Wie weit reicht die Fernsteuerung von 5G-Kranen? Praktische Tests über 50 km sowie Daten zur Latenz und Anwendungsbeispiele

“Meine Fabrik liegt am Stadtrand, die Leitstelle in der Innenstadt – die Entfernung beträgt 50 Kilometer. Wie groß ist die Verzögerung bei der Fernsteuerung?” Das ist die häufigste Frage bei der Auswahl eines Fernsteuerungscockpits für Laufkräne. Die Verzögerung lässt sich nicht mit einem einzigen Wert angeben – die drei Kennzahlen „Verzögerung bei der Videoübertragung“, „RTT der Steuerungssignale“ und „Uplink-Bandbreite“ sind voneinander unabhängig und werden von verschiedenen Faktoren wie der Kommunikationsart, der Entfernung und der Netzauslastung beeinflusst. Basierend auf den in über 15 Fabriken von Krued Heavy Industry erhobenen Messdaten liefert dieser Artikel vollständige Leistungsdaten zu vier Kommunikationslösungen für drei Entfernungsstufen.

1. Umfassender Leistungsvergleich der vier Kommunikationskonzepte

Der Leistungsengpass bei der Fernsteuerung von Laufkränen liegt nicht bei den Endgeräten, sondern bei der Kommunikationsverbindung. Krud Heavy Industry hat innerhalb von drei Jahren vier Kommunikationskonzepte in drei Entfernungsstufen (innerhalb eines Werksgeländes von 1 km, über Werksgrenzen hinweg von 15 km und über große Entfernungen von 50 km) systematisch getestet. Testmethode: Die Videoverzögerung wurde mittels Zeitstempel-Überlagerung ermittelt (Überlagerung des Kamerabildes mit einem Zeitstempel in Millisekunden, Ermittlung der Differenz durch Rücklesung von Screenshots am Bedienpult), die RTT-Steuerung erfolgte über einen geschlossenen Ping-Kreislauf „Bedienpult → Kran-SPS → Bedienpult“. Für jeden Test wurde der P95-Wert aus 100 aufeinanderfolgenden Messungen ermittelt.

Wichtigste Schlussfolgerungen:Ein 5G-SA-Privatnetz hält die RTT bei einer Entfernung von 50 km auf nur 18 ms, was deutlich unter dem Schwellenwert von 100 ms für Hebevorrichtungen liegt und eine voll funktionsfähige Fernsteuerung ermöglicht. Das öffentliche 5G-Netz eignet sich für gewöhnliche Hebevorgänge innerhalb von 15 km. Bei einer Entfernung von 50 km liegt die RTT zwar bei 35 ms und erfüllt damit die Anforderungen, doch die Videoverzögerung von 220 ms nähert sich bereits der Grenze der Nutzbarkeit. 4G LTE eignet sich lediglich für die nicht-echtzeitbasierte Überwachung. WiFi 6 weist zwar die geringste Verzögerung auf, seine Reichweite reicht jedoch nicht über die Werkstatthalle hinaus.

2. Praktisches Beispiel 1: Disposition über eine Werksgrenze hinweg mit einer Entfernung von 12 km in einem Stahlwerk

Ein Stahlunternehmen produziert jährlich 5 Millionen Tonnen warmgewalzte Coils. Die drei Werksbereiche – Stahlherstellung, Strangguss und Warmwalzen – liegen im Umkreis von 12 km. Die ursprünglich sechs 32-Tonnen-Laufkräne waren jeweils mit einem Kranführer besetzt, sodass insgesamt sechs Bediener im Dreischichtbetrieb (18 Personen) benötigt wurden. Nach der Einführung der Fernsteuerungslösung von Krud Heavy Industry wurden im zentralen Kontrollraum zwei Bedienpulte eingerichtet (jedes steuert drei Laufkräne), wodurch die Zahl der Fahrer von 18 auf 6 reduziert wurde und jährlich Personalkosten in Höhe von etwa 1,2 Millionen ¥ eingespart werden.

Kommunikationslösung:5G-SA-Privatnetz (der Netzbetreiber stellt eine in den Campus integrierte UPF bereit), im Werksgelände sind drei 5G-Basisstationen installiert (eine pro Werksbereich). An den Kranen ist das Huawei 5G CPE Pro 2 konfiguriert, die Bedienkonsolen sind über eine Standleitung mit der UPF verbunden. Messergebnisse: Videoverzögerung bei einer Entfernung von 12 km beträgt 135 ms, die Steuerungs-RTT liegt bei 11 ms, die Uplink-Bandbreite beträgt 92 Mbit/s und die Verfügbarkeit liegt bei 99,991 TP3T. Das System ist seit 14 Monaten ununterbrochen in Betrieb und hat über 50.000 Hebevorgänge ohne Sicherheitsvorfälle durchgeführt. Feedback aus der Umfrage unter den Bedienern (6 Personen): Die wahrgenommene Steuerungsverzögerung wurde im Durchschnitt mit 1,8 Punkten bewertet (1 Punkt: nicht spürbar, 5 Punkte: inakzeptabel), die Genauigkeit der Hub- und Positionierung lag innerhalb von ±3 cm (was im Wesentlichen der Genauigkeit von ±2 cm bei der herkömmlichen Steuerung aus der Fahrerkabine entspricht).

3. Praktisches Anwendungsbeispiel 2: Fernüberwachung und unterstützende Steuerung in einem 47 km entfernten Chemiepark

Ein Chemiepark hat seine Kran-Leitstelle in einem Bürogebäude im Stadtgebiet eingerichtet, während sich die Kräne auf dem 47 km entfernten Werksgelände befinden (in einer Produktionshalle für gefährliche Chemikalien, die für Mitarbeiter nicht für längere Zeit zugänglich ist). In diesem Szenario sind keine präzisen Hebevorgänge erforderlich (es handelt sich hauptsächlich um den Transport von Rohstoffen entlang festgelegter Routen); der Schwerpunkt liegt auf der Fernüberwachung und der unterstützenden Steuerung. Da im Industriepark kein eigenes 5G-Netz eingerichtet wurde, kommt eine Lösung über das öffentliche 5G-Netz zum Einsatz.

Kommunikationslösung:5G-Öffentliches Netz (China Mobile), das CPE am Kranaufsatz nutzt zwei SIM-Karten (Hauptkarte: China Mobile + Reservekarte: China Unicom) zur Verbindungsredundanz. Messergebnisse: Bei einer Entfernung von 47 km betrug die Videoverzögerung 220 ms, die Steuerungs-RTT 32 ms, die Uplink-Bandbreite 45–80 Mbit/s (schwankend) und die Verfügbarkeit 99,851 TP3T. Da die Videoverzögerung 200 ms überschreitet, berichten die Bediener, dass sie für die präzise Positionierung mehr Zeit benötigen (401 TP3T mehr als bei der lokalen Steuerung), während Transportaufgaben auf festen Routen davon unberührt bleiben. Drei Monate nach der Inbetriebnahme im Chemiepark hatten sich die Bediener bereits an die Umgebung mit einer Latenz von 200 ms gewöhnt, und die durchschnittliche Dauer eines einzelnen Hebevorgangs sank von anfänglich 8 Minuten auf 5 Minuten (bei herkömmlicher lokaler Steuerung beträgt sie 3,5 Minuten).

4. Empfehlungen zur Budgetverzögerung und zur Programmauswahl

Akzeptable Verzögerungsgrenzen für die Fernsteuerung von Kranen (über die gesamte Verbindung von der physischen Bewegung des Bedieners bis zur Reaktion des Kranstellglieds): Hubwerk ≤ 200 ms (empfohlen ≤ 100 ms), Fahrbewegung des Haupt- und Nebenkrans ≤ 100 ms (empfohlen ≤ 50 ms). Verteilung der Verzögerung: End-to-End-Verzögerung bei der Videoübertragung 150–200 ms, RTT der Steuersignale 10–50 ms. Bei Verzögerungen unter 200 ms nimmt der Bediener diese im Grunde nicht wahr, bei 200–300 ms ist eine leichte Verzögerung spürbar, an die man sich jedoch gewöhnen kann; bei über 300 ms wird die Steuerungsgenauigkeit beeinträchtigt.

Empfehlungen zur Modellauswahl:Innerhalb desselben Werksgeländes (im Umkreis von 1 km) wird vorzugsweise WiFi 6 (geringste Latenz, niedrigste Kosten, höchste Bandbreite) oder ein 5G-SA-Privatnetz (mit der Option auf eine Erweiterung über Werksgelände hinweg) verwendet. Über Werksgelände hinweg (im Umkreis von 15 km) wird vorzugsweise ein 5G-SA-Privatnetz verwendet – mit vollem Funktionsumfang und einer Ortungsgenauigkeit von ±3 cm. Bei großen Entfernungen (innerhalb von 50 km) sollte ein 5G-SA-Privatnetz oder das öffentliche 5G-Netz gewählt werden – das SA-Privatnetz ermöglicht die Steuerung mit vollem Funktionsumfang, während das öffentliche Netz für die unterstützende Steuerung geeignet ist. Szenarien mit ausschließlich 4G-Abdeckung, in denen eine Steuerung erforderlich ist – nicht empfohlen für Präzisionskranarbeiten; ein Upgrade auf 5G kann in Betracht gezogen werden. Krude Heavy Industry bietet Netzwerkvermessungsdienste an und unterbreitet nach Durchführung von Funksignaltests im Werk Vorschläge für Kommunikationslösungen. Technische Details zur Fernsteuerungskabine finden Sie unterDie drei Kernbereiche: Videoübertragung, Steuerungsverzögerung und Sicherheitsredundanz。

Testdaten zu 4G-LTE bei verschiedenen Entfernungsstufen

Für Fabriken, in denen lediglich 4G-Empfang verfügbar ist, führte Krud Heavy Industry stufenweise Tests für 4G LTE in fünf Entfernungsstufen (5 km, 10 km, 20 km, 30 km und 50 km) durch. Testbedingungen: 4G-Netz von China Mobile, CPE Huawei B818-263, Messung der Upstream-Bandbreite mit iPerf3, Latenzmessung mit 200 Ping-Anfragen (P95-Wert). Die Ergebnisse lauten wie folgt:

Fazit: Bei 4G LTE liegt die RTT innerhalb von 10 km unter 50 ms, was für einfache Steuerungsaufgaben (langsames Fahren mit großen Fahrzeugen + punktuelles Heben) geeignet ist, jedoch nicht für präzise Positionierung und kontinuierliche Steuerung. Bei Entfernungen von über 30 km und einer RTT von >60 ms werden die Schwellenwerte für die Steuerung des Hubwerks (100 ms) nicht mehr erfüllt; es eignet sich lediglich für die Fernüberwachung. Die 4G-Lösung eignet sich für Szenarien mit geringen Anforderungen an die Fernsteuerung; es wird empfohlen, das für 4G vorgesehene Budget in die Aufrüstung auf ein dediziertes 5G-Netz zu investieren.

Praxisbeispiel 3: WiFi-6-Lösung in der Fertigungshalle eines Maschinenbauunternehmens

Im Fall von WLAN 6 befinden sich in einer Maschinenbearbeitungsfabrik der Bedienpult für die Laufkräne und die Laufkräne selbst in derselben Halle (nächster Abstand 50 m, größter Abstand 180 m), wobei eine WLAN-6-Lösung zum Einsatz kommt. Auf der Kranseite wurde ein industrielles WiFi-6-CPE (mit Qualcomm IPQ8074-Chip und 4×4-MIMO) installiert, während die Steuerkonsole über eine Gigabit-Kabelverbindung an denselben Switch angeschlossen wurde. Messergebnisse: Kontroll-RTT 3–6 ms, Videoverzögerung 72–95 ms, stabile Uplink-Bandbreite von 400–800 Mbit/s (keine Konkurrenz durch andere Geräte mit hohem Datenverkehr in der Halle), Verfügbarkeitsrate 99,61 TP3T. Die Bediener gaben an, keine Verzögerung zu spüren; das Bedienerlebnis entsprach dem in einer lokalen Fahrerkabine.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von WiFi 6:Vorteile – geringste Hardwarekosten (ca. 1.500 ¥ pro CPE, keine monatlichen SIM-Kartengebühren), geringste Latenz (RTT 400 Mbit/s), einfache Bereitstellung (Wartung durch die IT-Abteilung möglich). Nachteile – Begrenzte Reichweite (typischer Abdeckungsradius 100–150 m, Signalabfall > 6 dB nach Durchdringen von Wänden), Störungen durch andere Geräte auf derselben Frequenz (im 2,4-GHz-Band gibt es viele Störquellen – Mikrowellenherde, Bluetooth), starke Schwankungen in der Funkumgebung (Signalschwankungen durch Reflexion an beweglichen Metallkonstruktionen in der Halle). Krud Heavy Industry empfiehlt die WiFi-6-Lösung ausschließlich für Szenarien, in denen sich Bedienpult und Laufkran in derselben Halle befinden und nicht mehr als eine Trennwand dazwischen liegt.

Berechnungsmodell für die verzögerte Budgetzuweisung

Die ”End-to-End-Verzögerung” bei der Fernsteuerung eines Laufkrans bezeichnet die Gesamtzeit vom Betätigen des Joysticks durch den Bediener bis zum Beginn der Ausführung der Bewegung durch den Laufkran. Verzögerungsbudgetverteilung: Abtastung und Verarbeitung des Joysticks am Bedienpult < 2 ms → MQTT-Serialisierung und -Übertragung < 1 ms → 5G-Air-Interface-Uplink < 5 ms → Weiterleitung im Kernnetz < 2 ms → 5G-Air-Interface-Downlink < 5 ms → Entpacken am CPE < 1 ms → Verarbeitung der PLC-Kommunikation < 5 ms → Reaktion des Frequenzumrichters < 10 ms . Obergrenze des Latenzbudgets: 50 ms (RTT, einschließlich Rückweg); tatsächlich gemessene RTT über die gesamte Verbindung im dedizierten 5G-SA-Netz: 8–18 ms. Auf der Videoerfassungsseite gilt die gleiche Aufteilung: Belichtung der Kamera + ISP < 10 ms → NVENC-Kodierung < 20 ms → SRT-Streaming < 5 ms → 5G-Uplink < 5 ms → Weiterleitung im Kernnetz < 2 ms → 5G-Downlink < 5 ms → Dekodierung + Rendering < 20 ms. Die Obergrenze liegt bei 200 ms, die tatsächliche End-to-End-Verzögerung bei der H.265-Hardware-Kodierung in Kombination mit SRT beträgt 135 bis 170 ms. Das Fernsteuerungskabinen-System von Krude Heavy Industry verfügt über eine integrierte Funktion zur Echtzeitüberwachung der Latenz. In der oberen rechten Ecke des Bedienpults werden die aktuelle Videolatenz und die Steuerungs-RTT kontinuierlich angezeigt; sobald einer der Werte den Schwellenwert überschreitet, wird automatisch eine Warnung ausgegeben.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Das Problem der Verzögerung bei der Fernsteuerung von Kranen wurde durch eine 5G-SA-Lösung für private Netzwerke technisch gelöst – bei einer Entfernung von 50 km beträgt die Kontroll-RTT 18 ms und die Videoverzögerung 170 ms, was den Anforderungen für das tägliche Heben und Positionieren voll und ganz gerecht wird. Krude Heavy Industry bietet Netzwerkanalysen und Testläufe des Fernsteuerungscockpits an. Wenn Sie einen kostenlosen Netzwerkanalysebericht erhalten oder eine Vorführung des Fernsteuerungscockpits vereinbaren möchten, wenden Sie sich bitte an das Technikteam von Krude Heavy Industry.