Anti-Stotter-Bremse für Roboter

29.03.2022

Flexible Produktionsketten und vernetzte Roboter: In modernen Fabriken spielt Kommunikation eine zentrale Rolle. Informatiker der Universität Würzburg entwickeln neue Systeme, damit diese reibungslos funktioniert.

„Konvergierte deterministische Industrienetze in heterogenen Umgebungen mit Campus-5G“ oder kurz KOSINU5: So lautet der Name des Forschungsprojekts. (Bild: Lehrstuhl für Informatik III)

Wenn ein Roboterarm ein empfindliches Bauteil einem anderen Roboter überreichen möchte, sollte dieser tunlichst zur rechten Zeit am rechten Ort sein – und nicht eine zehntel Sekunde zu spät oder einen Zentimeter zu weit links –, sonst landet das wertvolle Stück möglicherweise am Boden und ist zerstört. Gut, wenn die Roboter in solchen Fällen miteinander kommunizieren können – im Idealfall drahtlos und im ultraschnellen 5G-Netz. Schlecht, wenn im entscheidenden Moment gerade eine große Metallplatte durch die Halle transportiert wird und die mobile Datenübertragung kurzfristig stört – weshalb der Roboter quasi zu Stottern beginnt.

1,8 Millionen Euro für die Forschung an Kommunikationsnetzen

Dass es zu solchen Störungen erst gar nicht kommt: Daran arbeiten Informatikinnen und Informatiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in einem neuen Forschungsprojekt. Sein Name: „Konvergierte deterministische Industrienetze in heterogenen Umgebungen mit Campus-5G“ oder kurz KOSINU5. Verantwortlich dafür ist Professor Tobias Hoßfeld, Inhaber des JMU-Lehrstuhls für Informatik III mit dem Schwerpunkt „Kommunikationsnetze“. Weitere Beteiligte sind die Firmen Siemens und Infosim. Das Projekt wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie gefördert. Von den bewilligten 1,8 Millionen Euro fließt etwas mehr als eine halbe Million Euro an Hoßfelds Lehrstuhl.

„In der Fabrikhalle der Zukunft kommunizieren alle Bereiche miteinander – vom Lager über Roboter und Fließbänder bis zum Versand“, sagt Tobias Hoßfeld. Gleichzeitig sei in der Produktion eine hohe Flexibilität gefordert. Dazu müssten die Fabrikhallen in der Lage sein, von einem bestimmten Produkt schnell mal eben ein einziges Stück herzustellen – „Stückzahl 1 Produktion“ in der Fachsprache genannt – ohne langes Umprogrammieren und Umstellen.

Extrem hohe Zuverlässigkeit gefordert

„Damit das funktioniert, muss die Kommunikation zwischen den einzelnen Bausteinen der Produktionsketten in Echtzeit und mit einer extrem hohen Zuverlässigkeit erfolgen“, sagt Hoßfeld. Und weil mobile Roboter schlecht an Kabel angebunden sein können, muss diese Kommunikation über drahtlose Netzwerke ablaufen. Ein 5G-Netz, das nicht ans Internet angeschlossen ist, kann diese Bedingungen erfüllen (die sog. 5G Campus-Netze) – zumindest im Prinzip. Aber: „Kabelgebundene Kommunikation ist immer zuverlässiger als drahtlose“, schränkt Hoßfeld ein.

Im Rahmen von KOSINU5 wollen Hoßfeld und sein Team in den kommenden drei Jahren Systeme entwickeln, die in der Lage sind, solche Anforderungen zu erfüllen. Gleichzeitig sollen diese Systeme standardisiert und skalierbar ein, damit sie im Prinzip von jedem Unternehmen eingesetzt werden können – unabhängig davon, wie groß die jeweilige Produktionskette ist und wie viele „Kommunikatoren“ daran beteiligt sind. Dazu wollen die Informatiker auch noch den Beweis antreten, dass ihre Systeme garantiert funktionieren und tatsächlich in Echtzeit laufen.

Verkehrsregeln für Datenpakete

Im Prinzip gleiche dieses System einem Verkehrsleitsystem für eine Stadt, sagt Hoßfeld. Anstelle von Fahrrädern, Autos, Bussen und Lkw seien in dem Kommunikationsnetz allerdings Datenpakete unterwegs. Auch von diesen gebe es langsame und schnelle Exemplare, auch für diese müssten bisweilen sämtliche Ampeln auf Grün geschaltet werden, damit sie pünktlich am Ziel eintreffen. Und auch diese dürften keinesfalls im Stau stehen, wenn einmal ein erhöhtes „Verkehrsaufkommen“ zu verzeichnen ist.

Datenmengen von bis zu 100 Giga-Bit pro Sekunde fließen in Spitzenzeiten in solchen Kommunikationsnetzwerken. Dementsprechend ist eine extrem schnelle Reaktionszeit erforderlich, damit es nicht zu Unterbrechungen kommt. Für einen reibungslosen Verkehrsfluss der Datenpakete in solchen Industrienetzen planen die Informatiker deshalb – bildlich gesprochen – für jedes Fahrzeugtyp eine eigene Spur mit einer individuellen Richtgeschwindigkeit. Dazu befinden sich an Verkehrsknotenpunkten „Mautstellen“, die eilige Transporte priorisieren und bevorzugt durchwinken. Der Ort, an dem die Verkehrsregelung stattfindet, sind sogenannte Switches – an deren Entwicklung und Programmierung arbeiten Hoßfeld und sein Team.

Nächste Herausforderungen stehen schon fest

Auf drei Jahre ist das neue Forschungsprojekt ausgelegt. In dieser Zeit werden die Informatiker zum einen in Fabriken vor Ort den realen Datenverkehr messen und analysieren. Zusätzlich wollen sie am Lehrstuhl ein Labor einrichten mit einem 5G-Netzwerk, an dem sie ihre Entwicklungen testen werden. „Dort können wir die Systeme bewerten, Unsicherheiten erfassen und korrigieren und am Ende den Beweis liefern, dass sie funktionieren“, sagt Hoßfeld.

Reichen drei Jahre aus, um das Projekt zu einem erfolgreichen Ende zu führen? Davon ist Tobias Hoßfeld überzeugt. Gleichzeitig ist er sich sicher, dass das Thema „Störungsfreie Kommunikation in Echtzeit“ damit nicht abgeschlossen sein wird. Schon jetzt habe die Forschung Fragen identifiziert, die man mit diesem Projekt nicht wird beantworten können. Eine davon lautet: Funktioniert Echtzeitkommunikation auch, wenn man dabei über die Cloud geht? Die entsprechenden Wünsche der Industrie in diesem Punkt liegen jedenfalls schon jetzt auf dem Tisch.