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Interview mit Thomas Schildknecht

Profisafe over 5G

27. November 2020, 11:00 Uhr   |  Meinrad Happacher

Profisafe over 5G
© Schildknecht

Thomas Schildknecht, Geschäftsführer der gleichnamigen Schildknecht AG.

Wie verhält sich die Übertragung von Profisafe über Profinet mittels 5G? Diese Frage steht im Mittelpunkt des BMBF-Förderprojekts 5GANG. Thomas Schildknecht erläutert erste Ergebnisse.

Herr Schildknecht, Sie haben sich die Kombi 5G und Safety näher angesehen – in welchem Rahmen hat dies stattgefunden?

Thomas Schildknecht: 5GANG steht für ‚5G angewandt in der Industrie‘. Im Rahmen des so betitelten BMBF-Förderprojekts haben wir uns am Forschungs-
institut für Rationalisierung und dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen seit 2017 intensiv mit der Kombination von 5G mit Safety beschäftigt. Die Untersuchungen erfolgten auf dem dortigen 5G-Campusnetz und konzentrierten sich auf die konkrete Fragestellung, inwieweit sich die Übertragung von Profisafe über Profinet mittels 5G hinsichtlich Jitter, Latenz und Zuverlässigkeit verhält.

5G und Safety: Für welche Art von Applikationen würde diese Kombination denn Sinn machen?

Eine bevorzugte Applikation für 5G-Campusnetze ist ohne Zweifel der Betrieb von Fahrerlosen Transportsystemen mit ihrer großen Teilnehmerzahl. Diese Systeme benötigen – neben der eigentlichen Datenübertragung – eine Not-Halt-Funktion als Voraussetzung für sicheren Betrieb bezogen auf Personen und Material.

»Wir sind uns sicher: 5G-Campusnetze sind prinzipiell echtzeitfähig!«

Aufgabe ist hier, diese Funktion sowohl lokal am Fahrzeug als auch zwischen den Fahrzeugen oder auch von einer zentralen Stelle aus umzusetzen; weiterhin soll diese Funktionalität unabhängig vom eingesetzten Safety-Protokoll sein.
 
Ist 5G per se Safety-tauglich oder was gilt es hier noch zu tun?

Heutige Safety-Protokolle sind darauf ausgelegt, zwischen einer Safety-Steuerung und etwa einem Remote-IO über ein Netzwerkkabel zu kommunizieren. Die Umsetzung auf einen Wireless-Kanal ist durch das Black-Channel-Prinzip prinzipiell gelöst. Damit war auch die Voraussetzung für Safety über 5G zum Projektstart gegeben. Wir wollten dann konkret untersuchen, wie die Daten einer SPS über eine 5G-Campusnetz-Basisstation getunnelt werden können und wie sich das 3,4-bis-3,8-GHz-Band dafür in einer Fabrik-Umgebung verhält – auch insbesondere im Vergleich zu WLAN und Bluetooth in den unlizenzierten Bändern.

Mit dem Ergebnis?

WLAN zeigte im ungestörten Fall eine deutlich geringere Latenz, wenn man die PN-Verbindung ‚Ende-zu-Ende‘ betrachtet. Allerdings führen die gesetzlich vorgeschriebenen Koexistenz-Maßnahmen für WLAN bei Nutzung des unlizenzierten 2,4-GHz-Bandes zu einem undefinierbaren Jitter der PN-Übertragung! Dieser kann dann bis zu mehreren 100 ms betragen, was in der Praxis zu einem Anlagenstillstand mit manueller Quittierung bei einer Safety-Applikation führt! 

Im lizenzierten 3,4-bis-3,8-GHZ-Band dagegen werden solche Mechanismen nicht verwendet, was sich in einem deutlich geringeren Jitter ausdrückte. Was die PN-Aktualisierungszeit betrifft, so arbeiteten wir im Test mit 1 ms Einstellung auf der Feldbus-Kabelseite und konnten Latenz-Werte über 5G bis runter in den einstelligen Millisekundenbereich erreichen. 
Wir schließen daraus, dass ein 5G-Campusnetz prinzipiell für echtzeitfähige Datenübertragungen geeignet ist!

Wie sieht Ihre weitere Roadmap aus?

Im nächsten Schritt soll jetzt das Verhalten geklärt werden, wenn statt eines einzelnen Transportsystems viele hundert solcher Fahrzeuge an einem 5G-Campusnetz betrieben werden. Da zellulare Netze grundsätzlich serviceorientiert arbeiten, folgt daraus die Herausforderung, eine gleichberechtigte zyklische Kommunikation zu allen Teilnehmern aufrechtzuerhalten. Dabei liegt die Herausforderung dann nicht bei Datenmenge oder Latenz, sondern in der zyklischen Kommunikation sehr kleiner, aber sehr vieler Datenpakete mit einem definierten maximalen Jitter. Eine Standardisierung für diese Anforderung wird mit dem 3GPP Release 16 für uRLLC erwartet. Aber auch mit dem heute gültigen Release 15 ist bereits eine Profisafe-Kommunikation mit vielen Fahrzeugen via 5G möglich.

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