Digitale Transformation durch 5G-eigenständig (SA)

Die Zusammenarbeit zwischen Rockwell Automation und Nokia ist entscheidend für die digitale Transformation industrieller Netzwerke durch private Funktechnologie. Gemeinsam verbessern wir die industrielle Konnektivität, steigern die Betriebseffizienz und erhöhen die Anpassungsfähigkeit und Sicherheit des Netzwerks. Die Kombination aus den industriellen Automatisierungslösungen von Rockwell Automation und den Funktechnologien von Nokia unterstützt aufkommende Technologien wie das industrielle Internet der Dinge (IIoT), AR und Künstliche Intelligenz (KI). Diese Fähigkeiten sind für Industriebetriebe, die innovativ sein und wettbewerbsfähig bleiben wollen, von entscheidender Bedeutung.

Ein aktueller Schwerpunkt von Nokia und Rockwell Automation ist die Nutzung von lizenziertem oder leicht lizenziertem Spektrum als Hilfsmittel für die Leistung und Robustheit privater Mobilfunknetze. In den USA stellt der Citizens Broadband Radio Service (CBRS) 150 MHz leicht lizenziertes Spektrum für die Nutzung mit privaten LTE- und 5G-Netzwerken zur Verfügung. Dieses Spektrum kann in Schritten von 10 MHz angefordert und kostenlos genutzt werden. Darüber hinaus kann der garantierte Zugang zu bis zu 20 MHz Spektrum über Priority Access Licenses (PALs) erworben werden. Private 5G ist heute validiert und für den industriellen Betrieb bereit, wobei immer mehr Kunden Vertrauen in 5G zeigen. Folglich ist die Einführung von 5G eigenständig (SA) und CBRS ein aktuelleres Thema denn je.

Nokia und Rockwell Automation haben sich zusammengeschlossen, um private 5G-SA-Netzwerke mit CBRS-Spektrum für die Echtzeit-Industrieschaltgerät-Steuerung mit EtherNet,IP™-Protokollen zu evaluieren. Diese Technologiepartnerschaft verbessert die industrielle Konnektivität, indem sie die robusten 4G LTE- und 5G-Technologien von Nokia nutzt, um Fertigungsbetriebe mit Hochgeschwindigkeits- und zuverlässiger Konnektivität zu optimieren. Da EtherNet,IP™ über TCP/IP übertragen wird, können mehrere Automatisierungsgeräte hinter einem einzigen drahtlosen router unterstützt werden, ohne dass spezielle Tunneling- oder Zusatzgeräte erforderlich sind, wie sie derzeit für andere industrielle Ethernet-Protokolle benötigt werden.

Durch die Integration der industriellen Automatisierungsexpertise von Rockwell Automation mit der Funktechnologie-Expertise von Nokia verbessert die Zusammenarbeit die Betriebseffizienz durch mehr Automatisierung, Erfassung von Echtzeitdaten und Analyse. Diese Synergie optimiert Prozesse, reduziert Ausfallzeiten und erhöht die Gesamteffizienz. Darüber hinaus trägt die Technologiepartnerschaft dazu bei, eine sichere und dedizierte Netzwerkinfrastruktur zu gewährleisten, die für industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Die obige Abbildung ist eine vereinfachte Darstellung des Prüfstands, der für die Zusammenarbeitstests verwendet wurde. Sie stellt einen Anwendungsfall für eine drahtlose, stationäre industrielle Anlage dar, bestehend aus:

• Eine Bereichssteuerung mit einer GuardLogix® Sicherheitssteuerung
• Zwei dezentrale Bereiche mit FLEX 5000® Standard- und Sicherheits-E,A, die Skids, Maschinen oder Automatisierungsgerät darstellen

(Hinweis: Der Zweck der Sicherheitssteuerung in jedem dezentralen Bereich bestand ausschließlich darin, Prüfstands-Telemetrie zu erfassen).

Es wurde eine private Lösung von Nokia verwendet, bestehend aus:

• 5G-Funkzugangsnetz (RAN), 3GPP Release 15, 5G SA und Betrieb im n48-Spektralband (CBRS). Nokia AirScale Basisband-Einheit (BBU), zwei AZQC AirScale Funkgeräte (RUs).
• 5G-Core (5GC) im Betrieb auf dem DAC On-Premise Mission-Critical Industrial Edge (MXIE) server
• Zwei FRRO501c Industrie-5G-SA-router (in der Mobilfunkbranche als Benutzergeräte oder UEs bezeichnet)

Die Tests wurden gemäß einem bewährten Testplan von Rockwell Automation mit strengen Erfolgskriterien durchgeführt, die null Verbindungsfehler über einen begrenzten Testzeitraum von 3 h vorsahen. Der Testplan umfasste eine Reihe von Testfällen, um zuverlässige EtherNet,IP™ Standard- und Sicherheits-E,A-Verbindungen (CIP Safety™) von der GuardLogix® Bereichssteuerung auf der linken Seite mit verschiedenen angeforderten Paketintervall (RPI)-Einstellungen über den 5G-Core und das RAN zu den FLEX 5000® Standard- und Sicherheits-E,A in den Bereichen 1 und 2 auf der rechten Seite herzustellen. Das angeforderte Paketintervall (RPI) ist der Zeitraum, in dem die Steuerung und die dezentrale E,A-Module Daten austauschen.

Der Test hat erfolgreich gezeigt, dass der aktuelle Stand des industriellen 5G (3GPP Release-15, SA, vor Ort, CBRS-Spektrum) eine ausreichend geringe Latenz und Jitter aufweist, um RPI-Einstellungen besser zu unterstützen als die Standardeinstellungen von Rockwell Automation für EtherNet,IP™ Standard- und Sicherheits-E,A-Verbindungen. Diese RPI-Einstellungen unterstützen viele drahtlose stationäre industrielle Anlagenanwendungen (Skids, Maschinen oder Automatisierungsgerät), die EtherNet,IP™ Standard- und Sicherheits-E,A-Kommunikation verwenden. Wichtig ist, dass abgesehen von der typischen IP-Adresse-Zuweisung und Netzwerkinfrastruktur keine spezielle Abstimmung oder Konfiguration an der Nokia-Ausrüstung erforderlich war; alles funktionierte „out of the box“.

Die Nutzung des CBRS-Spektrums gewährleistet einen störungsfreien Betrieb kritischer Automatisierungsgerät und sorgt für eine unterbrechungsfreie Leistung. Ein privates Netzwerk mit Hardware vor Ort hält die Daten im Unternehmen, minimiert die Latenz und verbessert die Privatsphäre und Sicherheit. Darüber hinaus verwendet das private Mobilfunknetz SIM-Karten, was die Verwaltung der Geräte in Ihrem Netzwerk vereinfacht.

Eigenständige (SA) 5G-Netzwerke funktionieren ohne ein älteres LTE-Netzwerk, wodurch Kosten und Komplexität reduziert werden, während gleichzeitig schnellere Verbindungen bereitgestellt werden. Daher werden durch die Verwendung von 5G für den gesamten Netzwerkverkehr (Steuerungs- plus Benutzerdaten) die anfänglichen Verbindungs- und Übergabezeiten erheblich verkürzt. Für Anwendungsfälle, die sowohl 5G als auch LTE erfordern, kann LTE in 5G-SA-Netzwerke integriert werden.

Wichtige Anwendungsbereiche für privates 5G SA sind:

• Edge-to-Cloud-Konnektivität: Die 5G-Konnektivität mit niedriger Latenz und hoher Geschwindigkeit ermöglicht die Übertragung von Echtzeitdaten und eine zuverlässige Abdeckung für Künstliche Intelligenz- und ML-Anwendungen.
• Anwendungen für vernetzte Mitarbeiter: Die hervorragende Abdeckung und Bandbreite von 5G verbessert mobile Tools wie Analyse, digitale Zwillinge und AR.
• Mobile Anlagenanwendungen: Die schnellen Übergabezeiten und die niedrige Latenz von 5G SA verbessern die Konnektivität für fahrerlose Transportsysteme (AGVs) und autonome mobile Roboter (AMRs).
• Drahtlose stationäre industrielle Anlagen: 5G reduziert den Bedarf an kabelgebundener Kommunikation, erhöht die Agilität und verkürzt die Umrüstungszeit für Industriebetriebe.

Außerhalb der USA verwenden industrielle private Funknetzwerke häufig lizenziertes Spektrum. Die mit CBRS beobachtete Leistung ist konsistent mit den Ergebnissen, die mit anderen lizenzierten Sub-6 GHz-Bändern erzielt wurden, wie sie in anderen Ländern verwendet werden, was diese Ergebnisse weltweit anwendbar macht.

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