MGP - Mobil Gesteuerte Produktion/5G fu r Digitale Fabriken
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MGP - Mobil Gesteuerte Produktion/5G
fur Digitale Fabriken
Arbeitspapier
Status: Technologieszenario, V1.9 30.01.2018
Autoren: Klaus Bauer (Trumpf), Johannes Berg (nxp), Johannes Diemer (dcx), Jürgen Grotepass (HUA-
WEI), Michael ten Hompel (Fraunhofer IML), Johannes Kalhoff (Phoenix Contact), Jan-Peter Meyer-
Kahlen (Ericsson), Stefan Michels (Weidmüller), Ernst-Joachim Steffens (Deutsche Telekom), Thomas
Stiedl (Bosch), Christian Zeidler (ABB)
Szenario-Initiator: Juergen Grotepass
1 Einordnung des Technologieszenarios
MGP - Mobil gesteuerte Produktion/5G für Digitale Fabriken: Dieses Szenario beschreibt die Potentiale
und neuen Aufgabenstellungen, die sich ergeben, wenn (mobile) Produktionsressourcen über 5G-Tech-
nologie dezentral gesteuert, analysiert und optimiert werden. Die wesentlichen Eigenschaften sind Echt-
zeitfähigkeit, hohe Verlässlichkeit, hohe Datenraten und die Anbindung sehr vieler Sender und Empfänger
(Skalierbarkeit).
Dieses erste Technologie-Szenario „MGP“ ist komplementär zu den 2016 veröffentlichten Anwendungs-
szenarien, indem es im RAMI 4.0 Modell 5G-basierte, kabellose Schnittstellen und neue Services adressiert
und somit einen technologischen Migrationsschritt darstellt. Gleichzeitig werden neue Geschäftsmodelle
ermöglicht, die sich im Zusammenwirken der beteiligten Interessensgruppen und Industrien im Spektrum
von Maschinenbau, Mikroelektronik und Mobilfunk für digitale Fabriken ergeben.
2 Abstrakt
Im Mittelpunkt steht die Erhöhung der Adaptivität und Transparenz von verteilten Produktionsmitteln in
Ökosystemen durch den Telekommunikations-Standard 5G mit besonderem Fokus auf cloud-basierter
Ansteuerung modularer Komponenten der Fabrikautomatisierung, adaptiver Systeme und neuer Services
im Bereich von Logistik, Produktion und Qualitätssicherung.
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 1
Im Zuge der Flexibilisierung von Produktionsanlagen durch modulare Systeme kommt der Plug & Produce- Fähigkeit eine besondere Bedeutung zu. Wenn die Datenkommunikation über kabellose Telekommunika- tions-Standards erfolgt, reduzieren sich die Aufwände für die Inbetriebnahme einzelner Komponenten und Produktionszellen auf das Anschließen der Stromversorgung. Aber auch der auftragsdynamische Zu- sammenschluss von Produktionsmitteln unterschiedlicher Werke und Standorte zu adaptiven digitalen Fabriken wird in diesem Anwendungsszenario adressiert. Die Steuerung der einzelnen Zelle, die Beschickung mit Material wie auch die Orchestrierung der Produk- tionszellen untereinander erfolgt von IT-Systemen in der Cloud, die über 5G in Echtzeit Daten für Analy- sezwecke abfragen und Steuerbefehle an die Robotik senden. Das Anwendungsspektrum reicht von der Synchronisierung kooperierender Roboter bis zum Flottenmanagement von fahrerlosen Transportsyste- men. Auch die echtzeitfähige Auswertung großer Datenvolumina (z.B. Videostreams von Objekt und Um- gebung) ist eines der Fallbeispiele, die von 5G in der Produktion profitieren werden. In den Anwendungsfällen können bereits vorhandene Möglichkeiten des CAT-M1 und CAT-NB1 (Narrow- band Internet of Things) genutzt werden – die Bestandteil des aktuellen 4G/LTE Standards sind- und bei 5G im Rahmen von mMTC (massive Machine Type Communication) fortgeführt werden. Die Schmalband- Technik (Low Power Wide Area) für das „Internet der Dinge“ ermöglicht großflächige Abdeckung und zu- gleich Empfang bis tief in Gebäude hinein, was den Trend zur infrastrukturlosen Vernetzung (teil-)autono- mer cyberphysischer Systeme über NB-IoT befeuert. 3 Technologieeigenschaften Bereits seit vielen Jahren erfreuen sich ortsunabhängige Produkte und Services zunehmender Beliebtheit. Sie sind bequem, flexibel und erhöhen unsere private Effizienz: So shoppen wir mit dem Smartphone von überall, buchen Reisetickets oder Steuern die Heizung im weit entfernten Eigenheim. Bzgl. der Anforderungen industrieller Produktion inkl. der Logistik (also Bandbreite, Latenz, Verfügbarkeit, ...) zeigen aktuelle Telekommunikations-Standards wie 3G/UMTS oder 4G/LTE, die wir mit dem Smart- phone nutzen, noch nicht die Leistungsfähigkeit, die für industrielle Anwendungen gewünscht oder erfor- derlich ist. 5G wird dies ändern, denn 5G soll Bandbreiten von bis zu 10 Gbit/s, Latenzzeiten von unter 1ms und Verfügbarkeiten von 99,9999% und mehr ermöglichen. Das Anwendungsszenario MGP – Mobil Gesteuerte Produktion umreißt im Kern die kabellose, überall ver- fügbare Konnektivität zum virtuellen Zwilling (Produkt und Produktionsmittel) in der Cloud. Mit 5G wird insgesamt eine neue Netzwerkphilosophie realisiert, die auch drahtgebundene Technologien umfasst. Es geht um die Verschmelzung von Transporttechnologien (SDN/NFV) mit zusätzlichen IT-Fähigkeiten in den Netzwerkelementen (Edge Computing). Ferner entsteht durch die Anwendung von 5G eine homogene Kommunikationstechnik (für die Verbin- dung von Mensch zu Mensch (Telefon) wie auch Mensch zu Maschine (HMI) und schließlich Maschine zu Maschine), die neue Möglichkeiten der dezentralen Sprach- oder Gestensteuerung für Produktionssys- teme eröffnet. Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 2
5G als nächste Mobilfunkgeneration nach 4G/LTE (Advanced) soll nicht mehr nur für Telefonie und Daten-
dienste ausgelegt werden, wie es bei den bisherigen Mobilfunkstandards der Fall ist. Vielmehr ist die Er-
richtung eines universellen Netzes für die Kommunikation von Geräten das Ziel, die über die heutigen
Anwendungen mit Smartphones weit hinausgeht. Letztendlich soll mit 5G das Internet der Dinge ermög-
licht werden, in dem tragbare Technik mit allem und jedem in unserer Umgebung - und darüber hinaus -
kommunizieren kann. Dadurch wird 5G zu dynamischeren Konfigurationen und mehr Visualisierung füh-
ren. Dabei muss die neue Technologie eine wesentlich breitere Spanne unterschiedlicher Anforderungen
abdecken. Low Latency Computing für verteilte Anlagensteuerungen ist hier ebenso zu nennen wie der
minimierte Energieverbrauch für die Kommunikation von Langzeit-Sensorik für Tracking und Tracing mit
dem Netz. Perspektivisch soll 5G ein weltweit einheitlicher Standard wie 4G/LTE werden, sich primär aber
an den Anforderungen der Industrie ausrichten. Dabei sollen folgende technische Fähigkeiten abdecken
werden:
• 100fach höhere Datenrate als heutige LTE-Netze (also bis zu 10.000 MBit/s) gewährleisten
• rund 1000fach höhere Kapazität zur Verfügung stellen
• weltweit ca. 100 Mrd. Mobilfunkgeräte gleichzeitig ansprechbar machen
• extrem niedrige Latenzzeiten gewährleisten -> Ping von unter 1 Millisekunde
• 1/1000 Energieverbrauch pro übertragenem Bit
• 90% geringerer Stromverbrauch je Mobildienst
Der software-definierte Aufbau von 5G-Netzen ermöglicht zudem, schnell und effizient differenzierte
Kommunikationsdienste für unterschiedliche Anforderungen der Industrie zu generieren und in Form so-
genannter Network Slices, also virtuellen Netzabschnitten, für den Nutzer maßgeschneidert bereitzustel-
len. Verschiedene Network Slices können dabei auf einer gemeinsamen physischen Infrastruktur betrie-
ben – und damit dem Nutzerbedarf nach der Realisierung unterschiedlicher Anforderungsprofile für seine
Netzkommunikation konfliktfrei und zugleich integrativ gerecht werden.
3.1 Einordnung der Technologie und Systemgrenze
Die Vorgängertechnologie 4G/LTE kann im ISO-OSI Modell den Schichten 1 bis 3 zugeordnet werden.
Netzwerkkomponenten (switches, routers, gateways) sind als Ergebnis eines “Wasserfall”-Produktent-
wicklungsprozesses auf Bedarfe der Mobilfunkindustrie zugeschnitten.
Mit 5G als neuer Technologie verliert das konventionelle „bit pipe“-Modell seine Gültigkeit, da Daten und
ihr Transport zwischen Datenquelle und Datensenke dynamisch modifiziert und verarbeitet werden kön-
nen. Das Netz wird damit intelligent. Im ISO-OSI Modell kann die 5G Technologie deshalb in allen Ebenen
1 bis 7 verortet werden – und erweitert diese durch spezifische Technologieinnovationen:
• New radio (5GNR)
• Slicing (Technologie zur Virtualisierung des Netzwerkes mit Aggregierung und Knotenintelligenz)
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• Erweiterung des physischen Layers um kabellose und kabel-gebundene Konnektivität innerhalb
von und zwischen den Maschinen und Systemen im Shopfloor einer Produktion
Da mit 5G die Netzwerkverfügbarkeit aufgrund deterministischer QoS Parameter (“Quality of Service” im
SLA: Service Level Agreement) geplant und verändert werden kann, unterstützt diese Eigenschaft sowohl
das agile Engineering neuer Anlagen, als auch das bedarfsgerechte Engineering bestehender Anlagen, zum
Beispiel nach dem “V-Modell“ im Produktentwicklungsprozess.
3.2 Technologiebezug zu Industrie 4.0
5G als neue Technologie beschleunigt die Konvergenz des Internets der Daten, des Internets der Men-
schen, des Internets der Services und des Internets der Dinge zum “Internet of Everything”, dem Haupt-
treiber der Evolution traditioneller Produkte zu Smarten Produkten [1], siehe Abbildung 1. Die Basis Smar-
ter Produkte bilden mechatronische Produkte.
Abbildung 1: Evolution mechatronischer Produkte zu smarten Produkten [1]
Durch die zunehmende Miniaturisierung von Mikrocomputern, Sensoren und Aktoren sowie durch die
zunehmend in Produkten eingebettete Software war es im Laufe der Jahre möglich, mechatronische Pro-
dukte mit einem zunehmenden Umfang an Intelligenz auszustatten. Ein Beispiel für solche intelligenten
mechatronischen Produkte ist das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) in einem Automobil. In einem
nächsten Evolutionsschritt wurden diese Produkte um die Fähigkeit erweitert, mit anderen Produkten zu
kommunizieren. Dadurch entstanden „Cyber‐Physische Systeme“ (CPS), wie zum Beispiel der Abstands‐
kontrollassistent in einem Automobil. Smarte Produkte (SP) sind erweiterte Cyber‐Physische Systeme, die
durch intelligente, internetbasierte Dienste, sogenannte Smarte Services, ergänzt werden [2].
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 4
Smarte Produkte sind demnach integrierte Produkt‐Service‐Systeme, die sich durch eine eigene „Intelli‐
genz“, einen hohen Grad an Personalisierbarkeit, Kommunikationsfähigkeit, Integration von Internet‐Ser‐
vices, sowie (Teil‐) Autonomie auszeichnen [1]. Der für die Industrie 4.0 relevante Vorteil der 5G Techno-
logie liegt in der jetzt möglichen Beschreibbarkeit des Netzes über eine Verwaltungsschale, womit das
intelligente Netz selber als “Asset” Industrie 4.0 Komponente im “Internet of Everything” wird und se-
mantische Interoperabilität zwischen Netz- und Produktionstechnik ermöglicht.
Abbildung 2: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 RAMI [3]
Der Bezug zu Industrie 4.0 wird im Folgenden am RAMI4.0 Modell aufgezeigt, siehe Abbildung 2. Für die
Interoperabilität bevorzugt Industrie 4.0 eine allgemeine TCP/UDP/IP-Kommunikation (drahtgebunden
und drahtlos), in der zukünftig auch Time Sensitive Networking (TSN) und 5G hinzugefügt werden.
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 5
Tabelle 1: Ebenen des RAMI 4.0 Modells mit Erweiterungen durch 5G Fähigkeiten
Ebene Erweiterung / Ergänzung durch 5G Fähigkeit
Neue Rollen und Service basierte Geschäftsmodelle bei den Akteuren:
Business • Produktion: Flottenmanagement in Logistik, “Robot as a Service”, “Video
Stream Processing” für das Qualitätsmanagement
• Netzwerk Operator: neue öffentlich-privaten Betreibermodelle
• Infrastrukturlieferanten: Infrastruktur als Service
• Konfiguration von Netzwerkelementen: Regeln, Intelligenz, Computing
Functional power (z.B.: Integration von “big data analytics” in das Netzwerkelement)
• Bedarfsspezifisches “Slicing” für Kundenapplikationen
Die Verwaltungsschale des Netzwerkes (Daten des Netzwerkes) kann für die Pla-
Information nungs-, Design- and Engineeringphase im Entwicklungsprozess verwendet wer-
den und auch zur kundenindividuellen Adaption während der Produktion.
Bisherige Zeitanteile bzw. Orte, die aufgrund fehlender Kommunikationsanbin-
dung nicht zur Wertschöpfung genutzt werden konnten, werden in die Wert-
schöpfung aufgenommen.
Flexible Konfigurierbarkeit einer E2E Konnektivität von I4.0 Komponenten.
Communication Modellbasierte Fähigkeit zur Vorhersage von Netzwerklasten in einer Applika-
tion
Kundenindividuelle Zuschneidung des Netzwerkes für use cases
• deterministische QoS features (garantierte SLA)
• flexibles Platzieren von gateways
• Interaktion mit M2M Protokollen (MQTT, AMQP, CoAP), OPC UA (IEC
62541) und Ethernet TSN (IEEE 802.1)
• Netzwerk Management und Orchestrierung (slicing)
Die unterschiedlichen 5G Eigenschaften: mMTC, eMBB, URLLC erlauben eine ap-
Integration plikationsgerechte Netzkommunikation, auch bei unterschiedlichen Anforderun-
gen. Aggregierbarkeit und Intelligenz (ab ersten Knoten:edge)
Netzwerkkomponenten (wireless and wireline: routers and switches, base sta-
Asset tions, access points, gateways…) werden RAMI4.0 assets.
Frequenzen und 5GNR (new radio) werden RAMI4.0 assets.
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3.3 Wertschöpfungskette und Nutzen für Akteure 5G Technologien werden bis 2035 12 Billionen $ Umsatz generieren. Hierbei wird der Bereich der Produk- tion den größten Anteil haben mit: 3.4 Billion $ =28% [15]. Der Marktanteil für IKT Anbieter in Wertschöp- fungskette wird mit 18% angegeben, siehe Abbildung 3 [4]. Abbildung 3: 5G bewirkter Umsatz für IKT Anbieter im Rahmen der Digitalisierung in 8 Segmenten bis 2026 [5] Eine Aufschlüsselung des Marktes für die weiteren Partner der Wertschöpfungskette, z. B. Infrastruktur- provider und Operator gibt nachstehende Grafik (Abbildung 4). Abbildung 4: Nach Stufen der Wertschöpfungskette aufgeschlüsselter Umsatz für Betreiber [5] Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 7
Um dieses Potential für den Bereich Industrie 4.0 (Manufacturing) zu heben, ist die Kooperation der un-
terschiedlichen Interessensgruppen nach Bild 5 zwingend erforderlich. Hierzu zählen unter anderem:
• Anbieter von 5G Technologien (Infrastruktur, Komponenten)
• Mobilfunkbetreiber (Network Slicing, neue Betreibermodelle)
• Anbieter von Produktionssystemen (Engineering:Konnektivität zum digitalen Zwilling)
• Betreiber von Produktionsanlagen (Virtuelles Ramp up, Effektivität, Mobile Steuerung)
• Anwendungsentwickler und Anbieter
von Software-Plattformen (neue daten- und servicebasierte Geschäftsfelder)
• Zertifizierer (Zertifizierung modularer, adaptiver Anlagen)
Abbildung 5: Akteure in der Wertschöpfungskette
Anders als bei 4G, wo nur ein Einzelszenario unterstützt wird, unterstützt 5G diverse Szenarien einschließ-
lich enhanced Mobile Broadband (eMBB), massive Machine Type Communications (mMTC) und ultra-Re-
liable and Low Latency Communications (uRLLC).
Bisher sind Wertschöpfungsketten darauf aufgebaut, dass jede deterministische Echtzeitsteuerung von
Produktionsanlagen genauso wie jede Analyse von großen Datenströmen einer kabelgebundenen Netz-
werkanbindung bedarf.
Das Szenario „Mobil Gesteuerte Produktion“ ermöglicht nun eine räumliche Trennung von Produktions-
automation (z.B. Roboter) und dessen Steuerungseinheit. Gleiches gilt für Smart Data Analytics oder Ver-
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fahren, die basierend auf Fotos oder Videos arbeiten. Es ist möglich, eine Vielzahl von Roboter hart deter- ministisch in Echtzeit mit einer Recheneinheit in der Cloud (oder Edge) zu steuern und in der Zusammen- arbeit mit Menschen und Maschinen zu synchronisieren. Je nach Anwendungsfall muss 5G-Technologie also vielseitigen Anforderungen an Verfügbarkeit, Sicher- heit und Kapazität gerecht werden. Derartige Anforderungen können nur nachhaltig gewährleistet wer- den, wenn sie auf eine dynamische, flexible und skalierbare Sicherheitsarchitektur zurückgreifen können. Für Anbieter von 5G-Technologien wie z.B. Chiphersteller entsteht die Möglichkeit hardwarebasierte Security-Produkte für 5G Netzwerk-Technologien zu entwickeln und in die industrielle Fertigung zu brin- gen, die den beschriebenen Anforderungen an eine adaptive, skalierbare und verlässliche IT-Sicherheit gerecht werden. Durch innovative Ansätze im Bereich der Flexibilisierung dieser Produkte wird die Zeit bis zur Markteinführung dieser Entwicklungen deutlich verkürzt und stellt damit einen zusätzlichen Wettbe- werbsvorteil dar. Von solchen innovativen Security-Lösungen werden auch Marktteilnehmer nachgela- gerter Wertschöpfungsstufen im Bereich Systemintegration und Anwendungsentwicklung profitieren. Im Kontext von 5G und der steigenden Vernetzung im IoT ergeben sich weitgefächerte Verwertungsmöglich- keiten von H/W- und S/W-Sicherheit im Rahmen der Strategie für Industrie-4.0- und IoT-Produkte, die sich über verschiedene Verwertungsstränge und Kanäle in den Markt bringen lassen. Für die Anbieter von Produktionssystemen eröffnen sich weitere Verbesserungen der angebotenen Sys- teme sowie neue Geschäftsmodelle. Ihre Lösungen werden durch 5G-Datenverbindungen mit reduzierten Inbetriebnahmezeiten eine deutlich höhere Flexibilität erreichen. So ist es denkbar, eine Produktionszelle an Produktionsstandort A auf einen LKW zu verladen, während der Fahrt über eine mobile Datenverbin- dung Diagnoseroutinen durchzuführen und die Produktionszelle an Standort B innerhalb kurzer Zeit wie- der in Betrieb zu nehmen, da die gesamte Steuerungslogik ja aus der Cloud kommt. Somit sind adaptivere Produktionsstraßen auch über Standortgrenzen hinaus gestaltbar. Die Logistik und das Supply Chain Management werden zu den ersten Anwendungen der neuen Techno- logie zählen. Mit der Dezentralisierung und autonomen Steuerung vor Ort sind Konzepte verbunden, die aufgrund lokaler Vorverarbeitung mit geringen Bandbreiten und vergleichsweise hohen Latenzzeiten ar- beiten können. Neue Geschäftsmodelle basieren auf den Daten, die von den Produktionssystemen an die Cloud geschickt werden. Es ist der Betrieb leistungsfähiger Services, die die Steuerungslogik für hunderte, auch räumlich weit verteilter Roboter übernehmen, möglich und sinnvoll. Zentrale, über Standortgrenzen und verschie- dene Anlagenbetreiber hinweg durchgeführte Analysen führen zu einer Art Schwarmintelligenz hinsicht- lich der Optimierung der Systeme. Schließlich sind cloudbasierte Services denkbar, die mit spezialisiertem Know-How z.B. automatisierter Bildauswertung Qualitätsprüfungen in Echtzeit durchführen, die in lokaler Installation nicht rentabel be- trieben werden könnten. Die Betreiber von Produktionsanlagen können durch die verbesserten Systeme und zusätzlichen Dienste für die Produktionssysteme profitieren. Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 9
Die Mehrwerte bei 5G Technologie Providern und Mobile Network Operators (MNO) liegen vor allem in
einer zu erwartenden Nutzung und folglich auch Nachfragesteigerung bzgl. der jeweils angebotenen
Dienste. Hinsichtlich der MNO sind die Chancen zu nennen, die sich durch die Integration von privat (fir-
men intern) betriebenen Netzwerken in öffentliche Mobilfunknetzwerke ergeben.
Hierzu müssen allerdings die Geschäfts- und Betreibermodelle der Mobilfunkindustrie und der industriel-
len Anwender so aufeinander abgestimmt werden, dass die Anforderungen der Anwender u.a. an Verfüg-
barkeit, Haftung und Transparenz erfüllt werden können.
Abbildung 6 stellt verschiedene Realisierungsalternativen einander gegenüber.
Geografisch begrenzte, dedizierte Netzwerke, basierend auf der Nutzung lizensierten Spektrums, stellen
aus Sicht der industriellen Anwender die präferierte Option dar.
Damit verbundene Erwartungen sind:
• Vollständige Betriebskontrolle für den Netzbetrieb insbesondere für die produktionskritische Inf-
rastruktur, bezogen auf die Ressourcenkontrolle und auch in Emergency-Situationen.
• Eine eindeutige Haftungszuweisung bzw. -verständnis befördert auch eine physikalische Trennung
und Kontrolle über kritische Daten.
• Vorteile in Bezug auf Kostentransparenz und -kontrolle.
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 10(1) MNOs can deploy small cells in licensed spectrum harmonized for MFCNs. But the verti-
cals are reluctant to rely on MNOs for mission critical applications. 3GPP vendors can supply
4.5G/5G. Non-3GPP technologies are not spectrally efficient for licensed spectrum.
(2) MNOs can –in principle- deploy small cells using 3GPP technologies (e.g. LTE-LAA Mul-
tefire) in licensed-exempt spectrum, but their role is not essential. The absence of OoS guar-
antees means verticals will be even less interested than in Case-1. 3GPP vendors can supply
LAA-LTE/Multefire, but will need to compete with non-3GPP vendors (IEEE 802).
(3) The verticals prefer this case, relying on geographically restricted network coverage.
MNOs may engage with campus network offerings. The 3GPP vendors can supply 4.5G/5G
technology. Non-3GPP technologies are not spectrally efficient for licensed spectrum.
(4) The absence of OoS guarantees means that verticals will not be interested in this case,
even though MNOs are not in the value chain. 3GPP vendors can supply LAA-LTE/Multefire,
but will need to compete with non-3GPP vendors (IEEE 802.11)
Abbildung 6: Realisierungsalternativen für 5G Netzwerke an Produktionsstandorten
3.4 Fallbeispiele in der Produktion
In einer themenrelevanten EFFRA Studie (European Factory of the Future Research Association) [6] wur-
den fünf Familien unterschiedlicher Anwendungsfälle im Bereich adaptiver Produktion und Logistik iden-
tifiziert, in denen 5G neue Fähigkeiten einbringen kann (siehe Abbildung 7):
• UC1: Zeitkritische Prozessoptimierung im Werk zur Unterstützung von Null-Fehler-Fertigung, zur
Erhöhung von Effizienz, Arbeitszufriedenheit und Sicherheit. Dies erfordert die Integration einer
Vielzahl unterschiedlicher Sensortechnologien einschließlich 3D-Scanning-Technologien sowie die
Integration von Wearables und den Betrieb kollaborativer Roboter in geschlossenen Regelkreisen.
Diese Use-Case-Familie erfordert Latenzzeiten kleiner 1ms.
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 11• UC2: Nicht zeitkritische Optimierungen innerhalb der Fabrik, um größere Flexibilität und Umwelt-
verträglichkeit zu erreichen, um die Betriebseffizienz zu erhöhen, z.B. Erreichung minimaler La-
gerbestände. Indoor-Abdeckung und eine sehr hohe Netzverfügbarkeit sind hier Schlüsselanfor-
derungen.
• UC3: Fernwartung und -steuerung zur Optimierung der Betriebskosten bei gleichzeitiger Erhö-
hung der Betriebszeit. Diese Fallbeispielfamilie beinhaltet die Integration von virtueller 3D-Reali-
tät und erfordert zunehmend Video-unterstützte Fernwartung von jedem Ort der Welt.
• UC4: Nahtlose Kommunikation innerhalb und zwischen Unternehmen, die die Überwachung und
Steuerung von Produktionsmitteln und Logistikströmen ermöglicht. Hier besteht ein besonderer
Bedarf an flexibler, zuverlässiger und nahtloser Konnektivität über verschiedene Zugangstechno-
logien hinweg.
• UC5: Mit dem Internet verbundene, stationäre und mobile Güter, um neue Serviceleistungen zu
generieren und die Produktdesignphase durch Echtzeitdaten, die während der gesamten Lebens-
dauer eines Produktes gesammelt werden, optimieren zu können. Hier besteht Bedarf an sehr
preiswerten Lösungen mit sehr geringem Energieverbrauch.
Abbildung 7: Fünf Fallbeispiele in der Produktion und Anforderungen an die Kommunikation (UC1-UC5)
Die aktuell in den 3GPP-Standardisierungsprozess im Kontext „Factory of the Future“ eingebrachten Use
Cases sind in nachstehender Abbildung 8 im Kontext ihrer Anforderungen dargestellt.
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 12Abbildung 8: 3GPP Use Cases [TR22.804, Study on Communication for Automation in Vertical Domains] Zur Sicherstellung einer Ende-zu-Ende-Konnektivität in der Produktion bietet das „5G E2E-Network Sli- cing“ nach Abbildung 9 die Fähigkeit, eine Vielzahl logischer Netzwerke mit applikationsspezifischen und kundenindividuellen Leistungsparametern (garantierte SLA, z.B. Auch für sich gegenseitig ausschließende Anforderungen: eMBB, URLLC,mMTC) als virtuell unabhängige Instanzen auf einer gemeinsamen physika- lischen Infrastruktur betreiben zu können. Mit diesem Ansatz kann das 5GE2E-Slicing bereits in den Engineeringprozess smarter Produkte und Pro- duktionsmittel nach Bild 1 integriert werden und ermöglicht darüber hinaus auch ein adaptives Reengi- neering bestehender Anlagen zur Anpassung an Änderungen kundenindividueller Anforderungen. Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 13
Abbildung 9: Maßgeschneiderte E2E Konnektivität in der Produktion durch „5G Network Slicing“ 3.5 5G Fähigkeiten & Mehrwert in exemplarischen Fallbeispielen Darstellung von 5G-Fähigkeiten mit Bezug zum RAMI 4.0 Modell und Mehrwert in den Fallbeispielen nach Abbildung 7, siehe Abbildungen 10 und 11. Sensordatenfusion Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 14
Sensordatenvorverarbeitung Abbildung 10: 5G Fähigkeiten für die Datenfusion unterschiedlicher Sensoren (oben) und Datenvorverarbeitung (unten) „PLC in the cloud“ und „Condition Monitoring“ Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 15
Neue Rollen und Geschäftsmodelle Abbildung 11: 5G Fähigkeiten für „Big data“, „plc in the cloud“ (oben). Neu entstehende Rollen und Services (unten) 3.6 Disruptives Potential 5G wird nicht nur Veränderungen in der Technologie bewirken, sondern auch in den Prozessen und Ge- schäftsmodellen der Betreiber und Zulieferer von Industrieanlagen. Dies beinhaltet auch die Verantwor- tung für die „Total Cost of Ownership“, also für die Investition in Installation und Betrieb von Maschinen und Anlagen, die im Verbund mit 5G weltweit standardisierte Garantien bezüglich Verfügbarkeit, Band- breite und Kommunikationsqualität (QoS, Quality of Service und SLA, Service Level Agreement) mitein- schließen. Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 16
4 Bezug zu den anderen AGs der Plattform
Relevanz Inhalte
AG1 Beiträge zur UAG “Netzwerke”, Strukturkonzept “RAMI4.0 Communication Layer”, incl.
“5G AAS”
Normierung, Standardisierung eines durchgängigen Kommunikationsmediums über alle
Layer und Anwendungen
AG2 Ausarbeitung von 5G Use Cases in der Produktion (URLCC, eMBB, e2e,..)
AG3 Datensicherheit, Vertraulichkeit im Netzwerk, in Edge und lokalen CN (Abgrenzung zu
Regularien für RZ)
(CN-computing nodes, die im shopfloor lokal bzw. sensornah Daten(vor)verarbeitung
leisten)
AG4 Neue Betreibermodelle (z.B. LSA) zwischen Industrie und MNO
AG 5 Neue 5G basierte Kommunikationsmöglichkeiten des Menschen zur Kollaboration mit
Kollegen und Maschinen (HMI, AR)
Joint IIRA-RAMI4.0 – Integrate 5G capabilities in phys. Layer & Services
Group IIC-
I4.0
ZVEI – 5G 5G ACIA: „5G Alliance for Connected Industries and Automation“
Taskforce: Agendasetting, Mitgestaltung
ACIA
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 175 Glossar
Akronym Definition
CPS Cyber Physical System, siehe I4.0 Komponente
eMBB enhanced Mobile Broadband
I4.0 Industry 4.0
I4.0 Kompo- I4.0 Komponente – vormals CPS genannt – bildet die Laufzeitdaten eines Assets in die
nente Informationswelt ab.
mMTC massive Machine Type Communication
MNO Mobile Network Operators
RAN Radio Access Network
URLLC Ultra Reliable and Low Latency Communication
AG Arbeitsgruppe
6 Quellen
[1] The International Academy for Production, Laperrière, L., Reinhart, G., Tolio, T., Chatti, S. (Eds.),
CIRP Encyclopedia of Production Engineering, Berlin Heidelberg: Springer, 2014.
[2] SMART SERVICE WELT Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Internetbasierte Dienste
für die Wirtschaft, acatech 2014.
[3] Plattform Industrie 4.0: http://www.platform-i40.de, An Industrial Internet Consortium and Platt-
form Industrie 4.0 Joint Whitepaper
[4] HIS Economics & IHS Technology, “The 5G economy: How 5G technology will contribute to the
global economy”, Jan 2017, http://ihs.com
[5] The 5G Business Potential – Second Edition, Ericsson 2017
[6] “White Paper 5G and the Factory of the Future”, 5GPPP White Paper, 2015.
[7] ZVEI White Paper, “Coexistence of wireless systems in automation technology”, 1 st Edition, April
2009.
[8] ZVEI White Paper, “5G im industriellen Einsatz”, November 2016.
[9] Industrial Internet Consortium: http://www.iiconsortium.org
[10] European Factories of the Future Research Association (EFFRA), http://www.effra.eu
[11] Huawei White Paper, “5G: A Technology Vision”.
[12] 5G Automotive Association: http://5gaa.org
[13] 3GPP: http://www.3gpp.org
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 18[14] SmartFactoryKL: http://www.smartfactory.de/
[15] “5G Service-Guaranteed Network Slicing Whitepaper”, Feb 28, 2017, CMCC, Huawei, Deutsche Tel‐
ekom, and Volkswagen
[16] GSMA: https://www.gsma.com/
[17] NGMN: https://www.ngmn.org/
[18] ETSI: http://www.etsi.org/
7 Kontaktadressen der Autoren
Jürgen Grotepass (HUAWEI), Juergen.grotepass@huawei.com
Klaus Bauer (Trumpf), klaus.bauer@de.trumpf.com
Johannes Berg (nxp), johannes.berg@nxp.com
Johannes Diemer (dcx), Johannes.Diemer@dxc.com
Michael ten Hompel (Fraunhofer IML), tenhompel@iml.fraunhofer.de
Johannes Kalhoff (Phoenix Contact), jkalhoff@phoenixcontact.com
Jan-Peter Meyer-Kahlen (Ericsson), Jan-Peter.Meyer-Kahlen@ericsson.com
Jan Stefan Michels (Weidmüller), janstefan.michels@weidmueller.de
Ernst-Joachim Steffens (Deutsche Telekom), Ernst-Joachim.Steffens@telekom.de
Thomas Stiedl (Bosch), Thomas.Stiedl@de.bosch.com
Christian Zeidler (ABB), christian.zeidler@de.abb.com
Technologieszenario “MGP-Mobil Gesteuerte Produktion – 5G für Digitale Fabriken”, V1.9, 30.01.18 19Sie können auch lesen
