Reihe: Industrial IoT – Die smarte Fabrik verstehen (Teil 7)

Kabel adé? Die Rolle von LPWAN, 5G und WLAN 6 in der vernetzten Fabrik der Zukunft.

Von DerSchneider

Bisher haben wir den Weg der Daten vom Sensor (Teil 4) über die Protokolle (Teil 5) bis zur ersten Verarbeitungsstufe am Edge (Teil 6) verfolgt. Doch all dies wäre nicht möglich ohne das unsichtbare oder sichtbare Band, das diese Komponenten zusammenhält: das Netzwerk.

In der klassischen Fabrik der Industrie 3.0 war die Sache einfach: Alles wurde verkabelt. Teure, abgeschirmte Leitungen zogen sich durch die Halle, geschützt in Kabelkanälen, verbunden mit robusten Steckverbindern. Das war zuverlässig, aber auch starr und unflexibel.

Die Fabrik der Zukunft – die Industrie 4.0 – stellt neue Anforderungen. Sensoren müssen dort angebracht werden, wo sie gebraucht werden, nicht dort, wo zufällig eine Netzwerkdose ist. Mobile Roboter (AGVs) müssen sich frei bewegen können. Nachgerüstete Sensoren an alten Maschinen („Brownfield“) sollen ohne aufwendige Verkabelung Daten liefern. Die Antwort auf diese Anforderungen heißt: drahtlose Kommunikation.

Doch nicht jede Funktechnologie ist für jede Aufgabe geeignet. In der modernen Fabrik entsteht ein vielschichtiges Geflecht aus verschiedenen drahtlosen Netzen, die je nach Anforderung zum Einsatz kommen. Die drei wichtigsten Säulen heißen LPWAN, 5G und WLAN 6.

1. LPWAN (Low Power Wide Area Network): Für die Masse der einfachen Sensoren

LPWAN ist die Energie sparenste Art der Datenübertragung. Diese Netze sind für Anwendungen gemacht, bei denen nur winzige Datenmengen übertragen werden müssen – aber dafür über große Entfernungen und mit minimalem Stromverbrauch.

• Die Idee: Ein Sensor, der mit einer Knopfzelle jahrelang autark arbeiten kann. Er sendet ein paar Mal am Tag seine Temperatur oder seinen Füllstand über eine Distanz von mehreren Kilometern. Dafür nimmt man in Kauf, dass die Datenrate extrem niedrig ist (kaum schneller als ein altes Modem) und die Übertragung nicht in Echtzeit, sondern mit Verzögerung erfolgt.
• Die wichtigsten Vertreter:
  • LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): Der absolute Standard in diesem Bereich. LoRaWAN nutzt lizenzfreie Frequenzbänder (in Europa 868 MHz) und ist ideal für Anwendungen wie Umweltmonitoring, Füllstandsmessung in Silos oder die Verfolgung von Paletten auf dem Werksgelände. Es ist offen, weit verbreitet und die Basis unzähliger IIoT-Projekte.
  • NB-IoT und LTE-M (LTE Cat NB1 / Cat M1): Das sind Mobilfunkstandards, die speziell für das IoT entwickelt wurden. Sie nutzen die lizenzierte Infrastruktur der Telekommunikationsanbieter. Der Vorteil: Sie funktionieren sofort, überall dort, wo Mobilfunkempfang ist, und sind oft sicherer als lizenzfreie Bänder. NB-IoT ist noch sparsamer als LTE-M, LTE-M wiederum unterstützt höhere Datenraten und sogar Sprachübertragung (für Notrufsäulen oder Wearables).

Einsatz im IIoT: Ein Füllstandsensor in einem abgelegenen Regenrückhaltebecken, ein Zählerstand für Gas oder Wasser, die Ortung von Containern auf dem Werksgelände.

2. WLAN 6 (Wi-Fi 6 / IEEE 802.11ax): Für die lokale Hochleistungsvernetzung

WLAN ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. In der Fabrik der Zukunft wird es eine ähnlich wichtige Rolle spielen, aber in einer professionelleren, robusteren Version.

• Was ist neu an WLAN 6? WLAN 6 (und das kommende WLAN 7) ist nicht einfach nur „schnelleres Internet“. Es ist vor allem darauf ausgelegt, mit einer großen Anzahl von Geräten gleichzeitig umzugehen, ohne dass das Netz zusammenbricht. Technologien wie OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) erlauben es, einen Kanal in viele kleine Unterkanäle aufzuteilen und gleichzeitig mit verschiedenen Geräten zu kommunizieren. Das reduziert die Latenz und erhöht die Effizienz massiv.
• Vorteile für die Industrie: WLAN 6 kann eine hohe Anzahl von mobilen Endgeräten (Tablets für Mitarbeiter, Sprachkommunikation), fahrerlosen Transportsystemen (AGVs) und stationären Maschinen mit hohen Datenraten versorgen. Es ist die ideale Ergänzung zum verkabelten Ethernet, um Flexibilität in der Halle zu schaffen.

Einsatz im IIoT: Die Anbindung von mobilen Robotern, die Datenübertragung von Augmented-Reality-Brillen für Wartungstechniker, die Vernetzung von Maschinen, die keine harten Echtzeitanforderungen haben, aber große Datenmengen austauschen (z.B. für die Übertragung von Kamerabildern zur Qualitätskontrolle).

3. 5G (mit Fokus auf URLLC): Für die Echtzeit-Fabrik

5G ist nicht nur „schnelleres Handynetz“. Für die Industrie sind vor allem zwei Eigenschaften revolutionär:

• URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication): Dies ist das Alleinstellungsmerkmal von 5G für die Industrie. Es ermöglicht extrem zuverlässige Verbindungen mit Latenzzeiten von unter 5 Millisekunden – also praktisch in Echtzeit. Das ist die Voraussetzung dafür, dass man eine Maschine oder einen Roboter drahtlos steuern kann.
• Network Slicing: 5G erlaubt es, ein physikalisches Netzwerk in mehrere virtuelle, voneinander unabhängige Netze (Slices) zu unterteilen. Ein Slice für die Echtzeit-Steuerung von Robotern (mit garantierter Bandbreite und minimaler Latenz), ein anderer Slice für die Überwachungssensoren (mit geringer Bandbreite, aber hoher Zuverlässigkeit) und ein dritter Slice für die Tablets der Mitarbeiter.

Einsatz im IIoT: Die drahtlose Steuerung von Produktionsanlagen in Echtzeit, die Kommunikation zwischen fahrerlosen Transportsystemen (AGVs) zur Kollisionsvermeidung, die hochpräzise, ferngesteuerte Wartung, der Einsatz von vernetzten Werkzeugen.

Das Zusammenspiel: Eine vernetzte Fabrik braucht alle drei

Die Zukunft ist nicht die Ablösung des einen durch das andere. Es wird eine hybride Netzwerkinfrastruktur in der Fabrik geben:

• LoRaWAN / NB-IoT für die unzähligen, einfachen Sensoren, die nur selten ein paar Bytes senden und extrem stromsparend sein müssen.
• WLAN 6 für die mobile Kommunikation von Menschen und Maschinen, für datenintensive Anwendungen und als flexible Erweiterung des verkabelten Netzes.
• 5G URLLC für die Königsdisziplin: die drahtlose Echtzeit-Steuerung von Maschinen, wo jedes Millisekunde zählt und ein Funkloch katastrophale Folgen hätte.

Diese drei Technologien werden nebeneinander existieren und sich ergänzen. Die Kunst des IIoT-Architekten wird es sein, für jede Anwendung die richtige Funktechnologie zu wählen und sie nahtlos in die bestehende, oft noch verkabelte Infrastruktur zu integrieren.

Nachdem wir nun die technischen Grundlagen gelegt haben – von der Sensorik über die Protokolle bis hin zu den Netzen – wird es Zeit, sich dem eigentlichen Mehrwert zuzuwenden. Im nächsten Artikel betreten wir die Ebene der Datenanalyse und fragen: Was macht man eigentlich mit all den gesammelten Daten? Wir beginnen mit dem wohl bekanntesten Anwendungsfall des IIoT: der prädiktiven Wartung.