Fabrikvernetzung

5G als Lizenz zur Automatisierung und Virtualisierung

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5G ist mehr als der Mobilfunk-Nachfolger von LTE: Ab 2019 können Unternehmen eigene 5G-Netzwerke aufbauen und damit die Automatisierung in der smarten Fabrik vorantreiben. Firmen wie Audi und Bosch interessieren sich bereits für entsprechende Lizenzen.

❧ Sabine Koll

Die Freude Mitte Juli war groß: Die Bundesnetzagentur, oberste deutsche Hüterin über die Frequenznutzung in Netzwerken, hat in einer öffentlichen mündlichen Anhörung bekräftigt, dass Funkfrequenzen für die neue Mobilfunkgeneration 5G nicht nur wie üblich bundesweit versteigert werden. Vielmehr wird es für Unternehmen erstmals möglich sein, an Produktionsstandorten eigene, lokal begrenzte 5G-Industrienetze im Bereich von 3700 bis 3800 MHz zur Kommunikation zwischen Maschinen, Systemen und Anlagen zu betreiben. Ein relativ einfacher Nutzungsantrag soll in der Zukunft ausreichen, um an eine Lizenz zu kommen.

Durch die Entscheidung für lokale Frequenzen „ist gewährleistet, dass industrielle Betreiber über den Zeitpunkt des Ausbaus und die Qualität des 5G-Netzes entscheiden sowie Verfügbarkeit, Vertraulichkeit und Integrität ihrer Daten wahren“, freuen sich die vier Industrieverbände VCI, VDA, VDMA und ZVEI in einer gemeinsamen Stellungnahme. Die 5. Mobilfunkgeneration biete damit die Grundlage, Industrie 4.0 auf die nächste Entwicklungsstufe zu heben und die Zukunftsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland zu sichern, so die Verbände.

Auch regionale Frequenzen kann es mit 5G erstmals geben. Das heißt, regionale Anbieter können eigene 5G-Hotspots in Gewerbegebieten aufbauen, an die sich dort ansässige Unternehmen anschließen können.

Diese Entwicklung bedeutet einen Paradigmenwechsel für produzierende Unternehmen. „5G ist für mich der Treiber für Industrie 4.0: Industrieanlagen, Maschinen und Roboter müssen zunehmend mobil sein – und das funktioniert nur mit drahtloser Kommunikations- und Regelungstechnik. Die Datenraten sind gar nicht der wesentliche Fortschritt in diesem Kontext, sondern Latenz und Resilienz, also Reaktionszeiten und Zuverlässigkeit“, betont Professor Frank Fitzek, der die Deutsche Telekom-Professur für Kommunikationsnetze an der TU Dresden innehat und dort auch Co-Koordinator des 5G Lab Germany ist. Am 5G Lab Germany forschen seit 2014 mehr als 600 Experten mit zehn Industriepartnern am Mobilfunk von morgen.

5G-Funknetze können Fabriken flexibilisieren

„Die meisten Produktionseinrichtungen bei uns Automobilherstellern sind derzeit in starren Linien organisiert. Unsere Fabriken müssen künftig flexibler und agiler werden, um Fahrzeuganläufe zu beschleunigen und um Umrüstzeiten zu minimieren. Da bietet sich 5G mit dem neuen Spektrum an Möglichkeiten an“, bestätigt Arjen Kreis, Automatisierungstechnik Karosseriebau, Standards bei Audi in Neckarsulm. Dazu gehören für ihn zum einen im Vergleich zur heutigen Mobilfunkgeneration deutliche Steigerungen im Hinblick Bandbreite, Latenz und Verfügbarkeit. „Genauso wichtig ist für uns aber, dass mit 5G eine neue Netzwerkphilosophie für die Fabrik ermöglicht wird, die Netzwerktransport – drahtlose und drahtgebundene Technologien gleichermaßen – und IT miteinander verknüpft“, so Kreis. „Man denke nur einmal an den virtuellen Zwilling von Produkten und Produktionsmitteln, die über 5G überall kabellos verfügbar sein können. 5G kann damit dynamischere Konfigurationen ermöglichen.“ Audi gehört neben weiteren Automobilherstellern wie Daimler und Volkwagen und anderen Großunternehmen wie Bosch, BASF und Siemens zu den ZVEI-Mitgliedern, die sich für lokale oder regionale Lizenzen interessieren. „Industrie 4.0 stellt neue Forderungen an die Vernetzung in der Fabrik: 5G-Technologie muss es erlauben, die flexible Produktion zu unterstützen. Etablierte Funksysteme wie Industrial Wireless LAN und Industrial Bluetooth erfüllen momentan nicht alle neuen Anforderungen“, bestätigt Siegfried Richter aus der Process Industries and Drives Division von Siemens.

Und Dr. Andreas Müller vom Corporate Sector Research and Advance Engineering bei Robert Bosch, ergänzt: „5G wird eine hochleistungsfähige und effiziente Vernetzung verschiedenster Endgeräte ermöglichen und damit Grundlage für ein bis dato nicht gekanntes Maß an Flexibilität, Wandelbarkeit und Mobilität sein.“ Er nennt als Beispiele Anwendungsfälle wie die Vernetzung mobiler Roboter oder fahrerloser Transportsysteme: „Hier scheiden sowohl drahtgebundene Technologien als auch existierende drahtlose Systeme mit vergleichsweise geringer Datenrate und unzureichender Zuverlässigkeit oftmals aus.“

Große Vorteile durch 5G auf Steuerungsebene

5G hat nach Aussagen der Experten auch große Vorteile hinsichtlich der Steuerungsebene: „Für klassische Anwendungen in der Fertigungsautomatisierung – zum Beispiel zur Anbindung von rotierenden oder sich bewegenden Teilen, bis hin zur virtualisierten Steuerung in der (Edge) Cloud – wird 5G Riesenvorteile bringen – etwa durch das so genannte Network Slicing“, erklärt Müller. Network Slicing bedeutet, dass Unternehmen auf der Basis einer einzigen physikalischen Vernetzungsinfrastruktur eine Vielzahl logischer Netzwerke mit applikationsspezifischen und kundenindividuellen Leistungsparametern und Sicherheitseigenschaften als virtuell unabhängige Instanzen betreiben können. „Network Slicing kann bereits in den Engineering-Prozess von Produktionsmitteln integriert werden und damit auch Reengineering-Prozesse bestehender Anlagen erleichtern“, so Müller weiter. „Im Idealfall teilt eine Anwendung der Vernetzungsinfrastruktur mit, welche Anforderungen sie an diese hat und das Netzwerk generiert daraufhin automatisiert ein entsprechendes Network Slice. Dies ist ein wesentlicher Punkt, um die Industrie-4.0-Anforderungen in Hinblick auf Flexibilität und Agilität zu unterstützen.“

„5G ist gerade durch das Network Slicing eine disruptive Technologie für die Fabrik: Wir ermöglichen damit die durchgängige Virtualisierung in der Fabrik. Wir sehen sozusagen eine Softwarerisierung aller Elemente, dies betrifft das komplette Netzwerk. Dies haben wir in der Form heute nicht“, bestätigt Professor Fitzek.

„Durch eine leistungsfähige drahtlose Vernetzung, Edge-Computing und Network Slicing können ganz neue Automatisierungsstrukturen entstehen“, sagt auch Müller. „Aus der klassischen Hardware-Steuerung in einem mobilen Roboter wird beispielsweise ein Stück Software, das hocheffizient und skalierbar in einer lokalen Edge Cloud ausgeführt werden kann. Dies erleichtert zudem die Wartung und die Kontrolle über die Maschine hinsichtlich Security.“

Auch für Bernd Kärcher, Head of Advanced Mechatronic Concepts bei Festo, ist das Besondere an 5G, „dass es weit mehr sein wird als eine neue Funktechnologie, sondern das intelligente Netzwerk der Fabrik einschließlich Edge Computing und Network Slicing.“ Heute habe man eine klassische Trennung zwischen Cloud-Diensten und dem Netzwerk selbst, das einfach nur Daten verwaltet weiterleitet. „Morgen werden wir mit 5G ein Netz haben, das gemäß der aktuellen Anforderungen konfiguriert wird. Die Möglichkeiten für die Fabrikautomation sind immens groß“, so Kärcher. Im Umkehrschluss heißt dies laut Kärcher aber auch, dass 5G von der Komplexität her ein Quantensprung wird.

5G passt sich wie ein Chamäleon flexibel den Gegebenheiten in der Fabrik an

Professor Fitzek von der TU Dresden mahnt da zu einer differenzierten Sicht: „Die Komplexität für die Betreiber steigt, das stimmt. Aber für die Anwender in der Fabrik wird es durch 5G einfacher. Dies gilt auch für die Anbindung bestehender Maschinen und Anlagen: Dadurch, dass quasi alles in Software gegossen ist, lässt sich auch die Software alter Maschinen und Anlagen anpassen. 5G ist nicht dezidiert für eine Technologie spezifiziert, sondern passt sich wie ein Chamäleon flexibel den Gegebenheiten in der Fabrik an.“

Audi hat in Gaimersheim bei Ingolstadt begonnen, gemeinsam mit Netzwerkausrüster Ericsson ein Testfeld mit einer 5G-Funkzelle aufzubauen. Darin stellen die Partner eine besonders latenzkritische Anwendung in den Mittelpunkt der Erprobung, nämlich eine kabellose Interaktion zwischen einem Industrieroboter und einer Klebeapplikation – ein automatisierter Prozess, der in einer Automobilproduktion an der Tagesordnung ist. Das hierzu genutzte Proof-of-Concept-Netz (PoC) von Ericsson ist darauf ausgelegt, alternative oder ergänzende Technologien zu den momentan verwendeten – wie zum Beispiel WLAN oder auch kabelbasierte Ethernet-Anbindungen von Produktionskomponenten – einzubinden.

Das Beispiel Audi zeigt: Auch wenn Industrieunternehmen selbst Betreiber von lokalen 5G-Netzen werden, werden sie wohl kaum den Aufbau der Infrastruktur selbst in die Hand nehmen, sondern sich Netzwerkexperten wie Cisco, Ericsson oder Nokia ins Boot holen. „Für uns als Netzwerkausrüster eröffnet sich durch 5G ein neues Geschäftsfeld für industrielle Netzwerke“, bestätigt Dr. Michael Meyer, im Bereich Radio Network Architecture and Protocols bei Ericsson Research tätig. „Wir wissen aber aus Erfahrung, dass die Komponenten nicht den größten Kostenanteil darstellen, sondern der Netzbetrieb – und dies in einer Fabrik, die sich ständig verändert. Hier müssen sich Konfigurationen einfach und schnell ändern lassen. Doch wir werden natürlich darauf achten, dass die Planung etwa durch digitale Zwillinge erleichtert wird. Dadurch lässt sich das Netzwerk letztlich zu vernünftigen Kosten betreiben.“

Bernd Kärcher, Festo, geht davon aus, dass der Netzwerkbetrieb eine große Herausforderung für jedes Unternehmen sein wird: „5G ist ein Netz, was verwaltet und ständig optimiert werden muss – etwa im Hinblick auf Blockchain und Machine Learning. Das sind Optimierungsschritte, die nach meiner Meinung von Experten vorgenommen werden müssen. Das kann nicht mal eben jeder selbst machen.“ Automatisierungsexperte Festo evaluiert gegenwärtig gemeinsam mit dem chinesischen Telekommunikationsausrüster Huawei, ob sich die 5G-Technik für das neue Geschäftsmodell Robotik as a Service eignet.

Kabel wird es in der Fabrik nach wie vor geben

Aber wird denn in der Fabrik der Zukunft alles über 5G vernetzt sein? „Kabel wird es auch in Zukunft geben, das ist keine Frage, auch in der smarten Fabrik wird man nicht alle Produktionsmittel von einem Ort zum anderen bewegen“, stellt Audi-Experte Kreis klar. „5G würde ich aufgrund der Komplexität im Betrieb nur dort einsetzen, wo es einen sinnvollen Use Case gibt. Das sind meines Erachtens fahrerlose Transportsysteme oder mobile Roboter, die im Prinzip zum Einsatz kommen, wo sie gebraucht werden. Für diese Anwendungsfälle brauche ich eine Kommunikation, die sehr sicher und stabil ist sowie in Echtzeit zur Verfügung steht.“

Auch Siemens-Manager Richter hält dies für unwahrscheinlich: „Im Großen und Ganzen wird 5G im statischen Produktionsumfeld kabelgebundene Technologien nicht ersetzen, sondern ergänzen. Denn warum sollte ich die knappe Ressource Funk damit belasten, wenn ich eine Maschine mit einem Kabel anschließen kann?“, fragt er. Das gleiche gelte für die Sensorik: „Hunderte Sensoren mit Batterien zu haben, die ich alle paar Jahre auswechseln muss, ist nicht zielführend. Sensorik, die flexibel eingesetzt und oft umgebaut werden muss, wird man möglichst Richtung Drahtlos-Technologie bringen. Auch werden sicher in Zukunft mehr Drahtlos-Sensoren an beweglichen Maschinenteilen zum Einsatz kommen – die ihre Daten per 5G übertragen.“

Was raten die Experten Unternehmen, die an das Thema 5G in ihrer Fabrik angehen wollen? Müller, der die „5G Alliance for Connected Industries and Automation“ (5G-ACIA) des ZVEI leitet, mahnt: „Man sollte auf keinen Fall bis 2020 warten: Jeder sollte für sich überlegen, welche Auswirkungen 5G auf seine Fertigung oder Produkte haben kann.“

Auch Ericsson-Manager Meyer empfiehlt, das Thema frühzeitig anzugehen – auch wenn man auf Produkte für die neue Luftfunkschnittstelle noch etwas warten müsse: „Aber die Änderungen, die tiefer im Netzwerk geschehen, also die Softwarerisierung und die Verschmelzung der Cloud mit dem Netzwerk, passieren schon heute. Network-Slicing ist als Technologie schon jetzt verfügbar.“


5G – der aktuelle Status

Die erste Version des 5G Standards für den sogenannten 5G-Standalone-Standard wurde im Juni fertiggestellt. Somit liegen nun Spezifikationen vor, mit denen 5G-Netze unabhängig von existierenden 4G-Netzen aufgebaut werden können. Vollständig spezifiziert ist das Kernnetz der nächsten Generation für die Implementierung für Kommunikations- und Industrieanwendungen. Die zweite Version, die zum Ziel hat alle 5G Anforderungen abzudecken, ist für Ende 2019 geplant.

Entsprechende Produkte stehen jeweils im Folgejahr für erste Anwendungen zur Verfügung stehen. Im Fokus stehen dabei:

  • Verbesserte mobile Breitband-Verbindungen mit Übertragungsgeschwindigkeiten von mehr als 10 Gbit/s in der Spitze
  • Kommunikation mit einer Zuverlässigkeit von mehr als 99,999 % mit niedrigen Latenzzeiten von 1 ms
  • Massive Machine-Type-Communication mit einer Batterie-Lebensdauer von zehn Jahren und mit mehr als einer Million vernetzter Geräte auf 1 km2
  • Dabei gilt allerdings, dass nicht alle Kennzahlen gleichzeitig erreicht werden können.
  • Schlüsseltechnologien von 5G sind leistungsfähige, flexible Luftschnittstellen einschließlich höherer Frequenzen wie zum Beispiel 26 GHz, Edge Computing, Network Slicing und integrierter Lokalisierung mit einer Genauigkeit von weniger als 1 m.

Initiative für 5G in der Industrie

Der ZVEI hat Anfang 2018 die „5G Alliance for Connected Industries and Automation“ (5G-ACIA) gegründet. „Unser Ziel ist, alle Stakeholder an einen Tisch zu bringen, um 5G-Technologien und 5G-Netzwerke für Industrie 4.0 zum Erfolg zu machen“, sagt Dr. Andreas Müller, Vorsitzender der 5G-ACIA. Im Boot sind derzeit neben den klassischen Automatisierern Netzwerkausrüster, Netzbetreiber, Halbleiterhersteller sowie akademische Vertreter und Verbände, Politik etc. Derzeit hat sie 34 Mitglieder aus aller Welt. „5G wird ein globaler Standard. Daher ist es wichtig, auch in der 5G-ACIA alle relevanten Stakeholder weltweit zu vereinen“, so Müller. Die Initiative ist für weitere Mitglieder offen. Aktuell gibt es fünf Arbeitsgruppen:

  • Use Cases & Requirements
  • Spectrum & Operator Models
  • Architecture & Technology
  • Liaisons & Dissemination
  • Validation & Test

Chance auf Breitband-Internet für KMU

Eine Reihe von Großunternehmen hat Interesse an lokalen 5G-Frequenzen zum Aufbau privater Netze in Fabriken. Dass es solche lokalen Frequenzen nicht umsonst gibt, ist klar. Doch Preise dafür stehen noch nicht fest. Für kleinere und mittlere Unternehmen ist dieser Schuh indes zu groß. Für sie gibt es aber die Chance, sich an Provider mit regionalen Lizenzen zu wenden, die Breitband-Internet etwa für Gewerbegebiete bereitstellen können.

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