Nachgefragt: Ist 5G der Turbo für das IIoT?

| Autor: Sariana Kunze

5G, die Mobilfunktechnologie der fünften Generation, wird hohe mobile Übertragungsraten ermöglichen: Experten rechnen mit bis zu 20 Gigabit pro Sekunde.
5G, die Mobilfunktechnologie der fünften Generation, wird hohe mobile Übertragungsraten ermöglichen: Experten rechnen mit bis zu 20 Gigabit pro Sekunde. (Bild: ©Denys Rudyi - stock.adobe.com)

Der ZVEI sieht den Ausbau der 5G-Technologie als wichtigen Entwicklungsbeschleuniger für Industrie 4.0. Andere Stimmen aus der Softwarebranche sehen 5G als überflüssig für das Industrial Internet of Things (IIoT), ein generell flächendeckendes Netz sei wichtiger. Wir haben vier Industrieexperten zu ihren Sichtweisen befragt.

Befürworter können das eintreffen von 5G nicht schnell genug erwarten - auch für industrielle Anwendungen. Schließlich verspricht der kommende Mobilfunkstandard viel höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten, ohne dabei auf kabelgebundene Netzwerke angewiesen zu sein. Kritiker halten diese Sichtweise allerdings für wenig zielführend: Der Netzausbau sei auch schon jetzt nur unzureichend in Deutschland. Eine zuverlässige und flächendeckende Verfügbarkeit wäre allerdings viel wichtiger als mehr Bandbreite.

Wie steht die Industrie selbst zu dem Thema? Wir haben uns bei vier Experten umgehört und erfahren, welche Rolle 5G für die Industrie spielt sowie welche neuen Systemansätze und Lösungen denkbar sind.

Unter Experten gibt es konträre Meinungen zur Bedeutung von 5G-Netzen für die Industrie. Ist 5G nun wichtig oder überflüssig? Und: Welche Rolle wird 5G Ihrer Meinung nach für Industrie 4.0 spielen?

Frank Hakemeyer, Wireless-Experte bei Phoenix Contact: 5G ist alles andere als überflüssig, denn die Technik stellt nicht nur eine höhere Bandbreite zur Verfügung, sondern beansprucht für sich, dass sie deutlich mehr bieten kann. Dazu gehören beispielsweise getrennte – gegebenenfalls garantierte – Ressourcen über das sogenannte private Network Slicing, extrem verkürzte Kommunikationszeiten von weniger als einer Millisekunde sowie die Auslagerung von Rechenleistung in das Feld über das sogenannte Edge Computing. Mit diesen Ansprüchen kann 5G einen großen Beitrag zur Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 leisten.

Benedikt Rauscher, Entwicklungsleiter bei Pepperl+Fuchs: Eine flächendeckende und zuverlässige Verfügbarkeit der bestehenden Telekommunikationsnetze ist wichtig, diese sind jedoch primär zur Übertragung von Sprachsignalen und von Webseiten konzipiert worden und für IoT/IIoT-Anwendungen aus verschiedenen Gründen nicht optimal geeignet. Bei 5G sind nicht unbedingt nur die erreichbaren höheren Bandbreiten entscheidend, sondern auch die verringerten Latenzzeiten im Millisekunden-Bereich, wie sie bei mobilen Anwendungen mit harten Echtzeit-Anforderungen erforderlich sind. Des Weiteren sind zahlreiche völlig neue Anwendungen denkbar, die auf die in 5G integrierten Funktionalitäten wie z.B. zur Lokalisierung aufbauen. Eine nur lokale Netzabdeckung muss kein „Show-Stopper“ sein, sondern kann bei vielen Anwendungen ausreichend oder gar erwünscht sein. Insofern bin ich der Meinung, dass 5G tatsächlich eine treibende Rolle für Industrie 4.0 spielen wird.

Thorsten Schröer, Director & Industry Leader im Geschäftsbereich IBM Watson Internet of Things (IoT): Im Prinzip ist beides richtig – insgesamt schätze ich die Bandbreite vielleicht als etwas weniger relevant ein. Es kommt eben ganz darauf an, in welcher Region ein Unternehmen unterwegs ist und wie der konkrete Bedarf an netzgebundenen beziehungsweise mobilen Übertragungskapazitäten aussieht. Geht es um den Einsatz von Drohnen zur Überwachung einer Windkraftanlage, dann ist 5G natürlich der Standard der Wahl. Oder wird irgendwo weitab vom Schuss eine neue Produktionsstätte aufgebaut, die auf einen schnellen und leistungsfähigen Datenaustausch angewiesen ist, dann ist die Bandbreite entscheidend. Aber überall dort, wo Sicherheit eine große Rolle spielt – und das ist eindeutig die Mehrzahl der Fälle – ist eine stabile und sichere netzgebundene Verfügbarkeit generell das sehr viel gewichtigere Kriterium.

Rahman Jamal, Global Technology & Marketing Director von National Instruments: Unbestritten wird 5G für eine effiziente Vernetzung von IoT-Geräten sorgen. Ich würde sogar behaupten, dass der Standard die Entwicklung von Industrie 4.0 vorantreiben wird, denn er ermöglicht neue Systemansätze und Lösungen für den Produktionsprozess. Daher ist es wichtig, bereits bei der Standardisierung dafür zu sorgen, dass 5G auch die Anforderungen der Industrie abdeckt. Um etwas konkreter zu werden: Es gibt eine Reihe von Industrieapplikationen, die von den 5G inhärenten Eigenschaften wie extrem hohe Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit, mehr Datendurchsatz, geringe Latenz, wesentlich engere Vernetzung, größere Mobilität und IT-Security profitieren würden. So eignet sich der neue Standard beispielsweise für alle „mobilen“ Bereiche, sei es für mobile Roboter und Werkzeuge oder autonome Transportsysteme. Ebenso denkbar ist der Einsatz in Augmented-Reality-Anwendungen, die für Industrie 4.0 eine wachsende Bedeutung haben werden. Je mehr solcher Applikationen es gibt, desto mehr Bandbreite und kürzere Antwortzeiten sind erforderlich – unsere heutigen Netzwerke werden schnell an ihre Grenzen stoßen. 5G kann hier Abhilfe schaffen. Neben der ganzen Diskussion um 5G darf man aber nicht das aufkommende Time-Sensitive Networking (TSN) vergessen. Meines Erachtens wird es denselben Stellenwert für das IIoT haben wie 5G für die Telekommunikation. Die Parallelen sind offensichtlich: Beide Standards ermöglichen eine einfache Vernetzung von Geräten – der eine kabelgebunden, der andere drahtlos. Beide werden durch Standardisierungsgremien vorangetrieben, bauen auf kommerziellen Technologien auf und sind nahezu unbelastet von Firmeninteressen.

Wie nimmt sich Ihr Unternehmen dem Thema 5G an?

Frank Hakemeyer: Das Portfolio von Phoenix Contact umfasst bereits heute Produkte mit 2G-, 3G- und 4G-Technologie. Dabei verwenden die Komponenten die Mobilfunk-Technologien unter den gegebenen Rahmenbedingungen. Bei 5G hat Phoenix Contact das erste Mal die Chance ergriffen, die Technologie an die Bedürfnisse der Automatisierungstechnik anzupassen – und zwar nicht nur auf der Funkebene, sondern auch auf der Ebene der Nutzer- und Betreibermodelle sowie auf der regulatorischen Ebene zur Spektrumsnutzung. Dazu bringt sich das Unternehmen intensiv in die ZVEI-Arbeitsgemeinschaft 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) ein, die Phoenix Contact mit ins Leben gerufen hat.

Benedikt Rauscher: Pepperl+Fuchs ist Mitglied in der Task Force 5G im ZVEI sowie in der daraus gebildeten Arbeitsgruppe 5G-ACIA, um die speziellen Belange der Automatisierung hinsichtlich 5G in die Standardisierung einfließen zu lassen. Intern beschäftigen wir uns mit der Konzeption von 5G – speziell mit dem Slicing-Modell – und der Integration von Sensoren in 5G-Netze sowie den daraus resultierenden Anforderungen an die Infrastruktur-Komponenten und an die Sensorik selbst.

Thorsten Schröer: IBM bedient sich der kompletten Klaviatur beim Aufbau von IIoT-Infrastruktur-Lösungen. Für uns ist 5G nur eine weitere Taste auf dieser Klaviatur für das Design entsprechender Lösungen. Für IBM kommt es eben ganz darauf an, welche Aufgaben konkret bewältigt werden müssen.

Rahman Jamal: Wir arbeiten bereits seit 2010 an 5G, indem wir Forschungskooperationen aktiv unterstützen, deren Fokus auf der Entwicklung und Definition von Funksystemen der nächsten Generation liegt. Dabei geht es um Kooperationen sowohl in der Industrie als auch im Hochschulbereich. Aber auch bei der Definition von 5G ist National Instruments (NI) aktiv beteiligt. Dabei arbeiten wir mit namhaften Forschungsinstituten und -unternehmen zusammen: Alcatel-Lucent (jetzt Nokia Bell Labs), Bristol University, Intel, KU Leuven, der Lund University, AT&T, Nokia (ehemals Nokia Siemens Networks), NTT DOCOMO, NYU Wireless, Samsung, der Technischen Universität Dresden und der University of Texas in Austin. Außerdem nimmt NI am Platforms Enabling Advanced Wireless Research Program (PAWR-Programm) teil, das vom Weißen Haus initiiert wurde. Die Federführung liegt bei der National Science Foundation (NSF) und US Ignite. Dem Anwender bietet NI einen plattformbasierten Ansatz für Entwicklung und Test von Funksystemen. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus Hardware und Softwaretools sowie Bibliotheken, die sich auf Software-Defined Radios und Funkanwendungen maßschneidern lassen. Forschern im Bereich des Funks stellt die Software nicht nur bereichsspezifische IP (Intellectual Property) bereit, sondern auch eine flexible Systemdesignumgebung mit einem einheitlichen Prozess für die Entwicklung, Simulation und die Echtzeitprototypenerstellung. Aufgrund der Kombination von Hardware und Software aus einer Hand bietet sich dem Anwender eine enge Integration, so dass sich die für die Erstellung des ersten Prototyps benötigte Zeit erheblich reduzieren lässt.

Welche neuen Systemansätze und Lösungen für die Fabriken sind mit der 5G-Technologie denkbar?

Frank Hakemeyer: 5G hat das Potenzial zur Umsetzung ganz neuer Automatisierungsansätze. So könnten private 5G-Netze viele unterschiedliche und zum Teil proprietäre Wireless-Lösungen ersetzen und in einem Netz zusammenfassen. Das würde auch die Spektrumsnutzung deutlich vereinfachen. Darüber hinaus könnten Steuerungsfunktionen, die heute entweder lokal in Hardware abgebildet oder in die Cloud ausgelagert werden, zukünftig in der Edge Cloud – quasi dem Minirechenzentrum einer Basisstation – ablaufen. Damit wären zeitkritischere Funktionen und Regelalgorithmen möglich, die heute nur auf lokaler Steuerungs-Hardware durchführbar sind.

Benedikt Rauscher: Ein massiver Einsatz von verteilter Sensorik kann Informationen über den Zustand von Maschinen-Einheiten sowie von transportierten Gütern und Umgebungsbedingungen liefern, so dass auf Basis eines umfassenden Abbildes der physikalischen Welt vorausgeplant und geregelt werden kann sowie automatisch Maßnahmen eingeleitet werden können. Weitere bisher nicht realisierbare Anwendungen sind durch die mit 5G-Technologie erreichbare hohe Verfügbarkeit mit kurzen Latenzzeiten von drahtlosen Verbindungen möglich, z.B. bei der Steuerung von autonomen Fahrzeugen und anderen mobilen Szenarien.

Thorsten Schröer: Ein wachsendes Einsatzfeld für 5G-Technologielösungen ist z.B. das Tracking von Assets im Feld – auch jenseits von großen Baumaschinen oder Anlagen zur Erzeugung alternativer Energien. Ich denke beispielsweise an teure und technologisch anspruchsvolle Tools, wie etwa hydraulische Spezialwerkzeuge, die nicht nur möglichst wirksam vor Diebstahl geschützt werden müssen, sondern bei denen es auch darum geht, ihre Leistungsfähigkeit und ihren Verschleiß beziehungsweise Wartungsbedarf im Auge zu behalten.

Rahman Jamal: Um Industrie 4.0 weiter voranzutreiben, ist es unabdingbar, eine Infrastruktur bereitzustellen, die für industrielle Anwendungen geeignet ist. So wurde im ZVEI Anfang 2017 die Task Force 5G ins Leben gerufen, die aktuell zur 5G-ACIA erweitert wird. Hiermit sollen die Belange der Fertigungs- als auch der Prozessindustrie bereits in den Standardisierungsprozess integriert werden. Bereits heute gibt es viele Applikationen in der Industrie, bei denen eine drahtlose Kommunikation gefragt ist. Z.B. bei selbststeuernden Transportsystemen. Der Knackpunkt ist, dass immer mehr solcher Anwendungen zum Einsatz kommen, je höher die durch die Infrastruktur bereitgestellte Bandbreite und Echtzeitfähigkeit ist. Zudem schreit Industrie 4.0 geradezu nach hoher Flexibilität, so dass von verschiedenen Anwendungen genutzte Dienstleistungen und Plattformen erforderlich werden. Ähnlich wie LTE, das wir heutzutage vielerorts ganz einfach und selbstverständlich nutzen können, ohne erst eine Anwendung definieren oder implementieren zu müssen, wird die Kommunikation über Funk und in Echtzeit so ein Grundbestandteil einer allgegenwärtigen Kommunikationsinfrastruktur.

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