5G 對工業應用有哪些益處？

作者：貿澤電子Mark Patrick

5G 對工業應用有哪些益處？

首批 5G 網絡服務正如人們期待的那樣已經于 2018 年底推出，目前，在全球范圍內，這項革命性技術的推出步伐正在加快，大多數運營商已經為其市場提供了一定程度的 5G 服務。長期以來，工業制造領域一直被認為是 5G 技術的潛在采用行業和用戶，這主要是基于其低延遲屬性，可提供實時自動化和控制應用所需的網絡響應水平。在本文中，我們在工業自動化 (IA) 的應用環境下展望一下 5G應用，考慮一些新興應用，并討論一下目前的現實是否達到了5G炒作的程度。

工業制造領域的主要趨勢

工業 4.0 或第四次工業革命的概念最初是由德國政府提出，它旨在通過將德國制造的機械和設備出口到競爭日益激烈的工業市場來支持其GDP 增長，并認為未來的工業領域是一個以全球化、城市化、個性化和人口等變化不斷增大為特征的市場。

最近持續的新冠大流行和隨之而來的劇變放大了這些趨勢，更凸顯了運營靈活性的重要，并導致制造商加速對數字技術的依賴和投資。

工業 4.0 的核心是智能工廠，它能夠利用靈活、模塊化和多功能的生產技術來提高效率，同時保持產量和質量（圖 1）。智能工廠以靈活的流程取代了傳統的靜態、順序化生產系統，它是將人類專業知識與機器人技術、人工智能 (AI)、量子計算、工業物聯網 (IIoT)、5G 無線技術和 3D 打印等新興技術有機結合。

圖1：工業4.0是基于智能工廠，（來源：Deloitte（德勤））

許多工廠都受制于是否存在現成的有線網絡，這些網絡往往使用工業以太網、Profinet 和 CANbus 等通信協議來連接自動化生產系統中的各種傳感器、執行器和控制器。這些有線連接解決方案會導致相對不靈活的控制架構，即使對生產設施進行很小的修改也可能意味著非常耗時且成本昂貴的工廠重新配置。工業 4.0 需要強大而高效的無線通信來滿足智能工廠在延遲、可用性、抖動和確定性等方面的要求。工業4.0需要5G！

強大的5G使智能工廠成為可能

多樣化和異構的制造環境包含廣泛的自動化應用范例，具體分為 5 類：

●工廠自動化

●過程自動化

●人機界面 (HMI) 和生產 IT

●物流倉儲

●監控和預防性維護

其中許多用例需要實時響應和低延遲，而前幾代無線網絡無法提供這些。此外，工廠車間是一個極其嚴苛的操作環境，較高的電氣噪聲和干擾對許多以前的無線通信技術提出了巨大挑戰，而5G更強的網絡性能（圖 2）可用于解決其中一些問題，提高系統效率和靈活性。

圖 2：5G 的網絡功能支持廣泛的工業用例。（來源：5GACIA）

監控是自動化工廠中的一項關鍵功能，5G 的大規模機器類型通信 (mMTC) 功能非常適合大型無線傳感器網絡 (WSN) 的要求，這種網絡具有數量巨大的連接設備，更長的電池壽命(因此要求低功率通信）是避免耗時維護的關鍵特性要求。

運動控制和工業機器人需要精確和實時的響應能力，而這些則推動了（有線）工業以太網解決方案的時間敏感網絡 (TSN) 發展趨勢。憑借其可靠性和超低延遲，5G 的超可靠低延遲通信 (URLCC) 現在可為這些應用提供一種可行的無線替代方案，并支持云機器人。

虛擬現實、增強現實和人工智能 (VR/AR/AI) 是工廠環境中使用越來越多的三種相關技術，特別是在產品原型設計、培訓和維護以及機器學習等領域。 5G 的高吞吐量和低延遲能夠實現真正的云端邊緣處理，而那些高耗能的密集型計算可以在云端進行，通過使用連接在“邊緣”的不太復雜、成本更低設備（在工廠車間）完成。

5G實施的挑戰和機遇

5G實施并非沒有挑戰。為了保護先前的投資，5G 項目必須無縫集成到現有的通信基礎設施。室內覆蓋從來都不是移動網絡運營商 (MNO) 的優先事項，而 5G 頻率的傳播特性使情況變得更糟，尤其是現在的工廠存在極具挑戰性的射頻 (RF) 環境。

Open-RAN 技術的發展正在降低 5G 無線接入網絡 (5G RAN) 的擁有成本，使非公共網絡 (NPN) 部署成為企業的現實選擇，無論是直接部署還是通過越來越多的專業系統部署集成商。世界各地的監管機構都認識到 NPN 在 5G 部署中的重要性，并正在為喜歡這種選擇的機構提供專用的高性價比頻譜。

NPN 可設計為滿足工廠的某些特定運營需求，但也可以在 NPN 和 MNO 的 5G 網絡之間混合和匹配網絡功能（圖 3）。例如，NPN能夠與公共網絡完全隔離，但可以與其共享RAN，它還可以共享 RAN 和控制平面功能，或者在某些情況下，完全由 MNO 托管。

圖 3：與公共網絡共享 RAN 是 4 個 NPN 部署選項之一。（來源：5G-ACIA）

結論

工業領域自動化水平的提高催生了對 5G 網絡功能的需求，隨著生產周期縮短，制造商需要管理定制需求和預期的上市速度，5G 在不影響吞吐量或響應能力的情況下能夠實現無線部署的靈活性。

如需了解更多關于5G的信息，請訪問貿澤電子的“Empowering Innovation Together（一起推動創新）”網站： https://www.mouser.com/empowering-innovation/5G。

關鍵詞： 工業應用 人工智能 能夠實現 解決方案 預防性維護