Funktechnik in der Industrie gibt es schon lange, WLAN und Bluetooth werden für Anwendungen wie Handheld Scanner oder fahrerlose Transportsysteme (FTS) standardmäßig eingesetzt. Vereinzelt wird Funk auch für echtzeitkritische Anwendungen zur Übertragung von Feldbussen und Steuerungsdaten über drahtlose Verbindungen verwendet. Die Ziele, die Anwender durch den Einsatz von Funksystemen erreichen wollen, sind vielfältig: Beispielsweise kann in bewegten Anwendungen innerhalb von Maschinen, wo Kabel durch ständige Bewegung verschleißen, mittels drahtloser Datenübertragung der Verschleiß reduziert werden. Auch in mobilen Anwendungen, bei denen Kabel die Mobilität einschränken, ist die Funktechnik ein Problemlöser. 

In weiteren Anwendungen des Produktionsumfelds konnten sich Funksysteme allerdings bisher nur bedingt durchsetzen. Industrielle Produktionsprozesse benötigen Steuerungsdaten in Echtzeit. Mit den vorhandenen Funktechnologien aber war die Übertragung von Echtzeit-Daten für die SPS-Steuersignale nur für relativ langsam laufende Prozesse zuverlässig machbar.
5G bringt nun Mechanismen mit, die die Verbindungszuverlässigkeit steigern sollen, und macht damit Hoffnung, dass 5G als Funktechnik in weitere industrielle Anwendungen vordringen kann. Dies verspricht beispielsweise die 5G-Funktion MMIMO (Massive Multiple In Multiple Out). MMIMO bedeutet, dass wesentlich mehr Antennen als bisher (UMTS/LTE) zum Einsatz kommen. Diese Technik ermöglicht zudem das sogenannte Beamforming, bei dem sich die Teilnehmer quasi das stärkste von mehreren Signalen aussuchen können. Dies ermöglicht eine bessere Abdeckung und damit eine höhere Verbindungsstabilität. Gleichzeitig sind mehr Teilnehmer mit weniger Energieverbrauch und – wenn nötig – höherer Bandbreite möglich. Mit 5G wird TSN (Time Sensitive Network) als Echtzeit-Protokoll eingeführt. TSN, das bereits seit längerem für industrielle Netzwerke diskutiert wird, soll auch 5G echtzeitfähig machen. Damit werden, im Endausbau von 5G, Kommunikationszyklen von <1 ms möglich sein. Verglichen mit heutigen Funktechnologien wären also wesentlich dynamischere Prozesse drahtlos steuerbar. 

Weitere wichtige Argumente für einen Einsatz von 5G in der Fertigung sind Einfachheit und Wartungsfreundlichkeit. Automatisierer sind zumeist keine IT-Fachkräfte, und der sichere Betrieb eines WLAN-Netzwerks stellt bereits heute viele vor enorme Herausforderungen. Generell gilt: Maschinelle Kommunikationsfehler sollten ohne lange Produktionsausfälle, beispielsweise in der Nachtschicht, durch das Wartungspersonal ohne tiefgehendes IT-Wissen behebbar sein. Hier muss sich die Funktechnik mit der Einfachheit der Kabelnetze messen lassen: Denn ein defektes Kabel oder ein Switch lassen sich mit üblichem Elektrikerwissen einfach und schnell tauschen.

Der 5G-Leitfaden des VDMA

Der aktuelle 5G-Leitfaden des VDMA will Maschinen- und Anlagenbauern Anwendungsmöglichkeiten sowie ­Herausforderungen bei der Einführung von 5G in der Produktion praxisnah aufzeigen. Einer der ­Mitwirkenden war Verbindungstechnik-Anbieter Lapp.

© Lapp

Der Anbieter integrierter Lösungen im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie Lapp beschäftigt sich schon länger intensiv mit dem Thema 5G und ist überzeugt: kein Funk ohne Kabel. Das Unternehmen sieht 5G als Ergänzung seiner Lösungen und nicht als Bedrohung und hat daher den VDMA bei der Erstellung eines praxisnahen Leitfadens gern unterstützt.

In der aktuellen Veröffentlichung des Leitfadens ‚5G im Maschinen- und Anlagenbau – Leitfaden für die Integration von 5G in Produkt und Produktion‘ (Download Leitfaden) wurde mit den Augen von Maschinen- und Anlagenbauern der effektive Nutzen der Funktechnologie anhand verschiedener Anwendungsfälle bewertet. Lapp saß hierfür mit Anwendern und Herstellen gemeinsam am Tisch. Unterstützt wurden die Partner durch das Fraunhofer IIS, das neutrales Technologiewissen und Methodik beisteuerte, Anwendungsfälle im Plenum sammelte und die Fähigkeiten von 5G daran spiegelte. Lapp hat zwei Anwendungsfälle mitgestaltet und sich dabei mit Marktbegleitern an einen Tisch gesetzt und die Chancen von 5G offen diskutiert. Ergebnis: Viele Anwendungen lassen sich mit 5G realisieren, müssen es aber nicht, wie beispielsweise bereits existierende Lösungsansätze von Lapp und anderen Herstellern für Predictive Maintenance zeigen. Bei anderen Anwendungsmöglichkeiten müssen die anstehenden 5G Releases 16 und 17 erst zeigen, ob die Echtzeit-Fähigkeit von 5G dafür wirklich ausreicht. 

Anwendungsfall Fahrerlose Transportsysteme

Insgesamt werden zehn unterschiedliche Anwendungsfälle aus dem Industrie-Umfeld im 5G-Leitfaden des VDMA beschrieben. Für den Einsatz von 5G ist insbesondere der Anwendungsfall ‚Fahrerlose Transportsysteme‘ (FTS) interessant:
FTS sind eine der gut für 5G geeigneten Anwendungen, so das Ergebnis des Leitfadens. Zum einen bewegen sich die für FTS benötigten Latenzzeiten in einem mit 5G möglichen Bereich. Zum anderen wird 5G voraussichtlich eine kürzere Roaming-Dauer als das heutige WLAN erlauben. Die Roaming-Dauer ist die Zeit, die für die Übergabe eines Teilnehmers von einem Access Point zum nächsten benötigt wird. Ist sie zu lang, bleibt das FTS stehen. Bei WLAN-Strecken kann diese Übergabe 30 bis 50 ms dauern. Mit 5G reduzieren sich diese Zeiten, da das An- und Abmelden entfällt. Zudem sind mit 5G wesentlich geringere Latenzzeiten – also die Verzögerungszeit beim Transport eines Datenpakets – als bei WLAN möglich. Dies sichert den störungsfreien Betrieb eines FTS zusätzlich.

Eine weitere interessante Eigenschaft von 5G ist die Lokalisierungsfunktion, die mit Release 15 noch 20 m und mit Release 16 bereits 3 m zum Ziel hat. Mit den Folge-Releases wird von einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit ausgegangen, wodurch der Einsatz für FTS zunehmend interessanter wird.
Ein weiterer möglicher 5G-Anwendungsfall ist die Übertragung eines Ethernet-basierten Feldbusses wie zum Beispiel Profinet über 5G. In einem solchen Szenario könnte die Funktechnik direkt in einem dezentralen E/A-System (Remote IO) integriert sein. Dies wiederum würde die Anbindung und Übertragung mehrerer Sensoren beziehungsweise Aktoren erlauben. In bewegten Anwendungen, bei denen Feldbus-Leitungen in Schleppketten oder an Robotern verschleißen, könnten die Signale über Funk ohne Verschleiß übertragen werden. Bereits mit Release 15 würde die mögliche Latenzzeit von 5 ms dafür ausreichen; für die schnelle Regelung von Servo-Antrieben jedoch nicht.

Die Infrastruktur braucht Kabel

Das ‚IoTKey‘-System von Lapp kann Sensordaten kabellos in die Cloud übertragen und durch den Einsatz von LoRa über weite Strecken verfügbar machen.

© Lapp

Ob die kabellose Fabrik eine Utopie ist oder nicht, wird sich in den nächsten Jahrzehnten zeigen. Lapp ist sich der Auswirkungen von 5G auf die Vernetzung und Datenkommunikation der Zukunft bewusst und bereitet sich darauf vor. Spannend sind für das Unternehmen nicht nur die Veränderung der Datenkommunikation im Automatisierungsumfeld, also direkt in der Maschine und Anlage, sondern auch der notwendige Ausbau der Infra­struktur in den einzelnen Ländern und in den Fabriken, den ­sogenannten Backbones. Konkret geht es um mehr Glasfaser, mehr Kupferleitungen und neue Antennenmasten sowie Access Points. Denn die Infrastruktur für 5G in den Städten und Gemeinden muss auch künftig verkabelt werden. Erst Kabel ermöglichen in den Fabriken den gewünschten Bewegungsfreiraum durch drahtlose Lösungen, da die Access-Points in den ­Hallen weiterhin an Kabeln hängen. Ergo ist Lapp überzeugt, dass 5G und alle anderen ­existierenden Funktechnologien eine ideale Ergänzung zu drahtgebundenen Kommunikationslösungen ­darstellen, jede mit ihren eigenen spezifischen Vor- und Nach­teilen. 5G wird vieles, aber eben nicht alles ändern. Doch die Mobilität von Kommunikationsteilnehmern in industriellen Anwendungen wird auf jeden Fall vorangetrieben.