Newsletter 03/2021

Moderne Produktionslinien enthalten häufig mobile Systeme oder eine Vielzahl von beweglichen Subsystemen mit Sensoren und Aktuatoren. Beide Anwendungen benötigen dabei meist eine latenzarme Datenanbindung an die übergeordnete Steuerung oder an andere Subsysteme. Insbesondere zur Regelung sehr dynamischer Prozesse werden isochrone Zykluszeiten im Sub-Millisekunden-Bereich bei einer extrem hohen Übertragungszuverlässigkeit benötigt. Derzeit werden dafür ausschließlich drahtgebundene Echtzeit-Bussysteme eingesetzt, die jedoch sehr die Beweglichkeit der Anlagenteile beschränken, einen relativ großen Bauraum benötigen und beim Retrofit von bestehenden Anlagen nur mit erheblichem Kosten- und Zeitaufwand eingesetzt werden können. Mit drahtlosen Übertragungssystemen können die Hindernisse überwunden werden. Allerdings sind die heute verfügbaren Funktechnologien nicht schnell genug, um Zykluszeiten der Automatisierungsanwendung von unter 1 Millisekunde zu unterstützen. Mit dem Ultra reliable Wireless Industrial Network (UWIN) haben Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IIS und seinem Institutsteil EAS deshalb eine neuartige Echtzeit-Funktechnologie entwickelt.

Teaser: Evaluation Kit UWIN
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UWIN ist als eine drahtlose Erweiterung von Echtzeit¬feld¬bussystemen zur isochronen Datenübertragung im Nahbereich ausgelegt und kann zum Beispiel in Fertigungszellen eingesetzt werden. Dabei erfüllt sie höchste Anforderungen an die Übertragungslatenzen und die Übertragungszuverlässigkeit. Der besondere Clou ist, dass UWIN in den lizenzfreien Frequenzbändern, wie 5GHz U-NII, arbeiten kann und somit weltweit einsetzbar ist. Durch ein integriertes Monitoring können benachbarte Funksysteme erkannt und diesen ausgewichen werden.

Es ist eine große Herausforderung, die sehr hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit auch bei solch niedrigen Zykluszeiten sicher zu erfüllen. Bei einer Übertragungsstörung sind erneut angeforderte Wiederholungen der Datenpakete wegen der zusätzlichen Verzögerung nicht möglich. Für die UWIN-Technologie wird  daher ein netzbasiertes Codierverfahren in Kombination mit kooperativer Kommunikation mehrerer Funkknoten entwickelt. Diese sogenannte Network Coded Cooperation zeigt deutliche Vorteile hinsichtlich Zuverlässigkeit und Übertragungseffizienz und bringt insbesondere bei einzelnen, stärker gestörten Übertragungspfaden eine deutliche Verbesserung.

Aktuell haben wir für die UWIN-Funktechnologie ein Evaluation Kit entwickelt. Dies besteht aus einer Basisstation und zwei Feldgeräten. Dabei überwacht die Basisstation die Leistungsparameter der einzelnen Verbindungen. Das System arbeitet im lizenzfreien 5GHz U-NII Frequenzband, wobei der Anwender die genutzten Frequenzkanäle selbst bestimmen kann. Über eine Ethernet-Schnittstelle kann der Nutzer auf das Dashboard des Evaluation Kit zugreifen. Es stellt sowohl verschiedene Leistungsparameter und Metriken zur Übertragungszuverlässigkeit der einzelnen Verbindungen im Zeitverlauf dar als auch Langzeit-Statistiken. Das Evaluation Kit ermöglicht es interessierten Partnern, zum Beispiel aus dem Maschinen- und Anlagenbau, die UWIN-Echtzeit-Funktechnologie in eigenen Anwendungsumgebungen zu erproben und seine Möglichkeiten auszuloten.

Mehr Informationen zu UWIN gibt es auch auf: https://www.iis.fraunhofer.de/de/ff/kom/iot/low-latency/uwin.html.