Private-5G-Netze in der Fertigung

Herausforderungen kennen und meistern

Durch Digitalisierung, IoT oder künstliche Intelligenz soll die Fertigung flexibler, effizienter und intelligenter werden. Ein Schlüsselfaktor ist dabei die Übertragung von Daten, seien es Maschinendaten, Betriebsanweisungen für Steuergeräte oder Überwachungsdaten des Fabrikgeländes. Dementsprechend hoch sind die Anforderungen, die an die Netzwerkstruktur gestellt werden. Private-5G-Netzwerke sind in der Lage diese zu erfüllen.
 Aktuell kommt Private 5G im Fertigungsumfeld vor allem für SPSen und mobile Transportmittel, z.B. fahrerlose Transportfahrzeuge, mobile Roboter oder schienengeführte Fahrzeuge zum Einsatz.
Aktuell kommt Private 5G im Fertigungsumfeld vor allem für SPSen und mobile Transportmittel, z.B. fahrerlose Transportfahrzeuge, mobile Roboter oder schienengeführte Fahrzeuge zum Einsatz.Bild: Moxa Europe GmbH

Private-5G-Netzwerkarchitekturen bieten neben allen Vorteilen eines 5G-Mobilfunknetzes – hohe Bandbreiten, niedrige Latenzen und umfangreiche IIoT-Funktionen – auch dedizierte Netzfrequenzen. Neben Deutschland (n77) haben die Vereinigten Staaten (n48), Australien (n77), Japan (n79), Südkorea (n79) und Taiwan (n79) bereits solche Frequenzen für Private-5G-Netzwerke ausgewiesen. Sie gewährleisten die Signalstabilität ohne Störungen durch Interferenzen mit Frequenzen öffentlicher Netze.

Zudem sind Private-5G-Netzwerke stabiler und sicherer als herkömmliche 5G-Netze, da Daten auch lokal gespeichert werden können. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass die Netzwerkumgebung individuell aufbaubar ist, sodass sich für jeden Bereich die passende Konnektivität und Sicherheit realisieren lässt.

Die nur 100x125x35 mm großen Gateways der CCG-1500-Serie von Moxa eignen sich vor allem für IIoT-Anwendungen.
Die nur 100x125x35mm großen Gateways der CCG-1500-Serie von Moxa eignen sich vor allem für IIoT-Anwendungen. – Bild: Moxa Europe GmbH

Herausforderungen beim Aufbau

Der Aufbau eines Private-5G-Netzwerks für die intelligente Fertigung bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich. Die wahrscheinlich größte besteht darin, die Anforderungen von IT und OT in Einklang zu bringen. Sie stehen oft im Widerspruch zueinander, weil der Fokus in der IT auf Sicherheit, in der OT auf Verfügbarkeit liegt.

Systemintegratoren sollten sich deshalb die Fabrik des Kunden vor Ort anschauen, um sich einen detaillierten Einblick in die Fertigungsprozesse sowie die OT-Netzwerkarchitekturen zu verschaffen und eine Bestandsaufnahme der Produktionsanlagen vorzunehmen. Dabei ist es wichtig, die Bedürfnisse der OT zu verstehen und in einer Sprache zu formulieren, die die IT versteht, um letztendlich ein System schaffen zu können, das Effizienz und Sicherheit kombiniert.

Die Konfiguration einer 5G-Implementierung muss immer individuell erfolgen und lässt sich nicht einfach auf andere Standorte oder Unternehmen übertragen. Viele Hersteller industrieller 5G-Gateways integrieren zahlreiche Schnittstellen in ihre Geräte, sodass diese in unterschiedlichen Konfigurationen einsetzbar sind. Der Nachteil sind komplexe Architekturen und sperrige Größen. Fertigungsunternehmen benötigen in der Regel jedoch kompakte Geräte mit geringem Stromverbrauch. Auf diese Anforderungen sind die Private-5G-Mobilfunk-Gateways der CCG-1500-Serie von Moxa zugeschnitten. Die nur 100x125x35mm großen kombinierten Medien- und Protokollkonverter eignen sich vor allem für IIoT-Anwendungen.

Mit 5G-to-Ethernet und 5G-to-serial-Conversion unterstützt sie öffentliche und private Netzwerke und optimiert die Datenübertragungen von OT (Ethernet und seriell) zu Private 5G. Ihre anpassbaren Netzwerkeinstellungen und die integrierte Redundanz mit automatischem SIM-Karten-Wechsel sorgen für eine stabile Netzwerkkonnektivität und eine hohe Leistung im Feld. Um eine zuverlässige 5G-Leistung zu gewährleisten, werden alle Modelle der CCG-1500-Serie in einer Prüfkammer intensiv getestet. Neben ihrem weiten Temperaturbereich kennzeichnen sie sich durch ihren geringen Stromverbrauch von durchschnittlich 8W, was den Aufwand – und damit die Kosten – für Wartung und Betrieb der Gateways reduziert. Zudem sind sie dadurch auch für Remote-Bereitstellungen interessant.

Signalstörungen ausschalten

Als Moxa mit einigen Unternehmen Proof-of-Concept-Prüfungen der CCG-1500-Serie durchführte, zeigte sich, dass potenzielle Signalstörungen durch Geräte oder Metalltrennwände bei der Einrichtung einer Private-5G-Infrastruktur häufig ignoriert werden. Mögliche Folgen sind entweder eine schlechte Signalqualität und -dämpfung oder Zusatzkosten für mehr Radio Units, um die Signalqualität aufrechtzuerhalten.

Um in solchen Situationen die Empfangsqualität der Gateways zu verbessern und 5G-Mobilfunkbänder zu unterstützen, hat Moxa die rauscharmen Verstärker der Serie LNA-1000 entwickelt. Die Signalverstärker der BST-1000-Serie erhöhen die Signalstärke und -übertragungsdistanz, z.B. bei den 5G-Gateways der CCG-1500-Serie um bis zu 50 Prozent. Sie unterstützt die Bänder n48 und n78 sowie als erstes Modell auf dem Markt auch den TDD-Duplex-Modus.

Integration in Bestandssysteme

Die Kommunikationsprotokolle von Industriegeräten arbeiten vor allem auf dem Layer 2, die 5G-Architektur wird jedoch auf Layer 3 und darüber mit IP-Funktionalität betrieben. Für die Integration in die bestehenden Systeme muss die 5G-Kommunikation deshalb auch Layer-2-Pakete verarbeiten können. Hierfür bieten die Private-5G-Lösungen von Moxa Ethernet-Frame-Tunneling-Dienste, die Layer-2-Datenpakete über das 5G-Netzwerk als End-to-End-Kommunikation zwischen zwei oder mehr Endgeräten übertragen können. So lassen sich Datenpakete von der zentralen Steuerung nicht nur sicher über ein Private-5G-Netzwerk zu den Endgeräten senden, sondern auch Zeit und Ressourcen sparen, die andernfalls für die Verwaltung der Geräte vor Ort nötig wären.

Netzwerk-Management

Sobald das Netzwerk steht, muss es kontinuierlich überwacht und gewartet werden, damit es die bestmögliche Leistung erbringt. Das Management aller Geräte und Endpunkte ist jedoch komplex und zeitaufwändig. Mit entsprechender Software lässt sich der Aufwand reduzieren und gleichzeitig die Sicherheit erhöhen. Ein komfortables Gerätemanagement ermöglicht etwa die Device Lifecycle Management (DLM) Software von Moxa. Sie unterstützt das LwM2M-Protokoll der Open Mobile Alliance und eröffnet Administratoren damit eine zentrale Übersicht über das Netzwerk. So können sie potenzielle Probleme frühzeitig erkennen und beheben. Außerdem können sie mit der DLM-Software den Netzwerkstatus überwachen, sichere Softwareupdates durchführen, auf Protokolle zugreifen sowie zahlreiche andere Netzwerkverwaltungsfunktionen ausführen.

Fazit

Mit speziellen Netzwerkfrequenzen, einer hohen Stabilität und der sicheren lokalen Datenspeicherung erfüllt Private 5G genau die aktuellen Anforderungen von Fertigungsunternehmen. Wenn diese auch die Herausforderungen kennen und meistern, die sich beim Aufbau eines Private-5G-Netzes stellen, können sie sich mit einer flexiblen und hocheffizienten Produktion Wettbewerbsvorteile verschaffen.

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