In moderne productieprocessen staan efficiëntie, kwaliteit en flexibiliteit voorop. Daarbij wordt dankbaar gebruik gemaakt van (autonome) robots, enorme hoeveelheden sensoren, enz.
Om die technologieën aan te sturen, doen bedrijven al ruim veertig jaar een beroep op ethernettechnologie. Ethernet-gebaseerde netwerken ondersteunen immers hoge datasnelheden en beschikken over massaal veel bandbreedte. Ze hebben echter één groot nadeel: de wirwar aan kabels maakt snelle aanpassingen op de productievloer – om bijvoorbeeld adequaat op nieuwe opportuniteiten of vereisten te kunnen inspelen – quasi onmogelijk.
Draadloze netwerken bieden die flexibiliteit wel en zouden voor de maakindustrie een grote toegevoegde waarde kunnen hebben. Niet in het minst nu imec onderzoekers aan de UGent erin geslaagd zijn een unieke wifi-implementatie te ontwikkelen die buitengewoon goed scoort op het vlak van betrouwbaarheid en signaalvertraging.
De ontwikkeling van een draadloos netwerk – op maat van industrie 4.0-toepassingen
Het gebruik van wifi-technologie zat de voorbije twee decennia stevig in de lift. Wifi-netwerken kunnen snel en makkelijk worden opgezet, vragen weinig onderhoud én zijn geschikt om snel grote hoeveelheden data door te sturen. Ten slotte kan de configuratie ervan eenvoudig worden aangepast.
Het nadeel: wifi-implementaties schieten, net als andere draadloze technologieën, vooralsnog tekort op het vlak van betrouwbaarheid en signaalvertraging.
En daarvoor hebben onderzoekers van IDLab, een imec onderzoeksgroep aan de UGent, een oplossing gevonden.
Een (Open)wifi-oplossing voor deterministische draadloze communicatie
Hun deterministische draadloze communicatieoplossing combineert de flexibiliteit van wifi met een hoge mate van betrouwbaarheid en een beperkte signaalvertraging. Het werk is gebaseerd op het opensource ‘Openwifi’-initiatief en ondersteunt zowel de 2.4GHz en 5.8GHz frequenties (waarin wifi-technologie traditioneel opereert) als de gelicentieerde banden.
Drie innovaties maken de oplossing buitengewoon interessant voor industriële toepassingen:
1-Externe interferentie detecteren – én erop anticiperen
Een eerste unieke eigenschap van de imec oplossing is dat elk wifi-toegangspunt in staat is om het spectrum autonoom af te speuren, op zoek naar transmissies van andere draadloze technologieën. Op die manier kan interferentie (pro)actief gedetecteerd én vermeden worden, wat de betrouwbaarheid van het netwerk ten goede komt.
Om dat mogelijk te maken, ontwikkelden de onderzoekers een frequentie-agnostische radio waarmee de wifi-toegangspunten het spectrum in real time kunnen analyseren en op een dynamische manier – en binnen luttele milliseconden – het optimale transmissieslot kunnen selecteren. Zonder enige voorafgaande planning of preconfiguratie.
Uniek is ook dat het systeem de 5, 10 en 20MHz kanalen ondersteunt. Hoewel dat – in beperkte mate – ten koste gaat van netwerkcapaciteit, zorgt het voor extra flexibiliteit in het frequentiedomein. Precies daardoor kan het systeem nog beter anticiperen op potentiële interferentie.
Figuur-1: Het systeem genereert autonoom een overzicht van de radio-omgeving en kiest dynamisch – en binnen luttele milliseconden – het optimale transmissieslot, zonder voorafgaande planning of (pre)configuratie.
2-Een dynamisch herconfigureerbare netwerkstack
Een tweede belangrijke differentiator is de aanwezigheid van een API-laag (application programming interface) die communicatie mogelijk maakt tussen (industriële) toepassingen en de netwerkstack – en waardoor de stack zich dynamisch kan aanpassen aan de specifieke vereisten van elk pakkettype dat moet worden doorgestuurd.
Als er bijvoorbeeld een bestand moeten worden verzonden met een snelheid van 10Mbps (en er verder geen speciale QoS-vereisten zijn), zal het systeem gewoon het 20MHz-kanaal gebruiken. Maar als voor het aansturen van een robotarm een beperkte signaalvertraging en hoge betrouwbaarheid een absolute must zijn, dan zal de stack zichzelf automatisch herconfigureren om aan die specifieke voorwaarden te voldoen.
3-Eenvoudige installatie en configuratie
Ten slotte ondersteunt de oplossing een eenvoudige installatie en configuratie, en werd ze uitgerust met een intuïtieve managementinterface.
Afbeelding-2: De intuïtieve managementinterface zorgt voor een eenvoudige bediening.
Om een optimale gebruikerservaring te garanderen, geeft het systeem onder meer realtime feedback als er aan een bepaalde vereiste niet kan worden voldaan. Als er bijvoorbeeld een betrouwbaarheid van 99,9999% is gevraagd, maar dat cijfer kan niet worden gehaald, dan wordt de gebruiker daarvan onmiddellijk geïnformeerd en worden mogelijke oplossingen aangeboden. Dankzij de intuïtieve interface hebben gebruikers daarbij geen speciale expertise nodig.
De cijfers: een signaalvertraging van 2ms en een betrouwbaarheid van 99,999%
Voor bedrijven staat productie natuurlijk voorop: ze zullen nieuwe oplossingen alleen accepteren en implementeren als die de bestaande processen niet verstoren.
Om het potentieel van hun oplossing aan te tonen, onderwierpen de imec onderzoekers het systeem daarom aan strenge tests. En wat bleek: zelfs in zeer moeilijke omstandigheden – op plaatsen waar verschillende draadloze technologieën met elkaar wedijverden om bandbreedte – werd 99,999% van de pakketten succesvol afgeleverd; een cijfer dat de onderzoekers in de toekomst verder willen verbeteren.
Maar ook met een signaalvertraging van 2ms scoorden ze erg goed. Dat is immers meer dan voldoende voor de meeste industriële automatiseringstoepassingen, zoals bijvoorbeeld automatisch geleide voertuigen (AGV's), die doorgaans genoeg hebben aan een signaalvertraging van 16ms.
Wifi versus 5G
Blijft de vraag: waarom zouden bedrijven kiezen voor wifi-technologie? Wat zijn de voordelen ervan ten opzichte van cellulaire / 5G-netwerken?
Spilios Giannoulis, senior onderzoeker: “In de eerste plaats zijn de uitrol én het onderhoud van een wifi-netwerk eenvoudiger en goedkoper. Bovendien heb je er geen speciale licenties voor nodig.
“Ook puur technisch biedt wifi een aantal voordelen. Zo worstelt 5G nog altijd met de implementatie van de zogenaamde URLLC-features die cruciaal zijn voor de ondersteuning van tijdgevoelige en bedrijfskritische diensten.
“Maar wat uiteindelijk primeert, is dat elke oplossing die gericht is op industriële automatiseringstoepassingen vlot kan samenwerken met andere draadloze technologieën – zodat bedrijven de vrijheid hebben om zelf te bepalen met welke technologie(provider) ze in zee gaan. En daar staat onze oplossing garant voor.”
De volgende stappen: van concept naar commerciële oplossing
De technologie ontwikkeld door de imec onderzoekers bestaat momenteel als een minimum viable product (MVP) dat al op verschillende beurzen en conferenties werd getoond.
In een volgende stap is het de bedoeling een volledige commerciële oplossing te ontwikkelen die het optimale evenwicht vindt tussen capaciteit, signaalvertraging en betrouwbaarheid bij het bouwen van datacommunicatienetwerken voor industrie 4.0-toepassingen.
Als je meer wil weten over hun oplossing, of wil experimenteren met hun productconcept, neem dan contact op met het team via https://betterthanwired.net/.
Dit artikel verscheen eerder als bijdrage in AiG Nieuws.
