Data Generation, Collection & Transfer
26.02.2019

5G – Chancen und ­Herausforderungen in der Industrie

Mit der digitalen Transformation erhöhen sich auch die Anforderungen an die Kommunikationstechnologie. Weitreichende Möglichkeiten auch für ­industrielle Anwendungen soll der LTE-Nachfolger 5G mitbringen. Experten aus Industrie und Forschung diskutierten – moderiert von openautomation – über zukünftige Applikationen und Einsatzmöglichkeiten des Standards.

Bild: fotolia_wladimir1804

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„Die fünfte Generation des Mobilfunks fokussiert sich nicht nur, wie die bisherigen Mobilfunkstandards, auf die Vernetzung von Menschen, beispielsweise um miteinander ­telefonieren zu können, Kurznachrichten zu verfassen oder Inter­netdienste zu nutzen“, schildert Dr. A. Müller. „Vielmehr hat 5G erstmalig auch die effiziente Vernetzung verschiedenster Sensoren, Aktuatoren und anderer Geräte im Internet der Dinge als wesentliches Ziel.“ Dies eröffnet neue Anwendungsfelder, wie in der Industrieautomatisierung sowie in den Bereichen Automotive, Medizintechnik und Smart Building. „5G ermöglicht unter anderem höhere Datenraten, kürzere Latenzen sowie eine größere Zuverlässigkeit“, schließt er an. Er ist überzeugt, dass sich 5G in der Industrie disruptiv auswirken wird – sowohl in der diskreten Fertigung als auch in der Prozessautomatisierung: Neue Anwendungen werden erschlossen und neue Systemarchitekturen entstehen.

B. Rauscher sieht das durchgängige Design der Automatisierungssysteme als Vorteil: „Früher musste immer die Automatisierung für die Kommunikation passend gemacht werden.“ Dazu kommt die hohe Energieeffizienz von 5G: „Bei der Verwendung klassischer Lösungen wie etwa eines GSM-Modems zur Vernetzung von Sensoren wird mehr Energie verbraucht, um die Verbindung aufzubauen, als ein Byte zu senden.“ H. Schüttler ergänzt aus Sicht der Telekom: „Wir beschäftigen uns jetzt mit neuen Geschäftsmodellen. Bisher waren wir in der Industrieautomation nicht vertreten. Mit 5G bekommt der Netzausbau ganz andere Dimensionen.“ Er betont aber auch: „Für uns wird es eine gewisse Lernphase ­geben. Die Anforderungen an die Netze in der Automatisierung ­steigen mit Industrie 4.0.“ Auch Dr. U. Dropmann sieht „Herausforderungen in allen Dimensionen“: „Die Datenrate ist höher, die Latenzzeit entsprechend reduziert, die verwendeten Geräte zeichnen sich durch geringeren Energieverbrauch und damit höhere Kosten­effizienz aus.“ Weitere Herausforderungen sieht er vor allem beim Netzausbau und hinsichtlich der Heterogenität der Abdeckung.


Dr. Andreas Müller ist im
Zentralbereich Forschung
und Entwicklung bei
Bosch, Stuttgart,
verantwortlich für das Segment Kommunikations- und Vernetzungstechnik

Dr. Lukasz Wisniewski
ist Leiter der
Forschungsgruppe
„Computer-Netz­werke“
am Institut für
industrielle Informationstechnik (inIT) an der Hochschule OWL

Herbert Schüttler leitet den Bereich Business Development bei
Telekom Deutschland

Benedikt Rauscher ist Leiter für globale
Industrie-4.0-Projekte bei Pepperl+Fuchs


Konkrete Anwendungen

„Vorstellbar ist etwa die Überwachung von Transportbehältern, die prozesstechnische Erzeugnisse zum Anwender oder direkt zum Kunden bringen“, schildert B. Rauscher einen möglichen Anwendungsfall. „Permanente Informationen über aktuelle Position und Füllstand können mittels 5G mit einem einheit­lichen Kommunikationsstandard übertragen werden, ohne ständig von einem System zu einem anderen wechseln zu müssen.“ Dr. L. Wis­niewsky sieht ebenfalls viele Möglichkeiten mit 5G. Gleichwohl wird man aber „nicht alle bisher eingesetzten Standards in der drahtlosen Kommunikation durch 5G ersetzen können, sondern nur einige ablösen – vergleichbar mit dem Einsatz von TSN in der Feldbuswelt“. Seiner Einschätzung nach wird der zunehmende Einsatz von 5G in der Industrie ein „kontinuierlicher Prozess“. Einsatzchancen sieht er ebenso in der Feld­ebene, auch wenn nicht alle eingesetzten Technologien ersetzt werden.

„Ein weiterer Anwendungsfall für 5G könnte auch die Namur Open Archi­tecture sein“, ergänzt B. Rau­scher. 5G bietet einen parallelen, zudem drahtlos realisierbaren Kommunikationspfad, mittels dessen man Daten parallel zur klassischen Hierarchie übertragen kann. Dr. A. Mül­ler betont, dass besonders im Hinblick auf die Prozess­industrie die kabellose Übertragung ein wesentlicher Vorteil ist, da damit neben der besseren Einsatzmöglichkeit auch in rauen Umgebungen ein erheblicher Mobilitätsgewinn einhergeht. Das zahle sich insbesondere bei Assistenzsystemen für Benutzer und bei der Wartung aus.
Ein prädestinierter Anwendungsfall sind laut Dr. A. Müller fahrerlose Transportsysteme: Hier lässt sich beispielsweise mittels 5G Intelligenz vom sich bewegenden Fahrzeug in eine lokale Edge Cloud verlagern, was neue Funktionen ermöglicht und gleichzeitig erhebliches Kosteneinsparungspotenzial bietet. Ebenso können Anlagen besser auf- und nachgerüstet werden, da bei vorhandener Infrastruktur Sensoren und Aktuatoren einfach angebaut werden können und schnell im System zur Verfügung stehen. „Mit 5G wird nicht nur kommuniziert, sondern mittel- bis langfristig können mit derselben Infrastruktur auch Geräte schnell, präzise und effizient lokalisiert werden“, schließt er an. Die Einsatzmöglichkeiten einer solchen inte­grierten, hochpräzisen Lokalisierung sind enorm.

„5G bringt die Fähigkeit zum Handling zeitkritischer Prozesse mit“, unterstreicht Dr. U. Dropmann. Außerdem ist die Technologie dahinter weniger anfällig für Stö­rungen. Für H. Schüttler sind die Möglichkeit der Kombination unterschiedlicher Technologien in einem Netz, Echtzeitfähigkeit mit draht­loser Technologie, die Verfügbarkeit relativ breitbandiger Netze sowie die Möglichkeit der Vernetzung relativ vieler Sensoren auf relativ engem Raum die Innovationstreiber, die zu neuen Anwendungen führen werden. „Dazu kommt die deutlich verbesserte Zuverlässigkeit“, ergänzt auch er. „Die Kombination dieser Vorteile in einem Netz ist die eigentliche Neuheit.“ Allerdings wird die Echtzeitfähigkeit sicher nicht für die ganz schnellen Motion-Control-Anwendungen reichen.

Frequenzvergabeverfahren im Fokus

Ein Diskussionspunkt zwischen den Experten ist die Entscheidung der Bundesnetzagentur zur Vergabe von 5G-Frequenzen in Deutschland, die neben der bundesweiten Versteigerung von Frequenzen auch die Zuteilung lokaler und regionaler Frequenzen auf Antrag vorsieht. „Wichtig ist im Frequenzvergabeverfahren, dass das Spektrum fair und vernünftig verteilt wird“, ergänzt H. Schüttler. Für Deutschland als führender Standort in der Automatisierungsindustrie sei es wichtig, ein möglichst breites Spektrum zur Verfügung zu haben und so auch „die Zukunftsfähigkeit unserer Produktion zu gewährleisten.“

Kleinere Differenzen zwischen ­Telekommunikations- und Fertigungsindustrie sind zwar feststellbar, dennoch habe man sich beim ZVEI in der 5G-ACIA (5G-Alliance for Connected Industries and Automation) zusammengefunden, um den bestmöglichen gemeinsamen Nutzen zu erzielen. Benötigt würden „einerseits Netze in der Fläche, um möglichst alle Kommunikationsbedürfnisse zu erfüllen, gleichzeitig braucht man an bestimmten Hotspots dedizierte Bandbreiten, um die Fertigungsindustrie in die Lage zu versetzen, sichere Netze zur Gewährleistung ihrer Produktion zu nutzen“, stellt H. Schüttler heraus. Auch Dr. A. Müller kennt die „verschiedenen Sichtweisen auf den Netzbetrieb“, verursacht durch die unterschiedlichen Anforderungen von Kommunikations- und Fertigungstechnik.

Eine wesentliche Frage ist zum Beispiel, ob man für produktionstechnische Prozesse auf das Netz der Telekom zurückgreifen oder ein eigenes gekapseltes Netz etablieren soll. „Hier gibt es unterschied­liche Stimmen“, weiß er zu berichten. Endanwender mit hohen Anforderungen an die Sicherheit werden eher ein eigenes Netz befürworten, zudem sind haftungsrechtliche Fragen, etwa bei Produktionsausfällen, von Belang. „Aus meiner Sicht wird es sowohl die Nutzung öffent­licher Netze als auch die Etablierung eigener Netze geben“, schließt Dr. A. Müller an. Das hängt von der Größe bzw. den Kapazitäten des ­jeweiligen Anwenders und dessen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, die Verfügbarkeit und die Sicherheit ab. Eine „Motivation, größere gesicherte Netze aufzubauen“, sieht B. Rauscher „ebenso in der Chemieindustrie, da man dort kein öffentliches Netz verwenden möchte, um Sicherheit und Verfügbarkeit selbst in der Hand zu haben.“

Für H. Schüttler ist klar, dass die Kernkompetenz vieler mittelständischer Fertigungsunternehmen nicht in der Telekommunikation liegt. „Wir als Telekom werden daher für die mittelständische Industrie Netzwerke betreiben.“ Für diese Zielgruppe soll es spezielle Lösungen geben, die genau deren Anforderungen Rechnung tragen.

Die für die Frequenzvergabe zuständige Bundesnetzagentur hat sich wohl schon darauf eingestellt, dass nur eine Kombination von nationalem Rollout sowie eine bedarfsgerechte Versorgung von Wirtschaftsstandorten in der Fläche auch mit lokalen Frequenzen sinnvoll ist. Für Dr. U. Dropmann ist vor allem wichtig, „dass genügend Bandbreite für eine sichere Kommunikation zur Verfügung steht, um verschiedene Dienste realisieren zu können.“

Kompatibilität und Zukunftsfähigkeit

Wie sieht es mit der Kompatibilität aus? „Mit 5G haben wir zwar eine neue, zu bisherigen Schnittstellen nicht kompatible Technik“, betont H. Schüttler. „Allerdings wird alles, was wir heute auf LTE-Basis haben, Teil der 5G-Familie sein.“ Und auch LTE selbst wird sicher bis 2030 weiter betrieben werden.
„Neue Fähigkeiten führen zu neuer Technik und neuen Geräten“, meint Dr. U. Dropmann. „Die Industrie bindet neue Techniken an neue Netze an. Es gibt durchaus auch ­industrielle Anwendungen, die per SMS-Kommunikation funktionieren, auch 2G-Netze sind noch im Dienst. Bezogen auf 5G ist eine Investitionssicherheit von 30 Jahren daher sicher gegeben“, betont er mit Bezug auf die Anlagen der Prozessindustrie. Dr. L. Wisniewsky ist sogar überzeugt, dass 5G auf lange Zeit alle Anforderungen der Indus­trie abdecken wird – sowohl in Bezug auf Bandbreite als auch auf Zykluszeiten – selbst, wenn es später Nachfolgegenerationen geben sollte.

„Industrie 4.0 ist aus meiner Sicht die ‚Killer-Applikation‘ für 5G“, betont Dr. A. Müller. Bisherige Kommunikationsstandards im Mobilfunk stammen aus dem Consumer-Bereich, einem gesättigten Markt, in dem sich weder für Netzbetreiber noch für Ausrüster wesentliche Zugewinne erzielen lassen. Um Wachstum zu erreichen, müsse man neue Märkte erschließen. Mit überschaubaren Investments in eine ganz neue Technologie könne man allein durch die vielfältige Vernetzung die Ziele von Industrie 4.0 – Flexibilisierung, Wandelbarkeit usw. – unterstützen und die Effizienz der Produktion erhöhen. „5G wird nicht zwangsweise für Industrie 4.0 gebraucht, mit 5G können wir aber einen ‚Nachbrenner‘ zuschalten, der das Konzept noch effizienter macht“, ist der Bosch-Manager überzeugt.

„Für jede industrielle Revolution gab es einen Enabler. Für Industrie 1.0 die Dampfmaschine, für Industrie 2.0 die Elektrizität und die Massenproduktion, für Industrie 3.0 die Kommunikation und Elektronik“, meint Dr. U. Dropmann. „Nunmehr kann 5G eine wichtige Basis für Industrie 4.0 werden.“

Ziele und Perspektiven

„Die 5G-ACIA wurde gegründet, um allen ‚Stakeholdern des neuen Öko-Systems‘ ein Forum zum Austausch zu bieten: Automatisierer, Maschinenbauer, Fabrikbetreiber, Netzwerk-Infrastruktur-Anbieter, Halbleiterhersteller und Netzwerkbetreiber kommen in der 5G-Allianz zusammen“, betont Dr. A. Müller. „Es wurde eine globale Initiative aufgesetzt, die rasant an Fahrt aufnimmt, um 5G für die Industrie zu einem Erfolg zu machen. Fünf Arbeitsgruppen identifizieren zunächst zum Beispiel Use Cases und Anforderungen.“ Input von weiteren Interessenten ist dabei willkommen. Das gesammelte Know-how wird dann in die Standardisierung eingebracht.

Eine weitere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit den Betreibermodellen und klärt diesbezügliche Fragen in Zusammenarbeit mit den Regulierern – auch auf internationaler Ebene. Wichtig sind dabei die industrielle Anwendung und die entsprechenden Test-, Evaluierungs- und Zertifizierungsprozeduren auch unter Safety- und Security-Anforderungen im industriellen Umfeld.

„Zwei bisher komplett unterschiedliche Industrien haben sich in engem Schulterschluss zusammengefunden“, freut sich H. Schüt­tler. „Wir müssen zunächst Brücken bauen und das gegenseitige Verständnis fördern.“ Gemeinsam lässt sich aber das Thema vorantreiben, damit beide Seiten profitieren. „Wir müssen die Fähigkeiten von 5G im ­Detail verbessern, damit alle Anforderungen erfüllt werden können“, bestätigt Dr. U. Dropmann.

B. Rauscher stellt „besonders die Prozessindustrie mit ihren großflächigen und verstreuten Anlagen“ als zukünftiges Anwendungsfeld heraus, bei denen oft einfach keine klassische Verdrahtung möglich ist. „Früher wollte man IT adaptieren, um sie industriell zu nutzen“, resümiert Dr. L. Wisniewky. „Mit 5G ­haben wir eine neue Technologie speziell für die Industrie, die es ­erlaubt unterschiedliche Welten, Sprachen und Begrifflichkeiten miteinander in den nach wie vor wichtigen Dialog zu bringen.“

www.zvei.org


Literatur

[1] 5G Alliance for Connected Industries and Automation, a Working Party of ZVEI, Frankfurt/M.: www.5g-acia.org


Teilnehmer der Expertenrunde

Dr. Andreas Müller ist im Zentralbereich Forschung und Entwicklung bei Bosch, Stuttgart, verantwortlich für das Segment Kommunikations- und Vernetzungstechnik und in diesem Zusammenhang aktuell besonders mit dem Thema 5G/Industrie 4.0 beschäftigt. Des Weiteren bekleidet er das Amt des Vorsitzenden der 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA).

Herbert Schüttler leitet den Bereich Business Development bei Telekom Deutschland. Aufgabe seiner Abteilung ist es, Markt- und Kundenanforderungen zu analysieren und in die Produktentwicklung einfließen zu lassen. Auch er ist innerhalb der 5G-ACIA aktiv.

Dr. Ulrich Dropmann ist bei Nokia mit dem Geschäftsfeld Netzausrüstung und Netzinfrastruktur befasst. Innerhalb des Unternehmens leitet er die 5G-Aktivitäten und ist ebenfalls innerhalb der 5G-ACIA tätig.
Benedikt Rauscher ist bei Pepperl+Fuchs für globale Industrie 4.0- und IoT-Projekte zuständig und ebenfalls für die ZVEI-Arbeitsgruppe 5G-ACIA unterwegs.

Dr. Lukasz Wisniewski vom Institut für industrielle Informationstechnik (inIT) an der Hochschule OWL betreibt als Leiter der Forschungsgruppe „Computer-Netzwerke“ vor allem Forschung im Bereich der Indus­trieautomation mit dem Fokus auf Echtzeitkommunikation im Zusammenhang mit 5G- und Smart-Factory-Konzepten.


 

 

20 Jahre openautomation

Die Grundidee bleibt, die Dimensionen wachsen

„Eine Branche im Umbruch: Anwender fordern in aller Deutlichkeit kostensenkende, flexible und offene Automatisierungslösungen sowie Durchgängigkeit vom Sensor bis zum Management“ – dieser Grundanspruch hat sich über die letzten 20 Jahre nicht geändert, aber die Dimensionen, die neue Technologien mit sich bringen, lassen die Industrie 4.0 Wirklichkeit werden. Immer im Mittelpunkt dabei: Daten – das viel gepriesene Öl des 21. Jahrhunderts. Die Grundidee der vertikalen Integration bleibt, nur das Wording ändert sich heute.

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Mann beim Bäcker: „Ich hätte gerne vier Brötchen.“
Bäcker: „Wenn Sie nur drei nehmen, gibt es eins umsonst!“
(Mann überlegt, wer hier nun der Vollidiot ist.)
Copyright © VDE VERLAG GMBH, zuletzt aktualisiert am 18.07.2019