Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Visible Light in der Produktion

Als Kernelement der deutschen Wettbewerbsfähigkeit wird seit 2013 die Eignung bezeichnet Menschen und Maschinen intelligent zu vernetzen. Eine wesentliche Herausforderung ist es einen wirtschaftlichen Weg zu finden, die zunehmende Anzahl von technischen Systemen miteinander zu verbinden. Drahtgebunden ist dies aber aufwändig und im Fall von mobilen Anwendungen (z.B. autonome Roboter) darüber hinaus auch unpraktisch. Drahtlose Kommunikationstechnologien sehen sich heute wiederum mit erheblichen Leistungs- und Überlastungsproblemen konfrontiert: a) Verfügbarkeit und Skalierbarkeit b) Echtzeitfähigkeit c) Energiebedarf d) Sicherheit und c) Lokalisierbarkeit. Lösungsansätze wie „Cognitive Radio“ oder „5G“ können diese Anforderungen nach heutigem Stand noch nicht vollständig erfüllen. Hier wird daher ein Lösungsansatz verfolgt, der das optisch wahrnehmbare Spektrum nutzt: Die sichtbaren Wellenlängen zwischen 370-780 nm mit einem Frequenzband von 410 THz (~6.800-mal größer als beim Funk), kann zur Punkt-zu-Punkt Kommunikation (Visible-Light-Communication (VLC)) genutzt werden, ohne staatliche Frequenzband-Restriktionen berücksichtigen zu müssen. Dazu wird ein innovatives Verfahren angewandt, dass die Beleuchtungsinfrastruktur der Produktionshalle erweitern soll und es ermöglicht einen Raum, in Zellen aufgeteilt, zu beleuchten. Jede lokalisierbare Raumzelle wird hierdurch befähigt parallel und hochperformant (Datenrate > 1 GBit/s) zu kommunizieren. Aus dem Umgebungslicht soll außerdem Energie gewonnen werden, um die Langlebigkeit von autonomen Endgeräten weiter zu verbessern. Bei erfolgreicher Durchführung ergeben sich daher individuelle Nutzen für KMU, die im projektbegleitenden Ausschuss vertreten sind. So wird a) die Einsatzbarkeit von autonomen Transportmitteln der Intralogistik verbessert, b) drahtlose Sensoren können echtzeitfähig und hochskaliert eingesetzt und lokalisiert werden und c) es entstehen keine Lizenzkosten für die Kommunikation.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine robuste und energieeffiziente, drahtlose Kommunikationstechnologie entwickelt. Die gegenwärtigen drahtlosen Kommunikationssysteme stehen vor dem Problem eines überbelegten Kommunikationsmediums und einer hohen störanfälligkeit in industriellen Umgebungen, was zur Reduktion des Einsatzes Agilitätssteigernder Produktionstechnologien führt.

Die gerichtete Strahlung von Leuchtquellen, in Verbindung mit einem speziellen Verfahren zur Erhöhung der Robustheit, erlaubt zuverlässige, quasistatische Freiraumkommunikation auf physikalischer Ebene unter typischen industriellen Umgebungsbedingungen. Hierzu wurden Beleuchtungskomponenten ertüchtigt kommunizieren zu können. Beleuchtete Arbeitsplätze in industriellen Umgebungen erfordern gegenüber Funksystemen (z.B. WiFi6) bei vergleichbarer Dienstgüte erheblich weniger Leistung (~26% weniger Energie pro Client). Das VLC-System erreicht die Ziele der Echtzeitfähigkeit mit der erreichbaren Latenz 2,64 µs bis zu 60,8 µs. Es wurde eine physikalische Kommunikationsbasis geschaffen, die ermöglicht unterschiedliche, proprietäre Kommunikationsprotokolle drahtlos umzusetzten, die von KMU individuell implementiert werden können. Intelligente Feldgeräte (z.B. Motoren, Informationssysteme, Umgebungssensorik) werden durch eine neue Art Beleuchtungsmittel mit zuverlässiger, leistungsfähiger und drahtloser Kommunikationsfähigkeit ausgestattet.