5G für die Automatisierungstechnik - Schildknecht AG
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Industrial IoT | Kommunikations- und Datennetze
(Bild: Shutterstock / TierneyMJ)
5G für die
Automatisierungstechnik
Die 5. Generation gilt als „Enabling Technology“ für Industrie 4.0, Industrial IoT und autonom fahrende Fahr-
zeuge. Wie aber wird die 5G-Mobilfunk-Technologie in der Industrie beziehungsweise in der Automatisie-
rungstechnik Anwendung finden? Eine Analyse aus Sicht eines System-Herstellers. Von Thomas Schildknecht
D er nächste Standard der Mobilfunktechnik, 5G –
die 5. Generation – ist in aller Munde. Mit Recht,
denn, sofern sich in der oft rauen Praxis bestätigt,
aber maßgeblich die technischen Eigenschaften einer
Funkstrecke in der Anwendung.
was derzeit aus Entwicklungsprojekten bekannt ist,
öffnen sich mit 5G ungezählte Einsatzmöglichkeiten Das „5Gang“-Projekt des BMFT
in privaten wie öffentlichen Bereichen der Gesell- als Einstieg
schaft und vor allem in der Industrie. 5G wäre dann
als kabelfreie Echtzeitkommunikation eine der wich- Als Technologieunternehmen im Bereich der industri-
tigsten Voraussetzungen (Enabler) für Industrie-4.0- ellen Funktechnik widmet sich die Schildknecht AG seit
beziehungsweise industrielle IoT-Projekte, da hier die über 30 Jahren der Aufgabe, die jeweils neuen Funk-
bisherigen Mobilfunktechnologien an ihre Grenzen technologien und Funkstandards wie aktuell Blue-
stoßen. Um Chancen und mögliche Roadmaps dieser tooth 5. oder Funk-Mesh-Netzwerke und zukünftig
Zukunftsprojekte möglichst realistisch einschätzen zu die 5G-Mobilfunk-Technologie in Gateways zu in-
können, ist eine kritische, jedoch positiv zu verstehen- tegrieren und damit für industrielle Anwendungen
de Analyse der heute bekannten technischen Inhalte nutzbar zu machen. Mit diesem Ziel vor Augen ist
von 5G hilfreich. Allerdings gibt es vorerst noch eine das Unternehmen auch aktiver Teilnehmer im BMFT
Einschränkung: Versteigert werden aktuell verschie- geförderten Projekt „5Gang“ (5G angewandt in der
dene Frequenzbereiche zwischen 3,5 und 3,7 GHz. Industrie), welches das Ziel verfolgt, auf Basis mobiler
Da in den niedrigen Frequenzbereichen weltweit alles Netze der 5. Generation ein neues und besonders lei-
belegt ist, kommen nur bisher ungenutzte Frequenzen tungsfähiges industrielles Kommunikationskonzept
bis zu 60 GHz in Frage; die genauen Frequenzen und zu entwickeln.
die zur Verfügung stehenden Bandbreiten sind al- Im „5Gang“-Projekt werden zwei Schwerpunkte
lerdings noch nicht endgültig festlegt, bestimmen adressiert: Fertigungskomponenten schnell und
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dynamisch an verschiedene Anforderungen anzupassen und Einsatzbereiche dafür sind daher die Fertigungsautomati-
Sensoren in engmaschig verknüpfte Sensornetzwerke einzu- sierung (Robotik), selbstfahrende autonome Fahrzeuge in
binden; beides zusammen schafft die Voraussetzungen für Fabriken (AGV), Überwachung vitaler medizinischer Daten.
eine detaillierte Zustandsüberwachung von Produktionsan- Dieser Dienst wird vorranging in anwendereigenen Netzen
lagen bei sinkenden Reparaturkosten durch dadurch mög- direkt verbunden mit eigenen 5G-Basisstationen auf dem
liche vorausschauende Wartung der Maschinen. Im Projekt Firmengelände und exklusiver Frequenz vorbehalten sein,
werden unter anderem die Anforderungen an die Echtzeit- auch als Campusnetze bezeichnet.
fähigkeit von Funksystemen auf Realisierbarkeit überprüft, • Der Dienst mMTC (massive Machine Type Communica-
um zukünftige Technologien auf Basis von 5G zuverlässiger tions) soll Anwendungen mit besonders vielen Sensoren an
und schneller zu machen. Hierfür werden auf den neuen einer Basisstation ermöglichen (hohe Gerätedichte mit bis
Technologien basierende Geschäftsmodelle validiert, um zu 1 Million Geräten pro Basisstation). Im Industriebereich
daraus neue Produkte und Dienstleistungen für die Automa- stehen hierfür die Begriffe „Industrie 4.0“ und „Internet der
tisierungstechnik abzuleiten. Dinge“ (IoT) sowie allgemein die Automatisierungstechnik.
Im Consumerbereich ist das die Überwachung beispielsweise
von Heimsensoren für Strom, Temperatur, Rauchentwicklung
Drei 5G-Dienste (Klassen) und ähnlichem.
und „Network Slicing“ • Network-„Slicing“. Die mit 5G verfügbare neue Technologie
ermöglicht es, dass Netzbetreiber über eine einzige physika-
Die 5G-Technologie wird es in drei deutlich voneinander lische Netzinfrastruktur mehrere Netzwerke, zum Beispiel auf
abgegrenzten Klassen geben, welche bewusst auf sehr un- spezielle Kunden- oder Applikationen ausgerichtet, betreiben
terschiedliche Anwendungsbereiche (Dienste) ausgerichtet und verwalten können. Dies ist eine wichtige Eigenschaft für
sind; zusätzlich wird die wichtige Technologie des „Network die Umsetzung von Industrie-4.0-Anforderungen beispiels-
Slicing“ eingeführt. weise in Hinblick auf Flexibilität.
• Der Dienst eMBB (enhanced Mobile Broadband) wird eine Zusammengefasst bietet 5G gegenüber 4G eine deutlich
Weiterentwicklung von 4G in Bezug auf die Datenrate sein erhöhte Datenübertragungsgeschwindigkeit bis zu 10 Gbit/s
und damit bevorzugt für Anwendungen mit hohe Datenüber- im Dienst eMBB, oder niedrigerer Latenzzeiten unter 1 ms
tragungsraten wie Videostreaming oder Augmented Reality rein auf der Funkstrecke im Dienst uRLLC, oder hohe Teilneh-
eingesetzt werden. Dies wird auch als Erstes im Consumer- merdichte im Dienst mMTC. Parallel werden diese Dienste
bereich verfügbar sein. auf einem Gerät nicht nutzbar sein.
• Der Dienst uRLLC (ultra Reliable Low Latenzy Commu-
nication) soll eine besonders kurze Latenzzeit im ms-Be-
reich bei gleichzeitig sehr hoher Verfügbarkeit ermöglichen; Technische Hürden und
zu lösende Herausforderungen
5G ist nicht eine einzelne technische Spezifikation oder Tech-
Kongress „5G in Industrie und Logistik“ nologie, sondern ein „Blumenstrauß“ aus unterschiedlichs-
ten Komponenten:
• mm-Wellen: Ab circa 20 Ghz beginnt der mm-Bereich in
der Wellenlängenskala.
• Massive MIMO: Die Leistungsfähigkeit dieser Services ba-
5G wird zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor siert auf einer dafür notwendigen 3-dimensionalen Anten-
auf dem Weg zu einer vernetzten Produktion – von nentechnologie.
der Produktentwicklung über die Fertigung bis hin zu • Beamforming: Hierfür werden gerichtete Antennenkeu-
Intralogistik und Warenversand. In Zukunft werden len verwendet, um die HF-Energie gezielt an bestimmte
Anwendungen wie fahrerlose Transportsysteme, Punkte senden beziehungsweise entsprechend empfangen
mobile Werkzeuge, Mensch-Maschine-Kollabora-
zu können.
tion oder Roboter über die hochleistungsfähige
• Full Duplex: Auf unterschiedlichen Frequenzen wird gleich-
Funktechnologien funktionieren.
zeitig gesendet und empfangen.
Der Kongress „5G für Industrie und Logistik“ ver-
mittelt Basiswissen rund um die 5G-Datenkommu- • Small cell Networks: Um die hohe Teilnehmerdichte zu
nikation und zeigt die Bedeutung und Möglichkeiten ermöglichen, werden Kleinstzellen mit nur wenigen 100 m
von 5G für Produktion, Intralogistik und Transport- Ausdehnung verwendet, was eine Vielzahl von Antennen-
wesen auf. plätzen benötigt.
Weitere Informationen: www.5G-Kongress.de Für viele der für den Endausbau von 5G prognosti-
zierten Leistungsdaten müssen die Technologien erst noch
www.scope-online.de 47
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entwickelt werden. Zwar gibt es für 5G NR (New Radio), also Außerdem werden die neuen Frequenzen kostenpflichtig
der aktuellen 5G-Funktechnologie, schon eine Spezifikation sein und damit einhergehend einen entsprechenden Einfluss
(Release 15), aber zum Beispiel für Massive MIMO wurde erst auf deren wirtschaftliche Nutzung haben: Die Milliarden-
kürzlich auf dem Wireless Kongress Ende 2018 von einem investitionen für Lizenzerwerb und Netzaufbau müssen sich
Fraunhofer-Institut noch Forschungsbedarf prognostiziert, amortisieren.
um ein 16×16-Antennenarray in einem Smartphone auf Chip- Es wird auch mehr Frequenzen und mehr Netzbetreiber
ebene unterzubringen. Ohne Massive MIMO jedoch kann die geben als bisher und die Zahl der eigenständigen Netze wird
hohe Datenrate nicht erreicht werden. dadurch stark zunehmen. Das führt zu einer für Großunter-
Für 5G werden die Anwender deshalb nur eine schrittweise nehmen attraktiven Lösung der Installation eines eigenen
Anpassung der Datenrate nach oben über die kommenden fünf Hochleistungsnetzwerkes mit eigener Frequenz direkt auf
bis sieben Jahre erleben und die ersten Implementierungen in dem Firmengelände. Diese eigenständigen Firmennetze
2020 werden noch kaum Vorteile gegenüber 4G zeigen. Das ist können dann durch „Slicing“ weiter aufgeteilt und zur Op-
auch darin begründet, dass sich das Backbone (Infrastruktur) timierung verschiedener, firmeninterner Prozesse genutzt
des Mobilfunknetzes erst den hohen Datenraten anpassen werden. Ein Mehrwert aus dieser Lösung gegenüber der
muss. Letztlich bestimmt die schwächste Komponente den heutigen Situation entsteht sicherlich nur bei Großunter-
Datendurchsatz: Bis alle Basisstationen mit 25-GBit/s-Glasfaser nehmen; für kleine und mittlere Firmen werden die bisher
verbunden sind, wird es noch Jahre dauern. erfolgreich eingesetzten Technologien 4G (LTE) und WLAN
im 2.4-GHz- und 5-GHz-Bereich technisch weiterhin ausrei-
chen und kostenmäßig attraktiver sein; ein Übergang auf 5G
Neue 5G-Geschäftsmodelle wird hier wohl nur zögerlich eintreten.
werden erforderlich Die Vielfalt an unterschiedlichen Frequenzen stellt die
Gerätehersteller und deren Zulieferanten (Komponenten-
Noch sind viele technische Einzelheiten – wie vor allem die hersteller) vor erhebliche Herausforderungen bezüglich der
Frequenzen und die jeweiligen Netzbetreiber – nicht be- Variantenvielzahl. Bereits heute ist das ein nur schwer be-
kannt. Mit den großen Netzanbietern treten jedoch neue herrschbares Thema: Waren es bei 2G nur vier und bei 3G nur
Player auf den Markt, welche zwischen Geräteherstellern sechs Frequenzbänder, so sind es bei 4G bereits 12 Bänder,
und Geräteanwendern stehen werden und damit neue Ge- welche jeweils unterschiedliche Gerätevarianten erfordern.
schäftsmodelle erforderlich machen. Es stellt sich die Frage, Diese Situation wird sich bei 5G nochmals verschärfen,
wer dann für die Einhaltung von QoS (Quality of Service) zumal die 5G-Frequenzbänder international nicht einheitlich
einer Anlage die Verantwortung übernimmt. Bisher verspre- sind, was die Gerätekosten ansteigen lassen wird. Auch die
chen Mobilfunkprovider bei Consumer-Anwendungen nur aus Consumer-Anwendungen bekannten Chipzyklen von
„best effort“ – so gut wie möglich; damit werden sich circa zwei Jahren sind in industriellen Anwendungen nicht
Industriebetriebe jedoch keinesfalls zufriedenstellen lassen. akzeptabel. Schon heute ist deutlich zu sehen, dass langzeit-
Datenfluss vom Sensor oder der Maschine in die Cloud. (Bild: Schildknecht)
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Beispiel der Kommunikation eines realisierten IIoT-Kundenprojekts im Bereich Remote Condition Monitoring auf Basis von LTE-Technolo-
gie. (Bild: Schildknecht)
verfügbare 4G-Welt-Radios um Faktoren teurer sind als für hohen Frequenzen zwischen 20 und 60 GHz das im Fabrik-
Consumer-Anwendungen entwickelte Lösungen. umfeld praktisch ermöglichen werden, müssen die ersten
Schließlich müssen alle mit einer Funkschnittstelle ausge- Anwendungen nachweisen.
rüsteten Geräte in jedem Land beziehungsweise Wirtschafts-
bereich (EU) zertifiziert werden; und bei Mobilfunk verlangen
manche Provider noch eine zusätzliche Zertifizierung, zum Ausblick bis 2023
Beispiel USA. Bei einer weltweiten Zulassung entstehen da-
durch leicht Zertifizierungskosten von 500.000 Euro je Gerät Es wird noch einige Zeit vergehen, bis die 5G-Technologie
plus eigene Aufwendungen für Niederlassungen im jewei- und deren Anbieter am Markt echt präsent sein werden.
ligen Land, gefordert zum Beispiel in Russland oder China. Gleichzeitig wird es vorerst nur wenige Automatisierungs-
Je nach Land können bei jeder Hardware-Änderung erneut technik-Projekte geben, für deren Anforderungen die beste-
Zertifizierungskosten entstehen. hende 4G-Technologie nicht ausreicht und deren Betreiber
gewillt sind, den Sprung in die 5G-Technologie zu machen.
Die ersten Umsetzungen werden wohl in Form von Pilot-
Private Netzwerke und Basisstationen projekten auf dem Gelände von Großunternehmen erfol-
gen – erste Unternehmen haben hierfür ihr Interesse bereits
Große Industriebetriebe wie in der Automobilindustrie stehen angemeldet – aber für eine Realisierung ist dann auch eine
in den Startlöchern für die Nutzung lokaler 5G-Frequenzen, entsprechende Bereitschaft auf Seiten der Gerätehersteller
die den Aufbau eigener Basisstationen ermöglichen und erforderlich. Die ersten industriellen 5G-Umsetzungen in
somit eine exklusiv nutzbare Frequenz und Bandbreite er- der Fabrik- und Prozessautomatisierung mit zum Beispiel
lauben wird. Dies ist ein langgehegter Wunsch der Automa- Kommunikation zwischen verschiedenen Anlagen, Maschi-
tisierungstechnik, die in den entsprechenden Gremien wie nen und Sensoren oder bei fahrerlosen Transportsystemen
dem VDI/GMA Fach-ausschuss 5.21 seit 20 Jahren angestrebt et cetera werden unserer Einschätzung nach erst ab 2023
wird. Mit exklusiver Frequenz als Primärnutzer werden auch sichtbar werden.
höhere Sendeleistungen im Vergleich zu WLAN möglich. Die Thomas Schildknecht, Wireless-Experte und CEO von Schild-
in der EN 300328 für das 2,4-GHz-Band vorgeschriebenen knecht / ag
Koexistenz-Eigenschaften wie Listen-before-talk sind dann
obsolet. Eine höhere Sendeleistung sollte von der Theo- Mobilfunkstandard 5G
rie her stabilere Übertragungen ermöglichen. Inwieweit die Schildknecht, www.schildknecht.ag
www.scope-online.de 49Sie können auch lesen
