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Prozessautomatisierung in der Industrie 4.0 Wie 5G-Campusnetze und digitale Zwillinge zusammenspielen

Ein Gastbeitrag von Dr. Monika Christine Balk und Thomas Hainzel [Red.: Alexander Stark]

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Im Kontext von 5G-Campusnetzen stoßen Unternehmen immer wieder auf digitale oder virtuelle Zwillinge. Wo können Unternehmen digitale Zwillinge einsetzen, was ist bei der Planung zu beachten, wann lohnt sich eine Investition und warum ist Konnektivität so wichtig?

5G-Campusnetze sind ein technischer Enabler für eine Vielzahl an industriellen, geschäftskritischen Anwendungsfällen.
5G-Campusnetze sind ein technischer Enabler für eine Vielzahl an industriellen, geschäftskritischen Anwendungsfällen.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay)

Der digitale oder virtuelle Zwilling ist einer der ersten und auch zentralsten Anwendungsfälle, wenn Unternehmen in der Produktions-, Logistik-, Automobil- oder Energiebranche ihre Prozesse automatisieren. Dabei wird ein digitales Modell, also ein Zwilling, von einem oder mehreren Industrieprozessen erstellt – etwa in der Fabrik, in einem Logistikzentrum oder einem Kraftwerk.

Firmen nutzen dieses virtuelle Abbild einerseits zur Echtzeitüberwachung der Prozessschritte und -qualität, aber auch zur besseren Planung, Simulation und Optimierung der Prozessergebnisse. Ein 5G-Campusnetz liefert die dafür notwendige zuverlässige, sichere und performante Konnektivität, um die für den digitalen oder virtuellen Zwilling notwendigen Daten von Maschinen, Robotern oder Arbeitern abzugreifen.

Mit digitalen Zwillingen 5G-Campusnetze planen

Der digitale Zwilling kann aber auch für die Planung und Installation des 5G-Campusnetzes eingesetzt werden. Dabei werden Installationsszenario, eingesetzte Hardwarekomponenten und Konfiguration vorab optimiert, ohne später Kompromisse bei der Konnektivität in der Produktionshalle eingehen zu müssen.

Das erleichtert es Industrieunternehmen, ein passendes Funknetz zu realisieren, das essenziell für die Modernisierung der Produktion ist. Auch Installationskosten und -zeit werden dadurch reduziert. Laut einer Analyse von McKinsey von Ende 2022 kann der digitale Zwilling zu einer bis zu 10-prozentigen Gewinnerhöhung führen sowie zu einer bis zu 50-prozentigen Verkürzung der Markteinführungszeit und einer bis zu 25-prozentigen Erhöhung der Produktqualität.

Ein Schritt weiter: Wie sich digitale und virtuelle Zwillinge unterscheiden

Als Erweiterung des digitalen Zwillings gilt oft der virtuelle Zwilling. Während der digitale Zwilling Prozessdaten visualisiert und Simulationen mit Ist-Daten zur Optimierung erlaubt, geht der virtuelle Zwilling einen Schritt weiter. Er betrachtet neben dem eigentlichen Prozess auch die gesamte Wertschöpfungs- und Lieferkette sowie deren Assets und ermöglicht es, Abläufe Ende-zu-Ende nachzuvollziehen. Das wiederum bringt weitere Verbesserungen, wie mehr Agilität in der Produktion, schnellere Entscheidungswege oder einen Vorsprung am Markt durch Innovation.

Außerdem ermöglicht ein virtueller Zwilling das Eintauchen in ein realitätsnahes 3D-Modell mit Augmented-Reality-Technologie, um die Daten des Soll-/Ist-Prozesses im Detail zu analysieren, virtuelle Besprechungen zur Optimierung durchführen zu können und Simulationsergebnisse virtuell zu betrachten. Mit entsprechenden Softwarelösungen entsteht so für Fabrik- und Betriebsleiter ein neues, realitätsnahes Simulationserlebnis mit optimierter Datenvisualisierung, Toleranzvergleichen und Möglichkeiten zum Know-how-Sharing sowie zur intensiveren Zusammenarbeit unterschiedlicher Teams.

Die Vergangenheit analysieren und Vorhersagen für die Zukunft ermöglichen

Damit kann der virtuelle Zwilling auf verschiedenen Ebenen des Unternehmens und zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Produktionszyklus zum Einsatz kommen. Das beginnt bei der Planung eines 5G-Campusnetzes für den Produktionsstandort und der damit verbundenen Optimierung und Zertifizierung des Netzwerks, was mithilfe des virtuellen Zwillings beschleunigt werden kann. Ist die Infrastruktur dann in Betrieb, kann die gesamte Wertschöpfungskette abgebildet und optimiert werden. Dazu gehört eine automatische Bestandsaufnahme der Ressourcen, der produzierten Güter oder des benötigten Lagerplatzes.

Darüber hinaus können Unternehmen mit dem virtuellen Zwilling der Fabrik die Produktionsumgebung optimieren sowie Fertigungsabläufe steuern, synchronisieren und verwalten. Für einen ganzheitlichen Überblick können sie Zulieferer und Zulieferwege integrieren. Kurz gesagt: Der digitale Zwilling blickt in die Vergangenheit und beschreibt die Gegenwart, während der virtuelle Zwilling Vorhersagen für die Zukunft zulässt.

Abhängig vom Anwendungsfall: 5G-Campusnetz oder 4G/LTE

Ein digitaler/virtueller Zwilling kann Daten über unterschiedliche Netzwerktypen sammeln und zusammenführen. Maschinen, Roboter, Sensoren oder Kameras in Werks- oder Lagerhallen übertragen ihre Daten via Kabel an die Plattform des virtuellen Zwillings. Mobile Logistikfahrzeuge, kabellose Tablets zur Maschinensteuerung, Sensoren an der persönlichen Sicherheitsausrüstung von Fabrikarbeitern oder Kameras auf Drohnen zur Überwachung und Inspektion des Firmengeländes: Sie alle nutzen Mobilfunknetze, um ihren Daten dem virtuellen Zwilling zur Verfügung zu stellen.

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Die Entscheidung zwischen 4G/LTE und 5G ist abhängig vom Anwendungsfall. Während Sensoren und einfache Maschinenüberwachung mit 4G/LTE gut möglich sind, benötigen anspruchsvolle High-Definition-Videosignale oder die sichere Steuerung von Robotern die performantere und sicherheitsgeprüfte 5G-Technologie. Hinzu kommt noch die länderabhängige Verfügbarkeit von 4G/5G-Spektrum zum Betrieb eines Campusnetzes.

Vom Proof-of-Concept bis zu einem langfristigen Betriebskonzept

Üblicherweise startet ein 5G-Campusnetz-Projekt mit einem so genannten Proof-of-Concept (kurz: PoC). Dabei wird ein kleines Campusnetz mit wenigen Antennen und einer dezentralen Steuerungseinheit, dem Edge Core, direkt am Firmengelände eingerichtet, um erste Erfahrungen mit den oben genannten Anwendungsfällen, der 5G Technologie und den damit einhergehenden Prozessänderungen zu machen – denn 5G Campusnetze sind nur ein Baustein der Industrie 4.0 Digitalisierung.

Netzausrüster wie Nokia oder Partnerunternehmen zum Beispiel planen und installieren ein solches Campusnetz, nehmen es in Betrieb, übergeben es je nach Wunsch des Endkunden an die lokalen IT-Verantwortlichen oder betreiben es als Managed Service. Die Durchlaufzeit eines solchen Pilotprojektes beträgt in der Regel sechs bis neun Monate, abhängig vom Projektumfang und Hardwarelieferzeiten.

In den darauffolgenden zwölf bis 18 Monaten folgt oftmals eine Erweiterung des Netzes auf weitere Hallen oder Bereiche und eine Integration des Campusnetzes in die produktiven, kritischen Industrieprozesse, gefolgt von einem langfristigen Support- und Betriebskonzept. Bei der technischen Einrichtung sind außerdem die länderspezifischen Frequenzen, eine genaue Netz- und Kapazitätsplanung und die Integration mit der bestehenden IT-Infrastruktur zu beachten. Unternehmen wie Nokia und Dassault Systems begleiten diese digitale Transformation Ende-zu-Ende.

Wann sich die Investitionen rechnen

Die Amortisierung von 5G-Campusnetzen ist stark abhängig von Effizienzsteigerung, Qualitätszuwachs und Sicherheitsbeitrag durch die realisierten Anwendungsfälle und bewegt sich vom unteren einstelligen bis zum mittleren zweistelligen Prozentbereich. Außerdem empfiehlt es sich, das 5G-Campusnetz schrittweise für mehrere Szenarien zu nutzen, um die Amortisierung zu optimieren, und mit einem ersten PoC-Netz gefolgt von größeren Roll-out-Phasen zu starten. Um konkrete Zahlen zu nennen: ABI Research hat in Zusammenarbeit mit Nokia zwei Fallstudien durchgeführt. Im Fall eines deutschen Automobilherstellers lagen die Kosteneinsparungen, die durch die Einführung von Industrie 4.0 innerhalb von fünf Jahren erzielt wurden, bei 6.7 Prozent (530 Millionen Dollar). Im Falle eines japanischen Unterhaltungselektronik-Herstellers erreichten die Einsparungen bei den Betriebskosten innerhalb von fünf Jahren 8.9 Prozent (220 Millionen Dollar). Über die Kosteneinsparungen hinaus ermöglicht ein Campusnetz eine höhere Flexibilität der Produktionsstätte bei gleichzeitig hoher Datensicherheit.

Ergänzende Bausteine für private Campusnetze

5G-Campusnetze sind ein technischer Enabler für eine Vielzahl an industriellen, geschäftskritischen Anwendungsfällen – von autonomen Robotern und Flurförderfahrzeugen über den Connected Worker mit Tablet und intelligenter Arbeitskleidung bis hin zu Drohnenkameras und Mensch-Maschinen-Steuerung. Um die Effizienz-, Performance- und Sicherheitsvorteile von 5G heben zu können, werden neben dem eigentlichen Campusnetz bestehend aus Antennen und dezentraler Steuerungseinheit noch Endgeräte und Applikationen benötigt. Die Endgeräte ermöglichen die Verbindung von Maschine, Roboter, Tablet oder Sensor zum 5G-Campusnetz z. B. mit Dongle, Industrierouter oder 5G-fähigem, industrierobustem Smartphone oder Tablet. Die Applikationen, wie die Dassault-Systems-Plattform des digitalen Zwillings, nehmen die übertragenen Daten an, um sie für die industrielle Nutzung zur Verfügung zu stellen. Ein weiterer wichtiger Baustein ist die Systemintegration, die 5G-Netz und neue Anwendungsfälle mit bestehenden ERP-, MES- und IT-Systemen zusammenführt.

Industrie 4.0: Schnelle Datenverarbeitung ist entscheidend

Eine Stärke von Industrie 4.0 ist die Analyse der gesammelten Daten und damit die Optimierung der Prozesse. Hierfür müssen Applikationen und Software zur Verfügung gestellt werden, die Daten in Echtzeit auswerten können. Dies erfordert eine Datenverarbeitung mit möglichst geringer Zeitverzögerung durch Rechenkapazitäten vor Ort, auf der sogenannten Mobile Edge Cloud. Eine schnelle Datenverarbeitung ist auch für die unterbrechungsfreie Interaktion mit Robotern wichtig. Um den virtuellen Zwilling voll ausschöpfen zu können, können Unternehmen bei der Planung und dem Betrieb der Produktionsstätte die Zukunft antizipieren. Sie führen Modelle der Bauwerksdaten, virtuelle Zwillinge einzelner Netzwerk- oder Produktionskomponenten in einem konsolidierten virtuellen Zwilling zusammen und werten alles aus. Das Potenzial von virtuellen Zwillingen in der Industrie 4.0 ist hier extrem groß und vielfältig.

Über die Autoren

Dr. Monika Christine Balk ist High-Tech Industry Solution Experience Senior Manager bei Dassault Systems; Thomas Hainzel ist Head of Digital Industries Evolution & Partnerships bei Nokia.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Industry of Things.

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