Figura 1: Industria 4.0 se bazează pe fabrica inteligentă (Sursa: Deloitte)
Sectorul producției industriale a fost de mult timp evidențiat ca un potențial adoptator și utilizator al tehnologiei 5G. Acest lucru se bazează în primul rând pe atributele sale de latență redusă, care oferă un nivel de reacție a rețelei necesar pentru aplicațiile de automatizare și control în timp real. În acest articol analizăm 5G în contextul automatizării industriale (IA – Industrial Automation), luăm în considerare unele aplicații emergente și ne întrebăm dacă realitatea va fi pe măsura așteptărilor.
Tendințe cheie în sectorul producției industriale
Conceptul de Industrie 4.0, sau a patra revoluție industrială, a fost dezvoltat inițial de guvernul german. Acesta urmărea să sprijine creșterea PIB-ului prin exporturile de mașini și echipamente fabricate în Germania pe o piață industrială din ce în ce mai competitivă. O piață caracterizată de niveluri sporite de globalizare, urbanizare, individualizare și schimbări demografice.
Aceste megatendințe au fost amplificate de pandemia actuală și de tulburările care au urmat, subliniind importanța flexibilității operaționale și determinând producătorii să își sporească încrederea în tehnologiile digitale și investițiile în acestea.
În centrul Industriei 4.0, se află fabrica inteligentă, care utilizează tehnici de producție flexibile, modulare și versatile pentru a îmbunătăți eficiența, menținând în același timp producția și calitatea (figura 1). Fabrica inteligentă înlocuiește sistemele tradiționale de producție statice și secvențiale cu procese flexibile. Ea combină expertiza umană cu tehnologiile emergente, cum ar fi robotica, inteligența artificială, (AI), calculul cuantic, internetul industrial al lucrurilor, (IIoT), tehnologiile wireless 5G și imprimarea 3D.
Multe fabrici sunt constrânse de limitările rețelelor cablate existente care utilizează protocoale de comunicație precum Industrial Ethernet, Profinet și CANbus, acestea conectând diverși senzori, actuatoare și controlere prezente în sistemele de producție automatizate. Aceste soluții cablate generează arhitecturi de control relativ inflexibile, unde chiar și mici modificări ale instalațiilor de producție pot însemna reconfigurări costisitoare și consumatoare de timp. Industria 4.0 are nevoie de comunicații wireless puternice și eficiente, care să poată oferi cerințele de latență, disponibilitate, fluctuație și determinism ale fabricii inteligente. Industria 4.0 are nevoie de 5G!
Capabilitățile îmbunătățite ale 5G permit crearea unei fabrici inteligente.
Figura 2: Capabilitățile de conectare în rețea ale 5G sprijină o gamă largă de cazuri de utilizare industrială (Sursa: 5GACIA)
Diferit și eterogen, mediul de producție cuprinde o gamă largă de cazuri de utilizare a automatizării, care se încadrează în 5 categorii:
- Automatizarea fabricilor
- Automatizarea proceselor
- Interfețe om-mașină (HMI) și IT de producție
- Logistică și depozitare
- Monitorizare și întreținere predictivă
Multe dintre aceste cazuri de utilizare necesită o reacție și o latență în timp real, pe care generațiile anterioare de rețele fără fir nu au fost în măsură să le ofere. De asemenea, fabrica este un mediu de operare dificil, cu niveluri ridicate de zgomot electric și interferențe care pun la încercare multe dintre tehnologiile anterioare de comunicații fără fir. Performanțele îmbunătățite ale rețelei 5G (figura 2) pot fi utilizate pentru a rezolva unele dintre aceste probleme, sporind eficiența și flexibilitatea sistemului.
Monitorizarea este o funcție-cheie în cadrul fabricii automatizate, iar capabilitatea mMTC a 5G (Massive Machine-Type Communications – comunicații masive de tip mașină) este ideală pentru cerințele rețelelor de senzori fără fir WSN (Wireless Sensor Networks), cu un număr mare de dispozitive conectate, unde durata extinsă de viață a bateriei (de aici și comunicațiile cu consum redus de putere) este o caracteristică esențială pentru a evita lucrările de întreținere care necesită un consum mare de timp.
Controlul mișcării și robotica industrială necesită precizie și răspuns în timp real, ceea ce conduce la tendința de a crea rețele sensibile la timp (TSN – Time-Sensitive Networking) pentru soluțiile Ethernet industriale (cu fir). Datorită fiabilității și latenței sale foarte reduse, URLCC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication) al 5G oferă acum o alternativă wireless viabilă pentru aceste aplicații și permite utilizarea roboticii în cloud.
Realitatea Virtuală, Realitatea Augmentată și Inteligența Artificială (VR/AR/AI) sunt trei tehnologii conexe utilizate din ce în ce mai mult în mediul industrial, în special în domenii precum prototiparea produselor, instruirea și mentenanța și învățarea automată. Viteza mare de transfer și latența redusă a 5G permit o procesare reală la marginea cloud-ului, în care calculele cu consum mare de energie pot fi efectuate în cloud cu ajutorul unor dispozitive mai puțin complexe și mai puțin costisitoare, conectate la “margine” (edge), adică la nivelul fabricii.
Implementarea 5G presupune provocări, dar și oportunități.
Implementarea 5G nu este lipsită de provocări. Pentru a asigura protecția investițiilor anterioare, proiectele 5G trebuie să se integreze fără probleme în infrastructura de comunicații existentă. Acoperirea în interior nu a fost niciodată o prioritate pentru operatorii de rețele mobile, (MNO – Mobile Network Operators), iar acest lucru este agravat de caracteristicile de propagare a frecvențelor 5G – în special în fabrici, care au un mediu de radiofrecvență, (RF) dificil.
Figura 3: Partajarea RAN (Radio Access Network) cu rețeaua publică este una dintre cele 4 opțiuni de implementare NPN (Sursa: 5G- ACIA)
Dezvoltările în domeniul tehnologiilor Open-RAN reduc costul de proprietate al rețelelor 5G RAN (5G Radio Access Networks), ceea ce face ca implementările de rețele nepublice (NPN – Non-Public Network) să devină o opțiune realistă pentru întreprinderi – fie direct, fie prin intermediul unui număr tot mai mare de integratori de sisteme specializate. Autoritățile de reglementare din întreaga lume recunosc importanța NPN în cadrul implementării 5G și pun la dispoziția celor care preferă această opțiune un spectru dedicat și eficient din punct de vedere al costurilor.
O rețea NPN poate fi proiectată pentru a satisface nevoile operaționale specifice ale fabricii, dar poate, de asemenea, să combine funcționalitatea rețelei NPN cu cea a rețelei 5G a operatorului local de telefonie mobilă (figura 3). De exemplu, NPN poate fi complet izolată de rețeaua publică, dar poate partaja RAN (Radio Access Network) cu rețeaua publică. De asemenea, poate partaja funcționalitatea RAN și a planului de control (Control Plane) sau, în unele cazuri, poate fi complet găzduită de operatorul de rețea mobilă (MNO).
Concluzie
Nivelurile crescute de automatizare în sectorul industrial au creat o cerere pentru capabilitățile rețelelor 5G. Pe măsură ce duratele de producție se scurtează, iar producătorii reușesc să gestioneze cerințele de personalizare și ritmul așteptat de lansare pe piață, 5G permite flexibilitatea implementărilor wireless fără a compromite capacitatea de procesare sau viteza de reacție.
Pentru mai multe informații despre 5G, vizitați site-ul Mouser “Empowering Innovation Together“: https://www.mouser.com/empowering-innovation/5G, și urmăriți următoarele articole din această serie.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter