Nahtlose Kommunikation weltweit: 5G ist ein wichtiger Technologiebaustein für die vernetzte Fabrik der Zukunft.

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Nahtlose Kommunikation 5G – das Netz der Maschinen

15.04.2020

5G wird das IoT schneller machen und die Kommunikationsmöglichkeiten revolutionieren. Aber bis alles fehlerfrei funktioniert, wird es noch dauern.

Die deutsche Industrie sieht große Chancen im kommenden Mobilfunkstandard 5G. Zu diesem Ergebnis kommt eine repräsentative Umfrage unter mehr als 500 Industrieunternehmen in Deutschland im Auftrag des Digitalverbands Bitkom. So geben 49 Prozent der deutschen Industrieunternehmen ab 50 Mitarbeitern an, dass ihnen die künftige Verfügbarkeit von 5G wichtig ist. Bei Großkonzernen ab 2.000 Mitarbeitern sind es sogar 66 Prozent.

Derzeit planen oder diskutieren aber nur 42 Prozent eine 5G-Versorgung, sechs Prozent davon beschäftigen sich mit lokal nutzbaren 5G-Frequenzen. 54 Prozent dieser Unternehmen will 5G für die vernetzte Produktion einsetzen, 49 Prozent für die Echtzeit-Kommunikation zwischen Maschinen.

Aber: Für 55 Prozent der Industrieunternehmen ist momentan die 5G-Versorgung noch kein Thema. Gegenüber 84 Prozent der 5G-Befürworter, die die Produktivität massiv steigen sehen, findet fast ein Viertel der Ablehner, dass die deutsche Wirtschaft auch ohne 5G nicht an Kraft verlieren würde und vier Prozent finden 5G schlicht überflüssig.

Und doch ist im Durchschnitt heute bereits jede vierte Maschine in der deutschen Fertigungsindustrie laut Bitkom mit dem Internet verbunden. „In jedem zehnten Unternehmen ist sogar schon mehr als die Hälfte der Maschinen via Internet vernetzt", berichtet Dr. Katharina Eylers, Referentin Industrie 4.0 und technische Regulierung bei der Bitkom.

Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit

Funkanwendungen für die Industrie gibt es schon etwa 15 Jahre, aber Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit waren eher mäßig. Für die intelligente Vernetzung von Anlagen sind Latenzzeiten unter einer Millisekunde, Übertragungsraten von 10 Gbit/s oder höher und weltweit verfügbare, robuste Funkverbindungen bei sehr geringerem Stromverbrauch nötig. Dazu besteht 5G aus mehreren Bereichen.

Die mBBC (mobile Broadband Communication) erlaubt es, große Datenmengen zu übertragen; eMBB (enhanced Mobile Broadband) liefert extrem hohe Datenraten bis zu mehreren Gb/s und bietet eine bessere Abdeckung als 4G. mMTC (Massive Machine Type Communications) soll bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer gleichzeitig vernetzen und dazu wenig Energie verbrauchen; URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communications) bietet hohe Verfügbarkeit und erlaubt Latenzzeiten bis in den Millisekundenbereich.

Hier entwickelt man am Fraunhofer-Institut UWIN (Ultra Low Latency Wireless Industrial Network). „Damit sind wir etwa acht Mal schneller als die 5G-Variante URLLC, dessen Standardisierung noch nicht abgeschlossen ist", berichtet Dr. Andreas Frotzscher, Gruppenleiter Industrielle Funkkommunikation am Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen IIS. UWIN soll als drahtlose Erweiterung beziehungsweise Ersatz drahtgebundener Feldbusse arbeiten, für eine echtzeitfähige Übertragung mit extrem kurzen Latenzzeiten und 30 Mal mehr Daten je Telegramm.

Zu 5G kommt als Sahnehäubchen Network Slicing, das erlaubt Netzkapazitäten in eigenständige private 5G-Netze aufzuteilen. Ein solches Mobilfunknetz ist zum Beipsiel auf einen Fabrikstandort beschränkt und vom öffentlichen Netz getrennt. Dies garantiert, dass keine Daten unbeabsichtigt ins Internet gelangen. Hier lässt sich für jeden Dienst ein separater Slice mit jeweils angepasster Sicherheit errichten. Ausreichend Sendefrequenzen gibt es.

Netzwerk-Slicing als Chance

Bosch hat bisher für die Standorte Feuerbach und Renningen 5G-Lizenzen beantragt. Beim Werk in Feuerbach handelt es sich um eine der größten deutschen Fabriken Boschs. In unmittelbarer Nähe ist der Forschungscampus in Renningen, weitere Niederlassungen, die IT-Zentrale und die Geschäftseinheit Connected Industry. „Feuerbach ist ein Industrie-4.0-Leitwerk von Bosch und jetzt auch eines für 5G", betont Dr. Andreas Müller, Leiter Communication und Network Technology bei Bosch. „Wir haben vor, 5G in allen Werken einzusetzen."

Auch bei Osram macht man sich 5G-bereit. „In Kooperation mit der Deutschen Telekom betreiben wir im Werk Schwabmünchen ein Campusnetz. Hier werden Vormaterialien für die Lampenfertigung hergestellt", berichtet Kathrin Kienle Pressesprecherin bei Osram Licht.

In dem Werk laufen schon Smart-Factory-Referenzprojekte, wie etwa mobile Transportroboter für den autonomen Materialtransport. Für eine reibungslose Navigation durch das Werk bot sich ein Industrie-4.0-taugliches Mobilfunknetz an. So werden massive Datenströme schneller verarbeitet, auf der Edge gespeichert und in Echtzeit wieder verteilt. Fehler müssen nur einmal korrigiert werden und nicht mehr pro Gerät. Zudem lernen die Roboter kollektiv. Dazu kommen die Hololens und ein Ticket-Management-System, das Maschinenfehler selbstständig analysiert und über eine App notfalls den Mechaniker ruft. Das Netzwerk läuft noch auf dem aktuellen LTE-Standard; die 5G-IT-Infrastruktur ist laut Osram Licht aber schon vorhanden, es müsse nur noch den Schalter umgelegt werden.

Allerdings sind Campusnetze noch meist Neuland. Laut Dr. Katharina Eylers haben erst 24 Firmen Frequenzen beantragt. Diese Campusnetze reichen von rein öffentlichen über Mischformen bis hin zu privaten Mobilfunknetzen. Der Netzausrüster Ericsson setzt hierbei auf eine enge Kooperation mit Netzbetreibern, um möglichst passgenaue Lösungen für den Endkunden aufzubauen und zu betreiben. „Zusammen mit den Betreibern der Mobilfunknetze haben wir auch Lösungen wie Ericsson Industry Connect für kleine und mittelständige Unternehmen, die direkt von der IT-Abteilung eines Unternehmens gewartet werden können“, berichtet Christoph Bach, CTO Service Providers Western Europe bei Ericsson.

Dazu soll 5G die nahtlose Kommunikation von der Feldebene bis zur Cloud mit Hilfe von Software-Plattformen, wie zum Beispiel Siemens MindSphere, Microsoft Azure, ABB Ability, SAP und Cisco, leisten. Scheinbar konnten diese Lösungen bisher aber nicht alle überzeugen, jedenfalls hat Maschinenbauer Bosch seine eigene Plattform aufgebaut. Über solche Plattformen lässt sich letztlich eine SPS durch eine virtuelle Steuerung in der EdgeCloud ersetzen und Änderungen remote einbauen.

Gemeinsam die Hürden nehmen

Die Integration der 5G-Technologie in die heutige Automation und die Weiterentwicklung im Bereich Industrie 4.0 erfordert neue Kooperationen. Deshalb haben sich Unternehmen der Automations- und der Telekommunikationsindustrie mit wissenschaftlichen Instituten zusammengeschlossen und 2018 die weltweit agierende 5G-Acia (5G Alliance for Connected Industries and Automation) als ZVEI-Arbeitsgemeinschaft gegründet.

„Das industrielle 5G ist ein wichtiger Technologiebaustein für die vernetzte Fabrik der Zukunft", betont Alexander Bentkus, verantwortlich im ZVEI für die 5G-Acia. „Allerdings müssen dabei zentrale Anforderungen wie Dienstqualität, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, außerdem Backward- und Forward-Kompatibilität erfüllt werden.“ Darüber hinaus sollten Kosteneffizienz sowie die Wartbarkeit und Verwaltbarkeit garantiert werden.

Die 5G-Acia hat bereits Konzepte für die Standardisierung im 3rd Generation Partnership Project entwickelt und steht im engen Austausch mit weiteren Standardisierungsorganisationen, um zum Beispiel die Ethernet-Technologien beziehungsweise TSN nahtlos mit 5G zusammenzuführen. Das hört sich vielversprechend an, aber es gibt noch viel zu tun.

Bildergalerie

  • Bosch setzt massiv auf 5G und will es nach und nach in allen Werken einsetzen.

    Bild: Bosch

  • VR und AR sind dank 5G auch kein Problem mehr.

    Bild: Osram

  • Das Ticket-Management-System analysiert Maschinenfehler selbstständig und ruft über eine App notfalls den Mechaniker.

    Bild: Osram

  • Auf dem Campusnetzwerk basieren mobile Transportroboter für den autonomen Materialtransport.

    Bild: Osram

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