Echtzeit-Kommunikation 5G-Standard: Der Weg zur smarten Fabrik

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Ob fahrerlose Transportsysteme, kollaborative Roboter oder Augmented Reality, die produzierende Industrie befindet sich im Umbruch. Ohne den 5G-Standard ist die Vision von intelligenten Fabriken, die sich in Echtzeit selbst steuern, jedoch nichts weiter als ein ferner Traum. Die neue Mobilfunkgeneration ist längst zu einem kritischen Wirtschaftsfaktor geworden. Unternehmen, die diese Entwicklung verschlafen, riskieren ihre Wettbewerbsfähigkeit.

Der 5G-Standard gilt als die Technologie der Zukunft. Mit maximalen Datenraten von zukünftig bis zu 20 Gbit/s bei extrem niedrigen Latenzzeiten ist der jüngste Mobilfunkstandard deutlich leistungsfähiger als sein Vorgänger und ermöglicht damit eine Kommunikation nahezu in Echtzeit. Hier kommen die Schlüsselmerkmale der 5G-Releases 15 bis 17 ins Spiel: eMBB (enhanced Mobile Broadband), URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communication) und MMTC (Massive Machine Type Communication). Alles zusammen ermöglicht Live-Anwendungen in den Bereichen Virtual und Augmented Reality, autonome Transportfahrzeuge und Roboter sowie die intelligente Vernetzung beliebig vieler Endgeräte. Gleichzeitig ist 5G aber auch die Technologie, mit der sich alle Dienste über ein Netz realisieren lassen, wofür bisher unterschiedlichste Standards wie WLAN, Tetra, DECT oder Industrial Ethernet notwendig waren.

5G-Standard ist auf dem Vormarsch

So interessant eine mit 5G vernetzte Fertigung aus Sicht der Industrie auch ist, beim produktiven Einsatz zögern viele noch. Denn gerade private Campusnetze erfordern erhebliche Investitionen, zudem gibt es nicht den einen passenden Use Case. Und trotzdem – 5G hat als erste Funktechnologie den entscheidenden Vorteil, dass sie sich perfekt auf die unterschiedlichen Bedürfnisse zuschneiden lässt.

Ein gutes Beispiel ist der Not-Aus-Schalter für sogenannte AGVs (Automated Guided Vehicles), mit dem sich bei Gefahr die Maschinen stoppen lassen. Schlecht einsehbare Bereiche wie Kreuzungen mit hohen Lagerregalen stellen jedoch gerade bei festverdrahteten Lösungen eine echte Herausforderung dar: Werden Mitarbeiter nicht rechtzeitig von der Sensorik erfasst, bleibt dem Fahrzeug keine Zeit, Geschwindigkeit oder Fahrweg anzupassen, um eine Kollision zu vermeiden. 5G hingegen garantiert eine permanente Verbindung in Echtzeit, gleichzeitig kann die Not-Aus-Funktion zentral für die gesamte AGV-Flotte implementiert werden.

Einführung des digitalen Zwillings

Aus der Fertigungsindustrie jedenfalls wird 5G in Zukunft nicht mehr wegzudenken sein. Schließlich existieren moderne Produktionsanlagen längst nicht mehr nur in der physischen Welt. Alle Systeme, von der Fräsmaschine über den Fließbandroboter bis hin zum vollautomatischen Lager, übermitteln relevante Informationen aus den gesammelten Daten in Echtzeit an IT- und OT-Systeme und ermöglichen so eine permanente Momentaufnahme des aktuellen Zustands einzelner Produktionslinien oder ganzer Fabriken. Mit Hilfe eines digitalen Zwillings ist es sogar möglich, die Produktion zu modifizieren und zu optimieren, ohne den laufenden Produktionsprozess zu unterbrechen. In letzter Konsequenz ist ein bidirektionales System realisierbar, bei dem der digitale Zwilling seinem physischen Bruder Feedback gibt und sich somit selbst steuert.

Trotz dieser Vorteile und mit Blick auf die Investitionskosten stellen sich viele Unternehmen die Frage, ob es unbedingt 5G sein muss oder vielleicht doch Wi-Fi 6 ausreicht. Schließlich sind auch mit diesem Standard zuverlässige Echtzeitanwendungen in der industriellen Produktion möglich. Die Antwort lautet: WLAN-Umgebungen bleiben in Sachen Skalierbarkeit und Konnektivität hinter den Anforderungen moderner Fertigungen zurück.

5G bietet ein nahtloses „Handover“

Der Mobilfunkstandard unterstützt aufgrund seines Designs ein nahtloses „Hand-over“ beim Wechsel von einer Funkzelle in eine andere. Gerade in Fertigungshallen und Lagern kommt es immer wieder zu solchen Übergängen, da dort aufgrund von Wänden oder Metallkonstruktionen für eine durchgängige Funkabdeckung mehr Basisstationen aufgestellt werden müssen als auf freien Flächen. Bei anderen Funktechnologien besteht die Gefahr, dass fahrerlose Transportfahrzeuge oder Roboter beim Zellenwechsel kurzzeitig die Verbindung verlieren – mit weitreichenden Folgen für die Produktionsabläufe.

Die nächste Frage betrifft öffentliche oder private 5G-Netze. Öffentliche Netze bieten zwar Konnektivität mit geringer Latenz und hoher Leistung, aber nur begrenzte Möglichkeiten zur Kontrolle der Performance und Servicequalität der Verbindungen. Sie erfüllen daher nicht die Anforderungen vieler Lösungen, die erweiterte Routing-Funktionen zur verbindlichen Durchsetzung von Leistungs-, Durchsatz- und Latenzschwellen benötigen. Im Vergleich dazu haben Fertiger mit einem privaten 5G-Netz wesentlich mehr Kontrolle über den Datenverkehr kritischer Anwendungen. In diesem Fall können sie den Traffic dynamisch priorisieren. In einer Branche, in der es auf Zeitplanung und Koordination ankommt, kann so sichergestellt werden, dass Produktionslinien ohne Leistungseinbußen oder Verzögerungen laufen und sich das 5G-Netz nahtlos in das übrige Unternehmensnetzwerk einfügt.

5G-Standard: Exklusivität ermöglicht Absicherung

Die Exklusivität eines privaten 5G-Netzes reduziert zudem das Risiko von Cyber-Bedrohungen erheblich. Immerhin können die Unternehmen den Betrieb ihres Campusnetzes zusätzlich individuell absichern. Dazu gehören eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung für die gesamte Kommunikation, strenge Zugangskontrollen zur Verwaltung der Geräte- und Benutzerkonnektivität sowie maßgeschneiderte Sicherheitsrichtlinien, die auf das spezifische Risikoprofil und die Compliance-Anforderungen des Unternehmens abgestimmt sind. Herkömmliche Perimeter-Schutzmodelle sind in einer 5G-Umgebung allerdings überholt – Netze auf dem neuen Mobilfunkstandard basieren auf verteilten Software Defined Networks sowie Cloud-Services und verfügen über softwaredefinierte Perimeter mit offenen Schnittstellen.

Der anfängliche Hype um 5G mag für die eine oder andere Enttäuschung gesorgt haben. Mit den aktuellen Releases und der breiten Verfügbarkeit von Endgeräten hat sich die Situation aber grundlegend geändert. Die jüngste Mobilfunktechnologie entscheidet längst über die Wettbewerbsfähigkeit einer ganzen Branche. Oder anders formuliert – ohne den 5G-Standard bleiben intelligente Fabriken eine unerfüllte Vision.