BMBF-Projekt: Smartes Überwachen und Steuern von Prozessen mittels Edge-Computing

Projekt EMILIE: Embedding Machine Intelligence Logic and IT Security into Edge Devices

Viele Industrie-Anlagen verfügen über ausgeklügelte Sensorik zum Steuern und Überwachen der Prozesse, deren Daten in eigenen Cloudssystemen gespeichert werden. Im Zeitalter des Internet of Things und 5G gewinnt aber Edge-Computing immer mehr an Bedeutung. Dabei werden die Daten dezentral, also »am Netzwerk-Rand«, direkt lokal verarbeitet, statt in entfernten Rechenzentren. Im Projekt EMILIE arbeiten wir gemeinsam mit den Verbundpartnern an der Verbesserung der dazu eingesetzten Elektronik und der so genannten Edge-Gateways. Diese sollen sicher und robust Informationen erfassen, basierend auf einer Künstlichen Intelligenz (KI) verarbeiten und optimal die Produktionsprozesse steuern sowie überwachen.

Prozesse optimieren: Mess- und Sensordaten mit dem digitalen Zwilling verknüpfen

Als Edge-Gateways werden die Geräte innerhalb der Edge-Infrastruktur bezeichnet. Im Projekt EMILIE sind das magnetostriktive Sensoren und hochauflösende Kameras. Zementmühlen der Gebrüder Pfeiffer SE dienen als Anwendungsfall im realen Produktionsbetrieb. Anhand der umzusetzenden technischen Maßnahmen innerhalb der komplexen Prozesse der Industrieanlage, messen wir so konkrete Verbesserungen – sei es im Durchsatz, der Energieeffizienz oder dem betrieblichen Verschleiß – um dann zu optimieren.

Die Verbundspartner und ihre Kompetenzen sind dabei wie folgt aufgeteilt:

  • Die Arendar IT Security GmbH koordiniert das Vorhaben, bringt das cybersichere Edge-Gateway ARENDAR mit und ist zuständig für die protypische Entwicklung einer Co-Prozessorkarte zur Stärkung der Edge-Computing-Fähigkeit.
  • Die Gebrüder Pfeiffer SE stellt den Anwendungsfall in Form von Mühlen im firmeneigenen Technikum. Die umfangreiche mechanische und verfahrenstechnische Kompetenz des Unternehmens stellt die Grundlage für die Entwicklung der zustandsüberwachenden und prozessoptimierenden Anwendungen dar.
  • Die Forschungsgruppe »Rechnernetze und Informationssicherheit« (FRI) der Hochschule Bremen bringt die Expertise zur IT-Sicherheit in das Projekt ein.
  • Die Magnetic Sense GmbH stellt die Drehmomentsensoren sowie das Know-how zur Wellenauslegung.
  • Die Mobotix GmbH bringt die industriellen Kamerasysteme mit dezentraler Bildverarbeitung und Datenspeicherung mit ein. 
Verbund und Aufgabenpakete des Projektes EMILIE
© Fraunhofer ITWM
Verbund und Aufgabenpakete des Projektes EMILIE
Gebrüder Pfeiffer SE Zementmühle
© Gebrüder Pfeiffer SE
Wir demonstrieren diese mit den Partnern erzielten Verbesserungen anhand der betriebenen Mahlanlage der Firma Gebr. Pfeiffer SE sowie anhand der von HIMA überwachten Gasturbine. Im Bild: Gebrüder Pfeiffer SE Zementmühle.

KI und Maschinelles Lernen aus dem Hause Fraunhofer ITWM

Unser abteilungsübergreifendes ITWM-Team steht für die mathematischen Kompetenzen und entwickelt die passenden KI-Verfahren. Das heißt wir implementieren die Methoden des Maschinellen Lernen (ML), die bei der Signal- und Bilddatenverarbeitung zum Einsatz kommen und von den Edge-Geräten ausgeführt werden.

Im Rahmen von EMILIE bildet unsere Arbeit die Schnittstelle zwischen der Anwendung und der zu entwickelnden Mikroelektronik. Wir erweitern den Einsatz der Devices um intelligente Algorithmen.

In enger Zusammenarbeit mit den Partnern integrieren wir die Erweiterungen der Hardware-Komponenten in zwei konkrete Anwendungen (Mahlanlage und Gasturbine), um den Anlagebetrieb Energie effizienter zu gestalten und Verschleiß zu minimieren.

Am Ende des Projektes soll ein implementiertes Referenzsystem stehen, das Folgendes ermöglicht:

  • Zustandsüberwachung – lokal über die Anlagen verteilt, echtzeitnah und nachvollziehbar
  • Vorausschauende Instandhaltung der Anlage
  • Steuerung durch KI-basiertes Edge Computing 

Unsere Projektpartner im Überblick

  • Arendar IT-Security GmbH (Projektkoordination)
  • Gebr. Pfeiffer SE (GPSE)
  • Magnetic Sense GmbH (MS)
  • Mobotix AG Kamerahersteller
  • Hochschule Bremen, Forschungsgruppe Rechnernetze und Informationssicherheit (HSB)

Zur effektiven Umsetzung eines Gesamtsystems inklusive Evaluation durch Anlagenbetreibende deckt der Verbund von EMILIE damit die vollständige Wertschöpfungskette ab. Die entwickelte Systemsoftware inklusive umgesetzten KI-Verfahren zur Datenverarbeitung werden neben wissenschaftlichen Fachartikeln zudem als Software-Bibliothek zur Verfügung gestellt.

Die Arendar IT Security GmbH koordiniert das Vorhaben, bringt das cybersichere Edge-Gateway ARENDAR (hier im Bild) mit.
© Arendar IT Security GmbH
Die Arendar IT Security GmbH koordiniert das Vorhaben, bringt das cybersichere Edge-Gateway ARENDAR mit (hier im Bild im Schaltschrank).

Projektlaufzeit und Förderung

Das Projekt ist auf drei Jahre angelegt und läuft vom 01.08.2022 bis 30.06.2025. EMILIE wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Konzept des Projektes EMILIE
© Fraunhofer ITWM
Konzept des Projektes EMILIE