Betriebliche 5G-Netze: Katalysator der Digitalisierung und Industrie 4.0

Eine Karte der Tschechischen Republik mit markierten Standorten, an denen bereits 5G-Netze in Betrieb sind, sieht bislang eher wie ein Kuchen mit Rosinen aus, den eine sparsame Hausfrau gebacken hat. Den Mobilfunkbetreibern wurden die 5G-Frequenzen Ende des Jahres 2020 zugeteilt. Heute sind neben Ballungsräumen wie Prag, Brünn und Ostrava auch mehrere Dutzend weitere Städte mit diesem Signal versorgt, der größte Teil des Landes wartet jedoch noch auf ultrazuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz. Die Mobilfunkbetreiber, einschließlich der virtuellen Anbieter, versprechen einen schnellen Ausbau.

Für viele Unternehmen ist wichtiger als die flächendeckende Versorgung mit einem 5G-Signal das, was direkt auf ihrem Betriebsgelände geschieht. Um eine Grundlage für die Nutzung eines breiten Spektrums von Anwendungen zu schaffen, die ohne ein „schnelles Netz“ nicht implementiert werden könnten, führen sie private 5G-Mobilfunknetze (MPN) ein.

Schneller, ohne Verzögerung und vor Ort

5G ist ein neuer Telekommunikationsstandard für Mobilfunknetze, der, wie der Name bereits andeutet, die fünfte Generation dieser Systeme bezeichnet. Er wird schrittweise den derzeit genutzten Standard 4G LTE ablösen.

Das 5G-Netz sollte theoretisch bis zu zehnmal schneller sein und sich durch eine deutlich niedrigere Latenz auszeichnen, also eine geringere Verzögerung zwischen Aktion und Reaktion. Lassen wir die Geschwindigkeit beim Herunterladen von Videospielen auf Mobilgeräten einmal beiseite. Ein Bereich, in dem die Nutzung der Vorteile von 5G von größerer Bedeutung oder sogar eine Voraussetzung sein wird, ist die Kommunikation zwischen einzelnen Geräten. Das kann sowohl die Bedienung von Geräten im Haushalt als auch insbesondere die Kommunikation zwischen Maschinen und Anlagen in Industrieunternehmen betreffen.

„Für die vollständige Entfaltung von Industrie 4.0 sind 5G-Netze eine Voraussetzung"

„Vereinfacht gesagt entsteht durch die Abtrennung eines Teils des Netzes, für das ein Mobilfunkbetreiber eine Lizenz besitzt, ausschließlich für die Bedürfnisse eines bestimmten Firmenkunden eine sichere, homogene Umgebung, die nur ihm zur Verfügung steht, und er selbst entscheidet, wem er Zugang gewährt“, sagt Luboš Lukasík, Leiter des Großkundensegments bei T‑Mobile, und fährt fort: „5G ist nicht nur schneller und bietet eine sehr niedrige Latenz, sondern ermöglicht es auch, eine weitaus größere Anzahl von Geräten, Messfühlern und Sensoren zu vernetzen. Auf einem Quadratmeter können es bis zu mehrere Tausend sein, was Unternehmen enorme Möglichkeiten eröffnet.“ Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Vorteil von 5G-Netzen besteht darin, dass sie Daten verarbeiten und Ergebnisse direkt in unmittelbarer Nähe der Geräte bereitstellen können, die über sie verbunden sind.

WLAN reicht nicht mehr aus

Industrie 4.0, worunter wir vor allem digital vernetzte Produktionssysteme verstehen, können Unternehmen de facto ohne 5G-Netze nicht vollständig entfalten. „Die bislang genutzte WLAN-Verbindung ist oft nicht zuverlässig, und Datenkabel bedeuten, abgesehen davon, dass sie im Weg sind, eine höhere Latenz“, sagt der Vertreter des Mobilfunkbetreibers und nennt ein Beispiel: „Einer der Bereiche, in denen sich 5G gut einsetzen lässt, ist die Kontrolle. Stellen Sie sich vor, eine Kamera erfasst in hoher Auflösung beispielsweise die Qualität einer Schweißnaht an einem Produkt. Werden die Bilder über ein 4G-Signal übertragen, ist es nicht möglich, die erfassten Bilder in großem Umfang mit einem Referenzbild zu vergleichen und praktisch in Echtzeit auszuwerten, ob das Produkt in Ordnung ist oder nicht, damit es gegebenenfalls ausgeschleust werden kann.“

T‑Mobile arbeitet mit tschechischen Universitäten bei der Erprobung von Anwendungen zusammen, die durch 5G-Netze ermöglicht werden. Das Unternehmen war an der Einrichtung sogenannter Testbeds an der ČVUT Prag, der VUT Brünn, der VŠB‑TU Ostrava, der Technischen Universität Liberec, aber beispielsweise auch an der Tschechischen Agraruniversität im Prager Stadtteil Suchdol beteiligt. Gleichzeitig untersucht T‑Mobile weitere Einsatzmöglichkeiten für die Muttergesellschaft Deutsche Telecom.

Das Tempo hat nachgelassen

Die Qualitätskontrolle ist nur eines von vielen Beispielen. Es gibt zahlreiche weitere Anwendungen, die dank 5G-Netzen realisierbar werden. Eine schnelle und fehlerfreie Antwort der Server erfordern beispielsweise Virtual-Reality-Anwendungen, mit denen ein Techniker am selben Arbeitsvorgang arbeiten kann wie sein Kollege auf der anderen Seite der Erde. Ebenso kommen autonome Fahrzeuge nicht ohne 5G-Netze aus, einschließlich derjenigen, die den Produktionsprozess bedienen und die Logistik sicherstellen.

Es ist offensichtlich, dass 5G-Netze die Digitalisierung mit Riesenschritten voranbringen werden. Luboš Lukasík sagt, dass die Einführung von 5G-Netzen zwar schnell voranschreitet, die Reaktion der Fertigungsunternehmen auf den technologischen Wandel bislang jedoch eher langsam ist.

„5G-Netze werden für tschechische Unternehmen in Zukunft von entscheidender Bedeutung sein. Ohne sie wäre es sehr schwierig, die heimischen Werke vollständig zu digitalisieren, wie wir es in den am weitesten entwickelten Volkswirtschaften sehen“, betont Radek Špicar, Vizepräsident für Wirtschaftspolitik und Export des Industrie- und Verkehrsverbands der Tschechischen Republik, und fügt hinzu: „Intensive Investitionen in Digitalisierung, Automatisierung und Robotisierung haben wir bei tschechischen Industrieunternehmen während der Coronapandemie gesehen. Danach verlangsamte sich jedoch ihr Tempo, als die Unternehmen begannen, mit der Energiekrise zu kämpfen. Deswegen investierten sie vor allem in Energieeinsparungen und erneuerbare Energiequellen. Es ist daher notwendig, die Investitionen in die Digitalisierung und den Ausbau der 5G-Netze wieder anzukurbeln, damit die tschechischen Unternehmen in diesem wichtigen Bereich nicht den Anschluss verpassen.“

„Die Unternehmen reagieren bislang nur langsam auf den technologischen Wandel.“

Ihm zufolge sind diese Investitionen in der Tschechischen Republik umso wichtiger, als wir unter einem chronischen Mangel an Arbeitskräften leiden, die gerade durch Automatisierung ersetzt werden können, und auch wegen der niedrigeren Arbeitsproduktivität, die die tschechische Wirtschaft im Vergleich mit den am weitesten entwickelten europäischen Volkswirtschaften aufweist.

Toyota, ŠKODA, Continental

T‑Mobile installierte im vergangenen Jahr das erste MPN bei Kvados, das es insbesondere für autonome Fahrzeuge in Lagern nutzen möchte. T‑Mobile ist jedoch nicht der einzige Anbieter. Im vergangenen Jahr kündigten auch mehrere Unternehmen ähnliche Projekte an, hinter denen zwei weitere Mobilfunkbetreiber stehen. Während sich Vodafone beispielsweise bei ŠKODA AUTO engagiert, hat O2 mit BD Sensors seinen ersten kommerziellen Kunden für den Betrieb eines MPN gewonnen. Anfang 2023 gibt es in Tschechien jedoch bislang höchstens einige Dutzend solcher Unternehmen.

Ende des vergangenen Jahres entstand auch bei Toyota in Kolín ein MPN. „Das private 5G-Netz ermöglicht es uns, unsere Produktions- und Logistikprozesse weiter zu optimieren und dabei unsere Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit zu erfüllen. Mit T‑Mobile haben wir einen langen Weg von der Machbarkeitsstudie bis zum eigenen Netz zurückgelegt, in dem wir gleich mehrere konkrete Anwendungen gründlich testen und anschließend entscheiden können, welchen Weg zur Nutzung der Standalone-5G-Technologie wir im Rahmen unserer europäischen Produktionswerke einschlagen werden“, sagt dazu Aleš Höfner, IT-Leiter von Toyota Motor Manufacturing Czech Republic.

Bei ŠKODA AUTO werden mehrere Einsatzmöglichkeiten innerhalb des Werks getestet. „Wir bewerten die Effizienz der gewählten Lösungen und entscheiden über das weitere Vorgehen. Das private 5G-Netz ist für ŠKODA AUTO ein Meilenstein auf dem Weg zum intelligenten Produktionswerk. Diese Technologie bietet ein enormes Potenzial für künftige Innovationen, beispielsweise im Bereich der prädiktiven Wartung (Instandhaltung) oder der optischen Kontrolle beim Karosseriebau. Der 5G-Netzstandard eröffnet auch neue Möglichkeiten für den autonomen Transport in der Logistik, Augmented Reality in der Produktion und viele weitere Anwendungen“, erklärt Pressesprecher Martin Ježek für den tschechischen Automobilhersteller.

Auch Continental Automotive in Brandýs nad Labem betrachtet das 5G-Netz als künftigen integralen Bestandteil der IT-Infrastruktur für Produktionsprojekte im Rahmen des Konzepts des digitalen Produktionswerks. „Aktuell stehen wir kurz vor der Bestellung und Implementierung in einem vorab definierten Teil der Produktion, in dem wir dieses Netz testen möchten. Da es derzeit keine aktuellen Projekte gibt, für die 5G eine zwingende Voraussetzung ist, wollen wir in den kommenden drei Jahren einen sogenannten Proof‑of‑Concept aufbauen, in dem künftige Anwendungen im Zusammenhang mit dem mobilen privaten 5G-Netz entstehen und abgestimmt werden“, präzisiert Jakub Hamerník, der das 5G-Netzprojekt in Brandýs leitet. Ihm zufolge wird dieses private Netz den Datendurchsatz der IT-Infrastruktur und die Datenverfügbarkeit erhöhen, den Anschluss weiterer Geräte ermöglichen und die Mobilität der Geräte auf der Produktionsfläche verbessern.

Nichts Kompliziertes

Laut Luboš Lukasík ist die Einführung eines MPN im Unternehmen nicht kompliziert und stellt für den Betrieb auch keinen großen Kostenfaktor dar. Der Mobilfunkbetreiber stellt Masten auf und verleiht die erforderlichen Geräte. Anschließend wird für Verwaltung und Wartung (Instandhaltung) eine monatliche Pauschale gezahlt, üblicherweise im Zehntausenderbereich.

Auch die Verbindung des 5G-Netzes mit bereits zuvor im Unternehmen installierten Geräten ist in den meisten Fällen kein Problem. Laut Luboš Lukasík reicht es häufig aus, das passende Modul hinzuzufügen. „Unsere Mitarbeiter machen die IT-Abteilung im Unternehmen mit den Möglichkeiten von 5G-Netzen vertraut. Die Bereiche zu finden, in denen sie den größten Nutzen bringen und in denen sie diese daher einsetzen werden, liegt dann bei ihnen“, fügt er hinzu.

Der Vollständigkeit halber ist hinzuzufügen, dass Unternehmen ihre Pläne auch unabhängig davon umsetzen können, ob ihr Mobilfunkbetreiber dieses Netz am Standort bereits in Betrieb genommen hat oder nicht. Um den Aufbau kann sich auch einer der Systembetreiber kümmern.

Wo 5G-Netze in Unternehmen eingesetzt werden und was sie ermöglichen

Autonom gesteuerte Fahrzeuge (AGV)

• Kostensenkung durch den Austausch von Flurförderzeugen mit Fahrer gegen AGV
• Flexible und optimierte Verknüpfung von Produktionsprozessen
• Höhere Leistung, Zuverlässigkeit, weniger Betriebsrisiken
• Ideal für den Einsatz von AGV beim Übergang von Innen- zu Außenbereichen oder bei Fahrten zwischen Hallen
• Optimale Logistik und Lagerverwaltung

Maschinelle Bilderkennung und Bildverarbeitung

• Verbesserte Qualitätssicherung auf Basis einer durch künstliche Intelligenz (KI) gesteuerten optischen Analyse
• Möglichkeit zur vollständigen Kontrolle aller gefertigten Teile
• Schnellere Produktion dank sehr schneller Fehlererkennung
• Senkung der Kosten für Prozesse im Bereich der Qualitätssicherung

Erweiterte und virtuelle Realität

• 5G ermöglicht dank niedriger Latenz längeres Arbeiten in Umgebungen der erweiterten oder virtuellen Realität
• Visualisierung von Daten in der realen Umgebung und im jeweiligen Kontext
• Kosten- und Zeitersparnis bei der Schulung von Mitarbeitern
• Fernanleitung von Wartungspersonal (Instandhaltungspersonal) – Beschleunigung des Wartungsprozesses (Instandhaltungsprozesses) und Einsparung von Reisekosten

Datenerfassung aus Produktionsanlagen und Sensoren

• Prädiktive Wartung (Instandhaltung) – Kosteneinsparungen durch die Vorhersage möglicher Störungen (eine eventuelle Störung bringt die Produktion nicht zum Stillstand)
• Messung, Prognose und Optimierung des Stromverbrauchs
• Optimierung und Überwachung der Maschinenauslastung
• Produktionsplanung mit maximaler Nutzung der verfügbaren Ressourcen in Echtzeit
• Weitere Einsatzmöglichkeiten

Universitäres 5G-Netz . Datenübertragung gelöst

Das Forschungsteam von Professor Pavel Václavek am Mitteleuropäischen Technologieinstitut (CEITEC) der Technischen Universität in Brünn ist umfassend im Bereich der Technologien für Industrie 4.0 und auch im Bereich der Elektromobilität und hochautomatisierter Fahrzeuge tätig. In diesen beiden Anwendungsbereichen stellt sich das Problem der Datenübertragung zwischen verschiedenen Teilen des Systems, bei denen eine kabelgebundene Verbindung technisch oft schwierig ist. Und gleichzeitig stellen diese Systeme hohe Anforderungen an eine niedrige Latenz (beispielsweise aus Gründen der funktionalen Sicherheit), Zuverlässigkeit und Sicherheit der Datenübertragung. Und genau solche Eigenschaften bieten die aufkommenden 5G-Netze. Im CEITEC wurde im November vergangenen Jahres ein eigenes privates 5G-SA-Netz in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen T‑Mobile in Betrieb genommen.

„Generell ermöglicht uns das 5G-Netz, drahtlose Kommunikation dort einzusetzen, wo dies bisher nicht möglich oder zweckmäßig war. Im Bereich der industriellen Technologien wollen wir uns mit der Nutzung von 5G für ein Automatisierungsnetz, die Datenerfassung von Sensoren und die Steuerung von Robotersystemen befassen, die mit Menschen zusammenarbeiten. Gleichzeitig sind wir auch im Bereich der Fahrzeugtechnologien tätig, wo wir beispielsweise an der Entwicklung eines Systems zur Teleoperation von Fahrzeugen und Maschinen arbeiten. Ein weiteres Beispiel ist die bearbeitete Thematik der Ferndiagnose von Antrieben für künftige Elektrofahrzeuge“, erläutert Pavel Václavek.

Das Team Kybernetik und Robotik am CEITEC ist vor allem auf angewandte Forschung ausgerichtet und zielt daher eindeutig auf Ergebnisse mit praktischer Nutzbarkeit in der Industrie ab. Praktisch alle Forschungsaktivitäten erfolgen in Zusammenarbeit mit führenden europäischen Unternehmen, und zwar insbesondere aus der Automobilindustrie. „Leider erfolgt die Zusammenarbeit überwiegend mit Unternehmen aus Deutschland, Österreich und Frankreich; der Anteil tschechischer Unternehmen an der Zusammenarbeit ist in unserem Fall nicht besonders groß“, erklärt Professor Pavel Václavek.

„Im CEITEC wird das 5G-Netz auch bei der Entwicklung eines Systems zur Teleoperation von Fahrzeugen und Maschinen helfen.“

Die Aktivitäten, die durch den Einsatz von 5G-Netzen ermöglicht werden, haben zweifellos kommerzielles Potenzial. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es jedoch verfrüht, dieses einzuschätzen, da die ersten Projekte, die diese Technologie nutzen, laut Professor Václavek in zwei bis drei Jahren kommerziell verwertbare Ergebnisse liefern werden.

Zur Finanzierung der Forschung werden am CEITEC verschiedene Quellen genutzt, sowohl Zuschüsse aus Förderprogrammen als auch kommerzielle Einnahmen aus Projekten der Auftragsforschung, die von Industriepartnern finanziert werden. In der Forschung dominieren vor allem große internationale Projekte zur Lösung komplexer technologischer Probleme.

Neben der Forschung werden am CEITEC auch zwei Projekte bearbeitet, die interessante Möglichkeiten für kleine und mittlere Unternehmen bieten. „Das erste ist der europäische digitale Innovationshub EDIH DIGIMAT mit Schwerpunkt auf Digitalisierung, Automatisierung und Robotisierung von Produktionsprozessen. Das zweite ist ein Projekt aus der Ausschreibung testing and experimental facilities TEF AI‑MATTERS, das sich mit Anwendungen künstlicher Intelligenz (KI) in Produktionssystemen befasst. Das Prinzip dieser beiden Projekte besteht in der Bereitstellung von Dienstleistungen in den Bereichen Tests, Beratung und Unterstützung bei der Einführung von Digitalisierung und KI in die Produktionsprozesse kleiner und mittlerer Unternehmen. Diese können so Zugang zu unserer Testinfrastruktur (einschließlich des 5G-Netzes) und weiteren Dienstleistungen für eine wirklich nur symbolische Gebühr erhalten. Der Großteil der Kosten wird aus Mitteln der EU und des Staatshaushalts finanziert“, stellt Professor Pavel Václavek vom CEITEC fest.