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Wolfgang P. Riegelmayer

Industrie 4.0 – Vernetzungen für die digitale Fabrik

Leitungstechnik, Schnittstellen, Leistungsmerkmale, Gestaltungs- und Auslegungsprinzipien

Mit 195 Abbildungen und 13 Tabellen

Der Autor:
Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Wolfgang P. Riegelmayer (M.-Walldorf), ist als selbständiger Berater, Hochschul-Lehrbeauftragter (Nachrichtentechnik), Firmendozent und Gutachter tätig. Er ist Autor zahlreicher Publikationen, darunter zwei weitere Fachbücher.

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Print-ISBN:        978-3-446-46147-5
E-Book-ISBN:   978-3-446-46416-2
ePub-ISBN:       978-3-446-46529-9

Inhalt

Titelei

Impressum

Inhalt

Vorwort

Einleitung

1 Neue Anforderungen in der Digitalen Fabrik

1.1 Komplettes Kabel- und Medienmanagement – digital

1.2 Breitbandiges Multiplexing – mehrkanalige Systeme (FDM/FDD, OFDM, TDM/TDD, WDM/WDD, SDH/STM)

1.3 Einkanalige LAN-Technologie (CSMA/CD)

1.3.1 Physikalische Strukturierungs- und logische (Ent-/)Kopplungsformen

1.4 Breitbandige Parallelschnittstellen

1.4.1 Beispiel Industrie-PC innen und nach außen

1.4.2 Serialisiertes externes Storage Networking (einschl. USB Networking)

1.5 Strom und Spannung (einschl. PoE und PLC)

1.6 Digitale serielle HF-Spannungsschnittstellen

1.6.1 Basisband, Gleich- und Wechselspannungsverfahren der 0/1-Logik

1.6.2 Differentialverfahren, Manchester-Codierung

1.7 Digitale schnelle Lowest-Power-Datenschnittstellen

1.7.1 Pulsung (in Baud) und Informationscodierung auf geschlossenen Leitungskreisen

1.7.2 Speisung und Triggerung über Schleifenwiderstand

1.7.3 Impulsstörungen

2 Kabelkanalanlage

2.1 Der Außenbereich (outdoor)

2.2 Kabelführungen, CPs, Kassetten, Outlets, Tanks und Modularprogramme

2.3 Verteiler- und Schaltschrank-Programme

3 Vernetzungsmodelle für die Digitale Fabrik

3.1 Das Gitternetz (Factory Communication Grid)

3.2 Zellulare Überlagerung und das Sechseck (Hexagon)

3.3 Vernetzungstopologien

3.3.1 Liniennetz

3.3.2 Kette

3.3.3 (Teil- bzw. Voll-)Vermaschung

3.3.4 Bus

3.3.5 Cluster

3.3.6 Stern

3.3.7 Baum

3.3.8 Clos

3.3.9 Butterfly-Netzwerk

3.3.10 Ring(e)

4 Automatisierungskomponenten und Informationstechnik in der Digitalen Fabrik

4.1 Die Feld-, Steuerungs- und Prozessebenen sowie Leitebene

4.1.1 Sensorik und Aktorik, Devices und Server

4.1.2 Konventionelle funktionale Schnittstellen RS-232, RS-422/-423 und RS-485

4.1.3 Master-Slave(s)-Prinzip

4.1.4 Wesentliche Feldbus-Netztechniken und -Systeme auf der Basis von RS-485 oder Ethernet

4.2 Gebäudeleittechnik als Overlay-Netze

4.3 Bordnetze in der Automation und z. B. für Robotik

4.4 Zu den geforderten Echtzeitfähigkeiten

4.4.1 Verzögernde Übertragungssicherungsprotokolle und Polling

4.4.2 Echtzeit-Möglichkeit mit Kollisions-Technik

4.5 Grundlegendes und Aktuelles zu High-Speed- und Gigabit-Ethernet

4.5.1 Bus-Hub

4.5.2 Fast (dt.: schnell)/100 Mbit/s

4.5.3 Neue Transceiver-Schnittstelle

4.5.4 GEth und Lanes

4.5.5 Erweiterte offene Transceiver-Schnittstellen

4.5.6 Miniaturisierte Mehrfach-Steckertechnik

4.5.7 10GEth

4.5.8 40GEth und 100GEth

5 Informationstechnische Kupferkabel (wire) als digitales Übertragungsmedium

5.1 Struktur und Aufbauelemente

5.2 Allgemeine Leistungsmerkmale

5.2.1 Ausbreitungsverzögerung

5.2.2 Dämpfung unter Breitbandigkeit

5.2.3 Weitere Phänomene der HF-Technik auf festen Metallleitern

5.2.3.1 Rückfluss und Reflexionen

5.2.3.2 End-Cross-over Talking

5.2.4 Weitere dB-Semantiken

5.2.5 Elektrische und andere Widerstände unter Breitbandigkeit

5.2.6 Durchmesser und Querschnittsfläche von Massivleitern sowie „Güte“

5.2.7 Frequenz/Bandbreite der Leiter

5.3 Die 2-, 4- und 8-drähtigen HF-Kupferkabel

5.3.1 Kabelarten nach Schirmungsformen

5.3.2 Leitungs- und Kabelbündel

5.3.3 Breitbandige DSL- und andere Anschlüsse im Outdoor- und Indoor-Einsatz für die Digitale Fabrik

5.4 Steckverbindertechnik

5.5 Koaxialkabel

5.5.1 Koaxiale HF-Steckverbinder

6 Lichtwellenleiter (engl.: fibre optics) als digitales Übertragungsmedium

6.1 Vor- und Nachteile von LWL

6.2 Struktur und Aufbauelemente von Ein- bzw. Zwillings-LWL und Faserbündeln

6.3 Anmerkungen zur Optoelektronik

6.4 Brechungsprofile und „Indexe“ einschl. POF

6.5 Wellenlängen im Glasfasermedium und optische „Durchlass“-Fenster

6.5.1 Dämpfungen und Reichweiten

6.5.2 „Güte“ und Übertragungsklassen

6.5.3 Weitere dB-Semantiken bei LWL

6.6 Weitere Dispersionen

6.7 Planen mit Dämpfungsbudgets und „Link Margins“

6.8 Baud, Symbole und Wavelength Division Multiplexing (WDM, OFDM, Wide-WDM, CWDM, DWDM, Parallel Optics)

6.9 LWL-Steckverbinder

7 Digitalfunk

7.1 Spektrum, Frequenzen, Blöcke, Bänder und Kanäle

7.1.1 (Träger-)Frequenz-Management für wireless

7.1.2 Ausgangspunkte referierter Standards und Frequenzfestlegung

7.2 Funkfeldbeschreibungen

7.2.1 Das Medium Funk in der Wechselwirkung mit der Umgebung

7.2.2 Weitere Einflussparameter eines Funksystems und Einordnungskriterien nach Techniken

7.3 Aus dem Regulativ

7.3.1 Nicht öffentlicher fester Funk (nöF) zum und auf dem Betriebsgelände

7.3.2 Nicht öffentlicher mobiler Landfunk (nömL) für die Produktionsstätten

7.3.3 Kurzstrecken- und Nahbereichsfunk innerhalb und außerhalb des Betriebsgeländes für jedermann

7.3.4 Funk-LAN (WLAN) im Feld (auch engl.: Radio LANs, kurz RLANs)

7.3.5 Andere und ähnliche Techniken für Applikationen der Automatisierungstechnik

7.4 Optisch breitbandig

7.5 Öffentliche Netzdienste, breitbandig und zellular

7.6 Zeitsignalempfang und Verbreitung für äußerst präzise Produktionsabläufe

7.7 Ausblick

Vorwort

Was in der anwendungsneutralen Bürokommunikation und -automation an strukturierten Verkabelungskonzepten vor 20 Jahren normativ begann und sich bewährt hat, stellt sich neuen Herausforderungen innerhalb der modernen industriellen Produktionsstätte. Großer Wert ist auf innovative Weiterentwicklungen und aktuelle Technologien zu legen, die sich eingestellt haben bzw. in Aussicht stehen. Es gilt, sich das Wissen zu eigen zu machen, an welcher Stelle genau im und am Werk sowie im breitbandigem Umfeld (WAN, MAN) neue Technologien sinnvoll genutzt werden können. Universelle Konzepte kann es hier aber nicht geben, weder bei „passiver“ noch bei „aktiver“ Vernetzungstechnik.

Prinzipiell ist für die Digitale Fabrik von höheren Anforderungen, sprich von Höchstverfügbarkeit, Sicherheitsredundanz und Flexibilität auszugehen. Auch der erhebliche Mehrbedarf an digitaler Medientechnik auf Lang- und Kurzstrecke per Kabel sowie kabellos wird relevant. Die tatsächlichen Möglichkeiten für den Ausbau und deren Aufwand müssen im Vorfeld eingeschätzt werden.

Das Buch erhebt zudem den Anspruch, wenig bekannte Möglichkeiten für Industrie 4.0 aufzudecken, deren Implementierung ins rechte Bild zu rücken und auf den Weg zu bringen sowie Verweise auf Hindernisse und Einschränkungen und Abhilfemaßnahmen zu geben.

Der Autor versäumt nicht aufzuzeigen, wie sich verschiedene Erkenntnisse übertragen lassen und er hat Neues aus der Welt der Data-Center-Ausrüstungen mit eingebracht. Dieses Erkenntnisfundament ist nicht nur Ideengeber, sondern erleichtert jede Projektierung. Dies schließt auch die Weiternutzung von Bestehendem ausdrücklich ein. Leider sind viele Bezeichnungen in einer informationstechnischen Vorgehensweise nicht einheitlich, teilweise sogar unbestimmt. Es gibt unterschiedliche Herangehensweisen sowie verschiedene Betrachtungsweisen zur Digitalisierung. Fachübergreifende und spezifische Synonyme, Abkürzungen (deutsch, englisch) und Anglizismen von wichtigen Fachwörtern werden deshalb erläutert.

Das Anliegen des Autors ist, die infrage kommenden Digitalmedien: „wired“ als Metalleiter, Lichtwellenleiter und „wireless“ als Digitalfunk für die Praxis darzustellen. Diese sind sich in kommunikationstechnischen Mechanismen und Abläufen bei digitalisierten Produktionsmitteln sehr ähnlich geworden und daher in vielerlei Hinsicht miteinander vergleichbar. Dies wird an Merkmalen für die Informationstechnik und Automation in der Digitalen Fabrik und nach Einsatzbereichen erläutert – auch kombiniert und innerhalb einer Übersicht hinreichend differenziert.

Dieses Fachbuch eignet sich als einführendes Lehrbuch zur schematischen Visualisierung genauso wie als Nachschlagewerk und wendet sich gleichermaßen an Entscheider, Hersteller, Management, IT-Verantwortliche, Entwicklungsingenieure und Automatisierungstechniker.

Einleitung

Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen, die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden. Das Ziel der digitalisierten Fabrik ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Strukturen, Prozesse und Ressourcen der realen Fabrik in Verbindung mit dem Produkt. Verschiedene Initiativen, unterschiedliche Aspekte und Gegenstände im Fokus, haben sich in diesem Zusammenhang gebildet, wie die Plattform Industrie 4.0, Smart Factory, intelligente Fabrik, Factory of the Future (FoF), Connected Factory, Industrial Internet-of-Things (IIoT), IIC etc., mit der Zielsetzung der Vollautomatisierung bzw. einem höheren Grad an erreichbarer sicherer Automatisierung produktionstechnischer Einheiten, einschließlich dem Anlagenbau, basierend auf untereinander vernetzbaren und kommunizierenden Systemen und Teilsystemen.

Zum „was man dazu braucht“ einschließlich angesagter neuer Technik gehört auch, autonome Produktionsprozesse untereinander abzustimmen und zu verknüpfen; dies geht über rechnergestützte Fertigungsabläufe hinaus. Von der Vorstellung der einheitlich durchgängigen aktiven oder nur passiven Vernetzung für IKT (Informations- und Kommunikationstechnologie, engl.: Information and Communication Technology, kurz ICT) wurde Abstand genommen. Im Sinne einer Unternehmensstrategie „Kabelnetze als Dienste-Plattform“ ist diesem aber weiterhin und verstärkt gerecht zu werden. Nämlich dann, wenn es um Schwerpunkte mit Bestand für die Zukunft geht. Eine gewisse Durchlässigkeit (diese ebenso automatisiert) der Ebenen der so genannten Automatisierungspyramide ist anzusetzen, wobei diese vom Prinzip her beibehalten wird, ganz im Sinne eines MES (Manufacturing Execution Systems).

Die Digitalisierung der industriellen Fertigungsprozesse selbst ermöglicht neuartige Erschließungen und muss sich konkret in der Vernetzung widerspiegeln. Es ist wie ein Zusammenwachsen zweier Welten: IT (Informationstechnik) und Automation. Deren Berührungspunkte und bereits eingetretene Überschneidungen nehmen hier einen großen Raum ein, insbesondere hinsichtlich der Eigenschaften, Sinn und Zweck, Digitalfunktionalität und Leistungsfähigkeit. Der Autor gibt dem Leser einen Überblick und Einblicke an die Hand, was es alles an relevanten Details zu beachten gilt: So kann für den Einsatzbereich Produktion das Netz an Daten selbst entwickelt bzw. konzipiert, zur Entscheidung gebracht und erfolgreich praktisch umgesetzt werden.

Hierbei wird ein infrastruktureller Ansatz verfolgt, bei dem in Grundzügen eine Vernetzung und deren Technik als kabelbehaftet und kabellos Bestand haben soll, wohl aber auch bei Änderungen und im Wandel generell zukunftsorientiert ist.

Ausgangspunkt der strukturellen Betrachtungen sind zielgerichtete bauliche Vorbereitungsmaßnahmen, aus Gründen der Anschaulichkeit vornehmlich in geschlossenen Arealen. Für die innen wie nach außen digital vernetzte Produktionsstätte wäre man damit weitgehend für Industrie 4.0 vorbereitet, die gebotene Erreichbarkeit und Konnektivität wird berücksichtigt.

1 Neue Anforderungen in der Digitalen Fabrik