Hochdynamische Produktionssysteme zuverlässig und sicher steuern und regeln

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5G-Technologie für zuverlässigere Echtzeit-Kommunikation zwischen Maschinen, Anlagen und Cloud-Systemen dank Time Sensitive Networking

Hochdynamische Produktionssysteme zuverlässig und sicher steuern und regeln
Hochdynamische Produktionssysteme zuverlässig und sicher steuern und regeln

Edge- und Cloud­sys­teme ge­win­nen an Bedeu­tung für die zu­ver­läs­sige Steue­rung hoch­dyna­mi­scher Pro­duk­tions­sys­teme, je­doch fehlt es auch heu­te noch an ent­spre­chen­der Aus­rüs­tung und In­fra­struk­tur, um be­ste­hen­de Ma­schi­nen und An­la­gen ent­sprech­end der er­forder­lichen in­dus­triel­len An­for­de­run­gen dauer­haft in digi­tale IT-Land­schaften zu inte­grie­ren. Zu diesem Zweck ent­wickelt das Fraun­hofer-In­sti­tut für Pro­duk­tions­tech­nolo­gie IPT aus Aachen ge­mein­sam mit Part­nern aus Ma­schinen­bau, Netz­werk­tech­nik und Robo­tik nun eine durch­gängig echt­zeit­fä­hige Kom­muni­kations­infra­struk­tur auf der Basis von 5G-Mobil­funk­tech­no­lo­gie und Time Sen­si­tive Net­work­ing (TSN).

Für den schnel­len und zu­ver­läs­sigen Daten­aus­tausch im 5G-Pro­duktions­netz­werk setzen die Aache­ner For­schungs­part­ner im Pro­jekt »5G-Comet« auf eine Rei­he von Stan­dards, die zusam­men­ge­fasst als Time Sen­si­tive Net­work­ing (TSN) be­zeich­net wer­den: Die­se er­mög­li­chen eine Daten­über­tra­gung mit sehr gerin­gen La­ten­zen und hoher Ver­füg­bar­keit und wur­den von der Time-Sen­si­tive Net­work­ing Task Group, einer Ar­beits­grup­pe des In­sti­tute of Elec­tri­cal and Elec­tro­nics En­gineers (IEEE), er­ar­bei­tet. Die Par­tner im Pro­jekt 5G-Comet wol­len die ur­sprüng­lich für kabel­gebun­dene Netze ent­wickel­ten TSN-Stan­dards nun mit der 5G-Mobil­funk­tech­no­lo­gie in einem echt­zeit­fä­higen Gesamt­sys­tem kom­bi­nie­ren. Ziel ist eine hoch­ver­füg­ba­re, zu­ver­läs­sige und sichere Kom­mu­ni­ka­tion aller Kom­po­nen­ten und Mo­du­le: von der Senso­rik und Akto­rik auf Feld­ebe­ne über 5G-Netze und Ether­net­ver­bin­dun­gen bis in die Fraun­hofer Edge Cloud (FEC).

Einheitliche Kommunikations­infra­struk­tur mit und ohne Ka­bel

Die Fraunhofer Edge Cloud fungiert im 5G-Pro­duktions­netz­werk als Steuer­zen­tra­le für al­le an­ge­schlos­se­nen Sys­teme: Die Da­ten sämt­li­cher Kom­po­nen­ten im Netz­werk lau­fen hier zu­sam­men. Die ho­hen Spei­cher- und Rechen­ka­pa­zi­tä­ten der Cloud, der schnelle Daten­trans­fer zwi­schen 5G und Ether­net so­wie die zu­ver­läs­sigen Schnitt­stel­len er­mög­li­chen dann, dass die zahl­rei­chen Einzel­pro­zes­se in­ner­halb des Netz­werks nicht mehr lokal ge­steuert wer­den müssen, son­dern cloud­ba­siert. So kön­nen mit spe­ziell pro­gram­mier­ten vir­tu­ellen An­wen­dun­gen echte Pro­zess­ketten adap­tiv auf­ein­ander abge­stimmt wer­den. Damit dies ver­läss­lich funk­tio­niert, kom­bi­nie­ren die Aache­ner For­schungs­part­ner den TSN-Stand­ard für Ether­net nun auch mit 5G, so­dass das gesam­te Pro­duktions­netz­werk über eine ein­heit­liche Kom­mu­ni­ka­tions­infra­struk­tur verfügt. Die stan­dar­di­sier­ten Schnitt­stel­len zwi­schen dem mo­bi­len und dem ka­bel­ge­bun­de­nen Netz sol­len sich da­mit posi­tiv auf die Zu­ver­läs­sig­keit der Daten­über­tra­gung aus­wir­ken.   

Erste Anwendungen in Erprobung

Erste Anwendungs­szena­rien er­pro­ben die Aache­ner For­schungs­par­tner für Echt­zeit-Steue­rung von ro­bo­ter­un­ter­stütz­ten Laser­bear­bei­tungs- und Mon­ta­ge­pro­zes­sen: Im An­wen­dungs­fall der Laser­bear­bei­tung ver­sieht ein Ro­bo­ter mit ei­nem Spezial­werk­zeug kom­ple­xe drei­dimen­sio­nale Ober­flä­chen mit Textu­ren, Gravu­ren oder Mar­kie­run­gen. Die exak­te Po­si­tion des Ro­bo­ters und des La­ser­werk­zeugs im lau­fen­den Be­trieb zu er­mit­teln und bei­de Kom­po­nen­ten prä­zise anzu­steuern, er­for­dert hohe Rechen­ka­pa­zi­täten. Das durch­gän­gige TSN-Netz­werk mit der la­tenz­ar­men Daten­über­tra­gung bis in die Fraun­hofer Edge Cloud stellt sicher, dass alle er­for­der­li­chen Ein­zel­sys­teme schnell und ohne Ver­zö­ge­run­gen auf­ein­ander rea­gie­ren kön­nen. Die kabel­lose An­bin­dung der Werk­zeug­sen­so­rik mit 5G und die aus­gela­ger­te Steue­rung in der Fraun­hofer Edge Cloud er­lau­ben zudem ein­en mo­du­la­ren und fle­xib­len Ein­satz des Werk­zeugs.

Mon­ta­ge­an­la­gen mit koope­rieren­den Ro­bo­tern, die eine Mon­tage­auf­gabe gemein­sam be­ar­bei­ten, bil­den ein weite­res An­wen­dungs­sze­nario ab: Wurden bis­her die Steue­run­gen koope­rie­ren­der Ro­bo­ter mit gro­ßem Hard­ware­auf­wand un­mit­tel­bar unter­ein­ander ver­bun­den, las­sen sich die er­for­der­li­chen Rechen­pro­zes­se zu­künf­tig in die Fraun­hofer Edge Cloud aus­lagern. Sämt­liche Berech­nungen der Robo­ter­bah­nen kön­nen dort aus­ge­führt und die Er­geb­nis­se in das Ro­bo­ter­sys­tem zurück­ge­führt wer­den. Die Ein­be­zie­hung der TSN-fähi­gen Netz­werk­kom­po­nen­ten stellt da­für eine durch­gän­gi­ge und zu­ver­läs­sige Syn­chro­nisie­rung und Ver­bin­dung der einzel­nen Sys­teme bereit.

5G-Industry Campus Europe als Test­umge­bung für das 5G-Comet-For­schungs­pro­jekt

Mit dem 5G-In­dus­try Cam­pus Europe ging im Mai 2020 Euro­pas größte 5G-For­schungs­infra­struk­tur ans Netz. In ins­ge­samt sie­ben Teil­pro­jekten wer­den unter­schied­liche An­wen­dungs­szena­rien von 5G-Sen­so­rik für die Über­wa­chung und Steue­rung hoch­kom­ple­xer Fer­ti­gungs­pro­zesse über mo­bi­le Ro­bo­tik und Lo­gis­tik bis hin zu stand­ort­über­grei­fen­den Pro­duk­tions­ket­ten unter­sucht. Außer­dem tes­ten die Aache­ner Wis­sen­schaft­ler­innen und Wis­sen­schaft­ler den Ein­satz moder­ner Edge-Cloud-Sys­teme zur schnellen Ver­ar­bei­tung von Da­ten, um die Po­ten­zia­le von 5G in der ver­netz­ten, adap­ti­ven Pro­duk­tion aus­zu­schöpfen.

Der 5G-In­dus­try Cam­pus Europe bie­tet auch für die An­wendungs­fälle des For­schungs­pro­jekts 5G-Comet eine voll­ausge­stat­tete Test­um­ge­bung: »Die 5G-Infra­struk­tur mit dem einen Qua­drat­kilo­meter großen Outdoor und mehre­ren Indoor-Netzen bie­tet per­fek­te Voraus­setz­ungen, zeit­kriti­sche An­wen­dungs­fälle, die hohe An­forde­run­gen an Zuver­läs­sig­keit, Ver­füg­bar­keit und La­tenz stel­len, zu tes­ten und zu er­pro­ben. Die Kom­mu­ni­ka­tion zwischen den je­wei­li­gen Einzel­sys­temen und der Fraun­hofer Edge Cloud kann in die­sem bereits ge­schaf­fe­nen Um­feld um­fas­send er­probt wer­den«, sagt Niels König vom Fraunhofer IPT.

Das Projekt 5G-Comet wird für zwei Jahre aus den Mitteln des Landes NRW durch das Mi­nis­te­rium für Wirt­schaft, In­no­va­tion, Digi­ta­li­sie­rung und Ener­gie mit dem För­der­kenn­zeichen 005-2008-0093 ge­för­dert.

Die folgenden Firmen und Einrichtungen sind Teil des Projektkonsortiums:
Ericsson GmbH, Herzogenrath
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
German Edge Cloud GmbH & Co. KG, Eschborn
Hirschmann GmbH, Neckartenzlingen
ISEK Lehr und Forschungsgebiet Informationstheorie und Systematischer Entwurf von Kommunikationssystemen, Aachen
Meastream GmbH, Eschweiler
Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Aachen
SMS Group GmbH, Düsseldorf
Utimaco GmbH, Aachen
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
 

Veröffentlicht am Februar 15, 2021 - (78 views)
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