Dieser Artikel umfasst folgende Themen:
- Drahtlose Netzwerkoptionen für Anlagen einschließlich 5G und Wi-Fi 6
- Was Wi-Fi 6 bietet und wie es mit 5G-Kommunikationsnetzen koexistieren wird
- Die Bedeutung von deterministischen Kontrollnetzwerken und die Rolle von Wi-Fi 6
Aufkommende Industrie 4.0-Konzepte oder -Modelle bestehen aus Steuerungsanwendungen, die intelligente Geräte, Anlagen, Menschen und Prozesse in Betrieben miteinander verbinden. Die Sicherstellung einer optimalen Echtzeit-Kommunikation zwischen den verschiedenen Parametern innerhalb einer Industrie-4.0-gesteuerten Anlage erfordert Steuerungsnetzwerke mit geringer Latenz, hoher Zuverlässigkeit und deterministischen Garantien. Traditionell wurden kabelgebundene, industrielle Steuerungsnetzwerke zur Verbindung von Anlagen innerhalb eines Betriebs verwendet, aber mit der aktuellen Zunahme der Gerätebereitstellung werden auch drahtlose Netzwerke in Betracht gezogen.
Drahtlose Netzwerke als Motor für Industrie 4.0
Die cyber-physischen Systeme der Industrie 4.0 ermöglichen es Unternehmen, eine vernetzte Umgebung zu schaffen, in der Daten zwischen Anlagen und Steuerungsanwendungen in Echtzeit übertragen werden. Beschränkungen wie die Kosten für die Erweiterung von kabelgebundenen Verbindungen und die Herausforderungen bei der Implementierung großer intelligenter Systeme mit kabelgebundenen Netzwerken bedeuten, dass kabelgebundene Netzwerke im neuen Industriezeitalter überflüssig werden.
Drahtlose Netzwerke erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da sie eine kostengünstigere, einfach zu implementierende Lösung für die industrielle Automatisierung in Unternehmen darstellen. Frühere drahtlose Netzwerke wie 4G sind jedoch nicht in der Lage, eine zuverlässige Hochgeschwindigkeitskommunikation mit geringen Latenzzeiten in Industrieanlagen zu ermöglichen. Der Bedarf an Zuverlässigkeit führte zu 5G-Netzwerken, die einen dezentralen Ansatz nutzen, um 10 bis 30 Gbps mit weniger Energie zu liefern.
Es wird erwartet, dass 5G niedrige Latenzzeiten und drahtlose Hochgeschwindigkeitsnetzwerke bietet, um industrielle Automatisierungsstrategien zu unterstützen. Durch die Nutzung von 5G-Mobilfunknetzwerken können Industrieanlagen bequem Umgebungen für Hunderte von IoT- und Smart-Device-Anwendungen schaffen, die in Neuanlagen eingesetzt werden sollen. Das Aufkommen von 5G löst das Problem eines zuverlässigen drahtlosen Industrienetzwerks, lässt aber eine andere wichtige Frage unbeantwortet: Wie können deterministische Netzwerkfunktionen zur Unterstützung der Echtzeitautomatisierung bereitgestellt werden?
Warum deterministische Netzwerke?
Traditionell sind Ethernet- oder drahtgebundene und drahtlose Netzwerke Broadcast-Netzwerke, die alle Datenpakete an jeden Knoten innerhalb eines cyber-physischen Systems senden. Die Knoten nutzen ihr jeweiliges Datenpaket, wenn es sie erreicht. Das Broadcast-Netzwerkverfahren war umständlich, da es ständig zu Kollisionen zwischen Datenpaketen kam und niemand genau vorhersagen konnte, wann ein Paket den anfragenden Knoten erreichen würde.
Bei konventionellen Netzwerkverfahren werden Datenpakete über verschiedene Routen zwischen dem sendenden und dem empfangenden Knoten innerhalb einer unbestimmten Zeitspanne übertragen. Die Schwankungen bei den Übertragungszeiten werden zu einem ernsten Problem, wenn es sich bei den übermittelten Daten um eine Steuerungsvariable für eine wichtige Anlage handelt, die in Echtzeit funktionieren soll. Jegliche Verzögerung kann sowohl zu sicherheitsrelevanten Problemen als auch zu ungeplanten Ausfallzeiten führen. Daher ist eine deterministische Vernetzungsmethode erforderlich, die eine genaue Vorhersage der Zeit ermöglicht, die für die Datenübertragung zwischen dem sendenden und dem empfangenden Knoten benötigt wird.
Bei kabelgebundenen Netzwerken wurden verwaltete Switches und serielle Kommunikationsprotokolle verwendet, um Daten innerhalb einer bestimmten Zeitspanne direkt an den empfangenden Knoten zu übertragen. Beispiele wie Modbus für Modicon PLCs boten Unterstützung für deterministische Netzwerke, aber sie waren notorisch langsam, hatten geringe Bandbreiten und konnten keine Echtzeitkommunikation garantieren. Aus diesem Grund hat sich das zeitkritische Netzwerk durchgesetzt, auch wenn es nach wie vor kompliziert einzurichten ist. Umgekehrt konnten drahtlose Netzwerke zwar Datenpakete mit höherer Bandbreite übertragen, aber nicht genau vorhersagen, wann das Datenpaket den Empfängerknoten erreichen würde.
Die Lösung dieser Herausforderung erforderte eine Kombination aus der geringen Latenzzeit und der hohen Bandbreite drahtloser Netzwerke sowie Determinismus, um industrielle Automatisierung in Echtzeit zu ermöglichen. Es wird erwartet, dass die Einführung von Wi-Fi 6 die niedrigen Latenzzeiten, die Geschwindigkeit, die Zuverlässigkeit und den Determinismus bieten wird, die Industrieanlagen und die Industrie 4.0 benötigen.
Was ist Wi-Fi 6?
Die nächste Generation der Wi-Fi-Technologie wurde als Antwort auf die wachsende Zahl von IoT-Geräten auf der ganzen Welt entwickelt, die eine zuverlässige Vernetzung benötigen. Wi-Fi 6, das auch als 802.11ax Wi-Fi bezeichnet wird, soll schnelleres Wi-Fi bieten - bis zu 9,6 Gbit/s im Vergleich zu den 3,5 Gbit/s von Wi-Fi 5 - aber die höhere Geschwindigkeit ist nicht das einzige wichtige Merkmal.
Die Verbesserung der Vernetzung, wenn mehr Geräte mit einem drahtlosen Netzwerk verbunden sind, ist der Grund, warum Wi-Fi 6 so wichtig ist. Wenn beispielsweise mehrere Geräte an einen Wi-Fi 5-Router angeschlossen werden, verlangsamt sich die Gesamtgeschwindigkeit und Leistung der einzelnen Geräte, da sie um den Zugang zu drahtlosen Netzwerken konkurrieren. Wi-Fi 6 reduziert diesen Nachteil und sorgt dafür, dass jedes Gerät auch bei steigender Nachfrage optimalen Zugang zu drahtlosen Netzwerken erhält.
Aus Sicht der Industrie werden mit Wi-Fi 6 zum ersten Mal seit den Anfängen der Drahtlostechnologie vor etwa zwei Jahrzehnten echte SLAs eingehalten. Die Fähigkeit von Wi-Fi 6, SLAs zu nutzen, bringt Determinismus mit sich. Wi-Fi 6 nutzt die OFDMA-Technologie (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), um einheitliche Sprachverzögerungen und Datenübertragungen über eine wachsende Anzahl von Geräten hinweg zu ermöglichen.
Die Sprachverzögerungen und SLAs ermöglichen Wi-Fi 6 eine deterministische Planung, um Datenpakete mit vorhersehbarer Genauigkeit an Knotenpunkte in der gesamten Fabrikhalle zu übertragen. An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass 5G-Kernnetzwerke, die Network Slicing nutzen, auch in der Lage sind, Industrieanlagen mit einer deterministischen Zeitplanung zu versorgen. Damit stellt sich die Frage: Wenn beide die Fähigkeit haben, niedrige Latenzzeiten, Hochgeschwindigkeitsnetzwerke und Determinismus zu liefern, wie können sie dann innerhalb desselben Unternehmens eingesetzt werden?
Wie können 5G und Wi-Fi 6 gleichzeitig genutzt werden?
Das Ziel der Industrie 4.0 ist die industrielle Automatisierung durch die Anwendung verschiedener Vernetzungs-, Datenanalyse- und Automatisierungstechnologien. 5G und Wi-Fi 6 sind also komplementäre Technologien im Kontext der Industrie 4.0. Der Unterschied zwischen beiden Optionen besteht darin, dass 5G eher eine dezentralisierte Technologie ist, die eine Vernetzung größerer Standorte unterstützt, während Wi-Fi 6 dazu beiträgt, eine zuverlässige Verbindungsstärke innerhalb eines Standorts zu gewährleisten.
Für große drahtlose Anwendungen wie die Fernüberwachung von Anlagen ist das 5G-Netzwerk besser geeignet, um diese Anwendungen bereitzustellen, während Wi-Fi 6 besser geeignet ist, um die Interkonnektivität zwischen den Geräten in der Anlage zu unterstützen. Intelligente Anlagen werden sowohl 5G-Netzwerke als auch Wi-Fi 6 nutzen, um eine deterministische Vernetzung zu ermöglichen, mit der sowohl makro- als auch mikroökonomische Industrie-4.0-Geschäftsziele erreicht werden können. Allerdings müssen diese Vorschläge für künftige Benutzerfälle noch abgewartet werden. Was ich hier vorschlage, ist nur ein mögliches zukünftiges Ergebnis.
Schlussfolgerung
Die Zukunft der Industrieunternehmen liegt in der Automatisierung der innerbetrieblichen Abläufe, und es wird erwartet, dass Wi-Fi 6 das Kontrollnetz für dieses Ziel bereitstellt. Die Verantwortung für diese Anwendung liegt auf den Schultern der Anlagenbesitzer, die entscheiden müssen, wann und wie sie beide Lösungen kombinieren, um den Industriebetrieb zu unterstützen.
