Automatisierung

5G als Standard bei Funk?

Wie 5G und PI-Technologien zusammenpassen und sich beides in die bestehende Kommunikationslandschaft einfügt

26.11.2021 - 5G soll der Türöffner für zukünftige industrielle Anwendungen werden. Gar nicht so einfach, wenn derzeit nur wenige Geräte und Komponenten für 5G verfügbar sind. Dennoch lohnt es sich, bereits jetzt das Thema aufzugreifen. So fällt der Einstieg später leichter.

Im Proof-of-Concept-Projekt im Siemens Automotive Test Center werden 5G-Lösungen in einer realistischen  Indus­trieumgebung getestet.
Im Proof-of-Concept-Projekt im Siemens Automotive Test Center werden 5G-Lösungen in einer realistischen
Indus­trieumgebung getestet. (Bild: Siemens)

 

Obwohl 5G mittlerweile in jedem Zukunftsreport zu finden ist, befindet sich die Technologie in den Anfängen. Entsprechende Geräte sind nur wenige zu finden, da die dafür nötigen Releases für URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications – aktuell Release 16/17) derzeit erst spezifiziert werden. Aber die Branche agiert schnell – in kurzer Zeit könnten Geräte und Technologie bereitstehen. Mehr noch: 5G hat das Potenzial, die drahtlose Kommunikation auf eine breitere Ebene zu stellen. Ähnlich wie es einen anhaltenden Trend zu Time-Sensitive-Networking (TSN) für etablierte (kabelgebundene) Industrial-Ethernet-Lösungen gibt, wird 5G wahrscheinlich die Standard-Funktechnologie der Wahl werden.
Derzeit sind vor allem private 5G-Netze (sogenannte Campus-Netze) im Gespräch, etwa bei Siemens in Nürnberg, Amberg und Karlsruhe, der BASF in Ludwigshafen oder bei Audi. Diese ermöglichen es Industriestandorten, ihre eigenen Netze zu kontrollieren und zu verwalten. Sie bieten eine hohe Zuverlässigkeit, geringe Latenzzeiten und vor allem die Möglichkeit, das Netz an sich ändernde Anforderungen anzupassen. Gleichzeitig bleiben die Daten vor Ort – dies sorgt für zusätzliche Sicherheit.
Ein weiterer Vorteil ist, dass es pro Standort eine gemeinsame Infrastruktur für viele Verwendungszwecke gibt. Dabei ist die Bandbreite hoch, die Einrichtung einfach und die Betriebskosten (OPEX) lassen sich ebenfalls reduzieren. Durch die einfache Erweiterbarkeit wird der Spielraum für Unternehmen größer. Network Slicing kann beispielsweise in Kombination mit der erweiterten Sicherheit mehrere Netzwerkebenen (ERP, MES, DCS) auf demselben physischen Netzwerk hosten. Die Erhöhung der Bandbreite und der Anzahl angeschlossener Geräte ermöglicht die Erweiterung des IoT auf der Produktionsfläche, aber auch die Verlagerung von komplexen Berechnungen von einem zentralen Computer auf Distributed Edge Computing.
Die Frage ist, wie sich PI-Technologien in dieses Themenfeld einfügen und die Vorteile am besten nutzen können. Genauer unter die Lupe genommen werden derzeit Parameter wie Reaktionszeit, Verfügbarkeit sowie die funktionale Sicherheit. Insbesondere letzteres gilt als zwingende Voraussetzung für den Einsatz von 5G in der Fertigungsautomatisierung und dort speziell zur Steuerung autonomer Fahrzeuge.

Erste Praxistests

Obwohl die Technologie noch jung ist, gibt es bereits Erfahrungen in der Praxis, wie zahlreiche Vorträge auf der diesjährigen PI-Konferenz zeigten. So ist der 5G-Industry Campus Europe in Aachen Europas größtes 5G-Forschungsnetz. Dies umspannt insgesamt vier Werkshallen und einen Quadratkilometer offene Fläche. Die Werkshallen des Werkzeugmaschinenlabors WZL und des Forschungsinstituts für Rationalisierung FIR an der RWTH Aachen sowie des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT sind mit ihrer maschinellen Ausstattung und ihren Prozessen mit industriellen Produktionsumgebungen vergleichbar. In einem Forschungsprojekt 5Gang wurden fertigungstypische Use Cases bezüglich funktionaler Sicherheit beim Einsatz von 5G untersucht. So wollte man klären, welche Vorteile 5G gegenüber bisher eingesetzten Wireless-Technologien wie WLAN oder Bluetooth für die deutsche Fertigungsindustrie hat. Ebenfalls im Fokus stehen:

  • Kommunikation der industriellen Protokolle auf Layer 2 (ISO/OSI-Modell),
  • sehr kurze Zykluszeiten und hoch-präzise Synchronisierung,
  • Stabilität gegenüber anderen Funkfrequenzen im direkten Umfeld,
  • Transport vieler kleiner Ethernet-Frames,
  • Übertragung von Sicherheitsprotokollen gemäß IEC 61784-3,
  • Beachtung der IEC 61508 als Grundnorm für funktionale Sicherheit.

Da Profisafe das Black-Channel-Prinzip nutzt, ist keine spezielle Konfiguration erforderlich, um eine funktionssichere Kommunikation zwischen Profisafe-Geräten und Steuerungen über 5G zu ermöglichen. Die bekannten Sicherheitsprotokolle (hier Profisafe) basieren auf dem Standard-Industrieprotokoll und werden angesichts der darunter liegenden Kommunikationstechnik als Black Channel für ein industrielles Ethernet-Netzwerk (hier Profinet) realisiert. Das zugehörige Sicherheitsprotokoll hat keine Auswirkungen auf das Standard-Busprotokoll. Ein solcher Black Channel kann transparente Netzwerkkomponenten wie Switches, Router, Links oder auch drahtlose Übertragungskanäle umfassen. Solche Sicherheitsprotokolle reduzieren die Restfehlerwahrscheinlichkeit einer Datenübertragung auf das von den einschlägigen Normen wie der IEC 61508 geforderte Niveau oder besser.

Sicheres Zusammenspiel

Für eine bestmögliche Sicherheitskommunikation im Zusammenspiel mit Profinet muss ein 5G-System vor allem zwei Anforderungen erfüllen:

  • Die Profinet-Aktualisierungszeit beträgt 1 ms, womit jede Millisekunde ein Profinet-Paket generiert und an das IO-Modul übertragen wird.
  • Es muss ein Standard-TDD-Muster (Time Division Duplex) mit Dynamic Scheduling im 5G-System verwendet werden. Auf eine weitergehende Optimierung im 5G-Radio Access Network wie Pre-Sheduling wurde bewusst verzichtet. Damit ließe sich jedoch das 5G-Campus-Netz bei Bedarf für besonders niedrige Latenzzeiten weiter optimieren.

Wichtigster Indikator für die Leistungsfähigkeit des Systems Profisafe/Profinet über 5G ist die Datenaustauschzeit (Data Exchange Time, DX). Zusätzlich muss noch die Safety-Überwachungszeit (Watchdog-Zeit) von Profisafe berücksichtigt werden. Dabei handelt es sich um die Zeit, bei der die Anwendung in den sicheren Zustand geht.

Blick auf Zeiten für den Datenaustausch

Es wurden zwei Konfigurationen untersucht, die sich im Aufbau unterscheiden: In beiden Fällen war das Feldgerät (IO-Modul) über 5G an die Basisstation des Campus-Netzwerks angeschlossen, während die Steuerung entweder ebenfalls über 5G oder über Kabel mit der Basisstation verbunden war. Für einen Vergleich der beiden Konfigurationen und damit zwischen 5G und WLAN wurden die maximalen Datenaustauschzeiten für einen beispielhaften Satz von Profisafe-Daten ermittelt. Hier zeigte sich 5G mit nur 25 ms gegenüber WLAN mit 200 ms deutlich überlegen. Das Testergebnis ist ein Nachweis für den Nutzen von 5G-Campus-Netzen. 5G unterliegt keinen Koexistenzmaßnahmen, was die Latenzzeit vorhersehbar und deterministisch macht. Dadurch sind Applikationen mit sehr kurzer Zykluszeit bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit möglich. Als Kommunikationstechnologie hat sich hier Profisafe über Profinet bewährt. 

Wie könnte der Mischbetrieb aussehen?

Es gibt aber noch weitere Testumgebungen. So hat Siemens ein eigenes Proof-of-Concept-Projekt im Siemens Automotive Test Center in Nürnberg eingerichtet, das ein privates 5G-Standalone-Netz (SA) in einer realen industriellen Umgebung unter Verwendung des 3,7-3,8-GHz-Bandes demonstriert. Darin geht es um das Testen von 5G-Lösungen in einer realistischen Industrieumgebung, aber auch um Fragen, wie die Migration von bestehenden IWLAN gelingt, beziehungsweise wie der Mischbetrieb aussehen könnte. Gleichzeitig sollen aktuell verfügbare Industrieprotokolle wie Profinet und OPC UA zusammen mit drahtloser Kommunikation über 5G evaluiert werden. Das Netzwerk nutzt sowohl das Profinet- als auch das OPC-UA-Protokoll – im ersten Fall für die Controller-to-Device-Kommunikation, im zweiten Fall für die Controller-to-Controller-Kommunikation. Erste Testergebnisse von Industrial 5G in industriellen Anwendungen sind vielversprechend.

5G in der Prototypenfertigung bei Audi

Automated Guided Vehicles (AGVs) oder Automated Mobile Robots (AMRs) sind nur einige der Anwendungen, die derzeit bei Audi im Zusammenhang mit 5G untersucht werden.
Automated Guided Vehicles (AGVs) oder Automated Mobile Robots (AMRs) sind nur einige der Anwendungen, die derzeit bei Audi im Zusammenhang mit 5G untersucht werden. (Bild: © Audi)

 

Auch Audi beschäftigt sich bereits seit dem Jahr 2017 mit dem Thema 5G. Neben den traditionellen industriellen Anwendungen für drahtlose Konnektivität wie mobiles Arbeiten, Remote Assistance und dynamische Sensorik untersucht man auch neue industrielle Anwendungen. Audi baute dafür 2020 ein 5G-Netzwerk in seinem Batterietechnikum auf. Die Bilanz in dieser Prototypenfertigung fiel sehr positiv aus.
Anfang 2020 wurden in einer Zusammenarbeit zwischen Audi und Ericsson Zykluszeiten von 3 ms mit einer Latenz von 1 ms erreicht, wenn Profinet und Profisafe über 5G laufen. Solche Zeitskalen sind wichtige Voraussetzung für die Fabrikautomation und ermöglichen Anwendungen wie Automated Guided Vehicles (AGVs) oder Automated Mobile Robots (AMRs).

Ausblick

Wer heute auf Wireless-Applikationen mit PI-Technologien setzt, dem fällt später der Einstieg in das 5G-Thema leichter. Hintergrund ist, dass die Profinet-Anwendung die gleiche bleibt, lediglich die mobile Anbindung wird schneller und sicherer. Auch ähnelt die Projektierung von 5G-Netzen der TSN-Technologie, so dass zahlreiche Erfahrungen vorliegen. Die PI-Community wird – wie immer bei neuen Technologien – in jedem Fall den Anwender beim Einstieg in 5G begleiten.


Autoren
Sabine Mühlenkamp, Freie Autorin
Thomas Schildknecht,
Vorstandsmitglied bei Schildknecht

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