Vorteile 5G im Überblick

Vorteile 5G im Überblick HMS

5G hat für den Fertigungssektor ein immenses Potenzial und könnte eine neue Ära der technologischen Innovation einläuten. Während die vorhergehenden Mobilfunkstandards 3G und 4G nur schrittweise Verbesserungen in Bezug auf Geschwindigkeit und Bandbreite boten, kommt mit 5G die erste zellulär aufgebaute Drahtlos-Plattform, die eine verlässliche Integration mit Machine-to-Machine- (M2M) und industriellen IoT-Systemen ermöglicht. Dies soll auf drei Arten erfolgen.

3 Gründe für den Hype um 5G

5G – Wunsch und Wirklichkeit

"Auch 5G muss zuerst einen Reifegrad erreichen", Thomas Schildknecht, CEO Schildknecht AG

„Auch 5G muss zuerst einen Reifegrad erreichen“, Thomas Schildknecht, CEO Schildknecht AG Schildknecht

In seinem Kommentar steigt Thomas Schildknecht etwas in die Technik von 5G ein.

Erstens mit erweitertem mobilem Breitband (enhanced mobile broadband, eMBB): 5G bietet Spitzen-Datenübertragungsraten von 10 Gbps und kann bis zu 10.000 Mal mehr Traffic unterstützen als seine Vorgängerstandards. Zweitens bietet es besonders zuverlässige Verbindungen mit geringer Latenz (Ultra Reliable Low Latency Communications, URLLC). Hinter dem Begriff steckt eine Funklatenz von weniger als 1 ms und über 99,9 % Verfügbarkeit, wodurch sich 5G für den Einsatz in der Industrie eignet.

Drittens verfügt 5G über die sogenannte Massive Machine-Type Communication (mMTC), mit der eine Anschlussdichte von einer Million Geräten pro Quadratkilometer möglich ist. Damit lässt sich auch die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M) umsetzen und Geräte können im Batteriebetrieb bis zu 10 Jahre einsatzfähig bleiben, was Einsatzgebiete für batteriebetriebene Geräte mit niedrigem Stromverbrauch erschließt.

Welchen Nutzen die Industrie aus 5G ziehen kann

Roboter in einer Fertigungshalle

In der industriellen Automatisierung könnten 5G-Netzwerke schlussendlich in der Lage sein, Kabelverbindungen selbst in den anspruchsvollsten Anwendungen, beispielsweise in der Bewegungssteuerung und in Sichtsystemen mit hohem Durchsatz, zu ersetzen. Shutterstock

Was bedeutet dies nun für die Industrie? 5G wird nicht nur drahtlosen Echtzeit-Sensornetzwerken sowie Standort- und Asset-Tracking Tür und Tor öffnen, es wird darüber hinaus Werksleitern ermöglichen, mit einer Flotte fahrerloser Transportfahrzeugen (FTF) zu kommunizieren, ohne sich dabei um Netzwerkausfälle sorgen zu müssen.

Außerdem können Hersteller, die bis dato bezüglich der Übernahme von Technologien der erweiterten oder virtuellen Realität (AR/VR) skeptisch waren, das Potenzial dieser Technologien für Echtzeit-Simulationen und prädiktive Instandhaltung ausschöpfen.

In der industriellen Automatisierung sind 5G-Netzwerke schlussendlich in der Lage, Kabelverbindungen auch in anspruchsvollen Anwendungen, beispielsweise in der Bewegungssteuerung und in Sichtsystemen mit hohem Durchsatz, teilweise zu ersetzen. Ethernet-Protokolle werden nach wie vor von Organisationen wie 3GPP und IEEE standardisiert, um zeitkritische Netzwerke (time sensitive networks, TSNs) in die 5G-Architektur zu integrieren, wodurch 5G ebenso wie seine Ethernet-Pendants geringe Latenz und hohe Verfügbarkeit erreichen wird.

Lohnt sich der Umstieg auf 5G?

Der Wechsel zum 5G-Standard ist nicht gerade billig, sondern erfordert bedeutende Investitionen zur Aufrüstung der Infrastruktur. Ein Grund ist, dass 5G in weniger stark genutzten, höheren Frequenzbereichen um etwa 6 GHz – oder mit Wellenlängen im Millimeterbereich auf neuen Funkfrequenzen zwischen 30 bis 300 GHz – arbeitet. Daher können Hindernisse das Signal leicht blockieren oder Faktoren wie Regen oder selbst Feuchtigkeit können es absorbieren. Dies macht zellulär aufgebaute Netzwerke auf wenig Raum mit kleineren, näher zusammenliegenden Antennen erforderlich. Aus diesen Gründen hören wir von EU Automation immer wieder dieselbe Frage: Ist der neue 5G-Standard wirklich all die Investitionen in technologische Upgrades und Ausrüstung wert?

5G-Test in der industriellen Praxis

Die Vibrationen bei der Produktion von Turbinenkomponenten können kontinuierlich gemessen und direkt ausgewertet werden. So lässt sich bereits während der Produktion die Qualität der Turbinen bestimmen oder in den Vorgang eingreifen. Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Die Vibrationen bei der Produktion der Blisks können kontinuierlich gemessen und durch 5G direkt ausgewertet werden. So lässt sich bereits während der Produktion die Qualität der Turbinen bestimmen oder in den Vorgang eingreifen. Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

An dieser Stelle sei ein Experiment von Ericsson genannt, einem der weltweit größten Anbieter für 5G-Ausrüstung. Das Unternehmen führte gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPA) bei MTU Aero Engines einen Test durch. Der deutsche Triebwerkhersteller mit Spezialisierung auf Metallschaufeln und -scheiben für Düsentriebwerke stellt sogenannte „beschaufelte Scheiben“ her, auch als „Blisk“ bezeichnet. Die Produktion dieser Hightech-Komponenten zur Verdichtung der Luft in Düsentriebwerken erfordert ein hohes Maß an Präzision und struktureller Integrität, weshalb Techniker beim Fräsen solcher Werkstücke aus einem massivem Stück Metall extrem akkurat vorgehen müssen. Das Fräsen einer Blisk dauert zwischen 15 und 20 Stunden, wobei die gesamte Vorlaufzeit dieses Produkts etwa 3 bis 4 Monate beträgt, da es zudem Beschichtungsprozesse sowie Qualitätssicherungsmaßnahmen umfasst.

Trotz der hohen Anforderungen an die nötige Präzision stellte MTU Aero Engines vorab eine Fehlerrate von bis zu 25 % fest. Hauptgrund waren geringfügige Vibrationen, die zu Defekten in den Blisks führen. Solche Fehler werden üblicherweise erst gegen Ende des Fertigungsprozesses entdeckt und die betroffenen Werkstücke müssen entsorgt werden, was eine bedeutende Menge an Zeit und Geld kostet.

Fehlerrate um 10 % gesenkt

Um die Produktivität dieses Verfahrens zu steigern, wandte sich MTU an Ericsson und das Fraunhofer IPA, um ein 5G-Netzwerk zu implementieren. Ericsson installierte eine 5G-Versuchsanlage, die auf einer Frequenz von 3,5 GHz arbeitete und direkt mit einem Vibrationssensor auf der in Bearbeitung befindlichen Blisk verbunden war. So überträgt 5G das Vibrationsspektrum in Echtzeit an das Evaluierungssystem. Die extrem niedrige Latenz des Netzwerks half dabei, die Vibration mit der Position des Werkzeugs in Echtzeit zu korrelieren und ermöglichte so das Anpassen des Produktionsprozesses, um die Präzision zu erhöhen.

Am Ende des Experiments sank die Fehlerrate von 25 auf 15 %, was die Produktionskosten pro Blisk um fast 3.600 Euro verringerte. Dieses Versuchssystem zeigt, dass die Integration von 5G in Fertigungsprozesse mit hoher Wertschöpfung die Fehlererkennung verbessert, die Echtzeit-Überwachung und das Aufspüren von Fehlern ermöglicht und so Herstellern erlaubt, in ihren Anlagen einen Grad an Automatisierung zu erreichen, der mit anderen Methoden der drahtlosen Kommunikation nicht möglich wäre.

Die 5G-Applikation bei MTU im Video

5G ist kein Selbstläufer

Die Ergebnisse von Ericssons Test waren zweifelsohne beeindruckend, doch sollte darüber nicht vergessen werden, dass sich nicht alle Effizienz-Probleme in Herstellungsanlagen durch 5G alleine lösen lassen. Hersteller müssen bereit sein, in die Aufrüstung von Infrastruktur zu investieren – denn die „early adopters“, also die ersten Anwender, werden bei der Nachrüstung bestehender Anlagen und Netzwerke mit 5G-Komponenten im Zusammenhang mit technischer Unterstützung vor Herausforderungen stehen. Dies wird nicht nur eine intensive Auseinandersetzung mit dem Thema Obsoleszenzmanagement erfordern, sondern auch Anstrengungen, um sicherzustellen, dass Anlagen weiterhin Produktivitätszuwächse ermöglichen, ohne dass dafür die ganze Fabrik und die gesamte Ausrüstung überholt werden müssen.

Zweifelsohne wird 5G die Fertigungsbranche, wie wir sie heute kennen, revolutionieren. Doch es ist wichtig, dass Hersteller verstehen, dass auch diese Technologie kein Wundermittel ist, das alle Probleme im Zusammenhang mit Produktivität auf einen Schlag löst. Dazu ist nach wie vor sorgfältiges Obsoleszenzmanagement, die selektive Aufrüstung von Infrastrukturkomponenten und die Bereitschaft nötig, die Fähigkeiten dieser neuen Technologie in verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten auszuloten.