Praktische 5G-Anwendungen in der industriellen Automatisierung

Die drahtlose Kommunikation wird immer wichtiger für die Kommunikation in der industriellen Automatisierung. Die Mobilfunkkommunikation der fünften Generation (5G) wird weithin als Schlüsseltechnologie für die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0 oder das industrielle Internet der Dinge (IIoT)) gepriesen. Einige Quellen gehen sogar davon aus, dass 5G der Schlüssel dazu sein wird, Verbraucher- und andere nicht-industrielle IoT-Installationen allgegenwärtig zu machen, und zwar zu einem großen Teil deshalb, weil 5G die Verbindung einer schwindelerregenden Anzahl von Geräten ermöglicht, egal wo sich diese Geräte gerade befinden.

Abbildung 1: Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) vereint Organisationen für Telekommunikationsstandards, um zellulare Telekommunikationstechnologien so kreuz- und abwärtskompatibel wie möglich zu machen. (Logo-Quelle: 3GPP)

Aber wird 5G die Vielzahl der derzeit in Betrieb befindlichen Mobilfunkstandards ersetzen? Wird 5G WiFi, Bluetooth und IEEE 802.15.4 in Anwendungen, in denen diese anderen Technologien derzeit führend sind, übertreffen? Oder ist 5G einfach eine verbesserte Technologie für die wenigen automatisierten Anwendungen, bei denen ältere Mobilfunktechnologien zum Einsatz kommen? Was sind die Leistungsvorteile von 5G, und inwieweit sind diese bereits nutzbar?

Um die Antworten auf diese Fragen zu verstehen, sollten Sie sich zunächst überlegen, wie sich 5G von anderen Mobilfunkformen und nicht auf Mobilfunk basierenden Kommunikationsmitteln unterscheidet. 5G - das derzeit für Mobilfunk- und Industrienetze ausgerollt wird - baut auf den vorherigen Generationen 2G, 3G und 4G der digitalen Mobilfunktechnologie auf. Es gab nie ein 1G, denn der Vorläufer von 2G war eine analoge drahtlose Telefontechnologie, die mit den heutigen Netzen wenig gemein hat. Mit 2G kam die erste digitale Technologie und verschlüsselte Telefon- und SMS-Kommunikation (SMS: Short Message Service). Die GSM-Standards (Global System for Mobile Communications) definieren kreisvermittelte 2G-Netzwerke, die Vollduplex-Sprachverbindungen ermöglichen. Im Laufe der Jahre wurden die 2G-Netze durch den ersten General Packet Radio Service (GPRS) und dann durch Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) weiter verbessert. GPRS und EDGE ermöglichten die Übertragung von Allzweck-Datenpaketen für Internetverbindungen mit steigenden Datenraten, weshalb Netzwerke mit diesen Fähigkeiten manchmal als 2,5G- bzw. 2,75G-Technologien bezeichnet werden.

Mit 3G wurden die Datenübertragungsraten weiter verbessert - bis hin zur Möglichkeit von Videoanrufen. Zugehörige Standards sind CDMA2000 und verschiedene Formen von High-Speed Packet Access (HSPA).

Dann kamen 4G und noch höhere Datenübertragungsraten durch die Standards Long Term Evolution (LTE) und WiMax, die MIMO-Übertragungen (Multiple-Input und Multiple-Output) nutzen.

5G hat sich aus 4G entwickelt. Die ersten kommerziell verfügbaren 5G-Netzwerkprodukte wurden Ende 2018 veröffentlicht. Für eine historische Perspektive auf die Vorgeschichte dieser Entwicklung lesen Sie diesen DigiKey-Artikel von 2016: Wie 5G das industrielle Internet der Dinge verändern wird. Von höchstem Interesse für private und kommerzielle Nutzer ist, wie 5G-Netze in der Lage sein müssen, Datenraten von mehreren zehn Mbit/s für Zehntausende von Nutzern zu unterstützen. Sie müssen auch in der Lage sein, eine 1-Gbit/s-Verbindung für Dutzende von Personen innerhalb eines bestimmten Büros bereitzustellen.

Es gibt noch andere Eigenschaften von 5G, die für industrielle Automatisierungsanwendungen relevant sind. Genauer gesagt müssen 5G-Netze Hunderttausende von gleichzeitigen Verbindungen mit sehr geringer Latenz und sehr zuverlässiger Abdeckung ermöglichen. Diese Merkmale sind der Schlüssel für den massiven Einsatz von Sensoren im Zusammenhang mit IIoT- und Maschinensteuerungsanwendungen.

Lesen Sie den zugehörigen DigiKey-Artikel: Das Versprechen von 5G: Hype versus Realität

Spektrum und Millimeterwellen-Datenkommunikation

Ein Vorbehalt ist, dass die Verbreitung von vernetzten Geräten in mobilen Netzwerken die Gefahr einer Frequenzverknappung mit sich bringt. Im Allgemeinen bieten Bänder mit niedrigeren Frequenzen eine größere Reichweite, während Bänder mit höheren Frequenzen eine größere Anzahl von Verbindungen innerhalb eines kleinen Bereichs ermöglichen. Ein typisches Beispiel: Der 1G-AMPS-Standard nutzte das 800-MHz-Band, während der 2G-GSM-Standard zunächst 1900 MHz verwendete. Viele GSM-Telefone unterstützen heute drei oder vier verschiedene Bänder, um den internationalen Einsatz zu ermöglichen ... und aktuelle Mobilfunknetze arbeiten zwischen 700 MHz und 2,6 GHz. Da jedoch durch das IoT die Anzahl der Geräte, die sich mit Mobilfunknetzen verbinden, zunimmt, ist auf diesen bestehenden Frequenzbändern immer weniger Spektrum verfügbar. Deshalb drängt 5G in höhere Frequenzen wie 6 GHz und sogar in die sogenannten Millimeterwellen-Frequenzen oberhalb von 24 GHz - einschließlich 28 GHz sowie 38 GHz.

Abbildung 2: Sliver-Highspeed-Verbindungen unterstützen Datenraten von 25 Gbit/s und 5G-AAS-Anwendungen, einschließlich Switching und Routing in Rechenzentren und Telekommunikationseinrichtungen. (Bildquelle: TE Connectivity)

Millimeterwellen-Kommunikationsfrequenzen ermöglichen eine viel höhere Bandbreite und eine sehr große Anzahl von Verbindungen. Der Nachteil ist, dass die Datenübertragung auf diesen Frequenzen eine begrenzte Reichweite und dramatische Verluste aufweisen kann, wenn sie durch feste Objekte hindurchgeht. Tatsächlich kann die Millimeterwellen-Kommunikation durch trockene Luft eine geringere Dämpfung aufweisen als die auf anderen Frequenzen - auf der anderen Seite wird diese Kommunikation jedoch durch Regen stark beeinträchtigt.

Eine Lösung, um die bessere Bandbreite dieser höheren Frequenzen zu nutzen (aber Reichweitenprobleme zu vermeiden), ist Strahlformung. Bei dieser Technik wird ein fokussierter Kommunikationsstrahl auf ein bestimmtes Ziel gerichtet und nicht einfach in alle Richtungen ausgestrahlt. Strahlformung könnte der Millimeterwellen-Kommunikation bald die Reichweite der heute üblicherweise verwendeten niedrigeren Frequenzen verleihen - und das bei gleichzeitiger Minimierung von Kommunikationsstörungen.

Der 5G New Radio (NR) Standard wurde entwickelt, um die Funkzugangstechnologie für 5G zu spezifizieren. Er umfasst zwei Frequenzbereiche. Der Frequenzbereich 1 liegt unter 6 GHz und der Frequenzbereich 2 liegt im Millimeterwellenbereich von 24 GHz bis 100 GHz.

Massive Anbindung mit 5G in der Automatisierung

Die Erhöhung der Frequenzen, um mehr Spektrum zu erhalten, wird Teil der Lösung sein, um die massive Konnektivität zu ermöglichen, die benötigt wird, um die Versprechen des IoT, wie z. B. eine viel größere Sensordichte, vollständig zu realisieren. Es ist daher wahrscheinlich, dass sich die Anzahl der Geräte, die sich mit 5G-Netzwerken verbinden können, unmittelbar nach deren Einführung verbessern wird.

Millimeterwellen-5G ist in der Lage, eine Million Geräteverbindungen pro Quadratkilometer zu bewältigen, wird aber NB-IoT (Narrowband Internet of Things) benötigen, um dies zu erreichen.

NB-IoT ist eine stromsparende Technologie, die sich auf die Abdeckung von Innenräumen für kostengünstige und stromsparende Geräte konzentriert. Die aktuelle NB-IoT-Konnektivität liegt weit unter einer Million Geräten, wobei die Zellen derzeit 10.000 Geräte unterstützen. LTE-M (Long Term Evolution for Machines) ist eine weitere stromsparende Technologie, die eine höhere Datenrate und eine geringere Latenz als NB-IoT bietet, jedoch bei höheren Gerätekosten und höherem Stromverbrauch. Eine andere Lösung werden kleinere Zellen sein, besonders in Gebieten mit hoher Nachfrage.

5G-Latenz: Veröffentlichte Werte und tatsächliche Leistung

5G soll eine Latenz von unter 1 ms erreichen ... aber diese Spezifikation wird meistens nicht erreicht. In der Tat beträgt die Latenzzeit der NB-IoT-Technologie bei normaler Abdeckung etwa eine Sekunde und erhöht sich bei erweiterter Abdeckung auf mehrere Sekunden. Bei LTE-M ist die Latenz etwas besser, etwa 100 ms im Normalbereich, aber immer noch weit entfernt von den 1 ms, die für Echtzeit-Steuerungsanwendungen erforderlich sind.

Abbildung 3: Verschiedene Formen von 5G haben weltweit eine schnelle Verbreitung erfahren. (Bildquelle: Design World)

Das Erreichen einer Latenzzeit unter 1 ms ist mit einem zentralisierten Netzwerk unmöglich, da der Round-Trip 50 bis 100 ms dauern kann. Die Lösung dafür ist, die Verarbeitung innerhalb der Zelle durchzuführen ... das erfordert allerdings Server auf Zellebene. Dies ist eine Vereinfachung, denn wenn sich angeschlossene Geräte zwischen den Zellen bewegen - wie bei autonomen Fahrzeugen - muss die Kontinuität der Steuerung und Koordination erhalten bleiben. Das wiederum erfordert eine Kombination aus verteilter und zentraler Steuerung innerhalb des Netzwerks. Kleinere Zellen können auch helfen, die Latenzzeit zu reduzieren.

Eine weitere Methode, die in 5G verwendet wird, um die Latenz zu reduzieren, ist das sogenannte Network Slicing. Hier wird die Netzwerkbandbreite in Spuren aufgeteilt, die individuell verwaltet werden können, so dass einige für Übertragungen mit niedriger Latenz reserviert werden, indem der Verkehr auf diesen Spuren niedriger gehalten wird. Industrielle Steuerungsanwendungen, die diese Fähigkeit benötigen, können daher diese reservierten Spuren nutzen.

Aktuelle 5G-Netzwerke erreichen eine Latenzzeit von unter 30 ms, aber die 1 ms, die für eine Echtzeitsteuerung erforderlich sind, sind noch weit entfernt.

Weitere 5G-Vorteile: geringer Energieverbrauch und hohe Zuverlässigkeit

Die Verwendung kleinerer Zellen reduziert natürlich den Energieverbrauch, wird aber durch die größere Anzahl von Geräten etwas ausgeglichen. Ein intelligenteres Energiemanagement wird ebenfalls eine Rolle bei der Reduzierung des Energieverbrauchs im 5G-Netz spielen. NB-IoT wird für viele Geräte eine Batterielebensdauer von mehr als 10 Jahren ermöglichen, bei einer Reichweite von 10 km.

Eine zuverlässigere Abdeckung ist ein weiterer Vorteil von 5G. 5G wird schnell verbreitet. NB-IoT- und LTE-M-Netze sind bereits in weiten Teilen der Welt verfügbar. Die Verfügbarkeit von reservierten Spuren mit niedriger Latenz ist in diesem Stadium etwas weniger klar.

Alternative, nicht auf Mobilfunk basierende, drahtlose Vernetzung

5G-Mobilfunktechnologien sind nicht die einzige Möglichkeit, industrielle Geräte drahtlos zu verbinden. Zu den Alternativen gehören auf WiFi, Bluetooth und IEEE 802.15.4 basierende Technologien.

Die Latenzzeit von WiFi beträgt typischerweise 20 bis 40 ms und hat einige Probleme mit der Verbindungsstabilität - was bedeutet, dass es im Allgemeinen nicht für Steuerungs- und Industrieautomatisierungsanwendungen verwendet wird. Derzeit wird es jedoch für die Zustandsüberwachung von Maschinen, Bewegungssensoren und Barcode-Scannern eingesetzt. IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) arbeitet im Bereich 900 MHz für Reichweiten bis zu 1 km bei sehr geringem Stromverbrauch. Damit ist sie konkurrenzfähig zu IoT-spezifischen 5G-Technologien, kann aber nicht mit der geringen Latenz und der hohen Sensordichte mithalten.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) bietet kostengünstige und stromsparende Vernetzung mit begrenzter Geschwindigkeit und Reichweite, ist aber auf Verbrauchergeräte ausgerichtet. IEEE802.15.4-basierte Technologien legen ebenfalls Wert auf niedrige Kosten und geringen Stromverbrauch gegenüber Geschwindigkeit und Reichweite, mit nur 250 kbit/s und einer Reichweite von nur 10 Metern. Da jedoch Maschennetzwerke unterstützt werden, können Netzwerke über 10 m hinaus erweitert werden, vorausgesetzt, dass kein Gerät mehr als 10 m von einem anderen Gerät im Netzwerk entfernt ist. Viele kostengünstige IoT-Geräte verwenden Technologien wie 6LoWPAN, WirelessHART und ZigBee. WirelessHART, das am intensivsten auf die Industrie ausgerichtet ist, wird von einer Vielzahl von Industrieorganisationen unterstützt, darunter ABB, Siemens, die Fieldbus Foundation und Profibus.

Fazit

5G muss als eine Familie von Technologien betrachtet werden. Beeindruckende Leistungsansprüche - einschließlich sehr hoher Bandbreite, massiver Sensordichte und superschneller Latenz - sind nicht gleichzeitig mit einer einzigen Technologie möglich. Das bedeutet, dass die wichtigsten 5G-Implementierungen in der Industrieautomatisierung nicht einfach erscheinen werden, wenn 5G-Mobilfunkdienste allgegenwärtig werden. Die hohe Sensordichte von automatisierten Anlagen wird IoT-spezifische Technologien wie NB-IoT und LTE-M erfordern. Die gute Nachricht ist, dass solche Technologien bereits eingeführt werden und in der gesamten entwickelten Welt - wie auch in den Entwicklungsländern - zunehmend verfügbar sind. Ingenieure können in den kommenden Jahren einen stetigen Zuwachs an 5G-Netzwerkfähigkeit erwarten.

Video: Was mit 5G zu erwarten ist

Die Nutzung von 5G für Steuerungsanwendungen, die eine sehr geringe Latenzzeit erfordern, ist noch etwas weiter entfernt. Energiesparende Technologien wie NB-IoT und LTE-M 5G (und insbesondere IoT-spezifische Anpassungen) werden eine bedeutende Rolle bei der Realisierung von Industrie 4.0 spielen und Maschinen intelligenter, Fabriken flexibler und Prozesse weniger verschwenderisch machen. Natürlich wird 5G auch weiterhin mit nicht auf Mobilfunk basierenden Technologien wie WiFi, Bluetooth und IEEE 802.15.4 konkurrieren. Letztendlich wird all dies eine höhere Produktivität der Automatisierung anspornen.

Kurz gesagt: 5G und andere Formen der sicheren und flexiblen drahtlosen Konnektivität werden die Sensordichte ermöglichen, die für Big-Data-Analysen erforderlich ist, um Produktionsprozesse vollständig zu charakterisieren, Wartungsprogramme zu optimieren, Materialflüsse zu koordinieren und autonome Roboterkooperationen zu ermöglichen.