Vernetzung

(Bild: metamorworks@shutterstock.com)

Wohl selten sind sich vier Industrieverbände so einig wie beim Thema 5G. In einer gemeinsamen Presseinformation konstatierten VCI, VDA, VDMA und ZVEI im November 2020 eine „hohe Nachfrage nach industriellen 5G-Campusnetzen“. Für die Chemie spricht darin Martin Schwibach, verantwortlich für Industrial Connectivity & Industrial Mobility bei BASF, von 5G-Campusnetzen als „wichtige Voraussetzung, um die digitale Transformation in der Chemiebranche voranzutreiben.“ Schwibach gilt als einer der Treiber für neue Technologien in der chemischen Industrie. Dass sich BASF, wie auch andere Chemiekonzerne, schon seit geraumer Zeit mit der 5G-Funktechnologie auseinandersetzt, ist kein Geheimnis. Bereits 2018 illustrierte ein Artikel in der Wirtschaftswoche, dass 5G-Mobilfunk künftig „die Logistikwelt bei BASF auf den Kopf stellen …“ könnte. BASF-Manager Matthias Frankhänel demonstrierte damals, wie sich ein fahrerloser Tanktransporter durch das Ludwigshafener Werksgelände „tastet“ – immer entlang von Transpondern, die im Boden eingelassen sind, und eng überwacht mittels Videokameras und einem Mitarbeiter in einer zentralen Leitstelle. Frankhänel wusste schon seinerzeit: „Wenn wir in Zukunft 20 und mehr Fahrzeuge einsetzen, bekommen wir den massenhaften Datentransfer lediglich mit der 5G-Technik hin.“ Inzwischen baut BASF im Produktionsumfeld eine Testumgebung für 5G in verschiedenen Anwendungsbereichen auf.

 

Vollständige Kontrolle des Mobilfunknetzes

Der Konzern steht damit nicht allein. Per Mai 2021 haben 126 Unternehmen und Organisationen bei der deutschen Bundesnetzagentur einen Antrag auf Frequenzzuteilung im Bereich 3700 MHz bis 3800 MHz für ihr lokales 5G-Netz eingereicht – so auch Phoenix Contact. Ein solches Campusnetz wird – oft im Zusammenspiel mit einer Edge Cloud – neue Möglichkeiten für die industrielle Kommunikation im Rahmen von Industrie 4.0 eröffnen. Unternehmen können derartige Netzwerke auf ihrem Gelände – anders als bisherige Mobilfunk-Technologien – vollständig kontrollieren, behalten folglich die Hoheit über ihre eigenen Daten und bestimmen Sicherheit und Verfügbarkeit des Netzes. Sie können die Netze aber auch über öffentliche Betreiber oder weitere Anbieter installieren und betreiben lassen, was mittelständischen Playern der Prozessindustrie ebenfalls die Nutzung ermöglichen wird (Bild 1).

Steuerung fahrerloser Transportsysteme
Bild 1: Die Steuerung fahrerloser Transportsysteme benötigt eine sehr hohe Bandbreite, die im 5G-Netz verfügbar ist, ohne echtzeitkritische Daten zu stören oder zu beeinflussen (Bild: Jenson@shutterstock.com)

Die AGVs (Automated Guided Vehicles), die das riesige BASF-Werk mit Rohstoffen versorgen, stellen einen spektakulären, jedoch lange nicht den einzigen möglichen Use Case für 5G-Mobilfunk in der Prozessindustrie dar. Da die führerlosen Fahrzeuge meist im Nicht-Ex-Bereich unterwegs sind, wird die Übertragung der für die Überwachung nötigen Live-Videos möglicherweise einer der ersten Anwendungsfälle in großen Chemiestandorten sein. Für Applikationen, bei denen der Explosionsschutz eine Rolle spielt, müssen aktuelle Schutzkonzepte für die industrielle Kommunikation dringend überarbeitet und an die neuen Erfordernisse zur Vermeidung von Zündquellen angepasst werden. Die hohen Datenraten, die für die AGV-Videoüberwachung erforderlich sind, erweisen sich zwar noch nicht als Realität. Doch mit den nächsten Revisionen stehen dieses und andere Features an, die für viele Anwendungen in privaten Netzen der Industrie unabkömmlich sind.

 

Neue Releases als Grundlage für potenzielle Applikationen …

Das 5G-Release 16, das im Herbst 2020 veröffentlicht wurde, umfasst beispielsweise die Unterstützung von Time Sensitive Networking sowie die Verwaltung von Private Networks, also unter anderem der Campusnetze respektive Non Public Networks (NPN). Der Fokus liegt auf der massive Machine Type Communication (mMTC), welche bereits einige IoT-Anwendungsszenarien ermöglicht, soweit sie durch die Weiterleitung geringer Datenraten gekennzeichnet sind. Das nächste Release 17 - angekündigt für Ende 2021, aber aufgrund von Corona auf September 2022 verschoben - wird den Fokus auf extrem zuverlässige, latenzarme Verbindungen (ultra Reliable and Low Latency Communication, uRLLC) legen, die gerade für Applikationen wie die Steuerung und Überwachung führerloser Fahrzeuge notwendig sind. Auch die dazu erforderlichen hohen Datenraten sollen mit den künftigen Revisionen 17 und 18 Realität werden, zumindest auf dem Papier der Standardisierungsorganisation 3GPP.

Selbst wenn damit zu rechnen ist, dass es noch einige Jahre dauern wird, bis daraus marktfähige Produkte entstehen: Es lässt sich absehen, dass die zurzeit in der chemischen Industrie diskutierten Applikationen für 5G ab etwa 2025 umsetzbar sein werden. Dazu gehören neben dem Betrieb der AGV zahlreiche Anwendungen in der Produktion, zum Beispiel die für Industrie 4.0 typische Big-Data-Übertragung für Monitoring & Optimization. Oder sicherheitskritische Use Cases, beispielsweise die Meldung des Betriebs einer Notdusche an ein Rettungsteam (Bild 2).

Notduschenüberwachung
Bild 2: Mit einer Notduschenüberwachung lässt sich die Sicherheit des Anlagenpersonals erhöhen, indem der nächstgelegene Betriebssanitäter sofort alarmiert wird (Bild: Phoenix Contact)

… wie etwa Inventory Management und Rückverfolgbarkeit

Im Rahmen der Logistik und des Supply Chain Managements ergeben sich viele weitere Anwendungsmöglichkeiten. So lassen sich etwa Lücken in der Lieferkette vermeiden, wenn im Kontext des Inventory Managements die Füllstände von Tanks automatisch an die Lieferanten gesendet werden und dort bei Bedarf eine Bestellung auslösen. Grundsätzlich kann man dies ebenfalls mit anderen Kommunikationstechniken realisieren. Ist jedoch – wie bei Phoenix Contact - ein 5G-Campusnetz vorhanden, liegt es nahe, es für solche Use Cases zu nutzen. Auch die Übertragung in der umgekehrten Richtung ist möglich: Der Lieferant kann noch vor Anlieferung Qualitätsinformationen zur aktuellen Produktcharge an den verarbeitenden Betrieb senden, der diese zum Beispiel zur Prozessoptimierung verwendet. Weitere Optionen ergeben sich bei der Datenweiterleitung zwecks Rückverfolgbarkeit der Fertigungsprozesse, wie sie in der Pharma- und Food-Industrie längst ein Muss ist. Zusätzlich erfasste Qualitätsdaten von Zwischenprodukten lassen sich mit Hilfe von Drahtlostechniken mit geringem Aufwand an die QM-Zentrale übermitteln (Bild 3).

Füllstandüberwachung
Bild 3: Mit einer Füllstandüberwachung werden Abweichungen wichtiger Anlagenparameter wie Füllstand, Temperatur oder Druck frühzeitig im Kommunikationsnetzwerk erkannt (Bild: Avigator Fortuner@shutterstock.com)

Einfachere Überwachung ausgedehnter oder schwer zugänglicher Anlagen durch Drohnen

Ein anderer Fall für 5G könnte die Übertragung von Videosignalen im Rahmen der Sicherheitsüberwachung von ausgedehnten oder schlecht zugänglichen Anlagen - beispielsweise von Steamcrackern, Ölplattformen oder weitläufigen Tanklagern - werden. Mit Wärmebildkameras bestückte Drohnen, wie sie einige Werksfeuerwehren in Chemieparks bereits heute einsetzen, könnten die zu überwachenden Betriebe und Lager zukünftig autonom abfliegen und ihre Videodaten zur Auswertung in Echtzeit weiterleiten. Hotspots werden somit entdeckt, ehe ein Brand ausbricht.

Für Instandhaltungsteams wird 5G ebenfalls Möglichkeiten eröffnen, ihre Arbeit zu optimieren. So etwa im Rahmen von Augmented Reality via Datenbrillen oder Tablets, beides Industrie-4.0-Anwendungen, die schon lange propagiert und zum Teil umgesetzt werden. Über das werkseigene 5G-Campusnetz lässt sich das Service-Personal jederzeit vor Ort in der Anlage mit technischen Anleitungen oder Kurzvideos versorgen. Auch ein massenhafter Datentransfer, hervorgerufen durch eine ganze Mannschaft von Mobile Workers plus einiger AGV-Transporter, würde, so die Vision, nicht mehr zu Engpässen führen (Bild 4).

AR
Bild 4: Augmented Reality unterstützt bei Wartungsarbeiten (Bild: Phoenix Contact)

Individuelle Zuordnung von Ressourcen und Prioritäten

Angesichts all dieser möglichen Use Cases fällt eine Eigenschaft der 5G-Technik besonders ins Gewicht: Im Gegensatz zu anderen Mobilfunkstandards ist 5G eine vollwertige Kommunikationsinfrastruktur. Sie beinhaltet wertvolle Services - zum Beispiel die Möglichkeit, den Teilnehmern Ressourcen und Prioritäten unterschiedlich zuzuordnen. Die Überwachung kritischer Funktionen im Produktionsbetrieb bedingt mit Sicherheit eine hohe Zuverlässigkeit bei der Datenübertragung; die Priorität wäre entsprechend hochzusetzen. Hingegen sind die Daten für das Condition Monitoring etlicher Pumpen im Zuge der vorausschauenden Instandhaltung in der Regel nicht zeitkritisch. Die Priorität wäre also niedrig festzulegen (Bild 5).

igenschaften von Industrial 5G
Bild 5: Die verschiedenen Eigenschaften von Industrial 5G lassen sich je nach Anforderung nutzen (Bild: Phoenix Contact)

Die benötigten Datenraten sind ebenfalls eher gering. Dass eine geringe Datenrate nicht mit einer niedrigen Priorität korrelieren muss, zeigt das Beispiel der Notdusche. Dem Ersthelfer genügt ein einziges Signal, um zu erkennen, dass die Notdusche in Anspruch genommen wurde. Doch dieses muss ihn schnellstmöglich erreichen. Die hohen Datenraten, die für den Betrieb von AGVs erforderlich sind, kommen dagegen mit einer geringeren Priorität aus. Sollte es tatsächlich einmal eng zugehen auf der Datenautobahn, können sie am nächsten sicheren Haltepunkt einfach zwischengeparkt werden.

 

Fazit

Durch diese Möglichkeiten, das 5G-Netzwerk zu orchestrieren, sodass es die Bedarfe höchst unterschiedlicher Applikationen im Industriebetrieb abdeckt, hebt sich 5G deutlich von allen anderen Übertragungstechniken ab. So könnte es eines Tages – zumindest an den großen Industriestandorten – zum einzigen Kommunikationsstandard werden. Das ist zugegebenermaßen Zukunftsmusik. Eine Koexistenz verschiedener drahtloser und leitungsgebundener Verbindungstechniken wird die meisten Unternehmen der Prozessindustrie wohl noch lange prägen. Und viele kleinere Chemieunternehmen werden künftig völlig ohne 5G arbeiten. Über die geschilderten Use Cases in der Intralogistik mit Einbindung von AGVs und Drohnen sowie über Anwendungen im Rahmen des Condition Monitorings und der Instandhaltung wird 5G jedoch schon in wenigen Jahren seinen Nutzen in zahlreichen Betrieben unter Beweis stellen.

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