Bereit für 5G?

Wie zwischen Menschen, ist auch in industriellen Anlagen Kommunikation ein entscheidender Schlüssel zum Erfolg: Die Verwaltungsebene muss mit der operativen Ebene kommunizieren, Steuerungen mit Anlagenkomponenten wie Aktoren und Sensoren. Edge-Gateways gilt es ebenso ins Kommunikationsnetz einzubinden wie diverse smarte Komponenten.

Evolution der Fertigung – Vom Unikat über die Massenfertigung zu Losgröße 1. HMS

Künftig kommen durch Themen wie Augmented Reality, mobile Roboter, fahrerlose Transportsysteme etc. weitere riesige Datenmengen dazu. Lassen diese sich kabellos übertragen, bringt das weitreichende Vorteile. Hier kommt 5G ins Spiel: In der ersten Jahreshälfte 2019 hat der deutsche Staat die Lizenzen für die öffentliche 5G-Kommunikation im 3,4 bis 3,7 GHz-Bereich versteigert. Zusätzlich hat die Bundesnetzagentur den Frequenzbereich von 3,7 bis 3,8 GHz für lokale Anwendungen beziehungsweise betriebs-interne Kommunikation reserviert wie für Betriebsgelände, Industrieparks oder Messegelände. Diese Frequenzen werden nicht versteigert – vielmehr sollen Grundstückseigentümer sie gegen Gebühr für lokale Nutzung beantragen können. Erst Ende Oktober veröffentlichte die Bundesnetzagentur eine entsprechende Gebührenformel.

Soweit, so gut. Doch nun kommt das große Aber: Unklar ist, wer aus rechtlicher Sicht dann der Betreiber dieser privaten Netze sein wird. Dennoch, wer zukunftsfähige Anlagen und Maschinen herstellen möchte tut gut daran, sich jetzt mit der Frage auseinanderzusetzen, wie er 5G-Kommunikation in seine Produkte integriert.

Kommunikation als Schlüssel für Industrie 4.0

HMS (in Anlehnung an "The 4 Industrial Revolutions by Christoph Roser at AllAboutLean.com", https://www.allaboutlean.com/industry-4-0/industry-4-0-2/)

Bei der aktuellen vierten industriellen Revolution stehen cyber-physische Systeme im Mittelpunkt. Dabei verbinden Netzwerke und moderne Informationstechnik mechanische Komponenten miteinander. Parallel zu dieser Entwicklung wandelten sich Stückzahlen und Produktvielfalt: Vor der industriellen Revolution war die Produktvielfalt groß, nahm aber im Zuge der Mechanisierung und Automatisierung ab, während Stückzahlen immer größer wurden. Heute spricht man vermehrt von Losgröße 1, die aber ähnlich effizient herzustellen sein soll wie Massenprodukte. Machbar wird das nur sein, wenn verschiedene Systeme (Soft- und Hardware) ideal ineinandergreifen. Kommunikation ist also der entscheidende Faktor für Industrie 4.0. Kommt hier ein kabelloses Kommunikationsmedium auf Basis von 5G dazu, steht einem weiteren Entwicklungsschub kaum etwas im Wege.

Welche Vorteile 5G für die Industrie hat

Vorteile 5G im Überblick HMS

Waren bisherige Technologien zur drahtlosen Kommunikation in Bezug auf Bandbreite, Echtzeitverhalten oder Kapazitäten begrenzt, sind die Möglichkeiten, die 5G in der finalen Ausbaustufe verspricht, geradezu schwindelerregend: 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: Enhanced Mobile Broadband (eMBB) ermöglicht Spitzendatenraten über 10 Gbit/s. Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) unterstützt Latenzzeiten unter einer Millisekunde und bietet eine Verfügbarkeit von über 99,999 % – 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 auch Unternehmen auf dem eigenen Gelände nutzen, wenn sie Lizenzen für private 5G-Netze erwerben. So lassen sich auf dieser Basis eigene Campus-Netze aufbauen, die Raum schaffen für die intelligente Fabrik der Zukunft

Welche Anwendungsszenarien es für 5G gibt

Weil dank der höheren Bandbreite noch mehr Geräte vernetzbar werden, ist zum Beispiel der Aufbau modularer, flexibler Fertigungszellen realisierbar. Montageaufgaben lassen sich schon während des Transportes auf einem autonomen Fahrzeug erledigen. Das steigert die Effizienz und Produktivität. Gerade in Hinblick auf das Thema Losgröße 1 ist durchgehende Kommunikation attraktiv, die Produktionsumstellung geht deutlich schneller vonstatten. Künftig werden noch mehr und noch granularere Diagnosedaten aus der Anlage vorliegen. Das verbessert die vorausschauende und vorbeugende Instandhaltung und reduziert Stillstandszeiten. Werkzeuge an Handmontageplätzen wie Schrauber, RFID-Scanner und vieles mehr lassen sich mit 5G in die Kommunikationsinfrastruktur integrieren. Bedien- und Anzeigestationen können in der Fertigung flexibler positioniert werden. Anlagenüberwachung in Echtzeit wird in einer Tiefe möglich, die bislang nicht denkbar war.

Aber auch das Materialmanagement lässt sich effizienter gestalten; das betrifft sowohl den Transport von Komponenten direkt vom LKW in die Produktion und den Teiletransport zwischen den Fertigungszellen als auch die Einlagerung von fertigen Produkten in automatischen Lagersystemen. Insgesamt profitieren Anlagenbetreiber vom einfachen Zugriff auf noch mehr Daten aus der Fabrik, was Analyse und Optimierung von Prozessen erleichtert.

Wann kommen die 5G-Komponenten?

Oben: Router/Switches für eine direkte Maschinenanbindung ans 5G-Netz Unten: der Wireless Bolt, ein Funk-Gateway für den direkten Maschinenzugriff via 4G/5G HMS

Trotz aller Lorbeeren – natürlich gibt es auch einen Haken: Noch sind die Lizenzkosten für die Nutzung privater 5G-Netze für Unternehmen unklar. Absehbar ist jedoch, dass solche Campus-Netze vorerst vor allem für große Betriebe wie Automobilbauer und Unternehmen der Prozessindustrie wie Chemiekonzerne attraktiv sein werden – finanziell wie technologisch. Die Experten für industrielle Kommunikation von HMS kooperieren deshalb seit gut zwei Jahren mit Ericsson, um Maschinen- und Anlagenbauern die notwendigen Lösungen anbieten zu können, sobald 5G in Deutschland (endlich) nutzbar wird. In der Automobilindustrie werden diese Lösungen derzeit in einigen Pilotprojekten auf Herz und Nieren getestet. Um Maschinenbauern die Integration von 5G so einfach wie möglich zu machen, unterstützt HMS sie, wie auch bei anderen Kommunikationsaufgaben, künftig mit Support und passenden Komponenten.

In der Proof-of-Concept-Phase sind derzeit der HMS Wireless Bolt, ein Funk-Gateway für den Maschinenzugriff via 4G/5G, sowie Router/Switches mit denen sich Maschinen 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 da, wo beim Bau neuer Standorte auf zukunftsfähige Kommunikationstechnik gesetzt werden soll, denn 5G ist die kabellose Kommunikationstechnologie für die intelligente Fabrik der Zukunft.

HMS auf der SPS 2019: Halle 5, Stand 110

(ml)