Schema der Profisafe-Kommunikation eines AGVs zu einem stationären Safety-Sensor an einer Gefahrenstelle; der Gretap-Tunnel verbindet beide Netzwerke auf dem Layer 2 über das Mobilfunknetz. © Phoenix Contact

5G bedient viele Applikationen über nur eine Infrastruktur. Mit der Ausrichtung auf eMBB sind Videoanwendungen, die Fernwartung von Maschinen oder zukunftsweisende AR-Lösungen (Augmented Reality) umsetzbar. mMTC kommt speziell in der Logistik oder dem Facility Management am Standort zum Tragen. So lassen sich Transporthilfsmittel überwachen oder Verbrauchswerte wie Wasser, Strom oder Gas energiesparend übermitteln. Das Hauptinteresse der Anwender liegt jedoch im Bereich der uRLLC-Funktionen für die Feldkommunikation: Roboter vermeiden die mechanische Belastung von Kabelschleppen. Anlagenteile können neu angeordnet werden, ohne die Kommunikationsverkabelung anzupassen. Ferner tauschen Automated Guided Vehicles (AGV) Daten untereinander oder mit stationären Sensoren aus. Es ist denkbar, die gesamte Intelligenz dieser Teilnehmer in ein zentrales Serversystem auszugliedern, um so Equipment-Kosten zu senken und die Skalierbarkeit zu erhöhen.

Schnellere Navigation durch zusätzliche Informationen

In den vorangegangenen Beispielen dreht es sich unter anderem um eine sichere Datenübertragung von einem AGV zu einem stationären Safety-Sensor oder anderen AGVs. Ist dies möglich, muss sich das AGV nicht mehr allein auf die auf ihm installierte Sensorik verlassen, mit der es nur auf Sicht fahren kann. Durch zusätzliche Informationen aus externen Quellen kann das AGV Gefahrenbereiche jetzt mit voller Geschwindigkeit durchqueren, ohne dass es zu einer Kollision mit einer hinter einer Kurve oder auf einer Kreuzung kommt. Die Grundlage hierfür bildet die sichere Feldbuskommunikation zwischen der Steuerung des AGVs und anderen Teilnehmern über das Profisafe-Protokoll. Bei Profisafe handelt es sich um ein Sicherheitsprofil für den Profinet-Feldbus.

Als besonders kritisch für die Funkübertragung zeigen sich die kleinen Pakete der zyklischen I/O-Daten, die in sehr kurzen Abständen mit hoher Zuverlässigkeit weitergeleitet werden müssen. Eine Zeitüberschreitung würde zu einem Not-Halt führen und die Mitarbeitenden müssten das AGV manuell wieder freischalten. Außerdem basiert diese Kommunikation auf dem Layer 2 des OSI-Referenzmodells. Die Sicherungsschicht des Modells tauscht Daten über MAC-Adressen in einem geschlossenen Netzwerk aus und diese Informationen können nicht geroutet werden. Der Datenaustausch über ein aktuelles 5G-Netz erfordert allerdings ein Routing, weil das Netz auf dem Layer 3 arbeitet und AGVs, Roboterzellen oder das Produktionsnetz ein eigenes Netzwerk darstellen. Das dritte Layer ist die Vernetzungsschicht und arbeitet mit IP-Adressen für den Austausch auch über Netzwerkgrenzen hinaus. Deshalb muss die Datenübertragung über einen Layer-2-Tunnel erfolgen, der das Netz des AGVs mit dem Netz eines weiteren AGVs im Mobilfunknetz oder verkabelten Produktionsnetz verbindet. Dieser Tunnel kapselt die Daten der Layer-2-Verbindung in IP-Pakete, die anschließend zu ihrem Ziel geroutet werden können, um dort wieder entkapselt zu werden. Dabei sollte der Tunnel möglichst ressourcensparend sein, sodass sich keinen Flaschenhals für die Kommunikation bildet.

Generelle Kosten reduzieren

5G verspricht einen großen Schritt für den drahtlosen industriellen Datenaustausch. Es gilt jedoch noch einige Herausforderungen zu lösen, bis sich 5G als Stand der Technik bezeichnen darf. Die verfügbare Hardware eignet sich noch nicht für die uRLLC-Kommunikation. Derzeitige Projekte präsentieren bereits die Umsetzbarkeit der Profisafe-Übertragung zwischen verschiedenen Teilnehmern mit niedriger Latenz über einen Layer-2-Tunnel. Allerdings ist die Zuverlässigkeit für einen dauerhaften Betrieb in operativen Projekten bislang nicht sichergestellt. Insbesondere bei der Profisafe-Kommunikation in einer AGV-Anwendung resultieren Latenzspitzen häufig in Unterbrechungen, die einen Not-Halt nach sich ziehen. Zur Lösung dieser Aufgabe bedarf es einer Hardware, die auf späteren Releases basiert und sich zurzeit in der Entwicklung befindet.

Die generellen Kosten der 5G-Technologie werden über die nächsten Jahre sukzessive fallen. Gleichzeitig steigt das Angebot kleinerer oder größerer privater 5G-Netzwerke für den maßgeschneiderten Einsatz in Produktivumgebungen. Die aufgezeigten Herausforderungen stellen dabei keineswegs einen Show Stopper für die Technologie dar. Die vielseitigen Projekte in unterschiedlichen Branchen zeigen die Applikationsvielfalt, die über nur eine Funktechnologie abbildbar ist. Und gerade uRLLC-Applikationen im Bereich der AGVs und Robotik verdeutlichen bereits das Potenzial von 5G in der industriellen Kommunikation.