Mit 5G sind Roboter nicht mehr auf das lokale WLAN-Netz angewiesen. Sie arbeiten ortsunabhängig und lassen sich sehr viel flexibler nutzen. (Bild: ©HERRNDORFF_ images - stock.adobe.com)
„Der Hype um 5G ist groß. Jetzt muss die Technologie zeigen, was sie wirklich kann“, sagt Matthias Schneider, Gesamtprojektleiter des Transferzentrums 5G4KMU, das gerade in verschiedenen Regionen Baden-Württembergs aufgebaut wird. Hier werden kleine und mittlere Unternehmen schon bald die Möglichkeit erhalten, ihre 5G-basierten Geschäftsmodelle und innovativen Produktideen auszuprobieren. Die Fraunhofer-Experten stellen die erforderliche Infrastruktur zur Verfügung und stehen beratend zur Seite. Die Federführung hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Spätestens im Herbst werden die ersten Projekte mit Unternehmen aus den Bereichen Logistik, Produktion, Labor und Klinik starten.
In Stuttgart, Karlsruhe, Reutlingen, Mannheim und Freudenstadt werden derzeit 5G-Testumgebungen eingerichtet – jede mit unterschiedlichen Schwerpunkten, von Robotik und Maschinensteuerung bis hin zu Smart Products und Künstlicher Intelligenz. Alle Einrichtungen folgen demselben Prinzip: Die Unternehmen bewerben sich mit ihrer Idee, die Fraunhofer-Experten analysieren und überprüfen. Die vielversprechendsten Konzepte werden ausgewählt und gemeinsam getestet.
Datenübertragungsraten, Latenzzeiten, Energieeffizienz – Alles auf einmal geht nicht
"Wer 5G einsetzt, muss entscheiden, welche Eigenschaften für die individuelle Anwendung wichtig sind." Matthias Schneider, Gesamtprojektleiter Transferzentrum 5G4KMU Fraunhofer IPA
Theoretisch sind mit 5G Datenübertragungsraten von bis zu zwanzig Gigabit pro Sekunde möglich und eine Latenzzeit von nur einer Millisekunde. Praktisch sind solche Werte derzeit noch nicht realisierbar. Außerdem kann 5G nicht alle Leistungsparameter gleichzeitig erfüllen. Wer die innovative Technik einsetzt, muss deshalb entscheiden, welche Eigenschaften für die individuelle Anwendung wichtig sind. „Hier hilft die Technologie des Network-Slicing“, sagt Schneider. „Sie macht es möglich, dass innerhalb eines 5G-Netzwerks in bestimmten definierten Abschnitten jeweils ganz unterschiedliche Parameter Priorität erhalten. Während ein Bereich des Netzwerks beispielsweise die Latenzzeit bevorzugt, wird ein anderer Abschnitt auf möglichst hohe Bandbreite optimiert.“
Um hochauflösende 4K- oder sogar 8K-Videos ruckelfrei auf die Endgeräte bringen zu können benötigt ein Entertainment-Anbieter etwa, der Videos übers Web streamt, hohe Datenübertragungsraten. Kleine Einbußen bei der Zuverlässigkeit und eine längere Latenzzeit sind zu verschmerzen. Der Industrieroboter dagegen benötigt keine hohen Datenübertragungsraten, aber eine kurze Latenzzeit. Nur so ist Echtzeit-Steuerung möglich. Wenn auf einer großen landwirtschaftlichen Fläche Hunderte von Sensoren eingesetzt werden, die Daten über Temperatur, Windverhältnisse oder den Pflanzenwuchs senden, beispielsweise, um Erntemaschinen zu steuern, dann ist vor allem Energieeffizienz gefragt. Denn die Sensoren sollen über Monate, vielleicht sogar Jahre arbeiten, ohne dass die Batterie ausgetauscht werden muss.
Vorteile von 5G im Bereich Robotik und Maschinensteuerung
Was versteckt sich hinter einer Abdeckung, wo ist eine Reparatur notwendig? Mit 5G-Netz und Edge Computing können hochauflösende Grafiken bis hin zu Wartungs-Videos einfach auf Datenbrillen gebracht werden. ©Monopoly919 - stock.adobe.com:
Besonders große Vorteile bietet 5G im Bereich Robotik und Maschinensteuerung. So könnten mit der ultraschnellen Mobilfunktechnik die Daten eines Sensors, der in einer Maschine oder einem Bauteil integriert ist, praktisch ohne Verzögerung in der Steuerung der Maschine ankommen. Ein komplexerer Aufbau würde es auch erlauben, nicht nur einzelne Maschinen, sondern den gesamten Fertigungsprozess mithilfe von 5G-basierten Technologien zu kontrollieren, im Idealfall über das ganze Werksgelände. Selbst die Steuerung der Produktion über verschiedene Standorte hinweg ist denkbar. Wenn 5G-Netze mit entsprechenden Routern und Antennen verknüpft sind, legen die Daten auch längere Strecken zurück.
Beim Testbed des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Stuttgart liegt der Fokus auf Smart Products und Smart Services. „Wir arbeiten an Konzepten, die 5G mit dem Sammeln und dem KI-basierten Auswerten von Daten kombinieren“, sagt Dimitri Evcenko aus dem Team Digital Business Services. Interessant ist 5G für individuelle Datendienste, zum Beispiel die vorausschauende Wartung (predictive maintenance) in der Industrieproduktion. „Auf Basis der gesammelten Daten prognostiziert die KI dann beispielsweise den nächsten notwendigen Wartungstermin oder den Ausfall eines Verschleißteils“, erklärt Evcenko.
5G-Projekte
Auf dem „5G-Industry Campus Europe“ in Aachen sind acht Teilprojekte geplant, die die Möglichkeiten der 5G-Technik in der Praxis ausloten.
- 5G-Multisensor: Produktionsprozesse sollen durch Multisensorsysteme optimiert werden. Die Sensoren messen beispielsweise Werte wie Temperatur, Beschleunigung, Kräfte oder Position von Bauteilen.
- 5G-AE Sensor: Acoustic Emission Sensoren, die direkt am Bauteil befestigt sind, sollen bei Fräsvorgängen frühzeitig erkennen, wenn das Werkzeug durch übermäßige Belastung oder Verschleiß zu brechen droht.
- 5G-Blockchain: Das Projekt testet, ob ein komplett drahtloses Netzwerk auch für eine Blockchain-Anwendung für Datentransaktionen geeignet ist.
- 5G-Logistics: Eine Logistik-Lösung demonstriert, wie mobile Systeme mit 5G-Unterstützung auf dem Werksgelände navigieren können.
- 5G-Robotics: Ein Kontrollsystem für mobile Roboter, die sich bei der Zusammenarbeit selbst organisieren und dabei drahtlos mit Hilfe von Sensorsystemen navigiert werden.
- 5G-Cockpit: Aufbau einer zentralen Steuerplattform, die Prozesse und Sensoren an unterschiedlichen Standorten überwacht. Die Daten werden über eine Cloud-Plattform getauscht.
- 5G-Edge-Cloud: Eine Cloud-Plattform, in der die Analyse der Daten aus der Fertigung mit dem Funknetzwerk verbunden wird.
- 5G-3D Sensor: Entwicklung eines 3D-Sensor-Systems, das die Geometrie von Werkstücken scannt und kabellos in Robotern oder Werkzeugmaschinen integrierbar ist.
Ist 5G noch gar nicht „fertig“?
Manche Unternehmen zögern trotzdem noch. Das mag daran liegen, dass das Standardisierungsgremium 3GPP (3rd Generation Partnership Project) weiterhin an den Spezifikationen für 5G arbeitet und immer wieder neue Releases herausbringt. Derzeit ist Release 15 aktuell. Ist der Standard also noch gar nicht fertig? „Mit dem aktuellen Release sind bereits hohe Geschwindigkeiten möglich. Darüber hinaus bildet es die Grundlage für die Echtzeitanbindung mit niedriger Latenz und die Vernetzung sehr vieler Geräte. Die bestehende Infrastruktur kann dann um neue Funktionen in Form von neuer Hardware oder Firmware-Updates erweitert werden“, erklärt Evcenko. „Wer jetzt in 5G-Hardware investiert, muss nicht befürchten, dass alle Geräte in zwei Jahren wieder ausgetauscht werden müssen“.
Der neue 5G-Standard bietet überdies die Möglichkeit, ein eigenes Mobilfunknetz aufzubauen. Der Frequenzbereich zwischen 3,7 und 3,8 GHz ist für die Industrie reserviert. Unternehmen beantragen bei der Bundesnetzagentur eine Lizenz und bauen dann auf ihrem Werksgelände in Eigenregie ihr Funknetz auf.
Ausreichend Platz für anspruchsvolle Anwendungen
Auch der „5G-Industry Campus Europe“ in Aachen beschäftigt sich intensiv mit den neuen Möglichkeiten der 5G-Technik und hat dazu eine Lizenz zum Betrieb des 5G-Netzes erhalten. Niels König vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT koordiniert alle Partner und Einzelprojekte der Forschungskooperation. Mit von der Partie ist auch die RWTH Aachen mit dem Werkzeugmaschinenlabor WZL und dem IT-Center sowie dem Forschungsinstitut für Rationalisierung FIR an der RWTH Aachen. Für Netzwerk und Funkausstattung sorgt der schwedische Mobilfunknetzausrüster Ericsson.
Der Forschungscampus verfügt über rund 7000 Quadratmeter Hallenfläche. Platz genug, um auch anspruchsvolle Anwendungsszenarien durch zu spielen. Insgesamt acht Teilprojekte sind geplant. Die ersten Projekte greifen bereits auf das funktionierende 5G-Netz zu. „Wir haben das Indoor-Netz installiert und die Funkzellen in Betrieb genommen. Im Sommer folgt das ein Quadratkilometer große Outdoor-Netz“, sagt König. Ziel ist, die 5G-Technik für ganz unterschiedliche Nutzungsszenarien zu erforschen und weiterzuentwickeln.
Eine entscheidende Rolle bei der Steuerung und Kombination aller Techniken spielt die Software. Im Zeitalter von 5G und Industrie 4.0 sind Schaltschränke mit fest verdrahteter Steuerung bald Geschichte. Maschinen und Fertigungsstraßen lassen sich schnell neu konfigurieren und umprogrammieren. Edge-Cloud und Software-Steuerung machen die 5G-Anwendungen noch flexibler. „Der Charme besteht darin, dass man jede beliebige Anwendung einfach skalieren, schnell anpassen und neu konfigurieren kann“, erklärt Niels König.
Mehmet Toprak
(ml)
