Немецкая ассоциация машиностроительной промышленности (VDMA) недавно опубликовала свой отчет «5G в машиностроении и промышленном строительстве — руководство по интеграции 5G в продукты и производство». Специалисты из LAPP активно участвовали в разработке двух приложений. Цель заключалась в том, чтобы дать инженерам-механикам и инженерам-технологам практическое представление о потенциальных приложениях и проблемах внедрения 5G в производство.
Вы уже знакомы с утверждениями о том, что 5G произведет революцию в мобильной связи, и не только с точки зрения общедоступных мобильных сетей. На сегодняшний день использование таких технологий для беспроводной связи в промышленности, особенно в среде автоматизации, было немыслимо из-за недостаточного покрытия сети, возможности работы в реальном времени и гарантированной пропускной способности. Но 5G — другое дело.
На самом деле это может оказаться интересной технологией для промышленности. Для этого есть несколько причин: низкие значения задержки до 1 мс обещают возможность работы в реальном времени, что является основой для автоматизированных высокоскоростных производственных процессов. Повышенная надежность и доступность сети, улучшенные функции локализации, количество абонентов до 1 миллиона устройств на км2 с пиковой скоростью передачи данных до 10/20 Гбит в восходящем/нисходящем канале и, что не менее важно, централизованно контролируемое распределение лицензированных частот для промышленности. Таким образом, благодаря 5G на территории компании можно создавать защищенные и безопасные сети. Пользователи могут эффективно комбинировать Industrial Ethernet, TSN и 5G. Это еще больше сблизит миры ОТ и ИТ. Операторы мобильной связи внезапно станут сидеть за одним столом с производителями оборудования.
В настоящее время 5G все еще находится в начале своего выхода на рынок с созданием сетей общего пользования. Уже начались первые разработки промышленных устройств. Функции, представляющие интерес для критических промышленных приложений в реальном времени, еще впереди. Ожидается, что спектр приложений продолжит развиваться в течение следующих нескольких лет по мере увеличения периода задержки.
Беспроводная связь в промышленности: новые возможности
Беспроводные технологии используются в промышленности уже давно. Wi-Fi и Bluetooth используются в качестве стандарта для таких приложений, как ручные сканеры или транспортные системы без водителя (AGV). В определенных случаях беспроводная связь также используется для критически важных приложений в реальном времени для передачи полевых шин и данных управления через беспроводные соединения. Цели, которых пользователи надеются достичь с помощью беспроводных систем, разнообразны. В движущихся приложениях в оборудовании, где кабели изнашиваются из-за постоянного движения, беспроводная передача данных может уменьшить этот износ. Беспроводная технология также решает проблемы в мобильных приложениях, где кабели ограничивают мобильность.
В других приложениях в производственной среде беспроводные системы на сегодняшний день достигли лишь ограниченного распространения. Во многом, это связано с тем, что преимуществ беспроводной связи недостаточно, чтобы оправдать ее использование для удовлетворения требований промышленности, поскольку процессы промышленного производства зависят от управляющих данных в реальном времени. Однако с помощью существующих беспроводных технологий можно было надежно передавать данные в реальном времени для сигналов управления PLC только для относительно медленно выполняющихся процессов.
5G теперь приносит с собой механизмы, которые должны повышать надежность соединения и, таким образом, дают надежду на то, что 5G как радиотехнология сможет проникнуть в другие промышленные приложения. Это обещает, например, функция 5G MMIMO (Massive Multiple In Multiple Out). MMIMO означает, что используется значительно больше антенн, чем раньше (UMTS/LTE). Этот метод также обеспечивает так называемое формирование луча. Участники могут выбрать самый сильный из нескольких сигналов. Это обеспечивает лучшее покрытие и, следовательно, большую стабильность соединения. В то же время возможно больше участников — с меньшим потреблением энергии и, при необходимости, с большей пропускной способностью.
В 5G TSN (Time Sensitive Network) представлен как протокол реального времени. TSN, который давно обсуждается для промышленных сетей, также должен обеспечить поддержку 5G в реальном времени. В последнем расширении 5G будут возможны циклы связи менее 1 миллисекунды. По сравнению с сегодняшними радиотехнологиями, гораздо более динамическими процессами можно управлять по беспроводной сети.
Другими важными критериями использования в производстве являются простота и удобство обслуживания. Специалисты по автоматизации, как правило, не являются ИТ-специалистами, и надежная работа сети Wi-Fi уже ставит перед ними серьезные проблемы. Обслуживающий персонал должен иметь возможность исправлять ошибки машинной связи без длительных простоев производства, например, во время ночной смены и без глубоких знаний в области ИТ. Беспроводная технология должна быть такой же простой, как и эквивалентные кабельные сети. В настоящее время неисправный кабель или переключатель можно быстро и легко заменить без специальных знаний в области электрики.
LAPP вносит свой вклад в рекомендации VDMA 5G
В течение некоторого времени LAPP, мировой лидер на рынке интегрированных кабельных решений, уделял много энергии проблеме 5G и теперь убежден, что без кабелей не может быть беспроводной связи. LAPP рассматривает 5G как дополнение к своим решениям, а не как угрозу. Вот почему компания была рада поддержать VDMA в создании его практических руководств. В недавней публикации эффективные преимущества оцениваются с точки зрения машиностроения и промышленного производства, рассматривая ряд различных приложений. Компания LAPP сотрудничала с пользователями и производителями. Поддержку партнерам оказал Fraunhofer IIS, который предоставил нейтральные технологические знания и методологию, собрал заявки и подтвердил соответствующие возможности 5G. LAPP помогла разработать два приложения и была готова открыто обсудить с конкурентами возможности, предоставляемые 5G. Результаты показывают, что, хотя многие приложения могут быть реализованы с помощью 5G, но это не обязательно, как, например, показаны уже существующие решения от LAPP и других производителей для профилактического обслуживания. Что касается других приложений, грядущие выпуски 5G 16 и 17 должны будут показать, действительно ли 5G предлагает достаточные возможности в реальном времени.
Варианты 5G в машиностроении
В рекомендациях VDMA 5G описано в общей сложности десять различных приложений использования в промышленной среде. LAPP участвовала в разработке таких примеров применения, как «Пути передачи данных в реальном времени в приложениях, подверженных износу» и «M2M/Удаленный ввод-вывод с полевой шиной». Однако именно приложение «Беспилотные транспортные системы (AGV)» представляет особый интерес с точки зрения использования 5G.
Руководящие принципы показывают, что беспилотные транспортные системы (AGV) являются одним из наиболее подходящих приложений для 5G. С одной стороны, необходимые значения задержки находятся в диапазоне, достижимом с помощью 5G. С другой — 5G, вероятно, сократит время роуминга по сравнению с сегодняшним Wi-Fi.
Время роуминга — это время, необходимое для перевода абонента с одной точки доступа на другую. Если он слишком длинный, AGV останавливается. При подключении по Wi-Fi это может занять 30–50 мс.
Использование 5G значительно сокращает это время, поскольку нет необходимости входить и выходить из системы. Еще один положительный эффект: при использовании 5G возможно значительно уменьшить время задержки (время задержки для передачи пакета данных), в сравнении с Wi-Fi. Это также обеспечивает безотказную работу AGV. Еще одна интересная особенность 5G — функция локализации, где цель — 20 метров в версии 15 и всего 3 метра в версии 16. Можно предположить, что последующие версии принесут дальнейшее повышение точности, что делает использование AGV еще интереснее.
Другое возможное применение — передача данных по полевой шине на базе Ethernet, например PROFINET через 5G. Беспроводная технология может быть интегрирована непосредственно в децентрализованную систему ввода-вывода (=удаленный ввод-вывод). В свою очередь, это позволит подключать и передавать несколько датчиков или исполнительных механизмов. В движущихся приложениях, где кабели Fieldbus изнашиваются в кабельных цепях или роботах, сигналы могут передаваться по беспроводной сети с нулевым износом. В версии 15 будет достаточно возможной задержки в 5 мс для этой цели, но не для быстрого управления сервоприводами.
Позиция LAPP по 5G
Является ли разработка беспроводной связи утопическим идеалом, станет ясно в ближайшие десятилетия. LAPP хорошо осведомлена о влиянии 5G на передачу данных и сети в будущем и готовится к этому. Для LAPP интересны не только изменения в передаче данных в среде автоматизации, т. е. непосредственно на производствах и заводах, но и необходимые расширения инфраструктуры в отдельных странах и на производствах, так называемых магистральных сетях. Больше оптоволокна, больше медных кабелей, новых антенных мачт и точек доступа.
Будущую инфраструктуру 5G в городах и населенных пунктах необходимо будет подключить к сети. Благодаря беспроводным решениям с помощью кабелей станет возможна желаемая свобода передвижения на предприятиях, поскольку точки доступа в цехах по-прежнему зависят от них. LAPP убеждена, что 5G и все другие существующие беспроводные технологии представляют собой идеальное дополнение к решениям для проводной связи, каждое из которых имеет свои собственные преимущества и недостатки. 5G многое изменит, но не все. Однако мобильность абонентов связи в промышленных приложениях явно повысится.
IoTKey®
LAPP работает над промышленными беспроводными решениями, которые используют синергию проводных и беспроводных сетей. Одним из примеров является система IoTKey® от LAPP. Это система, которая может передавать данные датчиков в облако по беспроводной сети. IoTKey® состоит из трех основных компонентов: передатчика LoRa, шлюза GSM и облачного портала IoTKey®. Ключевой особенностью здесь является сочетание нескольких беспроводных технологий и использование их соответствующих преимуществ.
LoRa — это особенно энергосберегающая беспроводная система для передачи данных с датчиков. Это позволяет полностью автономно работать от батареи в течение нескольких лет без ее замены. Сам шлюз передает данные датчика LoRa в мобильную сеть GSM. Это способствует использованию системы в любом месте при наличии сигнала мобильного телефона. Перенос системы IoTKey® на 5G может расширить спектр будущих приложений. Сочетание TSN с 5G также впечатляет. Что касается портфолио промышленных коммутаторов Ethernet ETHERLINE® ACCESS, LAPP рассматривает TNS как важную технологию будущего. TSN через 5G приведет к стабильной связи в реальном времени между проводными и беспроводными сетями.
Заключение
Но развитие также продолжается в области кабельной передачи. Однопарный Ethernet находится в стартовых блоках. Благодаря этой новой технологии Ethernet может передаваться с использованием всего двух медных проводов вместо прежних 4 или 8 проводов. Это дополнительно повышает рентабельность на нижнем уровне поля. И это то, чему, в конечном итоге, должен соответствовать 5G. LAPP будет пристально следить за развитием 5G и полностью изучать его потенциал для использования в других полезных приложениях.
