Forschungsprogramm
Funksysteme für Industrie 4.0
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Forschungsförderung mit neun Projekten
An einer zuverlässigen, drahtlosen Kommunikation in der Industrie (ZDKI) wird mit Förderung durch das BMBF in acht eigenständigen Forschungsprojekten gearbeitet. Ein neuntes, begleitendes Forschungsprojekt bündelt und koordiniert die Arbeiten (Bild 1).
Die acht Foschungsprojekte bewegen sich in unterschiedlichen Anwendungsfeldern, adressieren jedoch ähnliche Problemstellungen. Als Partner beteiligen sich Industrieunternehmen, Forschungsinstitute, Hochschulen und Universitäten. Ziel ist es, die Probleme zu lösen, die den Einsatz von Funktechnik in den Fabriken bisher noch behindern.
Sechs Projekte arbeiten im Kurzstreckenfunk- (Short Range Device, SRD) Bereich mit unterschiedlichen technischen Ansätzen hinsichtlich Frequenzbandauswahl und HF-Transceiver. Ein Projekt baut auf dem zellularen Mobilfunk (LTE) auf. Einen ganz neuen Ansatz verfolgt ein Projekt auf Basis von LED-Technik mit der Visual Light Communication (VLC), um die funkspezifischen Einschränkungen in der Fabrikhalle zu umgehen.
So unterschiedlich die Projekte auch sind, die Umsetzung von mindestens einem der zwei zentralen Anwendungsfälle (Bild 2) ist für alle Projekte vorgegeben. Diese Anwendungsfälle stellen die Kernparameter für eine Industrie-4.0-Befähigung dar.
PROWILAN
Im BMBF-Projekt „Professional Wireless Industrial LAN – proWiLAN“ forschen Experten aus acht Organisationen aus Industrie und Wissenschaft im Rahmen der Industrie-4.0-Initiative an einer neuen WLAN-Generation, die den schnell wachsenden Anforderungen zukünftiger industrieller Anwendungen gerecht wird. Die Entwicklung einer zuverlässigen und latenzarmen Funkübertragung mit hohem Datendurchsatz soll auch den Einsatz zukunftsweisender Techniken der Mensch-Maschine-Interaktion, wie z.B. Augmented Reality oder mobiles Bedienen, ermöglichen.
DEAL
In DEAL (drahtlose, zuverlässige Echtzeitkommunikation für Automatisierung, Produktion & Logistik in der Industrie) wird ein echtzeitfähiges 3D-Positionierungssystem für Innenräume mit einem Kommunikationssystem für die industrielle Automatisierungstechnik kombiniert. Das DEAL-System soll bestehende leitungsgebundene Feldbus-Systeme ersetzen und um funkvernetzte Sensoren/Aktoren erweitern. Das Ziel ist es, Daten mit einer Gesamtverzögerungszeit (Round Trip Delay, RTD) <0,5 ms in Netzwerken mit bis zu 100 Knoten auszutauschen. Um die Übertragung zu optimieren, kann die Hauptkeule der Antennen positionsabhängig ausgerichtet werden (Beam Steering). Im DEAL-Projekt werden integrierte HF- und Digitalschaltungen entworfen sowie FPGAs für eine schnelle Datenverarbeitung in der Sicherungsschicht (Media Access Control, MAC), als Basisband-Prozessor und für die Positionierung.
HiFlecs
Leistungsfähige, sichere Funktechniken und deren Systemintegration in zukünftige geschlossene Regelkreise der industriellen Automatisierungstechnik sollen im Rahmen von HiFlecs (hochperformante, sichere Funktechnologien und deren Systemintegration in zukünftige industrielle Closed-Loop-Automatisierungslösungen) erarbeitet werden. Neben der grundlegenden Neuentwicklung sollen auch Möglichkeiten zur Migration und partiellen Erweiterung von bestehenden Automatisierungssystemen berücksichtigt werden. Im HiFlecs-Projekt wird kein Inselkonzept erarbeitet, sondern ein durchgängiges Gesamtkonzept, bei dem neben der reinen Datenübertragung auch das gesamte Ressourcen- und Netzwerkmanagement betrachtet wird. Die zentralen Aufgaben sind die Erforschung neuer, sicherer Funkverfahren und Algorithmen und daran anschließend die geeignete Umsetzung für Automatisierungssysteme in der Fertigung.
OWICELLS
Ziel des Projekts OWICELLS (Optical Wireless Cells) ist es, industrielle Fertigungszellen flexibler zu machen, um die stetig steigende Modellvielfalt im Automobilbau zu bewältigen. Leitungsgebundene Feldbusse sollen dafür um eine schnelle, optische Übertragungstechnik erweitert werden, die ohne Lichtleiter eine energieeffiziente, zuverlässige und sichere Alternative zur Funktechnik bietet.
Für das industrielle Anforderungsprofil sollen echtzeitfähige Protokolle mit hoher Robustheit entwickelt werden. Redundanz, niedrige Latenz und Multipunkt-zu-Multipunkt-Betrieb sind zentrale Ansätze dafür.
KoI
Ein integriertes Gesamtkonzept für die zellulare Funkkommunikation zur zuverlässigen Kommunikation bei niedriger Latenz im industriellen Umfeld wird im KoI-Projekt (koordinierte Industriekommunikation) entwickelt. Untersucht wird eine generische Architektur, um heterogene Funktechniken im lizenzierten und unlizenzierten Frequenzbändern zu koordinieren.
TreuFunk
Im Projekt TreuFunk (zuverlässige Funktechnologien für industrielle Steuerungen) soll ein verlässliches Funksystem mit ultrakurzen Latenzzeiten für industrielle Anwendungen entstehen. Hauptbestandteil ist ein integrierter Baustein, der TreuFunk-Chip, der dank neuester Chip-Scale-Packaging-Methoden mehrere Siliziumsubstrate enthält, um den kompletten Funktionsumfang eines funkgesteuerten Sensors/Aktors mit kleinem Bauvolumen zu realisieren. Als Prototyp wird ein Multi-Chip-Modul zur Funkvernetzung von akustischen Sensoren entwickelt, der zur Zustandsdiagnose an Maschinen eingesetzt werden kann.
ParSec
Ein flexibles, zuverlässiges und sicheres Funk-Kommunikationssystem für die Automatisierungstechnik wird im Projekt ParSec (Parallele Sicherheit) untersucht und realisiert. Mit PSSS (Parallel Sequence Spread Spectrum) als Übertragungstechnik, die speziell für geschlossene Regelkreise optimiert wird, sind sehr kurze Latenzzeiten und hohe Störsicherheit möglich. Entwicklungsziele sind eine flexible Ressourcennutzung, eine hohe Zuverlässigkeit unter realen Kanalbedingungen und die Erfüllung der Sicherheitsanforderungen in der Fertigungsumgebung. Innerhalb der ISM-Bänder soll mit einer Sendeleistung <10 dBm gearbeitet werden, sodass der Einsatz ohne Kanalbeobachtung (Listen before Talk) möglich ist. Angestrebt wird jedoch der Frequenzbereich 5,725 GHz bis 5,875 GHz, der aktuell bei ETSI für höhere Sendeleistungen spezifiziert wird.
SBDist
Bestimmte Einsatzbereiche für Funkverfahren erfordern eine schnelle und sichere Kommunikation über kurze Distanzen. Die Herausforderung dieser Funksysteme besteht darin, mit einer minimalen zeitlichen Verzögerung (Latenz) auszukommen und gleichzeitig sehr zuverlässig und unempfindlich gegen Störungen zu arbeiten. Das im Projekt SBDist (sichere und latenzarme Breitbandübertragung über kurze Distanzen) zu entwickelnde Funksystem soll in verschiedenen Anwendungsgebieten im Bereich der Bahn, in Nutzfahrzeugen und in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden können. Zur Validierung des Konzepts wird ein Demonstrator entwickelt, der die kabelgebundene Datenübertragung zwischen zwei ICE-Halbzügen durch eine Funkverbindung ersetzt.
BZKI
Das ZDKI-Forschungsprogramm wird durch ein übergreifendes Forschungsprojekt (BZKI, Begleitforschung zum Forschungsschwerpunkt Zuverlässige drahtlose Kommunikation in der Industrie) begleitet. Es hat die Aufgabe, zu moderieren, Synergien umzusetzen und übergreifende Themen im ZDKI-Verbund zu identifizieren sowie in projektübergreifende Fachgruppenarbeiten zu überführen. Hierzu wurden sechs Fachgruppen gebildet, um projektrelevante Aspekte der Funkkommunikation abzudecken.
- Fachgruppe 1: Anwendungen und Anforderungen
- Fachgruppe 2: Spektrum und Regulierung
- Fachgruppe 3: Normung und Standardisierung
- Fachgruppe 4: Radio Air Interface
- Fachgruppe 5: Technologie-Roadmaps
- Fachgruppe 6: Security und Safety
- Funksysteme für Industrie 4.0
- Forschungsförderung mit neun Projekten
- Übergreifende Themen bündeln
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