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一文彻底搞懂|工业5G技术与应用的现状和挑战

来源:控制工程网2023.04.10阅读 15824


此图片来源:西门子

  由于可以在恶劣条件下更好的提供现场支持,更好地连接设备和机器, 5G正在成为满足工业过程要求的先进无线技术
  在整个过程工业应用无线通信,有助于实现工厂的高效运营。例如,ISA100.11a是一种可靠的工业无线标准。符合ISA100要求的设备,遍布从过程监控到闭环控制等诸多应用。另一种技术是可用于资产监控应用的低功耗、广域(LPWA)无线网络,其特点是各种节能技术和远程通信。无线通信还可用于现场连接手机和平板电脑等移动设备,从而提高现场操作的效率。
  过程工业和其它制造业正在引入数字技术,以进一步提高生产效率。作为一项核心技术,无论部署在何处都能提供连接的无线通信变得越来越重要。与此同时,无线通信需要满足各种应用的需求,这一点也变得越来越具有挑战性。例如,为了支持现场工人,必须确保在整个工厂内的可靠连接。更精确地控制移动机器人,需要高可靠性和实时交互。
  此外,为了利用人工智能(AI)实现工厂的自主运营,现场部署了许多传感器。连接这些传感器、获取大量数据并将其传输至基于AI的分析,需要大容量通信。5G正在成为满足工业过程要求的先进无线技术。
  01 5G通信特性概述
  继3G和4G/LTE之后,“5G”是第五代移动通信系统。虽然这几代系统更多地是为个人通信服务而开发的,但5G也可用于物联网(IoT)网络基础设施,物联网将连接日常生活、制造业和其它行业的所有设备和物体。
  如图1所示,国际电信联盟的无线电通信部门(ITU-R)定义了5G通信的三个特性:增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低延迟通信(uRLLC)以及大规模机器通信(mMTC)。以下的章节描述了对每个通信特性的性能要求。请注意,没有必要同时满足所有要求,例如,用20Gbps的高速通信同时连接100万个终端。

▲5G通信的三个特性及其实际应用。图片来源:Yokogawa

  ● 增强型移动宽带
  5G专注于提高宽带无线通信的数据吞吐量,这在前几代中已经得到了增强。智能手机和其它移动终端的宽带服务,就是利用这一特性的典型案例。需求包括高达20Gbps的通信速度和对特定区域用户的大约100Mbps的稳定通信带宽。
  ● 超可靠低时延通信
  5G旨在实现高可靠性、低延迟和实时的无线通信。该特性适用于关键工业应用,如生产控制、远程手术和智能电网。要求包括1ms或者更短的无线延时,和99.999%或更高的数据包接收成功率。
  ● 大规模机器通信
  这一特性意味着同时连接许多通信量低的终端。假设具有大量廉价的、电池供电的设备的应用(如物联网传感器)。要求包括每平方公里容纳100万个以上终端的能力,以及出色的节能特性,可以由电池供电运行10年以上。
  02 5G中的专用频谱
  大多数现有的无线通信技术,如Wi-Fi和ISA100.11a,使用非许可的频谱(例如,2.4GHz频带),这样用户无需许可证即可使用。这种非许可的频谱可用于多种场景,用户数量无上限。然而,同一频段上的不同无线系统之间存在相互干扰的风险。
  5G和其它移动通信系统通常使用许可频谱.许可频谱只能由被许可方使用,因此不易受到其它系统的无线电干扰。这提供了更可靠的无线通信。由于通信的可靠性在工业应用中至关重要,专用频谱是5G与非许可频段无线技术的区别。分配给5G的频段因国家和地区而异,但预计将使用“Sub-6”和毫米波频段:
  ● Sub-6(小于6 GHz):该频段在覆盖面积和通信容量之间具有良好的平衡。在一些国家,分配的频段为3.7 GHz和4.5 GHz。
  ● 毫米波(24 GHz及更高):由于具有高都的方向性,这种高频无线电波无法轻易绕过障碍物,但宽带可以提供更高的通信容量。在日本等国家,已经分配的频段为28GHz。
  03 运营专用网络(本地5G)
  现有的移动通信系统通常被设计为在由移动网络运营商建立的全国性网络中提供广泛的通信服务。另一方面,5G有望允许非电信运营商在有限的区域内建设和运营专用网络。专用网络可以根据应用定制通信性能,比如由于其独立于其它网络和用户,因此它们可应用于需要高安全性和高稳定性的应用场景。
  04 5G的国际标准化
  在一些国家,公司和地方政府预计将建设和运营自己的专用5G网络。表1比较了全国性运营商5G和本地5G的主要特点。除了分配给移动网络运营商的频段之外,Sub-6(4.5GHz频带)和毫米波频带被分配给本地5G。获得许可证后,当地运营商可以在其区域内独家使用这些频段。
  由主要国家和地区的标准化组织领导的第三代合作
  伙伴计划(3GPP),正在开发移动通信系统的标准。继3G和4G/LTE之后,3GPP正在开发符合ITU-R需求的5G标准。

▲比较运营商5G和本地5G的特点,展示其在运营商、通信、许可、干扰、定制和安全方面的差异。

  5G有望用于传统移动通信行业和更多其它行业。纳入工业应用所需的新要求,是成功制定标准的一个重要因素。每个行业都成立了专注于5G应用的国际研讨会,并与3GPP合作制定5G标准。制造领域于2018年4月成立了5G产业自动化联盟(5G-ACIA)。来自制造业和电信业的主要公司正在积极参与并探讨5G技术在制造业中的应用。
  05 过程工业的五个潜在应用
  在制造业领域,不同现场应用对通信的要求各不相同,例如远程资产监控、过程监视和控制、现场工人移动终端的连接以及移动机器人的操作。如前所述,5G有望被用作无线基础设施,能够引入各种无线工厂应用。此外,那些能最好地利用5G的通信特性的应用正在开发中,以促进制造业的数字化远程操作。图2展示了工厂潜在的5G应用案例。
  1.移动设备的现场操作支持
  移动设备正在被部署到现场以提高工作效率,例如巡视和检查工厂设施。当前网络覆盖范围和现场带宽的限制,使得通过无线通信对应用的支持受限。5G将以更高的速度和更低的延迟,在工厂内任何区域实现宽带无线通信。
  增强现实(AR)是5G增强移动宽带的应用场景之一。尽管AR需要大量数据,但它可以将高清图像叠加到目标设备上,并将其实时显示在工人的平板电脑或可穿戴终端设备上,从而提供直观的解决方案。现场工人可以在参考叠加的工作程序的同时操作目标设备,或者与远程位置的技术人员实时共享图像并获得具体建议。该用例不仅有助于提高现场工作的效率、可靠性和安全性,而且还可以通过实践更有效地传承技能。
  2.具有高清图像的远程监控
  5G比上一代的4G/LTE有更大的容量,尤其是在上行通信方面。这样就可以实时传输4K或更高分辨率的视频。在工厂中,一个潜在用途就是使用无线摄像头进行远程监控。当图像的清晰度高到足以区分液体表面颜色的细微变化或管道的腐蚀时,就可以远程进行目视检查。高分辨率图像也可以用作AI分析的输入,它可以自动检测异常情况,如未经授权的人员入侵或火灾等情况。
  3.云机器人
  随着工作人口的减少,移动机器人有望确保工厂安全、可靠地运行。机器人在整个工厂内自主移动,代替工人执行危险区域的巡视任务。无人机可以执行高空作业,而这对工人来说是危险的。“云机器人”正成为一项大有前途的技术。由于云端的控制功能不受机器人计算性能的限制,因此可以部署高级控制功能。
  利用其高速和大容量的特性,5G可使移动机器人实时无线连接到云端的控制功能。使用云端大量的计算资源并实时处理大量传感器数据,例如来自机器人的相机图像和位置数据,将有可能执行更精确的态势分析和控制。5G提供的超可靠和低延迟特性,使其可用于紧急的、时间敏感型通信,从而可以避免机器人和移动过程设备之间的碰撞等事件。
  4.无线/云控制系统
  现有的无线技术无法同时实现高可靠性和低延迟,但可以通过5G实现。这使得5G可应用于关键任务。一种可能的应用是将分布式控制系统(DCS)的一部分无线化,以降低在广泛的工厂区域内安装和维护通信电缆的成本。还可以添加和修改监测点,而无需对通信电缆进行任何操作。
  此外,如果5G能够确保现场设备和云之间的高可靠性、低延迟通信,则控制器和其它DCS功能可以配置在云中,同时保持关键任务的性能。除了外部云系统外,5G还可与多接入边缘计算(MEC)一起使用,MEC将在网络中构建一个低延迟计算平台。当在MEC平台上实现控制应用时,可以启用云控制服务,无需互联网或其它网络,就可以充分利用5G的高可靠性和低延迟。
  5.互联的传感器以实现数字孪生
  数字孪生是网络空间中实际工厂的数字实现,是实现工厂运营数字化转型的基础。应用不限于静态数字工厂设计信息。数字孪生实时反映真实的工厂状况,可通过仿真和AI分析实现预测维护和优化运营。
  为了更精确地同步物理设备和数字孪生设备的状态,企业必须准确掌握设备、管道和其它资产的状态以及天气和其它工况。为此,工厂必须安装许多传感器。为了满足这一需求,每个传感器必须是无线的、价格低廉的,并且能够在无需更换电池的情况下运行数年。5G可以同时连接多个设备的特性,是实现这一应用的关键。

▲工厂潜在的5G应用案例包括对移动设备的支持、远程监控、云机器人、无线/云控制系统、用于数字孪生优化的增强型传感器连接。

  06 工业5G应用的现状和挑战
  尽管在工厂中的潜在应用案例很多,但5G尚未在过程工业中获得广泛实施。工业5G应用仍面临着很多挑战。
  为了满足消费者和工业应用的需求,5G必须支持多种功能。5G标准正在以不同优先级、分阶段的方式开发。2018年发布的第一个5G标准3GPP R15版本,侧重于为消费者提供增强型移动宽带。
  R16和更高版本的5G标准,包括了可用于工业应用的功能。它们增强了高可靠性、低延迟通信和专用网络,还支持与时间敏感网络(TSN)的互操作,这是自动化领域的一项基本网络技术。尽管5G R16于2020年7月发布,但截至2021年7月,符合这些要求的产品尚未在工业市场广泛销售。2022年6月,R17版本的协议编码冻结,标志着5G的增强标准正式完成。
  工业领域的功能将在R18和更高版本(5G-Advanced)标准中得到进一步增强。虽然5G提供了高可靠性、低延迟和多点同时连接等先进的工业功能,但需要进一步开发5G标准、合规产品和基础设施来支持这些功能。
  为了使潜在的用例在工厂中广泛实施,标准、产品和基础设施必须成熟。此外,有必要证明新5G技术的投资回报。尽管规范显示:5G技术优于现有的无线通信,但5G的商业价值才刚刚显现。

▲概念验证测试配置使用新算法和5G,来解决棘手的先进过程控制挑战。

  07 使用5G的远程控制技术概念验证
  横河电机和NTT Docomo公司成功完成了使用5G的远程控制技术的概念验证(PoC)测试。PoC测试包括一个基于AI的自主控制云环境,使用横河电机和奈良科学技术研究所开发的阶乘内核动态策略编程(FKDPP)算法,以及Docomo提供的5G移动通信网络。该验证用于测试仿真过程运营的控制,确定5G在远程控制实际工厂过程方面的技术优势。
  虽然PoC是一个充满希望的步骤,但仍需进一步测试,以开发工业5G解决方案清晰的商业价值。例如,通信可靠性和延迟相关问题仍有待长期研究。近年来,将生产设施部署在偏远或危险地区的趋势,推动了对远程工业运营日益增长的需求,并改变了人们的工作方式。一种可能的解决方案是在工厂部署高速无线通信边缘设备,并使用基于云的自主AI技术实时控制设备。
  08 5G和基于云的自主控制AI
  FKDPP算法已被证明是一种可行的自主控制AI解决方案。2022年2月,一家化工厂结束了为期35天的现场测试,在测试中FKDPP成功控制了某工艺过程,该工艺过程难以使用现有的比例-积分-微分(PID)?和先进过程控制(APC)实现自动化,这些过程之前都是由人工手动完成的。FKDPP和云与5G的结合,提供了低延迟和连接许多设备的能力,有望成为实现工业自主控制的核心技术。
  该展示旨在验证:可以通过5G网络,在云中使用FKDPP算法来控制三水箱液位系统。设定目标水位,执行低至高速控制周期的测试,结果确认了移动通信延迟对FKDPP控制的影响。测试表明:与4G相比,尤其是在高速控制的情况下,5G提供了更低的延迟,相对于目标水位的超调量更小,并且能够处理短至0.2秒的控制周期,从而实现了更稳定的质量和更高的能源效率。 
  许多行业开始考虑使用5G无线通信技术来加速数字化转型。高可靠性、低延迟和同时连接多个设备的功能,对工业应用至关重要。为了实现更广泛的应用,需要不断完善5G标准,提供更成熟的合规产品和基础设施,并向用户展示5G带来的独特优势和价值。(作者 | Hideo Nishimura)