Industrie-4.0-Vernetzung: Der Einsatz von Mobilfunk in der industriellen Fertigung

Das IIoT (Industrial Internet of Things) verlangt nach einer durchgängigen Maschinen- und Gerätevernetzung zwischen Zentrale, Netzwerkrand, Cloud und mobilen Endpunkten. 4G LTE- und 5G-Standards sind die Basis, um kabelgebundene Lösungen zu ergänzen und abzulösen. Sie sind auch die Grundlage für den Einsatz von software-definierten WANs (SD-WANs) am sogenannten Edge.

Die Integration von SD-WAN in moderne Unternehmensinfrastrukturen bewirkt, dass eine Verschmelzung von klassischer Informationstechnologie (IT) und operativer Technologie (OT) umgesetzt werden kann. Die IT/OT-Konvergenz ist auch die Basis für die Industrie 4.0, also einer echtzeitfähiger industriellen Vernetzung mit Prozesssteuerung und Überwachung physischer Maschinen und industrieller Anlagen am Netzwerkrand über die Cloud. 

Mit SD-WANs geht die Konsolidierung multipler WAN-Verbindungen einher. Hardware- wie Betriebskosten zur Anbindung des Netzwerkrandes können deutlich gesenkt werden, die Agilität steigt. Begleitend erleichtert Cloud-Management die Bereitstellung und Verwaltung von Netzwerkgeräten. Allerdings müssen neue Anforderungen an Verfügbarkeit und Sicherheit dieser Verbindungen neu definiert werden.

IIoT über Wireless WANs. Die Fertigungsbranche ist einer der Anwender des IIoT, vor allem weil die Technologie eine Vielzahl von Effizienzsteigerungen ermöglicht. Mit IIoT über Wireless WAN können Anlagen aus der Ferne verwaltet, in Echtzeit überwacht und proaktiv gewartet werden. Zustand, Standort und Status von Produkten lassen sich einfacher nachverfolgen. Auf dieser Fähigkeit aufbauend, fügen Wireless-Edge-Lösungen Mobilfunkverbindungen als Verbindungsoption hinzu. 

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Die IIoT umfasst dabei eine ganze Reihe an Technologien, wie neue Sensoren, Anwendungen, Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, maschinelles Lernen, vorausschauende Analyse, Geo-Lokalisierung, tragbare vernetzte Dinge sowie die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung (Augmented Reality).

Von 4G LTE zu 5G – Campusnetze im Wandel. Die 5G-Technologie bietet nicht nur eine Steigerung der Bandbreite, sondern auch eine Reihe neuer Funktionen und Anwendungsfälle. 5G bietet extrem geringe Latenzen und ermöglicht neue Anwendungen, die auf schnellere Reaktionszeiten angewiesen sind. Verbesserte Antennen- und Übertragungstechniken erhöhen die Anzahl der Geräte, die eine 5G-Station verarbeiten kann, massiv. So wird die drahtlose Unterstützung von IoT-Netzwerken und anderen Anwendungen mit hoher Dichte zur Realität. Da LTE der Gigabit-Klasse inzwischen weitestgehend verfügbar ist und 5G-Dienste von den meisten Betreibern eingeführt werden, wird es immer einfacher ein Netzwerk orts- und zeitunabhängig, je nach Bedarf eines Unternehmens, aufzubauen. 

5G ist dabei ein wichtiger Enabler für eine Modernisierung der Produktions- und Steuerungsprozesse. Beispielsweise lassen sich TSN-Umgebungen (Time Sensitive Networking) in vielen Fällen erst über 5G realisieren. Sie führen zu hersteller- und plattformübergreifender Vernetzung und eine durchgängige Ende-zu-Ende-Echtzeit-Kommunikation. So haben das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT sowie einige Maschinenbau-, Robotik- und Netzwerktechnik-Anbieter gemeinsam eine Kommunikationsinfrastruktur für Sensorik und Aktorik bis in die Cloud entwickelt. Sie unterstützt die präzise Ansteuerung eines Roboters im laufenden Betrieb über die Cloud. So können Roboter in hochdynamischen Produktionssystemen adaptiv gesteuert werden, ohne dass sie direkt miteinander verbunden sind. 

Zudem erlaubt 5G den Aufbau privater, für die Öffentlichkeit unzugänglicher Netzwerke. Sie bringen noch einmal einen erheblichen Gewinn bei Leistung, Datenschutz und Sicherheit des Netzwerks. Damit legt 5G den Grundstein für die sichere Kommunikation zwischen verschiedenen Maschinen und Anlagen, Robotern und Komponenten – vom Sensor und Aktor bis in die Cloud. 

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Neue Möglichkeiten mit SD-WANs. Wireless SD-WANs lösen zahlreiche Probleme für Unternehmensnetzwerke, schaffen neue Möglichkeiten und legen den Grundstein für weitere Veränderungen und Innovationen. 

  • Verbesserung des Netzwerk-Failovers:
    Vernetzte Unternehmen erleben verringerte Ausfallzeiten und Wartungskosten, eine Steigerung der Produktion, höhere Sicherheit am Arbeitsplatz und erhalten generell einen besseren Überblick über die Vorgänge in ihrem Betrieb. Auch die Predictive Maintenance bietet Aspekte der Verfügbarkeit von Produktionsanlagen. Verbindungen mit höherer Bandbreite, wie LTE und 5G der Gigabit-Klasse, können einen Failover des gesamten Datenverkehrs erzeugen. Dies gelingt viel schneller als auf die Installation einer neuen Leitung oder eines alternativen Dienstanbieters zu warten.
     
  • Erhöhte Netzwerkbandbreite:
    In mobil vernetzten Edge-Szenarien sind Latenzzeiten Störfaktor und Ausschlusskriterium. Zumal die zu verarbeitenden Datenmengen, beispielsweise durch den zunehmenden Einsatz von datenintensiverer Sensorik, wie Schwingungs- oder Bildsensorik künftig noch größer werden. Nach einer lokalen Aggregation müssen diese Daten in die Cloud zur Weiterverarbeitung geschickt werden. Entsprechend verlangt die Edge-Vernetzung höchste Bandbreiten – auch von einer Wireless-WAN-Infrastruktur. Diese bieten jedoch im Vergleich zu kabelgebundenen Infrastrukturen eine sehr viel höhere Flexibilität, um diese dauerhaft oder punktuell bereitzustellen. Ein großer Vorteil von SD-WAN ist die gleichzeitige Aggregation mehrere Verbindungen, um so eine erhöhte Bandbreite herzustellen. 

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit und Kapazität drahtloser Verbindungen, ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, rasch neue Dienste hinzuzufügen. In der Industrie betrifft dies besonders eine schnelle Integration neuer Produktionsstandorte in die bestehende Firmenorganisation mit ihren Prozessen, Entwicklungs-, Produktions- und Logistik-Abläufen.

Drahtlos-WAN als neuer Industriestandard. Bei der Einführung von 5G befindet sich die Fertigungsindustrie weiterhin in der Konzeptions- und Planungsphase: Erst 30 Prozent der Industrieunternehmen weltweit (Deutschland: 34 Prozent) testen den Einsatz von 5G oder sind bereits weiter fortgeschritten. Zu diesem Ergebnis kommt das Capgemini Research Institute in der Studie »Accelerating the 5G Industrial Revolution: State of 5G and edge in industrial operations« [1]. So basieren noch viele Wireless WANs auf 4G LTE als Standard.

Dennoch schreitet die Entwicklung voran. Laut IDC wuchs der Umsatz mit SD-WAN von 2019 bis 2020 weltweit um 18,5 Prozent. Die Analysten prognostizieren ein jährliches Wachstum von 18,9 Prozent bis 2025. Dann sollen die Gesamteinnahmen im Bereich SD-WAN die Marke von sieben Milliarden US-Dollar erreichen. 5G-Infrastrukturen und Komponenten bieten etablierte Netzwerk-Anbieter wie etwa Cisco, Citrix, Fortinet, HPE/Silverpeak, Huawei, Juniper, Riverbed oder auch Vmware. Vermehrt kommen neue Anbieter auf den Markt, beispielsweise Aryaka, Cato Networks oder Craddlepoint.

Zahlreiche andere Geschäftsszenarien sind denkbar, bei denen eine kabelgebundene Lösung keine praktikable Option darstellt. Denkbar sind beispielsweise Betriebsstandorte mit einer kurz- bis mittelfristigen Benutzung oder solche ohne Gebäudestruktur, wie Baustellen, Pop-up-Stores oder Outdoor-Märkte. 5G wird dabei eine entscheidende Rolle spielen.

 


Michael Baumann,
Fachautor

 

 

[1] https://www.capgemini.com/research/the-5g-industrial-revolution/

 

Illustrationen: © Valenty/shutterstock.com

 

184 Artikel zu „Industrie 4.0 Mobilfunk“

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