Assettracking in der Produktion

Andrea Gillhuber,

Track and Trace in der Smart Factory

Am Ende von Industrie 4.0 steht die Smart Factory, sprich: die vernetzte Produktion. Ein Must-have auf dem Weg dorthin ist die Nachverfolgung von Produkten und Bauteilen. Mithilfe von Ultra-Breitband-Technologie lässt sich ein kontinuierliches Assettracking realisieren.

Durch die Kombination von UWB, Bluetooth, GPS und Mobilfunk wird eine kontinuierliche Güterverfolgung erreicht. © RWTH Aachen

Im Zentrum von Industrie 4.0 (I4.0) steht momentan besonders die Smart Factory: Eine nach den Visionären sich selbst steuernde Fabrik, bei der das Produkt den Fertigungsanlagen selbstständig mitteilt, wie es gefertigt werden soll, steht im Mittelpunkt der Digitalisierung in der Produktionstechnik. Besonders in den Bereichen Logistik und Auftragsplanung sehen Experten Potenziale zur Steigerung der Produktivität des eigenen Unternehmens durch neue Technologien und der vollständigen Vernetzung. Alle Komponenten, von der Fertigungsanlage bis zum Produkt selbst, spielen in diesem Ökosystem eine Rolle und bilden sogenannte Cyberphysische Systeme (CPS), deren Kommunikationsgrundlage Techniken des Industrial Internet of Things (IIoT) sind. Ebensolche bereits aus dem Konsumerbereich seit langem nicht mehr wegzudenkende Technologien wie WLAN oder Bluetooth LE (BLE) werden vermehrt auch im industriellen Umfeld zum Austausch von Daten zwischen CPS und Umwelt eingesetzt. Bewährte Technologien zur Ortung hingegen, wie das Global-Positioning-System (GPS), funktionieren innerhalb von Gebäuden nur unzureichend und scheiden daher als Kerntechnologie für durchgehende industrielle Track-and-Trace-Anwendungen in diesem Bereich aus. Genau dort findet sich mit Ultra-Breitband (UWB: Ultra-Wideband) eine für die industrielle Automatisierung neue, kabellose Technologie, die sich auf Grund ihrer andersartigen Wirkweise zum De-facto-Standard für die kontinuierliche Indoor-Lokalisierung etabliert hat.

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UWB als Enabling Technology von I4.0

Klassische drahtlose Kommunikationssysteme nutzen je nach Technologie verschiedene Modulationsverfahren zur Übertragung von Daten. Hierbei wird ein hochfrequentes Trägersignal durch ein zu übertragendes niederfrequentes Nutzsignal vom Sender verändert und auf Empfängerseite entsprechend demoduliert, um das Nutzsignal zu rekonstruieren. Im Gegensatz dazu nutzt die Ultra-Breitband-Technologie Einzelpulse zur Datenübertragung. Verdeutlichen lässt sich dieser Unterschied am Beispiel einer reinen periodischen Sinusschwingung: Wird diese per Fourier-Transformation (FT) in den Bildbereich überführt, zeigt sie sich als einzelne Spektral-linie. Wird das Signal auf einen zeitlichen Bereich begrenzt, so steigt die Breite des Spektrums im Bildbereich, da das Spektrum eines Pulses und dessen zeitlicher Verlauf nach den Regeln der FT direkt miteinander gekoppelt sind: Je kürzer ein Impuls im Zeitbereich, desto breiter ist die spektrale Darstellung im Bildbereich. Durch diese sehr kurzen Pulse mit Zeiten von 0,16 ns kann bei hoher Synchronität der Taktgeber zwischen Sender und Empfänger eine Laufzeitmessung (ToF – Time-of-Flight) zwischen selbigen mit hoher Auflösung vorgenommen werden. Die Korrelation von Ausbreitungsgeschwindigkeit des Pulses und gemessener Laufzeit erlaubt eine eindeutige Bestimmung der Entfernung. Der Vorteil einer ToF-Bestimmung im Vergleich zu alternativen Systemen auf Basis von Signalstärkenmessung, beispielsweise iBeacon-Technologien, liegt vornehmlich in der Eliminierung von Reflexionsinterferenzen. Diese sorgen bei einem signalstärkenbasierten System dafür, dass kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Signalstärke und Entfernung besteht. Durch die extrem kurzen Pulszeiten im Ultra-Breitband-System können Reflexionen durch die Umgebung vom direkt eingestrahlten Signal eindeutig getrennt und gefiltert werden. Wird das System entsprechend aufgebaut, dass mindestens 4 Entfernungen von zu lokalisierendem Objekt (wird allgemein als Tag bezeichnet) zu Basisstationen (allgemein als Anker bezeichnet) mit bekannter Position gemessen werden, kann die Position des Tags per Multilateration in drei Dimensionen mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich bestimmt werden. Je nach Anforderungen der Applikation kann die Bestimmungsrate in Abhängigkeit der Anzahl an zu lokalisierenden Tags konfiguriert werden. Als Konstante gelten 352 Tags pro Sekunde, die vom System bestimmt werden können. Beispielsweise können 44 Tags mit 8 Hz oder 88 Tags mit 4 Hz gleichzeitig lokalisiert werden.

Durch die hohe zeitliche Auflösung der Impulse können Reflexionen des Signals an der Umgebung eindeutig identifiziert werden. Es ergibt sich eine theoretische Distanzauflösung von ca. 48 mm. © RWTH Aachen

Cross-Site-fähiges Echtzeittracking durch UWB, BLE und Mobilfunk

Die beschriebenen Möglichkeiten in Bezug auf eine Entfernungsbestimmung befähigt die Ultra-Breitband-Technolgie besonders für einen Einsatz im Bereich der Indoor-Lokalisierung. Bevor Tags lokalisiert werden können, wird das zu erfassende Gebiet (Zone) mit einer der Größe und Beschaffenheit entsprechenden Anzahl an stationären Ankern ausgerüstet. Eine zentrale Softwarekomponente sorgt für die Orchestrierung der Ressourcen und berechnet die Positionen der einzelnen Tags innerhalb der Zone. Die zu lokalisierenden Tags nutzen eine Kombination aus UWB und Bluetooth-LE-Technik. Besteht das Werksgelände aus mehreren örtlich getrennten Fertigungsstätten oder werden weitere Arbeitsschritte gänzlich an verschiedenen Orten vorgenommen, so ist eine Ausrüstung der gesamten Prozessstrecke mit UWB-Technik kapitaleffizient meist nicht umsetzbar. Um dennoch eine durchgehende Lokalisierung und Datenerfassung auf diesen Strecken gewährleisten zu können, werden Aggregationspunkte in Form von Gateways mit Mobilfunkanbindung eingesetzt. Diese können über das Firmengelände verteilt oder direkt im Transportfahrzeug verbaut werden, um eine ungefähre Position auf Basis von GPS- und Mobilfunkdaten zu bestimmen. In diesem Fall findet keine Laufzeitbestimmung mit anschließender Multilateration statt, sondern es wird eine Präsenzerkennung auf Basis des eingebauten Bluetooth-LE-Moduls vorgenommen. Mit den so gewonnenen Daten ist es möglich, fundierte Aussagen über die genaue Durchlaufzeit eines Werkstücks zu treffen, Engpässe durch eine erhöhte Maschinenauslastung anhand von Materialstau zu identifizieren und arbeitsvorbereitende Maßnahmen effizienter zu erledigen, da die zeitintensive Suche nach Material und Werkzeug innerhalb der Werkhalle entfällt. Des Weiteren ist die Anbindung an bestehende Manufacturing-Execution-Systeme (MES) möglich, wodurch eine vollständige und umfassende Integration ins vertikale Datenmanagement des Unternehmens möglich wird. Der administrativen Ebene der Produktionsplanung ergeben sich durch die zusätzlich gewonnenen Echzeit- und Historieninformationen gänzlich neue Möglichkeiten zur transparenteren Auftragsplanung. Die Effizienz der eigenen Produktion wird gesteigert und der Kunde erhält genauere Aussagen zum erwarteten Fertigstellungstermin seines Produkts.

Anwendung und Nutzen von UWB

Entstehung eines zeitlich diskreten Impulses, wie er in der UWB-Technik genutzt wird, durch Überlagerung periodischer Signale. © RWTH Aachen

Die Kombination von Ultra-Breitband-Systemen mit klassischem Nahbereichsfunk und dem Mobilfunk zur Überbrückung weiter Entfernungen ermöglicht gänzlich neue Systeme und Methoden zur transparenten Analyse der Produktion. Durch die Digitalisierung der Produktionstechnik wird eine kontinuierliche Echtzeiterfassung der Aufträge auf Shopfloor-Ebene ermöglicht. In Aachen kann das vorgestellte Ultra-Breitband-System zur Indoor-Lokalisierung getestet werden.

Simon Storms, Bereichs- und Abteilungsleiter Industrial IoT der WZL Aachen GmbH, und Nicolai Hoffmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen / ag

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