Im Einsatz: 5G, Cloud und KI – Yokogawa und DOCOMO testen erfolgreich Fernsteuerungstechnologie

In einer Cloud-Umgebung wurden dafür

• eine KI für autonome Steuerung,
• der Factorial Kernel Dynamic Policy Programming (FKDPP)-Algorithmus¹
• und ein von DOCOMO bereitgestelltes Mobilfunknetz der fünften Generation (5G)

eingesetzt. Der Test hat gezeigt, dass 5G für die Fernsteuerung von realen Anlagenprozessen bestens geeignet ist.

In den vergangenen Jahren hat die Ansiedlung von Produktionsanlagen in entlegenen und/oder gefährlichen Bereichen zu einer wachsenden Nachfrage nach ferngesteuerten Industrieanlagen geführt und die Arbeitsweise der Menschen grundlegend verändert.

Wenn Geräte, die in den Anlagen zur Reinigung und Aufbereitung von Ressourcen und Materialien eingesetzt werden, im Laufe der Jahre veralten, ist eine ferngesteuerte, autonome Regelung und Steuerung von unschätzbarem Vorteil. Hierfür können Edge-Geräte, die für eine drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikation ausgerüstet sind, und eine cloudbasierte KI für autonome Steuerung in den Anlagen installiert werden, um Geräte und Systeme dynamisch zu steuern. Yokogawa konnte bereits nachweisen, dass sein FKDPP-Algorithmus eine praktikable KI-Lösung für die autonome Steuerung darstellt. In einem Feldversuch in einer Chemieanlage im Februar dieses Jahres konnten mit FKDPP 35 Tage in Folge erfolgreich Prozesse gesteuert werden, die sich mit bestehenden PID² – und APC³-Steuerungstechnologien nur schwer automatisieren lassen und deshalb manuell ausgeführt werden müssen. Die Kombination aus FKDPP und der Cloud mit 5G, das eine niedrige Latenz bietet und die Anbindung zahlreicher Geräte ermöglicht, stellt eine innovative Kerntechnologie dar, die den Weg zur industriellen Autonomie und somit in die Zukunft ebnet.

Der Machbarkeitstest wurde im Rahmen einer Vereinbarung zwischen Yokogawa und Docomo durchgeführt, um zu prüfen, ob sich der Füllstand in einem Drei-Tank-System⁴ mit FKDPP in der Cloud über ein 5G-Netzwerk regeln lässt. Nach der Festlegung eines Sollfüllstands wurden Tests mit niedrigen bis schnellen Steuerungszyklen durchgeführt und die Auswirkungen der Mobilfunk-Latenz auf die FKDPP-Steuerung untersucht.

Der Test hat gezeigt, dass 5G insbesondere bei der Hochgeschwindigkeitsregelung im Vergleich zu 4G

1. eine geringere Latenz
2. weniger Überschwingen in Bezug auf den Sollfüllstand und
3. einen Steuerungszyklus von nur 0,2 Sekunden

bewältigen kann. Das sorgt für eine bessere Prozesssteuerung, eine stabilere Qualität und eine höhere Energieeffizienz.

Yokogawa macht sich bereits seit 2019 für den Übergang von der industriellen Automatisierung zur industriellen Autonomie (Industrial Automation to Industrial Autonomy, IA2IA) stark und möchte die 5G-Technologie für die Fernsteuerung von Anlagen nutzen. In enger Zusammenarbeit mit Docomo und seinen Kunden wird Yokogawa weiterhin Initiativen ergreifen, um den Übergang zur industriellen Autonomie zu erleichtern.

Docomo wird seine Netzwerktechnologien verbessern und weiterentwickeln, fortschrittliche Netzwerke schaffen, die individuell auf die Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten sind, und 5G-Lösungen für verschiedenste öffentliche und private Zwecke entwickeln.

Sowohl Yokogawa als auch Docomo werden als Mitglieder der 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) die Nutzung von 5G für den ferngesteuerten, autonomen Betrieb von Anlagen prüfen. Die Unternehmen werden Demonstrationen in zahlreichen Kundenanlagen vornehmen und die Kommunikationszuverlässigkeit und Latenzaspekte im Langzeitbetrieb unter die Lupe nehmen, um eine zukunftssichere 5G- und KI-gestützte autonome Steuerung zu verwirklichen.

¹     Der „Factorial Kernel Dynamic Policy Programming“-Algorithmus (FKDPP) wurde von Yokogawa und dem Nara Institute of Science and Technology entwickelt. Dieser Algorithmus nutzt die Technologie des Reinforcement Learning (Bestärkendes Lernen) und kann auf alle Arten von Steuerungsanwendungen angewandt werden, auch auf solche, die sich mit bestehenden Steuerungsmethoden wie PID-Regelung oder APC nicht automatisieren lassen. So werden anspruchsvolle und widersprüchliche Ziele wie hohe Qualität und optimale Energieeffizienz gleichzeitig erreicht, was mit herkömmlichen Methoden nicht machbar ist.

²     Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler), erstmals 1922 von Nicolas Minorsky vorgeschlagen. Es handelt sich um eine Technologie zur Steuerung der Infrastruktur in der Prozessindustrie, die zur Regelung von Parametern wie Menge, Temperatur, Füllstand, Druck und Inhaltsstoffen eingesetzt wird. Damit erfolgt eine Steuerung in Richtung eines Sollwerts, wobei die Ergebnisse der einzelnen P-, I- und D-Berechnungen jeweils entsprechend der Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert verwendet werden. In manchen Fällen kann ein Wert aufgrund der Eigenschaften des mathematischen Ausdrucks den Sollwert überschreiten (Überschwingen) oder eine gewisse Zeit benötigen, um sich einzupendeln und ein Überschwingen zu vermeiden.

³     Advanced Process Control (Erweiterte Prozesskontrolle) verwendet ein mathematisches Modell zur Vorhersage von Prozessreaktionen und zur Bereitstellung von Sollwerten für den PID-Regelkreis in Echtzeit, um Produktivität, Qualität und Steuerbarkeit zu verbessern. Es lässt sich sehr gut zur Prozessteuerung einsetzen, um die Produktion zu steigern, den Arbeitsaufwand zu verringern und Energie zu sparen. APC führt zu geringeren Datenabweichungen und ermöglicht es, sich den Grenzen der Betriebsleistung (d.h. der optimalen Leistung) anzunähern. APC ist allerdings nicht in der Lage, auf die schnelle Verdampfung von Flüssigkeiten und ähnliche chemische Reaktionen, größere Veränderungen bei der Materialzusammensetzung und Änderungen an Maschinen zu reagieren.

⁴     Füllstandsregelung eines Drei-Tank-Systems, die zur Durchführung von Tests und Versuchen verwendet wird, bei denen der Wasserdurchfluss von einem Niveau zum nächsten geregelt wird. Das Ziel besteht darin, den Füllstand im untersten Tank zu regeln.

Über NTT Docomo

NTT Docomo ist Japans führender Mobilfunkbetreiber mit über 83 Millionen Abonnenten und gehört zu den weltweit führenden Anbietern von 3G-, 4G- und 5G-Mobilfunktechnologien. Docomo stellt nicht nur klassische Kommunikationsdienstleistungen bereit, sondern setzt in Zusammenarbeit mit einer wachsenden Zahl von Unternehmen („+d“-Partner) neue Maßstäbe und entwickelt spannende und praktische Mehrwertdienste, die Alltag und Arbeitswelt nachhaltig verändern. Im Rahmen eines mittelfristigen Plans leistet das Unternehmen seit 2020 Pionierarbeit für ein hochmodernes 5G-Netz, das innovative Dienstleistungen ermöglicht.

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