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5G将会给工业自动化带来哪些影响?

2021-08-10 17:41:22 Mark Patrick,贸泽电子 阅读:
目前在用的有多种无线标准和协议,从处在其它连接难以到达或连接到运动部件的小型传感器简单无线I/O,到大型分布式无线传感器网络(WSN)以及工厂和过程自动化等。无线技术都能够提供多种优势,也有一些值得注意的问题。

连接是工业4.0中实现工厂车间,边缘和云端之间数据交换的基本要素,这样才能将工业资产转换为网络实体系统。无线连接对工厂的所有者和操作员都非常具有吸引力,主要有以下优势:更高灵活性,可以在生产区域中对设备进行重新定位和重组,能有机会访问以前未连接的资产,以及通过引入新设备即可进行扩展生产能力,而无需进行复杂计划和昂贵的重新布线。此外,支持移动性的无线标准能够使自动驾驶汽车(AGV))等新型连接设备与工厂管理系统集成。ce2ednc

目前在用的有多种无线标准和协议,从处在其它连接难以到达或连接到运动部件的小型传感器简单无线I/O,到大型分布式无线传感器网络(WSN)以及工厂和过程自动化等。无线技术都能够提供多种优势,也有一些值得注意的问题。ce2ednc

行业从有线转移到无线网络

蓝牙®是一种广为熟知的无线标准,可以为工业应用带来易用性和规模经济等优势。ce2ednc

蓝牙可能是用于消费者个人区域网络的最著名的无线技术,诸如跳频扩频(FHSS)和内置安全功能(包括加密和身份验证)之类的属性可以满足共存、安全和防黑客攻击等工业要求。它为以太网端口适配器提供了使用PROFINET等协议传输控制数据的可靠方法。管理人员还可以使用配对的智能手机通过蓝牙技术轻松地将固件更新用于设备,而无需连接电缆。ce2ednc

Phoenix Contact Wireless MUX等电缆替代解决方案依靠蓝牙技术来简化配对以及与控制器的连接,而无需进行配置或设置。当少量数字或模拟信号需要在控制器和吊塔(gantry)或机械臂等移动组件上的传感器之间交换时,这种连接特别有用。一对Wireless MUX最多可替换40条信号电缆。ce2ednc

另外,对于低数据速率或更远距离的连接,以及要求低功耗的应用场景,通常首选sub-GHz无线电技术。尽管标准协议带来了多供应商之间互操作性之类的好处,但专有协议却可以提供针对特定应用优化的小型软件堆栈和功能优化等优势。低于1GHz的技术可以实现廉价的点对点连接。ce2ednc

工厂和过程自动化挑战

在通过网络交换控制信号以管理自动化机械和过程时,及时性至关重要。就有线连接而言,已经开发了以太网时间敏感网络(TSN),能够保证具备高确定性和高可用性的实时性能。合适的无线网络技术必须具有正确的流量管理类型,以保证确定性延迟时间达到最小,从而实现及时通信以控制高速机械,并最大程度地降低附近员工面临的安全风险。ce2ednc

Wi-Fi可能是能够满足要求的候选技术。但是,尽管Wi-Fi最大数据速率可以支持工业过程控制应用,但是由于初始的IEEE 802.11 WLAN标准主要是针对家庭和办公室环境,延迟和确定性并不是最初Wi-Fi应用的主要优势。较新的规范IEEE 802.11n,802.11ac和以及最新的IEEE 802.11ax(也称为Wi-Fi 6)规范引入了旨在帮助Wi-Fi解决工厂自动化应用的增强功能,其中包括更高的数据吞吐量和数据速率,更快的净信道评估(CCA)以及在Wi-Fi 6中的参数化空间复用(PSR)等技术,对于所有使用无需授权无线电频谱技术,必须采用强制性先听后说(LBT),上述较新规范能够将由此导致的延迟时间降到最低。因此,较之以前的标准,新近发布的标准更适合工厂和过程自动化等应用。ce2ednc

在工业环境中采用无线技术时要考虑的另一个重要问题是,应用环境中通常包含可能影响数据速率、连接距离和可靠性的因素。大型金属物体会反射无线电波,如机械和建筑物的甲板和卷帘门等某些部分,这些物体会引起多路径问题,而厚壁和隔板会阻碍或衰减信号。此外,其他无线电信号源,例如RFID设备和附近的办公室Wi-Fi网络,也会对环境造成干扰。ce2ednc

轻量级蜂窝连接

随着物联网(IoT)和工业物联网(IIoT)的出现,人们需要在短距离点对点无线技术无法达到的距离范围连接远程设备。蜂窝和低功耗广域网(LPWAN)技术都可以提供此类解决方案。从历史上看,蜂窝网络被设计为提供高带宽和大信道容量,以满足消费者的移动通信需求。因此,对于低数据速率应用,它们往往很昂贵且耗电。而LoRaWAN和Sigfox之类的LPWAN技术则可提供远程替代方案。ce2ednc

最近,作为4G蜂窝标准的一部分,用于机器对机器通信的窄带NB-IoT和LTE-M等新发布的标准可以更具体地定制以满足IoT运营商的需求。但是,这些规范仍然是定位于连接那些定期发送小量数据包的远程传感器,缺乏通过蜂窝连接实现远程过程控制所需的低延迟和确定性保证。ce2ednc

5G的到来现在可以改变所有这一切,从而使整个企业中的无线连接资产(见图1)能够某种需要而直接与网络通信,包括从无线I/O和传感器网络到时间关键的网络控制等。ce2ednc

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图1:5G可以满足从传感器到高速自动化等工业连接要求。(来源:5GACIA)ce2ednc

5G可以无所不能吗?

与之前的蜂窝通信技术不同,5G包括了超可靠低延迟通信(URLLC)和大规模机器类型通信(mMTC)等规范,目的是要满足高密度传感器网络和高速自动化等在内的工业应用需求。这些使5G连接能够满足过程自动化和工厂自动化等任务的要求,例如运动控制、控制器到控制器的通信、闭环控制以及与移动机器人和工厂资产管理的通信、远程监控和维护以及以前无法实现规模的分布式传感器网络等。 5G的高带宽、低延迟和可靠性将能够使增强现实(AR)应用更好地协助生产人员和服务技术人员。ce2ednc

5G可以与同一台机器或生产线上的有线技术集成,并且内置有安全性规定以确保可用性、完整性和机密性。此外,为了实现工业自动化应用,5G规范还可提供与有线以太网TSN集成在一起所需的功能。ce2ednc

虽然第三代合作伙伴计划(3GPP)负责开发5G标准,但互联工业和自动化5G联盟(5G-ACIA)以及成立,可以确保正在进行的标准开发能够继续满足工业用户的需求。ce2ednc

工厂和过程自动化对5G的应用要求

3GPP为工厂和过程自动化应用定义了四种流量类别,并为每种情形确定了服务质量(QoS)要求。 QoS的主要参数是服务可用性、服务可靠性、端到端延迟和用户体验的数据速率,一些次要参数包括消息大小、传输间隔、存活时间、用户设备(UE)速度、用户设备数量和服务区域。其它一些要求如及时性、定位和时间同步性、以及一般QoS要求等都适用于所有通信服务。ce2ednc

在这四个流量类别中,周期确定性通信要符合最严格的要求。对于这些要求,5G可确保运动控制应用的端到端延迟低至0.5ms,时间同步性优于1µs。ce2ednc

此外,该规范还可通过切片和隔离,使用户可以创建多个独立的虚拟网络来处理不同的通信任务。ce2ednc

随着5G的到来,各个组织也有机会设置专用网络(也称为非公共网络(NPN)),以防止工业应用的语音,视频和Internet流量QoS等进行公共服务。 NPN可以实现为安装在用户现场(例如工厂车间或工厂)的独立私有网络。另一方面,可以将NPN创建为托管在公共网络上的虚拟网络。在非公共和公共5G网络之间可提供服务连续性,并支持5G和4G核心网络之间的移动性。ce2ednc

随着5G着手准备在工业领域投入使用,西门子已经展示了在工业环境中的专用独立5G网络。该网络被用于测试5G在工业环境中性能的各个方面,例如无线通信的可靠性、实时性以及人机交互中的安全性。西门子计划在2021年春季推出首款工业5G路由器SCALANCE MUM856-1,它专为苛刻工业环境中的应用而开发,具有IP65防护等级,支持4G和5G,可在公共和私有5G校园网络等场所使用。ce2ednc

适用于站点范围部署的5G

随着制造业变得更加智能,更加自主,并且更加依赖于远程控制,管理和维护,对无线连接的性能要求变得越来越强烈。诸如蓝牙和Wi-Fi之类人们已经非常熟悉且非常成熟的标准也在不断演进,以满足对高可靠性、快速数据吞吐量和低延迟的需求。另一方面,5G现在为直接连接到各种工业资产提供了机会,能够提供所需的性能,规模和可靠性,可满足从大规模传感器网络到高速自动化的各种应用需求。ce2ednc

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