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Mobilfunkstandard 5G ist Türöffner für Industrie 4.0

Meilenstein bei der Standardisierung mobiler Dienste
Mobilfunkstandard 5G ist Türöffner für Industrie 4.0

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Im Sommer vergangenen Jahres konnten sich Unternehmen bei der Bundesnetzagentur um private 5G-Lizenzen bewerben. Einige haben bereits einen Zuschlag für diese sogenannten Campusnetze erhalten und arbeiten an deren Implementierung. Welche Vorteile hat 5G und wann ist die Technologie wirklich praxistauglich? Wir nehmen das Thema unter die Lupe.

Der Standard Industrial 5G wird Unternehmen zum ersten Mal in die Lage versetzen, wirklich leistungsfähige Wireless-Netzwerke in der Produktion aufzubauen. Das betonte Eckhard Eberle, CEO Process Automation bei Siemens, auf der Pressekonferenz zur Hannover Messe. Das Unternehmen ist bei der Entwicklung 5G-fähiger Geräte und der Erprobung der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ganz vorne mit dabei. Im Herbst 2019 haben Siemens und Qualcomm Technologies Inc. das erste eigenständige private 5G-Netz in einer realen industriellen Umgebung in Deutschland implementiert. Siemens stellt die realen industriellen Testbedingungen und Endgeräte wie Simatic-Steuerungen und IO-Devices zur Verfügung und Qualcomm Technologies liefert das 5G-Testnetz sowie die dazugehörigen Testgeräte. Das 5G-Netz wurde im Automotive Showroom und Testcenter von Siemens in Nürnberg installiert. Hier werden fahrerlose Transportsysteme gezeigt, die vor allem in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. 5G wird aber auch in allen anderen Industriebereichen über kurz oder lang Einzug halten.

Neben Siemens haben sich 2019 auch Bosch, Rittal und die BASF für das Campusnetz beworben. Der Chemiekonzern BASF bekam wie viele weitere Unternehmen den Zuschlag für die lokale Frequenz am Standort Ludwigshafen und testet nun erste Anwendungen. Rittal hat ebenfalls als eines der ersten Industrieunternehmen die 5G-Frequenzzuteilung erhalten. Der Spezialist für den Schaltschrankbau möchte noch in 2020 ein privates 5G-Mobilfunknetz im neuen Werk in Haiger installieren. Das Netz soll in einer realen Produktionsumgebung schnellstmöglich in Betrieb genommen werden. Rittal verspricht sich von der neuen Funktechnologie einen deutlich beschleunigten Datenverkehr.

Verschiedenste individuelle Netze möglich

Mit 5G lassen sich sehr breitbandige Netze mit hohen Datenraten genauso realisieren wie sehr schnelle Netze mit Fokus auf extrem kurze Antwortzeiten (Latenz) oder hohe Zuverlässigkeit. Damit hat der neue Standard erstmals das Potenzial, die zahlreichen Wireless-Feldbussysteme abzulösen und so einen einheitlichen Standard bereitzustellen, der die vielschichtigen Produktlösungen zukünftig weitgehend ersetzen könnte. Im Gegensatz zur aktuellen 4G-Netzinfrastruktur LTE lassen sich unterschiedliche Anforderungen und Leistungsprofile realisieren, d. h. es werden unterschiedliche Flächenabdeckung und Gebiete zur Verfügung stehen. Insbesondere verspricht 5G die Integration individueller Spezialnetze, die zwar auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur betrieben werden, aber jeweils den unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden können. So lassen sich drei Grundtypen unterscheiden:

  • ultraschnelles mobiles Breitband mit Datenübertragungsraten, die im Bereich von bis zu 10 GB/s oder mehr liegen können
  • sehr zuverlässige Kommunikation für Echtzeitanwendungen wie das autonome Fahren mit kurzen Antwortzeiten im Bereich von 1 ms
  • Datenkommunikation mit vielen Teilnehmern, z. B. zwischen Maschinen oder Geräten (sog. M2M), um ein Internet der Dinge mit großer räumlicher Verbreitung verbinden können

Je nach Anforderung können die Datenmengen klein sein, aber viele Teilnehmer verbinden oder auch große Bandbreiten mit weniger Teilnehmern erlauben. Entsprechend lassen sich auch die Anforderungen an Übertragungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit unter Verzicht auf andere Eigenschaften anpassen.

Eine Reihe von technischen Neuerungen steht bei 5G zur Verfügung:

  • Mithilfe des sogenannten Network Slicing lässt sich eine zugesicherte Datenkapazität oder eine bestimmte Reaktionszeit realisieren. Ein Netzwerkbetreiber kann gemeinsam physikalische Infrastrukturen mehrerer virtueller Netze unterschiedlicher Eigenschaften verwalten und betreiben.
  • Das Beamforming erlaubt eine präzise Ausrichtung der Signale in Richtung der Geräte, sodass sich der Energiebedarf im Sender deutlich verringert und es zudem zu weniger Störungen kommt. Zudem können Daten gleichzeitig an mehrere mobile Geräte im gleichen Frequenzbereich, aber an unterschiedlichen Standorten übertragen werden. Aufgrund dieser Strahlfokussierung kommt es zu geringeren Streuungen, die zudem die Effizienz der Übertragung erhöhen.
  • Auch ist zukünftig der Einsatz sogenannter Small Cells möglich, die ein klassisches Mobilfunknetz verdichten können und quasi als Hotspots in Bereichen mit hoher Nachfrage zusätzliche Kapazität bereitstellen. So lassen sich höhere Nutzerdichten ermöglichen. Dadurch wird zudem die notwendige Sendeleistung verringert, sodass die Akkus mobiler Endgeräte weniger belastet werden.
  • Durch den Einsatz von Mehrfachantennensystemen (Massive Multiple Input Multiple Output – Massive MIMO) können sowohl die Datenraten als auch die Zuverlässigkeit der Übertragung erhöht werden. (Quelle: Whitepaper 5G in der Automatisierungstechnik, Prof. Dr. Dr. h.c. Michael Weyrich, Universität Stuttgart)

Frequenzen für Campusnetzwerke

Neben dem Frequenzspspektrum, das für landesweite Mobilfunkdienste genutzt werden soll, hat die Bundesnetzagentur auch insgesamt 100 MHz zwischen 3,7 und 3,8 GHz für lokale Anwendungen reserviert. Damit sollen zum Beispiel Industriebetriebe sogenannte 5G-Campus-Netzwerke für ihre Standorte aufbauen und nutzen können. Die Unternehmen können das lokale Netz passgenau auf die oftmals sehr anspruchsvollen industriellen Anwendungen ausrichten. Zudem haben die Fabrikbetreiber sämtliche Sicherheitsaspekte in der eigenen Hand. Ist beispielsweise das öffentliche Netz überlastet, bleibt bei lokalen 5G-Netzen dennoch der operative Betrieb gewahrt und die Kontrolle über das Gesamtsystem bestehen. Einer der Vorteile von 5G ist die deutlich größere Bandbreite, durch die sehr viel mehr Daten gleichzeitig verschickt werden können als bisher. Zudem wird 5G eine wesentlich niedrigere Latenz und höhere Zuverlässigkeit bieten. Auch die Anzahl der Teilnehmer, die auf einer bestimmten Fläche angebunden werden können, wird deutlich höher sein. Trotz der Vielzahl an potenziellen Vorteilen von 5G darf jedoch nicht vergessen werden, dass nicht alle Funktionen gleich von Anfang an verfügbar sind und dass sie sich in den meisten Fällen nicht kombinieren lassen.

Vision mit drei Hauptszenarien

Für die globale Standardisierung von Mobilfunknetzen einschließlich der fünften Generation ist das sogenannte „3rd Generation Partnership Project (3GPP)“ verantwortlich. Hier wurde in einer frühen Phase der Entwicklung des neuesten Standards eine Vision für 5G geschaffen. Diese besteht aus drei Hauptszenarien oder auch Anwendungsprofilen, die für Mobilfunknetze der fünften Generation vorgesehen sind. Das erste Hauptszenario – enhanced Mobile Broadband (eMBB) – umfasst Verbesserungen gegenüber 4G. Hauptziel ist die Realisierung datengetriebener Anwendungsfälle, die hohe Datenraten bei globaler, weiträumiger Netzabdeckung erfordern. Ein typisches Beispiel ist der wachsende Bedarf für HD-Streaming von Musik und Videos auf mobilen Geräten wie Smartphones in hoher Qualität. In der Industrie wären Augmented-Reality-Applikationen denkbar, um Ingenieure im Außendienst zu unterstützen.

Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) beinhaltet als zweites Anwendungsprofil hohe Zuverlässigkeit und geringe Latenz für anspruchsvolle industrielle Anwendungen. Zu den typischen Beispielen gehören unter anderem mobile Roboter, autonome Logistik, fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder auc Sicherheitsanwendungen. Massive Machine-Type Communication (mMTC) legt als drittes Szenario den Schwerpunkt auf das Anschließen einer großen Anzahl von Geräten auf kleinem Raum. In der Praxis handelt es sich beispielsweise um Anwendungen für das Industrielle Internet der Dinge (lloT), wobei typischerweise eine hohe Gerätedichte pro Flächeneinheit installiert wird. Die Geräte senden oder empfangen dabei kontinuierlich Daten in größeren Zeitabständen, sodass nur eine möglichst geringe Bandbreite beansprucht wird. Ein weiteres Beispiel könnte die Prozessindustrie sein, wo viele Sensoren (z. B. für Temperatur, Druck, Durchfluss) installiert sind, um die Überwachung der Prozesse in einer Anlage zu unterstützen. (Quelle: Siemens)

Unterschiedliche Releases

Um die genannten Anforderungen aus den drei Hauptszenarien zu erfüllen, wurde eine Reihe von Merkmalen für 5G definiert, die es zu erfüllen gilt. Dazu zählen neben Spitzendatenraten von 20 Gbit/s Downlink und einer maximalen Latenz von 1 ms auch Vorgaben bezüglich Mobilität, Dichte, Energieeffizienz, Spektrumeffizenz 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 verabschiedet, mit Fokus auf dem Szenario eMBB (enhanced Mobile Broadband). Die Releases 16 und 17 werden die verbleibenden zwei Szenarien unterstützen und mehr Relevanz für industrielle Anwendungen haben. Eine der wichtigsten Variablen beim Aufbau eines 5G-Netzes ist das Thema „öffentliches vs. privates 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. Mit Release 17 folgt eine Ausbaustufe dessen mit erneut erweitertem Funktionsumfang, etwa bei IoT, Multi-SIM und MIMO, dessen Spezifikationen Ende 2021 fixiert werden sollen. (Quelle: Siemens)

Der neue Mobilfunkstandard 5G verspricht viele Einsatzmöglichkeiten in der horizontalen und vertikalen Vernetzung in den Industrie-4.0-Anwendungen der Zukunft. Auch die Hannover Messe, die in diesem Jahr außer der Reihe vom 13. bis 17. Juli stattfinden wird, widmet dem Thema 5G besondere Aufmerksamkeit. Die 5G-Arena in Halle 3 und das 5G-Forum zeigen die Technik und relevanten Dienstleistungen, aber auch die derzeitigen Herausforderungen, um die Produktion der Zukunft aufzubauen.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: 5G


Carsten Röttchen, Technischer Geschäftsführer von Rittal

Statement

Da wir nach ersten Teststellungen die 5G-Mobilfunktechnik in produktionskritische und steuerungsrelevante Aufgaben integrieren können, erwarten wir eine weitere Optimierung von Produktionsabläufen in unserem Werk. Die Potenziale liegen in hohen Bandbreiten, niedrigen Latenzzeiten, Echtzeitfähigkeit und verbesserter Verfügbarkeit.


Prof. Dr. Dr. h. c. Michael Weyrich, Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme, Universität Stuttgart

Statement

„Es ist davon auszugehen dass die 5G-Technologie einen Meilenstein bei der Standardisierung mobiler Dienste setzt. 5G hat erstmals das Potenzial, die zahlreichen Wireless-Feldbussysteme abzulösen und so einen einheitlichen Standard bereitzustellen, der die vielschichtigen Produktlösungen zukünftig weitgehend ersetzen könnte.“


Daniela Held

Redakteurin


Sander Rotmensen ist Leiter des Produktmanagements für Industrielle Wireless & Security Komponenten bei der Siemens AG in Nürnberg
Bild: Siemens

Nachgefragt:   Erste Geräte in einem Jahr

Welche Siemens-Geräte für die Produktionssteuerung und Automatisierung sind aktuell bereits „5G-fähig“?

Sander Rotmensen: Die ersten industriellen Geräte für die Anbindung in Public-5G-Netzwerken sind in etwa einem Jahr zu erwarten, allerdings unterstützen diese dann die Release 15 Features und nicht die Features von Release 16 (hauptsächlich URLLC). In drei bis vier Jahren ist dann damit zu rechnen, dass sich private Industrial-5G-Netze aufbauen lassen nach Release 16, welche dann auch die harten Anforderungen von Industrial IoT beherrschen.

Das Release 16 des 5G-Standards wird für Mitte 2020 erwartet. Steht Siemens schon mit passender neuer Technologie in den Startlöchern?

Rotmensen: Ein fertiger Standard besteht erst mal aus einer Beschreibung der Inhalte. Dann müssen als nächstes Bauteile verfügbar sein, die die Entwicklung von industrieller Hardware nach dem entsprechenden Standard (Release) ermöglichen.

Werden alle „5G-fähigen“ Geräte zunächst im Testcenter in Nürnberg erprobt oder stehen weitere Kooperationen, beispielweise mit BASF, im Raum?

Rotmensen: Siemens testet neue Produkte erstmal im eigenen Haus, allerdings sind wir offen für passende Kooperationen um die Entwicklungen neuer Produkte voranzutreiben.

Wie wird gewährleistet, dass das Campusnetz nicht über die Standortgrenze hinaus genutzt werden kann?

Rotmensen: Von der BNetzA gibt es dazu eine Empfehlung in der Form von einem Signalgrenzwert an der Standortgrenze.
Im Wesentlichen lässt sich das durch eine entsprechende Ausleuchtung vom Gelände umsetzen.

Welche Maßnahmen sichern ein 5G-Netz vor Hackerangriffen?

Rotmensen: 5G ist sicherer als die vorherigen Mobilfunktechnologien (2G, 3G, 4G/LTE). Die Gerätidentifikationsdaten sind bei 5G verschlüsselt. Zusätzlich wurde eine gemeinsame Authentizierung zwischen Userequipment und der Netzwerkinfrastruktur implementiert (5G AKA). On top gibt’s dann noch eine mögliche sekundäre Authentizierung auf Applikationslevel.

Auch private 5G-Netze bieten höhere Datensicherheit als Public-Netze, da die Daten erstmal on-site verbleiben. Der Anwender kann dann entscheiden, welche Daten firmenintern bleiben sollen für die lokale Verarbeitung und welche Daten ggf. für extern zur Verfügung gestellt werden können, z. B. für eine weitere Verarbeitung in einem Cloud-System.

Gibt es auch Grenzen für den Einsatz
von 5G?

Rotmensen: Absolut. Zum Beispiel eignet sich der 5G Release 15 noch nicht für harte Echtzeitübertragung, weil URLLC erst (teilweise) im Release 16 aufgenommen worden ist. Ein anderes Beispiel könnte die Verfügbarkeit von privatem lokalem Spektrum sein. In Deutschland beispielsweise hat sich die Bundesregierung dazu entschieden, einen Standortvorteil für die deutsche Industrie zu kreieren mit der Reservierung von 100 MHz von 3,7 bis 3,87 GHz. In vielen anderen Länder sind Entscheidungen dazu noch offen.

Zusätzlich ist es wichtig zu wissen, dass 5G viele Möglichkeiten bietet, allerdings nicht alles zeitgleich zu verwenden ist: viele angeschlossene Endgeräte, geringste Latenzen und höchste Bandbreite – alles gleichzeitig funktioniert nicht.




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