Erlebniswelt. Das 5G-Netz als Enabler des „Internets der Industrie“

 

p248-14-bernardy-anne-kopieAnne Bernardy, Leiterin Smart-System-Innovation-Lab, FIR e. V. an der RWTH Aachen

b_1Kurt Essigmann, Systems Manager Mobile Networks Ericsson GmbH

 

Im Zuge der Vernetzung von Industrie und Wirtschaft werden Technologien wie 5G, die nächste kommende Mobilfunkgeneration, als Enabler des Internets der Dinge genannt. Doch welche Anwendungen durch 5G genau realisierbar werden und warum die Entwicklung neuer Netztechnologien erforderlich wird, bleibt häufig unklar. Ebenso mangelt es an der Entwicklung von Standards, damit die neue Technologie schnellstmöglich nach ihrer offiziellen Einführung von bestehenden Systemen genutzt werden kann. Einzig die Aussage, dass neue Informations- und Kommunikationstechnologien wie 5G unseren Informationsaustausch, insbesondere in der Produktion, revolutionieren wird, bleibt beständig.

Im Speziellen stellt 5G eine Funktechnologie zur Verarbeitung und zum Transfer der steigenden Datenmengen dar, die eine Kommunikation im „Internet der Industrie“ produktionsstandortübergreifend ermöglicht. Zum gewinnbringenden Einsatz müssen die Anwendungsfälle wohldefiniert werden, damit spezifische Anforderungen an die Technologie sowie die Schaffung von Standards in den Entwicklungsprozess einfließen können.

Die vierte industrielle Revolution zielt auf die Steigerung der Effizienz der Produktivität ab und erfordert daher schnellste Kommunikationstechnologien bereits bei der Schaffung der Transparenz über aktuelle Maschinen- und Auftragszustände auf dem Shopfloor. Megatrends, wie die Individualisierung der Produkte, benötigen eine zunehmend flexible Fertigung, die durch die Globalisierung standortübergreifend und kostenoptimiert mittels anpassungsfähiger Fertigungstechnologien realisiert wird.

Die Vernetzung produzierender Unternehmen, Lieferanten und Kunden geschieht durch digitale Innovationen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien. Dadurch eröffnet diese die Möglichkeit Produktionsstandorte dynamisch an das Produkt anzupassen, sodass Komponenten unterschiedlichster Lieferanten bezogen werden. Gleichzeitig müssen die einzelnen Produktionen flexibler gestaltet werden, um eine dynamische Anpassung der Fertigungsstrecke zu ermöglichen. Digitale Fertigungsstrategien erfordern bereits eine Netzanbindung, die nach heutigem Stand meist kabelgebunden realisiert wird. Bei häufiger Bewegung der Maschinen, wie es die Vision Industrie 4.0 vorsieht, sind diese kabelgebundenen Verbindungen allerdings hinderlich. Durch Ausfallerscheinungen wie Kabelbrüche oder Verätzungen kann der Kontaktverlust zu einer arbeitsintensiven Fehlersuche in der gesamten Produktionsanlage führen.

Flexible Kommunikationsstrukturen

Sensorik-Hersteller setzen zur Flexibilisierung der Produktion bereits auf WLAN-fähige Systeme statt der bestehenden kabelgebundenen M2M-Kommunikation. Auf diese Weise können Produktionsstätten eine flexible Kommunikationsstruktur aufbauen. Jedoch sind die zu übertragenden Bandbreiten über die abzudeckenden Flächen vergleichsweise gering, sodass beispielsweise keine geringe Latenz oder hohe Bandbreiten aufgrund weiterer Faktoren bei der Übertragung gewährleistet werden können. Hinzu kommt die Forderung einer durchgängigen Datenübertragung von intelligenten Produkten entlang der Wertschöpfungskette. Wireless-LAN-Verbindungen können diese Durchgängigkeit nicht realisieren. Ein deutlich höheres Potenzial einer drahtlosen und Produktionsstätten-übergreifenden Datenübertragung stellt die bestehende vierte Generation des Mobilfunks (LTE) dar. Durch LTE können bereits geringe Latenzen bei medienbruchfreier Übertragung garantiert werden, um somit auch sicherheitskritische Anwendungen zu ermöglichen.

Im Rahmen der Automatisierung treten zunehmend kollaborierende Arbeiten in der Produktion, beispielweise in Form von assistierenden Robotersystemen zur Montage, auf. Solche Anwendungen erfordern eine minimale Latenz der Übertragung der Daten bei gleichzeitig höchster Zuverlässigkeit und Präzision, die durch eine Zunahme von Sensordaten geschaffen wird. Die Referenzarchitektur RAMI 4.0 (DIN 91345) schreibt ein gemeinsames Kommunikationssystem vor, das zur Kommunikationskontrolle im Unternehmen eingesetzt wird, sodass die Erfüllung der neuen Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Leistung und Instandhaltung der Netzwerke sichergestellt werden kann. 5G ermöglicht hier neben der geringen Latenz eine hohe mobile Datenrate sowie hohe Bandbreiten zur Übertragung dieser Daten.

Nächste Evolutionsstufe

Zudem ermöglicht 5G mit dem neuen Konzept des Network Slicing die Priorisierung kritischer Datenströme, indem Netzressourcen für unterschiedliche Anwendungen reserviert werden können, in Abhängigkeit von deren Anforderungen. So können Subnetworks generiert werden, die sich hinsichtlich Verfügbarkeit, Sicherheit, Latenz oder Bandbreite parametrisieren lassen. Dadurch können beispielsweise Kamerasysteme hohe Bandbreiten zur Übertragung anfordern, während kollaborierende Mensch-Maschine Systeme geringe Latenzzeiten und höchste Manipulationssicherheit priorisieren.

Die Globalisierung führt zum Umbau tradierter Arbeitswelten und flexibilisiert die Lokation von Produktionsstätten. So können Fachkompetenzen von Mitarbeitern virtuell und überall eingesetzt werden, z. B. werden Experten virtuell zu einem auftretenden Problem geschaltet. Somit können Produktionsprozesse auch entfernt von den jeweiligen Fachkräften, selbst unter erschwerten Bedingungen, optimal betreut werden. Voraussetzung ist eine flächendeckende Netzverbindung, sodass Daten aus der Produktion latenzarm und zuverlässig übertragen werden.

Das neue Kommunikationsmodell setzt für eine automatisierte Vernetzung der Geräte neue Standardtechnologien des Datentransfers im Internet der Dinge voraus. 5G bietet als nächste Evolutionsstufe des Mobilfunks eine weitere Reduktion des Energieverbrauchs bei Anwendungen im Narrowband-IoT (Internet der Dinge), mit dem insbesondere autarke Systeme eine längere Lebensdauer aufweisen.

Daten werden zukünftig in einer Cloud verarbeitet. Die Anzeigegeräte benötigen somit nur noch eine geringe eigene Rechenleistung, da Cloudkonzepte wie IaaS oder SaaS die Nutzung von Infrastruktur und Software ermöglichen. Daher steigt die Nachfrage bezüglich einer flächendeckenden mobilen Internetversorgung, die z. B. durch die erweiterte Reichweite der 5G-Antennen erreicht werden kann.

Hightech-Vernetzung als Voraussetzung

Diese durchgängige horizontale und vertikale Integration ist ein wesentlicher Bestandteil der Vision von Industrie 4.0 und eine wichtige Voraussetzung für die angestrebte Erhöhung der Flexibilität, Wandelbarkeit und Kundenbezogenheit der industriellen Fertigung der Zukunft. Durch die hohe Produktvarianz bei immer kleineren Stückzahlen müssen sich intelligente Komponenten dynamisch an die jeweiligen Anforderungen und Randbedingungen anpassen und dabei selbst steuern können. Gleichzeitig spielen aufgrund der verteilten bis hin zur mobilen Produktion Aspekte wie Transparenz und Rückverfolgbarkeit für Hersteller eine immer wichtigere Rolle. Durch die horizontale Integration wird die Leistungs- und Zustandssteuerung eines weltweiten Unternehmens- bzw. Produktionsverbunds ermöglicht. 5G als mobile Übertragungstechnologie erlaubt eine lokale Leistungskontrolle in Echtzeit, eine cloudbasierte Automatisierung und Optimierung von Prozessen und darüber hinaus eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten zur Auswertung und Verarbeitung von gesammelten Daten. Grundlage für all diese Dinge ist einerseits eine hochperformante und echtzeitfähige Vernetzung innerhalb einer Fabrik sowie andererseits eine standort- und unternehmensübergreifende Vernetzung unter Einbeziehung von Weitverkehrsnetzen. Darüber hinaus bietet die Technologie eine Möglichkeit zur Vernetzung weiterer Branchen zu Themen wie Smart Citys oder E-Health.

5G-Testnetz und Referenz-Fabrik

infrastruktur_dfa-totale___fir-21-ac-erptage-2014-047_2014-06-05_david_wilmsIn der Industrie-4.0-Fabrik wird das 5G-Netz erprobt (© David Wilms/FIR)

Am Cluster Smart Logistik auf dem RWTH Aachen Campus wurde zur Demonstration der Vorteile des 5G-Netzes gemeinschaftlich durch Ericsson und das FIR an der RWTH Aachen ein 5G-Testbed installiert, das die neue drahtlose Industriekommunikation zur Erforschung neuer Anwendungsfälle in der flexiblen Produktion ermöglicht und die Anwendungen für Besucher des Clusters veranschaulicht. Die Anwendungen sind in den FIR-Innovation-Labs und in der Demonstrationsfabrik Aachen, einer Industrie-4.0-Referenzfabrik, nachgebaut, um die Erlebbarkeit des digitalen Wandels der Wirtschaft zu steigern.

Das Kommunikationsnetzwerk basiert derzeit noch auf LTE, der vierten Mobilfunkgeneration. Es verdeutlicht dennoch die Vorteile einer flexiblen, durchgängigen Netzwerktechnologie. Der erste umgesetzte Anwendungsfall umfasst die Übertragung verschiedener Prozessdaten aus einem prototypischen Sensorknoten, der beispielhaft Zustandsdaten wie die Temperatur, die Beleuchtung und die Beschleunigung aufzeichnet sowie ein Livebild übertragen kann. Der Sensorknoten verfügt über einen Akku, sodass er flexibel in der Produktion eingesetzt werden kann. Die Sensordaten werden mobil über eine 5G-Antenne an den zuständigen Server übertragen. Visuell können die Daten über ein Dashboard abgerufen werden. Das System ist leicht skalierbar; weitere Sensorknoten können in das 5G-Netz durch einen 5G-Anschluss integriert werden und werden automatisch auf dem Dashboard angezeigt. Auf diese Weise wird das Internet der Dinge (IoT) am Cluster Smart Logistik Realität.

Anwendungen des 5G-Testnetzes werden im Bereich Tracking und Tracing von Material oder Aufträgen auf dem Shopfloor verfolgt. Der mobile Sensorknoten eignet sich beispielsweise zur Verfolgung temperaturempfindlicher Bauteile, deren überbetriebliche Verfolgung der gerechten Handhabung über die erhobenen Daten ermöglicht wird. Nächste Ausbaustufen des Demonstrators sehen eine Erweiterung des Dashboards um weitere Technologien zum lokalen Tracking in der Fabrik vor.

Unter dem Motto „Get Ready for Connected Industries“ wird für die Besucher die Vision der smarten Fabrik greifbar und live zu erleben sein. Ein Highlight stellt die interaktive Führung am ersten Fachtagungstag.

www.fir.rwth-aachen.de

Das FIR an der RWTH Aachen ist eine gemeinnützige, branchenübergreifende Forschungseinrichtung auf dem Gebiet der Betriebsorganisation und Unternehmensentwicklung. Das Institut forscht, qualifiziert, lehrt und begleitet in den Bereichen Dienstleistungsmanagement, Informationsmanagement, Produktionsmanagement und Business-Transformation.

 

www.ericsson.com/de

Ericsson ist ein weltweit führender Anbieter von Kommunikationstechnologien, Software und Dienstleistungen – insbesondere rund um die Bereiche Mobilität, Breitband und Cloud-Lösungen. 40 Prozent des weltweiten Mobilfunkverkehrs werden über Netztechnik von Ericsson abgewickelt. In Deutschland beschäftigt Ericsson rund 2.000 Mitarbeiter und forscht in den Bereichen 5G und Industrie 4.0 (Automobil/Energie).

 

Bildquelle /Artikelfoto Smart-Systems-Innovation-Lab des FIR (© FIR)