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Produktionsanlagen mit hochzuverlässiger und echtzeitfähiger 5G-Kommunikation

5G-Mobilfunkstandard in der Industrie
5G bringt der Industrie neue Wertschöpfung

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Produktionsanlagen werden mit hochzuverlässiger und echtzeitfähiger Kommunikation arbeiten und umfassende Konnektivität unterstützen. Als nächster Level im Mobilfunkstandard eröffnet 5G zusätzliche Wertschöpfung. ❧ Nico Schröder

Nico Schröder

Bis 2025 sollen laut dem Report „Mobile Economy 2019“ der GSM Association rund 15 % des weltweiten Mobilfunks über den Standard 5G laufen. Immens seien die Chancen für die Industrie, meint Sander Rotmensen, Leiter des Produktmanagements für drahtlose Industriekommunikation bei Siemens: „Es handelt sich um ein Funknetz, das dank seiner Bandbreite vieles vereinen kann: vom automatisierten Regalsystem über Fertigungsroboter bis hin zu Klimaanlage und Steuerpult – ein allumfassendes Netz, über das sich eine Industrieanlage drahtlos lenken lässt.“

Die Erwartungen in Bezug aufs industrielle Potenzial und zusätzlicher Wertschöpfung der fünften Mobilfunkgeneration sind enorm und herausfordernd zugleich: Eine beispiellose Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit sowie die umfassende Konnektivität im industriellen Internet der Dinge (IIoT) des industriellen 5G sollen den Weg für richtungsweisende Anwendungen ebnen. Echtzeitfähige Kommunikation setzt dabei sehr niedrige Latenzzeiten voraus. Gemeint ist die konkrete Zeitspanne, in der eine individuelle Nutzeraktivität über ein mobiles Endgerät eine nachfolgende Reaktion, den sogenannten Ping, auf einem anderen Gerät auslöst.

Für die globale Standardisierung von Mobilfunknetzen, einschließlich der fünften Generation, ist eine weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien verantwortlich. Im sogenannten 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist auch die Vision für 5G geschaffen worden, die aus drei Hauptszenarien beziehungsweise Anwendungsprofilen besteht, die für Mobilfunknetze der neuen Generation vorgesehen sind:

Das erste Hauptszenario – enhanced Mobile Broadband (eMBB) – umfasst Verbesserungen gegenüber 4G. Hauptziel ist es, datengetriebene Anwendungsfälle, die hohe Datenraten bei globaler, weiträumiger Netzabdeckung erfordern, umzusetzen. In der Industrie sind so Augmented-Reality-Applikationen denkbar, um Ingenieure im Außendienst zu unterstützen. Die Rechenleistung kommt dabei direkt aus der Cloud.

Mindestens genauso wichtig ist es für die Industrie, dass mit 5G die Verfügbarkeit des mobilen Netzes (ultra-reliable) und dessen Latenzzeit (low-latency) wesentlich verbessert werden. Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) sorgt als zweites Anforderungsprofil für eine hohe Verlässlichkeit des Systems und verspricht Reaktionszeiten im unteren Millisekunden-Bereich. Relevant ist das etwa für die Bewegungssteuerung von Maschinen oder die Positionsbestimmung bei Robotern. Zu den typischen Beispielen können auch autonome Logistik, fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder Sicherheitsanwendungen gezählt werden.

Als drittes Anforderungsprofil und Szenario legt massive Machine-Type Communication (mMTC) seinen Fokus auf das Anschließen und Vernetzen einer großen Anzahl von Geräten auf kleinem Raum. Ermöglicht werden soll die Anbindung von bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer – deutlich mehr als bisher. Als ein weiterer Vorteil von 5G wird gesehen, dass die Funkkommunikation trotz besserer Leistungen weniger Energie benötigt wird und so Kosten sparen kann.

Industrie wartet auf Release 16

In der Praxis kommen Anwendungen für das industrielle Internet der Dinge infrage, bei denen typischerweise eine hohe Gerätedichte pro Flächeneinheit installiert werden muss. Die Geräte senden oder empfangen dabei kontinuierlich Daten in größeren Zeitabständen, sodass nur eine möglichst geringe Bandbreite beansprucht wird. Ein Anwendungsfeld könnte die Prozessindustrie sein, wo beispielsweise viele Sensoren für Temperatur, Druck oder Durchfluss installiert sind, um die Prozessüberwachung einer Anlage zu unterstützen.

Um die genannten Anforderungen aus den drei Hauptszenarien zu erfüllen, wurde eine Reihe von Merkmalen definiert, die auf dem Weg zu 5G zu erfüllen sind. Neben Spitzendatenraten von 20 Gbit/s Downlink und einer maximalen Latenz von 1 Millisekunde zählen dazu Vorgaben bezüglich Mobilität, Dichte, Energieeffizienz, Spektrumseffizenz und Flächenverkehrskapazität.

Damit die Zusagen wie auch die vorgegebene Zeitachse für den neuen Standard eingehalten werden können, wird 5G in mehrere Releases unterteilt: 2019 wurde Release 15 mit Fokus aufs eMBB-Szenario verabschiedet. Die Releases 16 und 17 werden die verbleibenden zwei Szenarien unterstützen und deutlich mehr Relevanz für industrielle Anwendungen haben. Eine der wichtigsten Variablen beim Aufbau eines 5G-Netzes ist die Unterscheidung zwischen öffentlichem und privatem Netz. Der Betrieb öffentlicher Netze wird mit dem erstmaligen Release von 5G abgedeckt, während private Netze mit URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) ein Teil des bevorstehenden Release 16 sein werden, dessen Start für Mitte 2020 geplant ist.

Das Mobilfunknetz, wie wir es heute kennen, ist öffentlich. Es wird von einem Mobilfunknetzbetreiber betrieben und alle Daten, die kommuniziert werden, fließen durch das Netz des Betreibers. Das stellt für den Nutzer ein Datenschutzrisiko dar, denn die Daten verlassen den Hoheitsbereich des Nutzers. Ein privates Netz wiederum ist vergleichbar mit einem WLAN-Netzwerk. Die Daten bleiben im Netzwerk und verlassen den privaten Bereich nicht. Somit sind die Daten besser geschützt.

Bei der Bereitstellung von 5G gibt es einen höheren Bedarf an Spektrum als bei den vorherigen Mobilfunkgenerationen. Das Spektrum ist Eigentum von Staaten. Nur ein Teil davon ist lizenzfrei und wird für sogenannte ISM-Bänder, also für industrielle Wissenschaft und Medizin genutzt. Für Mobilfunknetze aber werden die Frequenzen von Staaten an Mobilfunknetzbetreiber versteigert, da sie landesweite öffentliche Netze aufbauen. Solche öffentlichen Netze sind typischerweise auf den Anwendungsfall eMBB (enhanced Mobile Broadband) fokussiert, um Verbrauchern die größtmögliche Datenrate und Bandbreite zu liefern. Mitte Juni 2019 haben die vier Anbieter Telekom Deutschland, Telefonica Germany, Vodafone und Drillisch Netz insgesamt 420 MHz an Frequenzen für insgesamt 6,5 Mrd. Euro bei der Bundesnetzagentur (BNetzA) ersteigert.

Mit industriellem 5G kann das Netz für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Für verschiedene Industriezweige könnten URLLC und mMTC zum Beispiel vorteilhafter sein als eMBB. Bei einer privaten Bereitstellung kann der Endnutzer bestimmen, welche Parameter festgelegt werden. Und er kann das Netz in einer für die spezifische Anwendung optimalen Weise betreiben. Für solche privaten Netze muss der Industrie wiederum ausreichend Spektrum zur Verfügung stehen. In Deutschland hat die Bundesnetzagentur beschlossen, 100 MHz von 3,7 GHz bis 3,8 GHz für die lokale Nutzung in Industrieumgebungen zu reservieren.

Das gibt Unternehmen in Deutschland geeignete Möglichkeiten, Spektrum für einen jährlichen Beitrag zu mieten und innerhalb ihrer eigenen Betriebsstätten exklusiv zu nutzen sowie für einen optimalen Datenschutz zu sorgen.

Private 5G-Netze in der Industrie

Das erste eigenständige und private 5G-Netz in einer realen industriellen Umgebung im 3,7–3,8-GHz-Frequenzband haben nach eigenen Angaben Siemens und Qualcomm Technologies implementiert. Dazu hat Siemens die realen industriellen Testbedingungen und Endgeräte wie Simatic-Steuerungen und IO-Devices zur Verfügung gestellt. Qualcomm Technologies hat das 5G-Testnetz sowie die dazugehörigen Testgeräte gestellt. Installiert wurde das 5G-Netz im Automotive-Showroom und Testcenter von Siemens in Nürnberg, wo fahrerlose Transportsysteme (FTS) gezeigt werden, die vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Es sollen neue Fertigungsmöglichkeiten und -methoden mitentwickelt, getestet und präsentiert werden, bevor sie beim Kunden zum Einsatz kommen. So sollen Kunden wie AGV-Hersteller die Möglichkeit bekommen, das Zusammenspiel der Produkte live zu erleben. „Industrial 5G öffnet die Tür zur umfassenden drahtlosen Vernetzung von Produktion, Instandhaltung und Logistik. Hohe Datenraten, ultrazuverlässige Übertragung und ultrakurze Latenzzeiten werden eine erhebliche Effizienzsteigerung und Flexibilisierung in der industriellen Wertschöpfung ermöglichen“, sagt Eckard Eberle, CEO der Siemens-Business-Unit Process Automation. Enrico Salvatori, Senior Vice President & President bei Qualcomm Europe, sagt: „Dieses Projekt erschließt uns wichtige Erkenntnisse aus der realen Welt, die beide Unternehmen in zukünftigen Anwendungen einsetzen können, und ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg der 5G-Technik in die Industrieautomatisierung.“

Das größte industrielle 5G-Forschungsnetz Europas wollen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und der schwedische Mobilfunknetzausrüster Ericsson mit dem sogenannten 5G-Industry-Campus Europe auflegen. Ziel sei es, mit Unternehmen und Forschungspartnern Einsatzgebiete der neuen Mobilfunktechnologie 5G innerhalb der Produktion zu erproben. Dabei arbeitet das Fraunhofer IPT seit Dezember, und für insgesamt drei Jahre, mit dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL) und dem Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR) der RWTH Aachen zusammen.

Auf dem 5G-Campus wollen die Projektpartner in sieben Teilprojekten unterschiedliche Anwendungsszenarien – von 5G-Sensorik für die Überwachung und Steuerung hochkomplexer Fertigungsprozesse über mobile Robotik und Logistik bis hin zu standortübergreifenden Produktionsketten – untersuchen. Außerdem möchten die Aachener Wissenschaftler den Einsatz moderner Edge-Cloud-Systeme zur schnellen Verarbeitung von Daten testen, um die Potenziale von 5G in der vernetzten und adaptiven Produktion auszuschöpfen.


Forum 5G Industrie-Summit

Was kommt mit 5G auf produzierende Unternehmen zu? Ergeben eigene Campus-Netze Sinn und wer sollte sie betreiben? Welche künftigen Geschäftsmodelle entstehen durch 5G? Diese und weitere Fragen beantworten hochkarätige Referenten auf dem „Forum 5G – Industrie-Summit“. Zu den Vortragenden gehören unter anderem Prof. Thomas Bergs vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT sowie Dirk Kretzschmar von TÜV Informationstechnik.

Termin: 19. bis 20. Februar 2020

Preis: 349 € (bis 31. Januar), dann 499 €

Ort: Technology Academy, Messegelände Hannover

Mehr Informationen unter

http://hier.pro/QS8w9


Nico Schröder,Korrespondent Industrieanzeiger

Mit allen reden

Eine der großen Chancen des industriellen 5G besteht darin, einen neuen Konvergenzlayer zu definieren und dafür zu sorgen, „mit allen reden“ zu können. Gemeint ist eine horizontale und vertikale Kommunikation, also Vernetzung und Kommunikation über Geräte einer Ebene hinaus – wirklich vom Feldbus bis in die Cloud und zurück, um dem aktuellen Dilemma der heterogenen Kommunikationslandschaft in der Produktion zu begegnen.

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