Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Komunikační propojení výrobních linek stropním osvětlením

Konvenční bezdrátová připojení WLAN (WiFi) nebo Bluetooth mají omezenou šířku komunikačních pásem, což zpomaluje předávání dat ve výrobním prostředí. Nicméně četné komponenty, např. senzory a robotické systémy, musí být k řídicím jednotkám připojeny bezdrátově. Na řešení této situace pracuje tým výzkumníků ve společnosti Fraunhofer IOSB-INA (Application Center Industrial Automation – Aplikační středisko průmyslové automatizace) v Lemgu (Severní Porýní-Vestfálsko) ve spolupráci s výzkumným pracovištěm školy TH OWL (Technische Hochschule Ostwesstfalen-Lippe), sídlící v témže městě. Očekávají, že stroje v továrních budovách budou navzájem komunikovat s pomocí datové modulace stropních světelných zdrojů. Tato technologie není nová, ale nyní je nutné ji upravit pro použití v průmyslu.

Dopravní vozíky bez řidiče, dopravníky, motory, robotická zařízení, senzory, drony, monitorovací systémy, mobilní zařízení a široké spektrum dalších strojů a zařízení – to všechno spolu ve výrobním prostředí komunikuje a vyměňuje si data. Často jsou taková zařízení instalována a provozována na různých místech a vyžadují propojení bezdrátovou sítí, a nemá-li dojít k výpadkům výroby, musí mít komunikační systém dostatečnou kapacitu.

Doposud jsou využívány výhody bezdrátového připojení, jako jsou WLAN (WiFi) a Bluetooth, v profesionálním i osobním životě bez velkých problémů, ale ve výrobě se běžná bezdrátová komunikace blíží svým limitům, neboť WLAN a Bluetooth mají omezenou šířku pásma. Vzhledem k rostoucímu počtu uživatelů a připojených zařízení jsou dnešní komunikační pásma přetížená. Přicházející technologie 5G bude schopná alespoň částečně vyřešit současnou situaci, ale vědci ve Fraunhoferově institutu IOSB-INA v Lemgu věří, že existuje efektivnější a bezlicen­ční způsob překonání komunikačních omezení ve výrobním prostředí. Rozhodli se použít odlišný přístup a pro bezdrátové spojení při přenosu dat zvolili spektrum viditelného světla. Odborníci tuto metodu přenosu nazývají komunikace viditelným světlem (VLC, Visible Light Communication, viz text na rastru).

„Světelné spektrum zahrnuje přibližně 4 000krát větší šíři frekvenčního pásma než v současnosti dostupné spektrum rádiového bezdrátového pásma. Viditelné světlo pokrývá vlnové délky v rozsahu 400 až 800 nm,“ uvádí Daniel Schneider, výzkumník ve Fraunhoferově ústavu IOSB-INA. Společně se svými kolegy a kolegy z TH OWL pracuje na implementaci VLC do průmyslu. Výzkumný úkol Viditelné světlo ve výrobě je financován německým federálním ministerstvem pro hospodářství a energetiku (BMWi) v rámci průmyslového výzkumného projektu vedeného Německou výzkumnou společností pro automatizaci a mikroelektroniku (DFAM – German Research Society for Automation and Microelectronics). Výzkum začal již před rokem.

 

Nedostatek studií využití VLC v průmyslovém prostředí

Systémy VLC se již používají v kancelářích, domácnostech a laboratořích a od nedávné doby také při implementaci navigačních systémů uvnitř nákupních středisek. Budovy výrobních závodů, kde je mnohem více zdrojů rušení, představují prostředí, které nebylo doposud dostatečně analyzováno.

„Jako alternativu běžného přístupu k bezdrátové síti budeme pro naše řešení komunikace viditelným světlem používat komerčně dostupné, energeticky úsporné LED. Klíčem je schopnost vytvořit systém, který se ukáže jako nejodolnější proti rušení,“ říká Schneider. Nový systém bude spolehlivý, jestliže výsledné řešení překoná potíže způsobené stěnami, kovovými objekty, stroji a jinými rušivými signály.

„Přenos dat světlem mohou ovlivnit umělé osvětlení, stínové efekty a odrazy. Ve spolupráci s pěti průmyslovými společnostmi jsme provedli měření umožňující analýzu situací, ve kterých jsou odrazy světla rušivé, spolu s hodnocením jejich četnosti.“ K měření prostorového rozložení zdrojů rušení používali spektrometr (otočný ve dvou osách). Měřicí kampaň byla cílena na celkem tři faktory: okolní světlo, přítomnost prachových částic a odrazy v okolí, které odborníci také označují jako vícecestný rozptyl.

 

Odrazy světla narušují přenos dat

Testy ukázaly, že prachové částice nepředstavují pro optické signály závažnou překážku. „Tovární budovy jsou obvykle dobře větrané, takže typické koncentrace prachových zrnek neabsorbují významně světelný signál,“ konstatuje Schneider. Lidé a vozidla, kteří se pohybují pomalu (0,2 m/s), rovněž nesnižují kvalitu signálu. Okolní světlo ale ovlivňuje celé využitelné optické spektrum.

Členové projektu identifikovali celkem deset možných situací, za kterých světelné podmínky systémy VLC ovlivňují. Mezi nimi jsou např. zářivkové osvětlení nebo svařovací procesy a optické sledovací systémy, ovšem jejich účinky jsou jen místní a neovlivňují okolní prostory. Proto, podle výsledků zkoušek, musí být systémy VLC pro minimalizaci rušivých faktorů schopné pohotově reagovat na změnu světelných podmínek. Vědci také identifikovali jako interferenční faktor vícecestný rozptyl: „LED emituje světlo všemi směry a její světlo dosáhne přijímače i prostřednictvím odrazů. Jestliže odrazy přicházejí z různých vzdáleností, dosáhne odražené světlo přijímače v rozdílných časech a různě absorbováno. To zkresluje užitečný signál v nanosekundovém rozsahu a snižuje kvalitu přenosu,“ vysvětluje Schneider. Na základě výsledků kvantitativních měření Daniel Schneider a jeho tým vyvíjejí systémy VLC schopné adaptace na proměnlivé podmínky průmyslového prostředí.

 

Minimalizace možnosti krádeže dat

VLC nabízí nejen větší šířku pásma než WLAN, ale rovněž dostatečné zabezpečení dat. Rádiové signály procházejí zdmi, takže komunikace může být zachycena i mimo tovární budovy. To ale není možné při použití světelné komunikace, jestliže prostory neobsahují okna. Potenciální útočníci v tom případě mají jen malou šanci. Další výhodou je, že VLC umožňuje vzájemné bezdrátové propojení mezi více než tisícem zařízení.

„Jakmile navrhneme pro náš systém VLC optimální design, podložený výsledky měřicí kampaně, budeme schopni bezpečně provozovat více než tisíc zařízení na jednom místě způsobem, který šetří energii, je zabezpečený proti zachycení a není citlivý na vliv elektromagnetických polí,“ doplňuje Schneider. Vysílací a přijímací modul v ovládaném zařízení bude pomocí stropního osvětlení komunikovat s řídicím hardwarem, ať už v místní síti, nebo přes internet.

Stávající zkušební zařízení je v současné době testováno v reálných výrobních podmínkách ve Smart Factory OWL v Lemgu. Vývojový tým očekává, že z nového systému budou mít prospěch jak velké společnosti, tak i malé a střední podniky již od poloviny roku 2021.

Další informace: www.smartfactory-owl.de.

[Tisková zpráva Fraunhoferovy společnosti, březen 2020.]

 

(pl)

Obr. 1. V tovární budově mohou být data bezdrátově přenášena ve spektru viditelného světla

Obr. 2. Výzkumný tým Fraunhoferova ústavu IOSB-INA zkouší přenos dat pomocí světla v reál­ných podmínkách výroby ve SmartFactory OWL v Lemgu

Obr. 3. V současné době jsou systémy VLC k dispozici jako prototypy; finální systémy budou připraveny k distribuci již v polovině roku 2021

 

 

Komunikace světlem ve viditelném spektru?

Světelná komunikace (VLC – Visible Light Communication) zahrnuje přenos dat paprsky viditelného světla. Používají se LED jako vysílače a fotodetektory pro příjem signálu, pro velkou frekvenci nedetekovatelného lidským zrakem, s následnou transformací modulovaného signálu do příslušného formátu datového toku.

Tato technologie není nová, používá se mimo jiné k ovládání televizních přijímačů. V ovladači je integrována infračervená LED, která vysílá modulovaný světelný signál. V televizním přijímači signál přijímá fotodioda a vytváří tok dat pro volbu televizního programu nebo dalších funkcí.