Forschungsprogramm Funksysteme für Industrie 4.0

In der digitalen Zukunft mit selbstorganisierender Produktion müssen sich Roboter und Maschinen per Funk austauschen. Noch wird in den Werkshallen aber überwiegend per Kabel kommuniziert, weil Funk die Anforderungen zur Latenz und Zuverlässigkeit nicht erfüllt. Ein Forschungsverbund will das ändern.

Vernetzung ist eine tragende Säule der Digitalisierung und vor allem von Industrie 4.0. Kern der digitalen Fabrik ist der durchgängige Datenaustausch zwischen Maschinen, Anlagen und anderen Systemen. Um aber die vielen Versprechungen der digitalen Zukunft wahr werden zu lassen, muss diese Vernetzung per Funk erfolgen. Roboter, die durch die Werkshallen streifen, Anlagen, die sich selbst organisieren, oder Bauteile, die sich autonom zu ihren Bearbeitungsmaschinen bewegen, können dies nicht mit Hilfe von Kabeln tun.

Die Kommunikation via Kabel funktioniert in der Fabrik bisher verlässlich; dagegen sind dem Datenaustausch per Funk in diesem Umfeld bisher noch Grenzen gesetzt. Ausfälle, wie sie Privatnutzer zum Beispiel von ihrem Mobilgerät im Zug oder einer WLAN-Verbindung auf einer großen Veranstaltung her kennen, sind für Fertigungsprozesse nicht akzeptabel. Auch die relativ große Latenz, die aus der Funkkommunikation bisher bekannt ist, macht das Kabel im Industrieumfeld noch unverzichtbar. Das Hauptproblem: Die meisten bekannten Funkkomponenten arbeiten derzeit im lizenzfreien 2,4-GHz-ISM-Band. Dazu gehören zum Beispiel WLAN- oder Bluetooth-Geräte für die Übermittlung von Betriebs- und Sen­sordaten und die Ansteuerung von Komponenten wie Motoren oder Ventile. Die Anzahl solcher Geräte steigt kontinuierlich an; zunehmend mehr Anwender kommunizieren über diese ISM-Funkbänder. Das führt dazu, dass das ISM-Band überlastet ist. Daher braucht es Regeln, um die Kommunikation so reibungslos wie möglich durch das gemeinschaftlich genutzte Frequenzspektrum fehlerfrei zu schleusen. In der Norm ETSI EN 300328 (Data transmission equipment operating in the 2,4 GHz ISM band and using wide band modulation techniques) wurden zu diesem Zweck spezifische Medienzugangs-Mechanismen aufgenommen. Zu den bekanntesten dieser Mechanismen zählt die Regel „Listen before talk“ (LBT). Das heißt: Ein Funksender muss erst prüfen, ob der Übertragungskanal bereits belegt ist. Ist dies der Fall, muss er mit der Übertragung der Nachricht warten. In der Regel geht es dabei um eine Verzögerung von Sekundenbruchteilen. Für die alltägliche Internetnutzung mit Video-, Text- oder Audiodaten stellt diese Zeitspanne in der Regel kein Problem dar. Im Industrieumfeld, in dem sich Maschinen in unterschiedlichen festgeschriebenen Produktionstakten miteinander austauschen, können diese Verzögerungen von Sekundenbruchteilen allerdings schon zu viel sein. In Fertigungsprozessen sind deterministische Reaktions- und damit Übertragungszeiten erforderlich, die unter 1 ms liegen. In den Werkshallen werden daher bislang nur Funktechniken eingesetzt, wenn es um Anwendungen geht, bei denen diese hohen stringenten Latenzanforderungen nicht erfüllt sein müssen, wie z.B. das Auslesen von Betriebsparametern oder ein nichtzeitkritisches Starten eines Motors in einer Prozesssteuerung.