Höchstrobuste Drahtloskommunikation im industriellen Einsatz

Im Projekt HODRIAN wird ein neues Funkübertragungsverfahren entwickelt, das die hohen Anforderungen des industriellen Einsatzes, vor allem im Hinblick auf die Zuverlässigkeit, erfüllt. Das Fraunhofer ESK trägt dazu ein entsprechendes Frequenzmanagementverfahren bei.

Schmuckbild Kfz-Fabrikhalle mit Hängebahn
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In fast allen Konzepten und Szenarien der Industrie 4.0 spielen Drahtlostechnologien eine entscheidende Rolle. Das gilt ganz besonders vor dem Hintergrund eines deutlich ansteigenden Bedarfs an Flexibilität und Mobilität in der industriellen Fertigung.

Dennoch werden drahtlose Lösungen in der Industriekommunikation eher zurückhaltend verwendet. Das gilt besonders für kritische Anwendungen der Fabrikautomatisierung wie die Steuerung von Maschinen und Anlagen. Der Grund: Es existieren sehr strikte zeitliche Anforderungen im Millisekunden-Bereich an die Latenz, um auf unvorhergesehene Ereignisse, zum Beispiel Betriebsstörungen, sehr schnell reagieren zu können.

Diese Anforderungen werden normalerweise eher von Kabelsystemen eingehalten als von gängigen Drahtlostechnologien, bei denen die erforderliche Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit fehlt. Allerdings überzeugt die Funkkommunikation durch eine höhere Flexibilität bei geringeren Kosten.

Einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Zuverlässigkeit drahtloser Industriekommunikation bietet Cognitive Radio (CR). CR ermöglicht industriellen Netzknoten, auch in stark gestörten Funkumgebungen die geforderte Zuverlässigkeit zu erreichen. Das beruht auf intelligenten Zugriffsverfahren, welche die zur Verfügung stehenden Funkkanäle kennen und dynamisch zuweisen. Dabei werden sämtliche Änderungen des Funkverkehrs berücksichtigt, wie sie beispielsweise in dynamischen und flexiblen Umgebungen einer intelligenten Fabrik der Zukunft vorkommen.

CR ist im Projekt Hodrian (chstrobuste, drahtlose Kommunikationskomponenten für industrielle Anwendungen) von zentraler Bedeutung. Hodrian verfolgt das Ziel, kognitive und höchst zuverlässige Drahtlostechnologien zu entwickeln. Diese müssen die hohen Anforderungen im angestrebten industriellen Einsatz erfüllen. Partner sind das Fraunhofer ESK, die RWTH Aachen, die IMST GmbH und die Paul Vahle GmbH. Die im Projekt entwickelten Algorithmen und Konzepte sollen abschließend in einen Prototypen integriert werden.

Industriekommunikation in lizenzfreien ISM-Bändern

Ein Anwendungsfeld von Hodrian ist die Drahtloskommunikation in den ISM-Bändern (Industrial, Scientific, Medical). Für deren Nutzung fallen keine Lizenzkosten an, weshalb ihr Einsatz in der Industrie verbreitet ist. Jedoch werden die ISM-Bänder in den meisten Fällen nur für unkritische Anwendungen genutzt, wie beispielsweise Betriebsüberwachung und Sensordaten-sammlung. Der Grund dafür ist, dass das Erfüllen von Echtzeitanforderungen bei geringen Delays in den ISM-Bändern schwer zu realisieren ist. Das liegt an der oftmals sehr heterogenen Funkumgebung und dem damit verbundenen unkoordinierten Medienzugriff der Netzknoten, die innerhalb dieser Bänder arbeiten.

Eine weitere Schwierigkeit bereitet die zunehmende Konzentration heterogener Drahtlostechnologien in den ISM-Bändern, die um einen Platz im Funkspektrum konkurrieren. Das beansprucht die verfügbaren Ressourcen, infolgedessen nimmt die Übertragungsqualität ab.

Kognitives Frequenzsprungverfahren

Im Projekt Hodrian entsteht ein Verfahren, um den wachsenden Anforderungen im Industrieeinsatz gerecht zu werden. Dabei kommen adaptive Funksysteme zum Einsatz, welche die Umgebung wahrnehmen und das Kommunikationsverhalten entsprechend anpassen. Das Fraunhofer ESK stattet die Netzknoten mit kognitiver Kompetenz aus, damit strenge Quality-of-Service-Anforderungen eingehalten werden können.

Dabei werden die Qualität des Kommunikationskanals und die Kanaleigenschaften anhand von neuartigen Signalverarbeitungs- und Klassifizierungsalgorithmen beurteilt. So können Störer im Funkspektrum identifiziert werden. Ziel ist es, etwa in den lizenzfreien ISM-Bändern eine echtzeitfähige Kommunikation mit einem Delay im Bereich weniger Millisekunden zu erreichen.

Der kognitive Ansatz stützt sich auf drei wesentliche Schritte:

  • Interferenz‑/Störungserkennung:
    Das beeinträchtigte System erkennt auf dem Kommunikationskanal Störungen und identifiziert ihren Typ, indem ausgeklügelte Algorithmen zur Signal-erkennung verwendet werden.
  • Qualitätsbeurteilung des Kanals:
    Die Qualität des Kommunikationskanals wird auf Grundlage der erkannten Störer sowie deren Merkmale erfasst und beurteilt.
  • Frequenzsprung:
    Schließlich erfolgt ein spontanes Umschalten auf den besten Kanal, der die erforderliche QoS gewährleistet.

Die industrielle Nutzung

Die entwickelte Kommunikationstechnologie soll in ein Einschienen-Hängebahnsystem eingebaut werden, das für den Transport von Materialien und Gegenständen innerhalb von Fabriken verwendet wird. Die Steuerungsdaten müssen zwischen dem Backbone-Netzwerk und den verschiedenen sich bewegenden Teilen bzw. Autos kommunizieren. Solche Daten erfordern sehr schnelle Reaktionszeiten.

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.