Anlagenbau & Prozesstechnik

5G Mobilfunk in der intelligenten Fabrik der Zukunft

Jede Menge Kommunikation

16.06.2020 - Die 5G-Technologie schafft ideale Voraussetzungen für die Kommunikation in der Fabrik der Zukunft.

Je nach Anwendungsfall lassen sich Spitzendatenraten bis über 10 Gbit/s, Latenzzeiten unter einer Millisekunde oder Verfügbarkeiten von über 99,999 % erreichen. Auch ex­trem energiesparende Kommunikation ist realisierbar.

Während vor einigen Jahren die Skepsis in Bezug auf kabellose Kommunikation in industriellen Anwendungen noch groß war, ist man sich heute einig: Industrie 4.0 lässt sich in vollem Umfang nur mit kabelloser Kommunikation umsetzen. Allerdings werden bisherige Technologien den Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Bandbreite, Echtzeitverhalten oder Kapazität in vielen Anwendungen nicht gerecht. 5G verspricht hier Abhilfe.
Seit November 2019 können in Deutschland bei der Bundesnetzagentur Lizenzen für private Campusnetze beantragt werden. Auch in den USA, UK, Frankreich und Japan besteht die Möglichkeit, private 5G-Netze zu nutzen. Aber: Wie beantragt man lokale 5G-Campusnetzwerke? Was kostet das? Wie sieht es mit der Kommunikationsinfrastruktur und der benötigten Hardware aus? Und nicht zuletzt: Wem nutzt der Einsatz dieser Kommunikationsnetze überhaupt?

Leistungsmerkmale von 5G
Was 5G in der finalen Ausbaustufe auch für die Automatisierungsbranche verspricht, ist verheißungsvoll: Gigantische Datenraten bei minimalen Latenzzeiten, die die Möglichkeit für kabellose Echtzeitanwendungen schaffen. Dabei machen verschiedene Anwendungsprofile die optimale Nutzung von 5G in unterschiedlichen Einsatzfällen möglich:

  • Mit Enhanced Mobile Broadband (eMBB) werden Spitzendatenraten über 10 Gbit/s möglich.
  • Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) unterstützt Latenzzeiten unter einer Millisekunde und bietet eine Verfügbarkeit von über 99,999 % (das bedeutet auf zehn Jahre gerechnet gerade mal eine Stunde Stillstand).
  • Mit massive Machine-Type Communication (mMTC) lassen sich batteriebetriebene Geräte über zehn Jahre betreiben und bis zu einer Million Geräte pro km2 anbinden.

All diese Vorteile können Unternehmen nun auf dem eigenen Gelände in privaten 5G-Netzen nutzen, wenn sie dazu die passenden Lizenzen erwerben. Diese Campus-Netze schaffen Raum für die intelligente Fabrik der Zukunft. Die Skepsis, die mit der Nutzung eines Fremdnetzes einhergeht, fällt mit dem privaten Netz endgültig weg.

Kosten für 5G-Lizenezen
Seit dem 21.November 2019 können Frequenzen für lokale Anwendungen beantragt werden. Die Bundesnetzagentur stellt die Antragsformulare dazu auf ihrer Webseite bereit.
Die Ausgaben setzen sich im Wesentlichen zusammen aus den einmaligen Kosten für die Frequenzzuteilung, laufende Frequenznutzungsbeiträge, Planung und Aufbau der Kommunikationsinfrastruktur, also Anschaffung der notwendigen Hardware sowie den Kosten, die für Instandhaltung und Betrieb des 5G- Netzes entstehen. Dabei berechnet sich die einmalige Gebühr für die Frequenzzuteilung nach der Formel:
Lizenzgebühr (€) = 1000 + B x t x 5 x (6 x a1 + a2)
In die Formel gehen ein: Die beantragte Bandbreite (B – zwischen 10 und 100 MHz), der Zeitraum (t in Jahren) für den die Frequenz beantragt wird, sowie die Fläche (a in km²),  auf der das private Netz genutzt werden soll. Zuteilungsgebiete auf Siedlungs- und Verkehrsflächen – in der Regel also die dicht besiedelten Gegenden und Industriegebiete – fallen unter a1 und werden mit dem Faktor 6 gewichtet, sonstige Flächen unter a2. So wird die Anschaffung bspw. auch für Land- und Forstwirtschaft attraktiv. Konkret bedeutet das: Wer in einer Siedlungs- und Verkehrsfläche 100 MHz für fünf Jahre und eine Betriebsfläche von 0,5 km² beantragt, zahlt dafür einmalig 8.500 EUR (1000 + 100 x 5 x 5 x (  6 x 0,5 + 0)).

Frequenznutzungsgebühren
Dazu kommen laufende Frequenznutzungsgebühren. Sie bestehen aus Frequenznutzungsbeiträgen gemäß § 143 Abs. 1 TKG (Telekommunikationsgesetz) sowie Beiträgen gemäß § 31 EMVG (Gesetz über elektromagnetische Verträglichkeit) und § 35 FUAG (Gesetz über Bereitstellung von Funkanlagen auf dem Markt). Diese Gebühren werden rückwirkend auf ein Jahr erhoben und die Höhe wird nach der jeweils geltenden Frequenzschutzbeitragsverordnung bestimmt. Bislang gelten die Werte ähnlicher Nutzergruppen aus dem Vorjahr als Orientierungswert.
Natürlich müssen auch die Kosten für Planung, Anschaffung und Errichten der eigenen Kommunikationsinfrastruktur, die im Wesentlichen von der Größe des Campus sowie der jeweiligen Anwendung abhängt, berücksichtigt werden. Wie beim Betrieb kabelgebundener Netzwerke sind entsprechende Kosten für die Instandhaltung des Kommunikationsnetzwerkes einzuplanen.

„Verschiedene Anwendungsprofile machen die optimale Nutzung von 5G in unterschiedlichen Einsatzfällen möglich.“

Planung für private 5G-Netze
Bei Planung privater Campusnetze unterstützen entsprechende Planungsfirmen und Systemintegratoren. Sie klären den realen Bedarf, helfen bei der Antragsstellung, sorgen dafür, dass das Netz den Vorgaben der Bundesnetzagentur gerecht wird, übernehmen den praktischen Aufbau u.v.m.
Das schwedische Unternehmen Ericsson, dessen Schwerpunkte auf Mobilfunktechnologie, Internet- und Multimediakommunikation sowie Telekommunikation liegt, befasst sich bereits seit einiger Zeit mit dem Thema privater Campusnetze
auf 5G-Basis. Um interessierte Unternehmen in vollem Umfang unterstützen zu können, hat es ein Partnerportal aufgebaut. Diese Partner helfen sowohl beim Aufbau der Kommunikationsinfrastruktur auf dem Firmengelände als auch bei der Umsetzung von 5G-Kommunikation für die einzelnen Maschinen und Anlagenteile.

Produkte und Beratung
HMS Industrial Networks bspw. ist zertifizierter Partner für Produkte zur Kommunikation im Bereich Fabrikautomation. Um Maschinenbauern die Integration von 5G so einfach wie möglich zu machen, unterstützt das Unternehmen mit Beratung und passenden Komponenten.
Die Anybus Wireless Router kombinieren hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit mit einer größeren Mobilität und einer nie­drigeren Latenzzeit für drahtlose Netzwerke. Sie werden derzeit für LTE und WLAN angeboten, eine 5G-Variante ist in Planung. In der Proof-of-Concept-Phase sind momentan der HMS Wireless Bolt, ein Funk-Gateway für den direkten Maschinenzugriff via 4G/5G. Gleiches gilt für Switches, mit denen sich Maschinen direkt ans 5G-Netz anbinden lassen. Auch Bridges für eine kabellose Profinet- und Profisafe-Nutzung über 5G sind in Arbeit.
Interessant sind diese Lösungen sowohl für Unternehmen, die bestehende Anlagen fit für die Zukunft machen wollen als auch, wenn beim Bau neuer Standorte auf zukunftsfähige Kommunikationstechnik gesetzt werden soll.

In Deutschland, den USA, UK, Frankreich und Japan besteht die Möglichkeit, private 5G-Netze zu nutzen."

Anwendungsszenarien für 5G
Neben der Fabrikautomation mit ihren modularen, flexiblen Arbeitszellen oder fahrerlosen Transportsystemen bietet natürlich die Prozess­industrie jede Menge Einsatzgebiete, man denke nur an die großen Betriebsgelände von Ölraffinerien oder Chemieparks. Sie alle profitieren davon, dass 5G ein durchgängiges Kommunikationsmedium sowohl für Indoor- als auch für Outdoor-Anwendungen ist.
Aber viele andere Bereiche werden nicht zuletzt dank der Kosten­struktur für die Lizenzzuteilung von 5G profitieren. Land- und Forstwirtschaft bspw. können nun auf moderne Technologien setzen, die bislang nicht nutzbar waren. Das gilt unter anderem für die Milch­erzeugung und die Tierhaltung. Im Ackerbau lassen sich im Zusammenhang mit precision farming jede Menge Informationen bei Aussaat und Ernte ermitteln, die Optimierung für den weiteren Anbau ermöglichen, z. B.: Wo muss mehr Dünger ausgebracht werden, wo darf es weniger sein? Und auch der Einsatz autonomer Fahrzeuge wird damit möglich. Insgesamt bringen hier die privaten Campusnetze nicht nur Vorteile für die Landwirte, sondern auch für das Tierwohl und den Umweltschutz.
Weitere Einsätze finden sich in Containerhäfen. Auf riesigen Geländen werden jede Menge Waren umgeschlagen. Die dabei anfallenden Daten übersteigen die Kapazität bisheriger kabelloser Kommunikationsnetze. Mit 5G wird nun eine zuverlässige, sichere, kabellose Kommunikation zwischen Kränen, Containern, Fahrzeugen und Mitarbeitern möglich. Ähnliches gilt für Flughäfen und die dort eingesetzten Vorfeldfahrzeuge.
Grundsätzlich eignet sich 5G überall dort, wo viele Sensoren so große Mengen an Informationen liefern, dass sie sich bislang nicht kabellos übertragen ließen, man aber die Flexibilität kabelloser Kommunikation nutzen will. Sicher werden langfristig nicht alle Kabel aus der automatisierten Produktion verschwinden. Wie wenige in einigen Jahren übrig sein werden, ist letzten Endes auch eine Frage, die Unternehmen individuell abhängig von ihrem Anwendungsfall klären müssen.

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HMS Industrial Networks GmbH

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