27.08.2021 • Automatisierung • Bildverarbeitung / Optische Messtechnik

Standard der Zukunft? Vorteile, Einsatzbereiche und State-of-the-Art des Mobilfunkstandards

Voraussetzung für eine erfolgreiche Digitalisierung sind die entsprechenden Infrastrukturen für die Kommunikation, also auf welchem Weg Informationen im Industrie-4.0-Verbund übertragen werden. 5G gilt in diesem Zusammenhang als Schlüsseltechnologie. Das trifft vor allem dann zu, wenn viele Sensoren so große Mengen an Informationen liefern, dass sie sich bisher nicht kabellos übertragen ließen, die Flexibilität einer kabellosen Kommunikation aber wichtig ist.

Heute ist man sich einig, dass sich Industrie 4.0 in vollem Umfang nur mit kabelloser Kommunikation umsetzen lässt. Deshalb hat sich der Mobilfunkstandard 4G auch recht schnell im industriellen Umfeld etabliert. Doch mit Datenübertragungsraten von 150 Mbit/s und einer Latenzzeit von bestenfalls 30 ms sind Echtzeitanforderungen Grenzen gesetzt. Bisherige Technologien können deshalb im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung den zukünftigen Anforderungen an Bandbreite, Echtzeitverhalten, Übertragungsraten sowie Zuverlässigkeit nicht entsprechen.

Hier wird 5G neue Maßstäbe setzen. Die fünfte Generation des Mobilfunkstandards baut auf dem LTE-Standard auf, bietet aber etliche Vorzüge und verschiedene Anwendungsprofile machen in unterschiedlichen Einsatzfällen eine optimale Nutzung möglich: Mit Enhanced Mobile Broadband (eMBB) werden Spitzendatenraten über 10 Gbit/s möglich. Ultra Reliable Low Latency Communi-cation (URLLC) unterstützt Latenzzeiten unter einer Millisekunde und bietet eine Verfügbarkeit von über 99,999% (das bedeutet auf zehn Jahre gerechnet lediglich eine Stunde Stillstand). Mit massive Machine-type Communication (mMTC) lassen sich batteriebetriebene Geräte über zehn Jahre betreiben un  bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer anbinden. All diese Vorteile können Unternehmen nun auf dem eigenen Gelände in privaten 5G-Netzen nutzen, wenn sie dazu die passenden Lizenzen erwerben. Diese Campus-Netze schaffen Raum für die intelligente Fabrik der Zukunft. Auch die Skepsis, di  mit der Nutzung eines Fremdnetzes einhergeht, fällt bei dem privaten Netz endgültig weg.

Typische Einsatzszenarien für 5G

Damit erschließen sich Anwendungsbereiche, zu denen klassischerweise auch die Fabrikautomation zählt mit ihren modularen, flexiblen Arbeitszellen oder fahrerlosen Transportsystemen besonders in großen Arealen und das sowohl in Hallen als auch im Außenbereich. Aber auch viele andere datenintensive Bereiche werden von 5G als Kommunikationsstandard profitieren. Land- und Forstwirtschaft beispielsweise können auf moderne Technologien setzen, die bislang nicht nutzbar waren. Das gilt unter anderem für die Milcherzeugung und die Tierhaltung. Im Ackerbau lassen sich im Zusammenhang mit Precision Farming jede Menge Informationen bei Aussaat und Ernte ermitteln, die Optimierung für den weiteren Anbau ermöglichen, z.B.: Wo muss mehr Dünger ausgebracht werden, wo kann es weniger sein? Und auch der Einsatz autonomer Fahrzeuge wird damit möglich. Insgesamt bringt das nicht nur Vorteile für die Landwirte, sondern auch für das Tierwohl und den Umweltschutz. In Krankenhäusern kann 5G ebenfalls dazu beitragen Betriebsabläufe zu optimieren, z.B. mit Ferndiagnosesystemen. Dabei leiten Ärzte vom Krankenhaus aus die Rettungs-sanitäter am Unfallort durch Diagnose-Routinen. Eine HD-Kamera im Ambulanzfahrzeug sendet nahezu verzögerungsfrei Videobilder des Patienten an den Arzt in der Klinik. Der wiederum kann mit einem VR-Headset, einem Joystick und haptischen Handschuhen entscheiden, ob der Patient in die Notaufnahme kommt oder nicht.

Weitere typische Einsatzszenarien für 5G finden sich in Containerhäfen. Auf riesigen Geländen werden große Warenmengen umgeschlagen. Die dabei anfallenden Daten übersteigen die Kapazität bisheriger kabelloser Kommunikationsnetze. Mit 5G wird nun eine zuverlässige, sichere, kabellose Kommunikation zwischen Kränen, Containern, Fahrzeugen und Mitarbeitern möglich. Um den Verkehrsfluss, insbesondere der LKW besser zu kontrollieren, lassen sich z.B. Ampelanlagen im Hafengebiet über Mobilfunk steuern. Ähnliches gilt für Flughäfen und die dort eingesetzten Vorfeldfahrzeuge. Und natürlich bietet auch die Prozessindustrie jede Menge Einsatzgebiete, man denke nur an die großen Betriebsgelände von Ölraffinerien oder Chemieparks. Sie profitieren davon, dass 5G ein durchgängiges Kommunikationsmedium sowohl für Indoor- als auch für Outdoor-Anwendungen ist.

5G-Anwendungen aktuell in der Proof-of-Concept-Phase

Hinzu kommt ein weiterer Nutzen: Mit 5G lassen sich verschiedene Anwendungsfälle abdecken, in denen heute mehrere drahtlose Technologien verwendet werden, z.B. WLAN, LoRa, Bluetooth oder eben die klassischen 3G/4G-Mobilfunkstandards. Durch den TSN-Standard (Time-Sensitive Networking) ist dann für eine zuverlässige und einheitliche deterministische Kommunikation von der Feldebene zur IT-Ebene gesorgt und neue Cloud-Computing-Anwendungen werden möglich. Die TSN-Standards werden derzeit in verschiedene Kommunikationstechnologien wie CC-Link-IE und Profinet, in IIoT-Technologien wie OPC UA und in verschiedene andere Marktsegmente integriert. Nimmt man noch SPE (Single Pair Ethernet) als drahtgebundene Lösung für die Anbindung kleiner Sensoren hinzu, ist die vernetzte Fabrik von morgen auch wirklich realisierbar.

Allerdings stecken all diese neuen Technologien noch in den Kinderschuhen und bis zur flächendeckenden Einführung in der Industrie ist es noch ein langer Weg. Die meisten industriellen 5G-Anwendungen befinden sich derzeit in der Proof-of-Concept-Phase. Trotzdem hat HMS bereits bei seinem Wireless-Portfolio die Weichen in Richtung 5G gestellt und entwickelt schon 5G-fähige Kommunikationshardware. Zudem ist HMS zertifizierter Partner für Produkte zur Kommunikation in der Fabrikautomation im Partnerportal von Ericsson, einem Unternehmen, dass sich seit einiger Zeit mit dem Thema privater Campusnetzte auf 5G-Basis befasst. Hier unterstützt HMS nicht nur mit passenden Komponenten, sondern auch mit kompetenter Beratung, um Maschinenbauern die Integration von 5G so einfach wie möglich zu machen.

Autor

Thilo Döring, Geschäftsführer

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