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Der Einfluss von 5G auf elektrohydraulische Regelungen

Der Einfluss von 5G auf elektrohydraulische Regelungen

Die fünfte Mobilfunkgeneration (5G) wird die Fertigungsbereiche in den Fabriken dauerhaft verändern und den Automationsgrad deutlich erhöhen. Der neue Mobilfunkstandard hat Auswirkungen auf die gesamte Automationswelt und damit auch auf die Industriehydraulik. Neben den heute bereits genutzten Mobilfunkanwendungen wie Remote Control oder vereinzelt bereits Augmented Reality könnte 5G mit seiner stark verbesserten Leistungsfähigkeit auch direkt in hydraulischen Regelkreisen eingesetzt werden. Der Beitrag beschreibt den aktuellen Stand von 5G und die potentiellen Auswirkungen auf die heutige Topologie von elektrohydraulischen Regelungssystemen.

International gesehen ist der neue Mobilfunkstandard auf dem Vormarsch, auch wenn für die Industrie sehr wahrscheinlich erst ab dem Jahr 2022 f. mit ausgereiften Installationen zu ­rechnen ist. Aktuell entstehen in vielen Ländern 5G-Test­anwendungen und Pilotprojekte in verschiedenen Anwendungsbereichen (vgl. Titelbild des Beitrags). Sowohl Chiphersteller (z.B. Qualcomm, Intel, Samsung oder Huawei) als auch Netz­ausrüster (z.B. Nokia, Ericsson oder Huawei) und Netzbetreiber (z.B. Vodafone, Telekom oder Telefonica) kommen mit ersten Produkten auf den Markt.

Zunächst werden in einer 5G-Erstinstallationsphase beginnend ab Ende 2019 und vor allem ab 2020 Teilverbesserungen des Mobilfunknetzes verfügbar sein, die auf dem heutigen, öffentlichen 4G-Netz aufsetzen. Beide Netze werden parallel betrieben, so dass ein stufenweiser Ausbau erfolgen kann. 5G wird in den kommenden Jahren im Vergleich zu 4G bis zu 1 000-fach höhere Datenraten ­bieten (eMBB: Enhanced Mobile Broadband), eine massiv höhere Anzahl an Teilnehmern bzw. IoT-Geräten bedienen können (mMTC: Massive Machine Type Communications), eine Echtzeitübertragung mit Latenzzeiten von bis zu 1 ms oder gar darunter ­ermöglichen (URLLC: Ultra-Reliable and Low Latency Communication) und den Energieverbrauch pro Bit senken.

Die Architektur des neuen Mobilfunkstandards 5G richtet sich stark nach den Anforderungen der Anwender vor Ort. Für elektro­hydraulische Regelungen mit hohen Echtzeitanforderungen kommt dabei ein 5G-Netz mit URLLC-Funktionalitäten und -Technologien in Betracht, ein Hoch-Zuverlässigkeitsnetz mit deterministischen Übertragungseigenschaften und sehr kurzen Antwortzeiten.

Private industrielle Netze

Für Industrie 4.0 Anwendungen haben z.B. in Deutschland Unternehmen die Möglichkeit, lokale, private bzw. nichtöffentliche 5G-Netze mit eigener Infrastruktur und geschützten 5G-Frequenzen im Frequenzband 3,7-3,8 GHz unabhängig von den etablierten Mobilfunkbetreibern aufzubauen und zu betreiben. Ein solcher Netz­betrieb ist darauf ausgelegt, sehr hohe Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen zu gewährleisten. Ein Anwendungsbeispiel sind echtzeitkritische Regelungen in der industriellen Fertigung. Im Wesentlichen stehen für die Umsetzung von privaten bzw. nicht­öffentlichen 5G-Netzen zwei Varianten zur Verfügung:

  • Typ A: Ein physikalisch eigenständiges 5G-Netz auf dem Grundstück eines Industriebetriebs. Das private Netz kann vom Anwender/Industriebetrieb selbst oder einem von ihm beauftragten Dienstleister geplant, aufgebaut und/oder betrieben werden.
  • Typ B: Virtualisierung eines privaten 5G-Netzes durch die ­Definition und Einrichtung eines Network Slice in einem öffentlichen 5G-Mobilfunknetzwerk. Beispielsweise kann für kleinere Unternehmen eine erweiterte Rolle der Betreiber der öffentlichen Netze als ein solcher Dienstleister vorteilhaft sein. 

5G Industriehydraulik Bosch Rexroth Private industrielle Netzwerke

Bild01: Private industrielle Netzwerke

Das obenstehende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau eines privaten industriellen Netzwerkes in einer Fertigungshalle. In der Halle finden sich ein Sende-/Empfangsgerät des industriellen 5G-Netzes, die Sensor­signale werden über verschiedene Zugangspunkte erfasst und an die private industrielle Edge Cloud weitergeleitet, in der die Datenverarbeitung und die eigentliche Steuerung bzw. Regelung statt­finden kann. Die in der Regelung generierten Sollwerte werden auf dem umgekehrten Weg zurück an den Aktor übertragen. Denkbar sind verschiedene Signal-Routinen, z.B. auch über eine Firewall nach außen an die Basisstation des öffentlichen 5G-Netzes.

5G Industriehydraulik Bosch Rexroth Heutige Topologie elektrohydraulischer Regelungstechnik

Bild02: Heutige Topologie elektrohydraulischer Regelungstechnik

Elektrohydraulische Regelungen

Elektrohydraulische Regelungen werden beispielsweise bei Rundtaktmaschinen, Pressen, Kunststoffmaschinen, Holzbearbeitungsmaschinen und vielen anderen Anwendungen eingesetzt. Im obenstehenden Bild sind verschiedenen Topologien von hydraulisch geregelten Achsen dargestellt. Die Regelung (Positions-, Geschwindigkeits-, Druck-, Kraftregelung- und ablösender Regelung) selbst kann heute in einer übergeordneten Steuerung (A. Motion Logic Control für Hydraulik), einer separaten hydraulischen Motion-Steuerung (B. Hydraulic Motion Control) oder direkt am Ventil in der On-Board-Elektronik (C. Integrated Axis Controller) erfolgen.

Innere Regelschleife: Die Abtastzeiten des Proportionalventils selbst betragen etwa <100 µs, dessen Regelkreise werden auch künftig in der Ventilelektronik geschlossen. Gleiches gilt für das als Pilot eingesetzte Proportionalventil zur elektronischen Druck-Förderstromregelung von Axialkolbenpumpen.

Äußere Regelschleife: Bei Positions-, Geschwindigkeits-, Druck-, Kraft- und ablösende Regelung wird heute mit einer Zykluszeit von 0,5 bis 1ms gearbeitet.

Insofern ergibt sich die Frage, an welcher Stelle zukünftig die äußeren hydraulischen Regelkreise geschlossen werden. Neben den heutigen Lösungen könnte das entweder über kabelgebundene Real-Time Ethernet-Netzwerke (TSN = Time Sensitive Network) oder Real-Time Drahtlos-Netzwerke auf Basis von 5G erfolgen. Bei den 5G-Drahtlos-Netzwerken lässt sich ein Echtzeitverhalten über eine zentrale, cloudbasierte Steuerungstechnik im öffentlichen Netz nicht erreichen.

5G Industriehydraulik Bosch Rexroth Regelung auf Edge Cloud Level: Zykluszeiten der Hydraulik

Bild03: Regelung auf Edge Cloud Level: Zykluszeiten der Hydraulik

Lösungsansätze bieten hier Regelungen in der Edge Cloud (siehe obenstehendes Bild), bei denen die Datenverarbeitung dezentral am Rand des Netzwerks (=Edge) direkt in der Produktionshalle vor Ort erfolgt. Als Netzwerkausprägung kommt hier ein 5G-URLLC-Netz in Betracht, das über niedrige Latenzzeiten (1ms) und eine hohe Zuverlässigkeit (99,999%) verfügt. Lokale Rechner für Edge Computing stellen eine hohe, lokal verfügbare Rechenleistung bereit. Damit können Daten sehr nah am Ort der Entstehung ohne größere Verzögerung verarbeitet, relevante Informationen weitergeleitet und notwendige Entscheidungen getroffen werden.

Funktioniert die Regelung über Edge Computing, hat das Auswirkungen auf die heutige Topologie hydraulischer Regelkreise. Im Bild 02/2A würde die Motion Logic Control für Hydraulik der übergeordneten Steuerung und in Bild 02/2B die separate Hydraulik-Motion-Steuerung entfallen. Im Bild 02/2C kommt am Ventil eine einfachere, kostengünstigere On-Board-Elektronik zum Einsatz.

Noch einige Unklarheiten

Wenn 5G die anvisierte Leistungsfähigkeit erreicht, können in einigen Jahren hydraulische Regelkreise auch drahtlos geschlossen werden. Doch bis dahin sind noch einige offene Punkte hinsichtlich Sicherheitstechnik, Recht und Haftung, Resilienz/Netzstabilität, Teilnehmerzuordnung, Entfernungsbeschränkungen usw. zu klären.

Autoren:
Dr. Steffen Haack, Bosch Rexroth AG/Industrial Hydraulics, Lohr am Main
Dr. Norman Franchi, 5G Lab Germany/ Technische Universität Dresden, Dresden

 

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Veröffentlicht von

Peter Becker

Digitalisierungs- und VR-Enthusiast. Wie sich die vergleichsweise „alte“ Fluidtechnik in das Anforderungsprofil Industrie 4.0 einfügt, fasziniert mich, und macht die Arbeit in und mit der Branche sehr reizvoll.

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