5G-Einsatzszenarien in der Industrie

Aufbruch zu neuen Ufern

30. Mai 2022, 8:30 Uhr | Autor: Marcus Giehrl / Redaktion: Diana Künstler | Kommentar(e)
Deutsche Telekom Hamburger Hafen, 5G
© Deutsche Telekom

5G gilt als die nächste Stufe der Digitalen Transformation. Entsprechend hoch sind die Erwartungen, auch wenn die meisten Unternehmen derzeit die Entwicklungen abwarten. Die Schere zwischen Innovatoren und Pragmatikern darf aber keinesfalls zu groß werden – sonst verlieren Letztere den Anschluss.

Zentrales Thema auf dem diesjährigen Mobile World Congress war wie zu erwarten 5G. Die Hoffnungen, die auf dem aktuellen Mobilfunkstandard ruhen, sind groß: 5G verspricht deutliche Verbesserungen, was Schnelligkeit, Durchsatz und Abdeckung betrifft, und soll so die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft stärken. Dafür ermöglicht der jüngste Standard Spezialnetze, die den technischen Anforderungen der unterschiedlichsten Einsatzszenarien gerecht werden. Die Massive Machine Type Communication (mMTC) beispielsweise erlaubt die Anbindung von bis zu einer Million IoT-Geräten pro Quadratkilometer. Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) wiederum gilt als wichtiger Bestandteil für die Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und Smart Factories. Erst mit Latenzzeiten im Bereich von wenigen Millisekunden lassen sich Roboter in Echtzeit sicher kontrollieren und die Zusammenarbeit von Maschinen exakt steuern.

Die wahrscheinlich wichtigste Neuerung ist die Einführung privater Mobilfunknetze: Die Bundesnetzagentur hat einen Frequenzbereich von 100 MHz für die Industrie reserviert. Das heißt, Unternehmen können für ein Gelände oder ein Werk eine eigene Frequenz beantragen, um dort ein autarkes, privates 5G-Netz aufzubauen und zu verwalten.

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5G oder Wi-Fi?

Diese Campusnetze sind eine echte Alternative beziehungsweise Ergänzung im Bereich der drahtlosen Verbindungen zum etablierten Wi-Fi-Standard. Ein WLAN reicht für viele Prozesse, wie beispielsweise die Überwachung einer Maschine, die mit einem definierten Access Point kommuniziert, aus. Sollen aber fahrerlose Transportsysteme zum Einsatz kommen, tut sich eine kritische Lücke auf. Mit WLAN kann beim Wechsel in eine andere Zelle die Verbindung abbrechen und das Fahrzeug aus Sicherheitsgründen stoppen, um erst nach dem Aufbau einer neuen Verbindung zum nächsten Access Point weiterzufahren. Einen unterbrechungsfreien Handover zwischen Funkzellen, den 5G ermöglicht, ist zwar nicht für jedes Einsatzszenario unabdingbar – Pakete in der Logistik beispielsweise können problemlos eine Minute lang vom Radar verschwinden. Selbstständig agierende Roboter im Hochregallager würden allerdings, wenn für mehrere Sekunden die Verbindung abbricht, zum Sicherheitsrisiko werden oder zumindest zu einer Störung im Prozessablauf führen. Über kurz oder lang wird sich deshalb 5G angesichts seiner Alleinstellungsmerkmale, von denen das beschriebene Szenario nur eines ist, in vielen Anwendungsbereichen durchsetzen.

Automobil- und Fertigungsbranche preschen voran

Mercedes-Brenz Group 5G, Factory 56
Mercedes-Benz errichtet zusammen mit Telefónica Deutschland und dem Netzwerkausrüster Ericsson in der „Factory 56“ in Sindelfingen das weltweit erste 5G-Mobilfunknetz für die Automobilproduktion. In einem über 20.000 Quadratkilometer großen Bereich wird der Mobilfunkstandard 5G in einem Innovationsprojekt erstmals in der laufenden Produktion eingesetzt. Die dort gewonnenen Erfahrungen sollen in die künftigen Einsätze in weiteren Werken einfließen.
© Mercedes-Benz Group

Vorreiter bei dem Einsatz von 5G sowie eigenen Campusnetzen sind die Automobil- und die Fertigungsbranche. Beide Industriezweige haben nicht nur dafür gesorgt, dass die regulatorischen Eckdaten, wie etwa eine einfache und relativ kostengünstige Beantragung eines lokalen Spektrums zur Eigennutzung, stimmen. Sie haben auch im Rahmen von 5G ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) und 5GAA (5G Automotive Association) von Anfang an bei den technischen Spezifikationen mitgearbeitet. Anstatt wie bei früheren Mobilfunkgenerationen auf die zwischen den Carriern festgelegte Standardisierung angewiesen zu sein, wurden dieses Mal industrielle Use Cases als Treiber für die 5G-Funktionalitäten eingebracht. Das verwundert nicht weiter, immerhin ist die Automobilbranche auf 5G angewiesen, wenn sie ihre Vision der mobilen Zukunft realisieren will. Erst der jüngste Mobilfunkstandard verfügt über eine hinreichende Leistungsfähigkeit, um eine wirkliche Echtzeitkommunikation selbst größter Datenmengen zu ermöglichen. Autonomes Fahren braucht Kameras, LIDAR- und ähnliche Sensoren, die selbst im dichtesten Verkehr mit den anderen Fahrzeugen in der Nähe, aber auch der umliegenden Infrastruktur wie Ampeln oder Schildern im Bruchteil einer Sekunde kommunizieren. Nur so kann sich das Auto kollisionsfrei und sicher auf den Straßen bewegen.

HHLA Sky 5G
Von Januar 2018 bis Juni 2019 wurde auf dem rund 8.000 Hektar großen Areal des Hamburger Hafens 5G auf seine industrielle Einsatzfähigkeit überprüft. Der Feldversuch fand im Rahmen des EU Projektes „5G-MoNArch“ statt. Beteiligt waren die Hamburg Port Authority (HPA), die Deutsche Telekom und Nokia. Aktuell setzt die Telekom mit HHLA Sky, einem Tochterunternehmen von Hamburger Hafen und Logistik, ein Campus-Netz im Hafen um. Darüber wird eine Flotte von Industrie-Drohnen aus einem einzigen Leitstand heraus gesteuert und überwacht. Auf den Terminals der HHLA inspizieren die Flugroboter Containerbrücken und Asphaltflächen, um so die Sicherheit auf dem Hafengelände zu erhöhen. Das spart Zeit im Vergleich zu bisherigen Inspektionsverfahren. Zusätzlich übertragen die Drohnen Sensor- und Flugdaten über das Campus-Netz.
© HHLA Sky / Deutsche Telekom

Der andere klassische Einsatzbereich ist Industrie 4.0: Durch die Vernetzung der unterschiedlichsten Maschinen können Produktionsschritte besser aufeinander abgestimmt werden. Dies gilt sowohl firmenintern als auch zwischen verschiedenen, an der Produktion beteiligten Unternehmen. Das Ergebnis ist eine optimale Auslastung der Anlagen und eine schnellere Lieferung.

Eine andere 5G-Option ist das Monitoring von kritischen Einrichtungen: Dazu gehören neben den herkömmlichen Sensoren für Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Spannung sowie für den Zustand von Reglern und Steuerventilen auch audio- und videobasierte Systeme, die deutlich höhere Datenraten liefern und dennoch in Echtzeit ausgewertet werden müssen.

Daneben lassen sich mit dem jüngsten Mobilfunkstandard der Datenhunger und die Latenzanforderungen von Technologien wie Augmented und Virtual Reality stillen. Anstatt auf einen Termin mit dem Servicetechniker zu warten, werden Reparaturen einfach per Datenbrille und Videoübertragung „selbst“ erledigt. Mit einem digitalen Zwilling, also einem virtuellen Abbild realer Objekte, fallen schließlich sogar bei der Wartung und Instandhaltung von Fabriken und Gebäuden kleinteilige Kontrollen vor Ort weg.

Nächste Industriezweige in den Startlöchern

Smart Health
Ein Herz-Chirurg des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH) hat während einer Hybrid-OP einen künstlichen Bypass in der Hand. Seit Februar 2022 werden dort medizinische Daten genauso schnell übertragen, wie das menschliche Nervensystem reagieren kann. Denn auf dem Campus Kiel funken 5G-Antennen von Vodafone. Noch in diesem Jahr wollen die Partner die Technologie auch auf dem Campus Lübeck aktivieren, um konkrete Anwendungen für die Krankenversorgung zu ermitteln und zu erproben.
© UKSH

Aber auch die Logistik setzt große Hoffnungen in 5G, um beispielsweise vom Lagerregal bis zum Kunden eine ständige Echtzeit-information über Standort und weitere relevante Faktoren zu erhalten. So könnten sogar Seecontainer mit eigenen Hubs ausgerüstet werden, die wiederum mit den Systemen des Schiffes und den Satelliten kommunizieren. Darauf aufbauend können Liefer- und Produktionsketten deutlich besser an reale Bedingungen angepasst werden. Hinzu kommt in einer sowohl von Menschen wie Robotern genutzten Lagerumgebung der Faktor Sicherheit. Mit herkömmlichen Techniken besteht eine erhöhte Gefahr von Unfällen. Wenn aber in einer 5G-Umgebung alle miteinander „sprechen“ und Positionsdaten in Echtzeit austauschen, können sich die Lagermitarbeiter frei bewegen.

Im Gesundheitswesen wiederum ist 5G für den Bereich der Telemedizin entscheidend: Indem Patientendaten in Echtzeit mithilfe von mobilen Geräten zur Analyse übermittelt werden, lässt sich die Versorgung von chronisch Kranken deutlich verbessern. Der Mediziner kann bei kritischen Werten rechtzeitig einschreiten. Der gleiche Vorteil zeigt sich in der Notfallversorgung: Durch eine Echtzeitübermittlung von klinischen Daten sind die behandelnden Ärzte im Krankenhaus bereits vor dem Eintreffen des Patienten über dessen Zustand informiert, in schweren Fällen kann diese Zeitersparnis sogar Leben retten. Darüber hinaus können mit der 5G-Technik Operationen aus großer Entfernung erfolgen – indem beispielsweise ein spezialisierter Arzt mithilfe von VR-Anwendungen assistiert oder OP-Roboter ferngesteuert werden.

Pragmatisch, nicht innovationshemmend

Marcus Giehrl, NTT
Marcus Giehrl, Practice Director Innovations and Smart Technologies bei NTT
© NTT

Natürlich werden die Möglichkeiten von 5G derzeit noch nicht vollständig ausgereizt – was unter anderem daran liegt, dass je nach Release-Stand noch nicht alle Funktionalitäten implementiert sind und die dafür notwendigen Komponenten und Geräte entweder fehlen oder derzeit nur schlecht verfügbar sind. Der Schritt von der Labor- in die Produktionsumgebung benötigt eben immer auch ein stabiles Betriebsmodell. Zudem reicht ein einzelner Use Case in der Regel nicht aus, um die Kosten für Anschaffung und Einrichtung der erforderlichen Infrastruktur inklusive der Erweiterung um eine Edge-Cloud für die Datenverarbeitung zu rechtfertigen. Trotzdem: 5G ist die Zukunft. Unabhängig von der Unternehmensgröße ist aktuell eine Aufbruchsstimmung zu erleben, in der experimentiert und wertvolle Erfahrungen gesammelt werden. Der Erfahrungsvorsprung von heute ist jedoch der Wettbewerbsvorteil von morgen, weshalb Unternehmen beim Umstieg auf 5G nicht zu lange warten sollten.

Weitere Informationen zum Thema unter: https://www.capgemini.com/wp-content/uploads/2019/06/5G-in-industrial-operations.pdf


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