5GSensPRO

5G und Sensorik zum Monitoring in der Produktion

Projektlaufzeit: 1.7.2019 bis 30.6.2022

Mit 5G den Herausforderungen der heutigen Produktion begegnen

Immer komplexere Produkte und Herstellungsverfahren führen heutige Fertigungssysteme bereits an ihre Grenzen. Erst mit Hilfe einer flexiblen Erweiterungsfähigkeit können viele der bestehenden Herausforderungen im Produktionsumfeld bewältigt werden. Die Aufgabe des Projekts »5GSensPRO« ist es daher, ein System zu entwickeln, das Maschinen und Anlagen um umfassende Überwachungsfunktionalitäten ergänzt: Smarte und flexibel einsetzbare Sensoren und Aktoren können adaptive Prozesse in Produktionsmaschinen ermöglichen. Neben entsprechenden Modulen zur Prozessüberwachung ist die Kommunikationsinfrastruktur besonders wichtig.

Die neue 5G-Mobilfunktechnologie bietet eine Grundlage, um den hohen Anforderungen an die Kommunikation innerhalb eines Netzwerks aus drahtlos verbundenen Maschinen, Servern und smarten Sensoren gerecht zu werden: Große Datenmengen können in hoher Geschwindigkeit und mit geringen Latenzen zwischen Cloud- und Großrechensystemen übertragen werden, um auch auf Feldebene zeitkritische Kommunikation, etwa für Regelungsanwendungen, zu gewährleisten.

Projektziel: Intelligentes Sensorsystem kommuniziert mit Maschine und Werkstück

Das Ziel im Projekt »5GSensPRO« ist die Entwicklung eines Systems, das die Steuerung von Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen modular erweitert und eine flexiblere Produktionsumgebung schafft, die den Anforderungen komplexer Bauteile und Fertigungsverfahren gerecht wird. Hochdynamische Prozesse können so bauteilnah überwacht und kabellos geregelt werden. Ein weiteres Ziel ist es, die Identifikation von Maschine und Werkstück zu ermöglichen um somit Prozess- und Logistikdaten eindeutig zuordnen zu können. Das 5GSensPRO-System wird im Projekt am Beispiel eines hochdynamischen Fräsprozesses von Bauteilen für den Turbomaschinenbau, sogenannter BLISKs, demonstriert. Das Gesamtkonzept ist so angelegt, dass es sich später auch auf weitere Fertigungsaufgaben und -prozesse übertragen lässt.

Innovation: Kabellose 5G-Kommunikation für Datenanalysen hochdynamischer Bearbeitungsprozesse

Smarte Sensoren werden direkt auf dem Bauteil angebracht und verfügen damit über eine bisher nicht dagewesene Prozessnähe. Diese hohe Auflösung der physikalischen Phänomene in Form der Prozessdaten verbessert das Verständnis der Prozesse und damit auch ihre Kontrolle, sodass weitere Optimierungen möglich werden.

Die kabellose 5G-Kommunikation erlaubt den Einsatz des Systems bei beliebigen Fertigungsstrategien mit komplexer Relativbewegung zwischen Bauteil und Maschine, die für moderne und innovative Produkte typisch sind. Die Datenraten und Latenzen der 5G-Technologie eröffnen neue Möglichkeiten bei der Echtzeitregelung hochdynamischer Prozesse mit Bearbeitungsgeschwindigkeiten, die den Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit moderner Produktionsanlagen entsprechen.

Die Anlagen erhalten durch das neue System einen Steuerungsansatz, der den Weg bereitet für die adaptive Regelung, die Anpassung an sich ändernde Betriebsbedingungen und die Fähigkeit der langfristigen Selbstoptimierung indem zusätzlich historische Daten in die Analyse einbezogen werden.

Umsetzung: Beispielhafte Installation von Sensorik in einem Fräsprozess für den Turbomaschinenbau

Das 5GSensPRO-System wird im Projekt am Beispiel der Fertigung sogenannter BLISKs für den Turbomaschinenbau demonstriert. Eine flexible und möglichst genaue Prozessüberwachung wird dabei mit einem modularen Multi-Sensor-Ansatz sichergestellt, bei dem die Sensoren direkt auf dem Bauteil angebracht werden. Der neue Mobilfunkstandard 5G gewährleistet die drahtlose Kommunikation des Sensorsystems mit der Basisstation und der Werkzeugmaschine.  

Die Speicherung und Aggregation der Daten erfolgt in einem Cloud-System, in dem das virtuelle Werkstück in Form eines digitalen Zwillings bereitgestellt wird. Geplant ist außerdem, dass die Produktionsmaschine das aktuelle Bauteil mit Hilfe einer Tracking-Funktion erkennen und so sämtliche Prozess- und Logistikdaten eindeutig zuordnen kann.

Die Darstellung der Sensordaten und die Prozessregelung mittels Smart Devices in einer virtuellen Produktionsumgebung bieten dem Anwender eine vollkommen neue Art der Interaktion mit dem Gesamtsystem.

Perspektive: Vernetzte Sensorik verwandelt Maschinenparks in flexible, teilautonome Systeme mit optimierter Auslastung

Die Kombination aus intelligent vernetzten Sensoren, 5G-Technologie und flexibel erweiterbaren Cloud-Systemen soll zukünftig dazu beitragen, herkömmliche Maschinenparks in teilautonom agierende Systeme mit flexiblen Bearbeitungsstationen und optimaler Kapazitätsauslastung zu verwandeln. In Verbindung mit cloudbasierten Datenpipelines und abgeleiteten Modellen können Unternehmen dann nicht nur das Produktionsergebnis, sondern auch Wartungsbedarfe und Ausfallrisiken sicherer als bisher prognostizieren.

Die 5GSensPRO-Module im Überblick

  • Intelligente Sensorhardware mit einer Basiseinheit zur Datenvorverarbeitung und Funkübertragung über 5G
  • Software zur Sensorsteuerung und Auswertung der erfassten Daten
  • Trackingfunktion auf Mobilfunkbasis zur Identifikation des Bauteils und automatischen Zuordnung der passenden Prozess- und Logistikdaten
  • Einheitliches, systemweites Kommunikationsprotokoll zur Datenübertragung und Kopplung der Sensorik und anderer Komponenten für eine schnelle und unkomplizierte Erweiterung des Gesamtsystems
  • Visualisierungsschnittstelle, beispielsweise für Smart Devices und weitere Endgeräte
  • Smart Sensor Cloud als Infrastruktur für die Datenverarbeitung, -analyse und -übertragung auf andere Systeme

Partner im Projekt 5GSensPRO

  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
  • Marposs Monitoring Solutions GmbH, Egestorf
  • Meastream GmbH, Eschweiler
  • Oculavis GmbH, Aachen
  • QSQ, Erkelenz
  • CP Tech GmbH, Büren (assoziiert)
  • Ericsson GmbH, Herzogenrath (assoziiert)
  • MTU Aero Engines AG, München (assoziiert)