‘Begin niet blindelings met een 5g-demonstrator’

Met Industrie 4.0 is het besef pas echt goed doorgedrongen dat informatie waarde vertegenwoordigt. In deze smart industry-wereld is 5g het connectiviteitsmedium bij uitstek. Mechatronica&Machinebouw praat erover met Niels König, die de afdeling productiemetrologie van Fraunhofer IPT in Aken leidt en daar ook als coördinator optreedt van alle 5g-activiteiten.

René Raaijmakers

In de voetbalveldgrote labruimte van het Fraunhofer-instituut voor Productietechniek IPT in Aken is te midden van een lange rij freesmachines een hoekje ingericht met turbinerotoren. Niels König pakt voorzichtig een onderdeel op – de messen zijn flinterdun en vlijmscherp. ‘Een experimenteel onderdeel, nog niet op de markt.’

Op een van de rotorbladen zit een versnellingssensor ter grootte van een vingerhoed. Er zit een draad aan vast. König slaat een rotorblad met zijn nagel aan als een gitaarsnaar: het klinkt als een klok. Er verschijnen scherpe pieken op een scherm: het trillingsfrequentiespectrum van de rotor. ‘Typisch titanium’, weet König, die de afdeling productiemetrologie van Fraunhofer IPT in Aken leidt.

Met de opstelling willen ze op het Frauhofer IPT laten zien dat elk onderdeel en elk gereedschap in een bewerkingsproces zijn eigen karakteristieke trillingsspectrum produceert. König zegt dat er een doorbraak in zicht is wanneer dit soort sensoren draadloos worden en alle aspecten van het productieproces realtime kunnen worden bewaakt en gecontroleerd.

Draadloos betekent in dit geval 5g, omdat wifi of 4g niet zijn uitgerust voor de reactietijden, de betrouwbaarheid en het verzamelen van enorme hoeveelheden gegevens die productieprocessen vereisen. 5g is de nieuwe standaard die in staat is om de communicatie van sensoren en controllers in een fabriek te verzorgen, in realtime en met extreme betrouwbaarheid.

Unieke testomgeving

Als coördinator van alle 5g-activiteiten in Aken houdt König deze opkomende technologie nauwlettend in de gaten. Op de campus heeft hij samen met twaalfhonderd andere onderzoekers een unieke productiespeeltuin tot zijn beschikking: drie experimenteerruimtes van in totaal zevenduizend vierkante meter met een twintigtal freesmachines en zo’n vijftig andere productiemachines zoals voor draaien, waterstraalsnijden, laserbewerken, 3d printen, spuitgieten, glasgieten, et cetera. ‘We hebben in principe alle moderne productietechnieken inclusief logistiek’, zegt König.

Dit machinepark vormt een unieke testomgeving voor nieuwe industriële technologie zoals 5g: de 5G-Industry Campus Europe. Daarnaast heeft Fraunhofer in het International Center for Networked Adaptive Production (ICNAP) partners uit de ict- en productie-industrie verzameld om alle relevante vragen te beantwoorden die samenhangen met de digitalisering van de productie in het kader van Industrie 4.0. 5g is momenteel een van de belangrijkste thema’s voor het ICNAP en in april zullen hier de eerste live 5g-netwerken worden gelanceerd.

Alle grote spelers

5g is momenteel een internationaal hot topic binnen de productie en automatisering. Om deze draadloze technologie naar de fabriek te brengen, heeft de Duitse branchevereniging voor de elektronica-industrie Zvei de 5G Alliance for Connected Industries and Automation (Acia) opgericht. Inmiddels hebben alle grote spelers zich aangemeld: ABB, Beckhoff, Bosch, Cisco, Siemens, noem maar op. Ook netwerkleveranciers Ericsson, Huawei, Nokia en onderzoeksinstituten als Fraunhofer zijn vertegenwoordigd.

‘Over twee jaar hebben we een heel andere situatie’, zegt König. ‘Acia gaat over standaardisatie en verspreiding en werkt nauw samen met de 3GPP-standaardisatieorganisatie voor mobiele telecom die begin 2017 is begonnen met de specificatie van 5g.’ 3GPP zal begin dit jaar een nieuwe 5g-release voltooien, waarbij de 5g-technologieën worden uitgebreid naar nieuwe markten: de automobielsector, de industrie, de gezondheidszorg en nog veel meer.

Eindhoven

Wat levert 5g op voor leveranciers van precisieonderdelen en technologie in de omgeving van Eindhoven? Zij produceren geen grote series zoals in de automobielindustrie. Hun focus ligt op complexe producten in kleine series met hoge precisie. Gevraagd naar de voordelen voor dergelijke omgevingen wijst König op Fraunhofers samenwerking met telecomapparatuurleverancier Ericsson en MTU Aero Engines.

Deze drie partners kiezen ervoor om 5g te gebruiken in een van de meest veeleisende industriële toepassingen, het frezen van geïntegreerde turbinebladen. Deze zogenaamde blisks (blade-integrated disks) zijn onderdelen van de compressoren in straalmotoren. Tot voor kort kon dit werkstuk pas na een veertig uur durend freesproces worden geïnspecteerd. Daarbij kon de uitval door defecte producten of kosten voor herbewerking wel oplopen tot 25 procent. König: ‘Blisks zijn gemaakt van speciale legeringen en zijn zeer duur, in de orde van veertig- tot zestigduizend euro voor producten in serie. De partners schatten dat door gebruik te maken van 5g-procescontrole de jaarlijkse besparing voor één blisk-fabriek wel 27 miljoen euro kan bedragen.’

De oplossing ligt in het nauwlettend volgen van de freesbewerking. Bij het frezen van onderdelen op hoge snelheden kunnen overmatige trillingen optreden, wat kan leiden tot oppervlaktedefecten en herbewerking. In de opstelling van Fraunhofer en Ericsson brengt een draadloze sensor de trillingsspectra via 5g – met een vertraging van enkele milliseconden – over naar een controle-eenheid. De realtime procesbewakingsoplossing vermindert zo de fouten bij het frezen. König: ‘We zijn ook in staat om het werkstuk zelf te monitoren, samen met alle beschikbare gegevens van de machine-plc. De informatie is er. Je hoeft er alleen maar gebruik van te maken.’

De luchtvaartindustrie werd geïdentificeerd als een potentiële early adopter van 5g-netwerken in de productie vanwege alle hoogwaardige componenten en de complexe productie met hoge veiligheidsregels en -normen. ‘Andere sectoren zullen zeker volgen naarmate de industrie overschakelt op een meer datagestuurde en flexibele productie’, zegt König. ‘Industrie 4.0 is afhankelijk van steeds snellere, veiligere en vaak draadloze gegevensoverdracht om de activiteiten te optimaliseren, de automatisering te verhogen en de risico’s in productieomgevingen te beperken.’

Fatsoenlijke bewaking

‘Als je onderdelen produceert die zeer complex zijn, met een lage batchgrootte, vereist dat een fatsoenlijke bewaking van de productieprocessen. Vooral als de onderdelen duur zijn, is het een indicatie dat je een goede procesbewaking moet hebben en dan kan 5g een rol spelen’, is de boodschap van König voor Nederlandse gebruikers van geavanceerde precisiegereedschappen.

Maar waar moeten bedrijven starten? Het advies van König is om niet blindelings te beginnen met zo maar een labdemonstrator. ‘Ik zou aanraden om een screening te maken van verschillende use cases. 5g brengt allerhande voordelen zoals ultrabetrouwbare, draadloze communicatie met weinig vertraging. Met een latency tot een paar milliseconden moet je op zoek gaan naar je realtimebehoeftes. Wat voor soort taken van je productie hebben baat bij realtime communicatie en tegelijkertijd bij draadloze communicatie? Tweede voordeel: verbeterde mobiele breedband. Dat betekent dat je op zoek moet gaan naar use cases die baat hebben bij hoge datasnelheden. Het derde voordeel is massale communicatie tussen allerlei machinetypes. Als je denkt aan meerdere sensoren of meerdere apparaten, kan dat een beperking vormen voor bestaande communicatienetwerken wat betreft energieverbruik en bekabeling.’

5g-gateways komen dit jaar

De grote leveranciers van automatiseringsapparatuur zijn alleen nog niet klaar om 5g te implementeren. ‘Nog niet. Op dit moment vormt zich het ecosysteem. De leveranciers werken binnen de 3GPP-organisatie die verantwoordelijk is voor de 5g-normalisatie. Leveranciers doen nu grote interoperabiliteitstests met hun apparatuur. 5g-netwerkapparatuur van Ericsson zou moeten werken met Nokia-apparatuur. Plc’s met 5g-gateways moeten kunnen praten met allerlei 5g-sensoren. Dat is de ambitie en dat is een hele uitdaging.’

Om een fabriek 5g-klaar te maken, moet deze worden uitgerust met 5g-gateways, de modules die de draadloze signalen vertalen naar een draad en vice versa. Het zal enige tijd duren voordat de prijs van de benodigde elektronica daalt. De functionaliteit van de omvangrijke apparatuur die nu bij Fraunhofer op de laboratoriumvloer te zien is, zal de komende jaren afnemen. König: ‘Alles begint met integratie op chips. Intel en Qualcomm zijn verwikkeld in een race om chipsets te produceren. Qualcomm heeft op dit moment de leiding. Zijn eerste chipsets worden al ingezet in smartphones.’

Qualcomm zal ook systeemintegratoren voorzien van chipsets om gateways en modems te maken voor industriële toepassingen. Vorig jaar kondigde de Amerikaanse chipgigant een onderzoekssamenwerking aan met Bosch Rexroth op het gebied van industrieel iot. Deze partners zullen zich onder meer richten op de voortplanting van radiosignalen in uitdagende, industriële omgevingen.

‘Het begint nu’, zegt König. ‘5g-gateways komen dit jaar, misschien zelfs al in de eerste helft. Over enkele jaren zullen er kosteneffectieve oplossingen zijn. Maar er komt meer flexibiliteit met draadloze sensoren. Op dit moment kun je de eerste prototypes ter grootte van een hand gebruiken. Dat is nog steeds omvangrijk. Het moet zo compact mogelijk zijn.’

Je eigen 5g-netwerk

Natuurlijk hoef je niet alle draden te vervangen. ‘Maar er zijn voordelen aan het gebruik van 5g, zoals flexibiliteit en mobiliteit. Met draadloos krijg je een eenvoudige set-up en retrofit. Denk aan het uitrusten van een bestaande machine met een geluidssensor voor de bewaking van de gereedschapsslijtage. Nu kost dat meestal veel moeite, omdat je de hele machine moet demonteren om een paar eenvoudige draden te trekken. Dat is tijdrovend en duur. Kabels veroorzaken vroeg of laat ook problemen. Een draadloze sensor kan daarentegen vanuit de doos worden ingeplugd. Heel eenvoudig.’

Is een schone fabrieksomgeving zonder verstoringen van buitenaf een realistisch beeld? ‘Op dit moment weten we dat nog niet. Er is gewoon nog niet genoeg ervaring, omdat niemand daadwerkelijk live 5g-productie met bewerkingsmachines uitvoert. We verwachten geen gebruikelijke verstoring van de elektronica en motoren, omdat die in een ander spectrum opereren. Maar er is wel enige afscherming door de behuizingen. Onze ervaring is dat het tot nu toe werkt, en dat 5g mooie eigenschappen als bundelvorming biedt om de beste prestaties te halen. De huidige antennes kunnen ook de reflecties afkomstig van muren benutten.’

König zegt dat 5g momenteel in een kritieke fase zit. ‘Het is een kip-of-eikwestie. 5g gaat alleen van start als er een markt is. Sommige bedrijven spelen in op de technologie, maar het merendeel zit te wachten en dan zie je geen producten en prijzen ontwikkelen. Dat is de reden waarom de Europese Commissie het Public Private Partnership voor 5g in het leven heeft geroepen om het ecosysteem te stimuleren en te laten zien dat het werkt.’

König verwacht dat de industriële productie een early adopter van 5g zal zijn. ‘Markten als autonoom rijden, transport en energie vereisen eigenlijk een bewezen en robuuste infrastructuur. Om veilig te kunnen rijden, heb je een 5g-netwerkinfrastructuur nodig die ten minste een hele stad omspant. Bedrijven kunnen daarentegen onafhankelijk opereren. Ze kunnen een 5g-installatie van de grond af aan op één locatie bouwen en vertrouwen op openbare netwerken. Je zult verschillende smaken van 5g-uitrol en -implementatie in de industrie zien. De ultieme oplossing is een geïsoleerd privé-5g-netwerk op je werkvloer. In dat geval heb je de volledige capaciteit en prestaties. En alle gegevens zijn van jou; niemand kan dit beïnvloeden.’

Niels König houdt een keynotepresentatie op de Bits&Chips Industrial 5G Conference op 4 juni in Eindhoven.

Fraunhofer organiseert binnenkort zijn driejaarlijkse Aachen Machine Tool Colloquim. Dat staat voor alsnog gepland op 14 en 15 mei. Deze conferentie richt zich ook op digitale technologieën voor machinegereedschappen en heeft als thema ‘Internet for production, turning data into value’. Bezoek ipt.fraunhofer.de voor de laatste informatie.