5G und TSN: Gemeinsam Echtzeit-Anforderungen erfüllen
Automatisierung. KI-gesteuerte Analysen. Fahrerlose Transportsysteme. Erweiterte Realität. Da in industriellen Umgebungen immer mehr derartige Technologien in die Prozesse integriert werden, um die Produktion in Echtzeit selbst zu überwachen und zu verbessern, nimmt ihre Komplexität zu.
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 für ihre Anwendung erforderlichen spezifischen Funktionen sicher und schnell ausführen.
Durch die sichere Verbindung mit der Cloud und geringer Latenz können Roboter Informationen über das Geschehen in ihrer Umgebung in Echtzeit sammeln, analysieren und darauf reagieren, außerdem Anweisungen empfangen und die Situation im Blick behalten.
Eine kurze Unterbrechung der Kommunikation kann zu Problemen bei der Produktion oder der Sicherheit führen.
2. Geräteausfälle verhindern, bevor sie auftreten
Die Laufzeit der Maschine ist entscheidend für die Aufrechterhaltung von Produktivität und Umsatz. Durch die kontinuierliche Erfassung und Analyse von Maschinendaten in Echtzeit, wie etwa der Innentemperatur, des Geräuschpegels und der Vibration, der Drehzahl rotierender Teile usw., werden Zeit und Kosten für unnötige Wartungsarbeiten reduziert und gleichzeitig sichergestellt, dass es nicht zu Maschinenausfällen kommt.
Durch die Erfassung von Daten in Echtzeit und die Cloud-Konnektivität lässt sich anhand des Zustands und Betriebs der Ausrüstung sowie anhand von Vorhersagen über den zukünftigen Zustand bestimmen, welche Wartung wann erforderlich ist.
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 ist die vorausschauende Wartung Wäre nicht möglich. Stattdessen wäre eine reaktive Wartung – das Reagieren 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 erst nach Stunden oder sogar länger, dass ein Produktionsproblem vorliegt. Manchmal wird es erst entdeckt, wenn ein Kunde ein Produkt von minderer 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, dreht sich bei TSN alles um das Konzept „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 Funktionen für die Zusammenarbeit mit TSN in industriellen Automatisierungsanwendungen 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 in Richtung 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. Darüber hinaus ist er Dozent und Forscher an der Hochschule Esslingen, wo er Studierende zu IT- und Netzwerksicherheit sowie industriellen Netzwerken unterrichtet und sich mit Bereichen wie Industrie 4.0, drahtloser Kommunikation sowie industrieller Kommunikation und Sicherheit beschäftigt.