Smart Factory

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Netzwerktests ebnen den Weg für Smart Factories

5G bietet all das, was in zukünftigen Smart Factories in Bezug auf drahtlose Konnektivität gefordert wird. Dabei sind Netzwerktests von entscheidender Bedeutung.

Die in 3GPP Release 15 standardisierte 5G-Technologie bildet die Grundlage der derzeitigen 5G-Netze. Von Release 16, an dessen Entwurf die 5G Automotive Association (5GAA) und die 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) maßgeblich mitgewirkt haben, werden deutliche Verbesserungen bei Latenz, Netzsynchronisation und Integration industrieller Ethernet-Netzwerke erwartet. Das Release ist ein Schritt zur Weiterentwicklung von 5G im Sinne der Anforderungen intelligenter Fabriken (Industrie 4.0). Zentrale Anforderungen sind die datenbasierte Echtzeitsteuerung aller Prozesse und die Möglichkeit einer schnellen und flexiblen Rekonfiguration von Produktionslinien. Die vollständige Vernetzung von Maschinen, Menschen, Anlagen, Logistik und Produkten ist nur mit drahtloser Kommunikationstechnik möglich. Schnelle 5G-basierte Verbindungen werden das „Nervensystem“ bilden, mit dem das komplexe Zusammenspiel der Abläufe einer Fabrik koordiniert wird. Selbst eine kurze Unterbrechung des Datenflusses kann schwerwiegende Folgen haben und hohe Kosten verursachen. Das Funknetz muss deswegen mit großer Sorgfalt konzipiert, eingerichtet und überwacht werden. Der Prozess umfasst mehrere Phasen (einschließlich Tests), die im Folgenden beschrieben werden.

Wichtige KPIs für Mobilfunknetze in drahtlos vernetzten Fabriken

Eine Smart Factory ist eine kritische Umgebung, die strenge Anforderungen an die Konnektivität und Zuverlässigkeit von Maschinen sowie an die Datensicherheit und die Sicherheit von Menschen erfüllen muss – besonders dann, wenn die Konnektivität über Funk hergestellt wird.

Redundanz ist ein bewährtes Mittel, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Jeder Standort in einer intelligenten Fabrik muss von mindestens vier drahtlosen Zugangspunkten versorgt werden. Tests vor Ort sind die einzige Möglichkeit, diesen Zugang zu überprüfen, und zwar nicht nur bei der Installation, sondern auch nach jeder Neukonfiguration von Maschinen und jeder baulichen Maßnahme, da strukturelle Veränderungen die Ausbreitungsbedingungen der Funkwellen beeinflussen können.

Ein zuverlässiger Zugang zum Funknetz überall in der Fabrik ist notwendige Voraussetzung, aber noch kein Garant für einen störungsfreien Betrieb. Eine weitere Anforderung betrifft die Leistung des Netzwerks – nicht nur in Bezug auf den erreichbaren Datendurchsatz, sondern auch – und vor allem – in Bezug auf die Latenzzeit, also die Zeit, die ein Signal benötigt, um das System zu durchlaufen. Die Latenzzeiten früherer Mobilfunktechnologien, bis einschließlich 4G, waren nicht kurz genug, um die Anforderungen an die Echtzeitsteuerung zu erfüllen. Dies gilt nicht mehr für 5G, das Latenzzeiten von wenigen Millisekunden bietet.

Es gibt zwei Arten von Latenz: Roundtrip- und One-Way-Latenz (Bild 1). Augmented- oder Virtual-Reality-Anwendungen benötigen eine kurze Roundtrip-Latenz zur schnellen Aktualisierung von Bildinhalten bei Kopfbewegungen der Träger von AR/VR-Brillen, damit die eingespielten Daten konsistent bleiben. Im Gegensatz dazu erfordert die Echtzeitsteuerung einer vernetzten Maschine lediglich eine niedrige Latenz in einer Richtung. Steuerbefehle, z. B. ein Stoppbefehl für einen Roboter, müssen augenblicklich umgesetzt werden.

Sender und Empfänger von Rohde & Schwarz.

Bild 1

Die One-Way-Latenz ist die Signalverzögerung vom Sender zum Empfänger. Die Roundtrip-Latenz schließt auch die Reaktionszeit des Empfängers und die Zeit zur Übermittlung der Antwort ein.

Netzwerktestphasen mit Rohde & Schwarz.

Bild 2

Netzwerktestphasen mit Rohde & Schwarz.

Die fünf Phasen zum Testen eines Netzwerks

Bei der Gesamtplanung einer Fabrik werden Funknetze phasenweise nach einem fünfstufigen Testplan implementiert. Bild 2 zeigt die ersten vier Phasen, in denen überprüft wird, ob das Netz die strengen Zuverlässigkeits- und Leistungsanforderungen erfüllt.

Phase 1: Vorbereitung des Netzaufbaus

In Deutschland und einigen anderen Ländern sind bestimmte 5G-Frequenzen für Campus-Netze oder private Netze reserviert, und die Betreiber von Fabriken können sich um die Nutzung dieser Frequenzen bewerben. Aufbau und Betrieb des Netzes können grundsätzlich firmenintern organisiert werden. Meistens fällt die Wahl jedoch auf einen externen Dienstleister. In Ländern, in denen es keine eigenen Campus-Frequenzen gibt, müssen für die Fabrikvernetzung Ressourcen bei einem großen Netzbetreiber gebucht werden, der seinerseits sein Netz um die Fabrik herum konsolidiert oder zusätzliche Basisstationen in der Fabrik installiert, um die jeweiligen Anforderungen zu erfüllen.

Wenn das Netzwerk Campus-Frequenzbänder nutzt, muss das Spektrum zunächst auf Freiheit von Interferenzen geprüft werden. Die Erfahrung zeigt, dass dies bei einem neu zugewiesenen und bisher ungenutzten Spektrum nicht selbstverständlich ist. R&S®TSMx6 Netzwerkscanner, R&S®FPH/R&S®FSH Handheld-Spektrumanalysatoren und tragbare R&S®MNT100/R&S®PR200 Messempfänger liefern die notwendigen Messwerte.

Phase 2: Standortabnahmetest

In der zweiten Phase werden die neu installierten Basisstationen getestet und validiert. Dazu gehören einfache Funktionstests wie Download-/Upload-Tests, Roundtrip-Latenzmessungen, Over-the-Air (OTA)-HF-Spektrumanalysen und Signaldecodierung zur Verifizierung von PCI-, SSB- und SIB-Daten für 5G- und LTE-Ankersignale.

Die Signaldecodierung unterstützt auch die Fehlersuche bei bestimmten Parametern im Falle von Problemen oder unerwarteten Ergebnissen. Das Produktportfolio von Rohde & Schwarz bietet für diese Aufgaben die passenden Geräte. QualiPoc Android, eine Smartphone-basierte Messsoftware, bewertet den Mobilfunkdienst aus der Nutzerperspektive mit Funktionstests (DL, UL, ping/TWAMP). Der R&S®Spectrum Rider FPH Handheld-Spektrumanalysator eignet sich ideal für OTA-Spektrummessungen, während die R&S®5G Site Testing Solution einen umfassenden Überblick über die gegenwärtige Verfassung des Mobilfunknetzes liefert, der eine schnelle Identifizierung von Schwachstellen und Problembereichen ermöglicht.

Bild 3: Prüfung der Umgebung von Smart Factories und Störungssuche mit Rohde & Schwarz.
Bild 3: Prüfung der Umgebung von Smart Factories und Störungssuche mit Rohde & Schwarz.
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Phase 3: Versorgungs- und Leistungstests

Nun steht die eigentliche Prüfung an. Es muss sichergestellt werden, dass das Netz in der gesamten Fabrik die erforderliche Leistung erbringt. Die R&S®TSMx6 Netzwerkscanner messen auf dem gesamten Werksgelände, wie viele verschiedene Netzzugangspunkte an jedem Standort eine gute Referenzsignal-Empfangsleistung (RSRP) und eine gute Qualität im Sinne des Signal/Stör-Abstands (SINR) aufweisen. Wie bereits erwähnt, ist eine mindestens vierfache Redundanz wünschenswert. QualiPoc Android kann die Echtzeitfähigkeit der Verbindung testen, indem es das emulierte Verkehrsprofil, die Latenzmessung und die Übertragungsqualität in einem einzigen Interaktivitätstest kombiniert (siehe Bild 4 und 5). Die R&S®SmartONE Echtzeit-Optimierungssoftware ermöglicht die sofortige Visualisierung der Messergebnisse und die gezielte Verbesserung von Problembereichen.

Phase 4: Überwachung der Servicequalität

Phase-4-Messungen sind in Fabriken erforderlich, in denen das drahtlose Netz eine kritische Infrastruktur darstellt und eine Störung zu großen Umsatz- und Produktivitätsverlusten führen würde. Das bedeutet, dass der Fabrikinhaber eine eng gefasste Dienstgütevereinbarung (DGV) mit seinem Netzbetreiber abschließen sollte und auch die Möglichkeit haben muss, die Einhaltung der DGV laufend zu überprüfen. Dazu werden spezielle HF-Sensoren in der gesamten Fabrik sowie in fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) und autonomen mobilen Robotern (AMR) positioniert. Sie messen regelmäßig die Verbindungsqualität – einschließlich der Latenzzeit – an jedem Standort und melden die Ergebnisse an das Überwachungszentrum (SmartMonitor), wo sie auf einem Echtzeit-Dashboard visualisiert werden. Tools wie SmartAnalytics ermöglichen eine detailliertere Offline-Datenanalyse. Durch maschinelles Lernen erkennt die Software Trends und Anomalien und zeigt Fehlentwicklungen sofort an, sodass Präventivmaßnahmen ergriffen werden können, noch bevor der Fehlerfall tatsächlich eintritt.

Bild 4 und 5: Messung der Netzwerkleistung mit Geräten von Rohde & Schwarz.
Bild 4 und 5: Messung der Netzwerkleistung mit Geräten von Rohde & Schwarz.
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Phase 5: Überprüfung der vorgeschriebenen Kompatibilität mit der Außenwelt

Mit dem Abschluss von Phase 4 ist der Implementierungsprozess beendet und das Netz ist betriebsbereit. Die letzte Aufgabe besteht darin, die Einhaltung der Vorschriften für private Netze zu gewährleisten, die festlegen, dass in die Umgebung abgestrahlte Signale bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten dürfen. Dadurch soll die Störung benachbarter Netze, die das gleiche oder ein angrenzendes Frequenzband nutzen, vermieden werden. Fabrikbetreiber sollten auf eine solche Prüfung der Konformität mit den Vorschriften nicht verzichten und können dafür auf eine Walk-Test-Lösung wie den R&S®Freerider4 oder einen auf einer Drohne montierten Netzwerkscanner zurückgreifen (Bild 3).

Fazit

Viele Branchen werden die bestehenden Fabriken über kurz oder lang in intelligente Fabriken umwandeln müssen. Herkömmlich organisierte Betriebe werden es schwer haben, mit der Flexibilität und den Kostenvorteilen der neuen Fabrikgeneration zu konkurrieren. Ein Merkmal solcher Smart Factories ist die vollständige Vernetzung der Anlagen und Geräte durch drahtlose (5G-) Kommunikation mit geringer Latenz. Mit der richtigen messtechnischen Unterstützung lassen sich diese Netze leicht einrichten und betreiben. Das Produktportfolio von Rohde & Schwarz bietet Netzbetreibern und Fabrikbesitzern die komplette benötigte Technik aus einer Hand.

Bild 6: QualiPoc Smartphone-Software von Rohde & Schwarz.
Bild 6: QualiPoc Smartphone-Software von Rohde & Schwarz.
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