Die fünfte Generation des Mobilfunk-Standards bietet neben der viel beachteten Mobilfunkanwendung mit erhöhter Datenrate Dienste für andere Einsatzbereiche an – darunter auch zum Betrieb von Campus-Netzen in Bereichen der Fertigungsindustrie. Die wichtigsten Dienste sind:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband) ist die Weiterentwicklung von 4G hinsichtlich erhöhter Datenrate und damit etwa für Videostreaming oder Augmented Reality geeignet. 

• mMTC (massive Machine Type Communications) ermöglicht Anwendungen mit besonders vielen Sensoren an einer Basisstation. Hierfür stehen die Begriffe Industrie 4.0 oder IoT.

• uRLLC (ultra Reliable Low Latency Communication) ermöglicht besonders kurze Latenzzeiten bei gleichzeitig sehr hoher Verfügbarkeit. Einsatzbereiche sind daher die Fertigungsautomatisierung oder fahrerlose Transportsysteme. Diese 5G-Klasse ist besonders interessant für den Aufbau von Netzen auf firmen-eigenen Geländen (Campus-Netze) mit eigenen Basisstationen und 100 MHz exklusivem Frequenzbereich im 3,7- bis 3,8-GHz-Band, der nicht an die Mobilfunkbetreiber vergeben wurde. Damit können Unternehmen eigene 5G-Netze zur Optimierung ihrer Prozesse betreiben, wie zum Beispiel die Vernetzung Führerloser Transport-Systeme (FTS). 

Ein Ausschnitt des 5G-Industry Campus Europe am Campus Melaten der RWTH Aachen.

© 5G-Industry Campus Europe

Das hier beschriebene Projekt nutzte den 5G-Industry Campus Europe mit der 5G-Technologie von Ericsson am Campus Melaten der RWTH Aachen. Der 5G-Industry Campus Europe wird betrieben vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und gefördert vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI).  

Funktionale Sicherheit mit 5G

Bewertung der Use Cases bezüglich des Bedarfs an funktionaler Sicherheit

© FIR an der RWTH Aachen

5G-Anwendungsfälle in einer Fertigung mit Forderung nach funktionaler Sicherheit lassen sich in Klassen einteilen. Die nachfolgend dafür vorgestellten vier Use-Case-Klassen wurden durch Literatur-Recherchen, Befragung von Anbietern entsprechender Gerätetechnik sowie in Gesprächen mit an moderner Kommunikation interessierten Unternehmen identifiziert und in die vier Klassen Zustandsüberwachung, Standortübergreifendes Tracking & Trace, Mobile Fahrzeuge (Roboter) sowie Infrastruktur-Nachrüstungen aufgeteilt. 

Use-Case 1: Zustandsüberwachung

Das mobile Fahrzeug bremst bis dato ab, wenn es sich einem ‚Toten Winkel-Bereich‘ nähert. Eine funktional sichere Kommunikation zwischen dem FTS und seiner Umgebung brächte hier große Vorteile.

© Demofabrik Aachen

In einer Fertigung führen unerwartet auftretende Defekte zu Verzögerungen oder gar Stillstand mit meist hohen Folgekosten. Condition Monitoring bezieht sich hier konkret auf die Zustandsüberwachung der eingesetzten Maschinen, um deren plötzlichen und vor allem ungeplanten Ausfall zu verhindern. Wirksame Gegenmaßnahme ist hier die Erfassung von relevanten Zustandswerten mittels geeigneter Sensoren – etwa zur Schallaufzeichnung – zum frühzeitigen Erkennen atypischer Abweichungen gegenüber normalem Betriebsverhalten. Dieses Vorgehen – angewandt auf eine ganze Produktionslinie – erfordert eine hohe Zahl Sensoren und den Transport hoher Datenmengen und damit ein Netzwerk mit vielen Teilnehmern, deren Kommunikation ohne Störung anderer Verbindungen erfolgen muss. Dafür bietet sich 5G als Basistechnologie an. 

Use Case 2: Standortübergreifendes Track & Trace

Die sehr variable Marktdynamik erfordert von produzierenden Unternehmen eine zuverlässige Verfolgung ihrer Produkte über die gesamte Lieferkette hinweg. Und damit auch die Einbindung aller Zulieferer beziehungsweise deren Fertigungen in ein zentrales System. Diese Herausforderung kann durch die Implementierung von Auto-ID-Technologien in Kombination mit mobilen Kommunikationstechnologien wie 5G gelöst werden. 
Eine weitere Applikation in dieser Klasse ist die Verfolgung der Bestände in einem von mehreren Abnehmern genutzten Lager. Eine gemeinsam genutzte Tracking-&-Tracing-Lösung auf der Grundlage von 5G könnte dieses Problem lösen.

Use Case 3: Mobile Fahrzeuge

Die Klasse ‚Mobile Fahrzeuge‘ umfasst sowohl Anwendungsfälle mit nur einem völlig autonomen Fahrzeug in einer dynamischen Umgebung als auch Anwendungen mit mehreren, autonom angetriebenen Fahrzeugen, welche Material in einer dynamischen Umgebung transportieren. Die Herausforderung in einer hier relevanten flexiblen Produktionsumgebung besteht in der schnellen Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen. Auch das ist ein Einsatzszenario für 5G.

Use Case 4: Retrofit existierender Infrastrukturen

Bei der Nachrüstung einer bestehenden Infrastruktur auf 5G-Nutzung ergeben sich drei Szenarien:

1. Bereits vorhandene Sensor- oder Aktor-Systeme werden durch die Integration eines Funkmoduls der neuesten Mobilfunktechnologie nachgerüstet. 

2. Unzureichende Kommunikationsinfrastrukturen in veralteten Fertigungsstätten ohne entsprechende IT-Infrastruktur werden aufgerüstet. 

3. Ein Informationsmultiplexing wird realisiert. 

Bewertung hinsichtlich Safety

Elena Eberhardt ist Business Development & Marketing Managerin bei Schildknecht.

© Schildknecht

Die beschriebenen Anwendungsfallklassen haben sehr unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der jeweils benötigten funktionalen Sicherheit. Um einen für das Projekt geeigneten Anwendungsfall zur funktionalen Sicherheit zu ermitteln, wurden vier Anforderungen – Reaktionszeit, Verfügbarkeit, Sicherheit und Integration in ein 5G-Netzwerk – definiert. In Interviews mit Branchenexperten wurde die Erfüllung der definierten Anforderungen für die einzelnen Use Cases bewertet. Die Use Cases sind in der Tabelle auf Seite 1 dargestellt: Der Use Case ‚Autonome Fahrzeuge‘ zeigt den höchsten Bedarf an funktionaler Sicherheit und wurde daher zur Untersuchung im Rahmen des Projektes ausgewählt.