten aufzurüsten. Das IP65-Gehäuse mit den Maßen 84 x 82 x 55 mm ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb auch in industriellen Umgebungen.
Biete sicheren Funk, suche Hardware
Aktueller Stand des uFrame brehmermechatronics
Natürlich war bei R3 nach dem Aus von Schleicher auch das Thema Handheld-Docks nicht vom Tisch. An dieser Stelle wird die Geschichte spannend und der Kreis schließt sich: Über verschiedene Pfade wurde eine Firma auf die Bemühungen von R3 Communications aufmerksam – Sie ahnen es vielleicht – brehmermechatronics. Bereits kurze Zeit nach dem ersten Kontakt Anfang Oktober – an dem auch unsere Redaktion nicht ganz unschuldig war – gab es einen ersten Workshop und dabei stellten beide fest, dass sich hier zwei gefunden haben, die (zumindest anscheinend) zusammengehören. Denn trotz der Kürze der Zeit wurde für die SPS ein ge-meinsamer Demonstrator geplant und umgesetzt. brehmermechatronics hat zwar bereits eine sichere (Bluetooth-)Funkverbindung in ihrem Projekt, diese ist aber darauf ausgelegt, mit einem Device genau eine Maschine zu steuern. EchoRing bietet an dieser Stelle den Vorteil, über den Token Ring mehrere Maschinen über ein HMI ansteuern zu können. Außerdem lassen sich über Echoring Standard Safety-Protokolle wie ProfiSafe, SafetyNet p oder CIP Safety übertragen, und das in lizenzfreien Bändern oberhalb der in der EU für Wlan zugelassenen Bändern: im sogenannten Short-Range Device Band, das die Frequenzen von 5.725-5.875 GHz umfasst. Im Gegensatz zu den bekannten Bluetooth- und Wlan-Bändern im 2,4 GHz und 5 GHz Bereich, sind diese Bänder wenig frequentiert.
R3 und brehmermechatronics auf der SPS 2019: Halle 5, Stand 250
Was es bereits zu kaufen gibt
Der kabellose Ansatz steigert die Flexibilität und die Mobilität bei Anwendern. Sigmatek
Das wireless Handbediengerät HGW 1033 von Sigmatek (Halle 7, Stand 270) eliminiert das obligatorische Verbindungskabel. Es verfügt über ein industrietaugliches Multitouchdisplay (10,1“, PCT) und hat Safetyfunktionen wie Zustimmtaster, Schlüsselschalter und eine aktiv leuchtende Not-Halt-Taste bereits an Bord. Inaktiv erscheint die Taste grau, ein rot leuchtender Pilzknopf signalisiert, dass das HGW 1033 korrekt ins System eingebunden und die Safety-Elemente funktionsbereit sind. Wie die funktionsgerichteten
Daten werden auch die Safety-Daten per WLAN übertragen ‒ allerdings parallel in unterschiedlichen Frequenzbändern und abgeglichen.
Auch Keba (Halle 7, Stand 470) hat mit den KeTop-T15x-safe-wireless-Geräten sichere mobile HMIs im Portfolio. Sie erreichen SIL3/PLe. Eine optionale Wirkbereichseinschränkung verhindert Bedienung von Bereichen in denen die Gefahr nicht mehr einsehbar ist obwohl noch eine Funkverbindung existiert. Die Visualisierungs-Daten werden per WLAN (2,4 GHz) übertragen; Sicherheitsdaten über Bluetooth 4.2. Das Panel hat eine Laufzeit von etwa 2 Stunden. Mit externem Akku sind es weitere 4 bis 8 Stunden.
