Vorteile der 5G-Integration für heutige OT-Umgebungen
Um die digitale Transformation, die industrielle Automatisierung und Echtzeitanwendungen zur Steigerung der Anlageneffizienz zu ermöglichen, untersucht die Fertigungsindustrie die Möglichkeiten der Integration von 5G und TSN (Time-Sensitive Networking).
In einem Blog im letzten Jahr haben wir erstmals die Möglichkeit beschrieben, dass 5G die Echtzeitfähigkeiten von TSN (Time-Sensitive Networking) in Wireless-Netzwerke bringt, um industrielle Kommunikation zu unterstützen.
Zur Erinnerung: TSN führt Mechanismen für Dienstqualität, Zuverlässigkeit und Konfiguration ein. Mit TSN können verschiedene Arten von Datenverkehr dasselbe Netzwerk nutzen, wobei ein zuverlässiger Durchsatz innerhalb bestimmter Zeitrahmen gewährleistet wird.
Die Kombination von 5G und TSN könnte neue Möglichkeiten für vollständig vernetzte Industrieumgebungen schaffen, die es den Betreibern ermöglichen, in Echtzeit Einblick in den Anlagenbetrieb zu erhalten, um ihre Ressourcen zu optimieren und die Effizienz und Produktivität zu steigern.
Allerdings stehen der 5G-TSN Vereinheitlichung drei Hindernisse im Weg, die wir kürzlich in einem anderen Blog behandelt haben.
Zum Abschluss unserer 5G-TSN-Blogserie (zumindest vorerst) untersuchen wir die 5G-Integrationsstufen und heutzutage möglich ist.
Erkundung von 3 Ebenen der 5G-Integration
Es gibt verschiedene Ebenen der 5G-Integration, die in der industriellen Automatisierung zu berücksichtigen sind. Mit jeder Stufe steigt die Komplexität, aber auch das Potenzial für Verbesserungen von 5G und TSN.
Nicht-öffentliche Kommunikation
Die erste Stufe der 5G-Integration ist ein 5G-Netzwerk, das nicht-öffentliche (private) Kommunikation und Verbindungen ermöglicht. Dies ist auf zwei Arten möglich:
- Durch Network Slicing, bei dem ein Netzwerkanbieter einen Network Slice mit bestimmten Quality of Service (QoS)-Garantien anbietet. Mehrere „Tenants“ greifen auf das Netzwerk zu, jeder mit seinem eigenen Segment.
- Das OT-Eigentum ermöglicht den Aufbau eines 5G-Kernnetzes unter Nutzung eigener lizenzierter Frequenzen.
Der Aufbau eines privaten Kommunikationsnetzes mit 5G ist oft eine gute Lösung für Anlagen, die z. B. entfernte Stationen überwachen und konfigurieren müssen. Es kann erforderlich sein, sich zu vergewissern, dass ein Gerät funktioniert, oder den aktuellen Status seiner Leistung oder Funktionalität abzufragen.
Durch die 5G-Integration sind die Geräte immer erreichbar und sichtbar, und die zuverlässige Verbindung wird über große Entfernungen aufrechterhalten. Normalerweise wird diese Anwendung verwendet, um Basisinformationen über 5G als zweiten Kanal zu überwachen. Die Latenzzeit spielt dabei keine Rolle.
Nahtlose Sensor-to-Cloud-Kommunikation
Die nächste Stufe der 5G-Integration ermöglicht eine nahtlose Sensor-to-Cloud-Kommunikation mit garantierter Bandbreite und Zeitsynchronisation über eine 5G-Verbindung.
Hier liegt der Fokus auf zuverlässigem Service und geringer Latenzzeit. Die nahtlose Zeitsynchronisation nutzt einen Teil der URLLC-Kriterien (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) für zeitkritische Kommunikation und gewährleistet eine garantierte Bandbreite sowie eine Datenübertragung über die Ethernet Protocol Data Unit (PDU) und die User Plane Function (UPF).
Die industrielle Kommunikation erfolgt über Ethernet-Protokolle in der Schicht 2 des OSI-Modells, während die IP-basierte Kommunikation in der Schicht 3 stattfindet. Üblicherweise verwenden industrielle Protokolle die Adressierung der Schicht 2, um die Kommunikation zwischen SPS und Sensoren oder Aktoren zu ermöglichen. SCADA- und Überwachungsanwendungen verwenden Layer-3-Adressierung. Dieser Integrationsgrad ermöglicht beide Arten der Adressierung über dasselbe 5G-Netz.
Da eine nahtlose Sensor-zu-Cloud-Integration Bandbreite garantiert, ist sie ideal für Situationen, in denen mehrere unternehmenskritische Systeme gleichzeitig betrieben werden müssen. Zum Beispiel: Situationen, in denen das Einschalten einer IP-Kamera für die visuelle Bilderfassung den Datenfluss für die vorausschauende Wartung nicht beeinträchtigen kann.
Die Unterstützung der Zeitsynchronisation gibt allen Daten eine relative Bedeutung und ist für jede Art von Datenanalyse notwendig. Stellen Sie sich eine lange Pipeline mit fünf Stationen vor, die mit Durchflussmessern ausgestattet sind. Die Frage lautet: Wie groß ist der zeitliche Abstand zwischen Abflussänderungen an verschiedenen Stationen? Stimmen diese Messungen mit dem Modell der Pipeline überein?
Um diese Fragen beantworten zu können, müssen wir zunächst das Timing (Synchronisierung) verstehen, das mit jedem Durchflussmesser verbunden ist. Da wir wissen, wann die Daten erfasst wurden, können wir besser verstehen, was die Daten uns sagen. Die nahtlose Zeitsynchronisation eignet sich auch gut für Anwendungen, bei denen es darauf ankommt, Prozessdaten nahtlos in die Cloud zu übertragen, um sie besser analysieren und verstehen zu können, z. B. bei der vorausschauenden Wartung.
Deterministische Kommunikation
Die komplexeste – und zugleich vielversprechendste – Ebene der 5G-Integration ist deterministisch. In diesen Fällen müssen die Daten, die in beide Richtungen fließen, eine garantierte Latenzzeit aufweisen, um sicherzustellen, dass sie rechtzeitig am Ziel ankommen.
Bei der deterministischen Kommunikation liegt der Schwerpunkt auf hochzuverlässigem Service und ultraniedrigen Latenzzeiten, wobei die URLLC für zeitkritische Kommunikation durch zeitbewusstes Shaping/Time Scheduling und Frame Preemption vollständig erfüllt wird.
Dies würde es Anlagen ermöglichen, eine virtualisierte SPS oder eine SPS mit Sensoren und Aktoren zu betreiben, die sich auf 100 % der 5G-Verbindungen stützt, im Gegensatz zu einer Mischung aus 5G und Wireless-Verbindungen. Ein weiterer Anwendungsfall könnte ein Regelkreis sein, der es einer SPS ermöglicht, einen Roboterarm drahtlos zu steuern.
Aktuelle und zukünftige Möglichkeiten mit 5G-TSN
Bisher ist eine deterministische Kommunikation über 5G noch nicht möglich. Die kommerzielle Verfügbarkeit liegt zwar noch in ferner Zukunft, allerdings macht die Industrie bereits große Fortschritte.
Wir können jedoch mit Zuversicht sagen, dass sich die nahtlose Sensor-zu-Cloud-Kommunikation weiterentwickelt und eher früher als später Realität sein wird.
Belden entwickelt derzeit eine Architektur, die Fertigungsanlagen dabei unterstützt, die Zukunft durch die Integration von 5G und TSN für eine nahtlose kabelgebundene und Wireless-Integration zu gestalten. Wenn diese Innovationen möglich sind, sind diese Unternehmen ihren Konkurrenten weit voraus, wenn sie die sich bietenden Chancen kosteneffizient nutzen können.
Erfahren Sie mehr über die TSN-Lösungen von Belden.
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Über den Autor
Lukas Bechtel ist seit 2012 Jahren bei Belden und war in unserem CTO-Büro zunächst als Testautomatisierungsingenieur und dann als Technologiearchitekt tätig. Er ist außerdem Fakultätsmitglied und Forscher an der Hochschule Esslingen, wo er Studenten über IT- und Netzwerksicherheit und industrielle Netzwerke unterrichtet und Bereiche wie Industrie 4.0, Wireless- und industrielle Kommunikation sowie Sicherheit studiert.