Smarte Sensoren, die kabellos am Bauteil angebracht werden, verbessern das Verständnis und die Kontrolle von Produktionsverfahren, sodass sich Prozesse flexibel überwachen und adaptiv regeln lassen. Was nach einer weit entfernten Zukunftsvision klingt, setzt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen bereits um: Gemeinsam mit sieben Industriepartnern haben die Forscherinnen und Forscher eine intelligente und flexible Prozessregelung entworfen, die große Datenmengen verarbeiten und mit 5G- und Cloudtechnologie nahezu verzögerungsfrei übertragen kann.
Direkter Einblick in den Produktionsprozess
Einen direkten Einblick in den Produktionsprozess erhalten, Wartungsbedarfe und Ausfallrisiken rechtzeitig erkennen und die Informationen in eine zielgenaue und adaptive Prozessregelung umsetzen – das sind Ziele im Forschungsprojekt 5GSensPro. Eine Lösung verspricht die Entwicklung eines flexiblen Regelungssystems mit 5G-Mobilfunktechnologie für die Verbindung zwischen Sensorik und Maschinensteuerung.
Zentrales Element ist ein sogenanntes 5G Edge Computing Device – eine Kombination aus Sensor-, Datenverarbeitungs- und Funkeinheit, die direkt am Bauteil angebracht und in den Fertigungsprozess integriert wird. Es ist in der Lage, die Sensordaten bereits vor der Übertragung aufzubereiten und erstmals vollständig über 5G mit der Produktionsmaschine zu verbinden. Sensor- und Maschinendaten können zudem über eine Augmented-Reality-Visualisierung mittels Tablet oder Smartphone remote abgerufen und für die direkte Qualitätsüberwachung genutzt werden.
5G-Übertragung für die Echtzeitregelung von Bearbeitungsprozessen
Die Kombination von 5G und intelligenter Sensorik erlaubt den Angaben zufolge eine Datenverarbeitung im Millisekunden-Bereich selbst bei komplexen Bewegungen von Bauteil und Maschine. Die Daten werden im 5G Edge Computing Device bereits vorverarbeitet, sodass nur relevante Prozessdaten übertragen werden.
In der Kombination mit 5G ergeben sich so nicht nur neue Möglichkeiten für die Echtzeitregelung hochdynamischer Prozesse. Fertigungsanlagen können sich auf diese Weise sogar selbstständig an sich ändernde Betriebsbedingungen anpassen. Sofern die Daten zusätzlich auch in der Cloud gespeichert werden, können sie dort in Form eines digitalen Zwillings abgebildet und in langfristige Analysen einbezogen werden. So lassen sich die Prozesse auf verschiedenen Wegen weiter optimieren.
Adaptive Regelung eines Fräsprozesses im Turbomaschinenbau
Die Funktion der 5G-basierten Regelungsarchitektur hat das Projektteam am Beispiel der Fertigung einer Blisk-Komponente für den Turbomaschinenbau erprobt: Das 5G Edge Computing Device wurde dafür direkt neben dem Bauteil montiert. Prozessdaten wie Vibration oder Temperatur nimmt es direkt am Bauteil auf, verarbeitet sie selbst im Vorfeld und sendet die Daten mit 5G in Echtzeit an eine Kontrolleinheit im Maschinenschrank, die den Prozess überwacht und steuert. Für die Visualisierung des Fertigungsprozesses werden die Daten zusätzlich an eine lokale Recheneinheit – die sogenannte Edge-Cloud – gesendet und zur weiteren Datenanalyse gespeichert.
Die Beispielanwendung zeigt, wie 5G in Kombination mit einer Edge-Cloud aktiv als Regelungsstrecke für einen Produktionsprozess genutzt werden kann. Während der Forschungsarbeiten im Projekt 5GSensPro konnten damit auch erste Erfahrungen mit der vollständigen und direkten Anbindung einer Produktionsmaschine über 5G gesammelt werden.
„Die vorgestellte 5G-basierte Architektur zeigt exemplarisch, wie sich dezentrale Edge-Komponenten und zentrale Cloudsysteme in einem modularen Ansatz gegenseitig ergänzen“, sagt Sarah Schmitt, Projektleiterin im Projekt 5GSensPro. „So gelingt es uns, die Produktion, wie von der Industrie gefordert, noch flexibler und smarter zu gestalten.“ (jk)
