Vernetzte Produktion: Signale aus der Deckenbeleuchtung

In der Produktion müssen Komponenten wie Sensoren und Roboter sicher miteinander vernetzt werden. Künftig sollen Maschinen in Fabrikhallen per Licht miteinander kommunizieren.

Die Kommunikation von unterschiedlichsten Komponenten im Produktionsumfeld ist eine Herausforderung. Unterschiedlichste Maschinen und Anlagen wie Roboter, Sensoren, Förderbänder oder fahrerloser Transportsysteme gilt es zu vernetzen. So arbeitet ein Forscherteam am Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo arbeitet gemeinsam mit der Technischen Hochschule OWL an Lösungen, um dieser Herausforderung zu begegnen: So soll die Kommunikation in entsprechenden Fabrikhallen oder Produktionsgebäuden über Lichtimpulse erfolgen. Die Technologie dahinter ist an sich alles andere als neu und wird andernorts bereits verwendet, müsse jedoch für die Industrie weiterentwickelt werden.

Häufig werden die entsprechenden Komponenten so betrieben, dass eine drahtlose Kommunikation unabdingbar ist. Zudem muss der Informationsaustausch reibungslos funktionieren, Etwaige Störungen könnten die Produktion beeinträchtigen.

Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IOSB-INA sind der Ansicht, dass sich diese Kommunikation lizenzfreier und effektiver realisieren lässt, als mit Funktechnologien wie beispielsweise 5G. So wählen sie das sichtbare Spektrum des Lichts für die Datenübertragung. Die Experten nennen die Technologie Visible Light Communication (VLC). „Das Lichtspektrum ist etwa 4000-mal größer als das gesamte verfügbare Funkspektrum, es reicht von 380 bis zu 800 Nanometern Wellenlänge“, sagt Daniel Schneider, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-INA.

Wie funktioniert Visible Light Communication?

Die Datenübertragung erfolgt bei Visible Light Communication per Licht. Als Sender kommen LEDs zum Einsatz, beim Empfänger wandelt ein Photodetektor die eintreffenden Lichtsignale in Impulse um. So können beispielweise Informationen in Form von binären Signalen vom Sender zum Empfänger übertragen werden. Für das menschliche Auge seien diese nicht wahrnehmbar. Die Forscher vom Fraunhofer IOSB-INA und der Technischen Hochschule OWL (Ostwestfalen-Lippe) arbeiten daran, dieses Verfahren auf die Industrie zu übertragen. Die Forschungsarbeiten an diesem Projekt haben bereits 2019 begonnen.

Vernetzte Produktion: Signale aus der Deckenbeleuchtung
Abbildung 1: Künftig soll mit Maschinen in Fabrikhallen drahtlos über Lichtsignale kommuniziert werden können.

So sei diese Technologie im Büro- und Heimbereich, sowie in Laboren, bereits im Einsatz. Seit kurzem würde VLC auch dafür verwendet, um etwa in Einkaufzentren Indoor-Navigation umzusetzen. Für die Verwendung in Fabrikhallen sei der Einsatz aufgrund der speziellen Störfaktoren jedoch noch nicht ausreichend erforscht. So sei ein entsprechendes System dann zuverlässig, wenn Abdeckungsprobleme durch Wände, metallische Gegenstände, Maschinen und andere Störsignale überwunden werden können. Bei den Messungen standen deshalb Einflussgrößen wie Umgebungslichtquellen, Partikel und Umgebungsreflektionen im Fokus.

Die Tests haben ergeben, dass Staubpartikel kein Problem für die optischen Signale darstellen. Ebenso haben sich Personen oder Fahrzeuge, die sich langsam bewegen, nicht auf die Qualität des Signals ausgewirkt. Umgebungslichtquellen könnten hingegen das gesamte optische Spektrum beeinflussen. „Künstliche Lichtquellen, Abschattungen und Reflektionen können die Datenübertragung per Licht beeinflussen. Inwiefern, in welchen Bereichen und Höhen sie das tun, haben wir in Zusammenarbeit mit fünf Unternehmen aus der Industrie im Rahmen einer Messkampagne untersucht.“, so der Forscher. Insgesamt habe man zehn Modelle identifiziert, auf deren Lichtverhältnisse VLC-Lösungen reagieren. Dazu würden beispielsweise Schweißprozesse oder Leuchtstoffröhren gehören. Diese würden jedoch nur lokal und nicht ortsübergreifend auftreten. Daher müssten VLC-Systeme in der Lage sein, adaptiv auf die Lichtverhältnisse zu reagieren und derartige Störeinflüsse zu minimieren.

Sicherer als WLAN, fertige Systeme für 2021 anvisiert

VLC würde im Vergleich zu WLAN nicht nur größere Bandbreiten bieten, sondern es sei auch die Datensicherheit gewährleistet. So strahle hier kein Funksignal durch die Wände, dass von außerhalb der Halle abgehört oder manipuliert werden könnte. Dies sei mit Licht schlicht nicht möglich.

Vernetzte Produktion: Signale aus der Deckenbeleuchtung
Abbildung 2: Aktuell liegen die VLC-Systeme als Demonstrator vor. Für Mitte 2021 werden fertige Systeme für den Einsatz in der Produktion in Aussicht gestellt.

Ein weiterer Vorteil sei, dass sich mit VLC 1000 und mehr Geräte miteinander vernetzen lassen sollen. „Wenn wir unser VLC-System auf Basis unserer Messkampagne optimal ausgelegt haben, sind wir in der Lage, an einem Standort über 1000 Geräte energiesparend, abhörsicher und unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen zu betreiben“, so Daniel Schneider.

Beim Sender würde man auf handelsübliche, effiziente LEDs setzen. Neben der Deckenbeleuchtung beschränkt sich die Voraussetzungen auf einen Transceiver, der an das Endgerät angeschossen wird, sowie einen Internetzugang. Derzeit würde eine Einheit in der Lemgoer SmartFactoryOWL unter realen Bedingungen getestet. Man gehe davon aus, dass Mitte des Jahres 2021 Unternehmen diese Lösung einsetzen könnten.

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