Der 5G-Mobilfunkstandard ermöglicht laut der Beratung Roland Berger ein verbessertes mobiles Breitband, eine verzögerungsfreie Kommunikation sowie eine massive Maschine-zu-Maschine-Kommunikation mit einer sehr hohen Zahl an Endgeräten. Der Energiebedarf ist dabei ebenso wie die Übertragungs- und Wartungskosten gering.

Der 5G-Mobilfunkstandard ermöglicht laut der Beratung Roland Berger ein verbessertes mobiles Breitband, eine verzögerungsfreie Kommunikation sowie eine massive Maschine-zu-Maschine-Kommunikation mit einer sehr hohen Zahl an Endgeräten. Der Energiebedarf ist dabei ebenso wie die Übertragungs- und Wartungskosten gering. - Bild: sdecoret - stock.adobe.com

Das mobile Breitband 5G soll bis 2020 verfügbar sein. Und 5G bedeutet vor allem eines: zehnmal so schnelle Datenübertragung als mit dem derzeit verfügbaren Mobilfunkstandard 4G. Dem schnellen Mobilfunknetz fiebern nicht nur Handynutzer weltweit entgegen – vor allem für vernetzte Fabriken lohnt sich 5G.

„5G ist mächtiger als die vorherigen ‚Gs‘ und verfügt über eine konvergente, cloud-optimierte und kognitive Netzarchitektur“, sagt Dr. Volker Ziegler von Nokia Mobile Networks. Die wichtigsten Leistungsattribute von 5G im engeren Sinn sind laut Ziegler Bandbreiten >10 Gbit/s, Echtzeitkommunikation mit bis zu 1 ms Latenz, höchste Verfügbarkeit, Anbindung von Tausenden von Maschinen und Sensoren in einer Funkzelle und flexible Bereitstellung von virtuellen Teil-Netzen (‚Network Slicing‘) mit Leistungsparametern, die je nach Anwendung optimiert werden können.

„Das Slicing sorgt dafür, dass ein und dasselbe Netz sehr unterschiedliche Kommunikationsanforderungen mit hoher Zuverlässigkeit unterstützt“, erklärt Ziegler.

5G lässt sich als flexibel konfigurierbares ‚Vielzwecknetz‘, Zieglers Einschätzung nach, für praktisch alle derzeit denkbaren Anwendungsfälle nutzen. Dazu zählt der 5G-Experte ‚breitbandige“‚ Anwendungsgebiete wie Videoanalyse für die Qualitätssicherung ebenso wie ‚schmalbandige‘ Anwendungen wie Telemetrie oder Sensorkommunikation für die vorausschauende Wartung.

Mobilfunkstandard 5G für die Smart Factory

Gebraucht wird 5G in der Smart Factory, um die mobilen und intelligenten Geräte drahtlos kommunizieren lassen zu können. „Die Fabrik der Zukunft muss extrem flexibel sein“, sagt Rolf ­Najork von Bosch Rexroth.

Nur Boden, Dach und Wände seien noch fix. Maschinen, Anlagen und andere Geräte werden seiner Meinung nach je nach Auftragslos verschoben, sodass innerhalb kürzester Zeit neue Fertigungs­linien aufgebaut sind. „Das funktio­niert nur, wenn die Maschinen ohne Verkabelungsaufwand von jedem Standort innerhalb der Halle aus ohne eine Neuinstallation und drahtlos kommunizieren können – sicher, in Echtzeit und mit hoher Datenrate“, erläutert der Vorstandsvorsitzende. Gemeinsam mit Nokia hat Bosch bereits einen 5G-Demonstrator entwickelt, der den Mobilfunkstandard mit Industrie-4.0-Lösungen von Bosch Rexroth verbindet.

Pros und Contras: Ein 5G-Experte erklärt, wann sich die Technik lohnt

Niels König leitet am Fraunhofer IPT die Abteilung Produktionsmesstechnik. - Bild. Fraunhofer iPT

Herr König, welchen Vorteil hat 5G speziell in der Produktion?

5G ist aus meiner Sicht vor allem dann sinnvoll, wenn man in Kombination mit Sensoren in kürzester Zeit und teilweise ad hoc Daten erheben und verarbeiten muss. Das ist beispielsweise der Fall, wenn man in eine Maschine einen zusätzlichen Sensor für die Prozesskontrolle integriert. Denkbar sind dann auch geschlossene Regelkreise, sodass man den Produktionsprozess möglichst schnell adaptieren kann. Dazu müssen komplexe Daten schnell verarbeitet werden und das ist meist nicht vor Ort an der Maschine möglich, sondern beispielsweise in der Cloud.

Wir haben bereits einen Sensor entwickelt, der die Daten über 5G aus der Maschine heraus in die Cloud schicken kann. Die Daten sind dann vorverarbeitet. Wir werden aber auch testen, die Rohdaten in die Cloud zu schicken und die ­eigentliche Signalverarbeitung in der Cloud durchzuführen. Wir nutzen im Fraunhofer IPT das ‚Virtual Fort Knox‘, eine Entwicklung von Fraunhofer. Im Prinzip ­eignet sich aber auch jede andere Cloudlösung. Neben Cloudlösungen sind selbstverständlich auch maschinennahe Regelkreise über 5G möglich.

Für welche Bereiche einer Produktion eignet sich 5G als Kommunikationsmittel?

5G ist kein Allheilmittel. Eine Werkzeugmaschinensteuerung sollte man zum Beispiel nicht durch 5G ersetzen. Erstens gibt es in der Maschine bereits genügend Kabelverbindungen, zweitens muss auch Leistung übertragen werden, und das funktioniert nicht über Mobilfunk. Dennoch hat es Sinn, Werkzeugmaschinen per 5G zugänglich zu machen, etwa zum Beispiel für die M2M-Kommunikation, oder um die Vielzahl an Sensoren zugänglich zu machen, die in einer Werkzeugmaschine vorhanden sind.

Der Feldbus hat somit noch nicht ausgedient?

Nein, natürlich nicht. Man spricht gerne davon, Fabriken smart zu gestalten. Das ist meist mit zusätzlichen Sensoren verbunden, um zusätzliche Informationen zu erhalten. Und das smarte System soll dann auch eine Entscheidung fällen können. Und durch die zusätzliche Integration von Sensorik und die damit verbundene Datenübertragung kann ich viele Geräte und Maschinen vernetzen und über ein solches Prozessmonitoring smarter machen. Und dafür ist 5G ideal.

Die 5G-Kommunikation ist aber nicht immer die beste Lösung. Es gibt auch Funkübertragungsmöglichkeiten einzelner Hersteller, die gerade lokal sehr gut funk­tionieren und leistungsfähiger sind als die 5G-Kommunikation. Sie sind aber oft proprietär. Der Vorteil von 5G ist die Standardisierung. Jedes mit 5G ausgestattete Device, jeder Sensor, wird zum ganz normalen Netzwerkteilnehme mit eigener IP. Dies bringt eine enorme Flexibilität mit sich, insbesondere im Retrofit.
5G leistet damit einen erhebliche Beitrag zum Internet der Dinge, in unserem konkreten Fall zum Internet of Production.

Eigene 5G-Testzelle

Ericsson wiederum betreibt bereits eine 5G-Funkzelle für das Fraunhofer IPT in Aachen. Das Ganze ist von der Bundesnetzagentur für Testzwecke offiziell zugelassen. Die Leistung der Funkzelle ist gedrosselt, sodass nicht aus der Halle heraus gefunkt werden kann. Gefertigt werden im Rahmen der Testapplikation Blisk-Prototypen, sprich extrem teure sicherheitskritische Bauteile in Flugzeugtriebwerken, für die MTU.

In der spanenden Fertigung der Bauteile treten an den zunehmend dünner werdenden Schaufeln starke Schwingungen auf, die  Mängel am Bauteil verursachen können, berichtet der Projektleiter am Fraunhofer IPT, Niels König. „Daher betreiben wir Schwingungsmonitoring und haben einen Sensor entwickelt, der sich auf dem Werkstück befestigen lässt und während des Fräsprozesses seine Messdaten per 5G in die Cloud schickt“, erklärt König. Ziel sei es, den Fräsprozess dank der schnellen 5G-Datenverarbeitung in Zukunft direkt anpassen zu können.

In Aachen betreibt das Fraunhofer IPT einen 5G-Demonstrator. Die lokal beschränkte 5G-Funkzelle wird von Ericsson zur Verfügung gestellt. Das Projekt ist von der Bundesnetzagentur offiziell zu Testzwecken zugelassen. Die Leistung der Funkzelle ist gedrosselt, sodass nicht aus der Halle heraus gefunkt werden kann.
In Aachen betreibt das Fraunhofer IPT einen 5G-Demonstrator. Die lokal beschränkte 5G-Funkzelle wird von Ericsson zur Verfügung gestellt. Das Projekt ist von der Bundesnetzagentur offiziell zu Testzwecken zugelassen. Die Leistung der Funkzelle ist gedrosselt, sodass nicht aus der Halle heraus gefunkt werden kann. - Bild: Fraunhofer IPT

Solche tieferen Prozesseinsichten sind laut Andreas Thülig von Ericsson erst durch den Mobilfunkstandard 5G möglich. Das sorgt für Qualitäts- und Produktivitätssteigerungen. „5G eröffnet das Feld der kabellosen kritischen Maschinenkommunikation“, fasst der 5G-Experte zusammen. Jede Form von Sensorik, die bedingt durch die Umgebung innerhalb einer Produktionsmaschine oder bedingt durch Mobilitätsanforderungen nicht kabelgebunden sein könne, werde durch das schnelle Netz ermöglicht.

Hat der Feldbus somit ausgedient in der Fabrik 4.0? Ganz und gar nicht! „Existierende Kommunikationstechnologien werden in absehbarer Zeit nicht komplett durch 5G verdrängt, sondern ergänzt und erweitert“, sagt Dr. Andreas Müller von der 5G-ACIA. Es bestehe schlichtweg kein Bedarf, jedes Kabel durch eine drahtlose Übertragungsstrecke zu ersetzen. 5G habe aber das Potenzial, sich zusammen mit Time-Sensitive Networking zu einer dominanten, konvergenten Vernetzungstechnologie zu entwickeln.

Dieses Ziel verfolgt die 5G-ACIA

Dr. Andreas Müller, Vorsitzender der globalen Initiative 5G Alliance for Connected Industries and Automation erklärt: „Die 5G-ACIA wurde ins Leben gerufen, um wesentliche Stakeholder aus der Industrieautomatisierung und dem Maschinenbau sowie Fabrikbetreiber mit den Unternehmen der IKT-Industrie zusammenzubringen – und zwar weltweit.

Das übergeordnete Ziel ist, 5G von vornherein industriefähig zu gestalten, das heißt unter anderem Anforderungen der Industrie in die 5G-Standardisierung einzubringen sowie Frequenzbedarfe zu identifizieren und in den verantwortlichen Gremien zu artikulieren. Darüber hinaus soll der Bedarf an speziellen Zertifizierungsprozessen analysiert werden.

Die 5G-ACIA wird somit zum zentralen Forum für das Thema 5G in der Industrie. Die derzeit 26 Mitglieder bilden bereits eine gute Grund­lage dafür, aber das Interesse seitens anderer relevanter Stakeholder ist gewaltig, weshalb wir damit rechnen, sehr schnell weiter zu wachsen.“

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