Eine große und vor allem stetig zunehmen Anzahl an Anwendungsfällen der Industrie 4.0 erfordern die drahtlosen Kommunikation in der Produktionshalle.

Eine Vielzahl von Anwendungsfällen sind schon vorhanden – schauen wir uns einige Beispiele an

Betrachten wir einmal den interne Warentransport. Autonome Flurförderzeuge übernehmen hier zusehends Aufgaben. Ihre Aufgabe ist es beispielsweise Verpackungseinheiten zwischen Fertigungsstationen zu verbringen oder Leergut anzuliefern. Dazu müssen Information über den Auftrag vorliegen und eine Kommunikation mit den Ladebucht bestehen, um den jeweiligen Vorgang zu starten. Hier stimmt die Bezeichnung V2X – Verhicle to everything.

Eine andere Anwendung ist die Übertragung von Sensordaten zur Analyse und Optimierung der Produktion (Schlagworte „Big Data“ & „Condition Monitoring“). Auch hier sind Daten von teilweise temporär installierten Sensoren unabdingbar.

Noch ein Beispiel: Asset Tracking. Dabei soll die Frage beantwortet werden, wo sich gerade ein bestimmtes Halbzeug, Produkt oder Werkzeug befindet. Standortdaten müssen mobil übermittelt werden.

Noch ein letztes Beispiel, um es auf die Spitze zu treiben – und natürlich noch ein Schlagwort zu nennen: Smart Factory. Dabei soll anstelle eine starren Produktionslinie eine flexibler Weg durch die Veredelungskette von jedem Produkt gefunden werden. Im Idealfall bis zu Losgröße eins herunter. Und auch hier müssen sich die Einheiten über die kommenden Prozessschritte abstimmen, also drahtlos kommunizieren.

Aus den Anwendungen ergeben sich die Anforderungen – erstes Beispiel Regelung

Doch was sind nun die konkreten Anforderungen an die drahtlosen Kommunikationstechnologie? Schauen wir uns dazu wieder zwei Beispiele an, beginnen mit der Regelung eines Prozesses.

Dezentral steht dabei die Anlage, die Regelparameter in Echtzeit werden über die drahtlose Schnittstelle übergeben. Dadurch ergibt sich ein hohes Maß an Flexibilität, interessant z.B. für Verpackungsanlagen.

Die wichtigsten Anforderungen im Beispiel Regelung sind

• Latenz
  • Zeit die eine Information von der Quelle zum Ziel benötigt
  • Bestimmt die max. Verfahrgeschwindigkeit der Achsen, da nicht schneller gefahren werden kann, als die Befehle ankommen
• Error-Rate
  • Fehlenden oder verfälschte Pakete müssen wiederholt werden, uns zahlen daher auch auf die max. Geschwindigkeit ein

Ein zweites Beispiel für die Anforderungen – Datensammlung

Als ein zweites Beispiel dient die Übertragung von Sensordaten, z.B. für das Condition Monitoring oder die Analyse großer Datenbestände zur Prozessoptimierung.

Dabei können z.B. Sensoren für Prozessparameter (Temperaturen, Drücken, Durchflussmenge,…) oder den Anlagenzustand (Vibration, Leckage, Leistungsaufnahme,…) übertragen werden. Beides kann fest verbaut oder nur temporär ausgerüstet (Anlagensetup oder Fehlersuche) werden.

Die wichtigsten Anforderungen im Beispiel Datensammlung sind

• Reichweite
  • Abstand der Sensoren vom Gateway
  • Bestimmt die Kosten der Einrichtung; gerade bei großen Arealen aus die Verwendung Außenbereich
• Anzahl an Geräten
  • Es müssen viele Geräte gleichzeitig verwaltet werden

Die Anforderungen an die Kommunikationstechnologie unterscheiden sich deutlich je nach Anwendungsfall

Daher gibt es auch kaum die eine Technologie, die alle Anforderungen erfüllt, auch wenn 5G mit seinen unterschiedlichen Modi anschickt dies zu tun.

Vielmehr existieren unterschiedliche Technologien nebeneinander, wie die folgende Liste als kleiner Auszug der verfügbaren Technologien zeigt.

	Übertragungsrate	Latenz	Typische Reichweite	Sendeleistung Endgerät	Anwendungsbeispiel in I4.0
LPWAN	Bis 600 Bit/s	>1 min	15 km	> 0,025 W	Asset Tracking, niederfrequente Sensordaten
4G	Bis 1 Gbit/s	10 ms	2 km / 10 km 3	> 0,25 W	Telematik in Landwirtschaft (Füllstände)
Wi-Fi	Bis 2,4 Gbit/s 1	>7,6 ms2	300 m / 40 m 4	> 1 W	Drahtlose Endgeräte (Drehmomentenschrauber)
5G	Bis 10 Gbit/s	1 ms	15 km / > 1 km 5	> 0,25 W	Closed-Loop-Prozesssteuerung
6G (geplant)	>1 Tbis/s	>1 ms	Tbd	Tbd	Schnell verfahrende Anlagen, Autonomes Fahren, VR;AR

¹: 2 Antennen, 802.11ax („Wi-Fi 6“)
²: Minimalwert aus Simulationsdaten mit 9 Clients, kann deutlich größer sein für „Wi-Fi 6“[8]
³: Je nach verwendetem Frequenzband in LTE [7]
⁴: im Freien / in Gebäuden
⁵: Je nach verwendetem Frequenzband in LTE [7]

Wer zu LPWAN Näheres Wissen möchte, kann diesen Beitrag lesen.

Weitere Entwicklung über 5G hinaus

6G befindet sich noch in einer frühen Entwicklungsphase. Die Einführung ist für ca. 2030 angestrebt. Dabei ist auch die verwendete Luftschnittstelle noch offen – RF oder sichtbares Licht; Bodenstationen oder Satelliten; oder Mischformen davon.

Die gegenüber 5G nochmals deutlich verschärften Anforderungen sind notwendig, da nicht nur das Wachstum von Geräten/Nutzern ihren Zoll fordern, sondern auch die noch nicht (vollständig) umgesetzte Anwendungsfälle hinzukommen antizipiert werden. Dazu zählen die Virtual oder Augmented Reality, autonomes Fahren oder Drohnenflug.

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Quellen

[1]	V. S. Chakravarthi:  Internet of Things and M2M Communication Technologies; Springer International Publishing; 2021
[2]	J. Jasperneite, V. Lohweg (Hrsg.), Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation, Springer Berlin Heidelberg, 2020
[3]	Schriegel, S.; Kobzan, T.; Jasperneite, J.: Investigation on a Distributed SDN Control Plane Architecture for Heteregenous Time Sensitve Networks. 14th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 2018
[4]	M. Gundall, J. Schneider, H. D. Schotten, M. Aleksy, D. Schulz, N. Franchi, N. Schwarzenberg, C. Markwart, R. Halfmann, P. Rost, D. Wübben, A. Neu- mann, M. Düngen, T. Neugebauer, R. Blunk, M. Kus, and J. Grießbach. 5G as Enabler for Industrie 4.0 Use Cases: Challenges and Concepts. In 23rd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Au- tomation (ETFA 2018), Torino, Italy, 2018.
[5]	M. Božanic ́, S. Sinha: Mobile Communication Networks: 5G and a Vision of 6G, Lecture Notes in Electrical Engineering 751, 2021
[6]	Widya Tri Krisna Ayu: China has set up the 6G network, 8000 times faster than the 5G, seasia.co https://seasia.co/2020/11/23/china-has-set-up-the-6g-network-8000-times-faster-than-the-5g [Letzter Zugriff: 28.12.2021]
[7]	NN: LTE vs. 5G (Teil 4): Reichweiten, ENQT GmbH, Hamburg https://enqt.de/2020/11/ltevs5g-reichweiten/ [Letzter Zugriff: 03.01.2022]
[8]	NN: WLAN 6 (auch Wi-Fi 6) bewirkt große Veränderungen in kabellosen Netzwerken. Erhalte Antworten auf häufig gestellte Fragen zu den neuesten Funktionen und Verbesserungen, Intel https://www.intel.de/content/www/de/de/gaming/resources/wifi-6.html [Letzter Zugriff: 03.01.2022]