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Infrastruktur & Hardware

Systeme im Funkspektrum verteilen

Wenn Werkstücke, Werkzeuge und Produktionsanlagen dynamisch miteinander interagieren und sich flexibel steuern und warten lassen sollen, geht das nur drahtlos. Damit die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit auch bei zunehmendem Funkverkehr erfüllt werden, unterstützt das Fraunhofer ESK mit seiner Eigenentwicklung Awair Unternehmen bei der professionellen Planung ihrer Funknetze.



Bild: Fraunhofer-Institut ESK

Ein für alle Anwendungen passendes Funksystem gibt es nicht und häufig sind selbst in Produktionsanlagen Technologien aus dem Consumer-Bereich im Einsatz, die nie für industrielle Anwendungen bestimmt waren. Zudem ist die Ressource Funkspektrum begrenzt und bereits heute stark ausgelastet. Werden dann noch Besonderheiten vor Ort nicht berücksichtigt, wie die Übertragung dämpfender Stahltüren oder Maschinenteile, sind Kommunikationsprobleme vorprogrammiert. Die fachmännische Planung und laufende Überwachung der Funknetze während des Betriebs ist daher Voraussetzung, um die für industrielle Zwecke nötige Dienstgüte aufrecht zu erhalten und das Potenzial von Funk für die Industrie voll ausnutzen zu können. Bei der Auswahl einer Funktechnologie müssen deren Eigenschaften eng an den Anforderungen der Anwendung und den Vor-Ort-Bedingungen gespiegelt werden: Wo lässt sich ein Funksystem sinnvoll in ein bestehendes Netz einfügen? Wie kann ein Funknetz optimiert und seine Zuverlässigkeit gesteigert werden? Antworten darauf gibt das Softwaretool Awair: Es analysiert das Frequenzspektrum am Einsatzort und bewertet die Ergebnisse. So entsteht ein Bild von der Integrierbarkeit neuer Funksysteme und davon, welche Anpassungen Störungen entgegenwirken können. Koexistenzprobleme, also das nicht reibungslose Zusammenarbeiten verschiedener Funksysteme, drohen bei den in Europa lizenzfrei für die Industrie nutzbaren Frequenzbändern vor allem im 2,4-Gigahertz-ISM-Band. Es ist wenig reglementiert, hat eine hohe Bandbreite und ist sehr robust gegenüber typischen industriellen Interferenzquellen wie Lichtbogenschweißen, Leistungsschaltanlagen, Relais oder Antrieben. Deshalb wird es häufig genutzt – auch von den im industriellen Umfeld gängigsten Funkstandards wie WLAN, Zigbee, WirelessHart und Bluetooth.

Störungsfreier Betrieb

Doch obwohl einige der Funktechnologien den vorhandenen Funkverkehr bis zu einem gewissen Grad berücksichtigen und sich anpassen, kann das alleine den störungsfreien Betrieb mehrerer Funksysteme im selben Raum nicht sicherstellen. Denn leider sind die Kanalzugriffsverfahren meist untereinander nicht kompatibel und einige Technologien greifen völlig randomisiert auf das Spektrum zu. Lange Übertragungszeiten oder Kollisionen mit Übertragungsfehlern sind die Folge. Das Softwarepaket des Fraunhofer ESK deckt solche Probleme auf und unterstützt beim effektiven Koexistenzmanagement. Welche Funktechnologie letztlich zum Einsatz kommen sollte, ist stark von diesen Analysen abhängig. Ist eine schnelle Datenübertragung mit kleinen Latenzzeiten wichtig, bietet sich die lokale Funktechnologie WLAN an. Müssen große Reichweiten überbrückt werden, kann man auf zelluläre Funktechnologien wie GSM/GPRS, UMTS/HSDPA oder LTE setzen. Die erfordern zwar einen Vertrag mit einem Mobilfunkprovider, bieten aber die Möglichkeit, Informationen zum Beispiel per SMS an ein Endgerät zu übertragen und sind daher für die Fernwartung interessant. Technologien wie RFID sind nur für kleine Reichweiten geeignet, haben ihre Vorteile aber im geringen Energieverbrauch, der vor allem für batteriebetriebene Geräte oder energieautarke Systeme wichtig ist.

Technik kombinieren

Häufig wird ein einzelnes drahtloses System nicht allen Anforderungen gerecht. Dann können Anpassungen und die Kombination verschiedener Technologien und Verfahren Abhilfe schaffen. So lassen sich kurze Reichweiten beispielsweise mit dem Multi hop-Verfahren kompensieren, wodurch auch große Strecken energiesparend überbrückt werden können. Außerdem schafft diese Methode Redundanzen durch Alternativpfade und damit eine höhere Ausfallsicherheit. Das Fraunhofer ESK unterstützt Unternehmen bei der Auswahl der für das jeweilige Einsatzszenario geeigneten Standards, Protokolle und Algorithmen. Wo kein Standard-System den Anforderungen gewachsen ist, lösen die Wissenschaftler das Problem mit speziell zugeschnittenen Entwicklungen. Für den zuverlässigen Betrieb müssen auch sorgfältig geplante Funknetze laufend überwacht werden. Denn Übertragungsstörungen kommen oft von unerwarteter Seite: Neben dem Ausfall eines Übertragungsknotens nutzen beispielsweise auch Bluetooth- und WLAN-Sender mitgebrachter Handys das 2,4-Gigahertz-Band, ebenso wie Überwachungskameras und Mikrowellenöfen in den Fabrikhallen. Auch hierfür bietet Awair eine einfache und wirtschaftliche Lösung: Mit leistungsfähigen Algorithmen und anpassbaren Bewertungsmetriken werden während des Betriebs das Frequenzspektrum und die Qualität der Funkübertragung überwacht. Dabei arbeitet es autark und verhält sich komplett passiv. So kann es relativ einfach in ein bestehendes Firmennetz integriert werden. Da es als Hardware nur handelsübliche Router und einen PC als zentralen Server braucht, ist es eine kostengünstige Lösung zur frühzeitigen Erkennung von Übertragungsfehlern und zur Vorbeugung teurer Betriebsausfälle. Ein gründliches Koexistenzmanagement erhöht nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern dient auch der effektiven Ausnutzung der Ressource Funkspektrum. Für eine zunehmend flexible Produktion im Kontext von Industrie 4.0 wird der Anteil an drahtlosen Datenübertragungen deutlich steigen.

Sinnvolle Verteilung

Die Lösung hilft bei einem Koexistenzmanagement, das durch eine sinnvolle Verteilung der Systeme entlang des Funkspektrums mehr Raum für weitere Übertragungen schafft. Zudem erarbeitet das Fraunhofer ESK derzeit einen Cognitive Radio-Prototyp, der das Spektrum kontinuierlich beobachtet und seine Sende- und Empfangsparameter optimal an den Kanalzustand anpasst. Bei der starren Zuweisung einer festen Frequenz pro System entstehen meist große zeitliche Lücken in den genutzten Kanälen, weil die wenigsten Funksysteme permanent senden. Mithilfe prädiktiver Kanalzugriffsmethoden findet und belegt Cognitive Radio diese Übertragungslücken dynamisch. Damit ist es vor allem in stark ausgelasteten industriellen Umgebungen ein viel versprechender Ansatz für zuverlässige Datenverbindungen. In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt überführt das Fraunhofer ESK mit seinen Partnern die bisher überwiegend theoretischen Erkenntnisse zum prädiktiven Medienzugriff in einen Prototyp. In diesem beobachtet ein zentraler Koordinator das Spektrum, wertet die Verkehrsmuster aus und gibt seine Erkenntnisse an die Knoten weiter, die Daten übertragen wollen. So können Unternehmen mehr auf Funk basierende Anwendungen realisieren – für eine flexiblere und effiziente Produktion bei gleichbleibend hoher Zuverlässigkeit.

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