Geschwindigkeit, Verlässlichkeit und Sicherheit für vernetzte Produktionsanlagen 5G-Campusnetze: Fundament für die Industrie von morgen

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Vitel GmbH

Die Digitalisierung der Produktion erfordert eine effiziente Vernetzung. In Anbetracht der hochspeziellen Leistungsanforderungen in der Industrie stößt WLAN schnell an technische Grenzen. Hingegen bieten firmeneigene 5G-Netze die erforderliche Geschwindigkeit, Verlässlichkeit und Sicherheit, um vollständig vernetzte Produktionsanlagen Wirklichkeit werden zu lassen.

Die vierte industrielle Revolution, ausgelöst durch die Digitalisierung, ist in vollem Gange. Durch die Vernetzung von Maschinen und Prozessen wird die Produktion flexibel, individuell steuerbar und weniger störungsanfällig. In Smart Factories unterstützen mobile Roboter den Produktionsprozess, Maschinen werden aus der Ferne gesteuert. Hochauflösende Videokameras überwachen die Vorgänge in den Fertigungshallen. Tausende Sensoren liefern Echtzeit-Informationen über den Zustand des Maschinenparks. Und Augmented-Reality-Anwendungen unterstützen Techniker bei der Wartung und bei Reparaturen.

Jedoch stoßen viele dieser Anwendungen in der praktischen Umsetzung an Hürden bei der Vernetzung. Herkömmliche Verbindungen mit Kabeln bieten zwar eine stabile Konnektivität, aber in großen Industrieanlagen gehen damit hohe Kosten für die Verkabelung einher und mobile Anwendungen sind bei Kabelverbindungen naturgemäß eingeschränkt. WLAN hingegen weist oft zu niedrige Übertragungsraten und zu hohe Latenzzeiten auf. Das reicht dann zum Beispiel nicht, um fahrerlosen Transportsystemen in Fabrikhallen oder Lagern schnelle Reaktionen auf unerwartete Hindernisse zu ermöglichen. Außerdem nutzt ein WLAN grundsätzlich nicht-lizenzierte Frequenzen. Das kann zu Interferenzen führen, wenn immer mehr Sensoren, Geräte und Kameras in der Fertigungshalle eingesetzt werden.

Als alternative Möglichkeit der drahtlosen Verbindung kommt aktuell der Mobilfunkstandard 5G ins Spiel. Er bietet eine hohe Datenübertragungsrate, minimale Latenzzeit, hohe Sicherheit und maximale Verfügbarkeit. Dies sind ideale Eigenschaften, um Vernetzung in der Industrie zu bewältigen.

Campusnetz: Ein eigenes 5G-Netz

Die Umsetzung des 5G-Versprechens mit Latenzzeiten unter 5 Millisekunden, Datenraten von 10 Gbit und einer Zuverlässigkeit von 99,999 Prozent gelingt am besten in einem so genannten 5G-Campusnetzwerk. Es ist noch wenig bekannt: Unternehmen in Deutschland können bei der Bundesnetzagentur eine Lizenz für ein firmeneigenes, vom öffentlichen Netz getrenntes 5G-Netz beantragen und eine Frequenz dafür mieten.

Da diese Frequenz dann exklusiv ist, kommen keine fremden Signale in die Quere. Mit transparenten Kosten, garantiert hoher Bandbreite und einem definiertem Datendurchsatz können Unternehmen geschäftskritische Anwendungen somit über ein gesamtes Firmengelände hinweg ganz einfach und mit viel weniger Access Points drahtlos realisieren.

Private 5G-Netze bieten zudem hohe Sicherheit. Durch die Trennung vom öffentlichen Netz kann ein Unternehmen Sicherheitsmaßnahmen gemäß den eigenen Richtlinien umsetzen. Die Authentifizierung in einem 5G-Netz erfolgt SIM-basiert, was eine eigene Sicherheits- und Authentifizierungsebene schafft. Nur Geräte, deren SIM für das Netzwerk zugelassen sind, können sich verbinden. Zusätzlich sind Router-basiert ZTNA-Funktionen (Zero Trust Network Access) verfügbar. Dieser Ansatz mit „null Vertrauen“ gibt nur die zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigten Informationen frei, nicht aber nur aufgrund einer korrekten Anmeldung die gesamten Netzressourcen. Es handelt sich also um einen Rollen- und Session-orientierten Need-to-Know-Ansatz.

Die technischen Vorzüge privater Campusnetze liegen auf der Hand. Doch obwohl 5G-Campusnetze in Bezug auf Latenz, Bandbreite, Sicherheit und Verfügbarkeit besser als WLANs für Produktionsumgebungen gerüstet sind, ist 5G für viele Unternehmen noch Neuland oder im Stadium von Pilotversuchen. Da sichere und leistungsstarke Konnektivität in der Produktion eines der vordringlichen Ziele ist, spielen Industrieunternehmen eine Vorreiterrolle. Die Expertisen für den Aufbau und Betrieb eines solchen Netzes sind allerdings noch rar. Unternehmen benötigen daher Spezialisten, die sich neben der Architektur des Netzwerks auch mit der Integration in bestehende IT- und OT-Systeme, mit baurechtlichen Rahmenbedingungen sowie mit der Anbindung des privaten 5G-Netzes an öffentliche Netze auskennen.

Zu Beginn der Beschäftigung mit 5G geht es in Industrieunternehmen oft nur um klassische Konnektivitätsprobleme: Wie können Fertigungsmaschinen in ein 5G-Campusnetz eingebunden werden? Erst wenn dieser Realitätstest bestanden ist, rücken weitere Anwendungsszenarien in den Fokus. Dann entdecken Unternehmen zum Beispiel diesen Vorteil: 5G bietet nahtlose Handovers zwischen Funkzellen. Erfolgt bei einem autonomen Fahrzeug die Vernetzung über ein WLAN, kann es beim Wechsel von einer Funkzelle in die nächste zu Schwierigkeiten beim Roaming kommen. In einem 5G-Campusnetz können AGVs (Automated Guided Vehicles) flexibler eingesetzt werden und neue, schwierigere Aufgaben übernehmen. Übrigens funktioniert sogar ein nahtloser Wechsel vom privaten 5G-Netz ins öffentliche Netz, wenn das Gerät zwei SIM-Karten nutzt. Somit kann ein AGV bei entsprechender Konfiguration zum Beispiel in der Lagerhalle das private 5G-Netz nutzen und auf dem Freigelände das öffentliche.

Hohe Bandbreiten in 5G-Campusnetzen ermöglichen den großflächigen Einsatz von Sensoren an allen Geräten – zum Beispiel für Vibrationen, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit. Diese Daten und Videos liefern frühzeitige Hinweise auf bevorstehende Defekte, noch bevor Ausfälle eintreten. Mit Predictive Maintenance kann so die Laufzeit von Geräten optimiert werden.

Besser durch Abschirmungen funken

Ein weiterer Vorteil: 5G ermöglicht Vernetzung in Bereichen der Industrie, in denen WLAN aus technischen Gründen nicht eingesetzt werden konnte: Wird zum Beispiel eine Schweißmaschine in der Fertigung drahtlos mit dem Firmennetz verbunden, müssen die zum Einsatz kommenden Komponenten in einem explosionsgeschützten Gehäuse verbaut werden. WLAN-Signale funken jedoch nicht durch diese Abschirmung hindurch. Angesichts der bestehenden Grenzwerte darf auch die Sendeleistung nicht erhöht werden. 5G kann, insbesondere wenn niedrige Funkfrequenzen genutzt werden, solche Abschirmungen dagegen besser durchdringen. Private 5G-Netze ermöglichen zudem eine flexible Anpassung der Antennenleistung unter Berücksichtigung des Explosionsschutzes.

Leistungsstark und flexibel

5G-Netze sind auch flexibel, um die unterschiedlichen Latenz- und Durchsatzanforderungen für verschiedene IoT-Anwendungsszenarien zu erfüllen. In ein und derselben Fabrikhalle kann das Netz minimale Latenzen für den Einsatz von mobilen Robotern bieten und hohe Bandbreiten für hochauflösende Kamerasysteme, während eine gute Signaldurchdringung dafür sorgt, dass IoT-Sensoren wertvolle Daten in Echtzeit senden. 5G-Campusnetze überwinden somit zahlreiche bisherige technische Limitationen und helfen, Produktionsumgebungen stärker zu automatisieren und zu digitalisieren.

Über den Autor

Jan Willeke ist Area Director Central Europe bei Cradlepoint.

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