Usine 4.0 sans fil avec la 5G

La norme de communication mobile 5G ( ) est désormais disponible et peut être utilisée. Cependant, les petites et moyennes entreprises, en particulier, hésitent encore à investir dans un réseau 5G privé. L'investissement semble trop important et le retour sur investissement trop incertain.

Le projet 5G Kaiserslautern, financé par le ministère fédéral allemand des Transports et des Infrastructures numériques (code de financement : VB5GFKAISE), montre quelles nouvelles applications peuvent être mises en œuvre avec la 5G et comment les processus existants peuvent être rendus plus efficaces.

Potentiel d'économies massif, débits élevés et faible latence avec la 5G

Exploiter les atouts de la 5G

À l'université technique de Rhénanie-Palatinat Kaiserslautern-Landau, des cas d'utilisation de la 5G sont étudiés dans des réseaux campus 5G privés. L'objectif commun de la recherche est de tester la dernière norme de communication mobile dans des applications issues de divers domaines.

Chacun des sous-projets vise à exploiter les trois principaux atouts de la 5G – un nombre élevé d'abonnés au réseau (mMTC), des débits et des volumes de données élevés (eMBB) et une latence ultra-faible fiable (uRLLC) – dans des domaines spécifiques.

La fraiseuse CNC comme cas de référence pour l'ultra-faible latence

La mesure dans laquelle la latence peut être réduite avec la 5G est démontrée à l'aide d'une fraiseuse CNC dans un atelier de l'Institut des technologies de fabrication et des systèmes de production (FBK). Avec la 5G, le système fonctionne sans le système de contrôle intégré habituel sur site, qui a été déplacé vers le cloud périphérique. À la place, une tablette ou un smartphone standard est utilisé comme panneau de contrôle ou interface homme-machine (IHM).

La fraiseuse est un système de haute précision, à couple élevé et nécessitant des latences faibles dans la communication machine. Une latence de quelques millisecondes ne doit pas être dépassée en fonctionnement normal. Une fraiseuse peut donc être utilisée pour obtenir un cas de référence convaincant en matière de faibles latences.

« Si nous pouvons obtenir des latences ultra-faibles avec une grande fiabilité pour la fraiseuse, alors presque tout le reste est possible », explique Jan Mertes de l'Institut des technologies de fabrication et des systèmes de production, qui dirige le cas d'utilisation du contrôle des machines. L'ensemble du projet est dirigé par le professeur Hans Schotten de l'Institut des communications sans fil et de la navigation. Les fraiseuses CNC ont généralement un contrôle en boucle fermée.

Cela signifie qu'il n'y a pas d'intervention compensatoire de la part des opérateurs humains et que la fraiseuse fonctionne automatiquement et de manière indépendante, contrôlant le mouvement. La valeur de consigne spécifiée par l'opérateur détermine la façon dont les moteurs, les broches et les autres pièces de la machine se déplacent. Des codeurs intégrés fournissent des informations en retour sur la position réelle de la fraise, par exemple ; les contrôleurs régulent la boucle de rétroaction autour de la position de consigne et de la position réelle en moins d'une milliseconde. Lorsque la valeur de consigne est atteinte, l'opération doit être arrêtée en temps réel.

Le jumeau numérique

Un autre objectif de recherche poursuivi avec la fraiseuse dans le réseau 5G est de tester l'organisation opérationnelle avec un jumeau numérique. Il s'agit de l'image miroir numérique de l'usine et de tous ses processus. Via la 5G, toutes les valeurs du système de contrôle sont transmises au jumeau numérique. Le jumeau numérique doit être visible dans le réseau de l'usine sur les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables compatibles 5G. Il surveille la machine en temps réel, permet d'effectuer des diagnostics et constitue à son tour la base du système de contrôle.

Usine 4.0

Production flexible et reconfigurable

Le réseau 5G élimine le besoin de câbles de données. Tout ce qui est nécessaire pour faire fonctionner les machines, c'est l'électricité et l'infrastructure du hall. À la RPTU, un câble à fibre optique est connecté au hall des machines, grâce auquel les têtes radio 5G du hall sont connectées au cœur du réseau, établissant ainsi le réseau 5G.

Un serveur central est directement connecté au réseau 5G. Les unités de calcul, qui se trouvent généralement sur chaque machine individuelle, sont externalisées vers ce cloud périphérique. Les machines deviennent ainsi des modules de production mobiles.

Plusieurs systèmes modulaires mobiles peuvent être configurés de manière à ce que la production s'effectue dans un espace réduit, ce qui permet de gagner du temps. Un système de fabrication additive tel qu'une imprimante 3D, par exemple, peut être placé directement à côté d'une fraiseuse CNC afin que les pièces imprimées finies puissent être immédiatement retravaillées. Ensuite, un AMR ( robotique mobile autonome) ou un employé peut poursuivre le processus. Les frontières entre les étapes de production deviennent plus perméables.

Économies grâce à la 5G

Dans ce cas d'utilisation de la commande de machine, la 5G permet d'économiser près de 50 % de l'infrastructure câblée dans le hall de l'usine. Un système sans IHM prend également moins de place. Il est possible d'accueillir davantage de systèmes dans un hall d'usine ou de construire des halls plus petits.

Cela permet d'économiser des ressources. Étant donné qu'un appareil mobile compatible 5G peut servir d'IHM pour de nombreuses machines, les exigences en matière d'appareils mobiles sont également réduites. « Naturellement, plus il y a de systèmes, plus les économies sont importantes », explique Jan Mertes. « C'est pourquoi un projet 5G doit être considéré comme un projet d'infrastructure complet, car il peut servir de base à un grand nombre de cas d'utilisation simultanés. »

Usine 4.0 avec la 5G

Les petites et moyennes entreprises industrielles allemandes hésitent encore à mettre en place leurs propres réseaux 5G. Jan Mertes en est toutefois convaincu : « Une fois la 5G adoptée, un nombre croissant de cas d'utilisation seront développés. » Grâce à l'automatisation basée sur la 5G, il serait possible d'organiser l'ensemble de la production à partir d'un seul poste de contrôle. Il n'y aurait alors plus que des remplaçants sur place pour inspecter un jumeau numérique ou une usine si nécessaire.

Obstacles à la mise en œuvre

Le plus grand obstacle à la mise en œuvre du projet 5G sur la fraiseuse CNC était la disponibilité de matériel 5G conforme aux normes actuelles. Seules les puces qui mettent en œuvre technologiquement les spécifications 3GPP pour la 5G Release 16 (R16) permettent d'atteindre l'uRLLC. Les travaux sur la R16 sont terminés depuis 2020. Cependant, les puces R16 n'ont pas pu être achetées de manière fiable pendant la pandémie de coronavirus.

Scénarios futurs

La 5G à tous les égards ?

Les trois atouts de la 5G ne peuvent pas encore être exploités de la même manière dans tous les cas d'utilisation actuels. Pour le fraisage CNC, la vitesse de transmission est énorme, tandis que le débit de transmission des données est faible. « Pour notre cas d'utilisation, le débit de transmission des données n'a pas d'importance », explique Jan Mertes, « car nous n'avons besoin de transmettre que quelques kilobits à quelques mégabits ».

Avec des latences extrêmement faibles, le débit de données en pâtit automatiquement. Si vous avez besoin d'un débit de données élevé avec une latence extrêmement faible, seuls quelques abonnés peuvent utiliser le réseau. « En fin de compte, vous devez décider où vous avez vraiment besoin d'excellence », conclut Jan Mertes. Les autres sous-projets 5G de la RPTU le confirment.

Agriculture de précision avec la 5G

L'utilisation agricole nécessite la 5G comme technologie clé pour un débit de données élevé et des latences faibles. Ici, le réseau 5G est mis en place à distance à partir d'un transporteur situé en bordure du champ. Un drone vole de manière autonome au-dessus du champ.

Pendant le vol, de grandes quantités de données d'images sont transmises, qui sont utilisées dans un serveur cloud périphérique pour détecter les mauvaises herbes et calculer leur position à l'aide d'une technologie d'apprentissage automatique. Des robots agricoles ciblent ensuite les mauvaises herbes et les pulvérisent avec des herbicides. Ainsi, grâce à la technologie moderne, les méthodes de semis, de fertilisation, d'élimination des sous-produits ou d'irrigation à grande échelle sont remplacées par des méthodes agricoles de précision respectueuses des ressources et de l'environnement.

Intralogistique avec des AGV

L'utilisation de véhicules à guidage automatique (AGV) sur le campus universitaire repose également sur les débits de données élevés et les faibles latences rendus possibles par la 5G. La flotte existante d'AGV de l'université devrait être en mesure de prendre en charge une grande variété de tâches logistiques sur le campus universitaire à la demande : du transport de livres entre deux bibliothèques à la livraison de repas à la cafétéria, en passant par le transport de matériel pour les ateliers.

La conduite entièrement autonome dans un environnement réel n'étant pas encore possible, un centre de contrôle permet à un employé d'intervenir si une situation survient que l'AGV n'est pas encore en mesure de gérer. Pour ce faire, les images de la caméra doivent être transmises en temps réel.

Travailleur augmenté

Ce cas utilise une interface cerveau-ordinateur, à l'aide de laquelle les travailleurs contrôlent les équipements via EEG. Sur un écran semi-transparent situé devant la machine, les travailleurs voient des informations sur l'état d'un bras robotisé, les évaluations de l' s des capteurs ou d'autres détails sur la pièce en question. Les superpositions et les animations sont calculées de manière centralisée sur un cloud périphérique et surveillées via une station de contrôle. Sur place, seules la technologie de visualisation et le système de capture du travailleur sont nécessaires. Ce cas d'utilisation est rendu possible par l'eMBB et l'uRLLC.