Hochverfügbare Datenverbindungen „Six-9s“: Ist 5G reif für den Einsatz in der Industrie?

Von Brendan O´Dowd *

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Mit 5G haben Hersteller die Möglichkeit, ihre bewährten 4-20-mA- Verkabelungen durch eine drahtlose Infrastruktur abzulösen – und so die Flexibilität ihrer Produktionsstätten enorm zu verbessern.

Flexibel: In dedizierten Campus-Netzwerken lässt sich 5G so konfigurieren, dass die strengen Anforderungen für den industriellen Einsatz – geringste Latenzen, extrem zuverlässige Verbindungen, massive Maschinenkommunikation erfüllt werden.
Flexibel: In dedizierten Campus-Netzwerken lässt sich 5G so konfigurieren, dass die strengen Anforderungen für den industriellen Einsatz – geringste Latenzen, extrem zuverlässige Verbindungen, massive Maschinenkommunikation erfüllt werden.
(Bild: Analog Devices)

Bis zur Markteinführung von 5G dienten alle bisherigen Generationen der mobilen Telefontechnologie primär dazu, den Betrieb des Handgeräts zu verbessern. Die erste Generation der Mobiltelefon-Netzwerke war ein analoges System, das gerade genügend Bandbreite für eine Sprachübertragung bot. In den frühen 1990er Jahren kam mit 2G die erste digitale Mobiltelefon-Technologie auf den Markt und 3G ermöglichte es Ende der 1990er einem mobilen Endgerät erstmals E-Mail-Nachrichten zu verarbeiten und einen rudimentären Zugriff auf Internetseiten zu erhalten.

Aber erst mit Einführung der 4G-Technik 2008 eröffneten sich echte Smartphone-Fähigkeiten: das breitbandige mobile 4G führte zur Entwicklung von Smartphone-Apps, zur Verbreitung von Multimedia und Streaming-Diensten sowie zu schnellem Internet-Zugang auch unterwegs. Mit 5G wird nun erstmals eine Mobilfunktechnik installiert, die neben den Anforderungen von Nutzern mobiler Endgeräte speziell auch solche für industrielle Anwendungen berücksichtigt. Dafür soll 5G in drei Bereichen wichtige Leistungsparameter bereitstellen: 1) Latenz, Zuverlässigkeit und Determinismus, 2) Verbindungsdichte, also die Anzahl der Endgeräte pro Funkzelle und 3) Bandbreite und Geschwindigkeit des Datentransfers.

Damit soll es möglich sein, auch dicht beieinanderstehende und gleichzeitig kommunizierende Geräte und Maschinen in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. In einer Smart City wird beispielsweise von 5G erwartet, dass es Echtzeitinformationen über den Ort verfügbarer Parkplätze liefert und diese im Navigationssystem von Autos in der Umgebung anzeigt. Ein solches smartes Parkleitsystem erfordert die simultane Verbindung von tausenden von Näherungssensoren oder Kameras mit tausenden von Autos in einem begrenzten Gebiet. Dabei müssen kontinuierlich Echtzeitdaten über die Verfügbarkeit und den Ort der Parkplätze übertragen werden.

5G integriert für industrielle Anwendungen essenzielle Funktionen

Die Anforderungen dieser und weiterer Anwendungen an Latenz, Verbindungsdichte und Bandbreite wird von drei technischen Fortschritten erfüllt, die in den Spezifikationen des 5G-Standards verankert sind:

  • Extrem zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (URLLC = Ultra-Reliable Low Latency Communication).
  • Erweiterte mobile Bandbreite (eMBB = enhanced Mobile Broadband), um die neuen bandbreitenabhängigen Anwendungsfälle einschließlich erweiterter und virtueller Realität zu unterstützen.
  • Verbesserte/massive Maschinenkommunikation (eMTC = enhanced/massive Machine Type Communications) für drahtlose Weitbereichsnetzwerke mit geringem Strombedarf.

Diese Eigenschaften der 5G-Technik erlauben es, die Anforderungen von Fabriksteuerungssystemen an Echtzeit-Determinismus und einer „Six 9s“-Verfügbarkeit (99,9999 Prozent) zu erfüllen. Nutzer von mobilen Endgeräten, die über 2G-, 3G- und 4G-Netze auf das Internet zugreifen, haben bislang häufig ganz andere Erfahrungswerte: Die Netzabdeckung ist ortsabhängig schwach oder nicht vorhanden, und Verbindungen brechen vereinzelt und unvorhersehbar ab. Dennoch gibt es realistische Zukunfts­aussichten, dass die Mobiltelefontechnik genutzt werden wird, um sicherheits- und zeitkritische industrielle Maschinen miteinander zu vernetzen.

Ablösung der ausgereiften 4-20-mA-Technik

Trotzt des Hypes um die zukunftsträchtige 5G-Technologie, ist es heute so, dass die meisten Installationen von Prozessaus­rüstungen immer noch drahtgebundene 4-20-mA-Verbindungen nutzen – eine bewährte zuverlässige Technik, die bis in die 1950er Jahre zurückreicht. Dies zeigt das Bedürfnis der Industrie nach hoher Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie das Vermeiden von Risiken bei der Implementierung von unternehmens- oder sicherheitskritischen Systemen.

Doch Innovationen in der Art und Weise wie Fabriken arbeiten sind für die Entwickler von Steuerungssystemen Grund genug, Alternativen für die 4-20-mA-Technik zu suchen. Durch die fortschreitende Digitalisierung der Produktionsstätten, zusammengefasst im Begriff Industrie 4.0, verändert sich die Funktionsweise moderner Fabriken immer schneller. Zwei Trends treiben dabei den Bedarf an neuen Netzwerktechniken: Die Einführung von autonomen mobilen Maschinen und der Aufbau von flexibleren Fabriken, um die wachsende Nachfrage der Konsumenten nach personalisierten oder speziell konfigurierten Produkten zu befriedigen.

Bei der Einrichtung von Fabriken und Lagerhallen bietet der Einsatz von autonomen, geführten Fahrzeugen (AGVs = automated guided vehicles), Cobots und weiteren mobilen Geräten einen geeigneten Weg, sowohl Effektivität als auch Produktivität zu steigern. Da automatisiertes Equipment von der Bürde befreit, einfache Tätigkeiten ständig wiederholen zu müssen, können die Mitarbeiter höherwertigere und interessantere Aufgaben übernehmen, die Maschinen nicht ausführen können.

Geringe Latenz, hohe Teilnehmerzahl pro Funkzelle, robuste Verbindung

Die neue Generation autonomer mobiler Geräte benötigt eine drahtlose Kommunikationsverbindung, die eine geringe Latenz für die Echtzeitsteuerung sicherstellt, und eine hohe Bandbreite hat, um die Signale von verschiedenen Sensoren wie LiDAR-Scannern und Videokameras zu übertragen sowie eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Interferenzen aufweist – die typischen Merkmale von mobilen 5G-Netzwerken.

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Wenn Fabrikbetreiber eine drahtgebundene durch eine drahtlose Vernetzung ersetzen, gewinnen sie auch an Flexibilität, um ihre Produktionsanlagen schnell neu zu konfigurieren, um damit die neuen oder geänderten Bedürfnisse der Kunden zu erfüllen. Das Aufkommen des E-Commerce hat die Erwartungen der Konsumenten nach einer praktisch sofortigen Lieferung von bestellten Produkten gesteigert sowie die Möglichkeit, aus einer größeren Palette an Produktvarianten als je zuvor auswählen zu können geschaffen. Die Fähigkeit, Produktions- oder Prozessausrüstungen schneller und einfacher zu versetzen wird dafür immer wichtiger. Eine feste, drahtgebundene Kommunikationsinfrastruktur ist jedoch nicht so flexibel wie ein drahtloses Netzwerk, in das Equipment von jedem Ort aus eingebunden werden kann. Drahtlose Netzwerke reduzieren auch die Kosten sowie Unbequemlichkeiten und technische Schwierigkeiten, die mit der Installation der Netzwerkverkabelung zusammenhängen.

Damit sind Fabrikbetreiber langfristig in der Lage, zusammen mit den etablierten drahtgebundenen Kommunikationstechnologien, von den Steuerungsmöglichkeiten der drahtlosen Kommunikation zu profitieren. In naher Zukunft muss die Industrie jedoch eine Priorisierung der dafür wichtigsten Anforderungen machen, die da sind:

  • Hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit,
  • Sicherheit,
  • Robustheit, um die herausfordernden Bedingungen in industriellen Betriebsumgebungen zu verkraften und
  • extrem geringe Latenz.

Diese Faktoren sind Grund der Langlebigkeit des 4-20-mA-Standards für die Fabrikkommunikation. Und während die Fabrik­betreiber die 4-20-mA-Technologie ersetzen wollen, liegt ihr Fokus heute besonders auf der Implementierung des TSN-Standards (Time Sensitive Network) für die drahtgebundene industrielle Ethernet-Kommunikation. TSN hat sich als bevorzugter Standard für eine drahtgebundene Datenkommunikation mit hoher Bandbreite in der Fabrik ent­wickelt, da er die ideale Kombination aus Zuverlässigkeit, Robustheit und hohen Datenübertragungsraten, geringer Latenz im Mikrosekundenbereich sowie einfacher Integration in die IT-Netzwerksysteme der Unternehmen ist. Und weil die TSN-Spezifikationen Unterstützung aus vielen verschiedenen Branchen erhalten, entwickelt sich schnell ein reichhaltiges Eco-System mit Lieferanten von TSN-Komponenten und -Systemen, in dem auch Analog Devices tätig ist.

Mit 5G Produktionsabläufe optimieren

Neben der Implementierung von TSN-Netzwerken wird derzeit jedoch auch der Spielraum zur Verbesserung der Fabrikationsabläufe durch die Implementierung von drahtlosen Netzwerken evaluiert. Einige frühe Anwender in der Branche haben bereits damit begonnen den Betrieb von 5G-Netzwerksystemen in ihren Fabriken zu testen und zu validieren, wobei sie aber gleichzeitig noch die veralteten 4-20-mA-Systeme durch die neuen TSN-Netzwerke ersetzen. Durch diesen Validierungsprozess wird man die am besten geeigneten Anwendungen für die 5G-Technologie finden.

Fabrikbetreiber beginnen damit, die innovativen Eigenschaften der 5G-Spezifikation zu prüfen, etwa die „Massive MIMO“ – die Nutzung eines Antennenarrays, mit dem sich mehrere physikalische Übertragungspfade zwischen Sender und Empfänger realisieren lassen.

Ein Array kann so konfiguriert sein, dass es mehrfache gerichtete Antennenstrahlen an verschiedene Empfänger sendet und empfängt. Dies erlaubt die Implementierung von Techniken wie Channel-Hardening (Reduktion von Multipfadausbreitung), Strahlformung, schnelle Kanalschätzung und Antennen(spatial)-Diversity, also die Eigenschaften, die, im Vergleich zu 4G-Netzwerken, die Zuverlässigkeit drastisch verbessern und die Latenz reduzieren. Ein Ziel bei der Entwicklung des 5G-Standards war das Erreichen einer Zuverlässigkeit von Six-9s für die Übertragung der Datenpakete über ein drahtloses Netzwerk. Das ist vergleichbar mit der Zuverlässigkeit eines drahtgebundenen Ethernets und entspricht einer Paketfehlerrate von 1:1.000.000. Eine Latenz von nur 1 ms sollte ebenfalls möglich sein, was im erforderlichen Bereich vieler industrieller Steuerungsapplikationen liegt.

Dabei stellt sich die Frage: Kann diese Leistungsfähigkeit auch unter realen Betriebsbedingungen in einer Fabrik erzielt werden, wenn das Kommunikationsequipment mehreren Störquellen mit hoher Amplitude, Spannungsspitzen, hohen Temperaturen und weiteren Interferenzen ausgesetzt ist? Beim Validieren unter realen Betriebsbedingungen haben die Entwickler von Fabrikationssystemen die Wahl: Sie können natürlich die hohe Netzabdeckung von 5G nutzen, die von den Service-Providern mobiler Kommunikationsnetzwerken geboten wird. Der 5G-Standard erlaubt aber auch die Implementierung in private Systeme, sogenannte Nicht-Öffentliche Netzwerke (Non-Public Networks, NPNs), die z.B. einen Industriecampus oder einen großen Fabrikkomplex abdecken. Verscheidene Industrienutzer werden in solchen Fällen auch eine unterschiedliche Wahl an öffentlichen oder privaten Netzwerken bevorzugen.

OpenRAN für mehr Freiheit bei der Wahl der Anbieter

Das Implementieren eines 5G-Netzwerks in die Fabrik wird auch durch die Entwicklung der OpenRAN-Spezifikation (Open Radio Access Network) durch die Betreiber mobiler Netzwerke vereinfacht. Dies hat den Markt für 5G-Funk- und -Kernkomponenten für eine breitere Palette an Lieferanten geöffnet, zusätzlich zu denen, die traditionell Telecom-Equipment liefern. Darin liegt das Potenzial, die Auswahl an verfügbarem Equipment zu vergrößern, um die Bedürfnisse der Anwendungsfälle zu erfüllen, die sich von denen der Netzwerkbetreiber im Massenmarkt unterscheiden. Darüber hinaus wird damit die Entwicklung von 5G-Produkten von Lieferanten gefördert, die sich auf den industriellen Markt konzentrieren.

Als ein Anbieter von Komponenten für den physikalischen Layer und Protokollsoftware für die Hersteller sowohl von TSN-Ausrüstungen als auch der 5G-Infrastruktur ist Analog Devices ideal positioniert, um die Zukunftsaussichten jeder dieser Technologien zur Implementierung in industrielle Steuerungssysteme richtig einzuschätzen. Während die nahe Zukunft der drahtgebundenen industriellen Ethernet-Technik gehört, kann man sich eine Zukunft mit AGVs und Robotern in der Fabrik, die zeit- und missions-kritische Daten über ein 5G-Netzwerk senden und empfangen, sehr gut vorstellen. Die Verfügbarkeit der hohen 5G-Netzabdeckung bedeutet dabei, dass dies bereits heute eine reale und nicht mehr nur theoretische Möglichkeit ist.

* Brendan O´Dowd ... ist General Manager for Industrial Automation von Analog Devices

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