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Fallstudie: Entwicklung einer drahtlosen Maschinenvernetzung mit geringer Latenz für die 1,7 Millionen m² große Smart Factory von BYD Electronics

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Wie in einer 1,7 Millionen Quadratmeter großen Smart Factory eine standardisierte Funkverbindung von SPSen zu Anlagensystemen eingerichtet wurde

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Einleitung
Ein großer Produktionsstandort für Elektrofahrzeuge und Elektronik musste die SPSen der Produktionsmaschinen mit den Steuerungs-, Fertigungs- und Überwachungssystemen auf Werksebene verbinden, ohne für jede Maschine eine eigene Integrationsmethode entwickeln zu müssen. Die daraus resultierende Edge-Architektur kombinierte industrielles WLAN mit lokaler Modbus-Konvertierung und kompakter Installation auf Maschinenebene.
Der BYD Electronics-Standort in Huizhou ist ein bedeutender Produktionsstandort für Elektronik, Batterien und Automobilkomponenten. Seine Größe und die Vielfalt an automatisierten Anlagen schaffen eine komplexe Betriebsumgebung, in der Maschinensteuerungen Daten mit übergeordneten Steuerungs-, Fertigungs- und Überwachungsplattformen austauschen müssen.
Der Verbindungsweg erstreckt sich über Maschinen-SPSen, drahtlose Zugangspunkte, das industrielle Ethernet-Backbone und die übergeordneten Systeme des Werks. Die Geräte werden in unmittelbarer Nähe der Maschinen installiert, wo Platzverhältnisse im Schaltschrank, Temperaturschwankungen und elektromagnetische Störungen das Kommunikationsdesign beeinflussen.
Die maschinenseitigen Daten umfassten Modbus-RTU- und andere serielle Datenübertragungen, während die Anlagenanwendungen Ethernet- und Modbus-TCP-Konnektivität erforderten. Ohne eine einheitliche Konvertierungsschicht hätte jede Maschinenverbindung zu einem eigenständigen Protokoll- und Verkabelungsprojekt werden können.
Die Fabrik benötigte zudem drahtlosen Zugang für Geräte, die über die Produktionsbereiche verteilt waren. Eine handelsübliche WLAN-Brücke würde den Anforderungen an deterministischen Befehlstransport, industrielle elektromagnetische Störungen, den Temperaturbereich oder die kompakte maschinenseitige Montage nicht ausreichend gerecht werden.

Anforderungen
Das Design musste die bestehenden Maschinenschnittstellen beibehalten und gleichzeitig einen reproduzierbaren Weg ins Werksnetzwerk schaffen. Auf Werksniveau war die Reduzierung des Engineering-Aufwands pro Maschine ebenso wichtig wie die Auswahl eines technisch kompatiblen Geräts.
1. Unterstützung der Modbus-RTU/TCP-Konvertierung für die Integration in Systeme der oberen Schichten.
2. Ein Zielwert für die Befehlsübertragungszeit von maximal 50 ms.
3. Aufrechterhaltung einer stabilen drahtlosen Kommunikation in einer EMI-intensiven industriellen Umgebung.
4. Betrieb bei Temperaturen von -40 °C bis 75 °C mit industriellen Schutzmerkmalen.
5. Anpassung an begrenzten Platz an der Maschine durch Hutschienen- oder Wandmontage.

Lösung
Die Architektur behält das verkabelte Backbone der Anlage bei, verlagert jedoch die Protokollkonvertierung und den drahtlosen Zugang an den Maschinenrand. Industrielle Access Points stellen drahtlose Zellen in den Produktionsbereichen bereit, und ein Mport3101-W an jeder Maschine verbindet die SPS oder den seriellen Endpunkt mit dem drahtlosen Netzwerk.
Die Umwandlung des Modbus-Datenverkehrs in unmittelbarer Nähe der Maschine begrenzt die Entfernung und die Komplexität der seriellen Verkabelung. Zudem entsteht ein einheitliches, wiederholbares Verbindungsschema, das für Geräte verschiedener Automatisierungsanbieter angewendet werden kann. Das kompakte Industriegerät vereint die für die Protokollkonvertierung, den drahtlosen Zugang und die maschinenseitige Montage erforderlichen Edge-Funktionen.

Bereitstellung und Verifizierung
Im Rahmen der Bereitstellung wurden drahtlose Kommunikationsknoten in der Nähe der Produktionsmaschinen platziert und die AP-Ebene wieder mit dem industriellen Ethernet-Netzwerk verbunden. Die Abnahmekriterien für die Inbetriebnahme umfassten die Modbus-Interoperabilität, den kontinuierlichen Austausch von Maschinendaten, das Ziel einer Befehlsübertragungszeit von 50 ms sowie die Signalstabilität in der Fabrikumgebung.
Der Projektbericht bestätigt die erfolgreiche Integration der Geräte in Maschinenplattformen von Mitsubishi, FANUC und Siemens. Er berichtet zudem von einer umfassenden Feldinstallation dieser Gerätefamilie mit fast 20.000 Einheiten. Da der Bericht keine Latenzverläufe, Ergebnisse zu Paketverlusten oder Erfassungsstudien veröffentlicht, werden diese Kennzahlen in diesem Fall nicht als gemessene Projektergebnisse dargestellt.

Ergebnisse
Der Wert des Designs besteht nicht lediglich darin, dass die Maschinen nun über WLAN verfügen. Die Architektur reduzierte die Anzahl der kundenspezifischen Schnittstellen zwischen den Produktionsanlagen und dem Werksnetzwerk, lokalisierte die Protokollkonvertierung auf der Anlageebene und begrenzte die Abhängigkeit von neuen festen seriellen Kabelverlegungen.
1. Geringeres Integrationsrisiko, wenn Maschinen unterschiedliche serielle oder Modbus-Schnittstellen verwenden.
2. Geringere Störungen bei der Installation als bei der Verlegung dedizierter Kommunikationskabel zu jeder einzelnen Maschine.
3. Schnellere Replikation durch ein einheitliches Verbindungsmuster zwischen Maschine und Netzwerkperipherie.
4. Einfachere Fehlerisolierung, da die Grenze zwischen drahtloser Übertragung und Protokollkonvertierung an der Maschine liegt.

Planen Sie eine drahtlose Anbindung für SPSen oder serielle Maschinen? Senden Sie Ihre Steuerungsschnittstellen, Protokollanforderungen, Latenzziele, das Produktionslayout und HF-Einschränkungen an [email protected]. Entdecken Sie die Produktseite zum Mport3101-W oder lesen Sie die vollständige Fallstudie.