Netzwerktechnologie

5G als Katalysator für Industrie 4.0

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Kommunikation mit einer Zuverlässigkeit von mehr als 99,999 % und niedrigen Latenzzeiten von 1 ms verspricht der neue Netzwerkstandard 5G. Dadurch wird er nicht nur für Mobilfunkanbieter, sondern auch für die Fabrik interessant Bild: Thissatan/ Fotolia.com
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5G wird weit mehr sein als der Mobilfunk-Nachfolger von LTE. Eine Podiumsdiskussion auf der SPS IPC Drives 2017, veranstaltet vom ZVEI und moderiert von der Redaktion elektro AUTOMATION, beleuchtete die Chancen und Herausforderungen für Industrie 4.0 beziehungsweise für die Automatisierung in der smarten Fabrik.

Sabine Koll, Journalistin in Böblingen

elektro AUTOMATION: 5G als nächste Mobilfunkgeneration soll nicht mehr nur Telefonie und Datendienste über mobile Endgeräte ermöglichen, sondern die Kommunikation von Maschine zu Maschine und somit Industrie 4.0. Was bedeutet dieser Paradigmenwechsel für produzierende Unternehmen?

Arjen Kreis (Audi): Die meisten Produktionseinrichtungen bei uns Automobilherstellern sind derzeit in starren Linien organisiert. Unsere Fabriken müssen künftig flexibler und agiler werden, um Fahrzeuganläufe zu beschleunigen und um Umrüstzeiten zu minimieren. Da bietet sich 5G mit dem neuen Spektrum an Möglichkeiten an: Dazu gehören zum einen im Vergleich zur heutigen Mobilfunkgeneration deutliche Steigerungen im Hinblick Bandbreite, Latenz und Verfügbarkeit. Genauso wichtig ist für uns aber, dass mit 5G eine neue Netzwerkphilosophie für die Fabrik ermöglicht wird, die Netzwerktransport – drahtlose und drahtgebundene Technologien gleichermaßen – und IT miteinander verknüpft. Man denke nur einmal an den virtuellen Zwilling von Produkten und Produktionsmitteln, die über 5G überall kabellos verfügbar sein können. 5G kann damit dynamischere Konfigurationen ermöglichen. Nicht nur Audi, sondern auch andere Automobilhersteller weltweit setzen große Erwartungen in den neuen Standard und hoffen auf schnellstmögliche Verfügbarkeit.

Siegfried Richter (Siemens): Industrie 4.0 stellt definitiv neue Forderungen an die Vernetzung in der Fabrik: 5G Technologie muss es erlauben, die flexible Produktion zu unterstützen. Etablierte Funksysteme wie Industrial Wireless LAN und Industrial Bluetooth erfüllen momentan nicht alle neuen Anforderungen.

Dr. Andreas Müller (Robert Bosch): 5G sehe ich als einen wichtigen Bestandteil zukünftiger intelligenter Vernetzungsinfrastrukturen in der Industrie. 5G wird eine hochleistungsfähige und effiziente Vernetzung verschiedenster Endgeräte ermöglichen und damit Grundlage für ein bis dato nicht gekanntes Maß an Flexibilität, Wandelbarkeit und Mobilität sein. Man denke nur an Anwendungsfälle wie die Vernetzung mobiler Roboter oder fahrerloser Transportsysteme: Hier scheiden sowohl drahtgebundene Technologien als auch existierende drahtlose Systeme mit vergleichsweise geringer Datenrate und unzureichender Zuverlässigkeit oftmals aus.

Professor Frank Fitzek (TU Dresden): 5G ist für mich der Treiber für Industrie 4.0: Industrieanlagen, Maschinen und Roboter müssen zunehmend mobil sein – und das funktioniert nur mit drahtloser Kommunikations- und Regelungstechnik. Die Datenraten sind gar nicht der wesentliche Fortschritt in diesem Kontext, sondern Latenz und Resilienz, also Reaktionszeiten und Zuverlässigkeit.

elektro AUTOMATION: Was heißt das für die Steuerungsebene?

Dr. Andreas Müller (Robert Bosch): Für klassische Anwendungen in der Fertigungsautomatisierung, beispielsweise zur Anbindung von rotierenden oder sich bewegenden Teilen bis hin zur virtualisierten Steuerung in der (Edge) Cloud, wird 5G Riesenvorteile bringen – etwa durch das so genannte Network Slicing. Dabei können Unternehmen auf der Basis einer einzigen physikalischen Vernetzungsinfrastruktur eine Vielzahl logischer Netzwerke mit applikationsspezifischen und kundenindividuellen Leistungsparametern und Sicherheitseigenschaften als virtuell unabhängige Instanzen betreiben. Network Slicing kann bereits in den Engineering-Prozess von Produktionsmitteln integriert werden und damit auch Reengineering-Prozesse bestehender Anlagen erleichtern. Im Idealfall teilt eine Anwendung der Vernetzungsinfrastruktur mit, welche Anforderungen sie an diese hat und das Netzwerk generiert daraufhin automatisiert ein entsprechendes Network Slice. Dies ist ein wesentlicher Punkt, um die Industrie-4.0-Anforderungen in Hinblick auf Flexibilität und Agilität zu unterstützen.

Professor Frank Fitzek (TU Dresden): 5G ist gerade durch das Network Slicing eine disruptive Technologie für die Fabrik: Wir ermöglichen damit die durchgängige Virtualisierung in der Fabrik. Wir sehen eine „Softwarerisierung“ aller Elemente, dies betrifft das komplette Netzwerk. Dies haben wir in der Form heute nicht.

Bernd Kärcher (Festo): Für mich ist das Besondere an 5G tatsächlich auch, dass es weit mehr sein wird als eine neue Funktechnologie, sondern das intelligente Netzwerk der Fabrik einschließlich
Edge Computing und Network Slicing. Heute haben wir eine klassische Trennung zwischen Cloud-Diensten und dem Netzwerk selbst, das einfach nur Daten verwaltet weiterleitet. Morgen werden wir mit 5G ein Netz haben, das gemäß der aktuellen Anforderungen konfiguriert wird. Die Möglichkeiten für die Fabrikautomation sind immens groß. Im Umkehrschluss heißt dies aber auch, dass 5G von der Komplexität her ein Quantensprung wird. Trotzdem wird 5G nicht die einzige Kommunikationstechnologie in der Fabrik der Zukunft sein. Auf der Sensor-Aktorebene werden wir weiterhin einfacheren und daher kostengünstigeren Ergänzungen antreffen.

Professor Frank Fitzek (TU Dresden): Man muss da unterscheiden: Die Komplexität für die Betreiber steigt, das stimmt. Aber für die Anwender in der Fabrik wird es durch 5G einfacher. Dies gilt auch für die Anbindung bestehender Maschinen und Anlagen: Dadurch, dass quasi alles in Software gegossen ist, lässt sich auch die Software alter Maschinen und Anlagen anpassen. 5G ist nicht dezidiert für eine Technologie spezifiziert, sondern passt sich wie ein Chamäleon flexibel den Gegebenheiten in der Fabrik an.

elektro AUTOMATION: Wenn 5G die Komplexität für die Netzbetreiber erhöht – welche Unternehmen sind dann noch selbst in der Lage, ein solches Netzwerk für ihre Fabrik zu betreiben?

Bernd Kärcher (Festo): Das ist sicherlich eine Krux an der Geschichte. Es wird eine große Herausforderung für jedes Unternehmen – große Automobilhersteller eingeschlossen – Netzwerkbetreiber zu sein. 5G ist ein Netz, was verwaltet und ständig optimiert werden muss – etwa im Hinblick auf Blockchain und Machine Learning. Das sind Optimierungsschritte, die nach meiner Meinung von Experten vorgenommen werden müssen. Das kann nicht mal eben jeder selbst machen.

Dr. Michael Meyer (Ericsson Research): Für uns als Netzwerkausrüster eröffnet sich durch 5G ein neues Geschäftsfeld für industrielle Netzwerke. Wir wissen aber aus Erfahrung, dass die Komponenten nicht den größten Kostenanteil darstellen, sondern der Netzbetrieb – und dies in einer Fabrik, die sich ständig verändert. Hier müssen sich Konfigurationen einfach und schnell ändern lassen. Doch wir werden natürlich darauf achten, dass die Planung etwa durch digitale Zwillinge erleichtert wird. Dadurch lässt sich das Netzwerk letztlich zu vernünftigen Kosten betreiben.

elektro AUTOMATION: Der ZVEI fordert von der Bundesnetzagentur, dass Unternehmen in ihren Fabriken eigene, private 5G-Netze aufbauen dürfen. Herr Kreis und Herr Müller, welche Pläne haben Audi und Bosch in Bezug auf den Betrieb von 5G-Netzen in der Fabrik?

Arjen Kreis (Audi): Wir benötigen auf alle Fälle private Netzwerke – schon aus dem Grund, weil wir im Konzern Fabriken weltweit haben. Und da habe ich keine Chance, in der geforderten Zeit mit den dortigen Mobilfunkbetreibern entsprechende Verträge zu schließen. Ein weiterer Grund für privates, lokales Frequenzspektrum sind Haftungsfragen bei Netzausfall sowie der Schutz von Geschäftsgeheimnissen. Deswegen müssen wir dort die Netzwerkinfrastruktur selbst in der Hand halten. Das ist eine Grundvoraussetzung. Andererseits dürfen durch 5G nicht die Kosten für unsere Produkte steigen. Das heißt, die Nutzung von 5G darf nicht zu einer Kostensteigerung führen.

Dr. Andreas Müller (Robert Bosch): Für viele Fabrikbetreiber ist es wichtig, innerhalb ihrer Fabriken ein eigenes (privates) 5G-Netz betreiben zu können – unter Umständen auch ohne den klassischen Netzbetreiber. Warum? Weil es sich hier um ein potenziell geschäftskritisches Thema handelt: Wenn beispielsweise die Produktion steht, weil das Netzwerk Probleme hat, stellt sich natürlich die Frage, wer in so einem Fall die Haftung übernimmt. Der klassische Netzbetreiber kann eigentlich keine Haftung übernehmen, da er nur die Netzwerkinfrastruktur unter Kontrolle haben kann, nicht aber alles andere drumherum. Für die Leistungsfähigkeit ist aber das optimale Zusammenspiel aller Bestandteile des Gesamtsystems von Bedeutung. Daher stellt sich die Frage, ob ein klassischer Netzbetreiber überhaupt gewillt ist, diese Haftung zu übernehmen und falls ja, wie stark dieses Risiko durch entsprechende Mehrkosten auf den Fabrikbetreiber umgelegt werden würde. Man muss aber auch sagen, dass große verarbeitende Unternehmen ein starkes Interesse an einem eigenen Netzbetrieb haben, da dies zu einem wichtigen Wettbewerbsfaktor werden kann. Viele kleine und mittlere Firmen werden selbst aber sicherlich nicht die Ressourcen und Kompetenzen dafür haben und sind daher am Ende vielleicht ganz froh, wenn dies ein externer Netzbetreiber für sie übernimmt.

elektro AUTOMATION: Wird denn in der Fabrik der Zukunft alles über 5G vernetzt sein?

Arjen Kreis (Audi): Kabel wird es auch in Zukunft geben, das ist keine Frage. Auch in der smarten Fabrik wird man nicht alle Produktionsmittel von einem Ort zum anderen bewegen. 5G würde ich aufgrund der Komplexität im Betrieb nur dort einsetzen, wo es einen sinnvollen Use Case gibt. Das sind meines Erachtens fahrerlose Transportsysteme oder mobile Roboter, die im Prinzip zum Einsatz kommen, wo sie gebraucht werden. Für diese Anwendungsfälle brauche ich eine Kommunikation, die sehr sicher und stabil ist sowie in Echtzeit zur Verfügung steht.

Siegfried Richter (Siemens): Warum sollte ich die knappe Ressource Funk damit belasten, wenn ich eine Maschine mit einem Kabel anschließen kann? Das gleiche gilt für die Sensorik. Hunderte Sensoren mit Batterien zu haben, die ich alle paar Jahre auswechseln muss, ist auch nicht zielführend. Sensorik, die flexibel eingesetzt und oft umgebaut werden muss, wird man möglichst Richtung Drahtlos-Technologie bringen. Auch werden sicher in Zukunft mehr Drahtlos-Sensoren an beweglichen Maschinenteilen zum Einsatz kommen, die ihre Daten per 5G übertragen. Aber im Großen und Ganzen wird 5G im statischen Produktionsumfeld kabelgebundene Technologien nicht ersetzen sondern ergänzen.

elektro AUTOMATION: Was raten Sie den Anwendern im Hinblick auf 5G: Wie sollte man an dieses Thema herangehen?

Dr. Andreas Müller (Robert Bosch): Man sollte auf keinen Fall bis 2020 warten: Jeder sollte für sich überlegen, welche Auswirkungen 5G auf seine Fertigung oder Produkte haben kann. 5G kann dabei durchaus disruptiv sein, denn durch eine leistungsfähige drahtlose Vernetzung, Edge-Computing und Network Slicing können ganz neue Automatisierungsstrukturen entstehen Aus der klassischen Hardware-Steuerung in einem mobilen Roboter wird beispielsweise ein Stück Software, das hocheffizient und skalierbar in einer lokalen Edge Cloud ausgeführt werden kann. Dies erleichtert zudem die Wartung und die Kontrolle über die Maschine hinsichtlich Security. Das Positive ist, dass zum jetzigen Zeitpunkt noch die Möglichkeit besteht, die Entwicklungen rund um 5G aktiv mitzugestalten. Deshalb sind alle interessierten Unternehmen zur Teilnahme an der neu gegründeten 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) eingeladen.

Dr. Michael Meyer (Ericsson): Auf Produkte für die neue Luftfunkschnittstelle müssen wir noch etwas warten. Aber die Änderungen, die tiefer im Netzwerk geschehen, also die Softwarerisierung und die Verschmelzung der Cloud mit dem Netzwerk, passieren schon heute. Network-Slicing ist als Technologie schon jetzt verfügbar. Ich will aber auch noch auf eine andere Sache hinweisen: Bislang wurde recht stark in Mobilfunkgenerationen gedacht. Mit 5G verschwimmt diese klare Abgrenzung der Technologien. Durch den höheren Grad an Software und der damit verbundenen Flexibilität sind 5G-Netzwerke jederzeit anpassbar. Mit dieser Dynamik müssen wir uns heute schon beschäftigen, weil wir künftig nicht mehr etwas installieren und sagen: Das hält jetzt zehn Jahre. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Automatisierung, braucht aber auch das notwendige Know-how.

Professor Frank Fitzek (TU Dresden): Technologisch werden wir mit 5G am Ende der Generationsdiskussion einer Funkschnittstelle stehen. Das heißt nicht, dass es nicht neue Frequenzen geben wird. Aber Generationen gibt es überall dort, wo Software ist, nicht mehr.

www.audi.com

www.bosch.com

https://cn.ifn.et.tu-dresden.de

www.ericsson.com

www.festo.com

www.siemens.com


„5G ist gerade durch das Network Slicing eine disruptive Technologie für die Fabrik: Wir ermöglichen damit die durchgängige Virtualisierung in der Fabrik.“

Professor Frank Fitzek, Deutsche Telekom-Professur für Kommunikationsnetze an der TU Dresden und Koordinator des 5G Lab Germany
Bild: TU Dresden

„Es wird eine große Herausforderung für jedes Unternehmen, Netzwerkbetreiber zu sein. 5G ist ein Netz, was verwaltet und ständig optimiert werden muss – etwa im Hinblick auf Blockchain und

Machine Learning.“

Bernd Kärcher, Head of Advanced Mechatronic Concepts, Festo
Bild: Festo

„Wir benötigen auf alle Fälle private Netzwerke, weil wir im Konzern
Fabriken weltweit haben. Da habe ich keine Chance, in der geforderten Zeit mit den dortigen Mobilfunkbetreibern entsprechende Verträge zu schließen.“

Arjen Kreis, Automatisierungstechnik Karosseriebau, Standards bei Audi in Neckarsulm
Bild: Audi

„Änderungen, die tiefer im Netzwerk geschehen, also die Softwarerisierung und die Verschmelzung der Cloud mit dem Netzwerk,
passieren schon heute. Network-Slicing ist als Technologie schon jetzt verfügbar.“

Dr. Michael Meyer, Radio Network Architecture and Protocols, Ericsson Research
Bild: Ericsson

„Network Slicing kann bereits in den
Engineering-Prozess von Produktionsmitteln
integriert werden und damit auch
Reengineering-Prozesse
bestehender Anlagen erleichtern.“

Dr. Andreas Müller, Corporate Sector Research and Advance Engineering, Robert Bosch
Bild: Bosch

„5G Technologie muss es erlauben, die flexible Produktion zu unterstützen. Etablierte Funksysteme wie
Industrial Wireless LAN und Industrial Bluetooth erfüllen momentan nicht alle neuen
Anforderungen.“

Siegfried Richter, Process Industries and Drives Division, Siemens
Bild: Siemens
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