Verbundprojekt: EmKoI4.0 - Erschließung moderner Kommunikationstechnologien für Industrie 4.0

Abstract

Das Projekt EmKoI4.0 (Entwicklung von Methoden und Werkzeugen für die Planung, Integration und den Betrieb heterogener Kommunikationssysteme in Industrie 4.0) zielte auf die Entwicklung eines einheitlichen Rahmens für die Kommunikationskonvergenz in industriellen Umgebungen. Hauptziel war die Bereitstellung von Methoden und Werkzeugen, die die Forschung, Entwicklung und Implementierung flexibler und interoperabler Kommunikationslösungen für den gesamten Lebenszyklus von Industrieanlagen und -produkten unterstützen. Der Fokus des Projekts lag auf 5G Advanced-Technologien als Grundlage für eine schnelle, zuverlässige und sichere industrielle Kommunikation, wobei auch ergänzende kabelgebundene Technologien berücksichtigt wurden.Das Projekt befasste sich mit der zunehmenden Komplexität von Kommunikationsinfrastrukturen in intelligenten Fabriken, in denen eine Vielzahl von Geräten und Systemen nahtlos zusammenarbeiten müssen. Durch die Entwicklung universeller Modelle zur Beschreibung industrieller Anwendungen und Kommunikationstechnologien etablierte EmKoI4.0 eine gemeinsame Sprache für die digitale Darstellung von Produktionsnetzwerken. Dieser universelle Modellierungsansatz ermöglicht Interoperabilität, Transparenz und Skalierbarkeit über industrielle Ökosysteme hinweg. Die Einbindung von Partnern aus Europa und Asien stellte sicher, dass die entwickelten Lösungen international relevant und an unterschiedliche Fertigungsumgebungen anpassbar sind und so die Vision global interoperabler Industrie 4.0-Systeme unterstützen. Aus methodischer Sicht integrierte EmKoI4.0 digitale Zwillinge und Teilmodelle der Asset Administration Shell (AAS) als Schlüsselfaktoren für das Management von Kommunikationsnetzwerken. Diese Modelle ermöglichen die Darstellung von drahtlosen Systemen, Netzwerkparametern und Leistungsanforderungen in standardisierter digitaler Form. Sie bilden die Grundlage für fortschrittliche Managementarchitekturen, die eine dynamische Rekonfiguration, prädiktive Steuerung und Optimierung von Kommunikationsressourcen ermöglichen. Das Projekt entwickelte Prototypen mit Python, REST-APIs und webbasierten Tools und validierte diese durch Labortests und Praxisexperimente in 5G-Campusnetzen in Deutschland und Japan. Zwei industrielle Anwendungsfälle wurden in der Demag Research and Business Factory Germany in Wetter (Ruhr) implementiert. Der erste konzentrierte sich auf die Kransteuerung und die Koordination autonomer Fahrzeuge mit strengen Zeitvorgaben von 50 ms, wobei jede Verzögerung zu Produktionsunterbrechungen führen könnte. Der zweite Anwendungsfall umfasste kamerabasiertes 3D-Monitoring zur Bedienersicherheit und Prozessoptimierung, das eine adaptive Datenübertragung und dezentrale Verarbeitung erforderte. Beide Anwendungsfälle demonstrierten die Fähigkeit der entwickelten Architekturen, Echtzeit-, zuverlässige und flexible Kommunikation in heterogenen Industrieumgebungen zu unterstützen. Über die technischen Ergebnisse hinaus leistete EmKoI4.0 einen wesentlichen Beitrag zur Standardisierung und Wissensverbreitung. Die Konsortialpartner beteiligten sich aktiv an internationalen Gremien wie 5G-ACIA, IEC 63595 (Anwendung von 5G in der Industrie) und IEC 62657 (industrielle drahtlose Koexistenz). Langfristig ermöglichen die Projektergebnisse den Einsatz I4.0-konformer Plattformen zur Überwachung und Verwaltung heterogener Kommunikationsnetzwerke. Thorsis Technologies plant, die Ergebnisse in eine modulare Plattform zu integrieren, die softwarebasierte Überwachung mit hardwaregestützter Verwaltung und KI-basierter Unterstützung kombiniert. Demag beabsichtigt, die entwickelten Konzepte zu nutzen, um die Verfügbarkeit und Sicherheit zukünftiger Kran- und Hebesysteme zu verbessern, während die TU Dresden und das ifak die Forschung auf die Standardisierung digitaler Zwillinge und die Leistungsbewertung drahtloser Industriesysteme ausweiten werden. Insgesamt bietet EmKoI4.0 eine umfassende Grundlage für interoperable, belastbare und adaptive Kommunikationssysteme und unterstützt den Übergang von traditionellen Industrienetzwerken zu intelligenten, vernetzten und global harmonisierten Industrie-4.0-Umgebungen. The EmKoI4.0 project (Development of Methods and Tools for the Planning, Integration, and Operation of Heterogeneous Communication Systems in Industry 4.0) aimed to develop a unified framework for communication convergence in industrial environments. Its main goal was to provide methods and tools that support the research, design, and implementation of flexible and interoperable communication solutions covering the entire lifecycle of industrial plants and products. The project placed a strong focus on 5G Advanced technologies as the foundation for fast, reliable, and secure industrial communication, while also considering complementary wired technologies. The project addressed the increasing complexity of communication infrastructures in smart factories, where a wide range of devices and systems must operate seamlessly together. By developing universal models to describe industrial applications and communication technologies, EmKoI4.0 established a common language for the digital representation of production networks. This universal modeling approach enables interoperability, transparency, and scalability across industrial ecosystems. The involvement of partners from Europe and Asia ensured that the developed solutions are internationally relevant and adaptable to different manufacturing environments, thus supporting the vision of globally interoperable Industry 4.0 systems. From a methodological perspective, EmKoI4.0 integrated digital twins and Asset Administration Shell (AAS) submodels as key enablers for managing communication networks. These models allow the representation of wireless systems, network parameters, and performance requirements in a standardized digital form. They serve as the foundation for advanced management architectures capable of dynamic reconfiguration, predictive control, and optimization of communication resources. The project developed prototypes using Python, REST APIs, and web-based tools, and validated them through laboratory tests and real-world experiments in 5G campus networks in Germany and Japan. Two industrial use cases were implemented at Demag’s Research and Business Factory Germany in Wetter (Ruhr). The first focused on crane control and autonomous vehicle coordination with strict timing constraints of 50 ms, where any delay could cause production interruptions. The second use case involved camera-based 3D monitoring for operator safety and process optimization, requiring adaptive data transmission and decentralized processing. Both use cases demonstrated the ability of the developed architectures to support real-time, reliable, and flexible communication in heterogeneous industrial environments. Beyond the technical outcomes, EmKoI4.0 contributed significantly to standardization and knowledge dissemination. The consortium partners actively participated in international committees such as 5G- ACIA, IEC 63595 (application of 5G in industry), and IEC 62657 (industrial wireless coexistence). In the long term, the project outcomes will enable the deployment of I4.0-compliant platforms for monitoring and managing heterogeneous communication networks. Thorsis Technologies plans to integrate the results into a modular platform combining software-based monitoring with hardware-assisted management and AI-based support. Similarly, Demag intends to use the developed concepts to improve the availability and safety of future crane and lifting systems, while TU Dresden and ifak will extend the research toward digital twin standardization and performance evaluation of wireless industrial systems. Overall, EmKoI4.0 provides a comprehensive foundation for interoperable, resilient, and adaptive communication systems, supporting the transition from traditional industrial networks toward intelligent, connected, and globally harmonized Industry 4.0 environments.