Es funkt in der Fabrik – Kabellos ins IIoT Private 5G und Wi-Fi 6 für betriebs­kri­ti­sche Einsatzfelder

Von Tilman Taubert

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Drahtlose Netzwerke, Breitbandtechnologien und das Internet der Dinge (IoT) verändern die Industrie nachhaltig. Durch 5G, Wi-Fi 6 und Co. kann die Betriebstechnologie (OT) endlich tiefgreifend digitalisiert werden.

Die eine optimale Funktechnologie für industrielle Anwendungen gibt es nicht – im Idealfall ergänzen sich 5G, Wi-Fi 6(E), LoRaWAN und andere Techniken hier individuell.
Die eine optimale Funktechnologie für industrielle Anwendungen gibt es nicht – im Idealfall ergänzen sich 5G, Wi-Fi 6(E), LoRaWAN und andere Techniken hier individuell.
(Bild: © ipopba - stock.adobe.com )

Eine Studie von GSMA Intelligence aus dem Jahr 2021 sagt voraus, dass sich die Zahl der Industriellen IoT-Verbindungen (IIOT) in Unternehmen bis 2030 vervierfacht. Durch die Konvergenz von IT- und OT-Abläufen können Unternehmen zukünftig erhebliche Produktivitäts- und Effizienzsteigerungen realisieren – wenn sie jetzt die richten Infrastruktur-Entscheidungen treffen.

Funk als Baustein für die Smart Factory

In der Vergangenheit war Funktechnologie in industriellen Umgebungen auf weniger kritische Sensoranwendungen und die Verbindung von IT-Systemen beschränkt. Mit der Digitalisierung industrieller Abläufe, Hybrid Work und der zunehmenden Mobilität von Anwendungen steigt aktuell jedoch der Bedarf an durchsatzstarken und skalierbaren Funklösungen massiv an. Diese haben sich weiterentwickelt und unterstützen heute bandbreitenintensive Anwendungen für die Mitarbeiterproduktivität, zuverlässige Mobilität für kritische Anlagen und eine verstärkte Datenerfassung aus allen Bereichen der Fabrik.

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Wo es auf immer schnellere Lieferfähigkeit ankommt, werden Produktionsprozesse künftig maximal digitalisiert. Nur dann lassen sich Prozesse in einer Smart Factory in Echtzeit überwachen, steuern und gegebenenfalls nachjustieren. Dafür sind flächendeckend drahtlose Verbindungen, eine höhere Netzwerkstärke und -ausfallsicherheit sowie zuverlässige Zero Trust Security erforderlich. Die Anforderungen an ein unterstützendes Funk-basiertes Netzwerk sind nicht unerheblich. Es muss eine zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz und hohem Durchsatz sicherstellen und eine deutlich höhere Gerätedichte unterstützen.

Doch nicht jeder Use Case benötigt den Einsatz von drahtlosen Netzen. Befindet sich beispielsweise eine Maschine an einem festen Platz in der Fabrik, bleibt die kabelgebundene Vernetzung meist die optimale Lösung. Allerdings werden selbst in der Automobilproduktion Fließbänder zunehmend aufgelöst. So stellen erste Unternehmen bereits auf eine flexible und mobile Fertigung um, in der Produkte selbstständig den Weg zum nächsten Arbeitsschritt finden. Unternehmen, die diesen Schritt gehen, profitieren von drahtlos vernetzten Komponenten wie mobilen Robotern oder fahrerlosen Transportsystemen (FTS). Damit sie zur richtigen Zeit am richtigen Ort sind, müssen sie zuverlässig und sicher mit dem Backbone-Netzwerk verbunden sein.

Das Beste aus allen Welten für mehr Dynamik

Bislang war dafür Wi-Fi meist das Mittel der Wahl. Diese bewährte Technologie lässt sich mit vergleichsweise wenig Aufwand und Kosten installieren. Für die meisten Anwendungsfälle im Büro, aber auch auf dem Shop Floor reichen auch die Bandbreite, Latenz und Reichweite aus. Die neue Version Wi-Fi 6 hat dabei die maximal erreichbaren Werte nochmal erhöht: Wi-Fi 6 und 6E von Anbietern wie Cisco bieten etwa eine bis zu dreimal höhere Bandbreite – das ist bis zu fünfmal schneller als Wi-Fi 4.

Allerdings stehen noch weitere Funk-Technologien bereit, wie Private 5G, Cisco Ultra-Reliable Wireless Backhaul (CURWB, ehemals Fluidmesh) oder LoRaWAN. Die verschiedenen Technologien besitzen jeweils spezifische Stärken. Entsprechend bietet sich in manchen Einsatzszenarien Wi-Fi an, in anderen Private 5G, in wieder anderen CURWB. Unternehmen können von den Vorteilen all dieser Lösungen profitieren, wenn sie eine übergreifende Netzwerk-Architektur installieren, die alle Technologien integriert. Diese stellt derzeit nur Cisco zur Verfügung. Dabei ist die Kombination verschiedener Funktechnologien zur Integration von Echtzeit-Anwendungen im OT-Bereich mit weniger zeitkritischen IT-Anwendungen von besonderer Bedeutung.

In latenzempfindlichen betriebskritischen Anwendungen finden Private-5G-Ansätze (P5G) ihr Einsatzfeld. Branchen, wie Versorgungs- oder Industrieunternehmen ziehen ein privates 5G-Netzwerk in Betracht, um ihren wachsenden Bedarf an Bandbreite, Verfügbarkeit und Transparenz zu decken. Diese Unternehmen müssen ein Gleichgewicht zwischen den Vorteilen eines privaten 5G-Netzwerks und den Kosten für den Kauf, den Betrieb und die Wartung eines solchen Netzwerks finden. Denn in den meisten Fällen gehört der Betrieb eines privaten 5G-Netzes nicht zum Kerngeschäft und ist technisch anspruchsvoll. Unternehmen ziehen es daher vor, umfangreiche Ressourcenverpflichtungen für Nicht-Kernfunktionen zu minimieren. Um diese Anforderung zu lösen, wird Cisco Private 5G als Service bereitgestellt und von spezialisierten Partnern kundenindividuell implementiert. Ein weiterer Vorteil: Ein solches Private-5G-Netz lässt sich nahtlos in bestehende WiFi 5/6/6E Funk- und kabelgebundene Netzwerke integrieren.

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Mit dieser Architektur können Industrieunternehmen jede gewünschte Funktechnologie für die jeweiligen Prozesse nutzen und diese zentral über eine Oberfläche verwalten. Die Technologien selbst funktionieren sowohl autonom als auch im Netzwerk integriert. Zum Beispiel müssen autonome mobile Roboter (AMR) in der Lage sein, sofort anzuhalten, wenn eine Person ihren Weg kreuzt. Für diesen Fall dürfen sie nicht von einem zentralen Netzwerk abhängen, da die Übertragung und Bearbeitung der Daten zu lange dauern. Um Unfällen vorzubeugen, übernehmen lokale Systeme die Aufgaben im Bereich der physischen Sicherheit. Gleichzeitig lassen sich die mobilen Komponenten durch die passende Infrastruktur performant und zuverlässig mit dem Backbone-Netz verbinden. Dies ermöglicht eine zentrale Steuerung, etwa um Fahrtwege kurzfristig zu ändern oder neue Aufträge automatisch einzuspeisen.

(K)eine Frage der Sicherheit

Eine zunehmend wichtige Rolle für den Einsatz von Funktechnologien im industriellen Umfeld spielt das Thema IT-Sicherheit. Aktuelle Security-Mechanismen lassen sich in Wi-Fi 6 und 5G gleichermaßen integrieren. 5G bietet den höchsten eingebauten Sicherheitsstandard durch gegenseitige Authentifizierungen. Auf der Funkschnittstelle sind die Verschlüsselungen ähnlich. Cisco nutzt für seine Wi-Fi-6-Lösungen beispielsweise WPA3-Verschlüsselung in Verbindung mit einem neuen ASIC. Zudem lassen sich über so genannte Frequenz-Fingerprints nicht autorisierte Geräte und Sensoren erkennen, selbst wenn sie gestohlene Zugangsdaten oder gefälschte MAC-Adressen verwenden.

Fazit

In der smarten Fabrik von morgen werden Funktechnologien einen entscheidenden Anteil haben, Abläufe zu flexibilisieren und zu digitalisieren. Über mobile Systeme ändern Industrieunternehmen schnell ihre Produktionsprozesse, bauen Fertigungsketten agil auf und wieder ab oder verkürzen die Umschlagszeiten. Mit der Mischung aus verschiedenen funkbasierten Netzwerktechnologien erhöhen sie parallel den Automatisierungsgrad und ihre Zukunftsfähigkeit. Dabei sind Security und Safety von Anfang an integriert.

Tilman Taubert.
Tilman Taubert.
(Bild: Cisco )

Über den Autor

Tilman Taubert ist EMEAR IoT Manufacturing Lead bei Cisco. Er verantwortet die Leitung von Lighthouse-Projekten mit einigen der erfahrensten Kunden von Cisco aus der diskreten und verarbeitenden Industrie. Bevor er zu Cisco kam, war Tilman Taubert 16 Jahre lang als Experte für IT- und OT-Infrastruktur sowie Cybersicherheit tätig.

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