Techno-economic evaluation of 5G technology for latency-critical applications in production

• Techno-Ökonomische Evaluierung der 5G Technologie für latenzkritische Applikationen in der Produktion

Kiesel, Raphael; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor); Brettel, Malte (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 34/2022
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Networked Control Systems (NCS) sind seit einigen Jahren im Fokus der Forschung, da sie eine Reihe von technischen Vorteilen für zukünftige Produktionssysteme bieten: Neben einer höheren Flexibilität ermöglichen NCS eine einfachere Integration neuer Anwendungen in bestehende Produktionssysteme, reduzieren den Verkabelungsaufwand und verhindern Kabelbrüche. Diese technischen Vorteile spiegeln sich in einer potenziellen Kostenreduktion wider. Die größte Herausforderung für NCS in der Produktion stellt das kabellose Kommunikationssystem dar. Es muss zuverlässig sein und insbesondere die Anforderungen an die maximale Übertragungslatenz erfüllen. Gerade letzteres stellt derzeit ein großes Hindernis für den Einsatz von NCS dar. Der 5G-Technologie wird das Potential vorausgesagt, der zukünftige Standard für NCS in der Produktion zu sein: Mit einer Latenzzeit von 1 ms sowie einer Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von jeweils 99,999 % übertrifft die 5G-Technologie die derzeitigen drahtlosen Kommunikationstechnologien. Bis 2030 wird durch ihren Einsatz ein globaler Anstieg des BIP um 4 % (740 Mrd. USD) prognostiziert. Doch trotz des hohen wirtschaftlichen Potenzials planen derzeit 39 % der Produktionsunternehmen nicht, 5G in der Zukunft einzusetzen; nur 1 % hat 5G bereits eingeführt. Dies beruht auf zwei Hauptbedenken: Einerseits sind sie die Unternehmen nicht sicher, ob der Einsatz von 5G tatsächlich eine technologische Verbesserung der Prozesse zur Folge hat. Andererseits fehlt es an Use Cases, die das wirtschaftliche Potential nachweisen. Um diese Bedenken entgegenzuwirken, muss der Mehrwert der 5G-Technologie in der Produktion quantifiziert werden. Derzeit existiert jedoch kein Ansatz, der den Anforderungen an eine techno-ökonomische Bewertung gerecht wird. Dementsprechend lautete die Hauptforschungsfrage dieser Arbeit: Kann ein modellbasierter Ansatz die Bewertung des Potenzials der 5G-Technologie für latenzkritische Anwendungen in der Produktion ermöglichen? Das Ziel dieser Arbeit lag daher in der Konzeption, Entwicklung, Implementierung sowie Verifikation und Validierung eines techno-ökonomischen Bewertungsansatzes für den Einsatz von 5G in latenzkritische Anwendungen in der Produktion. Dies wurde in Form eines fünf-schrittigen Evaluierungsmodells erreicht. Im ersten Schritt wird die Anwendung spezifiziert. Im zweiten Schritt wählt der Modellanwender die zu quantifizierenden technischen und ökonomischen aus. Im dritten Schritt werden die latenzkritischen Steuerungsaufgaben des NCS konfiguriert. Im vierten Schritt gibt der Modellanwender die erforderlichen Evaluationsdaten, welche auf Basis der vorherigen Spezifikationen und Konfigurationen notwendig sind. Schließlich quantifiziert das Modell sowohl den technischen als auch den ökonomischen Nutzen des Einsatzes der 5G-Technologie für die betrachtete latenzkritische Anwendung. Das Modell wurde in ein browserbasiertes Tool überführt, um eine Anwendbarkeit sowie eine Verifizierung und Validierung zu ermöglichen. Diese wurde anhand von zwei Fallstudien (AGV, Fräsmaschine) und Expertenbefragungen durchgeführt und bildet die Grundlage für weitere Forschung im Kontext von 5G in der Produktion.