Wegweiser für reale 5G-Lösungen: Track-and-Trace mit Edge-Gateway

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5G angewandt in der Industrie, oder kurz: „5Gang“-Projekt, heißt das vom BMBF geförderte Projekt, welches das Ziel verfolgt, auf Basis mobiler Netze der 5. Generation ein neues und leistungsfähiges, industrielles Kommunikationskonzept zu entwickeln. Einer der aktiven Projektpartner ist Schildknecht, ein Unternehmen, das die 5G-Technologie in Gateways integrieren wird. Das Projekt läuft nun seit zwei Jahren – eine Zwischenbilanz.

Selten hat eine neue Technologie so viele Zukunftsvisionen und Kommentare generiert wie derzeit die 5. Generation (5G) der Mobilfunktechnik. Die dazu geäußerten Meinungen und Erwartungen gehen weit auseinander: Von einem Schlüssel für Industrie 4.0-Anwendungen ist die Rede, wie auch von der – gegenteiligen – Annahme, dass die verfügbare 4G-Technologie für die weitaus meisten Anwendungen durchaus ausreichend sei. Ein flächendeckendes Mobilfunknetz mit „Anschluss für alle“ wird ebenso beschworen wie vernetzte, industrielle Fertigungsprozesse mit hohem Rationalisierungspotenzial innerhalb eines Firmenareals oder zwischen weit entfernten Standorten. Alles davon wird technologisch möglich werden, nur sollten die vielen offenen zeit- und kostenrelevanten Begleiteffekte nicht übersehen werden: Der noch erforderliche Entwicklungsaufwand für die eigentliche Technologie sowie für die – durch neue Frequenzen bedingte – neue Gerätetechnik und deren Zulassungsprozeduren. Weiterhin der Kosten- und Zeitbedarf für Verlegung noch fehlender Glasfaserkabel und die Installation der zahlreichen, von der Öffentlichkeit zunehmend kritisch gesehenen Funkmasten. Diese Punkte sollten bei der Planung künftiger Lösungen und deren Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden.

Das „5Gang“-Projekt

Es ist ausgesprochen positiv, dass den geschilderten Unwägbarkeiten durch das vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderten „5Gang“-Projekt (5G angewandt in der Industrie) ein konkreter und praxisnaher Ansatz hinsichtlich der 5G-Einsatzmöglichkeiten im industriellen Umfeld gegenübersteht. Hauptziel dieses Projekts ist die Erforschung und Entwicklung eines Kommunikationskonzeptes, welches lokale industrielle Netze – auch mehrerer Produktionsstandorte und unter zusätzlicher Einbindung von Lieferanten und Zulieferern – effizient und transparent vernetzt.

Dabei stehen drei Aufgaben Fokus. Erstens: Die dynamische Verfolgung von Fertigungskomponenten beim Durchlaufen der verschiedenen Bearbeitungsstufen. Zweitens: Die gegenseitige Abstimmung der beteiligten Produktionsprozesse in Echtzeit. Und Drittens: Die Einbindung zahlreicher in den Maschinen verbauter Sensoren in engmaschig verknüpfte Sensornetzwerke. Für all diese Aufgaben bietet die 5G-Technologie beste Voraussetzungen. Neben 5G zur Mobilfunk-Übertragung der Daten ist deren Auswertung in einer Cloud zentraler Bestandteil des Projektes. Die Zusammenstellung der Projektbeteiligten (Ericson, Robert Bosch, TU Dresden, Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, TU Kaiserslautern, Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR) e.V. der RWTH Aachen, Sick, Schildknecht) trägt diesen Projekt-Anforderungen Rechnung – speziell hinsichtlich des Mobilfunks. Die Projektumsetzung erfolgt unter anderem am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, welches neben seinen Forschungsaufgaben reale Fertigungsaufträge an modernen Maschinen ausführt und damit alle Voraussetzungen für einen Realitätstest bietet.
Zu Projektbeginn wurden drei Use Cases zur exemplarischen Umsetzung festgelegt: (1) Track-and-Trace als Beispiel für eine intelligente Produktion, (2) führerlose Transportsysteme im Produktionsumfeld sowie (3) Condition Monitoring. Diese Anwendungen wurden mit Blick auf deren besondere Eignung zum Einsatz von 5G-Mobilfunk getroffen, gekoppelt mit der Festlegung, die Testung und Optimierung noch mit der heute verfügbaren Kommunikationstechnologie (Mobilfunk LTE, 4G) im Vorgriff auf 5G vorzunehmen. Bei Verfügbarkeit von 5G werden diese Anwendungen dann – so die Überzeugung – mit noch höherer Performance umgesetzt werden können. Diese Testfälle sind daher als Wegweiser für kommende, reale 5G-Lösungen der Fertigungsindustrie zu betrachten. Aktuell steht der Use Case 1 kurz vor dem Abschluss.

Der Datenpfad vom Werkstück in die Cloud

Die im Projekt bereits angelegten beziehungsweise geplanten Übertragungswege der Werkstück-spezifischen Daten (siehe nebenstehende Abbildung) beginnen jeweils an den RFID-Scannern, welche in beiden Maschinenhallen (Site A und B) und deren Verbindungswegen montiert sind. Sie registrieren jeweils Position, Identität und Bearbeitungsstand der Werkstücke. Die Pfade enden jeweils nach Funkübertragung über das Gateway DE 7050 in der Cloud. Dort werden die Daten mit solchen aus weiteren Fertigungsbereichen zusammengeführt und nach verschiedenen Kriterien ausgewertet. Ziel ist es, damit den Fertigungsverantwortlichen regelmäßig aktuelle Informationen über Maschinenauslastung, Maschinenzustand sowie Bearbeitungsstatus der Aufträge verfügbar zu machen.
Im Projekt werden die Daten von den RFID-Scannern über eine Profinet-Kabelverbindung auf den Eingang der in den Maschinenhallen positionierten Edge-Gateways Dataeagle 7050 von Schildknecht übertragen. Dieses leistungsstarke IoT-Gateway verfügt über eine fest integrierte, global bei vielen Hundert Netzprovidern einsetzbare eSIM-Karte und somit über die Funktion eines weltweit einsatzfähigen Mobiltelefons. Damit kann es die über die Profinet-Schnittstelle aufgenommenen und im Gateway bereits komprimierten Daten an das Internet beziehungsweise die Schildknecht-Device-Cloud zur Auswertung und Darstellung senden. Die dabei erreichte Qualität der Funkverbindung ist trotz der ausgesprochen „metallischen“ Umgebung in den Maschinenhallen hervorragend, wie der Projektverantwortliche ausdrücklich bestätigt. Dazu leistet auch die eingesetzte, hochwertige Antennentechnik ihren Beitrag.
Im aktuellen Projekt agiert die Schildknecht Device-Cloud als Durchgangsstation zu einer übergeordneten Cloud (AWS), in welcher verschiedene Datenströme aus anderen Fertigungsstätten in einem größeren Datenpaket zusammengeführt und gemeinsam ausgewertet werden. Von dort werden die Daten dann schließlich an das lokale MES des WZL übergeben.

Diese mit Hilfe des Dataeagle-7050-Gateway aufgebaute Konnektivität ist global nutzbar: Eine Verbindung in die Cloud kann von überall dort aufgebaut werden, wo Mobiltelefone funktionieren. Das Gerät nutzt für die Verbindung in die Cloud automatisch das vor Ort jeweils stärkste Funknetz mit nachfolgend, so erforderlich, automatischem Wechsel zu einem anderen, stärkeren Netz. Diese Fähigkeit des Dataeagle 7050 hat sich in vielen Applikationen mit weit verteilten Standorten der überwachten Objekte bewährt. Ein besonderer Anwendernutzen entsteht aus der hiermit erreichten Unabhängigkeit des Übertragungsweges von einer schwachen, gar nicht vorhandenen oder nicht zugänglichen Kommunikations-Infrastruktur am Einsatzort. Und schließlich bietet diese Unabhängigkeit auch die Möglichkeit, das Management dieses Übertragungsweges in eigener Regie von außen vorzunehmen.

Fazit

Das 5Gang-Projekt hat einen ersten Zwischenstand erfolgreich erreicht, der im Verlauf der kommenden Monate mit Umsetzung der Use Cases 2 und 3 weitergeführt werden wird. Ein wichtiges Ergebnis im Zwischenstand ist der Nachweis eines in einem maschinengeprägten Fertigungsumfeld reibungslos funktionierenden Datenpfades aus RFID, Profinet-Kabelverbindung (könnte auch durch Wireless Profinet ersetzt werden), Mobilfunk-Edge-Gateway mit eSIM-Karte und Device-Cloud bis hin zu mehreren Cloud-Systemen mit der Kapazität für umfangreiche Auswertungen sowie einem finalen Produktionssystem (MES). In diesem weltweit und unabhängig von anderen IT-Einrichtungen nutzbarem Konnnektivitätspfad kann zu einem späteren Zeitpunkt die 4G gegen die 5G-Technologie ausgetauscht und damit die Leistung erheblich gesteigert werden. In Zukunft werden sich diese IoT-Gateways auch in lokale 4G- und 5G-Netze mit unterschiedlichen Frequenzen eingliedern lassen. Dieses Zwischenergebnis wird im laufenden Projekt durch Umsetzung der Use Cases 2 und 3 weiter erhärtet werden.

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