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Im Gegensatz zu bisherigen Technologien für die kabellose Kommunikation verspricht 5G endlich, die Anforderungen industrieller Anwendungen zu erfüllen.

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Kabellose Kommunikation in der Industrie Was bringt eigentlich 5G?

11.03.2020

Nur mit kabelloser Kommunikation lässt sich Industrie 4.0 wirklich umsetzen. Bisherige Technologien werden jedoch den Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Bandbreite, Echtzeitverhalten oder Kapazität in vielen Anwendungen nicht gerecht. 5G verspricht Abhilfe und lässt zugleich Fragen offen.

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Was 5G in der finalen Ausbaustufe für die Automatisierungsbranche verspricht, ist verheißungsvoll: gigantische Datenraten bei minimalen Latenzzeiten, die die Möglichkeit für kabellose Echtzeitanwendungen schaffen. Dabei machen verschiedene Anwendungsprofile die optimale Nutzung von 5G in unterschiedlichen Einsatzfällen möglich.

Mit Enhanced Mobile Broadband (eMBB) werden Spitzendatenraten über 10 Gbit/s möglich. Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) unterstützt Latenzzeiten unter einer Millisekunde und bietet eine Verfügbarkeit von über 99,999 Prozent (das bedeutet auf zehn Jahre gerechnet gerade mal eine Stunde Stillstand). Mit Massive Machine-Type Communication (mMTC) lassen sich batteriebetriebene Geräte über zehn Jahre betreiben und bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer anbinden.

All diese Vorteile können Unternehmen nun auf dem eigenen Gelände in privaten 5G-Netzen nutzen, wenn sie dazu die passenden Lizenzen erwerben. Diese Campus-Netze schaffen Raum für die intelligente Fabrik der Zukunft. Die Skepsis, die mit der Nutzung eines Fremdnetzes einher gehen, fällt mit dem privaten Netz endgültig weg.

Was kostet 5G?

Seit dem 21. November 2019 können Frequenzen für lokale Anwendungen beantragt werden. Die Bundesnetzagentur stellt die Antragsformulare dazu auf ihrer Webseite bereit. Die Ausgaben setzen sich im Wesentlichen zusammen aus den einmaligen Kosten für die Frequenzzuteilung, den laufenden Frequenznutzungsbeiträgen sowie aus der Planung und dem Aufbau der Kommunikationsinfrastruktur, also der Anschaffung der notwendigen Hardware sowie den Kosten, die für Instandhaltung und Betrieb des 5G Netzes entstehen.

Dabei berechnet sich die einmalige Gebühr für die Frequenzzuteilung nach folgender Formel: Lizenzgebühr = 1.000 + B x t x 5 x (6 x a1 + a2)

In die Formel gehen ein: die beantragte Bandbreite (B – zwischen 10 und 100 MHz), der Zeitraum (t), für den die Frequenz beantragt wird, sowie die Fläche (a) in km2, auf der das private Netz genutzt werden soll. Zuteilungsgebiete auf Siedlungs- und Verkehrsflächen – in der Regel also die dicht besiedelten Gegenden und Industriegebiete – fallen unter a1 und werden mit dem Faktor 6 gewichtet; sonstige Flächen fallen unter a2.

Dadurch wird die Anschaffung zum Beispiel auch für Land- und Forstwirtschaft attraktiv. Konkreit bedeutet das: Wer in einer Siedlungs- und Verkehrsfläche etwa 100 MHz für fünf Jahre und eine Betriebsfläche von 0,5 km2 beantragt, zahlt dafür einmalig 8.500 Euro (1.000 + 100 x 5 x 5 x (6 x 0,5 + 0)).

Dazu kommen laufende Frequenznutzungsgebühren. Sie bestehen aus Frequenznutzungsbeiträgen gemäß dem §143 Absatz 1 TKG (Telekommunikationsgesetz) sowie Beiträgen gemäß §31 EMVG (Gesetz über elektromagnetische Verträglichkeit) und §35 FUAG (Gesetz über Bereitstellung von Funkanlagen auf dem Markt). Diese Gebühren werden rückwirkend auf ein Jahr erhoben und die Höhe wird nach den jeweils geltenden Frequenzschutzbeitragsverordnung bestimmt. Bislang gelten die Werte ähnlicher Nutzergruppen aus dem Vorjahr als Orientierungswert.

Außerdem kommen noch die Kosten für Planung, Anschaffung und Errichten der eigenen Kommunikationsinfrastruktur hinzu, die im Wesentlichen von der Größe des Campus sowie der jeweiligen Anwendung bestimmt werden. Wie beim Betrieb kabelgebundener Netzwerke müssen natürlich auch noch Kosten für Instandhaltung des Kommunikationsnetzwerkes eingeplant werden.

Was ist notwendig für die Errichtung von 5G-Netzen?

Bei der Planung privater Campus­Netze unterstützen entsprechende Planungsfirmen und Systemintegratoren. Sie klären unter anderem den realen Bedarf, helfen bei der Antragsstellung, sorgen dafür, dass das Netz den Vorgaben der Bundesnetzagentur gerecht wird, übernehmen den praktischen Aufbau. Das schwedische Unternehmen Ericsson, dessen Schwerpunkte auf Mobilfunktechnologie, Internet-, Multimedia- und Telekommunikation liegen, befasst sich bereits seit einiger Zeit mit dem Thema privater Campusnetzte auf 5G-Basis.

Um interessierte Unternehmen in vollem Umfang unterstützen zu können, hat Ericsson ein Partnerportal aufgebaut. Diese Partner helfen sowohl beim Aufbau der Kommunikationsinfrastruktur auf dem Firmengelände als auch bei der Umsetzung von 5G-Kommunikation für die einzelnen Maschinen und Anlagenteile. HMS beispielsweise ist zertifizierter Partner für Produkte zur Kommunikation im Bereich der Fabrikautomation. Um Maschinenbauern die Integration von 5G so einfach wie möglich zu machen, unterstützt das Unternehmen mit Beratung und mit den passenden Komponenten.

Die Anybus Wireless Router kombinieren hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit mit einer größeren Mobilität und einer niedrigeren Latenzzeit für drahtlose Netzwerke. Sie werden derzeit für LTE und WLAN angeboten, eine 5G-Variante ist in Planung. In der Proof-of-Concept-Phase ist momentan der HMS Wireless Bolt, ein Funk-Gateway für den direkten Maschinenzugriff via 4G/5G.

Gleiches gilt für Switches, mit denen sich Maschinen direkt ans 5G-Netz anbinden lassen. Auch Bridges für eine kabellose Profinet- und Profisafe-Nutzung über 5G sind in Arbeit. Interessant sind diese Lösungen sowohl für Unternehmen, die bestehende Anlagen fit für die Zukunft machen wollen, als auch, wenn beim Bau neuer Standorte auf zukunftsfähige Kommunikationstechnik gesetzt werden soll.

Welche Vorteile bringt 5G im praktischen Einsatz?

Als Anwendungsszenarien werden klassischerweise die Fabrikautomation genannt mit modularen, flexiblen Arbeitszellen oder fahrerlosen Transportsystemen. Aber viele andere Bereiche werden nicht zuletzt dank der Kostenstruktur für die Lizenzzuteilung von 5G profitieren.

Land- und Forstwirtschaft beispielsweise können nun auf moderne Technologien setzen, die bislang nicht nutzbar waren. Das gilt unter anderem für die Milcherzeugung und die Tierhaltung.

Im Ackerbau lassen sich im Zusammenhang mit Precision Farming jede Menge Informationen bei Aussaat und Ernte ermitteln, die Optimierung für den weiteren Anbau ermöglichen, zum Beispiel: Wo muss mehr Dünger ausgebracht werden, wo darf es weniger sein? Und auch der Einsatz autonomer Fahrzeuge wird damit möglich. Insgesamt bringen hier die privaten Campusnetze nicht nur Vorteile für die Landwirte, sondern auch für das Tierwohl und den Umweltschutz.

Weitere Einsatzbereiche finden sich in Containerhäfen. Auf riesigen Arealen werden große Mengen an Waren umgeschlagen. Die dabei anfallenden Daten übersteigen die Kapazität bisheriger kabelloser Kommunikationsnetze. Mit 5G wird nun eine zuverlässige, sichere, kabellose Kommunikation zwischen Kränen, Containern, Fahrzeugen und Mitarbeitern möglich. Ähnliches gilt für Flughäfen und die dort eingesetzten Vorfeldfahrzeuge.

Natürlich bietet auch die Prozessindustrie jede Menge Einsatzgebiete, man denke nur an die großen Betriebsgelände von Ölraffinerien oder Chemieparks. Sie profitieren davon, dass 5G ein durchgängiges Kommunikationsmedium sowohl für Indoor- als auch für Outdoor-Anwendungen ist.

Fazit

Grundsätzlich eignet sich 5G überall dort, wo viele Sensoren so große Mengen an Informationen liefern, dass sie sich bislang nicht kabellos übertragen ließen, man aber die Flexibilität kabelloser Kommunikation nutzen will. Sicher werden langfristig nicht alle Kabel aus der automatisierten Produktion verschwinden. Welche davon übrig blieben, ist letzten Endes auch eine Frage, die Unternehmen abhängig von ihrem Anwendungsfall klären müssen.

Bildergalerie

  • Die Anybus Wireless Router (im Bild oben) erleichtern Anlagen- und Maschinenbauern die Integration von 5G-Kommunikation. Der Anybus Bolt (im Bild unten) ist ein kompaktes Funkgateway in innovativer Bauform.

    Bild: HMS

  • Die Grafik veranschaulicht die Vorteile von 5G.

    Bild: HMS

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