5G und TSN: Gemeinsam Echtzeit-Anforderungen erfüllen
Automatisierung. KI-gesteuerte Analysen. Fahrerlose Transportsysteme. Erweiterte Realität. Da industrielle Umgebungen immer mehr Technologien wie diese in ihre Prozesse integrieren, um die Produktion in Echtzeit selbst zu überwachen und zu verbessern, wächst ihre Komplexität.
Mit mehr Komplexität geht oft auch ein höheres Risiko einher. Schon wenige Sekunden Ausfallzeit können sich negativ auf Produktivität, Sicherheit und Umsatz auswirken. Betrachten Sie diese drei Beispiele.
1. Automatisierung von Prozessen und Arbeitsabläufen
Kollaborative Roboter (Cobots) und andere Arten von Industrierobotern, wie z. B. kartesische oder Delta-Roboter, erfordern eine präzise Steuerung während der Live-Produktion. Durch Technologien wie intelligente Bewegungssteuerung werden Sensoren und Aktoren zur Steuerung der deterministischen Bewegung von Robotern verwendet.
Die Verbindung mit Sensoren, anderen Robotern und Geräten sowie Netzwerken ermöglicht die für diese Vorgänge erforderliche Datenverarbeitung. Dies ist besonders wichtig für Cobots, die so gebaut sind, dass sie ohne Barrieren, Schutzvorrichtungen oder Begrenzungen mit Menschen zusammenarbeiten. Die Echtzeitkommunikation während dieses Prozesses ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Roboter die spezifischen Funktionen, die für ihre Anwendung erforderlich sind, sicher und schnell ausführen.
Die sichere Verbindung mit der Cloud mit geringer Latenz ermöglicht es Robotern, Informationen über das Geschehen in ihrer Umgebung in Echtzeit zu sammeln, zu analysieren und darauf zu reagieren, Anweisungen zu erhalten und das Situationsbewusstsein aufrechtzuerhalten.
Eine kurze Unterbrechung der Kommunikation kann zu Problemen bei der Produktion oder der Sicherheit führen.
2. Geräteausfälle verhindern, bevor sie passieren
Die Laufzeit der Maschine ist entscheidend für die Aufrechterhaltung von Produktivität und Umsatz. Das kontinuierliche Sammeln und Analysieren von Echtzeit-Maschinendatenpunkten wie Innentemperatur, Geräuschpegel und Vibration, Drehzahlen usw. reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für unnötige Wartungsarbeiten und stellt gleichzeitig sicher, dass die Maschinen nicht ausfallen.
Echtzeit-Datenerfassung und Cloud-Konnektivität helfen bei der Bestimmung, welche Wartung wann erforderlich ist, basierend auf dem Zustand und Betrieb der Geräte sowie Vorhersagen über den zukünftigen Zustand.
Wenn während des Betriebs Anomalien festgestellt werden, können Echtzeitwarnungen an den Maschinenbediener oder Betriebsleiter gesendet werden und vor einem potenziellen Problem warnen, das untersucht und behoben werden muss. Dies versetzt die Mitarbeiter in die Lage, die Leistung, Verfügbarkeit und Produktivität der Geräte zu maximieren.
Ohne diese Echtzeitfunktionen wäre eine vorausschauende Wartung nicht möglich. Stattdessen wäre eine reaktive Wartung – die Reaktion auf Probleme, nachdem sie aufgetreten sind – die einzige Option. Bei diesem Wartungsansatz werden Probleme erst behoben, wenn sie sich bereits auf den Betrieb ausgewirkt haben.
3. Ein Produkt gleich beim ersten Mal richtig bauen
Die American Society for Quality gibt an, dass der durchschnittliche Hersteller zwischen 15 % und 20 % seines Umsatzes für qualitätsbezogene Kosten ausgibt.
Die Echtzeitüberwachung des Herstellungsprozesses durch Sensoren und andere Geräte ermöglicht die Verfolgung der Produktqualität in jeder Phase, um Konsistenz, hohe Qualität und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zu gewährleisten. Es ermöglicht die schnelle Identifizierung von Produktionsfehlern und Unregelmäßigkeiten, so dass sie sofort korrigiert werden können, um Ausschuss und Nacharbeit zu reduzieren.
Ohne die Möglichkeit, Prozesse in Echtzeit zu verfolgen und zu korrigieren, bemerken die Mitarbeiter möglicherweise stundenlang oder länger nicht, dass ein Problem bei der Produktion vorliegt. Manchmal wird es erst entdeckt, wenn ein Kunde ein Produkt von schlechter Qualität erhält.
5G- und TSN-Integration zur Unterstützung von Industrie 4.0
Um dieses Maß an digitaler Transformation und industrieller Automatisierung sowie die effizienzsteigernden Echtzeitanwendungen zu ermöglichen, wird in immer mehr Fertigungsumgebungen die Integration von 5G und TSN (Time-Sensitive Networking) untersucht.
Was ist TSN?
TSN ist eine Reihe von Standards, die in IEEE 802.1 und IEEE 802.3 definiert sind, um Mechanismen für Quality of Service, Zuverlässigkeit und Konfiguration einzuführen. Als Weiterentwicklung von Ethernet macht TSN das Ethernet deterministisch. Außerdem können verschiedene Arten von Datenverkehr dasselbe Netzwerk gemeinsam nutzen.
Wie der Name schon vermuten lässt, geht es bei TSN um das Konzept der „Zeit“. Es stellt sicher, dass unternehmenskritische Informationen in einer bestimmten Zeitspanne von einem Punkt zum anderen übertragen werden, und zwar durch Protokolle für Timing, Zeitsynchronisation sowie Kontrolle und Priorisierung des Datenverkehrs.
Was ist 5G?
5G ist eine Mobilfunktechnologie, definiert durch 3GPP, die deutlich höhere Bandbreiten, nahezu verzögerungsfreie Verbindungen und verbesserte Sicherheitsmechanismen bietet.
Es unterstützt die mobile Automatisierung und das Wireless mit schnellem Roaming, das zur Gewährleistung von Verbindungen mit sehr geringer Latenz und hoher Zuverlässigkeit in Automatisierungsumgebungen erforderlich ist.
Beides zusammenbringen
5G kann die Echtzeitfähigkeiten von TSN in Wireless-Netzwerke für die industrielle Kommunikation bringen. Während TSN kabelgebundene Verbindungen unterstützt, unterstützt 5G mobile und Cloud-Verbindungen.
Die Zusammenführung von 5G und TSN könnte ein entscheidender Schritt zur Etablierung einer besser vernetzten und produktiveren Industrieumgebung und zur Unterstützung der Kommunikation zwischen Controllern und Controllern, von Controller zu Gerät und von Gerät zu Compute sein.
TSN über 5G heute möglich machen
5G verfügt über die erforderlichen Fähigkeiten, um mit TSN in industriellen Automatisierungsanwendungen zu arbeiten, und 3GPP hat erhebliche Fortschritte bei der Integration von 5G-Systemen mit TSN gemacht. In Release 16 werden beispielsweise 5G-Enabler eingeführt. Aber 5G hinkt derzeit noch hinterher, wenn es darum geht, dies zu ermöglichen. Währenddessen schrumpft der Spielraum für Fehler in Produktionsumgebungen weiter.
Aus diesem Grund entwickelt Belden neue Architekturen, um industriellen Umgebungen die ersten Schritte auf dem Weg zu dieser Technologieintegration zu erleichtern. Wir können Ihnen helfen, Zeit und Ressourcen zu sparen und gleichzeitig Konsistenz und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Diese Lösungen werden Fertigungsanlagen dabei unterstützen, die Zukunft zu gestalten, indem sie 5G und TSN für eine nahtlose kabelgebundene und Wireless-Integration kombinieren.
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Über den Autor
Lukas Bechtel ist seit 2012 Jahren bei Belden und war in unserem CTO-Büro zunächst als Testautomatisierungsingenieur und dann als Technologiearchitekt tätig. Er ist außerdem Fakultätsmitglied und Forscher an der Hochschule Esslingen, wo er Studenten über IT- und Netzwerksicherheit und industrielle Netzwerke unterrichtet und Bereiche wie Industrie 4.0, Wireless- und industrielle Kommunikation sowie Sicherheit studiert.