Intelligente Sensoren, die drahtlos an das Bauteil angeschlossen sind, verbessern das Verständnis und die Steuerung von Produktionsprozessen, so dass Prozesse flexibel überwacht und adaptiv gesteuert werden können. Was nach einer fernen Zukunftsvision klingt, setzt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik IPT in Aachen bereits um: Gemeinsam mit sieben Industriepartnern haben die Forscher ein intelligentes und flexibles Prozessleitsystem entwickelt, das große Datenmengen verarbeiten und mit 5G- und Cloud-Technologie nahezu augenblicklich übertragen kann.
Einen direkten Einblick in den Produktionsprozess zu gewinnen, Wartungsanforderungen und Ausfallrisiken rechtzeitig zu erkennen und die Informationen in eine zielgerichtete und adaptive Prozesssteuerung umzuwandeln – das sind die Ziele des Forschungsprojekts „5GSensPRO". Eine Lösung verspricht die Entwicklung einer flexiblen Steuerung mit 5G-Mobilfunktechnologie für die Verbindung zwischen Sensorik und Maschinensteuerung. Zentrales Element ist ein sogenanntes „5G Edge Computing Device", eine Kombination aus Sensor, Datenverarbeitung und Funkeinheit, die direkt an das Bauteil angebaut und in den Fertigungsprozess integriert wird. Das 5G Edge-Computing-Gerät ist in der Lage, Sensordaten vor der Übertragung zu verarbeiten und erstmals über 5G vollständig mit der Produktionsmaschine zu verbinden. Sensor- und Maschinendaten können auch per Augmented-Reality-Visualisierung per Tablet oder Smartphone aus der Ferne abgerufen und zur direkten Qualitätsüberwachung genutzt werden.
5G-Übertragung zur Echtzeitsteuerung von Bearbeitungsprozessen
Die Kombination von 5G und intelligenter Sensorik ermöglicht eine Datenverarbeitung im Millisekundenbereich auch für komplexe Bewegungen von Bauteil und Maschine. Die Daten werden bereits im 5G Edge Computing Device vorverarbeitet, so dass nur relevante Prozessdaten übertragen werden. In Kombination mit 5G eröffnet dies nicht nur neue Möglichkeiten zur Echtzeitsteuerung hochdynamischer Prozesse. Werden die Daten in der Cloud gespeichert, können sie dort in Form eines digitalen Zwillings abgebildet und in Langzeitanalysen einbezogen werden. Dadurch können die Prozesse auf verschiedene Weise weiter optimiert werden.
Anwendungsbeispiel: Adaptive Steuerung eines Fräsprozesses in der Turbomaschinentechnik.
Das Projektteam testete die Funktion der 5G-basierten Steuerungsarchitektur am Beispiel der Fertigung einer BLISK-Komponente für den Turbomaschinenbau: Das 5G Edge Computing Device wurde direkt neben der Komponente montiert. Das Gerät erfasst Prozessdaten wie Vibrationen oder Temperatur direkt am Bauteil, verarbeitet es selbst im Vorfeld und sendet die „verfeinerten Daten mit 5G in Echtzeit an eine Steuereinheit im Maschinenschrank, die den Prozess überwacht und steuert. Zur Visualisierung des Herstellungsprozesses werden die Daten auch an eine lokale Recheneinheit, die sogenannte Edge Cloud, gesendet und zur weiteren Datenanalyse gespeichert.
Dieses Beispiel zeigt, wie 5G aktiv als Steuerungspfad für einen Produktionsprozess in Kombination mit Edge Cloud genutzt werden kann. Während der Forschungsarbeiten im Projekt 5GSensPro konnten auch erste Erfahrungen mit der kompletten und direkten Anbindung einer Produktionsmaschine über 5G gesammelt werden. "Die vorgestellte 5G-basierte Architektur zeigt, wie sich dezentrale Edge-Komponenten und zentrale Cloud-Systeme in einem modularen Ansatz ergänzen." Damit gelingt es uns, die Produktion noch flexibler und smarter zu gestalten, wie es die Industrie verlangt, sagt Sarah Schmitt, Projektleiterin im Projekt 5GSensPRO.
Das Projekt "5GSensPRO - 5G-basierte Sensorik zur Überwachung in der Produktion" wurde vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert (Fördercode: EFRE 0801636).
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