Licht statt Funk: Dresdener Forscher bringen Echtzeit-Kommunikation in die Fabrik

Zuverlässige Datenverbindung gesucht: In der industriellen Kommunikation wächst der Druck seit Jahren in zwei Richtungen zugleich. Daten müssen schneller und verlässlicher übertragen werden, gleichzeitig sollen Anlagen flexibler werden. Gefragt ist Kommunikation, die hohe Bandbreiten, vorhersagbare Latenzen und robuste Integration in bestehende Netzwerke zusammenbringt.

Hier setzt das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) mit Li-Fi Grathus an. Dabei handelt es sich um eine optische Drahtlosverbindung, die Daten nicht per Funk, sondern per Licht überträgt.

Licht statt Funk

Der Ansatz ist deshalb so interessant, weil er zwei klassische Schwächen industrieller Vernetzung angeht. Kabelgebundene Verbindungen gelten zwar als stabil, sind in dynamischen Produktionsumgebungen aber oft unflexibel, etwa wenn Maschinen umgestellt, rotierende Komponenten angebunden oder Bestandsanlagen nachgerüstet werden sollen.

Funkbasierte Lösungen hingegen bieten mehr Bewegungsfreiheit, geraten in metallischen oder elektromagnetisch stark belasteten Umgebungen jedoch an praktische Grenzen. Li-Fi Grathus soll hier eine neue Möglichkeit bieten: drahtlos wie Funk, aber ohne Funkwellen und damit mit hoher Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.

Wie die neue Datenverbindung funktioniert

Technisch fungiert das System als transparentes Ethernet über optische Funkverbindungen. Standard-Ethernet-Protokolle sollen sich via Licht übertragen lassen, ohne dass dafür bestehende Netzwerkarchitekturen grundlegend verändert werden müssen. Das Fraunhofer IPMS nennt Datenraten von 1 Gbit/s und mehr bei Reichweiten von bis zu 10 m. Unterstützt werden unter anderem

• Profinet,
• EtherCAT,
• EtherCAT G und
• SERCOS III.

Hinzu kommen Schnittstellen für 1000BASE-T/Ethernet, USB 3.0/3.1 sowie kundenspezifische Anbindungen. Ein zusätzlicher Seitenkanal mit 1 Mbit/s ist für Management-, Diagnose- und Sicherheitssignale vorgesehen.

Damit könnte eine Echtzeit-Kommunikation erreichbar sein: Für Li-Fi Grathus wird eine deterministische Latenz von deutlich unter 100 ns angegeben. Vom Fraunhofer Institut heißt es, dies sei ungefähr 1000-mal niedriger als bei 5G oder Wi-Fi. Gerade für Robotik, Motion Control und präzise Maschinensteuerung ist das ein entscheidender Punkt: Nicht nur die reine Übertragungsgeschwindigkeit zählt, sondern vor allem die Vorhersagbarkeit. Wenn Steuerungsdaten immer innerhalb eines exakt bekannten Zeitfensters ankommen, steigt die Eignung für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben deutlich.

Wieso das gerade für die Industrie relevant ist

Hinzu kommt ein Vorteil, der im industriellen Alltag oft noch wichtiger ist als die Spitzenleistung: Störfestigkeit. Weil Li-Fi Grathus mit Lichtsignalen arbeitet, ist die Datenverbindung nach Angaben der Forschenden immun gegen elektromagnetische Störungen. In rauen Industrieumgebungen mit Motoren, Umrichtern, metallischen Strukturen und eng gepackter Anlagentechnik kann das ein wichtiger Unterschied sein. Wo Funkverbindungen instabil werden oder aufwendig abgesichert werden müssen, verspricht die optische Verbindung eine stabile, störungsfreie Alternative.

Gleichzeitig unterstützt das System bidirektionale Vollduplex-Kommunikation, kann also gleichzeitig senden und empfangen. Li-Fi Grathus soll ohne aufwendige Justage installierbar sein und in kompakter Plug-and-Play-Bauweise arbeiten. Das robuste, thermisch stabile Design mit Metallgehäuse ist explizit für den industriellen Einsatz ausgelegt.

Ein wichtiger Baustein dabei ist die Mehrwege-Linse (Multipath Lens, MPL) des Fraunhofer IPMS. Sie erlaubt es laut den Forschenden, die Laserleistung zu erhöhen und gleichzeitig den Betrieb in Lasersicherheitsklasse 1 beizubehalten. Auf der Produktseite wird diese Linsentechnologie als patentiert beschrieben. Für die Praxis heißt das: höhere Leistungsreserven, augensicherer Betrieb und eine einfachere händische Ausrichtung als bei vielen klassischen Freistrahlsystemen.

Eine neue Option zwischen Kabel und Funk

Das System bietet also Datenverbindung und flexible Echtzeitkommunikation ohne Neuverkabelung. Die Wissenschaftler nennen als typische Einsatzfelder industrielle Automatisierung, Robotik, Motion Control, Retrofit-Projekte, Logistiksysteme, große rotierende Maschinen sowie Hochbandbreitenkanäle für den Upload und Download von Sensordaten, etwa bei fahrerlosen Transportsystemen. Auch als Backhaul- und Backbone-Verbindung für WLAN- und Mobilfunk-Access-Points ist das System vorgesehen.

Besonders nützlich ist das System überall dort, wo sich Anlagenlayouts häufig ändern oder bewegliche und rotierende Anlagenteile bislang nur mit hohem mechanischen Aufwand angebunden werden können.

Dass das System auf einen konkreten Marktzugang zielt, zeigt das verfügbare Evaluierungskit. Es ist als gebrauchsfertiges Set ausgelegt und ermöglicht es, eine kabelgebundene 1-Gbps-Ethernet-Verbindung per Plug-and-Play durch eine optische Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu ersetzen. Enthalten sind zwei Grathus-Geräte mit RJ45-Anschlüssen, zwei CAT5-Ethernet-Kabel, zwei Netzteile und eine Bedienungsanleitung.

Einsatzbereitschaft in Reichweite?

Für das Kit nennt Fraunhofer eine Reichweite von bis zu 5 m bei 1 Gbit/s. Es ist nicht als Massenprodukt für den Office-Bereich ausgelegt, sondern als ein Test- und Evaluierungswerkzeug für industrielle Umgebungen.

Nach mehr als 15 Jahren Li-Fi-Erfahrung, so Gruppenleiter René Kirrbach, sei mit Grathus eine robuste, schnelle und sichere optische Industriekommunikation entstanden, die mit vielen Industrial-Ethernet-Standards kompatibel ist.