Funktechnik im industriellen Umfeld
Funkkommunikation in Transportrobotern messtechnisch absichern
Automatische Transportroboter automatisieren zunehmend die Transportprozesse in Fertigung und Logistik. Damit sie zuverlässig navigieren und sicher mit ihrem Umfeld kommunizieren, braucht es robuste Funktechnik – und präzise Messtechnik, die Störungen erkennt und die Performance prüft.
Automatische Transportroboter, insbesondere fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) und autonome mobile Roboter (AMR), gewinnen in der Fertigung und Logistik immer mehr an Bedeutung. Dies ist auf die Entwicklung intelligenter Fabriken (Smart Factories) zurückzuführen, um dem Arbeitskräftemangel zu begegnen und die Produktivität zu steigern. Ein Beispiel aus dem Fertigungssektor ist der Einsatz automatisierter Transportroboter zum Transport von Teilen und Fertigprodukten zwischen Fertigungslinien in Automobilwerken. Im Logistikbereich werden AMRs eingesetzt, um bestimmte Artikel aus Regalen in E-Commerce-Distributionszentren zu entnehmen und zu Verpackungsbereichen zu transportieren. Auch in Lagern werden sie für den automatischen Transport von Paletten und Containern eingesetzt.
Unterschiede zwischen FTF und AMR
FTF folgen einer vorgegebenen Route mittels Leitlinien, Magnetbändern, 2D-Codes oder Lasern. Sie halten an, sobald sie mithilfe von Sensoren wie Kameras und LiDAR ein Hindernis erkennen. Typische Anwendungen sind der Transport von Teilen innerhalb eines Werks und zwischen Produktionslinien sowie der automatisierte Transport von Paletten und Containern in Lagern.
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AMRs benötigen keinen Leitweg, da sie ihre Route mittels Selbstortung und Kartenerstellung autonom bestimmen und anhand von Sensordaten navigieren. Sie nutzen „Simultaneous Localization and Mapping“ (SLAM), um diese Daten von Sensoren wie LiDAR und Kameras zu erfassen. KI kann dabei Routen dynamisch optimieren und auf Hindernisse reagieren, um sie um sie herum zu navigieren und die Logistik effizient zu verwalten. Neben dem Transport von Teilen und Paletten bieten AMRs auch zusätzliche Funktionen wie das Kommissionieren und Sortieren von Teilen, wodurch der Personaleinsatz weiter reduziert und Bedienungsfehler vermieden werden.
Funkkommunikation als Grundlage des autonomen Betriebs
AGVs und AMRs nutzen verschiedene Funktechniken wie Bluetooth®, WLAN und Low-Power-Wide-Area-/LPWA-Netzwerke, um Sensor- und Steuerungsinformationen zu erfassen. Funkkommunikation ermöglicht eine präzise und zuverlässige Positionierung, was Prozessunterbrechungen und Unfälle während des Transports vermeidet. Darüber hinaus werden mittlerweile auch zuverlässiger 5G- und privater 5G-Mobilfunk für den Einsatz in AMRs verwendet. In den folgenden Abschnitten werden die Merkmale der einzelnen Funkkommunikationstechniken vorgestellt.
Bluetooth für energiearme Kurzstrecken
Bluetooth wird für die Nahbereichskommunikation mit Sensoren eingesetzt, die nur geringe Datenmengen erzeugen. Bluetooth-Funkmodule werden zur Übertragung von Steuerungsprogrammen und Diagnosedaten verwendet und zeichnen sich durch ihren geringen Stromverbrauch und ihre niedrigen Kosten aus. Bluetooth v5.0 und spätere Versionen bieten zusätzliche Funktionen wie Fernkommunikation und präzise Positionsbestimmung in Innenräumen.
WLAN für hohe Datenraten in Echtzeit
WLAN/Wi-Fi ist in intelligenten Fabriken und Lagern weit verbreitet. Durch hohe Datenübertragungsraten (bis 30 GBit/s im Falle von Wi-Fi 7) eignet sich die Technik für die Echtzeitübertragung von Daten wie Bild- und Positionsinformationen zwischen automatischen Transportrobotern und ihren Steuerungssystemen sowie für Fernsteuerungen und Software-Updates. Da das von WLANs genutzte 2,4-GHz-Band jedoch mit anderen Funksystemen im ISM-Band geteilt wird, besteht ein erhebliches Risiko von Funkstörungen zwischen den Geräten. Um dieses Problem zu lösen, gehen die Hersteller zunehmend zur Nutzung der 5- und 6-GHz-Bänder über.
5G für geringe Latenz und hohe Zuverlässigkeit
5G- und privater 5G-Mobilfunk bieten Vorteile wie eine dichte, flächendeckende Versorgung und eine hohe Störfestigkeit. Hinzu kommen nahtloses Handover und Mobilitätsmanagement zwischen mehreren Funkzugangspunkten, was eine unterbrechungsfreie Kommunikation gewährleistet. Die zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (URLLC; Ultra-Reliable Low-Latency Communications) und hohem Durchsatz prädestiniert 5G für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zur Steuerung von Produktionsanlagen sowie für Lagerverwaltungssysteme (WMS; Warehouse Management Systems), die eingehende und ausgehende Fracht, Materialien und Produkte zu und von einem Lager als auch die Bestände verwalten.
LPWA für weiträumige Sensornetzwerke
LPWA erfasst kleine Datenmengen zwischen Sensoren und Zählern über große Entfernungen von mehreren Kilometern – mit geringem Stromverbrauch und Datenraten von etwa 1 MBit/s. LPWA-Mobilfunk wie LTE CAT.M1 und NB-IoT nutzt Mobilfunkbasisstationen, während nicht-mobilfunkbasiertes LPWA wie LoRaWAN und Sigfox vor allem dedizierte Zugangspunkte verwenden.
Störquellen und EMV-Risiken in Robotersystemen
Obwohl kommerzielle Funkkommunikationsmodule alle relevanten Normen und Vorschriften erfüllen, kann ihre praktische Leistungsfähigkeit bei der Integration in einen automatischen Transportroboter erheblich variieren. Faktoren wie metallische Umgebungen, dynamische Veränderungen in der Funkumgebung und Störungen durch umgebende Gerätekomponenten können den Betrieb beeinträchtigen. Dies kann zu einer instabilen Funkkommunikation während des Betriebs führen. Daher ist zu prüfen, ob das Funkmodul bei der Integration in ein automatisches Transportrobotersystem ordnungsgemäß funktioniert.
Elektronische Komponenten wie Stromkreise, Wechselrichter, Prozessoren, Displays und Funkmodule, die Teil des automatischen Transportroboters sind, können ebenfalls Störquellen sein und so Funkstörungen innerhalb des Roboters verursachen. Dieses Phänomen, bei dem innerhalb eines Moduls erzeugte Störungen die Qualität seiner Funkkommunikation beeinträchtigen, wird als „Autointoxikation” oder „Intra-EMV” bezeichnet. Dies kann Datenverluste, Kommunikationsverzögerungen und im schlimmsten Fall Kommunikationsunterbrechungen verursachen, was potenziell zu Systemfehlfunktionen führt. Die Leistungsfähigkeit des HF-Senders und -Empfängers sowie die Gesamtqualität der Funkkommunikation in automatischen Transportrobotern muss daher bereits in der Prototypenphase überprüft werden.
Zertifizierung und regionale Vorschriften
Da die Funkstandards je nach Land und Region variieren, müssen automatische Transportroboter den lokalen Standards entsprechen. Auch die verfügbaren Funkfrequenzbänder für 5G und WLAN sind je nach Land/Region unterschiedlich. Dies macht eine Zertifizierung erforderlich, um die Einhaltung der lokalen Vorschriften nachzuweisen. Dazu sind Tests basierend auf den Parametern jedes Kommunikationsstandards und Frequenzbands erforderlich, z. B. Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit. Angesichts der Komplexität dieses Prozesses besteht daher der Bedarf, die Tests automatisch und effizienter durchzuführen.
EMV und Interferenzen in Fabriken und Lagerhäusern
Elektromagnetische Störungen, die von Geräten in Fabriken und Lagerhäusern erzeugt werden, sowie die Reflexion und Abschirmung von Funkwellen durch metallische und andere Objekte können Mehrweginterferenzen und eine Abschwächung der Funkwellenstärke verursachen. Dies beeinträchtigt die Qualität der Funkkommunikation. Zudem können Funkstörungen, die von außerhalb einer Fabrik oder eines Lagerhauses stammen, die Kommunikation beeinträchtigen und möglicherweise zu Fehlfunktionen von Robotern führen.
Um diesen Verlust an Kommunikationsqualität zu minimieren, ist ein umfassendes Verständnis der Funkumgebung im Innen- und Außenbereich erforderlich, was eine Überprüfung auf Störungen erfordert. Werden unerwünschte Funksignale erkannt, müssen deren Quellen identifiziert und beseitigt werden. Darüber hinaus sind Kommunikationsverzögerungen zu berücksichtigen, die durch andere Faktoren als Funksignale verursacht werden. Dazu gehören Anomalien in den Kommunikationsroutern, Switches und automatischen Transportrobotern, die in Fabriken und Lagerhäusern installiert sind.
Tests während der Entwicklung und Fertigung
Anritsu bietet Testgeräte zur Bewertung der HF-Leistung aller Arten von Funkkommunikation, einschließlich WLAN, Bluetooth, 4G/LTE und 5G. Spektrumanalysatoren eignen sich zur Untersuchung von Rauschen und Funkstörungen innerhalb von Geräten, während Vektornetzwerkanalysatoren zur Bewertung von Komponenten wie Antennen und Kabeln verwendet werden. Das Bluetooth-Testgerät MT8852B von Anritsu wurde speziell zur Überprüfung der HF-TRx-Eigenschaften und der Anbindung von Bluetooth-Geräten entwickelt.
Um Funkkommunikationssysteme in Produktionslinien zu testen, unterstützt das Universal Wireless Test Set MT8870A von Anritsu verschiedene Standards, darunter 5G NR Sub-6-GHz, NB-IoT und Wi-Fi. Für 5G verfügt unsere Funkkommunikations-Teststation MT8000A über eine Basisstations-Emulationsfunktion für HF-Messungen, Protokolltests und Anwendungstests. Sie unterstützt auch beide FR1 und die mmWave-/Millimeterwellenbänder FR1 und FR2. Außerdem erleichtert unser Funkkommunikationsanalysator MT8821C die HF-TRx-Tests für die Entwicklung von LTE-, CAT.M1- und NB-IoT-Modulen.
Störsignale überwachen und erkennen
Stör-/Interferenzsignale sind nicht unbedingt ständig vorhanden. Daher müssen vorübergehende und momentane Veränderungen der Funkwellen erfasst werden. Anritsu bietet den Echtzeit-Spektrumanalysator Field Master Pro MS2090A zur Erkennung von Störungen an. Er deckt nahtlos das Frequenzband von 9 kHz bis 54 GHz ab und kann vorübergehende als auch momentane Veränderungen in der HF-Umgebung erfassen, um Anomalien zu identifizieren.
Zur Erkennung von Störsignalen sind drei Schritte erforderlich. Zunächst wird das Vorhandensein von Störungen oder Interferenzen festgestellt. Echtzeitmessungen erfassen dabei Frequenz, Stärke und Häufigkeit dieser unerwünschten Signale, einschließlich Momentan- und Burst-Signale. Der zweite Schritt besteht darin, den von den unerwünschten Funksignalen betroffenen Bereich zu schätzen, indem Messungen der Umgebung vorgenommen und die Stärke dieser unerwünschten Signale kartiert werden. Der letzte Schritt besteht darin, die Quelle und den Standort dieser unerwünschten Funksignale mit einem Spektrumanalysator, einem Polarmeter und einer tragbaren Richtantenne zu identifizieren.
Ein weiterer Test umfasst die Überprüfung der Kommunikationslatenz und des Datendurchsatzes. Network Master Pro MT1000A ist ein Ethernet-Tester, der 10/100/1000M- bis 100G-Ethernet unterstützt. Durch Hardware-Verarbeitung ohne CPU-Beanspruchung lassen sich die Kommunikationskennzahlen – Durchsatz, Paketverlust, Verzögerung/Latenz und Paket-Jitter – über alle WLAN-Geräte hinweg genau bewerten.
Zukunft: Mehr Autonomie durch 5G, KI und IoT
Automatische Transportroboter entwickeln sich durch Fortschritte bei 5G, KI und der höheren Integration mit IoT-Komponenten wie Fabrik-/Lagersensoren rasant weiter. Mit seiner geringen Latenz und stabilen Kommunikation wird 5G die Koordination zwischen mehreren Robotern verbessern und die Genauigkeit der Fernsteuerung von Robotern erhöhen. Fortschritte in den Bereichen KI, IoT, Sensortechnologie und Hindernisvermeidung verbessern auch die Sicherheit bei der Koexistenz von Mensch und Roboter. In Zukunft sollen Roboter auch im Straßen- und sogar im Luftverkehr eingesetzt werden. Derzeit führen Entwickler auf der ganzen Welt Demotests durch, um ihre Wirksamkeit zu bewerten und praktische Herausforderungen anzugehen.
Das Spektrum industrieller Anwendungen erweitert sich und umfasst nicht nur Logistik und Fertigung, sondern auch Landwirtschaft und Medizintechnik. Im Agrarsektor werden beispielsweise Transportroboter zur Überwachung, Ernte und Aussaat von Nutzpflanzen eingesetzt. In Zukunft werden Transportroboter mit IoT-Geräten wie Temperatur-, Feuchtigkeits- und Wassersensoren vernetzt sein und autonom arbeiten, um Arbeitsaufwand zu sparen und die Effizienz zu steigern.
Fazit
Da Automatisierung zunehmend in Fabriken und Lieferketten eingesetzt wird, um die Arbeitskosten zu senken und die Effizienz zu steigern, ist der Bedarf an hochzuverlässiger Kommunikationstechnik mit geringer Latenz gestiegen. Anritsu stellt sich diesen Anforderungen, indem es modernste Testlösungen anbietet und damit einen wesentlichen Beitrag zum Marktwachstum und zur technologischen Innovation leistet. Auch in Zukunft wird Anritsu als Partner vor Ort die Herausforderungen der industriellen Automatisierung und zunehmenden Effizienzsteigerung angehen.
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