Für moderne Industrieunternehmen wird drahtlose Kommunikation zur Schlüsseltechnologie. Insbesondere in flexiblen oder mobilen Produktions- und Prozessumgebungen, wo kabelgebundene Netzwerke an ihre Grenzen stoßen und Standard-WLAN nicht zuverlässig genug ist, setzen immer mehr Unternehmen auf Private 5G-Netzwerke. Diese dedizierten Campusnetze bieten die nötigen Bandbreiten, Zuverlässigkeit, Deterministik und Sicherheit, um Maschinen, Anlagen und mobile Systeme flexibel zu vernetzen – auch unter schwierigen Bedingungen.
Siemens Digital Industries bietet für industrielle Anforderungen eine 5G-Komplettlösung. Der Innovationsführer in der Automatisierung und Digitalisierung begleitet Kunden aus der Industrie bei ihrer digitalen Transformation und bietet End-to-end-Lösungen mit Zukunftstechnologien.
Die Herausforderung: Bisherige Funknetze haben technische Grenzen
Die Vernetzung von Maschinen und Anlagen in der Industrie ist aufwendig. Vor allem große Anlagen in der Prozess- und Schwerindustrie sind über weitläufige Gelände mit zahlreichen Gebäuden verteilt. Typische IT-Funknetzwerke wie Standard-WLAN eignen sich nur in Grenzen, da sie grundlegende Anforderungen von Industrieanwendungen nicht erfüllen.
Bei industriellen Anwendungen steht eine zuverlässige und deterministische Kommunikation im Vordergrund. Doch um eine typische Anforderung der Industrie wie etwa die Vermeidung von Taktverlusten zu erfüllen, muss die Verbindung immer stabil bleiben.
Technische Profile für unterschiedliche Anwendungsszenarien
Die 5G-Technologie bietet drei technische Profile, die unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Industrie abbilden.
- „Enhanced Mobile Broadband (eMBB)“ bietet hohe Datenraten und damit in erster Linie eine verbesserte Benutzererfahrung bei Video-Streaming oder virtueller Realität.
- „Massive Machine-Type Communication (mMTC)“ ist in der Lage, eine sehr große Anzahl von IoT-Geräten (etwa Sensoren) mit geringem Energiebedarf mit dem Netz zu verbinden – bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer.
- „Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC)“ sorgt für eine verlässliche Datenübertragung mit Latenzen unter einer Millisekunde. Dabei beträgt die Verbindungswahrscheinlichkeit mehr als 99,999 Prozent, was der Verbindungssicherheit einer Kabelstrecke entspricht.
Diese drei Profile decken die typischen Anforderungen von Fertigungs-, Prozess- und Infrastrukturbetrieben ab und bilden zusammen das Fundament für zuverlässige Kommunikation in der Industrie.
Eine für die Industrie geeignete Lösung ist allerdings nicht das herkömmliche Mobilfunknetz. Öffentliche 5G-Netze sind zwar leistungsstark, unterliegen jedoch den Rahmenbedingungen der jeweiligen Netzbetreiber. Unerwartete Software-Updates oder Lastspitzen lassen sich nicht ausschließen und können Produktionsprozesse empfindlich stören. Zudem erfüllen die Netze nicht die Deterministik-Anforderungen von industriellen Anwendungen. Unternehmen benötigen also eine dedizierte industrielle drahtlose Kommunikationslösung.
Private 5G-Netze als Antwort auf industrielle Anforderungen
Private 5G-Netze (auch 5G-Campusnetze genannt) beheben die geschilderten Probleme. Dabei betreiben Unternehmen ein eigenes Netz auf ihrem eigenen Werksgelände mit einer eigenen Frequenz. Die Bundesregierung hat dafür einen Bereich von 100 Mhz für die Nutzung in privaten 5G-Netzen eingerichtet. Die Frequenz kann günstig bei der Bundesnetzagentur beantragt werden. Ein solches privates 5G-Netz hat gegenüber anderen Lösungen zahlreiche Vorteile:
- Erhöhte Sicherheit und Datenschutz: Durch die On-Premises-Installation bleiben die Daten vor Ort und werden nicht mit weiteren Systemen wie Clouds geteilt. Das erhöht die Datensicherheit und keine Drittpartei hat Einblicke in Interna.
- Vollständige Kontrolle und Anpassbarkeit: Unternehmen haben die volle Kontrolle über ihre Netzwerkressourcen und können das Netz so anpassen, dass es ihre industriellen Applikationen optimal unterstützt.
- Hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit: Private 5G bietet eine hohe Zuverlässigkeit. Da es mit einem lizensierten Spektrum arbeitet, gibt es keine Interferenzen und Störungen von betriebskritischen Anwendungen.
- Skalierbarkeit und Flexibilität: Private 5G-Netze sind hochgradig skalierbar und ermöglichen eine problemlose Erweiterung.
- Digitale Transformation: Private 5G ist die Basis für zahlreiche digitale Technologien wie Internet of Things (IoT), Edge Computing oder Künstliche Intelligenz. Es ermöglich eine einfache kommunikative Nachrüstung vorhandener Anlagen.
Diese Vorteile von Campusnetzwerken gegenüber anderen Vernetzungsformen haben zu einem vielfältigen Angebot auf dem Markt geführt. Für Industrieunternehmen ist eine schlüsselfertige Private-5G-Lösung von einem Anbieter wie Siemens empfehlenswert, der industrielle Anwendungen mit ihren spezifischen Anforderungen versteht.
Herausforderungen im Überblick
- Konventionelle Funknetze erfüllen industrielle Anforderungen oft nicht.
- Mangelnde Deterministik gefährdet den stabilen Betrieb vernetzter Maschinen.
- Die native Übermittlung von PROFINET-Protokollen über 5G ist nicht möglich.
Die Lösung: Industrietaugliche Lösungen mit privaten 5G-Netzen von Siemens
Die privaten 5G-Lösungen von Siemens basieren auf jahrelanger Expertise in der Automatisierungstechnik sowie in der drahtlosen Vernetzung von OT-Systemen. Maschinen, Anlagen und autonome Transportsysteme können damit zuverlässig Daten austauschen. Damit erreichen sie eine hohe Verfügbarkeit sowie ein deterministisches Verhalten mit vorhersehbarer und reproduzierbarer Reaktionszeit.
Aufbau von unternehmenseigenen 5G-Infrastrukturen
Ein privates 5G-Netz gliedert sich in einen 5G-Core als zentrales Management-Element und ein Radio Access Network (RAN). 5G-Router verbinden die Maschinen und Anlagen mit dem Netz.
- Der 5G-Core ist das zentrale Steuer- und Vermittlungssystem eines 5G-Netzes. Es übernimmt grundlegende Netzwerkfunktionen wie die Verwaltung von Teilnehmerverbindungen, die Authentifizierung von Geräten, das Routing des Datenverkehrs sowie die Zuteilung von Netzressourcen.
- Das Radio Access Network (RAN) ist für die Verteilung des 5G-Funksignals zuständig. Dazu gehören insbesondere die Funkzugangspunkte, also die Radio Units, die das 5G-Funksignal in der Fläche aussenden.
- Industrielle 5G-Router verbinden fest installierte Maschinen und mobile Teilnehmer (Fahrerlose Transportsysteme oder Roboter) mit dem 5G-Netz. Sie ermöglichen damit eine durchgängige, echtzeitfähige Verbindung von Maschinen, Anlagen oder Fahrzeugen.
Aufbau und Integration mit industriellen Komponenten
Bei der Privaten 5G-Lösung von Siemens laufen Core sowie Teile des RANs auf Industrie-PCs in einem Serverraum. Eine leistungsfähige Glasfaserverbindung verbindet sie mit auf dem Gelände verteilten Radio Units, die das Funksignal flächendeckend aussenden. Durch optimale Positionierung der Radio Units lässt sich eine gleichmäßige Netzabdeckung erzielen. Als Endgeräte dienen die Industrie-Router SCALANCE M.
Industrielle Anwendungen nutzen für die Kommunikation Industrieprotokolle, z.B. PROFINET. 5G-Netzwerke übertragen nativ nur Layer3-Traffic. PROFINET ist jedoch ein Layer-2-Protokoll und kann daher nativ nicht in 5G-Netzen übertragen werden. Da PROFINET jedoch ein sehr weit verbreitetet Standard ist, hat Siemens an seine 5G-Lösung angepasst und ermöglicht auch die Übertragung von PROFINET IO über seine 5G-Infrastruktur.
Die Übermittlung erfolgt dabei über einen VXLAN-Tunnel zwischen Router und Firewall. Diese Architektur ermöglicht es, auf lokale Steuerungen in den dezentralen Teilnehmern wie z.B. AGVs, zu verzichten und mehrere Teilnehmer über eine einzige, zentrale Steuerung zu steuern. Dadurch sinken der Engineering- und Wartungsaufwand sowie der Platzbedarf auf den mobilen Teilnehmern.
Das Ergebnis: Erprobung in realen Industrieumgebungen
Die Praxistauglichkeit dieser privaten 5G-Lösung hat Siemens im eigenen Werk in Karlsruhe erprobt. Dort unterstützen autonome mobile Roboter die Materiallogistik. Die Fahrzeuge kommunizieren in einem privaten 5G-Netz über die Siemens-Infrastruktur.
Neben der Fertigungsindustrie profitiert auch die Prozessindustrie von privaten 5G-Netzen. Besonders wenn eine Verkabelung technisch nicht machbar oder zu teuer ist, schafft ein privates 5G-Netz neue Möglichkeiten, um Sensoren, Aktoren, mobile Endgeräte oder AR-Brillen zu integrieren, auch in weiter entlegenen Bereichen oder explosionsgefährdeten Zonen. Auch Anwendungen mit großem Upstream-Bedarf sind möglich, etwa Videoübertragung von Kameras auf mobilen Plattformen.
Darüber hinaus können in privaten 5G-Netzen mehrere Applikationen parallel über das gleiche Netz betrieben werden, ohne sich gegenseitig zu stören – ein Vorteil gegenüber WLAN, das aufgrund seiner lizenzfreien Frequenz oft mit Interferenzen zu kämpfen hat.
Die Einführung privater 5G-Netze markiert einen Meilenstein auf dem Weg zu flexiblen, zukunftsfähigen Fabriken. Die Kombination aus lokaler Kontrolle, robustem Design und industrieller Spezialisierung macht die Lösung zu einem relevanten Baustein für zukunftsfähige Produktionssysteme. In einer Zeit, in der Effizienz, Agilität und Datenhoheit entscheidende Wettbewerbsfaktoren sind, liefern private 5G-Netze einen wichtigen Beitrag zur digitalen Weiterentwicklung industrieller Wertschöpfungsketten.
Ergebnisse im Überblick
Private 5G bieten zuverlässige, deterministische Kommunikation
Mehrere Applikationen können parallel und störungsfrei über ein Netz laufen.
Industrielle Anforderungen werden zuverlässig erfüllt.
Komplexe oder schwer zugängliche Anlagen lassen sich vernetzen, auch nachträglich.
