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5G-Connectivity als wichtige Grundlage von Industrie 4.0

November 2021 – Die Verbindung von IoT-Sensoren, Messgeräten und hochauflösenden Videokameras ist die Grundlage jeder Industrie-4.0-Anwendung. Da immer mehr Endpunkte miteinander verbunden werden, ist die Übertragung und Koordinierung dieser riesigen Datenmengen in Echtzeit eine immense Herausforderung. Unternehmen benötigen robuste Lösungen, die variable Arbeitslasten von einer Vielzahl von IoT-Geräten auf skalierbare und zuverlässige Weise bewältigen können. Die meisten Fertigungsleiter sind physische Ethernet-Verkabelungen und kabelgebundene Verbindungssysteme gewöhnt. Diese wurden zum Teil speziell für Smart-Factories entwickelt und unterstützen Datentransportgeschwindigkeiten von bis zu 1 Gb/s bei CAT5e-Verkabelung sowie 10 Gb/s auf Basis von CAT6A. Diese hohen Datenraten sind besonders wichtig, wenn hochauflösende Videos übertragen werden oder Maschinen und Steuerungssysteme in Echtzeit kommunizieren müssen.

Die Verbindung von Geräten und Produktionssystemen über physische Kommunikationskabel war schon immer der schnellste und zuverlässigste Ansatz. Die Veröffentlichung von mmWave 5G (High Band 5G) macht es jetzt aber möglich, kabellos mit Datenraten zu kommunizieren, die mit denen von Ethernet vergleichbar sind und verspricht mögliche Download-Raten von 20 Gbps und – ebenso wichtig – Upload-Raten von 10 Gbps. 5G wird auch das Problem der Latenz praktisch eliminieren. Latenz ist nicht zu verwechseln mit Geschwindigkeit oder Bandbreite; sie beschreibt die Verzögerung beim Senden von Informationen von einem Ort zum anderen. Die Latenz wird in Millisekunden (ms) gemessen, und 5G-Netzwerke, die URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications) verwenden, können die Latenz theoretisch auf eine einzige Millisekunde reduzieren. Der Vorteil ist, dass alle Maschinen und Roboter in Echtzeit perfekt synchronisiert bleiben. Die Spezifikation für 5G-Netze erlaubt dabei bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer – eine gewaltige Zahl, die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) auf dem Level modernster Industrie-4.0-Lösungen ermöglichen wird. 5G bietet also immense Übertragungskapazitäten, Geschwindigkeit und nahezu keine Latenzzeit, und dass verbunden mit dem zusätzlichen Vorteil, dass es nicht an eine feste Kommunikationsleitung gebunden ist.

Die Herausforderung einer fertigungsnahen Datenverarbeitung

Ein Großteil moderner IoT-Geräte wird sich künftig auf 5G als Übertragungsplattform verlassen, um zeitkritische Prozesse mit der IT-Infrastruktur zu verbinden, aber wo befinden sich die dafür nötigen IT-Systeme? IoT impliziert per Definition, dass diese Lösungen mit dem Internet verbunden sind, aber ist es für Industrie 4.0-Technologien sinnvoll, mit einem Hyperscale-Cloud-Rechenzentrum zu kommunizieren, das sich Hunderte oder Tausende von Kilometern entfernt befindet? Für einige Technologien ja, für andere nicht so sehr. Industrie 4.0 ist ein komplexes Feld, in dem eine Reihe von Technologien zusammenkommen, um ein funktionierendes Gesamtsystem zu bilden. Zu diesem System gehört auch die Architektur des Rechenzentrums, die sowohl vor Ort (Edge) als auch außerhalb des Unternehmens (Central oder Core) hybrid sein muss. 5G wird superschnelle, latenzfreie drahtlose Verbindungen ermöglichen, aber nur innerhalb der lokalen Fertigungsumgebung. Der Übertragungsweg zu einem zentralen Cloud-Rechenzentrum beinhaltet Entfernungen und Netzwerk-„Sprünge“, die zu erheblichen Verzögerungen führen werden. Für wirklich latenzfreie Prozesse benötigen Fabriken Edge Computing vor Ort. Dies ermöglicht die Verarbeitung von Daten in direkter Nähe ihrer Quelle und nicht in einem entfernten Rechenzentrum.

Echtzeit-Steuerung, Videoanalyse, Augmented Reality und autonomer Robotik sind die wichtigsten Technologien, die künftig Rechenkapazitäten im Edge-Bereich erforderlich machen werden. Der lokale Netzwerkrand wird somit zu einem wichtigen Vermittler zwischen den Device-Endpunkten und der zentralen IT-Infrastrukturen. Edge-Rechenzentren müssen in unmittelbarer Nähe platziert oder sogar direkt in die Produktionsumgebung eingebettet werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen. So wird etwa die Nutzung von Videos mit hoher Bandbreite bei Qualitätskontrollanwendungen zunehmen. Echtzeit-IVA (Integrated Video Analytics) mit einer einzigen High-Definition-Kamera erzeugt circa 300 GB an Daten pro Stunde, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen – und viele Systeme verwenden mehrere Kameras. Die beste Lösung um solche Datenmengen zuverlässig zu verarbeiten wäre in diesem Fall ein dediziertes Mikro-Rechenzentrum, dass die Server vor Staub, Wasser, Hitze und Stromversorgungsproblemen schützt.

5G wird es Maschinen ermöglichen, nahezu latenzfrei miteinander Informationen auszutauschen. Dies öffnet die Tür zu fortschrittlicheren Visualisierungen und Simulationen auf Basis von Echtzeitdaten. Entscheidungen aus der digitalen Welt werden dann direkt in Maschinenaktionen in der physischen Welt umgesetzt. Das ermöglicht völlig neue Fertigungskonzepte. So könnten Fertigungsmaschinen die Produktionseffizienz basierend auf der Verfügbarkeit von Rohstoffen, der Leistung und Verfügbarkeit von Robotern und den Energiekosten selbständige analysieren und dann entscheiden, was und wann bestimmte Bauteile optimal und besonders kosteneffizient produziert werden können.


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