Fraunhofer vertaalt 5G-technologie naar industrie
Met een reactietijd van een milliseconde is het via een 5G-netwerk mogelijk om geavanceerde besturingstaken uit te voeren, waarbij je de rekencapaciteit in de cloud kunt hosten. Zeer aantrekkelijk voor industriële automatisering, maar het valt niet mee om zo’n netwerk in de lucht te krijgen. Netwerkoperators hebben namelijk nog weinig verstand van de eisen die de maakindustrie stelt. Niels König van Fraunhofer IPT werkt aan de oplossing.
5G is hip. Van alle kanten worden consumenten en bedrijven bestookt met berichten en reclame over de nieuwste generatie draadloze technologie. Is er sprake van een flinke dosis opportunisme bij netwerkoperators, en een stevige technologiepush? ‘Hier in Duitsland kunnen bedrijven zelf een deel van het spectrum aanvragen en hoeven ze niet perse samen te werken met een operator’, vertelt Niels König, afdelingsleider productiemetrologie bij Fraunhofer IPT en coördinator van alle 5G-activiteiten bij dat instituut in Aken. ‘Die partijen moeten inderdaad pushen om hun aanbod in de markt te krijgen. Ze gaan dan in zee met een aansprekende naam als BMW of leggen een 5G-netwerk aan in een voetbalstadion. Dat vind ik inderdaad erg marketing gedreven.’
De netwerkoperators zijn van oudsher natuurlijk sterk gericht op de consumentenmarkt. ‘Dat is waar ze vandaan komen, waar ze al decennia hun brood verdienen. Hun hele organisatie is erop ingericht om simkaarten te verkopen. Met 5G zullen ze in die sector weinig nieuwe klanten trekken; voor consumentengebruik is de nieuwe generatie een normale evolutie ten opzichte van 4G. Natuurlijk, de snelheid gaat flink omhoog, maar datzelfde argument kunnen alle netwerkoperators hanteren.’
König wil gelijk een groot misverstand uit de wereld helpen. ‘De grote beloftes van 5G – een overdrachtssnelheid van 10 Gbit/s en een latency van 1 ms – zijn alleen haalbaar op een privénetwerk. Op je smartphone zul je dat echt niet bereiken’, stelt hij. ‘Bij een nieuw 5G-abonnement heb je waarschijnlijk prima performance, met datasnelheden van honderden Mbit per seconde. Maar zodra het aantal gebruikers toeneemt, je de bandbreedte met meer mensen moet delen, en de datavolumes steeds groter worden, zullen de prestaties omlaag gaan.’ Consumenten kunnen daar wellicht mee leven, maar voor industriële gebruikers is dat onacceptabel.
‘Een standaard 5G-netwerk is bovendien geoptimaliseerd voor downlink, zodat consumenten snel hun Netflix-series kunnen binnenhalen’, gaat König verder. ‘Het is veel minder goed in uploaden, terwijl de industrie nou juist daaraan behoefte heeft. Bedrijven willen hun data naar een edge-device of de cloud sturen. Om als industriële gebruiker daadwerkelijk te profiteren van de voordelen die 5G biedt, heb je zonder meer een privénetwerk nodig, in een configuratie die bij jouw wensen past.’
Clash van werelden
Zo’n privénetwerk klinkt eenvoudiger dan het is. Netwerkoperators hebben namelijk weinig kaas gegeten van de eisen die de industrie stelt. ‘Na jaren te hebben gefocust op de consumentenmarkt, is het ook niet eerlijk om te verwachten dat ze nu ineens productie snappen’, vindt König. Fraunhofer IPT is een van de deelnemers aan het 5G-Acia-consortium (alliance for connected industries and automation) dat als doel heeft om 5G in meerdere industrieën uit te rollen. ‘De operators zitten daar ook in. Regelmatig blijkt dat de verschillende partijen niet eens hetzelfde vocabulaire gebruiken. Het is een clash van twee werelden.’
De industrie is een compleet nieuwe afzetmarkt voor netwerkoperators. Ze weten prima hoe ze consumenten kunnen bedienen. Als je echter service wilt geven aan een industriële klant die zijn eigen 5G-netwerk op de fabrieksvloer heeft geïnstalleerd, praat je over totaal andere zaken. ‘Dat is maatwerk; elke configuratie is net even anders waardoor operators er veel meer tijd in moeten steken’, weet König.
Mercedes Benz opende afgelopen september officieel zijn hypermoderne Factory 56 waar het bedrijf zijn S-klasse gaat produceren. De fabriek is voorzien van allerhande hightech snufjes, dus ook van een eigen 5G-netwerk dat is opgetuigd in samenwerking met telecomgigant Téléfonica en netwerkleverancier Ericsson. Wat gebeurt er als dat netwerk hapert of zelfs helemaal uitvalt? Als dat betekent dat de productie stilvalt, kan Mercedes die kosten dan verhalen op Téléfonica en/of Ericsson? ‘Zo’n businessmodel is zeer onconventioneel voor netwerkoperators,’ aldus König, ‘en vereist een drastische verandering in hun marktbenadering.’
Kip of ei?
Er is een bijkomend probleem: 5G is slechts een stukje van de digitaliseringspuzzel die de industrie moet leggen. 5G is immers alleen de connectiviteit. Maar wat doe je met de grote hoeveelheid data die je hebt verzameld op de fabrieksvloer? Waar worden die gegevens verwerkt? En hoe ga je om met cybersecurity? ‘Dat alles is een veel groter topic’, stelt König. ‘Hoe bouw je bijvoorbeeld een controleloop tussen de machine in de fabriek en de dataverwerking in de cloud? Het succes van industrieel 5G hangt er vanaf of we dit in de industrie zelf kunnen oplossen.’
Deutsche Telecom heeft inmiddels een tak voor systeemintegratie, T-Systems. Dat is een stap in de goede richting, vindt König. Hij verwacht ook veel van externe bedrijven die als tussenpersoon fungeren. ‘Daarvan zijn er nu al een paar, die kleinere netwerken hebben en maatwerk leveren aan industriële klanten. Vrijwel zonder uitzondering komen ze uit de telecomwereld. Geen enkele heeft een groot trackrecord in industriële netwerken.’ Het is wachten op intermediairs die het probleem vanuit de productiekant kunnen benaderen.
Voor de grootschalige acceptatie van 5G in de industrie ziet König ook een belangrijke tak weggelegd voor onderzoekscentra zoals zijn eigen Fraunhofer-instituut. ‘Het is nu een kip-of-eikwestie. Je hebt een marktpull nodig waar bedrijven vragen om een privénetwerk, apparatuur en services. Vanuit de researchhoek kunnen we die pull versterken door te pionieren. Door te laten zien dat het werkt en wat het oplevert. En door de juiste toepassingen te identificeren. De use cases die we nu ontwikkelen, zouden potentiële klanten moeten overtuigen.’
Gamechanger
Het afgelopen jaar heeft Fraunhofer IPT in zijn onderzoekscentra in Aken heel wat 5G-apparatuur geïnstalleerd. ‘We hebben nu vier 5G-netwerken volledig operationeel’, vertelt König. ‘Die verschillende netwerken hebben we nodig omdat het om meerdere researchinstituten gaat en elk onderzoek net wat andere netwerkkarakteristieken vergt.’
König zelf is het meest nauw betrokken bij het onderzoeksprojecten rondom machinale bewerkingen. Zo werken hij en zijn collega’s onder meer aan een zeer veeleisende industriële toepassing: het frezen van geïntegreerde turbinebladen. Deze zogenaamde blisks (blade-integrated disks) zijn onderdelen van de compressoren in de straalmotoren van opdrachtgever MTU Engines. Tot voor kort kon dit werkstuk pas na een veertig uur durend freesproces worden geïnspecteerd. Daarbij liep de uitval door defecte producten of kosten voor herbewerking soms op tot 25 procent. König: ‘Blisks zijn gemaakt van speciale legeringen en zeer duur, in de orde van veertig- tot zestigduizend euro voor producten in serie. We schatten dat door gebruik te maken van 5G-procescontrole de jaarlijkse besparing voor één blisk-fabriek tot wel 27 miljoen euro kan bedragen.’ Het 5G-netwerk en de first-time-right-aanpak bij Fraunhofer kan MTU straks een-op-een overnemen. ‘Zoals wij ons 5G-netwerk hebben opgezet, is volgens mij ook een goed voorbeeld voor ander industriële gebruikers.’
Andere onderzoeksprojecten draaien om mobiele robotica en automated guided vehicles in de productielogistiek. Nauwkeurigheid is daar een belangrijk issue omdat die systemen nog minder precies zijn dan statische robots. ‘Je hebt sensoren nodig om te vertellen waar zo’n mobiele robots iets moeten oppakken. Als je de robot gebruikt voor inspectie, wil je de beeldverwerking liever niet op de robot zelf doen; dat kost te veel energie. Handiger is het om de beelden te versturen naar een edge-device of de cloud. Dan heb je een sensor in de loop. Ook als meerdere robots samenwerken, bijvoorbeeld rond de productie van een deel van een vliegtuigromp, moet je de datastromen in goede banen leiden. In al dit soort applicaties kan 5G je verder helpen’, aldus König.
Netwerkoperators prijzen hun 5G-netwerken aan als supersnel (10 Gbit/s) en met een latency van uiteindelijk ongeveer 1 ms. ‘Dat eerste is voor industriële toepassingen niet zo heel interessant. Je moet heel veel fantasie hebben om een toepassing te bedenken waarbij je 10 Gbit/s aan data van de fabrieksvloer wilt versturen’, weet König. Dat is maar goed ook want de karakteristieken botsen met elkaar. ‘Je moet kiezen voor hoge snelheid of low latency; het kan niet tegelijk. Omdat maar weinig industriële partijen superhoge snelheden nodig hebben, kunnen ze zonder problemen mikken op een optimale reactietijd. En als je die low latency niet nodig hebt, kun je net zo goed wifi gebruiken.’
Het is juist low latency die 5G maakt tot een gamechanger in de industrie. In een privé 4G-netwerk kun je een latency van zo’n twintig milliseconde halen. Best goed maar de cyclustijden in geavanceerde automatiseringstaken liggen daar ruim onder. 5G is de eerste communicatiestandaard die wel snel genoeg is om dat soort processen te regelen.
6G
Overigens haalt de huidige state-of-the-art dat target van 1 ms nog niet. Fraunhofer IPT gebruikt nu apparatuur op basis van release 15 van 3GPP, het wereldwijde samenwerkingsverband van standaardisatieorganisaties dat verantwoordelijk is voor onder meer 5G. De regels voor release 16 zijn pas afgelopen september vastgesteld. Onderdeel daarvan is ultrabetrouwbare low latency van 1 ms. Dit jaar zullen de eerste producten op basis van die standaard op de markt verschijnen.
‘Met onze huidige systemen halen we een latency van vijf tot zeven milliseconde’, vertelt König. ‘Voor veel toepassingen is dat voldoende. Bedenk dat je voor safety, voor de communicatie tussen agv en de centrale of voor temperatuurcontrole geen 1 ms nodig hebt.’ In het op afstand besturen van zijn freesmachines – een toepassing waar latency wel cruciaal is – ziet König weinig meerwaarde. ‘Het is vooral procesmonitoring. Daarvoor hebben we bij Fraunhofer draadloze sensoren ontwikkeld die de versnelling en de akoestische emissie tijdens de bewerking kunnen registreren. Dat is interessant in bijvoorbeeld een vijfassige freesmachine met veel bewegingen. Dan zit je niet te wachten op allerlei kabels. Je kunt die sensoren makkelijk gebruiken in een bestaand systeem, als een retrofit. Je hoeft je systeem niet helemaal aan te passen en het voordeel is gelijk duidelijk. Zeker bij kritieke, dure onderdelen, zoals de blisks van MTU, wil je directe reactie. Onze 5G-sensoren doen het daar goed met hun low latency-eigenschappen.’
De volgende 3GPP-release, 17, geldt ook nog als 5G. Pas vanaf release 18 of 19 kun je spreken van 6G. ‘Het is opvallend dat je veel mensen nu al over 6G hoort praten, terwijl 5G nog niet eens goed en wel is uitgerold’, glimlacht König. ‘Ik verwacht dat we over een jaar of twee zover zijn dat 5G in de industrie normaal is.’
Niels König geeft dinsdag 2 februari een keynote presentatie tijdens de eerste van vier online sessies van de Bits&Chips Industrial 5G Conference. Wil je meer weten over zijn onderzoek? Meld je snel aan.
