Wer kommunizieren will, sollte das möglichst unabhängig von einem festen Platz austun können. Trotzdem setzen Anlagen in der Industrie 4.0 immer noch auf die vergleichsweise starre, kabelgebundene Kommunikation. Die Nachteile selbst modernster Drahtlostechnologien scheinen zu übermächtig. Im Projekt Hodrian setzen sich Forscher nun dafür ein, die Drahtloskommunikation für den industriellen Einsatz so weiterzuentwickeln, dass das teure Kabel oftmals überflüssig wird.

Kennen Sie noch das Kinderspiel »Stille Post«? Dass dieser Flüsterspaß auch heute noch gespielt wird liegt wohl daran, dass er mit einfachsten Mitteln und an jedem Ort umsetzbar ist: Nutze eine drahtlose, direkte, aber störanfällige Kommunikation (die Sprache), um eine Botschaft (ein Wort) über mehrere Stationen (Kinder) von A nach B weiterzugeben. Und beobachte dann wie sehr sich Ursprungsinformation und Endinformation voneinander unterscheiden. So wird aus »Fußball« der »Großknall« und aus dem »Hausmeister« der »Brausekleister«. Was für den Nachwuchs lustig ist, kann in der industriellen Produktion zu einer regelrechten »Katastrophe« führen. In den Kommunikations-Konzepten und Horror-Szenarien von Industrie 4.0 geht es dabei natürlich nicht um Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen, die sich in Reihe aufstellen, um einander Schlüsselbegriffe zuzuflüstern. Es geht um Kommunikationssysteme, die zur Steuerung von Maschinen und Anlagen Informationen untereinander austauschen. Um Steuersignale von anderen Anlagen oder gar vom Zentralcomputer zu senden oder empfangen, haben die Konstrukteure von Produktionsanlagen prinzipiell zwei Möglichkeiten der Verbindung: Zum einen eine Vernetzung via Kabel. Das ist der klassische Weg. Er ist sicher. Er ist schnell. Und er ist zuverlässig. Aber er ist auch vergleichsweise kostenintensiv und hochgradig unflexibel.

Eine Vernetzung via Drahtloskommunikation zeichnet sich hingegen durch vergleichsweise geringe Kosten und eine hochgradige Flexibilität aus. Aber sie bringt gleichzeitig auch zwei deutliche Nachteile mit sich. Zum einen ist das die relativ häufige Anfälligkeit gegenüber Störungen. Der drahtlose Informationsaustausch ist zum anderen auch nicht so leistungsfähig wie der kabelgebundene, denn die Latenzzeit ist höher, als bei unvorhergesehenen Ereignissen meist noch vertretbar wäre. Kommt es beispielsweise zu einer Betriebsstörung, kann die langsamere Reaktion durch die drahtlose Kommunikation das Ausmaß eines Schadens deutlich erhöhen.

Höchst robuste, drahtlose Kommunikation

Im Forschungsprojekt »Hodrian« (Höchstrobuste, drahtlose Kommunikationskomponenten für industrielle Anwendungen), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird, wollen die Forscher am Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK gemeinsam mit verschiedenen Partnern Möglichkeiten finden, wie die Vorteile der drahtlosen Kommunikation im industriellen Einsatz umfassender genutzt werden können. Robustheit, geringe Kosten, Sicherheit und eine mit kabelgebundenen Systemen vergleichbar kurze Latenzzeit sind dabei wesentliche Ansätze. »Hodrian verfolgt das klare Ziel, kognitive und höchst zuverlässige Drahtlostechnologien zu entwickeln«, fasst Projektleiter Ahmad Saad vom Fraunhofer ESK zusammen. Sein Team und er setzen dabei auf Cognitive Radio (CR). »CR hat den Vorteil, auch bei stark gestörten Funkumgebungen die geforderte Zuverlässigkeit zu erreichen«, betont Saad.

Um den wachsenden Anforderungen im Industrieeinsatz gerecht zu werden, setzen die Forscher die Vorteile von CR durch ein neuartiges, »kognitives Frequenzsprungverfahren« um. Dafür werden adaptive Kommunikationssysteme entwickelt, die die Funksituation in ihrer Umgebung wahrnehmen und ihr Kommunikationsverhalten entsprechend anpassen. »Unsere Systeme können beobachten, welche anderen Systeme bereits existieren und was diese für Eigenschaften haben. Dann passen sie ihre Kommunikationsparameter an«, erläutert Saad. Um das möglich zu machen, müssen ‚Freund‘ und ‚Feind‘ aber auseinandergehalten werden. »Wir nutzen deshalb neuartige Signalverarbeitungs- und Klassifizierungsalgorithmen. Sie helfend dabei, die Kanaleigenschaften und die Qualität des jeweiligen Kommunikationskanals zu beurteilen«, sagt Saad. Mit diesem Ansatz können nun nicht nur Störer im Funkspektrum identifiziert werden. Die Kommunikationseinrichtung kann auch nahtlos auf den Kanal umschalten, der die jeweils erforderlichen Servicequalitäten aufweist.

Nutzen der lizenzfreien ISM-Bänder für die Drahtloskommunikation

Mithilfe dieses Verfahrens wird es auch möglich, die für den industriellen Einsatz eigentlich prädestinierten ISM-Bänder zu nutzen. ISM steht für »Industrial, Scientific und Medial« und diese Bänder können eigentlich lizenzfrei genutzt werden. Zum Einsatz kamen die Frequenzen innerhalb der ISM-Bänder bislang allerdings fast ausschließlich bei zeitlich unkritischen Anwendungen wie beispielsweise der Überwachung des Betriebs. Ahmad Saad sieht dafür einen wesentlichen Grund: »Es kommt aufgrund der meist heterogenen Funkumgebung und dem damit verbundenen unkoordinierten Medienzugriff der Netzknoten, die mit diesen Bändern arbeiten, immer wieder zu Verzögerungen und Ausfällen bei der Übertragung.«

Mithilfe des kognitiven Ansatzes bei Hodrian wollen die Forscher diese Nachteile nun systematisch reduzieren. Der »Clou« dabei ist eine besondere Intelligenz, mit der Kommunikationssysteme ausgestattet werden: »Während herkömmliche Funksysteme die Informationen sozusagen in Fahrzeuge packen und diese dann die Straße entlangfahren und den besten Weg suchen, ‚überlegen‘ sich Hodrian-Systeme vorher den idealen Weg, bevor ein Informationsfahrzeug losgeschickt wird«, erklärt Saad. Das Ergebnis ist eine so deutliche Verringerung der Latenzzeiten, dass die drahtlose Kommunikation den Vergleich mit der kabelgebundenen nicht mehr scheuen muss. Parallel dazu verbessert sich die Zuverlässigkeit der Übertragung um das bis zu Tausendfache.

Ein erster Demonstrator, der einzelne Testszenarien verfassen und durchführen soll, ist mittlerweile in Vorbereitung. Verläuft auch diese Entwicklung erfolgreich, könnten die Ergebnisse von Hodrian der Industrie schon in den kommenden Jahren zur Verfügung gestellt werden. (aku)

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