Es ist nicht die Größe, Marke oder das Modell eines Krans oder Staplers in einer metallurgischen Anlage, das die Produktion begrenzt.’’ Vielmehr geht es darum, wie gut die Geräte auch unter widrigen Bedingungen mit den Steuerungssystemen verbunden bleiben können.’
Die Folgen eines Verbindungsverlusts sind gravierend: Wenn eine kritische Maschine nicht mit dem Kontrollraum verbunden bleiben kann, beschränken sich die Risiken nicht nur auf Ausfallzeiten, sondern umfassen auch herabfallende Lasten, beschädigte Anlagen und Verletzungen von Arbeitern.’’—
Mit der zunehmenden Automatisierung von Produktionsanlagen werden die drahtlosen Netzwerke, die Maschinen, SPS und Kontrollräume miteinander verbinden, genauso wichtig wie die Anlagen selbst. Dieser Wandel legt die Grenzen herkömmlicher kabelgebundener und drahtloser Ansätze offen und liefert damit ein starkes Argument für PRP-basierte industrielle Drahtloslösungen, die eine Echtzeitsteuerung gewährleisten und die Sicherheit von Produktion und Menschen gewährleisten.——
Metallurgische drahtlose Netzwerke müssen ein hohes Leistungsniveau bieten.
Industrielle drahtlose Netzwerke ermöglichen die lebenswichtigen Verbindungen zwischen Anlagen und Kontrollzentren und unterstützen Echtzeitsteuerung, Statusrückmeldung und Sicherheitsüberwachung bei automatisierten Abläufen.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss das drahtlose Netzwerk einer metallurgischen Anlage SPS- und CCTV-Videodaten von den Maschinensteuerungssystemen zuverlässig und gemäß den jeweiligen Übertragungsanforderungen an den Host-Computer und den Kontrollraum übertragen.’
SPS-Steuerungsdaten
Hohe Stabilität und geringe Latenz sind bei der Übertragung von SPS-Steuerungsdaten erforderlich, um die Genauigkeit und Sicherheit des Anlagenbetriebs zu gewährleisten:
- Paketverlustrate von weniger als 1 (nicht mehr als zwei aufeinanderfolgende Paketverluste)‰
- Maximale Übertragungsverzögerung von weniger als 50 ms
CCTV-Videodaten
Klare Bilder und Datenübertragung in Echtzeit müssen gewährleistet sein, um eine zuverlässige visuelle Unterstützung für Fernüberwachung und Entscheidungsfindung zu bieten:
- Keine Frame-Drops oder Ruckler.
- Maximale Übertragungsverzögerung von weniger als 50 ms
Warum herkömmliche Netzwerke in metallurgischen Anlagen versagen
Herkömmliche kabelgebundene und drahtlose Netzwerklösungen haben Schwierigkeiten, die beiden Anforderungen an Stabilität und Effizienz zu erfüllen, die für metallurgische Prozesse von zentraler Bedeutung sind.
Da die Geräte immer größer und mobiler werden, eignen sich herkömmliche Ansätze aus zwei wichtigen Gründen immer weniger für diese rauen, hochdynamischen Umgebungen.
1. Kabelgebundene Systeme erhöhen die Ausfallrate und den Wartungsaufwand.
Schaufelradbagger, Stapler und Rückgewinnungsfahrzeuge verwenden häufig ein fotoelektrisches Verbundkabelsystem (eine kabelgebundene Lösung, bei der sich das Kabel ausdehnt und zusammenzieht und sich mit der Bewegung des Geräts mitbewegt).
Dies kann jedoch verschiedene Probleme verursachen.
- Starker mechanischer Verschleiß: Langfristige Reibung und Biegung führen zum Bruch von Kabeln. Zum Beispiel kann der Kabelwechselzyklus für Brückenkrane aufgrund der ständigen Bewegung und des wiederholten Biegens unter hoher Last nur drei bis sechs Monate betragen.
- Hohe Wartungskosten: Der Austausch von Kabeln erfordert Ausfallzeiten. Eine einzelne Wartungssitzung dauert zwischen vier und acht Stunden, was sich auf die Produktionspläne auswirkt.
- Erhebliche Kostensteigerung: Ein einzelnes optoelektronisches Verbundkabel kann Tausende von Dollar kosten. In Verbindung mit dem häufigen Austausch sind die langfristigen Kosten wesentlich höher als bei einer drahtlosen Lösung.
2. Konventionelle industrielle Drahtloslösungen weisen kritische Lücken auf.
Während Punkt-zu-Punkt-, Roaming- und 5G-Funklösungen das Problem der kabelgebundenen Mitführung lösen, indem sie die Notwendigkeit beseitigen, dass Kabel der sich bewegenden Ausrüstung physisch folgen, bringen sie neue Herausforderungen mit sich. “” Beispielsweise sind sie nach wie vor unzureichend, wenn es um den Umgang mit den extremen Umgebungsbedingungen und den strengen Anforderungen an die Datenübertragung in metallurgischen Anlagen geht.
Einzelne Fehlerquellen gefährden die Produktionssicherheit
Typische drahtlose Lösungen basieren auf einer einzigen Übertragungsverbindung. Im Falle eines Fehlers kann dies zum Kontrollverlust der Anlage führen (z. B. Not-Aus bei einem Brückenkran) oder einen Sicherheitsunfall verursachen (z. B. eine herabfallende Stahlspule).
Was verursacht Ausfälle drahtloser Netzwerke? Zu den Hauptverantwortlichen gehören:
- Hardwareprobleme: Hohe Temperaturen oder Vibrationen beschädigen Schalter, optische Module, Netzwerkkabel oder andere Geräte.
- Umwelteinflüsse: Durch Metallstaub werden Signale blockiert, Geräte altern aufgrund hoher Temperaturen schneller, und Schnittstellen können sich durch mechanische Vibrationen lockern.
- Funkkonflikte: Andere drahtlose Anwendungen innerhalb der Fabrik, wie z. B. durchfahrende Fahrzeuge, tragbare Datenterminals und Geräteüberwachung, belegen Kanäle und verursachen Signalstörungen.
Strenge Anforderungen an Zuverlässigkeit und Latenz
Industrielle Kommunikationsprotokolle in metallurgischen Anlagen (wie PROFINET, PROFIBUS und PROFIsafe) unterliegen strengen Echtzeitanforderungen. Herkömmliche drahtlose Lösungen können dieses Leistungsniveau aus vielen Gründen nicht unterstützen.’
- Unzuverlässige Sichtverbindungen : Die Punkt-zu-Punkt-Funkverbindung in der Industrie ist anfällig für Störungen, und die Paketverlustraten steigen stark an, wenn das Signal unterbrochen wird.
- übermäßige Übergabeverzögerung Die Umschaltverzögerung der Roaming-Lösung liegt zwischen 100 ms und 300 ms und überschreitet damit den Schwellenwert von 50 ms deutlich.
- Instabile Funkumgebung: Die Kompatibilität des 5G-Industrieprotokolls ist schwach, und in Gebieten mit hoher Metalldichte kommt es häufig zu Dämpfung durch Signalreflexionen, was zu Verzögerungsschwankungen führt.’
Einsatz von Geräten in Industriequalität
Um Kosten zu sparen, verwenden einige Hüttenwerke drahtlose Geräte in Industriequalität. Dieses Gerät ist nicht für den Betrieb unter hohen Temperaturen, Vibrationen oder Staub ausgelegt.’ Auch wenn es kurzfristig funktionieren mag, birgt die Verwendung von Geräten für Endverbraucher erhebliche langfristige Risiken.
Beispielsweise reduziert sich die Lebensdauer des Geräts in Umgebungen mit Temperaturen über 60 Grad Celsius (140 Grad Fahrenheit) auf nur wenige Monate. Staub verursacht Kurzschlüsse und führt zu Kettenreaktionen von Ausfällen.
Die drahtlose PRP-Technologie eignet sich gut für metallurgische Anlagen.
Das Parallel Redundancy Protocol (PRP) hat sich zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt, um die Herausforderungen drahtloser Netzwerke in der metallurgischen Industrie zu bewältigen. Mit seinem einzigartigen Dual-Link-Hot-Standby-Mechanismus behebt es die Schwachstellen vieler herkömmlicher Lösungen.
Sein Hauptvorteil liegt in seiner Fähigkeit, die parallele Übertragung über zwei physische Verbindungen aufrechtzuerhalten und so Redundanz ohne Paketverlust und Latenz zu erreichen, ohne dass ein Switching erforderlich ist.
Wie PRP in der Praxis funktioniert
Traditionelle Redundanzprotokolle, wie beispielsweise das STP-Ringprotokoll, verwenden ein „Fail-then-Switch“-Modell, bei dem der Datenverkehr erst dann auf eine Backup-Verbindung umgeleitet wird, wenn ein Fehler erkannt wird, was zu Verzögerungen führt.
Im Gegensatz dazu verwendet PRP ein Modell mit zwei aktiven Verbindungen und Auswahl des ersten Eintreffens, bei dem beide Verbindungen gleichzeitig den gleichen Datenverkehr transportieren. Das zuerst eintreffende Paket wird verwendet, das Duplikat wird verworfen.
PRP-Netzwerkfunktionen für metallurgische Anlagen
PRP-Technologie entspricht IEC 62439, einem internationalen Standard, der Redundanz ohne Wiederherstellungszeit für unternehmenskritische industrielle Ethernet-Systeme definiert. Es ist so konzipiert, dass die Kommunikation auch dann aufrechterhalten wird, wenn Verbindungen oder Geräte ausfallen.
Diese auf Standards basierende Grundlage ermöglicht die Kernfunktionen, die in metallurgischen Anlagen am wichtigsten sind.
- Null Wiederherstellungsverzögerung Wenn eine einzelne Verbindung ausfällt, überträgt die andere Verbindung die Daten sofort ohne Paketverlust oder Unterbrechung und erfüllt so die Latenzanforderungen von SPS- und Videodaten.
- Kompatibilität mit transparenter Ebene 2 PRP wird in Schicht 2 implementiert, erfordert keine Änderungen an der Anwendungssoftware und kann industrielle Protokolle wie PROFINET und PROFIBUS nahtlos übertragen.
- Flexible Topologieanpassung Unterstützt jede Netzwerktopologie, einschließlich Stern-, Ketten- und Ringnetzwerke, durch Anpassung an die komplexe Geräteverteilung in metallurgischen Anlagen.
- Unabhängige Dual-Link-Bereitstellung Die beiden Verbindungen sind physisch oder logisch voneinander getrennt (unterschiedliche Frequenzbänder, Pfade, Montageorte usw.), um zu verhindern, dass ein einzelner Fehler oder eine einzelne Störung beide Verbindungen gleichzeitig beeinträchtigt.
Auswirkungen von PRP auf metallurgische Prozesse
Im täglichen Betrieb bietet die PRP-Vernetzung klare Vorteile in Bezug auf Stabilität, Sicherheit und Kosten.
- Bessere Netzwerkstabilität: Dual-Link Hot Standby eliminiert Single Points of Failure von der Wurzel an, hält die Datenpaketverlustrate unter 0,1‰ und das Risiko eines kontinuierlichen Paketverlusts nahe Null.
- Anpassungsfähigkeit an die Umwelt: Die physikalische Doppelgelenkisolierung vermeidet die konzentrierten Auswirkungen von Staub, hohen Temperaturen und metallischen Hindernissen.
- Verbesserungen der Produktionssicherheit: Ein Kontrollverlust der Anlagen aufgrund von Netzwerkausfällen wird verhindert, wodurch Sicherheitsvorfälle reduziert werden.
- Langfristige Kostenoptimierung: Wartungshäufigkeit und Ausfallzeiten werden reduziert. Obwohl die anfänglichen Bereitstellungskosten höher sind als bei der Single-Link-Lösung, werden die Gesamtkosten über den gesamten Lebenszyklus um mehr als 30 % reduziert.
Belden unterstützt Hüttenwerke bei der Modernisierung ihrer drahtlosen Netzwerke.
Das Team von Experten für industrielle Netzwerke bei Belden hat eine Komplettlösung für die metallurgische Industrie auf Basis des PRP-Protokolls entwickelt, die bereits in vielen inländischen Stahlwerken erfolgreich im Einsatz ist.
Mit redundanter Doppelverbindung, robuster Konstruktion für den Einsatz in rauen Umgebungen (Betriebstemperaturen von -40 °C bis 70 °C), Schutzart IP67 (Staub- und Wasserbeständigkeit) und voller Kompatibilität mit Industrieprotokollen bietet es eine zuverlässige und widerstandsfähige Übertragung für metallurgische Anlagen wie Brückenkrane, Stapler und Rückgewinnungsanlagen.
Unsere Kundeninnovationszentren (CICs) ermöglichen es Ihnen, diese Lösungen unter realen Bedingungen entwickelt, getestet und validiert zu sehen, damit Sie erkennen können, was möglich ist. Im Shanghai CIC können Sie beispielsweise die PRP-Technologie in Aktion sehen und ein tieferes Verständnis dafür gewinnen, wie drahtlose Netzwerk-Upgrades die Effizienz und Sicherheit in der metallurgischen Produktion verbessern.
Erfahren Sie mehr über das PRP-Protokoll
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